Повышение работоспособности бесшаботных молотов с гидравлическим механизмом связи

Развитие машиностроения связано с созданием энергои материалосбе-регающих, высокопроизводительных технологических процессов и оборудования, обеспечивающих снижение трудоёмкости или замену процессоврезания на экономичные методы формообразования изделий: Для изготовления* поковок пластичным формообразованием создают новые типы, технологических машин с большей производительностью, с уменьшенными габаритами и металлоёмкостью, шумом и вибрациями.

Молот является древним видом оборудования. К его достоинствам относят: возможность развивать большие силы при ударедеформировать материал в ничтожно малый промежуток времени, при котором он не успевает остыть и сохраняет пластические свойстваштамповать поковки с тонкими рёбрами, стенками, удлинённойформы, благодаря чему найти альтернативные методы изготовления таких поковок, взамен молотов, затруднительно.

К недостаткам молота, по которым он не удовлетворяет требованиям современного производства, относят: шум и вибрации, превышающие допустимые социальные нормысложности механизации и автоматизации техпроцессов.

В настоящее время в отечественной промышленности, особенно, при производстве поковок монтажного и медицинского инструмента, эксплуатируют преимущественно шаботные молоты (ШМ) простого действия с доской и цепью. Их считали более экономичными, чем молоты двойного действия, изза стоимости энергоносителя [1].

Несмотря на значительную потребность, производство молотов в стране не налажено. Медицинский инструмент изготавливали, в советское время, на к бесшаботных молотах (БШМ) чешского производства. В настоящее время они потеряли работоспособность, а отечественное станкостроение ничего не выпускает в их замен. Парк паровоздушных штамповочных молотов, созданный в СССР, для производства монтажного инструмента, шатунов и других деталей вытянутой формы, с тонкими полотнами, в настоящее время модернизируют, путём замены неэкономичных паровоздушных и воздушных приводов, на газогидравлические и гидравлические приводы, немецкого и китайского производства.

Новосибирский инструментальный завод (НИЗ) разработал и изготовил в 2006 г. ШМ с газогидравлическим приводом (ТТШМ). В> настоящее время он находится в опытнопромышленной эксплуатации. Эксплуатация ГГШМ на НИЗ показала, что дорогая немецкая аппаратура, на которой построена его система управления, повысила себестоимость продукции, изготавливаемой на нём. Вследствиенизкого уровнятехнологической подготовки и обслуживания оборудования импортная аппаратура быстро вышла из строя. Из этого опыта следует, что отечественную промышленность нужно оснащать более дешёвым отечественным оборудованием, системы управления которым выполнены на аппаратуре российского производства, разработанного с учётом уровня подготовки обслуживающего персонала и вспомогательных служб предприятий.

Таким образом, ввиду отсутствия в настоящее время высокопроизводительных и низких по себестоимости ШМ или БШМ отечественного производства, делает их создание актуальным.

Данная работа посвящена разработке и исследованию, бесшаботного молота (БШМ) с гидравлическим механизмом связи (БШМГС). Первый БШМГС, с энергией удара до 630 кДж. был создан в Германии в 1943 г. В' 1974 г. Всесоюзным научно — исследовательский институт металлургического машиностроения (ВНИИМЕТМАШ) имени А. И. Целикова (г. Москва), совместно с Новокраматорским машиностроительным заводом (НКМЗ г. Краматорск, Украина), изготовили БШМГС модели БМ -1500 с энергией удара до 1500 кДж. Несмотря на недостатки в его конструкции, о которых будет сказано во второй главе диссертации, эксплуатация БМ-1500 остаётся и в настоящее время экономически выгодной.

Экспериментальные конструкции БШМ создавали в СССР на заводе кузнечно — прессового оборудования (КПО) им. Калинина, в Экспериментальном научно-исследовательском институте кузнечного машиностроения (ЭНИК-маш), оба г. Воронеж, в-Харьковском авиационном институте (ХАИ). Но их производство м стране не было налажено.

В Специальном конструкторском бюро-по гидроимпульсной технике Сибирского отделения Академии, наук СССР (СКВ ГИТ СО АН), ныне Конструк-торско-технологический филиал Института Гидродинамики имени М: А Лаврентьева-(КТФ ИГ и Л) СО РАН, г. Новосибирск), где автор работал с 1966 по 1991 год, создавали высокоскоростные гидравлические и газогидравлические БШМ.

Под руководством автора, за период с 1975 по 1990 г., была разработана гамма БШМГС модели МШ, с энергией удара от 4 до 250 кДж, и молот высокоскоростной (МВС) модели Сибирь ЗМ, с энергией удара до1600 кДж.

Конструкции МШпосвоим санитарно — техническим показателям соответствуют требованиям современного производства. Шумы на них не превышают 95 дБ, вибрации снижены до требуемых норм.

При экспериментальной эксплуатации конструкций молотов модели МШ отработаны режимы штамповки поковок из различных сплавов и сталей. За прошедшие 16 лет с начала эксплуатации моделей МШ* осуществлена доработка их конструкции до уровня требований промышленной эксплуатации.

Автор обобщил результаты работ по совершенствованию и созданию БШМГС, разработал теорию расчёта и методологию их проектирования, и испытаний. Накопленный конструкторский и технологический опыт, позволит отечественной промышленности создать БШМГС, соответствующий требованиям современного отечественного и зарубежного кузнечного производства.

Актуальность, цель и задачи исследования.

В настоящее время заводы по производству монтажного и медицинского инструмента, самолётостроения и ракетостроения, атомного машиностроения испытывают потребность в современных, высокоэффективных и экономичных штамповочных молотах, а в технической литературе отсутствует методология* проектирования бесшаботных молотов с гидравлической связью ударных масс.

Цель работы: повышение работоспособности бесшаботных молотов с гидравлической связью масс путём совершенствования, их привода, узлов и деталей конструкции на основе исследований по динамическим моделям.

Для достижения, поставленной цели предполагалось осуществить, следующие задачи:

1. Провести системный анализ конструкций бесшаботных молотов с гидросвязью, эксплуатируемых-в промышленности, по «патентам и технической литературе с целью выявления их общих конструктивных признаков.

2. Разработать" обобщённые динамические моделиотражающие их общие физические, кинематические и конструктивные свойства.

3. Выполнить теоретический! анализ конструкций по обобщённым расчётным динамическим моделям для выяснения причин нарушения их работоспособности.

4. Устранить причины разрушения молотов, эксплуатируемых в промышленности, при создании гаммы молотов по новой конструктивной схеме.

5. Провести теоретические и экспериментальные исследования молотов, выполненных на основе новой конструктивной схемы, с целыо анализа эффективности принятых конструктивных решений по-повышению работоспособности их узлови деталей;

6. Разработать программу испытаний и методику проектного расчёта конструкций молотов, выполненных по новой конструктивной схеме, с целью проверки их работоспособности,.

7. Разработать способы регулирования эффективной энергии удара и программу управления бесшаботным молотом в процессе ручного управления и в составе автоматизированного комплекса.

Объект исследования — бесшаботные молота с гидравлическим механизмом связи и средства повышения работоспособности конструкции во взаимосвязи с технологическими процессами горячей и полугорячей объёмной штамповки.

Предмет разработки — повышение работоспособности бесшаботных молотов с гидравлической связью масс, средства их теоретических и экспериментальных исследований и испытаний, создать гамму молотов и автоматизированные комплексы с рациональными методами управления эффективной энергией, обеспечивающими высокую точность и производительность штамповки, а также защиту окружающей среды и персонала от: вибрацищ шума, поражения посторонними предметами.

Научная новизна заключается*в:

— обобщённой динамической модели, отражающей основные физические и кинематические характеристики бесшаботных молотов с гидравлической связью масс, классифицированных на основе системного анализа и разделённых на две группы;

— учёте влияния перемещения станины на изменение давления жидкости в гидросвязи и, как следствие, на параметры ударных масс при теоретическом анализе разгона по трёхмассовой расчётной динамической модели;

— доказательстве того, что динамические силы, снижающие работоспособность молота, возникают внутри конструкции^ вследствие рассогласования" в движениях ударных масс и штоков гидросвязи на нагрузочной и разгрузочной фазах рабочего хода;

— в изменении характера взаимодействия штоков гидросвязи и ударных масс на этапах разгона и рабочего хода, благодаря которому повышают давление жидкости в гидросвязи на нагрузочной фазе рабочего хода для снижения динамических сил внутри конструкции при отскоке;

— новой конструкции гидравлического механизма связи, оснащенного гидравлическими демпферами, пневмогидравлическими компенсаторами и устройствами остановки ударных масс и штоков связи в исходных положениях для осуществления иного по характеру движения штоков и ударных масс при разгоне и рабочем ходе;

— расчётных аналитических и компьютерных моделях, учитывающих влияние на параметры конструкции молота: адиабатического расширения воздуха приводаупругих, инерционных и диссипативных сил трения. и сопротивления течению жидкости по напорным и сливным трубопроводам;

— экспериментальном и теоретическом исследовании влияния соотношения масс, жёсткости гидросвязи, сопротивления" и времени открытия" сливного клапана на эффективную энергию удара.

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретического и экспериментального исследования-по разработанным аналитическим и компьютерным моделям, новые конструкции узлов и деталей молота, способы и средства его испытаний, системы улучшения качества поковок и управления, повышающие работоспособность бесшаботного молота с гидравлическим механизмом связи.

2. Конструктивные схемы бесшаботных молотов, реализующие: высокие скорости удараэкономичный приводновый механизм гидравлической связи и иной характер взаимодействия" штоков гидросвязи и ударных масс при разгоне и рабочем ходесредства для повышения-производительности и точности штамповки, а также устройства для защиты персонала и окружающей среды от поражений посторонними предметами, от шума и вибраций.

Методы исследования. Все разделы работы выполнены с единых методологических позиций с использованием основных положений теории конструирования и оптимизации, теории механизмов и машин с использованием методов структурного моделирования, численно-аналитических методов вычислительной математики и программирования, основ дифференциального исчисления и физических методов моделирования, основ теории физического эксперимента.

Практическая ценность и реализация результатов работы состоит в:

— создании гаммы бесшаботных молотов с гидравлической связью масс моделей: МШ — 250, МШ -16- МШ — 6,3, МШ — 4 и МВС — 1600;

— повышении КПД привода путём применения экономичных воздушного и гидравлического приводов, максимального сокращения сопротивления сливных каналов.

— повышении работоспособности ударных масс, путём, отделения от них штоков воздушного привода и гидросвязи, а также крепления штампа в под-штамповой плитевзамен крепления, его устройством типа «ласточкин хвост».

— улучшении качества поковок, повышении производительности молота и и стойкости штампа, путём снижения длительности контакта горячей поковки со штампом, вследствие разделения его верхней и нижней частей силой" тяжести нижней ударной массы, действующей после удара на нижнюю половину штампа;

— разработке программы и средств испытаний машин ударного действия, в том числе и молотов при сдаче Заказчику, с целью сокращения их простоев в процессе промышленной эксплуатации;

— совершенствовании системы управления молотом на основе её теоретических и экспериментальных исследований путём: увеличения точности регулирования эффективной энергии удараулучшения технологических возможностей молота при повышении скорости удара с 6 м/с до 15 м/с.

— защите оператора от: не с акционированных ударов, шума и вибраций;

— реализации новых технических решений по совершенствованию конструкций, защищённых авторскими свидетельствами и патентами;

— разработке на базе бесшаботного молота с гидросвязью автоматизированных комплексов для точной объёмной штамповки;

— реализации технологических процессов горячей и полугорячей штамповки поковок мелких и средних габаритных размеров аэродинамической техники, медицинского и слесарного инструмента, кумулятивных воронок и обтекателей, которые, вследствие их быстрого охлаждения, сложно изготовить на других видах кузнечно-штамповочного оборудования;

— передаче молотов мод. MUT в опытнопромышленную эксплуатацию (см. акты внедрения);

— использовании в учебном процессе по направлению «Машиностроительные технологии и оборудование» и специальности «Проектирование технических и технологических комплексов кузнечно-штамповочных и термических отделений».

Апробация работы и вклад соискателя.

1. Сделаны сообщения на Международной научно-технической'конференции «Новые наукоёмкие технологии, оборудование и оснастка, для обработки металлов давлением» — Донбасская государственная машиностроительная, академияа также на совещании специалистов НКМЗ, 2010 гна конгрессе «Кузнец — 2010» г. Рязань, на научном семинаре кафедры «Системы пластического деформирования».

2. Теоретические исследования, изложенные в. диссертации, выполнены лично автором. Экспериментальные исследования, расчёты на ЭВМ, практическая-реализация работы, создание новых видов оборудования были выполнены под руководством и личном участии < автора.

Публикации. По основным материалам диссертации опубликовано 43 печатных работы (одна монография, статьи, авторские свидетельства и патенты, свидетельство на промышленный образец) из них 17 в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ.

Структура иг объём работы. Работа состоит из введения, девяти глав, общих выводов, списка литературы из 118 наименований, включает 85 рисунков, 12 таблиц и приложение. Общий объём диссертации 346 страниц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 1. В диссертации решена крупная научная проблема, заключающаяся в разработке комплекса научно-обоснованных технических и технологических решений, направленных на повышение работоспособности бесшаботных штамповочных молотов с гидравлической связью масс (БШМГС), применяя г которых создали для целей промышленности гамму молотов мод. МШ с энергией удара от 4 до 250 кДж со скоростью удара до 15 м/стехнологические комплексы на их основеэкспериментальный образец мод. «Сибирь ЗМ» с энергией удара до 1600 кДж со скоростью удара до 20 м/с.

Реализация на молотах моделей МШ и «Сибирь ЗМ» технологий изготовления различных по габаритам, массе и геометрии поковок, горячей и полугорячей, открытой и закрытой штамповкой в условиях мелкосерийного и крупносерийного производства в ручном режиме и на автоматизированных комплексах даст значительный вклад в развитие экономики страны и повышение её обороноспособности за счёт снижения металлоёмкости и затрат на механическую обработку сложных по форме поковок, изготовленных из любых, в том числе и дорогостоящих высокопрочных и композиционных материалов.

2. Системным анализом технической литературы и патентов показано, что в мире эксплуатируют две группы бесшаботных молотов с гидравлической связью масс: с равными и с разными по величине ударными массами. Их теоретическими исследованиями определены причины возникновения динамических сил внутри конструкции. В молотах первой группы, теоретическим анализом по пятимассовой расчётной динамической модели при ударе установлено, что ударные силы возникают в конструкции молота из-за рассогласования в движениях боковых штоков и верхней ударной массы на нагрузочной фазе рабочего хода. Боковой шток приобретает на разгрузочной фазе рабочего хода скорость, превышающую его скорость при разгоне в 2 раза. Два штока наносят, например на мод. БМ-1500, удар по амортизаторам с энергией, равной ОД от номинальной эффективной энергии, вызывая разрушение резины амортизатора, а затем поломку верхней ударной массы и других элементов конструкции.

Для уменьшения динамических сил в молоте применили в молоте мод. МШ новый механизм взаимодействия ударных масс и штоков гидросвязи на этапах цикла. Он предусматривает торможение при разгоне и останов при рабочем ходе центрального штока гидросвязи. Боковые штоки, перемещаемые в жидкость гидросвязи силами привода и тяжести, создают в её замкнутом объёме на нагрузочной фазе удара давление. Оно, воздействуя на штоки, уменьшает рассогласование в движении их и верхней ударной массы при деформировании и снижает их скорость соударения при отскоке, обеспечивая работоспособность узла контакта «боковой шток — верхняя ударная масса» без резинометаллического амортизатора, имеющего низкую работоспособность в промышленных молотах.

3. В бесшаботных молотах с гидравлической связью масс динамические силы в конструкции возникают из-за удара нижней ударной массы движущейся ускоренно вниз при отскоке, по центральному штоку гидросвязи, приводящего к появлению гидроудара в жидкости и к разрушению гидромеханической системы молота, к колебаниям основания конструкции и окружающей среды.

Благодаря разности хода нижней ударной массы и центрального штока гидросвязи к началу отскока, установили в узле «нижняя ударная масса — центральный шток» гидравлический демпфер. Он заменил ненадёжный в работе резинометаллический амортизатор и трансформировал часть энергии отражения нижней ударной массы в теплоту жидкости и металла конструкции, что уменьшило скорость соударения ударной массы и штока, а также величину давления жидкости в гидросвязи и силы, действующие на фундамент.

4. Для реализации нового принципа взаимодействия штоков и ударных масс за цикл изменили конструкцию гидравлического механизма связи в молоте мод. МШ, оснастив его устройствами для: плавного торможения штоковограничения величины давления жидкости и сил, действующих на фундамент и окружающую среду, возникающих при неравенстве импульсов ударных масс при ударе и падении нижней ударной массы на центральный шток, вследствие разрушения облоя, с высоты, на’которую подняла её верхняя ударная масса.

Благодаря новой конструкции гидросвязи установлен в нижней ударной массе выталкиватель, гидравлическая система которого защищена от гидравлического удара, который может произойти в гидравлической полости гидроцилиндра выталкивателя из-за удара по заготовке, находящейся на его штоке.

Вследствие отделения нижней ударной массы от центрального штока гидросвязи при ударе происходит разделение верхних и нижних частей штампа при штамповке силой тяжести нижней ударной массы, что снижает длительность контакта горячей поковки со штампом и повышает стойкость штамповой оснастки.

5. В результате экспериментальных исследований молота мод. МШ с применением типовых и оригинальных датчиков получено схождение теоретических и опытных данных с точностью: скоростей и перемещений ударных масс до 12%- давления воздуха в пневмоприводе, жидкости в каналах связи и сливной магистрали до 20%- силы удара и продолжительности цикла до 12%- частоты собственных колебаний гидромеханической системы конструкции до 6%- эффективной энергии удара до 16%. Установлено, что гидромеханический КПД составляет 79%, а увеличение жёсткости механизма связи в 2 раза повышает эффективную энергию на 8,8%, но снижает работоспособность молота в виду роста напряжений в боковых штоках в 1,7 раза и давления жидкости в гидравлических полостях связи в 1,2 раза.

6. Проведено усовершенствование конструкции наиболее нагруженной при ударе верхней ударной массы, путём отделения штока привода от бабы, что стало возможным благодаря применению замкнутого по объёму пневмопривода. Шток привода выполнили в виде плунжера со сферическим торцом, посредством которого он опёрт о плоскость верхней бабы.

В связи с увеличением скорости удара до 15 м/с разработано крепление штампа к верхней и нижней бабе в подштамповых плитах, изготовленных из более прочного материала, чем материал бабы. Плита притянута к бабе шпильками, законтренными жёстко и изготовленными из качественной стали, пропущенными по всей высоте бабы и плиты по сквозным отверстиям в них. Замена крепления штампа клином в бабе на крепление его в плите повысило работоспособность ударных масс, о чём свидетельствуют многочисленные удары бойка о боёк, выполненные без поломок ударных масс и узлов крепления штампов при проведении приёмо-сдаточных испытаний мод. МГТТ.

7. Разработаны принципы регулирования и управления эффективной энергией удара на бесшаботных молотах с гидросвязью при ручном и автоматизированном режиме их работы путём: изменения давления воздуха, его объёма в пневмоприводе и величины хода разгона ударных массрегулирования сопротивления истечению рабочей жидкости из сливной управляющей полости гидропривода, способствующих повышению КПД привода и удара.

8. Разработана программа передачи молотов в эксплуатацию путём их испытаний: на работоспособность многократными ударами в автоматическом режиме по гидравлическому имитатору технологической силы, представляющему собой устройство оригинальной конструкции для многоцикловых испытаний ударных машин, а также в процессе отработки новых технологических процессовна выносливость и вибрационную устойчивость узлов, деталей и фундамента конструкции многочисленными ударами боёк о боёк с номинальной энергией в автоматическом режиме, с последующим визуальным контролем наиболее ответственных деталей и узлов молота, участвующих в ударе. Проведение испытаний молотов по предлагаемой программе обеспечит снижение их простоев из-за поломок при промышленной эксплуатации.

9. В соответствии с техническими решениями* по повышению работоспособности бесшаботных молотов созданы средства механизации и автоматизации на них штамповочных работ, защищенные авторскими свидетельствами. Получено Свидетельство на промышленные образцы мод. МШ-6,3, мод. МШ-250 и на автоматизированный комплекс для штамповки корпуса распылителя на базе мод. МШ- 4. В соответствии со Свидетельством на промышленный образец разработаны рабочие чертежи моделей МШ-6,3 и МШ- 250. Изготовлен промышленный образец мод. МШ-6,3. В настоящее время молоты моделей МШ' -6,3, МШ- 16, МШ -250 проходят опытнопромышленную эксплуатацию в Конструкторско — технологическом филиале Института Гидродинамики им. М. А. Лаврентьева Сибирского отделения Российской Академии наук.

10. На основе теоретических и экспериментальных исследований, опытно — промышленной эксплуатации бесшаботных молотов с гидросвязью целесообразно создавать в России парк из трёх типов высокоэффективных и надёжных в работе штамповочных молотов с новым механизмом взаимодействия ударных масс и штоков связи. Первый тип — бесшаботные ф молоты с равными ударными массами, с номинальной энергией от 6,3 до 16 кДж для изготовления поковок одноударной и многоударной штамповкой массой от 10 гр. до 1, 5 кг. Второй тип — бесшаботные молоты с разными по величине ударными массами, с номинальной энергией от 25 до 500 кДж для штамповки поковок массой от 1,5* до 40 кг. Третий тип — бесшаботные молоты с равными ударными массами, с номинальной энергией от 500 до 1600 кДж для изготовления поковок массой от 40 до 500 кг и более.