Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Вінницький державний технічний університет
УДК 621.744.47
Спеціальність 05.02.03 –Системи приводів
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Вінниця –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Вінницькому державному технічному університеті (ВДТУ) Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент Вірник Микола Миколайович, ВДТУ, доцент кафедри металорізальних верстатів та обладнання автоматизованого виробництва.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Пономарчук Анатолій Федосійович, ВДТУ, професор кафедри теплоенергетики, газопостачання та інженерного забезпечення будівництва;
кандидат технічних наук, доцент, Паламарчук Ігор Павлович, Вінницький державний аграрний університет, доцент кафедри автоматизації та комплексної механізації технологічних процесів.
Провідна установа
Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, кафедра конструювання верстатів та машин, Міністерство освіти і науки України, м. Київ.
Захист відбудеться ““ 2001 року о годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 05.052.03 у Вінницькому державному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького державного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.
Автореферат розісланий ““ 2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Дерібо О. В.
Актуальність теми. У останні роки все більш актуальним стає економічний аспект виробництва деталей і машин. Завдяки ливарному виробництву виливок може бути точнішим і якіснішим, що знижує вартість подальшої обробки. Якість виливка залежить, насамперед, від методу ущільнення його форми, тому велика увага приділяється удосконаленню існуючих і розробці нових методів виготовлення ливарних форм. Перспективними, з погляду підвищення продуктивності і якості виготовлення крупних (до 2000 кг) ливарних форм із середньою складністю профілю, є методи ущільнення з використанням динамічного навантаження: вібраційне і віброударне пресування.
Розвиток прогресивних методів ущільнення стримує недостатня надійність, мала потужність, складність приводів машин для реалізації методів вібропресування сумішей. У промислових формувальних машин існуючі приводи не в повній мірі відповідають усім технологічним вимогам, які висуваються до них. Ці приводи нерегульовані, мають низьку питому потужність і малу швидкодію спрацьовування. Найперспективнішим типом приводу формувальних машин для створення регульованого вібраційного навантаження є гідроімпульсний привод.
Вібропресові формувальні машини (ВПФМ) з гідроімпульсним приводом реалізують пресовий, вібропресовий та віброударнопресовий методи ущільнення формувальних сумішей завдяки регулюванню амплітуди і частоти коливань у широкому діапазоні під час роботи. Тому розробка і створення надійних та простих у виготовленні й експлуатації гідроімпульсних приводів ВПФМ, які мають підвищену питому потужність і забезпечують низький рівень шуму є актуальною задачею.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження і розробки, наведені у дисертації безпосередньо зв’язані з виконанням держбюджетної науково-дослідної роботи № 19-Д-184 “Розробка теорії розрахунку та проектування процесів і обладнання сучасних вібротехнологій” (№ держ. реєстрації 0197U012585), яка виконувалась на кафедрі “Металорізальні верстати та обладнання автоматизованого виробництва” Вінницького державного технічного університету. Автор дисертації брав безпосередню участь у науково-дослідній роботі як виконавець.
Мета і задачі досліджень. Метою даної роботи є розробка гідроімпульсного приводу вібропресової формувальної машини з розширеними технологічними параметрами, який найповніше забезпечує оптимальні фізико-механічні показники ущільненої ливарної форми.
Для досягнення поставленої мети розв’язані такі задачі:
- проаналізовані існуючі приводи формувальних машин вібраційної і віброударної дії з метою виявлення найбільш раціональних технічних рішень, застосування яких в об'єкті дослідження дозволить реалізувати оптимальні фізико-механічні показники ущільненої ливарної форми;
Об’єкт дослідження –процес вібропресового ущільнення формувальної суміші.
Предмет дослідження –гідроімпульсний привод вібропресової формувальної машини з розширеними технологічними параметрами.
Методи досліджень. Теоретичні розрахунки виконувались за сучасними методиками математичного моделювання фізичних процесів, що мають місце у досліджуваному приводі. Основою застосовуваних методів є класичні наукові положення і закони гідравліки, теоретичної механіки, методів математичного аналізу та прикладної математики, теорії гідроприводів, а також результати і висновки авторів інших наукових досліджень. Математичне моделювання, розрахунки та вибір параметрів приводу та машини виконувались з використанням ЕОМ. Експериментальні дослідження виконувались для перевірки адекватності запропонованих математичних моделей та методик розрахунку. Стендові експерименти провадились на натурному зразку гідроімпульсного приводу із застосуванням сучасних приладів вібро- та тензометрії достатньої точності з частотними характеристиками, прийнятними для реєстрації параметрів робочих процесів приводу формувальної машини.
Наукова новизна одержаних результатів.
Встановлено, що найефективніше процес ущільнення крупних ливарних форм з піщано-глинистих сумішей із середньою складністю профілю відбувається при вібраційному та віброударному пресуванні, з накладанням на суміш додаткових високочастотних ударних навантажень від зіткнень рухомих частин вібропресової формувальної машини.
Створено гідроімпульсний привод для нової вібропресової формувальної машини, який дозволяє регулювати технологічні параметри ВПФМ у ширшому, відносно існуючих приводів, діапазоні відповідно до вимог процесу ущільнення ливарних форм. Технічні рішення, реалізовані в досліджуваному приводі, визнані винаходами.
Вперше розроблені динамічна і математична моделі ударного режиму роботи приводу нової ВПФМ, які враховують вплив на технологічні параметри машини численних зіткнень рухомих частин ВПФМ під час роботи.
Вперше отримані закономірності впливу конструктивних та фізичних характеристик створеного приводу на технологічні параметри ВПФМ в результаті чисельного моделювання на ЕОМ, які підтверджені експериментальними дослідженнями.
Розроблено науково-обгрунтовану методику проектного розрахунку гідроімпульсного приводу нової вібропресової формувальної машини за заданими технологічними параметрами процесу ущільнення ливарних форм.
Практичне значення одержаних результатів.
Розроблено новий метод вібропресового ущільнення формувальних сумішей з використанням вібродинамічного оснащення, який відрізняється можливістю накладання на суміш додаткових високочастотних ударних навантажень від зіткнень рухомих частин ВПФМ.
Розроблено і створено експериментальний зразок гідроімпульсного приводу нової вібропресової формувальної машини для ущільнення ливарних форм. Запропоновані нові конструкції вібраційних машин для різних галузей промисловості. Розробки захищені патентами.
Розроблено елементи приводу, за допомогою яких можна регулювати технологічні параметри машини.
Розроблено програмне забезпечення для моделювання на ЕОМ робочого циклу гідроімпульсного приводу ВПФМ, у тому числі ударного режиму роботи з численними зіткненнями рухомих частин машини.
Прийнято до впровадження на Вінницькому заводі “Аналог” методику проектного розрахунку параметрів гідроімпульсного приводу ВПФМ та результати досліджень, які викладені в дисертаційній роботі.
Особистий внесок здобувача. У роботі [1] автором виконано аналіз використання вібраційних технологій для ущільнення формувальних сумішей, а також проведено вибір типу приводу для машин, які реалізують метод віброударного пресування; у роботі [2] автором створено математичну модель робочого циклу гідроімпульсного приводу вібраційної машини на підставі експериментально обгрунтованих допущень; у роботі [3] автору належить розробка нового методу ущільнення формувальних сумішей та конструктивної схеми формувальної машини з гідроімпульсним приводом для реалізації запропонованого методу вібропресування сумішей; у роботі [4] створено повну математичну модель робочого циклу гідроімпульсного приводу з урахуванням мінімальної кількості допущень і обмежень; у роботі [5] запропоновано науково-обгрунтовану методику проектного розрахунку гідроімпульсного приводу на підставі математичної моделі робочого циклу приводу; у роботі [6] автором розроблено обладнання з гідроімпульсним типом приводу для реалізації методу віброабразивної обробки внутрішніх поверхонь трубчастих виробів; у роботі [7] запропоновано новий спосіб ущільнення форм для поліпшення якості поверхні; у роботі [8] автором запропоновано нову формувальну машину з гідроімпульсним приводом, який навантажує суміш з нижнього боку, і забезпечує розширені технологічні параметри машини; у роботі [9] розроблено нову конструктивну схему формувальної машини з гідроімпульсним приводом, який навантажує суміш з верхнього боку, а також має розширений діапазон регулювання параметрів вібрації; у роботі [10] автором обгрунтовано можливість застосування гідроімпульсного приводу для здійснення ударних навантажень під час процесу динамічного ущільнення формувальних сумішей.
Апробація результатів дисертації. Основні наукові матеріали дисертаційної роботи та результати досліджень доповідались і обговорювались на ІІ Всеукраїнській науково-технічній конференції “Гидроаэромеханика в инженерной практике” (м. Черкаси, 1997); на ІV Українській науково-технічній конференції “Гидроаэромеханика в инженерной практике” (м. Суми, 1999); на V Українській науково-технічній конференції “Гидроаэромеханика в инженерной практике” (м. Київ, 2000); на науково-технічних конференціях факультету транспорту, тріботехніки та машинобудування ВДТУ (м. Вінниця, 1996-2001), де відзначена актуальність виконаної роботи і схвалено напрямок наукових розробок. Дисертаційна робота в повному обсязі розглядалася на наукових семінарах кафедри “Металорізальні верстати та обладнання автоматизованого виробництва” ВДТУ.
Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 10 друкованих працях. З них: 5 статей в наукових журналах, 1 теза доповіді на конференції, 4 патенти України на винахід.
Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, висновків по роботі, списку використаних джерел (107 найменувань) і чотирьох додатків. Робота викладена на 265 сторінках машинописного тексту, має 71 рисунок і 5 таблиць. Ілюстрації, таблиці, список використаних джерел, додатки займають 125 сторінок.
Автор вважає своїм обов’язком висловити подяку науковому консультанту д. т. н., професору Іскович-Лотоцькому Р. Д. за надану допомогу у розв’язанні задач наукових досліджень даної роботи.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, висвітлено її зв’язок із сучасними науковими напрямками та програмами, сформульовані мета та задачі роботи, визначено наукову новизну і практичне значення результатів роботи, приведені відомості про особистий внесок здобувача, апробацію результатів дисертації та про структуру дисертації.
У першому розділі подано аналіз відомих методів ущільнення формувальних сумішей та типів приводу формувальних машин. Основну увагу приділено групі динамічних методів ущільнення, зокрема вібраційному і віброударному пресуванню. Наведено аналіз наукових робіт, які присвячені дослідженням цих процесів, розвитку теорії ущільнення формувальних сумішей під впливом вібрації, розробці нових перспективних методів віброущільнення сумішей. В цьому напрямку значний внесок зроблено відомими вченими П. Н. Аксеновим, Г. М. Орловим, В. І. Вербицьким, Р. Д. Іскович-Лотоцьким, Н. В. Гуляєвим, М. М. Вірником, А. Ю. Коротченко та іншими.
Ущільнення крупних ливарних форм (до 2000 кг) із середньою складністю профілю найефективніше здійснюється методами вібраційного та віброударного пресування з накладанням на формувальну суміш додаткових високочастотних ударних навантажень від зіткнень рухомих частин машини. Застосування цих методів дозволяє зменшити зовнішнє та внутрішнє тертя в суміші, що підвищує її текучість.
Оптимальні, з точки зору якості виливка, фізико-механічні показники ущільненої ливарної форми такі: щільність =1.75-1.8 г/см, рівнощільність 80-85%. Ці показники залежать від технологічних параметрів методу ущільнення. Такими технологічними параметрами методу вібропресування є частота і амплітуда коливань робочого столу із встановленою на ньому опокою, а також його прискорення.
Розширення технологічних параметрів вібропресових формувальних машин полягає у збільшені універсальності машин. Це зроблено за рахунок того, що на одній машині без додаткового переоснащення реалізуються наступні методи ущільнення: статичне пресування, вібраційне та віброударне пресування, параметри яких змінюються у процесі роботи в широких межах. Крім того у випадку віброударного навантаження суміші ущільнення відбувається внаслідок зіткнення рухомих частин машини у різноманітних комбінаціях.
Різке збільшення рухливості суміші настає при частоті коливань 45-55 кол/с і амплітуді 0.75-1 мм, тиску підпресовування 0.2 МПа і тривалості вібрацій біля 10 с; для віброударного пресування потрібні наступні параметри: максимально діючі лінійні прискорення суміші 275-310 м/с, тиск підпресовування 0.2-0.5 МПа, час ущільнення 5-10 с. Наведений вище діапазон технологічних параметрів ВПФМ приймається у якості оптимального. При накладанні додаткових ударних імпульсів від зіткнення оснащення на опоку з сумішшю можливо досягти потрібну щільність за менший час, що призводить до зменшення енергетичних витрат. При цьому варто зауважити, що цикл робочого ходу стола використовується, з точки зору ущільнення суміші, більш повно, бо процес ущільнення продовжується в момент підйому столу.
d0.1.
Для створення цих додаткових ударних імпульсів було запропоновано нові конструктивні рішення, які об’єднані терміном “вібродинамічне оснащення” (рис.1). Для уникнення відриву пригрузу 4 від суміші 3 опока 2 з формувальною сумішшю 3 мають можливість рухатись відносно робочого столу 5 по напрямним 1. Під час прискореного руху робочого столу 5 донизу між ним та опокою 2 з пригрузом утворюється зазор. Після зупинки столу опока разом з сумішшю вдаряється о стіл, що викликає високочастотні ударні навантаження, які спричиняють додаткове ущільнення суміші.
Серед існуючих типів приводів вібропресових формувальних машин (механічного, електричного, пневматичного та гідравлічного) найперспективнішим є гідропривод, а саме його різновид –гідроімпульсний привод. Великий вклад в розвиток та дослідження гідроімпульсного приводу та різноманітних пристроїв автоматичного керування цими приводами внесли Іскович-Лотоцький Р.Д., Матвєєв І.Б., Іванов М.Є., Баранов В. Н, Захаров Ю. Е., Вірник М. М., Обертюх Р. Р., Пішенін В. О. та інші.
Другий розділ присвячений вибору і обгрунтуванню раціональної схеми гідроімпульсного приводу ВПФМ, та апаратури керування цим приводом.
В результаті аналізу існуючих формувальних машин та їх приводів сформульовані вимоги до приводів та машин, які розроблюються: реалізація на одній машині режимів пресового, вібропресового та віброударного режимів ущільнення формувальної суміші; можливість плавного регулювання в процесі роботи параметрів приводу (частоти коливань робочого столу 35-55 кол/с, амплітуди 0.5-1 мм, прискорення 250-350 м/с); простота та компактність приводу; мінімально можлива кількість деталей машини та місць їх відносного руху; технологічність конструкції; високий ККД; довговічність і тривалість безперервної працездатності.
В розробленій ВПФМ застосовується гідроімпульсний привод, який має високу енергоємність, значну швидкодію спрацьовування, плавне регулювання в широкому діапазоні частоти й амплітуди робочого столу, та малі габарити. Для забезпечення заданої послідовності рухів робочого органа, шляхом періодичного сполучення керованої порожнини з напірною або зливною магістралями застосовується орган автоматичного керування –клапан-пульсатор. В приводі ВПФМ, який проектується, використовується схема підключення клапана-пульсатора “на вході”. В цій схемі гідроімпульсного приводу обов’язкове застосування гідроакумулятора, який створює великі миттєві витрати, що сприяє збільшенню прискорення робочого органу та дозволяє змінювати енергію імпульсу при постійній його тривалості. Також схема “на вході” відрізняється великим ККД і зменшеними енергетичними втратами.
Схема гідроімпульсного приводу вібропресової формувальної машини показана на рис.2. Опока 18 з формувальною сумішшю 13 знаходиться на робочому столі 10, з нижнього боку якого розташовано ударник 9. Ударник встановлено на штоці 7, який рухається відносно корпусу приводу ударника 6.
d0.2.
Привод машини являє собою гідроімпульсний привод з підключенням до штокової порожнини гідроциліндра ударника 5 клапана-пульсатора 20 “на вході”. Органом автоматичного керування служить двокаскадний клапан-пульсатор золотникового типу, в якому керування частотою спрацьовування золотника першого каскаду здійснюється за рахунок зміни тиску у порожнині рідинної пружини. Також привод ударника містить вмонтовану рідинну пружину 4, плунжер 3 якої впирається у поршень штока 7 гідроциліндра приводу ударника. Робочий стіл 10 з опокою 18 може рухатись відносно станини 2 завдяки пружинам 11. Станина встановлено на пружних опорах 1. На станині 2 з протилежних сторін робочого столу 10 у напрямку його руху встановлено регульовані упори 19. Для підпресовування суміші використовується додатковий гідравлічний привод, який містить закріплений на прес-арці 14 пресовий гідроциліндр 15, поршень якого через шток 16 взаємодіє з пресовою колодкою 17. Для створення додаткових ударних навантажень в конструкції ВПФМ передбачена можливість зіткнення наступних рухомих частин: корпуса приводу ударника 6 з робочим столом 10 та прес-арки 14 з робочим столом.
Для зміни об’єму рідинної пружини використовується регулювальний поршень 23. Враховуючи, що пари тертя погано працюють в агресивних абразивних середовищах, в даній машині використані еластичні мембранні підвіски 8 і 12 для взаємного направлення відносного руху основних мас. Ці еластичні мембрани дозволяють відносні осьові переміщення при відсутності радіальних.
До переваг цієї конструктивної схеми слід віднести розширений діапазон регулювання технологічних параметрів; вплив на формувальну суміш додаткових ударних навантажень від зіткнень рухомих частин ВПФМ; застосування елементів конструкції, які зменшують габарити приводу (рідинна пружина) і знижують необхідну точність взаємного розташування поверхонь (еластичні мембрани); багаторівнева система дотримання норм охорони праці (віброізоляція, шумоізоляція та зменшення запиленості робочої зони).
У третій розділ увійшли: структурна схема, динамічна і математична моделі безударного режиму роботи приводу ВПФМ, динамічна та, записана з використанням одиничних ступінчастих функцій, математична моделі ударного режиму роботи приводу, а також оформлені у вигляді графічних залежностей результати дослідження за допомогою ЕОМ математичної моделі роботи приводу.
Структурну схему можна представити багатомасовою системою (сім рухомих мас), елементи якої взаємодіють між собою через пружні та дисипативні ланки.
Безударний режим роботи приводу машини у відповідності із структурною схемою умовно поділений на низку послідовних етапів.
d0.3. (e0), ()
На підставі структурної схеми та послідовності здійснення етапів роботи приводу складено повні динамічні моделі безударного (рис.3, а) та ударного (рис.3, б) режимів роботи приводу. При розробці математичної моделі безударного режиму роботи гідроімпульсного приводу ВПФМ були прийняті такі допущення: вплив додаткових ударних навантажень від зіткнень оснащення не враховується, тому вважаємо, що робочий стіл з прес-аркою та корпусом приводу ударника рухаються як одне ціле; температура і в’язкість робочої рідини постійні; витрати робочої рідини на перемикання клапана-пульсатора не враховуються, а його перемикання вважається релейним; коефіцієнти витрат робочої рідини через канали та отвори вузлів приводу постійні; робочу рідину можна стискати, а модуль пружності рідини приймається постійним для заданого діапазону тиску; параметри формувальної машини прийнято зосередженими; маси пружних елементів повертання ланок приводу ВПФМ малі у порівнянні з рухомими масами; ударна взаємодія рухомих мас машини у початкових рівняннях переміщень не враховується; сухе, в’язке і квадратичне тертя вважається зосередженим опором рухові і відображається відповідним коефіцієнтом; пружність робочої рідини зосереджена у порожнинах приводу; хвильові процеси у гідролініях (каналах) приводу, заповнених робочою рідиною, не враховуються; маса рідини в порожнинах і в гідролініях не враховується; опір формувальної суміші ущільненню враховується коефіцієнтами пружності, а також коефіцієнтами сухого та в’язкого тертя, які приймаються сталими.
З врахуванням зроблених допущень математична модель безударного режиму роботи приводу містить такі рівняння балансу витрат робочої рідини та динамічної рівноваги сил, що діють на рухомі маси (у послідовності здійснення робочих етапів):
1. порожнина гідроакумулятора: QH=QСЖа ;
2. порожнина гідроакумулятора: QA=QH+QСЖа ,
порожнина гідроциліндра приводу ударника: QА=QВТу+QСЖу ;
3. порожнина гідроциліндра приводу ударника: QА=QПЕРу+QВТу+QСЖу ,
порожнина рідинної пружини: QПЕРрп=QВТу+QСЖрп ,
маса ударника: РУЦ+РТяж1=РРП+РДин1+РВТр12+РСТр12,
маса робочого столу з корпусом приводу ударника та прес-аркою:
РМПр37н+РУЦ+РП=РМПр37в+РМПр53+РВТр37+РВТр53+РДин234+РСТр53+РТяж234+РРП+РВТр12+РСТр12,
маса пресового гідроциліндра з колодкою:
РМПр53=РДин56+РВТр53+РСТр53+РТяж56+РП+РВТр64+РСТр64 ,
маса станини: РМПр37в+РМПр7=РМПр37н+РДин7+РВТр7+РВТр37+РСТр7+РТяж7 ;
4. порожнина гідроакумулятора: QH=QСЖа ,
порожнина гідроциліндра приводу ударника: QЗЛ=QПЕРу+QСЖу+QВТу ;
5. порожнина гідроциліндра приводу ударника: QПЕРу=QЗЛ+QВТу+QСЖу ,
порожнина рідинної пружини: QСЖрп=QПЕРрп+QВТрп ,
маса ударника: РРП=РТяж1+РУЦ+РДин1+РВТр12+РСТр12,
маса робочого столу з корпусом приводу ударника та прес-аркою:
РМПр37в+РМПр53+РТяж234+РРП=РМПр37н+РВТр37+РВТр53+РДин234+РСТр53+РУЦ+РВТр12+РСТр12+РП,
маса пресового гідроциліндра з пресовою колодкою:
РТяж56+РП=РДин56+РМПр53+РВТр53+РСТр53+РВТр64РСТр64 ,
маса станини: РМПр37в+РТяж7=РМПр7+РМПр37н+РДин7+РВТр7+РВТр37+РСТр7 ;
6. порожнина гідроакумулятора: QA=QH+QСЖа ,
порожнина гідроциліндра приводу ударника: QА=QВТу+QСЖу+QПЕРу ;
6.1. порожнина рідинної пружини: QСЖрп+QПЖ=QПЕРрп+QВТрп ,
де QН – продуктивність насосу; – витрати рідини на стискання в і-тої порожнині; – витрати робочої рідини між гідроакумулятором і гідропульсатором; – витрати рідини на переміщення плунжера в і-тої порожнині; QВТ – витрати рідини на просочування крізь щілини; QПЖ – витрати рідини на підживлення рідинної пружини; – динамічна сила, яка діє на і-ту масу; РРП= рРFРП – сила дії рідинної пружини, РУЦ=рУFУ – сила, яка діє з боку штокової порожнини гідроциліндра приводу ударника, – сила сухого тертя між і-тою та j-тою масами; – сила в’язкого тертя між і-тою та j-тою масами; – сила дії механічної пружини між і-тою та j-тою масами; РТЯЖ – сила тяжіння; РП – сила дії з боку пресового циліндра.
Слід зазначити, що описані етапи робочого циклу привода є одним з наближень до реального процесу. Маси корпусу приводу ударника m2 та робочого столу m3, так само як маси робочого столу m3 і прес-арки m4 можуть протягом вищеописаних етапів розмикати стики їх жорсткого контакту і співударятись з частотами більшими у порівнянні з частотою коливань робочого столу. Такі процеси (зіткнення) є нелінійними і потребують введення додаткових етапів. З цієї точки зору традиційний підхід математичного моделювання є мало привабливим, тому що розділення робочого циклу на додаткові етапи призводить до неприйнятно громіздких динамічної та математичної моделей з припасовуванням виділених етапів, які в свою чергу описуються лінійними або нелінійними математичними моделями. Складність для математичного моделювання викликає і велика різниця власних частот механічних коливальних систем. Тому для дослідження конструкції приводу, що розглядається, запропоновано інший підхід для математичного моделювання.
З огляду наведених недоліків традиційного розбиття робочого циклу на окремі етапи з граничними умовами, в даній роботі використано варіант запису математичної моделі приводу ВПФМ, який включає рівняння, що описують увесь робочий цикл приводу. Це зроблено за допомогою функцій, які враховують вплив складових на роботу приводу в залежності від положення рухомих мас чи співвідношення тисків в порожнинах приводу. Для опису рівняннями певного відрізку робочого циклу з особливими умовами, (наприклад, етап збільшення тиску в рідинній пружині або сумісний рух корпусу приводу ударника та робочого столу та ін.) використовуються як відома одинична ступінчаста функція Хевісайда 1(t), яка приймає одиничне значення тільки при позитивному значенні аргументу, так і запропонована нами нульова функція 0(t), яка приймає одиничне значення при позитивному та нульовому значеннях аргументу:
Також введено ступінчасту функцію 1р(p) спрацьовування пульсатора. В цій функції аргументом є pр – тиск у порожнині рідинної пружини. Умова скачка значення функції 1р(p) від +1 до -1: 1р(p)=1; pр=p1; , а умова скачка значення функції 1р(p) від -1 до +1: 1р(p)=-1; pр=p2; Усі ступінчасті функції введено при допущенні про релейність спрацьовування клапана-пульсатора.
Таким чином математична модель робочого циклу гідроімпульсного приводу записана у вигляді диференційних рівнянь швидкостей зміни тиску в порожнинах та законів переміщень рухомих мас приводу. В цих рівняннях записані усі складові, що впливають на роботу приводу, а за допомогою ступінчастих функцій враховується чи не враховується їх вплив.
Перша похідна від тиску в порожнині рідинного акумулятора:
Швидкість зміни тиску в порожнині гідроциліндра приводу ударника:
Перша похідна від тиску в порожнині рідинної пружини:
Рівняння динамічного балансу сил, прикладених до маси ударника:
Для описання сумісного руху мас m2 та m3, і маси m3 з m4 введемо ступінчасті функції 123 і 134, які приймають одиничне значення при одночасному виконанні наступних трьох умов сумісного руху:
З урахуванням введених ступінчастих функцій для корпуса приводу ударника:
де Р*23 – сили, які діють на корпус приводу ударника через робочий стіл.
Для маси робочого столу:
Для маси прес-арки:
З врахуванням ступінчастої функції 156, яка аналогічна функціям 123 і 134 диференційне рівняння руху маси пресової колодки приймає вигляд:
Для маси штока з поршнем пресового гідроциліндра:
де Р*56 – сили, які діють на пресову колодку через шток пресового гідроциліндра.
Диференційне рівняння руху станини має вигляд:
Швидкості мас динамічної моделі безпосередньо після удару їх між собою, з урахуванням прийнятої класичної теорії удару, визначаються наступним чином:
Для прискорення розрахунків на початкових етапах проектування складено більш просту математичну модель робочого циклу приводу ВПФМ, яка базується на прийнятті додаткових допущень: маси m2, m4, m5, m6 вважаються жорстко з’єднаними з робочим столом m3, тому рухаються як одне ціле; формувальна суміш вважається абсолютно ущільненою; витрати рідини крізь зазори в ущільненнях не враховуються.
В основу проведених досліджень математичної моделі робочого циклу приводу на ЕОМ була покладена оцінка впливу регулювальних параметрів приводу на основні характеристики приводу. Аналізу підлягали наступні характеристики: переміщення ударника у1, робочого столу у3. станини у7; швидкість v3 та прискорення робочого столу а3; тиск в порожнинах гідроциліндра приводу ударника ру, рідинної пружини рр та гідроакумулятора ра.
Зазначені характеристики визначались на кожному гранично малому кроку інтегрування за часом t. Наявність цих даних дозволяє визначити основні вихідні параметри гідроімпульсного приводу ВПФМ: частоту n і амплітуду A коливань робочого столу, його прискорення a та потужність N, яка споживається приводом. Під час проведення теоретичних експериментів на ЕОМ почергово змінювалися такі регулювальні параметри приводу: тиск прямого р1 та зворотного р2 спрацьовування клапана-пульсатора (рис.4, а); тиск рА в порожнині гідроакумулятора (рис.4, б) та початковий об’єм рідинної пружини WРПо (рис.4, в).
d0.4.
Аналізуючи отримані залежності було виявлено, що суттєвий вплив на роботу приводу чинять тиск р1 і р2 спрацьовування пульсатора, а також початковий об’єм рідинної пружини WРПо. Тиск р1 регулюється пружиною золотника 1-го каскаду клапана-пульсатора, а тиск р2 – дроселем в зливній магістралі, а зміна початкового об’єму WРПо здійснюється регулювальним поршнем. Зазначені параметри можливо змінювати в широкому діапазоні дистанційно, під керуванням ЕОМ, за допомогою встановлення регулювальних крокових двигунів в місцях регулювання.
В четвертому розділі наведені: принципова схема експериментального стенду для дослідження характеристик гідроімпульсного приводу ВПФМ та схема блока гідравлічного живлення експериментального стенда; методика проведення експериментальних досліджень; аналіз осцилограм робочого режиму приводу, а також порівняння результатів теоретичних та експериментальних досліджень.
Метою експериментальних досліджень є: перевірка адекватності динамічної та математичної моделей і коректності прийнятих допущень; встановлення реальних залежностей здійснення робочих режимів машини при регулюванні параметрів приводу. В умовах лабораторії досліджувався повнорозмірний експериментальний стенд, який імітував роботу гідроімпульсного приводу вібропресової формувальної машини. В розділі дисертації наведено детальний опис експериментального стенда. Основні характеристики цього стенда такі: маса робочого столу із закріпленою оснасткою 330 кг, продуктивність насосу живлення робочого гідроциліндра 21.210-3 м3/с, тиск прямого спрацьовування пульсатора 11-17 МПа, частота коливань робочого столу 35-50 кол/с, рівень шуму 86-91 дБА, встановлена потужність приводу насосів живлення робочого гідроциліндра 215 кВт, об’єм порожнини рідинного акумулятора 20.040 м3.
Вимірювальний комплекс для реєстрації робочих характеристик гідроімпульсного приводу складається з тензопідсилювача 8-АНЧ-7М з блоком живлення і магазином опорів Р155; світлопроменевого осцилографа Н700 з випрямлячем В-24; вібровимірювальної апаратури ВИ6-5МА; міліамперметра; трубчастих тензодавачів тиску; балочних тензодавачів переміщення; давачів прискорення (акселерометрів); манометра; шумоміра, витратомірів (мірних ємностей) та термометра. Вся вимірювальна та реєструвальна апаратура вибиралася з дотриманням вимог точності експериментальних досліджень.
Під час експериментальних досліджень для отримання вихідних параметрів приводу реєструвались та аналізувались такі характеристики: переміщення робочого стола із встановленою на ньому оснасткою y3(t), ударника y1(t) та станини y7(t); тиск в порожнині рідинної пружини рр(t), штоковій порожнині гідроциліндра приводу ударника ру(t), а також в порожнині рідинного гідроакумулятора ра(t); прискорення робочого столу a3(t) з відповідною необхідною повторюваністю (в середньому 5-7 раз).
На першому етапі досліджень забезпечувалась стабільна робота приводу та одночасно здійснювалось остаточне настроювання контрольно-вимірювальної апаратури. На другому етапі досліджувався вплив регулювальних параметрів приводу (тиск прямого р1 та зворотного р2 спрацьовування пульсатора) на такі робочі параметри дослідного зразка приводу як частота та амплітуда подвійних ходів робочого столу та його прискорення. Наступний, третій етап досліджень проводився при змінних додаткових настройках робочого режиму приводу, яка здійснювалась, наприклад, зміною об’єму порожнини рідинної пружини WРПо. При цьому на протязі етапів решта конструктивних характеристик і параметрів приводу залишались незмінними.
Похибка оброблювання експериментальних даних не перевищувала 4.7% при вимірюванні тиску і до 7% при вимірюванні переміщень. Для прискорення похибка знаходилась в межах 8.7%. Порівняння експериментальних залежностей з отриманими аналітичним шляхом свідчить по їх задовільну якісну та кількісну погодженість (відхилення по тиску 8-11%, по амплітуді 14-17%, по частоті 9-13%), що задовольняє вимогам проектних розрахунків і дозволяє вважати розроблену математичну модель гідроімпульсного приводу ВПФМ адекватною реальному приводу, а враховані при її складанні допущення достатніми та прийнятними.
В п’ятому розділі подано методику проектного розрахунку гідроімпульсного приводу вібропресової формувальної машини та розглянуті перспективи розвитку обладнання для реалізації вібропресового методу ущільнення.
На основі проведених теоретичних досліджень динаміки робочого циклу приводу формувальної машини, які були підтверджені експериментальними дослідженнями, виведено аналітичні залежності. Ці залежності отримані як результат аналізу взаємодії двох мас через пружний елемент постійної жорсткості. Доповнення початкових залежностей емпіричними коефіцієнтами здійснено за результатами експериментальних досліджень, та на основі досліджень математичної моделі приводу на ЕОМ.
В технічному завданні на проектування гідроімпульсного приводу ВПФМ задаються такі вихідні дані: максимальне прискорення робочого столу a3max; маса робочого столу разом із встановленою на ньому оснасткою m3; частота коливань робочого столу n; максимальна відносна швидкість робочого столу і ударника ; номінальний тиск від насосної станції pн; коефіцієнт стисливості робочої рідини приводу . З метою забезпечення віброізоляції фундаменту доцільно прийняти максимально допустиму амплітуду коливань станини А7max.
Основні розрахункові параметри: маса ударника, максимальна споживана приводом потужність, максимальна жорсткість пружин підвіски робочого столу відносно станини, об’єм порожнини рідинної пружини, тиск підпору в зливній гідролінії, тиск спрацьовування пульсатора, мінімально необхідний об’єм порожнини багатоциклового рідинного акумулятора, маса станини, максимальна жорсткість опор станини, діаметри плунжерів гідроімпульсного приводу. За допомогою розробленої програми моделювання роботи приводу на ЕОМ здійснюється остаточне уточнення основних параметрів приводу у процесі конструкторської розробки.
При створенні нових перспективних схем вібропресових формувальних машин використано принципову схему гідроімпульсного приводу, яка була запропонована, а також всебічно досліджувалась та аналізувалась. В одній з цих машин реалізовано схему верхнього навантаження формувальної суміші. В іншій схемі гідроімпульсний привод забезпечує двостороннє навантаження суміші. Такі схеми дозволяють суттєво розширити діапазон режимів ущільнення ливарних форм.
У додатках наведено акти впровадження основних результатів роботів, блок-схема алгоритму програми математичного моделювання на ЕОМ робочого циклу гідроімпульсного приводу ВПФМ, приклад розрахунку основних параметрів приводу згідно запропонованій методиці проектного розрахунку, результати розрахунків математичної моделі робочого циклу гідроімпульсного приводу на ЕОМ.
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ
В результаті проведених досліджень розроблено гідроімпульсний привод вібропресової формувальної машини з розширеними технологічними параметрами, що забезпечують оптимальні фізико-механічні показники ущільненої ливарної форми.
Проведені дослідження дозволяють зробити такі висновки:
Основні положення дисертації викладені в роботах:
АНОТАЦІЇ
Рагозін О. А. Гідроімпульсний привод нової вібропресової формувальної машини з розширеними технологічними параметрами. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.03 – системи приводів. – Вінницький державний технічний університет, м. Вінниця, 2001.
Дисертацію присвячено створенню гідроімпульсного приводу вібропресової формувальної машини (ВПФМ). Гідроімпульсний привод ВПФМ, який має підвищену питому потужність, а також допускає регулювання амплітуди і частоти коливань у широкому діапазоні під час роботи, дозволяє розширити технологічні параметри ВПФМ, що полягає у реалізації на одній машині без додаткового переоснащення пресового, вібропресового та віброударнопресового методів ущільнення формувальних сумішей. Розроблено математичну модель робочого циклу гідроімпульсного приводу ВПФМ в якій враховано вплив численних ударних зіткнень на роботу приводу. В результаті чисельних досліджень на ЕОМ робочого циклу гідроімпульсного приводу оцінено ступінь впливу регулювальних параметрів приводу на технологічні параметри ВПФМ. Проведено експериментальні дослідження, які підтверджують теоретичні висновки. Використовуючи методику проектного розрахунку параметрів гідроімпульсного приводу створено нові конструктивні схеми вібропресових формувальних машин.
Ключові слова: вібраційне і віброударне пресування, вібропресова формувальна машина, гідроімпульсний привод, клапан-пульсатор.
Рагозин О. А. Гидроимпульсный привод новой вибропрессовой формовочной машины с расширенными технологическими параметрами. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.03 – системы приводов. – Винницкий государственный технический университет, г. Винница, 2001.
В диссертации рассмотрены вопросы создания гидроимпульсного привода формовочной машины для реализации методов вибрационного и виброударного прессования крупных литейных форм со средней сложностью профиля. В работе сформулированы и детально обоснованы цель и задачи исследований. Рассмотрен достигнутый отечественный и мировой уровень в области применения динамических методов уплотнения формовочных смесей, и разработана классификация существующих методов уплотнения. Классификация позволила упорядочить известные методы уплотнения формовочных смесей и на этой основе принять в качестве объекта исследований наиболее эффективный метод уплотнения смесей – вибрационное прессование с регулируемыми в процессе уплотнения параметрами вибрации: частотой и амплитудой колебаний опоки с формовочной смесью, установленных на рабочем столе.
Разработана новая вибропрессовая формовочная машина (ВПФМ) с расширенными технологическими параметрами, которые заключаются в реализации на одной машине без дополнительного переоснащения прессового, вибропрессового и виброударнопрессового методов уплотнения формовочных смесей. Расширение технологических параметров ВПФМ достигается за счет применения гидроимпульсного привода, который имеет повышенную удельную мощность и КПД, высокую скорость срабатывания и большую энергоёмкость, а также позволяет регулировать частоту и амплитуду колебаний в широком диапазоне.
Произведен динамический анализ процесса уплотнения формовочных смесей, в результате которого установлено, что для достижения высоких значений ускорения опоки с формовочной смесью необходимо использование схемы гидроимпульсного привода с установкой клапана-пульсатора “на входе”. Также на качество и продолжительность процесса уплотнения положительно влияют дополнительные высокочастотные ударные нагрузки от соударений подвижных частей машины. К основным элементам гидроимпульсного привода следует отнести двухкаскадный клапан-пульсатор золотникового типа, многоцикловый гидроаккумулятор, жидкостную пружину, насосную станцию и соединительные трубопроводы.
Разработана динамическая и математическая модели безударного режима работы гидроимпульсного привода формовочной машины, представленная в виде дифференциальных уравнений баланса расхода рабочей жидкости и уравнений динамического равновесия сил, действующих на подвижные части машины. Установлено, что основное влияние на ускорение рабочего стола оказывает скорость повышения давления в полости гидроцилиндра привода ударника.
Создана обобщенная математическая модель рабочего цикла гидроимпульсного привода вибропрессовой формовочной машины, которая записана с использованием ступенчатых функций. В этой модели учтены многочисленные ударные взаимодействия подвижных частей машины. Получены теоретические значения перемещений основных масс и давлений в полостях ВПФМ в каждый момент времени рабочего цикла.
Предложена упрощенная структурная схема, динамическая и математическая модели рабочего цикла привода ВПФМ составленные с учетом дополнительных допущений.
В работе исследовано влияние основных регулировочных параметров привода на технологические параметры вибропрессовой формовочной машины. Определён диапазон регулирования параметров ВПФМ при изменении конструктивных и физических характеристик гидроимпульсного привода.
Предложены способы регулирования технологических параметров ВПФМ, наиболее рациональными из которых являются: изменение давления прямого и обратного срабатывания клапана-пульсатора, изменение начального объёма жидкостной пружины. В созданном гидроимпульсном приводе предусмотрена возможность изменения указанных регулировочных параметров в процессе работы, в том числе и дистанционно, с помощью ЭВМ.
В результате теоретических исследований рабочего цикла созданного гидроимпульсного привода, которые были подтверждены экспериментально, получена стабильная работа привода, который обеспечивает колебания рабочего стола с регулируемой частотой 35-55 Гц и амплитудой 0.8-1.1 мм.
Предложена научно-обоснованная методика расчета конструктивных, физических и энергетических характеристик гидроимпульсного привода по заданным технологическим параметрам процесса уплотнения литейных форм.
На основе принципиальной схемы созданного гидроимпульсного привода предложены новые перспективные схемы вибропрессовых формовочных машин, обеспечивающих верхнее и двухстороннее нагружение формовочной смеси.
На ОАО “Завод “Аналог”” приняты к внедрению методика проектного расчета гидроимпульсного привода и результаты исследований, изложенные в диссертационной работе.
Ключевые слова: вибрационное и виброударное прессование, вибропрессовая формовочная машина, гидроимпульсный привод, клапан-пульсатор.
Ragozin O. A. Hydropulsing drive of new vibration-pressing molding machine with expanders technological parameters. – Manuscript.
Thesis for scientific degree of the candidate of technical science on speciality 05.02.03 –systems of drives. – Vinnitsia State Technical University, Vinnitsia, 2001.
The thesis is devoted to creation of vibration-pressing molding machine hydropulsing drive (VPMM). The VPMM hydropulsing drive, which has heightened specific power, and also enables wide range of amplitude and oscillation frequency regulation in a real-time, allows to expand VPMM technological parameters, which are based on implementation on a single machine without additional reequipment of press, vibration-pressing and vibration-blowing-pressing methods of sand mixes molding. The mathematical model of VPMM hydropulsing drive duty cycle, which is, takes into account influence of numerous impact interference on the drive’s work is designed. As a result of numerical researches on a computer of a duty cycle of the hydropulsing drive the degree of influence of adjusting parameters of the drive on VPMM technological parameters is estimated. The experimental researches are conducted, which are confirms theoretical conclusions. Using of design calculation methods for the drive parameters new design concepts of vibration-pressing molding machines are built.
Keywords: vibration and vibration-blowing pressing, vibration-pressing molding machine, hydropulsing drive, valve-pulsatores.