CC BY
38
УДК 621.73.006.3:628.518
Исследование виброизолирующих установок тяжелых штамповочных молотов
Ю. В. Иванов
Ключевые слова: виброизоляция, молот, пневмоамортизаторы, рессоры.
Кузнечные молоты являются одним из основных типов металлообрабатывающего оборудования. Штамповочные и ковочные молоты обеспечивают производство основной массы штамповок и поковок для машиностроения. Технологическая особенность данных молотов — высокий уровень ударных вибраций, возникающих при работе этого оборудования. Численные характеристики вибраций: виброперемещение — до 1,5 мм; виброскорость — до 100,0 мм/с. Все это создает трудности при размещении этих машин вблизи селитебных зон и обеспечении необходимых условий труда для персонала.
Для снижения виброактивности молотов используют методы активной виброизоляции, в соответствии с которыми амортизаторы размещаются непосредственно под шаботом молота [1]. Сегодня в конструкциях виброизолирующих установок молотов используются различные амортизаторы: винтовые пружины, резиновые блоки, гофрированные металлические листы и многолистовые рессоры [2]. Благодаря простоте и надежности чаще всего в виброизолирующих установках молотов применяются железнодорожные рессоры, которые обладают необходимой жесткостью и демпфированием. При использовании существующих виброизолирующих установках штамповочных молотов стремление получить наибольший эффект от виброизоляции приводит к применению парциальных частот конструкции в интервале 2-3 Гц. Реализация указанных параметров вызывает перегрузку
рессор, особенно если речь идет о тяжелых штамповочных молотах, когда опорной площади шабота недостаточно для размещения необходимого количества рессор. Вследствие вышеуказанного происходит преждевременное разрушение рессор после короткого срока эксплуатации (не более одного года). В силу того что стоимость рессор высока, малая долговечность данных амортизаторов вызывает справедливые нарекания производственников.
При выборе парциальной частоты виброизолирующей установки молота необходимо учитывать резервы человеческого организма в отношении адаптации к допустимому уровню вибраций, а также возможности конструкции амортизаторов исходя из приемлемого уровня напряжений. Реализация указанных условий приводит к использованию интервала настройки парциальной частоты установки в пределах 3-4 Гц.
Для обеспечения долговечной работы амортизаторов необходимо выбрать такую парциальную частоту виброизолирующей установки, при наличии которой будет достигнут приемлемый уровень вибраций и величина действующих напряжений в конструкциях амортизаторов, не превышающая допустимых значений.
Разработаны и прошли апробацию конструкции регулируемых виброизолирующих установок штамповочных молотов (рис. 1) с массой падающих частей 5 т и более. В данных конструкциях используются комбинированные рессорно-пневматические амортизаторы мембранного типа (рис. 2).
№ 4 (58)/2010
Рис. 1. Конструкция комбинированной виброизолирующей установки молота: 1 — шабот молота; 2 — рессоры; 3 — пневмоаморти-заторы
Рис. 2. Пневматические амортизаторы для виброизоляции прессов
Виброизоляторы установлены параллельно рессорам, и при вариации давления внутри пневматических амортизаторов мембранного типа можно регулировать жесткость всей виброизолирующей системы в целом. Рессоры обеспечивают необходимый уровень демпфирования колебаний системы, при этом последние затухают до совершения следующего удара молота. Конструкция виброизолирующей установки молота совершает колебания на амортизаторах с малой скоростью. Вибрации поглощаются внутри элементов системы виброизоляции и не передаются на фундамент и грунт. Послеударное перемещение молота составляет 15,0-20,0 мм, время затухания
колебаний — 0,1-0,3 с. Если скорость падающих частей перед ударом не превышает 8,0 м/с, парциальная частота колебаний конструкции составляет 3-4 Гц. Приведем параметры вибраций фундамента: виброперемещение — 0,18 мм; виброскорость — 4 мм/с. Таким образом, если сопоставить полученные при эксплуатации молота вибропараметры фундамента с требованиями ГОСТ 12.1.012-90, то они соответствуют нормам.
Рациональная эксплуатация регулируемой виброизолирующей установки возможна при обеспечении исследования кинематики базовых элементов молота. Оценка кинематики позволяет определить поведение базовых деталей в процессе технологических нагрузок машины и оценить возможности частотной настройки сопрягаемых элементов, резервы регулирования жесткости упругого основания.
Расчетную схему, принятую в качестве модели конструкции штамповочного молота на упругом основании, можно представить в виде трех дискретно сосредоточенных масс, связанных посредством линейно-упругих, невесомых пружин. После удара и отскока бабы молота трехмассовая система трансформируется в двухмассовую с соответствующими характеристиками.
Расчетная система уравнений имеет вид:
т1 Х^2 = - К1Х1 - Х2);
т2Х22М2 = - К1Х1 - Х2)-- К2Х2 - Х3) - - dXз/dt); (1)
тзХ|м2 = К2Х2 - Х3) - - dXз/dt) -
- К3Х3 - СзdXз/dt,
где т1, т2, тз — массы падающих частей, шабота и фундамента соответственно; Х1, dXl/dt, dX^/dt^2 — виброперемещение, виброскорость, виброускорение бабы молота; Х2, dX2/dt, 22
dX2/dt — виброперемещение, виброскорость, виброускорение шабота молота; Х3, dXз/dt, 22
dXз/dt — виброперемещение, виброскорость, виброускорение фундамента молота; К1 — коэффициент жесткости поковки; К2, С2 — коэффициенты жесткости и демпфирования подшаботной прокладки; К3, С3 — коэффициенты жесткости и демпфирования грунта под фундаментом молота.
Расчет выполнен для 10-тонного штамповочного молота со следующими параметрами: т1 = 12 . 103 кг (с учетом массы верхнего штампа); т2 = 200 . 103 кг; т3 = = 1340 . 103 кг; Кп = (10 * 10 000) . 103 кН/м; К2 = = (40 * 2000) . 103 кН/м; К3 = (1340* 3750) . 103 кН/м;
обработка металлов давлением
МЕТ^^БРД^к)!
скорость бабы молота Уд = 6 м/с. Коэффициенты демпфирования определяли на основе экспериментальных значений для этого молота. Начальные условия:
• при г = 0, Х1 = Х2 = Х3 = 0; У1 = 6 м/с; У2 = У3 = 0;
• при г = г1, У1 = У2 = 0,51 м/с; У3 = 0; Х1 = = Х2 = Х3 = 0,
где У1 — скорость бабы молота; У2 — скорость шабота; У3 — скорость фундамента.
Расчеты показали, что начальные параметры колебательной системы «шабот — фундамент» зависят от жесткостей поковки и под-шаботной прокладки. При «мягких» ударах молота (на стадии пластической деформации поковки) начальная скорость шабота после удара будет минимальной, а скорость фундамента — максимальной, так как время деформации поковки в этом случае значительно. При увеличении жесткости поковки (при завершающих «жестких» ударах) большая часть энергии удара воспринимается шаботом и его начальная скорость максимальна. Демпфированием поковки можно пренебречь. При «жестких» ударах начальная скорость фундамента практически равна нулю, это связано с коротким временем удара, за которое фундамент не успевает начать движение при короткой импульсной нагрузке. Зависимость начальных параметров шабота и фундамента от жесткости поковки и подшаботной прокладки просматривается более явно при выражении первых через отношение жесткостей вторых.
Максимальная виброскорость фундамента в большей степени зависит от жесткости подша-ботной прокладки, жесткость поковки оказывает влияние на нее только при «жестких» ударах. На значение максимального перемещения шабота и фундамента жесткость поковки оказывает влияние только до тех пор, пока жесткость поковки Кп не более 1000 . 103 кН/м. Дальнейшее увеличение жесткости поковки не приводит к значительному увеличению этих параметров. Анализ, проведенный на основании расчетов, показал, что при «жестких» ударах, когда вибропараметры системы «шабот — фундамент» максимальны, жесткость поковки не оказывает практического влияния на их изменение.
На динамику свободных колебаний фундамента в анализируемом диапазоне изменения значений параметров значительное влияние оказывает жесткость подшаботной прокладки, особенно при малых жесткостях вибропрокладки К2 < 500 . 103 кН/м. Данный факт связан с тем, что в этом диапазоне жесткостей максимально изменяются главные частоты колебаний шабота и фундамента. Чем меньше жесткость подшаботной прокладки, тем большее
влияние оказывает частота колебаний шабота на колебания фундамента (рис. 3), однако по мере увеличения жесткости подшаботной прокладки свободные колебания фундамента приближаются к синусоидальным. При вариации жесткости подшаботной прокладки изменение кинематических параметров системы «молот — фундамент» достаточно плавное, выбранное соотношение собственной частотной настройки молота и частоты возбуждения ударных процессов падающими частями машины позволяет избежать возможных резонансных состояний (рис. 4).
Для оценки прочностных характеристик рессор используем величину действующих напряжений изгиба при симметричном цикле нагружения, представленную в виде
1,5СР (Дст + AJL
Си =-Р ст2 д < [a-i ], (2)
nbh
где Ср — статическая жесткость рессоры; Дст, Дд — статическая и динамическая осадка рессор соответственно; L — длина рессоры; n — число листов в рессоре; b, h — ширина
г 0,8
30-
3, \ 1 3,
о
Щ,20~ xg -0,4 . . © И -0,2
10- i i i -0
50
400
100 200 300
k. 10-3, кН/м
Рис. 3. Зависимость перемещения шабота Хш(к) (1) и фундамента Хф(к) (2) молота от жесткости подшаботной прокладки к
8-
£
6-
g 4-
2-
50
100
200 k. 10-3, кН/м
300
400
Рис. 4. Зависимость динамической частоты колебаний шабота fш(k) от жесткости подшабот-ной прокладки к
0
и толщина листов в рессоре соответственно; [с-1] — предел выносливости материала рессоры.
Расчет и анализ параметров амортизаторов виброизолирующей установки молота при использовании рессор выполняется на стадии проектирования в соответствии с методикой [3]. Если применяются дополнительные амортизаторы, установленные параллельно, следует учитывать соответствующее изменение параметров жесткости виброустановки.
Параметр статической жесткости пневмо-амортизатора мембранного типа Сста представим в виде [4]:
р^ ( d
1 1 (3)
С=
^ст.а
d \ d - W
Ас
Gм
прСст.р + па Сст.а
(4)
Т -
Тш 2п]1
прСр.ст Кр.д + па Сст.а Ка.д
та,,
(5)
Ад.м
Vш
2пТш
(6)
где Vш — начальная скорость шабота молота, определяемая расчетом.
Используя вышеприведенные зависимости и формулу (1), удается оценить действующие
напряжения изгиба в рессорных амортизаторах, вариацию частотной настройки установки при изменении давления в пневмоамортизато-рах. Конструкция действующей виброизолирующей установки 10-тонного молота позволяет разместить пневмоамортизаторы с наружным диаметром около 0,8 м. Если учесть параметры этих пневмоподушек, результаты
4,1-
где р0 — давление в корпусе пневмоаморти-затора; S — эффективная площадь мембраны пневмоамортизатора; d — начальная высота столба сжатого газа в амортизаторе; W — статическая осадка центральной части мембраны амортизатора, которая выбирается исходя из особенностей конструкции и составляет 10-15 мм.
Таким образом, общая статическая осадка молота Аст.м при использовании комбинированных рессорно-пневматических амортизаторов определяется в виде
4,0-
£
3,9
2
р. 10-3, кН/м
Рис. 5. Зависимость частоты шабота молота Тш(р) от давления р и числа пневмоамортизаторов:
1 — 8 пневмоамортизаторов; 2 — 6 пневмоамортизаторов; 3 — 4 пневмоамортизатора
4,8-
где Gм — вес молота; Сст.р — статическая жесткость рессоры; Пр, па — количество рессор и пневмоамортизаторов соответственно.
Парциальная частота колебаний шабота Тш молота определяется как
4,6
4,4-
где Кр.д и Кад — коэффициенты динамичности рессоры и пневмоамортизатора соответственно; тм — масса молота.
Динамическая осадка конструкции молота на комбинированных амортизаторах имеет вид
4,2-
4,0
р. 10-3, МПа
Рис. 6. Изменение напряжений в рессорах от давления и числа пневмоамортизаторов:
1 — 4 пневмоамортизатора; 2 — 6 пневмоамортизаторов; 3 — 8 пневмоамортизаторов
2
4
5
расчетов покажут изменение частоты колебаний шабота от вариации давления сжатого воздуха и числа пневмоамортизаторов (рис. 5). Соответствующее изменение действующих напряжений в рессорах при вариации аналогичных параметров представлено на рис. 6. При анализе указанных выше данных необходимо отметить, что использование дополнительных пневмоамортизаторов не приводит к существенному изменению частотной настройки системы, следовательно, не ухудшаются виброхарактеристики фундамента молота, при этом парциальная частота системы остается в интервале 3,8-4,1 Гц.
Пневмоамортизаторы, установленные параллельно рессорам, увеличивают жесткость упругого основания машины, что уменьшает статическую осадку молота и, соответственно, величину напряжений изгиба в материале рессор. Путем варьирования количества пневмоамортизаторов и величины давления в них можно уменьшить действующие напряжения в рессорах до 19 %, если сравнивать данный показатель с тем, какой имеется у обычного рессорного варианта виброизолирующей установки молота.
Таким образом, комбинированная рессорно-пневматическая виброизолирующая система кузнечного молота позволяет проводить
дополнительную настройку собственной частоты системы, уменьшать уровень действующих напряжений в конструкции рессор и изменять уровень нагрузок на фундамент в зависимости от местного состояния грунта. Кроме того, возможность автономного регулирования жесткости создает предпосылки для создания основ автоматизированной виброизолирующей системы кузнечного молота. Работоспособность указанной конструкции подтверждена, ее можно рекомендовать к широкому внедрению в кузнечных цехах.
Литература
1. Климов И. В., Кошелев В. П., Носов В. С.
Виброизоляция штамповочных молотов. М.: Машиностроение, 1979. 134 с.
2. Проектирование, строительство и эксплуатация виброизолированных фундаментов для штамповочных и ковочных молотов с весом падающих частей до 16 т: Руковод. материал / Под ред. Н. Деордиева. Воронеж: ЭНИКМАШ, 1967. 83 с.
3. Иванов Ю. В. Расчет виброизоляции штамповочных молотов // Изв. вузов. Сер. Черная металлургия. 2009. № 1. С. 17-19.
4. Грибов М. М. Регулируемые амортизаторы радиоэлектронной аппаратуры. М.: Сов. радио, 1974. 144 с.
