CC BY
69
УДК 621.967
К РАСЧЕТУ ДИНАМИКИ ГИДРОВИНТОВЫХ ПРЕССОВ ДЛЯ ШТАМПОВКИ С КРУЧЕНИЕМ
В.И. Трусковский, В.В. Киселев
TO CALCULATION OF DINAMICS HIDROSCREW PRESS WITH THE ROTATING TOOL
V.I. Truskovskiy, V.V. Kiselev
Приведена динамическая модель гидровинтового пресса с вращающимся инструментом и дифференциальные уравнения движения масс модели для анализа процессов в гидромеханической системе машины на участке рабочего хода.
Ключевые слова: гидровинтовой пресс, штамповка с кручением, расчетная схема, динамическая модель колебания, дифференциальные уравнения.
The dynamic model of a hydroscrew press with the rotating too, differen-tional equations of movement of weights of model for the analysis of processes in hydromechanical system of the car on a dispersal site is resulted.
Keywords: hydroscrew press, punching with torsion the settlement scheme, di-namic model of fluctuation, the differential equations.
Работа гидровинтового пресса для штамповки с кручением основана на принципе совместного и одновременного воздействия на заготовку предварительно накопленной на участке разгона кинетической энергии поступательного и вращательного движений, одновременно совершаемых подвижными частями пресса и энергии давления жидкости, создаваемой в гидроцилиндре.
Область применения гидровинтовых прессов с вращающимся инструментом - изготовление горячештампованных осесимметричных тонкостенных поковок различной формы и размеров (диски, ступицы фланцы, шестерни и др.).
Параметры штамповки с кручением взаимосвязаны с динамическими процессами, происходящими в гидромеханической системе пресса. Анализ динамического состояния гидровинтового пресса с вращающимся инструментом позволит получить данные, необходимые для разработки надежных и работоспособных конструкций прессов такого типа.
На рис. 1 приведена расчетная схема гидровинтового пресса для штамповки с кручением [1, 2], которая включает в себя гидроцилиндр 1 с поршнем 2 и штоком 3.
Шток 3 через сферический подпятник 4 опирается на винт 5, смонтированный в гайке 6, жестко закрепленной в поперечине 7 станины. Нижний торец винта 5 жестко связан с ползуном 8.
На расчетной схеме приведены следующие условные обозначения: V, ш - скорости линейного и углового перемещений ползуна 8 с винтом 5 в эквивалентном сечении винтового соединения «винт 5 - гайка 6»;
Рд, Мд - технологическое усилие и момент деформирования; М1 - момент в винтовом соединении «винт 5 -гайка 6»; Мтр, Mтп - моменты трения в винтовом соединении «винт 5 - гайка 6» и в сферическом подпятнике;
Расчет и конструирование
Яу, Яр, Ян - силы трения в уплотнениях гидроцилиндра, в резьбовом соединении и направляющих ползуна.
Жидкость высокого давления р1, действуя на поршень 2 гидроцилиндра 1 создает вертикальную гидравлическую силу, действующую через шток 3 и подпятник 4 на винт 5, который, имея несамотормозящую ходовую резьбу, начинает вращаться относительно неподвижной гайки 6 совместно с ползуном 8 и одновременно перемещаться вниз. При этом в винтовом соединении и на ползуне возникают крутящие моменты. В результате за время разгона на участке холостого хода накапливается необходимая кинетическая энергия винтового движения. После контакта вращающегося инструмента с заготовкой ее деформация будет происходить под действием технологического усилия осадки Рд и технологического момента деформирования Мд.
Для анализа динамических параметров и определения частот собственных колебаний элементов гидромеханической системы гидровинтового пресса для штамповки с кручением составлена динамическая модель (рис. 2).
В динамической модели инерционные свойства системы представлены массами, сосредоточенными в определенных точках, и моментами инерции в сечениях, соединенных безынерционными упругодиссипативными или кинематическими связями.
При построении динамических моделей были приняты следующие допущения: взаимодействия распространяются мгновенно; жидкость обладает постоянной вязкостью и нетеплопроводна; температура жидкости установившаяся; сжимаемость жидкости и деформируемость трубопроводов предполагаются пропорциональными приведенным линейным жесткостям; массы жидкости и рабочих частей приводятся к определенным точкам, движение которых анализируется в предположении, что движение жидкости и рабочих частей машины эквивалентно движению этих точек приведения; сопротивления колебательным движениям жидкости пропорциональны скорости, а сопротивления перетеканию под действием разности давлений на концах гидролинии пропорциональны квадрату скорости; станина пресса считается абсолютно жесткой; масса поршня 2 и штока 3 не учитывается; масса винта 5 приведена к массе ползуна 8; зазоры в кинематических парах гидровинтового пресса отсутствуют; коэффициент трения в винтовой паре принимается постоянным.
В динамической модели приняты следующие обозначения: т1 - масса рабочей жидкости в напорной магистрали, приведенная к ведущему концу упругого звена; т2 - масса ползуна с винтом и рабочей жидкости в возвратной магистрали, соединенной со сливным баком, приведенная к ведомому концу упругого звена; J1 - приведенный момент инерции рабочих частей пресса, совершающих вращательное движение.
Приведенные параметры определяются следующими выражениями:
т
где р - плотность рабочей жидкости, /, I\ - площади сечений и длины прямых участков труб, составляющих рабочую гидролинию;
т
= Цг )[(т + ^) + т/ ]
4п
Я
п я
где / - площадь напорной трубы; - площадь поршня; т - масса поступательно движу-
щихся частей; J - осевой момент инерции вращающихся рабочих частей; я - ход винта;
Трусковский В.И., Киселев В.В.
К расчету динамики гидровинтовых прессов для штамповки с кручением
1 к
т[ =—р^ /^ - масса жидкости в сливной гидролинии, где /, Iу- - площади и длины прямых 3 1
участков труб сливной гидролинии;
я2
J1 = т—- + J .
4п2
Взаимодействие масс осуществляется через упругие связи: с1 - жесткость гидросистемы, приведенная к поршню; с2 - приведенная линейная жесткость винта 5 и гайки 6; с3 - приведенная крутильная жесткость винта 5 и гайки 6.
Рд, Мд - технологическое усилие и момент деформирования; Мтр - суммарный приведенный момент трения в винтовом соединении; Мтп - момент трения в сферическом подпятнике; М8 -приведенный момент от силы тяжести; к(йх1/й() - сила жидкостного трения, где к - коэффициент пропорциональности силы жидкостного трения [3]; Я1, Я2, - диссипативные силы сопротивления; х1 - абсолютное линейное перемещение массы т1, вызванное упругой деформацией гидросистемы; х2, ф1 - абсолютные линейные и угловое перемещения ползуна 8 с винтом 5 в эквивалентном сечении (сечение, проведенное через центр тяжести эпюры распределения усилия по виткам), соответствующем средней части высоты гайки 6, вызванные упругими деформациями.
Технологическое усилие Рд, возбуждающее динамические процессы в механической системе гидровинтового пресса и момент деформирования Мд, появляется в результате воздействия рабочих частей на поковку, которые можно определить по зависимостям, приведенным в работе [4]. Усилие, возникающее в гидросистеме: Р = с^.
Усилие в соединении «винт 5 - гайка 6»:
Р =
где г - средний радиус; а - угол наклона винтовой нарезки винта 5.
Момент в соединении «винт 5 - гайка 6»:
М = Р2^(а±р), где р - угол трения скольжения в винтовом механизме.
Сила тяжести О подвижных частей создает дополнительный момент:
М = О—.
8 2п
Сопротивление перетеканию жидкости под действием разности давления на концах гидролинии учитывается согласно принятому допущению как ^±2, где £, - приведенный к поршню суммарный коэффициент сопротивления напорной и сливной гидролиний.
Диссипативные силы сопротивления приняты пропорциональными скоростям движения со-
I с
ответствующих масс: Я1 -^1),Я2 =Ц2ф1. Здесь ц, = (т,6г-1—)/п - коэффициент вязкого
V т,
сопротивления в соответствующей упругой связи, где 5, - логарифмический декремент затухания колебаний
V
с
— - парциальная частота колебаний массы т,. Логарифмический декремент
т.,
затухания колебаний можно определить с помощью формулы
8. = ы-Чц.
а
1п+1
где «1п, ®1п+1- амплитуды колебаний, соответствующие первому и второму периодам колебаний, определенные экспериментально или заимствованные из статистических данных для известных конструкций.
Начальные условия для принятых координат при ^ = 0: ±1 = 0; ±1 = 0; ±2 = 0; ±2 = V; Ф1 = 0; Ф2 = Ю V, Ю - скорости линейного и углового перемещений ползуна с винтом к моменту начала деформации.
Расчет и конструирование
Уравнения движения динамической модели составлялись на основе уравнения Лагранжа второго рода:
эт + эй = эф
Ъд, дд. ■ дд.
dt
dqJ J
ч JJ Jj
где Т, П- соответственно кинетическая и потенциальная энергия системы; qj - обобщенные координаты; Qj - обобщенные силы; Ф - диссипативная функция системы.
После соответствующих преобразований получается следующая система нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка движения масс динамической модели, которые решаются численными методами с использованием вычислительной техники.
; dx, п
mx + cx -h—1 + Р;
1111 dt 1
m2x2 + c2(x2 - x1) - C1X -^ - Рд - R1 - S R = 0;
/^ +M1 + Mд + Mg - R2 - Мтр sgn Ф1 = 0.
В уравнении движения массы m2 действия приведенной силы трения в винтовой паре, уплотнениях гидроцилиндра и направляющих ползуна учтены как суммарное их значение XR.
Предложенная модель гидровинтового пресса для штамповки с кручением позволяет проводить анализ динамических процессов, происходящих в гидромеханической системе машины на участке рабочего хода.
Литература
1. Пат. 106173 Российская Федерация, МПК В 30 В 3/00. Гидровинтовой пресс / В.И. Тру-сковский, В.В. Киселев. - № 2010147016/02; заявл. 17.11.2010; опубл. 10.07.2011, Бюл. № 19. - 4 с.
2. Пат. 2434750 Российская Федерация, МПК В 30 В 1/23. Пресс гидравлический / В.И. Тру-сковский, Б.А. Яров, А.С. Серебряков. - № 2010118998/02; заявл. 11.05.2010; опубл. 27.11.2011, Бюл. № 33. - 5 с.
3. Бочаров, Ю.А. Винтовые прессы /Ю.А. Бочаров. - М. : Машиностроение, 1976. - 247 с.
4. Штамповка с кручением: моногр. / В.Н. Субич, В.А. Демин, Н.А. Шестаков и др. - М. : МГИУ, 2008. - 389 с.
Поступила в редакцию 4 февраля 2012 г.
Трусковский Виктор Иванович. Кандидат технических наук, доцент кафедры «Машины и технология обработки материалов давлением», Южно-Уральский государственный университет. Область научных интересов - кузнечно-прессовое оборудование и обработка давлением сплошных и композиционных материалов. Тел.: (351) 267-94-80; е-mail: [email protected]
Victor I. Truskovskiy. The candidat of engineering science, senior lecturer of “Machines and Technologies Handling Materials by Pressure” department, South Urals state university. The area of scientific interests - forging and pressing equipment and handling pressure of solid and composite materials. Tel.: (351) 267-94-80; е-mail: [email protected]
Киселев Валерий Владимирович. Инженер ООО «Уральский механический завод». Область научных интересов - машины и технология обработки металлов давлением и резанием. Тел.: (351) 244-04-74; е-mail: [email protected]
Valeriy V. Kiselev. The engineer Limited liabiliti company “Ural mechanical factory”. The area of scientific interests - cars and technology processing of metals by pressure and cutting. Tel.: (351) 244-04-74; е-mail: [email protected]
