Введение к работе
Актуальность проблемы. Современное промышленное производство невозможно себе представить без использования кузнечно-прессовых машин (КПМ) и, в частности, без использования механических кривошипных прессов - наиболее представительной группы этих машин. По имеющимся данным в 1985 году парк кривошипных прессов в СССР составлял 268 тыс. единиц, из них 170 тыс. сосредоточено непосредственно в России. В 1987 году, одном из наиболее благополучных для отечественной экономики, в СССР было выпущено 10700 кривошипных прессов различного технологического назначения, из которых порядка 60% изготовлено в России.
Из всего парка эксплуатируемых и выпускаемых кривошипных прессов подавляющее большинство приходится на прессы горячештамповочные (КГШП) и листоштамповочные. Основное назначение первых - горячая объемная штамповка заготовок высокой точности, вторых - выполнение различных листоштамповочных операций, из которых наиболее распространенными являются операции разделительные (типа вырубка, пробивка).
Конструктивные особенности кривошипных прессов (наличие маховичного привода, кривошипно-шатунного механизма, фрикционной муфты включения и фрикционного тормоза) и особенности указанных ^технологических операций (при горячей штамповке - резкий рост силы деформирования вблизи крайнего нижнего положения ползуна; при разделительных операциях - резкий спад силы при отделении заготовки) обуславливают ряд вопросов, нерешенность которых не позволяет создавать прессы более производительными, более надежными, безопасными и экологически чистыми, т.е. создавать прессы более высокого, по сравнению с достигнутым, технического уровня.
Среди таких вопросов, в первую очередь, следует выделить вопрос перегрузок и заклиниваний (особенно для прессов горячештамповочньгх с цельной станиной); быструю потерю работоспособности коренными подшипниками кривошипных валов из-за появления кромочного эффекта, вызванного перекосом вала у прессов с консольно расположенной муфтой включения; быструю утомляемость операторов из-за сильного шума на рабочем месте у прессов, выполняющих разделительные операции; наличие асбеста (ярко выраженного канцерогена) в составе материалов, из которых изготавливаются фрикционные элементы муфт включения и тормозов.
Из других вопросов необходимо выделить для прессов, выполняющих разделительные технологические операции, отсутствие приемлемых для практики теоретических положений, позволяющих |троизводить анализ происходящих, процессов и выполнять необходимые расчеты с учетом отмеченной особенности этих операций.
Несмотря на то, что выбег маховика входит в число обязательных при определении качества изготовления и сборки прессов в целом, до настоящего времени не разработана научно, обоснованная методика его нормирования, что не позволяет эффективно использовать этот параметр в работе.
Нередко при создании и модернизации прессов специалисты, имея в своем арсенале ряд привлекательных, но не проверенных, технических решений, не могут обоснованно подойти к вопросу об их использовании из-за отсутствия данных об эффективности этих решений или используют такие решения, рискуя, по крайней мере, затратить средства, не достигнув желаемого результата. Это относится и к вопросу оснащения прессов предохранителями от перегрузки, основанными на способе экстренного отключения муфты, и к вопросу эффективности разгрузки коренных подшипников кривошипных валов от веса консольно расположенной муфты, для исключения появления кромочного эффекта, и к вопросу возможности использования литых, способом электрошлакового литья, кривошипных валов вместо кованых.
И еще одна проблема, хоть и не имеющая прямого отношения к повышению технического уровня, но касающаяся кривошипных прессов и способствующая повышению обороноспособности страны, это проблема і сохранения работоспособности рассматриваемых машин при их длительном хранении в качестве резервной мощности.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов повышения технического уровня горячештамповочных и листоштамповочных кривошипных прессов.
Задачи работы. В соответствии с поставленной целью сформированы следующие конкретные задачи работы:
- провести исследование процесса перегрузки и заклинивания
кривошипных прессов, в ходе которого оценить влияние колебаний
элементов силовой системы пресса на величину и характер возрастания
силы при нагружении, проанализировать количественное влияние
параметров пресса на величину конечной силы при перегрузке, исследовать
вопрос возможности создания незаклинивающихся кривошипных прессов;
разработать, исследовать и довести до практического использования устройства, устраняющие наиболее часто встречающиеся причины возникновения перегрузок и заклиниваний;
- разработать, теоретически и экспериментально исследовать,
довести до практического использования устройства для вывода из (
состояния заклинивания горячештамповочных прессов с цельной станиной;
2.
теоретически и экспериментально исследовать эффективность использования предохранителей от перегрузки по силе, основанных на принципе экстренного отключения муфты;
исследовать эффективность разгрузки коренных подшипников кривошипных валов от веса консольно расположенной м\фты для исключения возникновения кромочного эффекта:
исследовать работоспособность литых, изготовленных способом электрошлакового литья (ЭШЛ), эксцентриковых валов, с целью определения возможности замены ими кованых эксцентриковых валов;
провести исследования динамических процессов, происходящих в прессах, выполняющих разделительные операции, в ходе отделения заготовки, и получить зависимости для расчета углов раскачивания прессов, величин сил в анкерных болтах, параметров колебания кривошипных прессов, установленных на виброизолирующих опорах;
разработать и исследовать принципиально новую конструкцию демпфера кривошипных прессов, выполняющих разделительные операции, для уменьшения шума и вибрации на рабочих местах операторов;
теоретически и экспериментально исследовать процесс выбега маховика и разработать методику его нормирования. как диагностирующего параметра, при определении качества изготовления деталей, сборки и технического состояния кривошипных прессов;
щ - выполнить комплекс проектных и исследовательских работ по
созданию и внедрению фрикционных элементов муфт и тормозов
. кривошипных прессов (вкладышей и накладок), не содержащих в составе композиции материала для их изготовления асбест (ярко выраженный канцероген);
разработать организационно-технические мероприятия по сохранению работоспособности кривошипных прессов при длительном хранении их в качестве резервной мощности.
При выполнении работы использованы классические подходы исследования механических систем на основе фундаментальных методов теоретической .механики, теории усталости металлов, гидравлики, а также традиционные методы, аппаратура и оборудование для проведения экспериментов.
Научная новизна. Научную новизну работы составляют:
- динамические модели закрытых и открытых кривошипных
прессов для исследования процесса перегрузки; аналитические
зависимости, описывающие движение основных элементов силовой
системы пресса при нагружении, учитывающие силы инерции движущихся
элементов; разработанные на основе этих зависимостей методики расчета
сил. развиваемых в процессе перегрузки, и результаты оценки влияния сил
терции движущихся элементов на величину сил при перегрузке:
- научное обоснование возможности создания незаклинивающихся
кривошипных прессов и аналитические зависимости, устанавливающие
взаимосвязь между параметрами пресса для обеспечения его работы без заклинивания;
- аналитические зависимости величины силы, необходимой для
расклинивания кривошипного пресса,, в зависимости от места ее
приложения (к кривошипу, шатуну или рычагу, жестко связанному с
кривошипным валом) в соответствии с предложенным способом (авторское
свидетельство СССР №293703 и др.) вывода пресса из состояния
заклинивания расклинивающей силой, прикладываемой к кривошипно-
шатунному механизму;
аналитические зависимости для определения параметров устройств для вывода кривошипного пресса из состояния заклинивания, использующих эксцентриковый механизм соединения шатуна с ползуном (авторское свидетельство СССР №258035);
результаты исследований по определению величины коэффициентов трения покоя подшипников скольжения кривошипно-шатунного механизма заклиненных кривошипных прессов для густой и жидкой смазки (материал трущихся поверхностей - сталь-бронза) при нагруженности до 200 МПа и выдержке до 3,5 часов, позволяющие выполнять расчеты устройств для расклинивания, основанных на использовании процесса проворота кривошипного вала или элементов эксцентрикового соединения шатуна с ползуном;
теоретический метод определения конечных сил, развиваемых при перегрузке кривошипным прессом, оснащенным предохранителем^ основанным на принципе экстренного отключения муфты;
предложенный метод учета диссипации энергии в процессе скола заготовки в кривошипных прессах, выполняющих разделительные операции, основанный на учете характера изменения силы в станине пресса после скола заготовки, и уточненная на базе этого метода методика расчета различных параметров, обусловленных колебаниями открытых кривошипных прессов после скола заготовки;
- результаты исследования принципиально новой конструкции
демпфера (авторское свидетельство СССР №1074737) для прессов,
выполняющих разделительные операции, позволившие создать демпфер,
обеспечивающий автоматическое совмещение моментов его срабатывания
со спадом нагрузки при отделении заготовки и решение задачи плавной
разгрузки силовой системы пресса, что позволило исключить
возникновение повышенного шума, создаваемого при выполнении
технологической операции, вибрации, передаваемой окружающей среде, и
увеличить долговечность работы штампового инструмента;
- постановка и решение задачи создания композиций материалов,
не содержащих асбест, для изготовления фрикционных элементов муфт и
тормозов кривошипных прессов, что позволило создать безасбестовый
материал (патент РФ №2001057), использование которого обеспечило
решение проблемы экологической чистоты создаваемых щ
эксплуатируемых машин. .
Практическая ценность. Результаты выполненных исследований в виде методик расчета сил при перегрузках, устройств для расклинивания, демпфирующих устройств, параметров, необходимых для установки прессов,выполняющих разделительные операции, по нормированию выбега маховика, рекомендаций по разгрузке коренных подшипников кривошипных валов от веса консольно расположеіпюи муфты, измеритель сил и устройства, исключающие основные причины перегрузок и заклиниваний, фрикционные элементы (вкладыши и накладки) из созданного безасбестового материала шифра ТИИР— 251 использованы и кпепьзуокя ЗЛО <ОЯЖМЕХПРВСС>> (г. Всродак} АО «ВОРОНЕЖПРЕСС» (г. Воронеж), АООТ «ТЯЖПРЕССМАПІ» (г. Рязань), ОАО «СКБКМ» (г. Воронеж), ОАО «ЭНИКМАШ-В» (г. Воронеж) при создании различных типов кривошипных прессов, обеспечивая повышение их конкурентоспособности на внутреннем и внешнем рынках, что позволило осуществлять поставку прессов фирмам Испании, Китая, Кореи и др.
Результаты исследования предохранителя по силе, основанного на принципе экстренного отключения муфты, дали возможность ЗАО «ТЯЖМЕХПРЕСС» избежать неоправданных потерь значительных средств.
Рекомендации по использованию литых электрошлаковых эксцентриковых валов позволили ЗАО «Сальский завод кузнечно-Іірессового оборудования» решить проблему дефицита по кованым заготовкам для валов прессов серии КД, КИ и др.
Проект демпфера к прессу модели П3046 силой 4 МН принят АООТ «ТЯЖПРЕССМАПІ» к изготовлению.
Устройство для расклинивания модели ПБ710 внедрено на Владимирском тракторном заводе на КП1ІП LKM1600A силой 16 МН, а устройство для расклинивания силой, прикладьшасмои к КШМ, на Таллинском ПО ВАЗАР на прессе модели К234А силой 400 кН.
Разработанный комплекс организациоішо-технических
мероприятий по сохранению работоспособности кривошипных прессов при длительном хранении в качестве резервной мощности используется по рекомендации ОАО "ЭНИКМАШ-В" предприятиями в качестве типового.
Кроме того, результаты выполненного исследования используются
в учебном процессе при чтении лекций, курсовом и дипломном
проектировании, проведении практических занятий в Московском
государственном техническом университете «МАМИ», Национальном
техническом университете Украины «Киевский политехнический
институт», Белорусской государственной политехнической академии,
Запорожском национальном техническом университете, Кировоградском
1-осударственном техническом университете, Воронежском
Государственном техническом университете при подготовке специалистов по
обработке давлением, а также в Воронежском государственном университете при подготовке специалистов по специальности «Механика».
Сказанное выше подтверждено прилагаемыми актами внедрения и письмами соответствующего содержания указанных организаций и ВУЗов (всего 15 документов').
Апробация работы. Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на: научно-технической конференции молодых ученых НКМЗ (Краматорск, 1968); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГТУ (Воронеж, 1972, 1974, 2001, 2002); неоднократно на технических советах ЗАО «ТЯЖМЕХПРЕСС», на Ученых советах ОАО «ЭНИКМАШ-В» (Воронеж, 1972-1995), технических советах АООТ «ТЯЖПРЕССМАШ» (Рязань, 1980-1990), технических совещаниях ВНИИАТИ (ОАО «НИИАТИ фирма ТИИР») (Ярославль, 1986-1992); 2, 3, 4 и 7-й региональных межвузовских конференциях в ВГТУ (Воронеж, 1997-2002).
В полном объеме работа рассмотрена и одобрена на научном семинаре кафедры МТ-6 МГТУ им Н.Э. Баумана, на советах ЗАО «ТЯЖМЕХПРЕСС», АООТ «ТЯЖПРЕССМАШ». ОАО «ЭНИКМАШ-В», АО «Воронежпресс».
Работа выполнена в соответствии с основным научным направлением ВГТУ «Компьютерная механика и автоматизированные системы проектирования технологий и конструкций машиностроения и аэрокосмической техники» (55.00/06; 30.19/06; 50.47/06; 50.51/06), каЩ темы по ГРНТИ 55.16.03.
Публикации. По материалам выполненных исследований опубликована 41 печатная работа, в т.ч. 2 монографии. Результаты работы защищены 8 авторскими свидетельствами СССР и одним патентом Российской Федерации.
В работах [5-11], опубликованных в соавторстве, автором высказана основная идея и проведены проработки возможности реализации предложений на практике; в [13], [19-23], [30], [37], [39] проведены теоретические и экспериментальные исследования, разработаны методики расчета и конструкции устройств; [18], [24-27], [29], [32], [34], [36]. [38] разработаны динамические модели, проведены теоретические и экспериментальные исследования, обобщены полученные результаты; [28] разработаны конструкции экспериментальных подшипников, разработана методика и выполнены экспериментальные исследования; [12], [17], [31] определен принцип незаклинивания кривошипных прессов, выполнены теоретические и экспериментальные исследования; [35] предложен новый метод учета потерь энергии на участке скола заготовки, получены формулы для определения инерционной силы; [3] и [14] разработаны требования, предъявляемые к безасбестовым фрикционным материалам, разработан^ испытательный стенд и методика испытаний, проведены лабораторные Я промышленные испытания фрикционных элементов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, десяти глав, выводов, списка используемой литературы из 181 наименования и приложений. Работа содержит 422 страницы, включая 105 рисунков и 16 таблиц.
