Содержание к диссертации
Введение 7
Раздел 1. Обзор работ, посвященных разработке и исследованию при
водов импульсных машин для обработки металлов давлением 14
1.1. Сведения об импульсных машинах для обработки давлени- 14
Обзор исследований импульсных машин для обработки металлов давлением 26
Отличительная особенность привода импульсных машин 37
1.4. Технологические аспекты использования импульсных
машин 41
Выводы 45
Обоснование методов исследований 46
Цель и задачи исследований 47
Раздел 2. Исследование рабочего хода приводов импульсных машин 50
Расчетные схемы энергоприводов импульсных машин 50
Аналитические зависимости рабочего хода энергопривода
импульсных машин 52
2.3. Оценка максимальной скорости открытия клапана запи-
рающего устройства
Моделирование приводов импульсных машин 76
Анализ энергосиловых характеристик энергопривода импульсных машин 86
Выводы 97
Раздел 3. Экспериментальные исследования энергоприводов импульс-
ных машин
3.1. Экспериментальные исследования привода машин им-
99 пульсной резки
3.1.1. Оборудование, измерительный комплекс и ме-
то дика проведения экспериментов 99
3.1.2. Анализ результатов экспериментальных иссле-
довании
3.2. Экспериментальные исследования энергопривода машин
импульсногобрикетирования
3.2.1. Оборудование, измерительный комплекс и методика
проведения экспериментов 11
3.2.2. Анализ результатов экспериментов 123
Выводы 131
Раздел 4. Исследование процесса сгорания в энергоприводах импульс-
ных машин
4.1. Экспериментальные исследования процесса сгорания при
электроискровом зажигании
Экспериментальное оборудование 134
Методика проведения экспериментов 138
Обработка результатов измерений 139
Анализ результатов измерений 142
Определение закона выгорания топлива 150
4.2. Экспериментальные исследования процесса сгорания при
факельном зажигании
Цель и задачи исследований 154
Экспериментальное оборудование 155
Методика проведения экспериментов 158
Анализ результатов экспериментов 165
Выводы 177
Раздел 5. Исследование процесса наполнения камер сгорания им-
пульсных машин
5.1. Расчетная схема процесса 179
5.2. Математическое описание процесса наполнения камеры
сгорания
5.3. Критерии подобия процесса наполнения 184
Частные случаи процесса наполнения камеры 186
Определение коэффициента расхода и коэффициента теп-
лоотдачи
5.6. Учет изменения коэффициента теплоотдачи 190
5.7. Анализ зависимостей параметров процесса наполнения
192
камеры сгорания от его критериев подобия
5.8. Экспериментальные исследования процесса наполнения
камеры сгорания
Выводы 215
Раздел 6. Разработка и промышленное внедрение импульсных машин 216
6.1. Методика проектировочного расчета приводов импульс-
ных машин
Особенности эксплуатации импульсных машин 220
Разработка и промышленное внедрение энергоприводов
222 импульсных машин.
Пути повышения производительности и долговечности приводов импульсных машин. Перспективы создания импульсных машин особо больших энергий
Оценка технико-экономической эффективности импульсных машин с газовым энергоприводом. 258
Выводы 264
Раздел 7. Перспективы расширения сферы применения привода им-
пульсных машин
7.1. Применение привода импульсных машин для модерниза-
ции привода паровоздушных молотов
7.1.1.Конструкция и работа паровоздушного молота 26
Анализ возможных конструктивных схем модерни-зации молота
Анализ кинематических и энергосиловых парамет-
ров модернизированного привода
7.2. Применение привода импульсных машин для листовой
штамповки
Газоимпульсная штамповка 284
Исследование динамики процесса газоимпульсной
штамповки
7.2.3. Экспериментальная отработка технологических
приемов штамповки. Оптимизация параметров
энергоузла
7.2.4. Рекомендации по конструктивному решению обо-
рудования для газоимпульснои штамповки
Выводы 297
Общие выводы 299
Литература 301
Приложения 314
Введение к работе
В связи с неуклонным повышением потребления сырья, материалов и энергии одной из актуальных технических задач современности является разработка и создание ресурсосберегающих технологий и машин с более высоким КПД с широкими технологическими возможностями. К их числу, в частности, относятся импульсные методы металлообработки. Эти методы позволяют создавать безотходные технологии либо существенно снизить потери металла при обработке. Наряду с этим импульсная металлообработка во многих случаях обеспечивает снижение энергозатрат и повышение качества получаемых изделий. Это определяется более высокой концентрацией запасаемой в технологических целях энергии, отсутствием ее затрат на переработку отходов за счет их сокращения и уменьшения ее потребления, например, при переработке отходов, более плотно упакованных.
Большой вклад в развитие теории и практики импульсных процессов металлообработки внесли Ю. Н. Алексеев, О. Д. Антоненков, К. Н. Богоявленский, В. К. Борисевич, А. И. Горохович, А. А. Дерибас, А. И. Зимин, В. Г. Кононенко, Г. П. Кузнецов, Р. В. Пихтовников, Е. А. Попов, О. В. Попов, С. М. Поляк и др.
Одним из направлений практического воплощения метода импульсной обработки являются ИМ, энергоисточником которых является горючий газ (метан, пропан, природный газ). Эти машины высокопроизводительны и экономичны, отличаются высокой энергоемкостью, компактностью, малой металлоемкостью. Они просты в эксплуатации и надежны в работе. Благодаря этим качествам импульсные машины (ИМ) в относительно короткий срок нашли применение в машиностроительной и металлургической отраслях промышленности для выполнения операций резки, брикетирования, ковки, штамповки. В отличие от установок взрывной и электрогидравлической обработки в этих машинах, чаще всего, воздействие на предмет обработки осуществляется ударом твердого тела (бойка, ножа или штампа). Особенно эффективным оказалось использование ИМ в линиях
машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) для резки заготовок на мерные длины и для брикетирования стальной и цветной стружки. ИМ являются отечественным изобретением .и запатентованы во многих странах.
Несмотря на ряд выполненных исследований и опытно-конструкторских разработок, ИМ недостаточно исследованы и, особенно их привод. Это касается, в частности, совершенствования методов расчета энергоприводов ИМ, а также оптимизации их параметров. Настоящая работа посвящена решению этих задач, она выполнена в связи с решением задания 06.Н1 программы ГКНТ СССР от 12.12.80 г. "Исследовать термодинамический цикл, энергетический и тепловой баланс приводов высокоскоростных машин импульсной резки металла, брикетирования стружки и выдать методические материалы на разработку и освоение оборудования с энергией до 300.0 кДж", задания 09.03Т программы 0.72.06.03 ГКНТ СССР от 16.11.85 г. "Создать и освоить процесс и оборудование импульсного пакетирования стальной стружки с массой пакета 200 кг", а также программы 5.42.02/054-92 ГКНТ Украины "Создание научных основ, технологий и автоматизированных комплексов машин импульсной резки в линиях машин непрерывного литья заготовок и прокатных станов" и Министерства образования Украины по разработке технологических процессов и оборудования импульсной металлообработки. Вышеизложенное подтверждает актуальность темы диссертации и рассматриваемых в ней проблем, а также указывает на прямую связь с общегосударственными программами.
Цель работы - решение важной народнохозяйственной проблемы создания новых ресурсосберегающих машин с газоимпульсным приводом для осуществления технологических процессов резки холодного и горячего проката, брикетирования стружки, штамповки и других процессов обработки металлов давлением. Для достижения этой цели решены следующие задачи. 1. На основе изучения условий работы опытных образцов ИМ для резки горячих слитков в МНЛЗ и холодного проката на мерные заготовки, брикетирования стружки и горячей штамповки, установлены требования к энергоприво-
дам таких машин. Сравнение рабочих процессов в поршневых двигателях внутреннего сгорания и ИМ для обработки металлов давлением показало существенные особенности процессов в энергоприводах ИМ. Исходя из этого, обоснованы направления и методы исследований.
Исследован рабочий ход энергопривода ИМ. Установлены зависимости скорости движения рабочих частей (штока, корпуса, клапана) и КПД процесса от управляемых и конструктивных параметров (давления газа в камере, расхода, зазоров, скорости открытия клапанов). Разработана дескриптивная математическая модель этого процесса.
Определены критерии подобия энергоприводов ИМ, установлены их приоритеты и рациональные диапазоны выбора, синтезирована оптимизационная модель энергопривода.
Экспериментально исследован процесс сгорания топливной смеси в камерах сгорания ИМ. Установлены зависимости термодинамических величин от формы, объема камеры сгорания и давления топливной смеси. Разработаны пути интенсификации процесса за счет разных методов поджига и совершенствования конструкции привода для разных технологических процессов.
Исследован процесс наполнения топливной смесью камер сгорания ИМ и разработана математическая модель этого процесса, учитывающая теплообмен смеси со стенками камеры. Получено экспериментальное подтверждение этой модели.
Разработаны научные основы типового проектирования энергоприводов ИМ, позволившие спроектировать ряд машин для резки стальных слитков в горячем и холодном состоянии, брикетирования стружки и осуществления ряда других технологических процессов обработки металлов давлением. Исследованы их эксплуатационные характеристики. Полученные результаты подтверждают проектные показатели.
7. На основании полученных данных разработаны новые схемные решения
энергоприводов ИМ, позволяющие модернизировать существующие паровоз-
душные кузнечные молоты с целью расширения их технологических возможностей и существенного увеличения КПД, реализовать процессы горячей листовой штамповки, уплотнения песчаных смесей и другие процессы.
8. Разработаны и используются в промышленных и опытно - промышленных условиях ряд ИМ. Определены их эксплуатационные характеристики, которые в большой степени совпадают с расчетными. На основе их оценки определены их перспективы расширения сферы применения разработанных энергоприводов ИМ. Выполнена технико-экономическая оценка эффективности использования разработки, которая позволяет сделать вывод о возможности существенного снижения ресурсопотребления в технологических процессах, реализующихся с помощью ИМ. Научная новизна диссертации состоит в разработке научных основ проектирования энергоприводов ИМ, обеспечивающих существенное ресурсосбережение в технологических процессах резки металла в горячем и холодном состояниях, а также других процессах обработки давлением.
В рамках концептуального решения проблемы получены новые научные результаты:
разработаны основы теории энергоприводов ИМ для обработки металлов давлением, соответствующей их реальному рабочему процессу;
синтезированы математические модели основных процессов в энергоприводах ИМ;
установлены критерии подобия и условия моделирования энергоприводов, позволяющие определить оптимальные геометрические, силовые и другие параметры энергоприводов:
разработана методика проектирования энергоприводов требуемой выделяемой энергии и последовательности рабочих импульсов.
Практическая значимость результатов исследований заключается в создании и внедрении в производство ИМ для безотходной резки металла и реализации других энергосберегающих технологий. В рамках этого:
разработаны и внедрены в производство новые конструкции энергоприводов ИМ для безотходной резки металла в холодном и горячем состояниях, брикетирования стружки из черных и цветных сплавов;
найдены новые конструктивные решения создания новых высокоэффективных машин и модернизации существующих для резки, ковки, штамповки и утилизации отходов производства, а также машин особо больших энергий для резки слябов (блюмов) в линиях МНЛЗ;
разработаны методики экспериментальных исследований процессов наполнения топливной смесью и ее сгорания в камерах сгорания ИМ и рабочего хода в них. Методики основаны на использовании современного оборудования для регистрации быстроизменяющихся параметров, оригинальных датчиков и обработки результатов на ЭВМ.
Личный вклад автора состоит в:
разработке дескриптивной модели энергопривода ИМ;
синтезе оптимальных моделей, основанных на критериях подобия, рабочего процесса и наполнения топливной смесью камеры сгорания, а также разработке способов и устройств для интенсификации процессов поджига и сгорания;
разработке методик проведения экспериментальных исследований, проектирования энергоприводов и опытно - промышленной отработке различных технологических устройств;
в разработке новых технологических решений схем энергоприводов ИМ, их узлов и ряда технологических процессов.
Достоверность полученных результатов подтверждается применением современного математического аппарата научных исследований, экспериментальными исследованиями и практическими результатами, полученными при внедрении в опытно - промышленном производстве, а также путем сравнения с известными теоретическими решениями.
Апробация работы. Основные научные и прикладные результаты были до-
ложены и обсуждены на: всесоюзных научно-технических конференциях "Использование импульсных источников энергии в промышленности", г. Харьков, 1985-1990 г. г.; всесоюзной научно-технической конференции "Совершенствование кузнечно-штампового оборудования ударного действия и создание комплексов горячей штамповки", г. Ижевск, 1982 г.; научно-технической конференции "Высокоскоростная объемная штамповка", г. Новосибирск, 1983г.; всесоюзной научно-технической конференции "Совершенствование кузнечно-штампового оборудования ударного действия", г. Запорожье, 1985 г.; всесоюзной научно-технической конференции "Пневматические системы", г. Тула, 1986 г.; научно-техническом семинаре "Прогрессивные технологические процессы, оборудование и средства автоматизации листовой и горячей объемной штамповки", г. Москва, 1991 г.; научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов Харьковского авиационного института им. Н. Е. Жуковского в 1980 - 1992 гг.; научно-технических семинарах кафедры "Технология самолетостроения" Харьковского авиационного института им. Н. Е. Жуковского в 1980 - 1996 гг., научно-технической конференции Карачаево-Черкесского технологического института, 1997 г.
Реализация работы. Результаты данной работы использованы при разработке и модернизации машин импульсного брикетирования, резке стальных заготовок, внедренных на Лиепайском металлургическом заводе "Сарканайс Мета-лургс", Волгоградском тракторном заводе, Бежицком сталелитейном заводе, Новокраматорском машиностроительном заводе, Руставском металлургическом заводе, Молдавском металлургическом заводе.
1 Публикации. Основное содержание работы изложено в 19 статьях, в т. ч. 5
единоличных. На разработки, выполненные в работе, получены 32 авторских свидетельства.
Ш Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 разделов,
Включения, списка литературы. Содержание изложено на страницах маши-
нописного текста, включая /45 рисунка, 23 таблиц и список использованных источников из /^наименований.
1. Обзор работ, посвященных разработке и исследованию
приводов импульсных машин для обработки
металлов давлением.
1.1. Сведения об импульсных машинах для обработки давлением
Одним из методов обработки металлов давлением является импульсный метод обработки ударом жесткого тела, заключающийся в использовании кинетической энергии жесткого тела, предварительно разогнанного до высокой скорости, для формования обрабатываемого материала. Этот метод реализован в ИМ, используемых в настоящее время для выполнения резки, штамповки, брикетирования, некоторых других технологических операций.
Первые сведения об импульсном методе обработки относятся к концу 50-ых годов текущего столетия. В частности, в 1959 году В. Г. Кононенко и другими авторами был предложен способ резки движущегося металла, основанный на использовании энергии взрыва [102, 103]. Этот способ резки нашел свое воплощение в машинах импульсной резки, разработанных в Харьковском авиационном институте. Первые конструкции ИМ имели в качестве привода пороховой двигатель типа артиллерийской системы ЗАП-37 или ПТП-45 [35]. В дальнейшем пороховой привод был заменен двигателем внутреннего сгорания, использующим в качестве топлива смесь горючего газа, например, природного газа, с воздухом. Эти машины получили сокращенное название МИР [34, 50].
Принципиальная схема машины МИР представлена на рис. 1.1. Она содержит шток 6 и шабот 2, на которых закреплены ножи 3 и 4. Шабот 2 посредством стяжных колонн 5 жестко соединен с корпусом энерпривода 7, в котором размещены цилиндр расширения 8 и камера сгорания 10 с запирающим устройством 9. В исходном положении машина удерживается цилиндром подвески 1. Шабот и жестко соединенные с ним детали образуют корпус машины. Шток и корпус на-
зывают подвижными массами машины. Работа машины осуществляется следующим образом. Камера 10 наполняется компонентами топливной смеси
Рис 1.1. Схема конструкции и этапы рабочего цикла машины импульсной резки: 1 - цилиндр; 2 - шабот; 3, 4 - ножи; 5 - колонна; 6 - рабочий шток; 7 -корпус энергопривода; 8 - цилиндр расширения; 9 - запирающее устройство; 10 -камера сгорания
(горючим газом и воздухом), после чего смесь посредством электрической искры зажигается. В результате ее сгорания давление в камере резко повышается. При достижении определенного давления клапан запирающего устройства 9 открывается и сообщает камеру с цилиндром расширения 8. Под действием продуктов сгорания шток 6 и корпус 2 разгоняются в противоположные стороны - производится рабочий ход машины. В конце рабочего хода двухсторонним внедрением ножей 3 и 4 осуществляется разрезание заготовки. Затем продукты сгорания вы-
пускаются из камеры и цилиндра расширения. После этого подвижные массы машины возвращаются в исходные положения: шток под действием собственного веса, корпус — усилием цилиндра подвески 1.
Машина МИР имеет замкнутую силовую схему, поэтому силы, возникающие в процессе резки, замыкаются в самой конструкции машины и не передаются на ее фундамент. Рабочий ход машины и процесс резки длятся сотые доли секунды, что позволяет осуществлять резку заготовок как в неподвижном состоянии, так и в движении. Это дало возможность использовать машины МИР для резки движущихся заготовок в линиях машин непрерывного литья заготовок.
Конструкции машин МИР имеют также горизонтальное исполнение, т.е. ось машины располагается горизонтально. В этом случае машина устанавливается на подшипниках, а возврат штока и корпуса в исходные их положения осуществляется дополнительными устройствами, например, с помощью гидроцилиндров.
Машины МИР нашли успешное применение для резки заготовок в линиях МНЛЗ взамен огневой резке. Это связано с тем, что огневая резка обусловливает значительные потери металла. При резке стальных заготовок мелких и средних течений безвозвратные потери металла составляют от 3 до 7 кг на тонну отлитой стали, а при резке больших слябовых сечений они могут достигать 1.. .2 % от веса плавки [81].При газокислородной резке заготовок из кипящей стали происходит вскрытие и окисление внутренних поверхностей пузырей, что приводит в дальнейшем к дополнительной обрези приблизительно 3,5 % проката. Применение импульсной резки позволяет предотвратить эти потери. Внедрение импульсной резки взамен газокислородной или плазменной на существующих МНЛЗ производительностью 55...3000 тыс. тон в год обеспечивает увеличение выхода годного металла на 0,55...0,9 %, что составляет от 500 до 2000 тонн в год. В частности, применение импульсной резки на заводе "Сарканайс Металургс" позволил увеличить выход годного металла на одном комплексе МИР (рис. 1.2.) до 10000 тонн в год и исключило потребление кислорода в количестве 168 тыс. м /год, горючего газа - 30 тыс. м /год. Применение импульсной резки на вновь строящихся МНЛЗ
создает возможность резки заготовок на любые мерные длины, позволяет увеличить скорость разливки, снижает длину технологической линии МНЛЗ на 10... 15 %.
Исследованиями установлено, что при импульсной резке благодаря высокой скорости нагружения происходит локализация очага пластической деформации,
Рис. 1.2 Комплекс машин импульсной резки в линиях МНЛЗ
что благоприятствует улучшению качества среза заготовок. Это используется в ИМ для резки металла в холодном состоянии. По сравнению с резкой на прессах при резке на этих машинах существенно повышается качество среза, в частности, значительно снижается искажение геометрии сечения заготовки. На рис. 1.3 представлена конструктивная схема машины импульсной резки для рас кроя металла в
холодном состоянии [20]. Машина выполнена в горизонтальном исполнении. Она двухручьевая, т.е. обеспечивает одновременную резку двух заготовок. Машина состоит из энергоузла 1 и двух шаботов 2, соединенных при помощи колонн 3 и гаек 4 в единый корпус, установленный на раме 5. Энергоузел 1 содержит камеру сгорания 6 с запирающим устройством 7 и цилиндр расширения 8 с двумя штоками 9, на которых закреплены подвижные ножи 10.
На шаботах 2, состоящих из набора плит, закреплены ножи 11, в которых
Рис. 1.3. Схема конструкции двухручьевой машины для резки холодного металла: 1 - энергоузел; 2 - шабот; 3 - колонна; 4 - гайка; 5 - рама опорная; 6 -камера сгорания; 7 - запирающее устройство; 8 - цилиндр расширения; 9 - рабочий шток; 10, 11 - ножи; 12 - цилиндр возврата; 13 - демпфирующее устройство
выполнены сквозные отверстия для ввода разрезаемых заготовок в рабочие зоны машины. В шаботах размещены также цилиндры 12, служащие для возврата штоков 9 в исходные положения, а также демпфирующие устройства 13 для гашения избыточной кинетической энергии штоков 9.
Машина работает следующим образом. Через отверстия ножей 11 в рабочие
зоны машины вводятся две заготовки, подлежащие разрезанию. Затем камера сгорания 6 наполняется топливной смесью, после чего смесь поджигается. При сгорании смеси давление в камере повышается. В конечной стадии процесса сгорания запирающее устройство 7 открывается и сообщает камеру сгорания с цилиндром расширения 8. Продукты сгорания поступают в цилиндр расширения 8 и, воздействуя на штоки 9, разгоняют их в противоположные стороны. Ножи 10 при соударении с заготовками осуществляют их разрезание. Демпфирующие устройства 13 обеспечивают торможение штоков 9 после разрезания заготовок. Затем продукты сгорания из камеры сгорания 6 и цилиндра расширения 8 выпускаются. Цилиндры 12 возвращают штоки 9 в исходные их положения.
Известны также конструкции одноручьевых ИМ для резки металлов в холодном состоянии, в частности, машины, разработанные в Коммунарском горнометаллургическом институте [7]. На рис. 1.4 показана схема импульсной машины для холодной ломки. Она состоит из импульсного привода 5 и шабота 16, жестко соединенных между собой колоннами 11. Импульсный привод содержит камеру сгорания 4 с форкамерой 2, снабженной свечами зажигания 1 и распылительной трубкой 3, рабочий цилиндр 6, в котором размещен шток-поршень 8, соединенный с траверсой 12, а также ресивер 10, соединенный со штоковой полостью 9. Ресивер 10 и полость 9 наполнены сжатым воздухом. На торце шток-поршня 8 установлено уплотнение 7 для герметизации перепускного отверстия камеры сгорания 4. На траверсе 12 закреплен ломатель 13, а на шаботе 16 - опорная призма 15, на которую опирается заготовка 14, подлежащая ломке. В исходном положении машины шток-поршень 8 удерживается в верхнем положении давлением воздуха, находящегося в полости 9.
Наполнение камеры сгорания 4 и форкамеры 2 топливной смесью производится через распылительную трубку 3, что обеспечивает качественное смесеобразование. Топливная смесь в форкамере 2 воспламеняется свечами 1.
Выходящие из форкамеры струи пламени обеспечивают интенсивное сгорание топлива в камере 4. Давление в камере 4 резко повышается. При достижении
Рис. 1.4. Схема импульсной машины для ломки металлических заготовок: 1 - свеча зажигания; 2 - форкамера; 3 - трубка распылительная; 4 - камера сгорания; 5 - корпус энергопривода; 6 - рабочий цилиндр; 7 - уплотнение; 8 - шток-поршень; 9 - воздушная полость; 10 - ресивер; 11 - колонна; 12 - траверса; 13 -ломатель; 14 - заготовка; 15 - опорная призма; 16 - шабот
определенного давления сила, действующая на шток - поршень 8 со стороны продуктов сгорания, становится больше силы, действующей на него со стороны воздуха в полости 9, и шток- поршень с траверсой 12 начинает перемещаться. При этом продукты сгорания перетекают из камеры 4 в рабочий цилиндр 6 и воздействуют на всю торцевую поверхность шток-поршня. Благодаря этому он совместно с траверсой интенсивно разгоняется. При соударении ломателя 13 с заготовкой 14 осуществляется ее ломка. Расчленение заготовки происходит по предварительно надрезанному сечению, расположенному над опорой 15. После совершения ломки заготовки продукты сгорания выпускаются из рабочего цилиндра 7, камеры сгорания 4 и форкамеры 2. Под действием давления воздуха, находящегося в полости 9, шток-поршень 8 с траверсой 12 поднимается в исходное положение.
ИМ нашли также применение при решении актуальной проблемы, связанной с утилизацией и переработкой металлических отходов. В частности, весьма эффективным оказалось импульсное брикетирование и пакетирование металлической стружки [5, 53]. На рис. 1.5 представлена схема и общий вид машины импульсного брикетирования стружки [81].
Машина содержит горизонтально расположенный корпус 2, в котором размещены камера сгорания 3 с запирающим устройством 4 и цилиндр расширения 6 с установленным в нем шток-пуансоном 5. Корпус 2 посредством колонн 10 жестко соединен с шаботом 12. Между шаботом 12 и цилиндром расширения 6 размещен подвижный контейнер 7, в котором выполнена сквозная цилиндрическая полость 8 для засыпки металлической шихты 9. Один конец контейнера 7 выполнен в виде поршня и расположен внутри цилиндра расширения 6, при этом свободный конец шток-пуансона размещен в полости 8 контейнера 7. В противоположном конце контейнера 7 расположена полость матрицы 11. Перемещение контейнера 7 осуществляется с помощью гидроцилиндров 13, размещенных в шаботе 12 либо установленных на неподвижной раме машины. Машина устанавливается на катках либо на подшипниках скольжения, закрепленных на неподвижной раме. Перемещение машины в горизонтальном направлении производится гидроцилин
1 2 3 V 5 6 7 8 д Ю 11 13 ІЗ
'//////\ '
с~
х^
'////У///Х
\\\\
\ \
Рис. 1.5. Схема конструкции (а) и общий вид (б) машины импульсного брикетирования: 1 - гидроцилиндр возврата; 2 - корпус; 3 - камепа сгопания: 4 - за-
иик-иуашлш, и — ииршеш», / — контейнер; 8 — полость загрузочное окно; 11 - матрица; 12 - шабот; 13
гид-
камера сгорания; 4 - з пирающее устройство; 5 - шток-пуансон; 6 - поршень; 7 -контейнера; 9 - шихта; 10-
роцилиндры
дром 1.
После засыпки в контейнер 7 металлической шихты камера сгорания 3 наполняется топливной смесью. В результате сгорания этой смеси давление резко повышается. При открытии запирающего устройства продукты сгорания поступают в цилиндр расширения. Под действием их давления шток-пуансон 5 разгоняется, а корпус 2 с шаботом 12 движется в противоположном направлении. При этом пуансон перемещает шихту 9 в матрицу 11. В конечной стадии рабочего хода машины в матрице 11 осуществляется деформирование металлической шихты, в результате чего образуется брикет. Затем продукты сгорания из камеры сгорания 3 и цилиндра расширения выпускаются. После этого гидроцилиндры 13 перемещают контейнер 7 в направлении цилиндра расширения 6. При этом контейнер увлекает с собой шток-пуансон 5 и возвращает его в исходное положение.
Контейнер продолжает перемещаться и после остановки шток-пуансона. Благодаря этому брикет выталкивается пуансоном из полости матрицы. Затем гидроцилиндры 13 возвращают контейнер в исходное положение. Возврат корпуса машины в исходное положение производится гидроцилиндром 1.
Машины импульсного брикетирования высоко производительны. Они обеспечивают получение качественных брикетов высокой плотности и больших размеров (рис. 1.6).
К ИМ могут быть отнесены и некоторые типы высоко скоростных молотов. В частности, в Бирмингемском университете (Великобритания) разработаны различные модели молотов серии "Petro-Forge" с импульсным приводом внутреннего сгорания, работающим на смеси воздуха с горючим газом или жидким распыленным топливом. [87, 144, 145]. Эти молоты могут применяться для штамповки, прессования, вырубки, резки. Для каждой из этих операций используется соответствующий блок штампов. Конструктивная схема и принцип действия этих молотов показаны на рис. 1.7.
Молот выполнен в вертикальном исполнении и содержит поршень 1, шток 2, бабу 3. В верхней части поршня 1 имеется конический уплотняющий элемент 4
::Х Ш
тіш
Рис. 1.6. Брикеты, полученные импульсным методом
Рис. 1.7. Схема конструкции и работы молота "Petro-Forge": 1 - поршень; 2 - шток; 3 - баба; 4 - уплотнение; 5 - камера сгорания; 6 - воздушная полость; 7 -впускной клапан; 8 - выпускной клапан; 9 - форсунка; 10 - свеча зажигания
для запирания отверстия, соединяющего камеру сгорания 5 с рабочим цилиндром 6. Камера сгорания 5 снабжена впускным клапаном 7, выпускным клапаном 8, форсункой 9 и свечой зажигания 10. Надпоршневая полость цилиндра 6 сообщена каналом с выпускным, клапаном 8, а подпоршневая ее полость связана с источником сжатого воздуха давлением 0,15 ... 0,35 МПа.
Перед началом рабочего цикла под действием давления воздуха, находящегося в подпоршневой полости цилиндра 6, поршень 1 находится в крайнем верхнем положении. Через впускной клапан 7 в камеру сгорания 5 подается сжатый воздух, а через форсунку 9 впрыскивается топливо. Образовавшаяся смесь поджигается свечой. Давление в камере сгорания 5 резко повышается. При этом, как только усилие, действующее на уплотняющий элемент 4 со стороны продуктов сгорания, превысит усилие, действующее на кольцевую поверхность поршня 1 снизу, отверстие камеры сгорания открывается. Продукты сгорания поступают из камеры 5 в цилиндр 6 и разгоняют поршень 1 с бабой 3. В конце рабочего хода поршня 1 ударом бабы 3 осуществляется технологический процесс, например, штамповка. Затем открывается выпускной клапан 8, и продукты сгорания удаля-
ются из камеры сгорания 5 и цилиндра 6. Под действием давления воздуха в под-поршневой полости цилиндра 6 поршень 1 с бабой 3 возвращается в исходные положения. Полный рабочий цикл молота длится не более двух секунд. Технические характеристики некоторых моделей молота "Petro-Forge" представлены в табл. 1.1. На базе молота "Petro-Forge" разработаны также установки для осуществления резки металлов и ряда других технологических операций [88, 89].
Таблица 1.1- Технические характеристики модели молота "Petro-Forge"
Высокоскоростные молота с импульсным приводом внутреннего сгорания разработаны также в Коммунарском горнометаллургическом институте и Воронежском политехническом институте [105, 106]. Принцип их действия аналогичен принципу работы выше описанных машин.
1.2. Обзор исследований импульсных машин для обработки
металлов давлением
Теоретической базой работ по созданию ИМ явилась теория пластического деформирования металлов при импульсных нагружениях, разработанная в трудах А. А. Ильюшина, X. А. Рахматулина, Р. В. Пихтовникова, Ю. Н. Алексеева, В. Г. Кононенко, Е. А. Попова, А. И. Зимина, А. Надай, Р. Хилла и др. Опираясь на эти работы были получены выражения для определения усилия и работы деформирования при импульсной обработке, которые являются исходными параметрами для
проектирования ИМ, в том числе и их привода. В частности, в работе [46] В. Г. Кононенко решена задача резки заготовки ударом пластины-ножа и получена зависимость для определения усилия резки
„ 7Го2 т dWH 71 , 5„ . гтт1
Fp = -f>n I ?м -^ + ^3r0vs + -fl3PMWt, (1.1)
где 8Н - толщина ножа; /3 - ширина сечения заготовки; WH - скорость ножа; рм - плотность металла; г о -радиус зоны деформации.
В работе [67] показано, что усилие при импульсной резке можно найти, как
FP = kv/cT' О-2)
где F - усилие статического деформирования; kv - коэффициент динамичности по усилию.
В работе представлены графики зависимости kv от марки и температуры
разрезаемых заготовок при различных скоростях резки. Основываясь на зависимости (1.2) в работе [100] усилие при импульсной резке клиновидными ножами определено как
Fp = 2 tga КрЧст 13У> 0-3)
где a - половина угла клиновидного ножа; qCT - удельное усилие пластического течения металла при статическом нагружении; у - глубина внедрения ножа. В работе [5] усилие деформирования при импульсном брикетировании определено в следующем виде
\1—Xq X —^Q/
где fu - площадь дна матрицы; ат - предел текучести материала стружки в исходном состоянии; / - длина столба стружки перед брикетированием; х - высота брикета с заданной плотностью; Хд - высота брикета с плотностью исходного ма-
териала стружки; к, п, kv - экспериментальные коэффициенты, учитывающие влияние размеров, формы и материала стружки, а также скорости пуансона относительно матрицы.
Приведенные зависимости и ряд других выражений, полученных в работах [20. 23, 56. 71], позволяют определить работу и усилие деформирования при импульсной обработке в зависимости от формы инструмента, скорости нагружения и параметров заготовки. Найденные при этом величины являются исходными при разработке привода ИМ, поскольку она должна развивать требуемые значения усилия и энергии для осуществления данной технологической операции.
В основу конструкции ИМ положена замкнутая силовая схема, применяемая и в высокоскоростных молотах [62. 97]. Благодаря этому силы, возникающие как в процессе разгона подвижных масс машины, так и в процессе деформирования обрабатываемого материала, замыкаются в самой конструкции машины и практически не передаются на ее фундамент.
В ИМ в качестве привода используется поршневой двигатель внутреннего сгорания апериодического действия. Он включает в себя камеру сгорания с запирающим устройством и цилиндр расширения, в котором размещен шток, служащий в качестве поршня. На конце штока закреплен рабочий инструмент. Благодаря этому механическая энергия, преобразованная в приводе из тепловой энергии, передается непосредственно, т.е. без участия промежуточных тел, к исполнительному органу, что, до минимума сокращая длину кинематических цепей, на что указывалось в работах А. И. Зимина [30. 31], позволяет существенно уменьшить весовой и энергетический балласт машины.
ИМ в зависимости от конкретных технологических, эксплуатационных и других требований могут выполняться по различным конструктивным схемам. В работах [2. 80] проведена классификация этих схем. В основу классификации положен энергопривод как основной элемент конструкции ИМ. При этом ИМ классифицируются по следующим основным признакам: компоновке энергоузла, расположению энергоузла на машине, числу цилиндров, способу наполнения камеры
топливной смесью, способу зажигания топливной смеси.
По числу цилиндров расширения различают машины одноцилиндровые и многоцилиндровые. Одноцилиндровые применяются чаще всего и отличаются меньшим весом и габаритами. ИМ могут быть с верхним, нижним, горизонтальным, вертикальным и комбинированным расположением энергоузла, а по способу наполнения камеры сгорания топливной смесью — с внутренним и с внешним смесеобразованием. По способу зажигания топливной смеси различают машины с искровым, колоризаторным, форкамерным и комбинированным зажиганием. Наибольшее распространение получило искровое зажигание.
Конструкция энергопривода ИМ существенно зависит от компоновки энергоузла и способа запирания камеры сгорания. По компоновке энергоузла различают машины с подвижным и неподвижным энергоузлом, а также с неподвижным цилиндром расширения, схемы которых показаны на рис. 1.8. Отличительной особенностью схемы с подвижным энергоузлом (рис. 1.8. а) является то, что движение шабота обуславливается движением энергоузла благодаря жесткой связи между ними. Она обеспечивает наименьшие размеры машины, но при этом детали привода подвергаются значительным инерционным нагрузкам. В этой связи данная схема предпочтительнее в тех случаях, когда основными требованиями являются минимальные габариты и вес машины.
Характерной особенностью машин с неподвижным энергоузлом (рис. 1.8, б) является то, что разгоняющее усилие, возникающее под действием давления продуктов сгорания, передается на шабот через контршток, расположенный в цилиндре расширения. Эта схема позволяет исключить инерционные нагрузки на цилиндр, камеру и установленные на ней узлы и детали системы запирания, газораспределения и зажигания. Однако машины с неподвижным энергоузлом имеют большие габариты и вес, чем машины с подвижным энерогоузлом. Эту схему целесообразно использовать для машин больших энергий, порядка 1000 кДж и выше. Схема машины с неподвижным цилиндром (рис. 1.8, в) является частным конструктивным решением схемы с неподвижным энергоузлом. При этом камера
сгорания размещается внутри контрштока, что позволяет уменьшить габариты и вес привода машины.
Масса корпуса машины существенно зависит от компоновки энергоузла. Для машин с подвижным энергоузлом
т2 = тш + тэ, (1.5)
а для машин с неподвижным энергоузлом и с неподвижным цилиндром
т2 = тш + ткш> (1.6)
где тш - масса шабота с инструментом; тэ - масса корпуса энергоузла; ткш -масса контрштока.
По способу запирания камеры сгорания различают ИМ с внешним и внутренним запиранием. При внешнем запирании уплотнение перепускного отверстия камеры производится уплотнительным элементом 3, выполненным на торце штока, или запирающим клапаном 5, размещенным внутри штока (рис. 1.9). В случае внутреннего запирания уплотнение перепускного отверстия камеры производится запирающим устройством, размещенным внутри камеры (рис. 1.8). Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки. Запирающее устройство при внешнем запирании существенно не влияет на процесс истечения газа из камеры в цилиндр, а при внутреннем запирании оно может оказать значительное влияние на этот процесс, а, следовательно, и на закон изменения давления в цилиндре. Однако обеспечить герметичность камеры при внешнем запирании значительно сложнее, чем при внутреннем.
Несмотря на многообразие конструктивных схем приводов ИМ, принципиальных различий в них нет. Во всех схемах имеется камера сгорания с запирающим устройством, из которой продукты сгорания в определенный момент времени поступают в цилиндр расширения. Во всех схемах давление продуктов сгорания непосредственно передается на шток, несущий инструмент, а на шабот, несущий другой элемент оно передается через промежуточное тело (корпус энергоузла или контршток), при этом в зависимости от компоновки энергоузла изменяется лишь масса промежуточного тела, а характер силового воздействия на шток и
о)
Рис. 1.8. Схемы импульсных машин с подвижным энергоузлом (а), неподвижным энергоузлом (б) и неподвижным цилиндром (в): 1 - шабот; 2 - колонна; 3 - корпус энергоузла; 4 - рабочий шток; 5 - камера сгорания; 6 - запирающее устройство; 7 - контршток; 8 - корпус цилиндра
Рис. 1.9. Схемы импульсных машин с внешним запиранием: 1 - корпус; 2 рабочий шток; 3 - уплотнение; 4 - камера сгорания; 5 - клапан
шабот остается неизменным. Для расчета параметров энергопривода перечисленные схемы ИМ с внутренним запиранием могут быть сведены в две обобщенные расчетные схемы, отличающиеся лишь расположением запирающего устройства, а машины с внешним запиранием - в одну расчетную схему (см. раздел 2.1).
Расчет энергосиловых и кинематических параметров ИМ производится, основываясь на закономерностях рабочего процесса их привода, который состоит в основном из процессов наполнения камеры топливной смесью, сгорания смеси и расширения продуктов сгорания. Процесс наполнения камеры топливной смесью зависит от способа смесеобразования. В ИМ практическое применение нашло в основном внутреннее смесеобразование. При этом наполнение совершается в две стадии: в начале происходит наполнение горючим газом, а затем воздухом. Парциальные давления газа и воздуха устанавливаются таким образом, чтобы состав смеси был близок к стехиометрическому. Процесс наполнения камеры по существу относится к задаче о перетекании газа из одной емкости в другую. В работе [25] эта задача решена без учета теплообмена газа с окружающей средой. Согласно этому решению длительность процесса наполнения определяется следующими зависимостями:
t = v[k\i fAtJRT^) \рн-Рк)
для надкритического перепада давлений, когда
k-l
(
h-R
t = 2V
\k-l)\x fA JRT)1'1
Р <Ри
(1.7)
(1.8)
для подкритического перепада давлений, когда Р > (3, причем
Р = Р-Р-1 Р =Р -Р-1
р =Р -Р~1
1 к 1 к х р -
A = ^2k(k-\) \ А*=4к P
где V- объем наполняемой полости; F- площадь проходного сечения впускного трубопровода; |Л - коэффициент расхода; R - газовая постоянная; к - показатель адиабаты; Тр> Рр - температура и давление газа в ресивере, из которого производится наполнение; Р- давление в наполняемой полости; Рн, Рк - начальное и конечное значения давления газа в наполняемой полости.
Показатель политропы процесса выражается зависимостью:
п=кТр-Т~1 (1.9).
Аналогичные зависимости получены в работе [83], посвященной исследованию процесса наполнения камер сгорания ИМ. Зависимости эти позволяют с приемлемой точностью определять закон изменения в процессе наполнения камеры, однако при вычислении температуры топливной смеси погрешность оказывается чрезмерно высокой, поскольку не учитывается теплообмен между газом и окружающей средой.
Методика расчета процесса сгорания изложена в работах [75. 80]. Она основана на методике расчета процесса сгорания в поршневых двигателях внутреннего сгорания [27]. В результате расчета определяется температура и давление в камере, соответствующие концу процесса сгорания.
Потери энергии, связанные с неполнотой сгорания топлива, диссоциацией продуктов сгорания и теплоотдачей стенкам камеры в расчете учитываются коэффициентом выделения тепла z, который определяется экспериментально. Величина ^z зависит от состава топливной смеси, качества смесеобразования, а также формы и размеров камеры сгорания. Рекомендуемые в указанных работах значения ,z приняты без учета влияния формы и размеров камер сгорания и поэтому нуждаются в уточнении. Данная методика дает возможность вычислить конечные
значения параметров продуктов сгорания, если известна величина b,z, но она не позволяет определить закон изменения этих параметров в процессе сгорания. В этой связи требуется дальнейшее изучение процесса сгорания в камерах ИМ.
Исследование термодинамического цикла машин выполнено в работах [48, 80]. Эти исследования базируются на методе теплового расчета поршневых двигателей внутреннего сгорания, разработанного В.И. Гриневицким, Е.К. Мазингом, Н.Р. Брилингом, сущность которого заключается в том, что действительная индикаторная диаграмма процесса заменяется схематизированной диаграммой. За расчетную диаграмму ИМ принята диаграмма смешанного термодинамического цикла [27], т.е. цикла со сгоранием вначале при постоянном объеме (линия су), а затем при постоянном давлении (линиям показанная на рис. 1.10). После окончания процесса сгорания газ расширяется по политропическому закону (линия zb). Выпуск отработавшего газа на диаграмме характеризуется линией Ьа. Точка с, соответствующая началу процесса сгорания, характеризует параметры топливной смеси. Данный термодинамический цикл характеризуется следующими параметрами:
y = X-X-vl; X = PZ-PC~\ Xv = PZmax-Pc-\ (1.10)
& = Уа-Г\- bz=Vz-V\ (1.11)
где у - показатель характера термодинамического цикла; X - степень повышения давления в процессе сгорания; V^ - объем камеры сгорания; Xv - степень повышения давления при сгорании в постоянном объеме; Рс - давление топливной смеси; Pz - давление конца процесса сгорания; Pz - давление конца процесса сгорания в случае, когда топливная смесь целиком сгорает при постоянном объеме; б - степень полного расширения газа; Ъг - степень предварительного расширения газа.
Показатель характера термодинамического цикла у характеризует отноше
V* V2
Рис. 1.10. Расчетная индикаторная диаграмма привода импульсных машин
ние количества тепла, подводимого при постоянном объеме, к общему количеству подводимого тепла. В предельном случае при у = 1 смешанный цикл переходит в цикл со сгоранием при постоянном объеме, который на диаграмме показан штриховыми линиями. Для приближения расчетной диаграммы к реальному рабочему процессу привода верхнюю часть диаграммы скругляют. С учетом этого полезная работа цикла, называемая индикаторной работой привода, определяется следующей зависимостью:
Ьи=^г^Р(Ук*
5.-1 +
Sz-
(ъЛп
\ъ)
-VkPa(b-\\ (1.12)
где (pz - коэффициент скруглення диаграммы; п - показатель политропы. Для предельного случая, когда процесс сгорания осуществляется только при постоянном объеме (при этом 8Z = 1), из зависимости (1.10.) следует
Ф X PcVk ( I \ ,
L«=—^[l-^rv^b^ (1ЛЗ)
Для оценки экономичности привода ИМ используется индикаторный коэффициент полезного действия, определяемый как
Au=Lu(Q+Lcy\ (1.14)
где Q - количество энергии, выделившейся в процессе сгорания топливной
смеси; Lc - работа полного адиабатического расширения топливной смеси, т.е.
при расширении по линии с/(рис. 1.10).
Величина Г|ин максимальна при степени расширения газа
Ътах={Р2Р^У (1.15)
Эффективная энергия ИМ равна кинетической энергии ее подвижных масс, т. е. отличается от индикаторной работы на величину энергетических потерь, имеющих место в реальном процессе. Они учитываются коэффициентом механических и газовых потерь, который в свою очередь выражается произведением нескольких коэффициентов, т.е.
Еэ =0,5(m1 wf + m2W^) (1.16)
-^э = Лл*иг Lu = Цм Ли <р Лг аз^и О-17)
В соответствии с этим эффективный к.п.д. машины определяется как
Лэ = Ллиг Ли (1Л8)
Потери энергии на трение между подвижными частями машины оценивается коэффициентом Т]м. Потери энергии, связанные с перетеканием газа через запирающее устройство оцениваются коэффициентом Г)пер, энергетические потери,
связанные с утечкой газа между цилиндром и штоком - коэффициентом rjra3. В работе [80] указываются ориентировочно величины этих потерь, в частности, г,м=0,98...0,99; Г|газ=0,94...0,98; г|пер=0,90...0,92.
Основной недостаток данной методики расчета заключается в том, что она не учитывает принципиальные отличия привода ИМ от традиционных поршневых двигателей, обусловленные разъединенностью камеры сгорания и цилиндра расширения, а также апериодичностью действия привода. Рассмотрим это подробнее.
1.3. Отличительная особенность привода импульсных машин
Привод ИМ значительно отличается от традиционных поршневых двигателей как конструктивно, так и по принципу работы. По существу, этот тип привода является новым видом поршневого двигателя внутреннего сгорания, предназначенным, преимущественно, для использования в кузнечно-прессовых машинах. Основным конструктивным отличием привода ИМ от традиционных поршневых двигателей является наличие в нем запирающего устройства, которое выполняет ряд важных функций, в частности, обеспечивает апериодичность работы импульсной машины. На рис. 1.11 показан график изменения давления в приводе
импульсной машины. На участке тн происходит наполнение камеры энергоносителем. На участке тс в результате сгорания топлива давление в камере резко повышается. Затем продукты сгорания расширяются в цилиндре расширения (участок Тр). Участок Т/7 соответствует паузе между рабочими циклами машины.
Причем величины Тн, 1С, 1р, Т/у не постоянны, т.е. от цикла к циклу могут изменяться, что приводит к апериодичности работы привода. Без запирающего устройства такой закон изменения давления в приводе невозможно осуществить. Запирающее устройство обеспечивает герметичность камеры сгорания в период наполнения ее топливом и его сгорания (участки Tw, Тс), а также перепуск продуктов сгорания из камеры сгорания в цилиндр расширения.
На рис. 1.12 показаны другие возможные графики изменения давления в приводе импульсной машины. В первом случае (рис. 1.12, а) камера сгорания наполняется топливом сразу же после окончания очередного рабочего цикла (уча-
сток tH). Топливо выдерживается в камере до подачи искры свечой зажигания (участок тв). После сгорания топлива (участок тс) запирающее устройство открывается и продукты сгорания, расширяясь, совершают полезную работу (участок Тр). Такой характер изменения давления возможен в том случае, когда время срабатывания машины мало, например, при использовании машины импульсной резки в качестве аварийных ножниц в линии прокатного стана. В других случаях подобное изменение давления нецелесообразно, так как при этом предъявляются повышенные требования к герметичности камеры сгорания и обеспечению безопасной работы машины.
Привод ИМ может быть также чисто пневматическим (рис. 1.12, б, в). В
этом случае камера наполняется сжатым воздухом (участок Ті),которьій при открытии запирающего устройства перетекает в цилиндр расширения и совершает полезную работу (участок тр). Работа привода может осуществляться с паузами между рабочими циклами (рис. 1.12, б) либо без пауз (рис. 1.12, в).
Тн — время наполнения; Тс - время сгорания; тР - время рабочего хода; тп - длительность паузы
D
Ти й
-* -p—»—
Рис. 1.12. Возможные законы изменения давления в энергоприводе импульсной машины: тн — время наполнения; хв - время выдержки; тс - время сгорания; Хр - время рабочего хода
Такие импульсные пневматические приводы могут быть использованы, в частности, в различных устройствах для штамповки.
Рассмотренные циклограммы существенно отличаются от циклограмм работы поршневых двигателей. Отличается также и характер расширения рабочего
тела в цилиндре привода (участок тр). В поршневых двигателях расширение продуктов сгорания в цилиндре происходит по политропическому закону. В данном же случае из-за разъединенности камеры сгорания и цилиндра запирающим уст-
ройством расширение продуктов сгорания происходит совершенно по иному. Масса газа в камере сгорания непрерывно уменьшается, а в цилиндре — увеличивается. Давление и температура газа в камере и цилиндре изменяются по разным законам. В совокупном объеме камеры и цилиндра газ в целом расширяется. Закон его расширения определяется параметрами привода. При некоторых соотношениях этих параметров закон расширения газа может быть близким к политропическому, а при других соотношениях закон расширения существенно отличен от политропического, что подтверждено экспериментально (см. раздел 2.6). Эти принципиальные отличия рабочего процесса, естественно, должны быть отражены в методике расчета энергопривода.
Попытка решения этой задачи была предпринята автором в работе [18]. В ней, используя уравнения термодинамики тела переменной массы [65], при ряде допущений, в частности, считая известными время открытия запирающего устройства, и не учитывая его конструктивные параметры, были получены уравнения, описывающие, описывающие изменения параметров рабочего процесса машин импульсной резки вертикального типа. Из этих уравнений было установлено, что эффективная энергия машины импульсной резки и энергетические потери, связанные с перетеканием газа из камеры сгорания в цилиндр расширения, определяются, в основном, несколькими критериями:
^ = (^/3/21 )mnRT2(vkpz г1 (1.20)
ф = ц/ЛК,г'#7; (1.21)
где fb [і - площадь и коэффициент расхода перепускного отверстия камеры сгорания;ґ2 - площадь поперечного сечения цилиндра расширения; ґз, Цз ~ площадь проходного сечения и коэффициент расхода кольцевого зазора между штоком и цилиндром расширения; mn - приведенная масса штока.
Полученные результаты позволили более детально раскрыть механизм трансформации тепловой энергии в механическую в машинах импульсной резки.
Однако их явно недостаточно для обеспечения точного расчета ИМ различных типов. Для этого следует решить данную задачу с учетом геометрических и других параметров запирающего устройства, а также компоновки элементов ИМ и ее энергопривода. Необходимо также основательно исследовать процессы наполнения камеры сгорания ИМ топливной смесью и ее сгорания с целью эффективной организации этих процессов и управления ими.
1.4 Технологические аспекты использования импульсных машин
Основной особенностью рассматриваемого класса ИМ является очень слабое прямое влияние реакции объекта обработки на ход рабочего процесса. Но существует косвенное влияние, определяющее запасаемую энергию, необходимый ход рабочего органа и время между циклами.
Технологические операции, выполняемые на ИМ, обусловливают определенные требования к приводу машины. Рассмотрим это на некоторых примерах.
На рис. 1. 13 показана схема брикетирования металлической стружки. Как видно из схемы, ход пуансона ограничен только толщиной брикета, которая при заданной массе стружки однозначно определяется его плотностью. Следовательно, из одного и того же количества стружки в зависимости от энергии удара, определяемой величиной эффективной энергии ИМ, можно получить брикеты разной плотности и разной толщины. Оптимальной является такая плотность, которая обеспечивает требуемую прочность брикета. Как следует из зависимости (1.4), по мере приближения плотности брикета к плотности исходного материала усилие деформирования резко повышается. Соответственно увеличиваются нагрузки, действующие на матрицу, пуансон и другие элементы конструкции машины. При этом повышается вероятность появления трещин в брикете в процессе извлечения его из полости матрицы, что ухудшает качество брикета. Поэтому чрезмерное увеличение плотности брикета нежелательно. Таким образом, качество получаемых брикетов определяется не только параметрами инструмента, но и уровнем
Рис. 1.13 Схема импульсного брикетирования: 1 - пуансон; 2 - контейнер;
3 - шихта; 4 - контрпуансон
і
Рис. 1. 14. Схема импульсной резки холодного проката: 1 - неподвижный ' нож; 2 - подвижный нож; 3 - шток
энергии удара. Поэтому для получения качественных брикетов энергия, развиваемая ИМ, должна быть строго дозированной. Это справедливо и при выполнении других технологических операций, например, при резке холодного поката (рис. 1.14).
Рассмотрим процесс импульсной резки клиновидным инструментом металлической заготовки в горячем состоянии. На рис. 1. 15 показаны стадии процесса резки. На первой стадии процесса благодаря кинетической энергии штока и шабота ножи внедряются в заготовку. Во второй стадий резки внедрение ножей сопровождается осевым перемещением частей заготовки [100]. После расчленения заготовки шток и шабот еще обладают определенной кинетической энергией, называемой избыточной. Гашение этой энергии производится поперечным обжатием разделившихся частей заготовки приковными выступами, выполненными на штоке и шаботе.
Рис. 1.15. Схема импульсной резки клиновидным инструментом: 1 - шток;
2, 3 - ножи; 4 - шабот
Величина обжатия и скорость осевого перемещения частей заготовки существенно зависят от величины избыточной энергии машины, которая обусловлена нестабильностью механических характеристик заготовки по ее длине и другими случайными факторами. Если избыточная энергия относительно невелика, то осевое перемещение частей заготовки и обжатие заготовки не вызывают нежелательных последствий. Чрезмерное же увеличение избыточной энергии машины ухуд-
шает качество получаемых заготовок, а также вызывает значительные динамические нагрузки на элементы конструкции машины и технологической оснастки. Следовательно, и в этом случае эффективная энергия машины, развиваемая ее приводом, должна быть строго дозированной. Если она меньше необходимой величины, то имеет место недорез заготовки. Если же она чрезмерно велика, то ухудшается качество получаемой заготовки.
На рис. 1.16 показана схема МНЛЗ. Непрерывнолитая заготовка при выходе из МНЛЗ разрезается на мерные заготовки машиной МИР. Поскольку разрезаемая заготовка движется, то включение МИР должно производиться с некоторым упреждением.
После включения машины происходит последовательно наполнение камеры сгорания топливной смесью, ее сгорание и рабочий ход машины.
г
Рис. 1. 16 Схема установки машины МИР в линии МНЛЗ: 1 - кристаллизатор; 2 - ось качания кристаллизатора; 3 - тянущая клеть; 4 - тянущая клеть; 5 -машина МИР, 5 - датчик мерной длины заготовки
Время, равное длительности этих процессов, вводится в систему автоматизированного контроля мерной длины заготовки. Ошибка в определении этого времени, а также колебания его величины от реза к резу отражаются на длине отрезанной заготовки. Поэтому для обеспечения длины получаемых заготовок в заданном допуске рабочий цикл машины должен быть стабильным, что предусматривает, в первую очередь, стабильность от цикла к циклу процессов наполнения и сгорания.
Обобщая изложенное, можно заключить, что для достижения качественного выполнения технологических операций на ИМ необходимо обеспечить точное дозирование эффективной энергии машины, стабильность параметров ее рабочего процесса и, в первую очередь, стабильность цикла. Эти параметры, в основном, определяются точным расчетом энергопривода, надежностью его конструкции. Диапазон изменения запасаемой энергии находится 200...3000 кДж.
Управление этим параметром осуществляется за счет изменения давления наполнения камеры сгорания, которая имеет постоянный объем, что существенно сказывается на характеристиках процесса. Поэтому математические модели процессов наполнения, сгорания и рабочего хода должны учитывать эти особенности.
1. 5 Выводы
На основании анализа опыта применения ИМ на машиностроительном и металлургическом производствах для резки металла в горячем и холодном состояниях, брикетирования стружки и других процессах можно сделать заключение о том, что ИМ с газоимпульсным приводом позволяют резко снизить энерго- и ресурсозатраты в установках непрерывной разливки стали и МНЛЗ и в значительной мере решить эту народнохозяйственную проблему. Кроме того, использование таких машин позволяет повысить экологическую безопасность производства. Предпочтительными являются машины с высокой запасаемой энергией.
Надежных методов расчета и проектирования энергоприводов таких машин
не существует. Применение известных методик расчета и проектирования двигателей внутреннего сгорания не в полной мере удовлетворяет требуемой точности и оптимальности конструкции машин и систем их обеспечения. Для выполнения этих требований необходим синтез математических моделей всех процессов и оптимизация конструкции энергоприводов.
3. Существующие методы расчета технологических процессов резки и брикетирования в значительной мере удовлетворяют требования производства. Поэтому можно считать, что исследование известных техпроцессов не является приоритетным на заданном этапе решения проблемы.
1. 6 Обоснование методов исследований
На современном этапе для исследования импульсных процессов применяются аналитико-экспериментальные модели процессов, которые в дальнейшем используются для анализа, оптимизации и управления процессом. Разработка чисто аналитических моделей затруднена из-за сложности учета динамики процессов течения газов, теплопередачи, сгорания топливных смесей. Для уточнения аналитических моделей проводятся экспериментальные исследования процессов. Для повышения точности необходимо стремиться к исключению масштабного фактора, т. е. эксперименты проводятся на моделях, соизмеримых по геометрическим, газо- и термодинамическим и другим параметрам, близким к натурным или непосредственно на действующем оборудовании. По их результатам определяются коэффициенты расхода жидкости или газа, теплоотдачи, теплопередачи, которые затем используются при синтезе математических моделей.
Мощным методом проектирования новых импульсных машин можно считать разработку критериев подобия, которые позволяют обосновать оптимальное проектирование на основании прототипов или моделей.
Современными инструментальными методами исследования импульсных процессов можно считать:
электрические методы измерения давления тензометрическими датчиками, позволяющие регистрировать с достаточной точностью импульсы давления длительностью до 1.00 мкс;
электрические методы измерения температуры с помощью термометров;
электрические методы измерения перемещений с помощью потенциометриче-ских датчиков;
регистрация переменных во времени сигналов с помощью электронных и све-толучевых осциллографов.
Для тарировки электрических датчиков применяются оригинальные методы тарировки, в которых используются образцовые приборы классов точности 0,2...0,5. Обработка экспериментальных данных проводиться с использованием методов статистической обработки данных. Эти методы использовались в рассматриваемой работе.
1. 7 Цель и задачи работы
Цель работы - решение важной народнохозяйственной проблемы создания новых ресурсосберегающих машин с газоимпульсным приводом для осуществления технологических процессов резки холодного и горячего проката, брикетирования стружки, штамповки и других процессов обработки металлов давлением.
Для достижения этой цели в работе решены следующие задачи.
На основе изучения условий работы опытных образцов ИМ для резки горячих слитков в МНЛЗ и холодного проката на мерные заготовки, брикетирования стружки и горячей штамповки, установлены требования к энергоприводам таких машин. Сравнение рабочих процессов в поршневых двигателях внутреннего сгорания и ИМ для обработки металлов давлением показало существенные особенности процессов в энергоприводах ИМ. Исходя из этого, обоснованы направления и методы исследований.
Исследован рабочий ход энергопривода ИМ. Установлены зависимости скорости движения рабочих частей (штока, корпуса, клапана) и КПД процесса от
управляемых и конструктивных параметров (давления газа в камере, расхода, зазоров, скорости открытия клапанов). Разработана дескриптивная математическая модель этого процесса.
Определены критерии подобия энергоприводов ИМ, установлены их приоритеты и рациональные диапазоны выбора, синтезирована оптимизационная модель энергопривода.
Экспериментально исследован процесс сгорания топливной смеси в камерах сгорания ИМ. Установлены зависимости термодинамических величин от формы, объема камеры сгорания и давления топливной смеси. Разработаны пути интенсификации процесса за счет разных методов поджига и совершенствования конструкции привода для разных технологических процессов.
Исследован процесс наполнения топливной смесью камер сгорания ИМ и разработана математическая модель этого процесса, учитывающая теплообмен смеси со стенками камеры. Получено экспериментальное подтверждение этой модели.
Разработаны научные основы типового проектирования энергоприводов ИМ, позволившие спроектировать ряд машин для резки стальных слитков в горячем и холодном состоянии, брикетирования стружки и осуществления ряда других технологических процессов обработки металлов давлением. Исследованы их эксплуатационные характеристики. Полученные результаты подтверждают проектные показатели.
На основании полученных данных разработаны новые схемные решения энергоприводов ИМ, позволяющие модернизировать существующие паровоздушные кузнечные молоты с целью расширения их технологических возможностей и существенного увеличения КПД, реализовать процессы горячей листовой штамповки, уплотнения песчаных смесей и другие процессы.
Разработаны и используются в промышленных и опытно - промышленных условиях ряд ИМ. Определены их эксплуатационные характеристики, которые в большой степени совпадают с расчетными. На основе их оценки определены их перспективы расширения сферы применения разработанных энергоприводов ИМ. Выполнена технико-экономическая оценка эффективности использования разра-
ботки, которая позволяет сделать вывод о возможности существенного снижения ресурсопотребления в технологических процессах, реализующихся с помощью
им.
