Энергетика и возможности предохранителя паровоздушного молота Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

УДК 621.974.001.2

В.А. Воскресенский

Сибирский государственный индустриальный университет

ЭНЕРГЕТИКА И ВОЗМОЖНОСТИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЯ ПАРОВОЗДУШНОГО МОЛОТА

В верхней части рабочего цилиндра паровоздушных молотов предусматривается установка предохранителя (см. рисунок), выполняемого как дополнительный цилиндр, внутри которого перемещается шток с поршнем. Шток выходит внутрь полости рабочего цилиндра молота. При смещении поршня от удара по штоку в замкнутом пространстве цилиндра предохранителя создается пневматическая подушка.

В исходном рабочем объеме V0 цилиндра предохранителя с диаметром D поршня и максимальным его ходом Н постоянно поддерживается исходное давление р 0 пара или воздуха, которое соответствует рабочему для рассматриваемого молота. При воздействии удара со стороны аварийно движущихся масс поршень предохранителя переместится на некоторое расстояние Нх от первоначально исходного положения. При его перемещении происходит перекрытие канала подачи пара или воздуха, и в замкнутом объеме формируется паровоздушная амортизирующая подушка, которая подобно сжимаемой пружине препятствует дальнейшему смещению поршня предохранителя. Подушка служит амортизатором для предотвращения возможного несанкционированного удара рабочим поршнем о крышку цилиндра. Возникновение удара провоцируется нередкой аварийной ситуацией в штатной работе молота из-за поломок штока главного цилиндра. Вероятность удара следует предусматривать при проектировании конструкции молота и рассчитывать размеры предохранителя, а также болты или шпильки крепления крышки, либо самого цилиндра на прочность. Расчета пневматических амортизаторов молотов в литературе [1 - 3] встретить не удалось.

Сократившийся при ударе объем пара или воздуха в поршне предохранителя составит Vx. Поскольку рассматриваем объем в цилиндре предохранителя, где площадь поршня неизменна, то изменение объема есть функция хода перемещения самого поршня. При перемеще-

Рисунок. Схема предохранителя

нии поршня на некоторое расстояние Нх сократившийся объем Vx составит

kD 2

Vx = —(H 0 - Hx).

Оценить величину изменившегося после удара давления рх , которое возникнет в цилиндре предохранителя, можно через величину нового объема, до которого произойдет смещение поршня предохранителя при гашении энергии удара.

В паровоздушных молотах в качестве энергоносителя применяют насыщенный пар либо сжатый подогретый или холодный воздух.

Рабочие процессы в цилиндре молота при использовании влажного пара или горячего воздуха близки к адиабатическим и характеризуются уравнением Цейтнера:

pVK = const,

где p - давление среды, в данном случае пара или воздуха; V - объем рабочей полости цилиндра; K - коэффициент политропы.

Для тепловых расчетов паровоздушных молотов, работающих на паре или горячем воздухе, с ошибкой менее 8 % рекомендуется [1] принимать К = 1. Тогда У0р0 = Ухрх , что для неизменного диаметра поршня соответствует

ноРо = (Но - Нх )Рх , или Рх = Ро

Если паровоздушный молот работает на сжатом холодном воздухе, то К = 1,4 [1]. В этом случае конечное давление в предохранителе после сжатия воздуха будет соответство-

вать Рх = Ро

/ \ 1,4

' V '

_о

V

V х /

Для оценки перемещения поршня предохранителя установим соотношение равенства подводимой внешней энергии Е удара к поршню предохранителя и его способности поглотить эту энергию. Энергия А п, которую может поглотить предохранитель, составит

Ап = -\РхШ = - \SpxdH ,

жущая масса приобретет кинетическую энергию, равную Е = 0,5т^ и2.

Приравнивая энергии подведенную Е и поглощенную Ап, можно оценить величину смещения поршня предохранителя:

1п -

т-^ и

Но - Нх 2роSHо 2pоVо

В правой части равенства находятся исходные для конструкции предохранителя величины, которые после математических преобразований становятся безразмерными. Для некоторого упрощения формулы обозначим всю правую часть буквой А. С этим допущением име-

Н0 Н0

ем 1п-----0— = А , тогда 0

Но - Нх

Но - Нх

- = е

Решение полученного уравнения относительно перемещения поршня Нх ведет к соотношению Нх = Но ^1 —А^ . После перемещения поршня предохранителя на величину Нх внутреннее давление изменится:

где Рх - усилие на поршне предохранителя; S - площадь цилиндра предохранителя; рх -давление в цилиндре после смещения поршня. Меняя пределы интегрирования, предста-

вим

Для молота, работающего на горячем энергоносителе, поглощаемая предохранителем работа составит

dH

V

Нх о х

(Но - Нх)

Нп

V Н о - Нх ,

Ранее говорилось, что предохранитель молота должен в аварийной ситуации остановить поршень молота с оборванным или вырванным из крепления штоком с суммарной массой т ^ , движущийся со скоростью и, под действием нижнего давления энергоносителя. Дви-

Рх = Ро

Н о - Нх

Усилие, действующее на крышку цилиндра предохранителя, составит

Рх = PxS.

Для молота, работающего на сжатом холодном воздухе, поглощаемая предохранителем работа определится как

о (V V’4 о

Ав = \ Ро йН = ^ \

Нх

н (Но - Нх)1"‘

йН.

Решение этого уравнения после интегрирования и подстановки пределов приводит к выражению

Ав = Ро ВНі

2,5

2,5

(Но - Нх Г НР

1 1

(Но - Нх )о 4 - Но

= 2,5 Ро ЯН1

Приравнивая внешнюю для предохранителя энергию Е, которую он должен воспринять,

х

его внутренней работе поглощения, составим равенство

E = 2,5 Ро Н0

1

1

(Но - Н,)“ Н

го,4

После сведения в левую часть известных параметров полученного уравнения присвоим левой части обозначение В, в результате запишем

В =

Е

1

2,5 Ро SH 0,4 Н 0

Энергию удара Е = т^ подставим в выражение для значения В, после чего полу-1

чим В =

г1,4 + н °>4

. Уравнение энергий

5 Ро SH0 н о

внешней и внутренней можно переписать так: В = ■ 1

. Отсюда величина перемеще-

(Н0 - Нх )0 4 ния поршня предохранителя составит

Нх = Н0 - °.4 -

х 0 ув

Внутреннее давление в предохранителе изменится и составит

Рх = Ро

Н о - Нх

Используя полученные зависимости для оценки достигаемого давления энергоносителя в предохранителе, можно на стадии его проектирования закладывать желаемую величину давления рх при условии, что принимается соотношение между конечным и начальным объемами надпоршневого пространства предохранителя.

Приняв отношение конечного объема после срабатывания предохранителя к исходному (а для одного и того же диаметра поршня это соотношение можно представить через величины его перемещений Нх и Н0), введем коэффициент отношения в, который назовем коэффициентом перемещения поршня предохранителя.

Тогда для работающего на паре или горячем воздухе предохранителя конечное давление можно представить как

Рх = Ро

Но - Нх

= Ро-

1

1 -

Н

Нп

= Ро

1

1 - в

Коэффициент перемещения находится в диапазоне 0 < в < 1. Изменение коэффициента перемещения в диапазоне в = 0,5 0,9 приво-

дит к росту конечного давления в предохранителе от 2 до 10 кратной величины от исходного. Следует понимать, что большее значение в ведет к более жесткому удару при торможении, а следовательно, большим нагрузкам в цилиндре предохранителя и деталям крепления.

Для предохранителя молота, в котором используется сжатый холодный воздух, величина конечного давления составит

Рх = Ро

( 1 у,4

1 - в

Если для рассматриваемого варианта в принять в диапазоне 0,8 0,9, то возрастание

давления будет соответствовать от 9,5 до 25 кратной величины.

Выводы. При работе молота на сжатом холодном воздухе как энергоносителе эффективность предохранителя в сравнении с таковой при использовании горячего энергоносителя заметно выше при равных перемещениях поршня.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. З и м и н А.И. Машины и автоматы кузнечно-штамповочного производства. Ч. 1. Молоты. - М.: Машгиз, 1953. - 495 с.

2. Д у н а е в П.А. Пневматические молоты. -М., Свердловск: Машгиз, 1959. - 188 с.

3. Б о ч а р о в Ю.А. Кузнечно-штамповочное оборудование. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 480 с.

© 2012 г. В.А. Воскресенский Поступила 14 мая 2012 г.