CC BY
134
УДК 621.73(075.8)
В.А. Коротков, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
Д.Б. Полковников (Россия, Балаково, БИТТУ),
А.Ф. Теребков (Латвия, Рига, Латвийская Морская академия,
Институт электроавтоматики)
МЕТОД ДИАГНОСТИКИ ПРИВОДА КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ В ПРОЦЕССЕ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ
Предложена методика диагностики привода кузнечно-штамповочного оборудования на основе непрерывного измерения угловых скоростей движения кривошипношатунного механизма с использованием магнитоэлектронных датчиков и микропроцессорной системы.
Ключевые слова: привод кузнечно-штамповочного оборудования, прессовое оборудование, магнитоэлектронный датчик, микропроцессорная система, метод диагностики, кривошипно-шатунный механизм, энергетические затраты, циклограмма, кинематическая схема, блок-схема.
При обработке металлов давлением на механических прессах с кривошипным приводом необходимо учитывать энергосиловые параметры процесса штамповки и энергетические характеристики привода КШО. Энергосиловые параметры процесса штамповки и нагрузка на узлы кривошипно-шатунного механизма (КШМ) пресса зависят от механических и пластических свойств материала заготовки, температуры штамповки, скоростных условий формоизменения, конструкции штамповой оснастки, номинального угла поворота кривошипа, сил трения и т.д. Многофакторное влияние на энергосиловые параметры штамповки затрудняет как экспериментальное, так и расчётное определение допустимых силовых параметров формоизменения и в ряде случаев приводит к заклиниванию кривошипно-шатунного привода пресса при его перегрузке. Для снятия упругих сил возникших в кривошипно-шатунном механизме, и преодоления моментов трения в шарнирах предусматривают устройства для вывода из заклинивания или вынуждают резать штамповую оснастку в том случае, когда реверсирование электродвигателя в обратном направлении не даёт положительных результатов. Для предотвращения явления заклинивания целесообразно не только применять устройства для вывода механизма из заклинивания, но и осуществлять непрерывную диагностику привода КШО в процессе эксплуатации пресса.
В зависимости от вида выпускаемой продукции и номенклатуры прессового оборудования на предприятии непрерывная диагностика даёт возможность оптимизировать выбор прессового оборудования или осуще-
ствить его модернизацию с целью экономии энергозатрат, что важно при снижении себестоимости выпускаемой продукции.
Известно [1], что для устойчивой работы кривошипного пресса необходимо соблюдать условие, при котором время технологического цикла достаточно для восстановления необходимого уровня энергии маховика. Это обстоятельство необходимо учитывать при переходе с ручного на автоматический режим штамповки, при котором время технологического цикла, как правило, меньше, чем при ручном режиме штамповки.
На рис. 1 приведена циклограмма работы кривошипного пресса в условиях, когда время технологического цикла обеспечивает полное восстановление требуемой энергии маховика.
Рис.1. Циклограмма работы кривошипного пресса:
Ъ - время включения муфты; ^ - время рабочего хода-деформации;
^ - время хода ползуна вниз; и - время возвратного хода; ^ - время технологической паузы; 1М - время машинного цикла; * - полное время технологического цикла; ю0 - установившаяся угловая скорость холостого хода- при отключенной муфте сцепления; ю1 - угловая скорость ведущих дисков муфты сцепления; ю2 - угловая скорость ведомых дисков муфты сцепления; я - перемещение ползуна;
Яд - перемещение ползуна во время деформирования;
¥д - технологическая сила деформирования
На циклограмме пунктирной горизонтальной линией показана установившаяся угловая скорость Ю0 ведущих дисков муфты сцепления при холостом ходе, а кривыми о>1 и Ю2 - угловая скорость соответственно ведущих и ведомых дисков муфты сцепления. Показано, что в момент начала
450
формоизменения (1н - 1д) заготовки их угловая скорость равняется угловой скорости вращения Ю0 при холостом ходе, т.е. в этот момент энергия маховика достигает своего номинального значения. Под влиянием воздействия силы формоизменения Г уменьшается угловая скорость как маховика, так и дисков муфты сцепления при времени цикла 1н, а затем происходит увеличение угловой скорости дисков муфты сцепления за время (1в + Т ), и за время цикла ? угловая скорость дисков достигает установившейся угловой скорости о>0. Из приведённой циклограммы видно, что полное время технологического цикла существенно зависит не только от параметров привода КШО, но длительности времени рабочего хода при формоизменении 1д и силы формоизменения.
Рассмотрим возможность диагностики привода КШО на примере пресса, кинематическая схема которого приведена на рис. 2. Из кинематической схемы пресса видно, что угловая скорость ведущих дисков муфты сцепления 4 зависит от угловой скорости зубчатых колёс 5 и 6, что позволяет по регистрации изменения их угловых скоростей производить диагностику привода КШО в процессе его работы, как в автоматических режимах работы, так и при единичных ходах в ручном режиме работы. Целесообразно производить измерение угловой скорости зубчатого колеса 6 с числом зубьев 38, которое непосредственно закреплено на коленчатом вале пресса. Для этого можно использовать магнитоэлектронные датчики положения 12 (см. рис. 2, а), закреплённые на защитном кожухе пресса. Так, например бесконтактные датчики на основе эффекта Холла используются для определения наличия или контроля положения магнитных объектов или объектов, имеющих магнитные части. Датчики на основе эффекта Холла не реагируют на другие материалы. При появлении в зоне срабатывания магнита бесконтактный датчик Холла замыкает или размыкает цепь. Магниты 13 закрепляются на торцевой поверхности зубчатого колеса в районе впадин зубьев. В этом случае датчик 12 будет вырабатывать сигналы через 3600 /38 (38- число зубьев колеса 6) =9,4730 угла поворота КШМ. При необходимости повышения точности измерения датчики 14 можно расположить рядом на половине шага 1/2 друг от друга (см. рис. 2, б). В этом случае сигналы с датчиков 14 будут поступать через каждые 4,7360 угла поворота зубчатого колеса 6. Определение угловой скорости ю сводится, таким образом, к измерению интервалов времени прохождения мимо датчика 14 зубцов колеса 6. Такой же датчик 12 с магнитной меткой 13 служит для запуска электронной схемы отсчёта времени, т.е. для индикации ВМН или НМТ кривошипно-шатунного механизма пресса. Интервал времени, за который проходит зуб колеса 6 мимо датчиков 12, позволяет определить угловую скорость ю на данном угле поворота.
а
б
Рис. 2. Кинематическая схема пресса и схема расположения датчиков измерения угловой скорости: 1 - электродвигатель; 2 - шкив электродвигателя; 3- маховик; 4- муфта; 5,6- зубчатые колёса;
7 - тормоз; 8 - шатун, 9 - ползун; 10 - пневмоцилиндр муфты;
11 - пневмоцилиндр тормоза; 12 - датчик ВМТ КШМ; 13 - магнитная метка ВМТ; 14 - датчики угловой скорости
Изменение скорости ю является угловым ускорением е. Энергозатраты [1,3] определяются по изменению мгновенной кинетической энергии 1
Т = — Jпра>1 всей кинематической системы пресса, где Зпр - приведенный
момент инерции движущихся и вращающихся звеньев пресса. Момент инерции всех кинематических звеньев пресса целесообразно привести к моменту инерции зубчатого колеса 6.
Кинетическую энергию, затрачиваемую на деформацию штампуемой детали, можно определить как разность кинетических энергий, запасенную кинематическими звеньями пресса до начала процесса штамповки и в конце процесса штамповки.
Асинхронный электродвигатель 1 с короткозамкнутым ротором мощностью Nэ разгоняет маховик и все ведущие звенья с моментом инерции J до установившейся угловой скорости Юо за время технологического цикла ? и сообщает эму энергию
ТШ = 0,5 С1)
При этом ползун находится в крайнем верхнем положении. При включении муфты 10 в движение приходит весь КШМ, который совершает холостой ход на пути 5. При встрече с заготовкой во время рабочего хода sд ведущие и ведомые звенья замедляют движение до конечной угловой скорости о>1 = (1 - ен )Юо, обусловленной номинальным скольжением асинхронного электродвигателя с нормальным или повышенным скольжением (ю0 - угловая скорость магнитного поля в статоре двигателя 1 (синхронная скорость).
С учётом этого эффективная энергия пресса расходуется на работу деформации Ад. [0].
В процессе штамповки при возвратно-поступательном ходе ползуна беспрерывно изменяется кинетическая энергия:
| (я)Ж:
Тэт =Лп | N(*)& = 0,5 >1(ю° -ю0) = А 1ЛЭ = -----------------, (0)
ЛЭ
где Л п, Лд - КПД привода и рабочего хода деформирования соответственно; Бд- сила деформирования.
Микропроцессорная система (рис. 3) позволяет определять измерение времени разгона деталей пресса, мгновенной угловой скорости и мгновенного углового ускорения звеньев пресса на холостом ходу. Во время прохождения зуба зубчатого колеса 6 мимо рабочего торца этих датчиков они вырабатывают сигнал логической «единицы». Этот сигнал поступает на цифровой вход микроконтроллера 5. Об окончании процесса разгона можно судить по постоянству интервалов времени, за которые зубцы колеса 6 проходят мимо датчиков 10 (см. рис.0) (угловое ускорение равно нулю или меняется по определённому закону в силу специфики работы КШМ, у которого угловое ускорение и угловая скорость зависят от угла поворота кривошипного вала). На основании полученных данных рассчитывается кинетическая энергия привода пресса на холостом ходу.
и
Рис.3. Блок-схема электронно-измерительной части устройства
453
Применение микроконтроллера позволяет существенно упростить аппаратную часть устройства. Такой же датчик 3 (на рис.1 этот датчик обозначен поз. 10) с магнитной меткой 13 (см. рис.0), размещённой на зубчатом колесе 6 в точке, соответствующей ВМТ (или НМТ) КШМ, служит для формирования сигнала для нового цикла измерений. Алгоритм обработки этих сигналов не сложен и, в принципе, сводиться к измерению интервалов времени между импульсами, получаемых с датчиков 1, 0, 3. В микроконтроллере 5 производиться первичная обработка измерительной информации - определение мгновенной угловой скорости ю и по её изменению мгновенного углового ускорения е в получаемом интервале времени. Микроконтроллер может использовать дополнительную память 6. Измерительная информация с выхода микроконтроллера 5 по интерфейсу иББ передаётся в персональный компьютер 8. В нём происходят дальнейшая обработка измерительной информации, её запоминание, хранение и т.д. При необходимости связи с персональным компьютером по интерфейсу Я8-030, СОМ измерительная информация преобразуется в микросхеме 7, с которой поступает на персональный компьютер 8. Угловое ускорение е определяется как разность угловых скоростей за время 1, равное интервалу времени прохождения зубьев шестерни 6 мимо датчика 14. Предлагаемая методика позволяет определять угловое ускорение зубчатого колеса 6 как разность угловых скоростей за время 1;, равное интервалу времени прохождения зубьев шестерни 6 мимо датчиков 14 при холостом и рабочем ходе КШМ, более точно определять время, которое необходимо для обеспечения требуемой угловой скорости подвижных частей привода пресса, что позволяет обосновать режим работы КШО без заклинивания привода в процессе эксплуатации пресса. Предлагаемая методика измерения угловых скоростей и микропроцессорная система позволяют также обосновать целесообразность модернизации прессового оборудования в зависимости от условий эксплуатации на производстве с целью снижения энергозатрат и настройки оборудования на наиболее оптимальное полное время технологического цикла.
Список литературы
1. Бочаров Ю.А. Кузнечно-штамповочное оборудование: учебник М.: Издат. центр «Академия», 0008 480 с.
0. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: Наука, 1967.
444 с.
3. Невенчанная Т. О., Павловский В.Е., Пономарева Е.В. Концепция комплексного расчета механизмов: от расчетной схемы - до вопросов
прочности. Препринт ИПМ № 38. М., 2003. http://www.keldysh.ru/ papers/2003/prep3 8/prep2003 38 .html
V. Korotkov, D. Polkovnykov, A. Terebkov
METHOD FOR DIAGNOSING DRIVE FORGING AND STAMPING EQUIPMENT DURING ITS OPERA TION OF THE PRESS.
The method of diagnosis of the drive forging stamping equipment, based on continuous measurement of the angular velocity of a crank mechanism by using magneto-electronic sensors and a microprocessor system is proposed.
Key words: drive forging stamping equipment, forging equipment,
magneto-electronic sensor, microprocessor-based system, method of diagnosis, crank mechanism, energy costs, sequence diagram, kinematics, a block diagram.
Получено 07.06.11
УДК.539.374; 621.983
С.Н. Ларин, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ ПАНЕЛЕЙ РАДИАТОРОВ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО И ПРЯМОУГОЛЬНОГО ПРОФИЛЕЙ В РЕЖИМЕ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ
Приведены математические модели изотермического деформирования панелей радиаторов цилиндрического и прямоугольного профилей в режиме кратковременной ползучести. Изложены результаты теоретических исследований, силовых режимов и предельных возможностей формоизменения при изотермическом деформировании панелей радиаторов цилиндрического и прямоугольного профилей в режиме кратковременной ползучести.
Ключевые слова: анизотропия, формоизменение, напряжение, деформация, кратковременная ползучесть, разрушение, панель.
Важной проблемой, стоящей перед современным машиностроением, является повышение эффективности и конкурентоспособности процессов изготовления изделий из металлов и сплавов методами обработки давлением, обеспечивающих максимально возможные эксплуатационные характеристики.
Совершенствование конструкций изделий ответственного назначения определяет применение высокопрочных материалов и изготовление деталей и узлов со специальными зависящими от условий эксплуатации характеристиками. Сложность технологических процессов вызывает в производстве их длительную отработку, влияющую в конечном итоге на
