CC BY
35
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
УДК 621.974.4:62:218
Некоторые результаты исследования виброизолирующих установок ковочных молотов
Ю. В. Иванов, канд. техн. наук
Ижевский государственный технический университет
Исследована проблема виброактивности ковочных молотов, предложена конструкция виброизолирующей установки с обоснованием основных ее параметров.
Ковочные молоты в числе кузнечно-прес-сового оборудования составляют весьма значительную часть. Модельный ряд ковочных молотов определяется большим разнообразием конструкций, регламентируемых вариацией массы падающих частей машины, составляющей диапазон от 50 кг до 5-8 т. Скорость движения бабы (ударника) молота достигает 6-9 м/с. Простота эксплуатации и типовой набор упрощенного инструментария определяют широкий спектр воспроизводимых работ, выполняемых на стадии заготовительного производства.
Традиционный недостаток кузнечных молотов — высокий уровень генерируемых вибраций, возникающих при эксплуатации данного оборудования. Источником вибраций является фундамент молота, который проявляет свою виброактивность при работе машины. Рабочие места кузнеца и подручных находятся на фундаменте молота, поэтому воздействие вибрации на них максимально. Существующий уровень вибраций значительно превышает санитарные нормы, определяемые ГОСТом 12.012-90, что негативно влияет на обслуживающий персонал и способствует увеличению числа профзаболеваний.
Вибрации, генерируемые ковочными молотами, представляют собой неустановившиеся импульсные колебания. Основная доля энергии спектральных составляющих сосредоточена в области частот 5-50 Гц. Максимальные значения виброперемещений достигают 1,2 мм, виброскорости — 100 мм/с. Максимальные перемещения в низкочастотной области (820 Гц) составляют до 1,2 мм, в высокочастотной (25-50 Гц) — до 0,5 мм. Несмотря на различный характер вибраций, создаваемых молотами, частота колебаний грунта на некотором расстоянии от молота одинакова для любого вида установки молота и равна 8-12 Гц. При распространении их по грунту наблюдается
расплывание волнового пакета, при этом волны возмущения, достигающие элементов зданий, формируют возбуждение резонансных колебаний несущих элементов конструкции здания, что приводит к появлению признаков разрушения.
Для снижения уровня действующих вибраций используются различные конструкции виброизолирующих установок кузнечных молотов. Традиционно используемые конструкции с установкой молота на массивный виброизолированный инерционный блок являются дорогостоящими по исполнению и затруднительными по эксплуатации [4]. Для штамповочных молотов традиционной является схема подшаботной виброизоляции, в которой амортизаторы устанавливаются непосредственно под шабот молота [1]. Данные виброизолирующие установки успешно эксплуатируются в течение продолжительного времени как у нас в стране, так и за рубежом. Для ковочных молотов, конструкция станины у которых разомкнутая, шабот располагается отдельно от стоек и установка амортизаторов непосредственно под шабот оказалась неэффективной. При данной установке шабот на амортизаторах при ударе поворачивался относительно стоек, неподвижно закрепленных на фундаменте, что приводило к сбрасыванию поковки с нижнего штампа. Кроме того, по данным завода, на котором был установлен молот, снижается КПД удара [2].
Разработаны и внедрены в производство конструкции виброизолирующих установок для всей гаммы ковочных молотов, в которых реализованы схемы замкнутых станин штамповочных молотов (рис. 1). В конструкциях шабот и стойки станины связаны между собой опорной сварной рамой сотовой нерегулярной структуры и проставками. Шабот на раме установлен на прокладке из конвейерной ленты и снабжен ограничителями сме-
Рис. 1. Виброизолирующие установки ковочных молотов с замкнутой станиной: а — арочный ковочный молот; б — пневматический ковочный молот
щения с расклиниванием. Проставки, опоры стоек и рама не имеют взаимного смещения за счет ограничителей, привариваемых после сборки молота. Для сочленения элементов станины в конструкции виброизолирующей установки используются специальные шпильки с амортизаторами в виде пакета полиуре-тановых шайб. Рама установлена на амортизаторах, в качестве которых используются железнодорожные рессоры. В случае аналогичной виброизолирующей конструкции ковочного пневматического молота используется груз-уравновешиватель, который центрирует вертикальные составляющие статической нагрузки установки.
Конструкция виброизолирующей установки ковочного молота при ударе ведет себя, как и в штамповочном молоте. Связанная замкнутая станина плавно смещается на рессорах. Вибрации демпфируются внутри системы и на фундамент не передаются. Послеударное перемещение опорной рамы достигает 11-15 мм, время затухания колебаний — 0,1-0,3 с. При скорости падающих частей перед ударом до 6 м/с парциальная частота колебаний конструкции составляет 3-4 Гц. Параметры вибрации фундамента следующие: виброперемещение — 0,15 мм; виброскорость — 5 мм/с. Таким образом, полученные при эксплуатации параметры соответствуют ГОСТу 12.1.012-90, нормам и обеспечиваются, если расчет конструкции установки проводился по методике, изложенной в работе [3].
Для эффективной эксплуатации молота представляет научно-практический интерес оценка кинематики базовых элементов виброизолирующей установки. Базовые детали, сопрягаемые между собой посредством амор-
х
Рис. 2. Расчетная схема виброизолирующей установки ковочного молота
тизаторов связи, образуют замкнутую станину молота, установленного на виброизолирующие опоры. Они определяют работоспособность всей конструкции виброизолирующей установки. Оценка кинематики позволяет зафиксировать как поведение базовых деталей в процессе технологических ударов молота, так и взаимосвязи виброхарактеристик сопрягаемых элементов.
Расчетная схема, принятая в качестве модели конструкции ковочного молота на рессорной виброизоляции, представляется в виде четырех дискретно сосредоточенных масс, связанных посредством линейно-упругих невесомых пружин (рис. 2). Модель содержит четыре массовых и пять упругих элементов. Три упругих элемента, соответствующих прокладкам в стыках, работают только на сжатие. При колебаниях система может принимать одно из восьми состояний, каждое из которых описывается своим набором характеристик.
Полученная система уравнений движения для каждого состояния системы имеет собственное аналитическое решение, определяющее перемещение, скорость и ускорение каждого элемента системы в виде:
X = Е е ПкЬ (С1к сов Ркг + С2к вт ркг)и1к;
к=1
п ,
X = Е (-пк)е~Пк (С1к сов рпг + С2к вт Ркг)ик
к=1
+Ръе~пк (-Ск В1П РкЬ + С2к сов Р^и;
х^ м/С
XXг = Е
к=1
-щг
(пк - р2)х1к -
- 2РкЧе к (-С1к В1П Ркг + С2к сов Р^)иш
где С^к, С2к— постоянные интегрирования, определяемые из начальных условий; Рк, Пк — угловые частоты каждого массового элемента системы; ик — амплитуда колебаний элемента системы.
Расчет выполнен для 5-тонного ковочного молота как наиболее виброактивного среди ковочных молотов. Он имеет следующие параметры: т1 = 75 . 103 кг; т2 = 22,5 . 103 кг; т3 = 42,3 . 103кг; т4 = 12,6 . 103 кг; с1 = 9178 мН/м; с2 = 72 мН/м; с3 = 77 мН/м; с4 = 3000 мН/м; с5 = 3000 мН/м. Для описания демпфирующих свойств рассматриваемой колебательной системы использованы экспериментальные значения коэффициентов пропорционального демпфирования, полученные из анализа поведения реальной виброизолирующей установки 5-тонного ковочного молота: относительно масс — 4,4 1/с; относительно жесткости — 0,0001 с.
При скорости падения бабы молота 5,3 м/с и коэффициенте восстановления скорости после удара 0,3 рассчетная начальная скорость шабота составляет 0,43 м/с. Как показывают результаты расчета (рис. 3), смещения и скорости движения шабота, молота и рамы различны. Сравнение расчетных виброперемещений шабота с аналогичными эксперименталь-
X , м/с г 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Потеря контакта между шаботом и рамой
0,02 0,04 0,06 0,08
0,10
0,12
г, с
Рис. 3. Перемещение виброэлементов виброизолирующей установки ковочного молота: 1 — шабота, 2 — рамы, 3 — молота
60 40 20 0 -20 -40 -60 60 40 20 0 -20 -40 -60
Шабот
х3, м/с2
Молот Г\л /V
0 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 10 0 11
г, с
Рис. 4. Ускорения шабота и станины ковочного молота
ными параметрами реальной виброустановки 5-тонного ковочного молота показало наличие погрешности в 16 % в сторону уменьшения экспериментальных значений.
Наибольшую скорость имеют рама и шабот, наименьшую — молот и проставки. Разность скоростей сопрягаемых элементов виброизолирующей установки приводит к появлению зазоров в сопряжениях шабота, рамы и стоек молота. При ускоренном движении элементы конструкции испытывают действие сил инерции. Для молота на рессорной виброизоляции импульсный симметричный тип нагружения является главным, так как именно ударные перегрузки вызывают в конструкции молота наибольшие напряжения. Максимальные ускорения (рис. 4) молот испытывает в начальный период, когда наблюдаются два импульсных максимума. Первый связан с импульсным усилием, которое передается на молот через вертикальные шпильки при технологическом ударе. По характеру своего действия это усилие является рывком. Расчеты показывают, что этот импульс определяется усилием предварительного натяга амортизаторов связи вертикальных шпилек. Второй импульс связан со столкновением молота и проставок стоек с рамой. Наибольшие перегрузки среди элементов системы виброизолирующей установки испытывает шабот молота. В момент соударения бабы молота с шаботом ускорение достигает 663 м/с2. Шабот имеет достаточную прочность, и это ускорение для него не представляет опасности. На графике ускорений шабота хорошо видны «срезанные» вершины с величиной ускорения 1 д. Они соответствуют периодам, когда шабот не контактирует с рамой.
На графике ускорений рамы молота (рис. 5) имеются два отчетливо выраженных максимума. Их величина составляет 220 и 235 м/с2.
0
Х2, м/с
200 100 0
-100 200 100 0 -100 -200
Х4, м/с2
Стойки
п2 60
50 40 30 20 10 0
П3 6
5
4
3
2 1 0
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11
г, с
Рис. 5. Ускорения рамы и проставок стоек ковочного молота
Первый максимум вызван усилием, связанным с движением шабота в направлении рамы после удара бабы молота по заготовке, а второй — столкновением молота с рамой.
Движение проставок ограничено зазором между молотом и рамой. Характер движения хаотичный. Максимальное ускорение достигает 110 м/с2, что не опасно для данной конструкции.
Расчеты показали, что ускорения базовых деталей молота, установленного на рессорную виброизоляцию, в 3 раза больше ускорений аналогичного виброизолированного молота, установленного на бетонном инерционном блоке, за счет разности инерционных масс. Соответственное соотношение распределения нагрузок приходится и на базовые детали молота. Для снижения действующих нагрузок на базовые детали молота проведено численное исследование влияния массовых и жест-костных параметров системы на ускорения молота и рамы. В ходе расчетов варьировались следующие параметры: усилие предварительного натяга амортизаторов связи стоек молота с опорной рамой, масса рамы, жесткости рессор, подшаботной прокладки, прокладок под стойками и амортизаторов связи на шпильках. При вариации одного параметра другие оставались постоянными, равными базовым значениям.
Расчеты показали изменение ускорений молота и рамы при различных значениях усилия предварительного натяга амортизаторов связи (рис. 6). Для молота отдельно показаны ускорения при рывке рамы и при столкновении рамы со стойками. Ускорения при рывке прямо пропорциональны усилию предварительного натяга и изменяются линейно. График ускорений молота при соударениях базовых дета-
400
Рама
800 1200 1600 2000 Р , кН
Рис. 6. Коэффициенты перегрузки рамы и стоек станины ковочного молота от усилия предварительного сжатия амортизаторов связи
лей напоминает затухающие свободные колебания. Амплитуда колебаний при увеличении натяга уменьшается. При небольших натягах ускорение при столкновении превосходит ускорение при рывке, а при больших — наоборот. Граничное значение наблюдается при натяге 1200 кН. Минимальное ускорение 36 м/с2 молот имеет при натяге 500 кН. Пиковое ускорение рамы от натяга не зависит.
Результаты расчетов подтверждают, что вес рамы оказывает влияние на пиковые ускорения базовых деталей молота. Для рамы коэффициент перегрузки в отношении к ускорению свободного падения снижается при увеличении ее веса. При изменении веса рамы как в сторону его увеличения, так и в сторону уменьшения коэффициент перегрузки деталей молота растет.
При анализе жесткости рессор выявлено, что последняя не влияет на ускорения рамы и слабо влияет на ускорение деталей молота. Это вызвано тем, что жесткость рессор почти на два порядка ниже жесткости других упругих элементов конструкции.
Результаты расчетов показали влияние изменения жесткости подшаботной прокладки на ускорения базовых деталей. В целом при увеличении жесткости коэффициент перегрузки растет и для рамы, и для молота. Ускорение рамы растет по закону, близкому к линейному. Для молота зависимость носит более сложный характер. При уменьшении жесткости подшаботной прокладки ниже определенного значения коэффициент перегрузки плавно уменьшается.
Анализ влияния жесткости подстоечных прокладок показал, что с увеличением последних коэффициент перегрузки деталей молота растет по линейному закону. Ускорение
рамы с увеличением жесткости прокладок растет, но скорость роста при больших значениях жесткости ниже, чем при маленьких.
При анализе изменения жесткости амортизаторов связи на вертикальных шпильках в пределах реальных величин не обнаружено ее существенного влияния на значения ускорений рамы и деталей молота.
Таким образом, в ходе исследований установлено, что уровень нагрузок молота существенно зависит от типа конструкции виброизолирующей установки и ее параметров. Для ковочного молота на рессорной виброизоляции выделяются две фазы поведения: рывок рамы молота с шаботом и первое столкновение стоек молота с опорной рамой. Из параметров конструкции виброизоляции наиболее существенное влияние на уровень нагрузок в молоте оказывают: предварительный натяг амортизаторов связи вертикальных шпилек; жесткость подшаботной и подстоечных прокладок. Характер этого влияния сложный, но в целом можно отметить, что с уменьшением жесткости прокладок уровень нагрузок уменьшается. Экспериментальное исследование КПД удара ковочного молота, установленного на рессорах, в сравнении с молотом на инерционном блоке показало следующее. При длительных (мягких) ударах молота более высокий КПД обеспечивает схема виброизоляции на инерционном блоке за счет больших инерционных масс
блока. При ударах средней продолжительности молот на рессорах обеспечивает КПД удара на 10-15 % выше, чем на блоке. При коротких (жестких) ударах обе схемы виброизоляции дают одинаковый результат. Обобщая вышесказанное, необходимо отметить, что разработанные конструкции виброизолирующих установок ковочных молотов зарекомендовали себя с наилучшей стороны, эффективно эксплуатируются более 15 лет и рекомендуются к широкому внедрению в кузнечных цехах для повышения технического уровня оборудования и безопасности персонала.
Литература
1. Виброизоляция штамповочных молотов / И. В. Климов и др. М.: Машиностроение, 1979. 134 с.
2. Жачкин Ю. В., Лапин С. К. Фундамент ковочного молота с м. п. ч. 3 т мод. М134А с подрессоренным шаботом // Кузнечно-штамповочное производство. 1976. № 3. С. 22-24.
3. Иванов Ю. В. Расчет виброизоляции ковочных молотов // Известия вузов. Машиностроение. 2008. № 8. С. 67-70.
4. Проектирование, строительство и эксплуатация виброизолированных фундаментов для штамповочных и ковочных молотов с весом падающих частей до 16 т. (Руководящий материал). Воронеж: Эникмаш, 1967. 83 с.
Международная специализированная выставка ^
МЕТАЛЛООБРАБОТКА " Ц
ИНСТРУМЕНТ марта апреля
ПЛАСТМАССА 2009Г
г_
Технический партнер: [ПрессКом]
еж» сигша
гашпзшпзш
международный выставочный центр
Украина, Киев, Броварской пр-т, 15 @ "Левобережная"
Организатор: ООО «Международный выставочный центра При поддержке: Министерства промышленной политики Украины
ш
+380 44 201-11-65, 201-11-56, 201-11-58 е-таН: lilia@lec-expo.com.ua тют. ГесА-ехро. сот. иа
