CC BY
6
МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 621.77.01; 621.01:531.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-590-595
УПРАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРАМИ КИНЕМАТИКИ ТОРЦЕВОЙ РАСКАТКИ НА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРЕССАХ
Н.В. Тепин, С.А. Морозов, А.С. Морозов, А.В. Щенятский
Рассмотрена кинематика торцевой раскатки, выявлены основные её параметры, влияющие на процесс. Это линейное перемещение подвижной траверсы пресса и круговое вращение матрицы. Приведено описание работы системы управления гидравлическим прессом и электродвигателем. Предложена система управления гидравлическим прессом на основе программируемого логического контроллера.
Ключевые слова: торцевая раскатка, гидравлическое оборудование, прессы, частотный преобразователь, программируемый логический контроллер.
Торцевая раскатка является одним из прогрессивных процессов обработки металлов давлением с локализацией очага деформации [1-3]. Процесс позволяет уменьшить усилие деформирование в 10-15 раз по сравнению с обычной штамповкой, повысить коэффициент использования металла до 0,6-0,9, получать за один переход заготовки с относительной высотой Н/D = 0,015-0,1. Реализовать торцевую раскатку можно на специализированном оборудовании или на универсальных гидравлических прессах, на которых устанавливается приставка для торцевой раскатки (рис. 1).
Рис. 1. Гидравлический пресс с установкой для торцевой раскатки
В ходе деформирования заготовки важно максимально использовать возможности процесса. Для повышения эффективности технологии необходимо управлять скоростью вращения инструмента и перемещения траверсы пресса [4, 5].
Нами разработана приставка для торцевой раскатки [6], обеспечивающая получение поковок за счет использования принудительного вращения матрицы. Привод осуществляется от электродвигателя через цепную, либо зубчатую передачу.
Управление скоростью вращения инструмента осуществляется путем изменения числа оборотов электродвигателя. Для управления асинхронным электродвигателем привода инструмента в электрическую цепь необходимо включить частотный преобразователь (инвертор), например, SYSDRIVE G3MV фирмы OMRON (Япония) (рис 2) [7].
Рис. 2. Частотные преобразователи OMRON
Управление скоростью перемещения траверсы пресса возможно двумя способами: гидравлическим и электрическим. Гидравлические прессы серии ДГ, ДЕ имеют только две скорости движения: холостой (быстрый) и рабочий ход. Причем скорость в конце рабочего хода напрямую зависит от сопротивления деформированию заготовки.
Наиболее простой способ управления скоростью траверсы при рабочем ходе пресса это регулирование подачи жидкости от насоса. Применение дросселирования приводит к перегреву рабочей жидкости и требует реконструкции гидросистемы пресса. Управление электродвигателем насоса гидростанции можно также осуществлять через частотный преобразователь [8, 9].
Рабочий объём насоса - величина постоянная, а подача жидкости зависит от частоты вращения вала двигателя.
Частота вращения вала асинхронных электродвигателей определяется по формуле:
П = (б0* f / p) * (1 - 5),
где n - номинальное число оборотов вала асинхронного электродвигателя, p - число пар полюсов, s -скольжение (разность скоростей поля ротора и поля статора), f - частота переменного тока.
Промышленная частота в сети переменного тока в РФ и Европе составляет 50 Гц. Путем введения в систему автоматического управления (САУ) частотного преобразователя возможно управлять частотой тока на входе электродвигателя от 0,1 до 400 Гц. Это позволяет, например, использовать двигатель с номинальным числом оборотов 1500 об/мин в режиме разгона и замедления от 3 до 12000 об/мин. Постоянное вращение на низких оборотах ухудшает тепловой баланс и может привести к перегреву и выходу из строя двигателя. Повышенная частота вращения может привести к разрушению, ввиду несоответствия требований к динамической балансировке ротора.
Частотный преобразователь помимо изменения частоты тока должен изменять напряжение, подаваемое на электродвигатель в соответствии с законом управления V/f = const. То есть, если мы питаем двигатель, рассчитанный на 380В и 50Гц, от сети частотой 25Гц, то напряжение в этой сети должно составлять уже половину - 190В. Иначе двигатель будет работать в нерасчетном режиме, с большими потерями.
По способу управления частотные преобразователи могут быть векторными и скалярными. При скалярном управлении поддерживается только постоянное соотношение между выходным напряжением и выходной частотой. При этом крутящий момент практически не изменяется.
Когда частота тока низкая, то на двигатель соответственно подается низкое напряжение и в этом случае начинает сказываться влияние сопротивления обмоток. Это приводит к тому, что сам закон V/f = const начинает меняться. Компенсировать данные изменения может векторная модель управления частотным преобразователем.
В случае с гидроприводом достаточно использовать более дешевое устройство со скалярным законом управления (рис. 3).
Для обеспечения работы исполнительных механизмов пресса по заданной программе необходимо в систему управления внедрить программируемый логический контроллер (ПЛК), например, SYSMAC CPM1A-40CDR-A (рис. 4). Можно использовать программатор (консоль программирования) типа CQM1-PR001 (рис. 4), либо использовать сенсорную панель - для ввода параметров, контроля технологического процесса и вывода сообщений о ходе процесса и причинах его прерывания.
Рис. 4. Программируемый логический контроллер OMRON CPM1A-40CDR-A и консоль программирования СQM1-PR001
Для обратной связи с положением ползуна можно использовать инкрементальный датчик линейных перемещений типа LC 400 HEIDENHAIN (рис. 5) [8], либо импульсный электронный датчик (эн-кодер) типа E6C2CWZ6C через тросовую систему. Для контроля крайних положений выталкивателя необходимо дополнительно установить бесконтактные индуктивные датчики типа E2EG-X5MC1 в качестве конечных выключателей верхнего и нижнего положения.
„.даи1."' '
щи] ..««в»
||,Я8Гп f"1
Рис. 5. Инкрементальный датчик линейных перемещений Л
Рис. 6. Система управления прессом усилием 160 кН
592
Таким образом САУ гидропресса (рис. 6) для торцевой раскатки должна включать частотные преобразователи для двигателей раскатного устройства и насоса гидростанции, ПЛК, консоль программирования и датчики перемещения.
Гидравлическая схема привода позволяет осуществлять следующий цикл перемещения рабочих органов пресса:
- ускоренное перемещение ползуна пресса вниз;
- замедленное перемещение ползуна вниз;
- набор давления:
- прессование до максимального давления 32 МПа,
- выдержка под давлением в течение установленного реле времени с отключением на это время электродвигателя.
- подъем ползуна для выпуска газов из прессформ с последующим прессованием;
- замедленный ход ползуна вверх;
- ускоренный ход ползуна вверх и останов;
- подъем выталкивателя вверх;
- опускание выталкивателя в исходное положение;
- общий стоп.
Далее приведем описание работы гидросистемы. Исходное положение - главный плунжер находится в крайнем верхнем положении, поршень выталкивателя - в нижнем положениях, электромагниты - обесточены, насосы Н1 и Н2 разгружены через распределитель Р2 и клапан КП4.
При передаче команды поршню (ползун далее по тексту) вниз включаются электромагниты YA1, YA3 и YA4. Распределитель клапана КП4 перекрывает слив из надклапанной полости, клапан садится на патрон, а поток рабочей жидкости от насоса Н2 большой производительности и низкого давления подается в объединенную магистраль через обратный клапан КО4. Распределитель Р2 перекрывает слив из объединенной магистрали и насос Н1 малой производительности высокого давления также становится под нагрузку через обратный клапан КО3. Клапан РК2 открывается потому, что его надклапан-ная полость сообщается со сливом, через распределитель. Поток рабочей жидкости из объединенной магистрали проходит через РК2, обратный клапан КО1 - в поршневую полость главного цилиндра. Вытесняемая жидкость из полости цилиндра через поддерживающий клапан К проходит под торец клапана РК3, создает избыточное давление, поднимает его и соединяется с потоком от насосов, т.е. происходит перелив из главного цилиндра в возвратные цилиндры. В данном случае клапан РК3 открывается потому, что его надклапанная полость соединена через гидрозамок того же клапана с магистралью меньшего давления.
Ползун опускается ускоренно. Переход с ускоренного на замедленный ход поршня происходит за счет перевода насоса Н2 на слив по сигналу путевого датчика (на схеме показан), который обеспечивает электромагнит YA3. В процессе замедленного хода, когда движение поршня осуществляется потоком от насоса Н1 по той же цепочки, происходит смыкание прессформ и уплотнение материала. По мере возрастания полезной нагрузки до 20 % от номинального усилия цилиндра управляемый от напорной магистрали клапан КП1 сообщает штоковую область со сливом, клапан РК3 перекрывает перелив, а в поршневую область подается поток только от насоса Н1 высокого давления. При достижении требуемого усилия (по давлению) датчик давления ЭКМ дает сигнал на отключение электромагнитов YA1 и YA4. Насосы разгружаются, происходит выдержка под давлением на время, обусловленное реле времени. При значительных по времени выдержках отключается и электродвигатель.
По истечении времени выдержки включаются электромагниты YA2 и YA4.
Поток рабочей жидкости от насоса Н1 через распределителя Р1 подается в управляющие полости гидрозамков РК1 и РК3.
В связи с тем, что площади управляющих полостей гидрозамков РК1 и РК3 подобраны из соотношения 16:1 и 3:1 (соответственно), то сначала открывается гидрозамок РК1. Клапан же РК3 открывается только тогда, когда полностью открыт клапан РК1 и давление в поршневой области сброшено.
Поток рабочей жидкости (в дальнейшем РЖ) от насоса Н1 через клапаны РК3 и К поступает в штоковую область цилиндра «А». Вытесняемая из поршневой полости РЖ сливается через клапан РК1. Поршень движется медленно вверх до тех пор, пока путевой датчик не даст команду на включение электромагнита YA3, после чего поршень движется ускоренно, так как поток подается поток от двух насосов. В крайнем верхнем положении путевой датчик отключает электромагниты YA2 и YA3, а включает электромагнит YA5. Распределитель Р3 соединяет напорную магистраль с поршневой областью цилиндра «Б». Поршень движется вверх. Вытесняемый из штоковой области поток частично направляется через дроссель ДРО на слив и через обратный клапан КО3 соединяется с потоком от насоса Н1.
Дросселем ДРО регулируется скорость подъема поршня за счет сброса части потока РЖ на слив. При полностью закрытом дросселе скорость подъема максимальная, но усилие, развиваемое поршнем, падает на величину усилия штоковой полости цилиндра.
В крайнем верхнем положении поршня цилиндра «Б» путевой датчик выключает электромагнит YA5 и распределитель Р3 становится в исходное положение. Для опускания поршня датчик установки (пресса) дает сигнал на включение электромагнита YA6. Распределитель сообщает насос со штоковой областью.
Поршень движется вниз, пока путевой датчик не отключит электромагнит YA6. На этом работа закончена.
Таким образом, разработана автоматическая система управления гидравлическим прессом на основе программируемого логического контроллера. Для управления асинхронным электродвигателем привода инструмента в электрическую цепь необходимо включить частотный преобразователь. Это позволяет задавать оптимальные значения показателей кинематики торцевой раскатки и максимально реали-зовывать её технологические возможности.
Список литературы
1. Морозов С.А., Щенятский А.В., Морозов А.С. Торцевая раскатка сложно-профильных деталей из алюминиевых сплавов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 12. С. 196-199.
2. Морозов С.А., Морозов А.С. Реализация торцевой раскатки на универсальном гидропрессе // Техника и технологии машиностроения: материалы IV междунар. студ. научно-практ. конф. (Омск, 25-30 марта 2015). Омск: Изд-во ОмГТУ, 2015. С.166-169.
3. Морозов С.А., Ясавиев Т.Р. Деформирование металла методом горячей торцевой раскатки // Техника и технологии машиностроения: материалы IV междунар. студ. научно-практ. конф. (Омск, 25-30 марта 2015). Омск: Изд-во ОмГТУ, 2015. С.283-286.
4. Морозов С.А., Щенятский А.В., Морозов А.С. Оптимальные параметры кинематики торцевой // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 4. С. 317-321. DOI 10.24412/2071-6168-2021-4-317-321. EDN SEPKJQ.
5. Морозов А.С., Морозов С.А., Щенятский А.В. Параметрическая оптимизация процесса торцевой раскатки детали класса "цилиндрическая с фланцем" // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 4. С. 425-433. EDN TZFNLT.
6. Патент на полезную модель № 200387 U1 Российская Федерация. МПК B21J 5/00, B21D 37/12. Устройство для штамповки торцевой раскаткой: № 2020118826: заявл. 01.06.2020: опубл. 21.10.2020 / Н.В. Тепин, С.А. Морозов, Ю.О. Михайлов, А.С. Морозов; заявитель федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова". EDN TWUFTB.
7. Direct Industry by virtualexpo group. [Электронный ресурс] URL: https://www.directindustry.de (дата обращения: 11.04.2023).
8. Группа компаний «Коммунар». [Электронный ресурс] URL: http://kommunar.com/pressy-gidravlicheskie (дата обращения 11.04.2023).
9. Абдыкеримова Д.К. Разработка информационно-измерительного устройства автоматической системы управления режимами работ гидропресса // Известия Кыргызского государственного технического университета им. И.Раззакова. 2022. №4(64). С. 440-444.
Тепин Николай Васильевич, канд. техн. наук, доцент, niktepin@yandex.ru, Россия, Ижевск, Ижевск государственный технический университет имени М. Т. Калашникова,
Морозов Сергей Александрович, канд. техн. наук, доцент, доцент, msa-omd@mail.ru, Россия, Ижевск, Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова,
Морозов Александр Сергеевич, аспирант, sashamor2@mail. ru, Россия, Ижевск, Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова,
Щенятский Алексей Валерьевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, bkkupol@istu.ru, Россия, Ижевск, Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова
CONTROL OF THE KINEMATIC PARAMETERS OF ROTARY FORGING ON HYDRAULIC PRESSES.
N. V. Tepin, S.A. Morozov, A.S. Morozov, A. V. Schenyatsky
The kinematics of rotary forging is considered and the main parameters influencing the process are revealed. It is a linear movement of the moving crosshead of the press and circular rotation of the lower die. A description of the operation of the hydraulic press and motor control system is given. A hydraulic press control system based on a programmable logic controller is proposed.
Key words: rotary forging; hydraulic equipment; presses; frequency converter; programmable logic controller (PLC)
Tepin Nikolay Vasilyevich, candidate of technical sciences, docent, niktepin@yandex.ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University,
594
Morozov Sergey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, msa-omd@mail.ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University,
Morozov Aleksandr Sergeevich, postgraduate, sashamor2@mail.ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University,
Schenyatsky Alexey Valerevich, doctor of technical sciences, professor, bkkupol@istu.ru, Russia, Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University
УДК 620.179.4
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-595-599
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ АДГЕЗИОННОЙ ПРОЧНОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛИМЕРОВ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ГИДРОЦИЛИНДРОВ
ПОДЪЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ
В.Г. Леушев
В статье дано описание работы установки, созданной для получения зависимости адгезионной прочности пары полимер-сталь от температуры в интервале от -60 до +60 °С. Установлено, что в границах данного температурного интервала процесс разрушения описывается формулой Журкова. Следовательно, на основании кинетической теории прочности в данном интервале температур возможен прогноз долговечности адгезионных соединений полимерных покрытий к внутренним поверхностям гидроцилиндров подъёмных сооружений, восстановленных с помощью эпоксидной композиции.
Ключевые слова: адгезионная прочность, температура, долговечность, полимерное покрытие, формула Журкова, гидроцилиндр, подъёмное сооружение.
В результате широкого применения подъёмных сооружений (ПС), оснащённых гидроприводом, остро стоит вопрос о разработке технологии их ремонта. Наиболее сложно эта проблема решается для силовых гидроцилиндров. Особенность их конструкции заключается в большой длине при сравнительно небольших диаметрах. Упростить технологию восстановления гидроцилиндров, повысить износостойкость уплотнений, а, следовательно, и надёжность в целом, можно путём применения полимерных покрытий на внутренних поверхностях гидроцилиндров.
В этой связи можно выделить целый комплекс положительных свойств полимерных покрытий:
- низкий коэффициент трения;
- незначительный износ;
- высокая химическая стойкость;
- технологичность изготовления.
Композиции на основе эпоксидно-диановых смол содержат в своем составе отвердители, пластификаторы, растворители и другие компоненты. Они обладают достаточной жидкотекучестью, необходимой для заполнения свободного объёма, дают незначительную усадку при отвердевании. Полимерные покрытия, полученные на их основе, маслостойкие и хорошо поддаются механической обработке.
При всех вышеперечисленных плюсах полимерных покрытий необходимо провести темпера-турно-прочностной анализ адгезии полимера к стали и на основе полученных данных определить возможен или нет прогноз долговечности таких соединений.
В данной статье процесс разрушения адгезионнных соединений полимер-сталь в широком интервале температур рассматривается на основании кинетической теории прочности. Она опирается на термофлуктуационный подход к процессу разрушения твёрдых тел. Время ожидания разрыва (долговечность) - важнейшая кинетическая характеристика разрушения [1]. Выяснилось, что это время при заданной нагрузке резко снижается при росте температуры.
Температура тела является мерой интенсивности теплового движения атомов и в процессе разрушения играет важную роль. Тепловое поведение атомов в твёрдом теле не исчерпывается средними небольшими колебаниями. В силу хаотичности теплового движения и связи атомов друг с другом время от времени отдельные атомы приобретают резко повышенные значения энергии (в десятки раз выше средних). Эти события называют флуктуациями энергии. С увеличением температуры частота флуктуации резко возрастает. Анализ экспериментальных данных показал, что важным фактором разрушения является динамическая гетерогенность: неравномерность, неоднородность распределения энергии тепловых колебаний по объёму твёрдого тела.
