ШТАМПОВОЧНЫЙ МОЛОТ СО ВСТРЕЧНЫМ УДАРОМ Российский патент 1998 года по МПК B21J7/02 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к конструкции кузнечно-штамповочного оборудования, и может найти применение при проектировании новых и реконструкции существующих заготовительных цехов машиностроительных предприятий, оснащенных оборудованием ударного действия.

Известен гидропневматический штамповочный молот со встречным ударом серии KJH [1] , недостатками которого являются существенные затраты энергоносителя, который расходуется не только для приведения в движение падающих частей, но и посредством гидросвязи для движения станины с шаботом, сложность электрооборудования и гидросистемы управления, повышенная шумность насосной установки.

Известен паровоздушный штамповочный молот, описанный в работе [2], в котором встречное движение нижних подвижных масс предлагается осуществить за счет внутренней реактивной силы с уравновешиванием нижних подвижных частей постоянной силой, развиваемой нижним рабочим цилиндром. Основным недостатком которого является отсутствие устройства, которое бы позволило реализовать уравновешивание нижних подвижных частей в процессе всего цикла работы молота.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является скоростной молот [3] со встречным ударом, содержащий станину, бабу, плунжер, перемещающийся в гидравлическом цилиндре, жестко связанный со станиной, устройство, которое выполняет функции демпфирования и поддержания постоянного значения силы давления жидкости на молот в процессе всего цикла работы молота, уравновешивая вес молота.

Недостатком известного молота, принятого за прототип, является отсутствие в устройстве, которое должно создавать постоянную силу давления на плунжер, механизма, действительно обеспечивающего постоянство этой силы из-за возможного изменения давления в пневмосети и инерционности жидкости.

Целью изобретения является создание штамповочного молота с низким уровнем вибрации фундамента.

Указанная цель обеспечивается тем, что штамповочный молот, содержащий станину, падающие части, шабот, направляющие колонны, опорные пружины и пневмоцилиндр, закрепленные на фундаменте под шаботом, поршень, перемещающийся в подшаботном пневмоцилиндре, жестко связанный с шаботом посредством штока, устройство, обеспечивающее постоянство силы воздействия сжатого воздуха на станину с шаботом во время всего цикла работы молота, отличающийся тем, что устройство, обеспечивающее постоянство силы воздействия сжатого воздуха, состоит из впускного и выпускного регулируемых клапанов, посредством которых подшаботный пневмоцилиндр связан с воздушными магистралями высокого и низкого давлений, молот снабжен пружиной коррекции исходного положения шабота относительно направляющей колонны, установленной на фундамент под шаботом. Устройство, обеспечивающее постоянство силы воздействия сжатого воздуха на шабот во время всего цикла работы молота, и пружина коррекции позволяют создать условия, при которых молот работает устойчиво с минимальной вибрацией фундамента.

В известных технических решениях не обнаружено молота со встречным ударом, который снабжен устройством, обеспечивающим постоянство силы воздействия сжатого воздуха на станину с шаботом во время всего цикла работы молота, состоящим из впускного и выпускного регулирующих клапанов, связывающих подшаботный пневмоцилиндр с воздушными магистралями и низкого давлений, молота, снабженного пружиной коррекции исходного положения шабота относительно направляющей колонны, установленной на фундамент под шаботом, в связи с чем предложенное решение обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема штамповочного молота со встречным ударом; на фиг. 2 - принципиальные схемы впускного и выпускного регулируемых клапанов.

Устройство содержит станину 1, падающие части 2, шабот 3, направляющие колонны 4, опорные пружины 5, пневмоцилиндр 6, поршень 7, жестко связанный с шаботом посредством штока, впускной 8 и выпускной 9 регулируемые клапаны, пружину коррекции 10, вентили на магистралях высокого 11 и низкого 12 давлений. Регулируемые впускной и выпускной клапаны состоят из корпуса 13, входного 14 и выходного 15 каналов, золотника 16 с выточкой 17, пружины 18, маховика 19 с винтом регулировки пружины, канала связи 20.

Устройство работает следующим образом. С помощью маховика 19 на впускном регулируемом клапане 8 устанавливается давление срабатывания этого клапана

где m - масса падающих частей;
M - масса станины с шаботом;
g - ускорение свободного падения;
S - площадь подшаботного поршня;
P_am - атмосферное давление.

На выпускном регулируемом клапане 9 маховиком 19 устанавливается давление срабатывания P₂₀, которое на незначительную величину больше, чем P₁₀, например P₂₀ = P₁₀ + 0,001 ат.

Открываются вентили магистралей высокого 11 и низкого 12 давлений. Сжатый воздух через выточку 17 золотника 16 впускного клапана 8 заполняет подшаботный пневмоцилиндр 6. По мере увеличения давления в этом цилиндре сжатый воздух через каналы 20, воздействуя на золотники 16 впускного и выпускного клапанов, смещает их, преодолевая сопротивление пружин 18. Как только давление в пневмоцилиндре окажется равным P₁₀, впускной клапан перекроет доступ воздуха из магистрали высокого давления, выпускной клапан 9 будет перекрыт, но близок к состоянию срабатывания. При нарастании давления в пневмоцилиндре 6 молот (станина 1, падающие части 2, шабот 3) перемещается в направляющих колоннах 4 вверх до положения, при котором опорные пружины 6 не касаются шабота, а пружины коррекции 10, касаясь шабота, практически не воздействуют на него. С помощью измерительной линейки, жестко закрепленной на шаботе, проверяется положение шабота относительно направляющей колонны. В таком состоянии устройства сила тяжести, действующая на молот, уравновешивается силой давления только сжатого воздуха подшаботного пневмоцилиндра. Это неустойчивое состояние устройства, при котором и сходное положение шабота будет изменяться. Для устойчивой работы молота следует понизить силу давления сжатым воздухом на (0,2-1) кН, что достигается понижением порогов срабатывания как впускного, так и выпускного регулируемых клапанов на одну и ту же величину, например на (0,002-0,01) ат. Маховиками 19 впускного и выпускного клапанов устанавливаются новые значения порогов срабатывания, избыточный воздух из подшаботного пневмоцилиндра через выпускной клапан 9 выйдет в магистраль низкого давления, шабот опустится в исходное для работы положение, сжав пружину коррекции 10. По величине опускания шабота относительно метки на направляющей колонне, зная упругость пружины коррекции, определяется величина понижения силы давления сжатого воздуха на поршень. Понижение силы давления не должно быть значительно, т.к. чем больше понижение, тем большая вибрация будет передаваться на фундамент.

При нажатии на педаль молота падающие части под действием силы тяжести и силы давления пара приходят в движение, приобретая кинетическую энергию. За это время станина с шаботом под действием силы реакции пара и силы давления сжатого воздуха, равной весу падающих частей, поднимается вверх, приобретая импульс, практически равный импульсу падающих частей, но направленный в противоположную сторону. Во время этого процесса выпускной клапан закрыт, а впускной открыт настолько, чтобы поддерживать неизменным давление воздуха в пневмоцилиндре. Величина перемещения шабота со станиной за время этого движения оказывается примерно равной

где H - величина перемещения падающих частей, например, при M = 30 • 10³ кг, m = 10³ кг, H = 1,2 м, h ≈ 4 см. После удара импульсы подвижных частей молота вновь оказываются практически равными и противоположно направленными. Во время движения падающих частей вверх результирующая сила, состоящая из силы тяжести и силы давления пара, направлена вниз. Падающие части останавливаются в верхнем исходном положении. В это время под действием результирующей силы, направленной вверх, станина с шаботом опускаются в исходное положение замедленно. Достигнув исходного положения, они останавливаются или будут совершать колебания с малой амплитудой, но большим периодом относительно исходного положения шабота. При движении шабота вниз впускной клапан закрыт, а через выпускной избыточный воздух выходит в магистраль низкого давления. В процессе всего цикла работы молота давление газа в пневмоцилиндре остается практически неизменным, чем и обеспечивается снижение уровня вибраций, передаваемых на фундамент. Незначительные вибрации будут существовать, т.к. через пружину коррекции изменяющиеся усилия будут передаваться на фундамент.

Использование изобретения в сравнении с известными устройствами обеспечивает существенное понижение вибрации фундамента при незначительной дополнительной затрате энергоносителя.

Пример расчета виброизоляционных параметров штамповочного молота, например, модели М 2140.

1. Исходные данные: масса падающих частей m = 10³ кг, масса станины с шаботом M = 30 • 10³ кг, скорость падающих частей перед ударом V₁₀ = 7,1 м/с, время машинного цикла t_м = 0,845 с.

2. Выбор и расчет необходимых параметров.

Примем коэффициент упругости опорных пружин k₁ = 1 • 10⁷ H/м, тогда величина их деформации в нерабочем состоянии молота x₁ = (m + M) • g/k₁ = 0,03 м. Пусть коэффициент упругости пружин коррекции k₂ = 0,25 • 10⁶ H/м, а поперечное сечение подшаботного пневмоцилиндра S = 1 м². Тогда P₀ = (m + M) • g/S + P_ат = 31 • 10³ • 9,82 / 1 + 1 • 10⁵ = 4,044 • 10⁵ Па = 4,044 ат. На впускном клапане давление срабатывания P₁ = P₀ - 0,005 ат = 4,039 ат, а на выпускном P₂ = P₁ + 0,001 ат = 4,040 ат. Величина деформации пружин коррекции в исходном состоянии x₂ = Δ F/k₂ = 0,5 • 10³/0,25 • 10⁶ = 2 мм. В дальнейшем влиянием пружин коррекции на движение шабота пренебрегаем. При оценке параметров работающего молота используем средние значения сил, действующих на подвижные части молота.

При движении падающих частей вниз на них действуют силы: F₁ = m • g - сила тяжести, F₂ - сила давления пара, F₃ - сила инерции. На шабот со станиной действуют силы: F₄ = m • g - сила тяжести, F₅ = (P₁ - P_ат) • S - сила давления сжатого воздуха, - сила реакции. Если бы молот был установлен, например, на инерционном блоке, то время движения падающих частей вниз было бы t₁₀ = 2H/V₁₀ = 0,34 с, а F₁ + F₂ = mV₁₀/t₁₀ = 20,9 кН. В рассматриваемом устройстве F₅ + F₆ - F₄ = F₁ + F₂ - 0,5 кН = 20,4 кН. Под действием этих сил шабот со станиной движутся вверх с ускорением a₂ = 20,4 • 10³/30 • 10³ = 0,68 м/с². Следовательно, сила инерции F₃ = ma₂ = 0,68 кН. Тогда F₁ + F₂ + F₃ = 21,58 кН. Ускорение падающих частей a₁ = (F₁ + F₂ + F₃)/m = 21,58 м/с², а время движения = 0,333 с. Скорость падающих частей в системе отсчета, связанной со станиной, перед ударом V₁₀₀ = a₁ • t₁ = 7,20 м/с. Скорость шабота со станиной в системе отсчета, связанной с фундаментом, перед ударом V₂ = a₂t₂ = 0,226 м/с. Скорость падающих частей в той же системе, V₁ = V₁₀₀ - V₂ = 6,97 м/с. Скорости подвижных частей молота после удара:

Пусть ε = 0,4, тогда

Величина перемещения шабота со станиной

Импульсы подвижных частей перед ударом: mV₁ = 6,97 • 10³ кгм/с и MV₂ = - 6,78 • 10³ кгм/с, а после удара: mV'₁ = - 2,78 • 10³ кгм/с и MV'₂ = 2,85 • 10³ кгм/с.

Пусть продолжительность удара t₃ = 0,005 с, тогда время движения подвижных частей t₂ = t_м - t₁ - t₃ = 0,51 с. При движении вверх на падающие части действуют силы : F'₁ = mg - сила тяжести, F'₂ - сила давления пара. Т. к. F'₁ - F'₂ = ma'₁, где a'₁ = V'₁/t₂ = 5,45 м/с. Следовательно, сила давления пара F'₂ = m(g - a'₁) = 4,37 кН. На шабот со станиной действуют силы: F'₄ = M • g - сила тяжести, F'₅ = (P₁ - P_ат) • S + 0,001 ат - сила давления сжатого воздуха, - сила реакции. Под действием этих сил шабот со станиной перемещаются замедленно с ускорением a'₂ = (F'₅ - F'₄ - F'₆)/M = 5,03 • 10³/30 • 10³ = 0,168 м/с². Когда шабот окажется в исходном положении, его скорость V = V'₂ - a'₂t₂ = 0,095 - 0,168 • 0,51 = 0,009 м/с. Кинетическая энергия E = (m + M) • V²/2 = 1,25 Дж. Шабот со станиной начнут совершать колебательное движение относительно исходного положения с амплитудой = 0,003 м, с периодом = 2,2 с. В процессе работы молота наибольшее изменение силы воздействия на фундамент составит: ΔF₁ = (x₂ + A) • к₂ + 0,001 ат • S = 1,35 кН, что примерно на два порядка ниже, чем воздействие при пружинной виброизоляции.

Литература
1. Виброизоляция штамповочных молотов. Климов И.В., Кошелев В.П., Носов В.С. М.: Машиностроение, 1979, с. 108-112.

2. Авт. св. СССР 88336, кл. 49 g, 1. Паровоздушный штамповочный молот.

3. Авт. св. СССР 261125, кл. B 21 j 7/02. Скоростной молот.

Штамповочный молот со встречным ударом. Цель изобретения - снижение вибрации фундамента. Штамповочный молот, состоящий из верхних и нижних подвижных частей, установлен посредством направляющих колонн, пневмоцилиндра и поршня на фундамент, снабжен устройством, обеспечивающим постоянство силы воздействия сжатого воздуха на станину с шаботом во время всего цикла работы молота, состоящим из впускного и выпускного регулируемых клапанов, связывающих подшаботный пневмоцилиндр с магистралями высокого и низкого давлений. Эффект достигается поддержанием постоянного давления в подшаботном пневмоцилиндре и превращением работы сил реакции в энергию встречного движения. 2 ил.

Штамповочный молот со встречным ударом, содержащий станину, падающие части, шабот, направляющие колонны, опорные пружины и пневмоцилиндр, закрепленные на фундаменте под шаботом, поршень, перемещающийся в подшаботном пневмоцилиндре, жестко связанный с шаботом посредством штока, устройство, обеспечивающее постоянство силы воздействия сжатого воздуха на станину с шаботом во время всего цикла работы молота, отличающийся тем, что устройство, обеспечивающее постоянство силы воздействия сжатого воздуха, состоит из впускного и выпускного регулируемых клапанов, посредством которых подшаботный пневмоцилиндр связан с воздушными магистралями высокого и низкого давлений, молот снабжен пружиной коррекции исходного положения шабота относительно направляющей колонны, установленной на фундамент под шаботом.