7 ЕНЕРГЕТИКА КРИВОШИПНИХ КОВАЛЬСЬКО-ШТАМПУВАЛЬНИХ МАШИН
Кривошипні
машини обладнані маховиковим приводом з асинхронним
електродвигуном. Потужність двигуна менша потужності виконавчого механізму під
час робочого ходу. Додатковий приріст енергії виникає за рахунок гальмування
маховика та зменшення кутової швидкості. Тому до початку кожного наступного
робочого ходу електродвигун повинен відновити частоту обертання маховика.
Теорія
приводу маховикового типу в кривошипних машинах
заснована на аналізі зміни кінетичної енергії робочих частин пресу. Цю зміну
вивчають за допомогою енергетичної діаграми (рис. 1).
Рис. 1 – Енергетична
циклограма пресу: 1 – графік зміни
кінетичної енергії Т робочих частин
пресу, 2 – графік технологічного
навантаження.
Тп – початкова енергія (до
включення муфти); Тм – енергія після включення муфти; Тк – мінімально допустима енергія
після робочого ходу (деформування заготовки); tн – час холостого ходу повзуна (наближення); tд – час робочого ходу (деформування); tз – час зворотного ходу; tт –
час технологічної паузи; tм – час машинного циклу; tц – час технологічного циклу
Енергетична
діаграма складається з чотирьох ділянок:
(a – b) – ділянка зменшення
запасу кінетичної енергії маховика від початкового рівня Тп до Тм, в
наслідок втрат на вмикання муфти та розгін ведених частин;
(b – c) – ділянка відновлення
енергії маховика пресу електродвигуном;
(с – d) – ділянка падіння рівня
енергії маховика до допустимого мінімуму Тк під час робочого
ходу tд.
Падіння енергії відбувається в наслідок виконання деформування, при цьому в
механізмах приводу передбачається проковзування, яке дозволяє уникнути перегрів
електродвигуна та заклинювання пресу;
(d – e – g) – ділянка
відновлення рівня енергії.
Із
загального перепаду енергії більша частина витрачається на пластичне
деформування заготовки (з подоланням сили згідно кривої 2). Інші витрати викликані втратами на
тертя та пружне деформування в деталях пресу та штампу.
У випадку
великих витрат на деформування (гаряче штампування та ін.) повне відновлення
енергії маховика, під час зворотного ходу tз, може не відбутись.
Тому в роботі машини необхідно передбачити час технологічної паузи tт,
коли працюють засоби механізації та автоматизації. Лише після повного
відновлення енергії маховика можна починати штампування наступної заготовки.
Час tц
називають часом технологічного циклу
,
де tм –
час машинного циклу (подвійного ходу повзуна); рв – коефіцієнт
використання ходів.
При роботі
прес-автоматів або звичайних пресів в автоматичному режимі час машинного та
технологічного циклів рівні tц=tм.
Муфта пресу постійно ввімкнена. За таких умов роботи енергетичні можливості
системи двигун-маховик зменшуються. Змінюється інтенсивність роботи пресу, яку
оцінюють коефіцієнтом використання числа ходів пресу , де
– число одиночних (робочих) ходів пресу в хвилину;
– номінальна кількість ходів пресу за хвилину в автоматичному
режимі (паспортні дані пресу).
Загальна
робота приводу преса витрачається на робочий хід Ар та вмикання муфти Ав, що пов’язано з
розгоном рухомих частин пресу
.
Під час
робочого ходу енергія витрачається не лише на подолання опору деформуванню Ад, а і на супутні процеси
тертя Ат, пружної
деформації деталей пресу Апр
та холостий рух механізмів пресу Ах.х:
.
З іншого
боку роботу приводу в межах робочого ходу можна отримати з діаграми повного
крутного моменту Мк(a) на ведучому валі головного виконавчого механізму преса (рис. 2). Діаграму Мк(a) будують графоаналітичним способом в залежності від положення, яке
координується кутом a
,
де Fд(a) – поточне значення зусилля деформування з перебудованого графіка Fд(s) в графік Fд(a); mк(a) – поточне значення приведеного плеча сили Fд(a).
Рис. 2 – Графік зміни
крутного моменту від кута повороту кривошипного валу преса
Інтегруючи
значення Мк(a) на діаграмі в межах робочого ходу, отримують значення роботи, яка
витрачається приводом на ведучому валу
, або
,
де aп.р – кут початку робочого
ходу; aк.р – кут кінця робочого
ходу.
Робота
увімкнення муфти та розгін ведених частин визначається
,
де Jв.д –
момент інерції ведених частин приводу преса; wн – номінальна кутова
швидкість валу муфти.
Витрати
енергії на холостий рух механізмів пресу залежать від якості обробки поверхонь
спряжених деталей, опор та направляючих, від умов змащення, натягу пасів, стану
гальма пресу та інших випадкових причин. Тому значення цих витрат визначають
наближено в частках kx
від роботи пластичної деформації Ад:
,
,
де kx=0,3...0,4 для
листоштампувальних та обрізних закритих пресів; kx=0,04...0,5 для КГШП; kx=0,6 для карбувальних пресів; kx=1,5...2,5 для автоматів.
Для оцінки
витрат енергії в приводі машини під час робочого ходу використовують ККД
робочого ходу ηр. Цей
ККД враховує втрати на тертя та пружну деформацію під час робочого ходу.
ККД робочого
ходу визначають відношенням робіт
.
ККД корисної
дії циклу роботи преса називають ефективним ККД. Цим ККД оцінюють частку
корисної енергії Ад пресу
від використаної (вжитої) електродвигуном з електромережі Ее.м на протязі циклу
.
Роботоздатність кривошипних пресів та автоматів виражається залежністю
допустимої роботи деформування [Ад]
від коефіцієнту фактично використаних ходів рв, яку називають
графіком роботоздатності. Допустима робота
зменшується із збільшенням коефіцієнту рв
.
де Nн.ф –
фактична номінальна потужність електродвигуна; kз – коефіцієнт
запасу; nв
– число вмикань муфти за цикл (на одиничних ходах nв=1, на автоматичних nв=0).
Розрахунок
потужності електродвигуна. Номінальну потужність асинхронного електродвигуна з
короткозамкненим ротором визначають усередненою сумою потужностей активного та
холостого ходів за період одного технологічного циклу
.
де kз – коефіцієнт запасу по
потужності електродвигуна (kз=1,15…2,2).
В
асинхронних електродвигунах з фазним ротором внаслідок втрат потужності в
додатковому електричному опорі фактична номінальна потужність понижується
відповідно залежності
,
де nн.ф –
фактична номінальна частота обертання електродвигуна (згідно каталогу
довідника); nн=n0(1-sн) – частота обертання з врахуванням проковзування при
навантаженні; n0 –
синхронна частота обертання (згідно каталогу довідника); sн – номінальне
ковзання електродвигуна (0,02…0,12).
Розрахунок
моменту інерції махових мас та маховика. Номінальний момент інерції махових мас
в кривошипних машинах визначають
,
де nм –
номінальна частота обертання маховика; Ам – робота маховика, яка доповнює до загального
рівня витрати енергії під час пікового робочого навантаження; δ – гальмування маховика або
коефіцієнт нерівномірності ходу маховика.
Оскільки
навантаження в приводі пресу не є миттєвим, а відбувається в часі, то фактичний
момент інерції махових мас дещо менший за номінальний. В інженерних розрахунках
його визначають умовною залежністю
,
де δ=2kзεе(sн+sp) – коефіцієнт
нерівномірності ходу; εе
– відносний коефіцієнт ковзання пасів (0,85…0,95); sp – величина пружного ковзання пасової передачі при
номінальному навантаженні (sp≈0,01);
кф
– коефіцієнт надлишкової роботи (тобто роботи, яку виконує маховик).
Коефіцієнт kф визначають за
формулами:
-
для послідовних ходів пресу
-
при роботі персу в режимі одиничних ходів
.
В цих
формулах αр величина
робочого кута, при повороті на який кривошипного валу, повзун пресу виконує
необхідну технологічну операцію.
Електродвигуни
в кривошипних машинах після визначення моменту інерції маховика перевіряють на
допустимий час початкового розгону при вмиканні
,
де – допустимий час
розгону. Приймається 8...10 с для короткозамкнених електродвигунів.
При для забезпечення
задовільної роботи двигуна і уникнення перегріву під час запуску, застосовують
роздільний пуск двигуна за допомогою системи опорів, або підбирають
електродвигун більшої потужності.