Full Text

Терморасширенный графит - материал с высокой стойкостью к температурным и химическим воздействиям. Обладает гибкостью, податливостью, прочностью, что делает его высокоэффективным набивочным и уплотнительным материалом, широко применяемым в различных областях промышленности [1-4]. В частности, используется для герметизации валов насосов, штоков арматуры, фланцевых соединений и тому подобного в качестве прокладок уплотнительных (ПУТГ). Схема получения ПУТГ представлена на рис. 1, где конечный продукт получается в процессе вырубки на прессовом оборудовании [5-7]. Рис. 1. Последовательность процесса изготовления ПУТГ: ИГ - интеркалированный графит; МЛГ - материал графитовый листовой Следует учесть, что механические свойства ТРГ, вызванные универсальной природой материала и методами его получения, существенно отличаются от свойств металлов. Вследствие этого технологическая сила процесса вырубки имеет ряд особенностей, основная из которых - нелинейность ее изменения, что существенно влияет на динамические процессы изготовления изделия из ПУТГ [1, 3, 4, 8]. Статья посвящена разработке методики определения динамических параметров и характеристик процесса вырубки ПУТГ на прессовом оборудовании. Цель исследований - формирование математической модели динамики процесса вырубки уплотнений из терморасширенного графита, на основе которой возможна оценка нагруженности элементов прессового оборудования. Структура работы заключалась в определении закона изменения технологической силы и изучения с учетом этого динамических явлений, сопровождающих процесс вырубки. Для определения закономерности изменения технологической силы на первом этапе проведены экспериментальные исследования с помощью испытательного комплекса Instron 3369 [3, 9, 10]. Комплекс имеет структуру, функционирующую по замкнутой системе управления (рис. 2). Принципиальная схема эксперимента представлена на рис. 3. Управление испытаниями и формирование результатов эксперимента осуществлялись с помощью программного пакета Instron Bluehill 3 [10]. В качестве испытуемого материала выбраны прокладки ПУТГ из листового графитового картона, армированного перфорированной фольгой из нержавеющей стали. Фрагмент результатов одного из испытаний представлен нелинейной диаграммой «нагрузка F (Н) - перемещение Х (м) инструмента» (рис. 4). Для проведения дальнейших исследований эта диаграмма аппроксимировалась аналитическими зависимостями. В основе приближения использовался метод наименьших квадратов по 60 точкам [11-14]. При аппроксимации комбинацией линейных и параболических зависимостей погрешности достигали величин 38 %. Однако для полинома четвертой степени погрешность оказалась значительно меньшей. В результате расчетов значение силы (H) (1) где Хϵ [0; 3], мм. Фрагмент экспериментальной и теоретической зависимостей технологической силы F представлен на рис. 5. Рис. 2. Структура комплекса Instron Рис. 3. Схема эксперимента: 1 - плата; 2 - штанцформа; 3 - образец МГЛ-2-212; 4 - лист фанеры; 5 - плита Рис. 4. Диаграмма нагружения листа МГЛ Следует отметить, что на отдельных участках максимальные погрешности достигали 8,6 % (рис. 6, а) и 4,5 % (рис. 6, б). Полученные результаты позволили перейти к этапу формирования математической модели динамики процесса вырубки. В качестве объекта Рис. 5. Экспериментальная и теоретическая диаграммы нагружения: - экспериментальные данные; - теоретические данные исследования выбран пресс, исполнительным органом которого является центральный кривошипно-ползунный механизм (КПМ). Его ползун, соединенный с пуансоном, непосредственно производит вырубку [5, 6, 7, 15]. До момента контакта инструмента с заготовкой при отсутствии технологической силы - холостой ход. Внедрение инструмента в заготовку до получения уплотнения - рабочий ход (наличие силы ). Отвод инструмента и возвращение в первоначальное положение - холостой ход. Расчетная схема основана на методиках, изложенных в работах [16-20]. В качестве звена приведения выбран кривошипный вал (рис. 7). При этом приняты следующие допущения: - звенья кривошипно-ползунного механизма абсолютно жесткие; - стол и станина пресса неподвижны; - технологическая сила представлена зависимостью (1) и имеет «скачок» по окончании процесса вырубки; Рис. 6. Сравнение диаграмм нагружения: а - первый участок; б - второй участок; - экспериментальные данные; - теоретические данные - весь процесс вырубки соответствует установившемуся движению КПМ; - связь кривошипного вала и шкива на валу ротора двигателя имитируется упругой связью с коэффициентами упругости СР и сопротивления hР, характеризующими свойства, например, ременной передачи [16, 20]. Расчетная схема процесса вырубки представлена на рис. 7. Рис. 7. Расчетная схема динамики процесса вырубки ПУТГ: а - структурная схема пресса; б - кривошипно-ползунный механизм; в - приведенная расчетная схема Здесь приняты следующие обозначения: 1 - электродвигатель; 2 - шкив ротора двигателя; 3 - упруго-демпферная связь, имитирующая ременную передачу с приведенными коэффициентом жесткости СР и коэффициентом сопротивления hР; 4 - маховик; 5 - кривошипный вал радиусом r; 6 - противовес; 7 - шатун длиной l; 8 - инструмент; Z - толщина заготовки, м; Х - вертикальное перемещение инструмента, м. Согласно схеме (см. рис. 7, б и в), JР и JК - соответственно приведенные моменты инерции ротора двигателя со шкивом на его валу и инерции кривошипа с маховиком, шатуна и ползуна с инструментом, кг·м2; φР и φК - соответственно приведенная обобщенная координата ротора двигателя и кривошипного вала, рад; МПС - приведенный момент сил от весов звеньев КПМ, технологической силы и момента сил трения МТР, Н·м; МД - приведенный момент двигателя, Н·м. Математическая модель для расчетной схемы (см. рис. 7), учитывающая динамическую взаимосвязь между двигателем, передаточным механизмом (ременной передачей) и исполнительным органом, формируется на основе уравнений движения в дифференциальной форме [18, 20, 21]: (2) Ряд основных параметров и вспомогательных коэффициентов системы (2) после преобразований в соответствии с расчетной схемой сведен в таблицу. Значения параметров и вспомогательных коэффициентов № п/п Коэффициент Значение 1 JК 2 МПС 3 МД 4 JР 5 b 6 d 7 k В таблице J0 и JШК - соответственно моменты инерции ротора двигателя и шкива на его валу, кг·м2; J - момент инерции маховика и противовеса, кг·м2; mК, mИ и mШАТ - соответственно массы кривошипа, инструмента и шатуна, кг; М - момент двигателя, Н·м; iД-К - величина передаточного отношения от двигателя на кривошипный вал; GИ и GШАТ - вес инструмента и шатуна, Н; b, d, k - вспомогательные коэффициенты для проведения расчетов. Все преобразования выполнены с учетом [6, 16-19]. Особенность математической модели (2) заключена в ее нелинейности и «кусочном» представлении силы F вида (1). Характер ее воздействия описывается функцией переключения: При этом учитывался характерный для прессового оборудования недоход δ инструмента из-за конструктивных особенностей пресс-формы [5]. Здесь H - ход инструмента, H = 2r; X - перемещение инструмента в соответствии с выбранным направлением, (см. рис. 7, а). Для реализации дальнейших исследований динамики процесса вырубки разработан программный пакет DYNAM в системе MatLab [22, 23]. Основные этапы расчетов: - формирование исходных данных на основе конструктивно-технологических свойств процесса с возможностью их корректировки; - задание начальных условий; - решение задач кинематики; - метод Рунге - Кутты четвертого порядка [24-26]; - уточнение шага интегрирования; - возможность вывода результатов в виде диаграмм и таблиц. В качестве примера на рис. 8-10 приведены результаты одного из вариантов расчета вырубки на прессе КД2322 [15]. При этом толщина заготовки Z = 3 мм, недоход инструмента δ = 1 мм, λ = 0,071, ω = 25 рад/с, Н = 50 мм. Рис. 8. Изменение технологической силы вырубки Рис. 9. Результирующие усилия вырубки Приведенные диаграммы (см. рис. 9, 10) представляют собой зависимость нагружения Q (Н) от перемещения инструмента и угла поворота кривошипного вала при непосредственном процессе вырубки. Резюмируя изложенное, можно сделать следующие выводы: - получена зависимость технологической силы процесса вырубки от перемещения рабочего органа, учитывающая особенности материала из ТРГ; - предложенная математическая модель позволяет учесть взаимосвязь между особенностями обрабатываемого материала, конструктивно-технологическими и силовыми параметрами оборудования в процессе вырубки; - математическое моделирование на основе полученных результатов позволит в дальнейшем осуществить выбор эксплуатационных параметров оборудования, обеспечивающих эффективность процесса вырубки ПУТГ. Рис. 10. Зависимость усилия вырубки от перемещения инструмента и угла поворота кривошипа

About the authors

A. E Kobityansky

Perm National Research Polytechnic University

V. S Beloborodov

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 39

PDF (Russian) - 14

Refbacks

• There are currently no refbacks.