Анализ вариантов, выбор и обоснование конструкции агрегата и режимов его работы

Анализ вариантов, выбор и обоснование конструкции  агрегата и режимов его работы

1.Опускающийся упор с пневмоприводом (Рис.1) .

Подъем упорного щита осуществляется рычажной системой с пневматическим приводом, скорость подъема щита 0,2 м/с, давление воздуха               0,4-0,6 МПа. Для остановки металла используются пружинные амортизаторы. Максимальная кинетическая энергия останавливаемого металла 10 КДж. Масса упора 12т.

Принцип работы:

Упорный щит поднимается  при помощи пневмоцилиндра соединенного с плитой через рычажную систему. При открытии клапана пневмоцилиндра , плунжер опускается и толкает  рычаг вниз, противоположная часть  рычага поднимает плиту в рабочее  положение.

Преимущества:

- простота конструкции; 

- не требуется гидроаккумулирующая  станция;

- возможность подключения  агрегата к магистрали со сжатым  воздухом;

- бесшумность;

Недостатки:

- большое количество шарнирных соединений;

- нерегулируемый буфер;

- недостаточная энергопоглащаемость удара;

- нагрев пневмоцилиндра  при его расположении под рольгангом

2. Опускающийся  упор с пневмоприводом вынесенным  за пределы агрегата (Рис. 2).

Подъем упорного щита осуществляется рычажной системой с пневматическим приводом через промежуточный вал, скорость подъема щита 0,2 м/с, давление воздуха 0,4-0,6 МПа. Для остановки металла  используются пружинные амортизаторы. Максимальная кинетическая энергия  останавливаемого металла 30 КДж. Масса  упора 24т.

Принцип работы:

Упорный щит поднимается  при помощи пневмоцилиндра соединенного с рычажной системой через промежуточный  вал. При открытии клапана пневмоцилиндра , плунжер опускается и толкает  рычаг вперед, рычаг поворачивает вал на который насажен второй рычаг соединенный с плитой и  поднимает щит .

Преимущества:

- простота конструкции; 

- не требуется гидроаккумулирующая  станция;

- возможность подключения  агрегата к магистрали со сжатым  воздухом;

- бесшумность;

- исключена возможность  нагрева пневмоцилиндра от металла  проходящего над упором.

Недостатки:

- большое количество шарнирных  соединений;

- наличие промежуточного  вала;

- нерегулируемый буфер;

- недостаточная энергопоглащаемость  удара;

- нагрев пневмоцилиндра  при его расположении под рольгангом

- громоздкость

 

3.  Опускающийся упор с электроприводом (Рис. 3).

Подъем упорного щита осуществляется рычагом который насажен на вал  червячной передачи. Скорость передвижения плиты 0,05 м/с, при массе сляба 13,5т. Для амортизации удара металла о плиту используются пружинные амортизаторы.

Принцип работы:

Подъем упорного щита происходит при помощи рычажной и кривошипной  передач, которые поворачиваются и  соединены с тихоходным валом  червячного редуктора при помощи муфты. При повороте коленчатого  вала  рычаги находящиеся на валу будут качаться и одновременно с  этим плита будет подниматься  или опускаться.

Недостатки:

- медленный подъем плиты;

- возникающий при работе шум;

- возможность частых поломок,  т.к. очень много деталей в  агрегате;

 

 

 

 

 

 

Рис.1Опускающийся упор с пневмоприводом.

1- Рычажная система

2-Пневматический привод

3-Зонт

4-Упорный щит

5-Пакет пружинный

    

 

 

Рис 2. Опускающийся упор с пневмоприводом вынесенным за пределы агрегата.

1- Рычажная система

2-Пневматический привод

3-Зонт

4-Узел рычага

5-Пакет пружинный

6-Промежуточный вал с муфтами

7-Щит

8-Кожух

9-Корпус

10-Щиток съемный

 

Рис 3. Опускающийся упор с электроприводом.

3,4 – спаренные пружины

5 –  литая рама

6,7 – балки 

9 – двигатель 

10 – червячный редуктор

11,12 – рычажная система

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Описание основных конструкционных и технических  параметров агрегата и принципа его  работы

Конструкция упора остается как в прототипе 1 за исключением следующих составляющих:

- помимо пружинных используются  и гидравлические буферы;

- энергопоглащаемость буферов  увеличена до 32 кДж;

- для подъема упорной  плиты используется 5 пневмоцилиндров расположенные непосредственно под ней;

Подъем упорного щита осуществляется пневматическим приводом (1), состоящим из 5 пневмоцилиндров расположенных под плитой (3), скорость подъема щита 2 м/с, давление воздуха 0,4-0,6 МПа. Для остановки металла используются пружинные амортизаторы и гидравлические демпферы (4). Максимальная кинетическая энергия останавливаемого металла 32 КДж, т.е. масса металла останавливаемая упором может достигать 26т при скорости его передвижения 0,5 м/с.

Принцип работы:

Упорный щит (3) поднимается при помощи пневмоцилиндров (1) подсоединенных к магистрали с сжатым воздухом. При открытии клапана пневмоцилиндров , плунжеры поднимаются и толкают плиту вверх, приводя   упор в рабочее положение. Плита соединена с пневмоприводом с помощью шарнира (5), что позволяет ей отклоняться при ударе.

Кинетическая энергия  металла поглощается шестью пружинными амортизаторами (4) и двумя гидравлическими демпферами (4) равна 32кДж. При ударе металла об щит (1) он отклоняется максимум на 140 мм, при этом усилие в пружинах возрастает. За счет накопленной энергии металл перемещается обратно на 140 мм (на ту же величину на которые он сжал пружинные буферы).

В момент рабочего хода поршень  гидравлического буфера (4) перемещается  и вытесняет жидкость (стеол из полости цилиндра прямого хода) через узкое отверстие, за счет этого гасится энергия удара и раскат не отбрасывается назад более, чем на величину сжатия буферов.

Преимущества:

- малое количество шарнирных  соединений;

- простота конструкции; 

- не требуется гидроаккумулирующая  станция;

- возможность подключения  агрегата к магистрали со сжатым  воздухом;

- бесшумность;

 

 

 

 

 

 

 

Табл. 1. Конструкционно-технические  характеристики агрегата

№	Параметр	Величина	Единицы измерения
	Плита
1	Толщина  плиты	50	мм
2	Ширина плиты	2500	мм
3	Высота плиты	2000	мм
4	Масса плиты
	Пневмопривод
5	Кол-во пневмоцилиндров	5
6	Диаметр плунжера	200	мм

 

Эскизная и  конструкционная разработка одного из узлов

агрегата 

 

 

 

 

Рис. 4 Опускающийся упор с пневмоприводом.

1-Пневматический привод

2-Зонт

3-Упорный щит

4-Пакет пружинный + гидравлические демпферы

5-Шарнир

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет на прочность  основных элементов конструкции  выбранного узла агрегата

 

 

Упорный щит

Упорный щит представляет из себя стальную плиту. Размеры плиты  зависят от размеров изделия. В нашем  случае ширина плиты равна 2500мм, толщина 50мм, длина 2000мм.

Масса плиты:

G_пл=V_плρ= 2,520,057,85=2т

V_пл – объем плиты, м³

ρ – плотность стали, т/м³

Расчет пружин

V₀=0,5 м/с – максимальная скорость перемещения подвижного конца пружины при нагружении.

h=140мм – рабочий ход пружины.

D=90мм – наружный диаметр пружины.

N=110⁷ – выносливость пружины (число циклов сжатия до разрушения).

P_общ=25,6кН – сила удара металла об щит.

Принимаем, что на упор установлены 4 пакета пружин, тогда

P₁=0,4267кН – сила пружины при предварительной деформации.

P₂=4,267кН – сила сжатия одной пружины.

P₃= = = 4,4925,683кН= 457,9 579,92 кгс

Где δ=0,050,25 – относительный инерционный зазор пружины сжатия;

Р₃ – сила пружины при максимальной деформации;

Т.к. Р₃  больше, чем максимальное предусмотреное ГОСТом необходимо увеличить количество пакетов до 6, тогда

P₁=32,7кгс

P₂=327кгс

P₃= = = 344,2436кгс

Р_3ср =390кгс

Исходя из данной силы пружины  при максимальной деформации принимаем  предварительно пружину сжатия 2 класса, 3 разряда по ГОСТ 13772-68.

Номер пружины 183;

Р₃=400кгс;

D=90мм – наружный диаметр пружины;

d=10мм – диаметр проволоки;

z₁=19,53кгс/мм – жесткость одного витка;

f₃=20,48мм – наибольший прогиб одного витка;

τ₃=96кгс/мм² – максимальное касательное напряжение при кручении;

 

Принадлежность к 2 классу проверяем путем отношения V₀/ V_кр, для чего предварительно находим критическую скорость:

V_кр= = = 4,894м/с

V₀/ V_{кр1;  0,5/4,894=0,102}1

Полученная величина свидетельствует  об отсутствии соударения витков и следовательно, выбранная пружина удовлетворяет заданным условиям.

Определим жесткость пружины 

z = = =2,1кгс/мм

Число рабочих витков

n= = = 9,299,5

Рассчитаем уточненную жесткость  пружины

z= = =2,0562,1кгс/мм

При полутора нерабочих витках полное число витков

n₁=n+n₂=9,5+1,5=11

Где n₂ – число опорных витков

Определим средний диаметр  пружины

D₀=D – d= 90 – 10 =80мм

 Вычислим деформации, высоты и шаг пружины

F₁= = =15,572мм – предварительная деформация

F₂= = =155,72мм – рабочая деформация

F₃= = =190,476мм – максимальная деформация

Н₃=(n₁+1 – n₃)d==(11+1 –1,5)10=105мм – высота пружины при максимальной деформации

Н₀=Н₃+F₃= 105+190,5=295,5мм – высота пружины в свободном состоянии

Н₁=Н₀ – F₁=295,5 – 15,5=280мм – высота пружины при предварительной деформации

Н₂=Н₀ – F₂= 295,5 – 155,72= 139,78мм 140мм – высота пружины при рабочей деформации

t=f₃+d=20,48+10=30,48мм – шаг пружины

Масса пружины

Q19,2510^-6D₀^d2 n₁=19,2510^-69010011=1,9кг

 

 

 

 

 

 

Расчет пневмопривода

 

Масса которую необходимо поднять с помощью пневмопривода  m=2000кг, для ее подъема используем n=4 пневмоцилиндра, ход плунжера S=250мм.

Определим силу которую необходимо преодолеть 1 пневмоцилиндру

P_m= _{= = 4905}кгс

По конструктивным соображениям сечение трубопровода ограничиваем значением f=70810^-6м²=2”.

Давление в системе  с сжатым воздухом р_м=0,6МПа.

Принимаем коэффициент расхода  линии на входе μ=0,3.

Определим эффективную площадь  трубы

f_max^э= μf=70810^-60,3=212,410^-6м²

Рассчитаем коэффициент  а₁

а₁=[(K’ p_m)/P](m/PS)^1/2=0,57310⁶м^-2

U_max= а₁ f_max^э=0,57310^6212,410^-6=121,71

Принимая = 0 по графику оптимальных соотношений, устанавливаем, что U=33; j_s(min)=0,8; 1/χ=6,8;

a₂= = = 120

Определим площадь плунжера

F=(1/χ)/a₂=5,6710^-2 м²

Отсюда диаметр плунжера

D= = =0,268676м

Найдем время срабатывания пневмоцилиндра:

(t_s)_min=j_s/a₃=j_s/(ms/p)^1/2=0,8(5000,25/5000)^1/2=0,1265c

Определим объем вредного пространства тормозной полости  по графику:

1/χ=6,8; ξ_0в=0,4; U=33

Рассчитаем скорость срабатывания пневмоцилиндра:

υ=S/t=0,25/0,1265=1,97м/с

По ГОСТ 15608 – 70 принимаем  диаметр плунжера D=200мм и увеличиваем количество пневмоцилиндров до пяти n=5.

 

Определим толщину стенки пневмоцилиндра:

δ= = =0,002м=2мм

p – давление воздуха в пневмосистеме, p=[0,4 – 0,6] МПа;

n – запас прочности, n=5;

[σ] – предел прочности материала стенки пневмоцилиндра, [σ]=150МПа

Для уменьшения опасности  разрыва стенки пневмоцилиндра увеличиваем толщину стенки до 5мм.

 

Рассчитаем толщину днища  пневмоцилиндра:

Толщину днища можно определить по формуле для расчета круглых  пластин, нагруженных равномерным  распределенным давлением

σ_{p max}=R² ,

отсюда

δ=0,433d = 0,433 = 5,5мм