Progettazione e Realizzazione di una Pressa Idraulica da 30 Tonnellate

Astratto

Nel tentativo di alleviare il problema della scarsità di attrezzature nei nostri laboratori, nella maggior parte dei nostri istituti superiori, un 30 tonnellate pressa idraulica è stato progettato, costruito e testato utilizzando materiali di provenienza locale.I principali parametri di progettazione includevano il carico massimo (300 kN), la distanza che la resistenza di carico deve percorrere (corsa del pistone, 150 mm), la pressione del sistema, l'area del cilindro (diametro del pistone = 100 mm) e la portata volumetrica. del fluido di lavoro.I componenti principali della pressa progettata comprendono la disposizione del cilindro e del pistone, il telaio e il circuito idraulico.La macchina è stata testata per le prestazioni con un carico di 10 kN fornito da due molle di compressione di costante 9 N/mm ciascuna disposte in parallelo tra la piastra superiore e quella inferiore ed è risultata soddisfacente.un bullone d'acciaio fissato alla piastra inferiore di una pressa idraulica è soggetto a elevate forze d'impatto.questo bullone ha un diametro maggiore di 14 mm e un passo di 2 mm.è lungo 300 mm e il dado trasporta un'energia d'impatto di 4500 n-mm.il bullone utilizzato è mostrato nella Figura 1b.il filo viene tagliato per l'intero diametro di 14 mm.Utilizzando i principi DFM, progettare una vite migliore in grado di ridurre la sollecitazione dell'area radicale a 245 mpa rispetto alla sollecitazione standard dell'area radicale di 290 mpa.mostrare i calcoli.

1. Introduzione

Lo sviluppo dell'ingegneria nel corso degli anni è stato lo studio della ricerca di mezzi sempre più efficienti e convenienti per spingere e tirare, ruotare, spingere e controllare carichi, che vanno da pochi chilogrammi a migliaia di tonnellate.Le presse sono ampiamente utilizzate per raggiungere questo obiettivo.

Le presse, come definite da Lange, sono macchine utensili che esercitano pressione.Possono essere classificati in tre categorie principali come: presse idrauliche che funzionano secondo i principi della pressione idrostatica, presse a vite che utilizzano viti per trasmettere potenza e presse meccaniche che utilizzano il collegamento cinematico di elementi per trasmettere potenza.

Nella pressa idraulica, la generazione, la trasmissione e l'amplificazione della forza vengono ottenute utilizzando un fluido sotto pressione.Il sistema liquido presenta le caratteristiche di un solido e fornisce un mezzo molto positivo e rigido di trasmissione e amplificazione di potenza.In un'applicazione semplice, un pistone più piccolo trasferisce il fluido ad alta pressione a un cilindro con un'area del pistone più grande, amplificando così la forza.Esiste una facile trasmissibilità di grandi quantità di energia con un'amplificazione della forza praticamente illimitata.Ha anche un effetto di inerzia molto basso.

Una tipica pressa idraulica è costituita da una pompa che fornisce la forza motrice al fluido, il fluido stesso che è il mezzo di trasmissione della potenza attraverso tubi e connettori idraulici, dispositivi di controllo e il motore idraulico che converte l'energia idraulica in lavoro utile nel punto di resistenza al carico.

I principali vantaggi delle presse idrauliche rispetto ad altri tipi di presse sono che forniscono una risposta più positiva ai cambiamenti nella pressione di ingresso, la forza e la pressione possono essere controllate con precisione e l'intera entità della forza è disponibile durante l'intera corsa di lavoro della pressa. viaggio dell'ariete.Le presse idrauliche sono preferite quando è richiesta una forza nominale molto elevata.

La pressa idraulica è un'attrezzatura preziosa in officina e nei laboratori soprattutto per le operazioni di pressatura e per la deformazione dei materiali come nei processi di formatura dei metalli e nelle prove di resistenza dei materiali.Uno sguardo all'officina in Nigeria rivela che tutte queste macchine vengono importate nel paese.Pertanto, si intende progettare e produrre una pressa a basso costo e azionata idraulicamente utilizzando materiali di provenienza locale.Ciò non solo aiuterà a recuperare il denaro perso sotto forma di valuta estera, ma migliorerà il livello della nostra tecnologia locale nello sfruttamento della trasmissione di potenza idraulica.

2. Metodologia di progettazione

I sistemi di potenza fluida sono progettati per obiettivo.Il problema principale da risolvere nella progettazione del sistema è trasporre le prestazioni desiderate del sistema nella pressione idraulica del sistema.

Fig. 1. Schema schematico della pressa idraulica.portata volumetrica e abbinando queste caratteristiche con un input disponibile al sistema per sostenere il funzionamento.

I principali parametri di progettazione includevano il carico massimo (300 kN), la distanza che la resistenza di carico deve percorrere (corsa del pistone, 150 mm), la pressione del sistema, l'area del cilindro (diametro del pistone = 100 mm) e la portata in volume. del fluido di lavoro.I componenti critici che richiedono la progettazione includevano il cilindro idraulico, il telaio, il circuito idraulico (Fig. 1).

2.1.Progettazione dei componenti

● Cilindro idraulico:

I cilindri idraulici hanno una struttura tubolare in cui un pistone scorre quando al suo interno viene immesso il fluido idraulico.I requisiti di progettazione includono lo spessore minimo della parete del cilindro, la piastra di copertura terminale, lo spessore della flangia e la specifica e la selezione del numero e delle dimensioni dei bulloni.La forza di uscita richiesta da un cilindro idraulico e la pressione idraulica disponibile a tale scopo determinano l'area, il foro del cilindro e lo spessore minimo della parete.

● Piastra di copertura terminale del cilindro:

Lo spessore T, della piastra di copertura, che è supportata circonferenzialmente da bulloni e sottoposta ad una pressione interna uniformemente distribuita sull'area, è dato dall'Eq.(2) da Khurmi e Gupta (1997), come: T = KD(P/δt) 1/2, (2) dove: D = Diametro della piastra di copertura terminale (m), 0,1;K = Coefficiente dipendente dal materiale della piastra, 0,4, da Khurmi e Gupta (1997);P = Pressione interna del fluido (N/m2 ), 38,2;δt = Sollecitazione di progetto ammissibile della copertura.materiale della piastra, 480 N/m2 ;da cui si è ricavato lo spessore della piastra pari a 0,0118 m.

● Bullone:

Il coperchio del cilindro può essere fissato mediante bulloni o prigionieri.La possibile disposizione per fissare il coperchio con bulloni è mostrata in Fig. 2. Per trovare la dimensione e il numero corretti di bulloni, n, da utilizzare, la seguente Eq.(3) è stato utilizzato come adottato da Khurmi e Gupta (1997): (πDi 2 /4)P = (πdc 2 /4)δtbn, (3) dove;P = Pressione interna del fluido (N/m2 );Di = Diametro interno del cilindro (m);dc = diametro del nucleo del bullone (m), 16 × 10-3 m;δtb = Resistenza alla trazione ammissibile del bullone.

Se si conosce la dimensione del bullone, è possibile calcolare il numero di bulloni e viceversa.Tuttavia, se il valore di n ottenuto.sopra è dispari o una frazione, viene adottato il numero pari immediatamente superiore.Il numero di bulloni calcolato è stato 3.108, quindi sono stati scelti quattro bulloni.La tenuta della giunzione tra il cilindro e la piastra di copertura dipende dal passo circonferenziale, Dp, del bullone, che è stato ottenuto come 0,0191 m dall'Eq.(4): Dp = Di + 2t +3Dc, (4) dove: t = spessore della parete del cilindro (m), 17 × 10-3.

● Flangia del cilindro:

Il progetto della flangia del cilindro consiste essenzialmente nell'ottenere lo spessore minimo tf della flangia, che può essere determinato considerando la flessione.Qui sono in azione due forze, una dovuta alla pressione del fluido e l'altra che tende a separare la flangia a causa della tenuta che deve essere contrastata dallo stress prodotto nei bulloni.La forza che tenta di separare la flangia è stata calcolata pari a 58,72 kN dall'Eq.(5): F = (π/4)D1 2 P, (5) dove: D1 = diametro esterno della guarnizione, 134 × 10-3 m.

● Determinazione dello spessore della flangia:

Lo spessore della flangia, tf, può essere ottenuto considerando la flessione della flangia attorno alla sezione AA essendo la sezione lungo la quale la flangia è più debole a flessione (Fig. 3).Questa flessione è provocata dalla forza presente nei due bulloni e dalla pressione del fluido all'interno del cilindro.

Pertanto, l’Eq.(6) ha fornito uno spessore della flangia di 0,0528 m: tf = (6M)/(bδf), (6) dove: b = Larghezza della flangia nella sezione AA, 22,2×10-3 m;δf = Sollecitazione di taglio del materiale della flangia, 480 N/m2;M = Momento flettente risultante, 5.144,78 Nm.

● Pistone:

La dimensione della colonna dello stelo del pistone necessaria per sostenere il carico applicato e che è in allineamento con la linea centrale dell'alesaggio del cilindro è influenzata dalla resistenza del materiale dello stelo, dalla forza applicata alla colonna dello stelo in compressione, la situazione di montaggio del cilindro stesso e la corsa su cui applicare il carico.

La procedura per calcolare le dimensioni della colonna dell'asta del pistone e le lunghezze del cilindro in condizioni di spinta finale è stata eseguita utilizzando la procedura suggerita da Sullivan.Di conseguenza, la dimensione dello stelo del pistone aveva un diametro non inferiore a 0,09 m considerato adeguato per la progettazione.

● Selezione dei sigilli:

Le guarnizioni vengono utilizzate per prevenire perdite interne ed esterne nel sistema in condizioni operative variabili di pressione e velocità.La tenuta statica selezionata utilizza il principio della scanalatura e dell'anello per influenzare una tenuta.Viene calcolata la dimensione della scanalatura tale che l'Oring scelto sia compresso del 15-30% in una direzione e pari al 70-80% del diametro della sezione trasversale libera.Il problema nella scelta della tenuta statica è specificare la scanalatura in modo tale che l'O-ring possa essere compresso in una direzione ed espanso in un'altra, Pertanto;Per la sigillatura è stata specificata una dimensione della scanalatura di 4 mm × 3 mm.

2.2.Progettazione del telaio

Il telaio fornisce punti di montaggio e mantiene le corrette posizioni relative delle unità e delle parti montate su di esso durante il periodo di servizio in tutte le condizioni di lavoro specificate.Fornisce inoltre la rigidità generale della macchina (Acherkan 1973).La considerazione progettuale è quella della tensione diretta imposta sui pilastri.Altri elementi del telaio come i piani (come nel nostro caso) sono soggetti a semplici sollecitazioni di flessione.

● Piastra:

Le piastre superiore e inferiore forniscono un punto di contatto diretto con l'oggetto da comprimere.Sono quindi sottoposti a pura sollecitazione di flessione dovuta ad una coppia uguale e contraria agente sullo stesso piano longitudinale.Il design la considerazione riguarda essenzialmente la flessione e consiste principalmente nella determinazione del valore massimo del momento flettente (M) e della forza di taglio (V) creati nella trave che è risultato essere rispettivamente di 45 kN/me 150 kN.Questi sono stati calcolati utilizzando la procedura adottata.

● Modulo di sezione:

I valori di V e M ottenuti facilitano il calcolo del modulo di sezione dei piani.Ciò fornisce la profondità minima (spessore) d, ed è stato calcolato essere 0,048 m dall'Eq.(7): d = [(6M)/(δb)]1/2, (7) dove;M = Massimo momento flettente, 45 kN/m;b = 600 × 10-3 m;δ = 480 × 106 N/m2 .

2.3.Pompa

Il parametro iniziale nella progettazione consiste nel stimare la pressione massima di scarico del fluido richiesta nel cilindro e viene quindi aggiunto un fattore per tenere conto della perdita per attrito nel sistema.Si è ottenuto che fosse 47,16 × 106 N/m2.

L'azione di pompaggio è azionata da un sistema di leve.La lunghezza effettiva della leva è risultata pari a 0,8 m.Questo è stato calcolato assumendo uno sforzo teorico massimo e prendendo il momento attorno al fulcro.

3. Procedura di produzione dettagliata

L'acciaio con sezione del canale a U da 200 mm × 70 mm è stato ottenuto localmente dal fornitore di acciaio strutturale e due piastre d'acciaio da 200 × 400 × 40 mm sono state ottenute dal deposito di rottami di Benin City, Nigeria.Dopo aver determinato le dimensioni principali del sezioni critiche della progettazione, due sezioni da 2.800 mm sono state tagliate dall'acciaio utilizzando un seghetto elettrico nell'officina in cui è stato fabbricato il telaio.Dal deposito rottami è stato inoltre ottenuto un tubo da Φ150 mm con diametro interno Φ90 mm si annoiava e lappava a Φ100 mm sul tornio.È stato inoltre ottenuto un tubo tubolare di acciaio dolce di Φ70 mm e spessore 15 mm che è stato tornito ad un'estremità a Φ60 mm per alloggiare la guarnizione e l'alloggiamento della guarnizione.Il pistone e il cilindro sono stati assemblati e montato sulla base del telaio con bulloni precedentemente saldati tra loro.È stata inoltre fornita una barra guida realizzata con un tubo d'acciaio per consentire il movimento verticale rettilineo della piastra.Le piastre sono state prodotte dall'acciaio piastra e alle due estremità sono stati praticati due fori da Φ20 mm per il passaggio della barra guida.La piastra inferiore era assemblata sulla sommità del pistone e mantenuta in posizione da una rientranza ricavata su di essa.Da un modello 10 è stato prodotto anche un anello di calibrazione mm di spessore ed è stata posizionata tra il piano superiore e la traversa della pressa come mostrato in Fig. 1.

3.1.Risultato del test prestazionale

È una pratica normale sottoporre i prodotti tecnici a test dopo la fabbricazione.Questo è un passo significativo nel processo di produzione.Durante i test il prodotto viene controllato per vedere se i requisiti funzionali sono soddisfatti, identificare problemi di produzione, accertare la fattibilità economica, ecc.

I test vengono quindi utilizzati per dimostrare l'efficacia del prodotto.Per la pressa idraulica, la prova di tenuta è la prova più significativa.Il test è iniziato con l'adescamento iniziale della pompa.Dopo di che il fluido è stato pompato. Questa operazione è stata effettuata in condizioni di assenza di carico.La macchina è stata lasciata in questa posizione per due ore.

La macchina è stata poi sottoposta ad un carico di 10 kN fornito da due molle di compressione di costante 9 N/mm ciascuna disposte in parallelo tra i piani.Le molle sono state quindi compresse assialmente fino ad una lunghezza di 100 mm.Questa disposizione era lasciato riposare per due ore e si osservarono eventuali perdite.Non è stata segnalata alcuna perdita nel sistema in quanto la piastra inferiore non è caduta dalla sua posizione iniziale.

4. Conclusione

È stata progettata, prodotta e calibrata una pressa idraulica da 30 tonnellate.La macchina è stata testata per garantire la conformità agli obiettivi di progettazione e la funzionalità.La macchina è risultata soddisfacente con un carico di prova di 10 kN.Ulteriore i test sul carico di progetto devono ancora essere eseguiti.

5.Analisi dei guasti

5.1 Panoramica

Per analizzare il guasto del cilindro principale della pressa idraulica a quattro colonne, meritano attenzione i seguenti problemi:

● L'analisi approfondita dello schema del sistema idraulico, combinata con la relativa tabella di azione dell'elettromagnete e i relativi schemi elettrici, elabora il meccanismo di funzionamento completo del circuito e, allo stesso tempo, comprende correttamente l'intento e le idee di progettazione del circuito, le caratteristiche tecniche misure adottate e il relativo contesto.

●corrisponde al diagramma del principio di funzionamento della pressa idraulica e all'oggetto reale, per formare un'impressione specifica, la tubazione nel circuito idraulico, il diagramma schematico è spesso molto diverso dall'oggetto reale.Quando possibile, chiarire la relazione tra la collusione tra i fori della valvola sulla piastra della valvola e la resistenza della barriera.Questi fattori sono strettamente correlati all'ispezione del circuito.

●Fare riferimento a libri e materiali pertinenti per trovare le basi per giudicare le caratteristiche dei dispositivi idraulici, quindi giudicarli.

●Secondo le pagine Web, i libri e i manuali di istruzioni delle apparecchiature pertinenti, esplorare il meccanismo di guasto e i relativi metodi di test analitici.

●Analisi dell'assenza di pressione di mantenimento nel cilindro principale

Come mostrato in figura, il cilindro principale della macchina idraulica a quattro colonne utilizza una valvola di riempimento del liquido per ottenere un rapido movimento verso il basso.Il cilindro principale spesso non mantiene la pressione.Questa macchina ha requisiti di mantenimento della pressione e generalmente richiede una caduta di pressione compresa tra <2 e 3 MPa entro 10 minuti.

Analisi: Se il cilindro principale non mantiene la pressione, deve esserci una perdita di olio in pressione.Dall'analisi schematica si tratta del circuito dell'olio e non ci sono più di 5 componenti che causano perdite.

●Tubi e giunti: tensioni, scarsa saldatura, fessurazioni, ecc.;

● Valvola di ritegno della pressione di mantenimento: scarsa tenuta;

●Corpo valvola di riempimento: scarsa tenuta o sede valvola allentata;

●Asta di spinta dell'olio di comando della valvola di riempimento: leggermente più lunga, solleva e scarica la bobina piccola

●Pistone della pompa freno (bussola di guida): l'anello di tenuta è danneggiato.

Metodo di esclusione: in base ai risultati dell'analisi, controlla ed escludi dal semplice al complesso, dall'esterno all'interno.

Controllare innanzitutto le tubazioni e i giunti (da semplici a complessi, dall'esterno all'interno) ed eseguire la saldatura iniziale per individuare saldature scadenti e crepe.È meglio rimuovere le guarnizioni O-ring sui giunti e riscaldare le curve con saldatura ad ossigeno fino a farle diventare rosse, applicare leggermente il dado, attendere il raffreddamento e l'indurimento prima del montaggio.

Se non sono presenti difetti nelle tubazioni e nei giunti, controllare la valvola di ritegno di mantenimento della pressione (dall'esterno e dall'interno), rimuovere l'otturatore della valvola di ritegno, lucidare la linea di tenuta, smerigliare con la sede della valvola, pulirla e assemblarla.

Dopo aver controllato la valvola di ritegno, se il cilindro principale non riesce ancora a mantenere la pressione, controllare la valvola di controllo della valvola di riempimento (dall'esterno e dall'interno), rimuovere l'asta dell'olio di controllo e bloccare l'olio di controllo per verificare se la pressione viene mantenuta;Se è impossibile mantenere la pressione per verificare se il putter è lungo, carteggiare l'estremità del putter.Dopo aver controllato l'asta di spinta, non è possibile mantenere la pressione.La valvola di riempimento dovrebbe essere controllata.Lo scopo principale è verificare se la linea di tenuta e l'anello di sede sono allentati.Lucidare, smerigliare o rimontare l'anello della sede.

Dopo aver controllato la valvola di riempimento, non è possibile mantenere la pressione e si può determinare che l'anello di tenuta del cilindro principale è danneggiato e può essere rimosso e sostituito.