KONSTRUKČNÍ NÁVRH HYDRAULICKÉHO LISOVACÍHO ZAŘÍZENÍ PRO VÝUKOVÉ ÚČELY SVOČ – FST 20010 Tomáš Drexler, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká republika ABSTRAKT Cílem této práce je navrhnout jednoduché hydraulické lisovací zařízení pro usnadnění výuky a pochopení principu hydraulických zařízení. Při navrhování by měl být tedy kladen důraz na názornost a bezpečnost provozu zařízení. Práce se skládá ze dvou hlavních částí. První částí je vypracování několika vhodných variant řešení na základě zadaných a zvolených parametrů, a vybrání z nich varianty nejvhodnější bodovým hodnocením. Tato část se navíc skládá z dvojitého výběru, nejprve z výběru pracovního členu, a poté z výběru rámu lisu. Druhou částí je zpracování optimálně vybrané varianty, její analytický výpočet, prostorové vymodelování a nakonec kontrola částí konstrukce a ověření analytických výpočtů v CAD programu UGS NX7 na základě metody konečných prvků. KLÍČOVÁ SLOVA Hydraulika, lis, hydromotor, rám, napětí ÚVOD Pro úspěšné studium na Fakultě strojní není důležitá jen teoretická připravenost, ale i praktická ukázka řešených problematik. V laboratořích univerzity se nachází mnoho pomůcek pro výukové účely, které usnadňují porozumění probírané látce. Většina z nich je však zároveň použitelná i pro skutečné výrobní účely. V těchto směrech by měl sloužit i tento hydraulický lis dle zadání, skromných rozměrů, o síle 2 tuny při zdvihu pracovní části 100mm a zachování dobré bezpečnosti. Primární uplatnění tohoto stroje by měla být praktičnost a názornost přednášené výuky, sekundární potom prolisování loga fakulty do papírových listů, které by pomohly ke zviditelnění fakulty. Použití lisu je však možné i v jiných aplikacích jako například nýtování, ohýbání, ražení mincí či montáž součástí nalisováním. V současnosti se do popředí všeobecného zájmu staví stroje tvářecí, neboť se na změně podoby výrobku podílejí z největší části. Výrobek je tvářen při relativně nízkých časech, jeho výchozí podoba je rychle přeměněna na podobu, která může být v některých případech dokonce finální. Protože vynechání dokončovacích operací velmi urychluje a zlevňuje výrobu, je naším cílem zdokonalování konstrukce výrobních strojů a jejich přesnosti. Výroba produktů touto cestou však není tak snadná. Největší část tvářených strojírenských materiálů vždy tvořily kovy, protože kovové výrobky mají vysokou pevnost a zároveň dobrou tvárnost. Pevnost kovů je nežádoucí při tváření, nicméně ji musíme překonat, aby došlo k přetvoření tvaru polotovaru. Z tohoto důvodu je třeba v tvářecích strojích vyvodit velké síly, které namáhají rám stroje i jeho součásti, ale problémem zůstává i jejich vyvození. Po lidské, zvířecí a síle vody a páry se jako jeden z principů násobení sil již od přelomu 19. a 20. století využívá hydraulických převodů, které tvoří důležitou část pohonů tvářecích strojů dodnes.
PRAKTICKÁ ČÁST Analýza problému Pro tváření lisem se využívá síly na výstupním členu generované převodníkem síly, což může být například hydraulický píst nebo mechanický převod. Vysouvaný pracovní člen působí na tvářený polotovar silou, kterou je nutno zachytit protější částí lisu. Hlavních řešených problémů je tedy několik. Jedním je generace pracovní síly, čili převod energie silového zdroje na sílu tvářecí. Dalším je přenos této síly z pracovního členu spojem do rámu a hlavním problémem zůstává volba nejvhodnějšího typu rámu pro přenos síly. Vzhledem k tomu, že problém přenosu zatížení rámem byl stanoven jako prioritní, matice principů byla rozdělena na dvě matice. Výběr rámu a výběr zbylých součástí rámu, kde variantám rámu byla věnována větší pozornost. Na obrázku 1 jsou problémy znázorněny graficky na příkladu C rámu hydraulického lisu.
1. Generace síly 2. Spoj válec-rám 3. Typ rámu
Obrázek 1:Analýza problému
Výběr součástí rámu Pro návrh vhodných variant byla použita matice principů. Tato matice bývá též nazývána jako morfologická matice. Vzhledem k většímu množství variant už jen tvorba matice specializuje oblast možných řešení. V levé části matice jsou zaneseny požadavky, které jsou kladeny na konstrukci, nebo jsou nutné pro plnění funkce zařízení. Z pravé části matice jsou pak vybírány principy dosažení těchto požadavků. Každá výběrová křivka představuje jednu z možných variant koncepčního řešení. Z těchto variant se na základě priorit bodového hodnocení vybere varianta optimální. Kombinací prvků první matice jsou stanoveny varianty součástí rámů, druhou maticí pak varianty provedení rámů lisu. Pro simulace rámů je potřebná zatěžující síla a rozměry pracovního členu, proto výběr začíná součástmi rámu. V matici principů jsou znázorněny 3 barevně i graficky odlišené varianty výběru A, B a C, které budou dále zhodnoceny a vybrána optimální.
Tabulka 1: Morfologická matice součástí rámu
Zhodnocení variant Toto hodnocení je založeno na subjektivním bodování plnění určitých dílčích funkcí z matice principů. Byly vybrány tři důležitější funkce, ve kterých se varianty navíc liší.
Hodnocení nákladů
1 0,8
A
0,6
B
0,4
C
0,2 0 0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Hodnocení jakosti Obrázek 2: Znázornění vhodnosti variant
Tabulka 2: Hodnocení variant ABC
Popis vybrané varianty Byla zvolena varianta B, která sice nemá nejnižší náklady, ale vzhledem k požadavkům kladeným na bezpečnostní prvky a názornost funkce zařízení je nejvhodnější. Díky dvojčinnému pístu tato varianta nemusí být doplněna o další prvky, které by sloužily ke zpětnému zdvihu pracovního členu do výchozí polohy. Aby nedošlo k přetížení některé části konstrukce, jakmile píst dosáhne jedné z úvratí nebo vzroste-li odpor tvářené části natolik, že tlak kapaliny ve válci dosáhne maximální hodnoty 16 MPa, otevře se přepouštěcí ventil a případný přebytečný tlak ze zdroje upustí zpět do nádrže. Šroubový spoj válce s rámem dává možnost záměny hydromotoru za mechanický ozubený převod lidské síly na sílu tvářecí. V tomto případě by ozubený hřeben, tvořící tlačnou tyč, zabíral s ozubeným pastorkem spojeným s ruční pákou. Samozřejmě je možná výměna i za pneumatický válec. Vzniká tak univerzální zařízení použitelné nejen pro zadané využití. Z bezpečnostních prvků byly zvoleny ochranný kryt a dvojité ovládání. Průhledný kryt pracovního prostoru válce chrání obsluhu před případným „vystřelením“ nevhodně zatíženého obrobku, brání vložení části těla pod píst v průběhu pracovního cyklu a znemožňuje spuštění stroje, když není kryt zavřený, jelikož znepřístupňuje tlačítko dvojitého ovládání. Dvojité ovládání zde znamená, že lis nereaguje na pohyby ovládací páky, dokud není stisknuto ovládací tlačítko. Toto tlačítko je umístěno tak, aby muselo být stisknuto rukou, která neovládá páku a nemůže tudíž dojít k jejímu zranění. Zůstává zde i možnost odmontování krytu a bezpečnost snížit pouze na použití dvojitého ovládání. Výpočet součástí rámu vybrané varianty B Výpočet hydromotoru je převzat z literatury [1] Dle zadání lis musí vyvinout sílu 2 tuny tedy: 𝐹𝑧𝑎𝑑 = 2000 ∙ 9,81 = 19620 𝑁
(1)
Pro pokrytí třecích ztrát se síla zvětšuje o 10%: 𝐹𝑣𝑦𝑝 = 1,1 ∙ 𝐹𝑧𝑎𝑑 = 1,1 ∙ 19620 = 21582 𝑁
(2)
Původním úmyslem bylo zvolit menší pracovní tlak, ale píst by měl příliš velký průměr. Byl zvolen pracovní tlak 16 MPa, protože síla je dána součinem tlaku a plochy pístu na kterou tlak působí. Výpočet průměru pracovního pístu: 𝑑𝑣𝑦𝑝 = 2 Kde: dvyp F p
𝐹 𝑝∙𝜋
=2
21582 16∙𝜋
= 41,44 𝑚𝑚
- vypočtený průměr pístu [mm] - pracovní nebo zpětná síla [N] - pracovní tlak kapaliny v hydraulickém obvodu [MPa]
(3)
Průměr dvyp je nejmenší průměr, který společně s tlakem vyvodí námi požadovanou sílu 21582 N. Tento teoretický průměr je využit k výběru těsnění, jehož průměr volíme dle katalogu výrobce jako nejbližší větší. Z katalogu výrobce Trelleborg Sealing Solutions byla vybrána těsnění pro skutečný průměr 42 mm. Koncepce těsnění pístu: [5] Pozice 1: Vodící kroužek: Orkot® Slydring GP6500420-C324 Pozice 2: Těsnící kroužek: Turcon® Glyd Ring® T PT0200420-T46V Pozice 3: Vodící kroužek: Orkot® Slydring GP6500420-C324
Odtud: 𝑑𝑠𝑘𝑢𝑡 = 42 𝑚𝑚
Obrázek 3: Koncepce těsnění pístu [5]
Skutečná síla 𝐹𝑠𝑘𝑢𝑡 = 𝑝 ∙ 𝑆 = 𝑝 ∙
𝜋∙𝑑 𝑠𝑘𝑢𝑡 2 4
= 16 ∙
𝜋∙42 2 4
= 22167 𝑁
(4)
Fskut>Fzad Vyhovuje zadání Výpočet pístnice Zvolen materiál 14220.3, Mez kluzu Re=600Mpa, koeficient bezpečnosti k mezi kluzu k=5 Dovolené napětí se vypočte ze vztahu: Re 600 σD = = = 120 MPa 5
5
Výpočet nejmenšího dovoleného průměru pístnice: 𝑑𝑝 =
4∙𝐹𝑠𝑘𝑢𝑡 𝜋∙𝜎𝐷
=
4∙22167 𝜋∙120
= 15,33𝑚𝑚
(5) (6)
Pro zachování nejmenšího průměru v závitu pístnice je tento zvolen jako M18x1,5 s nejmenším průměrem 16,16mm. Odtud jsou podle katalogu výrobce zvolena těsnění pro průměr pístnice 25mm, který dává dostatek materiálu pro výrobu osazení pro dosednutí pístu a pro montáž na výstupní straně pístnice. Koncepce těsnění pístnice: [5] Pozice 3: Vodící kroužek Orkot® Slydring GR6900250-C324 Pozice 4: Těsnící kroužek Turcon® Stepseal® 2K RSK200250-T46V Pozice 5: Stírací kroužek Turcon® Excluder®5 WE5000250-T46V
Kontrola pístnice na vzpěr: Pístnice je brána jako uchycená otočně ve styku s nástrojem Obrázek 4: Koncepce těsnění pístnice [5]
a tvářeným polotovarem a posuvně ve vedení válce, proto 𝜇 = 1 Posouzení zda je nutné kontrolovat na vzpěr: 𝜆 =
𝜂∙𝑙 𝑑 4
=
4∙𝜇 ∙𝑙 𝑑
=
4∙1∙149,1 25
= 23,9
(7)
Protože štíhlost 𝜆 < 40 není nutné kontrolovat pístnici na vzpěr. Výpočet minimální tloušťky stěny válce: 𝑡𝑀𝐼𝑁 =
𝑝∙𝐷 2∙(𝜎 𝐷 −𝑝)
=
16∙42 2∙(110 −16)
= 3,57𝑚𝑚
(8)
Kde: p – tlak ve válci [MPa] D – vnitřní průměr válce [mm] σD – dovolené napětí [MPa], 𝜎𝐷 =
𝑅𝑒 3
=
330 3
= 110 𝑀𝑃𝑎
(9)
Nejmenší tloušťka válce byla tedy zvolena 3,6mm a to navíc v místech nejmenšího napětí kde válec zapadá do čtvercových hlav, zbytek válce má tloušťku stěny 4mm. Jak bude dále patrno ze simulace zatížení tlakem na obrázku 7, tato tloušťka je dostačující a dovolené napětí ve stěně válce nebylo překročeno. Špičky se vyskytly jen v náhradě
připevnění k rámu, kde byly šrouby nahrazeny 1D prvky. Tyto špičky nejsou pravděpodobně pravdivé a není jim přikládán význam.
Obrázek 5: Konstrukce hydromotoru
Návrh variant rámu lisu Bylo navrženo celkem 7 variant rámů o rozměrech vyhovujících zadání práce, a byla zkoumána jejich vhodnost pro zadanou aplikaci. Součástí návrhu každé varianty byl její hrubý analytický výpočet, který na základě zadaných a zvolených rozměrů stanovil minimální kvadratické momenty setrvačnosti nosníků či průřezy šroubů. Výpočty byly obdobné pro stejné typy rámů, otevřené a uzavřené, lišily se materiálem a průřezem nosníků. Pro rozsáhlost tyto výpočty všech variant nejsou uvedeny. Každá varianta se skládá ze 7 funkčních principů, z nichž každý představuje příslušná značka v buňce. Ve funkci 1.4 a 1.5 navíc záleží na poloze značky v buňce vůči písmenům představujícím tvar průřezu profilu, jelikož zde bylo smíšeno několik profilů nosných částí do jedné buňky.
Tabulka 3: Morfologická matice výběru rámu
Výběr optimální varianty rámu lisu Zatímco hodnocení součástí rámu bylo založeno na subjektivním posouzení jednotlivých variant, hodnocení rámu vychází z pořadí variant na základě výstupních dat ze simulace zatížení v programu NX7. Pro výběr byla vybrána tři kritéria hodnocení. První kritérium je vhodnost konstrukce pro přenos napětí, to znamená, zda se v některých místech koncentruje napětí, například ve svarech, potom rám dostane méně bodů. Druhé je velikost deformace, kde nejvyšší známku dostane rám s nejmenší deformací. Toto kritérium se však dá z větší části ovlivnit množstvím materiálu, proto má sníženou váhu. Posledním kritériem je váha rámu, která ovšem není pro lis těchto rozměrů tak podstatná a má nejmenší bodovou váhu. Z důvodu obtížného získávání dat pro ekonomické hodnocení, doposud nebylo zpracováno a není zde uvažováno.
Tabulka 4: Hodnocení variant rámů
Na základě hodnocení je nejvhodnější variantou varianta 3 – odlitek. Odlitek nejlépe přenesl zatížení a nevyskytly se zde žádné kritické špičky napětí. Materiál odlitku, ocel na odlitky 422712.5 má mez pevnosti Rm=650 MPa, mez kluzu Re=280 MPa. Koeficient bezpečnosti k mezi kluzu zvolen k=3. Dovolené napětí: σD =
Re k
=
280 3
= 93,3 MPa
(10)
Maximální napětí dle MKP je 82 MPa což vyhovuje podmínce 𝜎𝑚𝑎𝑥 <= 𝜎𝐷 S absolutní deformací 0,5 mm se zařadil na druhé místo.
Obrázek 7: Varianta 3 – Simulace zatížení C rámu
Obrázek 6: Řez zatíženým hydraulickým válcem tlakem 16 MPa
Pro názornost a úplnost jsou na následujících obrázcích uvedeny výsledky simulací všech variant rámů.
Obrázek 8: Varianta 1 : C rám, O sloup, U traverzy, svařovaný
Obrázek 9: Varianta 5 : O rám, 4 sloupy z plechu, svařovaný
Obrázek 9: Varianta 2 : C hliníkový rám, speciální profil, šroubovaný
Obrázek 8: Varianta 6 : O rám, 2 sloupy z tyčoviny, šroubovaný
Obrázek 10: Varianta 4 : C rám, výpalek z plechu, svařovaný
Obrázek 13: Varianta 7 : O rám, 4 sloupy z tyčoviny, šroubovaný
VÝSLEDNÉ ŘEŠENÍ
Obrázek 10: 3D model sestavy
Obrázek 11: Zatížení sestavy silou 22200 N – Kontrola rámu a pístnice
PODĚKOVÁNÍ Poděkování patří vedoucímu práce Doc. Ing. Josefu Formánkovi, Ph.D. ZÁVĚR A DOPORUČENÍ Hodnocení určilo jako nejvhodnější variantu s odlitým ocelovým otevřeným rámem a hydraulickým dvojčinným pístem. Celek splňuje všechny zadané parametry. Výsledek této práce je zobrazen na obrázcích 14 a 15. Napětí při zatížení sestavy silou 22200N sice stouplo z 82MPa na 95 MPa oproti nejprve uvažovaným vazbám s 1D prvky, ale tato hodnota je opět ve vetknutí a je proto irelevantní. Verze bakalářské práce není finální a budou probíhat určité optimalizační a dokončovací kroky, které však do této práce z důvodů časové tísně nemohly být zahrnuty. LITERATURA [1] ČECHURA, M., STANĚK, J. Tvářecí stroje : hydraulické lisy. ZČU v Plzni, Plzeň, 1999 [2] STANĚK, J. Základy stavby výrobních strojů : tvářecí stroje. ZČU v Plzni, Plzeň, 2001 [3] ŘAŠA, J., ŠVERCl, J. Strojnické tabulky. Scientia, Praha, 2004 [4] HOSNEDL, S., KRÁTKÝ, J.: Příručka strojního inženýra. Brno, Computer Press, 1999 [5] Katalogy těsnění výrobce Trelleborg Sealing Solutions. http://www.tss.trelleborg.com
