PŘÍMÝ POHON VŘETENOVÉHO LISU SVOČ – FST 2012 Tomáš Tvaroh, Lišov, Vlkovice 9, 373 73 Štěpánovice Česká republika ABSTRAKT Úvodní slovo o zadavateli práce spolu se zadanými parametry stroje. Obecný rozbor činnosti vřetenového lisu s přímým a nepřímým pohonem. Provedení studie jednotlivých typů elektrických pohonů. Zamyšlení nad jejich charakteristickými vlastnostmi a vhodnosti použití pro aplikaci přímého pohonu lisu. Výčet nejdůležitějších faktorů ovlivňující volbu vřetena a jejich rozbor. Konstrukční prvky ovlivňující tvar a provozní vlastnosti lisu s přímým pohonem. Stanovení rozměrů pohybujících se hmot na základě předběžných výpočtů. Výpočet doby pracovního taktu z rovnice dynamiky beranu lisu. Bilance potřené pracovní energie a skutečné energii vložené do jednoho zdvihu. Návrh konstrukce základních částí lisu. Pevnostní a tuhostní kontrola všech součástí metodou konečných prvků. Analýza MKP výpočtů. KLÍČOVÁ SLOVA Vřetenový lis, přímý pohon, konstrukce, dimenzování, MKP ÚVOD Práce se zabývá postupnými kroky při návrhu pohonu vřetenového lisu s přímým pohonem. Text je psán lehkou formou, plnou vysvětlených technických pojmů, které přibližují daný problém nejen odborné veřejnosti. Práce slouží jako příručka pro vývoji nového typu lisu s nepřímým pohonem. Plné znění práce bude zveřejněno po odevzdání diplomové práce v univerzitní knihovně. STRUČNĚ O ZADAVATELI Společnost Šmeral píše svoji tradici již od roku 1861. Od založení po současnost prošla mnoha vývojovými etapami, přičemž si zachovala své významné postavení v dodávkách pro automobilový, zemědělský a letecký průmysl a pro výrobu komunálního nářadí. Stroje se značkou Šmeral jsou známé v kovárnách a lisovnách ve více než 50 zemích všech světadílů. Strategií společnosti je udržet svou pozici v existujícím tvrdém konkurečním prostředí tak, aby zůstala pro uživatele tvářecích strojů neopomenutelným dodavatelem. Cílevědomou činností společnosti chceme nadále uspokojovat potřeby a požadavky zákazníků. Chceme dodávat výrobky spolehlivé, bezpečné, technicky pokrokové a být tím pro zákazníka spolehlivým partnerem [1]. ZADANÉ PARAMETRY Jmenovitá síla
3,15
[MN]
Maximální síla
5
[MN]
Pracovní energie
20
[kJ]
Maximální zdvih
380
[mm]
Pracovní takt
21
[1/min]
Maximální otevření
550
[mm]
Pracovní stůl
700x640
[mm]
Výška lisu
nespecifikováno
[mm]
Tabulka 1: Zadané parametry lisu
OBECNÉ POZNATKY O VŘETENOVÉM LISU Nepřímý pohon Vřetenový lis slouží jako stroj k vyvození pracovní síly pomocí převodu mezi pohonem a vřetenem. Nejčastější operace na vřetenovém lisu jsou děrování, ohýbání, ostřihování a rovnání za tepla i studena, možné je také zápustkové kování. Nejčastější pohon vřetenového lisu je nepřímý pohon s přítlačn1ými kotouči. Toto řešení vidíme na obr.1 spolu s označením základních částí lisu. Princip činnosti je založen na přeměně kinetické energie kotoučovitého setrvačníku a beranu v deformační práci polotovaru. Způsobem práce odpovídá bucharům, rychlostí beranu však spadá do skupin lisů cca 0,5 m.s-1. Přímý pohon Konstrukce lisu s přímým pohonem je velmi podobná nepřímému pohonu. Hlavním rozdíl, jak již název napovídá je v oblasti pohonu vřetena. Přímý pohon lisu vypouští mezičlánek (setrvačník) mezi motorem a vřetenem lisu. Ideální stav je zobrazen na obrázku 2. Rotor motoru je prodloužené vřeteno lisu. Tento koncept počítá s použitím momentových motorů.
Obrázek 1: Schéma akumulátorového pohonu lisu [zdroj: http://merkur.kreteni.cz]
Obrázek 2: Schéma lisu s přímým pohonem
SPOUŠTĚNÍ MOTORU Výkon hlavního pohonu lisu se bude pohybovat v řádech desítek kilowat. Při spuštění motoru dochází ke vzniku proudové špičky, která zatěžuje rozvodovou síť v řádu milisekund. Takto velký proud jenž bývá až sedminásobek jmenovitého proudu motoru představuje nebezpečí pro rozvodovou síť. Z těchto důvodů přichází v úvahu přímé spuštění motoru pouze s výkonem menším než 4kW. Z praxe známe několik možných variant spuštění motoru o velkých výkonech. Firma ABB například uvádí možnost spouštění velkých motorů pomocí jejich produktů jako jsou měniče frekvence (omezení záběrového proudu) nebo soft-startérů (omezení záběrového proudu a momentu). Motor bude spouštěn přes měničem frekvence. STANOVENÍ ZÁKLADNÍCH PARAMETRŮ VŘETENA LISU A JEHO POHONU Volbu pohonu lisu je nutné provést na základě znalosti zatížení motoru. Kroutící moment motoru potřebný ke tváření určíme výpočtem ze silového zatížení vřetena lisu. Chceme-li znát rozměry vřetene musíme si nejprve stanovit rozměry rámu. Výpočet rámu vřetenového lisu provedeme analyticky nebo numericky. Veličiny ovlivňující velikost výkonu a momentu motoru vidíme v rovnici (1).
Mkmot f Fo , d 2 , P, n, f z ,
(1)
Fo = obvodová síla, d2 = průměr vřetena, P = stoupání závitu vřetena, n = počet chodů závitu vřetena, fz = součinitel tření mezi závitem a maticí, α = vrcholový úhel profilu závitu
Tabulka 2: Vliv parametrů vřetena na pohon lisu
Na základě rozboru výše zmíněné rovnice (1) byla sestavena tabulka 2 základních parametrů ovlivňujících velikost pohonu lisu. Šipky v tabulce znázorňují vliv daného parametru na velikost motoru. Například čím bude vřeteno mít menší stoupání, tím budeme potřebovat mnohonásobně menší moment na motoru. Na základě znalosti chování parametrů z tabulky 2 jsme stanovili motor s minimálním Mk = 146 000Nm a s minimálními otáčkami potřebnými pro dosažení požadovaného počtu pracovních cyklů 5,51/min. Motor s těmito parametry by musel mít výkon 750kW, proto zařadíme mezi motor a vřeteno převodovku. Tabulka 3 nám říká, že pokud budeme chtít použít „menší“ motor budeme muset použít sériově řazené tří motory v kombinaci s převodovkou 1:50. Na základě těchto poznatků o parametrech pohonu lisu provedeme konstrukční návrh lisu. Návrh vidíme na obrázku 3.
Tabulka 3: Koncepce pohonu s třemi motory a převodovkou 1:50
Obrázek 3: Koncept lisu převodovkou 1:50
Motor a jeho řízení Firma ABB nám poskytla informace o ceně jejich produktů. Pro pohon lisu byl zvolen motoru typu a parametrů M3BP 315 SMC 10 (75kW) stojí přibližně 400 tisíc Kč. F. měnič typu ACS550-02-486A-4 stojí 160-200tisíc Kč. ČASOVÝ DIAGRAM BERANU STROJE Velmi důležitým charakteristickým parametrem tvářecího stroje je počet zdvihů za minutu. Tvářecí rychlost bucharu se pohybuje v řádech metrů za sekundu (běžné kovací buchary 4 až 8 m.s -1), dochází k intenzivnímu zpevnění materiálu. Naopak tvářecí rychlost lisů se udává pouze v desetinách metrů za sekundu (hydraulické lisy 0,25 m.s1), nedochází k intenzivnímu zpevnění materiálu. Za přechod mezi lisy a buchary se považují vřetenové lisy s rychlostí do 1m.s-1. Zákazník se při pořízení lisu ohlíží také na počet zdvihů za minutu, jenž mu napoví o možném technologickém a ekonomickém využití daného stroje. Pohon námi navrženého stroje v sobě spojuje mechanickou i elektrickou vazbu (převodovka + frekvenční měnič). Frekvenční měnič zajistí plynulou regulaci počtu zdvihů za minutu. Takto navržený stroj spojí výhodu lisu i bucharu, uživatel nastavením řídící jednotky přímo ovlivní výsledné vlastnost polotovaru (zpevnění či nikoliv) v závislosti na tvářecí rychlosti. Stanovení počtu cyklů provedeme na základě dynamiky rozběhu a doběhu pracovního cyklu lisu. Dynamika lisu je závislá na velikosti setrvačných hmot součástí lisu, proto potřebujeme stanovit velikosti těchto dílů.
Stanovení základních rozměrů převodovky Výpočet převodovky proběhl v programu Mitcalc, kde jsme určili ideální převodové poměry (tab.4) pro naši převodovku. Z důvodu velkých rozměrů jednostupňové a dvoustupňové převodovky, byla vypracována varianta třístupňové převodovky, obrázek 4. Z rozměrů kol jsme zjistili hmotnosti všech prvků převodovky.
Tabulka 4: Stanovení rozměrů převodovky s přímými zuby
Obrázek 4: Schéma třístupňové, sériově řazené převodovky
Sestavení časového diagramu pracovního zdvihu lisu Rozběh a doběh motoru je jen otázkou přívodu energie do systému. Motor v každém okamžiku dodává do systému energii, která postupně uvádí ostatní části řetězce vřeteno – převodovka – motor do pohybu. Výpočet dynamiky rozběhu a doběhu provedeme pomocí algoritmu z obrázku 5. Algoritmus pro výpočet rozběhu počítá se vzorcem, který vyjadřuje změnu úhlového zrychlení (rychlosti a natočení) v čase. Zbylé dvě neznámé veličiny (úhlovou rychlost a natočení) dopočítané na základě změny zrychlení vřetena v čase. Převodem veličin z kruhových souřadnic na kartézské dostaneme závislost posuvu, rychlosti a zrychlení beranu lisu na úhlu natočení vřetena lisu. Výsledky z výpočtu dynamiky byli zaneseny do grafu a na jeho základě jsme sestavili pracovní diagram lisu. Z něho jsme určili počet cyklů za minutu je roven 27.
Obrázek 5: Výpočtový algoritmus zrychlení vřetena v čase
Obrázek 6: Diagram pracovních zdvihů beranu lisu
Velikost pracovní energie Dalším důležitým parametrem lisu je velikost pracovní energie. Pracovní energie lisu reprezentuje množství energie, kterou je lis schopen předat polotovaru při jeho tváření. Výpočet provedeme podle vzorce popisující velikost kinetické energie hmoty při posuvném a rotačním pohybu. Energie lisu tvoří součet kinetické energie vřetena a beranu lisu při konkrétních otáčkách motoru. Úhlovou rychlost vřetena i rychlost beranu odečteme z grafu dynamiky rozběhu vřetena. Množství pracovní energie lisu by se mělo podle zadání pohybovat v hodnotě okolo 20kJ. Výpočtem jsme zjistili, že množství pracovní energie v lisu s přímým pohonem je obrovské. Lis je konstruován s přímým pohonem (bez setrvačníku), ovšem převod mezi motorem a vřetenem lisu funguje také jako akumulátor energie (setrvačník). Akumulovaná energie bude řídící jednotkou využita při lisování polotovaru. Návrh lisu musí počítat s tím, že může dojít v provozu k dosednutí kovadel na sebe. Veškerá energie se musí vybít v rámu stroje. Velikost vzniklé síly při tvrdém nárazu kovadel nesmí překročit maximální sílu, na kterou je lis dimenzovaný. Výpočet teoretické pracovní energie vidíme ve vzorečku (2). Velikost maximální síly vyvozené kováním je závislá na energii úderu, velikosti užitečného zdvihu a stupni využití tvářecí charakteristiky. Dosazením do vzorců (3) dostaneme velikost maximální síly při kování 11,5MN.
E EKIN rotačot EKIN posuvná Fj
E hu .kv
1 1 J RED 2 mv2 2 2
(2)
(3)
Výsledná síla při tvrdém rázu kovadel na sebe bude více než dvojnásobná oproti síle, na kterou je dimenzován lis. Aby nedošlo při tvrdém nárazu k poškození stroje, budeme muset přidat lisu bezpečnostní prvek proti přetížení silou. Největší měrou se na velikosti energie podílí setrvačné hmoty motoru (94% celkové J RED). Pokusíme se navrhnout takový prvek, který při překročení lisovací síly nad hranici 5MN odpojí alespoň dva motory stroje. V tomto případě by energie setrvačných hmot klesla o 2/3 (přibližně z 86,1kJ na 28,7kJ). Jedna třetina pohybující se energie již není nebezpečná z pohledu bezpečnosti stroje, jelikož vyvodí pouze 4MN síly. Jako bezpečnostní prvek zařadíme mezi motor a převodovku pojistnou spojku. Velikost pojistné spojky lze stanovit z maximálního kroutícího momentu na motoru, který činí 1060Nm. KONSTRUKČNÍ NÁVRH STROJE Všechna zásadní data pro konstrukci lisu jsou již známa. Ruční výpočtový model zahrnuje velké množství zjednodušení. Cílem výpočtáře je přiblížit výpočtový model co nejvíce realitě při použití dostupných metod. Metoda konečných prvků zajistí dostatečně přesné výsledky při zachování reálnosti konstrukce. Návrh a následný výpočet lisu bude proveden v programu NX 7.5. Tvorba sestavy Postupným spojením jednotlivých modelů dohromady vznikne sestava lisu. Jednotlivé díly musíme namodelovat v prostředí modeláře. Sestava lisu může také obsahovat modely, které do výpočtu nezahrneme. Čím bude sestava co do prvků obsáhlejší, tím bude reálněji rozměrově odpovídat skutečnosti. Výpočtový model lisu rozdělíme na dvě nezávislé části. Dva samostatné výpočtové modely nám umožní zadat kvalitnější sítě při zachování rozumné časové náročnosti výpočtu. Pro první výpočtový model použijeme z sestavy pouze převodovou skříň. Skříň bude zatěžována průchodem točivého momentu od motoru přes ozubené převody až na vřeteno. Ve druhém výpočtovém modelu se zaměříme na chování rámu lisu při růžných typech zatížení. Rám lisu bude složen z vzájemně propojené sestavy hlavních prvků rámu. Silové účinky mezi skříní převodovky a rámem lisu zahrneme do výpočtu pomocí spojovacích otvorů v horní traverze a patek převodovky pro tyto účely navržených. Na obrázku 7 vidíme sestavu navrženého lisu rozebranou na dva výpočtové modely (rám, převodovka).
Obrázek 7: Sestava a výpočtový model převodovky
Deformační, napěťová a modální analýza skříně Na vytvořeného modelu jsme sestavili odpovídající okrajové podmínky všem daným výpočtovým modelům. Definice okrajových podmínek je podrobně probrána v plném textu práce stejně tak i výsledky MKP analýzy. ZÁVĚR A DOPORUČENÍ Práce popisuje průběh vývojem konstrukce vřetenového lisu s novým typem pohonu. Prvotní požadavky dané zadavatelem byly splněny pouze částečně. Finálně zpracovaný koncept čistě přímého pohonu lisu vyniká vysokou modifikovatelností v oblasti řízení pracovního cyklu. Nevýhodou přímého pohonu se ukázaly být nadměrné nároky na výkon a otáčky pohonné jednotky a nízká tvářecí rychlost beranu lisu. Závěrem doporučuji řešit danou problematiku obdobně jako ji řeší konkurence a to spojením koncepce lisu s pohonem přímým a akumulátorovým (nepřímým). PODĚKOVÁNÍ Chtěl bych poděkovat mému vedoucímu, panu Ing. Janu Hlaváčovi, který mi v průběhu řešení práce poskytoval cenné rady a informace. LITERATURA Publikace na internetu: [1] ŠMERAL BRNO, a. s. Představení společnosti [online]. 2012 [cit. 2012-04-11]. Dostupné z: http://www.smeral.cz/CZSpolPred.html
