16. Винтовые фрикционные прессы
К винтовым фрикционным прессам относятся машины, в которых для перемещения подвижного звена механизма-винта или гайки применяется фрикционная передача.
Наибольшее распространение получили двухдисковые винтовые фрикционные прессы с лобовым фрикционным передаточным механизмом.
Рис. 64. Конструктивная схема винтовых фрикционных дисковых прессов: а, б -двухдисковые
Во время хода ползуна вниз окружные скорости точек контакта маховика и диска отличаются незначительно, так как движение начинается при небольшой окружной скорости точек контакта, расположенных вблизи центра. Однако в начале движения ползуна вверх после рабочего хода маховик имеет нулевую окружную скорость, в то время как точки контакта фрикционного диска имеют наибольшую окружную скорость. Следовательно, разгон маховика происходит с проскальзыванием, то есть с потерей энергии.
Рис. 65. Диаграмма окружных скоростей ведущих дисков 1 и маховика 2 и 3 фрикционных передаточных механизмов двухдискового с винтовым движением винта
Чтобы уменьшить потери энергии на проскальзывание при ходе вверх разработан трехдисковый передаточный механизм.
Рис. 66. Конструктивная схема винтового трехдискового фрикционного пресса
Рис. 67. Диаграмма окружных скоростей трехдискового фрикционного пресса
Подъем начинается при меньшей окружной скорости нижнего диска, чем в первом случае.
16.1. Расчет винтовых фрикционных прессов
В задачу расчета входит установление размеров и веса маховика, параметров винта, характера их движения, обеспечивающих требуемые по ГОСТ энергию удара и количество ходов в минуту.
16.1.1. Ход ползуна вниз
Сила сцепления создает крутящий момент на ободе маховика:
,
(190)
где f- коэффициент трения;
Fн - нажимное усилие;
Rм - радиус маховика;
= 1,2 2 коэффициент запаса сцепления.
В винтовых механизмах связь между поступательным и угловым перемещением и выражается по формуле:
,
(191)
.
(192)
Сила тяжести подвижных частей создает в несамотормозящем механизме дополнительный крутящий момент:
,
(193)
.
(194)
Кроме того, на систему подвижных частей действуют силы и моменты трения в различных узлах.
Суммарный момент трения:
,
(195)
где Мв.п. - приведенный момент трения от вертикального проскальзывания маховика по поверхности диска.
.
(196)
Для оценки Мпг - момента трения на боковой поверхности гайки рассмотрим схему сил, действующих на маховик - момент трения на боковой поверхности гайки (рис. 68).
Рис. 68. Расчетная схема
,
(197)
,
(198)
где - коэффициент трения в гайке;
r - наружный радиус винта.
,
(199)
где Мрг - момент трения в резьбе гайки возникает под действием вертикальной силы.
- средний радиус
резьбы гайки.
,
(200)
где Рз - усилие затяжки пяты;
Мсп - момент трения в подпятнике - соединении винта с
ползуном;
п - коэффициент трения в подпятнике.
,
(201)
где rn - радиус подпятника.
Мнпр - приведенный момент трения в направляющих:
,
(202)
Уравнение вращательного движения рабочих частей при ходе ползуна вниз:
,
(203)
.
(204)
Интегрируя с начальными условиями t = 0, w = 0 получим:
.
(205)
Окружная скорость обода маховика с радиусом Rм.
.
(206)
Скорость поступательного движения:
.
(207)
Интегрируя с использованием начальных условий t = 0,
s = 0 получим:
.
(208)
Откуда время движения вниз:
.
(209)
Окружная скорость обода маховика в функции перемещения будет:
.
(210)
Из полученного выражения следует, что изменяется по параболе.
Окружная скорость точек контакта диска с маховиком изменяется по линейному закону:
,
(211)
где r0 - начальный радиус диска, при котором начинается нажатие диском на маховик;
n - частота вращения диска.
Обычно r0 = 0,3Sn.
Наилучшее соотношение скоростей считается соответствующим графику на (рис. 69).
Рис. 69. Изменение окружной скорости точек контакта
маховика и диска во время хода ползуна вниз
Для точки касания имеем:
,
(212)
при s = r0,
,
(213)
.
(214)
Определим усилие нажима дисков для того, чтобы окружная скорость маховика изменялась по отмеченному выше закону.
Из показанного ранее имеем:
.
(215)
Для упрощения
допустимо принять, что
,
тогда
.
(216)
Угловая скорость маховика в функции пути будет
.
(217)
В конце хода вниз
при
подвижные части разовьют кинетическую
энергию:
.
(218)
С учетом допущения,
что
и считая, что
,
(219)
.
(220)
16.1.2. Ход подвижных частей вверх
После рабочего хода подвижные части поднимаются при нажатии другого правого диска на маховик с силой FВ:
.
(221)
Сила тяжести подвижных частей при несамотормозящей резьбе создает крутящий момент в противоположную сторону.
Силы трения оцениваются аналогично, предыдущему случаю, кроме момента трения в подпятнике. Вместо него рассматривают момент трения в подшипнике качения, который входит в узел соединения винта с ползуном.
,
(222)
где G - сила тяжести ползуна и верхней половины штампа;
Д0 - средний диаметр дорожки качения подшипника;
d - диаметр шариков;
к - коэффициент трения в подшипнике равен 0,001.
Результирующий момент движения вверх.
.
(223)
Угловая скорость маховика:
.
(224)
Окружная скорость обода маховика:
.
(225)
Скорость поступательного движения:
.
(226)
Интегрируя при начальных условиях t = 0, s = 0, получаем перемещение при ходе вверх:
.
(227)
Время движения вверх:
.
(228)
Окружную скорость обода маховика от перемещения можно представить:
- параболическая
зависимость (229)
Окружная скорость точек контакта диска с маховиком изменяется по линейному закону (рис.70):
,
(230)
.
(231)
Рис. 70. Изменение окружной скорости точек контакта
маховика
Заштрихованная плоскость представляет область проскальзывания диска по маховику, так что при подъеме получается значительная потеря энергии.
Если прижать диск
к маховику с такой силой, что их скорости
станут, равны в конце хода вверх, то есть
,
то из равенства:
,
(232)
,
(233)
,
(234)
.
- усилие нажатия (235)
16.1.3. Расчет мощности двигателя и момента инерции маховика
Запас кинетической энергии дисков к моменту их разгона:
,
(236)
где Y1 - момент инерции дисков, вала и шкива;
0 - начальная угловая скорость дисков при холостом ходе;
i - передаточное отношение между шкивами двигателя и дисков;
к - коэффициент скольжения клиноременной передачи равен 0,9 0,95.
Энергия, которая отдается диском к маховику при нажатии:
,
(237)
где 1 - угловая скорость дисков в конце хода вниз.
Наибольшая угловая скорость маховика во время хода ползуна вниз:
,
(238)
где r0 - начальный радиус диска;
Sн - максимальный ход вниз;
RМ - радиус маховика.
Маховик, винт и другие рабочие части приобретут кинетическую энергию к началу рабочего хода:
.
(239)
Момент инерции маховика:
.
(240)
Диски винтового фрикционного пресса могут использовать только часть запасенной кинетической энергии в пределах допустимого скольжения для электродвигателя.
Для восстановления с помощью электродвигателя израсходованной дисками энергии требуется определенное время, поэтому обычно винтовые прессы работают одиночными ходами с паузой после завершения машинного цикла, когда происходит загрузка, выгрузка заготовки.
Для привода винтовых фрикционных прессов применяют асинхронные трехфазные электродвигатели с короткозамкнутым ротором.
Мощность такого двигателя:
,
(241)
к = 1,2 - коэффициент запаса,
где
- работа на ходе вниз;
- работа на ходе
вверх;
tм - время машинного цикла;
tт - время технической паузы;
н - 0,6 - 0,7 - к.п.д. фрикционной передачи при ходе
вниз;
в - 0,4 - 0,45 - к.п.д. фрикционной передачи при ходе
вверх.
- работа на холостое
вращение дисков.
где fg - трение в подшипниках дисков;
rg - радиус подшипников;
Gg - вес дисков;
ty - время цикла;
ng - число оборотов;
кл - к.п.д. клиноременной передачи.
Полный к.п.д. фрикционного пресса обычно составляет 20 - 25 %.