В качестве мультипликатора может использоваться также одноплунжерный насос, приводимый в движение электродвигателем. От цилиндра меньшего диаметра жидкость под высоким давлением подаётся к прессу. Из условий равновесия видно, что, подведя к большому плунжеру давление p₁, на малом плунжере получим давление

p₂ = (F/f)p₁ или p₂ = (D/d)2p₁,

где F и f – соответственно площади большого и малого плунжеров (здесь не учитываются потери на трение в механизме мультипликатора).

Гидравлический пресс. Система управления прессом. П-457.
Насос плунжерный. Насос трехплунжерный. Прямой насосный привод гидравлических прессов.

В большинстве случаев, система будет выглядеть как показано на рисунке ниже, в которой один цилиндр управляется обычным 4-хлинейным 3-хпозиционным гидрораспределителем. Мультипликатор давления установливается непосредственно на гидроцилиндр, и потребность в дорогостоящей управляющей и соединительной аппаратуре, рассчитанной на высокое давление, сводится к минимуму.

Схема мультипликаторного привода пресса

1 – гидравлический насос; 2 – фильтр; 3 – электродвигатель; 4 – предохранительный клапан; 5 – манометр; 6 – золотниковый распределитель; 7 – мультипликаторная установка; 8 – рабочий цилиндр пресса

Ход пресса будет во столько раз меньше хода мультипликатора, во сколько раз площадь (квад-
рат диаметра) плунжера пресса больше площади (квадрата диаметра) плунжера мультипликатора.

Паровоздушные мультипликаторы не экономичны и поэтому во вновь выпускаемых прессах не применяются. Они сохранились лишь в ковочных прессах старой конструкции. При использовании гидравлического мультипликатора прессы работают с давлением рабочей жидкости до 150 МПа (1500 кгс/см2). Гидравлические мультипликаторы применяются как средство получения большого количества ступеней усилий и скоростей пресса. Это необходимо для экономии жидкости высокого давления и повышения к. п. д. прессовой установки при технологических операциях, в течение которых усилие переменно или меньше номинального усилия пресса. Мультипликаторы с приводом от электродвигателя применяются только на небольших прессах.

При необходимости перемещения на холостом ходу штока гидроцилиндра на более высокой скорости, чем позволяет максимальный уровень расхода гидравлического потока встроенного клапана мультипликатора, он может быть заменен внешним клапаном с более высоким максимальным уровнем расхода.

В сложных гидросистемах, в которых насос, кроме управления единственным цилиндром, как показано на схеме, должен также снабжать энергией множество других потребителей, проходящий поток может увеличить рабочую частоту мультипликатора давления, что негативно может сказаться на его ресурсе. В таких случаях желательно перед мультипликатором давления подключать дросселирующий клапан.

Особенно востребовано применение мультипликатора давления в существующих системах, где возникла потребность в более высоком давлении, чем позволяют возможности самой системы. Затраты на модернизацию такой системы для достижения более высокого давления традиционным способом будут очень высоки и могут повлечь массу проблем, в отличие от модернизации данной системы простым встраиванием мультипликатора давления. При этом необходимый уровень подачи жидкости должен поддерживаться моделью мультипликатора.

Мультипликаторный привод пресса
Гидравлический пресс. Система управления прессом. П-457.
Насос плунжерный. Насос трехплунжерный. Прямой насосный привод гидравлических прессов.

Использование в гидросистемах мультипликаторов дает проектировщикам большую гибкость в выборе рабочего давления. Нагрузка гидросистемы становится более однородной по всему циклу работы машины или станка. Мультипликатор давления начинает работать только, когда в гидросистеме возникает потребность в подаче жидкости на высоком давлении. Оставшуюся же часть времени мультипликатор бездействует и не имеет никакого внутреннего потребления, не влияя тем самым на работу системы.

Мультипликатор гидравлический

1 — плунжер малого диаметра; 2 — поршень большого диаметра; 3 — рабочая жидкость

Гидравлические мультипликаторы применяются в современных гидравлических прессах (для увеличения усилия прессования), а также в пневмогидравлических усилителях (в многоточечных зажимных устройствах металлорежущих станков).

Мультипликаторный привод пресса

Использование мультипликаторов давления открывает множество преимуществ перед традиционными системами высокого и низкого давления:

• Обеспечивается более высокая производительность гидросистемы
• Обеспечивается более длительный срок эксплуатации в связи со сниженным уровнем износа на низком рабочем давлении
• Возможность создания более компактной гидравлической системы
• Повышение уровня безопасности системы, обусловленное общим низким давлением
• Встраиваемая управляющая аппаратура
• Отсутствие динамических уплотнений
• Коэффициент мультипликации, отвечающий требованиям

Рабочие жидкости гидравлических прессов

Требования к рабочим жидкостям гидравлических прессов:

1. Рабочая жидкость должна иметь оптимальную вязкость (при малой вязкости возникают утечки, при большой вязкости возникают большие потери).
2. Рабочая жидкость должна иметь хорошую смазывающую способность и химическую стойкость.
3. Рабочая жидкость должна быть химически пассивной к металлам механизмов пресса и к материалу уплотнений.
4. Рабочая жидкость не должна затвердевать со временем и образовывать пены.
5. Рабочая жидкость не должна выделять вредных паров и поглощать значительного количества воздуха.
6. Рабочая жидкость не должна быть пожароопасной.
7. Рабочая жидкость не должна быть дефицитной.
8. Рабочая жидкость должна иметь сравнительно низкую стоимость.

В гидропрессах используется 3 вида рабочих жидкостей:

• минеральное масло (И20, И30, И45, турбинное);
• водная эмульсия;
• чистая вода.

Масла применяются при давлении от 5 до 20 МПа, эмульсии при 32МПа или 64МПа (при исользовании мультипликатора).

Масла также применяются в основном в прессах с нижним приводом. Прессы с верхним приводом работают на воде или эмульсии – это сделано в целях пожаробезопасности.

Эмульсия и эмульсол

Эмульсия – чистая вода + 2..3% эмульсола;

Эмульсол – 85% индустриального масла + 14% олеиновой кислоты (СН₃(СН₂)₇СН или СН(СН₂)₇СООН) + 1..2% глицерина + сода (иногда).

Преимущества эмульсии перед минеральным маслом:

• дешевизна;
• обладает более высокой жесткостью;
• негорючая (можно применять в прессах с верхним приводом).

Модуль упругости рабочей жидкости – величина давления, необходимая для сжатия жидкости на 1 единицу ее относительного объема. Модули упругости некоторых жидкостей в таблице.

Модули упругости рабочих жидкостей

Гидравлический пресс. Гидравлический ковочный пресс. Пресс цилиндр.
Гидравлический пресс. Система управления прессом. П-457.

Принцип действия гидравлической системы пресса

1 — резервуар для жидкости; 2 — вентиль; 3 — плунжер пресса; 4 — рабочий цилиндр; 5 — соединительный трубопровод; 6 — манометр; 7 — нагнетательный клапан; 8 — плунжер насоса; 9 — цилиндр насоса; 10 — всасывающий клапан

Пусть площадь плунжера 8 насоса равна 1, тогда площадь плунжера 3 пресса обозначим через F . Допустим, что плунжер насоса создает силу Р_н и вызывает тем самым давление р (в кгс/см²) жидкости в цилиндре насоса по показанию манометра 6. Тогда, согласно закону Паскаля, это же давление будет передаваться на стенки трубопровода и цилиндра пресса, а также на плунжер пресса.

Исходя далее из закона несжимаемости жидкости, можно заключить, что перемещение плунжера 8 насоса вызовет перемещение плунжера 3 пресса, причем объем жидкости в гидросистеме не изменится. Таким образом, можно записать, что P_нh = PH.

Эта формула соответствует закону сохранения энергии. Из нее следует, что количество работы, совершенное плунжером насоса, равняется количеству работы, совершенной плунжером пресса (в формуле не учтены потери на трение в гидросистеме пресса).

При подъеме плунжера насоса в цилиндре 9 давление станет меньше, и под действием жидкости клапан 7 закроется, а клапан 10 откроется,  и из резервуара 1 поступит следующая порция жидкости. При каждом последующем опускании плунжера 8 насоса плунжер 3 пресса будет подниматься. Для снятия давления и опускания плунжера пресса открывается вентиль 2.

Общие сведения о гидравлических прессах – Гидравлический пресс. Гидравлический ковочный пресс. Пресс цилиндр.

Поперечины пресса

Поперечины, как подвижные, так и неподвижные, представляют собой коробчатые конструкции (рисунок 1), имеющие внутри ребра жёсткости. Высота их составляет 2,5…3,5 диаметра колонн. Изготавливают поперечины либо литыми, либо сварными. В качестве материала для их изготовления используют стальное литьё или толстолистовую сталь с пределом прочности не менее 450 МПа.

Рисунок 1 – Поперечины четырехколонных гидравлических прессов

а – верхняя неподвижная; б – подвижная

Нижнюю поперечину устанавливают на фундамент консольными частями или с помощью башмака под гайками и торцами колонн. В нижней поперечине предусматривают направляющие для стола, лапы для крепления к фундаменту, отверстия под колонны, отверстия и приливы для крепления выталкивателя.

В верхней поперечине предусматриваются сквозные отверстия для установки рабочих цилиндров. Стенки отверстий у трехцилиндровых прессов соединяются рёб-рами, образуя жёсткую деталь, имеющую в плане форму прямоугольника. Верхнюю поперечину крепят на колоннах.

Верхние и нижние поперечины крупных прессов (с номинальным усилием более 40 МН) часто выполняют составными, стянутыми стяжными болтами или сваренными электрошлаковой сваркой.

Подвижные поперечины в гидравлических прессах служат для крепления верхнего рабочего инструмента и передачи усилий от рабочих плунжеров на деформируемую поковку. В нижней поверхности подвижной поперечины предусмотрены Т-образные пазы для крепления бойков или штампов. Направление подвижной поперечины по колоннам обеспечивается разрезными направляющими втулками, изготовляемыми из высококачественной бронзы или специального антифрикционного чугуна (см. чугуны) и вставляемые в цилиндрические гнезда поперечины. Внутреннюю поверхность направляющих втулок обрабатывают по 8-му классу шероховатости. В ковочных прессах между направляющей втулкой и колонной должен быть предусмотрен односторонний зазор, составляющий не менее 1 мм, который постепенно уменьшается в процессе работы пресса вслед-ствие теплового расширения поперечины.

Крепление плунжеров к подвижной поперечине пресса (рисунок 2) может быть жестким (в гидравлических прессах с одним рабочим плунжером), с помощью сферической пяты (для крепления боковых плунжеров к подвижной поперечине, при этом средний плунжер соединяется с ней жестко) и с помощью полуколец (для цилиндров поршневого типа в прессах с небольшим усилием, когда опускание и поднимание поперечины осуществляется одним и тем же што-ком).

Стол пресса

В нижней поперечине прессов устанавливаются передвижные столы и выталкиватели. Передвижные столы служат для установки инструмента, перемещения обрабатываемых заготовок, подачи их в рабочую зону и для удаления готовых изделий. Передвижной стол опирается на нижнюю поперечину пресса и ее консольные части.

Материалом для изготовления столов служит стальное литье с пределом прочности не менее 450 МПа. При этом постель нижней поперечины выполняют с чугунными (см. чугуны) накладками.

Рисунок 2 – Крепление плунжеров к подвижной поперечине

а, б – жесткое крепление; в – с помощью сферической пяты;
г – с помощью полуколец

Направляющие имеют плоскую форму, крепятся к торцу стола и перемещаются вместе с ним. Регулировку направляющих стола осуществляют сменой чугунных (см. чугуны) накладок.

Стол перемещается с помощью двух цилиндров плунжерного типа, расположенных по обе стороны стола, или одного поршневого цилиндра. Плунжеры цилиндров могут быть соединены со столом непосредственно или с помощью промежуточного звена. Непосредственное соединение применяют при относительно коротких ходах (до 2…3 м). При длинном ходе стол выдвигается ступенями: для полного выдвижения стола плунжер должен совершить несколько ходов (при этом применяют промежуточные звенья).

Выталкиватель предназначен для выталкивания поковок из штампов в центре нижней поперечины или на расстоянии от нее, равном ходу выдвижного стола. В конструкции узла выталкивателя могут использоваться как цилиндры плунжерного типа, так и поршневого.

Верхнюю, среднюю и нижнюю поперечины гидравлических прессов рассчитывают на изгиб как балки на двух опорах с симметрично приложенными нагрузками (рисунок 3). Расстояние между опорами принимается равным расстоянию между осями колонн по фронту пресса L. Сосредоточенная нагрузка, равная Рн, прикладывается в середине пролета. При этом верхние слои металла поперечины оказываются растянутыми, а нижние – сжатыми (у нижней неподвижной поперечины – наоборот).

Рисунок 3 – Схема нагружения и диаграмма напряжений в верхних и нижних волокнах расчетных сечений поперечин

Колонны пресса

Колонны служат для жёсткого соединения верхней и нижней поперечин с помощью гаек в единую станину пресса. Кроме того, их используют в качестве направляющих подвижной поперечины.

Колонны диаметром 500…700 мм обычно изготовляют цельными. Колонны большего диаметра выполняют пустотелыми сверлением в них осевого канала диаметром 150…300 мм. Пустотелая колонна при такой же площади сечения, что и сплошная, имеет больший момент сопротивления изгибу.

Поверхность колонн, по которой происходит скольжение подвижной поперечины, тщательно шлифуют. Шероховатость такой поверхности должна быть не менее 7-го класса, остальные поверхности колонн обрабатывают без рисок. Переходы от одного сечения к другому должны быть плавными.

В качестве материала для изготовления колонн обычно применяют вязкую углеродистую сталь, содержащую 0,3…0,45% углерода, и легированную, содержащую 1,5…2% никеля (см. Легированные стали. Классификация легированных сталей. Маркировка легированных сталей.).

Существует несколько конструктивных решений, обеспечивающих жесткое и прочное соединение поперечин с колоннами (рисунок 4).

Рисунок 4 – Соединение колонн с поперечинами

Верхний и нижний концы колон жёстко зажимаются в расточках поперечин с помощью гаек (см. рисунок 4, а). Такое крепление не гарантирует смещение колонн в поперечинах на величину зазора между ними и гнездами (зазор бывает до 2 мм), но упрощает изготовление и монтаж колонн и поперечин. Для предупреждения вращения колонн при навинчивании гаек на нижней поперечине сделаны упоры. На колоннах верхние гайки стопорят с помощью врезной планки. Предотвращать внутренние гайки от развинчивания необязательно. Указанное крепление применяют в прессах усилием около 1 МН и выше. Недостаток крепления  «а» – концентрация напряжений в резьбе колонны в месте выхода из верхней и нижней неподвижных поперечин, где приложен максимальный момент.

На рисунке 4, б показано крепление колонн к поперечинам с помощью бурта и гаек. Однако такое крепление требует высокой точности расположения буртов на колоннах и отверстий под них в поперечинах, иначе возникнут дополнительные напряжения, и осложнится равномерная затяжка колонн с поперечиной.

Затяжка гаек на колоннах с целью обеспечения необходимого натяга производится с нагревом. В колоннах имеются продольные отверстия для установки в них нагревателей. В результате нагрева участок колонны удлиняется, что обеспечивает получение натяга после затяжки гаек и остывания колонны.

Крепление верхней части колонны, исключающее концентрацию напряжений из-за наличия резьбы или бурта, показано на рисунке 4, в. Жесткость соединения колонны и поперечины обеспечивается длинными анкерными тягами, воспринимающими массу верхней поперечины, инерционные усилия и в некоторых случаях – усилие, возникающее при обратном ходе подвижной поперечины.

На колоннах применяют упорную резьбу. Гайки колонн обычно имеют цилиндрическую форму и выполняются на малых прессах цельными, а на крупных – составными. Гайки изготовляют из стального литья с пределом прочности не менее 450 МПа. Резьбу гаек рассчитывают на давление до 80 МПа, на напряжение среза витков до 55 МПа, на напряжение изгиба витков до 80 МПа. Опорную плоскость гайки, соприкасающуюся с поперечиной, рассчитывают на давление до 80 МПа.

Колонны рассчитывают, как правило, на растяжение. При возможности возникновения на прессе значительных эксцентричных нагрузок колонны рассчитывают на изгиб.

Клапан впускной с разгрузкой

1 – клапан основной; 2 – клапан разгрузочный; 3 – шток;
4 – направляющий стакан; 5 – проставка; 6 – уплотнение; 7 – стакан опорный;
8 – гайка нажимная; 9 – пружина; 10 – толкатель; 11 – отверстие дроссельное; 12 – гайка упорная; 13 – корпус распределителя

Основной клапан 1 установлен в направляющем стакане 4. Сверху стакан 4 закрывается уплотняющей проставкой 5, в центре которой установлен уплотнительный узел 6, через который проходит верхний конец штока 3. Направляющий стакан 4 опирается на опорный стакан 7. Оба стакана установлены в расточке корпуса клапанного распределителя 13. Весь набор поджимается к бурту корпуса 13 нажимной гайкой 8. В центральное отверстие гайки вставлена пружина 9, которая через толкатель 10 воздействует на шток 3, отжимая его вниз. Нижний конец штока 3 через уплотнение 6 выходит наружу в нижней части корпуса 13. Подводящая магистраль соединена с верхней расточкой А в корпусе 13, в отводящая – с нижней Б.

В исходном положении клапан закрыт, запорные фаски основного и разгрузочного клапанов сомкнуты и не пропускают жидкость из полости А, находящейся под давлением, в полость Б. Надклапанная полость В соединена с полостью А посредством дроссельного отверстия 11 и также находится под давлением.

При вращении рукоятки управления коромысло через толкатель воздействует снизу на шток 3. Шток 3, преодолевая гидростатическую силу со стороны жидкости и сопротивление пружины 9, начинает подниматься, раскрывая малые запорные фаски разгрузочного клапана 2. Надклапанное пространство В через отверстия в гайке 12 и каналы на штоке соединяется с подклапанным пространством Б, разгружаясь при этом от давления. По мере подъема штока 3 давление в надклапанной полости В все больше падает. После касания выступа на штоке с упорной гайкой 12 раскрываются фаски основного клапана 1, который начинает подниматься вместе со штоком 3.

По мере подъема основного клапана открываются отверстия в стенках направляющего стакана и жидкость из подводящей магистрали проходит в магистраль рабочего цилиндра.

После перевода рукоятки в положение «Стоп» закрытие основного и разгрузочного клапанов осуществляется пружиной 9.

Главный недостаток данного клапана – износ запорной фаски из-за кавитации.

Кавитация – нарушение сплошности внутри жидкости, т. е. образование внутри капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (так называемая пузырьковая кавитация). Пузырьки являются нестабильными, непрерывно переходящими обратно в жидкую фазу. Кавитация возникает в результате резкого местного снижения статического давления ниже критического значения, которое для воды приблизительно равно давлению насыщения водяного пара при данной температуре. Если понижение давления происходит вследствие местного повышения скорости в напорном трубопроводе, то кавитацию называют гидродинамической, а в случае понижения давления вследствие прохождения в жидкости акустических волн – акустической.

То есть в жидкости при снижении давления образуются пузырьки, которые при попадании в зону более высокого давления всхлопываются. Большая энергия, рассеиваемая при всхлопывании кавитационных пузырей, пагубно влияет на металл клапана – частички металла вырываются. При активной работе пресса кавитация может «съесть» клапан за месяц.

Возникновение кавитации пагубно влияет также и на гидравлические характеристики насосов и клапанов. У насосов снижается производительность и напор, увеличивается шум и вибрация. У клапанов снижается пропускная способность, повышается коэффициент гидравлического сопротивления, искажается вид расходной характеристики, образовывается шум и вибрация.

• рабочая жидкость;
• органы управления прессом: клапаны, распределители, сервоприводы;
• приёмники рабочей жидкости – баки;
• трубопроводы и арматура, соединяющие все элементы пресса в единую систему.

Общие сведения о гидравлических прессах – Гидравлический пресс. Гидравлический ковочный пресс. Пресс цилиндр.

Рабочая жидкость в гидросистемах прессов служит для передачи энергии привода исполнительному механизму пресса – рабочему цилиндру. Использование рабочей жидкости для передачи энергии позволяет отказаться от сложных механических передач, что значительно упрощает конструкцию гидравлических прессов. В качестве рабочих жидкостей в прессах применяются минеральные масла и водные эмульсии (см. Рабочие жидкости).

Система управления прессом усилием 2000 кН (2 МН)

1 – насос; 2 – предохранительный клапан; 3 – сливной бак;
4 – главный распределитель; 5 – рабочий цилиндр; 6 – возвратный цилиндр;
7 – распределитель выталкивателя; 8 – выталкиватель; 9 – дроссель;
10 – подвижная поперечина; 11 – обратный клапан; 12 – манометр;
13 – распредвал; 14 – рукоятка управления

Гидропривод пресса должен обеспечивать в каждый момент времени такое давление жидкости, которое необходимо для преодоления плунжером рабочего цилиндра технологической нагрузки. Различают три типа гидроприводов прессов:

• насосный;
• насосно-аккумуляторный;
• мультипликаторный (см. Мультипликатор. Гидравлический мультипликатор.).

Гидравлический пресс усилием 2000 кН модели П-457 оборудован насосным приводом, включающим кривошипный трехплунжерный насос 1, предохранительно-переливной клапан 2, сливной бак 3, соединительные трубопроводы и запорную арматуру.

В состав системы управления прессом входят: главный распределитель 4, предназначенный для управления рабочим 5 и возвратными 6 цилиндрами; двухклапанный распределитель 7 – для управления гидравлическим выталкивателем 8; дроссель 9, предназначенный для регулирования скорости возвратного хода поперечины 10 пресса; обратный клапан 11 и манометр 12.

Управление клапанами пресса и, соответственно, скоростью и положением подвижной поперечины пресса 10 осуществляется с помощью распредвала 13, приводимого в движение рукояткой управления прессом 14.

Напорные трубопроводы на схеме изображены сплошными линиями, а сливные – пунктирными.

Гидравлическую схему, показанную на рисунке, удобно читать с помощью диаграммы открытия клапанов главного распределителя пресса. На этой диаграмме по оси абсцисс отложены углы поворота рукоятки управления, а по оси ординат – соответствующие высоты открытия клапанов.

При установке рукоятки управления 14 в положение «Стоп» окажутся открытыми клапаны I и IV. Рабочая жидкость от насоса по напорному трубопроводу через открытый клапан I и открытый клапан IV поступает в сливной бак 3. Насос 1 работает вхолостую. Поперечина пресса 10 неподвижна, т.к. закрыт сливной клапан III возвратных цилиндров.

При отклонении рукоятки в положение «Рабочий ход» открываются клапаны I и III. Через клапан III жидкость из возвратных цилиндров вытесняется в бак 3, а через открытый клапан I жидкость от насоса поступает в рабочий цилиндр 5. Поперечина 10 движется вниз, совершая ход приближения к поковке и рабочий ход. Давление в рабочем цилиндре возрастает в зависимости от роста со-противления поковки деформированию. Верхний предел давления (20 МПа) ограничивается предохранительным клапаном 2.

После окончания рабочего хода рукоятка управления 14 переводится в положение «Возвратный ход». При этом открываются клапаны II и IV. Рабочий цилиндр 5 через клапан IV сообщается с баком 3, а жидкость от насоса 1 через открытый клапан II, дроссель 9 и обратный клапан 11 направляется в возвратные цилиндры 6. Поперечина 10 движется вверх. Останавливают ее в верхнем поло-жении переводом рукоятки 14 в положение «Стоп».

В настоящее время в промышленности наибольшее применение получили прямой насосный и насосно-аккумуляторный приводы прессов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. При прямом насосном приводе питание пресса рабочей жидкостью высокого давления осуществляется непосредственно от насосов. Установочная мощность насосов и электродвигателей при этом определяется максимальной мощностью, развиваемой прессом на рабочем ходу. Например, при горячей штамповке наибольшее (пиковое) сопротивление технологической нагрузки возникает в самом конце рабочего хода. По этой наибольшей нагрузке выбирается мощность привода. Но в связи с тем, что на большей части хода сопротивление поковки значительно ниже пикового, привод работает с недогрузкой, т.е. с недоиспользованием установочной, мощности насосов:

N_н = p_н Q_н, где

N_н – номинальная (установочная) мощность насоса, кВт;
р_н – номинальное давление рабочей жидкости, МПа;
Q_н – номинальная подача насоса, м³/с.

Реже применяется Мультипликаторный привод пресса

Насос, развивающий в течение всего рабочего хода постоянную мощность, равную номинальной (установочной), называют идеальным насосом:

N_н^и = p Q = const

Реальные приводы стараются приближать к идеальным, используя не один насос, а группу насосов, что позволяет при малом сопротивлении поковки деформированию развивать большую подачу, а при возрастании сопротивления и, соответственно, давления в рабочем цилиндре подачу насосов снижать, приближая развиваемую мощность к постоянной величине.

Более совершенными являются приводы, в которых используются насосы с переменной плавно регулируемой производительностью, которая автоматически изменяется в зависимости от изменения сопротивления поковки деформированию.

Основные принципиальные особенности насосного привода заключаются в следующем:

1.  Скорость рабочего плунжера пресса целиком и полностью определяется объемом жидкости, подаваемой насосом в единицу времени, т.е. геометрическим фактором:

V_пл = Q_н / F_пл, где

V_пл – скорость плунжера пресса, м/с;
Q_н – производительность (подача) насоса, м³/с;
F_пл – площадь плунжера, м².

2 В течение всего рабочего хода мощность, развиваемая электродвигателем и насосом, пропорциональна мощности, развиваемой плунжером рабочего цилиндра пресса. Благодаря этому свойству прямой насосный привод является более экономичным, чем насосно-аккумуляторный.

Широкое применение в гидроприводах прессов нашли кривошипно-плунжерные насосы. Наиболее часто используемые давления – 20 и 32 МПа. Схема кривошипно-плунжерного насоса показана на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема кривошипно-плунжерного насоса

1 – всасывающий клапан; 2 – насосная камера; 3 – нагнетательный клапан;
4, 7 – воздушные колпаки в напорной и всасывающей магистралях
соответственно; 5 – напорная труба, отводящая жидкость;
6 – плунжер насоса; 8 – фильтр; 9 – шатун; 10 – коленчатый вал; 11 – ползун;
12 – направляющие ползуна; 13 – бак

Кривошипно-плунжерные насосы используются как в индивидуальном, так и в групповом насосном приводах гидравлических прессов. Они могут работать на любой жидкости (см. Рабочая жидкость. Эмульсия. Эмульсол.): водной эмульсии, минеральном масле и др.

Кривошипно-плунжерный насос (рисунок 1) состоит из насосной камеры 2 с входящим в нее через сальник плунжером 6. Возвратно-поступательное движение плунжер 6 совершает благодаря кривошипно-шатунному механизму, приводимого в движение от приводного электродвигателя (на рисунке 1 не показан). Насосная камера 2 с одной стороны имеет всасывающий клапан 1, а с другой – нагнетательный клапан 3. Перед всасывающим клапаном 1 расположена труба, подводящая жидкость в насосную камеру 2, а после нагнетательного клапана 3 – напорная труба 5, отводящая жидкость в гидросистему пресса. Всасывающая труба должна иметь фильтр 8 с площадью проходного сечения, в шесть раз большей сечения трубопровода.

Работа насоса, представленного на рисунке 1, осуществляется следующим образом. Возвратно-поступательное движение плунжеру 6 придается с помощью коленвала 10, приводимого во вращение электродвигателем, шатуна 9 и ползуна 11. Ползун 11 перемещается по направляющим 12. При движении плунжера 6 вправо в насосной камере 2 создаётся разрежение, всасывающий клапан 1 всплывает и пропускает порцию жидкости из бака 13 в камеру 2. При движении плунжера 6 влево жидкость через нагнетательный клапан 3 выталкивается в камеру 4, а затем в трубопровод 5, идущий к клапанному распределителю пресса.

Плунжеры насоса могут располагаться вертикально или горизонтально. Если жидкость нагнетается при движении плунжера (или поршня) только в одном направлении и всасывается при обратном, то такой насос называется насосом простого действия. Если насос нагнетает жидкость при движении плунжера (поршня) в обоих направлениях, то такой насос называется насосом двойного действия. Насос двойного действия, как правило, поршневой, всасывает и нагнетает обоими сторонами поршня, благодаря чему увеличивается производительность насоса, работа его становится более равномерной за полный оборот коленчатого вала.

Плунжерные насосы применяются во всех случаях, когда требуется создать высокое давление при малой вязкости нагнетаемой жидкости, а поршневые – для низких давлений. Поршневые насосы требуют уплотнения поршня, так как жидкость может просачиваться с нагнетающей стороны во всасывающую.

Объем жидкости (см. Рабочая жидкость. Эмульсия. Эмульсол.), подаваемой насосом, всегда меньше вычисленного теоретического. Отношение действительного поданного объема жидкости насосом к теоретическому называется объемным КПД или коэффициентом подачи насоса:

η_i = Q_действ / Q_теор

Разница между теоретической и действительной подачами жидкости насоса зависит от утечек в результате запаздывания открытия и закрытия всасывающего и нагнетательного клапанов, неплотностей при посадке клапана в седло, утечек через сальник и ряда других причин. Объемный КПД кривошипно-плунжерных насосов, применяемых в насосном приводе гидравлических прессов, равен 0,92…0,94.

Для повышения объемного КПД кривошипно-плунжерных насосов на всасывающей магистрали устанавливают воздушный колпак 7 (см. рисунок 1) или создают некоторый напор, для чего используют насос низкого давления (например, центробежный). Роль воздушного колпака состоит в том, чтобы уменьшить длину всасывающего трубопровода, а значит, уменьшить инерционные усилия и потери на трение по длине трубопровода при всасывании. При этом всасывание жидкости происходит из воздушного колпака, в результате давление в нем стано-вится ниже атмосферного, и жидкость из резервуара самотеком устремляется в колпак, чтобы восстановить прежний уровень.

Воздушный колпак 4 устанавливается также и на напорной трубе 5, благодаря чему устраняется опасность разрыва струи в напорной магистрали, уменьшается геометрическая высота напора за счет увеличения напора, теряемого на сопротивление в более длинной напорной магистрали, появляется возможность увеличения числа оборотов коленчатого вала в связи с уменьшением инерционного напора.

Воздушные колпаки для наиболее совершенного своего назначения должны устанавливаться возможно ближе к плунжеру. В колпаке необходимо поддерживать определенный объем воздуха. Избыток воздуха удаляется из колпака через всасывающие трубы, которые имеют небольшие отверстия. Размеры этих отверстий сделаны с таким расчетом, чтобы воздух не засасывался большими порциями для предотвращения гидравлических ударов.

Напорный воздушный колпак 4 должен быть достаточно прочным ввиду возможных повышений давления при пуске насоса в ход. Находящийся в напорном колпаке воздух частично растворяется в жидкости. Для поддержания постоянного объема воздуха в напорном колпаке недостаточно воздуха, засасываемого из всасывающего колпака, поэтому для крупных насосов устанавливают вспомогательные воздушные компрессоры для подпитывания воздухом напорного колпака 4.

Для периодического изолирования насосной камеры 2 от всасывающей и нагнетательной магистралей используются клапаны 1 и 3. Наибольшее распространение получили самодействующие клапаны. Размеры их и высота подъема определяются допустимыми скоростями жидкости в клапане. Работа клапанов при определенных количествах ходов плунжера в минуту сопровождается стуком. Число оборотов коленчатого вала насоса, при котором возникает стук клапанов, называют критическим. При этом подача жидкости (см. Рабочая жидкость. Эмульсия. Эмульсол.) становится резко неравномерной, так как открытие и закрытие клапанов не соответствует ходу плунжера, и работа насоса становится неустойчивой. Неустойчивая работа клапанов сопровождается низким объемным КПД (большими утечками жидкости), разрывом струи, быстрым износом деталей клапана и др.

В зависимости от количества насосных камер плунжерные насосы подразделяются на одно- , двух- и трехплунжерные. В многоплунжерных насосах плунжеры располагаются параллельно. Каждый плунжер крепится посредством шатуна к своему колену трехколенчатого вала. Каждое колено вала устанавли-вается под различными углами для получения наиболее равномерной подачи жидкости. Наибольшее распространение получили трехплунжерные насосы, у которых колена коленчатого вала расположены под углом 120^о относительно друг друга. Такая последовательность работы плунжеров обеспечивает наибольшую равномерность подачи жидкости в процессе полного оборота коленчатого вала.

Расчет скорости, перемещения и ускорения плунжера производится также, как для кривошипно-шатунного механизма.

Подача одноплунжерного насоса за один ход равна, м³/с:

q_н = f V, где

f – площадь плунжера, м²;
V – скорость плунжера, м/с: V = ω R sinα.

Рисунок 2 – Диаграммы подач одноплунжерного и двухплунжерного насосов

а – одноплунжерный; б – двухплунжерный

Из рисунка 2 видно, что подачи одноплунжерного и двухплунжерного насосов очень неравномерны. Поэтому с целью повышения равномерности подачи и сглаживания пульсаций применяют трехплунжерные насосы. На рисунке 3 показано изменение подачи жидкости каждым плунжером трехплунжерного насоса за один оборот коленчатого вала.

Из рисунка 3 видно, что на участке поворота коленчатого вала от 0 до π/3 мгновенная подача жидкости (см. Рабочая жидкость. Эмульсия. Эмульсол.) суммируется из подач I и III плунжеров. Подачи жидкости также будут суммироваться на участках от 2π/3 до π (I и II плунжеры) и от 4π/3 до 5π/3 (II и III плунжеры).

Рисунок 3 – Диаграмма подачи жидкости трехплунжерного насоса

Эффективная подача кривошипного трехплунжерного насоса в минуту определяется формулой, м³/мин:

Q_н = 3 f s n η_о,где

f – площадь плунжера, м³;
s – ход плунжера, м;
n – число оборотов коленчатого вала в минуту, об/мин;
η_о – объемный КПД насоса (ηo = 0,92…0,94).

Мощность на коленчатом валу насоса определяют по формуле, кВт:

N_н = p_н Q_н / 60 η_о η_м, где

р_н – номинальное давление жидкости, МПа;
η_о – объемный КПД насоса (ηo = 0,92…0,94);
η_м – механический КПД насоса (η_м = 0,8…0,85).

Конструкция кривошипно-плунжерного насоса с тремя плунжерами показана на рисунке 4. Станина 1 выполняется из чугунного (см. чугуны) литья весьма массивной для погашения вибраций, вызываемых неравномерным поступательным движением плунжером. Коленчатый вал 2 изготовляют кованным из стали 45. Опорами его являются подшипники скольжения или качения (роликоподшипники). Шатуны 3 и ползуны 4 изготовляют кованными или литыми. Рекомендуется принимать длину шатуна не менее пяти радиусов кривошипа (l ≥ 5R). Направляющие ползуна 5 могут быть плоскими или цилиндрическими.

Рисунок 4 – Конструкция трехплунжерного насоса

Направляющие обычно являются сменными, что позволяет регулировать зазор по мере их износа. Плунжеры 6 изготовляют из легированной нержавеющей стали марок 3Х13 и 2Х13 (см. Легированные стали. Классификация легированных сталей. Маркировка легированных сталей.). Поверхность плунжера должна быть твердой и зеркально гладкой. Соединение плунжера 6 с ползуном 4 должно обеспечить его регулировку при монтаже в радиальном направлении. Блок цилиндров 7 изготовляют кованным из стали 30, клапаны, их седла, пружины и крепежные детали – из нержавеющей стали.

При использовании кривошипно-плунжерных насосов в насосном безаккумуляторном приводе необходимо предусмотреть возможность перевода его на холостую работу, когда расход жидкости прессом прекратится.

Привод гидравлических прессов осуществляется с помощью жидкости высокого давления, подаваемой в гидроцилиндры от насосных или насосно-аккумуляторных станций. Скорость рабочих органов в гидравлических прессах не превышает 0,5 м/с.

Ввиду отсутствия в гидропрессах механических передач эти машины имеют сравнительно простую конструкцию. Ковочные гидравлические прессы конструируют усилием до 150 МН, штамповочные – до 750 МН.

Основными узлами гидравлических прессов являются станина, подвижная поперечина, рабочие и возвратные цилиндры, стол (подвижный или неподвижный), гидравлические выталкиватели.
Станины гидравлических прессов выполняется преимущественно рамного типа. При этом большинство прессов имеют станины колонного типа, состоящие из двух неподвижных поперечин и четырех колонн. Выпускаются прессы со сварными рамными станинами. Наиболее мощные и уникальные прессы имеют станины из С-образных скоб.

В верхней части станин размещается главный силовой орган пресса, развивающий основное технологическое усилие и представляющий собой один или группу цилиндров, обычно плунжерного типа. Плунжеры гидроцилиндров опираются на подвижную поперечину пресса, скользящую по колоннам станины или по направляющим. К нижней плоскости подвижной поперечины крепится верхняя половина рабочего инструмента. Нижняя половина инструмента устанавливается на столе, расположенном на нижней неподвижной поперечине.

Ход подвижной поперечины вверх осуществляется с помощью возвратных цилиндров обычно плунжерного типа. Цилиндры монтируются или на нижней или на верхней неподвижной поперечине. Плунжеры возвратных цилиндров воздействуют на подвижную поперечину.
Гидравлические прессы оснащаются подвижными столами для смены и установки инструмента, а также выталкивателями для удаления изделий из штампов.

Изучаемый гидравлический пресс усилием 2000 кН модели П-457 представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 -Гидравлический пресс модели П-457

1 – цилиндр рабочий; 2 – плунжер; 3 – цилиндр возвратный; 4 – плунжер;
5 – колонна; 6 – гайка колонны; 7 – поперечина верхняя; 8 – поперечина подвижная;
9 – поперечина нижняя; 10 – гидроцилиндр выталкивателя; 11 – ограничитель хода

Пресс предназначен для ковки, горячей объемной и холодной листовой штамповки из углеродистых и легированных сталей, а также прессования изделий из цветных металлов и их сплавов.
Гидравлический пресс модели П-457 является одноцилиндровым. Рабочий цилиндр 1 плунжерного типа с опорой на бурт смонтирован в верхней неподвижной поперечине 7, его плунжер 2 под давлением рабочей жидкости перемещает подвижную поперечину 8 вниз. Обратный ход подвижной поперечины 8 осуществляется с помощью двух возвратных цилиндров 3 с плунжерами 4, установленных диагонально в приливах нижней поперечины прес-са 9.

Верхняя неподвижная поперечина 7 связана с основанием 9 четырьмя колоннами 5. Колонны установлены в расточках верхней поперечины и основания и жестко в них закреплены с помощью гаек 6. Таким образом, две неподвижных попе-речины (7 и 9) и четыре колонны 5 образуют жесткую пространственную конструкцию, внутри которой расположена подвижная поперечина 8.

Колонны проходят через отверстия в подвижной поперечине и служат для неё направляющими. На колоннах станины у нижней поперечины смонтированы разъемные ограничители хода 11 подвижной поперечины. С их помощью предупреждается возможность аварийного выхода плунжера 2 из рабочего цилиндра 1. В нижней попе-речине по оси пресса смонтирован выталкиватель в виде гидроцилиндра 10. Пресс установлен на бетонном фундаменте и скреплен с ними анкерными болтами. Привод пресса – насосный, рабочая жидкость – водная эмульсия, номинальное рабочее давление – 20 МПа.

Устройство рабочего цилиндра пресса показано на рисунке 2. Рабочий цилиндр пресса состоит из следующих деталей: литого корпуса 1 цилиндра (сталь 35Л), рабочего плунжера 2, направляющей бронзовой втулки (буксы) 3, уплотнительных шевронных манжет 4, нажимной втулки 5, фланца 6, поджимаемого гайками 7 на шпильках 8. В верхней части цилиндра имеется отверстие 9 для подвода рабочей жидкости. Снаружи корпуса цилиндра в его нижней части имеется бурт 10, которым рабочий цилиндр опирается на станину при воздействии плунжера на поковку. От выпадения из верхней поперечины вниз рабочий цилиндр удерживается фланцем (на рисунке 2 не показан).

Рабочим пространством пресса является пространство (см. рисунок 1) между подвижной и нижней неподвижной поперечинами (по вертикали) и между ходоограничителями 11 колонн в свету (по горизонтали). В этом пространстве устанавливаются рабочие бойки (при ковке) или штампы (при штамповке).

При подаче жидкости от насоса в рабочий цилиндр пресса поперечина движется вниз, совершая сначала холостой ход (ход приближения к поковке), а затем рабочий ход. Жидкость из возвратных цилиндров при этом вытесняется в сливной бак. После совершения рабочего хода жидкость от насоса подается в возвратные цилиндры, а рабочий цилиндр соединяется со сливным баком, и подвижная поперечина 8 совершает возвратный ход. Управление потоками жидкости осуществляется с помощью клапанного распределителя и рукоятки управления.

Рисунок 2 – Рабочий цилиндр пресса

1 – цилиндр; 2 – плунжер; 3 – втулка направляющая;
4 – манжета уплотнительная; 5 – втулка нажимная; 6 – фланец; 7 – гайка;
8 – шпилька; 9 – отверстие для подвода жидкости; 10 – бурт