Гидропривод кузнечно-прессовой машины должен обеспечивать в каждый момент времени такое давление жидкости в рабочем цилиндре пресса, которое было бы достаточным для преодоления технологической нагрузки.
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:
Nн = pн Qн, где
Nн – номинальная (установочная) мощность насоса, кВт;
рн – номинальное давление рабочей жидкости, МПа;
Qн – 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:
Nни = 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:
Vпл = Qн / Fпл, где
Vпл – скорость плунжера пресса, м/с;
Qн – производительность (подача) насоса, м3/с;
Fпл – 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:
ηi = Qдейств / Qтеор
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 120о 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:
qн = 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:
Qн = 3 f s n ηо,где
f – площадь плунжера, м3;
s – ход плунжера, м;
n – число оборотов коленчатого вала в минуту, об/мин;
ηо – объемный КПД насоса (ηo = 0,92…0,94).
Мощность на коленчатом валу насоса определяют по формуле, кВт:
Nн = pн Qн / 60 ηо ηм, где
рн – номинальное давление жидкости, МПа;
ηо – объемный КПД насоса (ηo = 0,92…0,94);
ηм – механический КПД насоса (ηм = 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.