Entwurf und Herstellung einer 30-Tonnen-Hydraulikpresse

Abstrakt

Um das Problem des Mangels an Ausrüstung in unseren Labors in den meisten unserer höheren Institutionen zu lindern, wurde ein 30-Tonnen-Gerät entwickelt Hydraulikpresse wurde unter Verwendung örtlicher Materialien entworfen, gebaut und getestet.Zu den Hauptparametern der Konstruktion gehörten die maximale Belastung (300 kN), die Strecke, die der Lastwiderstand zurücklegen muss (Kolbenhub 150 mm), der Systemdruck, die Zylinderfläche (Kolbendurchmesser = 100 mm) und der Volumenstrom des Arbeitsmediums.Zu den Hauptkomponenten der entworfenen Presse gehören die Zylinder- und Kolbenanordnung, der Rahmen und der Hydraulikkreislauf.Die Leistung der Maschine wurde mit einer Belastung von 10 kN getestet, die durch zwei parallel zwischen der oberen und unteren Platte angeordnete Druckfedern von konstant 9 N/mm bereitgestellt wurde, und erwies sich als zufriedenstellend.Ein an der Bodenplatte einer hydraulischen Presse befestigter Stahlbolzen ist hohen Stoßkräften ausgesetzt.Dieser Bolzen hat einen Hauptdurchmesser von 14 mm und eine Steigung von 2 mm.Es ist 300 mm lang und die Mutter trägt eine Schlagenergie von 4500 N-mm.Der verwendete Bolzen ist in Abbildung 1b dargestellt.Das Gewinde wird auf den vollen Durchmesser von 14 mm geschnitten.Entwerfen Sie mithilfe der DFM-Prinzipien eine bessere Schraube, die die Belastung im Wurzelbereich von der Standardbelastung im Wurzelbereich von 290 MPa auf 245 MPa reduzieren kann.Zeigen Sie die Berechnungen an.

1. Einleitung

Die Entwicklung der Technik im Laufe der Jahre bestand darin, immer effizientere und bequemere Mittel zum Schieben und Ziehen, Drehen, Stoßen und Steuern von Lasten im Bereich von einigen Kilogramm bis zu Tausenden Tonnen zu finden.Hierzu werden häufig Pressen eingesetzt.

Pressen im Sinne Langes sind druckausübende Werkzeugmaschinen.Sie können in drei Hauptkategorien eingeteilt werden: hydraulische Pressen, die auf dem Prinzip des hydrostatischen Drucks arbeiten, Spindelpressen, die Kraftschrauben zur Kraftübertragung verwenden, und mechanische Pressen, die zur Kraftübertragung eine kinematische Verbindung von Elementen nutzen.

Bei hydraulischen Pressen erfolgt die Krafterzeugung, -übertragung und -verstärkung durch unter Druck stehende Flüssigkeit.Das flüssige System weist die Eigenschaften eines Feststoffs auf und stellt ein sehr positives und starres Medium zur Kraftübertragung und -verstärkung dar.Bei einer einfachen Anwendung überträgt ein kleinerer Kolben Flüssigkeit unter hohem Druck auf einen Zylinder mit einer größeren Kolbenfläche und verstärkt so die Kraft.Es besteht eine einfache Übertragung großer Energiemengen bei praktisch unbegrenzter Kraftverstärkung.Es hat auch einen sehr geringen Trägheitseffekt.

Eine typische hydraulische Presse besteht aus einer Pumpe, die die Antriebskraft für die Flüssigkeit bereitstellt, der Flüssigkeit selbst, die das Medium der Kraftübertragung über hydraulische Rohre und Anschlüsse darstellt, Steuergeräten und dem hydraulischen Motor, der die hydraulische Energie an der Stelle in nützliche Arbeit umwandelt des Belastungswiderstandes.

Die Hauptvorteile hydraulischer Pressen gegenüber anderen Pressentypen bestehen darin, dass sie positiver auf Änderungen des Eingangsdrucks reagieren, Kraft und Druck präzise gesteuert werden können und die gesamte Kraftgröße während des gesamten Arbeitshubs der Pressen verfügbar ist Widderfahrt.Wenn eine sehr große Nennkraft erforderlich ist, werden hydraulische Pressen bevorzugt.

Die hydraulische Presse ist eine unschätzbar wertvolle Ausrüstung in der Werkstatt und im Labor, insbesondere für Pressmontagevorgänge und für die Verformung von Materialien, beispielsweise bei Metallumformungsprozessen und Materialprüfungen auf Festigkeit.Ein Blick in die Werkstatt in Nigeria zeigt, dass alle Maschinen dieser Art ins Land importiert werden.Ziel ist es daher, eine Presse zu konzipieren und herzustellen, die kostengünstig ist und hydraulisch betrieben wird, wobei lokal gewonnene Materialien zum Einsatz kommen.Dies wird nicht nur dazu beitragen, die in Form von Devisen verlorenen Gelder zurückzugewinnen, sondern auch das Niveau unserer lokalen Technologie bei der Nutzung der hydraulischen Kraftübertragung durch Flüssigkeiten verbessern.

2. Designmethodik

Fluidtechnische Systeme werden objektiv entworfen.Das Hauptproblem, das beim Entwurf des Systems gelöst werden muss, besteht darin, die gewünschte Leistung des Systems in den hydraulischen Systemdruck umzuwandeln.

Abb. 1. Schematische Darstellung der hydraulischen Presse.Volumendurchflussrate und Anpassen dieser Eigenschaften an eine verfügbare Eingabe in das System, um den Betrieb aufrechtzuerhalten.

Zu den Hauptparametern der Konstruktion gehörten die maximale Last (300 kN), die Distanz, die der Lastwiderstand zurücklegen muss (Kolbenhub, 150 mm), der Systemdruck, die Zylinderfläche (Kolbendurchmesser = 100 mm) und der Volumenstrom des Arbeitsmediums.Zu den kritischen Komponenten, die einer Konstruktion bedürfen, gehörten der Hydraulikzylinder, der Rahmen und der Hydraulikkreislauf (Abb. 1).

2.1.Komponentendesign

● Hydraulischer Zylinder:

Hydraulikzylinder haben eine rohrförmige Struktur, in der ein Kolben gleitet, wenn Hydraulikflüssigkeit in ihn eindringt.Zu den Konstruktionsanforderungen gehören die Mindestwandstärke des Zylinders, der Endabdeckplatte, die Flanschstärke sowie die Spezifikation und Auswahl der Anzahl und Größe der Schrauben.Die erforderliche Ausgangskraft eines Hydraulikzylinders und der dafür zur Verfügung stehende Hydraulikdruck bestimmen die Fläche und Bohrung des Zylinders sowie die Mindestwandstärke.

● Zylinderendabdeckplatte:

Die Dicke T der Abschlussplatte, die am Umfang durch Bolzen abgestützt ist und einem gleichmäßig über die Fläche verteilten Innendruck ausgesetzt ist, ergibt sich aus Gl.(2) aus Khurmi und Gupta (1997), als: T = KD(P/δt) 1/2, (2) wobei: D = Durchmesser der Endabdeckplatte (m), 0,1;K = Koeffizient je nach Plattenmaterial, 0,4, nach Khurmi und Gupta (1997);P = Innenflüssigkeitsdruck (N/m2), 38,2;δt = Zulässige Bemessungsspannung der Abdeckung.Plattenmaterial, 480 N/m2;Daraus wurde eine Dicke der Platte von 0,0118 m ermittelt.

● Bolzen:

Der Zylinderdeckel kann mit Schrauben oder Stehbolzen befestigt werden.Die mögliche Anordnung zur Befestigung der Abdeckung mit Schrauben ist in Abb. 2 dargestellt. Um die richtige Größe und Anzahl der zu verwendenden Schrauben (n) zu ermitteln, gilt die folgende Gleichung.(3) wurde wie von Khurmi und Gupta (1997) übernommen verwendet: (πDi 2 /4)P = (πdc 2 /4)δtbn, (3) wobei;P = Interner Flüssigkeitsdruck (N/m2);Di = Innendurchmesser des Zylinders (m);dc = Kerndurchmesser des Bolzens (m), 16 × 10-3 m;δtb = Zulässige Zugfestigkeit der Schraube.

Wenn die Größe der Schraube bekannt ist, kann die Anzahl der Schrauben berechnet werden und umgekehrt.Wenn jedoch der Wert von n wie erhalten ist.Ist die obige Zahl ungerade oder ein Bruch, so wird die nächsthöhere gerade Zahl übernommen.Die Anzahl der Schrauben wurde auf 3,108 berechnet, daher wurden vier Schrauben gewählt.Die Festigkeit der Verbindung zwischen Zylinder und Endabdeckplatte hängt von der Umfangssteigung Dp des Bolzens ab, die aus Gl.(4): Dp = Di + 2t + 3Dc, (4) wobei: t = Dicke der Zylinderwand (m), 17 × 10-3.

● Zylinderflansch:

Bei der Konstruktion des Zylinderflansches geht es im Wesentlichen darum, die Mindestdicke tf des Flansches zu erreichen, die aus Biegebetrachtungen ermittelt werden kann.Hier wirken zwei Kräfte, eine aufgrund des Flüssigkeitsdrucks und eine andere, die dazu neigt, den Flansch aufgrund der Abdichtung zu trennen, der durch die in den Schrauben erzeugte Spannung standgehalten werden muss.Die Kraft, die versucht, den Flansch zu trennen, wurde aus Gleichung (1) mit 58,72 kN berechnet.(5): F = (π/4)D1 2 P, (5) wobei: D1 = Außendurchmesser der Dichtung, 134 × 10-3 m.

● Bestimmung der Flanschdicke:

Die Dicke des Flansches tf kann ermittelt werden, indem die Biegung des Flansches um den Abschnitt AA berücksichtigt wird, der der Abschnitt ist, entlang dessen die Biegung des Flansches am schwächsten ist (Abb. 3).Diese Biegung wird durch die Kraft in zwei Schrauben und den Flüssigkeitsdruck im Zylinder hervorgerufen.

Daher ist Gl.(6) ergab eine Flanschdicke von 0,0528 m: tf = (6M)/(bδf), (6) wobei: b = Breite des Flansches im Abschnitt AA, 22,2×10-3 m;δf = Scherspannung des Flanschmaterials, 480 N/m2;M = Resultierendes Biegemoment, 5.144,78 Nm.

● Kolben:

Die erforderliche Größe der Kolbenstangensäule, die erforderlich ist, um der aufgebrachten Last standzuhalten und die mit der Mittellinie der Zylinderbohrung ausgerichtet ist, wird von der Festigkeit des Stangenmaterials und der auf die Stangensäule ausgeübten Kraft beeinflusst Kompression, die Einbausituation des Zylinders selbst und der Hub, über den die Last aufgebracht werden soll.

Das Verfahren zur Berechnung der Kolbenstangensäulengröße und der Zylinderlängen unter Endschubbedingungen wurde unter Verwendung des von Sullivan vorgeschlagenen Verfahrens durchgeführt.Dadurch betrug die Größe der Kolbenstange einen Durchmesser von nicht weniger als 0,09 m für den Entwurf als ausreichend angesehen.

● Auswahl an Dichtungen:

Dichtungen werden verwendet, um interne und externe Leckagen im System bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen von Druck und Geschwindigkeit zu verhindern.Die ausgewählte statische Dichtung nutzt das Nut-Ring-Prinzip zur Abdichtung.Das Nutmaß wird berechnet so dass der ausgewählte Oring um 15–30 % in einer Richtung komprimiert werden muss und 70–80 % des freien Querschnittsdurchmessers entspricht.Das Problem bei der Auswahl einer statischen Dichtung besteht darin, die Nut so zu spezifizieren, dass ein O-Ring komprimiert werden kann in eine Richtung und in eine andere ausgeweitet, Deshalb;Für die Dichtung wurde ein Nutmaß von 4 mm × 3 mm vorgegeben.

2.2.Rahmendesign

Der Rahmen bietet Befestigungspunkte und behält die richtige relative Position der darauf montierten Einheiten und Teile während der gesamten Betriebsdauer und unter allen spezifizierten Arbeitsbedingungen bei.Es sorgt auch für die allgemeine Steifigkeit der Maschine (Acherkan 1973).Beim Entwurf kommt es auf die direkte Spannung an, die auf die Säulen ausgeübt wird.Andere Rahmenelemente wie die Aufspannplatten (wie in unserem Fall) unterliegen einfachen Biegebeanspruchungen.

● Platte:

Die obere und untere Platte bieten direkten Kontakt mit dem zu komprimierenden Objekt.Daher unterliegen sie einer reinen Biegebeanspruchung aufgrund eines gleichen und entgegengesetzten Paares, das in derselben Längsebene wirkt.Das Design Die Betrachtung betrifft im Wesentlichen die Biegung und besteht in erster Linie aus der Bestimmung des größten Wertes des Biegemoments (M) und der Scherkraft (V), die im Träger erzeugt werden und bei 45 kN/m bzw. 150 kN liegen.Diese wurden nach dem angewandten Verfahren berechnet.

● Abschnittsmodul:

Die erhaltenen Werte von V und M erleichtern die Berechnung des Widerstandsmoduls der Platten.Dies ergibt die minimale Tiefe (Dicke) d und wurde aus Gleichung (1) zu 0,048 m berechnet.(7): d = [(6M)/(δb)]1/2, (7) wobei;M = Maximum Biegemoment, 45 kN/m;b = 600 × 10-3 m;δ = 480 × 106 N/m2 .

2.3.Pumpe

Der anfängliche Parameter bei der Konstruktion besteht darin, den am Zylinder erforderlichen maximalen Flüssigkeitsaustrittsdruck abzuschätzen. Anschließend wird ein Faktor hinzugefügt, um den Reibungsverlust im System zu berücksichtigen.Es wurde ein Wert von 47,16 x 106 N/m² ermittelt.

Der Pumpvorgang wird durch ein Hebelsystem ausgelöst.Die tatsächliche Länge des Hebels wurde mit 0,8 m ermittelt.Dies wurde unter der Annahme einer maximalen theoretischen Anstrengung und unter Berücksichtigung des Moments um den Drehpunkt berechnet.

3.Detailliertes Herstellungsverfahren

200 mm × 70 mm U-Profilstahl wurde vor Ort vom Baustahllieferanten bezogen und zwei 200 × 400 × 40 mm große Stahlplatten wurden vom Schrottplatz in Benin City, Nigeria, bezogen.Nach der Bestimmung der Hauptabmessungen des In der Werkstatt, in der der Rahmen hergestellt wurde, wurden mit einer elektrischen Bügelsäge zwei 2.800 mm lange Abschnitte aus dem Stahl geschnitten, die für die Konstruktion entscheidend waren.Ein Rohr mit einem Durchmesser von 150 mm und einem Innendurchmesser von 90 mm wurde ebenfalls vom Schrottplatz erhalten wurde auf der Drehmaschine auf Φ100 mm gebohrt und geläppt.Außerdem wurde ein röhrenförmiges Flussstahlrohr mit einem Durchmesser von 70 mm und einer Dicke von 15 mm erhalten, das an einem Ende auf einen Durchmesser von 60 mm gedreht wurde, um die Dichtung und das Dichtungsgehäuse aufzunehmen.Kolben und Zylinder wurden zusammengebaut und mit Schrauben, die zuvor zusammengeschweißt wurden, an der Basis des Rahmens befestigt.Außerdem wurde eine Führungsschiene aus einem Stahlrohr bereitgestellt, um die geradlinige vertikale Bewegung der Aufspannplatte zu ermöglichen.Die Aufspannplatten wurden aus Stahl gefertigt Platte und zwei Löcher von Φ20 mm wurden an beiden Enden für den Führungsschienendurchgang gebohrt.Die untere Platte wurde oben auf dem Kolben montiert und durch eine darauf eingearbeitete Aussparung in Position gehalten.Außerdem wurde ein Kalibrierring aus einer 10 hergestellt Eine ca. 20 mm dicke Weichstahlplatte wurde zwischen der oberen Platte und der Querstange der Presse platziert, wie in Abb. 1 dargestellt.

3.1.Ergebnis des Leistungstests

Es ist üblich, technische Produkte nach der Herstellung einer Prüfung zu unterziehen.Dies ist ein bedeutender Schritt im Herstellungsprozess.Im Rahmen von Tests wird das Produkt überprüft, um festzustellen, ob die funktionalen Anforderungen erfüllt sind Herstellungsprobleme, Feststellung der Wirtschaftlichkeit usw.

Daher werden Tests durchgeführt, um die Wirksamkeit des Produkts nachzuweisen.Bei der hydraulischen Presse ist die Dichtheitsprüfung die wichtigste Prüfung.Der Test begann mit dem ersten Ansaugen der Pumpe.Anschließend wurde die Flüssigkeit abgepumpt. Dies wurde im Leerlaufzustand durchgeführt.Die Maschine wurde zwei Stunden lang in dieser Position stehen gelassen.

Anschließend wurde die Maschine durch zwei parallel zwischen den Aufspannplatten angeordnete Druckfedern von konstant 9 N/mm mit einer Belastung von 10 kN belastet.Anschließend wurden die Federn axial auf eine Länge von 100 mm zusammengedrückt.Diese Anordnung war Man ließ es zwei Stunden stehen und beobachtete es auf Undichtigkeiten.Eine Leckage im System wurde nicht angezeigt, da die untere Platte nicht aus ihrer Ausgangsposition herunterfiel.

4. Fazit

Eine 30-Tonnen-Hydraulikpresse wurde entworfen, hergestellt und kalibriert.Die Maschine wurde getestet, um die Konformität mit den Konstruktionszielen und die Wartungsfreundlichkeit sicherzustellen.Bei einer Testlast von 10 kN erwies sich die Maschine als zufriedenstellend.Weiter Tests zur Auslegungslast müssen noch durchgeführt werden.

5. Fehleranalyse

5.1 Übersicht

Um den Ausfall des Hauptzylinders der Viersäulen-Hydraulikpresse zu analysieren, verdienen die folgenden Probleme Aufmerksamkeit:

●Eine eingehende Analyse des Diagramms des Hydrauliksystems in Kombination mit der relevanten Elektromagnet-Aktionstabelle und zugehörigen Schaltplänen erarbeitet den vollständigen Funktionsmechanismus des Schaltkreises und ermöglicht gleichzeitig ein korrektes Verständnis der Absichten und Ideen des Schaltkreisdesigns sowie der technischen Aspekte ergriffenen Maßnahmen und den damit verbundenen Hintergrund.

●Entsprechen Sie dem Funktionsprinzipdiagramm der hydraulischen Presse und dem tatsächlichen Objekt, um einen bestimmten Eindruck zu hinterlassen, der Rohrleitung im Hydraulikkreislauf. Das schematische Diagramm unterscheidet sich häufig stark vom tatsächlichen Objekt.Machen Sie nach Möglichkeit den Zusammenhang zwischen der Kollision zwischen den Ventillöchern auf der Ventilplatte und dem Barrierewiderstand deutlich.Diese Faktoren hängen eng mit der Schaltungsinspektion zusammen.

● Schlagen Sie in relevanten Büchern und Materialien nach, um die Grundlage für die Beurteilung der Eigenschaften hydraulischer Geräte zu finden, und beurteilen Sie diese dann.

●Erkunden Sie anhand relevanter Webseiten, Bücher und Gerätehandbücher den Fehlermechanismus und die damit verbundenen analytischen Testmethoden.

●Analyse des fehlenden Haltedrucks im Hauptzylinder

Wie in der Abbildung gezeigt, verwendet der Hauptzylinder der Viersäulen-Hydraulikmaschine ein Flüssigkeitsfüllventil, um eine schnelle Abwärtsbewegung zu erreichen.Der Hauptzylinder hält den Druck oft nicht aufrecht.Für diese Maschine gelten Druckhalteanforderungen und im Allgemeinen ist ein Druckabfall von <2 bis 3 MPa innerhalb von 10 Minuten erforderlich.

Analyse: Wenn der Hauptzylinder den Druck nicht aufrechterhält, muss es sich um ein Druckölleck handeln.Aus der schematischen Analyse geht hervor, dass es mit dem Ölkreislauf zusammenhängt und es nicht mehr als 5 Komponenten gibt, die Leckagen verursachen.

●Rohre und Verbindungen: Spannung, schlechte Schweißung, Risse usw.;

● Haltedruck-Rückschlagventil: schlechte Abdichtung;

●Füllventilkörper: schlechte Abdichtung oder lockerer Ventilsitz;

●Druckstange des Füllventil-Steueröls: etwas länger, kleine Spule anheben und entladen

●Hauptzylinderkolben (Führungsbuchse): Der Dichtring ist beschädigt.

Ausschlussmethode: Überprüfen und schließen Sie anhand der Analyseergebnisse von einfach bis komplex, von außen nach innen aus.

Überprüfen Sie zunächst die Rohrleitungen und Verbindungen (von einfach bis komplex, von außen nach innen) und führen Sie die ersten Schweißarbeiten auf schlechte Schweißnähte und Risse durch.Am besten entfernen Sie die O-Ring-Dichtungen an den Verbindungsstellen und erhitzen die Biegungen durch Sauerstoffschweißen, bis sie rot werden. Setzen Sie die Mutter leicht auf und warten Sie, bis sie abgekühlt und fest geworden ist, bevor Sie sie zusammenbauen.

Liegen keine Mängel an den Rohrleitungen und Verbindungen vor, überprüfen Sie das druckhaltende Rückschlagventil (von außen und innen), entfernen Sie den Rückschlagventilstopfen, polieren Sie dessen Dichtlinie, schleifen Sie es mit dem Ventilsitz, reinigen Sie es und montieren Sie es.

Wenn der Hauptzylinder nach der Überprüfung des Rückschlagventils den Druck immer noch nicht aufrechterhalten kann, überprüfen Sie das Steuerventil des Füllventils (von außen und innen), entfernen Sie die Steuerölstange und blockieren Sie das Steueröl, um zu prüfen, ob der Druck aufrechterhalten wird.Wenn es nicht möglich ist, den Druck aufrechtzuerhalten, um festzustellen, ob der Putter lang ist, schleifen Sie das Ende des Putters ab.Nach Überprüfung der Stößelstange kann der Druck nicht aufrechterhalten werden.Das Füllventil sollte überprüft werden.Der Hauptzweck besteht darin, zu prüfen, ob die Dichtungslinie und der Sitzring locker sind.Den Sitzring polieren oder schleifen oder wieder zusammenbauen.

Nach der Überprüfung des Füllventils kann der Druck nicht aufrechterhalten werden und es kann festgestellt werden, dass der Dichtungsring des Hauptzylinders beschädigt ist, und er kann entfernt und ersetzt werden.