Возможности и эффективность модернизации встряхивающих и встряхивающе-прессовых формовочных машин

Вербицкий В.И., Рожнов С.П.


Сущность проблемы
В России и странах СНГ для механизированного изготовления полуформ используются многие тысячи встряхивающих и встряхивающе-прессовых формовочных машин (ВФМ и ВПФМ). Эти машины в подавляющем большинстве изношены, морально устарели и не обеспечивают нужного качества форм и отливок. Негатива добавляют и органические недостатки используемого процесса уплотнения смеси: большая длительность уплотнения встряхиванием, сопровождающегося сильными шумом и вибрациями, малая эффективность подпрессовки под низким давлением. Замена этих машин на более современные иностранные требует очень больших затрат, поэтому в большинстве случаев представляется рациональным проводить модернизацию ВФМ и ВПФМ. Перспективность модернизации определяется тем, что даже в лучших известных машинах возможности процессов уплотнения формовочных смесей из-за неполного технологического соответствия и энергетического и конструктивного несовершенства оборудования используются всего лишь на 10...40 %.
Пути модернизации:

  • Оптимизация параметров существующих встряхивателей, прессов, вибраторов и механизмов вытяжки.
  • Расширение технологических возможностей ФМ путем введения новых механизмов и коренного улучшения работы существующих.
  • Разработка новых конструкций основных функциональных узлов ФМ с обеспечением патентной чистоты.
  • Разработка новой рациональной компоновки узлов и изменение несущей (силовой) конструкции.

При модернизации встряхивателей выполняются следующие работы:
-   Согласование мощности встряхивателя (в основном определяемой
диаметром встряхивающего цилиндра), давления воздуха в магистрали и
полезной нагрузки на стол.

  • Оптимизация системы воздухораспределения, включающая уточнение сечений и расположения каналов и (или) разработку специальных клапанов и золотников.
  • Улучшение центрирования стола и уплотнения встряхивающей пары, замена цилиндрических скалок, предотвращающих поворот стола вокруг вертикальной оси, роликовыми направляющими.
  • Совершенствование виброударной системы с целью повышения эффективности использования энергии ударов для уплотнения формовочной смеси.
  • Защита центрирующих поверхностей от пыли и формовочной смеси путем использования кожухов и экранов.
  • Снижение шума за счет уменьшения числа ударов, установки на ударных поверхностях амортизирующих прокладок, экранирования места удара и спокойного удаления отработавшего воздуха в атмосферу.

Модернизация прессов выполняется следующими путями:

  • Увеличение диаметра прессового цилиндра, улучшение центрирова­ния пресспоршня в цилиндре, изменение уплотнения и конструкции огра­ничителя хода поршня.
  • Уточнение диаметра трубопровода для подвода воздуха с тем чтобы достигнуть нужной динамики прессования.
  • Разработка и встройка в пресс ударного вибратора для повышения эффективности уплотнения прессованием нижних и средних слоев смеси.
  • Замена жестких прессовых колодок эластичными с целью выравнивания давления на различные столбы смеси.

Совершенствование механизмов вытяжки осуществляется за счет использования современных конструкций приводных цилиндров и передаточ­ных механизмов, а также надежных систем синхронизации движения ис­полнительных устройств (вытяжных штырей или роликов).


Примеры
Для примера рассмотрим эффективность модернизации встряхивателя широко известной ВПФМ мод.271. В этой машине диаметр встряхивающего цилиндра 100 мм, воздух подводится из магистрали во внутренний ресивер и далее через систему каналов и проточек попадает во встряхивающий цилиндр, вызывая движение стола с полезной нагрузкой вверх. По ходу движения вверх перекрываются впускные каналы, происходит расширение воздуха, а затем открываются выхлопные каналы и воздух выходит в атмосферу. Стол проходит вверх еще некоторое расстояние по инерции, затем меняет направление движения и падает вниз под действием сил тяжести. В конце хода вниз стол соударяется с верхним торцом лежащего на станине фланца пресспоршня и резко тормозится. Слои и объемы смеси продолжают движение вниз по инерции и уплотняются, уплотнению способствует и отскок стола после удара. Однако использование подводимой энергии на уплотнение смеси оказывается относительно низким, очень много энергии рассеивается при вертикальных колебаниях станины и фундамента и вибрации всех деталей машины и элементов оснастки.
По разработанной в МГТУ им.Н.Э.Баумана методике моделирования динамических процессов в технологических машинах проведено компьютерное моделирование работы встряхивателя и выполнена комплексная оценка его работоспособности и эффективности. При этом учитывали, что на столе машины закреплена модельная плита и установлена опока с размерами 470x350x210 мм, по центру которой размещена громоздкая прямоугольная модель с размерами 260x200x100 мм. Масса уплотняемой смеси составляет примерно 50 кг, суммарная масса оснастки - 60 кг. Объем смеси разделен на 2 слоя равной массы, взаимодействующие друг с другом и с оснасткой.
На рис.1 представлены графики изменения средней плотности слоев смеси ps при работе существующего («фирменного») встряхивателя и вписанного в те же габариты модернизированного встряхивателя. На «фирменном» встряхивателе, несмотря на высокое значение силы удара и, соответственно, очень резкое торможение стола при ударах, амплитуда вертикальных сжимающих напряжений нарастает от удара к удару сравнительно медленно. В то же время станина сильно разгоняется вниз и воздействует на фундамент, колебания фундамента вызывают вибрации пола и строительных конструкций цеха. Расход воздуха составляет за 3 с 0,0123 нм3, к.п.д. преобразований энергии подводимого воздуха в полезную работу – η ≈ 9 %. Таким образом в известной ФМ встряхиватель выполняет минимальную полезную работу, но генерирует сильные вибрации на рабочем месте и шум.
В модернизированном встряхивателе изменена конструкция всего встряхивающе-прессового узла, пресспоршень выполнен тяжелым и встряхивание выполняется на воздушной подушке. В модернизированном механизме реализуются менее частые, но немного более сильные удары (увеличение силы удара составляет ~20 %). Но рост сжимающих напряжений в слоях смеси значительно больше, при 9-м ударе амплитуда напряжений больше, чем на обычной ФМ мод. 271 при 9 ударе, в 3,2 раза. Кроме того, в каждом цикле встряхивания, помимо главного удара, наблюдаются повторное соударения стола и пресспоршня, вызывающие дополнительное сжатие и уплотнение смеси. К.п.д. при модернизации значительно повышается, за 3 с встряхиватель потребляет всего 0,0091 нм3 воздуха, но энергия воздуха значительно полнее преобразуется в полезную работу - η ≈ 24 %. Модернизированный встряхиватель уплотняет смесь в обоих слоях значительно быстрее, эффективность каждого цикла встряхивания выше более чем в 2 раза. Причем плотность смеси, полученная с помощью модернизированного встряхивателя за 3 с, не достигается при работе «фирменного» механизма даже за 8 с. В то же время амплитуда силы воздействия станины на фундамент в модернизированном встряхивателе меньше, чем в исходной конструкции, в 2,5 - 3,0 раза.
На рис. 2 сопоставлена технологическая эффективность «фирменного» и модернизированного прессов в известной ВПФМ типа Osborn 703. Проект модернизации разработан специалистами МГТУ и ООО «Спецлиттех» по заданию Чебоксарского агрегатного завода, изготовление модернизированной ФМ планируется в 2003 г. При модернизации диаметр пресса увеличен с 480 до 500 мм, в пресспоршень встроен среднечастотный ударный вибратор, для повышения прочности и жесткости несущей конструкции усилены стойки и траверса машины. При модернизации изменена конструкция и встряхивателя, что позволяет увеличить плотность слоев смеси перед прессованием, однако для сопоставимости результатов расчетов начальная (перед прессованием) средняя плотность слоев смеси принята одинаковой. Расчет проводили при расчленении всего уплотняемого объема смеси на 3 горизонтальных слоя. При «чистом» прессовании верхний слой уплотняется очень быстро до конечного значения в основном за счет динамики пресса, а уплотнение нижнего слоя растягивается на значительно большее время. При прессовании с вибрацией уплотнение всех слоев происходит более синхронно. Удары ударника вибратора по хвостовику стола приводят к импульсному повышению давления на смесь и вибрации оснастки и смеси, что способствует снижению внешнего и внутреннего трения и повышению эффективности прессования - конечное давление в нижнем и среднем слоях смеси выше, чем при чистом прессовании. Прирост плотности при использовании вибрации сравнительно с «чистым» прессованием составляет для нижнего слоя смеси 54 кг/м3, несколько уменьшается разброс плотности по высоте полуформы. Расчеты показывают, что можно существенно повысить эффективность даже маломощных пневматических прессов.


Выводы

  • Грамотная модернизация одного лишь встряхивателя позволяет существенно повысить плотность полуформ и снизить массу отливок.
  • При модернизации встряхивателя и пресса удается обеспечить любую необходимую степень уплотнения, используя обычные недорогие смеси.
  • При модернизации ФМ не требуется замена модельно-опочной оснастки, причем пропорционально уменьшению числа ударов встряхивания (в 2,5 и более раз) снижается износ оснастки и повышается ее долговечность.
  • Применение современных технических решений в конструкции основных узлов ФМ позволяет снизить затраты на ремонт и обслуживание машин.
  •    Достигается улучшение условий труда за счет снижения шума, вибраций и пылеобразования.
Встряхивающие машины

Ход уплотнения слоев на ФМ мод. 271 ;
с помощью встряхивателей разной структуры. ;
Опока 470х350х210 мм Ms = 50 кг&

Встряхивающие машины

Уплотнение смеси

На ФМ мод. Osborn 703 при Рм = 5,5 бар
 Опока 960х700х200 мм Ms = 217 кг
 4 мод. низа отопительного радиатора


©Спецлиттех 2015
Яндекс.Метрика