ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA STROJNÍ

Transkript

1 ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA STROJNÍ Studijní program: B 301 Strojírenství inženýrství Studijní zaměření: BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Posuv hydraulického lisu pomocí dvouválce posuvu Autor: Tomáš HAJŠMAN Vedoucí práce: Ing. Miroslav DUNÍK Akademický rok 01/013 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

2 Prohlášení o autorství Předkládám tímto k posouzení a obhajobě bakalářskou práci, zpracovanou na závěr studia na Fakultě strojní Západočeské univerzity v Plzni. Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci vypracoval samostatně, s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených v seznamu, který je součástí této práce. V Plzni dne: podpis autora Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

3 ANOTAČNÍ LIST BAKALÁŘSKÉ PRÁCE AUTOR Příjmení Hajšman Jméno Tomáš STUDIJNÍ OBOR B301 VEDOUCÍ PRÁCE Příjmení (včetně titulů) Ing. Duník Jméno Miroslav PRACOVIŠTĚ ZČU - FST - KKS DRUH PRÁCE DIPLOMOVÁ BAKALÁŘSKÁ Nehodící se škrtněte NÁZEV PRÁCE Posuv hydraulického lisu pomocí dvouválce posuvu FAKULTA strojní KATEDRA KKS ROK ODEVZD. 013 POČET STRAN (A a ekvivalentů A) CELKEM 36 TEXTOVÁ ČÁST 33 GRAFICKÁ ČÁST 3 STRUČNÝ POPIS (MAX 10 ŘÁDEK) ZAMĚŘENÍ, TÉMA, CÍL POZNATKY A PŘÍNOSY Tato bakalářská práce obsahuje konstrukční návrh posuvu hydraulického lisu pomocí dvouválce posuvu. Řešení je navrženo na základě rešerše typů hydraulických lisů a jejich posuvů. Všechny důležité parametry jsou podloženy výpočty. Práce obsahuje 3D model sestavy posuvu a výkresovou dokumentaci. KLÍČOVÁ SLOVA ZPRAVIDLA JEDNOSLOVNÉ POJMY, KTERÉ VYSTIHUJÍ PODSTATU PRÁCE hydraulický lis, posuv, dvouválec, hydromotor Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

4 SUMMARY OF BACHELOR SHEET AUTHOR Surname Hajšman Name Tomáš FIELD OF STUDY B301 Design of Manufacturing Machines and Equipment SUPERVISOR Surname (Inclusive of Degrees) Ing. Duník Name Miroslav INSTITUTION ZČU - FST - KKS TYPE OF WORK DIPLOMA BACHELOR Delete when not applicable TITLE OF THE WORK Double cylinder feed of hydraulic press FACULTY Mechanical Engineering DEPARTMENT Machine Design SUBMITTED IN 013 NUMBER OF PAGES (A and eq. A) TOTALLY 36 TEXT PART 33 GRAPHICAL PART 3 BRIEF DESCRIPTION TOPIC, GOAL, RESULTS AND CONTRIBUTIONS This bachelor thesis contains an engineering design of double cylinder feed of hydraulic press. The solution is designed on the basic research of hydraulic presses types and their feeds. All the important parameters are supported by calculations. The thesis contains 3D model of a feed assembly and drawings. KEY WORDS hydraulic press, feed, double cylinder, hydraulic motor Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

5 Obsah Přehled použitých zkratek a symbolů... 3 Úvod... 1 Hydraulické lisy Rozdělení hydraulických lisů Podle celkového uspořádání Podle pohonu Podle použité technologie Podle typu rámu... 6 Posuvy hydraulických lisů Posuv pomocí dvou hydromotorů Posuv pomocí diferenciálního pístu Posuv pomocí dvouválce Návrh dvouválce posuvu Výpočty Návrh průměru plunžru Hmotnost kovací desky Hmotnost posuvové desky Hmotnost spojovacího členu Hmotnost dvouválce Celková hmotnost posuvových hmot Síla od hmot a třecí síla Výpočet průměru plunžru Kontrola síly hydromotoru Návrh válce Počáteční parametry Výpočet Návrh plunžru Výpočet vnitřního průměru plunžru podle metody HMH Výpočet vzpěru plunžru ve vysunutém stavu Výpočet průhybu plunžru Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

6 3. Návrh spojovacího členu dvouválce Výpočet tloušťky kšiltu Kontrola kšiltu na tah Výpočet šroubů Utahovací moment šroubů Návrh čepu pro spojení kšiltu se spojovacím členem Kontrola čepu na smyk Návrh čepu pro spojení plunžru s ložem posuvu Kontrola čepu na smyk Návrh posuvové desky Výpočet a výpočtový model Výpočet průhybu posuvové desky metodou MKP Návrh lože posuvu Výpočet momentu setrvačnosti a těžiště průřezu lože Výpočet ohybového napětí lože Pevnostní kontrola zděře Návrh matice levého plunžru Výpočet průměru konce plunžru Maximální tahové napětí v závitech Počet závitů matice Minimální výška matice Vnější průměr matice Kontrola otlačení matice Výpočet úhlu pootočení matice Návrh konzole Výpočet šroubových spojů Vliv klopného momentu Zjištění vlivu klopného momentu... 9 Montáž Ekonomické a technicko-konstrukční zhodnocení Závěr Poděkování... 3 Seznam použitých pramenů a literatury Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

7 Přehled použitých zkratek a symbolů p tlak [MPa] p D dovolený tlak [MPa] F síla [N] V objem [m 3 ] ρ měrná hmotnost [kg/m 3 ] m hmotnost [kg] l, L, d délka [mm] R m mez pevnosti [MPa] f součinitel tření [-] T třecí síla [N] λ štíhlost [-] σ D dovolené tahové napětí [MPa] τ D dovolené smykové napětí [MPa] υ průhyb [mm] M moment [Nmm] q spojité zatížení [Nmm -1 ] g gravitační zrychlení [m/s - ] E modul pružnosti v tahu [MPa] W O ohybový modul průřezu [Nmm 3 ] I moment setrvačnosti [Nmm ] M O ohybový moment [Nm] n počet [-] φ úhel natočení [ rad] 3 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

8 Úvod Když jsem se na konci druhého ročníku rozhodoval, na jaký obor se na katedře konstruování zapíši, vybral jsem si obor stavba výrobních strojů a strojních zařízení. Přestože jsem měl vždy blíž k dopravní technice, chtěl jsem poznat něco nového a rozšířit své znalosti o strojích, které nejsou v běžném životě k vidění. A při výběru témata bakalářské práce mě zaujalo právě téma Posuv hydraulického lisu pomocí dvouválce posuvu, protože jsem se již v prvním ročníku seznámil z konstrukcí hydromotoru a chtěl jsem do této problematiky více nahlédnout. Práce pojednává o řešení konstrukce a montáže posuvu hydraulického lisu pomocí dvouválce posuvu. Mým zadáním a cílem je navrhnout konstrukci posuvu a dvouválce posuvu pro ingoty s maximální hmotností 35 tun a zdvihem posuvu 000 mm. V úvodu práce provedu krátké rozdělení hydraulických lisů. Dále se zaměřím na rozdělení a problematiku posuvů, pokračovat budu návrhem konstrukce a pevnostními výpočty. V závěru práce popíši montáž celku a uvedu ekonomické a technicko-konstrukční zhodnocení práce. 1 Hydraulické lisy Vývoj hydraulických lisů započal na konci 18. století, kdy si Angličan Joseph Bramah nechal patentovat hydraulický lis s ručním čerpadlem (Obr..1). V konstrukci lisu využil Pascalova objevu, že se tlak v kapalině šíří rovnoměrně v celém objemu kapaliny. Velkou výhodou těchto lisů v tehdejší době bylo, že se daly snadno řídit na dálku. Tento způsob provedení hydraulických lisů zůstal zachován až do poloviny 19. století, kdy došlo k značnému rozvoji konstrukce hydraulických lisů. [] Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13 Obr..1 - Bramahův hydraulický lis [3] U hydraulických lisů je síla na beranu vyvozena převodem tlaku pracovní kapaliny z čerpadla nebo akumulátoru. Nespornou výhodou hydraulických lisů je, že pracovní síla výstupního členu je konstantní po celém zdvihu a jsou schopny dosáhnout pracovních sil v řádech sta MN. Lisy se vyznačují nízkou hlučností, velkou živostností stroje, snadnou údržbou a širokou technologickou použitelností. [1, ] Hydraulické lisy disponují velmi dobrou regulací rychlosti výstupního členu během zdvihu a také regulací zdvihu v kterémkoliv místě zdvihu. Tím pádem se zmenší velikost de-

9 formace pracovního prostoru lisu. Proto nemusí mít hydraulické lisy tak velkou tuhost konstrukce jako klikové lisy. [1] Dále je možné provést automatizaci celého pracovního cyklu. V poslední době se používá elektronicky řízená regulace velikosti tlaku a průtoku v kterémkoliv okamžiku - integrated electronic control. Použití hydrogenerátoru a řídící elektronické karty vedlo ke zjednodušení celého hydraulického systému, pomocí něhož je možné vyrovnávat naklonění pohyblivé traverzy. Světovým trendem v dnešní době je zvyšování počtu zdvihů za minutu. Kovací lisy jsou schopné provést 80 až 10 zdvihů/min. [1] 1.1 Rozdělení hydraulických lisů Podle celkového uspořádání a) vertikální konstrukce (s horním nebo spodním pohonem) b) horizontální konstrukce Obr.. - Horizontální [1] Obr..3 - Vertikální [1] 1.1. Podle pohonu a) s přímým pohonem - pracovní kapalinou je hydraulický olej a tento typ pohonu volíme tehdy, pokud nám technologie na lisu umožní rovnoměrně odebírat výkon dodávaný čerpadlem [1] b) s akumulátorovým pohonem - pracovním médiem je emulze vody s olejem a v akumulátoru pracuje dusík nebo vzduch. Tento typ pohonu se používá u lisů, u nichž dochází k nerovnoměrnému odběru výkonu z čerpadla. Akumulátor má zajistit dodání výkonu v případě jeho nedostatku a zásobení výkonu v případě jeho přebytku. [1] c) s multiplikátorovým pohonem - rozšiřuje silové schopnosti akumulátorového pohonu. Pokud potřebujeme u nějaké operace na krátkou dobu zvýšit sílu lisu, multiplikátor znásobí sílu z akumulátoru. Lis musí být dimenzován na sílu multiplikátoru. [1] 5 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

10 1.1.3 Podle použité technologie a) kovací b) tažné c) vytlačovací - dělí se na přímé a nepřímé. U lisů s přímým vytlačováním se pohybuje razník (Obr..), u nepřímých kontejner s polotovarem. Kvalitnější výlisek vzniká při přímém vytlačování, protože materiál vytéká nejdříve z čistého jádra a struska s vměstky zůstane v nedolisku. U nepřímého vytlačování se struska s vměstky dostane i do výlisku. [] d) dílenské e) razící f) na tváření plastů 1.1. Podle typu rámu Obr.. - Přímý horizontální vytlačovací lis [] Rám je jednou z nejdůležitějších součástí lisu, protože má vliv jak na bezpečnost, tak na rozměrovou a tvarovou přesnost. [1] 1) Přístupnost pracovního prostoru a) otevřené - jednostojanové, dvoustojanové b) uzavřené (Obr..3) - stojanové, sloupové, příhradové ) Výrobní technologie rámu a) z jednoho kusu b) rámy dělené 3) Použitý materiál a) svařované b) odlévané Otevřené rámy mají tvar písmene C, proto se nazývají C - rámy. Jejich tuhost je podstatně nižší než v případě uzavřených rámů. Při působení síly se celý rám otevírá a dochází k porušení souososti spodního a horního nástroje. Z tohoto důvodu se používají pro menší lisy. Výhodou je, že pracovní prostor je přístupný ze tří stran. Uzavřené rámy disponují oproti otevřeným rámům větší tuhostí v poměru k hmotnosti, ale přístupnost je snížena na mezeru mezi sloupy lisu. 6 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

11 Obr..5 - Jednostojanový C - rám [1] Obr..6 - Dvoustojanový C - rám [1] Posuvy hydraulických lisů Funkcí posuvu stolu je přemisťovat kovadla s ingotem v přímce pod pracovním beranem hydraulického lisu. Přestože je funkce posuvu vcelku primitivní, jedná se o složité konstrukční řešení, protože jsou na posuv kladeny vysoké nároky. Posuv musí být schopen pracovat pod zátěží několika desítek tun a odolávat znečištění od kování. U velkých lisů se používají dva posuvy, jeden v příčném a druhý v podélném směru. Častěji se používá jen jeden posuv (Obr. 3.1). 7 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13 Obr Pohled na sestavu posuvu lisu v hale Stůl posuvu se buď odvaluje po válečcích, kdy dochází k čárovému styku, nebo se sune po kluzných pleších. V obou případech je nutné zajistit silné mazání dotykových ploch. Posuvový stůl je zarovnán s podlahou a skládá se z kovací a krycí desky. Kovací deska má za úkol nést kovadla, pro ně jsou v ní vybrány otvory. Dále musí být kovací deska snadno vyjímatelná. Z toho důvodu je spojena tvarovým spojem se spojovacím členem, který je navařen na krycí desku. Krycí deska kryje spodní část posuvu před nečistotami. Okolí lisu a posuvu je zakrytováno krycími plechy, které zároveň sbírají okuje z posuvové desky, která pod ně zajíždí. Pod kovací a krycí deskou je lože hydraulického lisu a posuvu. K ložím jsou přišroubovány kluzné plechy, ve kterých jsou otvory pro přívod mazání zespodu. Lože posuvu je spo-

12 jeno s ložem hydraulického lisu pomocí zděře a je uloženo na tyčových ložiscích. K loži posuvu je uchyceno srdce posuvu, hydromotor. Přehled používaných hydromotorů je zpracován níže..1 Posuv pomocí dvou hydromotorů Tato varianta obsahuje dva hydromotory s plunžrem. Každý je usazen na opačné straně posuvu tak, že válec je pevně uložen na loži posuvu, plunžr je pomocí čepu spojen se stolem posuvu a pohybuje se. Práce obou hydromotorů musí být synchronizována. To znamená, že pokud pracuje jeden, druhý je v tu chvíli vypnutý, aby nedošlo ke střetu sil obou hydromotorů a zničení posuvu. Tato varianta se v praxi používá nejčastěji kvůli jednodušší konstrukci hydromotoru a rovnoměrnému zatížení konstrukce. Nevýhodou je, že hydromotor musí být uložen na každé straně, což zvyšuje nároky na využitý prostor a servis.. Posuv pomocí diferenciálního pístu Jedná se o dvojčinný hydromotor. Uvnitř válce je píst s pístnicí a pracovní kapalina se přivádí buď do prostoru před píst, nebo do prostoru za píst, kde je i pístnice. Z toho vyplývá, že je hydromotor schopný práce ve dvou směrech, stačí tedy použít jen jeden hydromotor pro posuv stolu. To je také velkou výhodou tohoto řešení, protože pravá strana posuvu je daleko jednodušší na konstrukci. Hydromotor je nutné dimenzovat tak, aby plocha mezikruží pístu a pístnice při daném tlaku vykonala dostatečně velkou sílu pro pohyb posuvu. Jako u předešlého případu, hydromotor je pevně spojen s ložem posuvu. Pístnice je pohyblivá a je spojena se stolem posuvu pomocí čepu. Nerovnoměrné zatížení konstrukce, složitější utěsnění a namáhání pístnice na vzpěr, jsou nevýhody této varianty..3 Posuv pomocí dvouválce Znovu jde o dvojčinný hydromotor, ale konstrukce je velmi rozdílná. Jak již z názvu vyplývá, půjde o dva válce. Tyto válce jsou umístěny nad sebou v jednom těle a pracují v opačném směru. Proto musí být jejich chod synchronizován. Na rozdíl od předchozích řešení jsou plunžry pevně spojeny s ložem posuvu a válec se pohybuje společně se stolem posuvu. Obr Sestava posuvu pomocí dvouválce v řezu 8 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

13 Výhody jsou stejné jako u diferenciálního pístu. K posuvu stačí jen jeden hydromotor a pravá strana posuvu je konstrukčně jednodušší. Odlitek válce je složitější na konstrukci a výrobu, je potřeba zajistit klopný moment od posuvových sil..3.1 Návrh dvouválce posuvu Nejdůležitější částí návrhu posuvu pomocí dvouválce posuvu je zajistit prostor pro pohyb hydromotoru. Lože na straně, kde se pohybuje hydromotor, má jiný tvar než lože na straně druhé. Je v něm mezera, ve které se hydromotor posouvá po kluzných pleších, a zároveň je v tomto prostoru veden (Obr. 3.). Spojení hydromotoru se spojovacím členem (na obrázku Obr. 3.3 je červený) je provedeno čepovým spojem přes kšilt (výkres BP_S10B0055P_V01), který je přišroubován k hydromotoru a zároveň slouží jako víko válce. Spojení plunžrů s ložem je řešeno pro každý plunžr jinak. Spodní plunžr je uchycen k loži pomocí čepu. Horní plunžr má na konci závit a je spojený s konzolí pomocí matice. Detailní pohled na dvouválec posuvu v podélném řezu je na obrázku Obr Obr Podélný řez sestavou Obr Příčný řez sestavou 9 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

14 3 Výpočty Zadání: Hmotnost ingotu: m i = 35 t Hmotnost spodní části kovacího přístroje: m p = 35t Zdvih posuvu: L = 000mm Rozměry kovací desky (ŠxHxL): 00x350x800mm Pracovní tlak: p = 0MPa Pracovní kapalina: emulze vody s olejem 3.1 Návrh průměru plunžru Hmotnost kovací desky V k =, 0,35,8 =,03 m 3 ρ = 7850 kg m 3 m k = ρ V k = kg 3.1. Hmotnost posuvové desky V 1 =, 5 0,1 = 1, m 3 V = 0,5 0,05 5 = 0,135 m 3 V 3 = 0,05 0,5 5 = 0,15 m 3 m pd = ρ (V 1 + V + V 3 ) = 7850 (1, + 0,5 + 0,5) = kg Hmotnost spojovacího členu V s =, 1,7 0,35 = 1,8 m 3 m s = ρ V s = ,8 = kg 3.1. Hmotnost dvouválce D = 00 mm L = 000 mm π D π 0, V pl = L = = 0,16 m 3 V d = (0,7 0,35,5) V pl = 1,105 0,16 = 0,8505 m 3 m d = V d ρ = 0, = kg Celková hmotnost posuvových hmot m c = m k + m pd + m s + m d + m i + m p = = = = kg Síla od hmot a třecí síla f < 0,; 0,5 > Volíme f = 0,35. F = m c g = ,81 = N T = F f = ,35 = N 10 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

15 3.1.7 Výpočet průměru plunžru p F S = T πd D T π p = π 0 Volíme velikost průměru plunžru D = 00 mm z tabulky plunžro- D 188, mm vých ucpávek Kontrola síly hydromotoru π D F p = p S = p = 0 F p > T Vyhovuje. 3. Návrh válce π 00 = N Materiál válce: 63 Obr..1 - Rozměry pracovního válce 3..1 Počáteční parametry p = 0 MPa d 1 = 15 mm R m = 500 MPa k = 5,6 d = 00 mm k 1 =, R ot = 80MPa 3.. Výpočet Síla působící na plunžr F = π d 0 11 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13 hydraulický tlak průměr pouzdra pevnost v tahu materiálu válce součinitel bezpečnosti litých válců průměr plunžru součinitel pro volbu výšky příruby T namáhání na otlačení příruby = π Dovolené napětí R D = R m k = 500 = 89,9 MPa 5,6 = N

16 3...3 Válcová část D 0 = d 1 R D+0, p = 15 89,9+0, 0 = 66,56 mm Volíme R D 1,3 p 89,9 1,3 0 D 0 = 70 mm Tloušťka stěny válce γ = D 0 d 1 = = 7,5 mm Namáhání stěny válce tahem R T = F π D 0 d 1 = π (70 15 = 9,99 MPa ) Vnější průměr příruby D = F = = 39 mm Volíme 330 mm. π R ot π Návrh plunžru Z důvodu velkého průměru plunžru, což má nepříznivý vliv na hmotnost a setrvačné síly plunžru, volíme dutý plunžr. Obr.. - Rozměry plunžru Materiál plunžru: Výpočet vnitřního průměru plunžru podle metody HMH Osové napětí σ o 0, proto κ HMH = σ D. σ D 3 p σ D κ HMH = σ D 3 p = = 1,38 κ HMH = d => d d 1 = d = 00 = 150 mm 1 κ HMH 1,38 Volíme vnitřní průměr d 1 = 110 mm Výpočet vzpěru plunžru ve vysunutém stavu S = π d d 1 = π ( ) = 1 91,6 mm 1 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

17 J = π d d 1 6 λ = L S J = π ( ) 6 = 7, mm 1 91,6 = 000 7, = 70,1 skutečná štíhlost λ mez = π E = π = 88, mezní štíhlost σ u 65 Protože platí, že λ mez > λ, provedeme výpočet podle Tetmajerovy-Jasinského rovnice. σ kr = 335 0,6 λ = 335 0,6 70,1 = 91,5 MPa F D = σ kr S = 91,5 1 91,6 = N F = N F D > F => U plunžru nedojde ke vzpěru. kritické napětí dovolená síla síla plunžru Výpočet průhybu plunžru q = ρ S L g = , = 1 687,5 mm 1 spojité zatížení υ = q L 8 E J = 1 687, = 3,6 mm , Takový průhyb nevyhovuje, protože by se plunžr opíral o vnitřní stěnu válce. Proto jej musíme podepřít na konci kladkou. υ = 5 q L 38 E J = , = 0,37 mm , Průhyb s kladkou již vyhovuje. 3. Návrh spojovacího členu dvouválce Spojovací člen dvouválce má dvě důležité funkce. Jeho hlavní funkcí je zajistit spojení dvouválce se spojovacím členem posuvu. S tím je spojen pomocí čepu s kalenými pouzdry. Také zastává funkci víka dvouválce, které je utěsněno O-kroužkem. Spojení členu a dvouválce je řešeno pomocí šroubového spoje. U spojovacího členu je třeba navrhnout tloušťku kšiltu, průměr šroubů a zkontrolovat kšilt na otlačení a tah. Materiál: Výpočet tloušťky kšiltu p D ~σ D p D F S = 100 F t d t Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13 Obr..3 - Rozměry kšiltu

18 t = 3,91 mm Volíme tloušťku kšiltu t = 70 mm. Tím jsme zároveň zkontrolovali i otlačení, protože jsme vycházeli ze vzorce pro výpočet otlačení. 3.. Kontrola kšiltu na tah σ D F S = F (a d) t σ D = 59,8 MPa ( ) ,8 => Vyhovuje Výpočet šroubů Materiál: n = σ D = 50 MPa Podmínka odlehnutí: φ = 0, F (1 + φ) , F j = = σ D F j S j S j F j σ D π d min F j σ D 1 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13 = N d min F j = = 33,6 mm π σ D π 50 Volíme šrouby s válcovou hlavou se šestihranem Mx. 3.. Utahovací moment šroubů f = 0,15 s = 63 mm d = 39,0 mm d o = 3 mm p = M = M H + M Z M H = F j f d str d str = s + d o = = 53 mm M H = ,15 53 = 87 Nm M z = F j d tan(γ + φ)

19 γ = tan 1 p = tan 1 = 1,85 π d π 39,0 φ = tan 1 (f) tan 1 (0,15) = 8,53 M z = ,0 tan(1,85 + 8,53) = 79 Nm M = M H + M Z = = Nm Šrouby je potřeba dotáhnout hydraulickým utahovákem. 3.5 Návrh čepu pro spojení kšiltu se spojovacím členem Materiál: σ D = 80 MPa a = 10 mm b = 70 mm c = 70 mm d = 90 mm e = 50 mm d 1 = 190 mm d = 170 mm d 3 = 160 mm d = 150 mm Obr.. - Rozměry čepu Obr..5 - Výpočtový model čepu q = F p = = N mm 1 c 70 y: Ra y + Rb y q c = 0 Ma: q c ( b + c + 10) Rb y c + b e + 10 = 0 Rb y = q c (b + c + 10) ( 70 c + b e = ) = N + 10 Ra y = q c Rb y = = N I. x < 0; e + 10 > M(x) = Rb y x M(0) = 0 M e + 10 = = 15, Nmm II. x < e + 10; e c > 15 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

20 M(x) = Rb y x q (x e 10) M e (70) c = = 3, Nmm Protože průběh momentu v duhém intervalu má tvar obrácené paraboly, je M max maximální, platí-li: 0 = Rb y + q x e 10. x = Rb y q + e + 10 = 83,7 M max = , , III. x < e c; e c + b + 10 > M(x) = Rb y x q c (x c e 10) = 5, Nmm M e c + b + 10 = (80) = 15, Nmm M omax = 5, Nmm σ 0 = M omax W o W o = π d 3 3 π 1603 = = 0 13,9 Nmm ,9 106 σ 0 = = 6,5 MPa 0 13,9 σ D > σ 0 Vyhovuje Kontrola čepu na smyk τ D = 60 MPa τ = F S = F p = π d π 150 = 35,55 MPa τ D > τ Vyhovuje. 3.6 Návrh čepu pro spojení plunžru s ložem posuvu Materiál: σ D = 80 MPa a = 50 mm b = 70 mm c = 100 mm d = 10 mm e = 70 mm d 1 = 00 mm d = 170 mm d 3 = 160 mm d = 150 mm 16 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13 Obr..6 - Rozměry čepu

21 q = F p = = 6 83,16 N mm 1 c 100 y: Ra y + Rb y q c = 0 Obr..7 - Výpočtový model čepu Ma: q c ( b + c + 10) Rb y c + b e + 10 = 0 Rb y = q c (b + c + 10) 6 83, ( 70 c + b e = ) = N + 10 Ra y = q c Rb y = 6 83, = N I. x < 0; e + 10 > M(x) = Rb y x M(0) = 0 M e + 10 = = 10, Nmm II. x < e + 10; e c > M(x) = Rb y x q (x e 10) M e (100) c = ,16 = 1, Nmm Protože průběh momentu v duhém intervalu má tvar obrácené paraboly, je M max maximální, platí-li: 0 = Rb y + q x e 10. x = Rb y q + e + 10 = 95 M max = , III. x < e c; e c + b + 10 > M(x) = Rb y x q c (x c e 10) = 1, Nmm M e c + b + 10 = , (95) = 0 Nmm M omax = 1, Nmm σ 0 = M omax W o 17 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

22 W o = π d 3 3 π 1603 = = 0 13,9 Nmm , σ 0 = = 5,68 MPa 0 13,9 σ D > σ 0 Vyhovuje Kontrola čepu na smyk τ D = 60 MPa τ = F S = F p = π d π 150 = 35,55 MPa τ D > τ Vyhovuje. 3.7 Návrh posuvové desky Posuvová deska má zajistit krytí hydromotoru a také odkládací prostor. Musí být tedy dimenzována na zatížení od vlastní hmotnosti a hmotnosti ingotu Výpočet a výpočtový model 18 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13 Obr..8 - Výpočtový model posuvové desky U výpočtového modelu uvažujeme nejhorší možný způsob odložení ingotu, tedy že jeho osa bude rovnoběžná s osou desky a bude ležet přesně uprostřed. Výpočtový nosník uvažujeme jako na obrázku Obr..8. a = 50 mm b = 550 mm c = 750 mm e = 0 mm t = 80 mm

23 Výpočet průhybu od vlastní hmotnosti Materiál: m = kg l = e = 80 mm B = 900 mm H = t = 80 mm q = m g l = ,81 80 = 133,3 Nmm 1 I = 1 1 B H3 = = 09, Nmm y m = 5 q l 38 E I = , = 0,0 mm 09, Výpočet hmotnosti od položeného ingotu m i = kg F i = m i g = ,81 = N y i = 1 8 F i l 3 E I = = 0,097 mm 09, Průhyb posuvové desky y = y i + y m = 0, ,0 = 0,117 mm Maximální dovolený průhyb je 0,5 mm, proto výsledný průhyb vyhovuje Výpočet průhybu posuvové desky metodou MKP Výpočtový model je zobrazen na obrázku Obr..9. Postrádá detaily v podobě děr na nosná oka jeřábu a uložení opěrných válečků. Model je ukotven tak, že pravá kluzná plocha desky nemá žádný stupeň volnosti. Levá kluzná plocha a opěrné plochy válečků mají zakázaný pohyb pouze ve směru osy z. Model je zatížen gravitační silou a silou od hmotnosti ingotu, který má s posuvovou deskou čárový styk. 3D síť tvoří čtyřhrany s velikostí prvku 100 mm. Model byl proveden v programu NX a výpočet pomocí NX NASTRAN. Obr..9 - Výpočtový model posuvové desky 19 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

24 Obr Výsledek metody MKP Výsledný maximální průhyb desky činí y = 0,15 mm (Obr..10). Tento průhyb je na konci desky a je větší než vypočítaný, protože výpočet pomocí MKP počítá i s pohybem desky do stran. To u výpočtového modelu nelze zajistit. Pokud vybereme hodnoty uprostřed desky, průhyb se pohybuje okolo hodnoty y = 0,1 mm. Tato hodnota se již blíží výsledkům výpočtového modelu. Závěr je tedy takový, že výsledky obou metod se téměř shodují a průhyb desky vyhovuje zadané maximální hodnotě 0,5 mm. 3.8 Návrh lože posuvu Lože posuvu má několik funkcí. Musí zajistit podporu pro stůl a hydromotor, zároveň jsou s ním spojeny plunžry hydromotoru. Působí na něj zatížení od hmotností jednotlivých členů a posuvové síly Výpočet momentu setrvačnosti a těžiště průřezu lože Obr Průřez ložem a momentové plochy 0 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

25 K výpočtu momentu setrvačnosti využijeme Steinerovy věty. Na obrázku Obr..11 je zobrazen průřez lože a obdélníky představují jednotlivé plochy průřezu. Všechny stěny mají tloušťku t = 80 mm. V tabulce Tab..1 jsou zobrazeny výsledky jednotlivých výpočtů. Legenda je umístěna pod tabulkou. Tab..1 - Výsledky výpočtů B [mm] H [mm] S i [mm ] y Ti [mm] I i [mm ] c i [mm] S i *c i [mm ] ,61E+07 38,60 1,51E ,5 1,13E+07 71,10 1,76E ,6E ,60 6,0E ,5 1,13E+07 36,10 3,13E ,11E+07 6,0,91E ,5,3E ,90 1,87E ,5,3E ,90 1,65E ,55E+07 01,0 1,68E+10 Σ 65 00,95E+08 3,6E+10 Legenda: B - šířka plochy H - výška plochy S - obsah plochy y Ti - vzdálenost těžiště plochy od osy x I - moment setrvačnosti plochy k těžišti plochy c i - vzdálenost těžiště plochy od těžiště průřezu S i c i - Steinerova věta y T = S i y Ti = 1, mm S i I = I i + S i c i =, , = 3, Nmm 3.8. Výpočet ohybového napětí lože Lože posuvu bude namáháno na ohyb od hmotnosti jednotlivých členů a sil hydromotoru. Tuto kapitolu je potřeba rozdělit na dvě části. V první části bude uveden výpočet při působení levého plunžru, v druhé části pravého. Všechny hodnoty a výpočty shodné u obou částí jsou uvedeny již v této kapitole. Celková hmotnost počítá s nejhorším možným případem, kdy je kovací deska s kovadly a ingotem jednou polovinou nad ložem. To znamená, že celková hmotnost se skládá z hmotnosti hydromotoru, posuvové desky, lože posuvu, plunžrů a hmotnosti poloviny kovací desky, kovadel a ingotu. Materiál: 303 F = N m c = 1 3 kg l = 9950 mm σ D = 80 MPa 1 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

26 q = m c g 1 3 9,81 = = 10,71 Nmm 1 l 9950 I 3, W otah = = = Nmm3 830 y T 830 1, W otlak = I 3, = = Nmm 3 y T 1, Výpočet ohybového napětí při práci levého plunžru x: Ra x F = 0 y: Ra y + Rb y q l = 0 Obr..1- Výpočtový model 1 Ma: F 95 Rb y q l = 0 Rb y = F 95 + q l ,71 = = 971,3 kn Ra y = q l Rb y = ,3 = 9,8 kn I. x < 0; a > M(x) = F 95 q x M(0) = F 95 = 581, 10 6 Nmm M(a) = F 95 q a = 1199, 106 Nmm Průběh momentu (Obr..13) v prvním intervalu má tvar obrácené paraboly a postupujeme zleva, je moment M 1max = M(a). II. x < a; a + b > M(x) = F 95 q x + Rb y (x a) (a + b) M(a + b) = F 95 q +Rb y b = 0, 10 6 Nmm Protože průběh momentu (Obr..13) v duhém intervalu má také tvar obrácené paraboly, je M max maximální, platí-li: 0 = Rb y q x. x = Rb y q = 806,5 mm M max = ,71 (806,5) ,5 = 336, Nmm Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

27 Obr Průběh momentu 1 σ otah = M omax 336,6 106 = = 35, MPa W otah σ otlak = M omax 336,6 106 = = 0,01 MPa W otlak σ D > σ otlak > σ otah Vyhovuje Výpočet ohybového napětí při práci pravého plunžru x: Ra x + F = 0 y: Ra y + Rb y q l = 0 Obr..1 - Výpočtový model Ma: F 95 + Rb y 6750 q l = 0 Rb y = q l 9950 F 595,5 10,71 = ,5 = 89,8 kn Ra y = q l Rb y = ,8 = 371,3 kn I. x < 0; a > M(x) = F 595,5 + Ra y x q x M(0) = F 595,5 = 37, 10 6 Nmm M(a) = F 595,5 + Ra y a q a = 617,9 106 Nmm Průběh momentu (Obr..15) v prvním intervalu má tvar obrácené paraboly a postupujeme zleva, je moment M 1max maximální, platí-li: 0 = Ra y + q x. x = Ra y q = 3076 mm 3 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

28 M 1max = , ,71 (3076) = = 3030, Nmm II. x < a; a + b > M(x) = F 595,5 + Ra y x q x + Rb y (x a) (a + b) M(a + b) = F 595,5 + Ra y (a + b) q +Rb y b = 0, Nmm Průběh momentu (Obr..15) v prvním intervalu má také tvar obrácené paraboly a postupujeme zprava, je moment M max = M(a). Obr Průběh momentu σ otah = M omax 3030,9 106 = = 3,1 MPa W otah σ otlak = M omax 3030,9 106 = = 36,5 MPa W otlak σ D > σ otlak > σ otah Vyhovuje Pevnostní kontrola zděře Lože posuvu je spojeno s ložem lisu pomocí dvou zděří. Ty jsou namáhány od reakce Ra x = ± F. Materiál: D = 660 mm d = 560 mm τ D = 60 MPa σ D = 80 MPa Výpočet tloušťky zděře τ = F S = Ra x t (D d) τ D > τ Ra x t > τ D (D d) = = 10,7 mm 60 ( ) Volíme t = 10 mm. Obr Rozměry zděře Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

29 Kontrola otlačení zděře p D ~σ D p = F S = p D > p F = π d t π Vyhovuje. =,98 MPa 3.9 Návrh matice levého plunžru Matice slouží k upevnění levého plunžru ke konzoli, která je pevně spojena s ložem posuvu. Předepnutí bude vyvozeno ohřátím plunžru a pootočením matice o daný úhel Výpočet průměru konce plunžru Vyjdeme z podmínky otlačení mezi konzolí a plunžrem. Materiál: σ D = 80 MPa D = 00 mm p D ~σ D p D F S = F π (D d ) d D π = 173, mm F p D = π 00 π = π Volíme průměr konce plunžru d = 160 mm. Z tabulek pro lichoběžníkový závit nerovnoramenný určíme nejmenší průměr matice D 1 = 150 mm a stoupání závitu s = 10. Obr Rozměry pro výpočet matice 3.9. Maximální tahové napětí v závitech σ = F S = F π d D = 1 π ( = 58,1 MPa ) Počet závitů matice p = 30 MPa n z = σ p = 58,1 30 = 8,6 dovolený tlak v závitech 3.9. Minimální výška matice h m = s n z = 10 8,6 = 86 mm S ohledem na fakt, že v matici nebudou zabírat všechny závity, volíme výšku matice h m = 150 mm. 5 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

30 3.9.5 Vnější průměr matice D m = 1,5 d = 1,5 160 = 0 mm Kontrola otlačení matice σ D = 80 MPa σ = F F F = S m π D = m d π (0 =,8 MPa 160) σ D > σ Vyhovuje Výpočet úhlu pootočení matice Deformace plunžru d 1 = 18,0 mm s kz = 500 mm nejmenší průměr závitu plunžru šířka konzole F p = 1,5 F = 1, = 9 77 N l pl = F p s tr = F p s kz E S pl E π d 1 =, π 18, Deformace konzole d kz = 165 mm l kz = F p s kz F p s tr = E S kz E π D d kz Celková deformace l c = l kz + l pl = 0,13 + 0, = 0,35 mm Úhel pootočení matice φ = l c s 360 = 0, = 1, Skutečný úhel pootočení matice φ skut = φ + ( 3 ) = 1,6 + 3 = 15, Požadované prodloužení plunžru φ skut = l cskut s l cskut = φ skut s = 15, = 0,13 mm =, π ( = 0, mm ) = 0,3 mm 6 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

31 Potřebná změna teploty ohřevem l cskut = h kz α t t = l cskut h kz α = 0,3 = 68, , Plunžr je třeba ohřát o 68,8 a matici pootočit o 15,6, aby bylo vyvozeno potřebné předepnutí Návrh konzole Konzole slouží k upevnění levého plunžru k loži. Je s ložem spojena šroubovými spoji a musí být zkontrolována na otlačení od síly plunžru Výpočet šroubových spojů n = 1 šrouby třídy 8G σ D = 100 MPa počet šroubů Obr Rozměry konzole Maximální tlak od tahu p tmax = F S = F = = 0,396 MPa B H Ohybový moment M o = F h = = 75, 10 6 Nmm Maximální tlak od ohybu p omax = F S = F = = 0,3 MPa 1 6 B 1 H Tlak ve šroubu p š = p omax + p tmax = 0,3 + 0,396 = 0,738 MPa 7 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

32 Síla ve šroubu a síla předepnutí F š = p š S n = p š B H 0, = = N n 1 F p = 1, F š = 1, = N Minimální průměr šroubu σ D F p S = F p π d min d min F p = = 38,61 mm π σ D π 100 Volíme šrouby M Výpočet utahovacího momentu p = 3 d = 3,051 f = 0,15 s = 70 mm d o = 6 mm Utahovací moment pod hlavou M H = F p f d d O + s str = F p f = ,15 Utahovací moment závitu γ = tan 1 p = tan 1 3 = 1,7 π d π 3,051 φ = tan 1 f = tan 1 0,15 = 8,53 M z = F p d 3,051 tan(γ + φ ) = Celkový utahovací moment M = M H + M z = 509,3 + 35, = 9,6 Nm Šrouby nutné utahovat hydraulickým utahovákem Vliv klopného momentu = 509,3 Nm tan(1,7 + 8,53) = 35, Nm Během rozběhu posuvu dochází k nárůstu tření nade všechny meze. Posuv se musí takzvaně utrhnout. Pokud dochází k posuvu doprava, žádný klopný moment nevzniká, protože osa levého plunžru je v ose s posuvovými hmotami. Ale při posuvu vlevo zabírá pravý, tedy spodní plunžr, jehož osa je vzdálena od osy posuvových hmot a vzniká na krátkou chvíli klopný moment. Je třeba zjistit, jestli je klopný moment dostatečně velký, aby případně na jedné straně zvedl hydromotor. Pokud se tak stane, je nutné zajistit, aby se hydromotor nezvedal, protože by mohlo dojít k namáhání některých členů posuvu. 8 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

33 Zjištění vlivu klopného momentu Z výpočtového modelu (Obr..19) je třeba zjistit reakci Ra y, která bude zvedat hydromotor. Pokud vyjde záporná, bude při rozjezdu docházet ke zvedání hydromotoru. Spojitá zatížení představují zatížení od hmotnosti hydromotoru a jednoho plunžru. m = 6500 kg l = 675 mm q = m g l = , x: Ra y + F = 0 y: Ra y + Rb y q l = 0 = 13,63 Nmm 1 Ma: F 39,5 q l + Rb y l = 0 Obr Výpočtový model Rb y = F 39,5 + q l ,5 + 13,63 = = 76 1,9 N l 675 Ra y = q l Rb y = 13, ,9 = 1,7 N Reakce Ra y vyšla záporně. Je tedy třeba zajistit, aby se hydromotor nezvedal. To provedeme pomocí členu na obrázku Obr..0, který zastává také funkci víka. Použité šrouby jsou stejné jako v kapitole 3. na straně 13. Obr..0 - Rozměry zajišťovacího členu Kontrola zajišťovacích členů na smyk τ D = 60 MPa S = 50 0 = 1000 mm τ D Ra y S Ra y S = τ D Vyhovuje. 1,7 60 = 103,5 mm 9 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

34 Montáž Jako první je třeba usadit lože lisu. V dalším kroku se usadí lože posuvu, s ložem lisu se spojí pomocí zděře. Poté je třeba přišroubovat kluzné desky na všechna lože. Dále se do levého lože vloží hydromotor. Přepravuje se jeřábem, na vrchu jsou díry pro nosná oka. Hydromotor je třeba ukládat bez zajišťovacího členu a až po usazení se nasune a přišroubuje k hydromotoru. Na levé lože se přišroubuje konzole. Horní plunžr, předehřátý na 68,8 C, se zajistí v konzoli pomocí matice. Spodní plunžr se spojí s ložem pomocí čepu. Před usazením krycí desky a spojovacího členu se musí tyto členy svařit. Po svaření se uloží na lože, přepravují se pomocí jeřábu, na vrchu jsou díry pro nosná oka. Levou posuvovou desku se spojovacím členem je nutné uložit tak, aby bylo následně možné spojit hydromotor se spojovacím členem. To znamená, že spojovací člen bude ležet napravo od hydromotoru. Následně se spojí hydromotor a spojovací člen pomocí čepu. V poslední fázi se usadí kovací deska, která se přepravuje jeřábem, pod kryty jsou háky na lano. Nakonec se posuv zakrytuje krycími plechy. 5 Ekonomické a technicko-konstrukční zhodnocení Při konstrukci posuvu lisu bylo využito více technických postupů. V největší míře se uplatnilo použití odlitků. V tabulce Tab. 6.1 jsou uvedeny ceny jednotlivých odlitků. Cena modelů odlitků a materiálů byla odhadnuta specializovanou firmou. Aktuální cenu pro výkovky a svařence se autorovi nepodařilo zjistit, ale při uvážení cen v posledních letech by celková cena pro výkovky a svařence neměla převýšit hodnotu ,- Kč. Konečná cena se tak blíží k ,- Kč. Tab Ekonomické zhodnocení Materiál Cena materiálu Počet kusů [ks] Hmotnost 1 kusu [kg] Celková hmotnost [kg] Cena modelu Konečná cena Výkovky plunžr kšilt kluzné desky Odlitky levé lože 30 Kč Kč Kč pravé lože 30 Kč Kč Kč spojovací člen Kč Kč Kč válec hydromotoru Kč Kč Kč lože lisu 30 Kč Kč Kč kovací deska 30 Kč Kč Kč Svařence posuvová deska konzole Σ Kč 30 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

35 Závěr Cílem práce bylo navrhnout posuv hydraulického lisu pomocí dvouválce posuvu. Největším problémem během návrhu bylo zajištění pohybu hydromotoru. Ve výsledné konstrukci se hydromotor pohybuje uvnitř lože. Posouvá se v něm po kluzných deskách a zároveň je veden okolními stěnami lože. Dalším problémem bylo spojení hydromotoru a posuvových hmot. To bylo provedeno čepovým spojením spojovacího členu a hydromotoru pomocí kšiltu, který také zastává funkci víka. Posledním důležitým prvkem konstrukce byl zajišťovací člen, který má zabránit zvedání hydromotoru vlivem klopného momentu od spodního plunžru. Celková hmotnost posuvu lisu je kg a cena byla odhadnuta na ,- Kč. Snížení hmotnosti a zároveň ceny celého řešení by bylo možné optimalizací posuvových loží. Je v nich soustředěna největší hmotnost a tím pádem i prostředky na výrobu. To ovšem vyžaduje bližší prozkoumání a větší časový fond. 31 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

36 Poděkování Tato bakalářská práce byla podpořena formou odborné konzultace Evropským sociálním.fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu č. CZ.1.07./.3.00/ Popularizace výzkumu a vývoje ve strojním inženýrství a jeho výsledků (POPULÁR). Odborným konzultantem byl Ing. Miroslav Duník, kterému děkuji za poskytnuté konzultace, kvalifikované rady a odbornou pomoc při sepisování této bakalářské práce. 3 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13

37 Seznam použitých pramenů a literatury [1] ČECHURA, Milan a STANĚK, Jiří. Tvářecí stroje: hydraulické lisy. 1. vyd. Plzeň: Západočeská univerzita, s. ISBN [] STANĚK, Jiří. Základy stavby výrobních strojů: tvářecí stroje. 1. vyd. Plzeň: Západočeská univerzita, s. ISBN [3] 15GI/AAAAAAAAAA/Oo3l3eDIclk/s1600/6139_hydraulic_lg.gif 33 Západočeská univerzita v Plzni. Fakulta strojní. Bakalářská práce, akad.rok 01/13