СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

Абрамова Любов Миколаївна

УДК 621.73.06: 62 -762.8 (043.3)

УДОСКОНАЛЕННЯ ВУЗЛІВ УЩІЛЬНЕНЬ І НАПРАВЛЯЮЧИХ КОВАЛЬСЬКО-ПРЕСОВОГО ОБЛАДНАННЯ НА ОСНОВІ РОЗРОБЛЕНИХ ГІДРАВЛІЧНО РЕГУЛЬОВАНИХ ПОСАДОЧНИХ З'ЄДНАНЬ

Спеціальність 05.03.05 "Процеси і машини обробки тиском"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Луганськ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаській державній машинобудівній академії (ДДМА,
м. Краматорськ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Роганов Лев Леонідович, Донбаська державна машинобудівна академія, завідувач кафедри "Машини і технологія обробки металів тиском".

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, профессор Тараненко Михайло Євгенович, Національний аерокосмічний університет імені М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", професор кафедри "Технологія виробництва літальних апаратів";

кандидат технічних наук, доцент Діамантопуло Костянтин Костянтинович, Приазовський державний технічний університет, доцент кафедри "Ковальсько - штампувального виробництва".

Провідна установа: Державне підприємство "Завод імені В.О. Малишева", центральна лабораторія, Міністерство промислової політики України (м. Харків).

Захист відбудеться "23" березня 2007 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 29.051.02 у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля за адресою: Україна, 91034, м. Луганськ,

кв. Молодіжний, 20 а.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: Україна, 91034,

м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20 а.

Автореферат розісланий "__22__" лютого 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої

ради Д 29.051.02, доктор технічних наук, професор Ю.І. Гутько

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Гідравлічні циліндри і направляючі є основними виконавчими і такими, що забезпечують точність роботи, механізмами в гідравлічних пресах, молотах, штампах, насосах та іншій техніці з гідроприводом. Важливим елементом гідроциліндрів є ущільнювальний пристрій, від ефективності роботи якого залежить якість, надійність і довговічність роботи гідроциліндра і всієї машини з гідроприводом. Підвищення рівня якості, надійності і довговічності роботи ущільнювальних вузлів і направляючих ковальсько-пресового обладнання (КПО) вирішує цілий ряд проблем виробничого, економічного й екологічного характеру. Існуючі направляючі й ущільнювальні пристрої гідроциліндрів КПО й інших машин з гідроприводом ще недостатньо досконалі тому, що щілина ущільнювальна в ущільненнях і зазор у направляючих у процесі їхньої експлуатації звичайно тільки збільшуються (за рахунок зносу), що погіршує характеристики машин. Дана робота спрямована на розробку і дослідження способів і пристроїв, що усувають цей недолік і забезпечують регулювання, підтримку на потрібному рівні зазору (щілини) у направляючих і ущільненнях КПО, аж до створення в них натягу. Враховуючи, що підвищення якості, надійності і довговічності ущільнень і направляючих КПО з гідроприводом має велике значення для роботи цього обладнання, можна зробити висновок про актуальність даної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до напрямку наукової школи Донбаської державної машинобудівної академії „Розробка ресурсозберегаючих технологій і машин обробки тиском на основі гідропружного і кліношарнірного механізмів” і викладена в звітах за темами: Г-11- 97 (№ держ. реєстрації 0197U016719), ДК-02-01 (№ держ. реєстрації 0102U001662), Д-02-04 (№ держ. реєстрації 0104U004040), ДК-06-04 (№ держ. реєстрації 0105U002443).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності роботи ковальсько-пресового обладнання на основі удосконалення ущільнювальних, направляючих і утримуючих пристроїв, шляхом зміни зазору в залежності від величини витоків, зносу, тертя і підвищення довговічності.

Для досягнення поставленої мети сформульовані і вирішені наступні задачі:

- створення регульованих по діаметру щілинних втулок-ущільнень для гідроциліндрів пресів з компенсацією зносу, керованих від величини витоків, і розробка патентоспроможного технічного рішення;

- розробка фізичної і математичної моделі регульованих по діаметру щілинних втулок-ущільнень гідроциліндрів пресів, методики їхнього розрахунку і проектування, а також розробка і дослідження на основі втулок - ущільнень регульованих направляючих і утримуючих пристроїв;

- експериментальні дослідження регульованих по діаметру щілинних втулок-ущільнень гідроциліндрів пресів, установлення адекватності математичного опису дослідним даним, визначення меж похибок при заданій довірчій імовірності;

- впровадження результатів роботи в навчальний і виробничий процеси.

Об'єкт дослідження - гідравлічні преси і молоти з гідроциліндрами з щілинними регульованими втулками-ущільненнями, направляючими і утримуючими пристроями.

Предмет дослідження - основні закономірності роботи щілинних втулок-ущільнень, направляючих і утримуючих пристроїв ковальсько-пресового обладнання.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження виконані за допомогою загальних методів теорії пружних систем, рішення й аналізу диференціальних рівнянь, математичного модулювання з використанням інженерних і чисельних методів.

Експериментальні дослідження проведені методами прямих вимірів з використанням серійної реєструючої і вимірювальної апаратури, які включали фізічне модулювання об’єктів і процесів на спеціально розроблених експериментальних установках. Застосовувалось проектно – конструкторське пророблення запропонованих і розроблених технічних рішень. Обробка експериментальних даних виконувалась з використанням методів математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів:

- уперше розроблені фізична і математична моделі щілинних втулок-ущільнень для гідравлічних циліндрів ковальських пресів зі зміною розмірів ущільнювальної щілини у залежності від величини витоку через зазор, матеріалів ущільнень та їхніх розмірів;

- запропоновані математичні залежності для розрахунку величин керуючого тиску у функції від необхідного зазору в щілині, витоків рідини через щілину, матеріалів втулок-ущільнень, сил тертя;

- розроблені поняття "ідеальне" ущільнення і методика експертного визначення параметрів будь-якого ущільнення відносно " ідеального";

- на основі теоретичних моделей втулок-ущільнень розроблені математичні моделі регульованих направляючих й утримуючих пристроїв для КПО.

Практичне значення отриманих результатів:

- уперше для гідроциліндрів запропонована система регульованих щілинних втулок-ущільнень, що дозволяє змінювати товщину ущільнювальної щілини у залежності від витоків рідини через щілину, зміни керуючого тиску на протилежну щілині поверхню втулки;

- на основі втулок-ущільнень розроблені конструктивні схеми регульованих направляючих і утримуючих пристроїв;

- розроблені нові конструкції регуляторів тиску, індивідуальних джерел тиску, підтверджені патентами, нові схеми насосів для ковальсько-пресового обладнання;

- розроблені методики розрахунку нових вузлів і механізмів з регульованими сполученнями.

Результати дослідження передані для реалізації на ЗАТ НКМЗ, ВАТ СКМЗ, ВАТ "ТІСО", АТ „Енергомашспецсталь” (м. Краматорськ) і прийняті до впровадження, а також упроваджені в навчальний процес кафедр МТО, ОКММ ДДМА (м. Краматорськ).

Особистий внесок здобувача. При особистій участі і керівництві автора розроблені фізична і математична моделі регульованих щілинних втулок-ущільнень для гідроциліндрів пресів і молотів, методика розрахунку параметрів і проектування комплексів регульованих втулок-ущільнень гідроциліндрів, а також регульованих направляючих і утримуючих пристроїв. Зроблено розрахунок параметрів втулок-ущільнень для гідроциліндрів різних діаметрів і втулок-ущільнень з різними співвідношеннями розмірів і матеріалів. На основі аналізу й узагальнення теоретичних результатів проведені експериментальні дослідження на розроблених і і реалізованих автором оригінальних експериментальних установках.

Апробація результатів дисертації. Наукові і практичні результати роботи автора повідомлені й обговорені на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького колективу Донбаської державної машинобудівної академії (м. Краматорськ, 2000 - 2006 р.); міжнародних науково-технічних конференціях "Перспективні технології та обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні"(м. Краматорськ, 2000, 2002 р.); міжнародних науково-технічних конференціях „Нові досягнення і перспективи розвитку процесів і машин обробки тиском” (м. Краматорськ, 2003, 2004, 2005 р.); VII міжнародній науково-практичній конференції "Наука й освіта 2004" (м. Дніпропетровськ, 2004 р.); IV міжнародній науково-практичній конференції молодих вчених і фахівців "Інтелект молодих - виробництву 2005" (м. Краматорськ, 2005 р.); міжнародній конференції "Перспективи розвитку гірничо-металургійного комплексу" (м. Краматорськ,

2004 р.); IV міжнародній науково-технічній конференції „Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку” (м. Краматорськ, 2006 р.).

Публікації. Матеріали й основні положення дисертації опубліковані в 21 друкованій праці, з яких: 18 наукових статей - у 15 спеціалізованих науково-технічних виданнях згідно з рекомендаціями ВАК України, 3 статті - у збірниках, виданих за матеріалами науково - технічних конференцій, 1 стаття - в науково- технічному журналі; отримані 6 патентів України на винахід.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Загальний обсяг роботи - 268 сторінок, у тому числі сторінок основного тексту - 123, 96 рисунків і 36 таблиць, список використаних джерел з 105 найменувань та додатків, що у сукупності займають 145 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми і показаний зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, темами. Сформульовані поставлена мета і розв'язувані задачі, дана характеристика об'єктові, предметові і методам дослідження. Показані наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, а також їхня апробація і промислове використання, відзначений особистий внесок здобувача.

У першому розділі розглянуто гідравлічне ковальсько-пресове обладнання (КПО), молоти і преси, а також штампи, ковальсько-штампувальні автомати та інші. Усі вони характеризуються наявністю важливих вузлів - гідроциліндрів з ущільнювальними пристроями, циліндричними направляючими й утримуючими пристроями для порівняно нового виду ковальського обладнання - високошвидкісних молотів з гідропружним приводом (ГПП). Від якісної, надійної роботи ущільнювальних, направляючих і утримуючих пристроїв залежить ефективність роботи усього КПО.

Великий внесок у розвиток молотів і пресів зробили О.Г. Власов,

Б.О. Гавриленко, Ю.І. Гутько, Л.І. Живов, А.Ф. Ністратов, Р.І. Рей, В.Ф. Щеглов,

Ю.О. Бочаров, Б.В. Васильєв, Б.В. Розанов, Н.В. Сторожев та інші.

Удосконаленню обладнання для процесів обробки металів тиском (ОМТ) із використанням імпульсної і гідравлічної техніки присвячені роботи О.Ю. Боташева, В.Г. Кононенко, О.Ф. Тарасова, М.Є. Тараненко, В.Н. Чачина та інші. Питанням надійності ущільнювальних пристроїв присвячені роботи Т.М. Башти,

П.В. Бриджмена, О.І. Голубєва, Л.О. Кондакова, В.М. Прокоф'єва, В. Ернста та інші.

Точність роботи КПО, направляючих у ковальсько-штампових автоматах, штампах досліджувалася в роботах Г.О. Навроцького, Б.В. Розанова, В.П. Романовського та інших.

Систематизація робіт цих вчених показала велике значення підвищення якості ущільнень, підвищення точності направляючих і утримуючих пристроїв у підвищенні надійності, коефіцієнта корисної дії (ККД) і точності КПО. Розглянута класифікація гідравлічних циліндрів, показані найбільш використовувані види ущільнень і на підставі їхнього аналізу встановлені як найбільш перспективні - щілинні ущільнення. Показано, що зміна розміру щілини є найбільш ефективним методом підвищення герметичності ущільнень. Запропоновано розробляти ущільнення з регульованим зазором у щілині в залежності від величини витоків і зносу. Регулювання зазору між втулкою і циліндричним стержнем шляхом подачі рідини під тиском на зовнішню поверхню втулки може забезпечити регулювання направляючих КПО, підвищення їхньої точності, надійності і довговічності. При доведенні зазору до нуля і натягу можливе застосування втулок як утримуючих силами тертя плунжерів ковальських машин з ГПП, що спрощує їхню конструкцію, підвищує надійність і ККД.

У другому розділі проведено вибір напрямків і методів дослідження регульованих у сполученнях втулок КПО. Показано, що удосконалення різноманітного обладнання пов'язане з поліпшенням його окремих вузлів. Такими вузлами для КПО є втулки-ущільнення, направляючі й утримуючі пристрої. Від їхньої надійної роботи залежить якість функціонування КПО в цілому. Найбільш перспективним є щілинне ущільнення, але воно має основний недолік - відсутність регулювання зазору в залежності від величини витоків. Для направляючих і утримуючих пристроїв регулювання зазору залежить від величини зносу і втрати точності роботи обладнання. Запропонована щілинна втулка, установлена на штоку, обладнана нерухомими ущільненнями на зовнішній поверхні втулки, з подачею регулюючого тиску на герметичну зовнішню поверхню (рис. 1). За рахунок деформації втулки зазор між її внутрішньою поверхнею і штоком змінюється у функції від регулюючого тиску на зовнішню поверхню втулки і може досягати нуля або від’ємного зазору (натягу). Для обслуговування регульова-ної в сполученнях втулки розроблені принципово нові регулятори тиску, джерела тиску (пат. № 58664, пат. № 68891, пат.№ 13919, пат. № 16487), приведені їхні схеми й описи. Показано, що регульовані втулки можуть служити в КПО як втулки-ущільнення, як направляючі і утримуючі пристрої. Їхнє дослідження можна проводити спільно, хоч є деякі особливості. Регульовані в сполученнях втулки (РСВ) працюють на регулювання зазору в залежності від застосовуваного матеріалу (модуля пружності матеріалу), початкового зазору, робочого тиску, в'язкості робочого середовища, його температури. Найбільш відповідальним можна вважати ущільнювальний пристрій у вигляді РСВ.

Була запропонована система експертної оцінки ущільнень. Проведено аналіз вимог до ущільнень і відповідність кожного ущільнення цим вимогам. Уведено поняття "ідеальне" ущільнення, що цілком відповідає цим вимогам (1-герметичність, 2-сили тертя, 3-знос,
4-довговічність, 5-температура, 6-тиск робочого середовища, 7-габарити, 8-вартість). Приклад використання системи експертної оцінки ущільнень наведений у таблиці 1, максимальний бал за кожною вимогою - 9.

Таблиця 1

Порівняльна оцінка різних типів ущільнень рухливих з'єднань

КПО із гідроприводом під час роботи на мінеральних маслах

№ пп | Вид ущільнення | Параметри

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | ?

1“ | Ідеальне” | 9 | 9 | 9 | 9 | 9 | 9 | 9 | 9 | 72

2 | Найбільш недосконале | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 8

3 | Щілинне, нерегульоване (притирання) | 5 | 7 | 6 | 7 | 7 | 7 | 8 | 3 | 50

4 | Поршневі кільця | 6 | 6 | 4 | 5 | 7 | 7 | 6 | 4 | 45

5 | Шевронні манжети | 7 | 3 | 4 | 4 | 4 | 7 | 4 | 3 | 36

6 | U-образна манжета | 7 | 4 | 4 | 3 | 4 | 7 | 5 | 4 | 38

7 | Круглі гумові кільця | 7 | 3 | 4 | 3 | 4 | 7 | 7 | 4 | 39

8 | Щілинне регульоване | 8 | 8 | 8 | 8 | 7 | 8 | 7 | 5 | 59

Як показує експертна оцінка, щілинне регульоване ущільнення є найбільш перспективним і воно досліджувалося в даній роботі.

У третьому розділі розглянуті фізичні і математичні моделі РСВ. Усі втулки розбиті на товстостінні, у яких rср/h < 10 і тонкостінні з rср/h >10, де rср - радіус серединної поверхні,
h - товщина стінки втулки. Товстостінні втулки розраховуються по залежностях Ляме, при цьому відносна деформація втулок під дією перемінного за довжиною втулки внутрішнього і постійного (регульованого) зовнішнього тиску визначається вираженням: , відповідно до рівнянь Ляме

, (1)

де рв, рз - тиски внутрішній, зовнішній втулки;

rвн, rз - радіуси внутрішній, зовнішній втулки.

Виразивши через коефіцієнт k1 = rз/rвн, одержуємо значення керуючого тиску ргран, при якому зазор у щілині ущільнення стає рівним нулеві:

(2)

де S0 - первісний зазор; Ем - модуль пружності матеріалу втулки; k? - коефіцієнт, що враховує ексцентриситет зазору.

Перевищення ргран приведе до натягу між втулкою і штоком або направляючою. Була складена програма розрахунку параметрів втулок на ПЕОМ, за умови rcр/h < 10 - як товстостінні втулки. Більшість втулок у КПО можна віднести до тонкостінних оболонок, у яких rcр/h > 10. Розрахункова схема тонкостін-ної втулки показана на рис.2.

Диференціальне рівняння

(3)

Знаходиться рішення, що задовольняє граничним умовам:

де W - радіальне переміщення, D=Eмh3/12(1-?2) - циліндрична твердість; a =(dз+dв)/4 - радіус серединної поверхні; h - товщина оболонки; р0, рц - відповідно при тиску на оболонку (регульований) і максимальний тиск усередині оболонки; Nx - питома осьова сила, Nx = pц h; ? - коефіцієнт Пуасона; - довжина оболонки .

Аналітичне рішення диференціального рівняння 4-го порядку (3) з урахуванням граничних умов 1 і 2 дозволяє визначати зсув точок оболонки W(x). Для проведення оптимізаційних розрахунків була складена програма розрахунків на ПЕОМ, що дозволяє, варіюючи значеннями параметрів втулки (матеріал, діаметри, довжини, тиски), визначати величини зсуву будь-якої точки на поверхні втулки, забезпечувати заданий зазор або натяг на її керованій поверхні.

У четвертому розділі подані експериментальні дослідження РСВ, проведені на спеціально розробленій експериментальній установці, схема і загальний вид якої зображені на рис. 3.

Особливістю експериментальної установки є її універсальність - здатність проводити дослідження ущільнень, направляючих і утримуючих пристроїв. Для дослідження прийняті втулки з внутрішнім діаметром 40 мм і зовнішнім діаметром 50 мм. Втулки виконані зі сталі 45, чавуну СЧ-20, латуні, капрону і текстоліту і встановлюються на плунжер діаметром 40 мм із зазорами від 0,08 до 0,11 мм.

Плунжер обладнаний осьовим і радіальним свердліннями і під дією гвинта через силовимірювач може зміщатися відносно довжини втулки, вимірюючи сили тертя, витоки, розподіл тиску і побічно наявність зазору по довжині втулки.

Робилися виміри сил тертя під час зрушування і руху, вимір витоків через ущільнення (мірною ємністю), вимір розподілу тиску за довжиною щілини, визначалася можливість створення натягу РСВ і визначення осьових зусиль для подолання натягу (рис.4).

Рис. 4. Зусилля переміщення в РСВ:
а) сталевих; б) чавунних, латунних; в) капронових, текстолітових.

На графіках показані зусилля переміщення плунжера в сталевих, чавунних, латунних, капронових і текстолітових РСВ.

На рисунку 5 наведені графіки зміни витоків через РСВ із різних матеріалів при різному тиску на їхню зовнішню поверхню.

Рис. 5. Залежність витоків через РСВ при різних тисках ррег
а) сталеві; б) чавунні, латунні; в) капронові, текстолітові

На рисунку 6 показана зміна тиску за довжиною внутрішньої поверхні РСВ при різному тиску на зовнішній поверхні.

Рис. 6. Зміна тиску за довжиною втулки:
а) сталь; б) латунь; в) текстоліт

Експериментальна установка (див. рис. 3) була дороблена введенням мультиплікатора, роздільника середовищ і була проведена серія дослідів з роботи РСВ на воді. Встановлено, що розрахункові й експериментальні значення тиску регулювання РСВ для різних матеріалів втулок збігаються з похибкою до 15%, найкращі показники в текстолітових втулках.

Проведені дослідження РСВ, що використовуються як направляючі. Вимірювалася деформація внутрішньої поверхні втулок з різних матеріалів під дією перемінного зовнішнього тиску на втулку. Встановлено, що РСВ деформуються в пружній зоні, практично по прямій лінії з відхиленнями 10 - 15%, пов'язаними з точністю вимірів (використовували нутромір індикаторний з ціною поділки 0,001 мм).

У п'ятому розділі подаються методика і результати статистичної обробки результатів вимірів відповідно до ГОСТ 8.207 - 76 "Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений".

Виконано перевірку відтворюваності результатів експерименту (критерій Кохрена), отримані дані для РСВ, наприклад, латуні Gp = 0,1387 < 0,2598 = Gkp. Перевірка адекватності опису даних дослідів (критерій Фішера), наприклад, для латунних РСВ становить F = 0,8977 < Fkp = 1,87 при рівні значимості q = 0,05. Межі похибок, розрахованих по дисперсії адекватності, становлять для величин зусиль переміщень, наприклад, латунних РСВ ± 6,2%, при довірчій імовірності Р = 0,95.

У шостому розділі подаються рекомендації з упровадження втулок-ущільнень (ВУ), направляючих і утримуючих пристроїв у КПО. РСВ найбільш ефективні для застосування в гідроциліндрах КПО. Як приклад (рис.7) показане креслення робочого циліндра для приводу висувного столу гідродинамічної установки ГДУ - 32, призначеної для об'ємного і листового штампування. Відмінною рисою циліндра є установка індивідуальних джерел тиску для ВУ на штоку і поршні гідроциліндра.

Рис. 7. Креслення робочого циліндра поршневого типу для гідродинамічної установки ГДУ - 32

На рисунку 8 наведена конструкція гідроциліндра високошвидкісного молота (ВШМ) з енергією удару 40 кДж із виконанням ущільнень на штоку у вигляді РСВ, конструкція відрізняється спрощенням ущільнень.

Рис. 8. Конструкція гідроциліндра ВШМ з енергією удару 40 КДж

На рисунку 9 наведена частина з 15 схем РСВ з піджиманням клинами і тиском зовнішньої поверхні РСВ.

Рис. 9.Схеми РСВ з піджиманням зовнішньої поверхні клинами і тиском середовища

На рисунку 10 наведена конструкція ущільнення клапанного вузла триплунжерного насоса з подачею води до 1 м3/хв. і тиском 32 МПа. Клапани полегшені у 5 разів, ущільнення у вигляді РСВ компенсує знос і захищено від бруду з двох боків

б

а в

Рис. 10. Конструкція ущільнення клапанного вузла плунжерного насоса типу ГА-305:
а - розріз корпуса насоса; б - вузол захисту ущільнення від зовнішніх і внутрішніх забруднень;
в - система регулювання тиску на втулку-ущільнення

На рисунку 11 наведений насос високого тиску з плунжерами у вигляді куль з регульованим зазором.

Рис. 11. Конструкція насоса з плунжерами у вигляді кулі

Вищенаведені розробки подані для використання на ЗАТ НКМЗ, ВАТ СКМЗ, АТ “Енергомашспецсталь”, ВАТ "ТІСО", підприємство технологічного і спеціального обладнання (м. Краматорськ). Основні положення дисертації впроваджені в навчальний процес кафедр "Основи конструювання механізмів і машин" і "Машини і технологія обробки металів тиском".

ВИСНОВКИ

1. На основі аналізу існуючих типів ущільнювальних пристроїв КПО визначена перспективність застосування щілинних ущільнень як найбільш довговічних і виділений їхній основний недолік - відсутність механізму безперервного регулювання в сполученнях герметизуючої щілини в залежності від витоків і зносу. Уперше були розроблені регульовані (шляхом подачі тиску на їхню зовнішню поверхню) по діаметру щілинні втулки-ущільнення з компенсацією зносу і керовані від величини витоків через ущільнення. Показано ефективність застосування регульованих у сполученнях втулок як направляючих і утримуючих пристроїв у КПО (пресах, молотах, ковальських автоматах, штампах і інших) за рахунок компенсації зносу.

2. Набула розвитку система експертної порівняльної оцінки параметрів різних ущільнень, застосовуваних у КПО, і на її основі обґрунтована перспективність розроблювальних регульованих у сполученнях ущільнень. Розроблені нові (підтверджені шістьма патентами) технічні рішення по пристроях регулювання ущільнень, направляючих і утримуючих пристроїв.

3. Розроблені фізичні і математичні моделі нових регульованих по діаметру щілинних втулок-ущільнень, циліндричних направляючих і утримуючих пристроїв, відмінною рисою яких є врахування різного навантаження зовнішніх і внутрішніх діаметрів, механічних властивостей матеріалу втулок. Отримані аналітичні вираження розрахунку граничних регулюючих тисків для товстостінних втулок і ліній прогину тонкостінних втулок. Складені програми розрахунків на ПЕОМ деформації регульованих у сполученнях втулок при різних граничних умовах їхньої роботи. Установлено, що втулки, виконані з матеріалів з відносно малим модулем пружності (капрон, фторопласт, текстоліт), можуть утрачати стійкість, шарнірне закріплення втулок збільшує їхню стійкість, забезпечуючи зазор на обох кінцях втулок.

4. Розроблена і досліджена оригінальна експериментальна установка, що дозволила провести комплексні випробування регульованих у сполученнях втулок з різних матеріалів на мінеральному маслі і воді. Досліджувалися сили тертя, витоки через щілину, розподіл тиску по довжині регульованої щілини, установлені величини регульованого тиску, що забезпечує нульовий зазор у щілині, який залежить від матеріалу втулки, початкового зазору і в'язкості рідини. Випробування регульованих втулок на воді підтвердили їхню ефективність. Витоки води тиском 32 МПа на текстолітових втулках припиняються при тиску регулювання 10 МПа (на досліджуваних втулках rз = 25 мм, rвн = 20 мм), що відповідає розрахунковому значенню тиску з похибкою ±10%.

5. Результати досліджень оброблялися методами математичної статистики. Відтворюваність експерименту підтверджується критеріями Кохрена: Gкр> G:

Gкр = 0,2598,Gр стали = 0,210366, Gр чавун = 0,153477, Gр латун = 0,138678; Gкр = 0,393433,

Gр текст = 0,379734; Gкр = 0,48, Gр капр = 0,461078 при рівні значимості q = 0,05. Адекватність математичного опису проведених експериментів підтверджується критеріями Фішера, Fкр > F, наприклад, для латунних РСВ Fкр = 1,87, F = 0,897756; для текстолітових РСВ Fкр = 2,289, F = 0,895902 при рівні значимості q = 0,05. Межі похибок, розрахованих по дисперсії адекватності, становлять для величин зусиль переміщення: для сталевих РСВ ± 9,3% ; для чавунних РСВ ± 5,6%; для латунних РСВ ± 6,2%; для текстолітових РСВ ± 7,0%; для капронових РСВ ± 11,8% при довірчій імовірності Р = 0,95.

6. Розроблені РСВ і методики їхнього розрахунку рекомендуються для застосування як ущільнювальні пристрої в гідроциліндрах КПО, що працюють на мінеральних маслах. При їхній роботі на воді й емульсіях втулки - ущільнення повинні виготовлятися з корозійно-стійких матеріалів з низьким модулем пружності, наприклад, з текстоліту Ем = (6 – 10)•103 МПа.

Застосування РСВ як направляючих у різному КПО забезпечує підвищення точності роботи сполучень в устаткуванні, компенсацію зносу, підвищення довговічності. Розроблені 15 схем направляючих з механічним регулюванням зазору, що рекомендуються до застосування в умовах, де потрібна підвищена жорсткість. Застосування РСВ як утримуючих пристроїв у КПО з ГПП забезпечує спрощення їхньої конструкції й обслуговування, зниження габаритів, особливо при застосуванні фрикційних вставок на втулку або направляючу, підвищення ККД за рахунок зниження втрат на дроселювання рідини при спрацьовуванні. Застосування РСВ у плунжерних насосах у НАС гідропресів дозволяє збільшити довговічність плунжерів і ущільнень у кілька разів, підвищити ККД насосів. РСВ дозволили спроектувати принципово новий насос з радіально-рухливими плунжерами у вигляді куль, розміщених у гільзах у вигляді РСВ, що знижує масу насоса майже в 10 разів, займану площу в 4-5 разів, при збереженні тиску і витрати рідини.

7. Основні результати роботи за новими конструкціями і розрахунками РСВ у КПО, насосах, складанні машин прийняті для впровадження на ВАТ СКМЗ, ЗАТ НКМЗ, АТ “Енергомашспецсталь”, ВАТ „ТІСО” (м. Краматорськ). Положення дисертації впроваджені в навчальний процес кафедр "Основи конструювання механізмів і машин", "Машини і технологія обробки металів тиском" Донбаської державної машинобудівної академії в дисциплінах "Стандартизація, метрологія, контроль", "Метрологія, стандартизація, сертифікація", "Ковальсько-пресове обладнання", "Сучасне обладнання КШЦ", а також при курсовому і дипломному проектуванні.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Роганов Л.Л., Абрамова Л.Н., Обухов А.Н. Повышение надежности уплотнительных устройств для гидроупругих приводов // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении: Сб. науч. тр. – Краматорск: ДГМА, 1998. – С.348 – 349.

2. Роганов Л.Л., Абрамова Л.Н., Обухов А.Н. Повышение надежности уплотнительных устройств гидрооборудования металлургических машин // Защита металлургических машин от поломок: Сб. науч. тр. – Мариуполь, 1998. – Вып. 3. – С. 202-203.

3. Роганов Л.Л., Абрамова Л.Н., Обухова О.А. Симметричная деформация тонкостенных цилиндрических втулок-уплотнений // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 1999. – С. 310 – 312.

4. Роганов Л.Л., Абрамова Л.Н., Обухов А.Н. Разработка комплексов уплотнений для гидроцилиндров кузнечно-прессовых машин // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2000. – С. 416 – 418.

5. Роганов Л.Л., Абрамова Л.Н. Экспериментальная установка для исследования щелевых втулок-уплотнений гидроцилиндров // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Зб. наук. пр. – Краматорськ-Слов’янськ, 2000. – С. 383 -385.

6. Роганов Л.Л., Абрамова Л.Н. Развитие конструкций щелевых втулок-уплотнений для гидросистем прессов и станков // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Зб. наук. пр. – Краматорськ, 2001. – С. 42- 46.

7. Роганов Л.Л., Абрамова Л.Н., Роганов М.Л. Результаты экспериментального исследования регулируемых щелевых втулок-уплотнений // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2002. – С. 412 – 415.

8. Абрамова Л.Н. Развитие бесконтактных уплотнений для гидропневмоцилиндров кузнечно-прессового и станочного оборудования //Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії: Темат.зб. наук. пр. – Краматорськ-Хмельницьк, 2002. – С.512-515.

9. Роганов Л.Л., Абрамова Л.Н., Роганов М.Л. Повышение надежности гидравлических цилиндров станков // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2002. - № 12. – С. 93- 96.

10. Абрамова Л.Н., Роганов М.Л. Особенности изготовления элементов гидросистем кузнечно-прессового и станочного оборудования с применением щелевых втулок-уплотнений // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. – Краматорськ-Слов’янськ, 2003. – С. 371 – 373.

11. Абрамова Л.Н., Еремкин Е.А. Исследование щелевых втулок-уплотнений для гидроцилиндров прессов при работе на воде //Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. – Краматорськ-Слов’янськ, 2003. – С. 578.

12. Роганов Л.Л., Абрамова Л.Н., Роганов М.Л. Цилиндры для станков и прессов с компенсацией износа и регулировкой утечек // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2004. - С. 67 – 69.

13. Роганов Л.Л., Абрамова Л.Н. Методы экспериментальных исследований уплотнительных устройств кузнечно-прессовых машин с гидроприводом

//Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2005. – С. 80 – 84.

14. Роганов Л.Л., Абрамова Л.Н., Роганов М.Л. Одно из направлений повышения точности цилиндрических направляющих и подшипников скольжения станков // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем : Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2005. – Вып. 18. – С. 125 – 129.

15. Роганов Л.Л., Абрамова Л.Н., Роганов М.Л. Гидравлические цилиндры в технологическом гидрофицированном оборудовании // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем: Зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2005. – Вып. 18. – С.100 – 106.

16. Роганов Л.Л., Абрамова Л.Н. Развитие классификации регулируемых щелевых уплотнений // Вісник. – Краматорськ: ДДМА, 2005. – С.69-72.

17. Роганов Л.Л., Абрамова Л.Н., Роганов М.Л. Моделирование систем удержания подвижных частей высокоскоростных молотов при накоплении упругой энергии в рабочем цилиндре-аккумуляторе // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: Темат. зб. наук. пр. – Краматорськ: ДДМА, 2006. – С. 442-446.

18. Абрамова Л.Н., Роганов М.Л. Исследования регулируемых щелевых втулок-уплотнений гидроцилиндров кузнечно-прессового и станочного оборудования // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В.Даля. – Ч.1. - Луганськ, 2006. - № 6. – С. 58- 61.

19. Роганов Л.Л., Абрамова Л.Н., Еремкин Е.А. Новые щелевые уплотнения для гидроцилиндров металлургического и горнорудного оборудования // Перспективы развития горно-металлургического комплекса: Материалы межд. науч.-практич. конф. – Краматорск: НКМЗ, 6-7 сентября 2004. – С. 92-93.

20. Роганов Л.Л., Корчак Е.С., Абрамова Л.Н. Новейшие разработки в области гидропривода кузнечно-прессовых и других машин // IV Международная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов “Интеллект” молодых- производству 2005”: Сб. тезисов. – Краматорск: НКМЗ, 14-16 ноября 2005.–С. 66-67.

21. Роганов Л.Л., Абрамова Л.Н., Жуков Н.Б. Развитие насосов для насосно-аккумуляторных станций гидропрессов // IV Міжнародної науково-технічної конференції „Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку”: Зб. тезисів. – Краматорськ: ДДМА, 2006. – С. 87.

22. Пат. 40095 Україна, 7 F 16 J 15/44. Пристрій з щілинним ущільненням для гідроциліндрів / Л.Л. Роганов, Л.М. Абрамова (Україна). - № 2000042170; Заявлено 17.04.2000; Опубл. 16.07.2001, Бюл. № 6.

23. Пат. 58664 Україна, 7 F16К17/196. Регулятор тиску для маловитратних пристроїв / Л.Л. Роганов, Л.М. Абрамова (Україна). - № 2002021640; Заявлено 27.02.2002; Опубл. 15.08.2003, Бюл. №8.

24. Пат. 68891 Україна, 7 F16К17/196. Регулятор тиску для маловитратних пристроїв гідроприводу / Л.Л. Роганов, Л.М. Абрамова (Україна). – № 20031110325; Заявлено 17.11.2003; Опубл.16.08.2004, Бюл. № 8.

25. Пат. 13919, Україна F 16J 15/00. Пристрій з керованим щілинним ущільненням для гідропневмоциліндрів / Л.Л. Роганов, М.Л. Роганов, Л.М. Абрамова (Україна). - № 200510746; Заявлено 14.11.2005; Опубл. 17.04.2006, Бюл. № 4.

26. Пат. 16393, Україна В 21 J 7/00. Пристрій для утримання рухомих частин високо-швидкісних молотів / Л.Л. Роганов, Л.М. Абрамова, М.Л. Роганов (Україна). - № 200512717; Заявлено 28.12.2005; Опубл. 15.08.2006, Бюл. № 8.

27. Пат. 16487, Україна F16K 21/00. Джерело тиску рідини для маловитратних пристроїв / Л.Л. Роганов, Л.М. Абрамова, М.Л. Роганов (Україна). - № 200601079; Заявлено 06.02.2006; Опубл. 15.08.2006, Бюл. № 8.

Особистий внесок автора в роботах, опублікованих в співавторстві:

[5, 6, 9, 12, 25, 26, 27] - обґрунтовано доцільність використання схем регульованих ущільнень у КПО та інших пристроях, розроблена, уведена в дію і дослідженна експериментальна установка;

[1, 14, 15, 19, 21, 22] - запропоновані регульовані ущільнення, направляючі і утримуючі пристрої для гідропружних приводів машин, пресів, циліндрів, насосів;

[2, 3, 4] - розроблена математична модель тонкостінної оболонки, реалізовані чисельно програмні засоби з автоматизованого розрахунку основних показників регульованих у сполученнях втулок;

[7, 11, 13, 18] - розроблена методика і проведені експериментальні дослідження втулок-ущільнень, направляючих, утримуючих пристроїв, статистично оброблені результати досліджень;

[10, 20, 23, 24] - розроблена методика розрахунку, виготовлення регульованих втулок, пристроїв для їхнього використання;

[16, 17] - розроблена методика класифікації і моделювання регульованих в сполученнях втулок, сформульовані вимоги до утримуючих пристроїв

високошвидкісних молотів.

АНОТАЦІЯ

Абрамова Л.М. Удосконалення вузлів ущільнень і направляючих ковальсько-пресового обладнання на основі розроблених гідравлічно регульованих посадочних з'єднань.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - процеси і машини обробки тиском. - Східноукраїнський національний університет ім. Володимира Даля, Луганськ, 2007.

Дисертація спрямована на розробку регульованих у сполученнях втулок, що можуть застосовуватися в ковальсько-пресовому обладнанні як щілинні ущільнення, циліндричні направляючі, утримуючі пристрої при зарядці циліндрів-аккумуляторів гідропружного приводу високошвидкісних молотів. Регулювання здійснюється подачею регульованого тиску рідини на ущільнену зовнішню поверхню втулки, що приводить до зменшення зазору на її внутрішній поверхні, сполученої зі штоком, циліндричним стержнем - направляючої. Розроблено нову систему експертної порівняльної оцінки властивостей ущільнень за вісьма показниками. Фізична і математична моделі регульованих у сполученнях втулок (РСВ) засновані на розрахунку товстостінних циліндрів з використанням залежностей Ляме і тонкостінних оболонок з використанням диференціальних рівнянь прогину оболонок. Експериментально досліджені, у залежності від матеріалу втулок, зовнішнього регульованого і внутрішнього перемінного тиску, сили тертя, величини витоків, розподіл тиску по довжині втулки. Реалізація РСВ проводилася в проектах гідроциліндрів ковальсько-пресового обладнання, у плунжерних насосах для насосно-акумуляторних станцій. Розроблено схему насоса з кульковими плунжерами і з установленими РСВ. Матеріали дисертації використовуються в навчальному процесі.

Ключові слова: регульовані по діаметру втулки, ущільнення, направляючі, утримуючі пристрої, молоти, преси, гідроциліндри.

АННОТАЦИЯ

Абрамова Л.Н. Совершенствование узлов уплотнений и направляющих кузнечно-прессового оборудования на основе разработанных гидравлически регулируемых посадочных соединений.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - процессы и машины обработки давлением. – Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2007.

Диссертация направлена на разработку регулируемых в сопряжениях втулок, которые могут применяться в кузнечно-прессовом оборудовании как щелевые уплотнения, цилиндрические направляющие, удерживающие устройства при зарядке цилиндров-аккумуляторов гидроупругого привода и в других схемах привода высокоскоростных молотов.

Анализ существующих видов уплотнительных устройств показал, что наиболее эффективным по долговечности, КПД, точности в работе является щелевое уплотнение, однако, основной его недостаток – отсутствие регулировки зазора в процессе эксплуатации в зависимости от величины износа и утечек через уплотнение или перекосов и неточностей при использовании щелевой втулки как направляющей.

Были разработаны регулируемые в сопряжениях втулки, используемые как уплотнения, направляющие и удерживающие устройства. Регулировка втулок осуществляется подачей регулируемого давления жидкости на уплотненную наружную поверхность втулки, что приводит к уменьшению зазора на ее внутренней поверхности, сопряженной со штоком, цилиндрическим стержнем – направляющей. Зазор может уменьшаться до нуля или натяга, обеспечивая нулевую утечку через уплотнения. Сигнал для изменения давления регулирования на наружную поверхность втулки берется от датчика утечек (для уплотнений), датчиков перекосов подвижных деталей для направляющих. Разработана новая система экспертной сравнительной оценки свойств уплотнений по восьми показателям, доказана перспективность разработанных регулируемых втулок-уплотнений.

Физическая и математические модели регулируемых в сопряжениях втулок (РСВ) основаны на расчете толстостенных цилиндров с использованием зависимостей Ляме и тонкостенных оболочек с использованием дифференциальных уравнений прогиба оболочек под действием постоянного (регулируемого) давления на внешнюю поверхность втулки и переменного по длине втулки внутреннего давления. Составлены алгоритмы и разработаны программы выполнения расчетов параметров втулок на ПЭВМ.

Экспериментально исследованы, в зависимости от материала втулок, внешнего регулируемого и внутреннего переменного давления, силы трения, величины утечек, распределение давления по длине втулки. Исследовалась работа РСВ как уплотнения воды при давлении до 32 МПа. Показано, что отклонения расчетных и экспериментальных значений параметров РСВ лежит в пределах до 15%. Проведена экспериментальная проверка регулируемых направляющих. На уплотненную внешнюю поверхность РСВ подается давление жидкости, внутренняя поверхность РСВ деформируется в направлении стержня, изменяя зазор между втулкой и стержнем вплоть до нуля или натяга. При соединении регулятора давления, управляющего давлением на внешнюю поверхность