NÁVRH DĚLENÉHO STOJANU PRO LIS LZK 5000 SVOČ – FST

NÁVRH D LENÉHO STOJANU PRO LIS LZK 5000
SVO – FST 2010
Bc. Ji í Králík
Západo eská univerzita v Plzni
Univerzitní 8, 306 14 Plze
eská republika
ABSTRAKT
Práce se v nuje návrhu stojanu pro kovací lis LZK 5000. Hlavním úkolem práce je navrhnout a pevnostn
zkontrolovat d lený stojan pro tento lis. Výpo et bude provád n analytickou metodou a následn pomocí
metody kone ných prvk . Dalším cílem práce je zjistit možnosti využití nekonven ního materiálu v konstrukci
stojanu lisu, navrhnout stojan lisu s využitím nekonven ního materiálu ve variantách, provést pevnostní a
tuhostní výpo et t chto variant a vzájemn tyto varianty porovnat.
KLÍ OVÁ SLOVA
Stojan lisu, tuhost, hmotnost, nekonven ní materiál
1
ÚVOD
edm tem této práce je navrhnout d lený stojan pro lis LZK 5000. Jedná se o mechanický lis, který je ur en pro
zápustkové kování a jeho jmenovitá síla iní 50 MN. Pomocí analytického výpo tu bude p edb žn navržen
první návrh stojanu. Dále se vytvo í 3D model tohoto návrhu a pomocí metody kone ných prvk se provede
pevnostní a tuhostní výpo et. Dalším cílem práce je zjistit možnosti využití nekonven ního materiálu
v konstrukci stojanu lisu. Tyto možnosti se zpracují do návrh variant a vytvo í se 3D modely t chto variant.
Jednotlivé varianty se op t podrobí pevnostní a tuhostní analýze pomocí metody kone ných prvk . Na záv r se
jednotlivé varianty vzájemn porovnají.
2
MECHANICKÉ KOVACÍ LISY
Hlavním a charakteristickým znakem t chto lis je klikový mechanizmus. Klikový mechanizmus se skládá
z excentrické h ídele, která je uložena ve stojanu. Uložení je provedeno pomocí kluzných ložisek z kaleného
bronzu. Dále se klikový mechanizmus skládá z ojnice, beranového epu a beranu. Beran je veden pomocí
vedení, které je prodlouženo nad excentrickou h ídel, z d vodu lepšího rozložení sil do vedení a zamezení
vzp ení beranu. V beranu se ješt nachází horní vyhazova pro vyhazování výkovk ze zápustky. Na dolním
níku se nachází pracovní st l se spodním vyhazova em. Dále se na excentrické h ídeli nachází spojka
s ozubeným kolem pro p enos kroutícího momentu od p edlohové h ídele. P edlohová h ídel je uložena ve
valivých ložiskách a je na ní p enášen kroutící moment od motoru p es emenový p evod. emenice na
edlohové h ídeli zárove slouží jako setrva ník pro akumulaci kinetické energie. U menších lis m že být
edlohová h ídel vynechána a kroutící moment je p enášen od motoru p ímo na excentrickou h ídel. Dále je na
excentrické h ídeli namontována brzda pro její bezpe né zastavení.
1 - Stojan
2 - Excentrická h ídel
3 - Ložisko excentrické h ídele
4 - Ojnice
5 - Beran
6 - St l
7 - Dolní vyhazova
8 - emenice – setrva ník
9 - Ozubený p evod
10 - Spojka
11 - Brzda
Obrázek 2-1 Mechanický lis
2.1
Stojany kovacích lis
Hlavní funkcí stojanu lisu, je zachycovat síly vzniklé v pracovním prostoru stroje p i technologické operaci.
Navrhovaný lis je ur en pro zápustkové kování. Z d vodu požadované p esnosti této technologické operace, je
od stojanu lisu vyžadována vysoká tuhost. Vzhledem k tomuto požadavku jsou stojany kovacích lis uzav ené.
Tyto stojany se vyráb jí bu odléváním, nebo sva ováním z ocelových plech . U menších lis , zhruba do
jmenovité tvá ecí síly 4000t, jsou stojany vyhotoveny z jednoho kusu. U v tších lis s jmenovitou silou nad
5000t, jsou horní p ník, stojina a dolní p ník samostatnými díly. Spojení jednotlivých díl je provedeno
pomocí p edepnutých kotev. Stojany, zhotovené z jednoho kusu, mohou být pro zvýšení tuhosti také p edepnuty.
Navrhovaný lis má jmenovitou tvá ecí sílu 5000t a proto je stojan z d vodu manipulace s jednotlivými díly
lený. Na stykových plochách jsou jednotlivé díly ustaveny pomocí per. P edepnutí je provedeno ty mi
kotvami procházejícími skrz celý stojan. V horním p níku jsou oka pro uložení excentrického a p edlohového
ídele. Excentrický h ídel je uložen v bronzových kluzných ložiscích. P edlohový h ídel je uložen pomocí
valivých ložisek. Horní otvory ve stojinách slouží pro p ivedení hydraulického média, kterým se ovládá horní
vyhazova . Spodní otvory ve stojinách jsou ur eny k p ísunu polotovar na stran jedné a k odebírání výkovk
na stran druhé.
Obrázek 2-2 Schéma navrhovaného lisu
3
ANALYTICKÝ VÝPO ET STOJANU
3.1
Silové pom ry na klikovém mechanizmu
ešeno s uvažováním t ení
ení ve vedení beranu
ení v epu beranu
ení v epu kliky
Síla v ojnici
Fo
Fo
F cos
cos
j
50284501N
Pot ebný moment na klice
Mk
Ft r
Mk
1840218 Nm 1,84 MNm
Obrázek 3-1 Klikový mechanizmus
3.2
Výpo et stojanu
Stojan je uvažován jako uzav ený centricky zatížený
Obrázek 3-2 Rozm ry stojanu
Rozm ry p níku
vn jší výška
vn jší tlouš ka
vnit ní výška
vnit ní tlouš ka
Obrázek 3-3 Výpo tový model
Rozm ry stojiny
vn jší ší ka
vn jší tlouš ka
vnit ní ší ka
vnit ní tlouš ka
h1 = 2000 mm
b1 = 1770 mm
h1\ = 1500 mm
b1\ = 1270 mm
h2 = 1230 mm
b2 = 1770 mm
h2\ = 990 mm
b2\ = 1530 mm
Výpo et ohybového momentu od statické neur itosti
Mo
F l1
1
8 l 2 I x1
l1 I x 2
2461389467 Nmm
2461389 Nm
1
3.3
Výpo et deformací
a) Deformace p níku od ohybu
2
y1o
l1
8 E I x1
F l1
6
Mo
b) Deformace p
0,14213mm
c) Deformace stojiny od tahu (obou stojin)
y2
F l2
2 E S2
1,14451mm
3.4
Tuhost stojanu
k rám
F
y rám
28424448 N / mm
y1 p
0,16514mm
d) Celková deformace stojanu
y rám
28,42 MN / mm
F l1
8 G S1
níku od posouvajících sil
2 y1o
y1 p
y2
1,75905mm
3.5
Výpo et tlaku v kluzných ložiscích excentrického h ídele
Tlak v ložisku excentru
Fo
S Lex
p Lex
Fo
d Lex LLex
67,15MPa
Délka ložiska epu
Dovolený tlak v ložisku pD = 60 MPa
Fo
L
2 d
pD
551,3mm
volím délku ložiska epu L = 580 mm
LLex = 640 mm
dLex = 1170 mm
d = 760 mm
3.6
edlohový h ídel
Obrázek 3-4 P edlohová h ídel
Obrázek 3-5 Pr
Zatížení ložiska A
3
PA
3
R A t1 R A 0
t1 t 2
h zatížení ložisek
Zatížení ložiska B
3
t2
PB
136344 N
Volba ložisek
Ložisko A: 23988 CC
dynamická únosnost C = 2 450 000 N
statická únosnost
C0 = 4 900 000 N
dovolené otá ky
ndov = 950 ot/min
3
RB
3
t1 R B 0
t1 t 2
3
t2
Ložisko B 23288 CA
dynamická únosnost
statická únosnost
dovolené otá ky
419970 N
C = 3 650 000 N
C0 = 6 550 000 N
ndov = 560 ot/min
Kontrola ložisek
statická bezpe nost
životnost
bezpe nost k dovoleným otá kám
Ložisko A
Ložisko B
Minimální požadovaná
hodnota
k0
10,3
2,8
2
Lh [hod]
k
1102262
4,1
97895
2,4
48000
1
3.7
Návrh kotev stojanu lisu
Materiál 12 050 – Re = 590 MPa
Délka kotvy:
8065 mm
Pr
r kotvy: 400 mm
edepínací síla kotvy
Fp = 2·Tmax
Nap tí v kotv
=
299
MPa
KOT
Tuhost kotvy
kKOT = 3,09 MN/mm
Tuhost horního a dolního p níku
kHP = kDP = 49,7 MN/mm
Tuhost stojiny kSTO = 42,9 MN/mm
Celkové prodloužení kotvy
l = 11,467 mm
Obrázek 3-6 P edepnutý spoj
Kontrola tlak
Tlak v prvních závitech pz = 335 MPa
Tlak mezi maticí a p níkem
p = 189 MPa
4
NÁVRH A VÝPO ET STOJANU
4.1
Popis modelu stojanu
Stojan lisu se skládá z dolního p níku, který je upevn n k základu stroje. Na dolním p níku spo ívají dv
stojiny a na nich horní p ník. Tyto díly jsou staženy ty mi p edepnutými kotvami. V horním p níku je
v bronzových pouzdrech uložena excentrická h ídel. Klikový mechanizmus lisu se dále skládá z ojnice a beranu,
který je veden pomocí vedení ve tvaru O. Na jedné stran horního p níku jsou dome ky pro ložiska a v nich je
uložen p edlohový h ídel. Z p edlohového h ídele se kroutící moment p enáší na excentrický h ídel p es ozubený
evod. Na druhé stran p edlohového h ídele je emenice která slouží zárove jako setrva ník. Motor pohonu
lisu je umíst n na horní desce horního p níku a p es emeny pohání p edlohovou h ídel.
Obrázek 4-1 model lisu
4.2
MKP výpo et
Výpo et je proveden ve dvou krocích a to nejprve pro stojan zatížen pouze p edepnutými kotvami a v druhém
kroku je výpo et proveden se zatížením pracovní silou.
Obrázek 4-2 Pr
h nap tí na stojanu
zatíženém pouze p edp tím kotev
Obrázek 4-3 Pr
h nap tí na stojanu
i zatížení jmenovitou silou
5
POUŽITÍ NEKONVEN NÍHO MATERIÁLU PRO STOJAN LISU
U navrhovaného stojanu je n kolik možností jak využít nekonven ní materiál. Vzhledem k tomu že stojiny lisu
jsou namáhány tlakem, je vhodné v jejich konstrukci využít polymerbeton. První možností je nahrazení ocelové
stojiny stojinou z polymerbetonu. Další možností je stojinu zhotovit jako sva enec z tenkých plech a vyplnit ji
polymerbetonem.
5.1
Polymerbeton
K výhodám polymerbetonu pat í vysoká pevnost v tlaku, dobrá p ilnavost k ocelovým materiál m, vysoké
vlastní tlumení a odolnost proti p sobení olej a dalších chemikálií. U polymerbetonu lze pomocí speciálních
ím sí docílit zv tšování objemu p i tuhnutí. Další výhodou polymerbetonu je jednoduchá technologie výroby,
kdy výroba probíhá p i teplot ovzduší bez externího p ívodu tepla. Nevýhodou polymerbetonu je malý modul
pružnosti a ztráta mechanických vlastností epoxidové prysky ice p i teplotách nad 75° C.
6
NÁVRH STOJINY Z POLYMERBETONU
6.1
První varianta
Analytický výpo et
U polymerbetonové stojiny se bude chtít docílit stejné tuhosti jako u stojiny z ocelových plech . Stojina se
skládá z n kolika r zných pr ez , a proto se spo tou tuhosti v jednotlivých pr ezech. Celková tuhost stojiny se
spo te jako u sériov azených pružin.
Rozm ry stojiny
Ší ka 1770 mm
Hloubka 3100 mm
Tuhost polymerbetonové stojiny
kSTO= 40,1 MN/mm
Popis modelu stojanu
Stojina je u této varianty celá zhotovena z polymerbetonu, jen horní a
spodní dosedací plochy jsou z ocelových plech , 120 mm širokých.
Horní a dolní p ník jsou stejné jako u návrhu stojanu vyrobeného
z oceli. P echod mezi t lem stojiny a dosedací plochou je ešen pomocí
zešikmení pod úhlem 30°. Na jedné stran stojiny je vybrání pro
ozubené kolo excentrického h ídele.
Obrázek 6-1 Výpo tový model
Obrázek 6-1 Model lisu
MKP výpo et
Okrajové podmínky jsou stejné jako u výpo tu ocelového stojanu. Výpo et je op t proveden nejprve pro stojan
zatížený pouze p edepnutými kotvami a v druhém kroku je výpo et proveden se zatížením pracovní silou.
Obrázek 6-2 Pr
h nap tí na stojanu
zatíženém pouze p edp tím kotev
Obrázek 6-3 Pr
h nap tí na stojanu
i zatížení jmenovitou silou
6.2
Druhá varianta
Analytický výpo et
U této varianty se op t bude chtít docílit stejné tuhosti jako u prvního návrhu ocelového stojanu. Výpo et tuhosti
je proveden jako u paraleln azených pružin, p emž jednu stla ovanou ást tvo í ocel a druhou polymerbeton.
Rozm ry stojiny stejné jako u ocelové
Tlouš ky plech 80 mm
Tuhost stojiny
kSTO = 41,5 MN/mm
Popis modelu stojanu
U této varianty je stojina sva ena z ocelových plech a vnit ek sva ence
je vypln n polymerbetonem. Tlouš ka ocelových plech je 80 mm.
V každé ze stojin jsou vypln ny ty i dutiny ve tvaru kvádru.
Polymerbetonové výpln jsou zobrazeny na následujícím obrázku mod e.
Obrázek 6-4 ez stojinou
Obrázek 6-5 Model lisu
MKP výpo et
Okrajové podmínky jsou stejné jako u výpo tu ocelového stojanu. Výpo et je op t proveden nejprve pro stojan
zatížený pouze p edepnutými kotvami a v druhém kroku je výpo et proveden se zatížením pracovní silou.
Obrázek 6-6 Pr
h nap tí na stojanu
zatíženém pouze p edp tím kotev
Obrázek 6-7 Pr
h nap tí na stojanu
i zatížení jmenovitou silou
7
POROVNÁNÍ VARIANT
Jednotlivé varianty jsou porovnávány ze t ech hledisek a to z hlediska tuhosti pracovního prostoru, torzní tuhosti
stojanu a hmotnosti stojanu. První varianta je uvažována jako etalon, tudíž její hodnoty jsou 100 %.
ocelová stojina s
polymerbetonová
polymerbetonovou
ocelový stojan
stojina
výplní
Tuhost pracovního prostoru
Torzní tuhost
Celková hmotnost
100 %
100 %
100 %
85,8 %
161,7 %
105,7 %
98,3 %
159,5 %
100,6 %
Porovnání variant
180
160
140
ocelový stojan
[%]
120
100
polymerbetonová stojina
80
ocelová stojina s
polymerbetonovou výplní
60
40
20
0
Tuhost
pracovního
prostoru
Torzní tuhost
Celková
hmotnost
ZÁV R A DOPORU ENÍ
V práci se poda ilo navrhnout stojan pro kovací lis a to v jedné variant z oceli a ve dvou variantách s využitím
nekonven ního materiálu. Jako vhodné využití nekonven ního materiálu bylo zvoleno použití polymerbetonu
v konstrukci stojin. Tyto varianty byly podrobeny pevnostnímu a tuhostnímu výpo tu pomocí metody kone ných
prvk . Vzájemn byla u t chto variant porovnávána tuhost pracovního prostoru stroje, torzní tuhost stojanu a
hmotnost stojanu. Z provedených analýz vyplívá že použitím nekonven ního se nepoda í snížit hmotnost a u
druhé varianty, kde je stojina celá z polymerbetonu, se sníží tuhost pracovního prostoru. Avšak u variant s
využitím nekonven ního materiálu se podstatn zvýší torzní tuhost stojanu.
LITERATURA
[1] KAMELANDER, I. Tvá ecí stroje I. Brno: VUT, 1982.
[2] ECHURA, M. Pomocné texty pro cvi ení z konstrukce tvá ecích stroj . ást I. Plze : Z U, 1977.
[3] RUDOLF, B., KOPECKÝ, M. Tvá ecí stroje: Základy stavby a využití. Praha: SNTL, 1985.
[4] RUDOLF, B., KOPECKÝ, M. Tvá ecí stroje: Základy výpo a konstrukce. Praha: SNTL, 1982.
[5] ECHURA, M., STAN K, J. Tvá ecí stroje: hydraulické lisy. Plze : Z U, 1999.
[6] STAN K, J. Základy stavby výrobních stroj : tvá ecí stroje. Plze : Z U, 2001.
[7] HOSNEDL, S., KRÁTKÝ, J. íru ka strojního inženýra:obecné strojní ásti 1. Praha: ComputerPress,
1999.
[8] HOSNEDL, S., KRÁTKÝ, J. íru ka strojního inženýra: obecné strojní ásti 2. Praha: ComputerPress,
2000.
[9] Ajax Manufacturing Company
http://www.ajaxtech.com/
[10] SKF
http://www.skf.com/portal/skf/home
[11] MM Pr myslové spektrum
http://www.mmspektrum.com/
[12] EPUCRET Mineralgusstechnik GmbH & Co. KG
http://www.epucret.de/
[13] SCHNEEBERGER AG
www.schneeberger.com