Расчет основных параметров «Машина с поворотным механизмом уплотнения» с проектированием механизма поворота

На распечатку 1 ОМЦ.cdw

Кп 1.15.03.01.19.18 .00.00 ПЗ
Встряхивающая формовочная
КП - 150204.65 - 0903510

На распечатку 2 ОМЦ.cdw

На распечатку 3 ОМЦ.cdw

ОМЦ.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования
«КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Машиностроение»
Заведующий кафедрой «Машиностроение»
Пояснительная записка
к курсовому проекту
по дисциплине: Оборудование машиностроительных цехов
на тему: «Расчет основных параметров «Машина с поворотным механизмом уплотнения» с проектированием механизма поворота»
КП 1.15.03.01.19.18.00.00ПЗ
1 Технологический процесс встряхивающего способа формовки5
2 Классификация встряхивающих формовочных механизмов7
2.1 Классификация по роду привода7
2.2 Классификация по характеру рабочего процесса8
2.3 Классификация по степени амортизации удара10
2.4 Классификация по типу воздухораспределения13
3 Характер уплотняющего воздействия на формовочную смесь17
3.1 Кинетика сил инерции при ударе встряхивающего стола17
3.2 Уплотнение формовочной смеси при встряхивании21
3.3 Распределение сжимающих напряжений по высоте формы22
3.4 Качество уплотнения формовочной смеси при встряхивании24
3.5 Эмпирические уравнения встряхивания25
Описание устройства встряхивающей формовочной машины28
1 Характеристики встряхивающей формовочной машины28
2 Особенности процесса уплотнения смеси при изготовлении форм30
Расчет основных конструктивных параметров поворотного механизма встряхивающей формовочной машины33
1 Определение весовых параметров33
2 Определение основных конструктивных параметров встряхивающего механизма34
3. Определение основных параметров37
4. Расчет фундамента38
Приложения и спецификации44
Машинная формовкаявляется в настоящее время основным способом изготовления литейных форм. При машинной формовке механизируются наиболее трудоемкие операции уплотнения формовочной смеси и извлечения модели из формы а также ряд вспомогательных операций. В результате этого резко повышается производительность труда по сравнению с ручной формовкой возрастает точность отливок по размерам и массе облегчается труд и улучшаются санитарно-гигиенические условия работы сокращается производственный цикл изготовления отливки.
Процесс изготовления форм в парных опоках может быть практически полностью механизирован за счет механического дозирования подачи формовочной смеси уплотнения с использованием специальных машин и т.п.Выбор метода прессования определяется в зависимости от целого ряда технологических факторов. В ряде случаев прессование осуществляют одновременно с вибрационным воздействием. В результате этого смесь уплотняется равномернее а процесс прессования происходит более эффективно и качественно.
Машинная формовка по сравнению с ручной имеет значительные преимущества: резко увеличивается производительность улучшаются условия труда рабочих повышается качество отливок снижается брак и себестоимость литья. Этот вид формовки применяют в основном в массовом и серийном производстве при изготовлении мелких и средних отливок. Такие трудоемкие процессы как уплотнение формовочной смеси поворот формы и выемка моделей из формы механизированы.
Для изготовления песчано-глинистых форм на машинах необходимо иметь специальную модельно-опочную оснастку:
- универсальные металлические модельные плиты позволяющие ускорять монтаж и демонтаж моделей;
- точно изготовленные металлические модели;
- металлические взаимозаменяемые опоки.
Целью курсового проекта является расчет формовочной встряхивающей машины с поворотом.
Указанная цель достигается посредством расчета с применением формул связывающих геометрические параметры важнейших частей механизмов с физическими величинами характеризующими процессы протекающие при работе формовочной машины.
1 Технологический процесс встряхивающего способа формовки
Встряхивающие машиныприменяют главным образом для изготовления форм в высоких опоках. Уплотнение смеси происходит за счет встряхивания возникающего при ударе стола машины с закрепленной на нем плитой и опокой о станину машины. Стол машины под действием сжатого воздуха поступающего в цилиндр машины поднимается на высоту 30 100мм и затем под действием сил тяжести падает ударяясь о станину. При этом смесь уплотняется. Уплотнение зависит от мощности удара и числа ударов (обычно 30 50 в минуту). На машинах указанного типа можно изготавливать песчано-глинистые формы массой от 100 кг до 40 т производительность машин при этом составляет до 15 крупных форм в час.
На встряхивающих машинах уплотнение формовочной смеси в опоке происходит неравномерно: нижние слои - более плотные верхние - менее. Для устранения этого недостатка применяются встряхивающие машины с допрессовкой верхних слоев формы. В этом случае распределение плотности смеси более равномерно.
Встряхивающие формовочные машины считаются универсальными так как их применяют для встряхивания полуформ массой от 100 кг до 40 т.
Рис. 1.1. Схема работы встряхивающей машины:а– исходное положение;б– подъем стола с опокой
На столе формовочной машины закрепляют модельную плиту 1 с моделью на нее устанавливают опоку и заполняют формовочной смесью (рис. 1.2а). Под действием сжатого воздуха поступающего по трубопроводу 2 стол машины поднимается на высоту 50 60 мм (рис. 1.1б). При этом выхлопное отверстие 5 открывается воздух выходит из под поршня стола и стол падая ударяется о станину 4 машины. После соударения скорость стола модельной плиты опоки становится равной нулю а смесь продолжая двигаться уплотняется: ее кинетическая энергия при ударе переходит в работу уплотнения. В результате повторных ударов формовочная смесь уплотняется. Цикл повторяется 6 8 раз до полного уплотнения смеси.
Встряхивающие машины также неравномерно уплотняют смесь по высоте опоки: больше у модели меньше — вверху опоки. Поэтому на встряхивающих машинах дополнительно подпрессовы-вают верхнюю часть полуформы. Недостатком встряхивающих машин является большой шум при работе.
2 Классификация встряхивающих формовочных механизмов
Основным узлом встряхивающей формовочной машины является встряхивающий механизм. Как любой механизм он должен соответствовать определенным техническим требованиям.
Встряхивающий механизм поднимает модельную плиту и опоку со смесью на некоторую высоту поэтому содержит привод. При ударе стола о фланец машины на фундамент может передаваться значительный импульс поэтому следует принимать меры по его снижению. Процесс должен быть экономичным. Механизм должен допускать регулировку основных технологических параметров. Все эти вопросы решены в разных конструкциях машин в различной степени поэтому встряхивающие механизмы классифицируют по следующим признакам: по роду привода по степени амортизации удара по характеру рабочего процесса по типу воздухораспределения.
2.1 Классификация по роду привода
По роду привода различают пневматические и электромеханические встряхивающие механизмы.
Благодаря простоте управления надежности и безопасности в эксплуатации наибольшее распространение получили пневматические встряхивающие механизмы поэтому далее будем рассматривать только их.
В пневматическом механизме в работу уплотнения смеси преобразуется энергия сжатого воздуха. Встряхивающий механизм состоит из пневматического двигателя передаточного механизма и исполнительного устройства.
В простейшем случае пневматический двигатель встряхивающего механизма (рис. 1.2.1 а) состоит из поршневой пары 6 и 7 воздухоподводящего 8 и выхлопного 9 трубопроводов. Цилиндр пневматического двигателя выполняется либо в виде гильзы запрессованной в станину либо сама станина служит одновременно и цилиндром. Поршень выполняется обычно в виде пустотелого цилиндра и чаще всего привертывается к столу.
Рис. 1.2.1 Схема пневматического встряхивающего механизма
При открытии впускного крана воздух из магистрали по трубопроводу 8 попадает в поршневое пространство. При этом он поднимает поршень 7 со столом 5 на некоторую высоту (рис. 1.2.1 б). Когда поршень пройдет выхлопное отверстие 9 давление в цилиндре резко упадет. Пройдя еще некоторый путь по инерции поршень остановится и начнет падать. При падении стола с модельно-опочной оснасткой произойдет удар через упругие прокладки 10 о станину 6.
2.2 Классификация по характеру рабочего процесса
По характеру рабочего процесса встряхивающие механизмы бывают: без отсечки и расширения воздуха с отсечкой без расширения воздуха с отсечкой и расширением воздуха.
Если в механизме периодически открываются и закрываются выхлопные отверстия а сжатый воздух подается непрерывно (рис. 1.2.2) такие механизмы называются встряхивающими без отсечки и расширения воздуха. Они просты и надежны в эксплуатации но не экономично используют сжатый воздух.
Если при подъеме поршня в какой-то момент впускное отверстие закрывается то это механизм с отсечкой сжатого воздуха. При этом возможно два состояния выхлопных отверстий. Если одновременно с закрытием впускных отверстий (отсечка подачи воздуха) откроются выпускные отверстия то такой механизм будет называться с отсечкой без расширения сжатого воздуха. Если после закрытия впускных отверстий выпускные откроются после прохождения поршнем некоторого пути то такой механизм будет называться с отсечкой и расширением сжатого воздуха а этот участок пути – ходом расширения.
Рис. 1.2.2. Встряхивающий механизм с отсечкой и расширением сжатого воздуха
Схема механизма с отсечкой и расширением сжатого воздуха приведена на рис. 1.2.3. От рассмотренного выше механизма без отсечки и расширения (рис. 1.2.2) он отличается организацией подвода сжатого воздуха. Впускное отверстие 4 расположено выше и при нижнем положении поршня сообщается с поршневой полостью цилиндра 3 через отверстие 2 в стенке поршня 1. При включении машины сжатый воздух через отверстия 4 и 2 поступает в цилиндр 3 и начинает поднимать поршень 1 (рис. 1.2.3 а). В момент когда нижняя кромка отверстия 2 совпадет с верхней кромкой отверстия 4 подача сжатого воздуха в цилиндр прекратится (рис. 1.2.3 б). Поскольку выхлопное отверстие 5 еще закрыто воздух в цилиндре будет расширяться и толкать поршень вверх. Когда нижняя кромка поршня 1 совпадет с нижней кромкой выхлопного отверстия 5 воздух из цилиндра начнет выходить в атмосферу и давление будет падать. При этом поршень может подняться еще на некоторую высоту по инерции. После остановки поршня начнется его падение завершающееся ударом стола о прокладку. При перемещении поршня из верхнего положения в нижнее произойдет сначала закрытие выхлопного отверстия затем открытие впускного поэтому после удара снова начнется подъем поршня. Так будет продолжаться до тех пор пока не отключат подачу сжатого воздуха.
Механизмы с отсечкой и расширением сжатого воздуха наиболее полно используют энергию сжатого воздуха.
Механизм с отсечкой без расширения воздуха устроен также только выхлопное отверстие 5 расположено ниже и начинает открываться в момент полного закрытия впускного отверстия 4.
По экономичности такие механизмы занимают промежуточное положение между механизмами без отсечки и с отсечкой и расширением.
2.3 Классификация по степени амортизации удара
При работе механизма энергия удара частично переходит в работу уплотнения смеси а значительная ее часть может передаваться на фундамент машины. Возникающие при этом колебания грунта оказывают вредное влияние на рабочих и на здание. При использовании больших машин возможны значительные повреждения несущих конструкций здания цеха поэтому при создании встряхивающих механизмов принимают меры по снижению воздействия ударов на фундамент машин. При этом существует три возможности: удар передается полностью удар передается частично удар не передается на фундамент. Соответственно различают следующие виды встряхивающих механизмов: без амортизации удара; с частичной амортизацией удара (со смягчением удара); с полной амортизацией удара.
Встряхивающие машины у которых удар непосредственно передается на фундамент называются машинами без амортизации ударов. В таком механизме удар воспринимаемый прокладкой через гильзу цилиндра встряхивания передается на фундамент на котором установлена машина.
Пример механизма со смягчением удара приведен на рис. 1.2.3.
Рис. 1.2.3. Встряхивающий механизм со смягчением удара
Механизм состоит из цилиндра 3 с подъемным поршнем 2 объединенным с встряхивающим цилиндром в котором установлен встряхивающий поршень 1. При включении машины сжатый воздух через впускное отверстие 4 поступает в поршневую полость подъемного цилиндра 3 и поршень 2 поднимается в верхнее положение (рис. 1.2.3 б). Поршневая полость встряхивающего цилиндра через обводной канал 6 в стенке подъемного цилиндра 3 и канал 5 в подъемном поршне 2 соединяется с поршневой полостью цилиндра 3.
С этого момента начинается процесс уплотнения встряхиванием (рис. 1.2.3 в)
Энергия удара стола о прокладку передается на фундамент через объем сжатого воздуха в подъемном цилиндре. Часть энергии расходуется на деформацию воздуха и рассеивается в виде тепла поэтому воздействие ударов на фундамент ослабляется.
Из сравнения рисунков видно что механизм со смягчением ударов с помощью сжатого воздуха сложнее конструктивно и при одной и той же грузоподъемности больше по размерам. По этой причине машины большой грузоподъемности изготавливают так как показано на рис. 1.2.1 но устанавливают их на фундамент 1 с упругим слоем 2 (рис. 18). В качестве упругого слоя используют деревянные брусья или пробку. Под гайки 5 фундаментных болтов 3 устанавливают пружины 4.
Рис. 1.2.4. Устройство упругого фундамента
Большое распространение получили машины с полной амортизацией ударов (рис. 1.2.5).
Рис. 1.2.5. Встряхивающий механизм с полной амортизацией удара
Под «амортизацией» пневматического двигателя понимают такую его конструкцию при которой одна или обе соударяющиеся массы снабжены упругими элементами например пружинами сжатия пневматическими баллонами. В результате сжатия упругих элементов в период впуска воздуха энергия накапливается а в период выхлопа преобразуется в работу удара. Это позволяет за относительно короткое время подать в цилиндр больше анергии а значит совершить большую полезную работу т. е. повысить мощность встряхивающего механизма.
Встряхивающий механизм изображенный на рис. 19 отличается от рассмотренных выше механизмов схемой подвода сжатого воздуха 2 и наличием массивного цилиндра-амортизатора 3. Цилиндр-амортизатор является одновременно встряхивающим цилиндром. Он помещен в направляющий цилиндр 5 и опирается на пружину 4.
При подаче сжатого воздуха через каналы 2 в столе машины (рис. 19 а) начинается движение поршня 2 со столом вверх а цилиндра-амортизатора 3 – вниз. При этом происходит сжатие пружины 4. После того как откроется выхлопное отверстие 6 давление сжатого воздуха в поршневой полости упадет но оба элемента будут двигаться некоторое время по инерции (рис. 19 б). После остановки поршень 1 начнет падать под действием силы тяжести а цилиндр-амортизатор 3 подниматься под действием пружины 4. В момент их встречи произойдет удар и уплотнение смеси. При этом энергия удара на фундамент почти не передается.
2.4 Классификация по типу воздухораспределения
По типу воздухораспределения пневматические двигатели встряхивающих механизмов бывают: с поршневым клапанным и золотниковым распределением сжатого воздуха.
На рис. 20 представлена схема встряхивающего механизма с отсечкой сжатого воздуха простым односедельным клапаном.
Работает такой механизм следующим образом. В исходном положении (рис. 1.2.6 а) стержень клапана 4 упирается в дно цилиндра 5. При этом клапан не касается седла выполненного в перегородке поршня 3. При включении машины сжатый воздух через канал 1 в столе и отверстие в перегородке поршня проходит в поршневую полость встряхивающего цилиндра 5. Поршень начинает подниматься а массивный клапан остается на месте. В некоторый момент седло коснется клапана и отверстие окажется закрытым (рис. 20 б). Дальнейшее движение поршня будет определяться взаимным расположением нижней кромки поршня 3 и выпускного отверстия 6. Если одновременно с закрытием клапана откроется выхлопное отверстие то поршень будет двигаться вверх только по инерции. Если в момент закрытия клапана выхлопное отверстие еще будет закрыто движение будет происходить сначала за счет расширения сжатого воздуха а затем по инерции.
Рис. 1.2.6. Встряхивающий механизм с односедельным клапаном
После остановки поршня в верхней точке он начнет падать. Когда нижний торец клапана упрется в дно цилиндра отверстие откроется. Сжатый воздух начнет поступать в поршневую полость. Механизм готов начать следующий подъем поршня сразу после удара.
Как видно из рис. 1.2.6. в данном механизме отсечка сжатого воздуха осуществляется клапаном а выхлоп переключается поршнем то есть имеет место смешанное клапанно-поршневое распределение воздуха.
Наличие клапана позволяет регулировать момент отсечки сжатого воздуха но для этого необходимо частично разобрать механизм. Моменты открытия и закрытия выхлопного отверстия не регулируются.
Свободными от указанных недостатков являются механизмы с двухседельным клапаном (рис. 1.2.7) и с золотником (рис. 1.2.8). В обеих конструкциях управляющее устройство выполнено в виде отдельного узла и расположено вне цилиндра что позволяет легко выполнить регулировку.
На рис. 1.2.7 приведен пневматический встряхивающий механизм с воздухораспределением осуществляемым перекидным клапаном. Нижняя тарелка 7 клапана открывает отверстие по которому сжатый воздух поступает во встряхивающий цилиндр. Верхняя тарелка 6 клапана открывает выхлопное отверстие сообщающее встряхивающий цилиндр с атмосферой. В нижнем положении встряхивающего поршня 3 клапан давлением сжатого воздуха поднят. Выхлопное отверстие закрыто а впускное открыто. Встряхивающий поршень 3 со столом поднимается. По мере подъема встряхивающего стола за ним следует плунжер 2 установленный в клапане. Этот плунжер перемещается вверх под действием давления сжатого воздуха на его нижний торец. Плунжер 2 все время упирается верхним торцом в регулирующий винт 1 ввернутый во встряхивающий стол.
Рис. 1.2.7. Встряхивающий механизм с двухседельным перекидным клапаном
Когда встряхивающий поршень пройдет путь наполнения h1 сжатый воздух по нижнему каналу в плунжере попадет в пространство 4 над поршнем 5 клапана и клапан опустится в нижнее положение закрыв впускное отверстие и открыв отверстие для выхлопа.
При ходе встряхивающего стола вниз (рис. 1.2.7 б) клапан будет держать выхлопное отверстие открытым до тех пор пока пространство 4 над поршнем 5 клапана не сообщится с атмосферой через верхний канал в плунжере. Это произойдет когда до конца хода останется некоторое расстояние h2. В этот момент воздух из пространства 4 уйдет в атмосферу и клапан снова поднимется в верхнее положение закрыв выхлопное и открыв выпускное отверстие.
Данное воздухораспределительное устройство легко регулируется перемещением регулирующего винта 1. При вкручивании винта в стол зазор между его головкой и плунжером 2 увеличивается а высота встряхивания уменьшается и наоборот.
Пневматический встряхивающий механизм с золотниковым воздухораспределением представлен на рис. 1.2.8. Золотник не имеет жесткого крепления к встряхивающему столу. Он может проскальзывать относительно стола на величину x которая регулируется перемещением гаек на штоке золотника.
Рис. 1.2.8. Встряхивающий механизм с золотниковым распределением воздуха
При ходе встряхивающего поршня вверх стол сначала проходит путь x выбирая зазор до верхней гайки (рис. 1.2.8 а) и только затем тянет за собой золотник. В начале падения встряхивающего стола золотник задерживается силами трения в корпусе и отстает от стола. Поэтому в процессе падения стол сначала выберет зазор x до нижней регулирующей гайки (рис. 1.2.8 б) и только затем начнет толкать вниз золотник.
Таким образом открытие и закрытие впускного и выпускного отверстий осуществляется перемещением золотника. Перемещение золотника осуществляется от встряхивающего стола. Регулирование моментов открытия и закрытия отверстий производят изменением величины зазора x и перемещением золотника относительно стола.
3 Характер уплотняющего воздействия на формовочную смесь
При уплотнении смеси на встряхивающей формовочной машине рабочий стол с опокой поднимается на некоторую высоту. Затем стол падает и ударяется о прокладку; скорость стола а также скорость модельно-опочной оснастки падает до нуля в то время как формовочная смесь в опоке продолжая двигаться вниз по инерции уплотняется. Кинетическая энергия полученная смесью во время ее движения вниз переходит в работу уплотнения.
3.1 Кинетика сил инерции при ударе встряхивающего стола
Рассмотрим характер импульсного воздействия на формовочную смесь при ударе на следующей упрощенной схеме.
Пусть тело с массой m (встряхивающий стол с полуформой) в момент соприкосновения со станиной машины имеет начальную скорость удара v0. Примем этот момент за начало отсчета времени (t0 = 0) и координаты (x0 = 0).
С момента соприкосновения стол и станина (прокладка) начнут деформироваться. Стол начнет замедляться а силы сопротивления деформации будут расти. Наступит момент когда кинетическая энергия падающего стола перейдет в потенциальную энергию деформированных частей. Стол остановится а упруго деформированные части будут восстанавливать свою форму. Стол начнет двигаться вверх. Пройдя начало координат разогнанный упругими силами он будет продолжать движение вверх по инерции и поднимется на некоторую высоту. Поскольку часть энергии рассеется в процессе деформации в виде тепла высота подъема будет меньше высоты с которой стол падал. Далее стол будет подниматься под действием давления сжатого воздуха и цикл повторится.
Обозначим через c жесткость соударяющихся частей. Перемещение стола из-за деформации соударяющихся частей отсчитываемое от этого нулевого момента времени обозначим через x скорость этого перемещения через v и ускорение движения через j. Уравнение движения стола в момент удара (условие равновесия) может быть записано следующим образом:
Здесь первое слагаемое – сила упругой деформации второе – сила давления движущегося стола. Если разделить уравнение на массу m и умножить на минус единицу получим
гдеm – масса стола кг;
c – жесткость стола Нм;
w – круговая частота собственных колебаний стола радс.
Частота собственных колебаний твердого тела выражается через жесткость и массу следующим образом
Уравнение описывает автоколебания системы с массой m и жесткостью c и представляет собой однородное линейное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами без правой части и с мнимыми комплексными корнями характеристического уравнения. Решение его имеет следующий вид
Продифференцировав это решение получим выражение для скорости:
Для нахождения постоянных коэффициентов A и B в уравнение (39) подставляем первое начальное условие (x = 0 при t = 0) а в уравнение (40) второе начальное условие (v = v0 при t = 0) где время t отсчитывается от начального момента соударения. Получаем значения постоянных коэффициентов: A = 0 а B = v0w и имеем окончательно
Предельное время tпр всей деформациинайдем положив v = 0 в уравнении. Получаем
что дает величину предельного времени деформации
При этом полная деформация соударяющихся частей равняется
Текущее значение ускорения движения j = dvdt (в момент времени t) находим продифференцировав уравнение (42)
Сила давления встряхивающего стола настанину F = т(-j) равняется:
В момент конца деформации соударяющихся частей будем иметь следующие предельные значения ускорения и силы давления
Рис. 1.3.1. Изменение инерционных сил во времени при встряхивании
На рис. 1.3.1 показан характер нагружения формовочной смеси силами инерции во времени при ударе встряхивающего стола.
Сила нагружения (ускорение инерции) возрастает по синусоидальной закономерности от нуля до максимального (предельного) значения соответствующего концу деформации соударяющихся частей машины. После достижения этого момента времени следует период упругого восстановления соударяющихся частей и сила давления (или ускорение инерции) падает снова до нуля. Встряхивающий стол при этом подскакивает на некоторую высоту отражения которая меньше высоты падения стола так как удар стола о станину машины является не вполне упругим. Соответственно площадь диаграммы под кривой нагрузки представляет собой импульс нагружения J1 который больше импульса разгружепия J2 равного площади под кривой разгрузки.
Как следует из полученных решений продолжительность нагружения tпр и максимальное ускорение инерции jпр при ударе зависят от частоты собственных колебаний системы w которая в свою очередь определяется жесткостью c. С уменьшением жесткости c собственная частота w уменьшается . При этом tпр увеличивается (удар растягивается по времени) а ускорение инерции уменьшается. При увеличении жесткости – наоборот. Следовательно можно регулировать характеристики удара применяя прокладки из различных материалов на ударных поверхностях машины.
3.2 Уплотнение формовочной смеси при встряхивании
Представим импульс сил инерции (нагружающих смесь сжимающих напряжений s) в течение времени удара упрощенно в виде треугольника abc (рис. 1.3.2) а характеристику нарастания во времени внутреннего сопротивления смеси дальнейшему уплотнению sj в виде прямой de. (Прямая de делит координатную плоскость на две части если точка соответствующая действующим напряжениям находится выше прямой смесь будет уплотняться если ниже – нет.)
Очевидно что при нагружении первым ударом в смеси с ее начальным сопротивлением уплотнению соответствующим точке d начнется деформация уплотнения по закономерности de так как смесь в силу своей вязкости не может уплотняться быстрее несмотря на более высокие действующие нагрузки по пику abc. В результате смесь при первом ударе уплотнится до точки 1 в соответствии с отрезком d–1.
Рис. 1.3.2. Схема роста деформации смеси при повторяющихся ударах
При втором ударе (a'b'c') уплотнение начинается уже с точки 1' соответственно возросшему внутреннему сопротивлению смеси sj и смесь уплотнится в меру отрезка 1'–2. При третьем ударе она уплотнится в меру отрезка 2'–3 и так далее (для упрощения второй и третий удары совмещены на рисунке с первым ударом). С момента когда точка b окажется ниже прямой de дальнейшее уплотнение становится невозможным.
Чем круче характеристика уплотняемости смеси во времени т. е. чем меньше ее «вязкость» тем меньшее число ударов встряхивания потребуется для ее уплотнения и наоборот. Обычно на практике число ударов встряхивания на одну форму составляет от 10 до 3050 что значительно меньше предела при котором плотность смеси стабилизируется.
3.3 Распределение сжимающих напряжений по высоте формы
Величина сжимающих напряжений возникающих в смеси при ударах встряхивания нарастает с глубиной погружения под свободный уровень смеси в опоке в чем легко убедиться элементарным расчетом. В самом деле пусть в момент удара встряхивающего стола действует ускорение инерции j.
Тогда для горизонтального слоя смеси в опоке находящегося на глубине z под свободной поверхностью и имеющего толщину dz (рис. 1.3.3 а) можно написать уравнение равновесия сил следующим образом
гдеF – площадь опоки м2;
U – периметр опоки в свету м;
р – мгновенное вертикальное сжимающее напряжение в рассматриваемом слое Па;
f – коэффициент трения формовочной смеси о стенки опоки;
d0 – средняя плотность смеси перед ударом кгм3;
g – ускорение свободного падения мс2.
Рис. 1.3.3. Распределение сжимающих напряжений и плотности смеси по высоте формы при встряхивании
Решив это уравнение получим выражение для вертикального сжимающего напряжения на глубине x в момент удара
Из полученного уравнения видно что с увеличением координаты z растет по абсолютной величине и показатель степени. Поскольку показатель степени отрицательный выражение во вторых скобках с увеличением z растет а значит растет и сжимающее напряжение p (рис. 1.3.3 б).
3.4 Качество уплотнения формовочной смеси при встряхивании
Распределение плотности смеси по высоте формы при встряхивании должно соответствовать закономерности изменения вертикальных сжимающих напряжений. График изменения плотности по высоте формы представлен на рис. 25 в. Из рисунка видно что верхние слои смеси практически не уплотняются в то время как в нижних слоях наблюдается даже некоторое переуплотнение. Практика показывает что при увеличении числа ударов встряхивания в смеси примыкающей к модельной плите могут образоваться трещины.
Плотность смеси верхних слоев можно повысить только дополнительным уплотнением. Чаще всего после встряхивания осуществляют допрессовку. Возможно также применение подтрамбовки (вручную или пневматическими трамбовками). С целью снижения времени изготовления формы можно применить динамическую подпрессовку с помощью груза накладываемого на смесь перед встряхиванием. Обычно это чугунная плита имеющая размеры соответствующие размерам опоки в свету и высоту определяемую в соответствии с требуемой конечной твердостью смеси и заданным числом ударов встряхивания.
При формовке высоких моделей возможно образование рыхлоты в верхней части вертикальных стенок. Это вызвано отклонением потока деформируемой смеси от вертикального направления при соскальзывании с верхней плоскости модели. Для предотвращения этого дефекта необходимо скруглять верхние углы высоких моделей а при последующем прессовании следует использовать профильную прессовую колодку.
Из вышесказанного следует что уплотнение смеси на встряхивающих машинах характеризуется следующими факторами: скоростью стола до и после удара; жесткостью удара (определяется жесткостью упругой прокладки между станиной и столом); числом ударов необходимых на уплотнение одной полуформы при заданных физико-механических свойствах смеси.
3.5 Эмпирические уравнения встряхивания
Число ударов на одну форму не может являться критерием уплотняющего воздействия при встряхивании так как сами удары встряхивающего стола могут быть различными более мощными или же более слабыми.
При n ударах встряхивания встряхивающий механизм совершает работу по уплотнению смеси которую можно выразить уравнением
гдеm – масса формовочной смеси в опоке кг;
g – ускорение свободного падения мс2;
h – высота подъема стола м;
n – число ударов встряхивания;
h – коэффициент использования потенциальной энергии встряхивающего стола при его падении.
Коэффициент h обусловлен потерями энергии падающих частей машины из-за трения в поршневой паре и противодавления сжатого воздуха под поршнем. Для различных встряхивающих формовочных машин коэффициент h колеблется в пределах 0307 в зависимости от конструкции точности изготовления регулирования смазки износа машины и от давления воздуха в сети.
В первом приближении за меру уплотняющего воздействия на формовочную смесь при встряхивании принимают удельную работу встряхивания (Джм2) сообщенную смеси за n ударов стола и отнесенную либо к единице площади опоки
либо к 1 кг смеси (Джкг)
гдеF – площадь опоки м2.
Зависимость средней плотности формовочной смеси d от удельной работы встряхивания можно выразить эмпирическим уравнением установленным H. П. Аксеновым:
гдеK – коэффициент уплотняемости формы встряхиванием;
а – удельная работа встряхивания Джм2.
По практическим данным коэффициент уплотняемости встряхиванием K в зависимости от высоты смеси до уплотнения Hо имеет следующие значения.
Уравнение дает удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными при значениях a встречающимися на практике. Как и эмпирическое уравнение прессования уравнение встряхивания отклоняется от опытных данных при весьма больших значениях a приближающихся к моменту стабилизации уплотнения. Кроме того отклонения могут наблюдаться и в области весьма малых значений a если в действительных условиях d0 1000 кгм3. Указанные отклонения однако практического значения не имеют.
Изменение высоты встряхивания h в пределах 20100 мм не влияет на получаемую плотность d приусловии постоянства удельной работы a. Однако при увеличении h одна и та же работа a сообщается смеси при меньшем числе n ударов встряхивания одной формы и производительность машины возрастает.
Слишком большое число ударов встряхивания n на одну форму может привести к частичному разрыхлению смеси и даже к возникновению трещин в форме со стороны модельной плиты.
Из уравнения встряхивания (55) легко получить выражение для работы при уплотнении литейных форм встряхиванием. Работа A на одну опоку выраженная в Джоулях составит
d – средняя плотность смеси кгм3.
Описание устройства встряхивающей формовочной машины
1 Характеристики встряхивающей формовочной машины
Машины формовочные встряхивающие с поворотом полуформ предназначены для формовки верхних и нижних полуформ в условиях серийного производства. Кантовка нижних полуформ производится вне машины перед сборкой. Машины производят следующие основные операции: встряхивание подвод прессовой траверсы в рабочее положение прессование подъем штифтов (протяжной рамки) вытяжку возврат траверсы в исходное положение возврат штифтов (протяжной рамки).
Таблица 2.1 - Технические характеристики формовочной встряхивающей машины с поворотом полуформ 265МЗ
Размеры опок в свету мм
Высота опоки мм не более
Грузоподъемность** т
Усилие прессования** кН
Производительность наибольшая цикловая полуформч
Размеры протяжной рамки в свету мм
Продолжение табл. 2.1
Высота встряхивания мм
Частота встряхивания 1мин
Масса падающих частей кг
Ход прессования поршня мм
Диаметры основных цилиндров мм:
Количество масла заливаемого в резервуары вытяжных цилиндров дм3
Габаритные размеры мм:
Ширина при отведенной траверсе мм
* Конструкция машины предусматривает возможность формовки опок высотой до 350 мм.
** Обеспечиваются при давлении сжатого воздуха 06 МПа.
В центре литой станины расположен цилиндр с прессовым поршнем который одновременно является цилиндром для встряхивающего поршня. Прессовый поршень связан с двумя ограничителями хода.
Кольцевые соударяющиеся поверхности встряхивающего и прессового поршней защищены сменными кольцами. К встряхивающему столу прикреплены два вибратора. Станина выполнена с двумя большими приливами один из которых удерживает колонну с траверсой другой - стойку-упор.
Траверса поворачивается вокруг оси колонны пневмоцилиндром. На свободном конце траверсы расположена тяга соединенная на момент прессования со стойкой-упором станины образуя замкнутую раму. В центре траверсы размещена прессовая плита со сталкивателем опок. При повороте траверсы благодаря параллелограммной связи прессовая плита перемещается параллельно исходному положению двигая сталкивателем заформованную опоку по роликам протяжной рамки за пределы машины. На верхней части станины размещены четыре цилиндра подъема протяжной рамки несущей два опорных бруса и две роликовые планки. Опорные брусья приподнимаются пневмоцилиндрами над роликовыми конвейерами и удерживают опоку при протяжке разгружая ролики. В машине регулируются продолжительность встряхивания и прессования.
2 Особенности процесса уплотнения смеси при изготовлении форм
Этот процесс относится к динамическим методам изготовления форм. Опока установленная на рабочем столе встряхивающей формовочной машины и заполненная с избытком формовочной смесью поднимается поршнем встряхивающего цилиндра на определенную высоту. При падении рабочий стол ударяется о станину подъемный стол или другие неподвижные детали машины и скорость стола а следовательно и скорость закрепленных на нем модельных плиты с моделью и опоки внезапно уменьшается в то время как формовочная смесь наполняющая опоку стремится по инерции продолжить движение вниз и под действием инерционных сил возникающих в момент соударения уплотняется. Наибольшее уплотнение получают нижние слои смеси прилегающие к модельной плите и к модели; уплотнение вышележащих слоев меньше. Для повышения плотности смеси в верхней части формы применяют последующую допрессовку.
Средняя степень уплотнения смеси в форме после встряхивания составляет 15 – 16 гсм3 после допрессовки 17 – 18 гсм3.
Из анализа процесса уплотнения смеси следует что при прессовании уплотнение происходит в результате однократного приложения к объему смеси сжимающей нагрузки вызывающей с смеси существенные необратимые деформации и действующие до получения окончательного уплотнения формы непрерывно а при встряхивании смесь многократно подвергается повторному действию сжимающей нагрузки при ударах вызывающей ступенчато возвышающие деформации смеси вплоть до окончательного уплотнения формы достигаемого последовательно.
Относительная деформация которую смесь получает при уплотнении складывается из упругой и остаточной составляющих деформации протекающих одновременно.
Упругая составляющая обуславливается упругими деформациями зерен основы смеси и оболочек связующего в зонах их контакта а остаточная составляющая определяется структурной деформацией смеси а также разрушением непосредственно материала зерновой основы.
Структурная деформация смеси заключается с смещении и распаде конгломератов комков смеси в перераспределении и изменении ориентации отдельных зерен что приводит к уменьшению пор и воздушных промежутков и к более плотной укладке зерен смеси. Структурная деформация сопровождается нарушением уже возникших упругих и вязких связей между отдельными частицами смеси и образованием новых. при этом увеличивается число точек контакта между зернами и возрастает сопротивление смеси дальнейшему протеканию структурной деформации определяемое воздействием частиц их механическим зацеплением и заклеиванием силами трения и капиллярными силами вызываемым поверхностным натяжением жидких добавок. Увеличение структурной деформации при повторном приложении к смеси сжимающей нагрузки объясняется тем что после первого приложения нагрузки часть сместившихся структурных элементов оказывается в неустойчивом положении из которого они выходят в процессе протекания упругой деформации при разгружении.
Деформация смеси обусловленная только разрушением материала зерен кварцевого песка весьма незначительна по сравнению со структурной деформацией. Таким образом остаточные деформации смеси определяются главным образом ее структурными деформациями.
При повторном приложении нагрузки структурная деформация смеси заканчивается деформация от разрушения зерен приостанавливается остается только предельная упругая деформация. Поэтому при изготовлении форм встряхиванием наиболее быстро возрастает плотность смеси в форме при начальных ударах когда энергия ударов наиболее полно вызывает остаточную деформацию смеси.
С последующими ударами существенного увеличения степени уплотнения не происходит а энергия ударов вызывая упругую деформацию смеси плотность формы увеличивает несущественно. Дальнейшее уплотнение смеси почти приостанавливается (рис. 2).
При больших сжимающих напряжениях например при прессовании почти вся деформация является остаточной. Поэтому встряхивание с последующей допрессовкой является целесообразным способом изготовления форм не только потому что дает более равномерное распределение плотности смеси в нижних и верхних частях формы но также и потому что рационально с точки зрения наиболее экономной затраты энергии направленной на выполнение полезной работы по уплотнению смеси в форме.
Рисунок 2.1 – Зависимость средней степени уплотнения смеси от числа ударов
Расчет основных конструктивных параметров поворотного механизма встряхивающей формовочной машины
1 Определение весовых параметров
Расчетная грузоподъемность формовочной машины [1 с.149]
Gгр.р. = Gоп+Gсм+Gмод+Gр.
где Gоп – вес опоки кг;
Gсм – ориентировочный вес смеси кг;
Gмод – ориентировочный вес модели кг;
Gр – вес смеси в наполнительной рамке кг.
Ориентировочный вес смеси [1 с.149]
Gсм = ((1-100)*a*b*hоп+a*b*h1)*
где: a – длина опоки см;
b – ширина опоки см;
hоп – высота опоки см;
h1 – высота слоя смеси оставляемого над контрладом опоки после уплотнения для последующего срезания см;
– степень уплотнения смеси кгсм3 = (16÷18)*10-3 кгссм3 принимаем = 17*10-3 кгссм3.
где = 005÷01 принимаем = 01.
Gсм = ((1-20100)*70*80*30+70*80*3)*17*10-3 = 25704 кг
Ориентировочный вес модели
Vоп = 07*08*03 = 0168 м3.
Vмод = 02*0168 = 00336 м3.
Принимаем материал модели СЧ20 (ГОСТ 1412-85) (ρ = 7100 кгм3)
Gмод = 00336*7100 = 23856 кг.
Высоту наполнительной рамки принимаем 100 мм тогда вес смеси в наполнительной рамке.
где gсм = 12 – объемный вес рыхлой смеси;
Gр = 08*07*01*12 = 672 кг.
Gгр.р. = 135+25704+23856+672 = 6978 кг.
Gгр > Gгр.р. – условие выполняется.
2 Определение основных конструктивных параметров встряхивающего механизма
Площадь выхлопных отверстий определяем аналогично площади впускных отверстий
kвых = fвыхFв таблица 3.3 [1с.153].
где kвых = 003÷005 принимаем kвых = 004.
fвых = 004*490 = 196 см.
где kвп = 0005÷0007 принимаем kвп = 0006.
fвп = 0006 * 490 = 29 см
где Fв – площадь встряхивающего поршня.
Для проверки правильности выбора площадей впускных и выпускных отверстий воспользуемся коэффициентом площади выхлопа.
kвыхвп = fвыхfвп таблица 3.3 [1 с.153]
kвыхвп = 19629 = 68 – условие соблюдается.
Для определения диаметра одного выхлопного отверстия воспользуемся выражением.
Dвых = = 25 см = 25 мм.
За конструктивный ход встряхивания Н принимают ход встряхивающего поршня от его начального положения до полного открытия выхлопных отверстий. Конструктивный ход встряхивания Н найдем в зависимости от диаметра поршня по графику [1 с.152] принимаем Н = 58 мм.
Протяженность участка впуска расширения выхлопа а также приведенную высоту вредного пространства найдем с помощью безразмерных величин табл.[1 с.153]
где Hвп – ход впуска;
H – конструктивный ход встряхивания;
hвп – относительный ход впуска hвп = 045÷055 принимаем hвп = 055;
Hвп = H * hвп = 58 * 05 = 29 мм.
Относительный ход расширения
где hр = 05÷025 принимаем hр = 02.
где hвых = 02÷035 принимаем hвых = 03.
Hвых = 03 * 58 = 174 мм.
Приведенная высота вредного пространства [1 с.148]
где Vн – объем вредного пространства.
Высоту вредного пространства также можно найти с помощью безразмерной величины. Относительная начальная высота.
где hн = 075÷112 принимаем hн = 10.
Тогда начальная высота (вредное пространство) будет равно Нн = Н Нн = 58 мм.
Относительный ход встряхивания будет равен
Для нашего случая; hв = (58+58)58 = 2 – условие выполняется.
Для машин без амортизации ударов с клапанным воздухораспределением gгр = 04÷05 принимаем gгр = 05.
где G – общий вес поднимаемых частей.
G = 69805 = 1396 кН.
Относительный вес поднимаемых при встряхивании частей машины
где Gв – вес частей машины участвующих при встряхивании.
Находим gв = 05÷06 принимаем gв = 055.
Gв = 055*1396 = 768 кН.
для определения площади встряхивающего поршня воспользуемся условным коэффициентом запаса представляющим собой отношение подъемной силы встряхивающего поршня рм*рн к общему весу поднимаемы частей G при условии что давление в поршневом пространстве равно магистральному рм = 6 кгссм2 = 60 нсм.
Условный коэффициент запаса для машин без амортизации ударов с клапанным воздухораспределением М = 15÷20 принимаем М = 175 тогда
Fв = 175*13966 = 4072 см2.
Диаметр встряхивающего поршня.
dв = = 228 см = 228 мм.
Принимаем dв = 250 мм.
Площадь принятого поршня.
Fв =314*25024 =490 см2.
3. Определение основных параметров
При проведении проектировочного расчета поршневого прессового механизма необходимую площадь прессового поршня определяют по формуле
Fпр.р = (Fоп* РпрРм) + (G1 + Gгр.р. + T)Рм [1с.136]
где: Рм – давление сжатого воздуха в магистральной сети;
G1 – вес подвижных частей машины поднимаемых при прессовании Т;
Gгр – грузоподъемность машины Т;
Т – сила трения в поршневой паре;
Т = (01÷015)*( G1 + Gгр) [1. стр.137]
Т = 0125*(107 + 07) = 0221 Т
где: a – длина опоки м;
Fоп = 08*07 = 056 м2
Fпр.р = (056*216) + (107+07+022)6 = 0309 м2
Расчетный диаметр прессового поршня
Dпр> Dпр.р. – условие выполняется.
4. Расчет фундамента
В состав исходных данных для проектирования фундаментов формовочных машин литейного производства должны входить:
нормативные статические нагрузки передаваемые на фундамент основными механизмами (встряхивающим поворотным приемным и пр.) и точки приложения этих нагрузок;
грузоподъемность машин (суммарная масса опоки и формовочной смеси) масса падающих частей и станины встряхивающего механизма;
рабочая высота падения встряхивающих (падающих) частей машины;
размеры в плане толщина и материал надфундаментной упругой прокладки.
Для устройства надфундаментной упругой прокладки следует предусматривать брусья из дуба и листовую резину. Для встряхивающих формовочных машин грузоподъемностью менее 5т допускается применение брусьев из лиственницы или сосны.
Высота фундамента под встряхивающим механизмом и расстояние от дна каналов тоннелей и выемок до подошвы фундамента должны быть не менее указанных в табл. 3.1.
Грузоподъемность машины тс т
Высота фундамента под встряхивающим механизмом м не менее
Расстояние от дна каналов тоннелей и выемок до подошвы фундамента м не менее
Армирование фундаментов формовочных машин и их отдельных элементов необходимо производить в соответствии с учетом следующих указаний.
Верхнюю часть фундамента непосредственно под станиной встряхивающего механизма следует армировать горизонтальными сетками число которых назначается в зависимости от грузоподъемности механизма т:
от 5 до 15 2-3 сетки
Наружные железобетонные стены ограждающие формовочную машину следует армировать двойными сетками используя в качестве вертикальной арматуры стержни диаметром 12-14 мм грузоподъемности машин до 15т и диаметром 16-20 мм при большей грузоподъемности. В качестве продольной арматуры следует предусматривать стержни диаметром 10-12 мм с шагом соответственно 300-400 мм. Сетки следует соединять между собой поперечными стержнями диаметром 10-12 мм через 600-800 мм в горизонтальном и вертикальном направлениях.
Наружные боковые грани фундамента следует армировать арматурными сетками выполненными для фундаментов объемом 80м3 и менее с вертикальными стержнями диаметром 12-14 мм и шагом 200 мм а для фундаментов объемом более 80м3 - диаметром 16-20 мм с тем же шагом.
Формовочные машины с поворотно-перекидным механизмом следует располагать на фундаменте как правило обращенными поворотно-перекидным механизмом в сторону строительных конструкций.
Амплитуды вертикальных колебаний фундаментов формовочных машин следует определять в зависимости от соотношения угловой частоты w с-1 свободных вертикальных колебаний подвижных частей машины на упругой надфундаментной прокладке и угловой частоты lz с-1 свободных вертикальных колебаний всей установки на грунте определяемых по формулам:
где k суммарный коэффициент жесткости упругой надфундаментной прокладки кНм (тсм) определяемый по формуле
здесь А1 - площадь станины встряхивающего механизма м2;
Ew - модуль упругости деревянной прокладки кПа (тсм2);
Er - модуль упругости резиновой прокладки принимаемый в зависимости от твердости по ГОСТ 263-75;
tr - толщина резиновой прокладки м;
tw - толщина деревянной прокладки м;
т - масса установки т (тс×с2м) определяемая по формуле
то - суммарная масса падающих частей машины включая массу опоки и формовочной смеси т (тс×с2м);
т1 - масса станины встряхивающего механизма т (тс×с2м);
т - общая масса фундамента неподвижных частей машины и грунта над обрезами фундамента т (тс×с2м).
Для уменьшения вращательных колебаний фундаментов формовочных машин с поворотно-перекидным механизмом эксцентриситет приложения динамической нагрузки следует ограничивать до 5-10% размера стороны подошвы фундамента в направлении которой происходит смещение точки приложения ударной нагрузки.
Эксцентриситет в расположении центра тяжести фундамента машины и центра тяжести подошвы фундамента может достигать 15% размера стороны подошвы фундамента в направлении которой происходит смещение центра тяжести фундамента в случае смещения центра тяжести подошвы в сторону приложения динамической нагрузки.
Амплитуду вертикальных колебаний фундаментов формовочных машин с поворотно-перекидным механизмом определенную для торцовых граней фундамента допускается увеличивать на 20%.
При основании сложенном мелкими или пылеватыми водонасыщенными песками для машин грузоподъемностью 10т и более следует как правило предусматривать виброизоляцию фундаментов.
В курсовом проекте выполнены все необходимые расчеты конструктивных параметров поворотного механизма встряхивающей формовочной машины.
За аналог при проектировании элементов сита была принята формовочная встряхивающая машины с поворотом полуформ 265МЗ.
Аксенов П. Н. Машины литейного производства. Атлас конструкций. – учебное пособие для машиностроительных вузов по специальности “Машины и технология литейного производства” М.: Машиностроение 1972 40 с.
Горский А. И. Расчет машин и механизмов автоматических линий литейного производства. – М.: Машиностроение 1078. – 551 с. ил.
Зайгеров И.Б. Оборудование литейных цехов. – Минск: Высшая школа 1980. – 368 с.
ЛахтинЮ.М. ЛеонтьеваВ.Н.Материаловедение. Учебник для ВУЗов технич. спец. - 3-е изд. - М.Машиностроение 2010. - 528с.
Материаловедение и технология металлов: Учебник для ВУЗов по машиностроительным специальностям Г.П.Фетисов М.Г.Карпман В.М.Матюнин и др. - М.: Высшая школа 2010. - 637с.: ил.
Материаловедение: Учебник для ВУЗов обучающих по направлению подготовки и специализации в области техники и технологии Б.Н.Арзамасов В.И.Макарова Г.Г.Мухин и др. - 5-е изд. стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана 2013. - 646с.: ил.
Могилев В. К. Лев. О. И. Справочник литейщика. – М.: Машиностроение 1988 – 272 с.: ил.
Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных ВУЗов А.М.Дальский Т.М.Барсукова Л.Н.Бухаркин и др.; Под общ. ред. А.М.Дальского. - 5-е изд. испр. - М.Машиностроение 2013. - 511с.: ил.
Приложения и спецификации