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Diseño y Fabricación de una Prensa Hidráulica de 30 toneladas
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Diseño y Fabricación de una Prensa Hidráulica de 30 toneladas

Vistas:791     Autor:Editor del sitio     Hora de publicación: 2020-06-09      Origen:Sitio

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Abstracto

En un intento por aliviar el problema de la escasez de equipos en nuestros laboratorios en la mayoría de nuestras instituciones superiores, un camión de 30 toneladas prensa hidráulica fue diseñado, construido y probado utilizando materiales de origen local.Los principales parámetros del diseño incluyeron la carga máxima (300 kN), la distancia que debe moverse la resistencia de carga (carrera del pistón, 150 mm), la presión del sistema, el área del cilindro (diámetro del pistón = 100 mm) y el caudal volumétrico. del fluido de trabajo.Los principales componentes de la prensa diseñados incluyen la disposición del cilindro y pistón, el marco y el circuito hidráulico.Se probó el rendimiento de la máquina con una carga de 10 kN proporcionada por dos resortes de compresión de 9 N/mm constantes cada uno dispuestos en paralelo entre las placas superior e inferior y se encontró que era satisfactoria.Un perno de acero fijado a la placa inferior de una prensa hidráulica está sometido a grandes fuerzas de impacto.este perno tiene un diámetro mayor de 14 mm y un paso de 2 mm.Tiene 300 mm de largo y la tuerca soporta una energía de impacto de 4500 n-mm.El perno utilizado se muestra en la figura 1b.El hilo se corta en todo el diámetro de 14 mm.Utilizando los principios dfm, diseñe un mejor tornillo que pueda reducir la tensión del área de la raíz a 245 mpa desde la tensión estándar del área de la raíz de 290 mpa.mostrar los cálculos.


1. Introducción

El desarrollo de la ingeniería a lo largo de los años ha consistido en el estudio de encontrar medios cada vez más eficientes y convenientes para empujar y tirar, rotar, empujar y controlar cargas, que van desde unos pocos kilogramos hasta miles de toneladas.Las prensas se utilizan ampliamente para lograr esto.


Las prensas, tal como las define Lange, son máquinas herramienta que ejercen presión.Se pueden clasificar en tres categorías principales como: prensas hidráulicas que funcionan según los principios de presión hidrostática, prensas de tornillo que utilizan tornillos de potencia para transmitir potencia y prensas mecánicas que utilizan un enlace cinemático de elementos para transmitir potencia.


En la prensa hidráulica, la generación, transmisión y amplificación de la fuerza se logra utilizando fluido bajo presión.El sistema líquido exhibe las características de un sólido y proporciona un medio muy positivo y rígido de transmisión y amplificación de potencia.En una aplicación sencilla, un pistón más pequeño transfiere fluido a alta presión a un cilindro que tiene un área de pistón mayor, amplificando así la fuerza.Existe una fácil transmisibilidad de grandes cantidades de energía con una amplificación de fuerza prácticamente ilimitada.También tiene un efecto de inercia muy bajo.


Una prensa hidráulica típica consta de una bomba que proporciona la fuerza motriz al fluido, el fluido en sí, que es el medio de transmisión de energía a través de tuberías y conectores hidráulicos, dispositivos de control y el motor hidráulico que convierte la energía hidráulica en trabajo útil en el punto. de resistencia de carga.


Las principales ventajas de las prensas hidráulicas sobre otros tipos de prensas son que brindan una respuesta más positiva a los cambios en la presión de entrada, la fuerza y ​​la presión se pueden controlar con precisión y toda la magnitud de la fuerza está disponible durante toda la carrera de trabajo de la prensa. recorrido del ariete.Se prefieren las prensas hidráulicas cuando se requiere una fuerza nominal muy grande.

La prensa hidráulica es un equipo invaluable en talleres y laboratorios, especialmente para operaciones de ajuste a presión y para la deformación de materiales, como en procesos de conformado de metales y pruebas de resistencia de materiales.Una mirada al taller en Nigeria revela que todas estas máquinas se importan al país.Por lo tanto, aquí se pretende diseñar y fabricar una prensa, que sea de bajo costo y operada hidráulicamente utilizando materiales de origen local.Esto no sólo ayudará a recuperar el dinero perdido en forma de divisas, sino que también mejorará el nivel de nuestra tecnología local en la explotación de la transmisión de energía mediante fluidos hidráulicos.


2. Metodología de diseño

Los sistemas de energía fluida están diseñados por objetivos.El principal problema a resolver al diseñar el sistema es transponer el rendimiento deseado del sistema a la presión hidráulica del sistema.

diseño de prensa hidraulica

Fig. 1. Diagrama esquemático de la prensa hidráulica.caudal volumétrico y hacer coincidir estas características con una entrada disponible para que el sistema mantenga la operación.

Los principales parámetros del diseño incluyeron la carga máxima (300 kN), la distancia que debe moverse la resistencia de carga (carrera del pistón, 150 mm), la presión del sistema, el área del cilindro (diámetro del pistón = 100 mm) y el caudal volumétrico. del fluido de trabajo.Los componentes críticos que requieren diseño incluyeron el cilindro hidráulico, el marco y el circuito hidráulico (Fig. 1).


2.1.Diseño de componentes

Cilindro hidráulico:

Los cilindros hidráulicos tienen una estructura tubular en la que un pistón se desliza cuando se admite fluido hidráulico en él.El requisito de diseño incluye el espesor mínimo de la pared del cilindro, la placa de cubierta del extremo, el espesor de la brida y la especificación y selección del número y tamaño de los pernos.La fuerza de salida requerida de un cilindro hidráulico y la presión hidráulica disponible para este fin determinan el área y el diámetro interior del cilindro y el espesor mínimo de pared.


Placa de tapa de extremo del cilindro:

El espesor T, de la placa de cubierta extrema, que está soportada en la circunferencia por pernos y sometida a una presión interna distribuida uniformemente sobre el área, viene dado por la ecuación.(2) de Khurmi y Gupta (1997), como: T = KD(P/δt) 1/2, (2) donde: D = Diámetro de la placa de cubierta del extremo (m), 0,1;K = Coeficiente que depende del material de la placa, 0,4, de Khurmi y Gupta (1997);P = Presión interna del fluido (N/m2), 38,2;δt = Esfuerzo de diseño admisible de la cubierta.material de placa, 480 N/m2;de donde se obtuvo que el espesor de la placa es de 0.0118 m.


Tornillo:

La tapa del cilindro se puede fijar mediante pernos o espárragos.La posible disposición para asegurar la cubierta con pernos se muestra en la Fig. 2. Para encontrar el tamaño y número correctos de pernos, n, a usar, se aplica la siguiente ecuación.(3) se utilizó según lo adoptado de Khurmi y Gupta (1997): (πDi 2/4)P = (πdc 2/4)δtbn, (3) donde;P = Presión interna del fluido (N/m2);Di = Diámetro interno del cilindro (m);dc = Diámetro del núcleo del perno (m), 16 × 10-3 m;δtb = Resistencia a la tracción admisible del perno.

diseño de prensa hidraulica

Si se conoce el tamaño del perno, entonces se puede calcular el número de pernos y viceversa.Sin embargo, si se obtiene el valor de n.anterior es impar o una fracción, entonces se adopta el siguiente número par superior.Se calculó que el número de pernos era 3,108, por lo que se eligieron cuatro pernos.La estanqueidad de la unión entre el cilindro y la placa de cubierta depende del paso circunferencial, Dp, del perno, que se obtuvo como 0,0191 m de la ecuación.(4): Dp = Di + 2t +3Dc, (4) donde: t = espesor de la pared del cilindro (m), 17 × 10-3.


Brida del cilindro:

El diseño de la brida del cilindro es esencialmente para obtener el espesor mínimo tf, de la brida, que puede determinarse a partir de consideraciones de flexión.Aquí actúan dos fuerzas, una debida a la presión del fluido y otra que tiende a separar la brida debido al sellado que debe ser resistido por la tensión producida en los pernos.La fuerza que intenta separar la brida se calculó en 58,72 kN a partir de la ecuación.(5): F = (π/4)D1 2 P, (5) donde: D1 = diámetro exterior del sello, 134 × 10-3 m.


Determinación del espesor de brida:

El espesor del ala, tf, se puede obtener considerando que la flexión del ala alrededor de la sección AA es la sección a lo largo de la cual el ala se dobla más débilmente (Fig. 3).Esta flexión se produce debido a la fuerza en dos pernos y la presión del fluido dentro del cilindro.

diseño de prensa hidraulica

Por lo tanto, la ecuación.(6) dio un espesor de ala de 0,0528 m: tf = (6M)/(bδf), (6) donde: b = Ancho del ala en la sección AA, 22,2×10-3 m;δf = Esfuerzo cortante del material de la brida, 480 N/m2;M = Momento flector resultante, 5.144,78 Nm.


Pistón:

El tamaño requerido de la columna del vástago del pistón, necesario para soportar la carga aplicada y que está alineado con la línea central del diámetro interior del cilindro, está influenciado por la resistencia del material del vástago, la fuerza aplicada a la columna del vástago en compresión, la situación de montaje del propio cilindro y la carrera sobre la que se aplicará la carga.

El procedimiento para calcular el tamaño de la columna del vástago del pistón y las longitudes de los cilindros en condiciones de empuje final se realizó utilizando el procedimiento sugerido por Sullivan.De este modo se obtuvo el tamaño del vástago del pistón con un diámetro no inferior a 0,09 m. considerado adecuado para el diseño.


Selección de Sellos:

Los sellos se utilizan para evitar fugas internas y externas en el sistema bajo diferentes condiciones operativas de presión y velocidad.El sello estático seleccionado utiliza el principio de ranura y anillo para afectar un sello.La dimensión de la ranura se calcula de modo que la junta tórica seleccionada deba comprimirse entre un 15 y un 30 % en una dirección y sea igual a un 70-80 % del diámetro de la sección transversal libre.El problema en la selección del sello estático es especificar la ranura de tal manera que se pueda comprimir una junta tórica. en una dirección y expandido en otra, Por tanto;Para el sello se especificó una dimensión de ranura de 4 mm × 3 mm.


2.2.Diseño del marco

El marco proporciona puntos de montaje y mantiene posiciones relativas adecuadas de las unidades y piezas montadas en él durante el período de servicio en todas las condiciones de trabajo especificadas.También proporciona rigidez general de la máquina (Acherkan 1973).La consideración de diseño es la de la tensión directa impuesta sobre los pilares.Otros miembros del marco, como las placas (como en nuestro caso), están sujetos a esfuerzos de flexión simples.


Platina:

Las placas superior e inferior proporcionan un punto de contacto directo con el objeto que se está comprimiendo.Por lo tanto, están sujetos a un esfuerzo de flexión puro debido a un par igual y opuesto que actúa en el mismo plano longitudinal.El diseño La consideración es esencialmente para la flexión y consiste principalmente en la determinación del valor más grande del momento flector (M) y la fuerza cortante (V) creados en la viga, que resultó ser 45 kN/m y 150 kN, respectivamente.Estos se calcularon utilizando el procedimiento adoptado.


Módulo de sección:

Los valores de V y M obtenidos facilitan el cálculo del módulo de sección de los platos.Esto da la profundidad mínima (espesor) d, y se calculó en 0,048 m a partir de la ecuación.(7): d = [(6M)/(δb)]1/2, (7) donde;M = Máximo momento flector, 45 kN/m;b = 600 × 10-3 m;δ = 480 × 106 N/m2.


2.3.Bomba

El parámetro inicial en el diseño es estimar la presión máxima de descarga de fluido requerida en el cilindro y luego se agrega un factor para tener en cuenta la pérdida por fricción en el sistema.Se obtuvo que esto era 47,16 × 106 N/m2.

La acción de bombeo es accionada por un sistema de palanca.Se obtuvo que la longitud real de la palanca era de 0,8 m.Esto se calculó asumiendo un esfuerzo teórico máximo y tomando el momento alrededor del punto de apoyo.

3.Procedimiento de fabricación detallado

La sección de acero de canal en U de 200 mm × 70 mm se obtuvo localmente del proveedor de acero estructural y dos placas de acero de 200 × 400 × 40 mm se obtuvieron de un depósito de chatarra en la ciudad de Benin, Nigeria.Después de determinar las dimensiones principales del Secciones críticas del diseño, se cortaron dos secciones de 2.800 mm del acero usando una sierra eléctrica en el taller donde se fabricó el marco.También se obtuvo del depósito de chatarra una tubería de Φ150 mm con un diámetro interno de Φ90 mm y Se aburrió y se lapeó a Φ100 mm en el torno.También se obtuvo un tubo tubular de acero dulce de Φ70 mm y 15 mm de espesor que se giró en un extremo a Φ60 mm para alojar el sello y la carcasa del sello.Se ensamblaron el pistón y el cilindro. y montados en la base del marco con pernos que previamente fueron soldados entre sí.También se proporcionó una barra guía hecha de un tubo de acero para permitir el movimiento vertical recto de la platina.Las placas se fabricaron a partir de acero. Se perforaron dos orificios de Φ20 mm en ambos extremos para el paso de la barra guía.La placa inferior se montó en la parte superior del pistón y se mantuvo en su posición mediante un hueco mecanizado en él.También se produjo un anillo de calibración a partir de un 10 placa de acero dulce de mm de espesor y se colocó entre la placa superior y la barra transversal de la prensa como se muestra en la Fig. 1.


3.1.Resultado de la prueba de rendimiento

Es una práctica normal someter los productos de ingeniería a pruebas después de su fabricación.Este es un paso importante en el proceso de fabricación.Durante las pruebas, se verifica el producto para ver si se satisfacen los requisitos funcionales, identificar problemas de fabricación, determinar la viabilidad económica, etc.

Por lo tanto, se realizan pruebas para demostrar la eficacia del producto.Para la prensa hidráulica, la prueba de fugas es la prueba más importante.La prueba comenzó con el cebado inicial de la bomba.Después de lo cual se bombeó el líquido. Esto se llevó a cabo en condiciones sin carga.La máquina se dejó en esta posición durante dos horas.

Luego se sometió la máquina a una carga de 10 kN proporcionada por dos resortes de compresión de 9 N/mm constantes cada uno dispuestos en paralelo entre los platos.A continuación se comprimieron los resortes axialmente hasta una longitud de 100 mm.Este arreglo fue Se dejó reposar durante dos horas y se observó si había fugas.No se indicó fuga en el sistema ya que el plato inferior no cayó de su posición inicial.


4. Conclusión

Se diseñó, fabricó y calibró una prensa hidráulica de 30 toneladas.La máquina fue probada para garantizar la conformidad con los objetivos de diseño y la capacidad de servicio.La máquina resultó satisfactoria con una carga de prueba de 10 kN.Más Aún no se han realizado pruebas de la carga de diseño.


5.Análisis de fallas


5.1 Descripción general

Para analizar la falla del cilindro principal de la prensa hidráulica de cuatro columnas, merecen atención las siguientes cuestiones:

●El análisis en profundidad del diagrama del sistema hidráulico, combinado con la tabla de acción del electroimán relevante y los diagramas de circuito relacionados, resuelve el mecanismo de funcionamiento completo del circuito y, al mismo tiempo, comprende correctamente la intención y las ideas del diseño del circuito, los aspectos técnicos. medidas tomadas y los antecedentes relacionados.

●Corresponden al diagrama de principio de funcionamiento de la prensa hidráulica y al objeto real, para formarse una impresión específica, la tubería en el circuito hidráulico, el diagrama esquemático suele ser muy diferente del objeto real.Cuando sea posible, deje clara la relación entre la colusión entre los orificios de la válvula en el plato de la válvula y la resistencia de la barrera.Estos factores están estrechamente relacionados con la inspección del circuito.

●Consulte libros y materiales relevantes para encontrar la base para juzgar las características de los dispositivos hidráulicos y luego juzgarlos.

●De acuerdo con las páginas web, libros y manuales de instrucciones de equipos relevantes, explore el mecanismo de falla y los métodos de prueba analíticos relacionados.

●Análisis de falta de presión de retención en el cilindro maestro


Como se muestra en la figura, el cilindro principal de la máquina hidráulica de cuatro columnas utiliza una válvula de llenado de líquido para lograr un rápido movimiento hacia abajo.El cilindro principal a menudo no mantiene la presión.Esta máquina tiene requisitos de retención de presión y generalmente requiere una caída de presión de <2 a 3 MPa en 10 minutos.

Análisis de fallas de la prensa hidráulica de cuatro columnas

Análisis: Si el cilindro principal no mantiene la presión, debe ser una fuga de aceite a presión.Según el análisis esquemático, está relacionado con el circuito de aceite y no hay más de 5 componentes que causen fugas.

●Tuberías y uniones: tensiones, malas soldaduras, grietas, etc.;

● Válvula de retención de presión de retención: sellado deficiente;

●Cuerpo de la válvula de llenado: sellado deficiente o asiento de válvula flojo;

●Varilla de empuje de aceite de control de la válvula de llenado: un poco más larga, levante y descargue el carrete pequeño

●Pistón del cilindro maestro (casquillo guía): El anillo de sellado está dañado.


Método de exclusión: según los resultados del análisis, verifique y excluya de lo simple a lo complejo, de afuera hacia adentro.


Primero verifique las tuberías y las juntas (de simples a complejas, de afuera hacia adentro) y realice la soldadura inicial para detectar soldaduras deficientes y grietas.Es mejor quitar las juntas tóricas en las juntas y calentar las curvas con soldadura de oxígeno para que se pongan rojas. Coloque ligeramente la tuerca, espere a que se enfríe y ajuste antes del montaje.


Si no hay defectos en las tuberías y juntas, revise la válvula de retención que preserva la presión (desde el exterior y el interior), retire el tapón de la válvula de retención, pula su línea de sellado, muélala con el asiento de la válvula, límpiela y ensamble.


Después de revisar la válvula de retención, si el cilindro principal aún no puede mantener la presión, verifique la válvula de control de la válvula de llenado (desde el exterior y el interior), retire la varilla de aceite de control y bloquee el aceite de control para verificar si se mantiene la presión;Si es imposible mantener la presión para confirmar si el putter es largo, lije el extremo del putter.Después de comprobar la varilla de empuje, no se puede mantener la presión.Se debe revisar la válvula de llenado.El objetivo principal es comprobar si la línea de sellado y el anillo de asiento están flojos.Pula, esmerile o vuelva a montar el anillo del asiento.


Después de revisar la válvula de llenado, no se puede mantener la presión y se puede determinar que el anillo de sello del cilindro principal está dañado y se puede quitar y reemplazar.


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