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Diseño y fabricación de una prensa hidráulica de 30 toneladas

Número Navegar:437     Autor:Editor del Sitio     publicar Tiempo: 2020-06-09      Origen:motorizado Su mensaje

Abstracto

En un intento por paliar el problema de la escasez de equipos en nuestros laboratorios en la mayoría de nuestras instituciones superiores, unaprensa hidráulicafue diseñado, construido y probado con materiales de origen local.Los parámetros principales 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 principales de la prensa diseñada incluyen la disposición de cilindros y pistones, el bastidor 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 los platos superior e inferior y resultó satisfactorio.un perno de acero sujeto a la placa inferior de una prensa hidráulica está sometido a fuerzas de impacto elevadas.este perno tiene un diámetro mayor de 14 mm y un paso de 2 mm.tiene 300 mm de largo y la tuerca tiene 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 tornillo mejor que pueda reducir la tensión del área de la raíz a 245 mpa desde la tensión del área de la raíz estándar de 290 mpa.mostrar los cálculos.


1. Introducción

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


Las prensas, según la definición de Lange, son máquinas herramienta que ejercen presión.Se pueden clasificar en tres categorías principales como: prensas hidráulicas que operan 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 a presión.El sistema líquido presenta las características de un sólido y proporciona un medio muy positivo y rígido de transmisión y amplificación de potencia.En una aplicación simple, un pistón más pequeño transfiere fluido a alta presión a un cilindro que tiene un área de pistón más grande, amplificando así la fuerza.Hay una fácil transmisibilidad de una gran cantidad 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 para el fluido, el fluido en sí, que es el medio de transmisión de potencia 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 a la 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 del viajes de ram.Se prefieren las prensas hidráulicas cuando se requiere una fuerza nominal muy grande.

La prensa hidráulica es un equipo invaluable en el taller 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.Un vistazo 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 solo ayudará a recuperar el dinero perdido en forma de divisas, sino que mejorará el nivel de nuestra tecnología local en la explotación de la transmisión de energía de fluidos hidráulicos.


2.Metodología de diseño

Los sistemas de energía fluida están diseñados por objetivo.El problema principal a resolver en el diseño del sistema es trasponer el rendimiento deseado del sistema a la presión hidráulica del sistema.

diseño de prensa hidráulica

Fig. 1. Diagrama esquemático de la prensa hidráulica.caudal volumétrico y hacer coincidir estas características con una entrada disponible al sistema para mantener el funcionamiento.

Los parámetros principales 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 incluyen el cilindro hidráulico, el bastidor, el circuito hidráulico (Fig. 1).


2.1 Diseño de componentes

2.1.1 Cilindro hidráulico:

Los cilindros hidráulicos tienen una estructura tubular en la que un pistón se desliza cuando se le admite fluido hidráulico.El requisito de diseño incluye el espesor mínimo de la pared del cilindro, la placa de la 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 propósito determinan el área y el diámetro interior del cilindro y el espesor mínimo de la pared.


2.1.2.Placa de cubierta del extremo del cilindro:

El espesor T, de la placa de cubierta de extremo, que se apoya en la circunferencia mediante pernos y se somete a una presión interna uniformemente distribuida sobre el área, viene dado por la Ec.(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 según el material de la placa, 0,4, de Khurmi y Gupta (1997);P = presión de fluido interna (N / m2), 38,2;δt = Esfuerzo de diseño admisible de la cubierta.material de la placa, 480 N / m2;a partir de la cual se obtuvo el espesor de la placa de 0.0118 m.


2.1.3 Perno:

La tapa del cilindro se puede asegurar mediante pernos o espárragos.La posible disposición para asegurar la tapa con pernos se muestra en la Fig. 2. Con el fin de encontrar el tamaño correcto y el número de pernos, n, a utilizar, la siguiente Eq.(3) se utilizó como se adoptó de Khurmi y Gupta (1997): (πDi 2/4) P = (πdc 2/4) δtbn, (3) donde;P = Presión de fluido interna (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 hidráulica

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 más alto.Se calculó que el número de tornillos era 3,108, por lo que se eligieron cuatro tornillos.El apriete de la junta entre el cilindro y la placa de la cubierta del extremo depende del paso circunferencial, Dp, del perno, que se obtuvo como 0.0191 m de la Ec.(4): Dp = Di + 2t + 3Dc, (4) donde: t = espesor de la pared del cilindro (m), 17 × 10-3.


2.1.4 Brida del cilindro:

El diseño de la brida del cilindro es esencialmente para obtener el espesor mínimo tf, de la brida, que puede determinarse considerando la flexión.Aquí actúan dos fuerzas, una debida a la presión del fluido y otra que tiende a separar la brida debido al sellado que tiene que resistir 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.


2.1.5.Determinación del espesor de la brida:

El grosor de la pestaña, tf, puede obtenerse considerando la flexión de la pestaña alrededor de la sección AA, que es la sección a lo largo de la cual la pestaña es más débil para doblarse (Fig. 3).Esta flexión se produce debido a la fuerza en dos pernos y la presión del fluido dentro del cilindro.

diseño de prensa hidráulica

Por lo tanto, Eq.(6) dio un espesor de ala de 0.0528 m: tf = (6M) / (bδf), (6) donde: b = Ancho de ala en la sección AA, 22.2 x 10-3 m;δf = Esfuerzo cortante del material de la brida, 480N / m2;M = Momento flector resultante, 5.144,78 Nm.


2.1.6.Pistón:

El tamaño requerido de la columna de la varilla del pistón necesario para sostener la carga aplicada y que está alineado con la línea central del orificio del cilindro está influenciado por la resistencia del material de la varilla, la fuerza aplicada a la columna de la varilla encompresión, 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 logró utilizando el procedimiento sugerido por Sullivan.Por esto, el tamaño del vástago del pistón de diámetro no inferior a 0,09 m fueconsiderado adecuado para el diseño.


2.1.7.Selección de sellos:

Los sellos se utilizan para evitar fugas internas y externas en el sistema en condiciones de funcionamiento variables 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 calculade manera que el Oring seleccionado se comprima entre un 15 y un 30% en una dirección y sea igual al 70-80% del diámetro de la sección transversal libre.El problema en la selección del sello estático es especificar la ranura de manera que se pueda comprimir una junta tórica.en una dirección y expandido en otra, Por lo tanto;Se especificó una dimensión de ranura de 4 mm x 3 mm para el sello.


2.2.Diseño del marco

El marco proporciona puntos de montaje y mantiene las posiciones relativas adecuadas de las unidades y las piezas montadas en él durante el período de servicio en todas las condiciones de trabajo especificadas.También proporciona rigidez general de la máquina (Acherkan1973).La consideración de diseño es la de la tensión directa impuesta a los pilares.Otros miembros del bastidor, como los platos (como en nuestro caso), están sujetos a tensiones de flexión simples.


2.2.1.Platina:

Las placas superior e inferior proporcionan un punto de contacto directo con el objeto que se comprime.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 diseñola 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 de 45 kN / my 150 kN, respectivamente.Estasse calcularon utilizando el procedimiento adoptado.


2.2.2 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 de la Ec.(7): d = [(6M) / (δb)] 1/2, (7) donde;M = Máximomomento flector, 45 kN / m;b = 600 x 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 47,16 x 106 N / m2.

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

3.Procedimiento de fabricación detallada

Se obtuvo localmente acero de sección de canal en U de 200 mm × 70 mm del proveedor de acero estructural y se obtuvieron dos placas de acero de 200 × 400 × 40 mm en un depósito de chatarra en la ciudad de Benin, Nigeria.Después de determinar las principales dimensiones delEn las secciones críticas del diseño, se cortaron dos secciones de 2.800 mm del acero con una sierra para metales en el taller en el que se fabricó el marco.También se obtuvo un tubo de Φ150 mm con Φ90 mm de diámetro interno del depósito de chatarra yfue aburrido y lapeado a Φ100 mm en el Torno.También se obtuvo un tubo de acero dulce tubular de Φ70 mm y 15 mm de espesor que se giró en un extremo a 60 mm para alojar el sello y la carcasa del sello.El pistón y el cilindro fueron ensambladosy montada en la base del marco con pernos previamente soldados entre sí.También se proporcionó una barra guía hecha de un tubo de acero para permitir el movimiento vertical recto de la platina.Los platos se fabricaron a partir del acero.se perforaron una placa y dos orificios de Φ20 mm en ambos extremos para el paso de la barra guía.La platina inferior se montó en la parte superior del pistón y se mantuvo en su posición mediante un rebaje mecanizado en él.También se produjo un anillo de calibración a partir de un 10placa 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 la fabricación.Este es un paso importante en el proceso de fabricación.En las pruebas, se comprueba el producto para ver si se cumplen los requisitos funcionales, identificarproblemas de fabricación, determinar la viabilidad económica, etc.

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

A continuación, la máquina se sometió a una carga de 10 kN proporcionada por dos resortes de compresión de 9 N / mm constantes cada uno dispuesto en paralelo entre los platos.A continuación, los resortes se comprimieron axialmente hasta una longitud de 100 mm.Este arreglo fueSe dejó reposar durante dos horas y se observó si había fugas.No se indicó ninguna fuga en el sistema ya que la platina 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 asegurar la conformidad con los objetivos de diseño y la facilidad de servicio.La máquina resultó satisfactoria con una carga de prueba de 10 kN.Más lejoslas pruebas a la carga de diseño aún no se han realizado.

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