Diseño y fabricación de una prensa hidráulica de 30 toneladas

Resumen

En un intento por aliviar el problema de la escasez de equipos en nuestros laboratorios en la mayoría de nuestras instituciones superiores, un 30 toneladas prensa hidráulica fue diseñado, construido y probado con materiales de origen local. Los principales parámetros del diseño incluían la carga máxima (300 kN), la distancia que la resistencia de carga debe moverse (carrera de pistón, 150 mm), la presión del sistema, el área del cilindro (diámetro del pistón = 100 mm) y la velocidad de flujo de volumen del fluido de trabajo. Los componentes principales de la prensa diseñada incluyen la disposición del cilindro y el pistón, el marco y el circuito hidráulico. La máquina se probó para su rendimiento con una carga de 10 kN proporcionada por dos resortes de compresión de 9 n/mm constantes, cada uno dispuesto en paralelo entre las placas superiores e inferiores y se descubrió que era satisfactorio. Un perno de acero sujeto a la placa inferior de una prensa hidráulica está sujeto a fuerzas de alto impacto. Este perno tiene un diámetro importante de 14 mm y un tono de 2 mm. Tiene 300 mm de largo y la nuez tiene una energía de impacto de 4500 N-mm. El perno utilizado se muestra en la Figura 1B. El hilo se corta para el diámetro completo de 14 mm. Usando los principios DFM, diseñe un mejor tornillo que puede reducir el estrés del área de la raíz a 245 MPa del estrés 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 sido el estudio de encontrar medios cada vez más eficientes y convenientes para empujar y tirar, girar, empujar y controlar la carga, que van desde unos pocos kilogramos a miles de toneladas. Las prensas se usan ampliamente para lograr esto.

Las prensas, según lo definido por Lange, son máquinas herramientas que ejercen presión. Se pueden clasificar en tres categorías principales como: prensas hidráulicas que funcionan en los principios de presión hidrostática, presiones de tornillo que usan tornillos de alimentación para transmitir potencia y prensas mecánicas que utilizan el enlace cinemático de los elementos para transmitir la potencia.

En la prensa hidráulica, la generación de fuerza, la transmisión y la amplificación se logran usando 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 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 transmisibilidad fácil de una gran cantidad de energía con amplificación de fuerza prácticamente ilimitada. También tiene un efecto de inercia muy bajo.

Una prensa hidráulica típica consiste en una bomba que proporciona la potencia motriz para el 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 un trabajo útil en el punto de resistencia a la carga.

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

La prensa hidráulica es un equipo invaluable en el taller y los laboratorios, especialmente para las operaciones de ajuste de la prensa y para la deformación de materiales, como los procesos de formación de metales y las pruebas de material para la resistencia. Una mirada al taller en Nigeria revela que todas esas máquinas se importan al país. Por lo tanto, se pretende aquí diseñar y fabricar una prensa, que es de bajo costo y se opera 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 fluido hidráulico.

2. Metodología de diseño

Los sistemas de energía fluida están diseñados por Objetivo. El problema principal que se resolverá en el diseño del sistema es transponer el rendimiento deseado del sistema a la presión hidráulica del sistema.

Fig. 1. Diagrama esquemático de la prensa hidráulica. Caudal de volumen y coincidencia de estas características con una entrada disponible al sistema para mantener la operación.

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

2.1.com DISEÑO DE PONENTES

● Cilindro hidráulico:

Los cilindros hidráulicos son de estructura tubular en la que un pistón se desliza cuando el fluido hidráulico se admite en él. El requisito de diseño incluye el grosor mínimo de la pared del cilindro, la placa de cubierta final, el grosor de la brida y la especificación y selección del número y los tamaños de los pernos. La fuerza de salida requerida de un cilindro hidráulico y la presión hidráulica disponible para este propósito determina el área y el orificio del cilindro y el grosor mínimo de la pared.

● Placa de tapa final del cilindro:

El grosor t, de la placa de cobertura final, que está soportada en la circunferencia por pernos y se somete a una presión interna distribuida uniformemente sobre el área, está dada 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 final (m), 0.1; K = coeficiente dependiendo del material de la placa, 0.4, de Khurmi y Gupta (1997); P = presión de fluido interna (N/m2), 38.2; ΔT = Estrés de diseño permitido de la cubierta. material de placa, 480 n/m2; de la cual se obtuvo el grosor de la placa como 0.0118 m.

● Tornillo:

La cubierta del cilindro puede estar asegurada mediante pernos o pernos. La posible disposición para asegurar la cubierta con pernos se muestra en la Fig. 2. para encontrar el tamaño y el número correctos de pernos, N, que se utilizarán, la siguiente ecuación. (3) se usó como se adoptó de Khurmi y Gupta (1997): (πdi 2 /4) p = (πdc 2 /4) Δtbn, (3) dónde; 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 permitida del perno.

Si se conoce el tamaño del perno, entonces, se puede calcular el número de pernos y viceversa. Sin embargo, si el valor de n como se obtiene. Arriba es impar o una fracción, entonces se adopta el siguiente número par mayor. El número de pernos se calculó en 3.108, por lo tanto, se eligieron cuatro pernos. La opresión de la junta entre el cilindro y la placa de cobertura final depende del tono 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 grosor mínimo TF, de la brida, que puede determinarse a partir de la consideración de flexión. Aquí hay dos fuerzas en acción, una debido a la presión de fluido y la otra que tiende a separar la brida debido al sellado que debe ser resistido por el estrés producido en los pernos. La fuerza que intentaba separar la brida se calculó para ser 58.72 kN de la ecuación. (5): F = (π/4) D1 2 P, (5) donde: D1 = diámetro exterior del sello, 134 × 10-3 m.

● Determinación del grosor de la brida:

El grosor de la brida, TF se puede obtener considerando la flexión de la brida sobre la sección A-A la sección a lo largo de la cual la brida es más débil en la flexión (Fig. 3). Esta flexión se produce debido a la fuerza en dos pernos y la presión del fluido dentro del cilindro.

Por lo tanto, la ecuación. (6) dio un grosor de brida de 0.0528 m: tf = (6m)/(bΔf), (6) donde: b = ancho de la atsección de brida A-A, 22.2 × 10-3 m; ΔF = tensión cortante del material de brida, 480n/m2; M = momento de flexión resultante, 5,144.78 nm.

● Pistón:

El tamaño de la columna de la varilla de pistón requerido necesario para mantener la carga aplicada y que está alineada 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 varilla en compresión, la situación de montaje del cilindro en sí y la carrera sobre la cual se aplicará la carga.

El procedimiento para calcular el tamaño de la columna de la varilla del pistón y las longitudes del cilindro bajo la condición de empuje final se logró utilizando el procedimiento sugerido por Sullivan. Por esto, el tamaño de la varilla de pistón de diámetro no es menos de 0.09 m era considerado adecuado para el diseño.

● Selección de sellos:

Los sellos se utilizan para evitar fugas internas y externas en el sistema en diferentes condiciones de funcionamiento de presión y velocidad. El sello estático seleccionado utiliza la ranura y el principio del anillo para afectar un sello. Se calcula la dimensión del surco de modo que el oring seleccionado se comprimirá 15-30% en una dirección y igual al 70-80% del diámetro transversal libre. El problema en la selección del sello estático es especificar el surco de modo que se pueda comprimir una junta tórica en una dirección y se expandió en otra, por lo tanto; Se especificó una dimensión Grove de 4 mm × 3 mm para el sello.

2.2. Diseño de marco

El marco proporciona puntos de montaje y mantiene posiciones relativas adecuadas de las unidades y piezas montadas 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 tensión directa impuesta en los pilares. Otros miembros del marco, como los platos (como en nuestro caso), están sujetos a tensiones de flexión simples.

● Platina:

Las plantas superiores e inferiores proporcionan un punto de contacto directo con el objeto que se está comprimiendo. Por lo tanto, están sujetos a tensión de flexión pura debido a una pareja igual y opuesta que actúa en el mismo plano longitudinal. El diseño La consideración es esencialmente para la flexión y consiste principalmente en la determinación del mayor valor del momento de flexión (M) y la fuerza de corte (V) creada en el haz que se encontró que era 45 kN/my 150 kN, respectivamente. Estas se calcularon utilizando el procedimiento adoptado.

● Módulo de sección:

Los valores de V y M obtenidos facilitan el cálculo del módulo de sección de las placas. Esto proporciona la profundidad mínima (grosor) D, y se calculó para que fuera 0.048 m de la ecuación. (7): d = [(6m)/(Δb)] 1/2, (7) donde; M = máximo Momento de flexión, 45 kN/m; b = 600 × 10-3 m; δ = 480 × 106 N/m2.

2.3.pump

El parámetro inicial en el diseño es estimar la presión máxima de descarga del fluido requerida en el cilindro y luego se agrega un factor para tener en cuenta la pérdida por fricción en el sistema. Esto se obtuvo para ser 47.16 × 106 N/m2.

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

3. Procedimiento de fabricación de deta de cola

Se obtuvo un acero de la sección de canal de U 200 mm × 70 mm localmente del proveedor de acero estructural y se obtuvieron dos placas de acero de 200 × 400 × 40 mm de chatarra en Benin City, Nigeria. Después de determinar las dimensiones principales del Secciones críticas del diseño, se cortaron dos secciones de 2.800 mm del acero utilizando sierra para el taller en el taller del que se fabricó el marco. También se obtuvo una tubería de diámetro interna de φ150 mm con φ90 mm de diámetro interno del patio de chatarra y estaba aburrido y lapado a φ100 mm en el torno. También se obtuvo una tubería de acero tubular tubular de φ70 mm y 15 mm de espesor que se giró en un extremo a φ60 mm para albergar el sello y la carcasa del sello. Se ensamblaron el pistón y el cilindro y montado en la base del marco con pernos que anteriormente estaban soldados juntos. También se proporcionó una barra guía hecha de una tubería de acero para permitir el movimiento vertical recto de la platina. Los platos se produjeron a partir del acero Se perforaron placa y dos agujeros de φ20 mm en ambos extremos para el pasaje de la barra guía. La platina inferior se ensambló en la parte superior del pistón y se mantuvo en posición mediante un receso mecanizado en él. También se produjo un anillo de calibración a partir de 10 Se colocó una placa de acero suave de espesor y se colocó entre la platina superior y la barra transversal de la prensa como se muestra en la figura 1.

3.1. Resultado de la prueba de rendimiento

Es una práctica normal para los productos de ingeniería de sujetos para probar (s) después de la fabricación. Este es un paso significativo en el proceso de fabricación. Según las pruebas, el producto se verifica para ver si se cumplen los requisitos funcionales, identificar problemas de fabricación, determinar la viabilidad económica, etc.

Por lo tanto, se emplea la prueba para probar la efectividad 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 fluido. Esto se llevó a cabo en condición sin carga. La máquina se dejó pararse en esta posición durante dos horas.

Luego, 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. Los resortes se comprimieron axialmente a una longitud de 100 mm. Este arreglo fue Se fue para soportar dos horas y se observó por fugas. La fuga en el sistema no se indicó ya que la platina inferior no cayó desde su posición inicial.

4. Conclusión

Se diseñó, fabricó y calibró una prensa hidráulica de 30 toneladas. La máquina se probó para garantizar la conformidad con los objetivos de diseño y la capacidad de servicio. Se encontró que la máquina era satisfactoria a una carga de prueba de 10 kN. Más lejos Las pruebas de la carga de diseño aún no se han llevado a cabo.