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Diseño y fabricación de una prensa hidráulica de 30 toneladas.

Número Navegar:32     Autor:Editor del Sitio     publicar Tiempo: 2020-06-09      Origen:motorizado Su mensaje

Resumen

En un intento por aliviar el problema de la escasez de equipos en nuestros laboratorios en la mayoría de nuestras instituciones superiores, se diseñó, construyó y probó una prensa hidráulica de 30 toneladas con materiales de origen local. Los parámetros principales del diseño incluyeron la carga máxima (300 kN), la distancia que la resistencia de la carga tiene que moverse (carrera del pistón, 150 mm), la presión del sistema, el área del cilindro (diámetro del pistón = 100 mm) y el caudal del fluido de trabajo. Los componentes principales de la prensa diseñada incluyen la disposición del cilindro y el pistón, 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 dispuestos cada uno en paralelo entre las placas superior e inferior y se encontró que era satisfactoria.


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 de empujar y tirar, rotar, empujar y controlar la carga, que van desde unos pocos kilogramos hasta miles de toneladas. Las prensas son ampliamente utilizadas para lograr esto.


Las prensas, según la definición de Lange, son máquinas herramienta que ejercen presión. Se pueden clasificar en tres categorías principales: prensas hidráulicas que funcionan según los principios de la presión hidrostática, prensas de tornillo que utilizan tornillos de potencia para transmitir potencia y prensas mecánicas que utilizan la vinculación cinemática de elementos para transmitir potencia.


En la prensa hidráulica, la generación de fuerza, transmisión y amplificación se logran utilizando fluido a 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, lo que amplifica la fuerza. Hay una fácil transmisibilidad de gran cantidad de energía con una 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 mismo 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 de 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 se pueden controlar con precisión, y toda la magnitud de la fuerza está disponible durante toda la carrera de trabajo del viaje 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 en los laboratorios, especialmente para las operaciones de ajuste de la prensa 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 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 objetivos. El principal problema a resolver al diseñar el sistema es la transposición del rendimiento deseado del sistema a la presión hidráulica del sistema.

diseño de prensa hidráulica

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

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


2.1 Diseño del componente

2.1.1. Cilindro hidráulico:

Los cilindros hidráulicos tienen una estructura tubular en la cual un pistón se desliza cuando se ingresa fluido hidráulico 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 el 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 del cilindro y el espesor mínimo de la pared.


2.1.2. Placa de cubierta final del cilindro:

La ecuación da el espesor T, de la placa de cubierta final, que está soportada en la circunferencia por pernos y sometida a una presión interna distribuida uniformemente sobre el área. (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 interna del fluido (N / m2), 38,2; δt = Tensión de diseño admisible de la cubierta. material de placa, 480 N / m2; a partir del cual se obtuvo el grosor de la placa de 0.0118 m.


2.1.3. Perno:

La tapa del cilindro se puede asegurar por medio de pernos o espárragos. 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 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 permitida del perno.

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Si se conoce el tamaño del tornillo, entonces, se puede calcular el número de tornillos y viceversa. Sin embargo, si se obtiene el valor de n. arriba es impar o una fracción, luego se adopta el siguiente número par más alto. El número de tornillos se calculó en 3.108, por lo tanto, se eligieron cuatro tornillos. La estanqueidad de la unión entre el cilindro y la placa de cubierta final 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.


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 a partir de la consideración de flexión. Aquí hay dos fuerzas en acción, una debido a la presión del fluido y la otra que tiende a separar la brida debido al sellado que debe ser resistido por la tensión producida en los pernos. Se calculó que la fuerza que intentaba separar la brida era 58.72 kN 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 brida, tf, puede obtenerse considerando la flexión de la brida sobre la sección A-A, siendo 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.

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


2.1.6. Pistón:

El tamaño requerido de la columna del vástago 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 del vástago, la fuerza aplicada a la columna del vástago encompresión, 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 del vástago y las longitudes de los cilindros en condiciones de empuje final se realizó utilizando el procedimiento sugerido por Sullivan. De esta forma, el diámetro del vástago del pistón no era inferior a 0,09 mconsiderado 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 presión y velocidad variables. El sello estático seleccionado utiliza el principio de ranura y anillo para afectar un sello. La dimensión de la ranura se calculade modo que el Oring seleccionado se comprima 15-30% en una dirección e 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 tóricaen una dirección y expandido en otra, por lo tanto; Se especificó una dimensión de surco de 4 mm × 3 mm para el sello.


2.2 Diseño del marco

El marco proporciona puntos de montaje y mantiene posiciones relativas adecuadas de las unidades y partes 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 del diseño es la tensión directa impuesta sobre 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 está comprimiendo. Por lo tanto, están sujetos a una tensión de flexión pura debido a una pareja igual y opuesta que actúa en el mismo plano longitudinal. El diseñola 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 la viga que se encontró que era 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 proporciona la profundidad mínima (espesor) d, y se calculó que era 0.048 m de la ecuación. (7): d = [(6M) / (δb)] 1/2, (7) donde; M = Máximomomento 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 47,16 × 106 N / m2.

La acción de bombeo es accionada por un sistema de palanca. La longitud real de la palanca fue 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 de detalles

Se obtuvo localmente acero de sección de canal en U de 200 mm × 70 mm del vendedor 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 dimensiones principales de laSecciones críticas desde el diseño, dos secciones de 2.800 mm se cortaron del acero utilizando una sierra eléctrica en el taller donde se fabricó el marco. También se obtuvo una tubería de Φ150 mm con un diámetro interno de Φ90 mm del depósito de chatarra yestaba aburrido y lamido a Φ100 mm en el torno. También se obtuvo una tubería 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. El pistón y el cilindro fueron ensamblados.y montado en la base del marco con pernos que fueron soldados previamente 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 una placa y dos agujeros de Φ20 mm en ambos extremos para el paso de la barra guía. La platina inferior se ensambló en la parte superior del pistón y se mantuvo en posición mediante un hueco mecanizado en ella. También se produjo un anillo de calibración a partir de un 10Se colocó una placa de acero dulce de espesor mm y se colocó entre la platina 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 prueba (s) después de la fabricación. Este es un paso significativo en el proceso de fabricación. Bajo pruebas, el producto se verifica para ver si se cumplen los requisitos funcionales, identificarproblemas de fabricación, determinar la viabilidad económica, etc.

Por lo tanto, las pruebas se emplean para demostrar la efectividad 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 fluido.Esto se llevó a cabo en condiciones sin carga. La máquina se dejó 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 luego axialmente a una longitud de 100 mm. Este arreglo fuese dejó reposar durante dos horas y se observó la presencia de fugas. No se indicaron fugas 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 se probó para garantizar la conformidad con los objetivos de diseño y la facilidad de servicio. Se descubrió que la máquina era satisfactoria con una carga de prueba de 10 kN. Más lejosaún no se han realizado pruebas para la carga de diseño.

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