Projeto e fabricação de uma prensa hidráulica de 30 toneladas

Abstrato

Na tentativa de amenizar o problema da escassez de equipamentos em nossos laboratórios na maioria de nossas instituições superiores, um caminhão de 30 toneladas pressão hidráulica foi projetado, construído e testado com materiais de origem local.Os principais parâmetros do projeto incluíram a carga máxima (300 kN), a distância que a resistência da carga tem que se mover (curso do pistão, 150 mm), a pressão do sistema, a área do cilindro (diâmetro do pistão = 100 mm) e a vazão volumétrica. do fluido de trabalho.Os principais componentes da prensa projetada incluem o arranjo do cilindro e do pistão, a estrutura e o circuito hidráulico.O desempenho da máquina foi testado com uma carga de 10 kN fornecida por duas molas de compressão de constante 9 N/mm cada uma dispostas em paralelo entre as placas superior e inferior e foi considerada satisfatória.um parafuso de aço fixado na placa inferior de uma prensa hidráulica está sujeito a altas forças de impacto.este parafuso tem um diâmetro maior de 14 mm e passo de 2 mm.tem 300 mm de comprimento e a porca carrega uma energia de impacto de 4.500 n-mm.parafuso usado é mostrado na figura 1b.a linha é cortada em todo o diâmetro de 14 mm.usando os princípios dfm, projete um parafuso melhor que pode reduzir a tensão na área radicular para 245 mpa em relação à tensão padrão na área radicular de 290 mpa.mostre os cálculos.

1. Introdução

O desenvolvimento da engenharia ao longo dos anos tem sido o estudo de encontrar meios cada vez mais eficientes e convenientes de empurrar e puxar, girar, empurrar e controlar cargas, variando de alguns quilogramas a milhares de toneladas.As prensas são amplamente utilizadas para conseguir isso.

As prensas, conforme definidas por Lange, são máquinas-ferramentas que exercem pressão.Elas podem ser classificadas em três categorias principais: prensas hidráulicas que operam com base nos princípios da pressão hidrostática, prensas de parafuso que utilizam parafusos de potência para transmitir energia e prensas mecânicas que utilizam ligação cinemática de elementos para transmitir energia.

Na prensa hidráulica, a geração, transmissão e amplificação de força são obtidas por meio de fluido sob pressão.O sistema líquido exibe as características de um sólido e fornece um meio muito positivo e rígido de transmissão e amplificação de energia.Numa aplicação simples, um pistão menor transfere fluido sob alta pressão para um cilindro com uma área de pistão maior, amplificando assim a força.Há fácil transmissibilidade de grande quantidade de energia com amplificação de força praticamente ilimitada.Tem também um efeito de inércia muito baixo.

Uma prensa hidráulica típica consiste em uma bomba que fornece a força motriz para o fluido, o próprio fluido que é o meio de transmissão de energia através de tubos e conectores hidráulicos, dispositivos de controle e o motor hidráulico que converte a energia hidráulica em trabalho útil no ponto de resistência de carga.

As principais vantagens das prensas hidráulicas sobre outros tipos de prensas são que elas fornecem uma resposta mais positiva às mudanças na pressão de entrada, a força e a pressão podem ser controladas com precisão e toda a magnitude da força está disponível durante todo o curso de trabalho do viagem de carneiro.As prensas hidráulicas são preferidas quando é necessária uma força nominal muito grande.

A prensa hidráulica é um equipamento inestimável em oficinas e laboratórios, especialmente para operações de prensagem e para deformação de materiais, como em processos de conformação de metais e testes de resistência de materiais.Uma olhada na oficina na Nigéria revela que todas essas máquinas são importadas para o país.Portanto, pretende-se aqui projetar e fabricar uma prensa de baixo custo e operada hidraulicamente com materiais de origem local.Isto não só ajudará a recuperar o dinheiro perdido sob a forma de divisas, mas também aumentará o nível da nossa tecnologia local na exploração da transmissão de energia por fluidos hidráulicos.

2. Metodologia de Projeto

Os sistemas de energia fluida são projetados por objetivo.O principal problema a ser resolvido no projeto do sistema é transpor o desempenho desejado do sistema para a pressão hidráulica do sistema.

Figura 1. Diagrama esquemático da prensa hidráulica.taxa de fluxo de volume e combinar essas características com uma entrada disponível para o sistema para sustentar a operação.

Os principais parâmetros do projeto incluíram a carga máxima (300 kN), a distância que a resistência da carga tem que se mover (curso do pistão, 150 mm), a pressão do sistema, a área do cilindro (diâmetro do pistão = 100 mm) e a vazão volumétrica. do fluido de trabalho.Os componentes críticos que requerem projeto incluem o cilindro hidráulico, a estrutura e o circuito hidráulico (Fig. 1).

2.1.Design de Componentes

● Cilindro hidráulico:

Os cilindros hidráulicos são de estrutura tubular na qual um pistão desliza quando o fluido hidráulico é admitido nele.Os requisitos de projeto incluem a espessura mínima da parede do cilindro, a placa de cobertura final, a espessura do flange e a especificação e seleção do número e tamanho dos parafusos.A força de saída necessária de um cilindro hidráulico e a pressão hidráulica disponível para este fim determinam a área e o diâmetro do cilindro e a espessura mínima da parede.

● Placa de cobertura final do cilindro:

A espessura T da placa de cobertura, que é apoiada na circunferência por parafusos e submetida a uma pressão interna uniformemente distribuída pela área, é dada pela Eq.(2) de Khurmi e Gupta (1997), como: T = KD(P/δt) 1/2, (2) onde: D = Diâmetro da placa de cobertura final (m), 0,1;K = Coeficiente dependendo do material da placa, 0,4, de Khurmi e Gupta (1997);P = Pressão interna do fluido (N/m2), 38,2;δt = Tensão admissível de cálculo do cobrimento.material da placa, 480 N/m2;a partir do qual se obteve a espessura da placa de 0,0118 m.

● Parafuso:

A tampa do cilindro pode ser fixada por meio de parafusos ou pinos.A possível disposição para fixação da tampa com parafusos é mostrada na Fig. 2. Para encontrar o tamanho e número correto de parafusos, n, a serem utilizados, a seguinte Eq.(3) foi utilizado conforme adotado por Khurmi e Gupta (1997): (πDi 2/4)P = (πdc 2/4)δtbn, (3) onde;P = Pressão interna do fluido (N/m2);Di = Diâmetro interno do cilindro (m);dc = Diâmetro do núcleo do parafuso (m), 16 × 10-3 m;δtb = Resistência à tração admissível do parafuso.

Se o tamanho do parafuso for conhecido, o número de parafusos poderá ser calculado e vice-versa.No entanto, se o valor de n for obtido.acima for ímpar ou uma fração, então o próximo número par maior será adotado.O número de parafusos foi calculado em 3.108, portanto quatro parafusos foram escolhidos.A estanqueidade da junta entre o cilindro e a placa de cobertura depende do passo circunferencial, Dp, do parafuso, que foi obtido como 0,0191 m na Eq.(4): Dp = Di + 2t +3Dc, (4) onde: t = espessura da parede do cilindro (m), 17 × 10-3.

● Flange do cilindro:

O projeto do flange do cilindro visa essencialmente obter a espessura mínima tf do flange, que pode ser determinada considerando a flexão.Existem duas forças em ação aqui, uma devido à pressão do fluido e outra que tende a separar o flange devido à vedação que deve ser resistida pela tensão produzida nos parafusos.A força que tenta separar o flange foi calculada como sendo 58,72 kN a partir da Eq.(5): F = (π/4)D1 2 P, (5) onde: D1 = diâmetro externo da vedação, 134 × 10-3 m.

● Determinação da espessura do flange:

A espessura do flange, tf, pode ser obtida considerando que a flexão do flange em torno da seção AA é a seção ao longo da qual o flange é mais fraco na flexão (Fig. 3).Essa flexão é provocada pela força em dois parafusos e pela pressão do fluido dentro do cilindro.

Portanto, a Eq.(6) deu uma espessura de flange de 0,0528 m: tf = (6M)/(bδf), (6) onde: b = Largura do banzo na seção AA, 22,2×10-3 m;δf = Tensão de cisalhamento do material do flange, 480N/m2;M = Momento fletor resultante, 5.144,78 Nm.

● Pistão:

O tamanho necessário da coluna da haste do pistão, necessário para sustentar a carga aplicada e que está alinhado com a linha central do furo do cilindro, é influenciado pela resistência do material da haste, a força aplicada à coluna da haste em compressão, a situação de montagem do próprio cilindro e o curso sobre o qual a carga será aplicada.

O procedimento para calcular o tamanho da coluna da haste do pistão e o comprimento do cilindro sob condição de empuxo final foi realizado usando o procedimento sugerido por Sullivan.Com isso, o tamanho da haste do pistão com diâmetro não inferior a 0,09 m foi considerado adequado para o projeto.

● Seleção de Selos:

As vedações são usadas para evitar vazamentos internos e externos no sistema sob condições operacionais variadas de pressão e velocidade.A vedação estática selecionada usa o princípio de ranhura e anel para afetar uma vedação.A dimensão da ranhura é calculada de modo que o Oring selecionado seja comprimido de 15 a 30% em uma direção e igual a 70 a 80% do diâmetro da seção transversal livre.O problema na seleção da vedação estática é especificar a ranhura de modo que um anel de vedação possa ser comprimido em uma direção e expandido em outra, Portanto;uma dimensão de ranhura de 4 mm × 3 mm foi especificada para a vedação.

2.2.Design da Estrutura

A estrutura fornece pontos de montagem e mantém as posições relativas adequadas das unidades e peças montadas nela durante o período de serviço sob todas as condições de trabalho especificadas.Também fornece rigidez geral da máquina (Acherkan 1973).A consideração de projeto é a da tensão direta imposta aos pilares.Outros membros da estrutura, como as placas (como no nosso caso), estão sujeitos a tensões de flexão simples.

● Placa:

As placas superior e inferior fornecem um ponto de contato direto com o objeto que está sendo comprimido.Conseqüentemente, eles estão sujeitos a tensões de flexão pura devido a um momento igual e oposto atuando no mesmo plano longitudinal.O design A consideração é essencialmente para flexão e consiste principalmente na determinação do maior valor do momento fletor (M) e da força cortante (V) criada na viga que foi encontrado em 45 kN/m e 150 kN, respectivamente.Esses foram computados utilizando o procedimento adotado.

● Módulo da seção:

Os valores de V e M obtidos facilitam o cálculo do módulo de seção das placas.Isto dá a profundidade mínima (espessura) d, e foi calculado como sendo 0,048 m a partir da Eq.(7): d = [(6M)/(δb)]1/2, (7) onde;M = Máximo momento fletor, 45 kN/m;b = 600 × 10-3m;δ = 480 × 106 N/m2.

2.3.Bomba

O parâmetro inicial no projeto é estimar a pressão máxima de descarga de fluido necessária no cilindro e um fator é então adicionado para levar em conta a perda por atrito no sistema.Isto foi obtido como 47,16 x 106 N/m2.

A ação de bombeamento é acionada por um sistema de alavanca.O comprimento real da alavanca foi obtido em 0,8 m.Isto foi calculado assumindo um esforço teórico máximo e tomando o momento em torno do fulcro.

3.Procedimento de fabricação detalhado

O aço com seção de canal em U de 200 mm × 70 mm foi obtido localmente do fornecedor de aço estrutural e duas placas de aço de 200 × 400 × 40 mm foram obtidas no ferro-velho na cidade de Benin, Nigéria.Depois de determinar as principais dimensões do seções críticas do projeto, duas seções de 2.800 mm foram cortadas do aço usando uma serra elétrica na oficina onde a estrutura foi fabricada.Um tubo de Φ150 mm com diâmetro interno de Φ90 mm também foi obtido no ferro-velho e foi furado e lapidado até Φ100 mm no torno.Também foi obtido um tubo tubular de aço macio com Φ70 mm e 15 mm de espessura que foi girado em uma extremidade para Φ60 mm para alojar a vedação e o alojamento da vedação.O pistão e o cilindro foram montados e montado na base da estrutura com parafusos previamente soldados.Uma barra guia feita de tubo de aço também foi fornecida para permitir o movimento vertical reto da placa.As placas foram produzidas em aço placa e dois furos de Φ20 mm foram feitos em ambas as extremidades para passagem da barra guia.A placa inferior foi montada na parte superior do pistão e mantida em posição por um recesso usinado nela.Um anel de calibração também foi produzido a partir de um 10 placa de aço macio com mm de espessura e foi colocada entre a placa superior e a barra transversal da prensa, conforme mostrado na Fig.

3.1. Resultado do Teste de Desempenho

É uma prática normal submeter produtos de engenharia a testes após a fabricação.Esta é uma etapa significativa no processo de fabricação.Durante os testes, o produto é verificado para verificar se os requisitos funcionais foram atendidos, identificar problemas de fabricação, verificar a viabilidade econômica, etc.

Testes são, portanto, empregados para comprovar a eficácia do produto.Para a prensa hidráulica, o teste de vazamento é o teste mais significativo.O teste começou com a escorva inicial da bomba.Depois disso, o fluido foi bombeado. Isto foi realizado em condições sem carga.A máquina foi deixada nesta posição por duas horas.

A máquina foi então submetida a uma carga de 10 kN fornecida por duas molas de compressão de constante 9 N/mm cada uma dispostas em paralelo entre as placas.As molas foram então comprimidas axialmente até um comprimento de 100 mm.Este arranjo foi deixado em repouso por duas horas e foi observado quanto a vazamentos.Vazamento no sistema não foi indicado porque a placa inferior não caiu da sua posição inicial.

4. Conclusão

Uma prensa hidráulica de 30 toneladas foi projetada, fabricada e calibrada.A máquina foi testada para garantir a conformidade com os objetivos do projeto e a capacidade de manutenção.A máquina foi considerada satisfatória com uma carga de teste de 10 kN.Avançar testes para a carga de projeto ainda não foram realizados.

5. Análise de falhas

5.1 Visão Geral

Para analisar a falha do cilindro principal da prensa hidráulica de quatro colunas, merecem atenção as seguintes questões:

●A análise aprofundada do diagrama do sistema hidráulico, combinada com a tabela de ação do eletroímã relevante e os diagramas de circuito relacionados, elabora o mecanismo de funcionamento completo do circuito e, ao mesmo tempo, compreende corretamente a intenção e as ideias do projeto do circuito, o técnico medidas tomadas e o contexto relacionado.

●Corresponde ao diagrama do princípio de funcionamento da prensa hidráulica e do objeto real, para formar uma impressão específica, a tubulação no circuito hidráulico, o diagrama esquemático é muitas vezes muito diferente do objeto real.Quando possível, deixe clara a relação entre o conluio entre os orifícios da válvula na placa da válvula e a resistência da barreira.Esses fatores estão intimamente relacionados à inspeção do circuito.

●Consulte livros e materiais relevantes para encontrar a base para julgar as características dos dispositivos hidráulicos e depois julgá-los.

●De acordo com páginas da web, livros e manuais de instruções de equipamentos relevantes, explore o mecanismo de falha e os métodos de teste analítico relacionados.

●Análise de ausência de pressão de retenção no cilindro mestre

Conforme mostrado na figura, o cilindro principal da máquina hidráulica de quatro colunas usa uma válvula de enchimento de líquido para obter um rápido movimento descendente.O cilindro principal muitas vezes não mantém a pressão.Esta máquina possui requisitos de retenção de pressão e geralmente requer uma queda de pressão de <2 a 3 MPa em 10 minutos.

Análise: Se o cilindro principal não mantiver a pressão, deve haver um vazamento de óleo sob pressão.Pela análise esquemática, está relacionado ao circuito de óleo, não havendo mais de 5 componentes que causam vazamento.

●Tubos e juntas: tensões, má soldagem, trincas, etc.;

● Válvula de retenção da pressão de retenção: má vedação;

●Enchimento do corpo da válvula: vedação deficiente ou sede da válvula solta;

● Haste de comando do óleo de controle da válvula de enchimento: um pouco mais longa, levante e descarregue o carretel pequeno

●Pistão do cilindro mestre (bucha guia): O anel de vedação está danificado.

Método de exclusão: De acordo com os resultados da análise, verifique e exclua do simples ao complexo, de fora para dentro.

Primeiro verifique a tubulação e as juntas (do simples ao complexo, de fora para dentro) e execute a soldagem inicial para ver se há soldagem deficiente e rachaduras.É melhor remover os anéis de vedação nas juntas e aquecer as curvas com soldagem de oxigênio para ficarem vermelhas. Coloque levemente a porca, espere esfriar e endurecer antes da montagem.

Se não houver defeitos nas tubulações e juntas, verifique a válvula de retenção de preservação de pressão (por fora e por dentro), remova o bujão da válvula de retenção, faça o polimento da linha de vedação, esmerilhe-a com a sede da válvula, limpe-a e monte-a.

Após verificar a válvula de retenção, se o cilindro principal ainda não conseguir manter a pressão, verifique a válvula de controle da válvula de enchimento (por fora e por dentro), remova a haste do óleo de controle e bloqueie o óleo de controle para verificar se a pressão é mantida;Se for impossível manter a pressão para confirmar se o taco é longo, lixe a ponta do taco.Depois de verificar a haste, a pressão não pode ser mantida.A válvula de enchimento deve ser verificada.O objetivo principal é verificar se a linha de vedação e o anel da sede estão soltos.Faça o polimento, esmerilhe ou remonte o anel da sede.

Após a verificação da válvula de enchimento, a pressão não pode ser mantida e o anel de vedação do cilindro principal pode ser determinado como danificado e pode ser removido e substituído.