КОРПУС РАБОЧЕГО ЦИЛИНДРА МОЩНОГО ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРЕССА
CASING OF HIGH-CAPACITY HYDRAULIC PRESS OPERATING CYLINDER

Данное изобретение относится к области машиностроения, а именно к прессостроению при создании или модернизации мощных гидравлических прессов вертикального типа различного назначения, конкретно к производству рабочих цилиндров этих прессов.
Например, в металлургической промышленности широко применяются ковочные гидравлические прессы, снабженные рабочими цилиндрами. Известен вертикальный гидравлический пресс, см. Б.В.Розанов «Гидравлические прессы», государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, М., 1959 г., стр.147-149, Фиг.126, где собственно рабочий цилиндр, в дальнейшем именуемый корпусом, состоит из днища, цилиндрической части, в дальнейшем именуемой стенкой, опорного фланца и места перехода цилиндрической части во фланец, а в днище предусмотрено отверстие для подвода жидкости в полость цилиндра. В литых цилиндрах днище выполняется в виде купола по форме, близкой к полусфере. Но литые цилиндры обычно применяются с использованием небольших давлений жидкости.
В настоящее время цилиндры прессов изготовляются в сварнокованном варианте, см. Фиг.127. Значительное число отказов гидравлических прессов связано с разрушением рабочих цилиндров, которые происходят в основном из-за появления усталостных трещин в галтелях фланца и днища.
Для изготовления сварнокованных цилиндров массой 50 т и более обычно применяется кованая сталь марки 35, которая хорошо сваривается, она малочувствительна к концентрации напряжений. За прототип изобретения принимается корпус рабочего цилиндра, представленный в статье И.А.Суркова, А.П.Моисеева «Устранение причин и предупреждение разрушений цилиндров мощных гидравлических прессов», журнал «Кузнечно-штамповочное производство», 2004 г., №5, стр.42-43. В статье указано, что для повышения усталостной прочности в галтели фланца выполнен специальный профиль и производится ее поверхностное пластическое деформирование, обеспечивающее минимальную концентрацию напряжений. Внутренняя поверхность стенки цилиндра сопрягается с днищем галтелью, выполненной по радиусу r, который конструктивно ограничен соотношением r=0,2 R, где R - внутренний радиус цилиндра. Расчеты цилиндров, проведенные методом конечных элементов (МКЭ), показывают, что максимальные напряжения по контуру галтели днища меньше напряжений по контуру галтели фланца. Тем не менее наиболее часто разрушение цилиндров связано с возникновением и развитием усталостных трещин именно в зоне галтели днища. В этом же источнике в качестве примера на рис.1 представлена схема разрушения цилиндра пресса силой 50 МН. Причиной разрушения стала трещина в зоне галтели днища. Аналогичные трещины были обнаружены в цилиндрах пресса усилием 35 МН.
Было высказано предположение, что одна из причин снижения сопротивления усталости зоны галтельного перехода днища связана с технологией изготовления. В качестве другой причины является наличие сравнительно небольшого радиуса галтели днища, способствующего повышению концентрации напряжений. Это подтверждается исследованием напряженного состояния цилиндра расчетом методом конечных элементов (МКЭ) в осесимметричной постановке, проведенным ООО «Надежность Плюс». К тому же сопоставление схем расположения трещин в галтели днища показывает, что трещины в галтелях днищ начинаются в зонах расположения максимальных растягивающих напряжений, что соответствует механизму возникновения трещин.
ООО «Надежность Плюс» проделало также расчеты напряженного состояния при различных конструкциях днищ. Например, результаты расчетов цилиндра пресса усилием 50 МН, см. Фиг.1, показали, что снижение напряжения в галтели днища до уровня 90 МПа обеспечивается увеличением радиуса галтели. При этом величина 90 МПа является уровнем расчетных напряжений в цилиндре, который определяет величина максимальных окружных напряжений на внутренней поверхности обечайки. Но увеличение радиуса галтели днища при данной конструкции приводит к увеличению высоты и массы цилиндра.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение надежности и ресурса работы корпуса цилиндра без увеличения высоты и массы цилиндра. Данный способ позволяет снизить концентрацию напряжений за счет заглубления галтели в днище цилиндра.
Пример конкретного осуществления изобретения приведен на Фиг.2, где изображен корпус рабочего цилиндра гидравлического пресса.
зг
ст
п
ст
зг
ст
ст
Сущность изобретения заключается в том, что галтель днища радиуса R заглублена в днище на размер h, равный 0,3…0,4 толщины стенки h, образуя со стороны входа отверстия d в полость цилиндра выступ, равный размеру заглубления, при этом размер радиуса R составит величину, равную 0,7…0,8 толщины стенки h. Оптимальные соотношения h=(0,3…0,4)h и R=(0,7…0,8) h определены вышеупомянутыми расчетами напряженного состояния при различных конструкциях днищ корпусов цилиндров гидравлических прессов, работающих при давлении жидкости до 32 МПа.
вн
зг
ст
п
зг
ст
вн
c
Корпус рабочего цилиндра гидравлического пресса содержит стенку 1 и днище 2, сваренные между собой швом 3, стенка снабжена опорным фланцем 4, который сопрягается со стенкой специально спрофилированной галтелью 5. Внутренняя поверхность стенки сопрягается с днищем галтелью, выполненной в виде радиуса R. Подвод жидкостей в полость цилиндра d предусмотрен через отверстие 6, выполненное в днище по оси цилиндра. Галтель радиусом R заглублена в днище на размер h, равный 0,3…0,4 толщины стенки h, при этом со стороны входа отверстия d в полость цилиндра образуется выступ 7, равный расстоянию от нижней точки галтели радиусом R до внутреннего торца днища. Выступ 7 равен величине заглубления h, а радиус R составит величину, равную 0,7…0,8 от толщины стенки h. На выходе полости цилиндра d выполнена расточка d для установки сальниково-уплотнительного узла.
Корпус рабочего цилиндра гидравлического пресса работает следующим образом:
нар
От гидропривода рабочая жидкость подается через отверстие 6 в полость цилиндра. Развиваемое давление жидкости передается на внутренний торец днища 2 и на торец плунжера, который направляется и уплотняется сальниковым узлом. Усилие от давления жидкости в днище корпуса цилиндра передается через стенку 1 на фланец 4, который опирается на поперечину пресса, при этом корпус цилиндра центрируется в отверстии поперечины наружным диаметром D. Под давлением жидкости в стенке корпуса цилиндра, опирающегося на фланец, возникают радиальные, тангенциальные и осевые напряжения, при этом в переходной зоне от стенки к днищу значение напряжений увеличивается за счет наличия концентратора - небольшого радиуса галтели. Увеличение напряжения в галтели днища подтверждается ранее упомянутыми результатами расчетов напряженного состояния корпуса цилиндра, проведенными ООО «Надежность Плюс» - см. Фиг.1.
Как отмечалось выше, трещины в галтелях днищ начинаются в зонах расположения максимальных растягивающих напряжений. На примере, см. Фиг.1, увеличение радиуса галтели днища цилиндра пресса усилием 50 МН на 125 мм позволило снизить напряжения со 130 МПа до уровня расчетных напряжений в цилиндре - 90 МПа. Но в этой конструкции корпуса цилиндра с применением увеличенного радиуса галтели необходимо увеличивать длину цилиндра соответственно на 125 мм, чтобы в крайнем положении ход плунжера не ограничивался радиусом галтели днища (не упирался в радиус).
п
Предлагаемая конструкция исключает этот недостаток за счет заглубления галтели в днище цилиндра, позволяя снизить концентрацию напряжений в зоне галтели днища с возможностью исключения образования усталостных трещин для обеспечения повышения ресурса работы цилиндра без увеличения высоты и массы его корпуса. Кроме того, следует отметить, что практика эксплуатации вышеописанной конструкции корпуса рабочего цилиндра мощного гидравлического пресса, принятая за прототип, показала наличие кавитационного износа на галтели днища из-за резкой потери напора при подаче жидкости через отверстие d в полость цилиндра. При этом происходит эрозия поверхности галтели, вызывающая ее износ в виде губчатого строения изношенной поверхности, что, в свою очередь, дает дополнительный импульс для развития концентрации напряжений в зоне галтели.
зг
Препятствием для вышеописанного процесса будет служить выступ, равный величине заглубления h галтели днища радиусом R, который будет разгружать влияние кавитационных процессов в самой опасной зоне галтели. Таким образом, в предлагаемом изобретении наличие выступа на внутреннем торце днища цилиндра будет дополнительным преимуществом, позволяющим повысить надежность и ресурс работы корпуса цилиндра.