ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРЕСС
HYDRAULIC PRESS

Заявляемое техническое решение относится к области обработки материалов давлением и может быть использовано при прессовании порошкообразных термопластичных взрывчатых составов (ВС).
Известен гидравлический пресс для пороха и ВС, содержащий ползун с силовым гидроцилиндром, в магистраль которого встроен клапан, регулирующий давление в цилиндре. В результате регулирования гидравлическое давление нарастает, а затем поддерживается постоянным. Регулировочный клапан приводится в действие с помощью кулачкового диска с приводом от двигателя. Давление в силовом цилиндре отслеживается механизмом, снабженным выключателем для останова двигателя кулачкового диска в момент достижения максимального давления (Франция, заявка № 2427904, В30В 15/22, 11/26, 1972 г.).
При прессовании термопластичных ВС должен быть выдержан ряд технологических условий, в частности:
- процесс прессования термопластичных ВС должен сопровождаться ступенчатым ростом давления прессования с выдержкой времени на заданных ступенях давления;
- при достижении максимального давления в гидросистеме, которое рассчитывается исходя из удельного давления прессования данного вида ВС, прессовка во избежание ее возможного «роста» после снятия нагрузки должна быть достаточно длительное время нагружена этим давлением;
- процесс разгружения (снижения давления в гидросистеме) также должен носить ступенчатый характер с интервалами выдержки на этих ступенях.
Недостатками вышеуказанного устройства является то, что оно не может обеспечить как ступенчатого набора, так и ступенчатого сброса давления и поэтому не может быть использовано при прессовании термопластичных ВС.
Известен гидравлический пресс для прессования сыпучих взрывчатых составов, содержащий рабочий цилиндр с плунжером, гидроагрегат с напорной магистралью и встроенным датчиком давления, пневмогидронасос подпитки с управляющим электропневмоклапаном и программное управляющее устройство, а также возвратные цилиндры и два электроуправляемых предохранительных клапана непрямого действия с управляющими электромагнитами. Упомянутые клапаны установлены в напорной магистрали рабочего цилиндра параллельно друг другу, а их выходы соединены со сливной линией через регулируемые дроссели, управляющие электромагниты подключены к программному управляющему устройству, содержащему блок задания программы, блок сравнения, два блока управления двумя электроуправляемыми предохранительными клапанами непрямого действия и блок управления пневмогидронасосом подпитки, к первому входу блока сравнения подключен выход блока задания программы, к второму входу - выход датчика давления, а его выход соединен с входами блоков управления, выходы блоков управления электроуправляемыми предохранительными клапанами непрямого действия подключены к управляющим электромагнитам, а выход блока управления пневмогидронасоса подпитки - к управляющему электропневмоклапану пневмогидронасоса подпитки (патент РФ № 2307738 C1, В30В 1/32, В30В 15/26, 10.10.2007 г.).
Указанный гидравлический пресс может быть применен для прессования термопластичных взрывчатых составов, однако имеет ряд недостатков:
- использование в регуляторе давления прессования в качестве исполнительных механизмов электроуправляемых предохранительных клапанов непрямого действия с управляющим электромагнитом не позволяет получить необходимую точность его работы. Данные предохранительные клапаны поддерживают давление, величина которого устанавливается с помощью регулировочного винта, при выключенном управляющем электромагните, а при включенном электромагните разгружаются от давления. Таким образом, собственные постоянные параметры настройки клапанов (максимальное давление при выключенном магните и «ноль» при включенном магните) значительно отличаются от задания на этапах набора и сброса давления. Кроме того, постоянная работа клапанов в импульсном режиме приводит к их преждевременному износу;
- выдержка изделия при максимальном давлении и сброс давления осуществляются после выключения гидроагрегата с использованием пневмогидронасоса в режиме подпитки для компенсации утечек масла. При этом электросигнал от программного управляющего устройства сначала преобразуется в пневматическую, а затем в гидравлическую величину. Система управления с двойным преобразованием сигнала достаточно сложна и не обеспечивает необходимой точности регулирования;
- отключение гидростанции в ходе прессования, постоянная работа клапанов в импульсном режиме, включение и отключение пневмогидронасоса приводят к возникновению возмущений в гидросистеме в виде гидроударов и скачков давления, что отрицательно сказывается на качестве формуемого изделия, может привести к возникновению трещин, сколов и др. дефектов.
Известен гидравлический пресс для прессования взрывчатых составов, содержащий рабочий цилиндр с плунжером, гидростанцию, пневмогидронасос подпитки, напорную магистраль рабочего цилиндра и систему управления, а также цилиндры возврата, плавающую муфту, переменный дроссель, реверсивный электродвигатель и установленное в напорной магистрали рабочего цилиндра устройство дистанционного регулирования давления прессования, содержащее клапан предохранительный непрямого действия с регулировочным винтом, отсечной гидрораспределитель, аналоговый датчик давления и программное управляющее устройство, причем регулировочный винт клапана предохранительного через плавающую муфту соединен с валом реверсивного электродвигателя, а выход упомянутого клапана подключен к входу отсечного гидрораспределителя, на одном из выходов которого установлен переменный дроссель, выход которого и второй выход отсечного гидрораспределителя объединены со сливной линией, программное управляющее устройство содержит блок задания программы, блок сравнения и блоки управления клапаном предохранительным непрямого действия, отсечным гидрораспределителем, пневмогидронасосом подпитки (патент РФ № 2279980 C1, В30В 1/32, В30В 15/26, 20.7.2006 г. - прототип).
Указанный гидравлический пресс может быть применен для прессования термопластичных взрывчатых составов, но также имеет недостатки:
- применение электродвигателя, соединенного через плавающую муфту с регулировочным винтом клапана предохранительного, в качестве привода регулировочного винта при наличии люфта двигателя, зазоров и холостого хода в механической передаче отрицательно сказывается на быстродействии, точности поддержания и регулирования давления;
- использование пневмогидронасоса с двойным преобразованием сигнала в режиме подпитки для компенсации утечек масла усложняет систему управления давлением и не обеспечивает необходимой точности регулирования;
- отключение гидростанции в ходе прессования приводит к возникновению возмущения в гидросистеме в виде гидроудара и скачка давления, что отрицательно сказывается на качестве формуемого изделия.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка гидропресса для прессования ВВ, который позволяет расширить его технологические возможности.
К заявляемому гидропрессу были предъявлены следующие технические требования -обеспечить повышение надежности и качества процесса управления давлением прессования, для чего необходимо:
- обеспечить реализацию ступенчатого закона силового нагружения с характерным чередованием этапов возрастающего давления и последующей выдержкой изделия под постоянным давлением, переход с одного уровня давления на другой с заданной скоростью, плавный характер нагружения, исключив возмущения в гидросистеме (в виде скачков давления и гидроударов);
- повысить надежность работы, быстродействие, точность поддержания и регулирования давления, исключив устройство со свойственными механической передаче погрешностями, используемое в качестве привода регулятора, а также механизм с двойным преобразованием сигнала, применяемый для компенсации утечек, при сохранении низкого энергопотребления.
Для достижения названных технических требований предлагается гидравлический пресс, который, как и наиболее близкий к нему известный по патенту №2279980, содержит плиту, установленную с возможностью подъема и опускания, рабочий цилиндр с плунжером, напорную магистраль рабочего цилиндра, цилиндры возврата, гидроагрегат, включающий электродвигатель и гидронасос, переменный дроссель, установленный в линии слива рабочего цилиндра, аналоговый датчик давления, встроенный в напорную магистраль рабочего цилиндра, и программное управляющее устройство, включающее блок задания программы и блок сравнения, к первому входу которого подключен выход блока задания программы, а ко второму входу - выход аналогового датчика давления. Кроме того, гидравлический пресс снабжен гидрозамком, электроуправляемым гидрораспределителем, датчиком верхнего положения плиты пресса и преобразователем частоты, соединенным с электродвигателем гидроагрегата, который снабжен вторым гидронасосом. При этом напорная линия второго гидронасоса подключена через электроуправляемый гидрораспределитель к первому входу гидрозамка, второй вход которого соединен с рабочими полостями цилиндров возврата, а выход подключен к напорной магистрали рабочего цилиндра. Программное управляющее устройство снабжено блоком регулирования давления, выход которого соединен с управляющим входом преобразователя частоты, первый вход - с выходом датчика верхнего положения плиты пресса, а второй вход - с выходом блока сравнения.
Заявляемый гидравлический пресс обладает следующими преимуществами:
- соединение электродвигателя гидроагрегата с частотным преобразователем, включение в состав программного управляющего устройства блока регулирования давления, выход которого соединен с управляющим входом преобразователя частоты, а первый вход - с выходом датчика верхнего положения плиты пресса и второй вход - с выходом блока сравнения, позволяет обеспечить реализацию ступенчатого закона силового нагружения с характерным чередованием этапов возрастающего давления и последующей выдержки изделия под постоянным давлением, переход с одного уровня давления на другой с заданной скоростью, плавный характер нагружения, исключив возмущения в гидросистеме (в виде скачков давления и гидроударов). При этом исключаются устройства со свойственными механической передаче погрешностями и с двойным преобразованием сигнала, что позволяет повысить надежность работы, быстродействие, точность поддержания и регулирования давления. За счет регулирования скорости вращения электродвигателя (ниже номинальной) в процессе прессования достигается снижение потребляемой мощности;
- оснащение гидравлического пресса гидрозамком и электроуправляемым гидрораспределителем, датчиком верхнего положения плиты пресса позволяет осуществлять ускоренный холостой ход при подъеме и опускании плиты и своевременно переходить на замедленный (рабочий) подъем, исключив механический удар в начале прессования.
Следовательно, отличительные существенные признаки заявляемого изобретения причинно-следственно связаны с достигаемым техническим результатом.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображены:
фиг.1 - схема гидравлического пресса,
фиг.2 - временная диаграмма работы механизмов пресса.
Гидравлический пресс размещается в изолированной бронекабине (на чертеже не показана) и содержит (фиг.1) рабочий цилиндр 1 плунжерного типа, цилиндры возврата 2, гидроагрегат 6 с электродвигателем ЭД и гидронасосами H1, Н2, гидрозамок 12, электроуправляемый гидрораспределитель 13, датчик 11 верхнего положения плиты пресса.
Пресс оснащен системой дистанционного регулирования давления прессования (в рабочем цилиндре 1). Эта система содержит преобразователь частоты 7, регулирующий скорость вращения электродвигателя ЭД гидроагрегата 6, аналоговый датчик 3 давления, переменный дроссель 4, установленный в линии слива рабочего цилиндра, и программное управляющее устройство, включающее блок 10 задания программы, блок 9 сравнения, блок 8 регулирования давления.
Выход датчика 3 давления подключен к первому входу блока 9 сравнения, к второму входу которого подключен выход блока 10 задания программы, а выход соединен с входом блока 8 регулирования давления. Выход блока 8 подключен к управляющему входу преобразователя частоты 7.
Программное управляющее устройство хранит заданную во времени программу изменения давления прессования, сравнивает ее с показаниями датчика давления и выдает в зависимости от рассогласования управляющий сигнал на преобразователь частоты, через который электродвигатель гидроагрегата подключен к питающей электросети.
Гидронасос H1 гидроагрегата 6 подключен к напорной магистрали рабочего цилиндра через трехпозиционный гидрораспределитель 5. Напорная линия гидронасоса Н2 подключена через электроуправляемый гидрораспределитель 13 к первому входу гидрозамка 12, второй вход которого объединен с рабочими полостями цилиндров возврата 2, а выход подключен к напорной магистрали рабочего цилиндра 1.
Работа гидропресса осуществляется следующим образом.
В исходном положении напорная магистраль рабочего цилиндра отключена гидрораспределителем 5 от гидронасоса H1 высокого давления гидроагрегата 6, а напорная линия гидронасоса Н2 большой производительности (низкого давления) отключена электроуправляемым гидрораспределителем 13 от гидрозамка 12, плита пресса занимает нижнее положение.
Сборка пресс-инструмента с брикетом термопластичного ВС размещается на плите пресса и подается команда на включение пресса в работу.
Гидрораспределитель 5 перемещается влево, соединяя через обратный клапан напорную магистраль рабочего цилиндра с напорной линией гидронасоса H1 гидроагрегата 6, а цилиндры возврата 2 - со сливом. Электроуправляемый гидрораспределитель 13 перемещается влево и соединяет напорную линию гидронасоса Н2 с первым входом гидрозамка 12, через который поток рабочей жидкости также поступает в полость рабочего цилиндра. При этом электродвигатель ЭД гидроагрегата 6 обеспечивает номинальную скорость вращения гидронасосов H1 и Н2. Таким образом производится ускоренный подъем плиты пресса.
Плита пресса, поднимаясь перед началом прессования, обеспечивает срабатывание датчика 11. При этом отключается электроуправляемый гидрораспределитель 13 и рабочая жидкость от гидронасоса Н2 перестает поступать в напорную магистраль рабочего цилиндра 1. Одновременно блок регулирования давления 8 выдает сигнал на преобразователь частоты 7, который в свою очередь переводит электродвигатель ЭД в режим работы на пониженной скорости, уменьшая производительность гидронасоса H1. Плита пресса начинает замедленный подъем, обеспечивая силовое замыкание пресс-инструмента, причем начальное давление прессования будет определяться производительностью гидронасоса H1 и расходом рабочей жидкости через переменный дроссель 4. Настройка последнего производится таким образом, чтобы обеспечить заданное начальное давление прессования при минимальной скорости работы электродвигателя ЭД (и гидронасоса H1) и максимальное давление прессования при номинальной скорости электродвигателя ЭД.
заданное
пресса
Заданный характер изменения давления в процессе прессования (скорость набора и сброса давления, наличие ступеней прессования, их количество, уровень и длительность, максимальная величина давления) определяется блоком 10 задания программы программного управляющего устройства. Блок 9 сравнения формирует сигнал рассогласования между заданным значением давления (с блока 10 задания) и текущим давлением (с датчика 3 давления):(Р-Р), который поступает на вход блока 8 регулирования давления. Блок регулирования давления вырабатывает в зависимости от рассогласования сигнал управления преобразователем частоты 7, например, по закону ПИ- или ПИД-регулирования:
заданное
пресса
U=Ф(Р-Р),
где: U - сигнал управления преобразователем частоты 7,
Ф - передаточная функция регулятора.
Скорость вращения электродвигателя ЭД гидроагрегата 6 (и гидронасоса H1) определяется сигналом с блока 8 регулирования давления, поступающим на управляющий вход преобразователя частоты 7. Производительность Q гидронасоса H1 изменяется пропорционально скорости вращения электродвигателя ЭД:
1
Q=К*n,
1
где: K - коэффициент передачи гидронасоса H1,
n - скорость вращения электродвигателя ЭД.
пресса
Давление в полости рабочего цилиндра 1 определяется производительностью гидронасоса H1, пропорциональной скорости вращения электродвигателя ЭД (с учетом расхода рабочей жидкости через переменный дроссель 4) и свойствами прессуемого продукта, в частности его плотностью ρ: Р=φ(Q,ρ).
Алгоритм управления механизмами пресса и качественный характер регулирования давления проиллюстрированы на диаграмме фиг.2.
заданное
пресса
заданное
пресса
заданное
пресса
На этапе набора давления до максимального значения, определяемого технологическим регламентом, блок задания 10 генерирует сигнал, соответствующий увеличивающемуся по заданному закону давлению прессования. При этом скорость вращения гидронасоса H1 (и его производительность) будет изменяться в зависимости от величины рассогласования (Р-Р) в соответствии с законом регулирования, реализуемым блоком 8, постепенно увеличиваясь для обеспечения плавного характера нарастания давления. При достижении давлением промежуточной ступени прессования скорость вращения гидронасоса H1 стабилизируется на некотором уровне и будет колебаться вокруг него в зависимости от знака разности величины (Р-Р) в течение всего времени промежуточной выдержки под постоянным давлением. Далее вновь производится плавное увеличение скорости вращения гидронасоса H1 до момента достижения максимального давления прессования. На этапе выдержки при максимальном давлении скорость вращения гидронасоса H1 стабилизируется на соответствующем новом уровне, изменяясь в нужную сторону, если разность (Р-Р) не равна нулю. Таким образом, при наличии рассогласования между заданным и фактическим давлением за счет коррекции электросигнала, подаваемого на управляющий вход преобразователя частоты, компенсируется отклонение от заданного значения давления в гидросистеме пресса (при наличии утечек или перерегулирования), т.е. рассогласование в системе сводится к минимуму.
заданное
пресса
Этап снижения давления осуществляется аналогично. При этом скорость вращения гидронасоса H1 постепенно уменьшается, а при выдержке под постоянным давлением на промежуточной ступени стабилизируется, меняясь лишь при изменении величины (Р-Р). При достижении минимального давления прессования (при минимальной скорости вращения гидронасоса H1) процесс прессования заканчивается и осуществляется опускание плиты пресса. Гидрораспределитель 5 перемещается вправо. При этом поток рабочей жидкости от гидронасоса H! поступает в напорную линию цилиндров возврата 2. Гидрозамок 12 открывается давлением цилиндров возврата 2, соединяя полость рабочего цилиндра 1 со сливом через электроуправляемый гидрораспределитель 13. Электродвигатель ЭД переключается на номинальную скорость вращения. Плита пресса ускоренно опускается и при достижении плитой нижнего положения гидрораспределитель 5 перемещается в среднее положение, а электродвигатель ЭД выключается.
Так реализуется процесс прессования с необходимой скоростью набора и сброса давления (определяется темпом изменения скорости вращения электродвигателя ЭД), нужным количеством и длительностью ступеней нагружения. Работа электродвигателя на отдельных этапах с пониженной скоростью вращения (согласно реализуемому закону изменения давления) позволяет снизить потребляемую мощность гидравлического пресса.
Таким образом, использование предлагаемого гидравлического пресса с его системой управления позволяет обеспечить ступенчатый с заданной скоростью набор и сброс давления в процессе прессования с плавным характером нагружения без возмущений в гидросистеме (в виде скачков давления и гидроударов), что обеспечивает качество прессуемого изделия при экономном энергопотреблении. При этом исключаются устройства со свойственными механической передаче погрешностями и с двойным преобразованием сигнала, что позволяет повысить надежность работы, быстродействие, точность поддержания и регулирования давления.
Тем самым расширяются технологические возможности гидравлических прессов для прессования термопластичных ВС.