ШТОК КОВОЧНОГО МОЛОТА
FORGING HAMMER STOCK

Изобретение относится к области машиностроения и может применяться в промышленном производстве.
Задачей изобретения является создание штока ковочного молота, обеспечивающего получение технического результата, состоящего в повышении надежности штока и увеличение срока эксплуатации за счет снижения механических нагрузок, возникающих при работе ковочного молота.
Известны штоки ковочных молотов, имеющие сплошное поперечное сечение согласно ГОСТ 9752-75.
Из аналогов уровня техники за прототип может быть принят шток ковочного молота M1345 (см. ГОСТ 9752-75). Существующая конструкция штока приведена на фиг.1.
Недостатком известной конструкции является недостаточная надежность и долговечность штока в месте его заделки в бабу.
Техническим результатом изобретения является снижение нагрузок, возникающих в месте заделки штока в бабу, и направлено на повышение надежности штоков, что позволяет увеличить срок их эксплуатации и, тем самым, сократить материальные потери от замены штоков и от простоя оборудования в период их замены.
Указанный технический результат в изобретении достигается тем, что в качестве новой конструкции штока применяется шток с глухим осевым ступенчатым отверстием, ступени которого расположены с уменьшением их диаметра от одного конца, противоположного месту заделки штока в бабу молота.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.2 представлена предлагаемая конструкция штока, имеющая глухое осевое ступенчатое отверстие, ступени которого расположены с уменьшением их диаметра от одного конца, противоположного месту заделки штока в бабу молота;
фиг.3 - принципиальная расчетная схема молота, позволяющая проводить вариантные расчеты в случае существующей и предлагаемой конструкции штока, на которой изображены 1-19 - узлы системы, 20 - поршень, 21 - шток, 22 - баба, 23 - верхний боек, 24 - заготовка, 25 - нижний боек, 26 - подушка, 27 - шабот, где участки 7-8, 12-13, 14-15 моделируют стыки, узлы 17, 18, 19 моделируют упругое основание;
фиг.4 - графики напряжений σ (t) и амплитудно-фазо-частотные характеристики (АФЧХ) усилий в месте заделки штока в бабу для заготовки из стали 45 и скорости соударения V=4 м/с;
max
фиг.5 - распределение максимальных напряжений σ в падающих частях молота при соударении со скоростью V=3 м/с с заготовкой размером ⌀180×465 мм в момент времени t=0,01 с, где сплошной линией показаны напряжения, возникающие при материале заготовки - сталь 45, пунктирной - при материале заготовки - алюминиевый сплав АК6;
фиг.6 - распределение максимальных напряжений в падающих частях молота при соударении со скоростью V=3 м/с с заготовкой размером ⌀180×465 мм в момент времени t=0,01, где сплошная линия - кривая, в случае известной конструкции штока, пунктирная линия - кривая, в случае предлагаемой конструкции штока;
фиг.7 - сравнение теоретических и экспериментальных амплитуд напряжений σ в месте заделки штока в бабу в случае разных заготовок и скоростей соударения (а - сталь 45, V=4 м/с; б - титановый сплав ОТ4, V=6 м/с; в - алюминиевый сплав АК6, V=6 м/с), где сплошная линия - экспериментальная кривая, пунктирная линия - теоретическая кривая.
Снижение напряжений достигается за счет перераспределения напряжений при ударном воздействии в различных сечениях штока.
Прочность деталей молота, качественные показатели этой машины зависят от силы сопротивления поковки деформированию. У каждого молота существует предельная поковка, при которой долговечность слабейшего звена (штока) оказывается неудовлетворительной. Шток постоянного сечения весьма далек от равнопрочного состояния, поскольку работает в условиях больших ударных нагрузок, испытывая при ударе напряжение от продольных сил. В месте заделки штока в бабу одновременно действуют два неблагоприятных фактора: возникает максимальное динамическое напряжение и имеет место наибольшая концентрация напряжений. В итоге подавляющее число поломок таких штоков происходит в одном и том же сечении - в заделке.
Таким образом, при исследовании надежности и долговечности деталей и узлов молота возникает необходимость в определении действующих нагрузок.
Рассмотрим для примера паровоздушный ковочный молот арочного типа модели M1345 (фиг.3).
Для выполнения расчетов напряженно-деформированного состояния, а также расчета и проектирования устройства для измерения скорости падающих частей молота необходимо получить значение максимальной скорости. Она может быть определена по формуле для кинетической энергии
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>m</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>V</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
,
где m - масса падающих частей молота, кг;
V - начальная скорость соударения, м/с;
K - кинетическая энергия, Дж.
Для молота модели M1345 масса падающих частей m=3150 кг, K=80 кДж. Тогда максимальная скорость будет равна
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>K</mi></mrow><mi>m</mi></mfrac></mrow></msqrt><mo>=</mo><mn>7</mn><mo>,</mo><mn>1</mn><mfrac><mi>м</mi><mi>с</mi></mfrac></mrow>
.
Доказано, что динамический расчет падающих частей ковочного молота без учета деформации поковки совершенно недопустим [Щеглов, В.Ф. Совершенствование кузнечного оборудования ударного действия / В.Ф. Щеглов. - М.: Машиностроение, 1968. - 222 с., Зайденберг, Г.Я. Вопросы динамики скоростных штамповочных молотов: автореферат дис… д-ра. техн. наук / Г.Я. Зайденберг. - М, 1970, - 31 с]. Поковка моделируется в виде вязкоупругого тела Максвелла. Подкладка под шаботом, состоящая из дубовых брусьев, моделируется упругим основанием с сосредоточенной жесткостью с в соответствующих узлах системы. Поскольку соединение верхнего бойка с бабой, нижнего бойка с подушкой и подушки с шаботом осуществляется фигурным пазом типа «ласточкин хвост», то контактное взаимодействие таких стыков можно моделировать пружиной. Методика расчета контактных деформаций стыков с учетом реальных условий заимствована из работы [Левина, З.М. Контактная жесткость машин / З.М. Левина, Д.Н. Решетов. - М.: Машиностроение, 1971. - 267 с.].
Рассмотрим частотный метод динамического расчета нестационарных колебаний ковочного молота в процессе ударного взаимодействия с заготовкой. Предлагаемая методика использует модификацию метода конечных элементов (МКЭ), основанную на точном интегрировании дифференциального уравнения для конечного элемента [Санкин, Ю.Н. Динамические характеристики вязко-упругих систем с распределенными параметрами / Ю.Н. Санкин. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1977. - 312 с.] и позволяет рассчитывать продольные и поперечные колебания стержней ступенчато-переменного сечения с учетом или без учета рассеяния энергии при соударении с жестким препятствием [Санкин, Ю.Н. Продольные колебания упругих стержней ступенчато-переменного сечения при соударении с жестким препятствием / Ю.Н. Санкин, Н.А. Юганова // Прикладная математика и механика. - М.: Изд-во «Наука», 2001. - Том 65. Вып.3. - С.444-450].
Предлагаемый подход справедлив для стержней неограниченной длины, поэтому разбиение на участки молота можно проводить в любых сечениях, но наиболее целесообразно там, где меняются физические или геометрические характеристики объекта. При составлении расчетной схемы молота считалось, что в штоке, бабе, бойках, подушке и верхней части шабота возникают продольные колебания, а в основании шабота - поперечные.
Таким образом, расчетная схема ковочного молота (фиг.3) будет состоять из 19 узлов. Участки 7-8, 12-13 и 14-15 моделируют стыки. Узлы 17, 18 и 19 имеют упругое основание, заменяющее влияние подкладки из дубовых брусьев. На участках между 1 и 18 узлом имеют место продольные колебания, а на участках 17-18 и 18-19 - поперечные. На завершающей стадии удара верхний боек считается присоединившимся к заготовке (фиг.3).
Предлагаемой расчетной схеме соответствует следующая система разрешающих уравнений для построения амплитудно-фазо-частотных характеристик (АФЧХ) перемещений:
1,2
1
1,2
2
1,2
2
2
(S-mω)W-TW=-T[u];
1,2
1
1,2
2,3
2
2,3
3
1,2
1
2,3
3
-TW+(S+S)W-TW=-T[u]-T[u];
2,3
2
2,3
3,4
3
3,4
4
2,3
2
3,4
4
-TW+(S+S)W-TW=-T[u]-T[u];
3,4
3
3,4
4,5
4
4,5
5
3,4
3
4,5
5
-TW+(S+S)W-TW=-T[u]-T[u];
4,5
4
4,5
5,6
6
5,6
6
4,5
4
5,6
6
-TW+(S+S)W-TW=-T[u]-T[u];
5,6
5
5,6
6,7
6
6,7
7
5,6
5
6,7
7
-TW+(S+S)W-TW=-T[u]-T[u];
6,7
6
6,7
7
7,8
7
8
6,7
6
-TW+SW+c(W-W)=-T[u];
8,9
8
7,8
8
7
8,9
9
8,9
9
SW+c(W-W)-TW=-T[u];
8,9
9
8,9
9,10
9
9,10
10
8,9
8
9,10
10
-TW+(S+S)W-TW=-T[u]-T[u];
9,10
9
9,10
10,11
10
10,11
11
-TW+(S+S)W-TW=0;
10,11
10
10,11
11,12
11
11,12
12
-TW+(S+S)W-TW=0;
11,12
11
11,12
12
12,13
12
13
-TW+SW+c(W-W)=0;
13,14
12
12,13
13
12
13,14
14
SW+c(W-W)-TW=0;
13,14
13
13,14
14
14,15
14
15
-TW+SW+c(W-W)=0;
15,16
15
14,15
15
14
15,16
16
SW+c(W-W)-TW=0;
15,16
15
15,16
16
17
16
16,17
17
-TW+(S+S,)W-TW=0;
16,17
16
16,17
17,18
17,19
17
17
17,18
18
17,18
8
17,19
19
17,19
9
-TW+(S+G+G+c)W-HW+Dφ-HW+Dφ=0;
17,18
17
17,18
18
18
17,18
18
-HW+(G+c)W-Kφ=0;
17,18
17
17,18
18
17,18
18
DW-KW+Aφ=0;
17,19
17
17,19
19
19
17,19
19
-HW+(G+c)W-Kφ=0;
17,19
17
17,19
19
17,19
19
-DW-KW+Aφ=0,
где:
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>F</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>l</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>l</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow><mn>3</mn></mfrac><mo>⋅</mo><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>F</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>l</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>l</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow><mn>6</mn></mfrac><mo>⋅</mo><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
,
;
<mrow><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>u</mi><mi>n</mi></msub><mo stretchy="false">]</mo><mo>=</mo><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>k</mi><mi>n</mi></mrow></msub><msub><mi>V</mi><mn>0</mn></msub><msubsup><mi>l</mi><mrow><mi>k</mi><mi>n</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mi>k</mi><mi>n</mi></mrow></msub><msub><mi>F</mi><mrow><mi>k</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>i</mi><mi>ω</mi><msub><mi>γ</mi><mrow><mi>k</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>cos</mi><msub><mi>α</mi><mrow><mi>k</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msubsup><mi>α</mi><mrow><mi>k</mi><mi>n</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
k
n
; [u]=[u];
<mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>k</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>ω</mi><msub><mi>l</mi><mrow><mi>k</mi><mi>n</mi></mrow></msub><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>k</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>k</mi><mi>n</mi></mrow></msub><msub><mi>E</mi><mrow><mi>k</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>i</mi><mi>ω</mi><msub><mi>γ</mi><mrow><mi>k</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
<mrow><msub><mtext>A</mtext><mrow><mtext>nk</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mtext>i</mtext><mrow><mtext>nk</mtext></mrow></msub><msub><mi>a</mi><mrow><mtext>nk</mtext></mrow></msub><mo>;</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><msub><mi>J</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>l</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
;
;
;
<mrow><msub><mi>a</mi><mrow><mtext>nk</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>sin</mi><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>c</mi><mi>h</mi><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>l</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mroot><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>J</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mn>4</mn></mroot></mrow>
;
;
<mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>cos</mi><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>c</mi><mi>h</mi><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>k</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>s</mi><mi>h</mi><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msubsup><mi>λ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow>
;
<mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>l</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><msub><mi>d</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>G</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msubsup><mi>l</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><msub><mi>g</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>H</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msubsup><mi>l</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow></mfrac><msub><mi>h</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>l</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><msub><mi>k</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow>
;
;
;
;
<mrow><msub><mi>d</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>c</mi><mi>h</mi><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mi>cos</mi><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msubsup><mi>λ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow><mrow /></msubsup><msup><mrow /><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>h</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>sin</mi><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mi>s</mi><mi>h</mi><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msubsup><mi>λ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow><mrow /></msubsup><msup><mrow /><mn>3</mn></msup><mo>⋅</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow>
;
;
<mrow><msub><mi>g</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>sin</mi><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>c</mi><mi>h</mi><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mi>s</mi><mi>h</mi><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msubsup><mi>λ</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow><mrow /></msubsup><msup><mrow /><mn>3</mn></msup><mo>⋅</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>n</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow>
;
n, k - индексы, указывающие соответственно начало и конец участка;
j - номер узла (i=1, 2…19);
<mrow><msqrt><mi>i</mi></msqrt><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow>
i - мнимая единица,
;
nk
4
J - осевой момент инерции сечения участка nk, м;
nk
E - модуль упругости участка nk, Па;
nk
2
F - площадь поперечного сечения участка nk, м;
nk
l - длина участка nk, м;
nk
<mrow><mfrac><mrow><mi>к</mi><mi>г</mi></mrow><mi>м</mi></mfrac></mrow>
µ - масса единицы длины стержня участка nk,
;
0
V - скорость соударения с заготовкой, м/с;
nk
γ - коэффициент сопротивления участка nk;
-1
ω - частота колебаний, с;
j
W - перемещение j-го узла, м;
j
φ - угол поворота j-го узла, рад;
j
<mrow><mfrac><mrow><mi>к</mi><mi>г</mi></mrow><mi>м</mi></mfrac></mrow>
c - жесткости пружин, моделирующих упругое основание в j-ом узле,
;
nk
<mrow><mfrac><mrow><mi>к</mi><mi>г</mi></mrow><mi>м</mi></mfrac></mrow>
c - жесткости пружин, моделирующих стыки nk,
.
i
Из этой системы находятся изображения перемещений в узлах системы. Зная перемещения начала и конца стержня, рассчитываются продольные усилия N(ω) (фиг.4). Переходя к оригиналам N(t) находятся напряжения σ(t) и деформации ε(t), которые связаны с усилиями следующими зависимостями (фиг.4):
<mrow><mi>σ</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>N</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>F</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mi>ε</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>N</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>E</mi><mi>F</mi></mrow></mfrac></mrow>
;
,
где: σ(t) - напряжение, Па;
N(t) - продольная сила, H;
t - время, с;
ε(t) - деформации, м;
2
F - площадь поперечного сечения, м;
E - модуль упругости, Па.
-1
В ходе исследований выявлен информативный диапазон частот, позволяющих идентифицировать получаемые АФЧХ. Для этого провели анализ спектра колебаний падающих частей молота при жестком ударе и при ударе о заготовки различных размеров и материалов с разными скоростями соударения в диапазоне частот от 0 до 500 с в различных узлах стержневой системы.
Все дальнейшие вычисления проводятся в выявленном информативном диапазоне частот. К изменяемым параметрам при работе молота относятся скорость соударения, материал и размеры поковки. Теоретические исследования показали, что на напряжения, возникающие в различных узлах системы при соударении падающих частей с заготовкой, влияют все вышеперечисленные параметры, при этом увеличение скорости соударения ведет к увеличению напряжений. Это позволяет сделать выводы о влиянии размеров заготовки на возникающие напряжения и частоту собственных колебаний в 3 узле (месте заделки штока в бабу).
Проанализированы все возможные сочетания длин и параметров заготовок в пределах допустимых для них значений. Длина заготовки может принимать значения до 0,6 м, т.к. высота рабочей зоны для рассматриваемой модели молота 0,63 м, а диаметр не должен превышать 0,3. При этом наблюдается, что при фиксированном диаметре напряжения с увеличением длины падают, причем чем больше диаметр, тем выше напряжения. При фиксированной длине, напряжения возрастают с увеличением диаметра. При одновременном увеличении длины и диаметра напряжения также возрастают, а в обратном случае соответственно убывают. Установлено, что при соударении падающих частей со стальной заготовкой со скоростью 5 м/с максимальное напряжение в штоке в зависимости от размеров заготовки возможно до 90 МПа. При увеличении или уменьшении скорости соответственно увеличиваются или уменьшаются напряжения. Учитывая, что максимально возможная скорость соударения 7,1 м/с, напряжения в месте заделки штока в бабу могут достигать (130-150) МПа.
Установлено, что максимальные напряжения, в несколько раз превышающие напряжения в других узлах системы, возникают в месте заделки штока в бабу (5 узел фиг.5), что подтверждает предварительные сведения из практики о подавляющем числе поломок именно в этом сечении.
Предлагается следующий путь уменьшения нагрузок, возникающих в месте заделки штока в бабу. Можно распределить нагрузку на несколько сечений. Для этого следует в качестве новой конструкции штока использовать шток с глухим осевым ступенчатым отверстием, ступени которого расположены с уменьшением их диаметра от одного конца, противоположного месту заделки штока в бабу молота (фиг.2).
При динамическом анализе конструкции с таким штоком получили снижение напряжений в 3 узле на 15% в случае стальной заготовки и на 16% - в случае алюминиевой.
Это достигается за счет перераспределения напряжений во 2, 3, 4 и 5 узлах. Так, при использовании предлагаемой конструкции штока напряжение в проблемном 5 сечении уменьшается с 31,2 до 27,5 МПа в случае стальной заготовки и с 20,3 до 17 МПа в случае алюминиевой. А во втором и третьем узлах напряжения увеличиваются приблизительно в три и два раза соответственно, что незначительно по сравнению с напряжением в 5 узле. При этом наблюдается снижение напряжений на (5-6) % в остальных узлах системы (фиг.6).
Результаты сравнения теоретических и экспериментальных результатов показали, что средняя погрешность вычислений составляет 14% для частот собственных колебаний и 25% для амплитуд колебаний (фиг.7).
Предлагаемые изменения в конструкции штока снижают возникающие в месте заделки штока в бабу напряжения на (18-20) % и направлены на повышение надежности штоков, что позволяет увеличить срок их эксплуатации и, тем самым, сократить материальные потери от замены штоков и от простоя оборудования в период их замены.