dimenzioniranje elementov hidravli Čne stiskalnice · • stisljivost olja in s tem nenatan...

DIMENZIONIRANJE ELEMENTOV

HIDRAVLIČNE STISKALNICE

Diplomsko delo

Študent: Jernej ČASAR

Študijski program: Univerzitetni študijski program 1. stopnje Strojništvo

Smer: Konstrukterstvo

Mentor: red. prof. dr., Srečko GLODEŽ

Somentor: doc. dr., Janez KRAMBERGER

Maribor, 2013

II

Vložen original sklepa o potrjeni temi

diplomskega dela

III

I Z J A V A

Podpisani Jernej ČASAR izjavljam, da:

• je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom

red. prof. dr. Srečka Glodeža in somentorstvom doc. dr. Janeza Krambergerja;

• predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev

kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;

• soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet

Univerze v Mariboru.

Maribor,_____________________ Podpis: ___________________________

IV

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju red. prof. dr. Srečku Glodežu

in somentorju doc. dr. Janezu Krambergerju za pomoč

in vodenje pri opravljanju diplomskega dela.

Zahvaljujem se tudi Tini, Mitju in Edvardu.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili

študij.

V

DIMENZIONIRANJE ELEMENTOV HIDRAVLIČNE STISKALNICE

Ključne besede: hidravlika, hidravlična stiskalnica, dimenzioniranje elementov, Abaqus,

trdnostni preračun

UDK: 621.226-11(043.2)

POVZETEK

Hidravlična stiskalnica je namenjena stiskanju, upogibanju, ravnanju ter iztiskanju

obdelovancev. Največkrat jo uporabljamo v proizvodnji, lahko pa jo imamo tudi za osebno

uporabo. V diplomskem delu bomo opisali splošne značilnosti hidravličnih stiskalnic, pri

preračunih pa se bomo osredotočili na stiskalnico, ki jo imajo v podjetju Arcont d.d., Gornja

Radgona. Preračunali bomo pomike in napetosti, ki se pojavijo pri delovanju tlačne

stiskalnice. Na osnovi izračunanih vrednosti parametrov bo podana ideja za možno

optimizacijo omenjene hidravlične stiskalnice.

VI

DIMENSIONING ELEMENTS OF HYDRAULIC PRESS

Key words: hydraulic, hydraulic press, dimensioning of elements, Abaqus, strength

calculations

UDK: 621.226-11(043.2)

ABSTRACT

The hydraulic press in meant for pressing, bending, straightening and squeezing of

workpieces. Most often it is used in manufacturing, but we can also find it in personal use. In

this work the general characteristics of hydraulic presses will be described, while the

calculations will focus on the press used by the Arcont d.d., Gornja Radgona company. The

calculations will include force displacements and tensions that occur at the activity of a

pressure press. Based on the calculated values of the parameters an idea for a possible

optimization of the aforementioned hydraulic press will be presented.

VII

KAZALO VSEBINE

1 UVOD .............................................................................................................. - 1 -

2 HIDRAVLIČNE STISKALNICE ....................................................................... - 3 -

2.1 Osnove hidravlike ............................................................................................... - 3 -

2.1.1 Hidravlične naprave in komponente ................................................................ - 3 -

2.1.2 Prednosti in slabosti hidravličnih sistemov ..................................................... - 4 -

2.2 Splošno o hidravličnih stiskalnicah ..................................................................... - 5 -

2.2.1 Ohišje stiskalnic ............................................................................................... - 7 -

2.2.2 Pogon stiskalnic ............................................................................................... - 7 -

2.2.3 Slabe in dobre lastnosti hidravličnih stiskalnic ............................................... - 8 -

2.2.4 Uporaba hidravličnih stiskalnic ....................................................................... - 8 -

2.2.5 Vrste hidravličnih stiskalnic glede na uporabo................................................ - 9 -

3 TRDNOSTNI PRERAČUN NOSILNIH ELEMENTOV HIDRAVLIČNE

STISKALNICE ..................................................................................................... - 14 -

3.1 Tehnični podatki ................................................................................................ - 14 -

3.2 Numerični model ............................................................................................... - 16 -

3.3 Rezultati ............................................................................................................ - 24 -

4 ZAKLJUČEK ................................................................................................. - 28 -

5 LITERATURA ................................................................................................ - 29 -

VIII

KAZALO SLIK

Slika 1.1: Hidravlična stiskalnica podjetja Arcont, d.d. ........................................................ - 2 -

Slika 2.1: Prikaz pretvorbe in prenosa energije [2] ............................................................... - 3 -

Slika 2.2: Princip delovanja Pascalovega zakona [1] ............................................................ - 5 -

Slika 2.3: Primer enodelnega in sestavljenega ogrodja hidravlične stiskalnice [7]............... - 7 -

Slika 2.4: Vlečna stiskalnica Gorenje Indop ......................................................................... - 9 -

Slika 2.5: Kovaška stiskalnica SH HYDRAULIC RAVNE (50-500 kN) ........................... - 10 -

Slika 2.6: Štiri stebrna stiskalnica za hladno masivno preoblikovanje ............................... - 11 -

Slika 2.7: Večstopenjska hidravlična stiskalnica ................................................................. - 12 -

Slika 3.1: Gabaritne dimenzije hidravlične stiskalnice ...................................................... - 14 -

Slika 3.2: Specifikacija hidravličnega cilindra .................................................................... - 15 -

Slika 3.3: Geometrijski model stiskalnice ........................................................................... - 17 -

Slika 3.4: Togi sornik .......................................................................................................... - 18 -

Slika 3.5: Robni pogoji ........................................................................................................ - 19 -

Slika 3.6: Prikaz korakov v postopku določanja robnih pogojev vpetja ............................. - 20 -

Slika 3.8: Sila na mestu vpetja cilindra ............................................................................... - 21 -

Slika 3.9: Zamrežena stiskalnica ......................................................................................... - 22 -

Slika 3.10: Interakcija tipa "Tie" ......................................................................................... - 23 -

Slika 3.11: Kontakt med pušo in sorniko ............................................................................ - 23 -

Slika 3.12: Pomiki v stiskalnici ........................................................................................... - 24 -

Slika 3.14: Primerjalne napetosti po Misesu ....................................................................... - 26 -

Slika 3.15: Največja napetost v stiskalnici .......................................................................... - 27 -

Slika 3.16: Kontaktne napetosti ........................................................................................... - 27 -

IX

UPORABLJENI SIMBOLI

Pe [MPa] - nadtlak v posodi

F1 [N] - sila na manjšem batu

F2 [N] - sila na večjem batu

A1 [m2] - ploščina na manjšem batu

A2 [m2] - ploščina na večjem batu

P [kW] - pogonska moč

P [bar] - tlak olja v sistemu

Qth [1/min] - teoretična pretočna količina črpalke

�n [/] - mehanski izkoristek črpalke

µM [/] - izkoristek stroja

�� [mm] - dopustni pomik

L [mm] - širina stiskalnice

Univerza v Mariboru-Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- 1 -

1 UVOD

Hidravlična stiskalnica je ena izmed najstarejših osnovnih strojev, katere uporaba je v

današnjem času zelo razširjena. Prvo je izumil in patentiral anglež Joseph Bramah, po katerem

je še danes poznana kot Bramahova stiskalnica. Današnje moderne stiskalnice so prilagojene

za dvigovanje in stiskanje vse od majhnih predmetov kot je nakit, pa do izdelovanja velikih

delov, npr. v letalstvu. Hidravlične stiskalnice so namenjene predvsem za stiskanje,

upogibanje, izrezovanje, ravnanje in iztiskanje. Največ se uporabljajo v industriji, nekateri pa

jo uporabljajo za osebne potrebe [1].

V industriji imamo stiskalnice, ki imajo po navadi veliko potisno silo. Ko pah pritiska

navzdol, mora miza, na katero pritiska pah, vzdržati obremenitev, da ne pride do prevelike

deformacije. Proizvajalci stiskalnic se zato morajo pravilno odločiti, iz katerega materiala bo

stiskalnica narejena in kako bo narejena, da lahko prenese določeno silo. Zato so potrebni

izračuni napetosti, s katerimi preverimo, če konstrukcija prenese obremenitev, kot smo si jo

zastavili.

Diplomska naloga je konceptualno razdeljena na dva dela. Najprej je predstavljen

teoretični del, kjer se posvečamo raziskovanju že obstoječega znanja o hidravličnih

stiskalnicah. Tako se v drugem poglavju najprej seznanimo s splošnimi dejstvi o hidravliki, z

opisom hidravličnih naprav in komponent ter z predstavitvijo prednosti in slabosti

hidravličnih sistemov. Poglavje nadaljujemo s splošnim opisom hidravličnih stiskalnic, kot je

ohišje in pogon hidravličnih stiskalnic. Nadalje naštevamo pozitivne in negativne lastnosti

hidravličnih stiskalnic ter različne načine uporabe. Poglavje končujemo s predstavitvijo

različnih vrst hidravličnih stiskalnic.

Drugi del se usmerja v empirično raziskovanje izbrane hidravlične stiskalnice in sicer v

podjetju Arcont, d.d. (Slika 1.1). Na ta del se nanaša tretje poglavje. Na izbrani hidravlični

stiskalnici smo izvedli trdnostni preračun njenih nosilnih elementov, kar je tudi poglavitni

namen našega diplomskega dela. Najprej predstavljamo tehnične podatke o stiskalnici ter

numerični model v programu Abaqus, na katerem bodo temeljili preračuni. Poglavje

zaključujemo z interpretacijo dobljenih rezultatov.


- 2 -

Slika 1.1: Hidravlična stiskalnica podjetja Arcont, d.d.


- 3 -

2 HIDRAVLIČNE STISKALNICE

2.1 Osnove hidravlike

Razvoj sodobne civilizacije je v tesni povezanosti z razvojem tehnike, ki pa ne bi bila možna

brez strojev. V strojništvu predstavljata osnovna medija za prenos energije voda in zrak. Za

obravnavo tega področja se uporablja termin fluidna tehnika (lat. fluidus pomeni tekoč, v

smislu prenosa energije). Po definiciji fluidna tehnika obravnava prenos energije in

informacije s pomočjo tekočin (fluidov), to je kapljevin in plinov, predvsem v hladnem stanju.

Fluidna tehnika se deli na: hidravliko, pnevmatiko. Naše raziskovanje se osredotoča predvsem

na področje hidravlike. Teoretično osnovo hidravlike predstavlja hidromehanika, ki se deli na

dve področji:

• Hidrostatika – veda o ravnotežnih stanjih tekočin.

• Hidrodinamika – veda o tokovnih (gibalnih) stanjih tekočin [2].

2.1.1 Hidravlične naprave in komponente

Hidravlične naprave so skupek medsebojno povezanih zlogov, komponent in delov, ki tvorijo

delovne enote, katere združujejo vso hidravlično opremo nekega stroja ali polstroja. Naloge

delovnih enot, kot prikazuje Slika 2.1, so naslednje:

• Pretvarjajo primarno energijo (pogonskega stroja) v energijo tlačnega medija

(hidravlično energijo).

• Prenos energije tlačnega medija od primarnega pretvornika (generatorja) do

sekundarnega pretvornika energije (motorja).

• Krmiljenje toka energije po smeri in vrednosti.

• Pretvarjanje energije tlačnega medija v mehansko delo (v delovnem stroju) [2].

Slika 2.1: Prikaz pretvorbe in prenosa energije [2]


- 4 -

Pogonski stroj pri hidravličnih napravah običajno predstavlja elektromotor ali motor z

notranjim izgorevanjem. Črpalka pretvarja energijo tlačnega medija. Običajno je tlačni medij

kot nosilec energije mineralno olje. Krmilniki poti, toka in tlaka omogočajo krmiljenje snovi

in velikosti toka ter tlačnega nivoja hidravličnega olja. Sekundarni pretvornik energije je

hidravlični cilinder (valj) ali hidravlični motor (hidromotor). Da lahko hidravlična naprava

deluje, mora biti opremljena z rezervoarjem olja in cevovodom, ki omogoča kroženje

hidravličnega olja iz rezervoarja prek primarnega pretvornika energije (črpalke) in krmilja, v

sekundarni pretvornik energije (cilinder ali motor) in nazaj, prek krmilja v rezervoar (Slika

2.1) [2].

2.1.2 Prednosti in slabosti hidravličnih sistemov

Hidravlični sistemi imajo naslednje prednosti:

• visoka koncentracija energije (v primerjavi z drugimi pogoni so za enako moč veliko

manjši, npr. elektromotorji)

• možnost dosega velikega prestavnega razmerja

• zelo dobra krmilnost sistemov (tlak in pretok se lahko nastavljata relativno enostavno)

• odlične dinamične lastnosti (možnost doseganja velikih pospeškov in pojemkov)

• možnost enakomerne spremembe hitrosti vzdolžnega in rotacijskega gibanja

• sorazmerno enostaven odvod toplote

• enostavna zaščita pred preobremenitvijo

• enostavna kontrola sile in momenta ter hitrosti izvršilnih elementov

• možnost avtomatizacije gibanja izvršilnih elementov

• enostavna sprememba smeri gibanja v sistemu

• enostavno mazanje in odvod toplote

Hidravlika ima v primerjavi s pnevmatiko, mehaniko in elektriko določene prednosti, saj

omogoča uspešno reševanje tehničnih problemov pri izdelovanju obdelovalnih in

preoblikovalnih strojev, transportnih naprav, vozil, plovil, metalurških sistemov, gradbenih,

rudarskih in gozdarskih strojev, letal itd [3].

Nekatere pomanjkljivosti hidravličnih sistemov pa so:

• onesnaževanje okolja;

• nevarnost pri porušitvi in netesnosti naprave;


- 5 -

• občutljivost za nečistoče in spremembe temperature;

• stisljivost olja in s tem nenatančnosti pri pozicioniranju naprave;

• nizka stopnja izkoristka vložene energije;

• zelo visoka cena zaradi zahtevnejše izdelave;

• zahtevno vzdrževanje [3].

2.2 Splošno o hidravličnih stiskalnicah

Hidravlične stiskalnice spadajo med stroje z omejeno silo. Za te preoblikovalne stroje je

značilno, da je tlačna sila tista karakteristična veličina, ki je nastavljiva. Sila se lahko omeji na

poljubni maksimalni vrednosti, pehalo z gibljivim delom orodja pa lahko ustavimo v

kateremkoli položaju. Sila pri preoblikovanju enakih obdelovancev ni vedno enaka, saj se v

določenih mejah spreminja in sicer npr. zaradi razlik v trdnosti materiala, dimenzijske

tolerance surovcev, razlik v temperaturi, sprememb pogojev mazanja in trenja itn. Ker sila ni

vedno enaka, je natančne izdelke možno izdelati le, če delovni gib pehala omejimo, bodisi na

samem stroju ali v samem orodju. Gibanja pehala lahko ustavimo ročno, s končnimi stikali ali

pa z omejitvijo tlačne sile [4].

Princip delovanja hidravličnih stiskalnic je zasnovan na Pascalovem zakonu. Na Sliki

2.2 je prikazana posoda, v kateri sta dve odprtini. V ti dve odprtini sta vgrajena dva bata

različnih premerov z možnostjo gibanja. Na batu, kjer je manjša ploščina A1 deluje sila F1, ki

povzroča nadtlak p. Nadtlak p se širi enakomerno na vse strani, zato tudi deluje na ploščino

večjega bata A2. Da je doseženo ravnotežje, mora na večjem batu delovati določen odpor in

sicer zunanja sila F2 [2].

Slika 2.2: Princip delovanja Pascalovega zakona [1]


- 6 -

Nadtlak je v posodi vsepovsod enak, zato se enačba glasi:

�� =

� in �� =

�

�� (2.1)

Iz tega sledi končna enačba:

�=

�

�� (2.2)

Pascal je praktično dokazal, da lahko dvigujemo velika bremena že z majhnim curkom

tekočine (princip transformacije sile in transformacije tlaka). Sprva je svoje praktične poskuse

izvajal le s pomočjo tekočine. To je bila voda, ki je bila prva hidravlična tekočina, ki se je

uporabljala v zgodnjih začetkih hidravlike. Šele kasneje so ji začeli dodajati razne dodatke ali

pa uporabljali druge tekočine. Prva hidravlična stiskalnica je nastala 1795 izpod rok Josepha

Brahmana, ki je prav tako uporabil vodo kot hidravlično tekočino. Tako se je začela praktična

uporaba hidrostatike. Takrat drugih alternativ še niso poznali, voda kot hidravlična tekočina

pa ima vrsto različnih prednosti. Glavne prednosti so predvsem majhna stisljivost (v

področju tlakov v hidravlični opremi je praktično nestisljiva), negorljivost, neškodljivost za

zdravje človeka in za okolje, cenenost in razpoložljivost. Glavni slabosti vode pa sta slabe

mazalne lastnosti in nesposobnost zaščite pred korozijo. Zaradi teh dveh slabih lastnosti so že

ob prvih poskusih uporabe, predvsem v zimskem času, začeli dodajati glicerin, da so izboljšali

njene mazalne sposobnosti [5].


- 7 -

2.2.1 Ohišje stiskalnic

Največ konstrukcijskih izvedb hidravličnih stiskalnic so zaprte O – oblike, pol odprte navzdol

obrnjene U – oblike, v varjeni konstrukcijski obliki debelih pločevin in tudi na tri dele deljeni

sklopni sistem (miza stroja, stojalo, glava) iz sive litine ali jeklene litine ter med seboj spojeno

nateznimi vijaki. Slika 2.3 prikazuje primer enodelnega in sestavljenega ogrodja sestavljene

stiskalnice [5].

Slika 2.3: Primer enodelnega in sestavljenega ogrodja hidravlične stiskalnice [7]

2.2.2 Pogon stiskalnic

Večji hidravlični bat z manjšo batnico opravlja premik paha. Črpalke s konstantnim pretokom

(zobniške ali pa tudi navojne) dovajajo potrebno tlačno tekočino (olje). Pri večjih strojih

lahko tudi dovajamo olje z aksinalno-batnimi ali radialno-batnimi nastavljivimi črpalkami.

Črpalke dovajajo olje pod tlakom od 200 do 300 barov. Če imamo prevelike tlake olja, lahko

povzročajo težave na tesnilkah. Enačba z katero lahko določimo pogonsko moč hidravličnih

stiskalnic je [6]:


- 8 -

� =��

�� (2.3)

2.2.3 Slabe in dobre lastnosti hidravličnih stiskalnic

Dobre lastnosti hidravličnih stiskalnic:

• Lahko natančno nastavimo sile (zato ni možnosti preobremenitve).

• Konstantna sila, katera je neodvisna od poti paha.

Slabe lastnosti hidravličnih stiskalnic:

• Delovna hitrost v primerjavi z mehanskimi ročičnimi stiskalnicami je relativno

majhna.

• Slabši ekonomski efekt na časovno enoto (število izdelkov po času) [6].

2.2.4 Uporaba hidravličnih stiskalnic

Hidravlične stiskalnice so poleg strojnih kladiv in mehaničnih stiskalnic najpomembnejša

vrsta strojev za preoblikovanje kovin. Uporabljajo se tako pri hladnem kot tudi pri toplem

preoblikovanju.

Hidravlične stiskalnice se uporabljajo povsod, kjer je potrebna konstantna sila na daljši

preoblikovalni poti in sicer pri:

• istosmernem iztiskovanju dolgih profilov;

• reduciranem vlečenju profilov;

• votlem in masivnem preoblikovanju (kjer material potrebuje več časa za dotekanje);

• globokem vlečenju pločevine [6].


- 9 -

2.2.5 Vrste hidravličnih stiskalnic glede na uporabo

Vlečne stiskalnice Vlečne stiskalnice so stiskalnice, ki so zgrajene kot dvojno in največkrat kot trojno delujoče.

Trojno delujoče imajo zunanji in notranji krmiljena paha, ki sta ločena, ter pah (ali več čepov)

iz mize stroja. Notranji pah se uporablja za opravljanje dela, kot je npr. vlečenje pločevine,

zunanji pa za pridrževanje pločevine v orodju, zato se imenuje tudi pločevinasto držalo.

Pah iz mize stroja pa se uporablja za izločanje pločevine iz odprtega orodja po

končanem vlečenju. Vsi pahi so krmiljeni med seboj neodvisno, zato gre za trojno delujoči

stroj in se uporablja pri globokem vlečenju pločevine [6].

Slika 2.4: Vlečna stiskalnica Gorenje Indop

Stopenjske stiskalnice

Večstopenjske stiskalnice so primerne za izdelavo izdelkov z več zaporednimi operacijami.

Največkrat se uporabljajo za globoko vlečenje pločevine, ki poteka v več fazah ali operacijah,

zato so taki stroji glede na osnovno funkcijo stiskalnice za globoko vlečenje. Za

večstopenjske stiskalnice je značilno, da imajo na pahu in mizi montiranih več posameznih

orodij, pri navadnih enofaznih stiskalnicah pa je montirano na pahu in mizi le eno orodje.

Število teh orodij je enako delovnim operacijam, ki so potrebne za izdelovanje končnega

vlečenega izdelka iz pločevine [6].


- 10 -

Kovaške stiskalnice So stiskalnice, ki so prilagojene robustnemu pogonu za utopna orodja v kovačnicah. Pri teh

stiskalnicah se uporabljajo ohišja iz jeklene litine, ki so ob večjih in težkih strojih povezana še

z jeklenimi sidrnimi vijaki. Posebno močno dimenzionirani rep povezuje pah stroja z ojnico.

Kovaške stiskalnice uporabljamo za izdelke z večjimi tolerancami, ker pri delu z njimi

večkrat prihaja do obremenitve (preko nazivne sile) in ker so zaradi odžiga nenatančni

odkovki v kovačnicah [6].

Slika 2.5: Kovaška stiskalnica SH HYDRAULIC RAVNE (50-500 kN)

Stroji za hladno kovanje Pri strojih za hladno kovanje izdelujemo s stiskanjem zelo natančne in končne izdelke. Te

izdelke lahko še naknadno obdelamo z mehansko obdelavo, ki je potrebna v primeru, kot so

npr. daljše in tanke izvrtine in spodrezi itd.

Le v primeru, če je stroj odgovarjajoče natančno in togo izdelan, lahko izdelamo ozke

in natančne tolerance hladno kovanih izdelkov. Razmerje med širino in dolžino paha je

razmeroma veliko, kar omogoča pahu posebno dobro vodenje. Za istosmerno iztiskovanje

daljših izdelkov morajo imeti stroji odgovarjajoče daljše hode paha. Stroji za hladno kovanje

imajo kolenasto-vzvodne ali kolenaste mehanizme. Stiskalnice pa so uporabne pri

preoblikovanju daljših izdelkov.


- 11 -

Slika 2.6: Štiri stebrna stiskalnica za hladno masivno preoblikovanje

Stiskalnica na Sliki 2.7 ima konstrukcijo ohišja zvarjeno iz posebno dolgih vodil (6 do 8

vodil) paha in iz jeklenih plošč. Sklopka in zavora v pogonskem delu sta zaradi termičnih

vzrokov medsebojno močno ločeni. Za protismerno stiskanje (brizganje tub) uporabljamo

kratko hodno ležeče kolenasto-vzvodne konstrukcije. Medtem, ko za istosmerno stiskanje

uporabljamo predvsem stoječe stroje [6].

Večstopenjske stiskalnice za hladno kovanje Stoječe večstopenjske stiskalnice se najpogosteje uporabljajo za stopenjsko preoblikovanje

pločevinastih izdelkov, pri masivnem preoblikovanju v več stopnjah pa posebni ležeči stroji.

Gospodarnost takih strojev pride do izraza pri zelo velikih količinah izdelkov pri ugodni

vzdržljivosti posameznih stopenjskih orodjih.

Tehnološki postopki v posameznih stopnjah stiskanja oz. obdelave si sledijo v naslednjih

korakih:

• priprava surovca s striženjem palice;

• nakrčevanje;

• stiskanje.


- 12 -

Ležeče stiskalnice so se najprej uveljavile za množično izdelavo standardiziranih

izdelkov, kot so npr. vijaki, matice, žeblji itd. ter jih razlikujemo po:

• številu delovnih faz (z dvema, tremi ali več stopnjami);

• namestitvi orodja (ležeči ali pokončni položaj);

• vrsti proizvodov (matice, vijaki, kovice itd.) [5].

Slika 2.7: Večstopenjska hidravlična stiskalnica

Avtomati za štancanje

Ti avtomati so namenjeni predvsem za masivno proizvodnjo izdelkov z ločevanjem

pločevine, kateri so po potrebi dodane še operacije za globoko vlečenje in manjša upogibanja.

Avtomati imajo zgoraj in spodaj ležeči pogon in so ekscentrične oblike stiskalnic, lahko pa

imajo tudi hidravlični pogon. Splošne karakteristike avtomatov so naslednje:

• hitri in kratki hodi paha;

• močna ohišja;

• hitro vklopljive sklopke in zavore;

• ozke tolerance vodil.

Pri hitro tekočih štančnih avtomatih poseben problem predstavlja njihova glasnost. Za

zmanjšanje hrupa lahko stroj obdamo s posebno kabino, ki varuje okolico s svojo izolacijo

proti hrupu.


- 13 -

Pri kompliciranih štančnih izdelkih, pri katerih je potrebnih več operacij (faz) in katerih ne

moremo opraviti vseh v enem stroju, uporabljamo dva ali več medsebojno povezanih

avtomatov [6].


- 14 -

3 TRDNOSTNI PRERAČUN NOSILNIH ELEMENTOV

HIDRAVLIČNE STISKALNICE

3.1 Tehnični podatki

Za trdnostni preračun nosilnih elementov smo zbrali stiskalnico podjetja Arcont, d.d..

Obravnavana stiskalnica je izdelana iz navadnega konstrukcijskega jekla oznake S355 J2G3.

Potisna sila stiskalnice je 400000 N oz. 40 ton. Povprečna uporaba stiskalnice je dve uri na

teden. Njena masa znaša 800 kilogramov, zato je lahko prenosljiva, npr. z viličarjem. Za

pogon uporablja zobniško črpalko, gnano s tri-faznim elektromotorjem, moči 3 kW. Slika

3.1 prikazuje gabaritne mere obravnavane hidravlične stiskalnice.

Slika 3.1: Gabaritne dimenzije hidravlične stiskalnice


- 15 -

Stiskalnica se v podjetju Arcont, d.d. uporablja predvsem za:

• Izsekovanje

• Upogibanje

• Montažo in demontaža ležajev, zobnikov

• Montažo in demontažo gum za viličarje

• Razna popravila

• Vzdrževanje strojnih delov

Na cilinder se lahko dodatno izdelajo orodja, namenjena različnim vrstam uporabe.

Za ustvarjanje potisne sile, ima stiskalnica vgrajeni hidravlični cilinder, oznake CD16C-

160, ki je osnovne izvedbe in je bil posebej kupljen. Na Sliki 3.2 je navedena podrobnejša

specifikacija cilindra (označen je z rdečim okencem).

Slika 3.2: Specifikacija hidravličnega cilindra


- 16 -

3.2 Numerični model

Numerični model smo določili v okviru več različnih korakov, kot so:

• modeliranje strojnih elementov

• določitev materialnih lastnosti

• določitev robnih pogojev in obremenitev

• mreženje modela

• analiza

• vrednotenje rezultatov

Za izvedbo numerične analize je bil uporabljen programski paket Abaqus [8].

Programski paket Abaqus Trdnostne preračune nosilnih elementov hidravlične stiskalnice smo izvedli s pomočjo

programa Abaqus.

Abaqus je programska oprema primerna za analizo končnih elementov in za računalniško

podprt inženiring. Paket ABAQUS je sestavljen iz štirih osnovnih programskih proizvodov:

ABAQUS/CAE; ABAQUS/CFD; ABAQUS / standard; ABAQUS / Explicit. Pri našem delu smo

uporabili različico ABAQUS/CAE, ki se uporablja tako za modeliranje in analize mehanskih

komponent in sklopov (predobdelava), kot za vizualizacijo končnih elementov rezultatov

analize.

ABAQUS je uporaben v avtomobilski, letalski in vesoljski industriji ter v industriji

industrijskih proizvodov. Programska oprema je priljubljena v akademskih in raziskovalnih

ustanovah, zlasti zaradi zmožnosti materialnega modeliranja in sposobnosti prilagajanja.

ABAQUS zagotavlja zbirko multifizičnih zmogljivosti, kot so vezane zvočno-strukturne,

piezoelektrične in strukturalne zmogljivosti, zaradi česar je privlačen za proizvodne

simulacije, kjer je potrebno združiti več polj. ABAQUS je bil prvotno zasnovan za reševanje

nelinearnega fizičnega vedenja, zato ima kot rezultat paket široko paleto pomembnih

modelov, kot so elastomerne materialne zmogljivosti.


- 17 -

Vsaka analiza z metodo končnih elementov je sestavljena iz 3 ločenih faz:

• Predobdelava ali modeliranje: Ta faza vključuje oblikovanje vhodne datoteke, ki

vsebuje dizajn inženirja.

• Predelava ali analiza končnih elementov: Ta faza ustvari izhodno vizualno datoteko.

• Naknadna obdelava: Končna faza generira poročilo, sliko, animacijo, itd. iz izhodne

datoteke: Gre za fazo vizualne upodobitve [8].

Geometrija modela

Model stiskalnice, ki je predmet simulacije, je bil izdelan v programu SolidWorks. V

SolidWorks smo celoten model shranili kot format Parasolid (x_t) in ga nato uvozili v

program Abaqus kot "Import Assembly". Geometrijski model stiskalnice smo za izvedbo

numerične analize nekoliko poenostavili. Končni geometrijski model, na katerem temeljijo

računalniške simulacije v programu Abaqus, prikazuje Slika 3.3.

Slika 3.3: Geometrijski model stiskalnice


- 18 -

Model je sestavljen iz naslednjih sestavnih delov:

1. vezna cev

2. nosilec mize

3. zgornji nosilec

4. plošča cilindra

5. plošča mize

6. zgornji plošči

7. podloga

8. prečki

9. prečki cilindra

10. spodnji prečki

11. puše stebra

12. puše

13. stebri

14. toga sornika

15. stranska podloga

16. spodnji pokrov

17. povezavi

18. miza

V numeričnem modelu smo poenostavili sornik, ki povezuje mizo stiskalnice z ohišjem.

Sornik, prikazan na Sliki 3.4 smo obravnavali kot togi sornik, katerega smo označili kot

"Analitycal rigid," kar pomeni, da ni deformabilen. Na njem smo označili še referenčno točko

(Reference Point), ki je pomembna, saj smo s pomočjo te točke kasneje določili robne pogoje.

Slika 3.4: Togi sornik


- 19 -

Material Celotna stiskalnica je izdelana iz navadnega konstrukcijskega jekla S355 J2G3, katerega

mehanske lastnosti so podane v Preglednici 3.1.

Preglednica 3.1: Lastnosti jekla S355 J2G3

OZNAKA VREDNOST ENOTA

Modul elastičnosti E 210000 MPa

Poissonovo število ν 0,3 -

Dopustna napetost σdop 355 MPa

Robni pogoji vpetja

Pri določanju robnih pogojev smo določili štiri različna vpetja. Prvo vpetje je določeno v

spodnji prečki, kjer se stiskalnica dotika tal. Prečka je vpeta togo, kar pomeni, da ni pomikov

in rotacije v nobeno stran. Drugo vpetje je bilo določeno na mizo (na katero deluje površinska

sila), za katero smo predpisali, da se lahko pomika in vrti v smeri z in y, ne pa v smeri x.

Tretje in četrto vpetje pa smo postavili v referenčni točki, ki ležita na sornikoma. Pri tem smo

za vsak robni pogoj predpisali, da v koraku vzpostavitve kontakta ni nobenih pomikov in

nobenih rotacij, v koraku obremenitev pa smo dovolili, da se sornika lahko pomikata in

rotirata v smeri z in y, v smeri x pa ne (Slika 3.6). Vpetja so prikazana na Sliki 3.5.

Slika 3.5: Robni pogoji

prvo vpetje

drugo vpetje

tretje vpetje

četrto vpetje


- 20 -

Slika 3.6: Prikaz korakov v postopku določanja robnih pogojev vpetja

Obremenitev V modulu obremenitev je bilo potrebno določiti silo oz. obremenitev na stiskalnici.

Obremenitev smo predpisali kot pritisno silo na delovno mizo in reakcijsko silo na vpetju

potisnega cilindra v nasprotni smeri.

Prvo obremenitev smo poimenovali Sila1 in jo določili na mizi stiskalnice, kot

prikazujejo puščice na Sliki 3.7. Obremenitev velikosti 400.000 N, smo določili kot tlačno

silo, kar pomeni, da je sila enakomerno porazdeljena na površini prečke mize.. Isto velikost

sile (400.000 N) smo določili tudi za drugo obremenitev, ki smo jo poimenovali Sila2 in je

prikazana na Sliki 3.8. Za površino druge obremenitve smo izbrali spodnjo stran plošče

cilindra.


- 21 -

Slika 3.7: Sila na mizi stiskalnice

Slika 3.8: Sila na mestu vpetja cilindra

Mreža končnih elementov V modulu mreženja modela, smo večino sestavnih delov stiskalnice zamrežili z mrežo

sestavljeno iz tetraedrov. Nekatere dele stiskalnice, ki pa so pravilne oblike, npr. kocka, valj,

in kvader, pa smo zamrežili z mrežo sestavljeno iz heksaedrov. Edina dela hidravlične

stiskalnice, ki nista zamrežena sta toga sornika. Pri določanji velikosti elementov mreže v

stiskalnici je bilo potrebno paziti, da elementi niso premajhni, kar bi zavzelo precej časa v

procesu preračuna, ampak ne bi prineslo večjih sprememb v rezultatu. Prav tako elementi ne

smejo biti preveliki, ker bi lahko dobili napačne rezultate. Velikost elementov v mreži smo

izbrali različno. Za največje dele stiskalnice, kot so stebri, smo izbrali velikost 40 mm, za

najmanjše, kot so puše na stebrih, pa 5 mm.


- 22 -

Slika 3.9: Zamrežena stiskalnica

Model celotne stiskalnice sestavlja 165.309 elementov, in sicer:

• 159506 kvadratnih-tetraedričnih elementov tipa C3D10,

• 2155 linearnih-heksaedričnih elementov tipa C3D8R,

• 3648 kvadratnih- heksaedričnih elementov tipa C3D20R.

Interakcije Pri modulu interakcije smo določili obnašanje sestavnih delov stiskalnice med sabo. Za

večino delov, ki so sestavljeni z varjenjem, smo določili, da so medsebojno povezani kot

"Tie", kar pomeni, da so med seboj togo spojeni (Slika 3.10). Za določitev take povezave je

potrebno izbrati dve površini, in sicer kot prvo glavno površino (Master surface), nato pa

površino s katero bo povezana (Slave surface). Pri glavni površini je mreža redkejša, pri

odvisni pa je gostejša. V celotni konstrukciji je 80 opisanih povezav.


- 23 -

Slika 3.10: Interakcija tipa "Tie"

Povezavo miza – sornik in sornik – steber smo obravnavali kot kontaktni problem.

Sornika prenašata silo z mize na stebre. Pri kontaktu smo določili, da med površinami, kjer je

kontakt določen, ni trenja. Tudi pri tej povezavi smo določili glavno površino in podrejeno

površino. Za glavno površino smo vzeli sornika, za katera smo predpostavili, da se lahko

premikata samo v smeri y in z, kar pomeni, da ne moreta zdrsniti z mize. Za podrejeno

površino smo določili puše in puše stebra (Slika 3.11). Število uporabljenih kontaktov na

stiskalnici je osem. Štiri kontakte smo modelirali med pušo in sornikom, ter štiri med pušo

stebra in sornikom.

Slika 3.11: Kontakt med pušo in sornikom


- 24 -

3.3 Rezultati

Za analizo je bila uporabljena statična simulacija z upoštevanjem kontaktne nelinearnosti. Po

koncu procesa preračunov, smo se osredotočili na vrednotenje rezultatov, ki so zajemali

pomike, primerjalne napetosti po Misesu in kontaktne napetosti.

Pomiki Slika 3.12 prikazuje pomike celotne stiskalnice. Najmanjši pomiki so bili na območju, kjer je

stiskalnica vpeta na tla, največji pa so se pojavili na plošči vpetja potisnega cilindra. Večji

pomiki so se pojavili tudi na mizi stiskalnice. Ugotovimo lahko, da so največji pomiki tam,

kjer sta predpisani obremenitvi. Od območja največjih pomikov do območja vpetja (spodaj),

pa so se ti pomiki postopno zmanjševali.

Slika 3.12: Pomiki v stiskalnici

Prednja stebra

Zadnja stebra


- 25 -

Največja velikost pomika znaša 0,8468 mm (Slika 3.12), in sicer na mestu vpetja

cilindra, ki je manjši od dopustnega, ki smo ga določili po enačbi 3.1.

�� =�

�� (3.1)

Iz Slike 3.13 lahko opazimo, da pomiki niso simetrični, ker tudi stiskalnica ni

simetrična. Dimenzije prečnega prereza prednjih stebrov se razlikujejo od zadnjih stebrov

(Slika 3.12).

Slika 3.13: Pomik na mizi

Napetosti Potek primerjalnih napetosti po Misesu je prikazan na Sliki 3.14. Numerična analiza je

pokazala, da se večje napetosti pojavijo na stičiščih površin, kot so označene na Sliki 3.13.

Prav tako je razvidno, da so primerjalne napetosti po ohišju stiskalnice manjše od dopustne

napetosti, ki znaša 355 MPa. Iz tega lahko sklepamo, da bo ohišje konstrukcije zdržalo

obremenitev, ki smo jo določili (400 kN).


- 26 -

Slika 3.14: Primerjalne napetosti po Misesu

Drugačne rezultate je analiza pokazala v pušah, za katere smo predpostavili kontakt s

sornikom. Na sliki 3.15 je razvidno področje, ki se nahaja na stičišču puše in mize. V tem

podorčju je bila ugotovljena precej večja primerjalna napetost (2117 MPa) od dopustne.

Vzrokov za tako veliko napetost je verjetno več. Eden izmed vzrokov je v načinu modeliranja

sornika, ki smo ga določili kot poenostavljen nedeformabilen element. Drugi vzrok je, v sami

konstrukciji, ki je na obravnavanem mestu kompleksna. Tretji vzrok pa lahko predstavlja

sama mreža končnih elementov, ki zaradi že prej omenjene kompleksnosti konstrukcije ni

pravilnih oblik, saj je večinoma sestavljena iz tetraedričnih elementov.

Stičišča površin


- 27 -

Slika 3.15: Največja napetost v stiskalnici

Slika 3.16 prikazuje kontaktne napetosti na puši.

Slika 3.16: Kontaktne napetosti


- 28 -

4 ZAKLJUČEK

Poglavitni cilj diplomskega dela je bil preračun napetosti in pomikov hidravlične stiskalnice

podjetja Arcont, d.d. Na osnovi načrta in podatkov o hidravlični stiskalnici smo v programu

Abaqus izdelali poenostavljen numerični model, ki je vključeval korake od modeliranja

strojnih elementov, do določitve materialnih lastnosti, robnih pogojev in obremenitev

stiskalnice, mreženja ter na koncu analize rezultatov.

Pri numeričnem preračunu, smo model obremenili na dveh mestih in sicer na delovni

mizi in plošči vpetja cilindra. Cilinder pritiska s silo na mizo, kar posledično povzroči

reakcijo na ploščo, na katero je cilinder vpet. Obremenitve povzročajo pomike in napetosti po

celotni konstrukciji. Rezultati so pokazali, da so se največji pomiki pojavili tam, kjer smo

predpisali obremenitev. Rezultati pomikov so se izkazali kot ustrezni. Največje napetosti so se

pojavile v stičiščih elementov stiskalnice. Dobljene napetosti so po celotni konstrukciji v

okviru dopustnih vrednosti. Pojavila pa se je lokalno prevelika napetost v puši na mizi, ki je v

kontaktu s nedeformabilnim sornikom.

Zaradi izstopajoče napetosti v puši, bi lahko razmislili o izboljšanju same konstrukcije

stiskalnice. Na mestih obremenitev bi lahko ojačali konstrukcijo, npr. dodali bi povezavo, ki

bi okrepila mizo nad sornikom. Prav tako bi lahko konstrukcijo mize stiskalnice ojačali z

dodatnimi nosilci. Proces računanja bi lahko poenostavili tako, da bi preračunali le polovico

stiskalnice, saj je stiskalnica simetrična okrog navpične simetrijske ravnine.

Sklenemo lahko, da smo zadane cilje izpolnili, čeprav obstaja nekaj možnosti, ki bi

lahko izboljšale rezultate.


- 29 -

5 LITERATURA

[1] ArticleSphere. Hydraulic Press [svetovni splet]. Dostopno na WWW:

http://www.articlesphere.com/Article/Hydraulic-Press/243707 [30.8.2013].

[2] Beovič Anton. Hidravlika. Ljubljana: Zavod Republike Slovenije za šolstvo in šport,

1993.

[3] Šolski center Novo Mesto. AGR-Hidravlika [svetovni splet]. Dostopno na WWW:

http://sc-nm.com/scnm/_visja/Documents/3_Hidravlika%201.pdf [29.6.2013].

[4] Gologranc Franc. Uvod v preoblikovanje. Ljubljana: Založba fakultete za strojništvo,

1973.

[5] Kambič Milan, Lovrec Darko. Pregled stanja uporabe hidravlične tekočine [svetovni

splet]. Dostopno na WWW: http://www.revija-ventil.si/data/strokovni-clanki/17-2011-

6/kambic.pdf [2.8.2013].

[6] Pahole Ivo. Preoblikovalni stroji. Maribor: Fakulteta za strojništvo, 2009

[7] Šolski center Novo Mesto. Stroji z omejeno silo – hidravlične stiskalnice [svetovni splet].

Dostopno na WWW: http://www.ecnm.si/e-

gradivo/PREO/stroji_z_omejeno_silo__hidravline_stiskalnice.html [15.7.2013].

[8] Wikipedia. Abaqus [svetovni splet]. Dostopno na WWW:

http://en.wikipedia.org/wiki/Abaqus [30.8.2013].