3.4.1 Giản đồ chỉ thị
Khi khảo sát hoạt động của máy búa khơng khí nén ng-ời ta xây dựng các giản đồ chỉ thị dùng cho các buồng d-ới và trên của xilanh nén và xilanh cơng tác (hình 3.5).
Hình 3.5 Giản đồ chỉ thị
a) các buồng của xilanh nén b) các buồng của xilanh cơng tác
Trục hồnh biểu thị hành trình của pittơng cơng tác (hành trình của đầu búa, hình 3.5, b). Hành trình này đ-ợc xác định theo biểu thức (3.22) cho giai đoạn thứ nhất, các
giai đoạn cịn lại có thể đ-ợc xác định theo các biểu thức t-ơng tự nhận đ-ợc khi giải các ph-ơng trình vi phân chuyển động t-ơng ứng.
Khi xây dựng giản đồ chỉ thị đối với các buồng của xilanh nén, trục hoành sẽ là hành trình của pittơng nén đ-ợc xác định theo biểu thức (3.8), còn trục tung là áp suất t-ơng ứng (hình 3.5, a).
Giản đồ chỉ thị có thể đ-ợc xây dựng trên cơ sở chọn trục hoành là trị số góc quay
của tay quay.
áp suất p1 của khơng khí ở buồng d-ới trong suốt hành trình của pittơng nén tại các thời điểm t-ơng ứng bằng áp suất của khơng khí trong xilanh cơng tác, nếu bỏ qua sự rị rỉ và tiết l-u của khơng khí trong các rãnh dẫn.
áp suất p2 của khơng khí ở buồng trên của cả hai xilanh đều nh- nhau ngoại trừ đoạn buồng đệm khi xilanh nén khơng thơng với xilanh cơng tác (hình 3.2, c) [7]. Sau khi đóng buồng trên, áp suất khơng khí trong buồng trên của xilanh nén với góc = 3
4 sẽ thay đổi theo biểu thức
p2n = pđo n 4 m 2 02 d 4 m 2 02 s f H f V s f H f V (3.28) trong đó
pđo - áp suất trong buồng đệm;
sđ - hành trình của pittơng nén tại thời điểm đóng buồng đệm;
s – hành trình hiện thời của pittơng nén sau khi đóng buồng đệm, hành trình này đ-ợc xác định theo công thức (3.8).
Giản đồ chỉ thị đặc tr-ng cho cơng của khơng khí trong các xilanh của máy búa. Theo giản đồ chỉ thị xác định đ-ợc công chỉ thị của khơng khí ở buồng trên và buồng d-ới.
3.4.2 Công và hiệu suất của máy búa
Điện năng do động cơ điện tiêu thụ biến đổi thành cơ năng, và tiếp đó chuyển thành cơng chỉ thị của khơng khí trong xilanh nén, cơng chỉ thị của khơng khí trong xilanh cơng tác, cơng cơ học để nâng bộ phận động của máy búa và năng l-ợng hiệu dụng của va đập.
của khơng khí sau một hành trình kép của pittơng cơng tác bằng tổng cơng chỉ thị của khơng khí ở buồng trên và buồng d-ới
c t , ct c d , ct c ct A A A (3.29) trong đó c d , ct
A - cơng chỉ thị của khơng khí ở buồng d-ới; c
t , ct
A - cơng chỉ thị của khơng khí ở buồng trên, cơng này đ-ợc xác định theo giản đồ chỉ thị.
Cơng chỉ thị của khơng khí tiêu hao thành động năng hiệu dụng và để thắng lực ma sát. c ct A = Lhd + 2GH (2.30) trong đó - hệ số mất mát do ma sát; G – trọng lực của bộ phận động; H – hành trình của pittơng cơng tác.
Theo các số liệu thực nghiệm của Đunaep P. A. [7], hệ số mất mát do ma sát chủ yếu phụ thuộc vào độ đàn hồi của các vòng găng, hệ số này càng giảm khi kích th-ớc của máy búa càng tăng. Đối với máy búa có khối l-ợng phần động 50 450 kg thì = 0,5 0,3, cịn đối với máy búa có khối l-ợng bộ phận động lớn hơn 650 kg thì = 0,25.
Tỷ số giữa năng l-ợng hiệu dụng Lhd và cơng chỉ thị của khơng khí c ct
A gọi là hiệu suất cơ học của xilanh công tác của máy búa.
hd c ct hd c c L GH 2 1 1 A L (3.31) Trị số của c c = 0,7 [8].
Cơng chỉ thị của khơng khí trong xilanh nén n t , ct n d , ct n ct A A A (3.32) trong đó n t ct, A và n d , ct
A - t-ơng ứng là cơng chỉ thị của khơng khí ở buồng d-ới và buồng trên của xilanh nén.
Tỷ số giữa cơng chỉ thị của khơng khí trong xilanh nén và năng l-ợng dẫn tới trục tay quay của xilanh nén gọi là hiệu suất cơ học của xilanh nén.
n n ct n c A A (3.33) Theo [8], n c = 0,76 0,80.
Tỷ số giữa các cơng chỉ thị của khơng khí trong xilanh cơng tác và xilanh nén gọi là hiệu suất chỉ thị t-ơng đối.
n ct c ct ct A A (3.33’)
Hiệu suất chỉ thị t-ơng đối đặc tr-ng cho sự mất mát năng l-ợng của khơng khí khi chuyển từ xilanh nén sang xilanh công tác. Trị số này ct 0,98.
Hiệu suất cơ học của máy búa ct n c c c n hd c A L (3.33’’)
phụ thuộc vào mức độ hoàn thiện kết cấu của máy búa, việc lựa chọn đúng đắn các thông số kết cấu khi thiết kế và phụ thuộc đáng kể vào trình độ sản xuất của nơi chế tạo. Trị số trung bình của c = 0,55 – 0,65.
Nếu tính đến mất mát năng l-ợng trong tất cả các khâu: động cơ điện, hộp giảm tốc, l-ới điện, máy nén khí (xilanh nén) và hiệu suất va đập sẽ nhận đ-ợc hiệu suất kinh tế của thiết bị máy búa. Theo Zimin A.I. [7], hệ số này khoảng 0,06 với điều kiện máy búa đ-ợc chế tạo có chất l-ợng và ở điều kiện làm việc tốt. Nếu không tuân thủ các điều kiện đó, trên thực tế sẽ thu đ-ợc hiệu suất kinh tế thấp (c 0,03).
3.5 Kết cấu và tính tốn các chi tiết cơ bản
3.5.1 Thân máy
Thân máy búa khơng khí nén gồm hai phần chính là bloc xilanh và trụ máy hay bệ máy. Theo kết cấu thân máy đ-ợc phân thành thân máy đúc liền khối và thân máy ghép. ở thân máy ghép, bloc xilanh và trụ máy đ-ợc đúc riêng và sau khi gia công đ-ợc lắp ghép bằng cách lắp căng cứng vào các vấu lồi ra ở bloc xilanh và trụ máy nhờ các vòng găng ở trạng thái nóng hoặc bằng cách lắp có thể tháo ra đ-ợc nhờ các bulông giằng và các chốt định vị.
Trụ máy và bloc xilanh đ-ợc đúc từ gang xám (GX18-36 hoặc GX21-40), trong đó bloc xilanh đ-ợc đúc liền khối với hộp chứa cơ cấu phân phối khơng khí. Mặt lắp ghép
th-ờng đ-ợc bố trí ở mặt đầu d-ới của xilanh cơng tác hoặc trong một số kết cấu đ-ợc bố trí ở đ-ờng trục của trục tay quay.
Các máy búa hiện đại với khối l-ợng bộ phận động d-ới 400 - 500 kg, thân máy đ-ợc đúc liền khối.
Khi làm việc thân máy chịu tải trọng uốn, nén và kéo tuỳ thuộc vào h-ớng chuyển động của pittông nén và pittông công tác.
3.5.2 Cán búa
Cán búa th-ờng đ-ợc chế tạo rỗng liền khối với pittơng cơng tác (hình 3.1). ở mặt d-ới của cán búa có rãnh dạng đi én để lắp đầu búa trên. Pittông, cán búa và đầu búa tạo thành bộ phận động của máy búa.
Hình 3.6 Bạc lót d-ới xilanh cơng tác
Cán búa cùng pittơng đ-ợc chế tạo bằng cách rèn thép C45, sau đó nhiệt luyện th-ờng hoá hoặc hoá tốt. Trong một số tr-ờng hợp cán búa và pittơng có thể đ-ợc đúc bằng thép. Để đảm bảo chế tạo bộ phận động với khối l-ợng cho tr-ớc, khoảng rỗng bên trong cán búa đ-ợc tiện bớt rồi dùng nắp bịt kín mặt trên của pittơng. Dọc theo cán búa có phay vát để chống xoay.
ứng suất xuất hiện trong cán búa có thể đ-ợc xác định theo cách tính đối với máy búa hơi n-ớc - khơng khí nén (cơng thức 2.81).
3.5.3 Pittông nén, tay biên và trục tay quay
Pittông nén đ-ợc đúc bằng gang xám (mác GX18-36 hoặc GX21-40). Pittơng đ-ợc bịt kín nhờ các vịng găng bằng gang.
Tay biên đ-ợc chế tạo rời để lắp đ-ợc ổ bi lăn và trục tay quay.
Trục tay quay đ-ợc chế tạo từ thép C45. Trục tay quay hoạt động nh- trục khuỷu trong các máy ép trục khuỷu thông th-ờng.
3.5.4 Bạc lót d-ới xilanh cơng tác (hình 3.6)
Bạc lót d-ới xilanh cơng tác đ-ợc đúc bằng gang xám (mác GX18-36) dùng để lắp dẫn h-ớng. Bên trong bạc lót phay hai rãnh đối nhau dọc trục. Dẫn h-ớng đ-ợc lắp chặt vào hai rãnh đó và đ-ợc điều chỉnh nhờ bulơng. Khi gia công cần đảm bảo độ đồng trục của bạc lót với trục của xilanh cơng tác nếu không cán pittơng sẽ bị nghiêng và làm mịn xilanh và tăng ma sát.
Ch-ơng 4 Máy búa cơ khí
4.1 Nguyên lý hoạt động, chức năng công nghệ và phân loại
Máy búa cơ khí bao gồm các máy, trong đó năng l-ợng của động cơ dẫn động đ-ợc truyền cho bộ phận động nhờ các liên kết cơ khí. Theo kiểu liên kết cơ khí máy búa đ-ợc chia thành:
- Máy búa có liên kết ma sát (máy búa ma sát ván gỗ);
- Máy búa có liên kết mềm (máy búa dây cáp, máy búa dây đai hoặc xích); - Máy búa có liên kết đàn hồi (máy búa địn, máy búa lị xo nhíp).
Máy búa có liên kết ma sát hoặc liên kết mềm thuộc loại máy búa tác động đơn. Dẫn động của loại máy búa này hoạt động khi nâng bộ phận động. Bộ phận động chuyển động xuống d-ới và tích luỹ động năng đ-ợc thực hiện d-ới tác dụng của trọng lực. Máy búa có liên kết đàn hồi là máy búa tác động kép. Thế năng đàn hồi của giảm chấn hoặc lị xo nhíp tích luỹ đ-ợc ở thời điểm cuối khi nâng bộ phận động đ-ợc truyền d-ới dạng xung đầu cho bộ phận động khi nó chuyển động xuống d-ới. Nhờ đó tốc độ của bộ phận động ở cuối hành trình xuống d-ới trong các máy búa nhíp đạt tới 6 m/s.
Máy búa ma sát ván gỗ th-ờng đ-ợc chế tạo với khối l-ợng bộ phận động G = 500 - 2500 kg dùng để dập khối các chi tiết đơn giản (cần một lịng khn) hoặc để thực hiện nguyên công nắn sau khi nhiệt nhiệt luyện. Máy búa ma sát ván gỗ có thể thay thế một phần máy búa hơi n-ớc - khơng khí nén (có G = 750 - 1000 kg) do loại máy này có kết cấu đơn giản hơn, khơng cần hệ thống tạo và dẫn hơi nên rẻ hơn nhiều lần so với máy búa hơi n-ớc - khơng khí nén [8].
Bộ phận động của máy búa ma sát ván gỗ bao gồm đầu tr-ợt, đầu búa và ván. Ván đ-ợc gá chặt vào đầu tr-ợt nhờ chêm phẳng và đ-ợc đặt thẳng đứng giữa hai hoặc bốn con lăn 1, 2 và hai má phanh (guốc hãm) 3, 4 (hình 4.1).
Khi máy búa làm việc, các con lăn quay theo hai phía khác nhau dùng để nâng ván và đầu tr-ợt. Khi các con lăn ép vào ván gỗ làm xuất hiện lực ma sát thẳng đứng, lực này giữ ván và nâng bộ phận động lên. Máy búa loại này có thể làm việc ở chế độ va đập liên tiếp và va đập đơn nhát. Máy búa cũng đ-ợc dự tính chế độ treo búa. Để nâng bộ phận động, các con lăn phải đ-ợc đóng ngay sau khi thực hiện va đập và bộ phận động đạt tốc độ bật lại sau nhát đập. Để ngăn không cho bộ phận động chạm vào tấm chặn
nâng tới vị trí trên cùng sao cho bộ phận động đ-ợc nâng tới chiều cao đã định. Việc đóng và ngắt các con lăn đ-ợc thực hiện bởi cơ cấu phân phối hoạt động tự động nhờ tay địn ngang liên kết với bộ phận động.
Hình 4.1 Sơ đồ kết cấu của máy
búa ma sát ván gỗ Hình 4.2 Kết cấu của máy búa nhíp
Máy búa có liên kết mềm th-ờng sử dụng dây cáp hoặc xích. ở máy búa loại này bộ phận động đ-ợc nâng lên nhờ động cơ điện làm quay tang trống, trên đó quấn dây cáp hoặc xích. Nhờ cơ cấu khởi động đặc biệt, tang trống nhả ra khỏi dẫn động và bộ phận động rơi xuống d-ới d-ới tác động của trọng lực giống nh- ở máy búa ma sát ván gỗ.
Máy búa nhíp có kết cấu đ-ợc thể hiện trên hình 4.2. Máy búa đ-ợc dẫn động nhờ động cơ điện qua cơ cấu biên - trục khuỷu liên kết với một đầu nhíp. Đầu thứ hai của nhíp đ-ợc liên kết với đầu tr-ợt. Thế năng đàn hồi đ-ợc nhíp tích luỹ làm nó uốn cong lên trên truyền cho bộ phận động d-ới dạng xung đầu khi đầu búa chuyển động xuống d-ới.
Năng l-ợng va đập đ-ợc điều chỉnh bằng cách chuyển dời từng phần đai dẫn động từ puli công tác sang puli không tải để tạo ra sự tr-ợt làm giảm năng l-ợng va đập (cũng
thay đổi bán kính khuỷu của trục khuỷu. Ph-ơng pháp thay đổi bán kính khuỷu đ-ợc thực hiện chỉ khi dừng búa và số nhát đập vẫn đ-ợc giữ nguyên. Để treo búa ở vị trí trên cùng khi dừng máy, bánh đà đ-ợc lắp trên trục tạo thành đối trọng sao cho khi dừng máy đối trọng nằm ở vị trí d-ới. Trong máy búa có bố trí phanh dùng để dừng đầu tr-ợt nhanh chóng sau nhát đập, đồng thời chuyển đai sang puli khơng tải.
Máy búa nhíp đ-ợc chế tạo th-ờng dùng để rèn tự do vật rèn mỏng hay vật rèn dài ở trạng thái nóng hoặc nguội. Máy búa loại này hay đ-ợc dùng để rèn l-ỡi dao, kéo với khối l-ợng bộ phận động 30 - 60 kg và số nhát đập trong một phút t-ơng ứng là 300 - 150.
4.2 Tính tốn các thơng số cơ bản
4.2.1 Máy búa ma sát ván gỗ
Các thông số cơ bản của máy búa ma sát ván gỗ cần xác định bao gồm:
Lực ma sát tác dụng lên ván gỗ bởi hai con lăn dẫn động
P = 2Pnf (4.1)
trong đó
Pn – lực nén ép của con lăn lên ván gỗ; Pn th-ờng lấy bằng (1,5 - 2,0)G; f – hệ số ma sát giữa con lăn và ván (f = 0,45).
Xác định hành trình lên trên của bộ phận động. Hành trình lên trên của bộ
phận động bao gồm ba giai đoạn: chuyển động nhanh dần đều, chuyển động đều và chuyển động chậm dần đều.
Khi ép con lăn vào ván gỗ với lực ép không đổi Pn, bộ phận động chuyển động nhanh dần đều với gia tốc
j1 = m R G P (4.2) trong đó G – trọng lực của bộ phận động; R – lực ma sát trong dẫn h-ớng đầu tr-ợt; m – khối l-ợng bộ phận động.
Bộ phận động chuyển động nhanh dần đều cho đến khi tốc độ v của ván bằng tốc độ vòng v0 của con lăn
v = v0 =
30 rn0
(4.3)
trong đó
r - bán kính của con lăn;
n0 - số vịng quay của con lăn trong một phút.
Hành trình của đầu búa ở giai đoạn chuyển động nhanh dần đều H1 = 1 2 0 j 2 v (4.4) và thời gian chuyển động ở giai đoạn này là
t1 = 1 1 j H 2 (4.5)
Tốc độ trong giai đoạn này thay đổi phụ thuộc vào hành trình theo hàm số parabôn.
v = 2j1H1 (4.6)
Trong quá trình chuyển động nhanh dần đều khi nâng búa xuất hiện sự tr-ợt t-ơng đối giữa con lăn và ván. Tốc độ tr-ợt khi đó giảm dần từ v0 ở đầu giai đoạn nâng đến 0 ở cuối giai đoạn đầu.
ở giai đoạn thứ hai khơng cịn sự tr-ợt t-ơng đối giữa con lăn và ván gỗ, tốc độ của ván gỗ bằng tốc độ vòng của con lăn. Gia tốc ở giai đoạn hai bằng 0. Thời gian chuyển