Phần tử mang năng l-ợng có thể đ-ợc sử dụng d-ới dạng hơi bão hoà hoặc hơi quá nhiệt, khơng khí lạnh hoặc khơng khí nóng.
Khi máy búa làm việc sử dụng hơi n-ớc từ nồi hơi chung, thì hơi n-ớc đ-ợc vận chuyển qua đ-ờng ống dài, do đó sẽ có sự mất mát nhiệt lớn vào mơi tr-ờng xung quanh, sẽ có sự rị rỉ hơi qua các chỗ nối đ-ờng ống, các đệm bít, các van tiết l-u, cũng nh- mất mát do tổn thất cục bộ. Ngoài ra, việc sử dụng hơi bão hồ cịn tạo ra sự mất mát đáng kể bởi hơi bị ng-ng tụ do trao đổi nhiệt với các thành xilanh của máy búa. Theo Seglôp V. F. [8], mất mát do hơi ng-ng tụ chiếm 30 - 40% hơi do nồi hơi cung cấp.
Hiện nay th-ờng sử dụng hơi quá nhiệt. Khi đó sự mất mát nhiệt do ng-ng tụ giảm xuống đáng kể, còn hiệu suất thể tích của nồi hơi tăng lên. Ví dụ, với nhiệt độ hơi 5790 K và áp suất 1 - 1,2 MPa, hiệu suất nồi hơi tăng 25%. Tuy nhiên, sự rò rỉ của hơi quá nhiệt qua các chỗ nối của đ-ờng ống dẫn lại lớn hơn so với hơi bão hoà.
Sau khi máy búa ngừng làm việc thời gian dài, cần phải gia nhiệt các xilanh của máy búa tr-ớc khi nạp hơi mới để làm việc tiếp cũng liên quan đến sự mất mát đáng kể hơi n-ớc.
Trong các phân x-ởng rèn dập hiện đại đ-ợc trang bị một số l-ợng lớn các máy búa, ng-ời ta dự tính sử dụng hơi thải dùng cho các nhu cầu s-ởi - thơng gió và phát điện. Việc chọn sơ đồ nhiệt của máy búa phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, trong đó có thể kể đến đặc điểm của quá trình sản xuất, số l-ợng máy búa và các thiết bị khác sử dụng nhiệt của hơi n-ớc và phụ thuộc vào nhu cầu tiêu thụ nhiệt năng của vùng đó, v.v. [8].
Ta sẽ xét hiệu suất của máy búa. Hơi n-ớc hoặc khơng khí đ-ợc đ-a vào xilanh của máy búa có áp suất p1 và hàm nhiệt (entanpi) i1. Hơi thải đ-ợc đặc tr-ng bằng áp suất p2 và hàm nhiệt i2. Khi máy búa làm việc, trong xilanh xảy ra quá trình nhiệt động
phức tạp. Kết quả là, khi hơi chuyển từ trạng thái đầu sang trạng thái cuối cùng có độ ẩm thay đổi:
i1 = i'1 + x1r1 (2.90)
i2 = i'2 + x2r2 (2.91)
trong đó
i'1 và i'2 - t-ơng ứng là tiêu hao nhiệt do nung nóng n-ớc đến nhiệt độ sôi với áp
suất p1 và p2;
x1 và x2 - hàm l-ợng hơi n-ớc ở trạng thái ban đầu và trạng thái cuối cùng; r1 và r2 - nhiệt ẩn tạo hơi ở trạng thái ban đầu và trạng thái cuối cùng.
Trong máy búa sử dụng nhiệt đ-ợc xác định theo công thức:
i = i1 - i2
Mức sử dụng năng l-ợng đầu vào đ-ợc xác định bởi hiệu suất nhiệt lý t-ởng
i = 1 2 1 i i i (2.92)
Nhiệt đ-ợc truyền tới xilanh bị mất mát một phần để nung nóng xilanh, bởi vì nhiệt độ xilanh thấp hơn nhiệt độ của hơi n-ớc. Điều đó dẫn tới sự tạo thành chất ng-ng. Do đó, hiệu suất nhiệt thực tế thấp hơn hiệu suất lý t-ởng.
t = i.0 (2.93)
trong đó 0 - hiệu suất nhiệt t-ơng đối.
Công chỉ thị tiêu hao để nhận đ-ợc năng l-ợng hiệu dụng và khắc phục tất cả các lực cản đ-ợc xác định qua hiệu suất cơ học c.
Trong thời gian va đập, một phần năng l-ợng hiệu dụng chuyển thành công làm biến dạng dẻo vật dập. Phần năng l-ợng này đ-ợc tính bằng hiệu suất va đập bd. Nh- vậy, năng l-ợng đầu vào Ev biến đổi thành công làm biến dạng vật dập Abd nh- sau:
Ev.t.0.c.vd = Ev.hd = Abd (2.94)
trong đó hd - hiệu suất hiệu dụng của thiết bị máy búa.
hd = t.0.c.bd (2.94') Ta sẽ xác định t của máy búa khi máy búa làm việc nhờ hơi bão hoà với độ ẩm t-ơng đối x1 = 0,98 và áp suất p1 = 0,7 MPa. Các thông số của hơi thải x2 = 0,95 và p2 = 0,15 MPa. Theo bảng trạng thái của hơi bão hồ ta có:
i1 = i'1 + x1r1 = 166,1 + 0,98.459,9 = 652,0 kcal/kg i2 = i'2 + x2r2 = 111,4 + 0,95.532,5 = 617,3 kcal/kg Khi đó t = 0,053.
Nếu giảm áp suất của hơi thải xuống p2 = 0,11 MPa và x2 = 0,95 ta nhận đ-ợc t = 0,059. Nếu tăng áp suất của hơi mới tới p1 = 1,0 MPa, giữ nguyên độ ẩm x1 = 0,98 và áp suất của hơi thải p2 = 0,15 MPa có thể nhận đ-ợc t = 0,060.
Việc giảm áp suất hơi thải, cũng nh- tăng áp suất hơi mới sẽ làm tăng một phần hiệu suất. Tuy nhiên, trị số t không lớn đã chứng tỏ sự khơng hồn thiện của máy búa hơi đ-ợc sử dụng nh- một máy nhiệt [8].
Hiệu suất nhiệt t-ơng đối có tính đến l-ợng nhiệt của hơi mới chuyển thành cơng chỉ thị có thể đ-ợc tính theo cơng thức 0 = i 2 1 Q Q Q (2.95) trong đó
Q1 - l-ợng nhiệt của hơi mới; Q2 - l-ợng nhiệt của hơi thải;
Qi - l-ợng nhiệt chuyển thành cơng chỉ thị. Hiệu suất nhiệt t-ơng đối tính đ-ợc 0 = 0,9 - 0,95.
Hiệu suất cơ học th-ờng không v-ợt quá 0,9 đ-ợc xác định theo biểu thức
c = i k L L (2.96) trong đó Li - cơng chỉ thị.
Hiệu suất của va đập đ-ợc xác định theo cơng thức (1.10') nói chung bằng 0,7. Thay trị số hiệu suất đ-ợc tính theo cơng thức (2.94), ta nhận đ-ợc hiệu suất hiệu dụng bằng 0,034.
Việc sử dụng nhiệt của hơi thải mà khơng làm tăng hiệu suất của máy búa có thể dẫn đến sự gia tăng đáng kể hiệu suất chung của thiết bị máy búa. Thực tế không đạt đ-ợc hiệu suất hiệu dụng cao hơn 0,037; hiệu suất bằng 0,02 - 0,025 đã là đủ cao.
Các chỉ tiêu công tác của máy búa làm việc với khơng khí nén cũng đ-ợc xem xét theo cách t-ơng tự [7, 8] và đ-a đến kết luận sau.
Đối với phân x-ởng rèn nhỏ sản xuất đơn chiếc làm việc một ca với hệ số sử dụng máy búa theo thời gian không lớn hơn 0,4 thì sử dụng khơng khí nén sẽ tiết kiệm hơn. Đầu t- cơ bản cho thiết bị khí nén đ-ợc hồn vốn sau 2 năm. Máy búa làm việc trong các phân x-ởng nh- vậy đảm bảo tiết kiệm 40% nhiên liệu so với làm việc dùng hơi n-ớc có sử dụng 40% hơi thải dùng cho nhu cầu s-ởi - thơng gió [8]. Ngồi ra, điều kiện làm việc của máy búa sử dụng khơng khí nén tốt hơn so với máy búa sử dụng hơi n-ớc. Đối với máy búa làm việc trong các phân x-ởng rèn sản xuất loạt nhỏ hoặc đơn chiếc trong công nghiệp chế tạo máy hạng nặng hoặc chế tạo máy vận tải, cũng nh- các nhà máy sản suất loạt lớn hoặc hàng khối (chủ yếu là các nhà máy chế tạo ôtô) với hệ số sử dụng theo thời gian là 0,6 - 0,7, thì máy búa làm việc sử dụng hơi n-ớc có lợi hơn nếu hơi thải đ-ợc sử dụng cho mục đích s-ởi ấm và sản xuất điện năng.
Ch-ơng 3
Máy búa khơng khí nén
3.1 Nguyên lý hoạt động và chức năng cơng nghệ
Máy búa khơng khí nén làm việc nhờ khơng khí đ-ợc đ-a vào từ xilanh nén của chính bản thân máy búa. Theo đặc tr-ng tác dụng của khơng khí lên pittơng cơng tác, máy búa khơng khí nén đ-ợc chia thành máy búa tác động đơn và máy búa tác động kép. Theo số l-ợng xilanh, máy búa đ-ợc chia thành máy búa một xilanh và máy búa hai xilanh. Theo ph-ơng pháp dẫn h-ớng đầu búa, máy búa đ-ợc chia thành loại có dẫn h-ớng và loại khơng có dẫn h-ớng. Theo cách bố trí buồng đệm, máy búa đ-ợc phân thành loại có buồng đệm đặt ở phía d-ới và loại có buồng đệm đặt ở phía trên. Theo kết cấu của cơ cấu phân phối khơng khí, máy búa đ-ợc phân thành máy búa có khố ngang và máy búa có van trụ. Theo kết cấu thân máy, máy búa đ-ợc phân thành loại một trụ và loại hai trụ.
Máy búa đ-ợc chế tạo phổ biến là loại máy búa hai xilanh tác động kép có hai khố ngang và một khố khơng tải có khối l-ợng bộ phận động 75 - 2000 kg. Máy búa có khối l-ợng bộ phận động lớn hơn (tới 3000 kg) ít đ-ợc chế tạo bởi vì loại máy búa này cồng kềnh, dễ hỏng.
Máy búa khơng khí nén chủ yếu đ-ợc dùng để rèn tự do, nh-ng một số máy búa có kết cấu đặc biệt cũng có thể đ-ợc sử dụng để dập khối. Trên hình 3.1 giới thiệu kết cấu của máy búa tác động kép với hai khố ngang và một khố khơng tải có khối l-ợng
Nhờ nhận đ-ợc chuyển động từ động cơ điện, qua hộp giảm tốc và cơ cấu biên - trục tay quay, pittông nén chuyển động tịnh tiến - khứ hồi nén khơng khí trong xilanh nén để đ-a vào xilanh cơng tác. Chuyển động của pittông nén là chuyển động tự do và đ-ợc xác định bằng góc quay của trục tay quay (hình 3.2 và hình 3.3). Trong máy búa khơng khí nén, chất mang năng l-ợng là khơng khí, ở đây khơng khí đóng vai trị đệm đàn hồi (liên kết đàn hồi đảm bảo chuyển động của pittông công tác phụ thuộc vào chuyển động của pittơng nén). Trong q trình gia cơng, mặc dù chiều cao vật rèn thay đổi nh-ng số hành trình kép của máy búa khơng thay đổi và bằng số vịng quay của tay quay.
Quy -ớc vị trí ban đầu = 0o ứng với thời điểm pittông nén ở vị trí cao nhất, pittơng cơng tác ở vị trí thấp nhất và đầu búa tiếp xúc với vật rèn. Tại vị trí này (cũng nh- trong suốt q trình sau đó) các khố trên và d-ới ln mở để các buồng trên và d-ới của xilanh nén thông với các buồng trên và d-ới của xilanh công tác và đều thơng với khí quyển nên có áp suất p0 = 0,1 MPa.
Khi pittơng nén từ vị trí ban đầu chuyển động xuống d-ới (từ = 0 đến = 1), áp suất trong buồng d-ới của cả hai xilanh tăng lên, còn áp suất trong các buồng trên giảm xuống. Đến lúc nào đó áp suất các buồng d-ới tăng tới mức đủ để thắng trọng lực của bộ phận động, lực ma sát và áp lực của khơng khí ở buồng trên của xilanh cơng tác, thì pittơng cơng tác đ-ợc nâng lên. Góc t-ơng ứng với thời điểm đó là góc t-ơng ứng với thời điểm đầu búa rời khỏi vật rèn 1.
Khi = 1 cho đến 2 = 180o, sự thay đổi áp suất của khơng khí ở các buồng trên và d-ới phụ thuộc vào sự thay đổi của tổng thể tích các buồng trên và d-ới của cả hai xilanh t-ơng ứng với quá trình đoạn nhiệt pV1,4 = const. Khi
= 2 = 180o, pittơng nén ở vị trí d-ới cùng, buồng trên của xilanh nén thơng với khí quyển (hình 3.2, b), cịn buồng d-ới của xilanh này khơng thơng với khí quyển.
Hình 3.2 Vị trí của pittông của xilanh nén và xilanh công tác
Tiếp theo, cả hai pittông chuyển động theo cùng một h-ớng lên trên. Khi = 3
(hình 3.2, c và hình 3.3), pittơng cơng tác đóng rãnh thơng giữa hai buồng trên của hai xilanh. Do trở lực khơng khí trong buồng đệm (buồng trên của xilanh công tác tại thời điểm này) tăng dần và áp suất trong các buồng d-ới giảm dần, nên chuyển động của pittông công tác chậm dần và dừng nhanh ở vị trí khi = b. Sau đó, d-ới tác dụng của khơng khí nén trong buồng đệm, pittơng công tác bắt đầu chuyển động chậm dần xuống d-ới một chút. áp suất của khơng khí trong buồng đệm thay đổi theo đ-ờng đoạn nhiệt và khác với áp suất của khơng khí trong buồng trên của xilanh nén.
Khi hạ pittông công tác, áp suất trong buồng đệm giảm và khi đó áp suất buồng trên của xilanh nén vẫn tăng do pittông nén đang chuyển động lên trên. Tại thời điểm
khi áp suất buồng trên của xilanh nén lớn hơn áp suất của buồng đệm, thì buồng trên của xilanh cơng tác sẽ thông với buồng trên của xilanh nén qua van một chiều (hình 3.2, c). Góc = 4 t-ơng ứng với thời điểm pittông công tác rời khỏi buồng đệm.
Trục tay quay tiếp tục quay, pittông nén tiến dần đến điểm trên cùng ( = 5), còn pittơng cơng tác hạ xuống vị trí d-ới và đập vào vật rèn tại thời điểm = 5 < 3600.
Khi tay quay từ vị trí 5 về vị trí 1, pittơng cơng tác dừng ở vị trí d-ới. Va đập
nh- vậy gọi là “va đập dính”.
Chu trình tiếp theo đ-ợc thực hiện lặp lại theo nguyên lý làm việc trên đây và đ-ợc biểu thị d-ới dạng giản đồ chu trình vịng (hình 3.3) gồm bốn giai đoạn và ký hiệu:
1 - 2 – nâng pittông công tác từ thời điểm
đầu búa rời khỏi vật rèn đến thời điểm buồng trên của xilanh nén thơng với khí quyển.
2 - 3 – nâng tiếp pittơng cơng tác cho đến
khi đóng buồng đệm.
Hình 3.3 Giản đồ chu trình vịng của máy búa khơng khí nén
3 - 4 – pittông công tác tiếp tục đ-ợc nâng lên từ thời điểm đóng buồng đệm và sau đó
chuyển động xuống d-ới cho đến khi rời khỏi buồng đệm.
4 - 5 – pittông công tác chuyển động xuống d-ới cho đến khi thực hiện va đập.
Góc quay của tay quay để nâng pittơng cơng tác (1 b) rất lớn so với góc quay khi pittông công tác chuyển động xuống d-ới (b 5). Trong các máy búa do Nga sản xuất 1 = 40o, b = 270o và 5 = 340 360o. Đ-ờng nét đậm trên hình 3.3 biểu thị pittơng nén và pittông công tác chuyển động cùng h-ớng.