Устройство для штамповки рабочей средой

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением , в частности, к устройствам для штамповки рабочей средой. Цель изобретения - повышение экономической эффективности процесса штамповки путем снижения удельного расхода жидкого топлива. Устройство содержит корпус с каналами соответственно для подачи и выпуска рабочей среды, ротор, установленный на эксцентриковом валу, матрицу, рулон листового материала, источник жидкого топлива, источник газообразного топлива, механизм регулирования соотношения жидкого и газообразного топлив. Вращением штурвала устанавливается требуемое соотношение жидкого и газообразного топлив. Теплота сгорания парогазовоздушной смеси трансформируется в механическую работу, обеспечивающую самодвижение всех подвижных элементов. При этом генерируется рабочая среда высокой температуры и давления, формирующая изделие в матрице, и обеспечиваются автоматическое регулирование подачи воздуха и степени утилизации отработавших газов, а также автоматическая стабилизация требуемой для штамповки температуры рабочей среды при минимальном расходе жидкого топлива. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ.

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К A ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4330479/25-27 (22) 18.11.87 (46) 15.08,89. Бюл. У 30 (72) В.П.Коротков (53) 621.7.8(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1276396, кл, В 21 D 26/02, 13.09,85. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ШТАМПОВКИ РАБОЧЕЙ СРЕДОЙ (57) Изобретение относится к обработке металлов давлением, точнее к устройствам для штамповки рабочей средой. Цель изобретения — повышение экономической эффективности процесса штамповки путем снижения удельного расхода жидкого топлива. Устройство содержит корпус с каналами соответст— венно для подачи и выпуска рабочей среды, ротор, установленный на эксИзобретение касается обработки металлов давлением и относится к устройствам для штамповки рабочей, средой.

Целью изобретения является повышение экономической эффективности про1 цесса штамповки путем снижения удельного расхода жидкого топлива.

На чертеже изображено предлагаемое устройство, продольный разрез.

Устройство для штамповки рабочей средой содержит корпус 1 с каналом

2 для подачи в его полость 3 рабочей среды, средства для герметизации полости 3 (не показаны), ротор 4, вы„„SU„„1500413 А 1 (51)4 В 21 D 26/02

2 центриковом валу, матрицу, рулон листового материала, источник жидкого топлива, источник газообразного топлива, механизм регулирования соотношения жидкого и газообразного топлив.

Вращением штурвала устанавливается требуемое соотношение жидкого и газообразного топлив. Теплота сгорания парогазовоздушной смеси трансформируется в механическую работу, обеспечивающую самодвижение всех подвижных элементов. При этом генерируется рабочая среда высокой температуры и давления, формирующая изделие в матрице, и обеспечиваются автоматическое регулирование подачи воздуха и степени утилизации отработавших газов, а также автоматическая стабилизация требуемой для штамповки температуры рабочей среды при минимальном расходе жидкого топлива. 1 ил..полненный в виде трехгранной призмы, имеющей механизм поворота вокруг своей оси и оси корпуса 1, выполненный в виде шестерен 5, 6 соответственно внутреннего и внешнего зацепления, и установленный на эксцентриковом валу 7 с возможностью взаимодействия боковыми ребрами с внутренней поверхностью корпуса 1, образованной перемещением прямолинейной образующей вдоль направляющей в виде эпитрохоиды, матрицу 8, расположенную на наружной боковой поверхности ротора 4, средства для подачи материала и удаления заготовок, выполненные в виде

3 150041 барабана 9, несущего рулон листового материала 10, пары подающих валков

11, обеспечивающих задачу полосы во внутреннюю полость 3, стола 12 для приема отштампованной ленточной заготовки 13, установленного с возможностью качания вокруг оси 14, кулачкового механизма 15, обеспечивающего качание стола 12, направляющих роликов 16, создающих натяжение,листового материала 10, барабанных летучих ножниц 17 для отрезки готового изделия от отштампованной ленточной заготовки 13, свечу 18 зажигания, ка- 15 нал 19 для выпуска отработавшей рабочей среды, источник жидкого топлива, выполненный в виде установленного в корпусе 1 теплообменника 20, подключенного к магистрали 21 подачи жид- 20 кого топлива, плунжерного насоса 22 и форсунки 23 с органом 24 управле=: ния, соединенных между собой посредством управляемого клапана 25, сервопривода 26 и блока 27 управления, связанный со средством для подачи материала датчик 28 скорости перемещения листового материала 10 и механизм предварительного сжатия и после1 дующего расширения рабочей среды, выполненный в виде компрессора 29, имеющего полый статор 30, ротор 31, выходной патрубок 32, входной диффузор 33 и расположенный в последнем датчик 34 расхода воздуха, турбины 35

35, имеющей полый статор 36, ротор

37, установленный на общем валу 38 с ротором 31 компрессора 29, входной патрубок 39 и выходной диффузор 40, при этом выходной патрубок 32 ком- 40 прессора 29 и входной патрубок 39 турбины 35 сообщены соответственно с каналами 2, 19 для подачи и выпуска рабочей среды, полости статоров 30, 36 компрессора 29 и турбины 35 сооб- 45 щены между собой через перепускной трубопровод 41 и управляемый клапан

42, который связан посредством сервопривода 43 и блока 44 управления с датчиком 34 расхода воздуха, а выходной диффуэор 40 турбины 35 сообщен с полостью ее статора 36 посредством дренажного трубопровода 45 и управляемого клапана 46, который связан с датчиком 28 скорости перемещения листового материала 10 через сервопривод 47 и блоки 48, 49 управления и суммирования.

Для повышения экономической эффективности процесса штамповки путем снижения удельного расхода жидкого топлива устройство снабжено источником 50 газообразного топлива, механизмом 51 регулирования соотношения жидкого и газообразного топлив, смесителем 52, воздушной и газовой заслонками 53, 54 и датчиком 55 температуры, при этом выход 56 смесителя 52 подключен к каналу 2 для подачи рабочей среды, а его входы 57, 58 — к выходному патрубку 32 компрессора 29 и источнику 50 газообразного топлива соответственно через воздушную и газовую заслонки 53, 54, связанные через сервопривод 59 с механизмом 51 регулирования соотношения жидкого и газообразного топлив и органом 24 управления форсунки 23 и через блок 60 управления с датчиком

55 температуры, установленным в полости 3 корпуса 1.

Связь воздушной и газовой заслонок 53, 54 с механизмом 51 регулирования соотношения жидкого и газообразного топлив осуществляется посредством тяг 61-64 и рычагов 65 и 66, а, с органом 24 управления форсунки

23 — посредством тяг 67, 68 и рычага 69.

Механизм 51 регулирования соотношения жидкого и газообразного топлив выполнен в виде секторной червячной передачи 70 со штурвалом 71 и указателем 72.

Источником 50 газообразного топлива служит. магистраль, где газообразное топливо находится под давлением порядка 0,6 МПа В качестве газообразного топлива могут быть использованы: бутан, пропан, природный газ, газы, сопутствующие добыче и переработке нефти. Теплота сгорания газовоздушной смеси, получаемой на выходе 56 смесителя 52 при стехиометрическом количестве воздуха, составляет: для бутана 3580 ко/мз, для пропана 3534 кДж/м З, для природного газа 3404 кДж/мз, В магистрали могут быть предусмотрены (не показаны) фильтры для осушения газообразного топлива и редукторы для регулирования давления подаваемого газообразного топлива.

Средняя скорость газообразного топлива и воздуха на входах 58, 57

1500413 смесителя 52 соответственно может быть выбрана в пределах (30-65) м/с, скорость газовоздушной смеси на вы- ходе 56 смесителя 52 — на 20-25/ меньше скорости воздуха.

Выходной патрубок 32 компрессора

29 может:. быть снабжен холодильнико (не показан) для охлаждения заряда свежего воздуха, который нагревается в компрессоре 29 в процессе предварительного сжатия °

Канал 19 для выпуска отработавшей рабочей среды при недостаточно большом его объеме может быть снабжен коллектором (не показан) для уменьшения пульсаций давления в турбине 35 в процессе продолженного расширения.

Входной диффузор 33 компрессора 29 может быть снабжен воздушным фильтром (не показан) для очистки поступающего в смеситель 52 воздуха, Выходной диффузор 40 турбины 35 может быть снабжен глушителем-дожигателем (не показан) для снижения уровня акустических шумов и уменьшения токсичности выпускных газов.

Датчик 28 скорости перемещения листового материала 10 выполнен в виде вихревого струйного пневматическо—

ro элемента, содержащего вращающийся диск, заключенный в вихревую камеру с каналом питания и выходным каналом с дросселем.

Датчик 34 расхода воздуха выполнен в виде воздухозаборника, подключенного к управляющему каналу струйного усилителя.

Датчик 55 температуры выполнен в виде пневматического моста с термочувствительными дросселями, включенными в его плечи, и золотником, включенным в его диагональ.

Блоки 27, 44, 48, 60 управления и блок 49 суммирования выполнены в ви- де мембранных пневматических блоков, содержащих элементы сравнения, камеры положительной и отрицательной обратных связей, механизм изодрома и отключающее реле °

Сервоприводы 26, 43, 47, 59 выполнены в виде позиционеров, обеспечивающих перемещение управляемых клапанов 25, 42, 46, воздушной 53 и газовой 54 заслонок и органа 24 управления за счет перемещения поршней

73 в цилиндрах 74, снабженных мембранными плунжерными распределителями 75, Смеситель 52 выполнен в виде проточного корпуса с продольными пластинами 76 и распределителем 77 воздуха, обеспечивающим качественное перемещение газообразного топлива и воздуха и приготовление газовоздушной м смеси, В предлагаемом устройстве для

10 штамповки предусмотрены также системы, обеспечивающие его пуск, смазку, охлаждение и остановку (не показаны).

Перед пуском устройства тарируется датчик 55 температуры так, чтобы .

15 появлялся пневматический сигнал, величина и знак которого однозначно связаны с отклонением фактической температуры от заданной, необходимой для достижения максимальной произво20 дительности при минимальном расходе жидкого топлива.

Фиксированными поворотами воздушной 53 и газовой 54 заслонок устанавливается отношение действительного

25 количества воздуха к стехиометрическому, называемое коэффициентом избытка воздуха. При этом учитывается, что существует оптимальное значение коэффициента избытка воздуха, так как

30,ïðè увеличении этого коэффициента растет индикаторный КПД устройства, но одновременно увеличиваются тепловые потери. При использовании в качестве газообразного топлива природного га35 за коэффициент избытка воздуха может иметь значения в пределах 1,05-2,15.

Вращением штурвала 71 устанавливается требуемое соотношение жидкого

I и газообразного топлив, При уменьше40 нии этого соотношения тяги 63, 68 перемещаются вниз, а тяга 67 — вверх газовая заслонка 54 приоткрывается (подача газообразного топлива увеличивается), а управляемый клапан 25

45 прикрывается (подача жидкого топлива уменьшается) ° При увеличении этого соотношения тяги 63, 68 перемещаются вверх, а тяга 67 — вниз, газовая заслонка 54 прикрывается (подача газо50 образного топлива уменьшается), а управляемый клапан 25 приоткрывается (подача жидкого топлива увеличивается), Ввиду более высокой стоимости жидкого топлива его количество стре55 MRTca ром роль жидкого топлива сводится к тому, что в конце процесса сжатия осуществляемого в устройстве термодинамического цикла происходит образова1500413 ние горючей смеси из паров жидкого топлива и воздуха, обладающей более низкой температурой воспламВ ения по сравнению с газовоздушной смесью: воспламеняясь, факел жидкого топлива образует в объеме газовоздушного заряда мощный многоочаговый источник зажигания и турбулизации, достаточный для воспламенения и эффективного 1р сгорания бедных газовоздушных смесей, чем достигается высокая полнота сгорания газообразного топлива. Этот минимальный расход жидкого топлива. составляет 3-6Ж от, расхода газообразного топлива.

Листовой рулонный материал 10 сматывается с барабана 9 и пропускается между подающими валками 11, между боковыми ребрами ротора 4 и внутренней gp поверхностью корпуса 1, между направляющими роликами 16 и ножами летучих ножниц 17, Регулировкой приводов барабана 9 и направляющих роликов .16 создают требуемое натяжение S .листового материала 10 так, что лента заготовки плотно прилегает к боковой поверхности ротора 4. Посредством пусковой системы осуществляется предварительная закрутка.эксцент- 3О рикового вала 7 и устройство переходит в режим самовращения. При,этом в устройстве осуществляется. замкнутый термодинамический цикл, состоящий из ряда последовательных периодически повторяющихся процессов.

Результатами осуществляемого термодинамического цикла являются: трансформация теплоты сгорания парогазовоздушной смеси (паров жидкого топлива, газообразного топлива и воздуха) в механическую работу, обеспечивающую самодвижение всех подвижных элементов устройства и обраба- ;45 тываемого материала, генерация высоких температур и давлений рабочей среды, обеспечивающих формирование изделий, принудительная подача заряда свежего. воздуха в камеры переменного объема (образованные внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью обраб,атываемого металла, охватывающего ротор 4) за счет использования отработавших газов, автоматическое регулирование подачи воздуха и степени утилизации отработавших газов и автоматическая стабилизация требуемой для штамповки температуры рабочей среды при минимальном ра,сходе жидкого топлива, Первый процесс термодинамического цикла является. процессом сгорания и протекает в камере переменного объема при ее правом положении. Камера переменного объема заполнена сжатой рабочей средой. Свеча 18 инициирует воспламенение сжатой рабочей среды. В процессе осуществляется смешанный подвод теплоты к рабочей среде (изохорно-изобарный). Вначале подвод теплоты — изохорный протекает при постоянном объеме, а давление и температура рабочей среды увеличиваются. Затем попвод теплоты становится изобарным — протекает при постоянном давлении, а объем и температура рабочей среды увеличиваются. Внутренняя энергия рабочей среды увеличивается на величину подведенной в процессе теплоты. Рабочая среда, имеющая Высокие давление и температуру, осуществляет штамповку заготовки: листовой материал 10 продавливается в матрицу 8 и в ней формируется изделие. Изохорный процесс характеризуется степенью повышения давления, равной отношению давления в конце процесса к давлению в начале процесса. Изобарный процесс характеризуется степенью предварительного расширения, равной отношению объема в конце процесса к его значению в начале процесса, Второй процесс цикла является процессом расширения и протекания в камере переменного объема при ее нижнем положении. При расширении рабочая среда совершает рабату за счет расходования внутренней энергии. Работа тратится на обеспечение самодвижения всех подвижных элементов устройства и обрабатываемого материала и на окончательное формирование изделия в матрице 8. Процесс трансформации теплоты в механическую работу является адиабатным. В процессе объем увеличивается, а температура и давление уменьшаются, Адиабатный процесс характеризуется коэффициентом Пуассона— показателем адиабаты, Третий процесс цикла является процессом последующего расширения и протекает в турбине 35. B этом процессе утилизируется теплота отработавших газов, поступающих через канал 19 и входной патрубок 39 в турбину 35. В компрессора 29 через перепускной тру бопровод 41 и управляемый клапан 42 отводится в полый статор 36 турбины

35, а часть выпускных газов из полого статора 36 турбины 35 через дренажный трубопровод 45 и управляемый клапан 46 отводится в выходной диффузор 40 турбины 35, минуя ее ротор 37.

При уменьшении температуры сигнал датчика 55 температуры через блок

60 управления и сервопривод 59 поЬорачивает рычаг 65 против часовой стрелки. Тяги 61, 68 перемещаются вверх, а тяга 63 — вниз, Воздушная

53 и газовая 54 заслонки и управляющий клапан 25 приоткрываются. Цикло— вая подача парогазовоздушной смеси и температура увеличиваются. Увеличение температуры продолжается до тех пор, пока она не станет равной заданной температуре.

Одновременно увеличивается скорость перемещения листового материала 10, измеряемая датчиком 28 скорости, увеличиваются температура и расход газов в канале 19 для выпуска отработавшей рабочей смеси, повышается расход воздуха, измеряемый датчиком 34 расхода воздуха. Сигнал датчи.ка 28 скорости попадает в блок 49 суммирования и через блок 48 управления и сервопривод 47 приоткрывает у управляемый клапан 46, еще большая часть выпускных газов из полого статора 36 турбины 35 через дренажный трубопРовод 45 отводится в выходной

- диффузор 40 турбины 35, минуя ее ровоздуха через блок 44 управления и сервопривод 43 приоткрывает управляемый клапан 42, еще большая часть нагнетаемого воздуха из полого статора

30 компрессора 29 через перепускной трубопровод 41 отводится в полый статор 36 турбины 35. Это снижает температуру газов в турбине 35, ограничивает угловую скорость вращения ее ротора 37 допустимым пределом, обеспечивает устойчивую (без помпажа) работу компрессора 29.

При увеличении температуры сигнал датчика 55 температуры через блок 60 управления и сервопривод 59 поворачивает рычаг 65 по часовой стрелке. Тяги 61, 68 перемещаются вниз, а тяга

63 перемещается вверх ° Воздушная 53 и газовая 54 заслонки и управляемый

9 150041 турбине 35 температура рабочей среды падает, объем увеличивается до максимального значения, а давление падает почти до атмосферного. В механическую работу трансформируется остаточ5 ная теплота отработавших газов и на объем валу 38 создается крутящий момент, вращающий компрессор 29.

Четвертый процесс цикла является изобарным процессом отвода теплоты и протекает в выходном диффузоре 40 турбины 35, температура и объем рабочей среды уменьшаются при постоянном давлении. 15

Пятый процесс цикла является процессом предварительного сжатия и протекает в компрессоре 29. Механическая работа, получаемая в процессе последующего расширения от турби- 20 ны 35 трансформируется в теплоту.

Объем рабочей среды уменьшается, а температура и давление увеличиваются. Свежий воздух засасывается через входной диффуэор 33, предварительно 25 сжимается компрессором 29 .и подается через канал 2 в камеру переменного объема при ее левом положении.

Шестой процесс является процессом, окончательного сжатия и протекает в камере переменного объема при ее верхнем положении, Объем уменьшается до минимального значения и наступает момент воспламенения свечей 18 зажи— гания рабочей среды. В конце процес35 са форсунка 23 впрыскивает жидкое топливо, которое вследствие высокой температуры сжатия испаряется и подготавливается к сгоранию в первом процессе — термодинамический цикл 40 тор 37. Сигнал датчика 34 расхода замыкается.

В зависимости от массы обрабатываемого материала, его прочностных характеристик и температуры пластичности в устройстве осуществляется ав- 45 томатическое регулирование развиваемой мощности путем изменения цикловой подачи парогазовоздушной смеси в зависимости от отклонения фактической температуры от заданной. Увеличение цикловой подачи увеличивает темпера:туру и наоборот. При этом коэффициент избытка воздуха и соотношение жидкого и газообразного топлив сохраняются В заданных пределах а темпера тура поддерживается близкой к заданной.

В процессе штамповки часть нагнетаемого воздуха из полого статора 30

11 150 клапан 25 прикрываются. Цикловая подача парогазовоздушной смеси уменьшается и температура падает до тех пор, пока она не достигнет заданного значения.

Одновременно уменьшается скорость перемещения листового материала 10, уменьшаются температура и расход выпускных газов, снижается расход воздуха. Сигнал датчика 28 скорости попадает в блок 49 суммирования и через блок 48 управления и сервопривод 47 прикрывает клапан 46 — теперь меньшая часть нагнетаемого воздуха из полого статора 30 компрессора 29 отводится в полый статор 36 турбины 35. Это повышает мощность турбины 35 и позволяет обеспечить воздухоснаб>кение при пониженной скорости штамповки.

При всех указанных регулировках оптимальный коэффициент избытка воздуха и заданное соотношение жидкого и газообразного топлив сохраняются.

Отштампованная ленточная заготовка 13 проходит через направляющие ролики 16 к летучим ножницам 1?, они отрезают готовые детали, которые направляются в контейнер-накопитель (не показан), Автоматическое регулирование температуры и режимов работы турбины 35 и компрессора 29 при использовании газообразного топлива позволяет существенно повысить экономическую эффективность процесса штамповки в ши1 роких пределах скоростных и нагрузочных режимов работы и снизить себестоимость выпускаемой продукции за счет экономии 94-97/ жидкого топлива.

Формула из об рет ения

Устройсгво для штамповки рабочей средой, содержащее корпус с каналом для подачи в его полость рабочей среды, средство для герметизации полости, ротор, выполненный в виде трехгранной призмы, чмеющей механирм нов ворота вокруг своей оси и оси кори„.— са, и установленный с возможностью взаимодействия боковыми ребрами с внутренней поверхностью корпуса, образованной перемещением прямолинейной образующей вдоль направляющей в виде эпитрохоиды, матрицу, располо>кенную на наружной боковой поверхности ротора, средства для подачи материала и удаления заготовок, свечу зажигания, 0413 12 канал для выпуска отработавшей рабочеи среды, источник жидкого топлива, выполненный в виде установленного в

5 корпусе теплообменника подключенноЭ

ro к магистрали подачи жидкого топлива, плунжерного насоса и форсунки с органом управления, соединенных между собой посредством управляемого клапана, сервопривода и блока управ.ления, связанный со средством для подачи материала датчик скорости перемещения листового материала и механизм предварительного сжатия и после— дующего расширения рабочей среды, выполненный в виде компрессора, включающего попый статор, ротор, выходной иатрубок, входной диффузор и расположенный в последнем датчик расхода

20 воздуха, турбины, включающей полый статор, ротор, установленный на общем валу с ротором компрессора входной патрубок и выходной диффузор, при этом выходной патрубок компрессо25 ра и входной патрубок турбины сообщены соответственно с каналами для подачи и выпуска рабочей среды, полости статоров компрессора и турбины сообщены между собой через перепуск30 ной трубопровод и управляемый клапан, который, в свою очередь, связан посредством сервопривода и блока управления с датчиком расхода воздуха, а выходной диффузор турбины сообщен с полостью ее статора посредством дренажного трубопровода и управляемого клапана, который, в свою очередь, связан с датчиком скорости перемещения листового материала через сервапривод и блоки управления и суммирования, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения экономической эффективности процесса штамповки путем снижения удельного расхода жидкого топлива, оно снабжено источником газообразного топлива, механизмом регулирования соотношения жидкого и газообразного топлива, смесителем, воздушной и газовой заслонками и датчиком температуры, при этом выход смесителя подключен к клапану для подачи рабочей среды, а его входы — к выходному патрубку компрессора, и ис точнику газообразного топлива соответственно через .воздушную и газовую заслонки, связанные через сервопривод с механизмом регулирования соотношения жидкого и газообразного топлив и органом управления форсунки и

13 1500413 через блок управления — с датчиком корпуса. температу ы ан ен о