пресс

Формула изобретения

Пресс, содержащий станину с опорным столом и направляющими, нагружающий элемент, установленный с возможностью перемещения вдоль направляющих станины, силовой привод нагружающего элемента и привод для установки нагружающего элемента в исходное перед рабочим ходом положение, один из которых подключен к внешнему источнику энергии, элемент противодавления, установленный с возможностью перемещения относительно опорного стола вдоль направляющих станины при рабочих давлениях нагружающего элемента, и эксцентриковый вал с маховиком, отличающийся тем, что силовой привод нагружающего элемента выполнен либо в виде пружины, либо в виде гравитационной массы, либо в виде пневматического или гидравлического цилиндра, соединенного с пневматическим аккумулятором давления, а привод для установки нагружающего элемента в исходное перед рабочим ходом положение выполнен в виде силового привода элемента противодавления, подключенного к внешнему источнику энергии, при этом элемент противодавления выполнен в виде шатунов кривошипно-ползунного механизма, а маховик кинематически связан с эксцентриковым валом муфтой сцепления, обеспечивая регулирование скорости перемещения элемента противодавления относительно опорного стола в направлении нагружения обрабатываемого материала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к прессостроению, непосредственно касается повышения жесткости процесса обработки материалов давлением и может найти применение в прессах, в течение рабочего хода которых происходит резкое снижение сопротивления обрабатываемого материала деформированию (при выполнении операций вырубки, пробивки и т.п., а также при проведении разрушающих испытаний материалов). Изобретение может быть использовано преимущественно в гидравлических и кривошипных прессах. При использовании предлагаемого пресса в качестве испытательного возможно осуществление полностью равновесных разрушающих испытаний материалов с записью полных, т.е. с нисходящей ветвью, диаграмм разрушения.

Известен пресс, содержащий станину с опорным столом и направляющими, установленный с возможностью перемещения вдоль направляющих станины нагружающий элемент с силовым приводом, привод для установки нагружающего элемента в исходное перед рабочим ходом положение и элемент противодавления, установленный между опорным столом и нагружающим элементом с возможностью перемещения относительно опорного стола вдоль направляющих станины при рабочих давлениях нагружающего элемента и снабженный регулятором скорости указанного перемещения в направлении нагружения обрабатываемого материала [а. с. СССР №323293, кл. В 30 В 15/06, 1972 г.].

Элемент противодавления в известном прессе представляет собой демпфирующее устройство, выполненное в виде ступенчатых плунжеров гидроцилиндров, полости которых соединены с наполнительным бачком, а регулятор скорости перемещения плунжеров в гидроцилиндрах относительно опорного стола выполнен в виде выфрезерованных на больших из ступеней плунжеров дроссельных канавок.

Кроме того, пресс снабжен дополнительными амортизирующими резиновыми пакетами для опирания станины-пресса на фундамент, а также направляющими колонками с ограничителями перемещения станины относительно фундамента.

Недостатком известного пресса является относительно невысокая жесткость осуществляемого им процесса деформирования материала, а также высокая энергоемкость работы пресса, обусловленная рассеиванием большого количества энергии.

Невысокая жесткость процесса обработки материала обусловлена накоплением потенциальной энергии во время нагрузочной стадии процесса за счет упругих деформаций металлических частей силовой рамы пресса и жидкости в рабочем гидроцилиндре и последующего интенсивного ее высвобождения после резкого снижения сопротивления материала деформированию (в частности, после достижения предела прочности при операциях вырубки, пробивки и т.п., а также при разрушающих испытаниях хрупких материалов). Интенсивное высвобождение энергии вызывает ускоренное неконтролируемое движение нагружающего элемента и элементов противодавления демпфирующего устройства относительно опорного стола, поскольку расход рабочей жидкости через дроссельные канавки постоянного сечения в демпфирующем устройстве увеличивается, вследствие чего обеспечивается лишь частичное поглощение высвобождающейся энергии и, соответственно, лишь незначительное уменьшение ускорения, нагружающего элемента относительно опорного стола. Наличие дополнительных амортизирующих пакетов позволяет гасить динамические нагрузки на фундамент и рассеивать кинетическую энергию получивших ускорение взаимодействующих элементов пресса (опорного стола или станины и нагружающего элемента или подвижной траверсы, т.е. поперечины), однако само по себе рассеивание энергии не может ни повысить жесткость процесса обработки материала, ни уменьшить энергоемкость выполняемого технологического процесса.

Известен также пресс, содержащий станину с опорным столом и направляющими, установленный с возможностью перемещения вдоль направляющих станины нагружающий элемент с силовым приводом, привод для установки нагружающего элемента в исходное перед рабочим ходом положение и элемент противодавления, установленный между опорным столом и нагружающим элементом с возможностью перемещения относительно опорного стола вдоль направляющих станины при рабочих давлениях нагружающего элемента и снабженный регулятором скорости указанного перемещения в направлении нагружения обрабатываемого материала [а.с. СССР №1375989, кл. G 01 N 3/08, 1988 г. - в описании изобретения ошибочно указан класс G 01 N 3/18].

Элемент противодавления в известном прессе выполнен в виде упругой скобы переменной жесткости, а регулятор скорости перемещения нагружающего элемента в направлении нагружения обрабатываемого материала выполнен в виде регулятора силового привода нагружающего элемента, причем силовой привод является также приводом для установки нагружающего элемента в исходное положение. Пресс снабжен винтовым механизмом изменения жесткости упругой скобы при рабочих давлениях нагружающего элемента.

Известный пресс отличается простотой и имеет при этом достаточную жесткость для проведения полностью контролируемого разрушающего испытания на изгиб относительно небольших образцов из хрупких материалов.

Однако жесткость пресса недостаточна для обработки материалов давлением, близким к максимальному усилию пресса, и, в частности, для проведения полностью контролируемых разрушающих испытаний на сжатие стандартных образцов из высокопрочного бетона. Этот недостаток обусловлен тем, что нагружающий элемент одновременно производит как нагружение обрабатываемого материала, так и значительное упругое деформирование элемента противодавления (упругой скобы), что позволяет обрабатывать материал лишь таким усилием, которое примерно на порядок меньше максимального усилия, развиваемого прессом.

Кроме того, процесс обработки материала давлением в этом прессе весьма энергоемок, что делает неэкономичным его использование в производственных процессах. Этот недостаток также обусловлен одновременным совместным деформированием обрабатываемого материала и упругим деформированием скобы и, в частности, тем, что после снижения сопротивления обрабатываемого материала деформированию энергия продолжает затрачиваться на все возрастающее сопротивление упругому деформированию скобы, причем эта затраченная энергия в дальнейшем не возвращается обратно в систему, а рассеивается в окружающей среде.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является пресс, содержащий станину с опорным столом и направляющими, нагружающий элемент, установленный с возможностью перемещения вдоль направляющих станины, силовой привод нагружающего элемента и привод для установки нагружающего элемента в исходное перед рабочим ходом положение, один из которых подключен к внешнему источнику энергии, элемент противодавления, установленный с возможностью перемещения относительно опорного стола вдоль направляющих станины при рабочих давлениях нагружающего элемента, и эксцентриковый вал с маховиком (RU 2006369 С1, В 30 В 15/00, 30.01.1994), 6 стр.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение КПД процесса обработки материала давлением путем снижения доли непроизводительных энергозатрат за счет более полного соответствия характера диаграммы интенсивности энергообмена между главным силовым приводом и аккумулятором энергии характеру диаграммы деформирования обрабатываемого материала, а именно уменьшения усилия нагружающего элемента при его перемещении в направлении, соответствующем увеличению деформаций обрабатываемого материала. Повышение КПД особенно важно при использовании пресса в качестве технологического.

Другой не менее важной технической задачей, особенно с точки зрения технологичности производства прессов, является упрощение конструкции пресса путем замены одной из двух противодействующих систем силовозбуждения прототипа системой силовозбуждения, конструктивно более простой, эффективной и дешевой. Хотя в патентоведении принято считать, что такая формулировка технической задачи нежелательна, так как технический эффект, проявляющийся в упрощении конструкции, как правило, труднодоказуем, в данном случае именно такой технический эффект наиболее очевиден при сравнении предлагаемого технического решения с прототипом и он может стать главным аргументом, в частности, при принятии решения о внедрении изобретения производственниками.

Еще одной технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является возможность повышения быстроходности пресса в сравнении с прототипом, в частности, до значений быстроходности, характерных для кривошипных прессов. Это также очень важно для обеспечения возможности использования предлагаемого пресса в качестве технологического, а не только испытательного.

Дополнительной задачей, попутно решаемой при реализации предлагаемого технического решения, является улучшение компоновочной схемы пресса. Особенно это важно при реализации изобретения как вертикального кривошипного пресса, в котором главный (и единственный) силовой привод, включающий массивные электродвигатель и маховик, традиционно размещается в верхней части станины, что приводит к повышению металлоемкости и утяжелению как самой станины, так и в целом всей конструкции пресса. Такое размещение кривошипно-шатунного механизма обусловлено его непосредственной связью с нагружающим элементом и поэтому конструктивно оправдано. Однако, в случае непосредственной связи кривошипно-шатунного механизма с элементом противодавления, согласно изобретению целесообразно размещение главного привода пресса, маховика и кривошипно-ползунного механизма у основания станины. Такая компоновка позволит повысить устойчивость кривошипного пресса и уменьшить металлоемкость станины, то есть уменьшить стоимость пресса. Кроме того, размещение главного силового привода, маховика и кривошипно-ползунного механизма у основания станины позволит упростить обслуживание и ремонт пресса.

Другой дополнительной технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является исключение возникновения знакопеременных нагрузок в кинематических цепях пресса и соответствующее повышение его надежности и долговечности. Это также наиболее важно при реализации изобретения в кривошипном прессе.

Сущность изобретения заключается в том, что в прессе, содержащем станину с опорным столом и направляющими, нагружающий элемент, установленный с возможностью перемещения вдоль направляющих станины, силовой привод нагружающего элемента и привод для установки нагружающего элемента в исходное перед рабочим ходом положение, один из которых подключен к внешнему источнику энергии, элемент противодавления, установленный с возможностью перемещения относительно опорного стола вдоль направляющих станины при рабочих давлениях нагружающего элемента, и эксцентриковый вал с маховиком, согласно изобретению силовой привод нагружающего элемента выполнен либо в виде пружины, либо в виде гравитционной массы, либо в виде пневматического или гидравлического цилиндра, соединенного с пневматическим аккумулятором давления, а привод для установки нагружающего элемента в исходное перед рабочим ходом положение выполнен в виде силового привода элемента противодавления, подключенного к внешнему источнику энергии, при этом элемент противодавления выполнен в виде шатунов кривошипно-ползунного механизма, а маховик кинематически связан с эксцентриковым валом муфтой сцепления, обеспечивая регулирование скорости перемещения элемента противодавления относительно опорного стола в направлении нагружения обрабатываемого материала.

За счет выполнения функции главного силового привода пресса силовым приводом элемента противодавления, подключенным к внешнему источнику энергии, появляется возможность выполнения силового привода нагружающего элемента пресса в виде обратимой машины, связанной с аккумулятором энергии (которые могут быть очень просты по устройству) и обеспечивается снижение доли непроизводительных энергозатрат за счет более полного соответствия характера диаграммы интенсивности энергообмена между главным силовым приводом и аккумулятором энергии характеру диаграммы деформирования обрабатываемого материала, а именно уменьшения усилия нагружающего элемента при его перемещении в направлении, соответствующем увеличению деформаций обрабатываемого материала. То есть обеспечивается повышение КПД процесса обработки материала давлением.

Благодаря такому выполнению появляется также возможность устранения одной из двух сложных по конструкции независимых систем силовозбуждения, имеющихся у прототипа, то есть обеспечивается возможность упрощения конструкции пресса в сравнении с прототипом. Это достигается, во-первых, за счет совмещения приводом элемента противодавления как функции установки нагружающего элемента в исходное перед рабочим ходом положение, так и функции главного силового привода, потребляющего энергию от внешнего источника, а во-вторых, за счет совмещения силовым приводом нагружающего элемента как функции силовозбудителя при деформировании обрабатываемого материала, так и функции предварительного накопителя энергии, необходимой для осуществления рабочего хода.

Простейшими обратимыми машинами, связанными с аккумулятором энергии, являются упругодеформируемые аккумуляторы энергии. К таким аккумуляторам энергии могут быть отнесены пружины, гравитационная масса, размещенная в гравитационном поле Земли с возможностью изменения ее высоты над уровнем пола, а также пневмогидравлические (пневматические) аккумуляторы давления.

Самым простым по конструкции упругодеформируемым аккумулятором энергии, является гравитационная масса, размещенная в верхней части станины вертикального пресса с возможностью подъема в исходное положение вдоль направляющих посредством элемента противодавления, перемещаемого с помощью главного силового привода (очевидно, упругодеформируемым элементом в данном случае является гравитационное поле Земли, - взаимодействующее с указанной гравитационной массой). В таком варианте выполнения величина гравитационной массы определяет максимальное развиваемое прессом усилие. Однако при этом максимальное ускорение нагружающего элемента при осуществлении им рабочего хода не может превышать ускорения свободного падения, что является естественным ограничением максимальной скорости перемещения нагружающего элемента. Но поскольку ускорение свободного падения во всех местах возможного размещения пресса велико (9,8 м/сек²), то указанное естественное ограничение не ухудшает скоростные характеристики пресса в сравнении с большинством известных конструкций прессов, принципиально позволяя обеспечить максимальную скорость нагружающего элемента, соизмеримую с максимальной скоростью нагружающего элемента кузнечных молотов. Однако в отличие от молота, имеющего нежесткую характеристику перемещения нагружающего элемента и являющегося машиной ударного действия, перемещение нагружающего элемента в предлагаемом прессе полностью контролируется жестким элементом противодавления, перемещаемым в направлении нагружения обрабатываемого материала со скоростью, определяемой регулятором скорости, чем обеспечивается статическое, т.е. наиболее выгодное в энергетическом отношении нагружение обрабатываемого материала при обеспечении высокой жесткости этого процесса.

Для прессов усилием порядка 100 кН (10 т·с) гравитационная масса из черного металла, например, стали, будет иметь объем 1,3 м³, что представляется вполне приемлемым для недорогих прессов с высокой жесткостью процесса обработки материала давлением.

За счет выполнения обратимой машины и аккумулятора энергии силового привода нагружающего элемента в виде пружины достигается уменьшение материалоемкости в сравнении с прототипом. Так, для обеспечения рабочего усилия нагружающего элемента 100 кН (10 т·с) достаточно одной вагонной пружины, общая масса которой составляет около 15 кг. При этом, как будет показано ниже, возможно существенное повышение КПД процесса деформирования обрабатываемого материала в сравнении с прототипом за счет подобия характера диаграммы деформирования пружины характеру деформирования обрабатываемого, в частности, хрупкого, материала. Однако такой вариант выполнения конструктивно более сложен в сравнении с рассмотренным выше, поскольку требует дополнительных устройств для размещения пружин, а также для обеспечения возможности создания в них начального напряжения.

Еще более сложным в конструктивном отношении вариантом является выполнение силового привода нагружающего элемента в виде пневмо- или гидроцилиндра, соединенного с пневматическим или пневмогидравлическим аккумулятором давления, однако при этом в сравнении с рассмотренными выше вариантами может быть обеспечена минимальная материалоемкость за счет использования рабочего тела под высоким давлением (30 МПа, т.е. 300 ати и выше).

Следует, однако, заметить, что даже в этом случае обеспечивается упрощение конструкции в сравнении с прототипом за счет устранения системы распределения рабочего тела, имеющейся в системе привода нагружающего элемента прототипа. Дополнительное упрощение конструкции может быть обеспечено выполнением пневматического или гидравлического цилиндра за одно целое с пневматическим или, соответственно, пневмогидравлическим аккумулятором давления.

За счет выполнения элемента противодавления, силового привода элемента противодавления и регулятора скорости перемещения элемента противодавления относительно опорного стола в направлении нагружения материала в виде кривошипно-ползунного механизма, кинематически связанного с маховиком, обеспечивается выполнение указанным механизмом сразу нескольких перечисленных выше функций, при этом в сравнении с традиционной компоновкой вертикальных кривошипных прессов, при которой кривошипно-ползунный механизм, маховик и электродвигатель располагаются в верхней части станины, достигается возможность размещать эти массивные элементы у основания станины. Такая компоновочная схема имеет преимущество практически во всех отношениях, так как позволяет повысить устойчивость кривошипного пресса и уменьшить металлоемкость станины и всего пресса в целом, а значит уменьшить его стоимость. Кроме того, размещение главного силового привода и непосредственно связанных с ним механизмов у основания станины позволяет упростить обслуживание и ремонт пресса.

Дополнительное преимущество, которое обеспечивает маховик, также являющийся аккумулятором кинетической энергии, заключается в дополнительном повышении КПД пресса за счет аккумулирования маховиком для использования в последующих циклах энергии, выделяющейся после резкого снижения сопротивления обрабатываемого материала деформированию, то есть за счет аккумулирования энергии, запасенной ранее в аккумуляторе привода нагружающего элемента, но неизрасходованной на обработку материала. При этом за счет исключения возникновения в любой фазе цикла обработки материала давлением знакопеременных нагрузок в узлах и деталях пресса повышается его надежность и долговечность.

Характерной особенностью предложенного технического решения является смещение на 180° фаз рабочего цикла пресса в сравнении с известными решениями. При работе пресса согласно изобретению первой фазой рабочего цикла является фаза установки нагружающего элемента в исходное перед рабочим ходом положение с одновременным аккумулированием в аккумуляторе энергии, необходимой для осуществления рабочего хода, который является второй, заключительной фазой полного цикла. В прототипе первой, основной фазой цикла является рабочий ход, при котором происходит максимальное потребление энергии от внешнего источника, а во второй, заключительной фазе цикла производится установка нагружающего элемента в исходное положение, при этом никакого энергообмена с внешним источником, как правило, не происходит. В предлагаемом прессе потребление энергии, необходимой для обработки материала, от внешнего источника (электрической сети, магистрали высокого давления и т.п.) происходит в течение первой фазы цикла, при этом во второй, заключительной фазе, значительная часть избыточно потребленной энергии может быть возвращена, например, в другой аккумулятор энергии, в частности в маховик кривошипного пресса.

Физический смысл принципа повышения жесткости процесса обработки материала давлением путем введения элемента противодавления и регулирования скорости его перемещения в направлении нагружения материала может быть пояснен на примере с заточкой карандаша заточным инструментом, например перочинным ножом, наглядно демонстрирующим достоинства такого приема.

Так, если держать карандаш в одной руке, а нож в другой, то велика вероятность неконтролируемого перемещения инструмента и поломки грифеля в момент резкого снижения сопротивления деревянной оболочки снятию стружки, т.е. велика вероятность брака. Если же создать противодавление усилию инструмента пальцем той руки, которая держит карандаш, то жесткость процесса обработки многократно повысится. Появится возможность снятия сколь угодно тонкой стружки и качественной заточки грифеля.

При этом, во-первых, не существует принципиальных ограничений на скорость перемещения инструмента, а во-вторых, жесткость кинематической цепи, конечным звеном которой является инструмент, не имеет абсолютно никакого значения и поэтому может быть минимальной (инструмент может быть подпружинен) и даже нулевой (инструмент может обладать достаточной гравитационной массой и совершать рабочий ход под действием гравитационного поля Земли, жесткость которого может в данном случае считаться нулевой). Зато решающее значение для повышения жесткости процесса обработки приобретает жесткость кинематической цепи, конечным звеном которой является элемент противодавления.

На этом наглядном примере с очевидностью обоснована перспективность такого направления в развитии техники обработки материалов давлением.

В связи с этим суть настоящей заявки заключается в доводке эффективной технической идеи, примененной в прототипе для осуществления полностью контролируемого разрушающего испытания хрупких материалов, до эффективного технического решения, пригодного для промышленного внедрения не только в испытательных, но и в технологических прессах.

Таким образом, технический эффект предлагаемого технического решения в сравнении с прототипом заключается в передаче функции главного силового привода пресса силовому приводу элемента противодавления, что позволяет заменить одну из двух равных по сложности систем возбуждения противодействующих сил значительно более простым конструктивно устройством (стальной пружиной, гравитационной массой или пневматической пружиной). Это дает возможность не только повысить КПД процесса обработки материала давлением за счет более полного соответствия характера диаграммы энергообмена упругодеформируемого аккумулятора энергии характеру диаграммы деформирования обрабатываемого материала, но и существенно упростить конструкцию пресса в сравнении с прототипом. Кроме того, появляется также возможность повысить быстроходность пресса за счет достижения возможности выполнения главного силового привода в виде кривошипно-ползунного механизма, что обеспечено динамической совместимостью характеристик упруго деформируемых аккумуляторов энергии с динамическими характеристиками кривошипно-шатунного механизма. Дополнительно обеспечивается улучшение компоновочной схемы пресса за счет размещения всех узлов кривошипно-шатунной группы у основания станины, а также исключается возникновение знакопеременных нагрузок в узлах и деталях пресса, что повышает его долговечность.

На фиг.1 представлен гидравлический испытательный пресс, силовой привод нагружающего элемента которого выполнен в виде пружины сжатия (разрез Б-Б на фиг.2);

на фиг.2 - то же, разрез А-А на фиг.1;

на фиг.3 - гидравлический пресс, силовой привод нагружающего элемента которого выполнен в виде гравитационной массы (разрез Б-Б на фиг.4);

на фиг.4 - то же, разрез А-А на фиг.3;

на фиг.5 - гидравлический пресс, силовой привод нагружающего элемента которого выполнен в виде пневмо- или гидроцилиндра, соединенного соответственно с пневматическим или пневмогидравлическим аккумулятором давления;

на фиг.6 - кривошипный пресс, силовой привод нагружающего элемента которого выполнен в виде пружины (разрез А-А на фиг.7);

на фиг.7 - то же, профильная проекция;

на фиг.8 - кривошипный пресс, силовой привод нагружающего элемента которого выполнен в виде гравитационной массы (разрез А-А на фиг.9);

на фиг.9 - то же, профильная проекция;

на фиг.10 - расчетная схема предлагаемого пресса;

на фиг.11 - диаграмма сил, деформаций и перемещений взаимодействующих элементов в течение рабочего цикла пресса, силовой привод нагружающего элемента которого выполнен в виде пружины, при деформировании хрупкого материала;

на фиг.12 - то же, для пресса, пружина которого предварительно напряжена;

на фиг.13 - диаграмма сил, деформаций и перемещений взаимодействующих элементов в течение рабочего цикла пресса, силовой привод нагружающего элемента которого выполнен в виде гравитационной массы, при деформировании пластичного материала (сталь Ст.3);

на фиг.14 - диаграмма сил, деформаций и перемещений взаимодействующих элементов в течение рабочего цикла пресса, аккумулятор силового привода нагружающего элемента которого выполнен в виде пневматического или пневмогидравлического аккумулятора давления, при деформировании хрупкого материала;

на фиг.15 - то же, при повышенном начальном давлении в аккумуляторе давления.

Пресс содержит станину 1 (фиг.1) с опорным столом 2 и направляющими 3, установленный с возможность перемещения вдоль направляющих 3 станины 1 нагружающий элемент 4 с силовым приводом 5, привод 6 для установки нагружающего элемента 4 в исходное перед рабочим ходом положение и элемент противодавления 7, установленный между опорным столом 2 и нагружающим элементом 4 с возможностью перемещения относительно опорного стола 2 вдоль направляющих 3 станины 1 при рабочих давлениях нагружающего элемента 4. Элемент противодавления 7 снабжен механизмом 8 регулирования скорости указанного перемещения в направлении нагружения обрабатываемого материала 9. Силовой привод 5 нагружающего элемента выполнен в виде обратимой машины 10, связанной с аккумулятором энергии 11, а привод 6 для установки нагружающего элемента 4 в исходное перед рабочим ходом положение выполнен в виде силового привода 12 элемента противодавления 7, подключенного к внешнему источнику энергии 13.

В варианте выполнения, представленном на фиг.1 и 2, силовой привод 12 элемента противодавления 7 выполнен в виде главного гидроцилиндра 14, подсоединенного к насосу 15 высокого давления, являющимся внешним источником энергии 13, и к стандартному регулятору 16 расхода рабочей жидкости посредством гидрораспределителя 17, а обратимая машина 10 и аккумулятор энергии 11 силового привода 5 нагружающего элемента 4 выполнены в виде пружины 18.

Реализация изобретения на стандартном испытательном прессе ИП-100 с максимальным усилием 100 кН, представленная на фиг.1 и 2, обеспечена путем жесткого крепления центрального опорного стола 2 на дополнительной неподвижной траверсе 19, укрепленной на несущих направляющих стойках 3, выполнения элемента противодавления 7 в виде жесткой замкнутой рамы, основание которой установлено на опорной площадке 20 плунжера 21 силового гидроцилиндра 14 пресса, являющегося силовым приводом 12 элемента противодавления 7, размещением каждой из вертикальных стоек рамы с возможностью свободного вертикального перемещения в окнах траверсы 19 между центральным опорным столом 2 и соответствующей направляющей стойкой 3, а также жесткой связью верхней перекладины рамы с двумя упорными пластинами 22, укрепленными на нижней обойме 23 пружины сжатия 18. Верхняя обойма 24 пружины сжатия 18 зафиксирована от перемещения относительно верхней неподвижной траверсы 25 пресса посредством центрального стяжного стержня 26 с гайкой 27, что позволяет осуществлять начальное напряжение пружины сжатия 18. Для удобства размещения образцов материала разной высоты на центральном опорном столе 2 имеются металлические подкладки 28 различной толщины. Нагружающий элемент 4 шарнирно укреплен на нижней поверхности верхней перекладины рамы элемента противодавления 7.

В варианте выполнения, представленном на фиг.3 и 4, обратимая машина 10 и аккумулятор энергии 11 силового привода 5 нагружающего элемента 4 выполнены в виде гравитационной массы 29.

В варианте выполнения гидравлического пресса, представленном на фиг.5, обратимая машина 10 силового привода 5 нагружающего элемента 4 выполнена в виде дополнительного пневмо- или гидроцилиндра 30, а аккумулятор энергии 11 - соответственно в виде пневматического или пневмогидравлического аккумулятора давления 31.

В варианте выполнения кривошипного пресса, представленном на фиг.6 и 7, обратимая машина 10 силового привода 5 нагружающего элемента 4 и аккумулятор энергии 11 выполнены в виде пружины 18, при этом элемент противодавления 7, привод 6 для установки нагружающего элемента 4 в исходное перед рабочим ходом положение, являющийся силовым приводом 12 элемента противодавления 7, и регулятор 8 скорости перемещения элемента противодавления относительно опорного стола в направлении нагружения обрабатываемого материала 9 выполнены в виде кривошипно-ползунного механизма 32, содержащего шарнирно связанные с нагружающим элементом 4 шатуны 33, (являющиеся элементом противодавления 7), установленные на эксцентриках 34 эксцентрикового вала 35, кинематически связанного с маховиком 36 посредством муфты сцепления 37 и приводимым во вращение отсилового электродвигателя 38 привода элемента противодавления 7, подключенного к внешнему источнику энергии 13, т.е. к электрической сети.

Вариант выполнения кривошипного пресса, представленный на фиг.8 и 9, аналогичен варианту на фиг.6 и 7, за исключением выполнения обратимой машины 10 и аккумулятора энергии 11 силового привода 5 нагружающего элемента 4 в виде гравитационной массы 29. Гравитационная масса 29 для уменьшения динамической нагрузки на детали кривошипно-шатунной группы в момент резкого снижения сопротивления обрабатываемого материала 9 деформированию подрессорена относительно нагружающего элемента 4 посредством рессоры 39.

Рабочий цикл предлагаемого пресса осуществляется следующим образом.

При работе пресса согласно изобретению первой фазой рабочего цикла является фаза установки нагружающего элемента 4 в исходное перед рабочим ходом положение при одновременном аккумулировании в аккумуляторе 11 энергии, необходимой для осуществления рабочего хода. Установка нагружающего элемента 4 в исходное перед рабочим ходом положение производится с помощью силового привода 12 элемента противодавления 7, подключенного к внешнему источнику энергии 13. В гидравлических прессах это осуществляется соответствующим переключением гидрораспределителя 17 (на фиг.5 положение I рукоятки гидрораспределителя 17), а в кривошипных прессах - включением муфты сцепления 37 (фиг.6 и 8).

В процессе подъема нагружающего элемента 4 происходит также сжатие элемента противодавления 7, однако ввиду значительной жесткости его деформации невелики. Так, при площади поперечного сечения элемента жесткости 7, равной 80×40×2=6400 мм² и длине 600 мм собственные деформации элемента жесткости 7 от действия сжимающей нагрузки 100 кН составят 0,045 мм.

Принимая деформации рабочей жидкости и других элементов нагружающей системы равными собственным деформациям элемента противодавления 7, можно считать, что жесткость такого элемента противодавления превышает 1 МН/мм, т.е. при нагрузке 100 кН его деформации не превысят 0.1 мм. Следует учесть также, что эти деформации имеют то же направление, что и деформации нагружаемого материала 9, т.е. при перераспределении нагрузок между элементом противодавления 7 и деформируемым материалом 9 соответствующее уменьшение деформаций элемента противодавления 7 способствует сохранению условий для полностью контролируемого разрушения обрабатываемого материала 9, но не наоборот.

Фиксация нагружающего элемента 4 в исходном перед рабочим ходом положении производится переключением гидрораспределителя 17 в нейтральное положение (на фиг.5 положение II рукоятки гидрораспределителя 17) или выключением муфты сцепления 37 в кривошипных прессах (положение “Стоп” - на фиг.6 и 8 не показано).

Процесс перемещения элемента противодавления 7 и вызванный этим перемещением процесс одновременного его нагружения нагружающим элементом 4 в первой фазе работы пресса отображен на диаграммах фиг.11-15 отрезком а-b, при этом процесс деформирования собственно элемента противодавления 7 отображен на всех диаграммах отрезком прямой о-b.

Энергия, полученная аккумулятором 11, соответствует:

площади треугольника а-b-о, отображающего деформирование изначально свободной пружины 18, на диаграмме фиг.11;

трапеции а-b-о-а’, отображающей процесс деформирования предварительно напряженной пружины 18, на диаграмме фиг.12;

прямоугольника а-b-о-а’, отображающего процесс подъема гравитационной массы 19 на весьма незначительную высоту в сравнении с расстоянием до центра Земли, на диаграмме фиг.13 (на данной диаграмме не отображено влияние рессоры 39, которое при определенных условиях может незначительно изменить характер диаграммы);

плоской фигуры, представляющей собой либо треугольник а-b-о, либо трапецию а-b-о-а’ с вогнутой по гиперболе, соответственно наклонной стороной а-b, отображающей процесс адиабатного сжатия, соответственно, изначально несжатого и предварительно сжатого воздуха, на диаграммах фиг.14 и 15.

Энергия, запасаемая в элементе противодавления 7, соответствует на диаграммах площади прямоугольного треугольника под отрезком о-b. При указанной максимальной нагрузке 100 кН и жесткости К элемента противодавления 7, превышающей 1 МН/мм, ее значение составит всего около 10 Дж, что равно примерно 2-4% от всей энергии, запасаемой аккумулятором 11 в первой фазе цикла работы пресса.

После фиксации нагружающего элемента 4 в исходном перед рабочим ходом положении на опорный стол 2 устанавливают обрабатываемый материал 9 и осуществляют вторую, рабочую фазу цикла, для чего включают регулятор скорости перемещения элемента противодавления 7 в направлении нагружения обрабатываемого материала 9. В гидравлических прессах для этого переключают гидрораспределитель 17 в положение, при котором полость гидроцилиндра 14 элемента противодавления 7 подсоединяется на слив через регулятор 16 расхода рабочей жидкости (на фиг.5 положение III рукоятки гидрораспределителя 17). В кривошипных прессах производят включение муфты сцепления 37, в результате чего кривошипно-шатунный механизм соединяется с маховиком 36, и нагружающий элемент 4 начинает движение под действием его силового привода 5 от верхней мертвой точки в направлении нагружения материала по закону, определяемому кинематикой кривошипно-шатунного механизма 32.

В некоторый момент времени происходит касание нагружающим элементом 4 обрабатываемого.материала 9 и последующее его нагружение со скоростью v, в результате чего текущее усилие нагружающего элемента 4 распределяется между обрабатываемым материалом 9 и элементом противодавления 7 таким образом, что в любой момент времени сумма сил элемента противодавления F_пp и сопротивления обрабатываемого материала 9 деформированию F_мат равна текущему усилию F нагружающего элемента 4 (фиг.10).

На диаграммах фиг.11-15 перемещение элемента противодавления 7 в направлении нагружения обрабатываемого материала 9 и текущие значения усилий в нем изображены кривыми c-d-e-f-g, а деформирование обрабатываемого материала - кривыми c’-d’-e’-f’-g’. При этом обеспечивается полностью контролируемое разрушение любого обрабатываемого материала, для которого угол наклона нисходящей ветви e’-f на диаграмме разрушения не превышает по абсолютной величине угол наклона прямой о-b, отображающей зависимость деформаций элемента противодавления 7 от величины воспринимаемого им усилия, то есть характеризующей жесткость элемента противодавления 7.

Сопоставительный анализ диаграмм деформирования материала в предлагаемом прессе, представленных на фиг.11-15, показывает, что наиболее эффективными по затратам энергии вариантами выполнения пресса для разрушающих испытаний хрупких материалов являются варианты на фиг.11 и 14, в которых аккумулятор энергии силового привода нагружающего элемента выполнен в виде предварительно ненапряженной пружины и, соответственно, в виде пневматического или пневмогидравлического аккумулятора давления с предварительно несжатым газом. Экономия энергозатрат в цикле этих вариантов выполнения предлагаемого пресса в сравнении с прототипом соответствует на фиг.11 и 14 площади, заштрихованной косой клеткой. Как видно из указанных диаграмм, снижение общих затрат энергии в цикле достигает 50%, при этом непроизводительные затраты энергии (т.е. с вычетом энергии, затраченной на осуществление процесса деформирования материала) сокращаются на 70-80%.

При деформировании пластических материалов, например стали Ст.3, полная диаграмма деформирования которых имеет форму, близкую к прямоугольной (фиг.13), целесообразно выполнение аккумулятора энергии силового привода нагружающего элемента в виде гравитационной массы, график обмена энергии с которым также представляет собой прямоугольник.

Рекуперирование той части энергии, которая не была использована в цикле на деформирование обрабатываемого материала, маховиком кривошипно-шатунного механизма в кривошипных прессах позволяет практически полностью устранить непроизводительные затраты энергии и довести КПД цикла до 85-95% при сохранении свойственной прототипу высокой жесткости процесса деформирования материала, что особенно важно для быстроходных технологических прессов.

Следует заметить, что в известных кривошипных прессах также осуществляется частичное рекуперирование энергии маховиком после резкого снижении сопротивления материала деформированию, однако при этом нагрузки на элементы кривошипно-шатунной группы изменяют знак на противоположный, что приводит к увеличению люфтов в парах трения, а также к возникновению усталостных напряжений в узлах и деталях пресса. В предлагаемом прессе знакопеременные нагрузки не возникают, что видно из представленных диаграмм фиг.11-15. Отсутствие знакопеременных нагрузок на узлы и детали кривошипно-шатунной группы в технологических кривошипных прессах повышает их надежность и долговечность.

Таким образом, за счет передачи функции главного силового привода пресса силовому приводу элемента противодавления появляется возможность заменить равную по сложности систему силовозбуждения в приводе нагружающего элемента обычной стальной, или пневматической пружиной, или простой гравитационной массой (грузом), что при смещении на 180° фаз технологического цикла обработки материала давлением обеспечивает как существенное повышение КПД процесса обработки материала давлением в сравнении с прототипом за счет более полного соответствия характера диаграммы интенсивности энергообмена между главным силовым приводом и аккумулятором энергии характеру диаграммы деформирования обрабатываемого материала, так и существенное упрощение конструкции пресса.

При этом за счет совместимости динамических характеристик указанных упругодеформируемых аккумуляторов энергии с динамическими характеристиками кривошипно-ползунных механизмов достигается возможность выполнения пресса кривошипным при соответствующем повышении его быстроходности, при этом исключается возникновение знакопеременных нагрузок в узлах и деталях кривошипно-шатунной группы, что повышает долговечность и надежность пресса.

Кроме того, обеспечивается возможность улучшения компоновочной схемы кривошипного пресса путем размещения узлов и деталей кривошипно-шатунной группы у основания станины. Все эти технические эффекты достигаются при полном сохранении присущей прототипу высокой жесткости процесса обработки материала давлением.