При исследовании надежности и долговечности деталей и узлов ковочных молотов возникает необходимость в определении действующих нагрузок.

Падающие части ковочного молота в процессе ударного взаимодействия с заготовкой можно моделировать сложной вязкоупругой стержневой системой с распределенными параметрами, соударяющейся с препятствием. Применение предлагаемого подхода позволяет производить расчет напряженно-деформированного состояния в любом интересующем сечении рабочих частей молота, а также дает возможность проводить вариантные расчеты с целью совершенствования конструкции ковочных молотов.

Для решения поставленной задачи используем частотный метод динамического расчета нестационарных колебаний ковочного молота в процессе ударного взаимодействия с заготовкой. Предлагаемая методика использует модификацию метода конечных элементов (МКЭ), основанную на точном интегрировании дифференциального уравнения для конечного элемента [2], и позволяет рассчитывать продольные и поперечные колебания стержней ступенчато-переменного сечения с учетом или без учета рассеяния энергии при соударении с жестким препятствием [3, 6].

Для учета упругого рассеяния энергии согласно Сорокину С.Е. [4] для частотно-независимого трения все характеристики упругости системы заменять комплексными величинами, в данном случае:

где γ – коэффициент сопротивления.

Для заготовки, обладающей одновременно упругостью, вязкостью и пластичностью в различных формах и соотношениях и моделируемой элементом Максвелла, учет рассеяния энергии будем осуществлять согласно [5]:

Рис. 1. Расчетная схема молота М1345:1 – 19 – узлы системы; С7, 8, С12, 13, С14, 15 – жесткости пружин

Коэффициент t_M определяется экспериментальным путем.

Рассмотрим паровоздушный ковочный молот арочного типа модели М1345. Принципиальная схема молота показана на рис. 1.

Основные параметры и размеры молота М1345 приняли для расчета согласно ГОСТ 9752-75. При составлении расчетной схемы молота считалось, что в штоке, бабе, бойках, подушке и верхней части шабота возникают продольные колебания, а в основании шабота – поперечные.

Таким образом, расчетная схема ковочного молота (см. рис. 1) будет состоять из 19 узлов.

Участки 7–8, 12–13 и 14–15 моделируют стыки. Методика расчета контактных деформаций стыков с учетом реальных условий заимствована из работы [1]. Узлы 17, 18 и 19 имеют упругое основание, заменяющее влияние подкладки из дубовых брусьев. Подкладка под шаботом, состоящая из дубовых брусьев, моделируется упругим основанием с сосредоточенной жесткостью в соответствующих узлах системы. На завершающей стадии удара верхний боек считается присоединившимся к заготовке.

Предлагаемой расчетной схеме (см. рис. 1) соответствует следующая система разрешающих уравнений для построения амплитудно-фазо-частотных характеристик (АФЧХ) перемещений:

для j = 2, 3, 4, 5, 6, 9:

для j = 8, 13: ;

для j = 10, 11,12, 14, 16:

где

где j – номер узла (i = 1,2…19); W_j – перемещение j-го узла, м; φ_j – угол поворота j-го узла, рад; с_j – жесткости пружин, моделирующих упругое основание в j-ом узле, кг/м; с_nk – жесткости пружин, моделирующих стыки nk, кг/м.

Из системы разрешающих уравнений находятся изображения перемещений U(ω) в узлах системы. Для получения переходного процесса используется дискретное преобразование Фурье. В ходе исследований выявлен информативный диапазон частот (рис. 2), позволяющих идентифицировать получаемые АФЧХ, который составил ω = (0–400) с^–1.

Рис. 2. Влияние скорости соударения V на напряжение σ(t) и АФЧХ усилий в 5 узле N₅ (ω) заготовки из стали 45; 1, 2, 3 - соответственно V = 4, 5, 7 м/с

Теоретические исследования показали, что на напряжения, возникающие в различных узлах системы при соударении падающих частей с заготовкой, влияют скорость соударения, материал и размеры поковки (см. рис. 2).

Установлено, что максимальные напряжения, в несколько раз превышающие напряжения в других узлах системы, возникают в месте заделки штока в бабу (5 узел), что подтверждает предварительные сведения из практики о подавляющем числе поломок именно в этом сечении.

Предлагается следующий путь уменьшения нагрузок, возникающих в месте заделки штока в бабу. Можно распределить нагрузку на несколько сечений. Для этого следует в качестве новой конструкции штока использовать шток с цилиндрическими отверстиями ступенчато-переменного сечения (рис. 3). Предлагаемые изменения в конструкции штока снижают возникающие в месте заделки штока в бабу напряжения на (18–20) % и направлены на повышение надежности штоков, что позволяет увеличить срок их эксплуатации и тем самым сократить материальные потери от замены штоков и от простоя оборудования в период их замены (рис. 3).

Рис. 3. Распределение напряжений в падающих частях ковочного молота: сплошная линия – для штока постоянного сечения, пунктирная линия – для штока с цилиндрическими отверстиями ступенчато-переменного сечения

Для проверки предлагаемой методики расчета ковочных молотов были проведены экспериментальные исследования в кузнечно-штамповочном производстве ЗАО «АВИАСТАР-СП» (г. Ульяновск), результаты которых показали, что средняя погрешность вычислений составляет 14 % для частот собственных колебаний и 25 % - для амплитуд колебаний(рис. 4).

Рис. 4. Сравнение теоретических и экспериментальных амплитуд напряжений ? в месте заделки штока в бабу (заготовка – сталь 45, V = 4 м/с), где сплошная линия – экспериментальная кривая, пунктирная линия – теоретическая кривая

Применение предлагаемого подхода позволяет производить расчет напряженно-деформированного состояния в любом интересующем сечении рабочих частей молота, а также дает возможность проводить вариантные расчеты с целью совершенствования конструкции ковочных молотов.

Выводы

1. Разработана математическая модель ковочного молота для оценки ударного взаимодействия с заготовкой.

2. Найдены значения коэффициентов тела Максвелла, моделирующих заготовку при ковке.

3. Даны предложения по улучшению конструкции штока ковочного молота в виде стержня с отверстиями ступенчато-переменного сечения, повышающими его надежность при ковке.