تصميم وتصنيع مكبس هيدروليكي 30 طن

خلاصة

في محاولة للتخفيف من مشكلة ندرة المعدات في مختبراتنا في معظم مؤسساتنا العليا تم تركيب 30 طن الضغط الهيدروليكي تم تصميمه وبنائه واختباره باستخدام مواد من مصادر محلية.تضمنت المعلمات الرئيسية للتصميم الحد الأقصى للحمل (300 كيلو نيوتن)، والمسافة التي يجب أن تتحركها مقاومة الحمل (شوط المكبس، 150 مم)، وضغط النظام، ومساحة الأسطوانة (قطر المكبس = 100 مم) ومعدل تدفق الحجم. من سائل العمل.تشتمل المكونات الرئيسية للمكبس المصمم على ترتيب الأسطوانة والمكبس والإطار والدائرة الهيدروليكية.تم اختبار أداء الماكينة بحمل قدره 10 كيلو نيوتن تم توفيره عن طريق نوابض ضغط ثابتة 9 نيوتن/مم تم ترتيب كل منهما بالتوازي بين الصفيحتين العلوية والسفلية، وتبين أنها مرضية.يتعرض الترباس الفولاذي المثبت في اللوحة السفلية للضغط الهيدروليكي لقوى تأثير عالية.يبلغ قطر هذا الترباس 14 مم ومسافة 2 مم.يبلغ طوله 300 ملم ويحمل الجوز طاقة تصادم تبلغ 4500 نيوتن ملم.يظهر الترباس المستخدم في الشكل 1 ب.يتم قطع الخيط لقطر كامل 14 ملم.باستخدام مبادئ dfm، قم بتصميم برغي أفضل يمكنه تقليل إجهاد منطقة الجذر إلى 245 ميجا باسكال من إجهاد منطقة الجذر القياسي البالغ 290 ميجا باسكال.إظهار الحسابات.

1 المقدمة

كان التطور الهندسي على مر السنين عبارة عن دراسة لإيجاد وسائل أكثر كفاءة وملاءمة للدفع والسحب والتدوير والدفع والتحكم في الأحمال التي تتراوح من بضعة كيلوغرامات إلى آلاف الأطنان.وتستخدم المطابع على نطاق واسع لتحقيق ذلك.

المكابس، كما حددها لانج، هي أدوات آلية تمارس الضغط.يمكن تصنيفها إلى ثلاث فئات رئيسية على النحو التالي: المكابس الهيدروليكية التي تعمل وفقًا لمبادئ الضغط الهيدروستاتيكي، والمكابس اللولبية التي تستخدم براغي الطاقة لنقل الطاقة، والمكابس الميكانيكية التي تستخدم الارتباط الحركي للعناصر لنقل الطاقة.

في الضغط الهيدروليكي، يتم توليد القوة ونقلها وتضخيمها باستخدام السائل تحت الضغط.يُظهر النظام السائل خصائص المادة الصلبة ويوفر وسيلة إيجابية وصلبة للغاية لنقل الطاقة وتضخيمها.في تطبيق بسيط، يقوم مكبس أصغر بنقل السائل تحت ضغط مرتفع إلى أسطوانة ذات مساحة مكبس أكبر، وبالتالي تضخيم القوة.هناك سهولة في نقل كمية كبيرة من الطاقة مع تضخيم القوة غير المحدود عمليًا.كما أن لها تأثير القصور الذاتي منخفض جدًا.

تتكون المكبس الهيدروليكي النموذجي من مضخة توفر الطاقة الدافعة للسائل، والسائل نفسه هو وسيلة نقل الطاقة عبر الأنابيب والموصلات الهيدروليكية، وأجهزة التحكم والمحرك الهيدروليكي الذي يحول الطاقة الهيدروليكية إلى عمل مفيد عند النقطة من مقاومة الحمل.

تتمثل المزايا الرئيسية للمكابس الهيدروليكية مقارنة بالأنواع الأخرى من المكابس في أنها توفر استجابة أكثر إيجابية للتغيرات في ضغط الإدخال، ويمكن التحكم في القوة والضغط بدقة، كما أن الحجم الكامل للقوة متاح خلال شوط العمل بأكمله سفر الكبش.تُفضل المكابس الهيدروليكية عند الحاجة إلى قوة اسمية كبيرة جدًا.

تعد المكبس الهيدروليكي من المعدات التي لا تقدر بثمن في الورشة والمختبرات خاصة لعمليات تركيب المكبس ولتشوه المواد كما هو الحال في عمليات تشكيل المعادن واختبار قوة المواد.وتكشف نظرة على ورشة العمل في نيجيريا أن جميع هذه الآلات مستوردة إلى البلاد.ولذلك، فالهدف هنا هو تصميم وتصنيع مكبس منخفض التكلفة ويتم تشغيله هيدروليكيًا باستخدام مواد من مصادر محلية.وهذا لن يساعد فقط على استعادة الأموال المفقودة في شكل عملات أجنبية، بل سيعزز مستوى التكنولوجيا المحلية لدينا في استغلال نقل الطاقة الهيدروليكية.

2. منهجية التصميم

تم تصميم أنظمة طاقة السوائل حسب الهدف.المشكلة الأساسية التي يجب حلها في تصميم النظام هي نقل الأداء المطلوب للنظام إلى الضغط الهيدروليكي للنظام.

الشكل: 1. رسم تخطيطي للضغط الهيدروليكي.معدل التدفق الحجمي ومطابقة هذه الخصائص مع المدخلات المتاحة للنظام لاستدامة التشغيل.

تضمنت المعلمات الرئيسية للتصميم الحد الأقصى للحمل (300 كيلو نيوتن)، والمسافة التي يجب أن تتحركها مقاومة الحمل (شوط المكبس، 150 مم)، وضغط النظام، ومساحة الأسطوانة (قطر المكبس = 100 مم) ومعدل تدفق الحجم. من سائل العمل.تشمل المكونات الأساسية التي تتطلب التصميم الأسطوانة الهيدروليكية، والإطار، والدائرة الهيدروليكية (الشكل 1).

2.1. تصميم المكونات

● اسطوانة هيدروليكية:

الأسطوانات الهيدروليكية عبارة عن أنبوبي الشكل ينزلق فيه المكبس عند دخول السائل الهيدروليكي إليه.تتضمن متطلبات التصميم الحد الأدنى لسماكة جدار الأسطوانة، ولوحة الغطاء الطرفية، وسمك الحافة ومواصفات واختيار عدد وأحجام البراغي.تحدد قوة الخرج المطلوبة من الأسطوانة الهيدروليكية والضغط الهيدروليكي المتوفر لهذا الغرض مساحة الأسطوانة وتجويفها والحد الأدنى لسمك الجدار.

● لوحة غطاء نهاية الأسطوانة:

سمك T، للوحة الغطاء النهائي، والتي يتم دعمها عند المحيط بواسطة مسامير وتخضع لضغط داخلي موزع بشكل موحد على المنطقة، يتم الحصول عليها بواسطة المعادلة.(2) من خورمي وجوبتا (1997)، على النحو التالي: T = KD(P/δt) 1/2، (2) حيث: D = قطر لوحة الغطاء الطرفية (م)، 0.1؛K = المعامل اعتمادًا على مادة اللوحة، 0.4، من خورمي وجوبتا (1997)؛P = ضغط السائل الداخلي (N/m2)، 38.2؛δt = إجهاد التصميم المسموح به للغطاء.مادة اللوحة، 480 نيوتن/م2؛ومنه تم الحصول على سمك اللوحة ليكون 0.0118 م.

● الترباس:

يمكن تأمين غطاء الأسطوانة عن طريق البراغي أو الأزرار.يظهر الشكل 2 الترتيب المحتمل لتأمين الغطاء بالمسامير. ومن أجل العثور على الحجم الصحيح وعدد البراغي، n، التي سيتم استخدامها، المعادلة التالية.(3) تم استخدامه كما تم اعتماده من خورمي وجوبتا (1997): (πDi 2 /4)P = (πdc 2 /4)δtbn، (3) حيث؛P = ضغط السائل الداخلي (N/m2)؛Di = القطر الداخلي للأسطوانة (م)؛العاصمة = القطر الأساسي للمسمار (م)، 16 × 10-3 م؛δtb = قوة الشد المسموح بها للمسمار.

إذا كان حجم الترباس معروفًا، فيمكن حساب عدد البراغي والعكس صحيح.ومع ذلك، إذا تم الحصول على قيمة n.أعلاه فردي أو كسري، ثم يتم اعتماد الرقم الزوجي الأعلى التالي.تم حساب عدد البراغي ليكون 3.108، وبالتالي تم اختيار أربعة مسامير.يعتمد إحكام الوصلة بين الأسطوانة ولوحة الغطاء النهائية على الميل المحيطي، Dp، للمسمار، والذي تم الحصول عليه على أنه 0.0191 متر من المعادلة.(4): Dp = Di + 2t +3Dc، (4) حيث: t = سمك جدار الأسطوانة (م)، 17 × 10-3.

● شفة الاسطوانة:

إن تصميم شفة الأسطوانة يهدف بشكل أساسي إلى الحصول على الحد الأدنى من سماكة الحافة، والتي يمكن تحديدها من خلال اعتبارات الانحناء.هناك قوتان مؤثرتان هنا، إحداهما بسبب ضغط السائل والأخرى تميل إلى فصل الحافة بسبب الختم الذي يجب مقاومته بالضغط الناتج في البراغي.تم حساب القوة التي تحاول فصل الحافة لتكون 58.72 كيلو نيوتن من المعادلة.(5): F = (π/4)D1 2 P، (5) حيث: D1 = القطر الخارجي للختم، 134 × 10-3 م.

● تحديد سمك شفة:

يمكن الحصول على سمك الحافة، tf من خلال النظر في ثني الحافة حول القسم AA كونه القسم الذي تكون الحافة الأضعف في الانحناء (الشكل 3).يحدث هذا الانحناء بسبب القوة الموجودة في المسمارين وضغط السائل داخل الأسطوانة.

لذلك، مكافئ.(6) أعطى سماكة شفة قدرها 0.0528 م: tf = (6M)/(bδf)، (6) حيث: b = عرض شفة عند قسم AA، 22.2×10-3 م؛δf = إجهاد القص لمادة الفلنجة، 480N/m2؛M = عزم الانحناء الناتج، 5,144.78 نيوتن متر.

● مكبس:

يتأثر حجم عمود قضيب المكبس المطلوب اللازم لتحمل الحمل المطبق والذي يتماشى مع الخط المركزي لحمل الأسطوانة بقوة مادة القضيب، والقوة المطبقة على عمود القضيب في الضغط وحالة تركيب الأسطوانة نفسها والسكتة الدماغية التي سيتم تطبيق الحمل عليها.

تم إنجاز الإجراء الخاص بحساب حجم عمود قضيب المكبس وأطوال الأسطوانات تحت حالة الدفع النهائي باستخدام الإجراء الذي اقترحه سوليفان.بهذا كان حجم قضيب المكبس الذي يبلغ قطره لا يقل عن 0.09 متر تعتبر مناسبة للتصميم.

● اختيار الأختام:

تستخدم الأختام لمنع التسربات الداخلية والخارجية في النظام في ظل ظروف تشغيل مختلفة من ضغط وسرعة.يستخدم الختم الثابت المختار مبدأ الأخدود والحلقة للتأثير على الختم.يتم حساب البعد الأخدود بحيث يتم ضغط Oring المحدد بنسبة 15-30% في اتجاه واحد ويساوي 70-80% من قطر المقطع العرضي الحر.المشكلة في اختيار الختم الثابت هي تحديد الأخدود بحيث يمكن ضغط الحلقة O في اتجاه ويتوسع في اتجاه آخر، لذلك؛تم تحديد أبعاد بستان 4 مم × 3 مم للختم.

2.2. تصميم الإطار

يوفر الإطار نقاط تثبيت ويحافظ على المواضع النسبية المناسبة للوحدات والأجزاء المثبتة عليه طوال فترة الخدمة في ظل جميع ظروف العمل المحددة.كما يوفر الصلابة العامة للآلة (Acherkan 1973).الاعتبار التصميمي هو التوتر المباشر المفروض على الأعمدة.أعضاء الإطار الأخرى مثل الألواح (كما في حالتنا) تتعرض لضغوط انحناء بسيطة.

● الصوانى:

توفر الألواح العلوية والسفلية نقطة اتصال مباشرة مع الكائن الذي يتم ضغطه.ومن ثم، فإنها تتعرض لإجهاد الانحناء النقي بسبب وجود زوجين متساويين ومتقابلين يعملان في نفس المستوى الطولي.التصميم يعتبر الاعتبار أساسًا للانحناء ويتكون بشكل أساسي من تحديد أكبر قيمة لعزم الانحناء (M) وقوة القص (V) التي تم إنشاؤها في الحزمة والتي وجد أنها 45 كيلو نيوتن / م و 150 كيلو نيوتن على التوالي.هؤلاء تم حسابها باستخدام الإجراء المعتمد.

● قسم المعامل:

تسهل قيم V وM التي تم الحصول عليها حساب معامل قسم الألواح.وهذا يعطي الحد الأدنى للعمق (السمك) d، وتم حسابه على أنه 0.048 متر من المعادلة.(7): د = [(6M)/(δb)]1/2، (7) حيث؛م = الحد الأقصى لحظة الانحناء، 45 كيلو نيوتن / م؛ب = 600 × 10-3 م؛δ = 480 × 106 نيوتن/م2 .

2.3.مضخة

المعلمة الأولية في التصميم هي تقدير الحد الأقصى لضغط تفريغ السوائل المطلوب في الأسطوانة ثم يتم إضافة عامل لحساب فقدان الاحتكاك في النظام.تم الحصول على هذا ليكون 47.16 × 106 نيوتن / م 2 .

يتم تشغيل عملية الضخ بواسطة نظام رافعة.تم الحصول على الطول الفعلي للرافعة ليكون 0.8 متر.تم حساب ذلك من خلال افتراض أقصى جهد نظري وأخذ عزم الدوران حول نقطة الارتكاز.

3. تفاصيل إجراءات التصنيع

تم الحصول على الصلب المقطعي على شكل حرف U مقاس 200 مم × 70 مم محليًا من بائع الفولاذ الهيكلي وتم الحصول على لوحين فولاذيين مقاس 200 × 400 × 40 مم من ساحة الخردة في مدينة بنين بنيجيريا.بعد تحديد الأبعاد الرئيسية لل المقاطع المهمة من التصميم، تم قطع قسمين بقطر 2800 مم من الفولاذ باستخدام منشار كهربائي في ورشة العمل التي تم تصنيع الإطار منها.تم أيضًا الحصول على أنبوب بقطر Φ150 مم وأنبوب بقطر داخلي Φ90 مم من ساحة الخردة و كان يشعر بالملل واللف إلى Φ100 ملم على المخرطة.كما تم أيضًا الحصول على أنبوب فولاذي طري أنبوبي بسمك Φ70 مم و15 مم والذي تم تحويله من أحد الأطراف إلى Φ60 مم لإيواء الختم ومبيت الختم.تم تجميع المكبس والأسطوانة ومثبتة على قاعدة الإطار بمسامير ملحومة معًا مسبقًا.تم أيضًا توفير شريط توجيه مصنوع من أنبوب فولاذي لتمكين الحركة الرأسية المستقيمة للصوانى.تم إنتاج الألواح من الفولاذ تم حفر لوحة وفتحتين بقطر Φ20 مم عند كلا الطرفين لمرور شريط التوجيه.تم تجميع الصفيحة السفلية في الجزء العلوي من المكبس وتم تثبيتها في موضعها بواسطة تجويف تم تشكيله عليه.تم أيضًا إنتاج حلقة معايرة من 10 صفيحة فولاذية طرية بسماكة مم وتم وضعها بين الصفيحة العلوية وقضيب الضغط المتقاطع كما هو موضح في الشكل 1.

3.1. نتيجة اختبار الأداء

من الممارسات المعتادة إخضاع المنتجات الهندسية للاختبار (الاختبارات) بعد التصنيع.هذه خطوة مهمة في عملية التصنيع.في إطار الاختبارات، يتم فحص المنتج لمعرفة ما إذا كانت المتطلبات الوظيفية مستوفاة أم لا، وتحديدها مشاكل التصنيع، والتأكد من الجدوى الاقتصادية، وما إلى ذلك.

ولذلك يتم استخدام الاختبار لإثبات فعالية المنتج.بالنسبة للضغط الهيدروليكي، يعد اختبار التسربات هو الاختبار الأكثر أهمية.بدأ الاختبار بالتحضير الأولي للمضخة.وبعد ذلك تم ضخ السائل. تم تنفيذ ذلك في ظل حالة عدم التحميل.تُركت الآلة في هذا الوضع لمدة ساعتين.

تم بعد ذلك تعريض الآلة لحمل قدره 10 كيلو نيوتن تم توفيره بواسطة نوابض ضغط ثابتة 9 نيوتن / مم تم ترتيب كل منها بالتوازي بين الألواح.ثم تم ضغط الينابيع محوريا بطول 100 ملم.وكان هذا الترتيب يُترك للوقوف لمدة ساعتين ويتم ملاحظة التسربات.لم تتم الإشارة إلى التسرب في النظام لأن اللوح السفلي لم يسقط من موضعه الأولي.

4. الخلاصة

تم تصميم وتصنيع ومعايرة مكبس هيدروليكي سعة 30 طنًا.تم اختبار الماكينة للتأكد من توافقها مع أهداف التصميم وقابلية الخدمة.تم العثور على الآلة مرضية عند حمل اختباري قدره 10 كيلو نيوتن.إضافي لم يتم بعد إجراء اختبار حمل التصميم.

5. تحليل الفشل

5.1 نظرة عامة

لتحليل فشل الاسطوانة الرئيسية للمكبس الهيدروليكي ذو الأربعة أعمدة، تستحق المسائل التالية الاهتمام:

● تحليل متعمق لمخطط النظام الهيدروليكي، جنبًا إلى جنب مع جدول عمل المغناطيس الكهربائي ذي الصلة ومخططات الدوائر ذات الصلة، يعمل على تحديد آلية العمل الكاملة للدائرة، وفي الوقت نفسه، فهم نية وأفكار تصميم الدائرة بشكل صحيح، والتقنية التدابير المتخذة والخلفية ذات الصلة.

●يتوافق مع الرسم التخطيطي لمبدأ العمل للضغط الهيدروليكي والكائن الفعلي، لتكوين انطباع محدد، وخط الأنابيب في الدائرة الهيدروليكية، غالبًا ما يكون الرسم التخطيطي مختلفًا تمامًا عن الكائن الفعلي.عندما يكون ذلك ممكنًا، وضح العلاقة بين التصادم بين فتحات الصمامات الموجودة على لوحة الصمام ومقاومة الحاجز.ترتبط هذه العوامل ارتباطًا وثيقًا بفحص الدائرة.

● ارجع إلى الكتب والمواد ذات الصلة للعثور على أساس الحكم على خصائص الأجهزة الهيدروليكية، ومن ثم الحكم عليها.

●وفقًا لصفحات الويب والكتب وأدلة تعليمات المعدات ذات الصلة، استكشف آلية الفشل وطرق الاختبار التحليلي ذات الصلة.

● تحليل عدم وجود ضغط في الاسطوانة الرئيسية

كما هو موضح في الشكل، تستخدم الأسطوانة الرئيسية للآلة الهيدروليكية ذات الأربعة أعمدة صمام تعبئة السائل لتحقيق حركة هبوطية سريعة.غالبًا لا تحافظ الأسطوانة الرئيسية على الضغط.تتمتع هذه الآلة بمتطلبات الاحتفاظ بالضغط، وتتطلب عمومًا انخفاضًا في الضغط بمقدار <2 إلى 3 ميجاباسكال خلال 10 دقائق.

تحليل: إذا لم تحافظ الأسطوانة الرئيسية على الضغط فلابد أن يكون هناك تسرب لزيت الضغط.ومن التحليل التخطيطي فهو مرتبط بدائرة الزيت ولا يوجد أكثر من 5 مكونات تسبب التسرب.

● الأنابيب والمفاصل: الإجهاد، سوء اللحام، الشقوق، وما إلى ذلك؛

● عقد صمام فحص الضغط: الختم السيئ؛

●جسم صمام التعبئة: ختم رديء أو مقعد صمام فضفاض؛

● قضيب دفع زيت التحكم في صمام التعبئة: أطول قليلاً، ارفع وأفرغ البكرة الصغيرة

●مكبس الأسطوانة الرئيسية (جلبة التوجيه): حلقة الختم تالفة.

طريقة الاستبعاد: وفقا لنتائج التحليل، يتم الفحص والاستبعاد من البسيط إلى المعقد، ومن الخارج إلى الداخل.

قم أولاً بفحص الأنابيب والوصلات (من البسيطة إلى المعقدة، ومن الخارج إلى الداخل)، وقم بإجراء اللحام الأولي عند اللحام السيئ والشقوق.من الأفضل إزالة الأختام الدائرية عند المفاصل وتسخين الانحناءات باستخدام لحام الأكسجين لتتحول إلى اللون الأحمر، ثم ضع الجوز برفق، وانتظر التبريد والإعداد قبل التجميع.

إذا لم تكن هناك عيوب في خطوط الأنابيب والمفاصل، فتحقق من صمام عدم الرجوع الذي يحافظ على الضغط (من الخارج والداخل)، وقم بإزالة سدادة صمام عدم الرجوع، وتلميع خط الختم الخاص به، وطحنه بمقعد الصمام، وتنظيفه وتجميعه.

بعد فحص صمام الفحص، إذا كانت الأسطوانة الرئيسية لا تزال غير قادرة على الحفاظ على الضغط، فتحقق من صمام التحكم الخاص بصمام التعبئة (من الخارج والداخل)، وقم بإزالة قضيب زيت التحكم وحظر زيت التحكم للتحقق من الحفاظ على الضغط؛إذا كان من المستحيل الحفاظ على الضغط للتأكد من أن المضرب طويل أم لا، فقم برمل نهاية المضرب.بعد فحص قضيب الدفع، لا يمكن الحفاظ على الضغط.يجب فحص صمام التعبئة.الغرض الرئيسي هو التحقق مما إذا كان خط الختم وحلقة المقعد مفكوكين.قم بتلميع أو طحن أو إعادة تجميع حلقة المقعد.

بعد فحص صمام التعبئة، لا يمكن الحفاظ على الضغط، ويمكن تحديد أن حلقة ختم الأسطوانة الرئيسية تالفة، ويمكن إزالتها واستبدالها.