Индикаторная диаграмма

При проектировании приводов прессовых машин, а также в период их эксплуатации используют индикаторные диаграммы. Индика­торная диаграмма — это график изменения давления р в полости цилиндра в зависимости от пути S поршня.

Индикаторные диаграммы снимают с помощью специальных приборов — индикаторов давления как при стендовых испытаниях машин, так и в период их эксплуатации. Площадь индикаторной диаграммы — это работа, совершенная механизмом, записанная в соответствующем масштабе. По площади индикаторной диаграммы и по ее форме судят не только о величине полезно затраченной работы, но и определяют характер неисправностей в данной машине. Если на вертикальной оси в некотором масштабе будет отложен путь поршня S , а по горизонтальной — давление р в полости цилиндра, то изображенные на индикаторной диаграмме точки и участки будут обозначать следующие моменты работы машины.

Индикаторная диаграмма отображает работу сжатого воздуха в цилиндре машины. Если процесс рассматривается относительно единицы площади поршня, индикаторная диаграмма строится в координатах р— s , где s — высотные параметры механизма (рис. 11.8).

Точка 1 диаграммы соответствует началу подъема поршня. Давление воздуха на поршень должно быть достаточным, чтобы преодолеть силу тяжести поднимаемых частей машины с полезной нагрузкой Q и силу трения поршня о стенки цилиндра R :

где р - площадь прессовогопоршня, м²:

р - давление прессования, Па; р_о - давление воздуха в сети: р₀ = 0,5-0,6 МПа; F ₀ — площадь опоки в плане, м²:(F₀:F) = 1,8-2,2.

Силу тяжести поднимаемых частей машины с полезной нагрузкой и силу трения Q + R впредварительных расчетах рекомендуется принимать в пределах (0,1—0,15) рF₀

Ордината точки 1 диаграммы

где V₀ - объем вредного пространства, м³; s₀ - приведенная высота вредного пространства, м.

Точка 2 диаграммы соответствует такой высоте подъема поршня при которой выбирается зазор z между наполнительной рамкой и прессовой колодкой. Так как при этом допускается, что дополнительных сопротивлений, препятствующих движению поршня вверх, не возникает, то и давление воздуха в цилиндре должно остаться неизменным: p2=p1. При этом S₂ = So+z.

Точка 2а диаграммы соответствует началу внедрения прессовой колодки в объем наполнительной рамки.

Давление под прессовым поршнем растет с ростом сопротивления формы уплотнению. Так как начальная плотность смеси обычно превышает 1,0*10³ кг/м³ (1,0 г/см³) и составляет d₀=1,2—1,4 т/м³ (d₀= 1,2—1,4 г/см³), то давление воздуха под поршнем нарастает скачкообразно. Величина скачка (Па) пропорциональна разности d₀- 1:

где d₀ - начальная плотность смеси, г/см³; С — коэффициент уплотняемости смеси.

Ордината точки 2а S _{2 a} = S ₂ .

Точка 3 диаграммы соответствует концу процесса прессования, т. е. тому моменту, когда прессовая колодка, переместившись на всю высоту наполнительной рамки, запрессовала весь объем смеси, находившийся в ней, в опоку. В этот период плотность формовочной смеси в опоке достигает заданной и давление воздуха на прессовый поршень составит

где d - заданная плотность смеси, г/см³.

Это давление не должно превышать расчетного давления сжатого воздуха в сети.

Ордината точки 3 S ₃ = So + z + h , где h - высота наполнительной рамки, м.

Промежуточные точки п диаграммы определяют характер кривой линии на участке 2а-3, соответствующей изменению давления воздуха на единицу _f пло­щади поршня при его движении вверх. При движении поршня на участке 2а—3 прессовая колодка внедряется на глубину, равную высоте наполнительной рамки h, и смесь в опоке уплотняется до заданного значения d. В промежуточных положениях прессовой колодки h_n1 и h_п2 плотность смеси в опоке будет меньше заданной.

Промежуточные точки на участке 2а - 3 можно найти аналитически. Так, для точки n1 величина D hn  определяется по формуле (2.14) для высоты наполнительной рамки.

 (2.14)

где H - высота смеси после прессования ; h - высота наполнительной рамки; Vm - объем модели; f_o - площадь опоки; d n - средняя плотность смеси в опоке, соответствующая точке п индикаторной диаграммы.

Определим плотность смеси (г/см³) в промежуточных точках n₁и n₂, пользуясь выражением (11.1) для высоты наполнительной рамки:

Зная d_n1 и d_n2 находим удельные давления прессования из уравнения 11.2а:

Давление воздуха в прессовом цилиндре:

Ординаты точек n₁ и n₂ будут соответственно равны:

Точка 4 диаграммы соответствует моменту, когда на участке 3—4 диаграммы давление воздуха в цилиндре резко падает вследствие открытия выхлопного клапана. Прессовый поршень начинает опускаться. Движущей силой при этом будет сила тяжести подвижных частей машины и полезной нагрузки, силой сопротивления движению - трение поршня о стенки цилиндра и других подвижных частей о свои направляющие.

При этом

Точка 5 диаграммы соответствует концу опускания поршня в исходное положение:

На участке 5-1цилиндр наполняется воздухом.

Анализ индикаторной диаграммы. Работа прессования выражается на диаграмме площадью F_прав (2—2а—3—За—2). Таким же образом работа трения выражается на диаграмме площадью F_лев (1—За—4—5—1):

По отношению F_лев:F_прав, которое должно находиться в пределах 0,1—0,15, можно судить о совершенстве конструкции прессового поршневого механизма.

Индикаторный расход свободного воздуха на одно прессование (м³) с некоторыми допущениями можно найти, если из объема воздуха в точке 3, пересчитанного на атмосферное давление, вычесть количество воздуха, оставшееся во вредном пространстве после выхлопа (в точке 5 диаграммы):

 (11.4)

где F — площадь прессового поршня, м²; s — ход прессового поршня, м; v₀ — объем вредного пространства, м³; р_о — давление воздуха в сети, атм.

В форме допущено, что давление воздуха в точке 3 равно давлению воздуха в сети р₀ и что температура воздуха в процессе прессования не изменяется.

В практических расчетах при определении расхода воздуха на одно прессование необходимо также учитывать и протечку его через уплотнительные соединения поршневого механизма.

Площадь сечения впускного отверстия можно определить из уравнения сплошности потока воздуха откуда

где u_b — скорость воздуха в сети, м/с; u_n — средняя скорость подъема поршня при прессовании: u_п==0,015—0,02 м/с.