Jak projektować prasy hydrauliczne?

Jak projektować prasy hydrauliczne?

Masz może problem z projektem prasy hydraulicznej? Jeśli Twoja odpowiedź brzmi „tak”, to zapraszam Cię do przeczytania tego poradnika.

Dowiesz się w nim między innymi tego: jak projektować prasy hydrauliczne, na co zwracać uwagę oraz jak dobrać podzespoły wchodzące w skład układu hydraulicznego.

Czym jest prasa hydrauliczna?

Prasy hydrauliczne to urządzenia, które wykorzystują energię cieczy hydraulicznej w celu generacji siły nacisku. Korzystanie z nich, jest o tyle opłacalne, że można dzięki nim uzyskiwać bardzo duże siły, znacznie większe od tych, które są generowane przy pomocy pras mechanicznych.

Warto wspomnieć, że skoro prasa wykorzystuje energię ciśnienia cieczy hydraulicznej, to musi być ona wyposażona w odpowiedni system do jej przetwarzania. Mam tu na myśli nadanie tej cieczy odpowiedniej jakości, lepkości czy czystości, jak również i ciśnienia.

Im lepszy i bardziej skomplikowany system przetwarzania cieczy, tym większa cena takiego urządzenia i gabarytów. Warto również zaznaczyć, że niezależnie od miejsca, w którym taka prasa zostanie wdrożona, musi posiadać ona dostęp do cieczy hydraulicznej.

Przykład takiej prasy pokazano na poniższym rysunku.

Zasada działania prasy hydraulicznej

W zależności od tego, jak wielkiej siły potrzebujemy, konstrukcja takiej prasy może się różnić. Jedną z najprostszych odmian tego urządzenia jest zwykła prasa wyposażona w siłownik hydrauliczny. Jeżeli właśnie masz zamiar taką prasę zaprojektować, zachęcam Cię do przeczytania artykułu dotyczącego doboru siłownika hydraulicznego, w którym to znajdziesz istotne wskazówki.

Natomiast w tym akapicie skupie się na wyjaśnieniu zasady działania pras hydraulicznych, które są wyposażone w układ hydrauliczny zamknięty. Brzmi ciekawie? Układ ten to zintegrowane ze sobą dwa (lub więcej) cylindry, szczelnie zamknięte. Różnią się one oczywiście powierzchnią roboczą tłoków.

Przykład takiego układu pokazuje rysunek pod spodem:

Zasada działania takiej prasy korzysta z podstawowego prawa Pascala opisującego zjawisko stałości ciśnienia cieczy właśnie w zamkniętym układzie hydraulicznym. Co to znaczy? Już wyjaśniam.

Oczywiście – nie obejdzie się bez kilku wzorków. Mam nadzieje, że już się do tego przyzwyczailiście 🙂 .

Wiemy już, czym jest zamknięty układ hydrauliczny. Natomiast stałość ciśnienia tego układu oznacza, że wszędzie jest ono takie samo.

Symbolicznie jest to pokazane na rysunku, przez literkę, która jest w kilku miejscach pod tą samą postacią i bez indeksów. Skoro układ hydrauliczny (w analizowanym przypadku) składa się z dwóch cylindrów, to zapiszmy sobie zależności na ciśnienie w jednym i w drugim:

Gdzie:

F1 – siła nacisku tłoka cylindra 1,

S1 – pole powierzchni roboczej tłoka cylindra 1,

F2 – siła nacisku tłoka cylindra 2,

S2 – pole powierzchni roboczej tłoka cylindra 2.

Prawo mówi o tym, że ciśnienie jest stałe, wówczas możemy sobie te dwie zależności porównać:

Po przekształceniu tego wzoru otrzymamy:

Zasada działania pras hydraulicznych opiera się właśnie na powyższym równaniu. Dzięki niemu uzyskuje się tak duże siły, ponieważ mówi ono o tym, że siła wywierana na większym cylindrze jest zwiększona o iloraz pól powierzchni obydwu tłoków.

To znaczy, że im większe pole powierzchni drugiego tłoka tym dużo większa siła będzie generowana przez prasę. Mamy tu do czynienia ze zwiększaniem siły wejściowej. Daje to ogromne korzyści i pozwala na uzyskanie odpowiedniej dla nas siły.

Teraz możemy już tak ogólnie odpowiedzieć na postawione pytanie: Jak projektować prasy hydrauliczne? Odpowiedź brzmi: „Zaprojektuj konstrukcję tak, aby uzyskać taką siłę, jakiej potrzebujesz”.

Nie zostawię Was na tym etapie. Dalsza część wpisu będzie odpowiedzią na pytanie: Jak zatem projektować taką konstrukcję, by uzyskać siłę, jakiej potrzebuje?.

Warto tutaj zaznaczyć, że będzie to czasochłonny proces, pamiętaj, że zawsze możesz zlecić stworzenie Twojej prasy hydraulicznej inżynierom, którzy zajmują się tym codziennie.

Projektowanie pras hydraulicznych – krok po kroku

Projektowanie pras hydraulicznych można podzielić na takie etapy jak:

• część obliczeniowa – etap, w którym wykonuje się obliczenia, które prowadzą do uzyskania odpowiednich parametrów cieczy hydraulicznej, ciśnienia oraz siły wejściowej, tak by uzyskać satysfakcjonującą siłę wyjściową.
• dobór podzespołów – w tej części dobiera się napęd hydrauliczny, określa się gabaryty zamkniętego układu hydraulicznego oraz elementy konstrukcji.
• część projektowa CAD – etap, w którym należy wykonać projekt techniczny prasy hydraulicznej w systemie CAD. W tej części przenosimy wszystkie wyniki i dobrane części do przestrzeni wirtualnej.
• analiza wytrzymałościowa – tutaj wykonuje się symulację komputerową pod kątem wytrzymałości. Najczęściej wykonuje się taką analizę metodą elementów skończonych MES. Analiza ta może dotyczyć całości projektu bądź wybranych elementów jak np. konstrukcji, tłoka, narzędzia prasy, stempla.
• projekt układu hydraulicznego – w tej części należy wykonać projekt układu hydraulicznego potrzebnego do sterowania pracą prasy. Najczęściej jest on w formie dokumentacji 2D zawierającej schematy układu sterowania hydraulicznego wraz ze wszystkimi zaworami i zespołem przygotowania cieczy hydraulicznej, wyniki symulacji pracy tego układu oraz ewentualnych schematów układu sterowania elektrohydraulicznego.
• wykonanie dokumentacji technicznej prasy hydraulicznej – w tym końcowym etapie wykonuje się pełną dokumentację techniczną 2D, która zawiera w sobie wyniki wszystkich poprzednich części, rysunki wykonawcze elementów konstrukcji, rysunki złożeniowe całości czy też dokumentację montażową.

Pierwszy etap – część obliczeniowa

Ten etap opiera się praktycznie w całości na rysunku, który odzwierciedla zasadę działania pras hydraulicznych i prawu mówiącym o tym, że ciśnienie na całym obszarze zamkniętego układu hydraulicznego jest stałe.

Najczęściej jest tak, że ktoś, kto ma zamiar zaprojektować prasę hydrauliczną, zna tylko siłę, z jaką chce oddziaływać przy jej pomocy. Od tego zaczynamy część obliczeniową.

W tym miejscu również należy sprawdzić, czy potrzebną siłę zagwarantuje nam jeden siłownik hydrauliczny. Wówczas należy założyć, jakie maksymalne ciśnienie jesteśmy w stanie uzyskać, jeśli mamy pompę hydrauliczną.

Jeśli jednak nie – polecam sprawdzić w katalogach od producentów, do jakiego ciśnienia mogą pracować siłowniki. Następnie należy założyć wartość ciśnienia, jakim będziemy zasilać siłownik hydrauliczny za pomocą wzoru:

Muszę zwrócić uwagę, że we wzorze siła to siła wysuwu siłownika (siła pchająca) i jest to właśnie ta siła, z jaką chcemy oddziaływać za pomocą naszej prasy. Oczywiście fachowo, nazywa się ją teoretyczną siłą wysuwu, albo teoretyczną siłą pchającą. Dlatego też zaleca się dawanie do wzoru wartości o 20% większej. Po przekształceniu wzoru otrzymamy:

Z powyższego wzoru wyznacza się wartość pola powierzchni wymaganego. Teraz należy z tego „wyciągnąć” średnicę tłoka. Jak wiadomo, tłok jest okrągły, także pole przekroju poprzecznego będzie wyrażone jako:

Przekształcając wzór:

Jeśli nie radzisz sobie z obliczeniami, zawsze możesz wynająć inżyniera, który wyjaśni, a nawet zajmie się obliczeniami za Ciebie!

Drugi etap – dobór podzespołów

Mając wyliczoną średnicę, możemy już dobrać odpowiedni siłownik, który będzie pracował na założonym ciśnieniu.

W tym momencie może się zdarzyć, że wyliczona średnica okaże się zbyt duża lub cena tak dobranego siłownika będzie nieodpowiednia. Wówczas należy skorzystać z zamkniętego układu hydraulicznego i wzmocnić siłę wyjściową za pomocą wzoru dostępnego na początku wpisu (zasada działania prasy hydraulicznej).

Jeżeli nie mamy dostępu do pompy hydraulicznej, to wówczas należy ją dobrać w taki sposób, aby gwarantowała ona ciśnienie, które założyliśmy w obliczeniach. Parametry techniczne pompy należy dobrać według uznania. Podobnie jest w kwestii silnika napędzającego pompę.

Trzeci etap – projektowanie CAD

Jak już wspominałem, w tej części przechodzimy do zaprojektowania naszej prasy w środowisku wirtualnym CAD. To znaczy, że będziemy wykonywać model 3D prasy hydraulicznej zachowując przy tym wszystkie jej gabaryty, cechy oraz dobrane części i materiały. (Jeśli masz z tym problemy, to skontaktuj się z nami, a pomożemy w tej sprawie!).

Model CAD ma pokazywać naszą wizję i odzwierciedlać w jak najlepszym stopniu końcowy wyrób projektu. Pokażę Ci przykładową prasę hydrauliczną zaprojektowaną w CAD.

Pokazany model przedstawia integralną część prasy, czyli siłownik hydrauliczny oraz konstrukcję i inne podzespoły wchodzący w skład jej budowy. Można się zapytać, po co projektować w CAD?

W dzisiejszych czasach jest to już niemal obowiązkowym etapem w procesie projektowania. Dzięki temu koszt wykonania pierwszego wyrobu jest dużo tańszy, ponieważ dzisiejsze systemy wspierające proces projektowania pozwalają na przeprowadzenie symulacji i analiz warunków bardzo zbliżonych do tych, jakie występują w rzeczywistości.

Dzięki temu nie wymaga się już budowy prototypu i jego testowania. Tak naprawdę bardzo dobrze zaprojektowany model CAD może być tym prototypem i to na nim można zbadać wszystkie interesujące nas cechy i własności.

Jakie jeszcze płyną z tego korzyści? Równie ważną kwestią będzie fakt, że model CAD jest bardzo pomocny przy tworzeniu dokumentacji technicznych 2D, o których powiem w dalszej części wpisu. Kolejną ważną korzyścią jest to, że dzięki modelowi CAD możemy wykonać fotorealistyczne wizualizacje, które są bardzo przydatne do kampanii marketingowych czy prezentacji projektu. Taka wizualizacja może wyglądać na przykład w taki sposób:

Czwarty etap – analiza wytrzymałościowa

Do tego etapu przechodzimy, mając już gotowy model CAD. W tym miejscu najczęściej przeprowadza się symulacje kinematyczno-dynamiczne bądź analizy wytrzymałościowe. Jeśli chodzi o prasy hydrauliczne, to nie są one wyposażone w jakiś łańcuch kinematyczny, nie ma tutaj za bardzo mechanizmów.

Jedyny ruch, jaki jest wykonywany to ruch tłoka siłownika bądź tłoczysk zamkniętego układu hydraulicznego. Dlatego też analizy dynamiki mogą dotyczyć jedynie tego ruchu, nie przeprowadza się ich jednak zbyt często. Prędzej wykonuje się symulacje przepływu cieczy hydraulicznej.

Przejdźmy jednak do rzeczy.

Mówię o różnych typach symulacji i analizy. Faktem jest to, że etap 4 to głównie analiza. Najczęściej analiza ta jest wykonywana pod kątem wytrzymałości metodą elementów skończonych MES.

Co jest analizowane? W prasach hydraulicznych najbardziej narażonym elementem na odkształcenia jest narzędzie tej prasy albo tłoczysko. Dlatego też często wykonuje się właśnie analizy MES dla tych dwóch elementów.

Jak wykonać taką analizę? Przedstawię Wam ten proces na przykładzie analizy MES wykrojnika do prasy hydraulicznej. Pierwszym krokiem jest zdefiniowanie typu analizy, jaki chcemy wykonać.

Nie będę wchodził w szczegóły, jednak jeśli chcesz dowiedzieć się więcej, to zapraszam do kontaktu do naszego biura: kontakt@wynalazca.tv. Po wybraniu typu analizy należy zdefiniować materiały, z jakich są wykonane poszczególne części, bądź część, która jest poddana badaniu.

Kolejnym krokiem jest definicja połączeń i relacji, jakie występują pomiędzy elementami. Chyba nie muszę wspominać o tym, że definicje te powinny odzwierciedlać połączenia wykonane w złożeniu, a przede wszystkim te, które będą miały miejsce w ostatecznym modelu rzeczywistym.

Następnym krokiem jest definicja obciążeń, jakie działają na badany element. Tutaj ważne jest, aby dobrze zdefiniować siły reakcji powstające na skutek działania generowanej siły przez prasę. Jeśli np. analiza dotyczy narzędzia, to siły reakcji działające na niego powinny mieć podobną wartość zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona.

Po odpowiednim zdefiniowaniu wszystkich powyższych kwestii należy nałożyć siatkę na model. Czym ona jest? Jest to struktura punktów narzucona na Twój model w analizie MES o pewnej szczegółowości (szczegółowość należy rozumieć jako ilość punktów przypadających na daną powierzchnię).

Pewnie już domyślacie się, do czego służy siatka. Otóż analiza numeryczna w MES oblicza stan wytrzymałości według wcześniej wyznaczonych kryteriów dla wszystkich punktów siatki i tym samym odzwierciedlając stan wytrzymałości badanego modelu. Dzięki siatce możemy zaobserwować w wynikach analizy, w których miejscach model może zostać zdeformowany, a w których wszystko jest w porządku.

Teraz ważna kwestia – im większa szczegółowość siatki tym obliczenia będą bardziej skomplikowane, a moc obliczeniowa naszego komputera może sobie z nimi nie zawsze poradzić. Natomiast jeśli szczegółowość siatki jest za mała, to wówczas badanie może pominąć kluczowy punkt siatki, w którym badany model jest bardzo obciążony. Taka sytuacja może doprowadzić do tego, że użytkownik błędnie oceni wytrzymałość modelu CAD. Dlatego też niezwykle ważnym jest odpowiednio definiować parametry siatki. Na obrazku pod spodem widać dokładnie jak wygląda omawiana siatka.

Piąty etap – projekt układu hydraulicznego

Kolejnym etapem jest wykonanie projektu układu hydraulicznego napędzającego prasę. Tutaj muszę zaznaczyć, że tak właściwie etap 5 może być wykonany przed projektem CAD prasy hydraulicznej. Dlaczego? Ponieważ często modele CAD uwzględniają również elementy wchodzące w skład układu hydraulicznego jak np. wyspy zaworów hydraulicznych, przewody, rury, złączki, pompę, sterowniki itp.

Jeśli projekt wymaga tak zaawansowanego modelu CAD, to wówczas zalecam tuż przed projektem CAD zająć się zaprojektowaniem układu hydraulicznego. Albowiem to właśnie tutaj analizuje już prasę hydrauliczną nie pod kątem mechaniki, konstrukcji, a hydrauliki. To w tym miejscu zajmujemy się analizą układu sterowania przepływem czynnika roboczego, którym niewątpliwie jest ciecz hydrauliczna.

Jak to w ogóle przebiega? Jak zaprojektować układ hydrauliczny? W jednym wpisie dotyczącym struktury pneumatycznej napisałem, że hydraulika jest podobna do pneumatyki. I tak właśnie jest. Dzięki tym podobieństwom zasady projektowania takich układów są bardzo podobne.

Pierwszą i niezwykle ważną kwestią jest określenie sposobu działania prasy, czyli tego, jakie ruchy ma wykonywać narzędzie, a tym samym tłoczysko siłownika w przestrzeni czasu.

Kiedy ma się ono wysunąć, kiedy schować i jak często ma być powtarzana ta czynność. Bardzo pomocne jest sporządzenie odpowiedniego grafu, który nazywa się cyklogramem pracy. Jeśli nie wiesz jak taki graf wykonać, to możesz śmiało do nas napisać, a pomożemy Ci z tym zadaniem. Przykładowy cyklogram pracy wygląda następująco:

Jeśli masz cyklogram pracy, to możesz przejść do projektowania układu hydraulicznego.

Jeśli natomiast projektowana prasa hydrauliczna miałaby pracować w sposób półautomatyczny bądź automatyczny, to wówczas układ hydrauliczny byłby bardziej skomplikowany i wyposażony w drugi obwód elektryczny, bądź elektroniczny, który „decydowałby”, kiedy i w jaki sposób ma być realizowana praca prasy. Wówczas taki układ byłby elektrohydraulicznym. Przykład poniżej.

Program FluidSIM oferuję w swoich funkcjach możliwość przeprowadzenia symulacji komputerowej, działania zaprojektowanego układu hydraulicznego bądź elektrohydraulicznego.

Dzięki temu mamy możliwość już na etapie projektowania sprawdzenia poprawności jego działania. Dobrze zaprojektowany układ hydrauliczny może być już zaimplementowany do naszej prasy. Wystarczy tylko spisać listę części potrzebnych do jego stworzenia i znalezienia odpowiednich modeli CAD oraz uwzględnienia ich w ogólnym projekcie.

Ponadto istnieje możliwość wykonania prostej animacji, która pokazywałaby sposób działania układu hydraulicznego, co można zawrzeć w dokumentacji technicznej projektu bądź w formie animacji do celów reklamowych i marketingowych.

Szósty etap – wykonanie dokumentacji technicznej prasy

Ostatni etap przed nami. Tak naprawdę jest to kompletne podsumowanie wszystkiego, co zostało zrobione w projekcie i „wpakowanie” tego do jednego miejsca w formie dokumentacji technicznej 2D. Dokumentacja ta może mieć kilka form. Może być to dokumentacja techniczno-ruchowa, która pokazuję złożenie całej prasy w formie rysunków złożeniowych i wykonawczych, zawierających informacje dotyczące wykonania poszczególnych części (jeśli nie są kupowane, znormalizowane).

Równie dobrze dokumentacja może być w formie instrukcji składania zaprojektowanej prasy hydraulicznej. Ponadto może ona zawierać instrukcje jak złożyć układ hydrauliczny i zamontować go w prasie hydraulicznej. Jednakże kompletna dokumentacja techniczna powinna zawierać w sobie wszystkie powyższe formy.

Podsumowanie – Jak projektować prasy hydrauliczne?

To już wszystko, jeśli chodzi o projekt prasy hydraulicznej. Mam nadzieje, że tym wpisem przybliżyłem Wam najważniejsze kwestie związane właśnie z tym procesem. Należy pamiętać, że proces ten będzie długi i czasochłonny, ale z odrobiną praktyki będziecie coraz lepsi i szybsi.

Jeśli jednak macie jeszcze jakieś pytania to zapraszam do kontaktu do naszego biura.

Jeśli potrzebujesz POMOCY w konstruowaniu swoich wynalazków oraz tworzeniu prototypów, skontaktuj się z nami, a na pewno razem jakoś podziałamy! >SZYBKI KONTAKT<

Literatura:
[1] "What Hydraulic Press Machine Is"
[2] "Advantages of Hydraulic Presses". MetalFormingFacts.com.