Расчет потребного давления рабочей жидкости в гидроцилиндре

Инженерный расчет гидравлических прессов лучше начать с определения давления в гидроцилиндре Р_п в конце прессования продукта. Это давление будет зависеть как от конструкции пресса и его размеров, так и от вида продукта, подвергаемого прессованию.

В общем случае можно сделать расчет потребного давления рабочей жидкости рассмотренного выше вертикального однокамерного пресса (рис. 2.1).

При прессовании продукта от давления рабочей жидкости в гидроцилиндре и от давления прессуемого в камере прессования продукта, возникают соответствующие силы. Кроме этого силы тяжести деталей пресса, приводимых в движение плунжером, и сила сопротивления в уплотнении пресса также оказывают влияние на величину необходимого давления рабочей жидкости, поэтому ими пренебрегать нельзя.

Все указанные выше силы действуют в одном вертикальном направлении, поэтому можно составить уравнение этих сил, в котором их алгебраическая сумма на вертикальную ось (ось у) будет равна нулю, так как внешние силы отсутствуют Р_у = 0.

Из всех указанных сил только одна активная сила, действующая на плунжер, будет направлена вверх (см. рис. 2.1), а остальные силы сопротивления – противоположно ей (вниз). Таким образом, можно записать уравнение

                     Р_п = Р_к + S G + Р_уп,                                  (2.1)

где Р_п – сила, действующая на плунжер от давления рабочей жидкости в гидроцилиндре, Н;

Р_к – сила, действующая на камеру прессования, возникающая от давления прессуемого в этой камере продукта, Н;

SG – сумма весов всех подвижных частей пресса, приводимых в движение плунжером (сам плунжер, камера прессования и продукт в камере), Н;

Р_уп – сила, сопротивления, действующая в уплотнении пресса и тормозящая его движение вверх, Н.

Величину этих сил легко можно определить: сила, действующая на плунжер Р_п (Н):

                             ,                                             (2.2)

где ρ – давление рабочей жидкости в гидроцилиндре (см. рис. 2.1), в Па

        (Н/м²), пока нам неизвестное;

D_п – диаметр плунжера, м².

Сила, действующая на камеру прессования Р_к, Н:

                            ,                                             (2.3)

где q – удельное давление прессования продукта, Па. Эта величина известна из опытных данных и зависит от вида прессуемого продукта. (Например, известно, что для отжатия сока из винограда достаточно давление q = 1 МПа, для отжатия сока из яблок – q = 8 МПа, для отжатия какао масла необходимо q = 80 МПа и т.д.).

Сумма весов всех подвижных частей пресса S G, Н рассчитывается по известной методике для определения веса детали по заданным ее размерам и материалу как произведение ее объема на плотность материала.

Сила сопротивления в уплотнении пресса Р_уп, Н рассчитывается следующим образом.

Если представить себе уплотнение пресса в таком виде, как это показано на рис. 2.2 и уяснить, что уплотнение служит для удерживания рабочей жидкости в гидроцилиндре, находящейся под давлением r.

Между плунжером 1 и стенками гидроцилиндра 2 имеется зазор, в который устремляется наружу рабочая жидкость.

 

             

 

Рис. 2.2. Схема к расчету силы сопротивления в уплотнении

Уплотнение, которое конструктивно выполняется в виде набивок или манжет, перекрывает этот зазор и препятствует вытеканию жидкости из гидроцилиндра. Следовательно, в уплотнении также действует давление, величину которого с достаточным приближением можно считать равным давлению рабочей жидкости в гидроцилиндре ρ, (в манжетных уплотнениях как раз и используется давление рабочей жидкости для создания надежного ее уплотнения).

Следовательно, как показано на рис. 2.2 можно считать, что уплотнение прижимается к плунжеру давлением r, Па, что создает на поверхности контакта уплотнения с плунжером нормальную (т.е. направленную по нормали к поверхности плунжера) силу N (Н), величина которой будет:

                     N = ρ × F = ρ × p D _п × В,                                     (2.4)

где: F – площадь боковой поверхности плунжера, контактирующая с уплотнением, м²: F = p D _п × В;

   D_п – диаметр плунжера, м;

     В – ширина уплотнения, м.

Так как имеется нормальная сила N, то при движении плунжера возникает сила трения Т (Н), которая будет препятствовать продвижению плунжера вверх (поэтому сила Т направлена вниз) и величина ее составит

                        Т = f × N,            

где f – коэффициент трения материалов плунжера и уплотнения.

Следовательно, Т = f × ρ × p D _п × В.                                                 (2.5)

Таким образом, сила сопротивления в уплотнении Р_уп (Н) будет

                       Р_уп = m × Т,

где m – опытный коэффициент, который учитывает уплотнение (обычно m = 0,7 ¸ 1,0).

То есть Р_уп = m × ρ × p D _п × В.                                                        (2.6)

Теперь можно подставить значение найденных сил по формулам (2.2), (2.3), (2.6) в общее уравнение этих сил (2.1)

                    .

Легко заметить, что два члена полученного уравнения (первый и последний) содержат искомую величину давления рабочей жидкости в гидроцилиндре r, Па. Решив это уравнение относительно искомой величины, определим давление

                    .                                    (2.7)

Полученной формулой (2.7) обычно и пользуются для нахождения необходимого давления рабочей жидкости в гидроцилиндре вертикального пресса в зависимости от вида продукта, а также от размеров и конструкции деталей пресса.

Для определения давления в гидроцилиндре горизонтального пресса можно использовать тот же метод расчета, что и для вертикального. Разница лишь в том, что в данном случае вместо суммы весов всех подвижных частей пресса, берется сумма сил трения, вызванных скольжением этих частей по соответствующим направлениям. Так как сила трения, в общем случае, находится как произведение силы нормального давления на коэффициент трения, то в нашем, частном случае, необходимо взять произведение силы тяжести каждой подвижной части G _i (Н) на коэффициент трения этой подвижной части и свою направляющую f _i.

Таким образом, для горизонтального гидравлического пресса давлением рабочей жидкости в гидроцилиндре r (Па) можно определить по следующей формуле:

                    .                                    (2.8)

 

Производительность пресса

Описанные выше гидравлический отжимной пресс является машиной периодического действия, перерабатывающей порции продукта в течение определенного времени. Следовательно, для определения его производительности необходимо взять отношение массы продуктовой емкости пресса, загруженной в камеры прессования ко времени рабочего цикла обработки этой массы. Таким образом, производительность пресса П, (кг/ч) составит

                                 ,                                          (2.9)

где: m₀ – масса исходного продукта, загружаемого в одну камеру     прессования, кг;

   z – количество камер прессования;

Sτ – сумма промежутков времени, составляющих один рабочий цикл обработки исходного продукта от момента и до момента начала его загрузки в камеры прессования, мин.

В общем случае эта сумма времени Sτ, мин будет

                      ,                             (2.10)

где t _заг – время загрузки камер прессования пресса, мин;

t _пр – время прессования этой порции исходного продукта, от начала работы насоса до конца слива рабочей жидкости, мин;

t _выг – время выгрузки твердого остатка (жмыха) из камер прессования, мин;

t _всп – вспомогательное время на очистку камер прессования, их осмотр, подготовку пресса к следующему рабочему циклу, мин.