1BULEA HORATIU PROIECTAREA DISPOZITIVELOR 2003

2

3

[STĂ] I. Stănescu şa. Dispozitive pentru maşini unelte. Proiectare, construcţie. E.T. Bucureşti, 1979

[ŢIP]] I.A.Ţiporin şa. Construcţia dispozitivelor pneumatice şi pneumatice. E.T. Bucureşti, 1962

[VAS] S. Vasii-Roşculeţ şa. Proiectarea dispozitivelor. E.D.P. Bucureşti, 1982

[CAR] *** Jig and Fixture Handbook, Carr Lane Manuf. Co, third edition, USA

[ION] Fl. Ionescu şa. Mecanica fluidelor şi acţionări pneumatice şi pneumatice. E.D.P. Bucureşti, 1982

[OPR] A. Oprean. Hidraulica maşinilor unelte. EDP. Bucureşti, 1983

STAS 7145-* (corespunde ISO 1219-*) Semne convenţionale. Acţionări hidrostatice şi pneumostatice

STAS 6965/1-* (corespunde ISO 5598-*) Terminologie. Acţionări hidrostatice şi pneumostatice

Documentaţie firme

[CAR] Carr Lane Manuf. Co. USA, www.carlane.com

[ROE] Roemheld Gmbh. Germania, www.roemheld.com

[PAR] Schraeder Bellow, USA, www.parker.com

[SMC] SMC, GB, www.smcpneumatics.co.uk

4

Dispozitivele de prindere cu sisteme pneumatice de fixare a semifabricatelor păstrează majoritatea

avantajelor dispozitivelor acţionate hidraulic şi au ca agent de lucru aerul comprimat la o presiune de

4..4,5 MPa

AVANTAJE:

- este diminuat efortul depus de operator datorită motoarelor pneumatice care realizează forţele de

fixare

- creşte productivitatea datorită timpului redus de acţionare

- se pretează la automatizare

- pot fi alimentate şi comandate simultan mai multe dispozitive având posibilitatea de realizare a unor

comenzi centralizate

- majoritatea elementelor constructive ale unui sistem pneumatic sunt tipizate proiectarea fiind foarte

uşoară iar unele componente (motoare pneumatice) sunt chiar şi standardizate

- uleiul introdus in ungator asigură automat ungerea componentelor în mişcare din circuitul

pneumatic

- actualmente unităţile de putere pneumatice, sunt compacte, putând fi plasate pe MU sau alături,

montate şi demontate foarte rapid;

5

DEZAVANTAJE:

-dispozitivele acţionate pneumatic nu sunt silenţioase, în comparaţie cu cele acţionate hidraulic.

-folosirea dispozitivelor acţionate pneumatic nu se justifică din punct de vedere economic decât pentru serii

mijlocii şi mari de fabricaţie

-consum energetic ridicat datorită pierderilor de aer comprimat.din retea şi tehnologic

-există pericol de coroziune care apare la sistemele acţionate pneumatic din cauza vaporilor de apă;

6

Schema de principiu a unei acctionari pneumatice.

Fig. 1

1-acumulator

2-robinet

3-filtru cu ungator

4-regulator de presiune

5- manometru

6-

7-Supapă de siguranţă

8-Supapă de sens unic

9-Distribuitor

10-Motor pneumatic

11-Drosele

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11

retea aer comprimat

7

În construcţia de dospozitive de prindere se utilizează frecvent motoarele pneumatice liniare (MPL) şi motoarele

pneumatice cu membrană.

Caracteristicile motoarelor pneumatice

- caracteristici statice : presiune-debit;

- caracteristici mecanice: forţă-viteză pentru MPL;

Performanţele motoarelor pneumatice [ION]

Fig. 2

a

b

c

d

2F

F

F

F F

8

Cele mai des întâlnite pneumatice liniare utilizate în acţionarea dispozitivelor de prindere sunt reprezentate în figura de

mai sus.

Funcţie de natura agentului care lucrează în cele două camere ale cilindrului MPL se clasifică în:

- MPL cu acţiune simplă (simplu efect) la care readucerea la poziţia iniţială se face pe cale nepneumatică (arc), fig. 2a

- MPL cu acţiune dublă (dublu efect), fig. 2 b.

Funcţie de tipul tijei pistonului:

- MPL cu tijă bilaterală (fig. 2 d)

- MPL cu tijă unilaterală (fig. 2a,b,c)

Motor pneumatic pentru forţe mari (fig. 2 c)

Fig. 3 Motor pneumatic cu membrană cu dublu efect

9

Fig. 4 Posibilităţi de montaj ale cilindrilor pneumatici.

10

11

Acţionarea pneumohidrostatica a dispozitivelorreprezintă modul de acţionare mecanizat prin care forţade acţionare este realizată cu ajutorul aerului comprimatşi al uleiului mineral sub presiune ce lucrează în unităţipneumohidrostatice cunoscute sub denumirea demultiplicatoare ( amplificatoare) pneumohidrostatice.Energia aerului comprimat este util izată pentrurealizarea unui salt de la presiunea joasă a acestuia lapresiunea înaltă a uleiului folosit în motorul hidraulic cedezvoltă forţele de acţionare mult mai mari decât laacţionarea pneumatică în instalţii mai simple,mai ieftineşi care necesită un volum de ulei mult mai mic decât

i n s t a l a ţ i i l e h i d r a u l i c e . .

12

Fig.5 Schema de principiu al unui multiplicator pneumohidraulic

•pu

pu

pa1

2

3

4

7

6

5

8

1-cilindru de joasă presiune

2-piston hidraulic

3-cilindru de inaltă presiune

4-conducte de ulei

5-motor hidraulic

6-tija motor hidraulic

7-semifabricat

8-distribuitor

13

Fig. 6 Acţionare pneumohidrostatică cu piston.

14

Multiplicatoarele pneumo hidrostatice pot fi:

1. Cu acţiune directă ce asigură fixarea semifabricatelor într-o singură fază

2. Cu actiune succesivă ce asigură fixarea semifabricatelor în două faze şi anume:fixare prealabilăcu o valoare mică a forţei de fixare şi fixare definitivă cu forţa de fixare necesară

Din punct de vedere constructiv aceste multiplicatoare pot fi separate, ataşate, sau incluse în corpul dispozitivului sau pot fi cu piston sau cu membrană

Fig. 7 [VAS]

b

c

a

15TUDOR PĂUNESCU PROIECTAREA DISPOZITIVELOR 2003

16

17

[STĂ] I. Stănescu şa. Dispozitive pentru maşini unelte. Proiectare, construcţie. E.T. Bucureşti, 1979

[ŢIP]] I.A.Ţiporin şa. Construcţia dispozitivelor pneumatice şi hidraulice. E.T. Bucureşti, 1962

[VAS] S. Vasii-Roşculeţ şa. Proiectarea dispozitivelor. E.D.P. Bucureşti, 1982

[CAR] *** Jig and Fixture Handbook, Carr Lane Manuf. Co, third edition, USA

[ION] Fl. Ionescu şa. Mecanica fluidelor şi acţionări hidraulice şi pneumatice. E.D.P. Bucureşti, 1982

[OPR] A. Oprean. Hidraulica maşinilor unelte. EDP. Bucureşti, 1983

STAS 7145-* (corespunde ISO 1219-*) Semne convenţionale. Acţionări hidrostatice şi pneumostatice

STAS 6965/1-* (corespunde ISO 5598-*) Terminologie. Acţionări hidrostatice şi pneumostatice

Documentaţie firme

[CAR] Carr Lane Manuf. Co. USA, www.carlane.com

[ROE] Roemheld Gmbh. Germania, www.roemheld.com

[PAR] Schraeder Bellow, USA, www.parker.com

[SMC] SMC, GB, www.smcpneumatics.co.uk

18

Dispozitivele de prindere cu sisteme hidraulice de fixare a semifabricatelor păstrează majoritatea

avantajelor dispozitivelor acţionate pneumatic (vezi cursul Acţionarea pneumatică a dispozitivelor), la

acestea adăugându-se alte avantaje care decurg din două proprietăţi esenţiale: uleiul este practic

incompresibil; presiunile de lucru sunt mult mai mari decât ale aerului comprimat (uzual se lucrează

cu ulei la 400 bar faţă de aerul comprimat care are 6 bar).

- datorită presiunilor mari diametrele motoarelor de acţionare sunt mult mai mici, în consecinţă

gabaritul dispozitivelor acţionate H este mai mic decât a celor acţionate P;

- din motivul expus mai sus, se elimină necesitatea utilizării unor amplificatori de forţă mecanici, fapt

ce duce la mărirea compactităţii sistemelor de fixare, la simplificarea lor constructivă, la mărirea

rigidităţii;

- controlabilitatea parametrilor uleiului este mai bună decât a aerului comprimat, de unde rezultă o

controlabilitate superioară a forţelor aplicate, a timpilor de răspuns, transmiterea forţelor de strângere are

loc fără şocuri (uleiul este practic incompresibil);

19

- uleiul asigură automat ungerea componentelor în mişcare din circuitul hidraulic, nu există

coroziunea care apare la sistemele acţionate P din cauza vaporilor de apă;

- forţele mari de fixare, gabaritul mic al sistemelor de strângere acţionate H fac posibilă plasarea pe

acelaşi dispozitiv a mai multor semifabricate, fenomen avantajos dpdv economic;

- dacă mecanismele acţionate H au autofrânare, sau sistemul este prevăzut cu acumulatori H, motorul

electric al unităţii de putere este conectat doar în perioadele când este necesară strângerea sau desfacerea

semifabricatului, fapt care duce la reducerea consumurilor de curent electric;

- actualmente unităţile de putere H au dimensiuni mici, sunt compacte, putând fi plasate pe MU sau

alături, montate şi demontate foarte rapid;

- dispozitivele acţionate H sunt silenţioase, în comparaţie cu cele acţionate pneumatic.

20

1. Presiuni de lucru ale uleiului [Car] :

- presiunea nominală ≈ 400 bar;

- presiunea maximă (rezervă 25 %) < 500 bar;

- presiunea minimă ≈ 100 bar.

2. Fluidul de lucru: ulei mineral pentru instalaţii hidrauluice STAS 9506-**;

3. Temperaturi de lucru (DIN ISO 1219):

- temperatura mediului = -10 0 C ... 50 0 C;

- temperatura uleiului = +10 0 C ... 60 0 C;

- într-un sistem H închis la o variaţie de 1 F presiunea creşte cu ≈ 6 bar. Protecţia se realizează prin

supape de siguranţă.

4. Viteze admisibile ale pistonului motorului hidraulic liniar (DIN ISO 1219): 0.01 m/s … 0.25 m/s.

5. Sisteme de conectare a subsistemelor dispozitivului acţionate hidraulic:

5.1. Tubulatură plasată deasupra plăcii de bază a dispozitivului.

5.2. Tubulatură plasată dedesubtul plăcii de bază a dispozitivului.

5.3. Sisteme cu căi pentru uleiul hidraulic integrate în placa de bază a dispozitivului.

5.4. Sisteme cu căi pentru uleiul hidraulic integrate în placa de bază a dispozitivului şi alezaje pentru

instalarea modulelor.

21

6. Timpii de fixare [CAR]

Notaţii:

- t1: timp de expansiune a uleiului la presiune joasă;

- t2: timp de aplicare a forţei finale, uleiul este la presiune înaltă;

Timplu t1 se calculează în ipoteza că volumul de ulei necesar expansiunii fiecărui sistem al dispozitivului

este cunoscut, deasemenea se cunoaşte şi debitul pompei.

d

lVt

1

[1]

Unde V este volumul de ulei cerut de toate sistemele dispozitivului, l este procentul din cursa totală

acoperit în t1 (uzual 50%), d este debitul.

Una din căile de reducere a t1 este de a plasa sistemle de fixare cât mai aproape de suprafeţele de

strângere ale semifabricatului (V scade).

După ce se efectuează cursa de apropiere este necesară pomparea unui volum suplimentar de ulei

pentru a se atinge presiunea nominală de lucru. Timpul asociat, t2 depinde de: compresibilitatea uleiului

(4% la o presiune de 500 bar); de expansiunea conductelor (0.05 mm/1m); volumul de încărcat în

acumulator (dacă există). Relaţia de calcul este similară rel. 1.

Pentru a reduce timpul de fixare se setează presiunea de declanşare a supapei de succesiune la o

valoare cât mai mică posibil. Dacă sunt mai multe supape de succesiune se setează diferenţele de

presiune la valori minime (vezi fig. 12).

22

7. Schema de principiu a unei acctionari hidraulice.

Componente specifice ale acţionării hidrostatice a dispozitivelor de prindere

Fig. 6 Fig. 7

Supape normal închise (SNI fig. 6a), supape normal deschise (SND fig. 6b). SNI se folosesc ca supape de siguranţă

(supape maximale, vezi schema din fig. 7a) unde se utilizează pentru protecţia sistemului la suprapresiuni. SNI din fig. 7b se

foloseşte ca protecţie a sistemului H şi la menţinerea în circuit a unei anumite presiuni constante advând rolul de supapă de

deversare.

23

Supape de sens unic (unisens SR) sunt SNI care au rolul de a permite fluidului să treacă într-un singur sens. Se montează

pe conducta de aspiraţie sau de refulare în imediata apropiere a pompei, pentru a nu permite sistemului H să se golească de

fluid în timpul opririi pompei. Lipsa supapei de reţinere poate duce la dezamorsarea pompei dacă acesta este plasată

deasupra nivelului fluidului din rezervor. SR funcţionează tot timpul, deci introduc o rezistenţă H, care trebuie să fie cât mai

mică.

Supape de contrapresiune (SCP) au o construcţie similară SR şi se folosesc pentru crearea unei contrapresiuni pe

conducta de evacuare, cu efecte benefice asupra mişcării uniforme a motorului

Fig. 9a

Fig. 9b [CAR]

Supapele unisens pilotate permit menţinerea strângerii

semifabricatului chiar dacă porţiunea din circuitul H între unitatea de putere

şi dispozitivul de prindere pierde presiune din cauza unei defecţiuni.

Supapa menţine presiunea din circuitul H din aval până la o comanda prin

linia pilot care o deschide.

24

În construcţia dispozitivelor de prindere se utilizează reazeme suplimentare care rigidizează semifabricate strângând

pe aceeaşi direcţie cu două forţe egale şi opuse. Dacă strângerea se face cu doi cilindri H plasaţi în opoziţie şi nu se prevăd

supape unisens pilotate sistemul nu va funcţiona deoarece la împingerea pe o direcţie nu se opune nici o rezistenţă.

Obs. Comanda pilotată (comanda indirectă): poziţia elementului mobil este determinată de modificarea presiunii de comandă

pe un element suplimentar (pilot de comandă)

Fig. 9c

25

Supape de reducţie (SRE, vezi fig, 10) sunt supape de reglare normal deschise cu drenaj extern, reglează presiunea în aval

la o presiune mai mică sau cel mult egală cu cea din amonte.

Multiplicator de presiune H (MuH) – efectuează multiplicarea directă a presiunii uleiului dintr-un circuit primar (joasă

presiune) într-unul secundar (presiune înaltă). MuH permit utilizarea uleiului la presiune joasă din circuitul MU şi amplifică

presiunea pentru necesităţile dispozitivului de prindere.MuH nu este destinat şi furnizării de debit ci doar are rolul de

multiplicare a presiunii, deci intră în acţiune numai după de organul de lucru a atins semifabricatul şi mişcarea a încetat.

Notaţii

- D1, p1, c1 - diametrul pistonului, presiunea, cursa pistonului

din circuitul primar

- D2, p2, c2 - diametrul pistonului, presiunea, cursa pistonului

din circuitul secundar

- ip- factorul de amplificare a presiuniiFig. 11a

2

2

1

1

2

2

22

2

11 ;

44

D

D

p

pi

Dp

Dp p

iar raportul de transmitere a curselor:

1 pc ii

Fapt ce argumenteză observaţi de mai sus referitoare la utilizarea multiplicatorului doar în faza statică, volumul de ulei

disponibil în multiplicator trebuie să acopere compresibilitatea uleiului ≈ 1% la p=150 bar, şi deformarea elastică a

conductelor ≈ 1cm3 la 1 m liniar de conductă la p=100 bar.

Supape de succesiune (SSU) sunt supape de reglare normal închise cu orificiul de ieşire legat la circuitul de presiune

(la consumator), reglează presiunea în amonte.

26

Fig 12 [ION] Locul de montare a droselului

a. Drosel pe conducta de

intrare a MH: fluidul care ajunge

la MH are pierderi, fluidul se

încălzeşte, fapt ce generază alte

pierderi în MH.

b. Drosel pe conducta de

evacuare: se elimină

dezavantajele de la montajul a.

c. Drosel în derivaţie: faţă

de b are un randament superior.

Drosele

Releul de presiune (presostat) conţine un contact electric acţionat la atingerea unei valori prereglate a presiunii de

intrare. Acesta poate fi folosit în două situaţii: la scăderea presiunii sub un prag (fenomen apărut de exemplu la pierderi mari

de ulei cauzate de spargerea unei conducte, distrugerea unei etanşări) presostatul decuplează electric pompa; când se

lucrează cu acumulator presostatul deconectează pompa dacă s-a atins presiunea nominală de lucru.

27

Acumulatorul hidraulic (AH) este un rezervor de energie hidrostatică şi are următoarle funcţii:

- asigură energia H pentru o periadă scurtă de timp în cazul căderii pompei;

- din considerente economice, când apar vârfuri de consum de scurtă durată (vezi fig 13) a dimensiona pompa pentru a

furniza debitul maxim este neeconomic;

- din motive funcţionale: AH asociat cu orificii de laminare este un amortizor eficient contra vibraţiilor conductelor,

vibraţiilor pompei etc.

Unităţi hidrostatice de putere (UHP*) Alimentarea cu agent fluidic se face de la o unitate de

putere compactă, care se instalează în proximitatea

dispozitivului, şi care poate furniza uzual presiuni p [100 ...

500 bar] şi debitele necesare aplicaţiilor tip dispozitiv de

prindere. Se urilizează curent trei variante de unităţi de

putere: cu acţionare electrică (UHPE), cu acţionare

pneumatică (UHPP) şi mai rar manuală (UHPM). Acestea

conţin câte o pompă, rezervor, aparatură de control şi

siguranţă şi au capacitatea de a alimenta dispozitive care

utilizează motoare hidraulice cu simplu sau dublu efect, unul

sau mai multe dispozitive plasate pe plăci de bază diferite,

sau pe o singură placă.

Fig. 13 [ION]

28

În construcţia de dospozitive de prindere se utilizează frecvent motoarele hidraulice liniare (MHL) şi rar motoarele

hidraulice de rotaţie (MHR) cu paletă. Când se doreşte obţinerea unei mişcări de rotaţie, de obicei se utilizează soluţia MHL-

mecanism de transformare R-T.

Caracteristicile motoarelor hidraulice [ION]

- caracteristici statice H: presiune-debit;

- caracteristici mecanice: forţă-viteză pentru MHL, cuplu-viteză unghiulară pentru MHR;

- caracteristici de pierderi mecanice, hidraulice ( pentru Φ<32 mm pierderi ulei <= 0.35 cm3 pentru 1000 cicluri la cursă

de 100 mm, pentru Φ>40 mm pierderi ulei <= 0.7 cm3 în aceleaşi condiţii )

Performanţele motoarelor hidraulice [ION]

- precizia de deplasare a elementului efector al MH, element de performanţă important pentru sistemele cu reacţie

(feedback) de poziţie;

- frecvenţa de acţionare limită: frecvenţa proprie a elementului acţionat pentru care se obţine o viteză de răspuns dată în

condiţii impuse apriori. MH trebuie să aibă o frecvenţă proprie mai mare cu 2 ... 3 Hz decât frecvenţa elementului acţionat;

- performanţele tranzitorii;

- stabilitatea statică şi dinamică: stabilitatea statică-capacitatea MH de a restabili un nou regim staţionar la modificare

forşei sau cuplului rezistent în condiţiile în care timpul nevând un rol importnat; stabilitatea dinamică: ... timpul având un rol

important.

Performanţele de mai sus sunt realizate de către MH integrat în toată instalaţia hidraulică.

29

Fig. 14 [ION]

Cele mai des întâlnite MHL (cilindri hidraulici) utilizate în acţionarea dispozitivelor de prindere sunt reprezentate în figura

de mai sus.

Funcţie de natura agentului care lucrează în cele două camere ale cilindrului MHL se clasifică în:

- MHL cu acţiune simplă (simplu efect) la care readucerea la poziţia iniţială se face pe cale nehidraulică (mecanică-arc,

pneumatică ), fig. 13 c (cilindru cu poiston) şi d (cilindru plonjor sau cilindru cu plunjer);

- MHL cu acţiune dublă, fig. 13 a şi b.

Funcţie de tipul tijei pistonului:

- MHL cu tijă bilaterală (fig. 13 a) la care S1=S2 şi V1=V2;

- MHL cu tijă unilaterală (fig. 13 b cilindru diferenţial) la care S1≠S2 şi V1 ≠ V2;

30

MOTOARE HIDRAULICE CU SIMPLU EFECT VERSUS CU DUBLU EFECT

În majoritatea cazurilor sunt raţionale pentru acţionarea dispozitvelor motoarele hidraulice cu simplu

efect deoarece cele cu dublu efect sunt mai complicate, mai scumpe plus tubulatură dublă.

La motoarele hidraulice cu piston, cu simplă acţiune există riscul să pătrundă în camera cu arc

lichide de răcire ungere utilizate la aşchire, unele fiind agresive chimic.

Motoarele H cu dublu efect se utilizează dacă:

- acţionează lanţuri cinematice care opun rezistenţă apreciabilă la cursa de întoarcere;

- la dispozitive de gabarit mare, la care dacă s-ar utiliza motoare cu simplu efect viteza de întoarcere

ar fi puternic influenţată de forţele de frecare, vâscozitatea uleiului;

- la dispozitive de prindere automate la care este importantă sincronizarea acţiunii componentelor.

1. Motor liniar H, cu piston, cu dublă

acţiune, fără amortizare la capete de cursă, cu

corp filetat în capace.

p=200 bar; vmax=0.5 m/s;F1=9.8 ... 100.5 KN;

F2=5.7 ... 61.2 KN.

TIPURI DE MOTOARE LINIARE HIDROSTATICE

Fig. 15 [ION]

31

2. Motor liniar H, cu piston, cu dublă acţiune, cu

amortizare la ambele capete de cursă, cu corp filetat în

capace.

p=200 bar; vmax=0.5 m/s; F1=9.8 ... 100.5 KN; F2=5.7 ...

61.2 KN.Fig. 16 [ION]

SOLUŢIA CONSTRUCTIVĂ DE FRÂNARE A PISTONULUI LA CAPĂT DE CURSĂ

Fig. 17