berekeningen aan een frame van een pneumatisch ...2 berekeningen aan een frame van een pneumatische,...
TRANSCRIPT
Berekeningen aan een frame van een pneumatisch,hydraulische persCitation for published version (APA):Braak, L. H. (1981). Berekeningen aan een frame van een pneumatisch, hydraulische pers. (DCT rapporten;Vol. 1981.005). Eindhoven: Technische Hogeschool Eindhoven.
Document status and date:Gepubliceerd: 01/01/1981
Document Version:Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record
Please check the document version of this publication:
• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can beimportant differences between the submitted version and the official published version of record. Peopleinterested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit theDOI to the publisher's website.• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and pagenumbers.Link to publication
General rightsCopyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright ownersand it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.
• Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain • You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.
If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, pleasefollow below link for the End User Agreement:www.tue.nl/taverne
Take down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us at:[email protected] details and we will investigate your claim.
Download date: 11. Jun. 2020
Berekeningen aan een frame van een pneumatisch, hydraulische pers.
Dr.ir. L.H. Braak
WE 81-05 maart 1981
Opdrachtgever: HONESS B.V. te Helmond
via : Bestuurscommissie
Contact en
Bedrijfsleven, T.H.E.
1
Inhoudsopgave
1 . I n l e i d i n g
2 . Modelvorming
3 . Berekening van h e t p r o t o t y p e
4. Confronta t i e metingen en berekeningen
5. Wijzigingen i n h e t p r o t o t y p e
6. Een nieuw ontwerp
2
4
6
10
1 1 15
2
Berekeningen aan een frame van een pneumatische, hydraulische pers.
I . Inleiding
De firma Honess B.V. te Helmond is een kleine machinefabriek, waar in hoofdzaak gereedschappen voor het ponsen, stansen en snijden
worden gemaakt. Om het bedrijf een bredere basis te geven is de ontwikkeling ter hand genomen van een pneumatisch, hydraulische pers. Deze pers met een maximale persdruk van 250 kN, heeft een grote uitlading nl. 300 mm., waardoor vrij grote platen bewerkt kunnen worden. Het frame van deze persen is uitgevoerd als een
open C-frame (zie fig. I ) . Voor het eerste prototype was dit frame vervaardigd uit twee massieve platen elk 25 mm. dik.
Bij het tweede prototype was de massieve plaat vervangen door een doosvormige constructie, waarbij de schetsplaten 10 nrm.
dik waren en de strippen 12 mm. (zie fig. 2 ) .
Verplaatsingsmetingen aan dit prototype toonden een te grote verplaatsing van het stempel. In punt A (fig. 1 ) werd een ver- ticale verplaatsing gemeten, die groter was dan 2 nun.
Via het Bureau Contacten Bedrijfsleven werd door de firma Honess contact opgenomen met de vakgroep Technische Mechanica
~ van-de afd-eling-der Werktuigbouwkunde ~ ~ ~ ~ om ~ te - vragen ~~ ~ ~ o f ~ zij ~ ~~ be- -~
hulpzaam wilden zijn enerzijds bij de aanpassing van het proto-
type en anderzijds bij het ontwerpen van een nieuw frame, zodanig
dat de verticale verplaatsing van het stempel minder dan 0,5 nun. zal worden. In dit verslag worden de resultaten van de berekeningen gepresen-
t eerd .
3
I !----/___I I
F i g . 1 . Front- en z i j a a n z i c h t van de p e r s
4
2. Modelvorminn
Voor de berekening van de pers wordt slechts één van de twee frames in ogenschouw genomen, Dit frame zal dan ook slechts de helft van de belasting behoeven te dragen.
Omdat het ter beschikking staande rekenprograma geen koker-elementen
bevat wordt het frame geschematiseerd tot een vlak plaatprobleem (zie fig. 2 ) . De buigstijfheid van een dwarsdoorsnede van het frame wordt in hoofdzaak verkregen door het oppervlak van de boven- en onderstrip. In het rekenmodel wordt dit effect bereikt door de randen van de plaat te koppelen met zg. randelementen, waarvoor in dit geval trekstaven
worden gekozen. Zodoende kan in het rekenmodel een nagenoeg gelijk- waardige buigstijfheid worden verkregen als in de werkelijke con- s truc tie. Het gebruik van randelementen van het type TREK 2 eist voor een juiste aansluiting, elementen van het type TRIM 3 voor de plaat. Deze membraanelementen zijn driehoekig van vorm en hebben een lineair verplaatsingsveld en dus een constant rek- en spannings-
veld.
I___ r*--7"-F-y a- --Jzzz- A--i
fig. 2. Doorsnede in constructie en in rekenmodel.
De kracht van de perscilinder wordt door een drietal bouten over-
gebracht op de bovenzijde van een frame. Hoewel de montageflens zich niet in het midden van het frame bevindt en er dus ook een wringend moment zal optreden in een willekeurige dwarsdoorsnede, wordt dit effect in de berekening niet meegenomen. We nemen aan dat de verstijvingsstrippen in het kokerframe, een vervorming ten
gevolge van torsie voldoende zullen tegengaan.
5
D e krach t d i e door de c i l i n d e r op h e t werkstuk wordt u i tgeoe fend ,
wordt v ia een grondp laa t doorge le id naar d e onderbalk van h e t frame.
B i j de f a b r i c a g e i s gezorgd voor een goede passing tussen grondp laa t
en frame.
B i j de berekening wordt de perskracht g e l i j k m a t i g v e r d e e l d o v e r een
breed te van 1 5 0 mm.
De schematisering van de ondersteuning van een frame i s n i e t zondermeer
eenduidig. Be ide frames z i j n onderl ing gekoppeld door een p a a r s t r i p p e n ,
en worden via deze s t r i p p e n vas tgebout aan een s t a l e n o n d e r t a f e l . B i j
de berekening wordt u i tgegaan van een scharnier- en een r o l o p l e g g i n g
i n de punten B en C ( z i e f i g . 1) ; d e berekende r e s u l t a t e n z i j n waar-
s c h i j n l i j k i e t s t e l a a g daar de oplegpunten i n w e r k e l i j k h e i d d i c h t e r
b i j e l k a a r kunnen l i g g e n .
6
3 . Berekening van h e t p r o t o t y p e
A l l e berekeningen z i j n u i t g e v o e r d b i j maximale p e r s k r a c h t . Voor één
frame g e e f t d a t dus een r e s u l t e r e n d e k r a c h t op boven- en o n d e r z i j d e
met een g r o o t t e van 125 kN.
Voor d e berekening van h e t plaatmodel i s d i t model v e r d e e l d i n d r i e -
hoekige elementen ( z i e f i g . 3 ) .
F i g . 3 . Elementverdel ing.
7
\ '
Fig. 4 . Vervormde geometrie; prototype
8
Op grond v a n de r e s u l t a t e n u i t de berekeningen z i j n de f i g . 4 e n 6
gemaakt. I n f i g . 4 i s d e vervormde coutour overdreven weergegeven
met a ls r e f e r e n t i e de onvervormde contour. U i t deze f i g u u r b l i j k t
d u i d e l i j k de g r o t e doorvering van de bovenarm, d i e e c h t e r a l wordt
i n g e l e i d door v e r d r a a i i n g van h e t middenstuk. Verder b l i j k t dat ook
de onderarm u i t e r a a r d n i e t gehee l s t i j f i s . U i t d e t a b e l l e n , behorende
b i j de berekening, b l i j k t d a t de ver t ica le v e r p l a a t s i n g v a n h e t
u i t e r s t e punt A van d e bovenbalk g e l i j k i s aan 2.37 mm.; t e r w i j l i n
de c i l i n d e r h a r t l i j n een vert icale v e r p l a a t s i n g van 1 .99 mm. o p t r e e d t .
Door h e t k a n t e l e f f e c t van de montageflens van d e p e r s , zou een punt
van h e t s n i j - of ponsgereedschap d a t 330 mm. onder h e t montagevlak
l i g t een h o r i z o n t a l e v e r p l a a t s i n g van 1.88 m. kunnen ondergaan.
,
F i g . 5. Horizonta le v e r p l a a t s i n g van h e t stempel.
H i e r b i j is dan w e l v e r o n d e r s t e l d d a t h e t stempel aan d e o n d e r z i j d e
v r i j kan bewegen. A l s v 1 en v2 de ver t ica le v e r p l a a t s i n g e n z i j n v a n
de eindpunten van de montageflens dan g e l d t immers ( z i e f i g . 5):
N.B. I n d e berekening h e e f t h e t montagevlak een b r e e d t e van 140 mm.
9
Fig. 6. Vergelijkspanningen; prototype
10
In fig. 6 zijn resultaten van de spanningsberekeningen weergegeven. In elk punt van de plaat treden horizontale en verticale normaal- spanningen op, naast schuifspanningen. Een dergelijke spanningstoe-
stand kan ook gekarakteriseerd worden door een zogenaamde ideële
of vergelijkspanning in dat punt, Dit is dan een normaalspanning die ten aanzien van een sterktecriterium, even gevaarlijk i s als
de gecompliceerde spanningstoestand van dat punt. Op elk punt van een lijn uit fig. 6 heeft de ideële spanning de- zelfde waarde. Uit deze figuur blijkt dan dat de spanningen aan de binnenrand van de plaat de hoogste waarde bereiken. Uit de numerieke uitvoer blijkt deze waarde 168 N/mm te zijn. Gezien de aard van de belasting -sterk wisselend en met een stootachtig karakter- moet gevreesd worden dat deze spanning op den duur zal leiden tot vermoeiingsscheuren.
2
4 . Confrontatie metingen en berekeningen
Ter verificatie van de veronderstellingen die bij de modelvorming van de pers tot een rekenmodel gedaan zijn, is een eenvoudige controlemeting voor de verplaatsingen uitgevoerd. De meetpunten en meetrichtingen zijn in fig. 7 aangegeven.
-
Fig. 7 . Meetpunten voor verplaatsingsmetingen.
1 1
D e v e r p l a a t s i n g e n z i j n gemeten met een meetklok (f 0.01 mm.). D e
v o e t van h e t magnetisch s t a t i e f i s op de montagetafe l b e v e s t i g d .
Tabel 1 : v e r p l a a t s i n g e n b i j maximale perskracht .
Hoewel mee t resu l t a ten en berekeningen n i e t v o l l e d i g overeenstemmen,
hetgeen w e l t e verwachten i s , z i j n de v e r s c h i l l e n n i e t dusdanig
g r o o t d a t naar een andere berekeningswijze moet worden omgezien.
Voor de volgende berekeningen van gewi jz igd p r o t o t y p e en nieuw
ontwerp wordt dan ook van d e z e l f d e veronders te l l ingen u i tgegaan .
D e v o o r g e s t e l d e maximaal t o e l a a t b a r e v e r p l a a t s i n g i s zodanig d a t t e n
o p z i c h t e van de bestaande c o n s t r u c t i e een circa v i j f v o u d i g e s t i j f h e i d
moet worden verkregen. Aanpassingen van h e t pro to type kunnen worden
gevonden i n een v e r k l e i n i n g van de u i t l a d i n g waardoor de v r i j e arm
l e n g t e van h e t áovendeel van h e t frame v e r k o r t . - - wordt .
I
F i g . 8. P l a a t s i n g inze ts tuk .
I 2
Berekeningen zijn uitgevoerd voor modificaties, met verschillende
breedtes b van het inzetstuk. In alle gevallen wordt er van uitge- gaan dat de zijplaten van het inzetstuk dezelfde dikte hebben als
de schetsplaten van het bestaande frame. Voor de strip, die het inzetstuk afsluit, kunnen nog verschillende
diktes d gekozen worden. De resultaten van deze modificaties zijn in onderstaande tabel ver- zameld; ter vergelijking is ook de oorspronkelijke situatie vermeld.
tabel 2: Resultaten gewijzigd prototype.
code
HOREP 7
HOREP 7+
HOREE8
HOREP 8+
b
m.
60
1 O0
150
strip mm. xmm.
14 x 100
14 x 100
20 x 100
25 x 100
20 x 100
25 x 100
f
mm.
1.99
1.10
0.80
0.75
0.72
0.46
O. 44
4 rad
3.4 IO-^ 2.7
2.5 low3
2.4 IO-^ 1 .7 IO-^ 1 . 7
Omax 2
Y/mm
I 68
112
82
74 - 61 -
f: de verplaatsing onder de werklijn van perskracht.
4 : de hoekverdraaiing van het montagevlak. o : de maximale normaalspanning in de strippen. max
T e r i l lus t ra t i e z i j n resultaten opgen~rnen van de verplaatsing en
van de ideële spanning van de laatste gewijzigde configuratie (zie fig. 9 en IO). Uit de resultaten blijkt dat bij een halvering van de uitlading tot 150 m. de verplaatsing in de buurt van de gewenste waarde komt. Bij de vergelijking van fig. 9 met fig. 4 is in eerste oogopslag weinig verandert, maar er moet wel rekening gehouden worden
met het feit dat de schaal voor de verplaatsingen, die in fig. 9
vijfmaal zo groot is.
I I I I I I I I I I ! I I
4 +
4 (u
H
z 3
(u c3 ,
13
I;-------
Fig . 9. Vervormde geometrie; g e w i j z i g d p r o t o t y p e
14
H
H
L 3 I I H
f H
+ a
O
c3 H
i H
Fig. 10. Vergelijkspanningen; gewijzigd prototype
15
I n f i g . 10 z i e n w i j d a t de spanningen i n de p l a a t een s t u k lager
l iggen dan i n h e t p r o t o t y p e . Bovendien b l i j k t h i e r u i t d a t d e hoogs te
spanningen n i e t meer i n de k l e i n s t e a f r o n d i n g s s t r a a l z i t en d a t h e t
middenstuk nagenoeg n i e t meer hoog b e l a s t wordt.
6. Een nieuw ontwerp
B i j de overwegingen om t o t een b e t e r ontwerp te komen moet l i e f s t
voldaan b l i j v e n aan de volgende e i s e n :
- de maximale persdruk van 250.000 N. - de u i t l a d i n g van 300 mm.
- de hoogte van h e t montagevlak van d e c i l i n d e r mag t . o . v . d e
grondplaat n i e t veranderen.
Randvoorwaarden d i e eveneens i n de beschouwing betrokken moeten
worden z i j n :
- de b r e e d t e van de kokers mag n i e t overmatig toenemen. E n e r z i j d s
omdat dan ook d e grondp laa t veel g r o t e r moet worden, a n d e r z i j d s
omdat dan de v e r o n d e r s t e l l i n g d a t t o r s i e verwaarloosd mag worden,
geweld aangedaan wordt.
- de’werkhoogte, dus de hoogte van de grondp laa t , mag op ergonomische
gronden n i e t te veel toenemen. Z i t t e n d werk aan de p e r s moet moge l i jk
b l i j ven.
Beschouwing van d i t pakke t van e i s e n levert de volgende mogelijkheden
om, uitgaande van h e t b a s i s i d e e , h e t p r o t o t y p e aan t e passen. ( z i e
f i g . 1 1 ) . a). h e t verhogen van de bovenarm; wegens de hoogte van h e t montagevlak
i s a maximaal 40 nnn. b). h e t verbreden van h e t middenstuk; a i te hoge verwachtingen mogen w e
n i e t hebben van zeer g r o t e b r e e d t e s , omdat de krach ten i n hoofd-
zaak v i a de binnenzi jde van h e t frame worden d o o r g e l e i d .
c). h e t verhogen van de onderarm; een maximale a f s t a n d van c i r c a 7 cm.
l i j k t nog a c c e p t a b e l .
16
Een v e r g r o t i n g van de b u i g s t i j f h e i d van een w i l l e k e u r i g e dwarsdoor-
snede kan v e r d e r worden verkregen door:
d). v e r g r o t i n g van de d i k t e van de s c h e t s p l a t e n .
e). v e r g r o t i n g van h e t oppervlak van de s t r i p p e n .
B i j een gegeven oppervlak kan a l t i j d nog een keuze gemaakt worden
voor de b r e e d t e , waaru i t dan de s t r i p d i k t e v o l g t . D e u i t e i n d e l i j k e
keuze wordt h i e r b i j ondermeer bepaald door v o o r r a d i g e afmetingen en
l asbaarhe id .
I
F i g . 1 1 . M o g e l i j k e w i j z i g i n g e n i n h e t p r o t o t y p e .
I n eerste i n s t a n t i e z i j n aanpassingen gezccht zonder d a t d e werkhoogte
toenam. I n onderstaande t a b e l z i j n de r e s u l t a t e n weergegeven. D e ver-
p l a a t s i n g f
de h a r t l i j n v a n de c i l i n d e r b e v i n d t .
i s bepaald voor h e t punt van de bovenarm, d a t z i c h op A
HONEW5
Zoals uit de tabel blijkt is het met deze aanpassingen amper mogelijk
verplaatsingen kleiner dan 1 mm. te realiseren. Uit de resultaten, vooral de vervormde geometrie, blijkt dat de vervorming van de onder- arm relatief groot wordt. In de volgende reeks wordt dan ook de hoogte van de onderarm aangepast.
50 75 2 x I2 3300 0.89 I 5 3
Tabel 4 : Tweede reeks aanpassingen
HONEW13 +40 +80 +7 2 2 x 15 3000 0.55
De resultaten van HONEW9 en 10 tonen aan dat wij op de goede weg zijn hoewel de maximale aanpassing aan de hoogtes a en c al bereikt zijn.
Verbetering van de constructie kan nog plaatsvinden door te pogen de
hoeken te verstijven door het inlassen van een aantal strippen. Een testberekening gaf aanleiding tot circa 25% lagere vervorming.
18
Voor de berekening van een frame met verstijvers wordt uitgegaan van
een ander rekenmodel, zie fig. 12. Daarbij worden alle gedeelten waar alleen schetsplaten aanwezig zijn verdeeld in driehoekige plaatslementen, terwijl de strippen en verstijvers verdeeld worden i n vierhoekige plaats-
elementen met grote dikte. Randelementen komen dan niet meer voor.
19
' I I
I I i I I I I I I I I I
Fig. 13. Vervormde geometrie; 18atste ontwerp
20
d-
O k-
c
a, II H
* a,
m H
i 6l
H
H
H
Fig. 14. Vergelijkspanningen; laatste ontwerp
21
HONESS-GROUP 13 MESH: 1 MM = 1.5 UNITS CONTOURS O F S I G I D o LEVELS: 0 + I m 109 1=0 TO 14
Fig. 15. Detail vergelijkspanningen; laatste ontwerp
4aqF---- ij16
F i g . 16. Geometrie laatste ontwerp
23
I n h e t eerste model d a t op deze w i j z e i s doorgerekend (HONEWII) werd
t en onrechte een s t r i p o p p e r v l a k aangehouden van 2250 mm , hetgeen
overeen komt met b i j v . 90 x 25 mm. I n h e t tweede model HONEW13 i s
bovendien de g r o o t t e van de elementen v e r k l e i n d . D e r e s u l t a t e n d i e
met d i t laatste model behaald z i j n , worden i n d r i e f i g u r e n gepresen-
t eerd . I n f i g . 13 i s de vervorming v a n d e buitenrand i n b e e l d g e b r a c h t . F i g . 14
en i5 tonen l i j n e n met g e l i j k e waarde van de i d e ë l e spanning i n de be-
l a n g r i j k s t e s t r ippen . Zoa l s u i t h e t d e t a i l ( f i g . 15) b l i j k t i s wederom
de binnenrand de hoogst b e l a s t e p l a a t s met spanningen t o t 128 N/mm .
2
2
Zoals u i t a l l e berekeningen b l i j k t , i s h e t m o e i l i j k vert icale v e r p l a a t s i n g
van h e t stempel k l e i n e r dan 0 , 5 mm. t e k r i j g e n b i j max. persdruk en een
u i t l a d i n g van 300 mm. D e w i j z i g i n g e n t e n o p z i c h t e v a n h e t bes taande proto-
t ype z i j n daarvoor t e ger ing . .
I n h e t a l s laatste berekende model, z i e f i g . 16, z i j n d e z i j p l a t e n van
de frames e l k 15 mm. d i k , t e r w i j l i n de berekening v o o r a l l e s t r i p p e n
een opperv lak van 3000 mm werd ingevoerd. Technisch i s d a t t e realiseren
door s t r i p p e n van 120 x 25 mm. t e kiezen, D e b r e e d t e v a n één frame komt
daardoor op 120 + 2 x 15 = 150 mm.
2
U i t een g e d e t a i l l e e r d e a n a l y s e v o l g t d a t de v e r s t i j v i n g s s t r i p p e n i n h e t
frame n i e t hoog b e l a s t worden: c irca 30 2 40 N / m , w a a r b i j er r e l a t i e f 2
weinig buiging aanwezig i s . H e t l i j k t dan ook verantwoord d e z e s t r i p p e n
l i c h t e r u i t t e voeren dan 120 x 25. T e denken val t aan s t r i p d i k t e n van
i 5 mm. H e t ver l ies aan s t i j f h e i d z a i daardoor nauwei i jks merkbaar z i j n .
Zoals u i t h e t d e t a i l i n f i g . 15 d u i d e l i j k wordt, z i j n de hoeken aan de
binnenrand h e t zwaarst b e l a s t . B i j de f a b r i c a g e d i e n t er rekening mee
gehouden t e worden d a t op deze p l a a t s e n spanningsconcentrat ies optreden.
Een zorgvu ld ige c o n t r o l e van h e t laswerk daar ter p l a a t s e z a l noodzake l i jk
z i j n .
24
Verantwoording
13 jan. 1980: Bezoek Honess; probleemformulering. 20 jan. 1980: Formulering contract THE-Honess. 29 jan. 1980: Presentatie berekeningen aan prototype.
Meting aan prototype.
i 9 feb. 1980: Bespreking voortgang, voorstellen tot wijziging. 5 mrt. 1980: afronden verslaggeving.
Rekenkosten
Gezien de vele probeersels en oefeningen die extra op deze constructie zijn uitgevoerd is de rekentijd veel hoger dan bij het opmaken van het contract begroot was. In totaal is circa 45 min. procestijd verbruikt
waarvan circa 20 min. voor rekening van de opdrachtgever zou kunnen
komen.
Personeelskosten
Ten behoeve van dit project zijn circa 66 manuren besteed; inclusief 13 uur voor rapportage. Ook hierbij geldt dat circa de helft van het aantal uren besteed is aan taken die een vakgroepsbelang dienden.