Прочность деталей молота, качественные показатели этой машины зависят от силы сопротивления поковки деформированию. У каждого молота существует предельная поковка, при которой долговечность слабейшего звена (штока) оказывается неудовлетворительной. Шток постоянного сечения весьма далек от равнопрочного состояния, поскольку работает в условиях больших ударных нагрузок, испытывая при ударе напряжение от продольных сил. В месте заделки штока в бабу одновременно действуют два неблагоприятных фактора: возникает максимальное динамическое напряжение и имеет место наибольшая концентрация напряжений. В итоге подавляющее число поломок таких штоков происходит в одном и том же сечении – в заделке [4].
В настоящее время в машиностроении используются штоки ковочных молотов, имеющие сплошное поперечное сечение согласно ГОСТ 9752-75 (рис. 1).
Рис. 1.
Недостатком этой конструкции является недостаточная надежность и долговечность штока в месте его заделки в бабу. В данной работе предлагается новая конструкции штока с полостями переменного сечения, например цилиндрическими отверстиями ступенчато-переменного сечения, начинающимися от концевого участка штока со стороны, противоположной месту заделки штока в бабу (рис. 2).
Рис. 2.
Предлагаемая конструкция штока позволяет снизить нагрузки, возникающие в месте заделки штока в бабу, и направлена на повышение надежности штоков, что позволяет увеличить срок их эксплуатации и тем самым сократить материальные потери от замены штоков и от простоя оборудования в период их замены. Снижение напряжений достигается за счет перераспределения напряжений при ударном воздействии в различных сечениях штока. Этот эффект получен в результате частотного метода расчета ковочного молота в процессе ударного взаимодействия с заготовкой.
Рассмотрим для примера паровоздушный ковочный молот арочного типа модели М1345 (рис. 3).
На рис. 3. представлена принципиальная расчетная схема молота, позволяющая проводить вариантные расчеты в случае существующей и предлагаемой конструкции штока, где участки 7-8, 12-13, 14-15 моделируют стыки, узлы 17, 18, 19 моделируют упругое основание.
Рис. 3.
Рассмотрим частотный метод динамического расчета нестационарных колебаний ковочного молота в процессе ударного взаимодействия с заготовкой. Предлагаемая методика использует модификацию метода конечных элементов (МКЭ), основанную на точном интегрировании дифференциального уравнения для конечного элемента [2], и позволяет рассчитывать продольные и поперечные колебания стержней ступенчато-переменного сечения с учетом или без учета рассеяния энергии при соударении с жестким препятствием [3; 5].
Предлагаемый подход справедлив для стержней неограниченной длины, поэтому разбиение на участки молота можно проводить в любых сечениях, но наиболее целесообразно там, где меняются физические или геометрические характеристики объекта. При составлении расчетной схемы молота считалось, что в штоке, бабе, бойках, подушке и верхней части шабота возникают продольные колебания, а в основании шабота – поперечные.
Предлагаемой расчетной схеме (рис. 3) соответствует следующая система разрешающих уравнений для построения амплитудно-фазо-частотных характеристик (АФЧХ) перемещений:
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
,
где:
, 
;
; 
;
;
; 
;
; 
; 
; 
;
;
n, k – индексы, указывающие соответственно на начало и конец участка;
j – номер узла (i = 1, 2… 19);
i – мнимая единица, 
;
Jnk – осевой момент инерции сечения участка nk, м4;
Еnk – модуль упругости участка nk, Па;
Fnk – площадь поперечного сечения участка nk, м2;
lnk – длина участка nk, м;
m nk – масса единицы длины стержня участка nk, 
;
V0 – скорость соударения с заготовкой, м/с;
– коэффициент сопротивления участка nk.
– частота колебаний, с-1;
Wj – перемещение j-го узла, м;
j j – угол поворота j-го узла, рад;
сj – жесткости пружин, моделирующих упругое основание в jом узле, ;
сnk – жесткости пружин, моделирующих стыки nk, .
Из этой системы находятся изображения перемещений в узлах системы. Зная перемещения начала и конца стержня, рассчитываются продольные усилия Ni(). Переходя к оригиналам N(t), находятся напряжения 
и деформации 
, которые связаны с усилиями следующими зависимостями:
; 
,
где: – напряжение, Па;
– продольная сила, Н;
t – время, с;
– деформации, м;
F – площадь поперечного сечения, м2;
Е – модуль упругости, Па.
Установлено, что максимальные напряжения, в несколько раз превышающие напряжения в других узлах системы, возникают в месте заделки штока в бабу (5 узел рис. 3), что подтверждает предварительные сведения из практики о подавляющем числе поломок именно в этом сечении.
Предлагается следующий путь уменьшения нагрузок, возникающих в месте заделки штока в бабу. Можно распределить нагрузку на несколько сечений. Для этого следует в качестве новой конструкции штока использовать шток с цилиндрическими отверстиями ступенчато-переменного сечения (рис. 2).
При динамическом анализе конструкции с таким штоком получили снижение напряжений в 3 узле на 15% в случае стальной заготовки и на 16% – в случае алюминиевой.
Это достигается за счет перераспределения напряжений во 2, 3, 4 и 5 узлах. Так, при использовании предлагаемой конструкции штока напряжение в проблемном 5 сечении уменьшается с 31,2 до 27,5 МПа в случае стальной заготовки и с 20,3 до 17 МПа в случае алюминиевой. А во втором и третьем узлах напряжение увеличивается приблизительно в три и два раза соответственно, что незначительно по сравнению с напряжением в 5 узле. При этом наблюдается снижение напряжений на 5–6% в остальных узлах системы (рис. 4).
Рис. 4.
Предлагаемые изменения в конструкции штока снижают возникающие в месте заделки штока в бабу напряжения на (18–20)% и направлены на повышение надежности штоков, что позволяет увеличить срок их эксплуатации и тем самым сократить материальные потери от замены штоков и от простоя оборудования в период их замены.
Результаты сравнения теоретических и экспериментальных результатов в случае молота со штоком постоянного сечения показали, что средняя погрешность вычислений составляет 14% для частот собственных колебаний и 25% для амплитуд колебаний [1].
Рецензенты:
Лебедев А.М., доктор технических наук, доцент, профессор Ульяновского высшего авиационного училища (института), г. Ульяновск.
Дмитриенко Г.В., доктор технических наук, профессор Ульяновского высшего авиационного училища (института), г. Ульяновск.