raziskave in razvoj UDK: 621.979 Strokovni ~lanek (Professional Paper) Izdelava laboratorijske hidravli~ne stiskalnice avtor Franc Tolar, univ. dipl. in‘. les., Alples @elezniki Izvleček/Abstract Razvoj stiskalnic v lesarstvu je sledil namenu stiskanja in vrsti uporabljenega lepila, od prvih vzvodnih in vretenastih stiskalnic do sodobnih, ra~u-nalni{ko vodenih stiskalnic. Razvoj sodobne stiskalnice zajema oblikovanje stiskalnice, konstruiranje in prera~un hidravli~nih komponent, konstruiranje in prera~un elektri~nih komponent, konstruiranje in prera~un ogrodja stiskalnice, dolo~itev ustreznega grelnega medija in materialov. Pred konstruiranjem dolo~imo osnovne tehni~ne karakteristike stiskalnice, povr{ino stiskanja, maksimalni pritisk, {tevilo eta‘, mobilnost in gretje stiskalnice, paralelnost stiskanja, krmiljenje stiskalnice. Namen zastavljene naloge je bil izdelati laboratorijsko hidravli~no stiskalnico za u~ne namene, z natan~-nim nadzorom tlaka in temperature, z eneostavnim in varnim upravljanjem ter mo‘nostjo nadgradnje. The development of presses in wood industry followed the purpose of pressing and the type of used glue. The first presses were made on levering or spindle system, the last presses have total computer control. The development of a new press contains press forming, constructions and calculations of hydraulic and electric components, framework designing and de- termination of heating fluid. The basic technical data, like the pressing quadrature, the maximal pressure, the storey number, the plates heating and paralleling, the moving and the control system have to be defined before construction begins. The aim of this project was to make laboratory press for schooling purpose, with exactly controlled pressure and temperature. The operation of the machine must be easy and safe. Klju~ne besede: hidravli~na stiskalnica, hidravli~ne komponente, elektri~ne komponente, ogrodje stiskalnice, prera~un stiskalnice Keywords: hydraulic press, hydraulic components, electric components, framework of press, calculation of press Les 53(2001) 11 Uvod V lesarstvu so se stiskalnice razvijale po namenu stiskanja in vrsti lepil. Pred vsesplo{nim industrijskim razvojem so bile mizarske delavnice opremljene z vretenastimi stiskalnicami, ki so se ve~inoma uporabljale za stiskanje masivnega lesa. Z razvojem ploskovnega pohi{tva so te stiskalnice povsem izgubile svoj pomen. Danes jih najdemo samo {e v nekaterih muzejih in pri hvalevrednih nostalgi~nih mizarjih. V modernisti~nem in postmoder-nisti~nem obdobju se je najbolj razvijalo ploskovno pohi{vo iz lesnih tvoriv, predvsem iz mizarskih ivernih in vlaknenih plo{~. Te m potrebam je sledil razvoj stiskalnic. V grobem je enoeta‘na stiskalnica za ploskovno lepljenje sestavljena iz varjenega jeklenega ogrodja, grelnih plo{~ ter hidravli~nih in elektri~nih komponent. Plo{~e so najve~krat ogrevane z oljem, paro ali vro~o vodo in elektri~nimi grelci. Lahko so ve~eta‘ne, preto~ne, premi~ne. Za natan~en nadzor tlaka in temperature so ra~unalni{ko krmiljene, kar se uporablja predvsem za laboratorijske potrebe. Maksimalna sila stiskanja je odvisna od mo~i hidravli~-nega agregata, premera in {tevila delovnih valjev (oplun‘erjev). Povr-{ina in temperatura stiskanja ter spe- raziskave in razvoj cifi~ni pritisk so osnovni parametri za dimenzioniranje in konstruiranje stiskalnice. Najve~ji specifi~ni pritiski (do 70 barov) so pri izdelavi vlak-nenih plo{~. Za izdelavo ivernih plo{~ se uporabljajo specifi~ni pritiski do 35 barov. Pri ploskovnem furniranju z uporabo se~ninskoformaldehidnih lepil so specifi~ni pritiski odvisni od vrste podlage in furnirja in se gibljejo od 5 do 10 barov. Temperatura furniranja je odvisna od vrste in priprave lepilne me{anice, za se~ninskoformaldehidna lepila zna{a od 100 - 120 0C. Obi~ajno so stiskalnice opremljene s hidravli~nim agregatom, ki ima vgrajeni dve ~r-palki, od katerih je ena nizkotla~na in visokopreto~na, druga pa visoko-tla~na in nizkopreto~na. Prva skrbi za hitro zapiranje stiskalnice in dosega tlake do 15 barov, z drugo pa dosegamo kon~ne tlake. ^rpalke so zobni{ke izvedbe, visokotla~na ~rpal-ka pa je lahko tudi batna. Pri ogrevanju plo{~ z oljem, paro ali vro~o vodo so plo{~e jeklene, po dol‘ini plo{~e so izvrtani kanali, po katerih se pretaka ogrevni medij. Elektri~no ogrevane plo{~e so ve~slojne, sestavljene so iz grelnega aluminijskega dela, debelega 9 mm, elektri~ne spirale, za katero so v aluminijski del izbru{eni utori, tanke bakelitne plasti, ki prepre~uje prehod toplote, in izolirne iverne plo{~e debele 28 mm. Tako zgrajena grelna plo{~a se pritrdi na jekleno nosilno plo{~o. Natan~nost merjenja temperature dose‘emo z analognimi plinskimi termometri, katerih plinsko komoro vgradimo ~im bli‘e sredini plo{~e, da zazna spremembe temperature zaradi prestopa toplote iz grelne plo{~e na lepljenec. Termometrska skala ima dva kazalca, eden ka‘e trenutno temperaturo, z drugim pa nastavimo potrebno temperaturo gretja plo{~. Ko je dose‘ena ustrezna temperatura, se prek elektri~nega stikala (kontaktorja) gretje plo{~ avtomatsko izklopi. Po padcu temperature za dve do tri stopinje se prek stikala gretje plo{~ ponovno vklopi. Tlak stiskanja merimo z analognim ali digitalnim manometrom, ki je priklju~en na oljno cev, v kateri je olje pod tlakom, ki ga ustvarja ~r-palka. Analogni manometer ima merilno skalo z dvema kazalcema, ki imata iste naloge kot kazalca pri termometrski skali. Potreben tlak olja dolo~imo iz diagrama, ki je specifi~en za vsako stiskalnico. Diagram je izdelan glede na zmogljivost ~rpalke, premer in {tevilo delovnih valjev (oplun‘erjev). Ogrodje stiskalnic je zgrajeno iz osnovnega konstrukcijskega jekla. Na zgornji del okvirne konstrukcije je pritrjena zgornja fiksna plo{~a. Delovni valji so prek prirobnic pritrjeni na spodnje nosilce. Spodnja dvi‘na plo{~a je prek prirobnic pritrjena na delovne valje, katerih gib dolo~a vi{ino stiskanja. Paralelnost dvigovanja spodnje plo{~e nadzirajo senzorji. Starej{e stiskalnice so varovane samo prek vijakov, s katerimi je pritrjena spodnja plo{~a na prirobnice batov. Pri stiskanju je potrebna pazljivost, da se izklopi delovanje ~rpal-ke v primeru loma katerega od vijakov. Pri manj{ih laboratorijskih stiskalnicah so spodnje plo{~e vodene prek drsnih vodil. Stiskalnice so opremljene z delovnimi valji (oplun‘erji). To so enostransko delujo~i delovni valji, ki imajo po celotni dol‘ini enak premer, valj je na cilinder pritrjen prek vodilne glave s tesnili. Zaradi doseganja velikih tlakov morajo biti stiskalnice ustrezno varovane. V ta namen se vgradi dvoročni vklop črpalk, po obodu stiskalnice pa je napeljana varnostna vrvica, s potegom katere se stiskalnica takoj odpre. Naloga Zastavljena naloga je bila izdelati laboratorijsko hidravlično stiskalnico z natančnim nadzorom tlaka in temperature, upravljanje stiskalnice mora biti enostavno in varno. Omejili smo se na naslednja področja: • oblikovanje stiskalnice, • konstruiranje hidravličnih komponent, • konstruiranje električnih komponent, • konstruiranje ogrodja stiskalnice. 1. Oblikovanje stiskalnice Načela pri oblikovanju stiskalnice so bila naslednja: • varnost in videz stiskalnice, • enoetažna stiskalnica, • ogrevanje plošč, • dvigovanje spodnje plošče z enim batom (°plunžerjem), • paralelnost stiskanja prek vodil, • doseganje tlaka z ročnim hidravličnim agregatom, • združitev krmilnih funkcij na nadzorni plošči, • mobilnost stiskalnice, • maksimalna površina stiskanja 1.500 cm2, • nosilnost ogrodja 8 t, • možnost nadgradnje stiskalnice. V osnovi smo izdelali izometrično projekcijo stiskalnice. ijaLes 53(2001) 11 raziskave in razvoj Slika 1. Izometri~na projekcija stiskalnice 2. Konstruiranje hidravli~nih komponent 2.1 Hidravli~na shema Slika 2. Hidravli~na shema stiskalnice Legenda: 1- rezervoar V = 5 l - varjen 2- prezra~evalnik 3 x 250 x 15 0 3- oljno in temperaturno kazalo 4- nalivni filter 5- ro~na ~rpalka 6- nepovratni ventil 7- sesalni filter 8- priklju~ek φ8 9- priklju~ek φ1 6 revijaLes 53(2001) 11 10- varnostni ventil črpalke p 150 barov max 11- blok 12- varnostni ventil 13- blok 60 x 60 x 80 14- blok 15- delovni valj 70 x 200 - ("plunžer) 16- prirobnica 17- razvodnik 2/2 18- manometer 4>100, p - 0 - 250 barov 19- gibljiva cev 4)16 20- jeklena cev 4>16 21- jeklena cev <ß 22- všečni prstan 4)16 23- matica priključka 24- priključek 25- priključek iß 26- priključek 416 27- priključek iß 28- priključek 4>16 2.2 Tehnični opis hidravlične naprave Črpalka: Q - pretok črpalke, p* - max. tlak črpalke, Cmax. Q = 30 cm3/takt, Ps = 150 barov + varnostni ventil r Cmax. p = 150 barov max Rezervoar: V = 5 1. Razvodnik: 2/2-ročni, Bat - (°plunžer), o)70, s - gib delovnega bata (°plunžerja) je 200 mm. Manometer: o)100 (merjenje trenutnega tlaka), p - območje merjenja tlakov manometra, p = 0 - 250 barov. Varnostni ventil: p = 40 - 150 barov, 1 max Gib (hod) delovnega bata (°plun-žerja) v stiskalnici je 185 mm, zaradi boljše vodljivosti bata (°plunžerja) pa je maksimalni gib (hod) bata 200 mm. 2.3 Preračun hidravličnih komponent 2.3.1 Črpalka Podatki: Q = 30 cm3/takt, Ps = 150 barov. 2.3.2 Delovni bat ("plunžer) Podatki: d - premer 70 mm, S - gib (hod) 200 mm, p S - površina, pl r\ - izkoristek, ki je upoštevan pri tlaku črpalke. 2.3.3 Maksimalna sila stiskanja Izračun: 2.3.4 Dovoljen specifični - Ps Podatki: F = 57.726,77 N Plošča: 30 cm x 50 cm Izračun: 2.3.5 Število taktov črpalke in celotna količina olja v napravi Podatki: K - volumen olja v delovnem batu 1 raziskave in razvoj (oplun‘erju), V2 - celotna koli~ina olja v napravi, V3 - volumen rezervoarja je 5 l (upo{tevano hlajenje in raztezanje olja), V4 - volumen olja v rezervoarje 3,5 l, Q - pretok ~rpalke je 30 cm3/takt. Izra~un: 2.3.6 Maksimalna sila roke na ročico Podatki: p* - maksimalni tlak črpalke je 1500 N/cm2 d.„ - premer bata črpalke ie 22 mm, bc J A - površina bata črpalke, F, - sila bata črpalke, 1 r, - dolžina ročice od vrtišča do bata črpalke, F, - maksimalna. sila roke na ročico, r, - dolžina ročice črpalke. 2 Izračun: 3. Konstrukcija elektri~nih komponent 3.1 Elektri~na shema Legenda: 1,2,3,4,5,6,7,8,9 - sponke G.S. - glavno stikalo D Slika 3. Električna shema 3.2. Preračun električnih komponent 3.2.1 Obremenitev glavne varovalke Podatki: P - moč grelcev v obeh ploščah, U - imenska napetost, / - imenski tok. Izračun: P =1000W U = 220V P=UxI U 220V 3.2.2 Obremenitev stranskih varovalk Podatki: /, - imenski tok ene plošče, i F, - moč grelca v eni plošči. Izračun: P1 = 500W U = 220V U 220V 3.2.3 Preračun grelnega dela plošč - masa plošč Podatki: P., = 500 W, grelca/ploščo T = 120°C (maksimalna tempe- max ratura gretja), r , = 2.560 kg/m3 (gostota alumi- nija), h - debelina aluminijskega (grelnega) dela plo{~ 9 mm. Priklju~ek termometra je na sredini o‘jega dela plo{~e. Izra~un: Skupna masa plo{~ je 6,92 kg. 3.2.4 Toplotno delo Podatki: m - masa plo{~, cal - specifi~na toplota aluminija, cal = 896 J/kgK = 896 Ws/kgK, Tmax = 120 oC, Tmin = 18oC, DT - sprememba temperature, Wt - toplotno delo, Wel - elektri~no delo, t - ~as gretja plo{~, h - izkoristek je 70 %. Izra~un: 4. Konstruiranje ogrodja stiskalnice To poglavje zajema konstruiranje posameznih elementov in detajlov, izbor ustreznih materialov in dolo~i-tev tehnolo{kih postopkov za posamezne elemente in detajle. Celotno ogrodje stiskalnice je prera~unano na nosilnost 8 t. Ogrodje stiskalnice je izsekano iz konstrukcijskega jekla (EN-S235JRG2), vodila pa iz orod- ijaLes 53(2001) 11 V1, V2, V3, - varovalke S1, S2, - stikala n1, n2, - kontrolne lu~ke Th1, Th2, - termostat K1, K2, - kontaktor raziskave in razvoj nega jekla (EN-X210Crl2, kaljeno HRC 60±2, popuščeno). Prerez posameznih elementov se določa glede na obremenitve in potrebe po spajanju z drugimi elementi. To poglavje zajema naslednja področja: • preračun nosilnih plošč po dolžini, • preračun nosilnih plošč po širini, • preračun in določitev števila ojačitev po dolžini in širini plošče, • določitev celotne nosilnosti plošč po širini in dolžini, • preračun prirobnice za pritrditev delovnega valja na spodnjo ploščo, • preračun stebrov, • preračun vzdolžnih in prečnih nosilcev delovnega valja. Podrobno si poglejmo preračun stebrov in vzdolžnih nosilcev: Slika 4. Pravokotna projekcija stiskalnice 4.1 Prera~un stebrov Stebri morajo prenesti maksimalno nosilnost stiskalnice 8 ton. 4.1.1 Prera~un pokon~nih stebrov (natezna obremenitev) Podatki: Material: EN:S235JRG2, sdop = 120 N/mm2, F1 - sila, ki jo prenese en steber, A1 - povr{ina enega stebra, F - sila, ki jo prenesejo {tirje stebri. Izra~un: 4.1.2 Prera~un enega zvara med pre~nim in pokon~nim stebrom - A Slika 5. Zvar pokon~nega stebra s pre~nikom 4.1.2.1 Povr{ina zvara po bo~nih robovih - A1 Podatki: l - dol‘ina zvara, a - {irina zvara. Izra~un: I=ÄW+7ÖW = 98,9mm A; =ax/x2 = 7mmx98,9mmx2 = 1385,93mm2 4.1.2.2 Površina zvara na spodnjem robu - A, Podatki: / - dolžina zvara, a - širina zvara. Izračun: A2= a xl = 7mmx 30mm = 2l0mm 4.1.2.3 Povr{ina zvara na zgornjem robu - A3 Podatki: l - dol‘ina zvara, a - {irina zvara, b - dol‘ina diagonale zvara. Izra~un: 4.1.2.4 Celotna povr{ina zvara - A Izra~un: 4.1.2.5 Nosilnost celotnega zvara Podatki: d - zvarni koli~nik, d = 0,7 (stati~ni nateg), F - sila, ki jo zvar prenese. Izra~un: 4.1.3 Celotna nosilnost zvarov na vseh stebrih (Fzv) Izra~un: Fiv = 4x F = 4x14653 l,28iV = 586125,12JV 4.1.4 Nosilnost raznokrakov -oja~itev - Foj Vklju~ili smo mo‘nost pomanjkljivega varjenja in smo kotne spoje dodatno oja~ali z raznokraki 150 x 100 x 12. 4.1.4.1 Nosilnost enega raznokraka - F1 Podatki: ijaLes 53(2001) 11 raziskave in razvoj Material: EN:S235JRG2, s = 120 N/mm2 , A1 - presek raznokraka . Izra~un: Izračun: 4.1.4.2 Celotna nosilnost ojačitev - F . OJ Izračun: Foj = 4x F, = 4x4320(W = 172800JV 4.1.5 Celotna nosilnost vogalnih spojev - F Podatki: F - celotna nosilnost zvarov, F . - celotna nosilnost ojačitev. O] Izračun: Fsp = Fa+Foj = m\2S,m+l72800iV=758925,l2!V 4.2 Preračun vzdolžnih nosilcev delovnega valja ("plunžerja) 4.2.1 Izračun maksimalnega momenta za vzdolžne nosilce Vzdolžni nosilci so obremenjeni z zvezno obremenitvijo (q) na dolžini prirobnice delovnega valja. Vzdolžna nosilca sta upogibno obremenjena, zato določimo notranje sile nosilcev, to sta največja prečna sila -T (strig) in maksimalni moment - M. Vsak nosilec mora zdržati 40000 N. D Slika 6. Maksimalni moment vzdol‘nega nosilca Podatki: Q - nosilnost enega vzdolžnega nosilca mora biti 40000 N , / - dolžina prirobnice delovnega valja ("plunžerja), pritrjene na vzdolžni nosilec je 0,115 m, q - zvezna obremenitev vzdolžnega nosilca. Izračun: Q 40000A?