Дія преса заснована на законі Паскаля. Гідравлічний пресявляє собою дві сполучені судини, заповнені рідиною (зазвичай технічним маслом) і закриті поршнями різної площі S 1 і S 2 (рис. 1).
Зовнішня сила, що діє на малий поршень, створює тиск
За законом Паскаля воно передається рідиною у всіх напрямках без зміни. Тому з боку рідини на другий поршень діє сила
(1)
Гідравлічний прес дає виграш в силі в стільки разів, скільки разів площа більшого поршня перевищує площу малого поршня.
Сила F 1 змінює потенційну енергію рідини в пресі. Але оскільки сила тяжкості цієї рідини набагато менша від сили F 1 . ми вважали рідину невагомою. У зв'язку з цим слід зазначити, що у реальних умовах рівняння (1) виконується лише наближено.
Виграшу у роботі прес не дає. Дійсно, при опусканні малого поршня сила здійснює роботу A 1 = F 1 h 1 де h 1 - хід малого поршня. Частина рідини з вузького циліндра витісняється в широкий і великий поршень піднімається на h 2 . Робота сили F 2
(2)
Але рідина нестерпна. Отже, обсяги рідин, які з одного циліндра до іншого, рівні, тобто.
Підставимо це рівняння та рівняння (1) у (2), отримаємо A 1 = A 2 .
Гідравлічний прес дозволяє розвивати колосальні сили і використовується для пресування виробів (з металу, пластмаси, з різних порошків), для продавлювання отворів у металевих листах, для випробування матеріалів на міцність, для підняття тяжкості, для вичавлювання олії з насіння на маслоробних заводах, для пресування фанери, картону, сіна. На металургійних заводах гідравлічні преси використовують при виготовленні сталевих валів машин, залізничних коліс та багатьох інших виробів.
Визначення
Гідравлічний прес- це машина, що діє на основі законів руху та рівноваги рідин.
Закон Паскаля є основою принципу дії гідравлічного преса. Назва цього пристрою походить від грецького слова гідравлікос – водяний. Гідравлічним пресом називають гідравлічну машину, яка використовується для пресування (здавлювання). Гідравлічний прес використовують там, де потрібна велика сила, наприклад, при видавлюванні олії з насіння. За допомогою сучасних гідравлічних пресів можна набувати чинності до $(10)^8$ньютонів.
Основу гідравлічної машини складають два циліндри різного радіусу з поршнями (рис.1), які з'єднані трубою. Простір у циліндрах під поршнями зазвичай заповнюють мінеральною олією.
Для того щоб зрозуміти принцип дії гідравлічної машини слід згадати, що таке судини, що сполучаються, і в чому сенс закону Паскаля.
Сполучені судини
Повідомляється, що називають судини, з'єднані між собою і в яких рідина може вільно перетікати з одного судини в інший. Форма сполучених судин може бути різною. У судинах рідина однієї щільності встановлюється на одному рівні, якщо тиску над вільними поверхнями рідини однакові.
З рис.1 ми бачимо, що конструктивно гідравлічна машина - це дві сполучені судини різного радіусу. Висоти стовпів рідини в циліндрах будуть однаковими, якщо поршні не діють сили.
Закон Паскаля
Закон Паскаля говорить нам про те, що тиск, який чинять зовнішні силина рідину, що передаються їй без зміни у всі її точки. На законі Паскаля засновано дію багатьох гідравлічних пристроїв: пресів, гальмівних систем, гідроприводів, гідропідсилювачів тощо.
Принцип дії гідравлічного пресу
Одним із найпростіших і найстаріших пристроїв заснованих на законі Паскаля є гідравлічний прес, в якому невелика сила $F_1$, що прикладається до поршня невеликої площі $S_1$, перетворюється на велику силу $F_2$, яка впливає на площу великої площі $S_2$.
Тиск, який створює поршень номер один, дорівнює:
Тиск другого поршня на рідину становить:
Якщо поршні знаходяться в рівновазі то тиск $p_1$ і $p_2$ рівні, отже, ми можемо прирівняти праві частини виразів (1) і (2):
\[\frac(F_1)(S_1)=\frac(F_2)(S_2)\left(3\right).\]
Визначимо, яким буде модуль сили, що прикладається до першого поршня:
З формули (4), бачимо, що величина $F_1$ більше модуля сили $F_2$ $\frac(S_1)(S_2)$ раз.
І так, застосовуючи гідравлічний прес, можна невеликою силою врівноважити набагато більшу силу. Відношення $\frac(F_1)(F_2)$ показує виграш у силі.
Прес працює так. Тіло, яке необхідно спресувати, укладають на платформу, що лежить на великому поршні. За допомогою малого поршня утворюють високий тиск на рідину. Великий поршень разом із тілом, що стискається, піднімається, упирається в нерухому платформу, що знаходиться над ними, тіло стискається.
З малого циліндра у велику рідину перекачують повторним рухом поршня малої площі. Роблять це в такий спосіб. Малий поршень піднімається, відкривається клапан, причому у простір під малим поршнем засмоктується рідина. Коли малий поршень опускається рідина, чинячи тиск на клапан, його закриває, при цьому відкривається клапан, який пропускає рідину у велику посудину.
Приклади завдань із розв'язанням
Приклад 1
Завдання.Яким буде виграш у силі у гідравлічного преса, якщо при дії на малий поршень (площею $S_1=10\(см)^2$) із силою $F_1=800$ Н, набувають сили, впливу на великий поршень ($S_2=1000 \ (см) ^ 2 $) рівної $ F_2 = 72000 $ Н?
Який виграш у силі виходив би у цього преса, якби були відсутні сили тертя?
Рішення.Виграшем у силі називають відношення модулів отриманої сили до прикладеної:
\[\frac(F_2)(F_1)=\frac(72000)(800)=90.\]
Використовуючи формулу, отриману для гідравлічного пресу:
\[\frac(F_1)(S_1)=\frac(F_2)(S_2)\left(1.1\right),\]
знайдемо виграш у силі за відсутності сил тертя:
\[\frac(F_2)(F_1)=\frac(S_2)(S_1)=\frac(1000)(10)=100.\]
Відповідь.Виграш у силі в пресі за наявності сил тертя дорівнює $\frac(F_2)(F_1)=90.$ Без тертя він дорівнював $\frac(F_2)(F_1)=100.$
Приклад 2
Завдання.Використовуючи гідравлічний підйомний механізм, слід підняти вантаж, що має масу $m$. Яка кількість разів ($k$) потрібно опустити малий поршень за час $t$, якщо за один раз він опускається на відстань $l$? Відношення площ поршнів витягу дорівнює: $ frac (S_1) (S_2) = frac (1) (n) $ ($ n> 1 $). Коефіцієнт корисної дії машини складає $eta $ при потужності його двигуна $N$.
Рішення. Принципова схемароботи гідравлічного витягу зображено на рис.2., вона аналогічна роботі гідравлічного преса.
В якості основи для вирішення задачі використовуємо вираз, що зв'язує потужність і роботу, але при цьому врахуємо ККД підйомника, тоді потужність дорівнює:
Роботу виробляють з метою підняти вантаж, значить, її знайдемо як зміна потенційної енергії вантажу, за нуль потенційної енергії вважатимемо енергію вантажу в місці початку його підйому ($E_(p1)$=0), маємо:
де $h$ - висота, яку підняли вантаж. Прирівнявши праві частини формул (2.1) і (2.2), знайдемо висоту, на яку підняли вантаж:
\[\eta Nt=mgh\to h=\frac(\eta Nt)(mg)\left(2.3\right).\]
Роботу, яку виконує сила $F_0$, при переміщенні малого поршня знайдемо як:
\[А_1=F_0l\ \left(2.4\right),\]
Робота сили, яка рухає великий поршень вгору (стискає гіпотетичне тіло), дорівнює:
\[А_2=FL\ .\] \[А_1=А_2\to F_0l=FL\] \[\frac(F_0)(F)=\frac(L)(l)=\frac(S_1)(S_2)\ left(2.5\right),\]
де $L$ - відстань, яку зсувається великий поршень за один хід. З (2.5) маємо:
\[\frac(S_1)(S_2)=\frac(L)(l)\to L=\frac(S_1)(S_2)l\ \left(2.6\right).\]
Для того щоб знайти кількість ходів поршнів (кілька разів яке опуститься малий поршень або підніметься великий) слід висоту підняття вантажу розділити на відстань на яке зсувається великий поршень за один хід:
Відповідь.$k=\frac(\eta Ntn)(mgl)$
2.5.2. Найпростіші гідравлічні машини.
Гідравлічний прес. Мультиплікатор
2.5.1. Прилади для вимірювання тиску
П'єзометри.Зануримо в «абсолютно» рідину, що покоїться, відкриті з обох кінців скляні трубки так, щоб їх нижні кінці збіглися з точками і (рис. 2.11). В обох трубках з відкритими кінцями рідина підніметься на однакову висоту, яка лежатиме водній площині щодо порівняння . Ця висота дорівнює висоті повного гідростатичного натиску, виміряної не за абсолютним, а за надмірним тиском.
Рис.2.11. Закон розподілу тиску
в «абсолютно» рідині, що покоїться
Такі відкриті з обох кінців трубки, призначені для вимірювання тиску, точніше п'єзометричної висоти, називаються п'єзометрами або п'єзометричними трубками.
П'єзометри придатні вимірювання щодо невеликих тисків, т.к. вже при воду в трубці піднялася б на висоту 10 м, а мінеральної олії з відносною вагою 0,8 - на 12,5 м.
Диференціальні манометри.Для вимірювання різниці тисків у двох точках служать диференціальні манометри, найпростішим з яких є образний манометр (рис. 2.12).
Мал. 2.12. Диференціальний манометр
Диференціальні манометри можуть вимірювати як надмірне (рис. 2.11, а), так і вакуумметричний тиск (рис. 2.11, б). Якщо за допомогою такого манометра, що зазвичай заповнюється ртуттю, вимірюється різниця тисків і рідини щільністю, яка повністю заповнює сполучні трубки, то
При вимірі невеликих тисків газу замість ртуті застосовують спирт, гас, воду тощо.
П'єзометри і диференціальні манометри застосовні для вимірювання тиску не тільки в рідині, що покоїться, але і в потоці.
Для вимірювання тисків більше 0,2-0,3 застосовують механічні манометри – пружинні чи мембранні. Принцип їх дії ґрунтується на деформації порожнистої пружини або мембрани під дією вимірюваного тиску. Через механізм ця деформація передається стрілці, яка показує величину тиску, що вимірювається на циферблаті.
Поруч із механічними манометрами застосовують електричні манометри. Як чутливий елемент (датчика) в електроманометрі використовують мембрану. Під дією вимірюваного тиску мембрана деформується і через передавальний механізм переміщає двигун потенціометра, який разом із покажчиком включений в електричну схему.
Співвідношення одиниць вимірювання тиску:
1ат = 1кгс/см 2 =10 м вод. ст. = 736,6 мм рт. ст. = 98066,5 Па 10 5 Па.
1 кПа = 10 3 Па; 1 МПа = 10 6 Па.
При нормальному атмосферному тиску(0,1033 МПа) висота дорівнює води 10,33 м, для бензину (= 750 кг/м 3 ) 13,8 м, ртуті 0,760 м тощо.
2.5.2. Найпростіші гідравлічні машини. Гідравлічний прес. Мультиплікатор
Гідравлічний прес. Прес застосовується в техніці для створення великих зусиль, що стискають, які необхідні в техніці при обробці металів тиском, пресуванні, штампуванні, брикетуванні, випробуванні різних матеріалів та ін.
Прес складається з сполучених циліндрів з поршнями, з'єднаних між собою трубопроводом (рис. 2.13).
Мал. 2.13. Схема гідравлічного пресу
Одна з судин має площу, яка менша за площу другої судини. Якщо до поршня в посудині 1 докласти сили, то під ним створюється гідростатичний тиск, що визначається за формулою.
За законом Паскаля тиск передається в усі точки рідини, зокрема і площу. Це створює силу
Виразивши через, отримаємо
Таким чином, сила в стільки разів більша за силу, що діє на поршень у малому перерізі, у скільки разів площа більша за площу.
Сила створюється зазвичай за допомогою поршневого насоса, який подає рідину (масло, емульсію) камеру преса. Сила може пресувати виріб між поршнем і нерухомою платформою. Практично розвивається сила менше сили внаслідок тертя між поршнями та циліндрами. Це зменшення враховується коефіцієнтом корисної дії преса. У сучасних гідравлічних пресах розвиваються зусилля до 100 000 тонн і більше.