Предположим, что гидравлическая машина обеспечивает увеличение силы в сто раз. Это означает, что при перемещении меньшего поршня на 100 мм, больший поршень поднимется всего на 1 мм. Существуют также машины, которые могут дать выигрыш в силе в тысячу раз. Но что делать в тех случаях, когда на поршне размещен автомобиль, который необходимо поднять на высоту нескольких метров?
Гидравлический пресс
Гидравлический пресс — это устройство, функционирующее в соответствии с законами движения и равновесия жидкостей.
Основным принципом работы гидравлического пресса является закон Паскаля. Название этого устройства происходит от греческого слова «гидравликос», что переводится как «водяной». Гидравлический пресс применяют для прессования, сжатия различных материалов, а также в ситуациях, когда требуется высокое усилие, например, при выдавливании масла из семян. В современном мире гидравлические прессы могут выдавать усилие до $^8$ ньюстонов.
Конструктивно гидравлическая машина состоит из двух цилиндров различного радиуса, каждый из которых оборудован поршнем (см. рис. 1), при этом они соединены трубопроводом. Обычно пространство в цилиндрах под поршнями заполняется минеральным маслом, что способствует его плавному перемещению при подаче давления.
Чтобы пояснить принцип работы гидравлической машины, необходимо вспомнить, что такое сообщающиеся сосуды и какое значение имеет закон Паскаля.
Сообщающиеся сосуды
Сообщающиеся сосуды — это такие сосуды, которые соединены так, чтобы жидкость могла свободно перемещаться между ними. Форма этих сосудов может разниться. В сообщающихся сосудах уровень жидкости одинаков, если давления над свободными поверхностями жидкости равны.
Как показано на рис. 1, гидравлическая машина конструктивно представляет собой пару сообщающихся сосудов, но различной площади. Высоты столбов жидкости в цилиндрах будут идентичными только при отсутствии каких-либо внешних сил, воздействующих на поршни.
Благодаря оптимизации использования металла, простоте своей конструкции и скорости производства, гидравлический пресс получил широкое признание в таких областях, как автомобилестроение, судостроение, авиационная и сельскохозяйственная техника.
Устройство и принцип работы гидравлического пресса
Принцип, основанный на законе Паскаля, может быть сформулирован следующим образом: сила, с которой подается жидкость из малого цилиндра в большой, увеличивается пропорционально разнице между площадями цилиндров. Данный принцип также применяется в устройствах домкратов. Интересно, что в гидравлических амортизаторах реализуется обратный механизм того же эффекта.
Работа гидравлического пресса осуществима благодаря следующему процессу: оператор управляет масляным насосом, который подает гидравлическую жидкость в цилиндр, создавая тем самым повышенное давление, что приводит к перемещению штока. Затем этот шток оказывает определенное давление на заготовку, приводя к процессу прессовки. Работа устройства гидравлического пресса аналогична принципу действия механического рычага.
Конструкция гидравлического пресса строится по стандартной схеме: на основании устанавливаются две вертикальные стойки, между которыми размещается поперечная балка, способная изменять положение для работы с различными по размеру заготовками. Верхняя поперечина служит опорой для гидроцилиндра. В данной схеме могут также использоваться распределитель, магистраль, насос и резервуар с маслом. Рамная структура прессов производится из прочного металлического профиля или стальной стали высокой прочности.
Разновидности и характеристики
Основные характеристики гидравлического пресса (параметры каждой модели отображаются на соответствующем чертеже) включают:
- усилие сжатия (в тоннах);
- усилие на ручке (в Ньютонах);
- рабочая скорость (в миллиметрах в секунду);
- рабочий ход (в сантиметрах);
- давление масла в гидроприводе (в Мегапаскалях);
- мощность привода (в киловаттах);
- габариты и масса (в миллиметрах и килограммах).
Этот широкий диапазон параметров приводит к появлению двух видов приводов:
- насосный привод – не использует накопление энергии;
- насосно-маховиковый и насосно-аккумуляторный приводы – работают за счет накопления энергии в промежутках между рабочими циклами.
На СТО применяются разнообразные модели гидропрессов: настольные, вертикальные, электрогидравлические и пневмогидравлические, способные развивать усилие до 100 тонн.
В зависимости от способа работы гидравлические прессы делятся на две категории:
На заводах производятся устройства с закрытой и открытой рамой, которые используются для обработки элементов нестандартной формы. В зависимости от размеров аппарата различают настольные и напольные модели. Если ориентироваться на конструкцию станины, то можно выделить стоечные и колонные прессы. По типу назначения гидравлические прессы делятся на универсальные и специализированные (предназначенные для конкретных задач).
Благодаря эффективному использованию металла, простоте своей конструкции, высокой скорости производства и оптимальной продуктивности, пресс стал незаменимым в таких отраслях, как автомобилестроение, судостроение, а также в авиационной и сельскохозяйственной технике.
Формула гидравлического пресса
Какое же усилие способен создать гидравлический пресс?
Для ответа на данный вопрос рассмотрим гидравлический пресс с двумя цилиндрами. На малый поршень с площадью $S_p$ воздействует сила $F_p$, создавая тем самым давление $p$. Это давление передается на большой поршень с площадью $S_b$, что вызывает возникновение силы $F_b$.
Давление определяется как отношение силы к площади, на которую эта сила действует:
Учитывая закон Паскаля, давление в обоих цилиндрах является одинаковым:
Подставляя в обе части уравнения выражения для давления, мы получаем:
Сила, создаваясь на большом поршне, будет пропорциональна усилию, прикладываемому к малому поршню, в той же степени, в какой площадь большого поршня превышает площадь малого поршня.
Гидравлический пресс как рычаг
На первый взгляд может показаться, что гидравлический пресс позволяет создавать силу из «ничего» и осуществлять много работы без какой-либо энергии. На самом деле это не так.
Произведенная работа равняется произведению силы на расстояние, через которое эта сила действует. Пока поршни не движутся, работа составляет ноль. Однако как только поршни начинают свое перемещение, малый поршень пройдет большее расстояние, пропорционально разнице площадей. Таким образом, выигрыш в силе, который мы наблюдаем на большом поршне, достигается за счет соответствующей потери расстояния на малом поршне. В сущности, гидравлический пресс можно считать рычагом первого рода, где малый цилиндр выступает в качестве длинного плеча рычага, а большой цилиндр является коротким.
Рис. 3. Рычаг первого рода.
Гидропресс – это устройство, которое значительно усиливает первоначально приложенную силу. Хотя термин «пресс» может быть использован условно, поскольку в промышленных условиях этот аппарат в основном предназначен для создания деталей с помощью штамповки.
Советы по выбору
Пресс – это мощный инструмент, как по весу, так и по создаваемому давлению. Первоначально тиски и струбцины служили предшественниками пресса, однако они, как правило, не способны обеспечить усилие свыше пары тонн. Начальным вариантом может стать пресс с усовершенствованным усилием в 10, 12 или 20 тонн. По мере увеличения производственных операций и повышения пропускной способности вашего рабочего места, возможно стоит продать этот пресс и приобрести более мощное устройство, например, на 30, 40, 50 или даже 100 тонн.
Некоторые мастера предпочтительно используют пресс с открытой рамой для производства шкворней или выпрессовки подшипников.
Габариты оборудования должны соответствовать площади вашей производственной зоны.
Например, для гаража площадью 36 м², который служит единственной мастерской, можно использовать пресс с усилием в 30 тонн. Для работы с ним потребуется несколько квадратных метров свободного места (сам пресс займет, к примеру, 2 м² с размерами 1х2 м).
Сферы применения
Гидравлический пресс используется для выполнения различных типов работ, включая:
- прессование подшипников;
- брикетирование отходов – таких как стружка, синтетические отходы, макулатура и древесные остатки;
- отжимание пищевых масел и соков;
- пробивка отверстий – необходимо создавать отверстия в алюминиевых или пластиковых заготовках строго по заданной последовательности, что значительно упрощает создание однотипных деталей;
- опрессовка и формовка профилей и скоб как горячим, так и холодным метом.
Существует множество операций, без использования пресса выполнение которых становится крайне сложным, если не невозможным. Каждая из этих работ имеет свою специфику. Например, процесс отжима растительного масла обычно занимает около 12 минут за сеанс, и на большинстве самодельных установок в это время может быть отжата партия в 7 кг неочищенных (нелущеных) сырых семян.
Сообщающимися сосудами называют сосуды, которые соединены между собой таким образом, что жидкость может свободно перемещаться из одного сосуда в другой. Форма таких сосудов может быть разной. Уровень жидкости в сообщающихся сосудах одной плотности будет одинаковым, если давления над свободными поверхностями этой жидкости являются равными.
Наиболее распространённый тип гидравлических прессов – это двухстоечные установки, оснащённые ручным или ножным приводом. Они имеют рабочую поверхность и манометр, необходимый для контроля давления. Классифицируются как вертикальные прессы.
Данные устройства обычно используются на СТО для ремонта легковых автомобилей, так как усилие в 20 тонн, создаваемое ими, вполне достаточно для подъема даже больших автомобилей.
Настольные прессы
Настольные гидравлические прессы являются одними из самых компактизированных вариантов. Их конструкция не занимает места на полу, так как они устанавливаются на стол или верстак. В случаях, когда пространство является ограниченным, настольный пресс оказывается идеальным решением. Максимально возможное усилие таких агрегатов составляет 15 тонн, что может не всегда быть достаточным для выполнения поставленных задач. Из-за своей компактности настольные прессы не могут обрабатывать крупногабаритные детали.
Основу конструкции таких прессов составляет электрический двигатель. Предельное усилие, развиваемое настольными прессами, может составлять от 50 тонн и больше. Эти устройства становятся незаменимыми для промышленных предприятий и СТО, когда требуется обслуживать крупногабаритные автомобили. Электропривод значительно увеличивает скорость выполнения работы и снижает необходимость физической силы в процессе работы.
Современные прессы зачастую оснащены ЧПУ. Программировав необходимые режимы работы и установив нужное давление, оператор может не беспокоиться о постоянном контроле работы станка — эту задачу будет выполнять микрокомпьютер.
Движение поршней гидравлической машины
Принцип работы гидравлического пресса внедряется в разнообразные области, включая физику, строительство, обработку материалов, сельское хозяйство, автомобилестроение и т. д. Примеры использования гидравлических машин представлены на рисунке.
Теперь вернемся к двум сообщающимся сосудам с поршнями и сосредоточим внимание не на силе, а на расстоянии, которое проходят поршни при перемещении. Предположим, что начальное положение поршней различно. Поршень площадью S находится в нижней части системы, в то время как поршень площадью s находится выше. Переместим меньший поршень вниз на расстояние h, тем самым водяная жидкость переходит из меньшего сосуд в больший, и поршень в большом бастионе поднимется на высоту H.
Зная соотношения между площадями, можно выразить взаимосвязь между высотами. Объем жидкости, перемещенной под давлением из одного сосуда в другой, обозначим как v. В правом цилиндре указанный объем равен V. Жидкость считается несжимаемой, поэтому можно записать равенство: v=V. Объем выражается через площадь и высоту. Таким образом, мы имеем: v=s*h и V=S*H. Соответственно, s*h=S*H, что позволяет установить соотношение S/s=h/H. Следовательно, выигрыш в силе F/f=h/H. Это соотношение иллюстрирует основной принцип работы гидравлического пресса. Мы делаем вывод: поскольку F больше, чем f, значит H меньше h, причем соотношение остается неизменным.
Итак, если гидравлическая машина дает выигрыш в силе в сто раз, это означает, что при опускании меньшего поршня на 100 мм, больший поршень переместится лишь на 1 мм. Но как быть в тех случаях, когда на поршне располагается автомобиль, который необходимо поднять на высоту нескольких метров?
Устройство и принцип работы гидравлического пресса
В малом поршне предусмотрен клапан, который закрывает трубочку, соединяющую его с резервуаром, заполненным машинным маслом. В качестве рабочей жидкости в гидравлических прессах обычно не используется вода, так как она подвержена коррозии и обладает сравнительно низкой температурой кипения. Движение поршня осуществляется с помощью рукоятки. Жидкость передается из меньшего цилиндра в больший через соединительную трубку.
В большом сосуде тоже установлен клапан и поршень. Когда оператор поднимает рычаг, масло закачивается в меньший цилиндр под атмосферным давлением. При опускании поршня клапан закрывается, и масло не может уйти, поэтому оно перемещается в больший сосуд. Это перемещение поднимает клапан в большом резервуаре и соответственно повышает уровень масла, что приводит к подъему поршня. Когда оператор снова поднимает малый поршень, клапан в большом сосуде закрывается, и отверстие для выхода масла оказывается заблокированным, что устраивает дальнейшие перемещения.
Суть работы гидравлического пресса заключается в том, что любые движения малого поршня неизменно приводят к подъему большого поршня. Предусмотрен механизм, который позволяет снизить уровень большого поршня. Это достигается за счет использования шланга с краном, размещенным в большом сосуде. Открытие крана приводит к сбросу давления и распущенному состоянию гидравлической системы, позволяя жидкости снова вернуться в резервуар, тем самым опуская поршень.
