Принцип работы гидравлического пресса
Работа гидравлического пресса основана на принципе гидравлического рычага.
На рисунке показана схема простейшего гидравлического пресса, состоящего из поршней большего и малого диаметров, установленных в сообщающихся цилиндрах, под поршнями находится жидкость. На поршень малого диаметра площадью S1 оказывается усилие F1, определим усилие F2, которое сможет преодолеть поршень площадью S2.
Давление под поршнем 1 можно вычислить по формуле:
Давление под поршнем 2 будет определяться зависимостью:
Согласно закону Паскаля давление, приложенное к жидкости передается всем точкам этой жидкости одинаково во всех направлениях.
Сила на втором поршне будет увеличена пропорционально соотношению площадей поршней. Чем больше площадь второго поршня, и чем меньше площадь первого тем больший коэффициент усиления можно получить на гидравлическом рычаге.
Величина перемещения поршня 2 зависит от объема жидкости, вытесненного поршнем 1. Определим величину перемещения второго поршня l2, при перемещении поршня 1 на расстояние l1.
Так как первый поршень меньше второго, то расстояние на которое переместится второй поршень будет меньше расстояния, на который переместится первый поршень.
Получается, что представленная конструкция позволила значительно увеличить усилие, но при этом произошло снижение величины перемещения. Каким образом можно увеличить величину хода поршня 2, не увеличивая конструкцию?
Добавив в конструкцию два обратных клапана, и бак с дополнительным объемом рабой жидкости, мы сможем увеличить величину перемещения поршня 2, увеличивая число циклов перемещения поршня 1. Для возврата поршня 2 в исходное состояние добавим задвижку или распределитель, позволяющий при необходимости вытеснить жидкость из под поршня 2 обратно в бак.
Рассмотрим как работает гидравлический пресс в данном случае.
По достижении крайнего нижнего положения поршень начинает перемещаться вверх, увеличивая объем под поршнем, в результате создавшегося разряжения клапан 1 откроется, а клапан 2 закроется жидкость из бака будет поступать под поршень 1. После достижения крайнего положения поршень начнет движение вниз вытесняя рабочую жидкость, цикл повториться.
Таким образом увеличивая число циклов, можно достигнуть необходимой величины перемещения поршня 2 с увеличенным, за счет разницы площадей, усилием.
Устройство гидравлического пресса
Рассмотрим, принципиальную схему реального гидравлического пресса.
Жидкость от насоса через фильтр поступает на вход трехпозиционного распеределителя. В нейтральном положении золотник жидкость через распределитель отправляется на слив. При переключении распределителя жидкость направляется в поршневую или штоковую полость гидроцилиндра установленного на гидравлическом прессе.
Усилие прессования определяется как произведение площади поршня на давление в полости гидроцилиндра:
Максимальное давление в системе определяется настройкой предохранительного клапана и контролируется по манометру, установленному в напорной линии.
Гидравлическая схема пресса показана на рисунке.
Классификация гидравлических прессов
Наиболее часто используют классификации прессов по следующим признакам.
По расположению рабочих цилиндров :
По количеству рабочих цилиндров:
Характеристики гидравлических прессов
Гидравлический привод позволяет реализовать различные усилия и скорости перемещения выходного звена пресса. Скорость перемещения выходного звена может варьироваться в диапазоне от 0,1 мм/с до 300 мм/с.
Усилие гидравлического пресса
Одним из ключевых преимуществ гидравлических прессов является простота регулирования силы и возможность реализации больших усилий.
Силу, развиваемую гидравлическим прессом можно определить как произведение давления в полости гидроцилиндра на площадь поршня:
В зависимости от конструкции гидравлические прессы способны развивать усилие от нескольких тонн, до 70 000 тс (тонн силы).
Достоинства гидравлических прессов
Недостатки гидравлических прессов
Применение гидравлических прессов
Гидравлические прессы применяют:
Гидравлические прессы широко используют в металлургии для для горячей и холодной штамповки, выдавливания, прошивки, гибки, правки, резки металла.
В пищевой промышленности из-за недопустимости попадания частиц масла в продукты используют пневматические прессы.
Вопросы и ответы по гидравлическим ручным прессам
Какие операции доступны для выполнения на гидравлических прессах?
По каким параметрам ведется выбор?
Область применения гидравлического пресса определяется следующими характеристиками:
Для чего используются ручные пресс-клещи?
Они применяются для соединения прессованием толстых токоведущих жил, сечением до 25 кв.мм, и гильз, сечением до 10 кв.мм. Сначала концы проводов очищаются от изоляции, грязи и окислов. Далее они заводятся в гильзу и при обжимке усилием 12 – 20 т надежно скрепляются.
Другая доступная операция – оконцевание (создание петли для последующего ее прикручивания гайкой на шпильку). Она может осуществляться двумя способами. Либо к концу жилы прикрепляют готовый наконечник, соответствующий по материалу проводу, либо конец жилы скручивается в кольцо. Наконечник ставят на кабели из нескольких проводов, площадь поперченного сечения которых более 2,5 кв.мм, или на толстые жилы – больше 10 кв.мм. Провода меньшей толщины закручиваются в кольцо.
Почему у гидравлических прессов усилие на порядок больше, чем у механических?
Для передачи большого усилия от двигателя к исполнительному устройству требуется значительное передаточное число, которое у механических прессов определяется геометрическими размерами зубчатых колес. Это накладывает предел максимально возможной силы в несколько тонн, например 5 т у Proma AP-5 и Jet AP-5.
У гидравлической модели эта величина зависит от отношения площадей поршней у сообщающихся цилиндров. В такой конструкции есть неограниченная возможность увеличивать передаточное число и развиваемое усилие на штоке пресса без значительного роста габаритов и массы устройства. Например, у модели Сорокин 7.111 усилие составляет 100 т.
Каковы самые основные правила техники безопасности?
Как чаще всего ломается насос гидравлического пресса?
Каково оптимальное усилие пресса для демонтажа штифтов и штоков?
Для определения силы демонтажа цилиндрических деталей (в тоннах), его диаметр (в дюймах) умножается на десять. Например, для выпрессовки штока, диаметром 1,5 дюйма, потребуется усилие пресса 15 тонн.
Какая зависимость между усилием запрессовки, указанной в тоннах (т), и единицей измерения силы – ньютон (Н)?
Значение, заданное в тоннах (например, 1 т), – это эквивалент силы тяжести груза, массой 1 т. В ньютонах это усилие равно 1000 кг×10 Н/кг = 10,000 Н = 10кН. То есть усилие, выраженное в тоннах, переводится в килограммы (килограмм-сила или кгс) и умножается на округленное с 9,8 до 10 Н/кг значение ускорения свободного падения.
В каком порядке ведется подготовка к запрессовке? Какая используется смазка?
Сначала притупляются острые кромки на торцах; внешняя поверхность втулки и внутренняя сторона отверстия очищаются от грязи. При значительной площади сопряжения для улучшения шероховатости мест контакта деталей и снижения нагрузки на станок в качестве смазки используется сульфид молибдена или очищенное машинное масло, которое наносится тонким слоем.
Как правильно запрессовывать подшипники качения на вал?
Для легкой прессовки с минимальной деформацией нужно предварительно нагреть охватывающее кольцо подшипника для его расширения и охладить охватываемый вал для сжатия. При этом используются ванны с минеральными маслами, разогретыми до 80 –100 0С. С крупными деталями применяются электроиндукционные и муфельные печи.
Не пытайтесь запрессовать подшипник вручную молотком, так как это чревато перекосом колец с последующим заклиниванием.
Для запрессовки втулок удобно использовать направляющие приспособления в виде охватывающих колец и пальцев (в зависимости от диаметра втулки), которые исключают перекашивание при запрессовке. Также они ускоряют процесс и обеспечивают максимально равномерную нагрузку за счет распределения давления по всей опорной площади.
По окончании работ насаженный подшипник проворачивается рукой – вращение должно быть равномерное, без скачков, с небольшим шумом. Также контролируется плотность прилегания торца кольца к буртику или другой опорной поверхности вала или корпуса.
Усилие прессования металла
Давление, необходимое для выдавливания металла из контейнера через очко матрицы, называется усилием прессования и измеряется оно в тонна-силах T и килограмм-силах кГ.
Усилие прессования зависит от следующих факторов: свойств металла, размеров слитка, степени деформации, температуры слитка и инструмента, скорости деформирования, формы матрицы, состояния поверхности инструмента, смазки и метода прессования. Рассмотрим влияние этих факторов.
Свойства металлов. Выше говорилось, что одни металлы и сплавы требуют незначительных усилий прессования, другие же, наоборот, прессуются с трудом. К числу первых относятся магний, алюминий и сплавы ЛС59-1, Л63 и др. Примером труднопрессуемых сплавов являются латуни Л68, ЛО70-1, Л80, дуралюмины и др.
Влияние степени нагрева слитков на усилие прессования ясно из того, что при более высоких температурах предел прочности металлов снижается, следовательно, требуется и меньшее усилие для деформации.
Прессовщикам-аппаратчикам хорошо известно, что недостаточно нагретые слитки прессуются с трудом и манометр показывает резкое возрастание давления. В таких случаях часто весь слиток или значительная его часть остается непропрессованным. Перегретые слитки прессуются легко и манометр показывает небольшое давление.
Холодный или недостаточно нагретый инструмент охлаждает слиток, вследствие чего возрастают его прочность и усилие прессования. Вредное влияние холодного инструмента особенно сильно сказывается при прессовании медленно прессуемых сплавов — дуралюминов, фосфористой бронзы, титана.
Степень деформации. Усилие прессования находится в прямой зависимости от вытяжки или степени обжатия. Чем больше вытяжка, тем больше требуется усилие прессования. Например, при прессовании на 2500-Т прессе из контейнера диам. 205 мм медных труб размером 76х3,0 мм с вытяжкой 42,8 давление пресс-шайбы на слиток составило 43 кГ/мм2, при прессовании же труб размером 58х4,0 мм с вытяжкой 46,3 оно увеличилось до 50,5 кГ/мм2. В другом случае при прессовании на 600-Г прессе из контейнера диаметром 85 мм труб из магниевого сплава МА2 размером 28×1,5 мм (К=38) давление не превышало 78 кГ/мм2, при прессовании же труб размером 28х1,0 мм (К=50) давление возросло до 84 кГ/мм2. Такая же зависимость наблюдается и при прессовании других металлов.
Длина слитка. При прямом прессовании слиток перемещается в контейнере с большим трением о его стенки. На преодоление трения затрачивается определенное усилие, зависящее от длины слитка. Чем длиннее слиток, тем большее усилие, требуется в начале прессования. По мере выпрессовывания металла, т. е. уменьшения длины слитка, силы трения снижаются и снижается усилие прессования. К концу процесса, когда металл успевает уже заметно остыть и от слитка остается незначительная его часть, течение металла от стенок контейнера к отверстию в матрице затрудняется и усилие поэтому возрастает.
На рис. 51 представлен характер изменения усилия прессования с уменьшением длины слитка В начальный момент, когда металл не начал выпрессовываться, давление резко возрастает. После того как металл начал течь, давление снижается; лишь к концу прессования давление вновь возрастает.
При обратном прессовании слиток в контейнере не перемещается, поэтому длина слитка на усилие никак не влияет. Только прессование длинных слитков в холодном контейнере может вызвать возрастание усилия в конце прессования за счет захолаживания металла.
Скорость прессования существенно не влияет на усилие прессования. Примером тому может служить опыт прессования труб из медных сплавов, когда с увеличением скорости в 3,5 раза усилие прессования возросло только на 10—15%.
О влиянии пониженной скорости на процесс прессования при температуре контейнера, более низкой, чем температура слитка, говорилось выше.
Форма матриц. По профилю очка матрицы делят на конические а и плоские б (рис. 52). Опыт и практика показывают, что при работе с плоскими матрицами требуется большее давление прессования, чем при работе с коническими матрицами. Конические матрицы с углом а, равным 40—55°, наиболее выгодны; требуется меньшее усилие прессования, чем при матрицах с другими углами а. Ho такие матрицы не обеспечивают необходимого качества изделий. Окалина, образующаяся на слитках при нагреве, выпрессовывается вместе с металлом и покрывает поверхность изделия. С увеличением угла а до 60—65° это явление устраняется, так как окалина задерживается в мертвых углах между матрицей и контейнером.
На усилие прессования влияет длина рабочего пояска b матрицы (см. рис. 52); чем он меньше, тем меньшее требуется усилие прессования. Длина рабочего пояска, как это будет показано дальше, определяется свойствами металла и размерами изделия.
При прямом прессовании металл под большим давлением движется по стенке контейнера. Сильно сработанная поверхность контейнера препятствует движению металла, тем самым вызывая необходимость приложения дополнительного усилия. При хорошо отшлифованной поверхности контейнера требуемое усилие прессования значительно снижается.
Применение смазки, снижая требующееся усилие прессования, позволяет прессовать металл при более низкой температуре и с повышенными скоростями.
При обратном прессовании состояние поверхности контейнера не влияет на величину необходимого усилия.
Состояние поверхности слитков заметно сказывается на усилии прессования при работе с металлами и сплавами, которые сильно окисляются при нагревании. Например, при нагревании шашек из сплавов Л96 и мельхиора в атмосфере генераторного газа вследствие отсутствия на поверхности шашек толстого слоя окалины усилие прессования уменьшается на 20—30%.
Метод прессования. При обратном прессовании металла, поскольку трение между контактными поверхностями контейнера и слитка отсутствует, требуется меньшее усилие прессования, чем при прямом прессовании.
Для определения требующегося усилия прессования имеется несколько сравнительно сложных формул, опубликованных в специальной литературе. Фактическое же усилие, наблюдаемое при прессовании, можно определить по положению стрелки манометра, показывающей давление воды в главном цилиндре пресса. В то время как пресс бездействует, стрелка находится на нуле. В момент прессования она поднимается и держится в пределах давлений, обеспечивающих течение металла через матрицу.
Для подсчета усилия прессования необходимо номинальное усилие пресса разделить на наибольшее давление воды, на которое рассчитана установка, и полученный результат умножить на показание манометра в момент прессования:
где р — удельное давление, кГ/мм2;
P — усилие прессования, кГ;
F — площадь торцовой поверхности пресс-шайбы, мм2.
Наибольшие удельные давления, которые могут развивать прессы, зависят от их номинального усилия и от размеров контейнеров (табл. 13). При выборе размеров слитков необходимо учитывать наряду с обжатиями возможные удельные давления.
В случае обработки труднопрессуемых сплавов выбирают контейнеры меньшего диаметра, если только позволяют размеры готового изделия и обжатие получается достаточным, т. е. не меньше 85—90%. При обработке легкопрессуемых сплавов применяют более крупные контейнеры.
Возможность работать с большими удельными давлениями в ряде случаев позволяет прессовать слитки при более низких температурах, что благоприятно сказывается на качестве изделий.
Для нормальной работы прессового инструмента диаметр слитков берут таким, чтобы удельное давление не превышало 120 кГ/мм2. При более высоких давлениях расход инструмента значительно возрастает.
В заключение необходимо указать на некоторые противоречия, которые возникают между отдельными элементами технологии прессования. Действительно, чтобы уменьшить сопротивление деформации и снизить давление прессования, целесообразно было бы прессовать при более высоких температурах. Однако это влечет за собой увеличение брака по запрессовке окалины, вредно сказывается на стойкости инструмента и снижает скорость прессования. Низкая температура прессования позволяет получать изделия внешне хорошего качества, механические свойства которых иногда неоднородны по длине изделия. При низкой температуре возрастает давление на инструмент, поэтому он быстрее выходит из строя. Применение смазки снижает давление прессования, но иногда ее присутствие вызывает брак по пузырям, пленам и т. д.
Чтобы работать без брака, производительно и при минимальном расходе инструмента, бригада прессовщиков (а особенно аппаратчик) должна ясно представлять влияние условий прессования на конечные результаты работы и уметь правильно эти условия сочетать, не нарушая технологических инструкций.
Мощность
Определение мощности
Допустим, нам необходимо убрать урожай пшеницы с поля площадью 100 га. Это можно сделать вручную или с помощью комбайна. Очевидно, что пока человек обработает 1 га площади, комбайн успеет сделать намного больше. В данном случае разница между человеком и техникой — именно то, что называют мощностью. Отсюда вытекает первое определение.
Мощность в физике — это количество работы, которая совершается за единицу времени.
Рассмотрим другой пример: между точкой А и точкой Б расстояние 15 км, которое человек проходит за 3 часа, а автомобиль может проехать всего за 10 минут. Понятно, что одно и то же количество работы они сделают за разное время. Что показывает мощность в данном случае? Как быстро или с какой скоростью выполняется некая работа.
В электромеханике данная величина тоже связана со скоростью, а конкретно — с тем, как быстро передается ток по участку цепи. Исходя из этого, мы можем рассмотреть еще одно определение.
Мощность — это скалярная физическая величина, которая характеризует скорость передачи энергии от системы к системе или скорость преобразования, изменения, потребления энергии.
Напомним, что скалярными величинами называются те, значение которых выражается только числом (без вектора направления).
Мощность человека в зависимости от деятельности
Вид деятельности
Мощность, Вт
Бег со скоростью 9 км/ч
Плавание со скоростью 50 м/мин
Как обозначается мощность: единицы измерения
В таблице выше вы увидели обозначение в ваттах, и читая инструкции к бытовой технике, можно заметить, что среди характеристик прибора обязательно указано количество ватт. Это единица измерения механической мощности, используемая в международной системе СИ. Она обозначается буквой W или Вт.
Измерение мощности в ваттах было принято в честь шотландского ученого Джеймса Уатта — изобретателя паровой машины. Он стал одним из родоначальников английской промышленной революции.
В физике принято следующее обозначение мощности: 1 Вт = 1 Дж / 1с.
Это значит, что за 1 ватт принята мощность, необходимая для совершения работы в 1 джоуль за 1 секунду.
В каких единицах еще измеряется мощность? Ученые-астрофизики измеряют ее в эргах в секунду (эрг/сек), а в автомобилестроении до сих пор можно услышать о лошадиных силах.
Интересно, что автором этой последней единицы измерения стал все тот же шотландец Джеймс Уатт. На одной из пивоварен, где он проводил свои исследования, хозяин накачивал воду для производства с помощью лошадей. И Уатт выяснил, что 1 лошадь за секунду поднимает около 75 кг воды на высоту 1 метр. Вот так и появилось измерение в лошадиных силах. Правда, сегодня такое обозначение мощности в физике считается устаревшим.
Одна лошадиная сила — это мощность, необходимая для поднятия груза в 75 кг за 1 секунду на 1 метр. 🐴
Единицы измерения
1 метрическая лошадиная сила
Все формулы мощности
Зная определения, несложно понять формулы мощности, используемые в разных разделах физики — в механике и электротехнике.
В механике
Механическая мощность (N) равна отношению работы ко времени, за которое она была выполнена.
N = A / t, где A — работа, t — время ее выполнения.
Если вспомнить, что работой называется произведение модуля силы, модуля перемещения и косинуса угла между ними, мы получим формулу измерения работы.
Если направления модуля приложения силы и модуля перемещения объекта совпадают, угол будет равен 0 градусов, а его косинус равен 1. В таком случае формулу можно упростить:
A = F × S
Используем эту формулу для вычисления мощности:
N = A / t = F × S / t = F × V
В последнем выражении мы исходим из того, что скорость (V) равна отношению перемещения объекта на время, за которое это перемещение произошло.
В электротехнике
В общем случае электрическая мощность (P) говорит о скорости передачи энергии. Она равна произведению напряжения на участке цепи на величину тока, проходящего по этому участку.
P = I × U, где I — напряжение, U — сила тока.
В электротехнике существует несколько видов мощности: активная, реактивная, полная, пиковая и т. д. Но это тема отдельного материала, сейчас же мы потренируемся решать задачи на основе общего понимания этой величины. Посмотрим, как найти мощность, используя вышеуказанные формулы по физике.
Задача 1
Допустим, человек поднимает ведро воды из колодца, прикладывая силу 60 Н. Глубина колодца составляет 10 м, а время, необходимое для поднятия — 30 сек. Какова будет мощность в этом случае?
Решение:
Найдем вначале величину работы, используя тот факт, что мы знаем расстояние перемещения (глубину колодца 10 м) и приложенную силу 60 Н.
A = F × S = 60 Н × 10 м = 600 Дж
Когда известно значение работы и времени, найти мощность несложно:
N = A / t = 600 Дж / 30 сек = 20 Вт
Ответ: человек развивает мощность 20 ватт.
Задача 2
В комнате включена лампа мощностью 100 Вт. Напряжение домашней электросети — 220 В. Какая сила тока пройдет через эту лампу?
Решение:
Мы знаем, что Р = 100 Вт, а U = 220 В.
Поскольку P = I × U, следовательно I = P / U.
I = 100 / 220 = 0,45 А.
Ответ: через лампу пройдет сила тока 0,45 А.
Вопросы для самопроверки
Что характеризует механическая мощность?
Какие существуют единицы измерения мощности в физике?
Какая из единиц измерения считается устаревшей?
Мощность можно назвать скалярной величиной? Что это означает?
Как из формулы нахождения мощности получить работу?
Какой буквой обозначается мощность в механике, а какой — в электротехнике?
Какую работу производит за 30 минут устройство мощностью 600 Вт?
Как узнать напряжение в сети, если мы знаем мощность подключенного к ней прибора и силу тока, проходящую через прибор?
Если в течение 1 часа автомобиль №1 едет со скоростью 60 км/ч, а автомобиль №2 — со скоростью 90 км/ч, одинаковую ли мощность они развивают в это время?
Допустим, автобус отвез пассажиров из города А в город В за 1 час. Если он планирует вернуться в город А пустым по той же трассе и потратить на это 1 час, ему понадобится развить такую же мощность или меньшую?