2.11. Простые гидравлические машины и устройства

Гидравлический пресс применяют для получения больших сжимающих

усилий, что необходимо, например, для деформации металлов при обработке давле-

нием (прессование, ковка, штамповка), при испытании различных металлов на проч-

ность и т.д. Принципиальная схема изображена на рис. 2.22.Он состоит из цилиндров

А и В (малого и

Рис. 2.22.

большого диаметров), соединенных между собой трубкой С. В малом цилиндре есть

плунжер D, соединенный с рычагом ОКМ, который имеет неподвижную шарнирную

опору в точке О. В большом цилиндре имеется поршень Е, составляющий одно целое

со столом (платформой), на котором помещается прессуемое тело G. Рычаг приводится

в действие вручную или с помощью специального двигателя. При этом плунжер D

начинает двигаться вниз и оказывать на находящуюся под ним жидкость давление,

которое передается на поршень Е и заставляет его вместе со столом подниматься вверх

до тех пор, пока тело G не войдет в соприкосновение с неподвижной плитой Н. При

дальнейшем подъеме стола начинается процесс прессования (сжатия) тела G.

Если рассматриваемое устройство служит не для прессования, а только для под-

нятия груза, т.е. представляет собой так называемый гидравлический домкрат, непод-

вижная плита Н из конструкции исключается.

Гидравлический пресс снабжается всасывающим и нагнетательным клапанами,

регулирующими работу пресса, и клапаном, предохраняющим его от разрыва при чрез-

мерном возрастании давления (на схеме клапаны не показаны).

Установим основные соотношения, определяющие работу пресса. Обозначим

усилие, действующее на конец рычага, через R, а плечи рычага ОК через а, КМ

через b. Тогда, рассматриваемая равновесие рычага, составим уравнение моментов,

относительно его центра вращения О: R (a + b) = F₁·a, из которого легко найти силу F₁:

F₁ = , (2.29)

передаваемую на плунжер D и создавшую в жидкости избыточное давление

р_и = (4F₁)/(πd²₁). (2.30)

Это давление передается на поршень Е, в результате чего сила давления на этот

поршень, обуславливаемая силой R,

F₂ = р_и · = R· (2.31)

где d₁, d₂ – диаметры плунжера и поршня.

(Плунжер – разновидность поршня, у которого длина значительно больше диаметра).

Из последнего выражения видно, что сила F₂ может быть получена сколько угодно

большой путем выбора соответствующих размеров плунжера и плеч рычага. Действительная сила F₂, передаваема на стол и осуществляющая процесс

прессования, оказывается несколько меньше силы F₂, что связано с неизбежными

потерями энергии на преодоление трения в движущихся частях пресса и утечками

жидкости через различные неплотности и зазоры, что учитывается путем введения в

последнюю формулу коэффициента полезного действия пресса μ: F′₂ = F₂ · μ (на

практике μ = 0,75 – 0,85).

В современных гидравлических прессах можно получить весьма большие

усилия (до 700 МН и более). В этих конструкциях используют поршневой насос

высокого давления, подающий рабочую жидкость (воду или масло) в большой

цилиндр (собственно пресс), а между ними часто включают специальное устройство

гидравлический аккумулятор, выравнивающий работу насоса.

Гидравлический аккумулятор служит для аккумулирования, т.е. накапливания

энергии. Его применяют в тех случаях, когда необходимо выполнить

кратковременную работу, требующую значительных механических усилий,

например, поднять большую тяжесть, открыть и закрыть ворота шлюзов и т.п.

Наиболее широко гидравлические аккумуляторы используют при работе

гидравлических прессов в качестве устройств, накапливающих энергию жидкости

при холостом ходе пресса и отдающих ее при рабочем ходе, когда подача насосов

оказывается недостаточной.

Аккумулятор (рис. 2.23) состоит из цилиндра 5, в котором помещен плунжер 4,

присоединенный своей верхней частью к платформе 3, несущей груз большой

массы.

Рис. 2.23.

В аккумулятор по трубе 2 насосом нагнетается жидкость (вода или масло),

которая поднимает вверх плунжер с грузом. При достижении крайнего верхнего

положения насос автоматически отключается. При работе гидравлического пресса

жидкость в него поступает по трубе 1 под давлением р_и = mg/s, где m – масса груза и

плунжера, s – площадь сечения плунжера.

Гидравлический мультипликатор (преобразователь давления) позволяет

повысить давление в жидкости. Например, гидравлические мультипликаторы,

применяемые для создания высоконапорных струй, способны создать давление в

сотни мегапаскалей. Его можно использовать и совместно с гидравлическим

прессом. В этом случае мультипликатор выполняет роль насоса, подающего в

цилиндр пресса жидкость, что увеличивает силу, создаваемую прессом.

Мультипликатор (рис. 2.24) состоит из цилиндра 1 и 2, перемещающегося в них

Рис. 2.24.

поршня площадью s₁ и соединенного с поршнем плунжера площадью s₂. Если в ци-

линдр 1 подавать жидкость под давлением р1, то из цилиндра 2 будет поступать

жидкость с давлением р₂. Так как силы давления, действующие на поршень и

плунжер, должны быть равными (без учета сил трения), то р₁s₁ = р₂-s₂, откуда

р₂ = Р₁s₁/s₂. Подбором величин s₁ и s₂ можно получить необходимое увеличение

р₂/р₁.

Следует отметить, что гидравлический пресс и мультипликатор имеют

холостой ход, возвращающий их поршни в исходное положение, во время которого

полезная работа не совершается.

Аналогично силовой части гидравлического пресса устроены и силовые

цилиндры, применяемые для передачи усилий на рабочие органы машин. Однако в

них жидкость может поступать попеременно по обе стороны силового поршня, в

результате чего его движение может быть возвратно-поступательным. Силовые

цилиндры широко применяют в дорожных и землеройных машинах, устройствах

автоматики, в том числе в промышленных работах и манипуляторах и т.п.

Гидравлический динамометр (мессдоза) служит для определения усилий при

испытании машин, материалов и т.д. В цилиндре с жидкостью расположен поршень,

на который действует измеряемое усилие. Это усилие создает повышение давления в

жидкости, которое передается манометру. Шкала манометра градируется в единицах

измерения силы, поэтому величину действующего на поршень усилия можно

прочитать на ней сразу.

Аналогично устроены и гидравлические индикаторы веса бурового

инструмента. Устройства на воздушной подушке применяются в основном для

облегчения транспорт груза по относительно гладким поверхностям (вода, земля,

болота и т.д.) Принцип их действия основан на том, что под грузовой платформой

создается прослойка воздуха с небольшим избыточным давлением, по которой

практически без трения перемещается все устройство. Таким способом могут

перемещаться буровые, быстроходные суда, грузы в цехах и т.д.