Proiectarea, principiul de funcționare a presei hidraulice

Pentru a înțelege cum funcționează o presă hidraulică, amintiți-vă regula vaselor comunicante. Autorul său, Blaise Pascal, a descoperit că, dacă acestea erau umplute cu un fluid omogen, nivelul fluidului din toate vasele era același. Configurația vaselor și dimensiunea acestora nu contează. În acest articol vom descrie câteva experimente cu vase comunicante care ne vor ajuta să înțelegem construcția și principiul de funcționare a presei hidraulice.

Experimentul

Să presupunem că avem vase comunicante cu secțiuni transversale diferite. Să definim aria celui mai mic ca s, iar a celui mai mare ca S. Să umplem vasele cu lichid. Conform legii vaselor comunicante, suprafețele lichidelor se află la aceeași înălțime.

Să închidem vasele de sus cu ajutorul pistoanelor. Putem lua s și S ca suprafețe ale pistoanelor. Să aplicăm o forță f pe cel mai mic. Acesta va coborî, lichidul se va revărsa în cilindrul mai mare, iar pistonul din stânga va începe să se ridice. Pentru a împiedica presa să se ridice, vom aplica și o forță de. Se notează cu F.

Pentru a înțelege mai bine cum funcționează o presă hidraulică, să încercăm să găsim legătura dintre aceste două forțe. Să presupunem condiția de echilibru. Înainte de a pune pistoane pe vase, lichidele erau în echilibru. Presiunea din containere a fost aceeași (p=P). Să împingem ambele pistoane în așa fel încât lichidul să rămână încă în echilibru. Presiunile p și P vor crește, bineînțeles. Cu toate acestea, ele vor fi în continuare aceleași, deoarece vor fi crescut cu aceeași sumă suplimentară. Aceasta este cantitatea de presiune creată de pistoane. Conform legii lui Pascal, se transmite peste tot.

Iată care este condiția de echilibru: p=P. Putem considera presiunea creată de pistoane sau presiunea unei coloane de lichid. Rezultatul ar fi același. Rețineți că presiunea creată de pistoane este de o mie de ori mai mare decât presiunea hidrostatică a coloanei de lichid. O coloană de apă înaltă de câțiva centimetri creează o presiune de sute de pascali. Iar presiunea pistonului este de sute de kilopascali și uneori megapascali. Prin urmare, de acum înainte vom neglija presiunea coloanei de lichid și vom considera că presiunile p și P sunt create doar de forțele f și F.

Dependența forței de presiune a pistonului de suprafața pistonului

Să derivăm o formulă, principiul unei prese hidraulice este de neînțeles fără ea. p=f/s și, în mod similar, P=F/S. Să înlocuim condiția de echilibru. f/s=F/S. Acum să comparăm forțele f și F. Pentru a face acest lucru, înmulțiți partea stângă și partea dreaptă a expresiei cu S și împărțiți cu f. Se obține f*S/s*f=F*S/S*f. Să reducem f și S în ambele părți. Rezultatul este egal cu F/f=S/s.

Conceptul de câștiguri de forță

În cazul în care S>s atunci forța aplicată pistonului din vasul mare va fi de atâtea ori mai mare decât forța aplicată pistonului mic, deoarece suprafața pistonului mare o depășește pe cea a pistonului mic. Cu alte cuvinte, aplicarea unei forțe mici asupra unui piston mic într-un vas mare va avea ca rezultat o forță mult mai mare decât cea exercitată asupra pistonului mic. Acesta este un efect numit câștig de forță. Aceasta arată de câte ori sunt diferite forțele, t. е. care este egal cu raportul dintre F și f. Dacă luăm vase ale căror secțiuni transversale sunt foarte diferite, putem obține un câștig de forță de zece ori sau de o mie de ori. Analiza forței este clară: câștigul de forță este egal cu raportul dintre suprafețele pistonului mare și mic.

Mișcarea pistoanelor hidraulice

Multe industrii folosesc principiul de funcționare de presare hidraulică: fizică, construcții, manipulare de materiale, agricultură, automobile, etc. д. Exemple de aplicații ale mașinilor hidraulice sunt prezentate în figura de mai jos.

Considerăm aceste două vase de comunicare cu pistoane, dar nu ne mai referim la forță, ci la distanța pe care se deplasează pistoanele. Să presupunem că pozițiile lor inițiale sunt diferite. Pistonul din zona S este poziționat sub pistonul din zona s. Se deplasează pistonul mai mic la o distanță h. Apa curge din vasul mai mic în vasul mare și apasă pe piston. Acesta s-a deplasat la o înălțime de H.

Cunoscând raportul dintre suprafețe, aflați raportul dintre înălțimi. Se denumește volumul care a scăpat sub presiune din cilindrul din stânga în cilindrul din dreapta cu v. Volumul V de lichid curge în cilindrul din dreapta. Fluidul este incompresibil. Cum putem scrie acest lucru matematic? v=V. Să exprimăm volumul în suprafață și înălțime. v=s*h și V=S*H. Deci s*h=S*H. S/s=h/H. Prin urmare, câștigul de forță F/f=h/H. Acest raport ne oferă o înțelegere a modului în care funcționează o presă hidraulică. Deducem că, deoarece F este mai mare decât f, H este mai mic decât h cu un factor egal.

Să zicem că o mașină hidraulică îți dă o forță de o sută de ori mai mare decât o mașină hidraulică. Aceasta înseamnă că, dacă coborâm pistonul mai mic cu 100 mm, celălalt piston se ridică doar cu 1 mm. Și există mașini care oferă un câștig de forță de o mie de ori mai mare. Dar cum rămâne cu cazurile în care o mașină se află pe un piston și trebuie să fie ridicată câțiva metri?

Proiectarea și principiul de funcționare a unei prese hidraulice

Un piston de suprafață mică conține o supapă care închide un tub care duce la un rezervor de ulei de mașină. În mod normal, apa nu este utilizată în presele hidraulice, deoarece provoacă coroziune și are un punct de fierbere relativ scăzut. Pistonul este manevrat de o manivelă. Fluidul este transferat de la cilindrul mai mic la cel mai mare prin intermediul unui tub.

Vasul mare are, de asemenea, o supapă și un piston. Când ridicăm maneta, uleiul este aspirat în cilindrul mai mic de presiunea atmosferică. Când coborâm pistonul, supapa se închide și uleiul curge în vasul mai mare. Se ridică supapa din supapă, volumul de ulei crește, ceea ce face ca pistonul să se ridice. Când ridicăm din nou pistonul mic, supapa din vasul mare se închide, astfel încât uleiul nu se duce nicăieri, iar pistonul rămâne pe loc.

Principiul unei prese hidraulice este acela că orice vibrație a pistonului mic determină întotdeauna deplasarea pistonului mare în sus. Dispozitivul are un mecanism care permite pistonului mare să coboare. Acesta este un furtun cu un robinet într-un vas mai mare. Când închidem robinetul, etanșăm cilindrul mare, iar când îl deschidem, aducem presa hidraulică în poziția inițială, uleiul este drenat. Acesta se întoarce în rezervor, ceea ce permite coborârea pistonului.