Hydraulický lis

Jak silně dokážete zmáčknout předmět ve svých rukou? Možná jste silný muž a máte příliš mnoho síly. Bez ohledu na to, jak jste silní, olej ze slunečnicových semínek ručně nevymáčknete. K tomu potřebujete lis. A přitom i s malým hydraulickým lisem a znalostí fyziky dokážete znásobit sílu svých rukou desetinásobně i stokrát, a pak z nich snadno vymačkáte olej, rozdrtíte plastové lahve, karton, a dokonce i obrovskou hromadu plechových plechovek proměníte v malý stoh železných palačinek.

Na čem je založen princip fungování hydraulického lisu, který umožňuje mnohonásobně znásobit působící sílu doslova z ničeho?

Tento problém mě zaujal a rozhodl jsem se provést vlastní výzkum.

Předmět studia: hydraulický lis

Účel: Usiluji o studium vlastností hydraulického stroje a vytvoření modelu vlastníma rukama.

Úkoly: Nejprve prostuduji konstrukci hydraulického lisu, princip jeho činnosti a jeho použití.

Hypotéza: Při provozu hydraulických strojů musí být zesílení síly.

Plánované výsledky:

osobní: rozvíjet kognitivní zájem o stroje, které vytvářejí velkou tlakovou sílu; rozvíjet tvůrčí schopnosti a praktické dovednosti, samostatnost při získávání nových poznatků, rozhodovat se a zdůvodňovat je, samostatně hodnotit výsledky svého jednání.

Obecné předměty: Chcete-li zjistit vztah mezi aplikovanými silami a plochou pístů ve válcích hydraulického lisu, vysvětlete získané výsledky a vyvodte závěry; aplikovat znalosti Pascalova zákona k vysvětlení, jak funguje hydraulický lis.

soukromé předměty: zvládnutí metody výpočtu pro stanovení plochy pístů a působících sil ve válcích hydraulického lisu; využít získané znalosti v běžném životě, uvést příklady využití hydraulického lisu v běžném životě a technice.

2.Historie vzniku hydraulického stroje

Některé principy hydrostatiky stanovil Archimedes, vznik hydrodynamiky se také datuje do starověku, formování hydrostatiky jako vědy však začalo v polovině 15. století, kdy Leonardo da Vinci položil základy experimentální metody v hydrostatice laboratorními experimenty, v 16.-17. století vytvořili základy S. Stevin, G. Galileo a B. Pascalileo pro rychlost kapaliny vytékající z otvoru.[3]

Podoba hydraulických lisů sahá až do konce osmnáctého století. Jejich práce je založena na Pascalově zákonu, který říká, že vnější vliv na kapalinu se šíří rovnoměrně všemi směry. V roce 1795 začal anglický fyzik a mechanik Joseph Bramah, majitel velkého strojírenského podniku, používat lis.

Lis, který postavil, byl zpočátku používán k přemisťování a zvedání těžkých mechanických konstrukcí. J. Stephenson jej použil ke zvednutí gigantických konstrukcí rozestavěného britského mostu přes řeku Temži. Každý lis mohl zvládnout náklad 1114 3 tun. Pomocí hydraulického lisu Bram spustil parník Great Easter.[XNUMX]

Lis se používal k řezání železných pásů, vytahování hrází, vytrhávání stromů a provádění dalších prací, které vyžadovaly supervýkonné mechanismy.

Na konci osmnáctého a začátku devatenáctého století se hydraulický lis používal v zemědělství k lisování sena, získávání hroznové šťávy a lisování oleje.

V roce 1797 Joseph Bramah předložil myšlenku použití hydraulického lisu k výrobě olověných trubek protlačením kovu skrz kruhový otvor v matrici. Ale praktickou realizaci tohoto projektu provedl jiný inženýr: T. Burr, který v roce 1820 sestrojil hydraulický lis na lisování olověných trubek. Výsledkem bylo vylisování bezešvé olověné trubky s danou hodnotou vnějších a vnitřních průměrů. Tato metoda se nazývá metoda přímého lisování. [5]

Nyní hydraulický lis přitáhl pozornost metalurgů a technologů. Začal se používat pro lisování obtížně deformovatelných kovů. Zvláště vysoká poptávka byla po trubkách z mědi a jejích slitin. Problém lisování měděných trubek a tyčí byl poprvé vyřešen v roce 1893 společností Trous Copper Company, která postavila speciální vysokotlaký lis.

Lis Francouze Whitwortha byl poprvé použit pro kování ingotů v roce 1884. V té době nabíralo na obrátkách kování hlavně děl, výroba pancéřových plátů, výroba dělostřeleckých hlavně, velké šachty.

Koncem 20. a začátkem 30. let 1930. století vznikly v Německu nové konstrukce těžkých hydraulických lisů. Pro výrobu leteckých dílů z lehkých slitin byl v roce 6300 postaven největší hydraulický lis své doby s kapacitou 1931 tun. V roce 15000 byly v Německu postaveny dva razicí lisy o výkonu 147 XNUMX tun (XNUMX MPa).

V roce 1939 francouzští strojní inženýři postavili lis s kapacitou 20000 196 tun síly (XNUMX MPa).

Intenzivní rozvoj sériové a hromadné výroby automobilů ve 40. a 50. letech dvacátého století vedl ke zvýšení podílu objemových a lisovacích procesů plechů. A použití lisovacích kovacích strojů pozvedlo tyto procesy na vyšší úroveň. Vysoce výkonné lisování za tepla se začalo používat v automobilkách a továrnách na traktory. Lisování plechů za studena našlo široké uplatnění v automobilovém, traktorovém, železničním, lodním, leteckém a dalších průmyslových odvětvích. Rozšíření lisování zvýšilo efektivitu výroby ve srovnání s kováním díky zvýšené produktivitě a významným úsporám kovu.

Kromě kování jsou hydraulické lisy široce používány pro vytlačování kovů. Po vytvoření vysokotlakého vytlačovacího hydraulického lisu A. Dicka v roce 1894 se lisovací proces rozšířil v podnicích neželezné metalurgie. Lisováním se zpracovávaly plastové kovy a slitiny – měď, mosaz, hliník a jeho slitiny, hořčík a jeho slitiny, slitiny mědi a niklu a další materiály. [3]

Ve dvacátém století je proces lisování nedílnou součástí zpracování titanu, berylia, nových lehkých a speciálních slitin. Proces lisování v zápustce se ukázal jako nejekonomičtější pro výrobu profilů, tyčí, drátů a trubek z neželezných kovů a zajišťuje vysokou přesnost výrobků.

V posledních desetiletích se procesem lisování zpracovávají těžko deformovatelné materiály – oceli, slitiny titanu, wolfram, molybden.

3. Princip činnosti hydraulického lisu.

Hydraulický lis je jednoduchý hydraulický stroj určený k vytváření velkých tlakových sil. Dříve se tomu říkalo „Brahma press“. Protože to bylo vynalezeno a patentováno Josephem Bramem v roce 1795. [1]

Provoz hydraulického lisu je založen na jedné z nejdůležitějších vlastností kapaliny – její nízké stlačitelnosti

Díky tomu je tlak vyvíjený na vodu uzavřenou v uzavřené nádobě přenášen ve všech směrech stejnou silou.

Představme si uzavřenou nádobu s kapalinou, do které jsou vloženy dva písty. Interakcí s menším pístem silou F donutíme větší píst, aby se zvedl. Síla, kterou bude voda tlačit na tento píst, bude tolikrát, kolikrát je jeho plocha větší než plocha menšího pístu. To je účinek hydraulického zesílení.

Hydraulický lis se skládá ze dvou komunikujících válců s písty různých průměrů. Prostor mezi písty je vyplněn vodou, olejem nebo jinou vhodnou kapalinou. Podle Pascalova zákona je tlak v každém bodě stacionární kapaliny ve všech směrech stejný a je přenášen rovnoměrně celým objemem. Síly působící na písty jsou úměrné plochám těchto pístů. Takže přírůstek síly vytvořený ideálním hydraulickým lisem se rovná poměru ploch pístu.

4. Konstrukce hydraulického lisu.

Podívejme se blíže na strukturu hydraulického lisu. Obsahuje několik úzce souvisejících prvků. Hlavním a největším z nich je pracovní válec, ze kterého vychází opěrný bod, který se přímo dotýká břemene a zvedá jej. K jeho válci je přes obtokový ventil připojeno čerpadlo, které je zodpovědné za množství oleje v pracovní oblasti.

Uvnitř pracovního válce je píst, který je spojen s drážkou s opěrným bodem, který do něj vstupuje. Pod a nad tímto pístem je pracovní tekutina. Je také přítomen v čerpadle. Když je čerpadlo pumpováno, olej se dostává pod píst, protože to je hladina, na které se nachází ventil. Píst se zvedne, ale pro jeho snížení je potřeba uvolnit tlak. Tuto jemnou práci má na svědomí již zmíněný obtokový ventil; skládá se ze dvou částí: sacího ventilu a výtlačného ventilu. První je umístěn v zásobní trubce oleje, takže olej, který je odtud odčerpáván, se nevrací zpět působením tlaku, ke kterému krátce dojde v okamžiku spuštění pístu. [3]

Vypouštěcí ventil je již umístěn na straně pracovního válce, zabraňuje zpětnému proudění pracovní kapaliny do čerpadla v těch okamžicích, kdy se plunžr zvedá a vytváří v nádrži řidší atmosféru. Tím je zajištěno proudění kapaliny v požadovaném směru, tedy směrem k pístu, když zvedáme břemeno. Pokud jej potřebujeme snížit, pak pomocí speciálního šroubu otevřeme ventil na požadovanou hodnotu, aby se postupně uvolnil tlak a předmět bude plynule klesat, pracovní kapalina se vrátí do zásobníku čerpadla.

5.Výpočet hydraulického lisu.

Zvažte následující problém: [4]

Jakou silou je třeba vyvinout menší píst o ploše 0,1 m2, aby zvedl těleso o hmotnosti 500 N umístěné na pístu o ploše 5 m2.

S₁= 0,1 m 2 Podle zákona hydraulického lisu

F₁= 500 N = Takže podle vlastnosti proporce máme

F₂= Udělejme výpočet. F₂ = (500 N* 5m2)/ 0,1 m2

F₂— ? Odpověď: 25000 N

6. Rozsah použití hydraulických lisů. [3]

od autoservisů až po lisování velkorozměrových výrobků. Lisy mohou být ruční, motorové, přenosné, stacionární, podle účelu.

Dříve nebo později se každý motorista potýká s problémem výměny propíchnutých pneumatik. Hmotnost osobního automobilu je asi 1,5 tuny. Jak vyměnit prázdnou pneumatiku?

Nejjednodušším příkladem použití hydraulického lisu je hydraulický zvedák. Zná to každý domácí kutil. Tento mechanismus najdeme nejen v garážích. V každodenním životě se zvedák používá ke zvedání velkých a velmi těžkých předmětů; používá se také při stavebních pracích a dokonce i ve včelínech!

Díky hydraulickému mechanismu může člověk bez potíží zvednout auto.

Hydraulický lis se používá i v zemědělství: k lisování sena a lisování oleje ze semen, lisování hroznů a přípravě různých šťáv.

Kromě průmyslu, kde lisy slouží ke zvedání těžkých předmětů, lisování, opravárenské práce, nakládací a vykládací práce, využívají lisy i klenotníci. Lze jím razit výrobky z drahých kovů. Technika funguje bezchybně bez poškození jemných šperků.

Kromě toho našly lisy uplatnění ve výrobě potravin. Používají se pro přípravu těsta, lisování a další procesy.

Hydraulické lisy se nejvíce používají při provádění operací na kovových dílech, jako je lisování, kování, rovnání, ohýbání, vytlačování trubek a dalších profilů. Kromě toho se pomocí takových lisů provádí briketování, balení a lisování různých materiálů (pro tyto účely se zpravidla používá minilis).

Konstrukce hydraulického lisu umožňuje jeho aktivní použití jak v podnicích vyrábějících pryžové, plastové a dřevěné výrobky, tak v jiných oblastech. Rozmanitost funkcí a oblastí použití tohoto zařízení určuje existenci jeho různých modifikací. V prodeji najdete například stolní hydraulický lis, minilis, stojanový hydraulický lis, ruční hydraulický lis, lisy s manometrem i bez.

7. Praktická část:

Vypočítat, kolik síly je potřeba k použití mého louskače, je snadné. Stačí znát plochy pístů.

Změřme průměr malého pístu posuvným měřítkem.

Hydraulické mechanismy jsou v životě člověka zásadní. Umožňují vám dosáhnout nárůstu síly.

Z vykonané práce jsem se naučil spoustu nových a užitečných věcí. Naučil jsem se používat technický model lisu a vypočítat jeho parametry.

Tento model technického zařízení lze využít v hodinách fyziky k demonstraci fungování Pascalova zákona i při mimoškolních aktivitách studentů. To se vám v životě bude hodit. Novinkou pro mě bylo použití lisů při výrobě šperků a v pekárně. Prostřednictvím této výzkumné práce jsem pochopil Pascalův fyzikální zákon a jeho aplikaci.

9. Bibliografie:

1. Grachev A.V., Pogozhev V.A., Seliverstov A.V. Fyzika-7

LLC Vydavatelské centrum VENTANA-GRAF

2. Latyšenkov A. M., Lobačov V. G., Hydraulika, -M: GIZLSA, 1956, 408 s.

3. Leonov A. E. Čerpadla pro hydraulické systémy, obráběcí stroje a stroje. – M. – K.: Mashgiz, 1960, 226 s.

4. Peryshkin A.V. Fyzika-7, Drofa

5. Pristinsky V. L., 100 slavných vynálezů

6. Skvortsov B.M. Zvedací a přepravní zařízení. Katalog-příručka.-M 1962. 430. léta.

Činnost mnoha hydraulických zařízení, zejména hydraulických lisů, je založena na Pascalově zákonu (1653).

Pascalův zákon: tlak vyvíjený vnějšími silami na kapalinu je přenášen kapalinou rovnoměrně do všech směrů.

V hydraulickém lisu (obr. 4.17) v důsledku působení vnější síly na malý píst kapalina vytváří sílu působící na velký píst, která je co do velikosti větší než působící síla. Podle Pascalova zákona jsou tlaky pod malým a velkým pístem stejné:

kde F 1 je modul vnější síly působící na malý píst; F 2 je modul síly působící z kapaliny na velký píst; S 1 – plocha malého pístu; S 2 je plocha velkého pístu. Písty jsou považovány za beztížné.

V hydraulickém lisu (viz obr. 4.17) může relativně malá vnější síla působící na malý píst vytvořit dosti velkou sílu (na velký píst):

F 2 = F 1 S 2 S 1,

kde F 1 je modul vnější síly působící na malý píst; F 2 je modul síly působící z kapaliny na velký píst; S 1 – plocha malého pístu; S 2 je plocha velkého pístu.

Vzorec platí, pokud v hydraulickém lisu nedochází ke ztrátám energie.

Když je malý píst spuštěn silou F → 1 do vzdálenosti l 1 , velký píst se zvedne do vzdálenosti l 2 . Přitom se dělá užitečná práce.

Pokud těleso o hmotnosti M stojí na velkém pístu, pak se zadaná práce vypočítá pomocí vzorce

kde g je modul gravitačního zrychlení.

Hydraulický lis implementuje princip nestlačitelnosti kapaliny, matematicky vyjádřený rovností

S 1 1 2 = S 2 l XNUMX,

kde S 1 l 1 = V 1 je objem kapaliny vytlačené z úzkého (malého) kolena; S 2 l 2 = V 2 — objem kapaliny, která prošla do širokého (velkého) kolena; S1 a S2 jsou plochy malých a velkých pístů; l 1 a l 2 jsou vzdálenosti, o které se pohybují malé a velké písty.

Koeficient účinnosti (COP) hydraulického lisu je určen vzorcem

η = A pol A cov ⋅ 100 % = F 2 l 2 F 1 l 1 ⋅ 100 % ,

kde A сов = F 1 l 1 — dokončená (vyčerpaná) práce; A podlaha = F 2 l 2 — užitečná práce; F1 a F2 jsou moduly sil působících na malé a velké písty; l 1 a l 2 jsou vzdálenosti, o které se pohybují malé a velké písty.

Příklad 30. Působením určité síly se malý píst hydraulického lisu posune o vzdálenost 60 cm a velký píst se spolu s na něm umístěným tělesem o hmotnosti 40 kg posune o vzdálenost 6,0 cm. Účinnost hydraulického lisu je 80 %. Najděte velikost síly působící na malý píst hydraulického lisu.

Řešení . Účinnost hydraulického lisu je dána poměrem práce vykonané silami působícími na písty:

• síla působící na malý píst funguje

kde F 1 je modul síly působící na malý píst hydraulického lisu; l 1 — vzdálenost, o kterou se pohybuje malý píst;

• síla působící na velký píst koná (užitečnou) práci pro pohyb břemene

kde M je hmotnost zatížení umístěného na velkém pístu hydraulického lisu; g — modul gravitačního zrychlení; l 2 — vzdálenost, o kterou se velký píst posune.

Dosazení do vzorce pro koeficient účinnosti

η = A 2 A 1 ⋅ 100 %

výrazy pro zadaná díla získáme:

η = M gl 2 F 1 l 1 ⋅ 100 % .

Vyjádřeme odtud požadovanou hodnotu – modul síly působící na malý píst lisu:

F 1 = M gl 2 η l 1 ⋅ 100 %

a provedeme výpočet:

F 1 = 40 ⋅ 10 ⋅ 6,0 ⋅ 10 − 2 80 % ⋅ 60 ⋅ 10 − 2 ⋅ 100 % = 50 N.

Příklad 31. Plocha velkého pístu hydraulického lisu s účinností 75% je 15krát větší než plocha malého pístu. Je známo, že na malý píst lisu působí síla 48 N. Najděte maximální hmotnost zátěže, kterou se může velký píst pohybovat při působení zadané síly.

Řešení . Účinnost hydraulického lisu je dána poměrem práce vykonané silami působícími na písty:

• síla působící na malý píst funguje

kde F 1 je modul síly působící na malý píst hydraulického lisu; l 1 — vzdálenost, o kterou se pohybuje malý píst;

• síla působící na velký píst koná (užitečnou) práci pro pohyb břemene

kde M je hmotnost zatížení umístěného na velkém pístu hydraulického lisu; g — modul gravitačního zrychlení; l 2 — vzdálenost, o kterou se velký píst posune.

Dosazení do vzorce pro koeficient účinnosti

η = A 2 A 1 ⋅ 100 %

výrazy pro zadaná díla získáme:

η = M gl 2 F 1 l 1 ⋅ 100 % .

Vyjádřeme odtud požadovanou hodnotu – maximální hmotnost zátěže, kterou se může velký píst pohybovat při působení zadané síly:

M = η F 1 l 1 100 % ⋅ gl 2.

Maximální hmotnost zatížení závisí na poměru pohybů malého a velkého pístu lisu (l 1 / l 2 ). Tento poměr zjistíme z podmínky nestlačitelnosti kapaliny, t.j. z rovnosti objemů kapaliny přesunuté z úzkého kolena (V 1 = S 1 l 1) do širokého kolena (V 2 = S 2 l 2):

S 1 1 2 = S 2 l XNUMX,

kde S 1 je plocha malého pístu; S 2 je plocha velkého pístu.

poměr posunů je:

l 1 l 2 = S 2 S 1 = 15 S 1 S 1 = 15,

a požadovaná hmotnost se rovná

M = 15 η F 1 100 % ⋅ g = 15 ⋅ 75 % ⋅ 48 100 % ⋅ 10 = 54 kg.

Maximální hmotnost břemene, kterou se může velký píst tohoto hydraulického lisu pohybovat působením síly uvedené v problému, je tedy 54 kg.