X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Гидравлический пресс
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1.Введение
С какой силой вы можете сжать в руках какой – либо предмет? Возможно, вы силач, и сил у вас слишком много. Однако, какими силачом вы не были, вы не можете вручную выжать масло из семян подсолнуха. Для этого нужен пресс. И при этом , даже имея небольшой гидравлический пресс и зная физику можно умножить силу своих рук в десятки и даже сотни раз, и тогда вы без труда можете выжать масло, смять пластиковые бутылки, картон, и даже огромную кучу жестяных банок превратить в небольшую стопку железных лепёшек.
На чём же основан принцип работы гидравлического пресса, что он позволяет буквально из ничего умножить приложенную силу во много раз?
Эта проблема заинтересовала меня, и я решила провести своё исследование.
Объект исследования: гидравлический пресс
Цель: стремлюсь к исследованию свойств гидравлической машины и созданию модели собственными руками.
Задачи: сначала изучу устройство гидравлического пресса, принцип его работы и его применение.
Гипотеза: при работе гидравлических машин должен получаться выигрыш в силе.
Планируемые результаты:
личностные: сформировать познавательный интерес к машинам, создающим большое сжимающее усилие; развивать творческие способности и практические умения , самостоятельность в приобретении новых знаний, , принимать решение и обосновывать их, самостоятельно оценивать результаты своих действий.
общие предметные: Обнаруживать зависимость между приложенными силами и площадью поршней в цилиндрах гидравлического пресса, объяснять полученные результаты и делать выводы; применять знания о законе Паскаля для объяснения принципа работы гидравлического пресса.
частные предметные: овладение расчётным способом определения площади поршней и действующих сил в цилиндрах гидравлического пресса; использовать полученные знания в повседневной жизни, приводить примеры использования гидравлического пресса в быту и технике.
2.История создания гидравлической машины
Некоторые принципы гидростатики были установлены ещё Архимедом, возникновение гидродинамики также относится к античному периоду, однако формирование гидростатики как науки начинается с середины 15 века, когда Леонардо да Винчи лабораторными опытами положил начало экспериментальному методу в гидростатике, в 16—17веках С. Стевин, Г.Галилей и Б. Паскаль разработали основы гидростатики как науки, а Э.Торричелли дал известную формулу для скорости жидкости, вытекающей из отверстия.[3]
Появление гидравлических прессов относится к концу восемнадцатого века. Их работа основана на законе Паскаля, гласящем, что внешнее воздействие на жидкость распространяется равномерно во все стороны. В 1795 году английский физик и механик Джозеф Брама, владелец крупного машиностроительного предприятия, стал использовать пресс.
Построенный им пресс вначале использовался для перемещения и подъёма тяжёлых механических конструкций. Дж. Стефенсон применил его для поднятия гиганских конструкций строящегося через реку Темзу Британского моста. Каждый пресс воспринимал нагрузку в 1114 тонн. С помощью гидравлического пресса Брам спустил на воду теплоход « Great Easter» .[3]
Пресс применяли для разрезания железных полос, вытаскивания плотинных свай, корчевания деревьев, выполнения других работ, требующих сверхмощных механизмов.
В конце восемнадцатого - в начале девятнадцатого века гидравлический пресс применялся в сельском хозяйстве для пакетирования сена, получения виноградного сока, отжима масла.
В 1797 году Джозеф Брама выдвинул идею применения гидравлического пресса для изготовления свинцовых труб путём продавливания металла через кольцевидное отверстие матрицы. Но практическая реализация этого проекта была осуществлена другим инженером: Т. Бурром, построившим в 1820 году гидравлический пресс для прессования свинцовых труб. В результате выпрессовывалась бесшовная свинцовая труба с заданным значением внешнего и внутреннего диаметров. Этот метод получил название метода прямого прессования. .[5]
Теперь к гидравлическому прессу приковано внимание металлургов – технологов. Его стали применять для прессования труднодеформируемых металлов. Особенно большой спрос был на трубы из меди и её сплавов. Впервые проблему прессования медных труб и прутков осуществила в 1893 году фирма « Троус коппер компани» , построившая специальный пресс большого давления.
Пресс француза Витворта впервые был применён для ковки слитков в 1884 году. Тогда ковка орудийных стволов, производства броневых плит, изготовление стволов артиллеристских орудий, крупных валов набирала широкий оборот.
К концу 20 – х началу 30 – х годов двадцатого века в Германии создаются новые конструкции тяжёлых гидравлических прессов. В 1930 году был построен самый крупный на то время гидравлический штамповочный пресс мощностью 6300 тонна – сил для изготовления авиационных деталей из лёгких сплавов. В 1931 году в Германии были построены два штамповочных пресса мощностью 15000 тонна – сил ( 147 МПа).
В 1939 году французские машиностроители строят пресс мощностью 20000 тонна – сил ( 196 МПа).
Интенсивное развитие серийного и массового производства автомобилей в 40 – 50 годах двадцатого века вызвало рост удельного веса процессов объёмной и листовой штамповки. А применение прессовых кузнечных машин подняло эти процессы на более высокий уровень. На автомобильных и тракторных заводах стала использоваться высокопроизводительная горячая штамповка. В автомобильной, тракторной, вагоностроительной, судостроительной, авиационной и других отраслях промышленности широкое применение нашла листовая холодная штамповка. Распространённость штамповки повысило эффективность производства по сравнению с ковкой за счёт увеличения производительности и за счёт значительной экономии металла.
Кроме ковки, гидравлические прессы широко применяются для прессования металлов экструдированием. После создания в 1894 году А. Диком экструзионного гидравлического пресса высокого давления процесс прессования получил распространение на предприятиях цветной металлургии. Прессование применялось для обработки пластичных металлов и сплавов – меди, латуни, алюминия и его сплавов, магния и его сплавов, медно – никелевых сплавов и других материалов. .[3]
В двадцатом веке процесс прессования является составной частью процессов обработки титана, бериллия, новых лёгких и специальных сплавов. Процесс прессования через матрицу оказался наиболее экономичным для получения профилей, прутков, проволоки и труб из цветных металлов, он обеспечивает высокую точность изделий.
В последние десятилетия процесс прессования применяется для обработки труднодеформируемых материалов – сталей, титановых сплавов, вольфрама, молибдена.
3.Принцип действия гидравлического пресса.
Гидравлический пресс это простейшая гидравлическая машина, предназначенная для создания больших сжимающих усилий. Ранее он назывался « пресс Брама». Так как изобретён и запатентован Джозефом Брамом в 1795 году. .[1]
В основе действия гидравлического пресса лежит одно из важнейших свойств жидкости – её малая способность к сжатию
Благодаря этому давление, производимое на воду, заключённую в замкнутый сосуд, передаётся во все строны с одинаковой силой.
Представим себе замкнутый сосуд с жидкостью, в который вставлены два поршня. Взаимодействуя на меньший поршень силой F, мы заставим подняться больший поршень. Сила, с которой вода будет давить на этот поршень, будет во столько раз больше, во сколько его площадь больше площади меньшего поршня. В этом состоит эффект гидравлического усиления.
Гидравлический пресс состоит из двух сообщающихся цилиндров с поршнями разного диаметра. Пространство между поршнями заполняется водой, маслом, другой подходящей жидкостью. По закону Паскаля давление в любом месте неподвижной жидкости одинаково по всем направлениям, и одинаково передаётся по всему объёму. Силы, действующие на поршни, пропорциональны площадям этих поршней. Так что выигрыш в силе, создаваемый идеальным гидравлическим прессом, равен отношению площадей поршней.
4.Конструкция гидравлического пресса.
Разберём подробнее устройство гидравлического пресса. Он включает несколько тесно связанных между собой элементов. Основным и самым большим является рабочий цилиндр, из него выходит опорная точка, которая непосредственно контактирует с грузом, поднимая его. С его цилиндром посредством перепускного клапана связан насос, который отвечает за количество масла в рабочей области.
Внутри рабочего цилиндра находится поршень, который соединён с входящим в него желобом с опорной точкой. Под этим поршнем и над ним находится рабочая жидкость. Она же имеется и в насосе. При подкачке насоса масло попадает под поршень, потому что именно на таком уровне расположен клапан. Поршень поднимается, а вот чтобы опустить его, нужно сбросить давление. За эту тонкую работу отвечает уже упомянутый перепускной клапан, он состоит из двух частей: всасывающий клапан и нагнетательный клапан. Первый находится в патрубке хранилища масла, чтобы оно, выкачиваясь оттуда, не возвращалось обратно под действием давления, которое кратковременно возникает в момент опускания плунжера. .[3]
Нагнетательный клапан находится уже со стороны рабочего цилиндра, он в свою очередь препятствует перетеканию рабочей жидкости обратно в насос в те моменты, когда плунжер поднимается, создавая разреженную атмосферу в резервуаре. Таким образом, ход жидкости обеспечивается в нужном направлении, то есть в сторону поршня, когда мы поднимаем груз. Если нам потребуется его опустить, то с помощью специального винта можно приоткрыть клапан на нужную величину, чтобы планомерно сбросить давление, а объект плавно опустится, рабочая жидкость вернётся в хранилище насоса.
5.Расчёт гидравлического пресса.
Рассмотрим следующую задачу: [4]
Какую силу нужно приложить к меньшему поршню площадью 0,1 м2, чтобы поднять тело весом 500 Н, находящееся на поршне площадью 5 м2.
Дано: Решение.
S1= 0,1 м2 По закону гидравлического пресса
F1= 500 Н = Значит, по свойству пропорции имеем
S2= 5 м2
F2= Произведём расчёт. F2 = ( 500 Н* 5м2)/ 0,1 м2
F2=25000 Н
F2- ? Ответ: 25000 Н
6.Область применения гидравлических прессов.[3]
от автомастерской до штамповки габаритных изделий. Прессы бывают ручные, моторные, переносные, стационарные, в зависимости от назначения.
Рано или поздно каждый автомобилист сталкивается с проблемой замены пробитых колёс. Масса легкового автомобиля около 1,5 тонн. Как поменять пробитое колесо?
Самый простой пример использования гидравлического пресса – гидравлический домкрат. Он знаком каждому домашнему мастеру. Этот механизм можно найти не только в гаражах. В быту с помощью домкрата поднимают объёмные и очень тяжёлые предметы, используется он и при строительных работах, и даже на пасеке!
Благодаря гидравлическому механизму человек может без труда поднять автомобиль.
Гидравлический пресс используют и в сельском хозяйстве: для прессования сена и выжимки масла из семян, выжимки винограда и приготовления различных соков.
Кроме промышленности, где прессы используют для поднятия тяжестей, прессования, ремонтных работ, разгрузочно – погрузочных работ, прессы используют и ювелиры. С его помощью можно произвести штамповку изделий из драгметаллов. Техника работает безупречно, не повреждая изящных украшений.
Кроме того, прессы нашли применение в пищевом производстве. Их используют для приготовления теста, отжима и других процессах.
Наиболее широкое применение гидравлические прессы нашли при выполнении таких операций над металлическими деталями, как штамповка, ковка, правка, гибка, выдавливание труб и других профилей. Кроме того, при помощи таких прессов выполняется брикетирование, пакетирование и прессование различных материалов (как правило, для этих целей используется мини-пресс).
Устройство гидравлического пресса позволяет активно использовать его как на предприятиях по производству изделий из резины, пластика и древесины, так и в других областях. Разнообразие функций и сфер применения этого оборудования определяют существование его различных модификаций. Например, в продаже можно найти пресс гидравлический настольный, мини-пресс, пресс гидравлический напольный, пресс гидравлический ручной, прессы с манометром и без.
7.Практическая часть:
Рассчитать какое усилие нужно, чтобы воспользоваться моим прессом для раскола орехов несложно. Достаточно знать площади поршней.
Измерим диаметр малого поршня штангенциркулем.
8.Заключение
Гидравлические механизмы необходимы в жизни человека. Они позволяют добиваться выигрыша в силе.
Из проделанной работы я узнал для себя много нового и полезного. Я научился пользоваться технической моделью пресса, рассчитывать его параметры.
Данная модель технического устройства может применяться на уроках физики при демонстрации действия закона Паскаля,а также во внеурочной деятельности учащихся. Это пригодится в жизни. Новым для меня было применение прессов для изготовления ювелирных изделий и на хлебозаводе. Благодаря этой исследовательской работе я стал понимать физический закон Паскаля и его применение.
9.Список литературы:
1.Грачев А.В., Погожев В.А., Селиверстов А.В. физика-7
ООО Издательский центр ВЕНТАНА-ГРАФ
2.Латышенков А. М., Лобачёв В. Г., Гидравлика, -М: ГИЗЛСА, 1956г, 408 с.
3.Леонов А. Е. насосы гидравлических систем, станков и машин. – М. – К. : Машгиз, 1960г., 226 с.
|
4.Перышкин А.В. физика-7 , Дрофа 5.Пристинский В. Л., 100 знаменитых изобретений 6.Скворцов Б.М. Подъемно-транспортное оборудование. Каталог-справочник.-М 1962г. 430с. |
9