§ 11. Гидравлическая машина. Гидравлический пресс
В чём заключается закон сообщающихся сосудов?
Дают ли простые механизмы выигрыш в работе?
1. Закон Паскаля находит широкое применение в технике, например в гидравлических машинах.
Гидравлические машины — это машины, действие которых основано на законах движения и равновесия жидкостей.
Основной частью любой гидравлической машины являются два соединённых между собой цилиндра разного диаметра, снабжённых поршнями (рис. 30). Цилиндры заполнены жидкостью, чаще всего маслом, и представляют собой, таким образом, сообщающиеся сосуды.
2. Рассмотрим, как работает гидравлическая машина. Пусть на большой поршень площадью S1 действует сила F1. Эта сила будет оказывать на поршень давление р1:
Давление р1 передаётся жидкости, находящейся под большим поршнем. Согласно закону Паскаля, давление, производимое на жидкость или газ, передаётся по всем направлениям без изменения. Следовательно, давление будет передаваться жидкости, находящейся под малым поршнем площадью S2, и на него со стороны жидкости будет действовать давление р2 = p1 Соответственно на малый поршень со стороны жидкости будет действовать сила F2 = p2S2, направленная вверх. Откуда 
Чтобы жидкость и поршни находились в равновесии, на малый поршень следует подействовать силой F, равной по модулю силе F2 и направленной вертикально вниз. Для этого можно, например, положить на поршень груз.
Так как р1 = р2, то 
или
Гидравлический пресс
Содержание
Чтобы рассмотреть устройство гидравлического пресса, сначала дадим определение гидравлической машины:
Гидравлическая машина (от греческого «гидравликос» – водяной) – это машина, действие которой основано на законах движения и равновесия жидкостей и объясняется законом Паскаля.
Гидравлическая машина в основе представляет собой два цилиндра разного диаметра, в каждом из которых имеется поршень (рисунок 4). Цилиндры соединены между собой трубкой и заполнены жидкостью (водой, маслом или др.).
Так как эти цилиндры представляют собой сообщающиеся сосуды, высота столба жидкости в них будет одинакова, пока на поршни находятся в состоянии покоя.
Рисунок 4. Схематическое изображение принципа работы гидравлической машины.
Гидравлический пресс – это гидравлическая машина, служащая для сдавливания (прессования).
Гидравлические прессы эффективно работают для преобразования малой силы в большую: используются для спрессовывания семян при изготовлении масла, для склеивания строительных материалов, для штамповки ювелирных изделий. Современные гидравлические прессы могут развивать силу в сотни миллионов ньютонов (рисунок 5).
Рассмотрим устройство гидравлического пресса:
Усложняем схему устройства гидравлической машины: теперь над большим поршнем 2 имеется платформа, куда мы помещаем прессуемое тело 1.
С помощью малого поршня 3 мы создаем большое давление на жидкость, которое также начинает действовать на поршень 2. Происходит это потому, что давление передается без изменения в каждую точку жидкости (закон Паскаля).
Площадь поршня 2 больше площади поршня 3, поэтому и сила, действующая на него, будет больше (давление одинаковое). Под действием этой силы поршень 2 начинает подниматься и придавливает прессуемое тело к неподвижной верхней платформе.
Здесь же установлен манометр 4 для контроля давления жидкости и предохранительный клапан 5 (автоматически открывается, когда давление превышает максимально допустимое в данном устройстве значение).
При повторяющихся движениях поршня 3 жидкость снова попадает из малого цилиндра в большой: малый поршень поднимается и открывается клапан 6. Пространство под поршнем моментально заполняется жидкостью. Когда же малый поршень 3 опускается, клапан 6 закрывается под давлением жидкости, а клапан 7 открывается. Так жидкость снова оказывается в большом сосуде.
Другие устройства и задачи
Еще одной известной разновидностью гидравлических машин является гидравлический тормоз. На данный момент практически все автомобили оснащены гидравлическими тормозами. Рассмотрим принцип работы, используя упрощенную схему (рисунок 7).
Водитель ногой создает давление на педаль тормоза, это действие передается на поршень цилиндра с тормозной жидкостью. По закону Паскаля это давление передается одинаково во все тормозные цилиндры колес автомобиля. Под давлением жидкости подвижные поршни, находящиеся в тормозном устройстве, расходятся и прижимают тормозные колодки к тормозным барабанам – вращение колес прекращается.
Другое распространенное устройство – гидравлический домкрат (рисунок 8). Принцип действия домкрата идентичен принципу действия гидравлического пресса, но с помощью него можно поднимать очень тяжелые предметы.
Жидкостью здесь выступает гидравлическое масло, а также имеется нагнетательный и спускной клапана.
Гидравлические машины.
Гидравлические машины в принципе своей работы основываются на применении закона Паскаля, который говорит, что давление, производимое на жидкость, передается внутри неё во все стороны с одинаковой силой.
В этой статье мы собрали для Вас принцип действия и основные схемы наиболее часто применяемых гидростатических машин.
Содержание статьи
Гидравлический пресс применяется для получения больших сжимающих усилий, которые необходимы, например, для деформации металлов при обработке давлением (прессование, ковка, штамповка), при испытании различных материалов, уплотнении рыхлых материалов и т.д.
Схема и принцип действия
Самая простая схема гидравлической машины, такой как гидравлический пресс состоит из двух цилиндров А и В (малого и большого диаметра), соединенных между собой трубкой С. Такая схема похожа на работу сообщающихся сосудов.
В малом цилиндре расположен малый поршень гидравлической машины D, соединенный с рычагом ОКМ, имеющим неподвижную шарнирную опору в точке О, а в большом цилиндре – большой поршень гидравлической машины (плунжер) Е, составляющий одно целое с платформой F, на котором расположено прессуемое тело G.
Рычаг приводится в действие вручную или при помощи специального двигателя. При этом поршень D начинает двигаться вниз и оказывать на находящуюся под ним жидкость давление, которое передается на поршень Е и заставляет его вместе со столом двигаться 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 данное устройство служит не для прессования, а только для поднятия груза, т.е. представляет собой так называемый гидравлический подъемник, то неподвижная плита Н в этом случае оказывается лишней и из конструкции исключается.
Вместе с указанными на схеме частями гидравлический пресс снабжается всасывающим и нагнетательным клапанами, регулирующими работу пресса, и клапаном, предохраняющим его от разрыва при чрезмерном возрастании давления (на схеме клапаны не показаны).
Работу гидравлического пресса объясняет закон Паскаля. В котором говорится о гидростатическом парадоксе, когда кружка воды, добавленная в бочку, приводит к ее разрыву.
Сила давления, КПД и формула машины
Установим основные соотношения, определяющие работу пресса. Пусть усилие, действующее на конец М рычага ОКМ, будет называться Q, а плечи рычага ОК = a, КМ = b. Тогда, рассматривая равновесие рычага и составляя уравнение моментов относительно его центра вращения О выводим уравнение
Находим силу передаваемую на поршень D малого цилиндра
и создаваемое в жидкости добавочное гидростатическое давление
где d1 – диаметр малого цилиндра.
Давление ρ передается на поршень Е большого цилиндра, в результате чего полная сила давления на этот поршень, обусловленная силой Q, будет
где d2 – диаметр большого цилиндра.
Из этого выражения видно, что сила P2 может быть получена сколько угодно большой путем выбора соответствующих размеров цилиндров и плеч движущего рычага.
На самом деле действительная сила P2, передаваемая на стол и осуществляющая процесс прессования, оказывается несколько меньше из-за неизбежных потерь энергии на преодоление трения в движущихся частях пресса и утечек жидкости через различные неплотности и зазоры.
Эти потери учитываются введением в формулу коэффициента полезного действия – КПД. Таким образом формула гидравлической машины
Практически этот коэффициент имеет значение от 0,75 до 0,85.
Пример расчета
Для наглядного примера того как работают малый и большой поршень гидравлического машины рассмотрим простой пример.
S1=(F1*S2)/F2=(300*50*10 (-2) )/2000=0.075 м 2 =7,5cм 2
В современных гидравлических прессах можно получить очень большие давления (до 25 000 т.). В таких конструкциях малый цилиндр выполняют обычно в виде поршневого насоса высокого давления, подающего рабочую жидкость (воду или масло) в большой цилиндр (собственно пресс), часто с добавлением в схему специального устройства – гидравлического аккумулятора, выравнивающего работу насоса.
Гидравлический аккумулятор
Как показывает название – гидравлический аккумулятор служит для аккумулирования, т.е. накапливания, собирания энергии. Он применяется на практике 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 широкое применение гидравлические аккумуляторы получили при работе гидравлических прессов, используемые здесь как установки, накапливающие жидкость в период холостого хода пресса и отдающие ее при рабочем ходе, когда подача насосов оказывается недостаточной.
Гидравлический аккумулятор состоит из цилиндра А, в котором помещен плунжер В, присоединенный своей верхней частью к платформе С, несущей груз большого веса. В аккумулятор по трубе D насосом нагнетается жидкость (вода или масло), которая поднимает вверх плунжер с грузом. При достижении крайнего верхнего положения насос автоматически выключается.
Обозначим вес плунжера с грузом через G, а его полную высоту подъема через Н. Тогда энергия, запасенная аккумулятором при полном подъеме плунжера, будет равна G*H, а создаваемое им в жидкости гидростатическое давление
где F – площадь сечения плунжера
Под таким постоянным давлением находящаяся в аккумуляторе жидкость подводится по трубе Е к гидравлическим машинам – например, прессовым машинам, обеспечивая тем самым их работу с постоянной нагрузкой.
Гидростатическое давление, создаваемой аккумулятором, будет тем больше, чем меньше площадь сечения плунжера.
Однако при чрезмерном уменьшении сечения плунжера последний может оказаться недостаточно прочным. Поэтому при необходимости получения очень больших давлений применяются так называемые дифференциальные аккумуляторы со ступенчатым поршнем.
В этом случае давление на жидкость, находящуюся в цилиндре А, передается через небольшую площадь кольцевого уступа ступенчатого поршня, пропущенного сквозь обе крышки цилиндра (верхнюю и нижнюю), и следовательно, сечение поршня может быть выбрано такого размера, при котором обеспечивается необходимая прочность.
Гидравлическая турбина
Гидравлические двигатели служат для преобразования гидравлической энергии потока жидкости в механическую энергию, получаемую на валу двигателя и используемую в дальнейшем для различных целей, в основном для привода рабочих машин.
Наиболее распространенным представителем этой группы является гидравлическая турбина. Гидравлические турбины обычно для устанавливаются на гидроэлектрических станциях, где они служат приводом электрических генераторов.
Энергия воды преобразуется в турбине в механическую энергию на валу. Вал приводит в движение ротор электрогенератора и механическая энергия превращается в электрическую.
Насос
В насосах, применяемых для подъема и перемещения жидкости по трубопроводам, происходит обратный процесс. Механическая энергия, подводимая к насосам от двигателей, приводящих насосы в действие, преобразуется в гидравлическую энергию жидкости.
На рисунке схематично изображены
А – турбинная установка
Б – насосная установка
Насосы это самые распространенная разновидность гидравлических машин. Они применяются во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства.
Насосы используются в водоснабжении, отоплении, вентиляции, для работы котельной установки и во многих других областях техники.
Подробная схема работы насоса размещена в этой статье
Гидравлические машины весьма широко используются в настоящее время в нефтяной промышленности. Насосы применяются при транспортировке нефти и нефтепродуктов по трубопроводам, при бурении нефтяных скважин для подачи в них промывочных растворов и т.д.
Гидравлическая машина — что это такое
Гидравлическая машина – это специальное оборудование, в котором подаваемая из насоса жидкость передаёт свою механическую энергию турбинам (так называемые гидродвигатели). Есть другой вариант – это машина, которая придаёт протекающей через неё жидкости механическую энергию (проще говоря – насос).
Гидравлическая машина, берущая энергию из протекающей воды, состоит из:
Насос является одним из самых распространённых агрегатов. Они применяются в сельском хозяйстве, строительстве, химической, металлообрабатывающей, текстильной и пищевой промышленностях.
Гидравлическими машинами называют агрегаты, которые могут перемещать различные виды жидкостей и газов, а также, вырабатывать энергию от текущей жидкости (гидродвигатели). Именно создание и перемещение потока жидкостей и есть главное назначение гидравлических машин.
Классификация гидравлических машин
Гидравлические машины классифицируют по принципу действия и внутреннему строению.
Главное разделение – насосы и гидравлические двигатели.
К насосам относятся такие группы:
Гидравлические двигатели разделяются на:
Однако у гидравлических двигателей, большинство моделей можно использовать как насос. Следовательно, они могут разделяться на объёмные и динамические.
Принцип работы и устройство гидромашин
С развитием технологий, появляется все больше новых машин, используемых в различных отраслях промышленности.
Лопастные насосы
Этот тип гидромашин, получил огромное распространение в обеспечение населения водой. Эти насосы можно разделить на осевые и центробежные.
Если говорить о принципе действия центробежного насоса, то в этом случае жидкость будет двигаться от центра колеса к периферии под воздействием центробежных сил.
Из каких элементов состоит: основное колесо (рабочее) на котором располагаются лопасти, подвод воды и отвод, а также двигатель. Колесо состоит из двух круглых пластин, между которыми располагаются изогнутые лопасти и подвижная ось двигателя. Колесо вращается в противоположную сторону изгиба лопаток. Тем самым, двигатель с помощью него передаёт потоку механическую энергию.
Осевой насос подразумевает движение жидкости только вдоль подвижной оси, на которой могут располагаться несколько рабочих колёс с лопастями. Они расположены так, чтобы вода поднималась вокруг оси до нужно отметки. В некоторых моделях таких насосов, можно регулировать положение лопастей.
Поршневой насос
Принцип работы заключается в вытеснение жидкости находящийся в рабочей камере, с помощью подвижных элементов насоса. Рабочая камера представляет собой емкость, в которой есть вход и выход для жидкости. Подвижные элементы бывают трёх видов: диафрагма, плунжер и поршень.
Устройство поршневого насоса: шатун, кривошип, поршень, цилиндр (корпус в котором двигается вытесняющая поверхность), пружинные клапаны (впускной и выпускной), ёмкость для жидкости.
Именно поршневые модели являются самыми распространёнными из вытеснителей. В них может присутствовать один, два или несколько поршней.
Плунжерные варианты используются реже вследствие своей дороговизны (это связанно с высокой точностью изготовления движущихся элементов). Однако их преимуществом перед поршневыми, является возможность получения высокого давления.
Состоит плунжерный насос из: ведущий вал, кулачок, плунжер, корпус (цилиндр), пружина (плунжер двигается вперёд с помощью кулачка, а обратно под воздействием пружины).
Самый постой в изготовление, вследствие этого дешёвый вариант – Диафрагменный насос. Из-за простой конструкции, этот вариант не подходит для создания большого давления. Прочность диафрагмы не предназначена для высоких нагрузок. Он состоит из: шток, гибкая диафрагма, корпус, два клапана (впускной и выпускной).
Шестерные насосы
Это машины роторного типа. Они получили большую популярность среди нерегулируемых насосов. Такой агрегат состоит из: две одинаковые шестерни (зацепленные друг за друга), камера п-образной формы (в ней и находятся шестерни), разделитель.
Принцип работы: после запуска двигателя, из всасывающего отверстия, вода попадает в зону между зубьями. Дальнейшее вращение шестерней, приводит к передвижению жидкости в нагнетательную плоскость. В месте зацепления шестерен, жидкость вытесняется и под воздействием давления попадает к дальнейшим рабочим частям насоса.
Преимущества таких гидромашин:
Пластинчатые гидромашины
Это не то же самое, что и лопастные машины (динамический вид). Рабочими поверхностями здесь являются шиберы (пластины). Они относятся к объёмному виду. Подвижным элементом является ротор. Он совершает вращательные движения. А шиберы двигаются по возвратно-поступательной траектории внутри ротора.
Пластинчатые гидромашины подразделяются на две группы: однократные и двукратные. Первый вариант может быть регулируемым, второй нерегулируемый.
Состоят такие агрегаты из: шиберы с пружинами (от двух и более), рабочие камеры (условно разделяются пластинами), ротор.
Рабочий процесс: после запуска двигателя, ротор начинает движение. Шиберы под воздействием пружин, плотно соприкасаются со стенками статора и разделяют общую рабочую емкость на две герметичные камеры (если пластине две). Под воздействием всасывания, емкости заполняются жидкостью и в ходе вращения, передают её в выходное отверстие.
Преимущества пластинчатых гидромашин:
Поворотный гидродвигатель
Особенностью таких агрегатов, является ограничение угла рабочего вала. Они широко применяются в создание рулевого управления сельскохозяйственных машин. Угол оборота, напрямую зависит от количества пластин. Если она одна, он будет составлять примерно 270 градусов, если две – 150, три – 70.
Чтобы регулировать работу вала, потребуется специальный гидрораспределитель. Этот вид агрегатов не подходит для работы с большим давлением жидкости.
Гидротурбины
В этих гидромашинах, механическая энергия протекающей жидкости, передаётся лопастям рабочего колеса. Самый масштабный и яркий пример использования гидротурбин, это гидроэлектростанции. Они разделяются на реактивные и активные.
Состоит такой агрегат из: рабочее колесо, подводящий аппарат или сопла (зависит от типа турбины).
По внутреннему строению их можно разделить на ковшовые, диагональные, осевые и радиально-осевые.
Предшественником гидротурбин, можно назвать водяное колесо, которое приводилось в движение с помощью мощного потока воды (их устанавливали на реках или больших ручьях).
Осевые турбины
Самые быстроходные из всех видов турбин. Рабочее колесо по форме напоминает вентилятор с большими лопастями, которые могут быть как фиксированными, так и подвижными. В таких турбинах обязательно устанавливается подающий аппарат. Он отвечает за КПД агрегата, а также в нужным момент полностью перекрывает подступ воды к лопастям. Также обязательным элементом, являются трубы для откачивания воды.
Поворотно-лопастные турбины
Осевой вид турбины, с изменяющими своё положение лопастями. Всего их в такой конструкции может быть 8 штук. Сама конструкция напоминает гребной винт. Изменение положения лопастей, даёт возможность сохранять высокий показатель КПД при уменьшении и незначительном увеличение силы напора. Если лопасти зафиксированы, этот вид будет называться пропеллерным. Он самый дешёвый и самый ограниченный в возможностях (может работать только в одной силе потока).
Самым редким вариантом поворотно-лопастных турбин, являются двухперовые. Их главное отличие от других видов, это разделение лопасти на два пера. Такие модели активно используют за границей.
Радиально-осевые турбины
Это самый старый и самый популярный вид. Его главной особенностью является простота конструкции и невысокая цена. На самых больших гидроэлектростанциях, установлены именно такие гидротурбины. Им принадлежит рекорд по выдаваемой мощности.
В этом виде турбин, жидкость поступает на рабочее колесо с наружной стороны. Проходя по радиусу, минуя множество каналов определённой формы, она достигает центра и заставляет ротор раскручиваться. Для того, чтобы жидкость поступала равномерно и правильно, колесо окружается спиральной камерой, за которой находится направляющий аппарат. Его лопасти располагаются под определёнными углами, для увеличения КПД турбины. Когда вода отдала свою механическую энергию рабочему колесу, она откачивается с помощью специальных труб.
Главным минусом этого вида турбин, являются фиксированные лопасти. Тем самым, радиально-осевая турбина может показать высокой значение КПД, только при определённых напорах. Если использовать Радиально-осевую турбину при напоре в 700 м, её размер должен быть огромен, вследствие чего, она сильно проигрывает ковшовым турбинам. Максимально допустимой силой напора, для достижения высокого показателя КПД, будет отметка в 300м.
Диагональные турбины
Этот вид вобрал в себя лучшие качества двух предыдущих. Диагональные турбины, являются новой разработкой, по сравнению с другими. Главной особенностью этого вида, является гол наклона лопастей (30-60 градусов). И в это же время, лопасти можно регулировать. Вследствие этого, диагональные турбины подходят для обширного диапазона мощностей потока, сохраняя высокий показатель КПД.
Однако такая универсальность и производительность дорого обходится. Это связанно со сложностью конструкции.
Есть диагональные турбины с фиксированными лопастями. Они распространены на небольших ГЭС.
Ковшовые гидротурбины
Этот вид предназначен для работы с большими напорами. Ковшовые турбины относятся к активному типу в отличие от остальных. Рабочее колесо приводится в действие отдельными струями воды, попадающими на ковши колеса. Сами струи формируются с помощью направленных отверстий или сопл. Их может быть до шести штук. Рабочее колесо состоит из диска, с закреплёнными на нём ковшами.
Ковшовые гидротурбины разделяются на вертикальные и горизонтальные. Второй вариант используется на средних гидроэлектростанциях.
Где используется
Если говорить про простые варианты гидромашин (в которых давление передаётся при помощи жидкости), они используются в таких приспособлениях как домкраты, прессы, подъёмники. Следовательно, гидромашины используются в строительстве и машиностроение. Это так называемые гидроприводы, которые используются в различных подвижных частях строительных машин (ковши, буры, манипуляторы).
Если сравнить гидропривод с его механическим аналогом, у первого можно выделить такие преимущества:
Однако когда речь идёт об использование гидропривода на больших расстояниях, он сильно уступает аналогам в КПД.
Насосы применяются в соответствие с их конструкциями. Центробежные насосы получили своё распространение в работе теплоэлектростанций, системах очистки сточных вод, химической и пищевой промышленности. Также они используются для перемещения сжиженных газов, реагентов и нефтепродуктов.
Возвратно-поступательные насосы, являются самым старейшим видом. Ещё в древности они получили своё распространение в водоснабжение. Сейчас они используются в тех же целях, плюс для перекачки взрывоопасных жидкостей, пищевой промышленности (перемещение молочной продукции внутри заводов), а также в системах подачи топлива для ДВС.
Шестерные насосы могут работать только с невысоким уровнем давления. Их используют в сельскохозяйственной промышленности, коммунальных отраслях, перекачке различных видов топлива (бензин, нефть, дизель, различные добавки и присадки, мазут). В химической промышленности их применяют для перемещения кислот, спиртов, растворителей и щелочей.
В последние годы, гидравлические машины получили широкое распространение в создание тренажёров для занятий спортом.
Гидротурбины используются на ГЭС. Однако только в соответствие с силой напора: