§ 45. Гидравлический пресс

вода и aulos — трубка, флейта; hydraulikos — водяной) — техническое силовое устройство, действие которого основано на законах движения и равновесия практически несжимаемых капельных жидкостей (преимущественно минерального масла или водно-масляных эмульсий).

• 1. Базовое принципиальное устройство — два сообщающихся между собой цилиндра разного поперечного сечения (диаметра), снабженные плотно притертыми подвижными поршнями и заполненные рабочей жидкостью.
• 2. Гидростатический принцип — согласно фундаментальному закону Паскаля, гидростатическое давление, создаваемое внешним усилием на малый поршень, передается жидкостью во все точки замкнутой системы абсолютно одинаково, воздействуя на каждый элемент поверхности большого поршня без потерь.

отношение результирующей развиваемой силы на большом поршне к приложенной силе на малом поршне в идеальной системе (без учета сил трения):

• 1. Математический вывод закона:

Давление под малым поршнем площадью $S_1$ под действием силы $F_1$ равно:

$$p = \frac{F_1}{S_1}.$$

По закону Паскаля такое же давление действует на большой поршень площадью $S_2$, создавая силу:

$$F_2 = p \cdot S_2 = \frac{F_1}{S_1} \cdot S_2 \implies \frac{F_2}{F_1} = \frac{S_2}{S_1}.$$

• 2. Каноническое правило гидравлики — сила, действующая на большой поршень гидравлической машины, больше силы, действующей на малый поршень, во столько раз, во сколько раз площадь большого поршня больше площади малого поршня.
• 3. Численный пример учебника — при действии на малый поршень площадью $S_1 = 2\text{ см}^2$ скромной силой $F_1 = 240\text{ Н}$ на большой поршень площадью $S_2 = 120\text{ см}^2$ действует гигантская сила:

$$F_2 = 240\text{ Н} \cdot \frac{120\text{ см}^2}{2\text{ см}^2} = 240 \cdot 60 = 14\,400\text{ Н},$$

что обеспечивает шестидесятикратный выигрыш в силе ($k = 60$).

промышленная технологическая гидравлическая машина, предназначенная для пластического деформирования, прессования, ковки, объемной штамповки металлов, пакетирования стружки, отжима масел и испытания материалов на прочность (рис. 148):

• 1. Рабочие элементы — силовая станина с неподвижным упором, рабочий цилиндр с массивным подъемным поршнем (2) и рабочей платформой, на которой размещается сжимаемое тело (1).
• 2. Нагнетательная система — малый насосный цилиндр с ручным или механическим плунжером (3), соединенный с баком рабочей жидкости и большим цилиндром через систему обратных клапанов.
• 3. Контрольно-предохранительный блок — технический манометр (4) для непрерывного контроля развиваемого давления масла и пружинный предохранительный клапан (5), автоматически сбрасывающий избыток жидкости в бак при превышении предельно допустимой нагрузки.

механизм автоматического одностороннего распределения потоков рабочей жидкости при возвратно-поступательном ходе нагнетательного плунжера:

• 1. Всасывающий клапан (6) — при подъеме малого поршня в его полости создается разрежение, всасывающий клапан отпирается, засасывая свежую порцию масла из бака, тогда как нагнетательный клапан (7) плотно прижимается высоким давлением большого цилиндра.
• 2. Нагнетательный клапан (7) — при опускании малого поршня нагнетаемое им масло захлопывает всасывающий клапан (6), отпирает нагнетательный клапан (7) и под колоссальным напором перекачивается в большой цилиндр, поднимая платформу на долю миллиметра. Повторением циклов жидкость порциями перекачивается в рабочий цилиндр.

транспортная система управления замедлением автомобиля, использующая закон Паскаля для равномерного и мгновенного распределения тормозных сил (рис. 150):

• 1. Конструкция привода — ножная тормозная педаль (1), шток главного тормозного цилиндра (2) и разветвленные герметичные трубки-гидролинии, ведущие к рабочим тормозным цилиндрам (3) на каждом из колес.
• 2. Синхронность торможения — при нажатии ноги на педаль поршень главного цилиндра создает высокое давление в тормозной жидкости. По закону Паскаля это давление передается абсолютно без ослабления во все колесные цилиндры одновременно. Поршни цилиндров (3) раздвигаются и с равной силой прижимают тормозные колодки (4) к вращающимся барабанам (5) или дискам, обеспечивая плавное прямолинейное торможение без заноса машины. Возвратные пружины (6) оттягивают колодки при отпускании педали.

сверхмощные гидравлические комплексы современного тяжелого машиностроения:

• 1. Технические масштабы — высота установки достигает $26{,}5\text{ м}$ (высота 8-этажного дома, из которых 4 этажа погружены в фундамент цеха), масса подвижных частей — до $1820\text{ т}$.
• 2. Развиваемое рабочее усилие — от $455\,000\text{ кН}$ до $700\,000\text{ кН}$ (от $45{,}5$ до $70$ тысяч тонн силы), позволяющее одним плавным ходом штамповать из толстого титанового или алюминиевого проката цельнокованые лонжероны крыльев сверхзвуковых авиалайнеров длиной свыше 3 метров.

Французский физик, математик, механик и философ, один из создателей классической гидростатики. Сформулировал фундаментальный закон передачи давления жидкостями и газами, послуживший физической основой для изобретения гидравлических машин, прессов и приводов.

• Открыл фундаментальный закон распределения давления в жидкостях, согласно которому оказываемое на жидкость внешнее давление передаётся во все точки без изменения, что позволяет получать многократный выигрыш в силе.
• Теоретически обосновал принцип действия гидравлической машины, установив, что сила на большом поршне превосходит силу на малом поршне во столько раз, во сколько площадь большого поршня превышает площадь малого (F₂ / F₁ = S₂ / S₁).
• Сформулированный им принцип передачи давления нашёл широчайшее практическое применение в машиностроении и транспорте: на нём основана работа мощных промышленных прессов, автомобильных гидравлических тормозов, домкратов и манипуляторов.

1. Устройство гидравлических машин:

• Гидравлическая машина состоит из двух герметичных цилиндров различного диаметра (различных площадей поперечного сечения $S_1$ и $S_2$, где $S_2 > S_1$).
• Цилиндры соединены между собой снизу перепускной соединительной трубкой (гидромагистралью) и образуют систему сообщающихся сосудов.
• Внутри цилиндров перемещаются плотно прилегающие к стенкам подвижные поршни.
• Вся внутренняя полость цилиндров и соединительной трубки целиком заполнена несжимаемой рабочей жидкостью (обычно гидравлическим минеральным маслом).

2. Принцип действия:

• Действие основано на фундаментальном законе Паскаля о передаче давления жидкостями.
• При приложении внешней силы $F_1$ к малому поршню площадью $S_1$ в жидкости непосредственно под ним создается механическое давление:

$$p = \frac{F_1}{S_1}.$$

• Так как капельные жидкости практически несжимаемы, это давление $p$, согласно закону Паскаля, мгновенно и без изменения передается во все точки объема жидкости и давит на всю внутреннюю поверхность большого поршня.
• В результате жидкость выталкивает большой поршень площадью $S_2$ вверх с результирующей силой $F_2 = p \cdot S_2$, которая во столько же раз превышает силу $F_1$, во сколько раз площадь $S_2$ больше площади $S_1$.

Выигрыш в силе идеального гидравлического пресса определяется отношением площади большого поршня к площади малого поршня:

• Математический вывод:

Давление под малым поршнем равно $p = \frac{F_1}{S_1}$.

Давление под большим поршнем равно $p = \frac{F_2}{S_2}$.

По закону Паскаля эти давления строго равны между собой:

$$\frac{F_2}{S_2} = \frac{F_1}{S_1} \implies \frac{F_2}{F_1} = \frac{S_2}{S_1}.$$

• Физическая формулировка правила:

Выигрыш в силе гидравлического пресса (без учета трения) равен отношению площади большого рабочего поршня ($S_2$) к площади малого нагнетательного поршня ($S_1$):

$$k = \frac{F_2}{F_1} = \frac{S_2}{S_1} = \frac{d_2^2}{d_1^2},$$

где $d_1$ и $d_2$ — диаметры соответствующих поршней.

Действуя на малый поршень незначительной мышечной силой, на большом поршне получают силу, умноженную ровно в $\frac{S_2}{S_1}$ раз.

Принцип работы гидравлического пресса по схеме (рис. 148):

• Размещение заготовки: деталь или сжимаемое тело (1) укладывают на горизонтальную плиту-платформу, жестко соединенную с массивным большим рабочим поршнем (2).
• Такт всасывания жидкости малым поршнем:
• При подъеме малого поршня (3) рукояткой насоса объем под ним увеличивается, давление падает ниже атмосферного.
• Избыточное высокое давление масла со стороны большого цилиндра плотно закрывает нагнетательный клапан (7).
• В то же время атмосферное давление открывает всасывающий клапан (6), и порция масла из расходного резервуара засасывается в полость под малым поршнем.
• Такт нагнетания и силового сжатия:
• При движении малого поршня (3) вниз рукояткой создается высокое давление на жидкость.
• Под этим давлением всасывающий клапан (6) мгновенно захлопывается, отрезая путь обратно в бак, а нагнетательный клапан (7) распахивается.
• Сжатое масло перекачивается под большой поршень (2). Согласно закону Паскаля, созданное малой силой давление передается на огромную площадь $S_2$, развивая гигантскую подъемную силу $F_2 = F_1 \cdot \frac{S_2}{S_1}$. Большой поршень медленно поднимается и мощно сжимает тело (1) о неподвижную верхнюю балку станины.
• Контроль и защита:
• Манометр (4) непрерывно указывает точное рабочее давление в гидросистеме.
• В случае опасного превышения предельного давления открывается подпружиненный предохранительный клапан (5), сбрасывая избыток масла обратно в резервуар и предотвращая разрушение пресса.
• Возврат в исходное положение: после окончания цикла прессования специальным спускным вентилем открывают прямой сброс масла из-под большого поршня в бак, и тяжелая платформа под собственным весом опускается вниз.