Hüdraulilise pressi toimimise mõistmiseks tuletagem meelde laevade suhtlemise reeglit. Selle autor Blaise Pascal leidis, et kui need on täidetud homogeense vedelikuga, on selle tase kõigis anumates sama. Sellisel juhul ei oma tähtsust konteinerite konfiguratsioon ja nende mõõtmed. Artiklis kirjeldatakse mitmeid sidekonteinerite katseid, mis aitavad meil mõista hüdraulilise pressi ülesehitust ja tööpõhimõtet.
Katse
Oletame, et meil on erineva ristlõikepindalaga sidesooned. Väiksema pindala tähistame s-ga, suurema - S-ga. Täidame anumad vedelikuga. Vastav alt ühenduses olevate anumate seadusele on vedelike pinnad samal kõrgusel.
Suleme anumad ül alt kolbidega. Võib eeldada, et s ja S on kolbide pindalad. Vajutage väiksemale jõuga f. See läheb alla, vedelik lähebvoolab suuremasse silindrisse ja vasakpoolne kolb hakkab tõusma. Et ta ei tõuseks, rakendame tema suhtes ka jõudu. Märkige see F.
Hüdraulilise pressi toimimise mõistmisele lähemale jõudmiseks proovime leida seost nende kahe jõu vahel. Lähtume tasakaalutingimusest. Enne anumate kolbidega katmist olid vedelikud tasakaalus. Rõhk paakides oli sama (p=P). Vajutage mõlemad kolvid alla, et vedelik jääks endiselt tasakaalu. Rõhud p ja P loomulikult suurenevad. Need aga jäävad samaks, sest kasvavad sama palju juurde. See on kolbide tekitatud rõhu suurus. Seda edastatakse kõikjal vastav alt Pascali seadusele.
Siin on tasakaalutingimus: p=P. Võite arvestada kolbide tekitatud rõhu või vedelikusamba rõhuga. Tulemus on sama. Pange tähele, et kolbide tekitatav rõhk on tuhat korda suurem vedelikusamba hüdrostaatilisest rõhust. Mõne sentimeetri kõrgune veesammas tekitab sadade paskalite suuruse rõhu. Ja kolvi rõhk on sadu kilopaskaleid ja mõnikord megapaskaleid. Seetõttu jätame järgnevas tähelepanuta vedelikusamba rõhu ja eeldame, et rõhud p ja P tekitavad eranditult jõud f ja F.
Kolbide survejõu sõltuvus nende pindalast
Tuletame valemi, ilma selleta jääb hüdraulilise pressi tööpõhimõte arusaamatuks. p=f/s ja sarnaselt P=F/S. Teeme tasakaalutingimusse asendus. f/s=F/S. Ja nüüd võrdleme jõude f ja F. Selleks avaldise nii vasak kui parem osakorrutage S-ga ja jagage f-ga. Saame fS/sf=FS/Sf. Tühistame f ja S mõlemas osas. Tulemuseks on võrdus F/f=S/s.
Võidu kontseptsioon kehtib
Kui S>s, siis suure anuma kolvile mõjuv survejõud on sama mitu korda suurem kui jõud, mis surub väikesele kolvile, mitu korda ületab suurema kolvi pindala see väike. Teisisõnu, rakendades väikesele kolvile väikest jõudu, saame suures anumas palju suurema jõu kui see, millega me väikesele kolvile vajutame. Seda efekti nimetatakse jõu suurenemiseks. See näitab, mitu korda erinevad jõud, st milline on F ja f suhe. Kui võtta anumad, mille ristlõikepindalad on väga erinevad, siis saame tugevuse juurde nii kümne kui ka tuhandekordse. Jõuanalüüs teeb selgeks: jõu võimendus on võrdne suure ja väikese kolvi pindalade suhtega.
Hüdraulilise masina kolbide liikumine
Paljud tööstused kasutavad hüdropressi põhimõtet: füüsika, ehitus, materjalitöötlemine, põllumajandus, autotööstus jne. Hüdrauliliste masinate rakendusnäited on toodud joonisel.
Võtkem arvesse kõiki samu kahte kolbidega suhtlevat anumat, kuid nüüd pöörame tähelepanu mitte jõule, vaid vahemaale, mida kolvid liiguvad. Kujutage ette, et nende esialgne asukoht on erinev. Kolb alaga S asub alaga s kolvi all. Liigutame väiksemat kolvi kaugusel h. Vesi läks väiksemast anumast suuremasse javajutatakse kolvile. Ta liikus kõrgusele H.
Teades pindalade vahelist suhet, leiame kõrguste vahelise suhte. Maht, mis läks rõhu all vasakust silindrist paremasse, on tähistatud v-ga. Paremasse silindrisse sisenes vedelik mahuga V. Vedelik on kokkusurumatu. Kuidas saab seda matemaatiliselt kirja panna? v=v. Väljendage mahtu pindala ja kõrgusega. v=sh ja V=SH. Seega sh=SH. S/s=h/H. Seetõttu on tugevuse suurenemine F/f=h/H. See suhe annab meile ülevaate hüdraulilise pressi tööpõhimõtetest. Me järeldame, et kuna F on suurem kui f, siis H on väiksem kui h ja sama teguriga.
Oletame, et hüdrauliline masin suurendab tugevust sajakordselt. See tähendab, et kui me laseme väiksema kolvi alla 100 mm, tõuseb teine kolb vaid 1 mm. Ja on masinaid, mis annavad tuhat korda jõudu juurde. Aga kuidas on siis, kui kolvi otsas on auto ja see tuleb tõsta mitme meetri kõrgusele?
Hüdraulilise pressi disain ja tööpõhimõte
Väikese ala kolvis on ventiil, mis sulgeb mootoriõli reservuaari viiva toru. Hüdraulilistes pressides vett üldiselt ei kasutata, kuna see on söövitav ja suhteliselt madala keemistemperatuuriga. Kolb juhib käepidet. Vedelik kantakse väiksemast silindrist suuremasse toru kaudu.
Suures anumas on ka klapp ja kolb. Kui me tõstame kangi, õli, abiga atmosfäärirõhk imetakse väiksemasse silindrisse. Kui me kolvi alla laseme, siis klapp sulgub, õlil pole kuhugi minna, nii et läheb suuremasse anumasse. See tõstab selles oleva klapi üles, õli maht suureneb, mistõttu kolb tõuseb. Kui tõstame väikese kolvi uuesti üles, sulgub suure anuma klapp, mistõttu õli ei lähe kuhugi ja kolb jääb paigale.
Hüdraulilise pressi tööpõhimõte on selline, et väikese kolvi igasugune võnkumine viib alati suure kolvi liikumiseni ülespoole. Seadmel on mehhanism, mis võimaldab suurel kolvil laskuda. See on segistiga voolik suuremas anumas. Kraani sulgemisel tihendame suure silindri ja avamisel paneme hüdropressi tagasi algasendisse, õli voolab välja. See naaseb reservuaari, mis võimaldab kolvi langetada.
