Как работает гидравлический пресс

Гидравлический пресс — это объёмная гидравлическая машина, которая преобразует относительно небольшое усилие приводного насоса в значительную сжимающую силу на рабочем органе. В основе того, как работает гидравлический пресс, лежит закон Паскаля и разность площадей двух сообщающихся цилиндров: давление, созданное в малом сечении, передаётся жидкостью без изменения и развивает на большом поршне силу во столько раз больше, во сколько площадь рабочего цилиндра превышает площадь нагнетающего звена.

Ниже разобрано устройство и принцип работы гидравлического пресса: физическая основа, состав гидропривода (насос, гидрораспределитель, рабочий цилиндр), расчёт развиваемого усилия и области применения. Терминология и параметры приведены в соответствии с действующими стандартами на объёмный гидропривод и гидравлические прессы.

Закон Паскаля и принцип гидравлической машины

Работа гидравлического пресса опирается на закон Паскаля: давление, приложенное к покоящейся жидкости, передаётся ею во все точки и по всем направлениям без изменения. Жидкость практически несжимаема, поэтому давление, созданное в одном месте замкнутого объёма, одновременно действует на все ограничивающие его поверхности, включая поршни.

Простейшая гидравлическая машина состоит из двух сообщающихся цилиндров разного диаметра, заполненных рабочей жидкостью (как правило, минеральным маслом) и закрытых поршнями. Если к малому поршню площадью S₁ приложить силу F₁, под ним создаётся давление, которое по закону Паскаля передаётся к большому поршню площадью S₂. Поскольку сила, действующая на поршень, равна произведению давления на его площадь, на большем поршне развивается пропорционально большая сила.

Гидравлический пресс даёт выигрыш в силе, равный отношению площади большего поршня к площади меньшего.

Выигрыш в силе не означает выигрыша в работе. Как и для любого простого механизма, действует «золотое правило» механики: во сколько раз достигается выигрыш в силе, во столько же раз проигрывается в перемещении. Объём жидкости, вытесняемой малым поршнем, равен объёму, поступающему под большой поршень, поэтому большой поршень проходит во столько раз меньший путь, во сколько его площадь больше. В реальной машине часть работы расходуется на трение и утечки, что учитывается коэффициентом полезного действия.

Идеальное равенство работ справедливо без учёта трения и сопротивления. У действующего пресса КПД меньше единицы, поэтому фактическое усилие и перемещение всегда несколько ниже теоретических.

Устройство гидравлического пресса

Современный приводной гидравлический пресс — это не два цилиндра «вручную», а объёмный гидропривод, где роль нагнетающего звена выполняет насос. Усилие создаётся рабочим (главным) цилиндром, в который насосная станция подаёт жидкость под давлением. Базовый состав машины описывается терминами объёмного гидропривода.

Основные узлы и их назначение

Узел из насоса, бака, распределительной и предохранительной аппаратуры, объединённый в единый агрегат, называют насосной (масляной) станцией, или станцией гидропривода пресса. Возвратное движение ползуна обеспечивается обратными цилиндрами, противовесом или пружиной — в зависимости от конструкции.

Как гидравлический пресс создаёт усилие

В приводном прессе развиваемое усилие определяется не «ручным» отношением площадей двух поршней, а произведением давления в системе на эффективную площадь рабочего поршня. Насос нагнетает жидкость, давление в напорной магистрали ограничивается предохранительным клапаном, и именно это давление, действуя на площадь рабочего поршня, формирует силу прессования.

Таким образом, усилие растёт с увеличением рабочего давления и с увеличением диаметра рабочего цилиндра. Из-за квадратичной зависимости от диаметра даже умеренный рост сечения цилиндра заметно повышает силу при том же давлении.

1 тонна-сила (тс) ≈ 9,81 кН. Усилие прессов в технической документации указывают как в килоньютонах и меганьютонах (СИ), так и в тоннах-силах; при расчётах удобнее работать в единицах СИ и переводить результат в тс при необходимости.

Рабочий цикл

1. Подвод (холостой ход). Ползун быстро подводится к заготовке; нагрузка минимальна, расход жидкости велик, давление невелико.
2. Рабочий ход. При контакте с заготовкой сопротивление растёт, давление в системе повышается до рабочего, развивается полное усилие прессования.
3. Выдержка. При необходимости давление поддерживается заданное время (например, при формовании или вулканизации).
4. Обратный ход. Гидрораспределитель переключает поток, ползун возвращается в исходное положение, жидкость сливается в бак.

Для сокращения цикла применяют двухпоточные (двухступенчатые) схемы: насос большой подачи и низкого давления обеспечивает быстрый подвод, а при росте сопротивления подключается насос малой подачи и высокого давления, формирующий основное усилие. Это снижает требуемую мощность привода, так как при одинаковой мощности подача обратно пропорциональна давлению.

Насосная станция и рабочий цилиндр

Насосная станция — источник гидравлической энергии пресса. Жидкость из бака через всасывающий фильтр поступает к насосу, нагнетается в напорную магистраль и через гидрораспределитель направляется в рабочую полость цилиндра. Отработавшая жидкость возвращается в бак через сливной фильтр. Рабочее давление в системе задаётся настройкой предохранительного клапана и контролируется манометром.

В качестве рабочей жидкости применяют минеральные гидравлические масла; их выбирают по вязкости, диапазону рабочих температур и условиям эксплуатации. Чистота жидкости критична: загрязнение ускоряет износ насоса, распределительной аппаратуры и уплотнений цилиндра, поэтому фильтрации и контролю состояния масла уделяют отдельное внимание.

Рабочий цилиндр — исполнительный гидродвигатель пресса. Его выходное звено (шток или плунжер) совершает возвратно-поступательное движение и через ползун передаёт усилие на инструмент. Надёжность уплотнений и точность направляющих ползуна определяют долговечность и стабильность параметров пресса под нагрузкой.

Типы гидравлических прессов и параметры по стандартам

Гидравлические прессы различают по назначению и компоновке. Параметры и нормы точности для основных типов установлены действующими стандартами; ниже сведены типовые группы и соответствующие им документы.

Требования и меры безопасности при проектировании, изготовлении и поставке гидравлических прессов, линий и комплексов на их базе устанавливает ГОСТ 31733-2012 (модифицированный по отношению к EN 693:2001). Этот межгосударственный стандарт подготовлен на основе ранее принятого национального ГОСТ Р 53010-2008 (ЕН 693:2001). Термины и определения, используемые при описании гидропривода пресса, регламентирует ГОСТ 17752-81.

Конкретные числовые характеристики (номинальное усилие, ход ползуна, рабочее давление, габаритные размеры) зависят от типоразмера и приводятся в стандартах на соответствующий тип пресса и в технической документации изготовителя.

Где применяют гидравлические прессы

Гидравлический привод даёт плавно регулируемое усилие, возможность длительной выдержки под нагрузкой и встроенную защиту от перегрузки, поэтому прессы такого типа широко используются там, где требуется большое сжимающее усилие при умеренной скорости. Характерные области применения:

обработка металлов давлением — ковка, штамповка, гибка, вытяжка, правка, запрессовка и распрессовка деталей; обработка полимеров и резины — компрессионное и трансферное прессование, формование и вулканизация; переработка — пакетирование и брикетирование металлических отходов и вторсырья; испытания — нагружение образцов строительных и конструкционных материалов на испытательных прессах; сборочные операции — посадка подшипников, втулок, формирование неразъёмных соединений.

В подъёмно-транспортной и мобильной технике тот же принцип реализован в гидродомкратах и гидроприводах рабочих органов, где рабочий цилиндр развивает усилие за счёт давления жидкости в замкнутом объёме.

На что обратить внимание при выборе

При подборе пресса исходят прежде всего из технологической задачи. Ключевые параметры, которые согласуют между собой:

Номинальное усилие — должно с запасом покрывать потребную силу операции. Ход и вылет ползуна — определяют габариты обрабатываемых заготовок и инструмента. Рабочее давление и производительность станции — задают развиваемое усилие и скорость цикла. Компоновка станины — колонная, рамная, С-образная или одностоечная, исходя из доступа к зоне инструмента и жёсткости. Режим работы — наличие выдержки под нагрузкой, число циклов, требования к точности.

Типичные ошибки

Недооценка реактивных нагрузок на станину и, как следствие, недостаточная жёсткость контура; работа на загрязнённой рабочей жидкости без должной фильтрации; настройка предохранительного клапана выше допустимого давления; игнорирование теплового режима при высокой цикличности (перегрев жидкости снижает её вязкость и ресурс уплотнений). Все эти факторы напрямую влияют на стабильность усилия и долговечность гидросистемы.

Частые вопросы