close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Реферат Солдатов Иван Для всерос.конкурса

код для вставки
МАОУ «СОШ №9 имени А.С.Пушкина
с углубленным изучением предметов
физико-математического цикла»
Использование сжатого воздуха для совершения работы.
Моделирование и исследование работы пневматического пресса.
Естествознание
Работу выполнил:
учащийся 2 класса Б
Солдатов Иван
Научный руководитель:
учитель начальных классов
Линк Надежда Станиславовна
Пермь 2016
Оглавление
Введение
стр.3
1. Устройство пневматического пресса
стр.5
1.1 Принцип работы пневматического штамповочного пресса
стр.5
1.2 Составные части пневматической системы
стр.5
1.2.1 Назначение цилиндров с поршнями
стр.5
1.2.2 Пневматический цилиндр пресса
стр.6
1.2.3 Насос
стр.7
1.2.4 Трёхпозиционный пневмопереключатель
стр.7
1.2.5 Манометр
стр.8
1.2.6 Трубки, тройники и баллон
стр.9
2. Устройство гидравлического пресса
стр.10
3. Сравнение пневматического и гидравлического прессов
стр.11
4. Практическая часть. Проведение исследований
стр.12
5. Заключение
стр.13
6. Список использованных источников и литературы
стр.14
Приложение
стр.15
Введение
Слово «пневматика» произошло от греческого pneumatikos – воздушный.
Пневматические машины используются уже более 2000 лет. Пневматика —
это раздел физики, изучающий равновесие и движение газов, а также
посвящённый механизмам и устройствам, использующим разность давления
газа (чаще всего воздуха) для своей работы.
Пневматические механизмы находят широкое применение в
промышленности. Подобно сети электроснабжения, на предприятиях
устанавливают централизованную систему распределения сжатого воздуха
или другого газа. Обычно пневматические устройства содержат поршни и
клапаны для управления потоками газа (воздуха). Где еще применяются
пневматические механизмы? Например, в кабинете дантиста – бормашина
работает на сжатом воздухе, который обеспечивает высокую скорость и
плавность вращения инструмента.
Пневматические системы обладают рядом достоинств по сравнению с
гидравлическими системами, в которых вместо воздуха используется
жидкость, что делает актуальным исследование по выбранной теме. Цель
данной работы заключалась в том, чтобы собрать модель пневматического
штамповочного пресса, изучить принцип действия пресса и его отдельных
узлов и определить эффективность его работы. Штамповочный пресс
применяется для придания материалам нужной формы. Чтобы пресс успешно
использовался на производстве, он должен быть достаточно мощным и как
можно более быстродействующим. Для достижения цели были поставлены
следующие задачи:
- изучить законы, лежащие в основе работы пневматического пресса;
- собрать модель пневматического штамповочного пресса на основе LEGO
EDUCATION;
- установить:
- максимальное значение начального давления воздуха в баллоне при
использовании ручного насоса;
- зависимость давления от числа ходов при работе пневматического пресса;
- количество циклов, которое можно осуществить при максимальном
значении начального давления при работе пресса вхолостую и в рабочем
режиме;
- определить время штамповки одной детали;
- определить зависимость силы, действующей на поршень в цилиндре, от
числа ходов и числа циклов;
- оценить эффективность работы пресса без компрессора и с компрессором;
- сравнить пневматический пресс с гидравлическим;
Выдвигаемая гипотеза заключалась в том, что: давление и сила,
действующая на поршни цилиндров в прессе уменьшаются с ростом числа
его рабочих движений (ходов и циклов), а значит увеличивается время,
необходимое для штамповки каждой последующей детали. Эффективность
работы пресса (его быстродействие) зависит от скорости, с которой сам
штамповщик сможет работать на этом штамповочном прессе. Автоматизация
процесса штамповки (замена человека роботами) должна
повышать
эффективность. Чтобы избежать снижения давления в пневматической
системе, к ней можно подключить компрессор для исключения ручного
режима работы насоса, который повышает время штамповки, а значит
снижает экономическую эффективность.
1. Устройство пневматического пресса
1.1 Принцип работы пневматического штамповочного пресса
В данной модели пресса используется двухконтурная схема, со своим
цилиндром и пневмопереключателем в каждом контуре. Один контур
обеспечивает собственно штамповку, а другой – выталкивает готовые детали
из рабочей зоны. Полный рабочий цикл пресса включает в себя четыре
основных движения: штамповку, подъём, опускание и подъём эжектора. На
штамповочный пресс воздействует давление непосредственно из
пневматической системы. Работу эжектора обеспечивает сложная система
рычагов второго рода.
1.2 Составные части пневматической системы.
Основными элементами любой пневматической системы являются насосы, цилиндры и клапаны, при помощи которых можно выполнить основные
операции. На самом деле в реальных пневматических машинах используется
гораздо больше компонентов.
1.2.1 Назначение цилиндров с поршнями
a)
b)
Рис.1
c)
Рассмотрим цилиндр a) на рис.1. Нам кажется, что он пустой, но на
самом деле он полон молекул воздуха. Мы их не видим, потому что они
очень маленькие, но при этом имеют определённую массу и двигаются с
большой скоростью, за счёт чего при соударении со стенками цилиндра
оказывают на них давление. В открытом цилиндре (а) давление такое же, как
и в комнате, то есть, атмосферное.
Если цилиндр герметично закрыть (b), молекулы воздуха получаются
запертыми в нём, и при сжатии воздуха в цилиндре в единице объёма
оказывается больше молекул, частота их ударов о стенку на единицу
площади увеличивается, и сила воздействия молекул на стенки возрастает.
Эта сила называется давлением. Величина давления зависит от количества
молекул в цилиндре, что определяет частоту их соударений со стенками.
Молекулы сжатого воздуха получают дополнительную потенциальную
энергию.
Если извлечь поршень из цилиндра (с), сжатый в нём воздух будет
расширяться до тех пор, пока давление внутри цилиндра не уравняется с
внешним давлением. В управляемой воздушной линии можно преобразовать
энергию расширяющегося воздуха в кинетическую энергию поршня,
который будет совершать полезную работу.
1.2.2 Пневматический цилиндр пресса
Пневматический цилиндр (рис.2) преобразует потенциальную энергию
расширяющегося воздуха в кинетическую энергию механического движения.
Приходящий в цилиндр сжатый воздух начинает расширяться и давить на
поршень, заставляя его двигаться вверх или вниз в зависимости от того,
через какой патрубок воздух поступает. Все пневматические цилиндры в
ЛЕГО – наборе – двустороннего действия, то есть, сжатый воздух может
попадать в цилиндр через два входных патрубка.
Составные
части цилиндра:
Рис.2
1.2.3 Насос
Насосом воздух сжимают. Для регулирования движения воздуха внутри
насоса служат поршень (рис.3) и эластичная диафрагма. При ходе штока вниз
поршень в цилиндре сжимает воздух, за счет повышения давления воздуха
эластичная диафрагма отгибается и воздух выходит в выпускной патрубок.
При обратном ходе поршня (вверх) воздух через уплотнение поршня
поступает в цилиндр. При этом эластичная диафрагма распрямляется
(принимает исходную форму) и препятствует попаданию сжатого воздуха
обратно в цилиндр.
Составные части насоса:
Рис.3
1.2.4 Трёхпозиционный пневмопереключатель
Сжатый воздух, поступающий из насоса или баллона в переключатель
(рис.4) через входной (впускной) патрубок, можно направить через один из
двух выпускных патрубков на другие пневматические устройства или просто
перекрыть.
Выпускной патрубок
Выпускной патрубок
Входной (впускной) патрубок
Рис.4
В резиновом уплотнении переключателя имеется специальная камера,
через которую входящий сжатый воздух перенаправляется в тот или другой
выпускной
патрубок.
Выпускной
патрубок,
который
оказывается
незадействованным, автоматически открывается, позволяя воздуху выйти из
цилиндра в атмосферу (Рис.5).
Пневмопереключатель может направлять поток сжатого воздуха
следующим образом:
Закрыто
Открыто
Открыто
Рис.5
1.2.5. Манометр
Манометр – это прибор для измерения давления. Он даёт возможность
контролировать изменение давления в работающей пневматической системе.
ЛЕГО-манометры показывают давление как в барах, так и в psi (фунты на
квадратный дюйм (Рис.6).
Рис.6
1.2.7 Трубки, тройники и баллон
Для подачи сжатого воздуха на разные устройства пневматической
системы в наборе имеются разноцветные гибкие трубки различной длины.
Цвет трубок помогает обнаруживать ошибки при монтаже пневматической
системы и определять направление потоков воздуха. В ЛЕГО-моделях
трубки используются следующим образом. Синие трубки предназначены для
соединения насоса, баллона и пневмопереключателя. Светло-серые трубки для соединения переключателя и нижнего патрубка пневматического цилиндра. Чёрные трубки - для соединения переключателя и верхнего патрубка
пневматического цилиндра (Рис.7).
Конструкция трубок обеспечивает стравливание воздуха в местах
соединения, если давление оказывается слишком высоким.
При помощи
тройников можно направить воздух одновременно по разным трубкам. В
баллоне хранится сжатый воздух.
Трубки
Баллон
Тройник
Рис.7
2. Устройство гидравлического пресса
Устройство гидравлического пресса (рис.8), как и пневматического,
основано на законе Паскаля: «Все жидкости и газы передают производимое
на них давление во все стороны одинаково». Два сообщающихся сосуда
наполнены однородной жидкостью и закрыты двумя поршнями, площади
которых S1 и S2 (S2 > S1).
По
закону
равенство
Паскаля
давлений
цилиндрах:
в
имеем
обоих
p1=p2.
Если на малый поршень действует
сила F1, то давление жидкости под
малым поршнем равно давлению
под большим:
Рис.8
То есть, при работе гидравлического пресса создается выигрыш в силе,
равный отношению площади большего поршня к площади меньшего.
Полученное
равенство
выражает
"золотое
правило"
механики,
применительно к гидравлическому прессу: "во сколько раз выигрываем в
силе, во столько же раз проигрываем в расстоянии".
3. Сравнение пневматического и гидравлического прессов
Пневматические системы обладают рядом достоинств:
•
они
могут
быть
очень
мощными
и
быстродействующими
при
исключительно малых размерах и массе;
•
воздух легче и дешевле жидкостей, используемых в гидравлических
машинах;
• воздух нетрудно сжимать и хранить;
• при перегрузке пневматической системы устройство либо остановится,
либо продолжит работу, стравив избыточное давление через предохранительный клапан. А в случае утечки из гидравлической системы жидкость
загрязнит всё вокруг и может представлять серьёзную опасность. Нужно,
однако, помнить, что любое рабочее тело – даже воздух – под высоким
давлением становится потенциально опасным!
4. Практическая часть. Проведение исследований
Производим сборку модели пневматического пресса (см.Рис.9 в
Приложении). Накачиваем воздух в пневматическую систему и по манометру
следим, не началась ли его утечка. Удостоверимся, что пневмопереключатель
переводится во все положения и штамповочный пресс может совершить все
возможные движения: штам-повку, подъём, опускание и подъём эжектора.
Подвижные детали должны ходить свободно. Для возвращения пресса в
исходное состояние необходимо поднять штамп, установить эжектор в
положение вперёд и стравить из бал-лона сжатый воздух. Самый простой
способ стравить сжатый воздух из баллона - отсоединить трубку, идущую от
баллона к пневмопереключателю.
Определяем эффективность работы пресса по количеству полных циклов
штамповки, которые можно осуществить с исходным давлением 2,5 бар.
(При давлении около 3 бар и больше начинается утечка воздуха через насос
или места крепления трубок). При нажатии на шток насоса воздух из насоса
поступает сначала в баллон, а затем в пневмопереключатель,
который
перекрывает поток.
Сначала определяем, как при повторении рабочих циклов в системе снижается давление, контролируемое манометром, при работе пресса вхолостую
(режим А). Затем проверяем, как снижается давление в рабочем режиме при
прессовании деталей из фольги и пенопласта (модели В и С). Повторяем
эксперимент несколько раз, чтобы удостовериться в воспроизводимости
результатов. Данные измерений заносим в Таблицу 1 (см. Приложение). По
результатам измерений строим графики на миллиметровке (см. Приложение).
Чтобы графики получились точными, наносим на них данные после каждого
рабочего движения (хода) пресса. Секундомером определяем время
штамповки одной детали (время длительности цикла): Минимальное время
заполнения баллона сжатым воздухом в ручном режиме работы насоса равно
30 с, продолжительность в режиме холостого хода 1 цикла штамповки -3 с, 2
цикла – 5 с, 3 цикла -17 с. Суммарная продолжительность возможных 3-ех
циклов штамповки при начальном значении давления 2,5 бар
t = 3+5+17 =
= 25c. С учетом времени накачки баллона t = 30 + 25 = 55 с.
Определяем значения силы, действующей на поршень в цилиндре после
каждого рабочего движения пресса при его работе вхолостую. Для этого
давление умножаем на площадь поршня. Данные измерений заносим в
Таблицу 2 (см. Приложение). Диаметр поршня измерили
помощью линейки:
примерно с
D = 15 мм. Площадь поршня можно рассчитать по
формуле S =   , где R – радиус поршня, равный половине диаметра.
S = 3,14* = 706,5 мм .
Собрали компрессор и подключили к штамповочному прессу (см.Рис.10
в Приложении). Определили первоначальное время накачки баллона до 2,5
бар, время оказалось равным 1 мин. 22 с. Суммарное время 3-ех циклов
штамповки равно 18 с, что на 7 с меньше, чем в ручном режиме работы
насоса. Продолжительность каждого цикла одна и та же, поскольку давление
остается
величиной
постоянной
в
результате
непрерывной
работы
компрессора.
5. Заключение
В результате проведенных измерений мы установили, что:
- оптимальное максимальное значение начального давления воздуха в
баллоне при использовании ручного насоса без утечек – 2,5 бар;
- давление уменьшается с ростом числа ходов при работе пневматического
пресса (см. Таблицу 1 и График в Приложении);
- количество циклов, которое можно осуществить при максимальном
значении начального давления 2,5 бар при работе пресса в холостом и в
рабочем режимах равно трем;
-
значения силы, действующей на поршень в цилиндре в начальный и
конечный моменты времени каждого цикла уменьшаются пропорционально
давлению (см. Таблицу 2 в Приложении);
- время штамповки одной детали с увеличением числа ходов увеличивается
ввиду уменьшения давления при ручном режиме работы насоса 1 цикл – 3 с,
2 цикл – 5 с, 3 цикл – 17 с ( в сумме 25 с), и остается неизменным при
использовании компрессора (18с); Вывод: эффективность работы пресса
можно повысить подключением компрессора к насосу, несмотря на
увеличение времени, необходимого для первоначального накачивания
баллона до 2,5 бар (ввиду уменьшенных размеров используемого насоса с
компрессором) с 30 с до 82 с.
Для автоматизации процесса доставки детали на эжектор можно в
будущем попробовать заменить оператора роботом – манипулятором « рука»
на основе LEGO EDUCATION.
6. Список использованных источников и литературы
6.1 LEGOeducation.com Институт Новых Технологий;
6.2 Кабардин О.Ф. Физика: Справ. Материалы: - - 3-изд. – М.:
Просвещение, 1991. – 367 с.
Приложение
Таблица 1
Зависимость давления Р (бар) от числа рабочих движений (ходов)
(при начальном максимальном значении Р = 2,5 бар)
№ цикла
1
2
3
4
№ хода
A
B
C
холостой ход
фольга
пенопласт
1
2,14
2,20
2,26
2
1.83
1,90
1,90
3
1,60
1,65
1,62
4
1,25
1,34
1,34
1
1,09
1,15
1,17
2
0,89
0,97
0,98
3
0,70
0,81
0,83
4
0,50
0,60
0,60
1
0,26
0,50
0,51
2
0,15
0,27
0,30
3
0,03
0,15
0,18
4
0
0,02
0,05
1
График
Зависимость давления Р ( бар) от числа рабочих движений (ходов) пресса
Таблица 2
Зависимость силы давления F (H) = Р xS на поршень от числа
рабочих движений (ходов) в режиме холостого хода
при площади поршня S = 706,5 мм2 (диаметр D = 15 мм)
№ цикла
1
2
3
№ хода
Р (бар)
F (H)
2,5
176,6
1
2,14
151,2
2
1,83
129,3
3
1,60
113,0
4
1,34
94,7
1
1,09
77,0
2
0,89
62,9
3
0,70
49,5
4
0,50
35.3
1
0,26
18,4
2
0,15
10,6
3
0,03
2,1
4
0
0
Рис.9
Сборка модели штамповочного пресса с компрессором
Рис.10
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
27
Размер файла
1 480 Кб
Теги
конкурс
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа