Глава 1: Физический мир машин

Машины созданы для замены человеческого труда. Однако многие люди испытывают дискомфорт в их присутствии, поскольку не понимают, как они работают. В этой главе даются определения основных физических понятий — силы, энергии, работы, мощности и давления — которые будут встречаться во всех последующих главах данного курса.

Рисунок 1-1. Типичный промышленный гидравлический агрегат. Насос, двигатель, резервуар и клапаны часто объединены в одном корпусе, как показано на рисунке.

Сила

Сила — это любое действие, изменяющее состояние движения объекта или стремящееся его изменить.

Ньютон (Н)

В Международной системе единиц (СИ) сила измеряется в ньютонах (Н). В американской традиционной системе единиц сила измеряется в фунтах-сила (lbf).

Три способа, которыми сила изменяет движение

Сила может оказывать на объект три вида воздействия:

1. Привести объект в движение.
2. Замедлить его движение или остановить.
3. Изменить направление его движения.

Сопротивление

Любая сила, замедляющая или останавливающая движение, называется силой сопротивления. Двумя наиболее распространёнными видами сопротивления в гидравлических машинах являются трение и инерция.

Трение

Трение — это сопротивление, возникающее на поверхности контакта между любыми двумя объектами, которые движутся — или стремятся начать движение — относительно друг друга.

Рисунок 1-3. Сила трения действует везде, где две поверхности находятся в контакте и скользят друг по другу.

Инерция

Инерция — это свойство тела сохранять своё текущее состояние движения. Тело, находящееся в покое, остаётся в покое; движущееся тело продолжает двигаться. Инерция напрямую связана с массой: чем больше масса тела, тем труднее его привести в движение или остановить.

Пример: свинцовый шар обладает большей инерцией, чем деревянный шар. Если ударить по обоим шарам с одинаковой силой, деревянный шар приобретёт бо́льшую скорость и пролетит большее расстояние, что свидетельствует о том, что свинцовый шар сильнее сопротивляется изменению своего состояния движения.

Энергия

Энергия — это то, чем обладает сила, когда она способна привести что-либо в движение. Простыми словами: энергия — это способность совершать работу.

Кинетическую энергию

Кинетическая энергия — это энергия движения. Любое движущееся тело обладает кинетической энергией, поскольку оно может воздействовать на другие объекты и приводить их в движение. Чем больше масса тела и чем выше его скорость, тем больше его кинетическая энергия.

Формы энергии

Энергия существует во многих формах: механическая, тепловая (тепло), электрическая, световая, химическая и звуковая энергия.

Закон сохранения энергии

Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена — она может лишь преобразовываться из одной формы в другую. Это один из важнейших законов физики.

Рисунок 1–6. Закон сохранения энергии: энергия никогда не уничтожается, а лишь преобразуется в другую форму.

Преобразование энергии

Электрическая энергия из розетки может превращаться в свет (в лампочке), тепло (в нагревателе), механическое движение (в двигателе) или звук (в динамике) — в зависимости от устройства. Энергия всегда сохраняется: она просто меняет свою форму.

Другой пример: спуск по верёвке превращает кинетическую энергию тела в тепло, выделяющееся в верёвке и ладонях, поэтому трение замедляет движение и нагревает верёвку.

Состояния энергии

Кинетическая энергия — энергия движения

Кинетическая энергия представляет собой работу, которая уже выполнена: это энергия, которой обладает объект вследствие своего движения. Большинство форм энергии должны находиться в кинетическом состоянии, прежде чем они смогут совершить полезную работу.

Потенциальная энергия — запасённая энергия

Потенциальная энергия — это запасённая энергия. При наступлении соответствующих условий потенциальная энергия преобразуется в кинетическую и вызывает движение. Потенциальная энергия обусловлена физической природой объекта или его положением относительно опорного уровня.

Примеры: вода, находящаяся в поднятой ёмкости, обладает потенциальной энергией благодаря своей высоте — она может стечь вниз и совершить работу на более низком уровне. Аккумулятор, не подключённый к электрической цепи, хранит химическую потенциальную энергию.

Рисунок 1-8. Два знакомых примера потенциальной энергии: водонапорная башня и заряженный аккумулятор.

Преобразование состояний энергии

Потенциальная и кинетическая энергия свободно преобразуются друг в друга. Вода в башне обладает потенциальной энергией; когда она стекает вниз по склону, она превращается в кинетическую энергию; когда она заполняет ёмкость и поднимается вновь, она снова становится потенциальной энергией.

Работа

Работа совершается, когда сила действует на объект и перемещает его на некоторое расстояние. Если ничего не перемещается, работа не совершается.

Джоуль, Дж = Н·м

В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения работы является джоуль (Дж). В американской традиционной системе единиц работа измеряется в фут-фунтах (ft·lbs).

Формула работы

(Дж) = (м) × (Н) или (ft·lbs) = (ft) × (lbs)

Пример: Автопогрузчик поднимает каждый поддон на высоту 5 футов (1,524 м) с силой 2000 фунтов-силы (8880 Н). Работа, совершённая при подъёме одного поддона:

Рисунок 1–9 Работа = сила × расстояние. Погрузчик совершает работу каждый раз, когда поднимает паллет.

Мощность

Работа всегда выполняется за определённый промежуток времени. Мощность — это скорость выполнения работы, то есть количество работы, совершённой за единицу времени.

Формула мощности

(Вт) = (м) × (Н) / (с) или (фут·фунт/с) = (фут) × (фунт) / (с)

Применяя пример с погрузчиком: если работа в объёме 10 000 фут·фунт выполнена за 5 секунд, то выходная мощность составляет:

Мощность (л.с.)

Лошадиная сила — это имперская единица измерения мощности. Джеймс Уатт, изобретатель парового двигателя, определил её, сравнив производительность своего двигателя с работой лошади. Он установил, что лошадь может переместить груз массой 550 фунтов на расстояние 1 фут за 1 секунду:

Формула лошадиной силы

кВт = Л.с. × 0,746

Для примера с вилочным погрузчиком: 2000 фут·фунт-сила/с ÷ 550 = 3,6 л.с. (= 2707 Вт = 2,71 кВт).

Рис. 1-11 Джеймс Уатт определил 1 л.с. как 550 фут·фунт-сила в секунду, наблюдая за работой лошадей.

Давление

Давление характеризует интенсивность силы — насколько концентрирована эта сила на заданной площади. Два объекта могут оказывать одну и ту же общую силу, но создавать при этом совершенно разное давление в зависимости от площади контакта.

Повседневный пример: обувь на высоком каблуке по сравнению с обувью на плоской подошве. Обе разновидности обуви поддерживают одинаковый вес тела, однако крошечная площадь каблука концентрирует этот вес, создавая очень высокое давление на пол; напротив, плоская подошва распределяет ту же силу по большой площади, обеспечивая низкое давление. Каждый, кто хоть раз чувствовал, как каблук наступает ему на ногу, прекрасно это понимает.

Формула давления

(Па = Н/м²) = (Н) / (м²) или (psi) = (фунт-сила) / (дюйм²)

Перевод единиц измерения:

• 1 бар = 10^5 Н/м² = 10^5 Па
• 1 бар ≈ 14,5 фунт-сила на квадратный дюйм (psi)
• Стандартное атмосферное давление = 14,7 фунт-сила на квадратный дюйм абсолютного давления (psia) = 1,01 бар = 101 000 Па

Пример: Блок с основанием площадью 100 дюйм² (645 см²) весит 100 фунтов (444 Н). Давление = 100 фунтов ÷ 100 дюйм² = 1 фунт-сила на квадратный дюйм (psi) (0,07 бар). Те же 100 фунтов, приложенные к стальному штифту с основанием площадью 0,25 дюйм² (1,6 см²): 100 ÷ 0,25 = 400 фунт-сила на квадратный дюйм (psi) (27,6 бар).

Рисунок 1-12. Одна и та же сила, но очень разное давление. Чем меньше площадь, тем выше давление.

Рабочая Энергия

Машины обычно используют энергию посредством давления. Давление возникает, когда кинетическая энергия действует на поверхность нагрузки. Рабочая энергия объединяет кинетическую энергию и давление для перемещения нагрузки.

Преобразование рабочей энергии

Во всех системах передачи часть рабочей энергии теряется на преодоление трения по пути к нагрузке. Эта потерянная энергия не исчезает — она превращается в тепло. Доля энергии, превращающейся в тепло, представляет собой потери системы и является причиной её неэффективности.

Давление у источника выше, чем давление у нагрузки, поскольку энергия расходуется на преодоление трения в трубах, клапанах и фитингах по пути.

Рисунок 1-13. Рабочая энергия передаётся от источника к нагрузке. Трение по пути приводит к выделению тепла и снижению давления, достигающего нагрузки.

Способы передачи энергии

Существует четыре способа передачи энергии от источника к месту выполнения работы:

Механическая передача

Энергия передаётся за счёт физического движения — с помощью рычагов, цепей, зубчатых передач, блоков, ремней и кулачков. Носителем является движущаяся механическая деталь, непосредственно соединённая с источником энергии.

Электрическая передача

Энергия передаётся по электрическим проводникам (проводам) и подаётся на электрический исполнительный механизм — двигатель или соленоид — для выполнения работы.

Пневматическая передача

Энергия передаётся по трубопроводам в виде потока сжатого воздуха и подаётся на пневматический исполнительный механизм (пневмоцилиндр или пневмодвигатель) для выполнения работы.

ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ПЕРЕДАЧА

Энергия передаётся по трубопроводам в виде потока сжатой жидкости (масла) и поступает к гидравлическому исполнительному устройству (цилиндру или двигателю) для выполнения механической работы. Этой теме посвящён весь данный курс.

В конечном счёте любая машина выполняет механическую работу. Энергия в любой форме — электрическая, пневматическая, гидравлическая — должна быть преобразована исполнительным устройством обратно в механическую энергию, прежде чем станет возможен сдвиг нагрузки. Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки, а многие машины используют два или более способов одновременно.

Рисунок 1-17. Гидропередача передаёт энергию в виде потока сжатой жидкости. Цилиндр или двигатель на выходе преобразуют её обратно в механическое усилие.

Потери системы

В каждой реальной системе передачи энергии часть энергии преобразуется в тепло за счёт трения до того, как она достигнет нагрузки. Рабочая энергия (кинетическая энергия под давлением) действует на поверхности труб и клапанов, вызывая сопротивление и выделение тепла. Эти потери проявляются в виде падения давления от источника к нагрузке. Энергия сохраняется — она просто меняет форму, что снижает эффективность системы.