Научно-исследовательский проект "Использование сжатого воздуха для совершения работы"

Научно-исследовательский проект "Использование сжатого воздуха для совершения работы. Моделирование и исследование работы пневматического пресса"

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.
 
Устройство пневматического пресса 
Принцип работы пневматического штамповочного пресса 
В данной модели пресса используется двухконтурная схема, со своимцилиндром 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.
 
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.
 
Рассмотрим цилиндр. 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 давление такое же, как и в комнате, то есть, атмосферное.
Если цилиндр герметично закрыть, 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, 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.
       
Пневматический цилиндр пресса
Пневматический цилиндр 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.

Насос
Насосом воздух сжимают. Для регулирования движения воздуха внутри насоса служат поршень 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.
                                             
Трёхпозиционный  пневмопереключатель
Сжатый воздух, поступающий из насоса или баллона в переключатель через входной (впускной) патрубок, можно направить через один из двух выпускных патрубков на другие пневматические устройства или просто перекрыть.
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.
 
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.
 
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 ци-линдра. Чёрные трубки - для соединения переключателя и верхнего патрубка пневматического цилиндра.
       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.