Научно-исследовательская работа по теме: "Простые механизмы"

Содержание

Введение…………………………………………………………………......…....5

     I.Исследование Трубогиба …..……………………….………...………..6-13

1.1 История простых механизмов…..…………………………….…....6-12

    II.1.Трубогб своими руками……………………..…………………......13-20

2.3. Изготовление трубогиба……………..……………………….….23-21

2.4. Разновидность трубогиба…………..…………………………...24-27

2.5. Изгиб трубы…………………………………………………….........28

2.6. Преимущества трубогиба………………………………………...….29

2.7. Правила безопасности при работе с трубогибом…………….......30-32

2.8. Заключение……………………….……………….…………….…33-36

2.9. Чертежи……………………………………………………………..37-39

 Литература………………….………………...............................................40

Цель исследования:

•         Собрать простой механизм, проверить «золотое правило» механики и на примере трубогиба показать практическое его использование для облегчения выполняемой работы.

Задачи исследования:

•          Познакомиться с биографией Архимеда и Леонардо да Винчи и их изобретениями(простые механизмы)

•          Познакомиться с принципом работы и основными типами простых механизмов

•          Поиск деталей и изготовление простого механизма-трубогиб

•          Показать трубогиб в действии

•          Правила безопасности при работе с трубогибом

Методы и приемы исследования:

•         Поиск информации в различных источниках

•         Работа трубогиба

ВВЕДЕНИЕ:

На страницах газет, научных журналов, телевидении и в Интернете, можно увидеть множество информации о простых механизмах. А правда ли всё это? Нас очень заинтересовала данная информация,  и мы решили самостоятельно изготовить один из простых механизов-трубогиб, наглядно показывающий работу простых механизмов, так-как простые механизмы облегчают работу человека. Например, такие простые механизмы как ворот и блок значительно облегчали строительство. Использование каменных блоков при возведении пирамид было возможно благодаря наклонным плоскостям. Так древние люди упрощали себе работу с помощью простых механизмов.

Как известно, на рубеже XV-XVI веков разносторонний гений Леонардо да Винчи(1452-1519) создал огромное количество проектов удивительных механизмов, лишь малая часть которых была воплощена в жизнь. Некоторые имели практическое назначение, другие Леонардо создавал исключительно ради собственного удовольствия. Он хотел понять принципы движения тел при применении законов механики. Одни из его механизмов имели название:  «Вертикальный орнетоптер», «Подъемный кран», «Драга-землечерпалка».

«Золотое правило» механики: ни один простой механизм не дает выигрыша в работе. Если выигрываем в силе, то проигрываем в расстоянии.

Трубогиб- перспективный простой механизм, который помогает человеку не только в сельском хозяйстве, но и благоустроить своё жилище.

Например, теплицы, навесы, ворота, отопление, арки и т.д. На строительных рынках представлено множество моделей промышленных трубогибов, однако покупать профессиональный инструмент для того чтобы погнуть две-три трубы едва ли имеет смысл. А вот изготовить этот нехитрый инструмент свoими руками и использовать его в домашнем хозяйстве вполне по силам кажому человеку, имеющими определенные технические навыки.

Трубы были и есть одним из наиболее востребованных строительных материалов, находящих применение как в домашнем хозяйстве, так и в промышленности и строительстве. Помимо применения при монтаже водопроводов и газопроводов, трубы используются и для изготовления изгородей, тепличных конструкций, беседок, навесов, садовой мебели и др. Таким образом, наличие трубогиба в домашнем хозяйстве никогда не будет излишним.

Зачастую для изготовления различных конструкций из труб необходимо согнуть профильные трубы по радиусу. Для этих целей и применяется трубогиб, позволяющий гнуть трубы до угла 180 градусов. Трубогибы позволяют легко и аккуратно изменить конфигурацию труб из различных материалов – алюминия, металлопластика, нержавейки. Изгиб производится по требуемой форме и размерам.

1.2. История простых механизмов

Простейшие механизмы — устройства, служащие для преобразования силы. Представляют собой элементы более сложных механизмов. Некоторые из простейших механизмов появились в глубокой древности. Рычаг известен человеку с того времени, когда человек взял палку, чтобы сбить плод с дерева. И вся следующая история человечества связана с использованием рычагов. Так, исследование историков показывают, что при строительстве пирамид древние египтяне использовали рычаги для поднятия тяжелых блоков на значительную высоту.

Пирамида Хеопса состоит из 2 300 000 известняковых камней массой 2,5 тонны каждый. Общая масса пирамиды- 5 750 000 тонн. Из этих камней можно было бы построить современный город с население 120 000 человек.

Историкам науки известно, что древние римляне использовали рычаги для создания различных строительных и военных машин. Значительный вклад в теорию рычагов внес древнегреческий ученый и изобретатель Архимед(гений в механике). Автор многих изобретений и открытий, в том числе машины для орошения полей, винта, рычагов, блоков, военных метательных машин.

Разновидности простых механизмов:

1.Рычаг

2.Блок(подвижный,неподвижный)

3.Наклонная плоскость

4.Винт

Шадуф

Почему для подъема воды использовался Шадуф? Одним из древнейших способов применения рычага – колодец с системой журавля, называемой арабами «шадуф». Это устройство было известно месопотамцам еще 5 тыс. лет назад и до сих пор используется в некоторых странах Африки и на дальнем Востоке. Шадуф состоит из перекладины, которая в равновесии прикреплена к вертикальному столбу. К одному концу перекладины подвешивают ведро, а к другому противовес. Ведро опускают в воду, оно, наполняясь, тяжелеет, но его легко снова поднять в воздух, с небольшим усилием потянув за противовес.

Винт Архимеда

Почему Архимедов Винт до сих пор широко используется? Ещё одно устройство для подъема воды – архимедов винт, или шнек, от которого произошли более сложные механизмы, такие как турбины для выроботки гидроэлектрической энергии и некоторые виды судовых двигателей. Этот механизм состоит из спирали, которая свободно вращается вокруг своей оси, внутри цилиндра, под наклоном погруженного в воду. С каждым оборотом некоторое колличество жидкости попадает на виток спирали и в результате вращения поднимается до тех пор, пока не выходит из верхней части цилиндра.

Катапульта

Как работала катапульта? С древних времен люди использовали простейшие механизмы для создания оружия. Римский онагр – это боевая машина, способная метать тяжелые снаряды через вражеские стены. Как и в средне вековой катапульте, в нем толстая эластичная верёвка натягивается, а затем резко отпускается, что приводит в быстрое движение длинный деревянный рычаг, бросающий снаряд на большое расстояние.

Изобретения Леонардо Да Винчи на рубеже XV-XVII веков:

Подъемный кран

Эту машину Леонардо Да Винчи заказали для ускорения работ по выкапыванию судоходных каналов. При помощи системы колес, рычагов и противовесов этот большой вращающийся кран мог перемещать выкопанный бригадами рабочих грунт на трёх уровнях глубины.

Драга-землечерпалка

Это устройство, спроектированное, для осушения болот, состояло из 2 параллельно расположенных лодок, к которым было прикреплено большое колесо с ковшами, вращаемой при помощи рукоятки. Собранный со дна ил отгружался на плот.

Вертикальный орнетоптер

Этот летательный аппарат оснащен парой крыльев с поперечным размахом. Не случайно его название в переводе с греческого означает «птичье крыло». Пилот помещается в центе системы рычагов и блоков, которые трансформируют силу его рук, ног и головы в движение.

2.3 Приступаем к изготовлению трубогиба своими руками

Трубогиб-это приспособление,  предназначенное для гибки труб как на производстве, так и в домашних условиях.

В жизни любого человека часто возникает потребность в изгибании труб. Для проведения такой операции существует специальный инструмент – трубогиб. При недоступности стандартного инструмента возникает вопрос о том, как его сделать самому.

Для того чтобы изготовить трубогиб самому, нужно предусмотреть наличие такого инструмента, как:

·         электродрель с набором сверл;

·         болгарки с отрезным и абразивным дисками;

·         молоток (кувалда);

·         напильник;

·         отвертка;

·         зубило;

·         плоскогубцы;

·         ключи гаечные;

·         ножовка по металлу;

·         штангенциркуль;

·         сварочный аппарат.

Как правило, любая работа с металлическими трубами не обходиться без их сгибания. Ведь сложно подобрать какую-нибудь конструкцию, в которой использовались бы лишь прямые трубы. Поэтому, для сгибания используют различные методы и средства. Можно приобрести специальный трубогиб в магазине. Но скажите, зачем тратить кучу денег на инструмент из магазина, если можно легко сделать такой трубогиб своими руками. Причем в этом плане, его конструкция может быть абсолютно разной, так как все зависит от нашей фантазии.

Подшибники

Втулка

Ролики

Звездочки

Вся трудность при изготовлении прокатных трубогибов, сильно зависит не от конструкции само инструмента, а от степени гибкости труб, которые сгибаются. Ведь если вы имеете дело с хорошо гнущимися трубами, можно легко смастерить такой трубогиб из деревянных деталей. И даже если некоторые детали будут не достаточно прочными, их можно заменить на более крепкие. Конечно, окончательно говорить о надежности трубогиба и его хорошей работе, испытав его только на практике.

Стоит отметить, что важную роль в изготовлении такого инструмента играет расстояние между роликами. Таким образом, чем больше будет расстояние между ними, тем меньше потребуется приложить усилий для изгиба трубы и прогона через трубогиб. Однако минимальный радиус изгиба при этом будет больше, а на конце трубы будет больший участок, который не подвергнется обработке. При этом ход прижимного ролика должен быть как можно длиннее. Поэтому, чтоб учесть все эти моменты, на стадии создания трубогиба, можно сделать так, чтоб ролики могли менять свое положении при надобности, а габариты инструмента сделать с достаточным запасом, чтоб трубогиб пригодился нам не один раз.

Особенности гибки

Как известно, труба – это пустотелая конструкция круглого профиля. Основными параметрами является внешний Ø и толщина стенки. Из-за пустотелости неконтролируемый изгиб может привести к ее деформации (сплющиванию, смятию и т.п.) в месте загиба. Исключить опасную деформацию можно только путем изгиба с закруглением определенного минимального радиуса.

Основным параметром загиба, требующим контроля, является минимальный диаметр изгиба, который зависит от внешнего Ø трубы и толщины ее стенок. Для наиболее распространенных труб минимальный диаметр изгиба составляет:

·         Ø 20-35 мм при толщине стенок 2 мм – 5 Ø трубы;

·         при толщине стенок свыше 2 мм – 3 Ø;

·         Ø 35-60 мм при толщине стенок свыше 2 мм – 4 Ø трубы.

При проведении изгиба задаются двумя основными параметрами – Ø и углом изгиба, определяемыми назначением изгиба. При этом Ø требуемого изгиба не должен быть меньше минимального диаметра.

Основные требования к трубогибу

1.     Устройство должно фиксировать в неподвижном состоянии один из концов трубы на участке загиба, для того чтобы обеспечить изгиб путем простого перемещения второго конца трубы.

2.     Трубогиб должен обеспечить изгиб по заданному Ø. Следовательно, конструкция должна содержать неподвижную деталь с закруглением нужного Ø.

3.     На начальном этапе загиба должен быть обеспечен плотный контакт трубы с закругленным элементом и исключено ее смещение в сторону от этого элемента.

4.     Устройство должно позволять движение свободного конца в направлении, обеспечивающем изгиб.

5.     Наконец, естественное требование – простота в изготовлении и эксплуатации, доступность применяемых материалов.

2.3Изготовление трубогиба

Каркас трубогиба представляет собой две вертикальные полосы (стойки), которые на окончательной операции привариваются к основанию. На этих боковых стойках просверливаются отверстия по диаметру оси под неподвижный ролик. Высота от основания до центра отверстия должна на 15-20 мм превышать радиус неподвижного ролика. При этом для универсальности лучше предусмотреть сменяемость, то есть иметь в виду, что ролик может иметь Ø, равный максимальному диаметру изгиба. Боковые стойки каркаса можно укоротить так, чтобы они возвышались над просверленным отверстием на высоте 50-60 мм.

Рычаг изготавливается из двух металлических полос толщиной не менее 4 мм. Ширина полосы выбирается на 20 мм больше диаметра отверстия под ось ролика. В верхней части рычаг должен образовать ручку, поэтому полосы после сборки конструкции соединяются между собой (обычно свариваются). В нижней части рычага, в полосах просверливается отверстие для установки его на ось неподвижного ролика. Ø этого отверстия равен диаметру отверстия в каркасе. Запас длины рычага ниже отверстия составляет 10 мм. В середине рычага просверливаются отверстия в полосах для оси подвижного ролика. Расстояние между центрами отверстий под оси равно диаметру неподвижного ролика при условии равенства диаметров.

Затем ось с роликом устанавливается в отверстия рычага и также фиксируется шплинтом. Степень фиксации этой оси в отверстиях не имеет большого значения.

Неподвижный устанавливается на свою ось и жестко фиксируется сваркой. К нему выдвигается требование обязательной неподвижности при эксплуатации.

На ось неподвижного ролика устанавливаются боковые полосы рычага по обе стороны от неподвижного ролика. Рычаг на оси должен располагаться свободно, т.е. должно обеспечиваться свободное вращение рычага вокруг оси. Ось неподвижного ролика с рычагом закрепляется в отверстиях боковых стоек каркаса и фиксируется сваркой. После этого можно завершить формирование ручки рычага и закрепить полосы рычага между собой.

Основание каркаса изготавливается из утяжеленной металлической пластины. В центре просверливается отверстие и нарезается резьба для фиксатора неподвижного ролика. Можно вместо сверления приварить к основанию гайку, в которую ввинчивается болтовой фиксатор. Боковые стойки каркаса со всеми закрепленными элементами привариваются к основанию. В отверстие ввинчивается болт для дополнительной фиксации неподвижного ролика.

На основании по линии протягивания трубы через ролики закрепляется фиксатор. Конструкция фиксатора может быть любая, при условии обеспечения неподвижного крепления конца. Это могут быть полуоси с болтовым креплением и диаметром, соответствующим внешнему диаметру трубки. Возможно использование хомутов. Главное требование – надежное крепление фиксатора к основанию при монтаже устройства и надежная фиксация конца трубы при ее изгибе.

2.4 Разновидность трубогиба

Ручной трубогиб можно изготовить самому, даже в гараже, а если вам доступна сварка, то сделать это приспособление вам будет значительно проще. Ручным трубогибом можно гнуть трубу до 40х40х2 мм. А возможно и больших размеров.
Из каких же основных деталей и узлов состоит этот самодельный инструмент? И каково их назначение? Это, во первых щёки. В них крепится весь механизм. Во вторых ролики. Роликов три. Первый ролик – центральный гибочный. Этот ролик установлен в вилку, которая крепится на силовом винте. Если винт закручивать, центральный ролик будет давить на трубу.

Есть ещё два ролика – поддерживающие трубу. Расстояние между роликами может меняться в пределах длины пазов в щеках. В нашем случае вращается центральный ролик - рукояткой. Рорлик, вращаясь, передвигает трубу. При закручивании силового винта на 1 - 2 оборота, труба, после каждого прохода, будет изгибаться больше и больше, пока не будет получен нужный угол изгиба. Несколько одинаково согнутых труб можно изготовить, установив на силовом винте в нужное место гайку – упор. При гибке следующих труб винт дойдёт только до упора.

 

Трубогиб для профильной трубы

Основа приспособления – щеки.  Щека правая и щека левая должны быть строго симметричны друг другу. Чертёж щеки делать не нужно. Её форма понятна из описания. Рассмотрим щеку правую. Заготовка щеки делается из листа стали 6 мм. толщиной. Заготовка имеет форму трапеции. Нижнее основание = 530 мм. Верхнее основание = 90 мм. Высота = 262 мм.
На нижнем основании нужно вырезать 2 паза шириной 20.5 мм. Одна сторона паза совпадает с основанием трапеции. Размер между пазами 280 мм. Длина каждого паза 88 мм. Вырезать пазы можно электролобзиком. К низу щеки нужно присоединить уголок 63 х 63 х 6, длиной 530 мм. Способ соединения – сварка. Варить надо так, чтобы стенка уголка была продолжением листа щеки, то есть сварка встык. Теперь нужно вырезать ещё один паз – центральный. Ширина паза 20,5 мм. Начинается паз в 40 миллиметрах от низа уголка. Габаритная длина паза = 175 мм. Крайние отверстия надо высверлить, а стороны паза вырезать электролобзиком.
Теперь надо выполнить в щеке отверстия для крепления диаметром 12.5 мм. Ось нижних 4 отверстий - в 20 миллиметрах от низа уголка. Первое отверстие - в 14 миллиметрах от вертикального края уголка. Вертикальная ось второго отверстия в 108 миллиметрах от оси первого. С другой стороны щеки нужно повторить два отверстия, симметрично двум первым. Ниже верхнего основания щеки на 13 миллиметров нужно выполнить ещё 2 отверстия диаметром 12,5 мм. Между вертикальными осями отверстий - расстояние 48 мм. Оси отверстий симметричны относительно оси щеки.

Для крепления трубогиба к верстаку, на каждой «лапе» уголка нужно просверлить 3 отверстия диаметром 12,5 мм. 
Щёки у нас готовы. 
Рабочий узел
Чертёж рабочего узла делать не надо. Его устройство понятно из описания его работы. А чертежи деталей можно сделать в виде эскизов. Узел работает так: При вращении ручки силового винта, винт через гайку в траверсе и нажимает на вилку, вилка давит на центральный ролик, он давит на профильную трубу, опирающуюся на 2 других ролика. В результате этого взаимодействия труба прогибается. Рукоятка силового ролика крутит его и труба перемещается. Труба получает прогиб по всему ходу. 
Важной деталью рабочего узла является самодельный силовой винт. Основой его является отрезок резьбовой штанги М24 х 2. Сварка соединяет верхний конец винта с отрезком прутка диаметром 25 миллиметров и длиной 200мм. Это его ручка. С другого конца в торец винта, по оси надо нарезать резьбу М10 х 25. Эта резьба для крепления винта к вилке. На винт под самую ручку накручиваются 2 гайки. Это упоры.
Верхняя траверса должна иметь размеры: ширина 82 миллиметров, длина 90 миллиметров, толщина 25 мм. В центре её – отверстие диаметром 26 мм. На большей стороне нужно сделать 2 сквозных отверстия диаметром 12.5 миллиметров для прохождения крепёжных шпилек. Расстояние между отверстиями 48 мм. Ниже траверсы на винт накручивается ещё 1 гайка и соединяется с траверсой. Способ соединения – сварка.

2.5 Нужно получить изгиб трубы? Нет ничего проще!

Без трубогибов получать изгиб трубы под нужным углом очень сложно: выполняя этот процесс вручную, приходится применять самые разные средства, при этом есть риск получения травмы руки. Проблему решает трубогиб – профессиональный инструмент, используемый для быстрой и точной гибки труб.

На рынке инструмент представлен в разных вариантах: с ручным, гидравлическим и электрическим приводом. Трубогибы нашли широкое применение, они обладают простой и компактной конструкцией, неприхотливы в эксплуатации, поэтому работать с ними можно даже без специальной подготовки.

Устройства применяют при монтаже трубопроводов и водопроводов, систем кондиционирования и вентиляции. Инструмент успешно эксплуатируется как в частном, так и в промышленном масштабе, при возведении какой-либо металлоконструкции во дворе загородного дома или прокладке водопровода.

Особенно востребованы трубогибы в коммунальном хозяйстве, с их помощью выполняются ремонтные работы на трубопроводных участках.

2.6 Какими преимуществами обладают трубогибы:

Преимущество использования трубогиба заключается в скорости проведения работ (если раньше на то, чтобы получить изгиб, требовалось достаточно большое количество времени, то с помощью профессионального инструмента работа выполняется в считанные минуты). Устройство удобно, обеспечивает точность изгиба в независимости от принципа действия (будет ли это гидравлический или ручной инструмент).

Трубогибы подразделяют на ручные и гидравлические. Ручной вариант отличается компактностью, его можно положить в сумку сантехника и носить, не переживая за вес. Большая часть ручных моделей рассчитана для работы с трубами небольшого диаметра, выполненными из меди или стали. Отметим, что именно ручные инструменты чаще всего приобретают для использования в личном хозяйстве.

На рынке представлены инструменты с электрическим приводом, которые используются в более сложных работах промышленного масштаба. Устройство предназначено для работы со стальными трубами среднего и большого диаметров. Электропривод облегчает процесс получения изгиба и повышает производительность.

Правила безопасности при работе с трубогибом

Невозможно представить себе современную жизнь без воды, газа и тепла (отопления). Чтобы все это подвести к жилым и производственным помещениям используются трубопроводы, качественный монтаж которых невозможно осуществить без ручного или гидравлического трубогиба. В промышленности и строительстве применяются обычно гидравлические, они значительно облегчают и ускоряют технологический процесс работ. Работы с любыми механизмами требуют соблюдения элементарных правил безопасности.

 

 

 

2.7 Техника безопасности

Перед использованием трубогиба необходимо провести его тщательный осмотр.

·         С ручек и органов управления необходимо удалить грязь и масло, во избежание соскальзывания рук во время работы.

·         Инструмент и труба должны быть надежно закреплены.

·         Должно быть обеспечено достаточное пространство вокруг трубы, т. к. она во время работы двигается.

·         Руки во время работы нужно держать на безопасном расстоянии от механизма.

·         Руки, тело и глаза должны быть защищены специальной одеждой и очками.

·         Запрещено производить чистку и смазку механизма трубогиба во время работы.

·         После окончания работ все детали механизма необходимо тщательно очистить от грязи и смазать.

 

Трубогиб в строительстве

Ни одно строительство жилых домов и зданий различного назначения не обходится без монтажа сантехники и различных трубопроводов. Активное применение трубогиба  в строительстве значительно ускоряет процесс работ и сокращает сроки сдачи объекта. Им удобно и быстро можно согнуть не только металлические, но и популярные на современном рынке сантехники, металлопластиковые трубы. Применение его позволяет существенно экономит время, а также снизить затраты на фитинги и сварочные работы, что тоже позволяет сэкономить на смете строительства, а уменьшение соединений в трассе трубопровода повышает его надежность в разы.

Соблюдая неукоснительно приведенные выше правила техники безопасности при работе с гидравлическим трубогибом, вы избежите случаев травматизма на производстве!

2.8 Заключение

Трубогиб удобен в использовании и практичен в сборке. Он поможет делать тяжелую работу быстро, качественно и легко. С его помощью можно сделать множество не только полезных, но и очень красивых изделий. Собрав готовый трубогиб, вы сможете, используя это приспособление самостоятельно изготавливать такие детали, как: дуги теплицы, столы, стулья (труба 40 х 40 х 2мм.) (потребуется сварка), декоративные заборы, беседки из металлического каркаса, ворота и множество других интересных вещей. Так как трубогиб-это приспособление предназначенное для гибки труб, как на производстве, так и в домашних условиях. Мы предлагаем трубогиб для людей, которые часто делают теплицы, ворота и просто людям, которым часто приходится работать с трубами и гнуть их.

Список литературы

1.    Бородина Т. «Новая энциклопедия школьника» 2003г

2.    О. Позднеева «Большая энциклопедия. Изобретения и открытия» 2014г

3.    Журнал «Квант» №10 1989г

4.    Журнал «Физика в школе» №6 1982г

5.    Интернет ресурсы: