Гідравліка, гідро та пневмоприводи
ОПОРНИЙ КОНСПЕКТ
Студента групи___________________________
____________________________________________
спеціальность: 5.05050204 “Експлуатація та ремонт підйомно- транспортних, будівельних, дорожніх машин та обладнання”.
м. Полтава
ВСТУП.
Одним із головних засобів ефективного використання сучасних машин є наявність в них гідравлічних та пневматичних передач, різноманітних гідравлічних механізмів і обладнання.
Гідравлічні приводи володіють властивостями, які забезпечують гідрофікованим машинам і механізмам високі техніко-економічні характкристики.
При вивченні курсу “Гідравліка. Гідропневмоприводи” студенти повинні отримати теоритичні відомості з гідравліки, гідромашин, гідропередач і застосувати їх до вирішення технічних проблем.
ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ.
Програма курсу “Гідравліка, гідропневмоприводи” розрахована на 135 годин, з яких 14 годин відводяться на виконання лаборатоорно практичних робіт.
Програмою предмету передбачається вивчення основних законів рівноваги і руху рідини, конструкції принципу дії і есплуатації гідравлічних і пневматичних машин, гідро і пневмоприводів, які використовуються у транспортних, дорожніх та будівельних машинах. Вивчення предмету базується на знаннях студентів з математики, фізики, механіки.В свою чергу предмет «Гідравліка,гідропневмоприводи»
дозволяє глибше вивчити предмети: “Дорожні машини”, “Вантажнопідйомна техніка”, “Експлуатація та ремонт машин”, та інші.
За час вивчення предмету “Гідравліка, гідропневмоприводи” студенти мають набути базові знання необхідні для вивчення циклу спецдисциплін, навички самостійного оволодіння матеріалу за підручниками, технічною літературою, досвід практичного розв’язування інженерних задач, користування нормативною та довідковою літературою.
Студент повинен знати:
- термінологію
- одиниці величин, основні закони гідравліки
- конструкцію та принципові схеми гідравлічних і пневматичних машин, гідропневмоприводів
- правила експлуатації та ремонта гідропневмоприводів машин.
Студент повинен уміти
- користуватись термінологією
- застосовувати одиниці величини
- розв’язувати задачі гідравліки, гідропневмоприводу
- вибирати агрегати із числа серійновипускаємих
- читати і складати гідросхеми
- визначати несправності гідропневмоприводів і засоби їх усунення.
Програмою передбаченно виконання однієї домашньої контрольної
роботи.
Вивчення курсу «Гідравліка, гідропневмоприводи» закінчується складанням заліку.
ЗАГАЛЬНІ МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ.
Дисціпліна «Гідравліка, гідропневмоприводи» складається із таких основних частин:
- Гідравліка - загальна теоритична частина, в якій вивчаються закони рівноваги та руху рідини, а також способи застосування цих законів до рішення задач.
- Гідромашини - загальні відомості про гідромашини, їх параметри, класифікація, принцип дії.
- Об’ємні гідроприводи та гідроденамічні передачі - частина курсу в якій розглянути основні схеми гідроприводів, обладнання гідроприводів, його будова і робота.
- Пневматичний привод - загальні відомості про пнеимопривод та пневмомашини.
- Експлуатація та ремонт машин з гідроприводом.
Для вивчення курсу рекомендується література: Башта Т.М., Руднев С. С., Некрасов Б. Б., Гидравлика, гидромашины и гидроприводы, М, Машиностроение, 1982 г., Мандрус В.І., Завягін В.Н., Машинобудівна гідравліка, приклади розрахунків, Львів, «Світ»,1995рік. В.В.Вакина Машиностроительная гидравлика. Примеры расчётов, Вища школа, 1986р. Токаренко В.М., Гідропривод і гідрообладнання автотранспортних засобів, “Либідь”, 1991р., Б.Н.Некрасов “Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам, гидроприводам” 2-е издание, Минск, “Высшая школа”, 1985, И.В. Петров. ”Обслуживание гидравлических и пневматических приводов дорожних машин’’
Структура методичних вказівок слідуюча: після найменування теми приведені питання програми курсу і вказівки, в яких звернено увагу студентів на важливий, важкозасвоюваний матеріал, на питання, в яких найчастіше всього допускається неправельне тлумачення.
Курс необхідно вивчати послідовно по темам.Вивчення курсу повинно супроводжуватись розв’язуванням задач.
Навчальний матеріал можна вважати засвоїним, якщо студент може відповісти правильно на контрольні запитання і застосувати теорію для рішення задач. При вивченні теоретичного матеріалу з будови і роботи гідропневмообладнання приводів бажано використовувати наочні засоби.
РОЗДІЛ 1. Гідравліка.
Тема 1.1. Рідини і їх властивості.
Література: (1) ст.4-15, 65, (2) ст. 5-23, (4) ст 4-8.
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ.
Гідравліка- це наука про закони рівноваги та руху рідини в руслах (трубопроводах, каналах) та застосування цих законів до вирішення конкретних задач в практиці.
Рідина - це тіло, яке має властивість текучості, тобто воно здатне змінювати свою форму під дією незначних сил. В гідравліці під рідиною
розуміють звичайні крапельні рідини та гази, якщо швидкість їхньої течії мала порівняно зі швидкістю звуку в крапельках рідин і газів вважають одинаковими.
Розглянемо основні з точки зору гідромеханіки властивості рідин та газів.
Питома маса - це відношення маси рідини М до її об’єму V:
r=M/V
У Cl розмірність питомої маси – кг/м3.
Питома вага - це відношення ваги, або сили тяжіння рідини, G до її об’єму V:
g=G/V=Mg/V=rg
Розмірність питомої ваги в Cl- H/м3.
Об’ємне стиснення - це зміна об’єму V і питомої маси r рідини зі зміною тиску. Об’єм Vp і питому масу rр зі зміною тиску Dr обчислюють за формулами
Vp=(1-bpDp)
rp=ro/1-bpDp
де Vo, ro- об’єм і питома маса за початкових умов;
bр- об’ємний коефіцієнт стиснення, тобто відносна зміна об’єму при дії одиниці тиску:
bр=DV/Vo 1/Dp
Пружність - це властивість рідини поновлювати свій об’єм після припинення дії сил. Її описує модуль пружності:
Е=1/bр
Для води Е=2000 МПа»20 000 кгс/см2, тобто зі зміною тиску на 1кг/см2 об’єм води змінюється всьго на 1/20 000 частин. Приблизно таке ж значення об’ємного модуля пружності мають інші рідини. Тому вважають, що рідини практично нестисливі.Об’ємний модуль пружності при обчисленнях беруть до уваги лише при високих тисках, великих об’ємах та у випадку гіравлічного удару.
Стисливість газів, на відміну від рідин, має велике значення. Для ідеального газу (таким газом можна вважати будь- який газ при тиску до 10 МПа) діє закон Клапейрона- Менделеева:
pV=MRT,
де р- тиск; V- об’єм; М- маса; Т- абсолютна температура газу; R- унівесальна газова стала. Для повітря R=287 Дж/кг×К, для природного газу – 520 Дж/кг×К.Враховуючи, що питома маса r=М/V, отримаємо
P=rRT; r=p/RT
Для реальних газів (це гази при тиску до 10 МПа) можна користуватися формулами
p=ZrRT; r=p/ZRT,
де Z- коефіцієнт стиснення газів.Значення коефіцієнтів Z при t=50оС:
Тиск, МПа 10 20 30 40
Z 1,02 1,08 1,16 1,26
Температурне розширення- це зміна об’єму і питомої маси рідини зі зміною температури:
Vt=Vo(1-btDt);
rt=ro/1+btDbt,
де Vt, rt- об’єм і питома маса рідини при температурі t; Dt- зміна температури; bt- температурний коефіцієнт об’ємного розширення:
bt=DV/Vo 1/Dt
На значення bt впливають тиск і температура. Для води при t=20oC і атмосферному тиску bt=20×10-5 град-1, для сталі bt=3×10-5 град-1.
В’язкість - властивість рідини чинити опір під час її руху. Дотичні напруження t між шарами рідини описує формула Н.П.Петрова за гипотезою Ньютона:
t=m×du/dy,
y де m- динамічна в’язкість, Па×с;
du/dy- градієнт швидкості, або
швидкість зсуву; y- відстань
u+du від стінки до шару ріди
dy u швидкістю u.
У гідравлічних розрахунках використовують поняття
y кінематичної в’язкості u
g=m/r
Рис 1. Розподіл швидкостей в’язкої рідини в перерізі потоку.
Її розмірність в системі СІ- м2 /c, у системі СГС- см2/с; 1 см2/с
називається стоксом (Ст).
На в’язкість суттєво впливає темпераура. Зі збільшенням температури в’язкість рідини зменшується, а газів- зростає.
У гідравліці для теоритичних міркуваннь та висновків Л.Ейлер запропонував поняття ідеальної рідини. Це умовно нев’язка рідина, яка не розширюється, не стискається. Насправдї ми маємо справу з реальною рідиною, тобто будь-якою з усіма притаманними їй властивостями, що реально існує.
Питання для самоперевірки.
1. Що вивчає гідравліка?
2. В чому різниця між рідинами і твердими тілами?.
3. Що таке питома вага, густина, який зв’язок між ними? Вкажіть розмірність в системі Сі і в других системах.
4. Який зв’язок між коефіцієнтом об’ємного стиснення і об’ємним модулем пружності?
5. Що таке коефіцієнт температурного розширення?
6. Що називається в’язкісию рідини?
В чому суть гіпотези Ньютона про тертя?
7. Від чого залежать кінематичний та динамічний коефіцієнти в’язкості? Їх розмірність в системі СІ і других системах?
8. В чому різниця між ідеальною і реальною рідиною?.
Що називається тиском насиченої пари ідеальної рідини? Від чого вона залежить?
Тема 1.2. Основи гідростатики.
Література: (1) ст. 15-34, (2) ст. 24-44, (4) ст.10-29.
Методичні вказівки.
Тиск р – це відношення нормальної сили до площі S на яку діє ця сила
р =F/S
Вимірюється в системі СІ в паскалях (Па), 1 Па = 1 Н/м2. Використовуються кратні одиниці: кПа=103Па, мПа=106 Па, в технічній системі 1 ксм/см2=9,8×104 Па =105 Па.
Розрізняють тиск, що відповідає абсолютному нулю і тиск атмосферний. (рис. 3)
Р Тиск у будь-якій точці на-
зивається абсолютним Рабс. Тиск
Рн називається надлишковим або
Ратм. манометричним, якщо він
Рабс Рвак. більший від атмосферного і ва-
кууметричним або просто ваку-
Рабс. умом – якщо він менший від
атмосферного.
Рис 2.Види тиску.
Основне рівняння гідростатики має вигляд:
Z+ 
=const
де Z – геометрична висота точки відповідно якоїсь площини порівняння;
р /rq – п’єзометрична висота, тобто та висота на яку піднімається рідина в трубці (п’єзометрі).
Суть основного рівняння гідростатики полягає в тому, що для різних точок нерухомої рідини сума геометричної і п’єзометричної висот незмінна. (Мал.4.)
 |
Рис3.Тиск у рідині
Друга форма запису основного рівняння гідростатики:
р = р 0+rqh
Тиск р у довільній точці нерухомої рідини дорівнює сумі тиску від висоти стовпа рідини rqh (рис. 3).
Використовуючи властивості тиску і рівняння р = р 0+rq можна побудувати епюри тиску на поверхні.(Мал.4.)
Рис.4. Епюри тиску на стінки.
Тиск, що діє на вільній поверхні рідини, передаються у всі точки рідини. Це явище називається законом Паскаля.
Для вимірювання тиску використовують рідинні (барометр, п’єзометр, манометр, вакуумометри, диференційні манометри), механічні (пружинні, мембранні, сильфонні манометри, вакуумометри і мановакуумометри) та електричні прилади.
При визначенні сили гідростатичного тиску, як правило, користуються манометричним або вакуумометричним тиском, так як атмосферний тиск діє на розрахункову конструкцію з усіх сторін і тому його можна не брати до уваги. Наприклад, величину цієї сили, діючої на плоску стінку, дорівнює тиску р С у центрі ваги цієї поверхні помноженому на її площу S. Тобто:
F= р C×S=(р 0+rqhC)×S=F0+Fp
де hС – глибина занурення центра ваги плоскої поверхні під вільну поверхню рідини (мал. 2.4.);
F0= р 0×S – сила від зовнішнього тиску Р0 ;
Fp=rqhCS – сила від тиску рідини.
Сила тиску F прикладена в центрі тиску D, координату якого визначають по формулі:
де JC – момент інерції плоскої фігури відносно центральної вісі.
Для прямокутника JС= 
, для трикутника JC= 
, для кола JC= 
де b – ширина; h-висота фігури.
 |
Рис.5. Визначення сили тиску рідини на плоску поверхню.
У випадку дії на вільну поверхню атмосферного тиску уD1=yD, yC1=yC. Якщо визначається сила тиску рідини на вертикальну поверхню то уС=hC, yD=hD. (рис.5)
Точка прикладення сили гідростатичного тиску розташована завжди нижче центра ваги змоченої площі (за винятком тиску на горизонтальну площину, коли центр ваги і центр тиску співпадають).
Сила тиску на криволінійну поверхню, симетричну відносно вертикальної площини, складається із горизонтальної Fг і вертикальної Fв складових
F= 
Горизонтальна складова Fг (Рис.6, а, в) дорівнює силі тиску рідини на вертикальну проекцію даної стінки
Fг=hCrqSв
де hC – глибина занурення центру ваги вертикальної проекції;
Sв – площа вертикальної проекції.
Вертикальна складова Fв (Рис.6, б) рівна вазі рідини в об’ємі V, обмеженому між данною стінкою, вільною поверхнею та вертикальною проекцією. Лінія дії вертикальної складової проходить через центр тяжіння тіла тиску.
 |
Рис.6. Визначення сили тиску на циліндричну поверхню.
При розміщені рідини в середині криволінійної поверхні Fв діє вниз, а тіло тиску умовно приймають додатним, при наявності ж рідини з зовнішнього боку ця сила спрямована вгору, а тіло тиску умовно вважають від’ємним.
На тіло, занурене в воду діє виштовхувальна сила Fa , яка дорівнює вазі рідини, витісненої тілом. (Закон Архімеда)
Fa=rqV,
де V – об’єм зануреної в рідину частини тіла.
Зіставляючи вагу тіла в повітрі G і виштовхувальну силу Fa, виділяють три випадки:
1. G>Fa, тіло тоне;
2. G=Fa, тіло перебуває на тій глибині де його розмістять в рідині (завислий стан);
3. G<Fa, тіло буде випливати доти, доки вага G не порівняється з силою Fa’, що дорівнює вазі об’єму зануреної в рідину частини тіла, причому Fa>Fa’ .
Оскільки на тіло діє виштовхувальна сила вага його в рідині буде меншою ніж у повітрі.
Gp=G (1-rp/rT)
де rр і rт – відповідно питома маса рідини і тіла.
Питання для самоперевірки.
1. Що називається гідростатичним тиском? В яких одиницях він вимірюється?
2. В чому заключаються дві властивості гідростатичного тиску?
3. Як знайти тиск в деякій точці рідини, якщо відомий тиск в другій?
4. Яка різниця між абсолютним, надлишковим, вакууметричним тиском?
5. Яка найбільша величина вакуума? Чим вона обмежена?
6. Приведіть приклади використання законів гідростатики в техніці.
7. Як побудувати епюру тиску на вертикальну і горизонтальну, похилу плоску стінку.?
8. Що називається вільною поверхнею?.
9. Що називається абсолютною і відносною рівновагою?.
10. Як визначити силу тиску на плоску стінку.?
11. Як визначити силу тиску на криволінійну стінку?.
12. Які форми вільної поверхні при абсолютній рівновазі в випадку руху посудини з постійним прискоренням, при обертанні посудини навколо своєї вісі з постійною кутовою швидкістю?.
13. Зформулюйте закон Архімеда, та його три випадки.
14. Прилади для вимірювання тиску. Класифікація, принцип дії, конструкція.
Тема 1.3. Основи кінематики та динаміки рідин.
Види руху рідини. Головні поняття кінематики рідини: лінія течії, трубка течії, струминка, живий переріз. Витрата рідини. Середня швидкість. Рівняння суцільності витрат. Питома енергія потоку рідини. Рівняння Бернуллі для потоку реальної рідини. Фізичний зміст і геометрична інтерпритація рівняння Бернуллі. Практичне використання рівняння Бернуллі для вимірювання витрат та швидкостей рідини. Режими руху рідини, критерій Рейнольдса.
Література: (1) ст.34-55, 57-65, 69-79, 82-91, (2) ст. 45-76, (4)ст.34-42
Методичні вказівки.
Рухома рідина являє собою однорідне середовище сукупності частинок, які переміщуються з різноманітними параметрами, що змінюються в залежності від координат і часу.
В гідравліці потоки реальної рідини розглядають, як одномірні. З цією
метою використовуються поняття середньої швидкості потоку. Середня швидкість вводиться із умови рівності її добутку на площу перерізу потока дійсній об’ємній витраті.
Основними рівняннями гідравліки являються рівняння витрати і рівняння Бернуллі. З їх допомогою проводяться розрахунки гідросистем. Тому необхідно чітко засвоїти виведення цих рівняннь і зрозуміти, які фізичні закони вони виражають.
Рівняння витрати виражає закон збереження маси, а рівняння Бернуллі- закон збереження енергії.
Записавши масову витрату рідини для любих двох точок плоских перерезів, в одного і тогож потоку через середню швидкість
Qm=rVcS (мал 13)
отримаємо для нестискаємої рідини (r=const) рівняння об’ємної витрати.
Vcp1×S1=Vcp2×S2
де r- густина рідини,
Vcp- середня швидкість потоку рідини,
S- площа живого перерізу.
Мал. 13. Середня і місцеві швидкості потоку рідини.
Згідно цього рівняння об’ємна витрата рідини Q=Vcp×S залишається незмінною вздовж всьго потоку.
При уставленому русі реальної рідини рівняння Бернуллі має вигляд
Z1+ 
де Z- геометрична висота - відстань центру ваги відповідного перерізу потоку до горизонтальної площини порівняння. В енергетичному змісті цей член, який називається геометричним напором, являє собою потенційну енергію положення одиниці ваги рідини відносно горизонтальної площини порівняння
- п’єзометрична висота відстань рівня рідини в п’єзометрі до центру ваги перрізу потока або п’єзометричний напір. В енергетичному змісті- потенційна енергія тиску одиниці ваги рідини.
- швидкісна висота або швидкісний напір - кінетична енергія одиниці ваги рідини.
Z+ 
=H - повний напір - механічна енергія одиниці ваги рухомої рідини вимірюється в метрах водяного стовпа. Н, м.
åh1-2 – втрати напору між перерізами потоку – кількість механічної енергії, яку втрачає одиниця ваги рідини при подоланні гідравлічних опорів на відстані від першого до другого перерізу потоку.
Питома кінетична енергія, записана через середню швидкість, містить в якості поправочного коефіцієнта безрозмірний коефіцієнта кінетичної енергії a (коефіцієнт Коріоліса), який являє собою відношення величин дійсної кінетичної енергії потоку, обчисленої по значенням дійсних швидкостей, до величини кінетичної енергії, обчисленої по середнній швидкості. Чисельне значення коефіцієнта a залежить від закону розподілу швидкостей по перерізу потоку. В випадку ламінарного руху, цей коефіцієнт рівний двом, турбулентного - його приймають рівним одиниці.
 |
Геометрична інтерпритація рівняння Бернуллі представлена на Мал.14.
Мал. 14. Геометрична інтерпритація рівняння
Бернуллі для потоку реальної рідини.
Значення повного напору відносно довжини називається гідравлічним похилом.
Відношення зміни п’єзометричного напору до довжини потоку – п’єзометричний похил.
Відношення зміни геометричної висоти до довжини потоку називається геометричним похилом.
Геометричний і п’єзометричний похил можуть бути додатніми і від’ємними. Гідравлічний похил завжди додатній.
Течія рідини має два принципи руху - ламінарний і турбулентний. При ламінарному режимі частинки рідини рухаються паралельно одна одній відносно осі труби зі сталими швидкостями. Цей рух усталений. При турбулентному режимі окремі частинки рухаються хаотично, їхні траекторії перетинаються і обертаються. В результаті ті викликають пульсації тисків і швидкостей, тому рух неусталений.
Режим руху рідини визначається за допомогою безрозмірного
Числа Рейнольдса.
де V-середня швидкість руху рідини.
R-гідравлічний радіус.
n-кінематична в’язкість.
Для круглих труб R=d/4, тому
Експерементально визначено, що для круглих труб при Re<2300 режим ламінарний, при Re<4000- турбулентний, при 2300<Re<400- перша перехідна зона. У ній почергово існує то ламінарний то турбулентний режими.
Ламінарний режим виникає в тонких капілярних трубках, під час руху високов’язких рідин, фільтрації води в порах грунту, при малих швидкостях руху. Малов’язкі рідини (вода, спирт, бензин) майже завжди рухаються при турбулентному режимі.
Питання для самоперевірки.
1. Який рух рідини називається усталеним, неусталеним, рівномірним, нерівномірним, напірним, безнапірним?
2. Що таке лінія течії, трубка течії, елементарна струминка?
3. Що таке об’ємна, масова і вагова витрата рідини?
4. Як записується рівняння витрати для струминки та для потоку реальної рідини?
5. Який фізичний зміст виражає рівняння витрати рідини?
6. Рівняння Бернуллі, його фізичний зміст.
7. Геометрична інтерпритація рівняння Бернуллі.
8. Середня швидкість потоку рідини, що вона виражає.
9. Коефіцієнт кінетичної енергії (Коріоліса) його зміст.
10. Що таке повний напір?
11. Від чого залежить чисельне значення коефіцієнта Коріоліса?
12. В якому випадку лінія повного напору і п’єзометричного паралельні.
13. Чи може змінюватись знак п’єзометричного похилу? В яких випадках?
14. Чи може бути від’ємним гідравлічний похил?
15. Які режими руху має течія рідини, охарактеризуйте їх.
16. Безрозмірне число Рейнольдса. Його вираження через швидкість і витрату рідини.
Задачі.
При розв’язуванні деяких задач про рух рідини часто роблять припущення про те, що рухома рідина є ідеальною. В рухомій ідеальній рідині можливий лише один вид напружень – напруження стиску, тобто тиск р, а дотичні напруження t=0.
