История развития науки «Гидравлика и гидропривод»

История развития науки «Гидравлика и гидропривод»

Раздел механики, в котором изучают равновесие и движение жидкости, а также силовое взаимодействие жидкостью и обтекаемыми ею телами или ограничивающими её поверхностями, называется гидромеханикой.

Науку о законах равновесия и движения жидкостей и о способах приложения этих законов к решению практических задач называют гидравликой. В гидравлике рассматривают, главным образом, потоки жидкости, ограниченные и направленные твердыми стенками, т. е. течение в закрытых и открытых каналах.

Таким образом, можно сказать, что в гидравлике изучают в основном внутренние течения жидкостей и решают так называемую внутреннюю задачу в отличие от внешней, связанной с внешним обтеканием тел сплошной средой, которое имеет место при движении тела в жидкости или газе.

Историческое развитие механики жидкостей шло двумя различными путями:

-первый путь – теоретический, путь точного математического анализа, основанного на законах механики. Он привел к созданию теоретической гидромеханики, которая долгое время являлась самостоятельной дисциплиной, непосредственно не связанная с экспериментом. Однако на пути чистого теоретического исследования движения жидкости встречается множество трудностей, и методы теоретической гидромеханики не всегда дают ответы на вопросы, выдвигаемые практикой.

- второй путь – путь широкого применения эксперимента и накопления опытных данных для использования их в инженерной практике – привел к созданию гидравлики.

 

Виды жидкостей.

Жидкость – физическое тело, молекулы которого слабо связаны между содой. Поэтому незначительные силы способны легко изменить форму жидкости, которая способна сохранить объем, но не форму. В гидравлике жидкость рассматривают как непрерывную среду, заполняющую пространство без пустот и промежутков, т.е. отвлекаются от молекулярного строения жидкости и её частицы, даже бесконечно малые, считают состоящими из большого числа молекул.

Реальной жидкостью называют жидкость, обладающую вязкостью (свойство жидкости сопротивляться сдвигу ее слоев).

Идеальная или невязкая жидкость является упрощенной моделью реальной (вязкой) жидкости. По предположению, идеальная жидкость имеет все свойства реальной, кроме вязкости.

рис. 1.1 Профиль скоростей течения жидкости.

Плотность жидкости и удельный вес.

Одной из основных механических характеристик жидкости явля­ется ее плотность.

Плотностью (кг/м³) называют массу жидкости, заключенную в единице объема; для однородной жидкости

(1.5) где m – масса жидкости в объеме V.

Удельным весом (Н/м³) называют вес единицы объема жидкости, т. е,.

(1.6) где G — вес жидкости в объеме V.

Связь между удельным весом y и плотностью ρ легко найти, если учесть, что

( 1.7)

Если жидкость неоднородна, то формулы (1.4) и (1.5) определяют лишь среднее значение удельного веса или плотности в Данном объеме. Для определения истинного значения у и р в данной точке следует рассматривать объем, уменьшающийся до нуля, и искать предел соответствующего отношения.

Применяют еще относительную плотность жидкости б, равную отношению плотности жидкости к плотности воды при 4 ^СС:

б = ρ_ж/ρ_вод (1.8)

 

Понятие идеальной жидкости.

Идеальная жидкость, воображаемая жидкость, лишённая вязкости и теплопроводности. В Идеальная жидкость отсутствует внутреннее трение, то есть нет касательных напряжений между двумя соседними слоями. Такая идеализация допустима во многих случаях течения, рассматриваемых гидроаэромеханикой, и даёт хорошее описание реальных течений жидкостей и газов на достаточном удалении от омываемых твёрдых поверхностей и поверхностей раздела с неподвижной средой. Математическое описание течений Идеальная жидкость позволяет найти теоретическое решение ряда задач о движении жидкостей и газов в каналах различной формы, при истечении струй и при обтекании тел.

 

 

Уравнение неразрывности.

Для двух сечений 1–1 и 2–2 элементарной струйки в установившемся движении (рис.3.7) можно записать: и

Видно, что dQ ₁> dQ ₂ по условию несжимаемости и dQ ₁< dQ ₂ по условию сплошности движения. Следовательно, условие неразрывности имеет вид dQ ₁= dQ ₂ или u ₁ d ω₁= u ₂ d ω₂.

Очевидно, что для всего потока имеем ω₁υ₁ = ω₂υ₂ или .

Таким образом, при установившемся движении жидкости расход в любом сечении потока остается неизменным.

Уравнения и являются уравнениями постоянства расхода для элементарной струйки и потока соответственно. Эти уравнения являются математическим выражением неразрывности (сплошности) движения жидкости.

Из уравнения следует:

, т. е. средние скорости в живых сечениях потока обратно пропорциональны их площадям.

 

Пьезометрический напор.

Для измерения давления жидкости применяют пьезометры - тонкостенные стеклянные трубки, в которых жидкость поднимается на высоту . - пьезометрическая высота (пьезометрический напор), представляет собой высоту столба жидкости в пьезометре, вес которой при атмосферном давлении на своболной поверхности уравновешивает силу давления в центре тяжести рассмориваемого сечения.

 

Сумма 3 высот: нивелирной, пьезометрической и скоростного напора называется гидродинамическим напором Н, который сохраняется в идеальной жидкости постоянным на всей длине элементарной струйки.

 

Трубка Пито, назначение.

Трубка Пито — прибор для измерения динамического напора текущей жидкости или газа. Названа по имени её изобретателя (1732) французского учёного А. Пито.

Представляет собой Г-образную трубку. Установившееся в трубке избыточное давление приближённо равно:

где — плотность движущейся (набегающей) среды; — скорость набегающего потока; — коэффициент.

Напорная (пневмометрическая, или трубка полного напора) трубка Пито подключается к специальным приборам и устройствам. Применяется при определении относительной скорости и объёмного расхода в газоходах и вентиляционных системах в комплекте с дифференциальными манометрами.

Для жидкостей это устройство обычно используется как МАНОМЕТР, у которого один (открытый) конец направлен навстречу потоку, а другой - выступает из него. За счет разности давлений на двух концах жидкость изменяет положение внутри трубки. Трубка Пито для газов обычно имеет форму буквы L, где один конец открыт и направлен к потоку газа, а другой присоединен к прибору, измеряющему давление. Этот вид трубки Пито часто используется в самолетах в качестве прибора, измеряющего скорость набегающего потока воздуха.

 

Закон Паскаля.

 

 

Основой для гидростатики является закон Паскаля: Воздействие силы на неподвижную жидкость распространяется по всем направлениям внутри жидкости. Величина давления в жидкости равна нагрузке, соотнесенной с площадью, на которую она действует. Давление оказывает свое воздействие всегда вертикально на ограничивающую поверхность резервуара. Кроме того, давление распространяется равномерно во все стороны. Если не принимать во внимание давление силы тяжести, то давление одинаково по величине во всех точках. Учитывая давления, которые используются в современных гидроприводах, влиянием давления силы тяжести можно пренебречь.

10 м водяного столба = 1 бар.

На законе Паскаля основан принцип действия различных гидравлических устройств, с помощью которых давление передается на расстояние. К таким устройствам относятся: гидравлические прессы, гидроподъемники, гидродомкраты, гидравлические аккумуляторы, гидравлические тормозные системы, гидромультипликаторы и др. В качестве примера рассмотрим работу гидравлического пресса. Гидравлический пресс применяют для получения больших сжимающих усилий, что необходимо, например, для деформации металлов при обработке давлением (прессование, ковка, штамповка), при испытании различных материалов, уплотнении рыхлых материалов, в технологических процессах по обезвоживанию осадков и т.д. Принципиальная схема пресса представлена на рис 2.10.

К поршню площадью F приложена сила Р ₁, которая передается жидкости, создавая давление р ₁:

По закону Паскаля давление передается на поршень площадью F ₂, создавая полезную силу, под действием которой прессуется материал: cледовательно или

Из формулы видно, что отношение усилий на малом и большом поршнях пропорционально квадрату отношения диаметров поршней. Например, если диаметр большого поршня в десять раз больше диаметра малого поршня, то полезное усилие на большом поршне будет в 100 раз больше, чем на малом.

 

Частные случаи

Коэффициент сжатия струи.

Коэффициент сжатия струи характеризует степень сжатия струи.

При истечении из отверстия в тонкой стенке криволи­нейные траектории частиц жидкости сохраняют свою форму и за пределами отверстия, т.е. после выхода из отвер­стия сечение струи уменьшается и дос­тигает минимальных значений на рас­стоянии равном (d - диаметр отверстия). Таким образом, в сечении

В - В будет находиться как назы­ваемое сжатое сечение струи жидкости. Отношение площади сечения струи к площади отверстия называется коэффициентом сжатия струи:

где: s - площадь отверстия,

s_сж - площадь сжатого сечения струи, ε - коэффициент сжатия струи.

 

 

Сложные трубопроводы.

Трубопроводы могут быть сложными, содержащими как последовательные, так и параллельные соединения или ветви разветвления. Сложный трубопровод в общем случае составлен из простых трубопроводов с последовательным и параллельным их соединением или с разветвлениями.

 

 

Самотечный трубопровод.

Самотечным трубопроводом являются канализационные трубы. Гидравлический радиус круглой трубы при полном ее заполнении равен 0,25d, а максимального значения он достигает при высоте слоя воды в трубе h=0.813d. Из всех типов профилей коллекторов максимальный гидравлический радиус – у круглой трубы. Гидравлический уклон равен отношению падению уровня воды в начале и в конце трубопровода к его длине. При самотечном режиме движения гидравлический уклон принимается равным уклону самого трубопровода.

 

 

Напор создаваемый насосом.

Напор Н представляет собой разность энергий единицы веса жидкости в сечении потока после насоса и перед ним :

и выражается в метрах.

 

Характеристика трубопровода

Характеристикой трубопровода называется зависимость суммарной потери напора (или давления) в трубопроводе от расхода:

График уравнения простого трубопровода H=f(Q) носит название его гидравлической характеристики.

Вид гидравлической характеристики зависит от режима движения жидкости в трубопроводе: при ламинарном движении жидкости гидравлическая характеристика трубопровода - прямая линия, проходящая через начало координат (1). При турбулентном режиме гидравлическая характеристика - парабола (2).

 

Если на трубопроводе собранном из труб одинакового диаметра имеются местные сопротивления, то такой трубопровод можно привести к простому трубопроводу эквива длины:

Подача насоса

Подача (производительность) насоса ­– количество жидкости, подаваемое насосом в нагнетательный трубопровод за единицу времени. Обычно в насосах используется объёмная подача, м³/с:

В технологических процессах Q, обычно, заданная величина. Известны также физико-механические свойства жидкости: плотность, вязкость (динамическая), давление насыщенных паров жидкости при данной температуре.

Бъемный к.п.д. насоса

Коэффициент полезного действия насоса учитывает гидравлические, объемные и механические потери, возникающие при передаче энергии перекачиваемой жидкости. Объемные потери возникают вследствие перетекания части жид кости из области высокого давления в область пониженного давления (во всасывающую часть насоса) и вследствие утечек жидкости через сальники. Объемные потери оценивают объемным КПД насоса

где N0 — мощность, потерянная в результате перетекания жидкости и утечек

где Nм— мощность, затраченная на преодоление механических потерь

 

Общий к.п.д. насоса

КПД насоса есть отношение полезной мощности к мощности, потребляемой насосом

(2.8)

Подобно тому, как это принято для лопастных насосов, для объемных насосов различают гидравлический , объемный и механический КПД, учитывающие три вида потерь энергии: гидравлические — потери напора (давления), объемные — потери на перетекание жидкости через зазоры, и механические — потери на трение в механизме насоса:

(2.9)

(2.10)

(2.11)

где — индикаторное давление, создаваемое в рабочей камере насоса и соответствующее теоретическому напору в лопастном насосе; — потери мощности на трение в механизме насоса; — индикаторная мощность, сообщаемая жидкости в рабочей камере и соответствующая гидравлической мощности в лопастных насосах.

Умножим и разделим уравнение (2.7.8) на и произведем перегруппировку множителей. Получим

(2.12)

т. е. КПД насоса (общий) равен произведению трех частных КПД — гидравлического, объемного и механического.

КПД поршневых насосов зависит от размеров насоса и его конструкции, рода подаваемой жидкости и главным образом от развиваемого им давления. При давлении до 10 МПа η=0,9-0,92; при давлении 30-40 МПа η=0,8-0,85; при этом снижении КПД с увеличением давления зависит не только от конструкции насоса, но и от модуля упругости подаваемой жидкости, который снижается благодаря пузырькам газов.

 

Схема поршневого насоса

Рис.4. Схема поршневого насоса.

1 - корпус; 2 - поршень; 3 - всасывающий клапан; 4 - нагнетательный клапан.

 

 

Классификация гидромоторов

Гидромоторы (oбъемные гидродвигатели с неограниченным вращательным движением выходного звена):

По движению рабочих звеньев:

Роторные (рабочие звенья совершают простое или сложное вращательное движение)

Безроторные (рабочие звенья совершают только возвратно-поступательное движение)

По числу видов рабочих звеньев:

Однорядные (оси рабочих звеньев расположены в одной плоскости)

Многорядные (оси рабочих звеньев расположены в двух или более параллельных плоскостях, в зависимости от числа рядов допускаются термины «двухрядный гидромотор», «трехрядный гидромотор» и т. д.)

По виду рабочих звеньев:

Винтовые (с рабочими звеньями в виде винтов, по числу винтов различаются одновинтовые, двухвинтовые, трехвинтовые и многовинтовые гидромоторы)

Коловратные (с вращающимися рабочими звеньями, находящимися в контакте друг с другом, но не передающими крутящего момента, крутящий момент между рабочими звеньями передается вспомогательной зубчатой передачей)

Шестеренные (с рабочими звеньями в виде шестерен). По виду зацепления:

с внешним зацеплением

с внутренним зацеплением

Шиберные (лопастные) (с рабочими звеньями в виде шиберов, совершающих возвратно-поступательное или возвратно-поворотное движение, могут быть роторными или безроторными). По форме шиберов:

пластинчатые

фигурно-шиберные

Поршневые (с рабочими звеньями в виде поршней, могут быть роторными или безроторными). По углу между осями блока и поршня:

Аксиально-поршневые (оси поршней параллельны оси блока цилиндров или расположены к оси блока под углом не более 45°). По способу передачи движения:

с наклонным блоком (оси выходного звена и блока цилиндров пересекаются)

с наклонным отсеком (выходное звено и блок цилиндров расположены на одной оси, а поршни связаны с торцовой поверхностью диска, наклоненного к этой оси)

с профильным отсеком (выходное звено и блок цилиндров расположены на одной оси, а поршни связаны с диском, расположенным на одной оси и имеющим торцовую поверхность переменной кривизны)

Радиально-поршневые (оси поршней расположены под углом более 45° к оси блока цилиндров). По способу передачи движения:

Кривошипные (движение от поршней к выходному звену передается криво-шипно-шатунным механизмом)

Кулачковые (движение от поршней к выходному звену передается кулачковым механизмом). По расположению кулачка:

с внешним кулачком (кулачок расположен вокруг поршней)

с внутренним кулачком (поршни расположены вокруг кулачка)

По возможности регулирования:

Регулируемые (с изменяемым рабочим объемом, под рабочим объемом гидромотора понимается разность наибольшего и наименьшего значений объемов рабочих камер гидромотора за один оборот выходного звена)

Нерегулируемые (с постоянным рабочим объемом)

По возможности реверсирования:

Реверсивные (вал при работе может вращаться как в одном, так и в другом направлении)

Нереверсивные (вал при работе может вращаться в одном направлении)

По циклу работы:

Однократного действия (в каждой рабочей камере за один оборот выходного звена совершается один рабочий цикл)

Многократного действия (в каждой рабочей камере за один оборот выходного звена совершается два или более рабочих циклов, в зависимости от числа рабочих циклов за один оборот выходного звена допускаются термины «гидромотор двукратного действия», «гидромотор трехкратного действия» и т. д.)

По конструкции распределения:

С клапанным распределением (рабочие камеры соединяются с полостями входа и выхода рабочей среды через клапанное распределительное устройство)

С золотниковым распределением (рабочие камеры соединяются с полостями входа и выхода рабочей среды через золотниковое распределительное устройство)

С крановым распределением (рабочие камеры соединяются с полостями входа и выхода рабочей среды через крановое распределительное устройство)

 

 

История развития науки «Гидравлика и гидропривод»

Раздел механики, в котором изучают равновесие и движение жидкости, а также силовое взаимодействие жидкостью и обтекаемыми ею телами или ограничивающими её поверхностями, называется гидромеханикой.

Науку о законах равновесия и движения жидкостей и о способах приложения этих законов к решению практических задач называют гидравликой. В гидравлике рассматривают, главным образом, потоки жидкости, ограниченные и направленные твердыми стенками, т. е. течение в закрытых и открытых каналах.

Таким образом, можно сказать, что в гидравлике изучают в основном внутренние течения жидкостей и решают так называемую внутреннюю задачу в отличие от внешней, связанной с внешним обтеканием тел сплошной средой, которое имеет место при движении тела в жидкости или газе.

Историческое развитие механики жидкостей шло двумя различными путями:

-первый путь – теоретический, путь точного математического анализа, основанного на законах механики. Он привел к созданию теоретической гидромеханики, которая долгое время являлась самостоятельной дисциплиной, непосредственно не связанная с экспериментом. Однако на пути чистого теоретического исследования движения жидкости встречается множество трудностей, и методы теоретической гидромеханики не всегда дают ответы на вопросы, выдвигаемые практикой.

- второй путь – путь широкого применения эксперимента и накопления опытных данных для использования их в инженерной практике – привел к созданию гидравлики.

 

Виды жидкостей.

Жидкость – физическое тело, молекулы которого слабо связаны между содой. Поэтому незначительные силы способны легко изменить форму жидкости, которая способна сохранить объем, но не форму. В гидравлике жидкость рассматривают как непрерывную среду, заполняющую пространство без пустот и промежутков, т.е. отвлекаются от молекулярного строения жидкости и её частицы, даже бесконечно малые, считают состоящими из большого числа молекул.

Реальной жидкостью называют жидкость, обладающую вязкостью (свойство жидкости сопротивляться сдвигу ее слоев).

Идеальная или невязкая жидкость является упрощенной моделью реальной (вязкой) жидкости. По предположению, идеальная жидкость имеет все свойства реальной, кроме вязкости.

рис. 1.1 Профиль скоростей течения жидкости.