Обучения инженерно-технических специальностей

Кафедра энергосбережения, гидравлики и теплотехники

ГИДРАВЛИКА,

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ГИДРОПРИВОД

Программа, методические указания

И контрольные задания для студентов заочной формы

обучения инженерно-технических специальностей

Минск 2009

УДК 621.22-82(075.8)

ББК 30.123я7

С 74

Рассмотрены и рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом университета

Составители:

доцент А. С. Дмитриченко,

старший преподаватель Е. С. Санкович

Рецензенты:

кандидат технических наук, заведующий кафедрой лесных машин и технологий лесозаготовок БГТУ, доцент С. П. Мохов

Приведены программа и общие методические указания по освоению различных разделов изучаемого курса. Даны задачи контрольных заданий и приложения, содержащие справочные материалы, необходимые для решения задач студентами всех специальностей заочной формы обучения.

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

В первой части курса – гидравлика – изучаются законы равновесия и движения жидкости, а также способы применения этих законов для решения практических инженерных задач. Во второй и третьей частях – гидравлические машины и гидропривод – изучаются устройства, принцип действия, теория и элементы расчета различных типов насосов, которые широко используются в настоящее время, а также гидравлических приводов, в которых жидкость служит носителем механической энергии.

При изучении материала по учебнику студент должен обратить особое внимание на проработку основных положений темы (раздела), использовать для этой цели методические указания, основное предназначение которых – облегчить студенту работу с книгой. Курс целесообразно изучать последовательно по темам (разделам), при этом руководствоваться программой и методическими указаниями. Сначала следует изучить теоретическую часть, затем решить и проанализировать приведенные в учебнике и задачниках примеры и задачи с решениями.

Существенное значение имеет правильный выбор учебника. Не следует одновременно пользоваться несколькими учебниками. Один из учебников, который рекомендован в списке учебной литературы, должен быть принят в качестве основного. Другие учебники и учебные пособия используют в том случае, если проработанный раздел отсутствует или недостаточно подробно изложен в основном учебнике.

1. ГИДРАВЛИКА

1.1. Основные свойства жидкости

Определение жидкости. Силы, действующие на жидкость. Давление в жидкости. Сжимаемость. Закон Ньютона для жидкостного трения. Вязкость. Поверхностное натяжение. Давление насыщенного пара жидкости. Растворение газов в жидкости. Особенности жидкостей, применяемых в гидросистемах. Модель идеальной жидкости. Неньютоновские жидкости.

Методические указания.Объект изучения в гидравлике – жидкость – физическое тело, молекулы которого слабо связаны между собой. Поэтому при воздействии даже незначительной силы жидкость изменяет свою форму. Жидкость занимает промежуточное место между твердым телом и газом. Она способна сохранять свой объем и этим сходна с твердым телом, но не способна самостоятельно сохранять свою форму, что сближает ее с газом.

Свойство жидкости оказывать сопротивление сдвигу или скольжению соприкасающихся слоев называется вязкостью. Вязкость приводит к появлению сил внутреннего трения между смежными слоями жидкости, текущими с различными скоростями. Она характеризует степень текучести жидкости, подвижности ее частиц. Вода принадлежит к наименее вязким жидкостям. При увеличении температуры вязкость жидкости заметно уменьшается. Отметим также, что вязкость газов увеличивается с ростом температуры. Пока жидкость не движется, вязкость не проявляется, поэтому при решении задач равновесия жидкостей ее не надо принимать во внимание.

Для упрощения рассмотрения законов механики жидкостей Л. Эйлер ввел понятие идеальной жидкости, т. е. такой воображаемой жидкости, которая является абсолютно подвижной (невязкой). При движении идеальной жидкости в ней не возникают силы внутреннего трения.

1.2. Гидростатика

Свойства давления в неподвижной жидкости. Уравнения Эйлера равновесия жидкости. Интегрирование уравнений Эйлера. Поверхности равного давления. Свободная поверхность жидкости. Основное уравнение гидростатики. Закон Паскаля. Приборы для измерения давления. Силы давления жидкости на плоские икриволинейные стенки.

Методические указания.Гидростатика изучает законы равновесия жидкости. Она рассматривает распределение давления в покоящейся жидкости, численное определение, определение направления и точки приложения силы давления жидкости на плоские и криволинейные поверхности.

Как известно, единицей давления является Ньютон на квадратный метр – Паскаль. Для практических вычислений эта единица неудобна, поэтому чаще применяют кратные единицы – килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа): 1 кПа = 10³ Па; 1 МПа = 10⁶ Па.

Атмосферное давление в какой-либо точке зависит от высоты этой точки над уровнем моря и незначительно колеблется в одной и той же точке. Нормальное атмосферное давление на уровне моря при температуре 0°С принимают равным р_ат = 101,3 кПа.

Часто жидкость сверху соприкасается с газом. Поверхность раздела между жидкостью и газообразной средой называется свободной поверхностью жидкости.

Различают абсолютное давление p_абс, манометрическое (избыточное) – р_м и вакуум – р_в, между которыми существуют следующие зависимости:

p_м = p_абс – p_ат; p_в = p_ат – p_абс; p_в = – p_м, (1)

где р_ат – атмосферное давление, Па.

Жидкость давит на поверхность, с которой она соприкасается. При определении силы гидростатического давления, как правило, оперируют манометриче­ским давлением или вакуумом, так как атмосферное давление действует на расчетную поверхность, то она может располагаться выше или ниже свободной поверхности. В общем случае расстояние по вертикали до пьезометрической плоскости h определяется по формуле

h = p/(ρg), (2)

где р – манометрическое давление или вакуум в любой точке жидкости, Па; ρ – плотность жидкости, кг/м³; g – ускорение силы тяжести, м/с².

Расстояние h откладывается от той точки жидкости, давление в которой равно р, вверх, если оно манометрическое, и вниз – в случае вакуума.

Силу давления на плоскую поверхность можно определить аналитическим и графоаналитическим методами. При аналитическом методе силу давления P выражают формулой

P = p_cS, (3)

где р_с – гидростатическое давление в центре тяжести плоской фигуры, Па; S – площадь фигуры, смоченной жидкостью, м².

При графоаналитическом методе строят эпюры давления, выражающие закон распределения давления на контур тела, погруженного в жидкость. Сила давления равняется объему пространственной эпюры, а ее вектор проходит через центр тяжести этой эпюры. Равнодействующая сила давления жидкости на криволинейную поверхность обычно выражается тремя взаимно перпендикулярными составляющими: P_x, P_y, P_z. Горизонтальные составляющие P_x и P_y вычисляют как силы давления на плоскую поверхность, равную проекции данной криволинейной поверхности на соответствующую вертикальную плоскость. Для определения вертикальной составляющей P_z строят тела давления. При этом криволинейная поверхность проектируется вертикально на пьезометрическую плоскость. Телом давления называется тело, с одного конца ограниченное криволинейной поверхностью, с другого – пьезометрической плоскостью, а со сторон – вер­ти­кальной проектирующей поверхностью. Сила P_z равна весу жидкости, занимающей объем V тела давления:

Р_z = pgV. (4)

При определении сил давления жидкости на сложные поверхности часто бывает целесообразно сначала графически суммировать эпюры, а также тела давления, построенные для отдельных частей данной поверхности.

1.3. Кинематика и динамика жидкостей

Виды движения жидкости. Основные понятия кинематики жидкости: линия тока, трубка тока, струйка, живое сечение, расход. Поток жидкости. Средняя скорость. Уравнение расхода. Дифференциальные уравнения движения идеальной жидкости. Уравнение Д. Бер­нулли для установившегося движения идеальной жидкости. Геометрическое и энергетическое толкование уравнения Д. Бер­нулли. Уравнение Д. Бернулли для потока вязкой жидкости. Коэффициент Кориолиса. Общие сведения о гидравлических потерях. Виды гидравлических потерь.

Методические указания.Основным уравнением гидродинамики является уравнение Бернулли. Его составляют для двух живых сечений потока, и для установившегося движения реальной жидкости оно имеет следующий вид:

, (5)

где z – геометрический напор, или высота положения, – расстояние от произвольно выбранной горизонтальной плоскости сравнения до центра тяжести сечения (в энергетическом смысле – это удельная, т. е. отнесенная к единице веса жидкости, потенциальная энергия положения), м; р – давление в центре тяжести сечения, Па; p/ρg – пьезо­метрический напор – вертикальное расстояние между центром тяжести сечения и уровнем жидкости в пьезометре (удельная потенциальная энергия давления); υ – средняя скорость потока в сечении, м/с; α – коэффициент Кориолиса (отношение действительной кинетической энергии потока к условной кинетической энергии, вычисленной по средней скорости); αυ² / (2g) – скоростной напор (удельная кинетическая энергия); ∑ h – гидравлические потери напора (та часть удельной механической энергии, которую жидкость теряет на преодоление сопротивлений на участке потока между сечениями 1 и 2 (вследствие работы сил трения она превращается в тепловую энергию и рассеивается в пространстве). Гидравлические потери состоят из потерь на трение h_тр и местных потерь h_м, т. е. ∑­ h = h_тр + h_м.

Уравнение Бернулли является частным случаем закона сохранения энергии. Оно может быть выражено и в другом виде, где все члены представляют собой энергию, отнесенную к единице объема:

, (6)

где – потери давления.

Как видно, уравнение Бернулли выражает связь между тремя разными величинами потока: высотой положения z, давлением р и средней скоростью υ.

При решении задач вместе с уравнением Бернулли применяется и уравнение постоянства расхода, т. е. равенства расхода Q во всех сечениях установившегося потока:

. (7)

Из него следует, что средние скорости обратно пропорциональны площадям S живых сечений.

При использовании уравнения Бернулли целесообразно руководствоваться следующим:

1) оно применяется только для установившегося движения вязкой несжимаемой жидкости в том случае, когда из массовых сил на нее действует лишь сила тяжести;

2) два живых сечения, к которым применяется уравнение Бернулли, должны быть нормальными к векторам скоростей и располагаться на прямолинейных участках потока;

3) если поток неустановившийся или на участке между расчетными сечениями имеется источник или потребитель энергии, к приведенным уравнениям необходимо дописать дополнительные члены;

4) обычно расчетные сечения удобно выбирать там, где известно давление. Но в уравнение должна попасть и неизвестная величина, которую нужно определить. Нумерация выбранных сечений 1 и 2 производится по направлению потока. В противном же случае меняется знак гидравлических потерь ∑ h или Δp;

5) плоскость сравнения должна быть горизонтальной. По высоте ее можно подобрать произвольно, но очень часто удобно использовать плоскость, проходящую через центр тяжести нижнего расчетного сечения;

6) геометрический напор z выше плоскости сравнения считается положительным, а ниже – отрицательным;

7) когда площадь расчетного сечения сравнительно большая, скоростной напор αυ²/(2g) и член αυ²ρ/2 являются ничтожными по сравнению с другими членами и приравниваются нулю.

1.4. Режимы движения жидкости

и основы теории гидродинамического подобия

Ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости. Число Рейнольдса. Основы теории гидродинамического подобия. Критерии гидродинамического подобия. Моделирование гидродинамических явлений. Полное и частичное подобия.

1.5. Ламинарное движение жидкости

Распределение скоростей по сечению круглой трубы. Потери напора на трение по длине трубы (формула Пуазейля). Начальный участок потока. Ламинарное течение в плоских и кольцевых зазорах. Особые случаи ламинарного течения (переменная вязкость, облитерация).

Методические указания.Потери напора на трение по длине трубы при любом режиме движения жидкости определяют по формуле Дарси:

или , (8)

где λ – коэффициент гидравлического трения; l – длина расчетного участка трубы, м; d – диаметр трубы, м.

При ламинарном течении жидкости λ = 64/Re и первая формула (8) превращается в формулу Пуазейля:

, (9)

где – число Рейнольдса, где – кинематическая вязкость жидкости, м²/с.

Из формулы (9) следует, что при ламинарном течении жидкости гидравлические потери на трение прямо пропорциональны средней скорости потока. Кроме того, они зависят от физических свойств жидкости и геометрических параметров трубы, а шероховатость стенок трубы не имеет никакого влияния на потери на трение.

1.6. Турбулентное движение жидкости

Особенности турбулентного движения жидкости. Пульсации скоростей и давлений. Распределение осредненных скоростей по сечению. Касательные напряжения в турбулентном потоке. Потери напора в трубах. Формула Дарси, коэффициент потерь на трения по длине (коэффициент Дарси). Шероховатость стенок, абсолютная и относительная. Гидравлически гладкие и шероховатые трубы. Формулы для определения коэффициента Дарси и области их применения. Движение в некруглых трубах.

Методические указания.Потери напора на трение по длине трубы при турбулентном движении определяют также по формуле Дарси (8), но в этом случае коэффициент трения λ определяют по другим зависимостям, чем в ламинарном потоке. Таким образом, формула Дарси является универсальной – ее можно применять для любых жидкостей при любом режиме движения.

Имеется ряд формул для определения коэффициента λ в зависимости от режима течения жидкости и числа Рейнольдса, например:

1) ламинарное движение (I зона, ): ;

2) неопределенное движение (II зона, ). Трубопроводы с движением, соответствующим этой зоне, проектировать не рекомендуется;

3) турбулентное движение ( ):

а) зона гладких труб (III зона, ), формула Блазиуса:

; (10)

б) переходная зона (IV зона, ), формула Альтшу­­ля:

; (11)

в) зона шероховатых труб (V зона, ), формула Шифринсона:

. (12)

Зону V еще называют зоной квадратичного сопротивления, так как здесь гидравлические потери на трение пропорциональны квадрату скорости. Для турбулентного движения самой общей является формула IV зоны.

1.7. Местные гидравлические сопротивления

Основные виды местных сопротивлений. Коэффициент местных потерь. Местные потери напора при больших числах Рейнольдса. Внезапное расширение трубы (теорема Борда). Диффузоры. Сужение трубы. Колена. Местные потери напора при малых числах Рейнольдса.

Методические указания.Местные гидравлические потери определяют по формуле Вейсбаха:

h_м = ξυ²/(2g) или Δp_м = ξρυ²/2, (13)

где ξ – коэффициент местного сопротивления; υ – средняя скорость в сечении, как правило, за местным сопротивлением, м/с.

Коэффициент ξ при больших числах Рейнольдса зависит только от вида местного сопротивления. Однако при ламинарном течении он зависит не только от вида сопротивления, но и от числа Рейнольдса. Приведенные в приложении значения коэффициента ξ некоторых местных сопротивлений относятся к турбулентному течению с большими числами Рейнольдса. Для ламинарного движения коэффициент ξ должен быть пересчитан с учетом влияния числа Рейнольдса.

1.8. Истечение жидкости через отверстия и насадки

Истечение жидкости через отверстия в тонкой стенке при постоянном напоре. Коэффициенты сжатия, скорости, расхода. Истечение жидкости через цилиндрический насадок. Насадки различного типа. Истечение при переменном напоре (опорожнение резервуаров).

Методические указания.Расход жидкости при ее истечении через отверстие или насадок определяют по формуле

или , (14)

где S – площадь отверстия или сечения насадка, м²; μ – коэффициент расхода; H₀ – действующий напор, равный

, (15)

где Н – расстояние от центра тяжести площади отверстия или сечения насадка до поверхности жидкости в резервуаре, м; p₀ – давление на поверхности жидкости в резервуаре, Па; р – давление в среде, в которую происходит истечение жидкости, Па; υ₀ – скорость подъема жидкости в резервуаре, м/с; α₀υ / (2g) – величина малая, и ею можно пренебречь; Δp – потери давления при истечении через местное сопротивление (например, через дроссель, распределитель и другую гидравлическую аппаратуру).

При истечении жидкости через затопленное отверстие или насадок для определения расхода применяют приведенные формулы (14), но в этом случае напор H₀ берется как разность гидростатических напоров по обе стороны стенки.

Следовательно, расход в данном случае не зависит от высоты расположения отверстия или насадка.

В случае истечения жидкости через насадок образуется вакуум, который увеличивает его пропускную способность и является прямо про­порциональным напору H₀. Коэффициент расхода насадка зависит от его типа и числа Рейнольдса. По своему значению он превышает коэффициент расхода малого отверстия. Например, для внешнего цилиндрического насадка μ = 0,80, для коноидального насадка μ = 0,96÷0,99.

1.9. Гидравлический расчет трубопроводов

Основное расчетное уравнение простого трубопровода. Основные расчетные задачи. Понятие об определении экономически более выгодного диаметра трубопровода. Сифонный трубопровод. Последовательное и параллельное соединение трубопроводов. Сложные трубопроводы. Трубопровод с насосной подачей.

Методические указания.При расчете напорных трубопроводов применяются уравнения Бернулли, постоянства расхода и формулы (для определения гидравлических потерь). По отношению местных потерь и потерь на трение трубопроводы подразделяют на короткие и длинные. К коротким относятся всасывающие трубопроводы насосов, сифонные трубы, некоторые гидролинии гидроприводов и другие трубопроводы. При их расчете оценивают и определяют потери на трение и местные потери.

Расчет длинных трубопроводов ведется по упрощенному уравнению Бернулли. В данном случае скоростные напоры по срав­нению с другими членами уравнения малы и ими обычно пре­небрегают. Местные потери либо совсем не оценивают, либо без точного расчета принимают равными некоторой доле потерь по длине – обычно 10÷15%.

Расчет простых трубопроводов сводится к трем типовым задачам по определению напора, расхода, диаметра трубопровода. Задачи решают аналитическим и графоаналитическим способами. Задачи второго и третьего типов аналитическим способом решить непосредственно нельзя и приходится прибегать к методу подбора. Поэтому для таких случаев удобнее применять графоаналитический способ. При этом для задачи второго типа строится гидравлическая характеристика трубопровода, которая выражает связь между расходом и гидравлическими потерями, т. е. ∑ h = f(Q). Произвольно подбирают несколько значений расхода и определяют соответствующие им гидравлические потери. По данным расчета и строится кривая характеристики трубы. При ламинарном течении жидкости характеристика трубы имеет вид прямой линии, что облегчает ее построение.

При расчете сложных трубопроводов удобно пользоваться графоаналитическим способом, при этом графически суммировать гид­равлические характеристики отдельных труб.

И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ

2.1. Общие сведения о гидромашинах

Насосы и гидродвигатели. Классификация насосов. Принцип действия динамических и объемных машин. Основные параметры: подача (расход), напор, мощность, КПД.

Методические указания.Гидравлические машины служат для преобразования механической энергии в энергию перемещаемой жидкости (насосы) или для преобразования гидравлической энергии потока жидкости в механическую (гидравлические двигатели). Гидравлическим приводом называют гидравлическую систему, которая состоит из насоса и гидродвигателя с соответствующей регулирующей и распределительной аппаратурой и служит для передачи посредством рабочей жидкости энергии на расстояние. При помощи гидравлического привода можно преобразовывать механическую энергию в кинетическую на выходе системы с одновременным выполнением функций регулирования и реверсирования скорости выходного звена, а также преобразовывать один вид движения в другой.

Существуют две основные группы насосов: объемные (поршневые и роторные) и динамические (в том числе лопастные и вихревые). Напор, развиваемый объемными насосами, не зависит от подачи, а у лопастных напор и подача взаимосвязаны. Этим обусловливается различие возможных напоров, создаваемых обеими группами насосов, различие способов регулирования их подачи и пр.

В рабочем колесе лопастного насоса основная часть подводимой энергии передается жидкости путем динамического воздействия лопаток на поток. Рабочее колесо совершает работу, преодолевая при своем вращении момент этих сил. Для этого к колесу насоса подводится механическая энергия двигателя, которая насосом преобразуется в энергию движущейся жидкости. Характерным признаком объемного насоса является наличие одной или нескольких рабочих камер, объемы которых при работе насоса периодически изменяются. При увеличении объема камер они заполняются жидкостью, а при уменьшении их объема жидкость вытесняется в отводящую линию. Основные параметры насосов: подача, напор, мощность, КПД, частота вращения.

Подачей насоса называют количество жидкости (объем), подаваемое насосом за единицу времени, т. е. расход потока через насос. Напором Н насоса называют механическую энергию, сообщаемую насосом единице веса (1 Н) жидкости. Поэтому напор имеет линейную размерность. Напор насоса H, м ст., равен разности полного напора за насосом и напора перед ним:

, (16)

где p_н и p_в – абсолютные давления в местах установки манометра и вакуумметра, Па; ρ – плотность перемещаемой жидкости, кг/м³; g – ускорение силы тяжести, м/с²; υ_н и υ_в – средние скорости в нагнетательном и всасывающем трубопроводах, м/с; Δz – вертикальное расстояние между точками установки вакуумметра и манометра, м.

Ввиду того что вертикальное расстояние между точками установки приборов бывает обычно небольшое, а скоростные напоры υ² / (2g) на выходе и на входе в насос или одинаковые, или весьма близки, то напор насоса можно определить по упрощенной формуле

. (17)

Насос передает жидкости не всю механическую энергию, которая подводится к насосу. Отношение полезной мощности насоса к потребляемой им мощности двигателя называют КПД. Он равен произведению трех коэффициентов полезного действия: объемного, гидравлического и механического. Объемным КПД учитываются потери объема жидкости (утечки жидкости через уплотнения), гидравлическим КПД – уменьшение напора насоса, вызываемое гидравлическими сопротивлениями в самом насосе, механическим КПД – трение между элементами машины.

2.2. Основы теории лопастных насосов

Центробежные насосы. Схемы центробежных насосов. Уравнение Эйлера для насоса и турбины. Теоретический напор насоса. Влияние числа лопаток на теоретический напор. Полезный напор. Потери энергии в насосе. Коэффициенты полезного действия насоса. Характеристика центробежных насосов. Основы теории подобия насосов. Формулы подобия. Коэффициент быстроходности и типы лопастных насосов. Осевые насосы.

Методические указания.Движение частиц жидкости в рабочем колесе является сложным, поскольку вращается и само рабочее колесо и жидкость движется по его межлопастным каналам. Сумма этих двух движений дает абсолютное движение частиц жидкости по отношению к неподвижному корпусу насоса.

Основное уравнение лопастных насосов впервые было выведено Л. Эйлером. Оно связывает напор насоса со скоростями движения жидкости в характерных сечениях. Скорости движения жидкости зависят от подачи и частоты вращения рабочего колеса насоса, а также от геометрии элементов этого колеса (диаметра, ширины каналов, формы лопастей) и условий подвода. Следовательно, основное уравнение дает возможность по заданным напору, частоте вращения и подаче насоса определить выходные элементы рабочего колеса.

Условия протекания жидкости в рабочем колесе и спиральной камере насоса настолько сложны, что представление о характере взаимосвязи основных рабочих параметров центробежного насоса удается получить только экспериментальным путем, т. е. испытаниями насоса в лаборатории. Рабочая характеристика лопастных насосов строится в виде зависимости напора насоса, потребляемой им мощности и КПД от подачи насоса при постоянной частоте вращения рабочего колеса. С изменением частоты вращения рабочая характеристика насоса также изменяется.

2.3. Эксплуатационные расчеты лопастных насосов

Применение формул подобия для пересчета характеристик насосов. Насосная установка. Регулирование подачи. Последовательное и параллельное соединение насосов. Кавитация в лопастных насосах.

Методические указания.Элементарную гидросистему для перемещения жидкости насосом называют насосной установкой. Она, в основном, состоит из приемного резервуара, всасывающего трубопровода, насоса, нагнетательного трубопровода и напорного резервуара.

Необходимым («потребным») напором H_потр установки называют энергию, которую необходимо сообщить единице веса жидкости для ее перемещения из приемного резервуара в напорный по трубопроводу установки при заданном расходе:

, (18)

где h_н – геометрическая высота нагнетания, м; h_в – геометрическая высота всасывания, м; (p₂ – p₁) – разность давлений в напорном и приемном резервуарах, Па; ∑ h_п = h_п.в + h_п.н – сумма потерь напора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах, м; H_ст – статический напор установки, м.

При установившемся режиме работы устройства развиваемый насосом напор равен потребному напору установки:

. (19)

Следует отличать необходимый («потребный») напор насоса от напора насоса. Необходимый напор определяется самой насосной установкой (высотой подъема жидкости, давлениями в напорном и приемном резервуарах, гидравлическими потерями во всасывающем и нагнетательном трубопроводах). Напор насоса чаще всего определяется прочностью его корпуса, частотой вращения.

Режим работы насоса (подбор насоса) определяют совмещением на одном и том же графике в одинаковых масштабах рабочей характеристики насоса с характеристикой насосной установки. Последняя представляет собой параболу (при турбулентном режиме течения), смещенную вдоль оси напоров на числовое значение H_ст. Насос в этой установке работает в таком режиме, при котором необходимый напор равен напору насоса. Точку пересечения указанных двух характеристик называют рабочей точкой. Если рабочая точка отвечает оптимальному режиму работы насоса, то насос считается подобранным правильно. Однако требуемую подачу насоса можно изменять. Для этого необходимо изменить либо характеристику насоса (путем изменения частоты вращения насоса), либо характеристику насосной установки (дросселированием). Наиболее экономичный метод регулирования подачи и напора – изменение частоты вращения. Он, в основном, осуществляется применением электродвигателей постоянного тока или специальных передач.

Из-за чрезмерного падения давления на всасывающей стороне насоса может возникнуть кавитация (пустотообразование), вследствие которой резко падает КПД насоса, снижается его подача и напор. Кроме того, появляется сильная вибрация и толчки, сопровождаемые характерным шумом. Для избежания кавитации насос необходимо установить таким образом, чтобы давление жидкости в нем было больше давления насыщенного пара жидкости при данной температуре. Это обеспечивается ограничением высоты всасывания насоса. Допустимую высоту всасывания определяют следующим соотношением:

, (20)

где p_п – давление насыщенного пара, Па; h_п.в – потеря напора во всасывающем трубопроводе при полной подаче, м; σ – коэффициент кавитации; Н – полный напор насоса, м.

Коэффициент кавитации часто определяют по формуле С. С. Руд­нева, предложенной на основании обобщения опытных данных:

, (21)

где Н – полный напор насоса, м; n – частота вращения рабочего колеса, мин^–1; Q – подача насоса, м³/с; С – коэффициент, характеризующий конструкцию насоса.

Допустимая высота всасывания в насосах чаще всего определяется по допустимой вакуумметрической высоте всасывания, которая обозначается на характеристиках всех типов насосов как функция расхода. Необходимо помнить, что при изменении частоты вращения изменяется и допустимая вакуумметрическая высота всасывания.

3. ОБЪЕМНЫЕ НАСОСЫ И ГИДРОПРИВОДЫ

3.1. Объемные насосы. Общие положения

Объемные насосы, принцип действия, общие свойства и классификация, применение в гидроприводах.

Методические указания.В объемном насосе подвижные рабочие органы – вытеснители (поршень, плунжер, пластина, зуб шестерни, винтовая поверхность) замыкают определенную порцию жидкости в рабочей камере и вытесняют ее сначала в камеру нагнетания, а затем – в напорный трубопровод. В объемном насосе вытеснители сообщают жидкости главным образом потенциальную энергию давления. Объемные насосы разделяют на две группы: поршневые (клапанные) и роторные (бесклапанные). Такое разграничение произведено по признакам (свойствам) обратимости (первые – необратимые, вторые – обратимые), быстроходности (первые – тихоходные, низкооборотные, вторые – высокооборотные), равномерности подачи (первые отличаются большой неравномерностью, вторые обеспечивают более равномерную подачу) и характеру перекачиваемых жидкостей (первые способны перекачивать любые жидкости, вторые – лишь неагрессивные, чистые отфильтрованные и смазывающие жидкости).

Подача объемного насоса пропорциональна его размерам и скорости движения вытеснителей жидкости. Напор объемных насосов почти не связан ни с подачей, ни со скоростью движения вытеснителей жидкости. Необходимое давление в системе определяется полезной внешней нагрузкой (усилием, прилагаемым к вытеснителю) и гидравлическим сопротивлением системы. Наибольшее возможное давление, развиваемое насосом, ограничивается мощностью двигателя и механической прочностью корпуса и деталей насоса. Чем больше напор объемных насосов, тем больше утечка жидкости через уплотнения, тем ниже объемный КПД. Напор, при котором объемный КПД снижается до экономически допустимого предела, может считаться максимально допустимым.

3.2. Поршневые и плунжерные насосы

Устройство, области применения поршневых и плунжерных насосов. Индикаторная диаграмма. КПД поршневых насосов. Графики подачи и способы ее выравнивания. Диафрагменные насосы.

Методические указания.Возвратно-поступательное движение поршня осуществляется при помощи кривошипно-шатунного механизма. Скорость поршня и подача насоса при этом получаются неравномерными: ход нагнетания чередуется с ходом всасывания, причем скорость поршня по длине его пути непрерывно меняется. Работу поршневого насоса можно весьма наглядно проследить по индикаторной диаграмме, т. е. по графическому изображению изменения давления в цилиндре насоса перед поршнем. Из этой диаграммы можно выяснить влияние воздушных колпаков на процессы всасывания и нагнетания, а также зависимость мгновенного максимума давления и минимума давления, обусловливающих в первом случае прочность насоса, во втором – возможность появления кавитации, от числа ходов в минуту. По индикаторной диаграмме можно судить об исправной работе всасывающего и нагнетательного клапанов насоса и выявить различные неисправности его работы.

3.3. Роторные насосы

Классификация роторных насосов, общие свойства и области применения. Устройство и особенности роторных насосов различных типов: роторно-поршневых, пластинчатых (шиберных), винтовых, шестеренных. Определение рабочих объемов. Подача и ее равномерность. Характеристики насосов. Регулирование подачи. Работа насоса на трубопровод.

Методические указания.Более равномерную подачу жидкости (в отличие от одноцилиндровых поршневых насосов) можно получить применением многоцилиндровых роторно-поршневых машин, объединенных в общий блок. Вытеснение жидкости в таких насосах производится последовательно каждым поршнем. Цилиндры этих насосов могут быть расположены радиально и аксиально по отношению к оси блока. Они существенно отличаются от поршневых насосов (бесклапанность, обратимость, высокооборотность, большая равномерность подачи, возможность ее регулирования). Все это обусловило широкое применение роторно-поршневых насосов в объемных гидроприводах.

3.4. Объемный гидропривод. Основные понятия

Принцип действия объемного гидропривода. Основные понятия. Классификация объемных гидроприводов по характеру движения выходного звена и другим признакам. Элементы гидропривода (гидродвигатели и гидроаппаратура, фильтры, гидроаккумуляторы, гидролинии). Рабочие жидкости, применяемые в гидроприводах.

Методические указания.Гидравлический привод состоит из источника энергии рабочей жидкости (насоса), получающего механическую энергию от ведущего звена (например, от электродвигателя), и потребителя энергии жидкости (гидродвигателя), передающего механическую энергию исполнительному органу. Насос и гидродвигатель соединяют два основных трубопровода, по одному из которых рабочая жидкость перемещается от насоса к двигателю, а по другому возвращается из гидродвигателя к насосу. На обоих трубопроводах монтируются управляющие и регулирующие гидроаппараты определенного назначения.

Объемные гидроприводы обладают высоким быстродействием, незначительными размерами и небольшой массой. Высокий модуль упругости рабочей жидкости и герметичность гидроаппаратов обеспечивают механическую жесткость связи между ведущим и ведомым звеньями. Исключение поломок в машинах и механизмах с объемным гидроприводом обеспечивается предохранительными клапанами.

3.5. Гидродвигатели

Силовые гидроцилиндры, их назначение и устройство. Расчет гидроцилиндров. Поворотные гидродвигатели. Роторные гидродвигатели – гидромоторы. Обратимость роторных насосов и гидромоторов. Гидромоторы роторно-поршневых, пластинчатых, шестереночных и винтовых типов. Расчет крутящего момента и мощности на валу гидромотора. Регулирование рабочего момента. Высокомоментные гидромоторы.

Методические указания.Под объемным гидродвигателем понимают гидромашину, предназначенную для преобразования энергии потока масла в энергию движения выходного звена гидропривода. Рабочий процесс этой гидромашины основан на попеременном заполнении рабочей камеры маслом и вытеснении его из рабочей камеры.

Гидродвигатели, как и насосы, в зависимости оттого, какую энергию потока жидкости (потенциальную или кинетическую) они преобразуют в механическую работу выходного звена, подразделяют на объемные и лопастные (динамические). Объемные гидродвигатели разделяют на гидродвигатели с ограниченным ходом (двигающиеся возвратно-поступательным или возвратно-поворотным движением) и с неограниченным ходом (вращающиеся). Первые называют гидроцилиндрами, а вторые – гидромоторами.

Гидроцилиндры по направлению действия рабочей среды подразделяют на цилиндры одностороннего и двухстороннего действия, а по конструкции рабочей камеры – на поршневые (с односторонним или двухсторонним штоком) и плунжерные.

Основными параметрами гидроцилиндров являются: диаметры цилиндра и штока, рабочие площади поршня в поршневой и штоковой камерах, ход поршня, развиваемое цилиндром усилие при движении поршня в каком-либо направлении, скорость движения поршня в одном или в другом направлении, количество рабочей жидкости, поступающей или сливающейся из цилиндра, давление масла в поршневой или штоковой камерах цилиндра. Основные параметры цилиндров регламентируются государственными стандартами.

В процессе работы оборудования цилиндр должен преодолеть внешние нагрузки, силы трения и веса, а в динамических режимах – инерционные нагрузки.

При определении скорости движения поршня или развиваемого цилиндром усилия следует учитывать КПД гидроцилиндра (объемный или механический).

Заметного различия в конструкциях объемного насоса и гидромотора нет, иногда они могут быть совершенно одинаковыми. Роторный насос (например, шестеренный) без каких-либо переделок может работать в качестве гидромотора.

Основными параметрами гидромоторов являются: рабочий объем, количество масла, потребляемое гидромотором (расход), крутящий момент и частота вращения гидромотора, перепад давления в камерах гидромотора, мощность на валу. В связи с утечками и механическим трением в гидромоторе фактические значения расхода масла, крутящего момента и эффективной мощности несколько отличаются от их теоретических значений. Различия фактических значений параметров от теоретических учитываются объемным и механическим КПД гидромотора.

3.6. Гидроаппаратура и элементы гидропривода

Классификация гидроаппаратов. Распределительные устройства. Назначение, принцип действия и основные типы. Клапаны. Принцип действия, устройство и характеристики. Дроссельные устройства. Назначение, принцип действия и характеристики. Фильтры. Гидроаккумуляторы. Гидролинии. Обозначение гидроаппаратов и элементов гидропривода по ЕСКД.

Методические указания.Распределительные устройства предназначены для изменения направления или пуска и остановки потока рабочей жидкости в двух или более гидролиниях в зависимости от наличия внешнего сигнала управления. При помощи распределителей возможно реверсирование движения рабочих органов в станках и машинах, останов рабочего органа, а также выполнение других операций. Наиболее широкое применение в объемных гидроприводах получили золотниковые распределители. Они имеют запорно-регулиру­ющий элемент в виде золотника, который совершает осевое передвижение из одного рабочего положения в другое.

Виды исполнений распределителей классифицируют по конструкции, типу управления, диаметру условного прохода, присоединению, числу рабочих позиций, номинальному давлению и пр.

При проектировании простых объемных гидроприводов часто выполняют не слишком сложные гидравлические расчеты, как, например, подбор диаметра гидролинии любого назначения и определение гидравлических потерь, подбор определенных гидравлических аппаратов и определение их рабочих характеристик, определение основных характеристик гидропривода и другие расчеты.

Давление в любом сечении гидролиний гидропривода может быть определено по упрощенному уравнению Бернулли

, (22)

где p₁, p₂ – давления в сечениях, Па; Δp – общие потери давления, Па; Δp_тр – потери давления на трение по длине, Па; Δp_м – потери давления на местных сопротивлениях, Па.

При гидравлическом расчете трубопроводов гидропривода учитываются как потери трения по длине, так и местные потери. Основные местные потери наблюдаются при протекании рабочей жидкости через гидравлические аппараты, например, распределители, фильтры, клапаны, дроссели и др.

Методика расчета потерь давления на трение по длине и на местных сопротивлениях была изложена ранее. Потери давления в гидравлических аппаратах чаще всего оценивают по расходу, проходящему через аппараты. Потери давления в аппарате определяют экспериментальным путем по номинальному расходу Q_ном. Когда через аппарат протекает расход Q, отличающийся от Q_ном, потери давления определяют по формуле

, (23)

где Δp_ном – потери давления в аппарате при протекании через него номинального расхода Q_ном.

Гидравлические аппараты между собой обычно соединяют жесткими и гибкими трубопроводами. В гидроприводах широко применяют стальные бесшовные холоднодеформированные трубы, медные трубы и рукава высокого давления.

При выборе внутреннего диаметра трубопровода для той или иной линии гидросистемы необходимо учитывать рекомендации по выбору скорости потоков рабочей жидкости в напорных трубопроводах в зависимости от номинального давления: при давлении до 2,5 МПа – не более 2,0 м/с; при давлении до 6,3 МПа – 3,2; при давлении до 16 МПа – 4,0; при давлении до 32 МПа – 5,0 м/с. Для сливных линий обычно принимают = 2 м/с, а для всасывающих – 1,6 м/с.

Определенный по рекомендуемым скоростям диаметр гидролинии округляется до стандартного наружного диаметра. В общем случае скорость течения рабочей жидкости и диаметры гидролиний выбирают такими, чтобы потери давления на трение по длине Δp_тр не превышали 5–6% от рабочего давления р_н насоса, т. е.

(0,05÷0,06)p_н. (24)

Общие потери давления в местных сопротивлениях и на трение по длине обычно не превышают 10% от рабочего давления насоса, т. е. Δp ≈ 0,1 ∙ р_н.

Контрольные задания принимаются из табл. 1 в зависимости от специальности.

Номера контрольных задач принимаются согласно последней цифре шифра зачетной книжки, а числовые значения указанных в задаче величин – по предпоследней цифре шифра зачетной книжки.

При выполнении контрольной работы необходимо полностью переписать условие задачи, начертить рисунок, привести численные значения заданных величин. Условия задач и их решения должны иллюстрироваться расчетными схемами, эскизами, графиками. Чертежи, схемы, графики должны выполняться четко, аккуратно простым карандашом в тетради или на специальных вклейках на миллиметровой бумаге. Ход решения задач должен сопровождаться пояснениями и соответствующими ссылками на источники, из которых принимались расчетные зависимости и справочные величины.

Расчетные формулы и уравнения записываются в общем виде, затем расшифровываются символы, входящие в эти формулы, далее приводятся числовые значения всех величин в том порядке, в каком они располагаются в формуле. После подстановки численных значений и определения искомой величины указывается ее размер­ность. В конце контрольного задания указываются учебники, учебные и справочные пособия, которые использовались при выполнении контрольного задания.

Выполненные контрольные задания высылаются в университет для проверки в сроки, предусмотренные учебным планом-графиком. Если все задачи контрольной работы решены правильно, то ее засчитывают и возвращают студенту (работа может быть оставлена у преподавателя и возвращена студенту в период сессии для подготовки ее защиты). Если студентом допущены грубые и существенные ошибки, то работа возвращается ему для исправления. Исправленную контрольную работу студент повторно высылает в университет, обязательно прилагая первый вариант своего решения с замечаниями преподавателя.

Таблица 1