Гидравлика. Эксплуатация наземного транспорта и транспортного оборудования Омск Издательство Сибади 2006
 Скачать 2.13 Mb.
|
|
НС. Галдин ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ И ГИДРОПРИВОДА Учебное пособие Федеральное агентство по образованию Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) НС. Галдин ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ И ГИДРОПРИВОДА Учебное пособие Допущено УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по специальности «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование направления подготовки специалистов Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы и специальностям направления подготовки специалистов Эксплуатация наземного транспорта и транспортного оборудования Омск Издательство СибАДИ 2006 УДК 532.536+625.76:626.226 ББК 39.91 – 948.5 Г 15 Рецензенты др техн. наук, проф. В.Г.Хомченко, канд. техн. наук, доц. Н.Г.Скабкин кафедра Автоматизация и робототехника ОмГТУ); др техн. наук, проф. В.И.Трушляков (ОмГТУ), др техн. наук, проф.В.С.Щербаков (СибАДИ) Работа одобрена редакционно-издательским советом академии в качестве учебного пособия для специальностей 190205 (170900) «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование, 190603 (230100.03) Сервис транспортных и технологических машин (строительные, дорожные и коммунальные машины, 190601 (150200) Автомобили и автомобильное хозяйство и других. Галдин НС Основы гидравлики и гидропривода Учебное пособие. – Омск Изд-во СибАДИ, 2006. – 145 с. В учебном пособии изложены основные принципы и общие положения гидравлики, гидропривода, знание которых необходимо студенту для успешного освоения курса гидравлических машин и гидроприводов. Учебное пособие написано в соответствии с рабочими программами дисциплин Гидравлика и гидропневмопривод», Основы гидравлики и гидропривода, утвержденными для студентов механических специальностей вузов и содержит основные разделы этих программ. Учебное пособие будет также полезно аспирантами инженерно- техническим работникам, занимающимся проектированием объемного гидропривода мобильных машин. Табл. 3 . Ил. 62. Библиогр.:20 назв. ISBN 5-93204-305-9 © Н.С.Галдин, 2006 Список основных принятых сокращений d – внутренний диаметр трубопровода Е – объемный модуль упругости F – сила давления G – сила тяжести g – ускорение свободного падения H – напор h – глубина расположения точки или сечения пот h – потери напора l h – путевые потери напора м – местные потери напора l – длина трубопровода m – масса p – давление Q – объемный расход жидкости е – число Рейнольдса; S – площадь T – сила внутреннего трения V – объем v – скорость движения жидкости z – геометрическая высота α – коэффициент кинетической энергии (коэффициент Кориоли- са); γ – объемный вес p ∆ – потери давления λ – коэффициент путевых потерь (Дарси); µ – динамический коэффициент вязкости ν – кинематический коэффициент вязкости ρ – плотность τ – касательные напряжения. ВВЕДЕНИЕ Гидравлика (техническая механика жидкости) является одной из технических наук, составляющих фундамент инженерных знаний. Практическое значение гидравлики возрастает в связи с потребностями современной техники в создании высокопроизводительных средств механизации и автоматизации на основе гидропривода, в решении вопросов проектирования разнообразных гидротехнических сооружений и т.д. /1, 3 – 11, 13 – 15, 18, 20/. Законы движения жидкости и вопросы использования ее энергии занимали человечество с древнейших времен. Подлинным основателем гидростатики считается греческий ученый Архимед, живший во II в. до н.э. Замечательным трудом является его трактат О плавающих телах, в котором излагалась теория плавания тел. Примерно с этого же времени началось использование энергии движущейся жидкости в практических целях. Архимед изобрел водоподъемный механизм (архимедов винт, являющийся прообразом корабельных и воздушных винтов. Вначале в до. н.э. Герон Александрийский изобрел водяные часы, пожарный насос и др. В дальнейшем теоретические работы по гидравлике велись вплоть до XV в. разрозненно, без связи между собой. В XVI – XVII вв. в гидростатике был достигнут значительный прогресс, что было вызвано техническими запросами (строительством каналов, плотин, других гидротехнических сооружений, дальними океанскими плаваниями и т.д.). С.Стевин (1548 – 1620) в 1586 г. произвел расчет давления жидкости на дно и боковые стенки сосудов. В особую заслугу С.Стевину надо поставить открытие и разъяснение гидростатического парадокса. В 1612 г. Г.Галилей (1564 – 1642) сформулировал условия равновесия жидкости и теоретически подтвердил справедливость закона Архимеда о плавании тел в своей работе Рассуждение о телах, пребывающих вводе. Вместе с Г.Галилеем основоположником классической гидростатики считается Б.Паскаль (1623 – 1662). Он первый оперирует представлением о передаче давления через жидкость и формулирует таким образом принцип гидравлического пресса, который служит основой конструирования многих гидравлических машин. Б.Паскаль переоткрыл явления гидростатического парадокса. И.Ньютон (1642 – 1727) высказал основные положения о внутреннем трении в жидкости. Гидравлика как самостоятельная наука, возникла лишь в XVIII в. Ее основоположниками были академики Российской Академии наук М.В.Ломоносов (1711 – 1765 ), Л.Эйлер (1707 – 1783) и Д.Бернулли (1700 – 1782). М.В.Ломоносов впервые сформулировал закон сохранения вещества и энергии, а также выполнил ряд работ по прикладным вопросам механики жидкости. Л.Эйлер – основоположник классической гидромеханики, а Д.Бернулли – основоположник инженерной гидравлики. С конца XVIII в. многие ученые и инженеры (А.Шези, А.Дарси, А.Базен, В.Вейсбах и др) опытным путем изучали движение воды в различных частных случаях, в результате чего гидравлика обогатилась значительным числом эмпирических формул. В XIX и начале XX в. гидравлика как самостоятельная наука быстро продвинулась вперед. В это время Н.П.Петров (1836 – 1920) опубликовал свои работы по гидродинамической теории смазки, являющейся одним из разделов гидродинамики. В развитии учения о движении жидкости (газов) велика роль Д.И.Менделеева (1834 – 1907), он впервые предсказал существование двух режимов течения жидкости, которые позднее были экспериментально подтверждены английским физиком О.Рейнольдсом (1842 – 1912). Н.Е.Жуковским (1847 – 1921) были выполнены исследования по гидравлическому удару в водопроводных трубах, а также ряд других исследований в области водоснабжения и гидротехники. В XX в. быстрый рост гидротехники, теплоэнергетики, гидрома- шиностроения, а также авиационной техники привели к интенсивному развитию гидравлики, которое характеризуется синтезом теоретических и экспериментальных методов. Большой вклад в развитие современной гидравлики внесли советские ученые Н.Н.Павловский (теория равномерного и неравномерного движения жидкости, А.Н.Колмогоров (теория турбулентности, С.А.Христианович (теория неустановившегося движения жидкости) и другие. Отечественная наука в области объемного и гидродинамического привода всегда занимала ив настоящее время занимает ведущую роль. В данном учебном пособии излагаются основные принципы и общие положения гидравлики, необходимые для понимания принципа действия, процессов, протекающих в гидромашинах и гидроприводе мобильных машин. 6 1. ЖИДКОСТЬ И ЕЕ ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА 1.1. Общие сведения о жидкости Жидкость – физическое тело, обладающее свойством текучести и почти полным отсутствием сопротивления разрыва. Текучесть жидкости – это отсутствие собственной формы, те. способность жидкости принимать форму сосуда, в который она помещена. Жидкости в гидромеханике делят на два вида капельные и газообразные. К капельным жидкостям относятся вода, нефть, бензин, ртуть, спирт, масло и др. Эти жидкости в малых объемах принимают форму капли, а в больших для них характерно наличие поверхности раздела с газом – свободной поверхности. Капельные жидкости характеризуются – большим сопротивлением сжатию (практически несжимаемы); – малым сопротивлением растягивающими касательным усилиям незначительные силы сцепления и трения между частицами жидкости незначительной температурной расширяемостью – наличием свободной поверхности – поверхности раздела между газообразной средой и жидкостью. Газообразные жидкости – это легко сжимаемые газы (воздух, азот, кислород и др. В дальнейшем под термином жидкость будем понимать только капельную жидкость. Существуют два понятия реальная жидкость и идеальная жидкость. Реальная жидкость – это жидкость, существующая в природе. Идеальная жидкость – это несжимающаяся, нерасширяющаяся, обладающая абсолютной подвижностью частиц, отсутствием сил внутреннего трения. Это понятие введено для облегчения решения задач гидромеханики. Основные физические свойства жидкостей, единицы измерения 1.2.1. Единицы измерения Используются различные системы измерения физических величин СИ (международная, СГС (физическая) и МКГСС (техническая. В табл. 1.1 приведены основные величины и их единицы измерения. Таблица 1.1 Наименование величины СИ СГС МКГСС Длинам см м Масса кг г кгс см Время с с с Плотность кг/м 3 г/см 3 кгс см Сила Н (ньютон) дин (дина) кгс Удельный вес Нм дин/см 3 кгс/м 3 Работа, энергия Дж (джоуль) эрг кгс м Мощность Вт (ватт) эрг/с кгс ⋅м/с Давление Па = Н/м 2 (паскаль) дин/см 2 кгс/м 2 Динамический коэффициент вязкости Н ⋅с/м 2 П=дин ⋅с/см 2 (пуаз) кгс ⋅с/м 2 Кинематический коэффициент вязкости мс Ст=см 2 /с (стокс) мс Это не все физические величины, небольшая часть, которая понадобится при изучении курса гидравлики. Кроме рассмотренных систем единиц в современной литературе широко используются внесистемные единицы. Рассмотрим, в частности, единицы, характеризующие давление 1 бар = 10 5 Па 1 мм.рт.ст. = 133,3224 Па 1 мм. вод. ст. = 9,80665 Па = 10 Па (для учебных целей 1 ат = 1 кгс/см 2 (техническая атмосфера) = 9,80665 10 4 Па 1 атм – (физическая атмосфера) = 760 мм.рт.ст. = 1,033 кгс/см 2 = =1,01325 бар. Будем пользоваться системой единиц СИ. Паскаль (Па) – очень малая величина и пользуются мегапаскалем (МПа. 8 1 МПа = 10 6 Па 10 ат = 1 МПа. Ознакомившись с системами единиц, перейдем к рассмотрению основных физических свойств жидкости. 1.2.2. Плотность и удельный вес Основными физическими свойствами жидкостей являются плотность, удельный вес, сжимаемость, вязкость. А для жидкостей, применяемых в гидроприводах, еще и смазывающая способность, физическая, механическая, химическая стабильность. Распределение жидкости по объему характеризуется плотностью и удельным весом. Плотность жидкости ρ – это отношение массы однородной жидкости к ее объему V m = ρ , (1.1) где m – масса жидкости V – объем жидкости. Понятие относительной плотности широко используется в гидравлике. Относительной плотностью жидкости 0 ρ называется отношение плотности жидкости к плотности воды В взятой при t = 3,98 С, те. В. (1.2) Относительная плотность – величина безразмерная. Удельный вес жидкости γ – это отношение веса жидкости G к ее объему V G = γ . (1.3) Между удельным весом и плотностью существует следующая связь т.к. согласно закону Ньютона масса и вес связаны соотношением, где g – ускорение свободного падения, то g V mg V G ρ = = = γ . (1.4) Относительный удельный вес жидкости 0 γ при определенной температуре этой жидкости можно найти из равенства В, (1.5) где t γ – удельный вес жидкости, взятый при определенной температуре В – удельный вес воды, взятый при t = 3,98 С. Плотность, также как и удельный вес, зависит от давления и температуры. Плотность и удельный вес жидкостей уменьшаются с повышением температуры и уменьшением давления. Вода в диапазоне от 0 до 3,98 С представляет исключение при t = Свода характеризуется наибольшими значениями ρ и γ Следующее свойство удельный объем. Удельный объем – это величина, обратная плотности m V 1 v = ρ = . (1.6) Отсюда можем записать, что v ρ = Мы рассмотрели общие свойства жидкости. 1.2.3. Сжимаемость жидкости Сжимаемость жидкости – это свойство жидкости изменять свой объем (плотность) при изменении давления и температуры. Величина сжатия, зависящая от давления, характеризуется коэффициентом объемного сжатия V β ( p β ). Коэффициент объемного сжатия показывает относительное изменение объема жидкости, приходящееся на единицу изменения давления) где 0 V – начальный объем жидкости (при начальном давлении 0 p ); 0 V V V p − = ∆ – изменение объема жидкости при изменении давления на величину 0 p p p − = ∆ Знак «–» в формуле обусловлен тем, что положительному приращению давления соответствует отрицательное приращение (уменьшение) объема. Единицы измерения V β : СИ – м 2 /Н, СГС – см 2 /дин, МКГСС – м 2 /кгс. Например, для минеральных масел, применяемых в гидроприводах, значения V β (при t = 20 °C) равны V β = 60,4 ⋅ 10 -11 м 2 /Н при 7 МПа, V β = 44 ⋅10 -11 м 2 /Н при 70 МПа. Величина V β весьма мала. В практических задачах изменением объема (плотности) при изменении давления пренебрегают. Однако обязательно учитывают при гидро- ударе, колебаниях жидкости. Следующим параметром, характеризующим сжимаемость, является объемный модуль упругости. Объемный модуль упругости Е – это величина обратная коэффициенту объемного сжатия жидкости Е. (1.8) Единицы измерения Ев системе СИ – Нм, СГС – дин/см 2 , МКГСС – кгс/м 2 Значения V β и Е зависят от давления и температуры, те = f (p, t) , Е. Обычно с ростом давления значение Е увеличивается, ас ростом температуры значение Е уменьшается. Различают адиабатический и изотермический модули объемной упругости жидкости. Адиабатический модуль упругости по величине больше изотермического и применяется при исследовании быстропротекающих (динамических) процессов, те. когда отсутствует теплообмен из-за инерционности тепловых свойств жидкости. Изотермический модуль упругости является статическим показателем и используется при изучении статических и динамических низкочастотных процессов, когда температура жидкости очень медленно изменяется при медленном сжатии жидкости или остается постоянной из ад Е 5 , 1 Е ≅ Модуль упругости минеральных масел, применяемых в гидроприводах, находится в пределах 1350…1750 МПа, а воды ∼ 2000 МПа. Следующий коэффициент, который рассмотрим, называется коэффициентом температурного расширения. Коэффициент температурного расширения показывает относительное изменение объема жидкости, приходящееся на единицу изменения температуры t 1 V V 0 t ∆ ⋅ ∆ = β , (1.9) где 0 V V V t − = ∆ – изменение объема жидкости, вызванное изменением температуры на величину 0 t Объем жидкости при нагревании до температуры t вычисляется по формуле ( ) ( ) [ ] 0 0 0 t t 1 V t 1 V V t t t − β + = ∆ β + = . (1.10) Это следует учитывать при расчете емкостей. Для минеральных масел, применяемых в гидроприводах, t β ≈ ≈0,00006…0,00085 1/ С. Коэффициенты температурного расширения для жидкостей значительно выше их коэффициентов объемного сжатия, тем не менее, они также очень малы. Поэтому на практике для большинства инженерных расчетов их не учитывают. Следующее важное свойство жидкости, которое рассмотрим, называется вязкостью. 1.2.4. Вязкость жидкости Вязкость – это свойство реальной жидкости оказывать сопротивление относительному перемещению (сдвигу) отдельных частиц или слоев жидкости при приложении внешних сил. Вязкость проявляется лишь при течении жидкости. Рассмотрим поток жидкости (рис. 1.1), условно состоящий как бы из отдельных слоев. Обозначим оси в прямоугольной системе координат. По оси абсцисс отложим скорость частиц жидкости в слое V, а по оси ординат – расстояние между слоями y. Если ось V находится на дне водоема, то скорость в точке О равна нулю. Слои жидкости движутся с различной скоростью. Скорости слоев изменяются по параболической кривой. Рис. 1.1. Течение вязкой жидкости вдоль твердой стенки При течении вязкой жидкости происходит проскальзывание между слоями жидкости, которое сопровождается возникновением касательных напряжений (напряжений трения. Удельная сила трения – это сила внутреннего трения между слоями жидкости, приходящаяся на единицу поверхности. Согласно гипотезе, высказанной И. Ньютоном в 1686 году и экспериментально обоснованной проф. Н.П.Петровым в 1883 году, удельная сила трения (касательные напряжения в жидкости τ ) прямо пропорциональна поперечному градиенту скорости и зависит от рода жидкости. Таким образом, τ определяется по формуле (закон вязкого трения Ньютона) y V ∆ ∆ µ = τ , (1.11) где µ – динамический коэффициент вязкости y / V ∆ ∆ – поперечный градиент скорости. Градиент скорости характеризует изменение скорости, приходящееся на единицу длины между слоями в направлении оси y. Градиент скорости показывает интенсивность сдвига слоев жидкости в данной точке. Сила трения между слоями жидкости определяется по формуле y V S S T ∆ ∆ µ = τ = , (1.12) где S – площадь соприкасающихся слов. Единицы измерения µ : СИ – Н ⋅с/м 2 , СГС – П = дин ⋅с/см 2 , МКГСС – кг ⋅с/м 2 На практике наиболее часто пользуются не динамическим коэффициентом вязкости, а его отношением к плотности жидкости, называемым кинематическим коэффициентом вязкости. Кинематический коэффициент вязкости ν – это отношение динамического коэффициента вязкости к плотности жидкости ρ µ = ν . (1.13) Единицы измерения кинематического коэффициента вязкости ν : СИ – мс, СГС – см 2 /с = 1 Ст (стокс). Стокс – большая величина. На практике пользуются сотыми долями сантистоксами: 1 сСт = 10 -2 Ст. Значения вязкости приводятся в таблицах при определенной температуре жидкости (обычно при + С. Вязкость капельных жидкостей зависит от рода жидкости, давления и температуры. От температуры вязкость зависит в сильной степени при увеличении температуры вязкость уменьшается. Зависимость вязкости от давления существенно проявляется лишь при относительно больших изменениях давления вязкость увеличивается с ростом давления. Индекс вязкости характеризует степень постоянства вязкости жидкости при изменении температуры. Чем выше индекс вязкости, тем более пологой является кривая зависимости вязкости от температуры (рис. 1.2). Наилучшей жидкостью является жидкость со стабильной вязкостью во всем интервале рабочих температур. Индекс вязкости (ИВ) определяют, сравнивая кривую ) t ( ν = ν исследуемого масла с кривыми ) t ( 1 1 ν = ν , ) t ( 2 2 ν = ν двух эталонных масел с одинаковой вязкостью 100 ν при t = С . Первое их этих масел (кривая 1) имеет пологую характеристику и условно имеет ИВ = 100, а второе имеет крутую характеристику (кривая 2) и условно имеет ИВ = 0. Обычно для индустриальных масел ИВ = 70…100, для загущенных ИВ = 120…180. Практически ИВ определяют по номограммам. Вязкость жидкостей измеряют опытным путем при помощи вискозиметров. Наиболее распространенным является вискозиметр Энг- 14 лера (рис. 1.3), который представляет цилиндрический сосуд ∅ 106 мм с короткой трубкой ∅ 2,8 мм, встроенной в дно. Рис. 1.2. Зависимость кинематического коэффициента вязкости от температуры Время t истечении 200 см испытуемой жидкости из вискозиметра через эту трубку под действием силы тяжести, деленное на время вод истечения того же объема дистиллированной воды при 20 С, выражает вязкость в градусах Энглера: вод Е, (1.14) где вод t = 51,6 с. Рис. 1.3. Принципиальная схема вискозиметра Энглера Для пересчета градусов Энглера в стоксы в случае минеральных масел применяют формулу Уббелоде: ЕЕ с см. (1.15) |