 |
Зачем гидравлика в машиностроении?
|
|
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации
Московский государственный технологический университет
«Станкин»
Учебно-методическое объединение по образованию
В области автоматизированного машиностроения (УМО АМ)
Сазанов И. И.
Гидравлика
Конспект лекций
Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки: бакалавров и магистров - «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств»; дипломированных специалистов - «Автоматизированные технологии и производства».
Москва 2004
УДК 621
Сазанов И. И.
Гидравлика. Конспект лекций. Учебное пособие. — М.: ИЦ МГТУ
Станкин, 2004 — 292 с.
В учебном пособии рассмотрены основные законы и уравнения гидравлики, охватывающие разделы свойств жидкостей, гидростатики, кинематики и динамики жидкостей, гидродинамического подобия и особых случаев течения.
Изложены основные вопросы, направленные на приобретение студентами теоретических знаний и практических навыков по применению основ процессов, протекающих в жидких средах в основном с ориентацией на гидравлические приводы технологического оборудования.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям бакалаврской подготовки 150900 - "Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств", 150400 - "Технологические машины и оборудование" и направлению инженерной подготовки 220300 "Автоматизированные технологии и производства" а также может быть полезным при подготовке специалистов по специальностям 151001, 151002, 151003, 150201, 150206, 150802, 220301, 220402 и другим, связанным с теорией жидкости, и гидравлическими приводами различного технологического оборудования.
|
|
|
Рецензенты:
| Навроцкий К.Л., | доктор технических наук, профессор Московского автомобильно-дорожный института (технического университета). |
| Артюшин Ю.В., | руководитель отдела дидактики ООО «ФЕСТО РФ», кандидат технических наук, доцент. |
©Кафедра систем приводов МГТУ «Станкин», 2004
| Сазанов Игорь Иванович |
Гидравлика. Конспект лекций.
Учебное пособие.
Лицензия на издательскую деятельность ЛР 01741 от 11.05.2000
Подписано в печать.2004 Формат
Уч. изд. л.. Тираж экз. Заказ №
Отпечатано в Издательском Центре МГТУ «СТАНКИН»
127055, Москва, Вадковский пер., д. 3 а
Содержание
Лекция 1. Введение_ 7
Зачем гидравлика в машиностроении?_ 9
Жидкость как объект изучения гидравлики_ 12
Гипотеза сплошности_ 13
Лекция 2. Основные физические свойства жидкостей_ 14
Плотность_ 14
Удельный вес 15
Относительный удельный вес 15
Сжимаемость жидкости_ 16
Температурное расширение жидкости_ 18
Растворение газов_ 19
Кипение 20
Сопротивление растяжению жидкостей_ 20
Вязкость_ 21
Закон жидкостного трения – закон Ньютона 22
Анализ свойства вязкости_ 23
Неньютоновские жидкости_ 24
Определение вязкости жидкости_ 25
Лекция 3. Эксплуатационные свойства жидкостей_ 27
Изменение характеристик рабочих жидкостей_ 29
Загрязнение во время поставки, хранения и заправки_ 29
Загрязнение в процессе изготовления, сборки и испытания 30
Загрязнение в процессе эксплуатации_ 31
Распад жидкости под действием различных факторов_ 31
Последствия загрязнения рабочей жидкости_ 32
Применяемые жидкости_ 34
Лекция 4. Гидростатика_ 35
Силы, действующие в жидкости_ 35
Массовые силы_ 35
Поверхностные силы_ 36
Силы поверхностного натяжения 36
Силы давления 38
|
|
|
Свойства гидростатического давления 39
Основное уравнение гидростатики_ 42
Следствия основного уравнения гидростатики_ 43
Приборы для измерения давления_ 43
Лекция 5. Дифференциальные уравнения равновесия покоящейся жидкости_ 47
Частные случаи интегрирования уравнений Эйлера_ 50
Покой жидкости под действием силы тяжести_ 50
Физический смысл основного закона гидростатики_ 51
Прямолинейное равноускоренное движение сосуда с жидкостью_ 53
Покой при равномерном вращении сосуда с жидкостью_ 54
Лекция 6. Давление жидкости на окружающие её стенки 57
Сила давления жидкости на плоскую стенку_ 57
Центр давления_ 58
Сила давления жидкости на криволинейную стенку_ 61
Круглая труба под действием гидростатического давления 63
Гидростатический парадокс 64
Основы теории плавания тел_ 64
Лекция 7. Кинематика жидкости_ 66
Виды движения (течения) жидкости_ 66
Типы потоков жидкости_ 68
Гидравлические характеристики потока жидкости_ 69
Струйная модель потока_ 71
Лекция 8. Уравнения неразрывности_ 73
Уравнение неразрывности для элементарной струйки жидкости_ 73
Уравнение неразрывности в гидравлической форме для потока жидкости при установившемся движении_ 74
Дифференциальные уравнения неразрывности движения жидкости_ 74
Лекция 9. Динамика жидкостей_ 81
Дифференциальные уравнения Эйлера для движения идеальной жидкости_ 81
Преобразование уравнений Эйлера_ 83
Исследование уравнений Эйлера_ 84
Дифференциальные уравнения движения вязкой жидкости (уравнения Навье-Стокса) 86
Лекция 10. Интегрирование уравнений Эйлера_ 89
Уравнение Бернулли_ 90
Уравнение Бернулли для струйки идеальной жидкости_ 90
Геометрическая интерпретация уравнения Бернулли_ 92
Энергетическая интерпретация уравнения Бернулли_ 94
Уравнение Бернулли для потока идеальной жидкости_ 95
Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости_ 96
Лекция 11. Режимы течения жидкостей_ 99
Два режима течения жидкости_ 99
Физический смысл числа Рейнольдса_ 101
Основные особенности турбулентного режима движения_ 102
Возникновение турбулентного течения жидкости_ 103
Возникновение ламинарного режима_ 104
Лекция 12. Гидравлические сопротивления в потоках жидкости 106
Сопротивление потоку жидкости_ 106
|
|
|
Гидравлические потери по длине 108
Ламинарное течение жидкости_ 110
Лекция 13. Турбулентное течение жидкости_ 116
Вязкое трение при турбулентном движении_ 116
Турбулентное течение в трубах_ 118
Турбулентное течение в гладких трубах_ 119
Турбулентное течение в шероховатых трубах_ 120
Выводы из графиков Никурадзе 123
Лекция 14. Местные гидравлические потери_ 124
Местные гидравлические сопротивления_ 124
Виды местных сопротивлений_ 126
Внезапное расширение. Теорема Борда - Карно_ 126
Внезапное сужение потока 129
Постепенное расширение потока 130
Постепенное сужение потока 132
Внезапный поворот потока 133
Плавный поворот потока 133
Лекция 15. Критерии подобия_ 134
Основы теории подобия, геометрическое и динамическое подобие 134
Критерии подобия для потоков несжимаемой жидкости_ 135
Критерий подобия Ньютона 135
Критерий подобия Эйлера 136
Критерий подобия Рейнольдса 137
Критерий подобия Фруда 139
Заключение о подобии напорных потоков_ 140
Лекция 16. Истечение жидкости из отверстий и насадков 141
Сжатие струи_ 141
Истечение через малое отверстие в тонкой стенке 142
Истечение через насадки_ 145
Лекция 17. Гидравлический расчет трубопроводов_ 147
Простые трубопроводы постоянного сечения_ 147
Последовательное соединение трубопроводов_ 149
Параллельное соединение трубопроводов_ 151
Разветвлённые трубопроводы_ 153
Трубопроводы с насосной подачей жидкости_ 154
Лекция 18. Гидравлический удар в трубопроводах_ 157
Скорость распространения гидравлической ударной волны в трубопроводе 161
Ударное давление 165
Протекание гидравлического удара во времени_ 166
Разновидности гидроудара_ 167
Лекция 19. Особые случаи ламинарного течения_ 169
Ламинарное течение в зазорах_ 169
Ламинарное течение в плоских зазорах_ 169
Ламинарное течение в плоских зазорах с подвижной стенкой_ 171
Ламинарное течение в кольцевых зазорах_ 174
Ламинарное течение в трубах прямоугольного сечения 175
Смазочный слой в подшипнике 176
Лекция 20. Особые режимы течения жидкостей_ 180
Кавитационные течения_ 180
Течение с облитерацией_ 183
Течение с теплообменом_ 184
|
|
|
Течение при больших перепадах давления_ 185
Список литературы__ 190
Лекция 1. Введение
Механика, как раздел физики, изучает законы равновесия и движения материальных тел различных видов. Она разделяется на:
ü механику твёрдого тела, которая изучает покой и движение тел как совокупности сильно связанных материальных точек;
ü механику сыпучих сред, изучающую движение песчаных грунтов, зерна и других аналогичных тел;
ü механику жидких сред, в которой изучают равновесие и движение жидкости.
Часть механики жидких сред, которая рассматривает движение жидкости, а также силовое взаимодействие между жидкостью и обтекаемыми ею телами или ограничивающими ее поверхностями, называется гидромеханикой.
Раздел механики, в котором изучают движение газов и жидкостей и обтекание ими тел, называют аэромеханикой.
Прикладную часть гидромеханики, для которой характерен определенный круг технических вопросов, задач и методов их решения, называют технической механикой жидкости, или гидравликой.
Обычно гидравлику определяют как науку о законах равновесия и движения жидкостей и о способах приложения этих законов к решению практических задач. В гидравлике рассматриваются главным образом потоки жидкости, ограниченные и направленные твердыми стенками, т. е. течения в открытых и закрытых руслах (каналах). Можно сказать, таким образом, что в гидравлике изучают внутренние течения жидкостей и решают так называемую «внутреннюю» задачу в отличие от «внешней» задачи, связанной с внешним обтеканием тел сплошной средой, которое имеет место при движении твердого тела в жидкости или газе (воздухе). «Внешнюю» задачу рассматривают в собственно гидромеханике или аэрогидромеханике. Этот раздел в основном связан с потребностями авиации и судостроения.
В гидравлике при решении различных практических задач широко используются те или иные допущения и предположения, упрощающие рассматриваемый вопрос. Достаточно часто гидравлические решения основываются на результатах экспериментов, и потому в гидравлике применяется относительно много различных эмпирических и полуэмпирических формул. При этом, как правило, оцениваются только главные характеристики изучаемого явления и часто используются те или иные интегральные и осредненные величины, которые дают достаточную для технических задач характеристику рассматриваемых явлений.
По своему характеру техническая механика (гидравлика) близка к известным дисциплинам — сопротивлению материалов и строительной механике, в которых под тем же углом зрения изучаются вопросы механики твердого тела. Следует учитывать, что гидравлика, являясь общетехнической дисциплиной, может рассматриваться как «профессиональная физика жидкого тела», в которой, в частности, даются основы соответствующих гидравлических расчетов. Эти расчёты используются при проектировании инженерных гидротехнических сооружений, конструкций, а также гидросистем технологического оборудования, применяемых во многих областях техники.
|
|
|
Разумеется, что гидравлика разделяется на статику жидкости (гидростатику), кинематику потоков жидкости и динамику жидкости (гидродинамику).
Метод, применяемый в современной гидравлике при исследовании движения, заключается в следующем. Исследуемые явления сначала упрощают, и к ним применяют законы теоретической механики. Затем полученные результаты сравнивают с данными опытов, выясняют степень расхождения, уточняют и исправляют теоретические выводы и формулы для приспособления их к практическому использованию. Целый ряд явлений, крайне трудно поддающихся теоретическому анализу, ввиду своей сложности, исследуют экспериментальным путем, а результаты такого исследования представляют в виде эмпирических формул.
Особенно велико значение гидравлики в машиностроении, где приходится иметь дело с закрытыми потоками в трубах и давлениями, многократно превышающими атмосферное. Гидросистемы, состоящие из насосов, трубопроводов, различных гидроагрегатов, широко используют в машиностроении в качестве устройств передачи и преобразования энергии, жидкостного охлаждения, топливоподачи, смазки и др.
Можно также отметить, что имеет место и другой подход к классификации разделов механики жидких сред. В этом подходе говорят о двух разных методах исследования:
ü метод «технической механики жидкости» («технической гидромеханики», «гидравлики»),
ü метод «математической механики жидкости» («математической гидромеханики»).
В математической механике жидкости широко используется относительно сложный математический аппарат. Решения, получаемые в этом случае, оказываются более строгими в математическом отношении.
Как показал опыт, методы математической механики жидкости очень часто оказываются столь сложными, что громадное большинство практических задач, следуя этим методам, решить невозможно. Этим и объясняется возникновение и развитие технической, прикладной науки — технической механики жидкости, т. е. гидравлики, которая стремится дать приближенные ответы на все те вопросы, связанные с движущейся или покоящейся жидкостью, которые ставит перед нами практика.
Можно сказать, что в технической гидромеханике (в гидравлике) приближенно решаются сложные задачи при помощи простых методов. В математической же гидромеханике относительно точно решаются только некоторые простейшие задачи при помощи сложных методов.
Зачем гидравлика в машиностроении?
Важнейшей частью почти любого технологического оборудования, станка, пресса, робота и т.д. является привод. Простейшим образом привод можно понимать как совокупность устройств, предназначенных для преобразования и передачи энергии, необходимой для осуществления технологического движения с заданными кинематическими и силовыми характеристиками. В технике широко применяются механический, электрический, пневматический (газовый, чаще всего воздушный) и гидравлический приводы и их комбинации. Важнейшей характеристикой любого привода является крутящий момент (или сила), который он может обеспечивать при одних и тех же размерах или весе. Попытаемся сравнить по этому показателю электрический, пневматический и гидравлический приводы.
Для подобного анализа приводов рассмотрим основной, наиболее часто встречающийся элемент привода – двигатель вращения. Любой такой двигатель принципиально состоит из неподвижного статора и вращающегося внутри него ротора. При этом в любом двигателе можно считать, что ротор отталкивается от статора, в результате чего создаётся вращение.
Таким образом, можно считать, что между статором и ротором есть какая-то рабочая среда (рабочее тело), которая, упираясь в статор, толкает ротор. В электродвигателе это электромагнитное поле, в пневматическом двигателе это воздух, в гидродвигателе это жидкость. Чем больше сила отталкивания, тем больший крутящий момент развивает двигатель. Величина силы отталкивания зависит от того, как сильно сжата рабочая среда, т.е. от того, каковы внутренние напряжения рабочей среды.
Для любого двигателя (с некоторыми, непринципиальными допущениями) можно считать, что крутящий момент описывается функцией вида
где L – длина отталкивания ротора от статора,
r – радиус ротора,
δ – радиальный зазор между ротором и статором,
P – напряжённость рабочей среды,
Z – количество пар элементов, взаимодействующих в процессе отталкивания ротора от статора (пары полюсов, пластины гидро- или пневмодвигателя и т.п.).
Опираясь на эту функцию, легко определить предельно возможные максимальные напряжения для любого двигателя как отношение развиваемого им крутящего момента к его геометрическим размерам. Это формула будет иметь вид:
.
Величина P будет выражаться в единицах напряженности рабочей среды Н/м2.
Если таким способом проанализировать двигатели всех трёх типов, разделив их максимальные крутящие моменты на соответствующие геометрические характеристики, то можно установить следующее:
ü P электромагнитного поля - около 1 МПа
ü P газовой среды - около 1 МПа
ü P жидкостной среды - 6,3-40 МПа и выше.
Следовательно, гидравлический привод во многие разы и даже десятки раз более энергоёмкий, чем электрический и пневматический.
При этом гидравлический привод имеет еще одну, очень важную особенность, которую можно проиллюстрировать на следующем опыте. Возьмём три одинаковых цилиндра. В первый цилиндр поместим два магнита одноимёнными полюсами навстречу друг к другу так, чтобы верхний магнит мог играть роль подвижного поршня. Во втором, заполненном воздухом, и третьем, заполненном жидкостью, установим плотно пригнанные поршни. Ко всем трём поршням приложим силы, сжимающие рабочие среды: электромагнитное поле, воздух и жидкость. При увеличении сил поршни начнут опускаться, а напряжение рабочих сред P будет расти. В цилиндре с жидкостью перемещение будет практически незаметным по сравнению с остальными цилиндрами. Т.е. жидкость по сравнению с газом и электромагнитным полем, практически несжимаема в большом диапазоне сил. Последнее проиллюстрировано на графике. Это качество обеспечивает высокую жёсткость гидропривода в большом диапазоне нагрузок.
Описанные особенности гидравлического привода определяют область его использования в технике. В большинстве случаев его применение обусловлено необходимостью в высоких энергетических показателях при малом весе или габаритах.
|
|
|
