">
Прикладные науки Технология
Информация о работе

Тема: Гидро и пневмоприводы

Описание: Кафедра автоматизации производственных процессов. Технологии и автоматизации управления в машиностроении. Общие сведения о гидравлических приводах. Основы машиностроительной гидравлики. Насосы и гидравлические двигатели в гидросистемных приводах.
Предмет: Прикладные науки.
Дисциплина: Технология.
Тип: Курсовая работа
Дата: 27.08.2012 г.
Язык: Русский
Скачиваний: 75
Поднять уникальность

Похожие работы:

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования

СЕВЕРО – ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра автоматизации производственных процессов

ГИДРО И ПНЕВМОПРИВОДЫ

Рабочая программа

Методические указания к изучению дисциплины

Задание на контрольную работу

Факультет Технологий и автоматизации управления в машиностроении

Направление и специальность дипломированного специалиста:

657900 – автоматизированные технологии и производства;

210200 – автоматизация технологических процессов и производств (в машиностроении);

Направление подготовки бакалавра:

552900 – технология, оборудование и автоматизация.

Санкт-Петербург, СЗГЗТУ

2005

Утверждено редакционно-издательским советом института

УДК 621.225 (075.8)

Гидро и пневмоприводы. Рабочая программа – СПб.: СЗГЗТУ

Приведена рабочая программа курса, содержащая основные разделы дисциплины, относящейся к гидравлическим приводам с разомкнутой и замкнутой системой управления и к пневматическим приводам, включая разделы по пневмоавтоматике и пневматическим измерительным системам.

Рабочая программа дисциплины разработана на базе примерной программы дисциплины «Гидропневмоавтоматика технического оборудования», утвержденная учебно-методическим объединением по образованию в области автоматизированного машиностроения по направлению 657900 – автоматизированные технологии и производства».

Рассмотрено на заседании кафедры автоматизации производственных процессов 20.10.2004г., одобрено методической комиссией машиностроительного факультета 30.11.2004г.

Рецензенты: кафедра технологии автоматизированного машиностроения

зав. кафедрой В.В.Максаров д-р техн. наук, проф., В.А.Королев, д-р техн. наук, проф.

Составители: А.А.Сарвин, д-р техн. наук, проф.;

Ю.Г.Полубояринов, канд. техн. наук, доц.;

И.К.Спрудэ, канд. техн. наук, доц.;

О.А.Маринова, канд. техн. наук, доц.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2005

ПРЕДИСЛОВИЕ

Автоматизация технологических процессов и производств в значительной степени зависит от правильного выбора типа приводов и применяемых средств автоматики. В этом отношении большими достоинствами и возможностями обладают гидравлические и пневматические приводы с автоматическим управлением. Эти приводы имеют большую энергоёмкость, достаточно высокое быстродействие и скорости движения, отсутствие промежуточных звеньев между двигателем и исполнительным органом, возможность работы в различной окружающей среде, удобство в компоновке и ряд других качеств.

Для правильного и грамотного использования проектирования и эксплуатации автоматизированного технологического оборудования специалист должен быть знаком с устройством, принципом действия, методикой расчета гидравлических и пневматических систем, включающих приводы и средства автоматики.

Задачами изучения дисциплины «Пневмо- и гидроприводы» являются:

- изучение устройств гидравлических приводов с разомкнутой и замкнутой системой управления;

- изучение устройства пневматических приводов, средств пневмоавтоматики и пневматического контроля линейных размеров;

- овладение методикой статического и динамического расчетов систем гидравлических приводов;

- изучение особенностей расчета пневматических систем, работающих со сжимаемой рабочей средой;

- получение знаний, необходимых для грамотной эксплуатации гидравлических и пневматических приводов, применяемых при автоматизации технологических процессов и производств.

Дисциплина "Пневмо- и гидропривод" имеет связь как с общеинженерными, так и со специальными дисциплинами учебного плана специальности 2102. В число базовых общетеоретических и общеинженерных дисциплин входят высшая математика, инженерная и машинная графика, физика, теоретическая и техническая механики, теория управления. Знания, полученные студентами при изучении дисциплины «Пневмо- и гидроприводы», используются ими при изучении таких дисциплин, как "Системы автоматизации и управления", "Автоматизация производственных процессов", "Автоматизация измерений в производственных процессах", "Автоматизация общепромышленных установок", «Робототехнические системы» и др.

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Рабочая программа (объем дисциплины 190 часов)

Введение

[ 1 ], с. 4-14, [ 2 ], с. 101, 281.

Определение привода машин и механизмов. Различные типы приводов. Системы управления приводами. Гидравлические и пневматические приводы – краткие исторические справки. Машиностроительный гидропривод.

Общие сведения о гидравлических приводах

[ 1 ], с. 15-25

Определение гидравлического привода. Два вида гидравлических приводов (передач): гидрообъемные (гидростатические) приводы и гидродинамические передачи.

Назначение и области применения гидродинамических передач.

Принцип действия и классификация.

Назначение и области применения гидрообъемных приводов. Функциональная блок-схема гидрообъемного привода. Принцип действия и классификация: по характеру движения выходного звена, по способу регулирования скорости выходного звена, по методу управления и контролю, по давлению, по виду циркуляции жидкости.

Показатели качества гидрообъемных приводов.

Основные рабочие параметры гидрообъемного привода: скорость перемещения и частота вращения выходного звена; развиваемое усилие и крутящий момент (на валу) выходного звена; полезная (эффективная) мощность, коэффициент полезного действия.

Связь рабочих параметров гидропривода с гидравлическими параметрами потока рабочей жидкости.

Основы машиностроительной гидравлики

[ 3 ], с. 4…43, 48-64, 67…88

Теоретическое и техническое направления в механике жидкости.

Гидравлика – техническая механика жидкости.

Обобщенный термин «жидкость» - капельная и газообразная, ее отличительные свойства: сжимаемость и текучесть. Коэффициенты объемного сжатия и температурного расширения жидкости, объемный модуль упругости. Плотность массы жидкости, ее зависимость от давления и температуры.

Вязкость жидкости. Закон Ньютона о внутреннем трении в слое движущейся жидкости. Коэффициент вязкости, их зависимость от температуры и давления.

Модель жидкости – сплошная среда – континуум (математический термин).

Напряжение в жидкости под действием внешних массовых (объемных) и поверхностных сил. Давление в жидкости статистическое и динамическое. Связь статистического давления с напряжением сжатия в жидкости.

Выражение объемной и нормальной поверхностной силы через напряжение.

Гидростатика. Дифференциальные уравнения равновесия жидкости Л.Эйлера в частных производных. Полный дифференциал давления.

Частные случаи распределения давления при равновесии жидкости под действием силы тяжести, статистических сил инерции, и под действием только нормальной поверхностей силы. Закон Б.Паскаля. Гидростатический парадокс. Манометрическое и вакуумметирческое давление. Внутреннее и внешнее давление жидкости на ограничивающие твердые поверхности. Закон Архимеда.

Потенциальная энергия и плотность потенциальной энергии жидкости. Гидростатический напор – удельная потенциальная энергия.

Основы гидродинамики. Структура и струйная модель потока сплошной среды (жидкости). Скорость движения частиц жидкости, заданные в переменных Эйлера. Стационарное и нестационарное движения жидкости. Эпюра местных скоростей в поперечном сечении потока при напорном движении. Площадь поперечного сечения потока, смоченный периметр и гидравлический радиус. Объемный расход и средняя скорость в поперечном сечении потока.

Закон сохранения массы в механике жидкости и гидравлическое уравнение неразрывности (сплошности) потока. Следствие из уравнения неразрывности.

Кинетическая энергия и инертность кинетической энергии в потоке жидкости.

Гидродинамические силы, действующие на поток жидкости при стационарном и нестационарном движении. Гидродинамическое стационарное давление и гидродинамический стационарный напор (удельная кинетическая энергия). Гидродинамическое нестационарное давление.

Закон сохранения энергии в механике жидкости. Гидравлическое уравнение баланса энергии при стационарном (установившемся) движении жидкости. Гидравлическое уравнение баланса энергии при нестационарном движении жидкости.

Гидравлическое уравнение баланса удельной энергии при установившемся движении – уравнение Д.Бернулли.

Закон сохранения импульса (количества движения) в механике жидкости. Гидравлическое уравнение изменения импульса и его применение при расчете гидродинамических сил давления.

Гидравлические сопротивления и потери энергии в потоке жидкости при напорном движении. Определение гидравлического сопротивления. Гидравлические сопротивления по длине потока и местные. Мощность потока. Потери энергии по длине потока при равномерном напорном движении. Формула Дарси потери напора на трение по длине потока. Коэффициент гидравлического трения и его зависимость в общем виде от параметров потока жидкости.

Ламинарное и турбулентное движения жидкости. Число Рейнольдса и его критическое значение. Гидравлическое сопротивление при ламинарном режиме. Зоны гидравлического сопротивления при турбулентности движении. Зависимости для коэффициента гидравлического трения при ламинарном и турбулентном движении жидкости. Номограмма Колбрука-Уайта для определения коэффициента гидравлического трения. Потери давления в функции средней скорости потока.

Местные гидравлические сопротивления. Формула Вейсбаха местных потерь напора. Коэффициент местного сопротивления и его зависимость в общем виде от геометрии проточной части сопротивления и параметров потока.

Определение потерь давления в гидравлической аппаратуре по справочным данным.

Гидравлический расчет элементов напорных гидросистем.

Расчет трубопроводов при стационарном движении жидкости. Три основные задачи при расчете трубопроводов. Трубопроводы гидравлически короткие и гидравлически длинные.

Последовательное и параллельное соединение трубопроводов.

Всасывающий, напорный и сливной трубопроводы в системах коммуникации гидрообъемных приводов.

Расчет гидравлического удара в трубопроводах при напорном нестационарном движении с большим локальным ускорением.

Расчет пропускной способности проходных отверстий в гидравлической аппаратуре. Понятие пропускной способности проходных отверстий. Скорость истечения и расход жидкости через отверстие в тонкой стенке. Коэффициенты сжатия струи, скорости истечения и расхода. Истечение через насадки.

Расчет времени опорожнения резервуара.

Насосы и гидравлические двигатели в гидросистемных приводах

[ 1 ], с. 142…183, [ 2 ], с. 113…169, [ 5 ], с. 2…66

Объемные насосы: определение, классификация, особенности рабочего процесса. Основные технические параметры и характеристики.

Конструктивные схемы насосов: ротационных поршневых, пластинчатого, шестеренчатого, винтового. Насосы с регулируемой подачей жидкости. Условные обозначения насосов на схемах по ГОСТ……………. Насосные установки по ГОСТ ……………………..

Объемные гидродвигатели поступательного движения – силовые гидроцилиндры, их разновидности и основные рабочие параметры.

Гидродвигатели вращательного движения – гидромоторы.

Принцип обратимости гидромашин. Типы и основные параметры гидромоторов.

Поворотные (моментные) гидродвигатели.

Условные обозначения параметров на схемах по ГОСТ…….

Аппаратура управление и оборудование гидроприводов

[ 2 ], с. 170…246, [ 5 ], с. 67…217

Направляющие (распределительные) гидроаппараты. Назначение, классификация, характеристики. Конструктивные схемы, условные обозначения по ГОСТ…… Примеры применения в гидросистемах технологического оборудования.

Регулирующая гидроаппаратура. Назначение, классификация, характеристики. Клапаны давления, дроссели, регуляторы расхода, аппаратура путевого контроля и пропорционального управления. Условные обозначения аппаратов на схемах по ГОСТ……..

Примеры применения.

Специальная аппаратура гидроприводов: мультипликаторы и трансформаторы давления, синхронизаторы движения, аккумуляторы, устройства для разгрузки насосов.

Фильтры, уплотнительные устройства, трубопроводы.

Методы регулирования и основы расчета гидроприводов

[ 2 ], с. 246…253

Гидропривод поступательного движения с дроссельным методом регулирования скорости. Последовательное и параллельное включение дросселя в цепь управления. Характеристики гидроприводов с дроссельным управлением. Стабилизация скорости выходного звена при переменной нагрузке КПД регулируемого гидропривода.

Гидропривод вращательного движения с машинным (объемным) регулированием скорости вращения выходного звена. Параметр регулирования. Идеальная характеристика гидропривода вращательного движения с регулируемыми насосом и гидромотором. КПД регулируемого гидропривода.

Сравнительная оценка дроссельного и объемного (машинного) методов регулирования.

Демпфирование.

Основы расчета и проектирования гидроприводов с разомкнутой цепью управления. Основные этапы проектирования. Разработка принципиальной типовой схемы гидропривода и ее анализ. Расчет рабочих параметров гидродвигателей и выбор типа размера. Расчет подачи, рабочего давления и мощности насоса. Выбор типа размера насоса. Выбор гидроаппаратуры и другого оборудования гидропривода.

Общие замечания по динамическому расчету параметров гидропривода в переходных процессах.

Пневматический привод – пневмопривод

[ 2 ], с. 281-388

Принцип работы пневматических приводов. Пневматические приводы поступательного и вращательного действия.

Распределительные устройства. Контрольно-регулирующая аппаратура. Усилительные устройства. Фильтры.

Некоторые сведения из газовой динамики. Расчет пневмоприводов при установившемся движении.

Пневматические приводы наряду с гидравлическими широко применяются в автоматизированных машиностроительных комплексах. Работа пневматических приводов основана на преобразовании энергии сжатого газа (чаще всего воздуха), подаваемого от внешнего источника.

Теоретической основой изучения систем пневмоприводов является общий курс газодинамики. Основные положения этого курса освещены в рекомендуемом учебном пособии

[ 2 ]. Поэтому при изучении раздела «Пневматические приводы» необходимо вначале освоить теоретические основы.

Материал этого раздела изложен в такой же последовательности, что и в разделе «Гидравлические приводы», поэтому рекомендуется при проработке учебного материала опираться на общие положения обоих разделов, отмечая при этом те особенности, которые присущи пневматическим системам. Наиболее трудной частью раздела является теория расчета пневмоприводов, особенно при неустановившихся режимах работы. В связи с этим в рекомендуемом учебном пособии дано подробное изложение этого вопроса, который и надлежит внимательно проработать и полученные знания закрепить в контрольном задании.

Вопросы для самопроверки

Как устроен пневматический привод?

Приведите схемы и поясните работу пневматических двигателей возвратно-поступательного и вращательного движений.

Какая распределительная и контрольно-регулирующая аппаратура применяется в пневмоприводах?

Для чего служат демпфирующие устройства?

Какая зависимость используется для определения массового расхода газа в пневмосистемах?

Назовите порядок расчета пневмосистемы при установившемся движении исполнительного органа.

Объем аудиторной нагрузки и виды контроля для студентов
очно-заочной формы обучения (46 часов)

Лекции – 28 часов

Практические занятия – 6 часов

Лабораторные работы – 12 часов

Контрольные работы – 1 работа

Курсовая работа – 1 работа

Зачет – 1

Экзамен – 1

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ

ОЧНО-ЗАОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ

№ п/п Темы лекций Объем часов  1 Введение 2  2 Общие сведения о гидравлических приводах 2  3 Основы машиностроительной гидравлики. Теоретическое и техническое направления в механике жидкости. Жидкость ее отличительные свойства. Электронапряженное состояние жидкости. 2  4 Гидростатика. Закон гидростатики. Гидростатическое давление. Потенциальная энергия. 2  5 Основы гидродинамики. Законы сохранения. Гидродинамическое давление. Кинетическая энергия. Уравнение Бернулли. 2  6 Гидравлические сопротивления. Потери энергии в потоке.

Гидравлический расчет элементов напорных систем. 2  7 Насосы и гидравлические двигатели в гидрообъемных приводах. 2  8 Аппаратура управления и оборудование гидроприводов. 2  9 Методы регулирования гидроприводов. 2  10 Методика статического расчета гидроприводов. 2  11 Общие сведения о пневматических приводах. 2  12 Пневматические приводы поступательного и вращательного движения. 2  13 Распределительные устройства. Контрольно-регулирующая аппаратура. Усилители. 2  14 Расчет пневмоприводов при установившемся движении. 2  

ТЕМЫ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ № п/п Темы практических занятий Объем часов  1 Упражнения по решению типовых задач и примеров по машиностроительной гидравлике. 2  2 Расчет параметров гидроцилиндра и напорной гидролинии. 2  3 Расчет параметров насосной установки.

Выбор типа размера насоса и гидравлической аппаратуры. 2  

Перечень лабораторных работ № п/п Темы лабораторных работ Объем часов  1 Гидравлическое сопротивление напорного трубопровода по длине и местное. 2  2 Пропускная способность отверстий в стенах резервуара и проходных отверстий в гидроаппаратах. 2  3 Испытание объемного насоса. 2  4 Исследование облитерации радиального зазора. 2  5 Испытание регулятора расхода. 2  6 Испытание гидропривода поступательного движения с дроссельным регулированием. 2  

Библиографический список

Машиностроительный гидропривод. / Л.А.Кондаков, Г.А.Никитин, В.Н.Прокофьев и др. Под ред. В.Н.Прокофьева. М.: Машиностроение, 1978 – 495 с., илл.;

Погорелов В.И., Тющев В.С. Гидропневмопривод и автоматика. Учеб. пособие. Л.: СЗПИ, 1968;

Полубояринов Ю.Г. Гидравлические системы в станочном оборудовании. Гидравлика (Краткий курс). Учеб. пособие – Л.: СЗПИ, 1991 – 96с.;

Полубояринов Ю.Г. Основы машиностроительный гидравлики и пневматики – Л.: СЗПИ, 1973

Свешников В.К., Усов О.А. Станочные гидроприводы. Справочник. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1988.

3. Методические указания к изучению дисциплины

В современном машиностроении широко используются различные гидравлические и пневматические устройства и системы устройств, обеспечивающие процессы управления и регулирования исполнительными механизмами, включая оборудование робототехнических комплексов, гибких производственных систем.

Дисциплина «Гидро и пневмоприводы» включает в себя описание систем гидропривода, а также гидравлических и пневматических устройств, применяемых в автоматизированном оборудовании машиностроительного комплекса. Учитывая то обстоятельство, что базовой дисциплиной для курса «Гидропривод» является «Гидравлика», а для дисциплины «Пневмоавтоматика» - «Газовая динамика», их положения отражены в рабочей программе.

В процессе самостоятельного изучения теоретического материала необходимо отмечать недостаточно ясные положения, формулы и выводы и обращаться за консультацией на кафедру. Для самопроверки усвоенного материала рекомендуется ответить на приведенные вопросы.

По дисциплине «Гидро и пневмопривод» выполняются одна контрольная работа, лабораторный практикум и курсовая работа.

После получения положительной рецензии на контрольную работу и зачета по лабораторному практикуму студент допускается к сдаче экзамена по теоретическому курсу.

Введение

Здесь дается определение курса «Гидро и пневмопривод», указываются области применения гидравлического оборудования, средств гидропневмоавтоматики в современном машиностроительном комплексе, отмечается значение этой дисциплины в формировании специалиста – механика по технологии машиностроения, металлорежущим станкам и инструменту.

Во «Введении» излагаются основные принципы опережающего обучения при изучении специальных дисциплин, содержащих сведения о гидропневмоприводах и средствах гидропневмоавтоматики, а также общие положения методологии и мировоззренческих аспектов, заложенных в изучаемой дисциплине.

Вопросы для самопроверки.

Что изучает дисциплина «Гидропривод и гидропневмоавтоматика»?

Приведите примеры использования гидравлических и пневматических систем в машиностроении, в частности в станкостроении.

Какое место занимает гидравлическое и пневматическое оборудование при создании гибких производственных систем?

Общие сведения о гидравлических приводах

Гидроприводом называется энергосиловое устройство, приводящее в движение машину или механизм, в котором в качестве рабочего тела используется жидкость.

Отличительная особенность гидропривода – большая энергонапряженность рабочего тела.

Гидропривод нашел широкое применение в различных отраслях техники, в частности в машиностроении и станкостроении, что объясняется такими его достоинствами, как бесступенчатое регулирование и легкость реверса скорости выходного звена, жесткая передача силы или момента, при которой скорость перемещения (или вращения) исполнительного органа не зависит от величины нагрузки, малая инерционность, высокая чувствительность.

Изучая этот раздел, необходимо обратить внимание на те особенности объемного гидропривода, которые подчеркивают возможности его перспективного использования в автоматизированном машиностроительном комплексе.

Вопросы для самопроверки.

Дайте определение и поясните принцип действия объемного гидропривода. Приведите его классификацию.

Из каких элементов состоит гидропривод?

Где применяется объемный гидропривод? Назовите его достоинства и недостатки.

Какие рабочие жидкости применяются в гидроприводах? В чем заключаются их основные свойства?

Какие параметры определяют надежность гидропривода?

Основы машиностроительной гидравлики

Изучение гидравлики начинается с ее определения и рассмотрения основных характеристик жидкости с точки зрения ее механики, которые определяются гидродинамическими параметрами. Жидкость в механике рассматривается в виде модели сплошной среды, в которой все гидродинамические параметры (масса, сила, скорость движения, энергия, импульс, напряжения, гидродинамическое давление)распределены непрерывно по объему и описываются непрерывными (дифференцируемыми и интегрируемыми) функциями координат.

Ясное представление о такой механической модели жидкости очень важно при изучении последующих подразделов «Гидравлики».

В гидростатике изучаются законы равновесия жидкостей. Рассматривается модель ньютоновской жидкости, в которой в состоянии покоя отсутствуют касательные напряжения, а все компоненты нормального напряжения (напряжения сжатия) одинаковы и носят название гидростатического давления. Подчеркнем, что напряжение силы есть величина векторная, а давление – скалярная, т.е. давление в точке покоящейся жидкости не зависит от направления расположения площадки, на которую оно действует. При равновесии внешних сил, векторная сумма равна нулю, следовательно, и сумма объемных плотностей сил также обращается в ноль. Из этого условия выводится дифференциальное уравнение гидростатики в векторной форме, которое легко представить в аналитической форме, выразив объемную плотность нормальных поверхностных сил через градиент гидростатического давления.

Формула гидростатического давления получается в результате интегрирования дифференциальных уравнений гидростатики для различной системы объемных сил, действующих на жидкость при определенных граничных условиях. Если объемные силы отсутствуют или их значением можно пренебречь по сравнению с внешними поверхностными силами, то давление во всех точках объема покоящейся жидкости одинаково и равно внешнему (граничному) давлению. Это давление передается по всему объему жидкости без изменения, в чем и состоит закон Паскаля.

Этот гидростатический закон наряду с законом Архимеда необходимо твердо запомнить и уметь им пользоваться при выполнении гидростатических расчетов, связанных с определением сил внешнего и внутреннего гидростатического давления.

Наибольшую трудность при изучении гидравлики представляют теоретические основы динамики жидкостей (гидродинамика).

Изучение гидродинамики начинается с кинематических характеристик движущейся жидкости: по Лагранжу – заданием координат движущихся частиц в функции времени, и по Эйлеру – заданием поля скоростей движущихся частиц в фиксированных точках пространства.

При рассмотрении модели течения жидкости в векторном поле скоростей вводятся векторные линии – линии тока, совпадающие в случае стационарного движения с траекториями частиц. Для внутренних течений рассматривается струйная модель потока как непрерывная совокупность струек тока (элементарных струек).

Необходимо запомнить определение линии тока, трубки тока и струйки тока, а также уметь определяет объемный расход жидкости и условие неразрывности движения струйки тока. Следует четко представлять модель равномерного течения, значения средней скорости и уравнение баланса расхода потока.

Переходя к изучению непосредственно гидродинамики, необходимо остановиться на наиболее простой модели движения – движении идеальной жидкости. Надо дать определение идеальной жидкости, отметить граничное условие на твердой стенке, знать отличие установившегося движения от неустановившегося.

При выводе дифференциальных уравнений движения идеальной жидкости (уравнений Эйлера) можно использовать дифференциальные уравнения гидростатики с приложением принципа Д Аламбера (с присоединением к силам, действующим на покоящуюся систему, силы инерции).

Интегрирование дифференциальных уравнений гидродинамики идеальной жидкости приводит к интегралу Бернулли, который позволяет определять механическую энергию жидкости в поле сил тяжести. Применяя интеграл Бернулли к струйке тока, получают уравнение баланса удельной механической энергии для двух сечений струйки. Необходимо хорошо представлять физическую сущность этого уравнения, значения всех членов, ибо на его основе выводится уравнение Бернулли для потока реальной (вязкой) жидкости, являющееся фундаментальным уравнением гидравлики. Вывод этого уравнения следует делать в логической последовательности с использованием струйной модели потока, учитывая при этом разные скорости струек и наличие необходимых затрат энергии, расходуемой на работу сил трения, что приводит к уменьшению запаса энергии потока в направлении течения.

Уравнение Бернулли применяется во многих гидравлических расчетах при следующих ограничениях: движение жидкости должно быть изотермическим (при постоянной температуре и вязкости жидкости), установившемся, а в окрестности расчетных сечений – параллельно-струйным или плавноизменяющимся, что соответствует равномерному движению. Далее рассматривается уравнение количества движения, базирующееся на известной теореме механики. Необходимо знать, в каких задачах гидравлики это уравнение применяется.

Поток жидкости, как и всякая механическая система, обладает определенным запасом энергии и развивает определенную мощность. В гидравлике энергия потока жидкости, как указывалось при рассмотрении уравнения Бернулли, выражается в виде удельной энергии (напора).

Мощность в сечении потока равна произведению давлению давления на объемный расход.

При движении жидкости часть ее механической энергии затрачивается на работу сил трения и таким образом теряется. Потери энергии (или потери напора) могут быть по длине потока и местные. Необходимо твердо помнить расчетные формулы указанных видов потерь напора. Следует также хорошо представлять различные виды течений жидкости, знать отличительные черты ламинарного и турбулентного течений, число Рейнольдса.

Изучая ламинарное течение в трубе, нужно обратить внимание на вывод закона распределения скорости в сечении потока, формулы расхода, закона гидравлического сопротивления.

В турбулентном потоке скорость и другие параметры колеблются около своего среднего значения. При исследовании турбулентного течения его представляют в виде двух движений: осредненного (по времени) и пульсационного. Законы турбулентного движения еще не достаточно изучены. Закономерности и расчетные формулы для многих задач носят чисто эмпирический либо полуэмпирический характер. Таковы, в частности, универсальный логарифмический закон распределения скорости в круглой трубе, законы гидравлического сопротивления «гладкой» и «шероховатой» стенок. Следует обратить внимание на общий вид расчетного графика для определения коэффициента гидравлического трения и уметь его применять при расчетах. Изучение раздела заканчивается рассмотрением местных гидравлических сопротивлений, при этом внимание обращается на их природу и общий вид функциональной зависимости коэффициента местного сопротивления от пограничной геометрии проточного элемента и числа Рейнольдса для потока, отнесенного к недеформируемому участку течения.

Нужно знать значение коэффициента кинетической энергии для ламинарного и турбулентного течений.

Напорные гидравлические системы применяются в промышленном и транспортном машиностроении. К ним относятся системы охлаждения, смазки, подачи жидкого топлива, транспорта различных жидкостей, системы привода машин и механизмов и другие виды гидрооборудования.

Состав гидравлических напорных систем отличается большим разнообразием: от простых трубопроводов до сложных систем гидроавтоматики технологического оборудования. Обычно такие системы состоят из источника жидкости, трубопроводов, различной гидроаппаратуры (распределительной, регулирующей, защитной и т.п.), гидравлических двигателей, резервуаров очистных устройств и т.д. Движение жидкости в трубопроводах рассматривается, как правило, одномерным со средней скоростью в сечении потока. Гидравлическая характеристика трубопровода определяет соотношение между расходом жидкости в сечении потока и напором (или давлением). Определение такой характеристики является основной задачей гидравлического расчета напорных систем. При расчете применяют гидравлическое уравнение Бернулли, уравнение баланса расхода, формулы потерь напора. В настоящем разделе изучаются способы гидравлического расчета отдельных элементов или участков напорных гидравлических систем (трубопроводов, трубопроводов с резервуаром, систем насос – трубопровод, отверстий, насадков, дросселирующих и клапанных устройств) при установившемся движении, а также два вида неустановившегося напорного движения в трубах.

Учитывая практическую направленность излагаемого в разделе материала, следует, наряду с подробным его изучением, практиковаться в решении отдельных задач, что послужит хорошим подспорьем при выполнении контрольных работ.

Вопросы для самопроверки

Что представляет собой модель сплошной среды? Для чего она вводится в механику жидкости?

Что называется плотностью распределения массы? Какова ее единица измерения?

Какие силы действуют на жидкость? Дайте их определения.

Что называется давлением жидкости? Укажите единицы измерения давления.

Как выражается плотность распределения нормальных сил?

Поясните действие касательных напряжений в жидкости и закон Ньютона о внутреннем трении.

Что называется гидростатическим давлением?

Приведите вывод уравнений гидростатики в дифференциальной форме.

Проинтегрируйте систему дифференциальных уравнений гидростатики при равновесии жидкости в случае отсутствия действия объемных сил в поле сил тяжести и при действии на жидкость центробежных сил инерции.

Поясните физический смысл основного уравнения гидростатики. Приведите формулировку закона Паскаля.

Что называется манометрическим давлением и вакуумом? Чему равно предельное значение вакуума?

Как определяется сила суммарного гидростатического давления на поверхности?

Приведите вывод закона Архимеда.

Как определяется величина растягивающих напряжений в стенках цилиндрических и сферических сосудов, содержащих жидкость под давлением?

Какие характеристики движения изучаются в кинематике жидкости?

Чем отличается задание движения сплошной среды по Эйлеру от задания движения по Лагранжу?

Что называется объемным расходом жидкости в сечении струйки тока? Как записывается условие неразрывности движения струйки тока?

Что представляет собой средняя скорость в сечении потока?

Какая жидкость называется идеальной? В чем заключается граничное условие на твердой стенке при ее движении?

Как выводится уравнение Бернулли для потока реальной жидкости? Что означает коэффициент кинетической энергии?

При каких условиях применяется уравнение Бернулли?

Приведите вывод уравнения количества движения жидкости.

Что понимают под энергией, удельной энергией и мощностью потока? Как они выражаются?

Назовите два вида потерь энергии и укажите формулы для их определения.

Поясните различные виды течения. Какое течение является ламинарным, а какое – турбулентным? Что означает число Рейнольдса?

Как записывается закон сопротивления при ламинарном течении?

Напишите законы сопротивления при турбулентном движении жидкости в общем виде.

Поясните график для определения коэффициента гидравлического трения.

Что называется местным гидравлическим сопротивлением? Какие местные сопротивления являются наиболее типичными?

Как определяется численное значение коэффициента местного сопротивления?

Назовите основную задачу гидравлического расчета напорной системы и применяемые при ее решении уравнения гидравлики.

Поясните схему гидравлического расчета трубопровода при последовательном и параллельном соединении труб.

Как рассчитываются напорные гидравлические системы резервуар – трубопровод, насос – трубопровод?

В чем состоит особенность расчета всасывающего трубопровода насоса?

Что называется гидравлическим ударом? Поясните явление гидравлического удара.

Как определяется по формуле Жуковского величина ударного давления и скорость распространения упругих деформаций?

Какой гидравлический удар считается прямым? - непрямым? Какими способами ослабляется гидравлический удар?

Поясните вывод уравнений скорости и расхода в сечении струи жидкости, вытекающей через отверстие в тонкой стенке резервуара. Какие гидравлические коэффициенты входят в эти уравнения?

Насосы и гидравлические двигатели в гидрообъемных приводах

В состав гидропривода входят объемные насосы, объемные гидравлические двигатели (гидроцилиндры и гидромоторы), гидравлическая аппаратура и другое оборудование (трубопроводы, баки, резервуары, фильтры, уплотнители и т.п.).

Насосы обеспечивают подачу рабочей жидкости в систему гидропривода с требуемыми значениями расхода и давления. Особенностями объемных насосов являются независимость этих параметров системы друг от друга, цикличность рабочего процесса, способность самовсасывания при запуске насоса, отсутствие связи между скоростью рабочего органа насоса и величиной развиваемого давления.

Работа насоса характеризуется величиной подаваемого расхода жидкости, развиваемого давления, потребляемой мощностью и коэффициентом полезного действия.

Насосы выпускаются с нерегулируемой и регулируемой величиной объема рабочих камер. Насосы с регулируемой величиной объема рабочих камер обеспечивают регулирование расхода жидкости.

Конструктивно насосы различают на поршневые с клапанным распределением жидкости, роторно-поршневые радиального и аксиального исполнения, роторные пластинчатые, шестеренчатые и винтовые.

Гидравлические двигатели объемного типа различают по виду движения выходного звена на гидроцилиндры с возвратно-поступательным движением штока (иногда – самого цилиндра при закрепленном штоке), гидромоторы с вращательным движением вала и поворотные (моментные) гидродвигатели. Работа гидродвигателей характеризуется скоростью перемещения (вращения) выходного звена, величиной развиваемого усилия (момента), мощностью и коэффициентом полезного действия.

Конструктивно гидромоторы в соответствии с принципом взаимообратимости гидромашин аналогичны объемным насосам указанных типов.

Расчет условий для выбора насосов и гидродвигателей рассмотрен в рекомендуемой литературе, которую следует изучить самостоятельно.

Аппаратура управления и оборудования гидроприводов

Гидроаппаратура, применяемая для распределения потоков рабочей жидкости и регулирования их параметров, весьма разнообразна как по назначению, так и по конструктивным особенностям. При изучении литературы основное внимание должно быть обращено на принципиальные схемы гидравлических аппаратов, их принцип действия, методики расчета и выбора основных гидроаппаратов.

Вопросы для самопроверки

Дайте определение объемных насосов, укажите области их применения и классификацию.

Приведите основные параметры насосов и их характеристик.

Приведите описание рабочего процесса в объемном насосе и его характерные особенности.

Изобразите конструктивные схемы насосов: поршневого с клапанным распределением жидкости, роторно-поршневого радиального и аксиального исполнения, пластинчатого, шестеренчатого. Поясните принцип работы этих насосов.

Поясните явление кавитации во всасывающем тракте насоса.

Приведите типовые схемы гидроцилиндров. Поясните их основные технические параметры.

Какие типы гидромоторов нашли наибольшее распространение в практике?

В чем заключается принцип обратимости гидромашин?

В каких насосах и гидромоторах можно осуществлять регулирование рабочего объема? Какие при этом регулируются параметры на выходе машины?

Приведите основные технические параметры гидромоторов.

Укажите назначение гидравлической аппаратуры и ее основную классификацию.

Какие управляющие (распределительные) устройства применяются в системах гидроприводов?

Приведите схемы гидросистем и поясните устройство регулятора потока (аппарата, состоящего из дросселя и клапана разности давлений).

Укажите основные типы клапанов давления и их назначение.

Для чего служит мультипликатор давления?

Приведите типы уплотнительных устройств и методику расчета сил трения и утечек жидкости в них.

Какие фильтры применяются в гидроприводах?

Методы регулирования и основы расчета гидроприводов

Основное внимание при изучении этого раздела должно быть обращено на методы регулирования выходной скорости гидропривода и общую методику гидравлического расчета в статическом режиме работы. Рекомендуется ознакомиться с методическими указаниями «Проектирование и расчет гидравлической системы» (Сост. Ю.Г.Полубояринов. – Л.: СЗПИ, 1980).

Известны два способа регулирования: дроссельный и объемный (называемый иногда машинным способом). Нужно знать типовые схемы гидропривода поступательного движения с дроссельным регулированием (при трех вариантах установки гидродросселя) и схемы гидропривода вращательного движения с дроссельным регулированием. В том случае, когда на исполнительный механизм приложена нагрузка, изменяющаяся во времени, скорость выходного звена при установке в систему обычного дросселя становится переменой, т.е. зависимость скорости от нагрузки получается нежесткой. Для того чтобы обеспечить жесткую характеристику, дроссель должен быть заменен регуляторов потока (регулятором скорости или расхода).

При изучении объемного метода регулирования следует подробно рассмотреть правила построения теоретической характеристики – графика зависимости частоты вращения, момента и мощности гидромотора от безразмерного параметра регулирования при совместном регулировании насосом и гидродвигателем.

Оба метода регулирования достаточно подробно рассмотрены в учебном пособии [ 2 ]. Там же изложен метод расчета гидропривода при установившемся и неустановившемся движении.

Вопросы для самопроверки

Приведите общую методику расчета гидроприводов поступательного и вращательного движения.

Как влияют силы инерции на параметры гидропривода при неустановившемся движении.

Поясните сущность дроссельного регулирования гидроприводов.

Приведите типовые схемы гидроприводов поступательного и вращательного движения с дроссельным регулированием.

Какая из схем включения дросселя наиболее экономична и почему?

Как осуществляется изменение частоты вращения выходного вала при объемном регулировании?

Изобразите теоретическую (идеальную) характеристику гидропривода с объемным регулированием. По каким причинам ограничивается диапазон регулирования в реальных гидроприводах?

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Контрольная работа состоит из двух задач:

Задача 1 относится к первой части дисциплины «Гидро и пневмоприводов» ? гидрообъемному приводу.

Задача 2 – ко второй части – пневмоприводу.

В задаче 1 рассматривается гидрообъемный привод вращательного движения с машинным (объемным) регулированием частоты вращения гидромотора.

В задаче 2 рассчитывается скорость движения под нагрузкой поршня пневмопривода по методике, предложенной профессором В.И.Погореловым [1].

Оформление контрольной работы и ее зачет производятся по общепринятым в СЗТУ правилам.

ЗАДАНИЕ

Задача 1

На рис.1 представлена схема гидропривода вращательного движения с машинным (объемным) регулированием частоты вращения. Регулируемый насос 1 с числом оборотов вала nн соединен трубопроводами 2 и 4 с гидромотором 3.

Рис.1

При работе гидропривода рабочая жидкость по замкнутой системе циркуляции подается насосом в гидромотор и из него возвращается обратно в насос.

Для восполнения возможных утечек жидкости в системе предусмотрен насос подпитки 6, подающий жидкость через обратный клапан 9 в линию 2 всасывания насоса. При реверсе гидромотора подпитка производится через обратный клапан 5 в линию 4.

Требуемое давление в системе поддерживает клапан 8.

Удельная подача насоса равна qн0, параметр регулирования ?н изменяется в пределах от 0,3 до 1; удельный расход гидромотора – qгм0.

К валу гидромотора приложен момент нагрузки М.

Определить минимальное nmin и максимальное nmax число оборотов вала гидромотора с учетом объемного КПД; давление р в напорной линии 4 с учетом механического КПД; эффективную Nэ и потребляемую Nп мощность насоса. Значения объемного ?об и механического ?мех КПД принять равным 0,9.

Гидравлическими потерями в трубопроводах 2 и 4 пренебречь. Заданные величины указаны в табл.3.

Таблица 3 Варианты и исходные данные  Заданные величины 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9   Последняя цифра шифра  qн0, см3/об 80 70 60 50 55 65 75 85 70 60  qгм0, см3/об 40 35 30 25 28 32 38 42 35 30   Предпоследняя цифра шифра  nн, об/мин 1750 1800 1850 1700 1900 1750 1860 1900 1750 1800  М, нм 22 20 21 23 19 24 20 21 24 19  Указания

В гидроприводах с закрытой циркуляцией жидкости подача насоса Qн и расход в гидромоторе с учетом объемных потерь равны

Qн=Qгм, (1)

гдеQн=qнnн•?обн•?обгм (2)

Qгм=qгмnгм (3)

С учетом параметра регулирования насоса  из уравнений (1), (2), и (3) определяются минимальное (nгм)min при ?=0,3 и максимальное (nгм)мах при ?=1 значения числа оборотов гидромотора.

Давление р в напорной линии 4, развиваемое насосом, равно давлению в гидромоторе ргм

р=ргм(4)

Давление ргм определяется из уравнения момента нагрузки М

,(5)

где ?мехгм=0,9 – механический КПД гидромотора

Эффективная (гидравлическая мощность) насоса равна

N=p•Qн(6)

Потребляемая мощность насоса равна

Nп=(7)

где ?мехн=0,9 – механический КПД насоса

Расчеты величин р, N и Nп выполнить при параметре регулирования насосом ?н=1.

Задача 2

Определить скорость перемещения поршня в пневмоприводе под нагрузкой Р.

Заданы: диаметр поршня 4 – D, длина трубопровода (рис.2) – l, его внутренний диаметр d, коэффициент пневмораспределителя 3 – ?. Давление в ресивере 1 – р0, давление в штоковой полости 5 пневмоцилиндра принять равным атмосферному. Температура воздуха в ресивере, пневмоцилиндре и окружающей среде – 200С.

Рис. 2 Схема пневмопривода

Варианты и исходные данные приводятся в таблице 4.

Таблица 4 Параметры Варианты и исходные данные   0 1 2 3 4 5 6 7 8 9  Последняя цифра шифра  Р0, МПа 0,6 0,65 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,45 0,50 0,55  D, мм 80 70 100 90 85 90 70 100 105 90  Р, кН 0,16 0,15 0,25 0,20 0,22 0,25 0,16 0,18 0,19 0,21    l, м 6,2 6,4 6,0 5,8 5,6 6,1 5,9 5,8 6,0 6,2  d, мм 10 10 10 8 8 12 10 12 12 12  ? 13 15 11 10 9 12 10 14 13 11  Указания

Воспользуемся методикой расчета пневмопривода, изложенной в учебном пособии [1] в п.65.

Скорость установившегося движения поршня vп определяется по величине массового расхода воздуха G, поступающего в пневмоцилиндр, и рабочей площади поршня Sп, м/с:

,(8)

где ? – плотность воздуха в поршневой полости;

Sп – площадь сечения поршня, м2

(9)

Для определения массового расхода G используется зависимость Сен-Венана-Вантцеля [1], кг/с

G=,(10)

где y= - относительное давление,(11)

вычисленное по абсолютным давлениям в ресивере (р0)абс и в поршневой полости гидроцилиндра рабс;

?с – коэффициент расхода подводящего трубопровода;

n – показатель степени в уравнении политропного процесса (среднее значение для воздуха n=1,35).

В формуле (10) неизвестные величины y, ?с и ?0 определяются в следующем порядке. Вычисляется по формуле (9) площадь поршня Sп.

Определяется давление (р0)абс и рабс, Н/м2

(р0)абс=р0+ратм;

Рабс=,(12)

где ратм – атмосферное давление (среднее значение ратм=105Па).

По формуле (11) находится значение y, которое необходимо сопоставить с критическим значением yк, соответствующим переходу от подкритической области истечения воздуха в пневмоцилиндр при заполнении поршневой полости к надкритической области.

Для определения yк предварительно рассчитывается коэффициент гидравлического сопротивления трубопровода ?с

,(13)

где ?вых – коэффициент сопротивления в выходном отверстии ресивера (?вых=0,5);

?вх – коэффициент сопротивления во входном отверстии цилиндра (?вх=1);

? – коэффициент гидравлического трения трубопровода, рассчитываемый

для квадратичной области сопротивления по формуле Прандтля

,(14)

В формуле (14) значение эквивалентной шероховатости ? принять ?=0,05мм.

По графику зависимости yк=f(?с), представленному на рис.3, взятому из [1], определяется значение yк и сопоставляется с вычисленным значением y.

Если у>yк, то область истечения подкритическая. При этом в формулу (10) подставляется значение у.

Если у<ук, то область истечения надкритическая. И тогда в формулу (10) подставляется значение у=ук.



Рис. 3

Для определения коэффициента расхода ?с, величина которого зависит от величины относительного давления у и коэффициента сопротивления ?с, следует воспользоваться графиком ?=f(y,?c), представленному на рис.4, взятому из работы [1].

Для определения плотности воздуха в ресивере ?0 воспользуемся уравнением Клапейрона-Менделеева, кг/м3

,(15)

где R=290 Дж/кг•?К – газовая постоянная,

Т0 – температура в ресивере в оК.



Рис. 4

После определения расхода G по формуле (10) следует уточнить область гидравлического сопротивления трубопровода. Для этого определяется число Рейнольдса:

, (16)

где µ - динамический коэффициент вязкости воздуха в трубопроводе, определяемый в зависимости от температуры Т по формуле. Па?с

,(17)

где µ0=1,68?10-5 Па?с соответствует температуре Т0=293 оК, Т1= Т0?yn-1/n,
оК – температура воздуха в трубопроводе.

Вычисленное значение Rе сопоставляется со вторым предельным числом Рейнольдса

.(18)

1