Пневматические и гидравлические приводы и системы. Страница 1

А.С. Наземцев Д.Е. Рыбальченко
Пневматические и гидравлические приводы и системы
Часть 2
Гидравлические приводы и системы Основы
Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальностям технического профиля
Москва
ФОРУМ
Рецензент:
УДК 62-85(075.32) ББК 34.4472я723 Н19
кандидат технических наук, заведующий лабораторией гидросистем станков «ЭНИМС» Свешников Владимир Константинович. Авторы: А.С. Наземцев (гл. 1-11) Д.Е. Рыбапьченко (гл. 12) Рисунки выполнены А.С. Наземцевым (гл. 1-11) и А.Л. Белковским (гл. 12) Наземцев А.С. Н19 Пневматические и гидравлические приводы и системы. Часть 2. Гидравлические приводы и системы. Основы. Учебное пособие / А.С. Наземцев, Д.Е. Рыбальченко. - М.: ФОРУМ, 2007 - 304 с. ил. ISBN 978-5-91134-128-2 Учебное пособие посвящено современным машиностроительным гидроприводам межотраслевого применения. Описаны структура и принципы построения гидравлических приводов, функциональное назначение, конструктивные особенности, принципы действия и условные графические обозначения основной элементной базы: насосов, исполнительных механизмов, направляющих и регулирующих гидроаппаратов, устройств контроля и измерения основных параметров потока рабочей жидкости. Изложена методика проектирования и расчета гидроприводов поступательного и вращательного действия, приведены сведения по монтажу, наладке и эксплуатации гидравлических приводов. Рассмотрены вопросы построения и функционирования различных типов централизованных систем смазки, приведены сведения по системам охлаждения. Для студентов машиностроительных специальностей, слушателей отделений переподготовки и повышения квалификации в области автоматизации технологических процессов и производств. УДК 62-85(075.32) ББК 34.4472я723 © ЗАО «ЭКОИНВЕНТ», 2007 ISBN 978-5-91134-128-2
Оглавление Предисловие ..................................................................7 Введение ..................................................................... 8 1.    Структура гидроприводов .....................................................11 2.    Физические основы функционирования гидросистем ...............................16 2.1.    Силы, действующие в жидкости. Давление......................... .......................16 2.2.    Основные свойства жидкостей.................................................18 2.3.    Основы гидростатики .......................................................23 2.4.    Основы гидродинамики......................................................26 2.4.1.    Расход.......................................................27 2.4.2.    Уравнение Бернулли для потока идеальной жидкости...........................28 2.4.3.    Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости............................31 2.4.4.    Режимы течения жидкости...............................................32 2.4.5.    Потери энергии в гидросистемах . ..........................................33 2.4.6.    Течение жидкости в коротких каналах с дросселированием потока..................38 2.4.7.    Кавитация...........................................................40 2.4.8.    Гидроудар..............................................- . . ..........41 3.    Энергообеспечивающая подсистема.............................................43 3.1.    Рабочие жидкости..........................................................44 3.2.    Трубопроводы и присоединительная арматура ....................................48 3.3.    Насосы . . ................................................................54 3.3.1.    Шестеренные насосы...................................................55 3.3.2.    Пластинчатые насосы ..................................................57 3.3.3.    Радиально-поршневые насосы............................................59 3.3.4.    Аксиально-поршневые насосы............................................60 3.3.5.    Винтовые насосы......................................................62 3.3.6.    Статические характеристики объемных насосов....... .....,, . , ..............63 3.3.7.    Регулирующие устройства...............................................65 3.4.    Гидроаккумуляторы.........................................................68 3.5.    Дополнительное оборудование................................................71 3.5.1.    Гидробаки ...........................................................71 3.5.2.    Фильтры .....................................................- -.....72 3.5.3.    Теплообменные аппараты...............................................76 4.    Исполнительная подсистема...................................................78 4.1.    Гидроцилиндры............................................................78 4.1.1.    Плунжерные гидроцилиндры .............................................79 4.1.2.    Поршневые гидроцилиндры..............................................79 4.1.3.    Телескопические гидроцилиндры.........................................,82 4.1.4.    Крепление гидроцилиндров..............................................83 4.2.    Поворотные гидродвигатели..................................................84 4.3.    Гидромоторы .............................................................86 5.    Направляющая и регулирующая подсистема ......................................87 5.1.    Направляющие гидроаппараты................................................89 5.1.1.    Гидрораспределители . . ................................................89 5.1.2.    Обратные клапаны....................................................104 5-13. Гидрозамки .........................................................106 5.2.    Регулирующие гидроаппараты................................................110 5.2.1.    Гидроаппараты управления давлением ....................................110 5.2.2.    Г идроаппараты управления расходом......................................121 6. Информационная подсистема .................................................131 6.1.    Контроль давления........................................................131 6.2.    Контроль расхода.........................................................136 6.3.    Контроль температуры .....................................................140 6.3.    Контроль уровня рабочей жидкости в баке.......................................141 6.4.    Контроль чистоты рабочей жидкости ...........................................143 7. Гидроприводы с электрическим пропорциональным управлением . . . .................144 7.1.    Пропорциональные электромагниты ...........................................145 7.2.    Гидроаппараты с электрическим пропорциональным управлением.....................148 7.2.1.    Клапаны давления....................................................148 7.2.2.    Гидрораспределители.................................._...............149 7.2.3.    Регуляторы расхода...................................................152 7.3.    Электронные усилители ................................................. . . , 153 7.4.    Электрогидравлические усилители............................................157 8. Монтаж гидроаппаратов......................................................160 8.1.    Гидроаппараты резьбового исполнения.........................................160 8.2.    Гидроаппараты встраиваемого исполнения......................................161 8.3.    Гидроаппараты стыкового исполнения..........................................162 8.4.    Гидроаппараты модульного исполнения ........................................164 8.5.    Способы монтажа гидросистем ...............................................165 8.6.    Уплотнения...... . . ......................................................169 9.    Функционирование гидроприводов.............................................174 9.1.    Коэффициент полезного действия гидропривода..................................174 9.2.    Управление положением выходного звена исполнительного механизма.................176 9.2.1.    Позиционирование исполнительных механизмов в крайних положениях............176 9.2.2.    Позиционирование исполнительных механизмов в промежуточном положении.......178 9.2.3.    Позиционирование исполнительных механизмов в промежуточном положении с длительной выдержкой под нагрузкой ....................................179 9.3.    Управление скоростью выходного звена исполнительного механизма...................181 9.4.    Управление усилием на выходном звене исполнительного механизма..................187 9.5.    Последовательная работа исполнительных механизмов............................189 9.6.    Параллельная работа исполнительных механизмов................................190 9.7.    Применение гидроаккумуляторов .............................................193 10.    Основы эксплуатации гидроприводов..........................................196 10.1.    Ввод гидроприводов в эксплуатацию.......... .............. . , ...............196 10.2.    Техническое обслуживание гидроприводов .....................................198 10.3.    Поиск и устранение неисправностей...........................................201 10.3.1.    Виды неисправностей.................................................201 10.3.2.    Характерные неисправности............................................202 10 3.3. Техническая диагностика гидросистем ....................................206 10.4.    Общие требования по технике безопасности ................................., . . 207 11.    Основы проектирования гидроприводов........................................210 11.1.    Разработка принципиальной схемы привода ....................................210 11.2.    Предварительный расчет гидроприводов.......................................212 11.2.1.    Выбор номинального давления..........................................212 11.2.2.    Выбор рабочей жидкости .............................*.................212 11.2.3.    Выбор насоса.......................................................213 11.2.4.    Определение основных геометрических параметров исполнительных механизмов ... 215 11.2.5.    Выбор гидроаппаратуры...............................................217 11.2.6.    Выбор фильтров.....................................................217 11.2.7.    Расчет трубопроводов................................................218 11.2.8.    Расчет потерь давления в гидросистемах..................................218 11.3.    Поверочный расчет гидроприводов...........................................220 11.4.    Определение мощности и КПД гидроприводов............. .................. , . . . 221 11.5.    Тепловой расчет гидроприводов.............................................222 12. Гидравлические системы смазки и охлаждения...................................223 12.1.    Гидравлические смазочные системы..........................................224 12.1.1.    Смазочные материалы................................................224 12.1.2.    Классификация смазочных систем .......................................226 12.1.3.    Централизованные смазочные системы . ................. .....228 12.1.4.    Информационные элементы смазочных систем .............................242 12.1.5.    Проектирование централизованных смазочных систем........................243 12.2.    Гидравлические системы смазочно-охлаждающих жидкостей.................... , .. , 247 12.2.1.    Смазочно-охлаждающие жидкости.......................................247 12.2.2.    Структура систем СОЖ................................................249 12.2.3.    Элементы энергообеспечивающей подсистемы .............................250 12.2.4.    Элементы направляющей и регулирующей подсистемы .......................254 12.2.5.    Элементы информационной подсистемы ..................................258 12.2.6.    Основные этапы проектирования систем СОЖ ..............................259 Приложение .................................................................260 П1. Справочная информация....................................................260 П1.1. Соотношения единиц величин, применяемых в гидравлике и пневматике, с единицами международной системы СИ (SI).........................260 П1.2. Соотношения между различными единицами давления и температурными шкалами......263 П1.3. Т рубопроводы...........................................................264 П1.4. Структура обозначения индустриальных масел, в соответствии с ГОСТ 17479-87 «Масла индустриальные. Классификация и обозначение»..........................265 П1.5. Обозначения индустриальных масел..........................................266 П1.6. Интервалы значений основных характеристик и рекомендуемая область применения некоторых масел ...............................................268 П1.7. Извлечения из ГОСТ 17216-2001 «Промышленная чистота. Классы чистоты жидкостей». Определение классов чистоты рабочей жидкости ................................271 П1.8. Вещества, используемые при работе с системами СОЖ............................273 П1.9, Зависимость коэффициентов приведенной длины от способа монтажа ридроцилиндра .... 275 П2. Условные обозначения элементов на схемах....................................276 П2.1. Буквенные коды элементов.................................................276 П2.2. Условные графические обозначения гидравлических элементов на схемах .............278 П2.3. Образец схемы соединений конструктивных элементов гидроприводов................288 Список использованной литературы.....    .........    ...........289 Предметный указатель.........................................................290 Предисловие Развитие отечественной промышленности многие годы сопровождалось совершенствованием гидрооборудования отраслевого применения, что нашло свое отражение и в существующей технической литературе. Специалистам предлагаются книги по гидрооборудованию строительных и дорожных машин, по применению гидроприводов в металлургическом производстве, в летательных аппаратах, станкостроении и пр. Однако, несмотря на большое количество книг, посвященных вопросам применения гидроприводов в различных областях промышленности, учебной литературы для изучения общих вопросов построения, функционирования и обслуживания гидроприводов в различных областях явно недостаточно. В предлагаемых учебниках и пособиях, по мнению авторов, не уделено достаточного внимания структурированному подходу к изучению принципов построения гидроприводов, практически не освещены вопросы, связанные с составлением и чтением принципиальных гидравлических схем; не рассмотрены централизованные системы смазки и системы смазывающе-охлаждающих жидкостей. Основной задачей авторов являлось структурирование и наглядное представление материалов для ясного представления читателями конструктивных особенностей и принципов действия гидравлических элементов, их функционального назначения, вне зависимости от отраслевого применения. Цель пособия: -    обобщить информацию в области применения гидрооборудования; -    описать наиболее характерные конструкции гидроэлементов; -    изложить основы эксплуатации и проектирования гидравлических приводов и систем. Учебное пособие состоит из двенадцати глав и приложения. В главах 1, 2 рассмотрены вопросы построения и физические основы функционирования гидросистем. Главы 3-7 посвящены изучению элементов объемного гидропривода, их конструктивному исполнению и функциональному назначению. Основные принципы монтажа, эксплуатации и проектирования гидроприводов приведены в главах 8-11. В главе 12 собраны и обобщены материалы по классификации, структуре и элементной базе современных централизованных систем смазки и смазочно-охлаждающих жидкостей. В приложении приведена справочная информация, а также условные графические обозначения элементов гидроприводов, систем смазки и смазывающе-охлаждающих жидкостей (СОЖ). В список использованной литературы включены только источники, составляющие основу изложенных в пособии материалов. Авторы глубоко признательны руководству и сотрудникам ЗАО «ЭКОИНВЕНТ» за предоставленную возможность написания данного пособия и за помощь, оказанную при поиске и подготовке материалов. Особую благодарность авторы выражают заведующему лабораторией гидросистем станков «ЭНИМС», кандидату технических наук В.К. Свешникову за обстоятельное рецензирование рукописи и за полезные предложения по улучшению его содержательной части. Введение Автоматизация технологических процессов в современном промышленном производстве является непростой технической задачей и часто требует интегрирования в единой установке нескольких систем различной архитектуры с различными энергоносителями. В соответствии с функциональным назначением технические системы делят на системы управления — системы, которые применяются для управления различными машинами, станками, устройствами, и системы, обеспечивающие рабочий процесс этих объектов (системы смазки, охлаждения, противоаварийной защиты, топливные, системы пожаро/газобезопасности и др.). Системы управления, в состав которых входит комплекс устройств, предназначенных для получения усилий и перемещений в машинах и механизмах, называют приводами1. В зависимости от используемого энергоносителя различают электро-, пневмо- и гидроприводы. Область применения того или иного привода обусловлена их достоинствами и недостатками (табл. В1). Таблица В1 Критерий Э лектропри воды Гидроприводы Пневмоприводы Затраты на энергоснабжение Низкие Высокие Очень высокие Передача энергии На неограниченное расстояние со скоростью света с « 300 ООО км/с На расстояния до 100 м, скорость — до 6 м/с, передача сигналов — до 100 м/с На расстояния до 1000 м, скорость — до 40 м/с, передача сигналов — до 40 м/с Накопление энергии Затруднено Ограничено Легко осуществимо Линейное перемещение Затруднительно, дорого, малые усилия Просто, большие усилия, хорошее регулирование скорости Просто, небольшие усилия, скорость зависит от нагрузки Вращательное движение Просто, высокая мощность Просто, высокий крутящий момент, невысокая частота вращения, широкий диапазон регулирования Просто, невысокий крутящий момент, высокая частота вращения Рабочая скорость исполнительного механизма Зависит от конкретных условий До 1,5 м/с 1,5 м/с и выше Усилия Большие усилия, не допускаются перегрузки Усилия до 3 000 кН и выше, защищены от перегрузок Усилия до 30 кН, защищены от перегрузок Точность позиционирования +1 мкм и выше До±1 мкм До 0,1 мм Жесткость Высокая (используются механические промежуточные элементы) Высокая (гидравлические масла практически несжимаемы) Низкая (воздух сжимаем) Утечки Создают загрязнения Нет вреда, кроме потерь энергии Влияние окружающей среды Нечувствительны к изменениям температуры Чувствительны к изменениям температуры, пожароопасны при наличии утечек Практически нечувствительны к изменениям температуры, взрывобезопасны Гидроприводом называют совокупность источника энергии и устройства для ее преобразования и транспортировки посредством жидкости к приводимой машине. В зависимости от вида гидропередачи, т.е. устройства, транспортирующего и преобразующего энергию, различают объемный (ранее называемый гидростатическим), гидродинамический и смешанные приводы. Объемный гидропривод—это совокупность устройств, предназначенных для преобразования и передачи энергии посредством рабочей жидкости под давлением, с одним или более объемными гидродвигателями2. Объемный гидропривод позволяет с высокой точностью поддерживать или изменять скорость машины при произвольном нагружении, осуществлять слежение — точно воспроизводить заданные режимы вращательного или возвратно-поступательного движения, усиливая одновременно управляющее воздействие. В объемном гидравлическом приводе используется энергия практически несжимаемой рабочей жидкости. Динамический гидропривод (гидродинамическая передача) позволяет осуществлять только вращательное движение. В качестве источника энергии в них используются лопастные насосы, а в качестве двигателя — лопастные турбины. Принцип действия динамических гидроприводов основан на гидродинамическом воздействии потока жидкости на рабочий орган двигателя. Такие приводы применяют в системах управления не столь широко, как объемные приводы. Это вызвано сложностью реверсирования движения выходных звеньев гидродинамических двигателей, необходимостью установки дополнительных редукторов для согласования обычно высоких частот вращения валов двигателей с более низкими скоростями движения управляемых устройств и другими их конструктивными особенностями. В данном пособии речь будет идти об объемных гидроприводах, которые в инженерной практике обычно называют просто гидроприводами. Ряд существенных преимуществ гидроприводов перед другими типами приводов послужил основанием для широкого их применения в различных отраслях промышленности. В процессе развития гидрооборудования сформировались такие крупные традиционные его потребители, как сельскохозяйственное и строительно-дорожное машиностроение, металлургиеское производство и станкостроение, транспорт и авиастроение со своими сложившимися конструктивными формами гидрооборудования. В несколько меньших масштабах, но с большими потенциальными возможностями развивается гидрооборудование горного машиностроения, особенно угольной промышленности. Основным достоинством гидроприводов является ВОЗМОЖНОСТЬ получения больших усилий и мощностей при ограниченных размерах силовых исполнительных двигателей, что облегчает компоновку гидроприводов в механизмах. Благодаря малой инерционности подвижных частей гидроприводы имеют высокое быстродействие — время их разгона и торможения не превышает обычно нескольких сотых долей секунды. Важным достоинством гидроприводов является возможность работы в динамических режимах при частых включениях, остановках, реверсах движения или изменениях скорости. Гидроприводы при условии хорошей плавности движения обеспечивают широкий диапазон бесступенчатого регулирования скорости исполнительных двигателей, надежно защищают систему от перегрузки, что дает возможность механизмам работать по жестким упорам. Использование гидроприводов в станкостроении способствует существенному упрощению кинематики станков, снижению их металлоемкости, повышению точности, надежности работы, а также уровня автоматизации. В многооперационных станках средства гидроавтоматики используются для обеспечения смены инструмента, фиксации направляющих, автоматизированной смены заготовок, шпиндельных узлов, для переключения скоростей и осуществления вспомогательных операций, в системе подач широко применяется следящий гидропривод. Гидропривод в наибольшей мере удовлетворяет реализации общих тенденций развития сельскохозяйственных машин: увеличению числа рабочих органов, взаимодействующих с разными потребителями мощности при значительном удалении их от двигателя. В угольной промышленности гидропривод используется в механизмах подачи угольных комбайнов, механизмах хода проходческих машин, для управления исполнительными органами добычных машин и приводе другого горношахтного оборудования, а также в гидравлических крепях. В металлургическом производстве гидропривод, ране применяемый только во вспомогательных механизмах (выталкивателях, кантователях, опрокидывателях и т.д.), является главным и единственным типом приводов механизмов многих металлургических агрегатов, на которых осуществляется технология плавки чугуна, стали, производство проката. Наряду с указанными выше преимуществами, гидроприводы имеют и недостатки, которые ограничивают область их использования. Так при течении минерального масла по трубопроводам и каналам гидросистемы возникают потери на трение и утечки, снижающие КПД гидропривода и вызывающие нагрев рабочей жидкости, насосной установки и гидроагрегатов. Надежная работа гидроприводов может быть гарантирована только при надлежащей фильтрации рабочей жидкости. Необходимость применения фильтров тонкой очистки повышает стоимость гидроприводов и усложняет их техническое обслуживание. В некоторых отраслях промышленности по соображениям пожарной безопасности использовать минеральное масло в гидроприводах невозможно. Применение негорючих рабочих жидкостей удорожает гидроприводы. Тем не менее при правильных конструировании и грамотной эксплуатации гидроприводов их недостатки могут быть сведены к минимуму. Гидравлические системы в современном оборудовании применяются не только для управления механизмами, но и для обеспечения нормального выполнения основного технологического процесса. При работе любого оборудования в соприкасающихся и движущихся деталях возникает трение, которое является причиной износа, т.е. постепенного разрушения поверхности твердого тела под действием сил трения. Продление срока эксплуатации и повышение КПД работы оборудования достигаются созданием смазоч-но-охлаждающих технологических сред в зонах контакта трущихся поверхностей узлов и механизмов, а также в зонах обработки материалов. Эти задачи решаются с помощью гидравлических систем смазки и охлаждения. Централизованные системы смазки, задачей которых является своевременная доставка требуемого количества смазочного материала в зону контакта трущихся поверхностей, не только обеспечивают нормальное функционирование тяжелонагруженного оборудования, но и существенно повышают эффективность его работы и снижают эксплуатационные расходы. Применение систем подачи СОЖ значительно повышает производительность механообработки и улучшает качество обработанных поверхностей. При использовании СОЖ улучшается износостойкость инструмента, шероховатость обрабатываемой поверхности, точность обработки и т.д. Гидроприводы, системы смазки и подачи СОЖ, которыми оснащено современное технологическое оборудование, являются сложными техническими системами для отладки, технического обслуживания и ремонта которых, наряду со специалистами по механике и электротехнике (электронике), нужны специалисты-гидравлики. 1. Структура гидроприводов Простейший гидропривод, как совокупность устройств, предназначенная для передачи механической энергии и преобразования движения за счет гидростатического напора жидкости, состоит из объемного насоса (ведущее звено), объемного гидродвигателя (ведомое звено), резервуара для рабочей жидкости и трубопроводов. Рабочая жидкость (минеральное масло или синтетическая жидкость) засасывается из резервуара насосом в его рабочие камеры и затем вытеснителями через трубопроводы нагнетается в рабочие камеры гидродвигателя, вызывая изменение их объема (иногда вместо насоса может использоваться другой источник гидростатического напора). Выходное звено гидродвигателя, кинематически связанное с рабочим органом технологической установки (объектом управления), приходит в движение и совершает полезную работу. Для того, чтобы стабилизировать или изменять параметры движения гидродвигателя — перемещение, скорость, ускорение — в приводе применяют устройства, управляющие направлением движения рабочей жидкости, а также ее энергией. Гидроприводы крайне разнообразны и могут различаться по назначению, принципу действия, числу источников гидравлической энергии и двигателей, конструкции устройств, составляющих систему, и по другим признакам. Однако в любом приводе, входящие в его состав элементы, подразделяют (в соответствии с выполняемыми функциями) на две взаимосвязанные части: ■    силовую; ■    управляющую (рис. 1.1). Управляющая часть гидропривода Силовая часть гидропривода
Поток информации :>
Обработка сигналов управления
сигналов управления ж
Энергообеспечение управляющей части привода 1=
Выполнение полезной работы Управление гидравлической энергией Преобразование энергии анешнего источника в гидравлическую энергию потока рабочей жидкости; кондиционирование рабочей жидкости Рис. 1.1. Структура гидропривода В силовой части гидропривода осуществляются энергетические процессы (выработка, преобразование и передача энергии), конечной целью которых является выполнение полезной работы. Управляющая часть гидропривода реализует информационные процессы (прием, обработка, хранение и передача информационных потоков), формирующие управляющие сигналы. Взаимодействие этих двух частей привода осуществляется следующим образом: сформированные в управляющей части привода сигналы управления подаются на входы устройств управления гидравлической энергией, входящих в состав силовой части привода. Таким образом, выполнение силовой частью привода полезной работы осуществляется по сигналам, поступающим от управляющей части. Для ознакомления со структурой силовой части рассмотрим гидропривод, в котором функции управления выполняются человеком-оператором (рис. 1.2) Силовая часть гидропривода состоит из трех подсистем: ■    энергообеспечивающей, ■    направляющей и регулирующей; ■    исполнительной. Объект управления Гидропривод
Исполнительная подсистема (Выполнение полезной работы) ------- Направляющая регулирующая подсистема Управление гидравлической энергией Энергообеспечивающая подсистема энергии внешнего источника в гидравлическую энергию потока рабочей жидкости, кондиционирование рабочей жидкости Принципиальная схема    Структурная схема гидропривода    гидропривода Рис. 1.2. Структура гидропривода с ручным управлением Энергообеспечивающая подсистема. Элементы, входящие в данную подсистему, преобразуют механическую энергию внешнего источника (электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания и т п ) в гидравлическую энергию потока рабочей жидкости и осуществляют ее кондиционирование Под кондиционированием рабочей жидкости понимается одновременное поддерживание в требуемых диапазонах ее качественных показателей: температуры, влагосодержания, чистоты. Основными элементами подсистемы являются насос — источник гидравлической энергии — и предохранительное устройство, защищающее гидравлическую систему от перегрузок. Кондиционирование рабочей жидкости осуществляется с помощью гидробаков, фильтров, теплообменных аппаратов Направляющая и регулирующая подсистема. Управление гидравлической энергией заключается в распределении и направлении потоков рабочей жидкости, а также в регулировании основных ее параметров: давления и расхода. Для реализации указанных функций предназначены устройства, называемые гидроаппаратами: распределители, клапаны давления, регуляторы расхода, запорные клапаны и др. Исполнительная подсистема. Назначение элементов исполнительной подсистемы — путем преобразования гидравлической энергии в механическую энергию своего выходного звена осуществлять различные перемещения рабочих органов технологического оборудования, т.е. совершать полезную работу. Гидродвигатели, или как их называют гидравлические исполнительные механизмы, могут совершать возвратно-поступательное движение (гидроцилиндры), вращательное (гидромоторы) и поворотное (поворотные гидродвигатели). Следует обратить внимание на то, что принципиальная схема гидропривода (схема соединения элементов гидропривода) воспроизводит его структурную схему. Она показывает с помощью стандартизованных символов, называемых условными графическими обозначениями, как соединены между собой отдельные конструктивные элементы системы. Обычно для большей наглядности ее вычерчивают без учета действительного пространственного расположения составляющих ее элементов и строят по вертикали, как и структурные схемы. Направление движения потока гидравлической энергии на схемах силовой части привода принято снизу вверх. Условные графические обозначения конструктивных элементов гидропривода следует располагать на принципиальной схеме в направлении потока энергии: ■    внизу — элементы энергообеспечивающей части или условное обозначение источника энергии; ■    в середине — устройства направляющей и регулирующей подсистемы; ■    вверху — исполнительные механизмы. Все устройства изображают на принципиальных схемах в исходном положении, т.е. в состоянии, которое необходимо для запуска системы в работу. Согласно ГОСТ 2.704-76 (см. приложение П.2.1) на принципиальных гидравлических схемах рядом с условным графическим обозначением каждого устройства проставляют буквенно-цифровое позиционное обозначение. По возможности обозначения располагают справа и сверху относительно условного графического обозначения элемента. Введение в принципиальные гидравлические схемы индексов упрощает работу со схемами и устанавливает однозначное соответствие между конкретными моделями гидравлических аппаратов и устройств, перечисленных в спецификации гидравлического оборудования, и местом каждого из них в данном приводе. Элементы управления энергией (гидроаппараты), предназначенные для преобразования и передачи сигналов от операторов или контролирующих какой-либо процесс автоматических устройств к исполнительным механизмам образуют цепь управления. В сложных системах управления с несколькими исполнительными механизмами, элементы управления группируют по цепям управления, причем для каждого гидродвигателя образуют свою цепь (рис. 1.3). Рис. 1.3. Цепи управления гидродвигателями
В импортных гидравлических схемах элементам привода присваивают не буквенно-цифровое позиционное обозначение, а цифровой индекс. При этом исполнительным механизмам и их цепям управления присваивают нумерацию по порядку, а элементы той или иной цепи управления обозначают индексами, состоя-
Цепь управления 1 1.0 Цепь управления 2 2.0 Цепь управления 3 3.0 щими из порядкового номера цепи и кодового числа. Энергообеспечивающая часть привода не может быть отнесена к какой-либо цепи управления, так как она питает одновременно несколько цепей управления. Поэтому ей всегда присваивают на схемах порядковый номер «О». Присвоение кодового числа конкретному элементу может осуществляться разными способами: для сложных схем применяется сквозная порядковая нумерация, для более простых схем код формируют по определенным правилам (табл. 1.1). Таблица 1.1 Наименование устройства Индекс Аппаратура энергообеспечивающей подсистемы 0.1, 0.2, 0.3, ... Исполнительные механизмы (ИМ) 1.0, 2.0, 3.0, ... Исполнительные распределители 11, 2.1, 3.1, ... Устройства, подающие сигналы на выдвижение штока цилиндра (после точки — четное число) 1.2,    1.4, 1.6, ... (для 1-го ИМ) 2.2,    2.4, 2.6, ... (для 2-го ИМ) Устройства, подающие сигналы на втягивание штока цилиндра (после точки — нечетное число) 13, 15, 1.7, ... (для 1-го ИМ) 2.3, 2.5, 2.7, ... (для 2-го ИМ) Устройства регулирования скорости и устройства, расположенные между исполнительными механизмами и исполнительными распределителями 1.01, 1.02, ... (для 1-го ИМ) 2.01,2.02, ... (для 2-го ИМ) Такой подход облегчает чтение принципиальных схем, поскольку сужает поле отслеживания линий связи между элементами схемы и дает представление о том, что где бы «территориально» на схеме ни располагался элемент, (например, 1.06), он будет установлен в цепи управления соответствующим исполнительным механизмом (в нашем случае — 1.0). Элементы, входящие в состав законченных функциональных блоков, выделяют на принципиальных схемах тонкими штрихпунктирными линиями с указанием позиционного обозначения блока. Так, например, насосная станция, показанная на рис. 1.3, в состав которой входит насосный агрегат и предохранительный клапан, имеет единый индекс 0.1. Во многих технических системах для выполнения операций, не осуществимых человеком в связи с необходимостью переработки большого количества информации в ограниченное время, для повышения производительности труда, освобождения человека от управления системами, функционирующими в условиях относительной недоступности или опасных для здоровья, применяют автоматическое управление. Применение автоматизации (даже частичной) увеличивает надежность и точность работы приводов, повышает производительность машин в целом, позволяет управлять приводом на расстоянии. Системы автоматического управления (САУ)3 бывают разомкнутые и замкнутые. В разомкнутых системах отсутствует контроль состояния управляемого объекта, управляющее воздействие формируется иоходя из цели управления и свойств управляемого объекта. В замкнутых же САУ управляющее воздействие производится на основе результата сравнения состояния — текущего или в контрольных точках — объекта управления с заданным (требуемым). В большинстве случаев исполнительные механизмы приводов технологического оборудования имеют жесткую или кинематическую связь с объектом управления, что позволяет по состоянию их выходных звеньев судить о соответствующем состоянии объекта. Системы автоматического управления технологическими объектами, организованные подобным образом, имеют структурную схему, представленную на рис. 1.4. 3 Объект управления Силовая часть привода- Управляющая часть привода
Поток информации [^)
Информационная подсистема
и
Энергообеспечивающая подсистема управляющей части привода
CD    . CD    О X q    CD Ф    3 5    §
Логико- вычислительная подсистема Исполнительная подсистема Направляющая регулирующая подсистема Энергообеспечивающая подсистема
2. Физические основы функционирования гидросистем В гидроприводах и системах применяются различные рабочие жидкости, физические свойства которых удовлетворяют условиям эксплуатации. Несмотря на существенные отличия свойств, процессы и явления, происходящие в различных жидкостях в состоянии равновесия или движения, подчиняются единым физическим законам. Раздел механики, в котором изучают равновесие и движение жидкости, а также силовое взаимодействие между жидкостью и обтекаемыми ею телами или ограничивающими ее поверхностями, называют гидромеханикой. Науку о законах равновесия и движения жидкостей и о способах приложения этих законов к решению конкретных технических задач называют гидравликой. В гидравлике рассматривают, главным образом, потоки жидкости, ограниченные и направленные твердыми стенками, т.е, течения в открытых и закрытых каналах — в руслах рек, в трубопроводах, в элементах гидромашин и других устройствах, внутри которых протекает жидкость4. При этом к понятию «жидкость» относят все тела, для которых свойственна текучесть, т.е. способность сильно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил. Таким образом, под термином «жидкость» понимают как обычные жидкости, называемые капельными, так и газы. Для капельных жидкостей характерным является то, что они, будучи в малом количестве, под действием сил поверхностного натяжения принимают сферическую форму, а в большом количестве — обычно образуют свободную поверхность раздела с газом. Важной особенностью капельных жидкостей является и то, что они ничтожно мало изменяют свой объем при изменении давления, поэтому их обычно считают несжимаемыми. Газы, наоборот, могут значительно уменьшаться в объеме под действием давления и неограниченно расширяться при его отсутствии, т.е. они обладают большой сжимаемостью. В дальнейшем под термином «жидкость» будем понимать именно капельную жидкость. В начале своего развития гидравлика представляла собой теоретическую науку — математическую механику жидкости или гидромеханику. Используя сложный математический аппарат и принимая некоторые допущения в отношении физических свойств жидкости, эта наука рассматривала движение жидкости по упрощенным схемам. Но методы математической гидромеханики не позволили решить целый ряд практических задач. В связи с этим стала развиваться практическая наука — техническая механика жидкости, решающая инженерные задачи методом упрощения гидравлических явлений, но с введением в теоретические уравнения поправочных коэффициентов, полученных в результате эксперимента. В современной гидравлике для достоверного математического описания исследуемых явлений используют как чисто теоретические методы, основанные на применении законов механики, так и зависимости, полученные экспериментальным путем. Поэтому различие в методах этих двух ветвей одной и той же науки постепенно исчезает. Современная гидравлика представляет собой самостоятельную, сформировавшуюся отрасль знаний, находящую применение в различных областях техники. 2.1. Силы, действующие в жидкости. Давление Вследствие текучести (подвижности частиц) в жидкости не действуют сосредоточенные силы, а только непрерывно распределенные по ее объему или поверхности. В связи с этим силы, действующие на объем жидкости и являющиеся по отношению к ней внешними, разделяют на объемные (массовые) и поверхностные. К объемным силам относятся силы тяжести и силы инерции, а к поверхностным — силы, обусловленные воздействием соприкасающихся с жидкостью тел (твердых или газообразных) или же соседних объемов жидкости, Далее более подробно остановимся на рассмотрении поверхностных сил, поскольку, согласно третьему закону Ньютона, жидкость действует на соприкасающиеся с нею тела с такими же силами, но в противоположном направлении. В общем случае поверхностная сила R, действующая на площадке А, направлена под некоторым углом к ней, и ее можно разложить на нормальную Fm тангенциальную Гсоставляющие (рис. 2.1). Первая называется силой давления, а вторая — силой трения. Массовые и поверхностные силы в гидромеханике рассматривают в виде единичных сил, отнесенных к единице массы и единице площади соответственно. Таким образом, единичная поверхностная сила, называемая напряжением поверхностной силы, раскладывается на нормальное р и касательное напряжения t. Нормальное напряжение, т.е. напряжение силы давления, называется гидромеханическим давлением, или просто давлением. Давление. Давление является одним из важнейших физических параметров, используемым, как в расчетных целях, например для определения расхода, количества энергии жидкости, так и для контроля и прогнозирования безопасных и эффективных гидравлических режимов работы элементов гидросистем. Итак, давлением р называют отношение абсолютной величины нормального, т.е. действующего перпендикулярно к поверхности тела, вектора силы F к площади этой поверхности А: Поскольку в международной системе единиц СИ (см. приложение П1.1) единицей площади является м2, а единицей силы — Н (ньютон), то единицей измерения давления будет Н/м2. Эта единица носит название паскаль и обозначается Па: 1 Па = 1 Н/м2. Давление измеряют в различных единицах (см. приложение П1.2), однако следует применять единицу измерения паскаль [Па], а также производные от нее, такие как килопаскаль [кПа = 103 Па], мегапаскаль [МПа = 106 Па] и т.п.; в виде исключения используют бар [бар]: 1 бар ~ 105 Па - 102 кПа = 0,1 МПа. На практике давление могут измерять относительно двух различных уровней (рис. 2.2): ■    уровня абсолютного вакуума, или абсолютного нуля давления — идеализированного состояния среды в замкнутом пространстве, из которого удалены все молекулы и атомы вещества среды; ■    уровня атмосферного, или барометрического, давления (ГОСТ 8.271-77). Атмосферным давлением называют давление атмосферного воздуха на находящиеся в нем предметы и на земную поверхность и обозначаютра1М. В каждой точке атмосферы атмосферное давление определяется весом вышележащего столба воздуха; с высотой его значение уменьшается. Атмосферное давление меняется в зависимости от погодных условий и географического положения местности; на уровне моря его значение колеблется от 0,098 до 0,104 МПа (от 0,98 до 1,04 бар). Среднее значение ратм составляет 0,101325 МПа (1,01325 бар). |^изб2
Р абс Р атм ~*~Р изб __
Р изб
р И3б1
\
105
Ръък/у
Область изменения атмосферного давления
Р абс Ратм " Рвак атм
/“
Абсолютный вакуум 0 Рис. 2.2. Системы отсчета давления Давление, измеряемое относительно абсолютного вакуума, называют абсолютным давлениемра6с (атмосферное давление — это абсолютное давление земной атмосферы). Давление, которое больше или меньше атмосферного, но измеряется относительно атмосферного, называют соответственно избыточным давлением/>из6 или вакуумметрическим давлениемрвак (давлением разрежения). Разность двух отличных от атмосферного давлений, одновременно измеряемых в различных процессах или двух точках одного процесса, называют дифференциальным давлением ртф. Диапазон давлений, измеряемых в технике, составляет 17 порядков: от 10-8 Па — в электровакуумном оборудовании до 103 МПа — при обработке металлов давлением. Для прямого измерения избыточного давления с отображением его значения непосредственно на шкале, табло или индикаторе первичного измерительного прибора применяются манометры (ГОСТ 8.271-77). За нулевую точку шкалы манометров принимают атмосферное давление. Для измерения вакуума используют вакуумметры, шкала которых проградуирована от 0 до -1 бар. Приборы, измеряющие вакуум и избыточное давление, называют мановакуумметрами. Дифференциальное давление измеряют специальными дифференциальными манометрами. 2.2. Основные свойства жидкостей Плотность. Плотностью р [кг/м3] называют отношение массы жидкости т [кг] к объему Г[м3], который эта масса занимает: Удельный вес. Удельным весом у [Н/м3] называют вес единицы объема жидкости:

где G — вес жидкости в объеме V Поскольку G = mg, плотность и удельный вес связаны между собой соотношением: _ т _ G у Сжимаемость. Свойство жидкости изменять объем под действием давления называют сжимаемостью. Сжимаемость характеризуется коэффициентом объемного сжатия рр [Па ~1], который представляет собой относительное изменение объема, приходящееся на единицу давления: где V, — начальный объем, м3, А V— изменение объема, м3; А р— изменение давления, Па. Величина, обратная коэффициенту рр, носит название объемного модуля упругости (модуля сжимаемости) £[Па]. Для капельных жидкостей модуль Енезначительно уменьшается с увеличением температуры и возрастает с повышением давления. Для воды он составляет при атмосферном давлении приблизительно 2 ООО МПа, для минеральных масел — 1 400... 1 700 МПа. Следовательно, при повышении давления на 0,1 МПа, объемы этих жидкостей уменьшатся всего на 1/20 000 и на 1/12 000 части соответственно, что дает основание считать капельные жидкости несжимаемыми, т.е. считать плотность жидкостей независимой от давления. Температурное расширение. Температурное расширение характеризуется коэффициентом объемного расширения pr[K _1], который представляет собой относительное изменение объема при изменении температуры Г на 1 К при постоянном давлении: Коэффициент р7 воды, находящейся под давлением 0,1 МПа, возрастает от 14 10-6 до 700-10'6 с увеличением температуры от 0 до 100 °С. Для минеральных масел в диапазоне давлений от 0 до 15 МПа рг можно в среднем принимать равным 8 10-4. При обычных гидравлических расчетах температурное расширение жидкостей, как правило, не учиты- Вязкость. Свойство жидкостей оказывать сопротивление сдвигу (скольжению) слоев жидкости называют вязкостью. Вязкость — свойство противоположное текучести (степени подвижности частиц жидкости); более вязкие жидкости менее текучие и наоборот. Наличие вязкости приводит к тому, что при течении жидкости вдоль твердой стенки происходит торможение потока (рис. 2.3). Рис. 2.3. Профиль скоростей при течении вязкой жидкости вдоль стенки
Скорость v движения слоев жидкости уменьшается по мере приближения к стенке вплоть до нуля. Между слоями жидкости, движущимися с разными скоростями, происходит проскальзывание, сопровождающееся возникновением касательных напряжений (напряжений трения).
У Величина касательных напряжений т [Па] зависит от рода жидкости и характера ее течения, и при слоистом течении (рис 2.3) определяется следующим соотношением: т = ц—, где ц — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом динамической вязкости; Av — приращение скорости, м/с; А у— приращение координаты, м. Помимо коэффициента динамической вязкости ц вязкость может быть охарактеризована и коэффициентом кинематической вязкости v: Единицей измерения коэффициента динамической вязкости ц, является паскаль-секунда [Па с] Используется также единица измерения пуаз [П] системы единиц СГС5: 1 П = 0,1 Па с. Единицей коэффициента кинематической вязкости v служит м2/с; применяют также единицу СГС стокс [Ст]: 1 Ст = 1 см2/с = 1СН м2/с. Сотая доля стокса называется сантистоксом (сСт). Вязкость зависит от температуры, причем характер этой зависимости для жидкостей и газов различен: вязкость жидкостей с увеличением температуры уменьшается, тогда как вязкость газов, наоборот, увеличивается (рис. 2.4). V, см2/с Рис. 2.4. Зависимость кинематической вязкости от температуры Это объясняется различием природы вязкости в жидкостях и газах. В жидкостях молекулы расположены гораздо ближе друг к другу, чем в газах, и вязкость вызывается силами молекулярного сцепления. Эти силы с увеличением температуры уменьшаются, поэтому вязкость падает. В газах же вязкость обусловлена, главным образом, беспорядочным тепловым движением молекул, интенсивность которого увеличивается с повышением температуры. Вязкость жидкостей зависит также и от давления, однако эта зависимость существенно проявляется лишь при относительно больших изменениях давления (в несколько десятков мегапаскалей). С увеличением давления вязкость большинства жидкостей возрастает. Вязкость жидкостей измеряют при помощи вискозиметров. Наиболее распространенным является вискозиметр Энглера, который представляет собой сосуд диаметром 106 мм, с короткой трубкой диаметром 2,8 мм, встроенной в дно. Время t истечения 200 см3 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 условных единицах — в градусах Энглера: 1 °Е = —, где /вод = 51,6 с. Методов точного перевода условных единиц вязкости в абсолютные не существует, пересчет производится по эмпирическим формулам и таблицам. Так пересчет градусов Энглера в стоксы для применяемых в гидросистемах минеральных масел осуществляют по формуле Пересчет градусов Энглера в абсолютные единицы вязкости для распространенных в гидросистемах жидкостей может быть проведен и по упрощенной формуле: ц = 0,00065° £. Испаряемость. Испаряемость свойственна всем капельным жидкостям, однако ее интенсивность зависит от свойств конкретной жидкости, а также условий, в которых она находится. Одним из показателей, характеризующих испаряемость жидкости, является температура ее кипения при нормальном атмосферном давлении — чем выше температура кипения, тем меньше испаряемость жидкости. В гид росистемахжид кости обычно находятся под избыточным давлением, поэтому испаряемость характеризуют давлением насыщенных паров, т,е. давлением, при котором данная жидкость, имеющая некую температуру, закипает. Поверхностное натяжение. На поверхности раздела жидкости и газа действуют силы поверхностного натяжения, стремящиеся придать жидкости сферическую форму и вызывающие некоторое дополнительное давление. Однако это давление сказывается лишь при малых объемах жидкости. Растворимость газов в жидкостях. Все жидкости обладают способностью растворять газы. Количество растворенного газа, например воздуха, в единице объема жидкости увеличивается с увеличением давления и температуры. При понижении давления или температуры жидкости, газ, находившийся в ней в дисперсном состоянии, начинает бурно выделяться в виде пузырьков. Выделившиеся пузырьки образуют механическую смесь газа с жидкостью, которая отрицательно сказывается на работе гидросистем вследствие увеличения сжимаемости рабочего тела. На время растворения газов в жидкости влияет величина поверхности соприкосновения этих двух сред. Так при вспенивании жидкости величина этой поверхности сильно увеличивается и время насыщения жидкости газом может уменьшиться до нескольких минут вместо нескольких часов, как это наблюдается в жидкостях со спокойной поверхностью. Наличие растворенного в жидкости газа влияет на ее вязкость — чем больше в жидкости растворенного газа, тем меньше ее вязкость. Образование пены. При эксплуатации гидросистем может образоваться пена, которая состоит из пузырьков воздуха различного размера. Пена понижает смазывающую способность масла, а также вызывает коррозию деталей гидравлических агрегатов и окисление масла. Устойчивая пена превращается со временем в вязкие включения, которые откладываются на внутренних поверхностях гидроагрегатов и могут нарушить их нормальную работу. Пена образуется, как правило, тем интенсивнее, чем ниже поверхностное натяжение и давление насыщенного пара жидкости. Такие условия возникают при добавлении в жидкость даже небольшого (менее 0,1 % по весу) количества свободной или растворенной воды Сопротивление растяжению. Согласно молекулярной теории сопротивление растяжению внутри жидкости может быть весьма значительным — теоретическая прочность воды на разрыв равна 1,5 Ю8 Па. Реальные жидкости менее прочны. Максимальная прочность на разрыв тщательно очищенной воды, достигнутая при растяжении воды при 10 °С, составляет 2,8107 Па, а технически чистые жидкости не выдерживают даже незначительных напряжений растяжения. Так, попытка выдвинуть поршень из полностью заполненного жидкостью цилиндра, приводит к тому, что жидкость при этом «разрывается» — в ней образуются полости в виде пузырьков, заполненных насыщенными парами жидкости и растворенным газом (чаще всего воздухом) (рис 2.5). Рис. 2.5. Пример появления кавитации Обычно разрыв возникает при давлениях, лишь немного меньших давления насыщенного пара. Низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием в них так называемых кавитационных зародышей: микроскопических газовых пузырьков, твердых частиц с трещинами, заполненными газом, и др. Появление в жидкости паровоздушных пузырьков называется кавитацией. Сжимаемость жидкости, содержащей паровоздушную смесь, значительно возрастает. Сопротивление жидкостей растяжению уменьшается с увеличением растворенного в них газа и увеличивается после спрессовывания их давлением, а также в результате выдержки времени. Теплопроводность и теплоемкость. Для поглощения, отвода и последующего рассеивания теплоты, выделяющейся при работе гидросистемы, необходимо, чтобы рабочие жидкости обладали высокими показателями теплопроводности и теплоемкости. Теплопроводность — свойство материала передавать теплоту через свою толщу от одной поверхности к другой, если эти поверхности имеют разную температуру Численной характеристикой теплопроводности материала является коэффициент теплопроводности. Коэффициент теплопроводности жидкостей \ зависит от температуры и равен количеству теплоты, которое проходит за единицу времени через единицу площади поверхности на единицу толщины слоя, 'К, =0(1 + 0,0120, где a — коэффициент, зависящий от сорта жидкости (для минеральных масел a = 0,0003 — 0,00027). Для практических расчетов можно принимать \ = 0,136 Вт/(м°С). Теплоемкость — свойство материала при нагревании поглощать теплоту, а при охлаждении - отдавать ее. Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость с (количество теплоты, необходимое для повышения температуры единицы массы на 1 °С). Для минеральных масел с = 1,88...2,1 кДж/(кг °С). 2.3. Основы гидростатики Гидростатикой называют раздел гидромеханики, в котором рассматривают законы, действующие в жидкостях, находящихся в состоянии относительного покоя, т.е. когда отсутствуют перемещения частиц жидкости относительно друг друга. Поскольку жидкости практически не способны сопротивляться растяжению, на неподвижную жидкость из поверхностных сил могут действовать только силы давления, причем на внешней поверхности рассматриваемого объема6 силы давления всегда направлены по нормали внутрь объема жидкости и, следовательно, являются сжимающими. Таким образом, в неподвижной жидкости возможен только один вид напряжения — напряжение сжатия, т.е. гидростатическое давление, основным свойством которого является то, что в любой точке жидкости давление по всем направлениям одинаково. Рассмотрим условие равновесия объема V жидкости ограниченного цилиндром, в основании которого находится некоторая произвольная точка М, расположенная на глубине h (рис. 2.6, а).
Р°~ А ~ дА Рис. 2.6. Схемы для рассмотрения вопросов гидростатического давления Так как на свободную поверхность жидкости, находящуюся в сосуде, действует давление /?0, то на рассматриваемый объем в проекции на вертикаль действуют силы: p0AA + G = рАА, где G = Vpg — вес выделенного цилиндра жидкости; АЛ — площадь основания цилиндра; р — давление в точке М. Силы давления на боковую поверхность цилиндра в уравнение не входят, поскольку они нормальны к вертикали. Подставив математическое выражение для G, и перегруппировав члены, уравнения, получим P = P0+Pgh. Данное уравнение называют основным законом гидростатики: абсолютнбе давление в любой точке покоящейся жидкости равно сумме давления на свободной поверхности и давления, созданного весом столба жидкости над данной точкой. Основной закон гидростатики позволяет подсчитать давление в любой точке покоящейся жидкости. Величина р0 является одинаковой для всех точек объема жидкости, поэтому, учитывая основное свойство гидростатического давления, можно утверждать, что внешнее давление на поверхность А жидкости, равное отношению нормальной составляющей суммы сил F, приложенных извне, к площади поверхности А, передается всем точкам этой жидкости и по всем направлениям одинаково. Это положение называют законом Паскаля (рис. 2.6, б). Закон Паскаля лежит в основе принципа действия множества гидравлических устройств и машин в которых реализуются преобразование силы, перемещения и давления. Преобразование силы. Рассмотрим принцип действия гидравлического домкрата (рис. 2.7, а). Если к нагнетательному поршню А, площадь которого равна Аь приложить силу F-,, то в жидкости появится давление р =F^IAV Это же давление действует на поршень В, площадь которого равна А2: р =F2IA2, следовательно: Fl F2 F2A2    А2 р = — = —; — = —; = F. A1 А2 F, А,    'Л, Таким образом, приложив к нагнетательному поршню А малые силы, можно за счет большей площади рабочего поршня В, получить на нем силы большей величины. Р \ t t
ч
и I п н н Н' Рис. 2.7. Преобразование силы и перемещения Преобразование перемещений. Давление в рассмотренной системе всегда соответствует нагрузке и площади, на которую она действует. Если сила будет такой, что сила давления на поршень В окажется больше нагрузки Р2, то поршни начнут перемещаться (рис. 2.7, б). Поршень А, опустившись на расстояние 1Л выдавит под поршень В объем жидкости V=A^lb который поднимет его на высоту l2— VIА2. Таким образом, перемещения поршней обратно пропорциональны их площадям: / А у - А I - А I ■ _L ~ v -л212, ! - д ■ Преобразование давлений. Устройство для повышения давления жидкости, состоящее из двух соединенных между собой цилиндров разного диаметра называют гидравлическим мультипликатором (рис. 2.8). Давление ^.действующее на поршень площадью Av создает на нем силу F которая передается на поршень площадью А2, в результате чего под ним возникает давление р2. Pi Д    А F = PA=P2Aг\ - = -7-’ Pi=Pi^r-РХ 2    2 Отношение величин входного и выходного давлений в мультипликаторе обратно пропорционально отношению площадей его поршней. Простейшим прибором для измерения давления является пьезометр, представляющий собой вертикально установленную прозрачную трубку, верхний конец которой открыт в атмосферу, а нижний присоединен к емкости, в которой измеряется давление. Высоту Лр столба данной жидкости, соответствующую давлению р в данной точке, называют пьезометрической высотой; Если на свободную поверхность жидкости действует атмосферное давление (рис. 2.9, а), то пьезометр показывает высоту столба жидкости над точкой подключения пьезометра, т.е. фактически выполняет функцию уровнемера. Рис. 2.9. Измерение давления с помощью пьезометра Если в емкости создать избыточное давление /?изб= F/А (рис. 2.9, б), то уровень жидкости в пьезометре поднимется на высоту #изб: IT _ Р\Лзб При этом давление жидкости на уровне подключения пьезометра к емкости будет равно P = h0pg+H^6pg = hpPg, где Л о — глубина подсоединения пьезометра. Если в емкости создать вакуум (рис. 2.9, в), то пьезометрическая высота Лр окажется ниже уровня жидкости в этой емкости на величину Нвак. Измерения посредством пьезометра проводят в единицах длины, поэтому значения давления могут быть выражены в единицах высоты столба определенной жидкости. Например, одно’й технической атмосфере соответствуют р _ 100 ООО Рвод<Г 1 ООО 10 .    и    Ши UUU л f,    - .    ч h} = —-— = .    = 10 м водяного столба (вод. ст.);
, р 100 000 , ч h2 = —— =-= 0,735 мм ртутного столба (рт. ст.). ppjg 13 600 10 Пьезометры просты по конструкции и обеспечивают высокую точность измерений, однако их нельзя использовать для замеров давлений в промышленных гидросистемах, поскольку рабочие жидкости в них находятся под давлениями во много раз превышающими атмосферное. Так для измерения давления воды всего в 1 МПа потребуется пьезометр высотой 100 м. 2.4. Основы гидродинамики Гидродинамика — раздел гидромеханики, в котором изучаются движение несжимаемых жидкостей и их взаимодействие с твердыми телами. Для описания течения жидкостей с применением современного математического аппарата, в качестве объекта исследования используют абстрактную, не существующую в природе абсолютно несжимаемую и невязкую жидкость, которую называют идеальной жидкостью. Описание течения реальных жидкостей производится на основании математических моделей, составленных для идеальной жидкости, с введением в них корректирующих поправок. Течение жидкости может быть установившимся (стационарным) и неустановившимся (нестационарным). Установившимся называют течение жидкости, при котором давление и скорость зависят от координат рассматриваемой точки и не зависят от времени. Давление и скорость могут изменяться по пути следования частицы жидкости, но в конкретно взятой точке эти параметры остаются неизменными. Траектории частиц жидкости при установившемся течении остаются неизменными во времени. Неустановившимся называют течение жидкости, параметры которого (все или некоторые) в рассматриваемых точках изменяются во времени. При неустановившемся течении траектории различных частиц, проходящих через данную точку пространства, могут иметь разную форму. Поскольку исследование установившихся течений гораздо проще, чем неустановившихся, в дальнейшем будем рассматривать установившиеся течения. Для рассмотрения картины течения, возникающей в каждый данный момент времени, вводится понятие линии тока. Линией тока называют кривую, в каждой точке которой вектор скорости в данный момент времени направлен по касательной (рис. 2.10, а). При установившемся течении линия тока совпадает с траекторией частицы жидкости и не изменяет своей формы с течением времени. Если в движущейся жидкости выделить бесконечно малый замкнутый контур и через все его точки провести линии тока, то образуется трубчатая поверхность, называемая трубкой тока. Часть потока, заключенную внутри трубки тока, называют элементарной струйкой (рис. 2.10, б). В любой точке трубки тока векторы скорости направлены по касательной, следовательно, при установившемся движении ни одна частица жидкости, ни в одной точке трубки тока не может проникнуть внутрь струйки или выйти наружу. Потоки конечных размеров будем рассматривать как совокупность элементарных струек, т.е, будем предполагать течение струйным. Из-за различия скоростей соседние струйки будут скользить одна подругой, но не будут перемешиваться между собой. Сечениями потока жидкости принято называть поверхности, нормальные линиям тока. При параллельно-струйном течении сечения представляют собой плоскости, перпендикулярные направлению движения жидкости. Различают напорные и безнапорные течения жидкости. Напорными называют течения в закрытых руслах без свободной поверхности, а безнапорными — течения со свободной поверхностью. Примерами напорного течения могут служить течения в трубопроводах, гидромашинах, гидроаппаратах. Безнапорными являются течения в реках, открытых каналах. В данном пособии рассматриваются напорные течения жидкости. 2.4.1. Расход Расходом называют количество жидкости, протекающее через сечение потока в единицу времени. В зависимости от единиц измерения этого количества различают объемный, весовой и массовый расходы. При расчетах гидравлических систем обычно пользуются объемным расходом жидкости. В технической литературе объемный расход обозначают латинской буквой Q (или Qv) и определяют из соотношения где Q— объемный расход, м3/с; V— объем, м3; / — время, с. При установившемся течении идеальной жидкости, например по трубопроводу, эпюра скоростей в произвольном сечении 1-1 будет иметь прямоугольную форму (рис. 2.11, а).
Рис. 2.11. Эпюры распределения скоростей идеальной (а) и реальной (б) жидкостей Равенство скоростей течения различных слоев идеальной жидкости является следствием отсутствия сил трения между ними, т.е. отсутствием вязкости. Через некоторое время t все частицы жидкости, находящиеся в сечении 1-1, площадь которого равна А, сместятся на расстояние /, и займут новое положение в сечении 2-2. Это означает, что за время / через сечение 1-1 пройдет объем жидкости V =А /, т.е. объемный расход составит: л v Al А Q = — = — =vA, t 1 где v — скорость потока в сечении, м/с; А — площадь поперечного сечения, м2. Таким образом, при течении идеальной жидкости существует зависимость, связывающая основные кинематические и геометрические параметры потока в конкретном сечении: объемный расход Q, скорость жидкости v и площадь сечения А. Скорости движения слоев реальной жидкости будут различными по сечению потока, поскольку вязкость вызывает проскальзывание слоев относительно друг друга. Слои жидкости, взаимодействующие со стенками канала имеют практически нулевую скорость, а по мере удаления от стенки каждый последующий слой приобретает более высокую скорость. С максимальной скоростью перемещаются слои жидкости расположенные в центре потока (рис. 2.11, б). Для определения объемного расхода реальной жидкости по полученной выше формуле, вводят понятие средней скорости в сечении fcp, под которой понимают скорость, удовлетворяющую равенству: В прикладных расчетах гидросистем индекс «ср» и термин «средняя» обычно опускают и говорят о скорости в конкретном сечении потока, понимая при этом ее среднюю величину. Исходя из закона сохранения вещества, а также из предположения о сплошности (неразрывности) потока для установившегося течения несжимаемой жидкости, можно утверждать, что величины объемных расходов через любые сечения потока одинаковы (рис. 2.12). Рис. 2.12. Схема течения жидкости по трубе переменного сечения Это явление описывается уравнением неразрывности: =Арх =A2v2 =С?2 = const. Из полученного уравнения следует, что средние скорости в потоке несжимаемой жидкости обратно пропорциональны площадям сечений: Уравнение неразрывности позволяет определить среднюю скорость в любом сечении потока, например в сечении 2-2, геометрические размеры которого известны (площадь >42), если известны хотя бы одна средняя скорость потока и площадь его поперечного сечения, например, скорость v1 в сечении 1-1 площадью /4V 2.4.2 Уравнение Бернулли для потока идеальной жидкости Рассмотрим установившееся течение идеальной жидкости, находящейся под действием лишь одной массовой силы — силы тяжести, и выведем для этого случая основное уравнение, связывающее между собой давление в жидкости и скорость ее движения. Как было показано выше, при переходе жидкости с участка трубы с большим сечением на участок с меньшим сечением скорость течения возрастает, т.е. жидкость движется с ускорением Следовательно, на жидкость действует сила В горизонтальной трубе эта сила может возникнуть только из-за разности давлений в сечениях 1-1 и 2-2: давление в сечении 1-1 больше, чем в сечении 2-2, что и обеспечивает течение жидкости в данном направлении. Если участки трубы расположены на разной высоте, то ускорение жидкости вызывается совместным действием силы давления и силы тяжести. Применим к некоторому выделенному в потоке объему жидкости массой т теорему механики о том, что работа сил, приложенных к телу, равна приращению кинетической энергии этого тела (рис. 2.13). Рис. 2.13. К выводу уравнения Бернулли При перемещении выделенного объема жидкости из сечения 1-1 в сечение 2-2 за время t силы давления совершают работу Ар. Ар =РХА{1{ ~p2A2l2 = plAivlt-p2Ap2t = plVl-p2V2=pl™-p2™. Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии положения выделенного объема: Ag = mgzx -mgz2. Приращение кинетической энергии равно Е =то\ mv\ 1 1 2 2 Таким образом, Ар +Ag = Е2- Ех. Отсюда следует р1т    mvl mv? —---^- + mgz{ ~mgz2 =-zA—zL Разделив все члены уравнения нат.и сгруппировав члены, относящиеся к первому сечению, в левой части уравнения, а члены, относящиеся ко второму сечению, в правой, получим уравнение Бернулли цля идеальной несжимаемой жидкости, записанное в энергетической форме: Р\ Vl    Pl V2 gz, + —+^- = 8Z 2+-+-^-, p 2    P 2 где gz— удельная энергия* положения (g = 9,8 м/с2 — ускорение свободного падения), pip — удельная энергия давления; о2/ 2 — удельная кинетическая энергия. Таким образом, энергетический смысл уравнения Бернулли для потока идеальной жидкости заключается в постоянстве вдоль потока полной удельной энергии жидкости, т.е. выражает закон сохранения механической энергии в идеальной жидкости. Механическая энергия движущейся жидкости может иметь три формы: Удельная энергия — энергия, отнесенная к единице массы. энергия положения, давления и кинетическая энергия. Первая и третья формы механической энергии известны из механики и в равной степени свойственны твердым и жидким телам. Энергия давления является специфической для движущихся жидкостей. В процессе движения идеальной жидкости одна форма энергии может превращаться в другую, однако величина полной удельной энергии жидкости остается неизменной. Разделив все члены уравнения Бернулли на g, получим другую форму его записи: Pi ® I Pj ® 2 г, + —+^- = г2+ —+ Т1, рg 2 g pg 2 g где z — геометрическая высота, или геометрический напор; pl(pg) — пьезометрическая высота, или пьезометрический напор; v2l(2g) — скоростная высота, или скоростной напор. Трехчлен вида Р v2 „ z + — + — = H Pg 2 g называют полным напором. Очевидно, что для идеальной движущейся жидкости сумма трех напоров (высот): геометрического, пьезометрического и скоростного есть величина постоянная вдоль потока (рис. 2.14). Пьезометрическая линия Рис. 2.14. Графическая иллюстрация уравнения Бернулли для потока идеальной жидкости Замер напоров в трех сечениях трубы переменного сечения осуществляется-пьезометрами и трубками Пито. Напомним, что пьезометры служат для измерения пьезометрического напора р /(pg). Трубки Пито, представляющие собой изогнутые трубки, отверстия которых расположены перпендикулярно линиям тока жидкости, а противоположные колена ориентированы вертикально, показывают полный, за исключением геометрического, напор, т.е. pl(pg) + v2l(2g). Разность показаний трубок Пито и пьезометров представляют собой скоростной напор v2 l(2g) в данном сечении. Линию изменения пьезометрических высот называют пьезометрической линией, ее можно рассматривать как геометрическое место уровней в пьезометрах, установленных вдоль потока. Штриховой линией на рис. 2.14 показана пьезометрическая линия при увеличении расхода жидкости в л/2 раз, вследствие чего скоростные высоты увеличиваются в 2 раза, а в узкой части потока давление становится меньше атмосферного. В ряде случаев удобно применять форму записи уравнения Бернулли, в которой члены уравнения имеют размерность давления: pv?    pv2 pgz, +j>x+~y = pszi +Pi +-^-, где pgz — весовое давление; p — гидромеханическое давление (или просто давление); pv2! 2 — динамическое давление7. 2.4.3. Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости При течении реальной жидкости между ее слоями возникает трение, что приводит к существенной неравномерности распределения скоростей по сечению потока, а также к потерям энергии при перемещении жидкости от одного сечения к другому (рис. 2.15). Уравнение Бернулли для потока реальной (вязкой) жидкости будет иметь следующий вид: 2 2 Р\    I    Р2 ^ср2 Р£ 2 g    pg 2 g где — коэффициент Кориолиса, учитывающий неравномерность распределения скоростей по сечению потока; ^/гп — суммарные потери полного напора (гидравлические потери). Коэффициент Кориолиса представляет собой отношение действительной кинетической энергии потока в данном сечении к кинетической энергии того же потока и в том же сечении, но при равномерном распределении скоростей. При равномерном распределении скоростей (поток идеальной жидкости) =1, а в потоках реальной жидкости коэффициент Кориолиса обычно лежит в пределах 1    2. Величина потерь напора (удельной энергии) определяется многими факторами: площадью поперечного сечения и длиной трубопровода, шероховатостью его внутренней поверхности, наличием местных сопротивлений, скоростью и режимом течения, вязкостью жидкости. Потери энергии при течении жидкости принято делить на две группы: потери на трение подлине Атр и местные потери Лм (рис. 2.16). Потери на трение по длине Атр — это потери энергии, которые в чистом виде возникают в прямых трубах постоянного сечения, т.е. при равномерном течении, и возрастают пропорционально длине трубы. Данные потери обусловлены не только трением жидкости о стенки канала, но и трением слоев жидкости между собой, а потому имеют место не только в шероховатых, но и в гладких трубах. Местные потери hM — это потери в местных (локальных) гидравлических сопротивлениях, вызывающих деформацию потока, изменение его скорости и вихреобразование. Суммарная потеря полного напора на участке между начальным и конечным сечениями складывается из потерь удельной энергии во всех гидравлических сопротивлениях, расположенных на рассматриваемом участке потока. 2.4.4. Режимы течения жидкости Экспериментальные исследования потоков реальной жидкости показывают, что процессы, происходящие в них, существенно зависят от характера течения. Различают два режима течения жидкостей: ламинарный (рис. 2.17, а) и турбулентный (рис. 2.17, б). Ламинарное течение характеризуется упорядоченным (слоистым) движением без перемешивания частиц жидкости и без пульсаций скоростей и давлений. Когда скорость движения превысит некоторую критическую величину, слои начинают перемешиваться, образуются вихри; течение становится турбулентным, возрастают потери энергии. При течении жидкости по трубопроводу переход от ламинарного режима к турбулентному наблюдается в тот момент, когда осредненная по сечению трубы скорость движения потока становится равной критической vKp. Как показывает эксперимент, критическая скорость прямо пропорциональна кинематической вязкости v жидкости и обратно пропорциональна внутреннему диаметру d трубы: где к — коэффициент пропорциональности; v — кинематическая вязкость жидкости, м2/с; d — внутренний диаметр трубы, м. Экспериментально был установлен и тот факт, что смена режима течения любой жидкости по трубе любого диаметра имеет место лишь при определенном значении безразмерного коэффициента к. Данный коэффициент называют критическим числом Рейнольдса: и    __d Для труб круглого сечения ReKp » 2 300. Число Рейнольдса используют для описания режима течения: г> d vpd v ц Значение числа Рейнольдса позволяет судить о характере течения жидкости по трубе: ■    ламинарное течение Re < 2 300; ■    турбулентное течение Re > 2 300. Таким образом, зная скорость движения потока, вязкость жидкости и внутренний диаметр трубы, можно найти число Рейнольдса и, сравнив его с величиной ReKp, определить режим течения жидкости. Результаты экспериментов показывают, что сразу после разрушения ламинарного течения устойчивого турбулентного течения еще не появляется. Развитое турбулентное течение устанавливается при Re > 4 000. Если значение Re уменьшается и оказывается ниже ReKp, турбулентное течение не сразу становится ламинарным. Устойчивое ламинарное течение жидкости снова достигается лишь при значении Re = 0,5 ReKp Исходя из того, что законы распределения скоростей по сечению трубы при ламинарном и турбулентном режимах течения жидкости различны, коэффициент Кориолиса, учитывающий неравномерность распределения скоростей в уравнении Бернулли, принимает разные значения: ■    для ламинарного течения а = 2; I для турбулентного течения а = 1. 2.4.5. Потери энергии в гидросистемах Все элементы гидравлических систем оказывают то или иное сопротивление движению жидкости, что приводит к потерям энергии, которые принято называть гидравлическими потерями. В общем случае формулу для подсчета гидравлических потерь между двумя произвольно выбранными сечениями можно получить из уравнения Бернулли для потока реальной жидкости: +^ + a,^)-fe2+A. + cl;^). Pg 2 g    pg 2 g Для анализа влияния, которое оказывают потери на параметры потока, сгруппируем однотипные члены уравнения: PS Pg 2 g 2 g Нетрудно заметить, что для горизонтальных труб => Z2) постоянного диаметра (и1 = v2) уравнение примет РГ Pg Pg где Ар = Р1-Р2 — перепад давления между двумя сечениями. Из полученного уравнения следует, что гидравлические потери приводят к уменьшению давления в потоке жидкости. Они не могут вызывать изменения скоростей, которые определяются кинематическим соотношением — уравнением неразрывности, и, тем более, влиять на геометрические высоты. Как показывают опыты, во многих случаях гидравлические потери пропорциональны скорости течения жидкости во второй степени, поэтому в гидравлике принят общий способ выражения гидравлических потерь полного напора в линейных единицах: или в единицах давления АРп = PShn = С где С, — коэффициент потерь. Потери давления на трение по длине. Потери на трение по длине имеют достаточно сложную зависимость от средней скорости жидкости и подсчитываются по формуле Вейсбаха—Дарси- hjn — X--X— — Cm ^ d2g{ d тр Л    1 Лр =р dY’ где X — коэффициент Дарси (коэффициент потерь на трение по длине); / — длина трубы; d — диаметр трубы Значение коэффициента потерь на трение по длине / зависит от многих факторов, и в первую очередь от режима течения жидкости. Для ламинарных потоков Учитывая, что г> d Q 4Q Re=v-;v = — = находим aptp=p^^Ui28-8£-0; APjp=m-^Q. о a nd    nd Полученное выражение, отражает закон Пуазейля — при ламинарном режиме течения потеря давления на трение в трубах круглого сечения пропорциональна вязкости и расходу (а, следовательно, и скорости тече- ния) жидкости, в первой степени и обратно пропорциональна диаметру в четвертой степени. Ввиду сложности турбулентного течения и трудности его аналитического исследования, в большинстве случаев для практических расчетов пользуются экспериментальными данными. Для гидравлически гладких труб9 \ при 2300<Re<105 можно определять по полуэмлирической формуле Блазиуса: Для шероховатых труб зависит не только от числа Рейнольдса, но и от шероховатости внутренней поверхности труб А (рис. 2.18). Рис. 2.18. Зависимость Хт от Re и шероховатости труб Анализируя приведенные зависимости можно отметить следующие три области значений Re и d/А, отличающиеся друг от друга характером изменения коэффициента \ Первая область — область малых значения Re и больших значений d/А, где коэффициент ЛтОт шероховатости не зависит, а определяется лишь числом Re; это область гидравлически гладких труб. Во второй области коэффициент ^зависит одновременно от двух параметров—числа Re и отношения d/А. Третья область — область больших Re и малых d/А, где (при достижении некоторого предельного значения ReKp) коэффициент Хг не зависит от Re, а определяется лишь отношением d/А. Эту область называют областью автомодельности, или режимом квадратичного сопротивления, так как независимость коэффициента ^от Re означает, что потеря давления пропорциональна скорости во второй степени (см. формулу Вейсба-ха—Дарси). Для практических расчетов по определению потерь в трубах можно воспользоваться формулой А.Д. Альт-шуля А 68 d Re Хт =0,11
Характерные значения А, мм, для труб из различных материалов приведены ниже: Стекло...................................0 Трубы, тянутые из латуни, свинца, меди..............0...0,002 Высококачественные бесшовные стальные трубы.........0,06...0,2 Стальные трубы.......................................0,1...0,5 Чугунные асфальтированные трубы.................0,1 ...0,2 Чугунные трубы............................0,2...1,0 Подведем некоторые итоги: при ламинарном течении потеря давления на трение возрастает пропорционально скорости (расходу) в первой степени, т.е. линейно. При переходе к турбулентному течению заметны некоторый скачок сопротивления и затем более крутое нарастание величины Ар по кривой, близкой к параболе второй степени (рис. 2.19). Местные гидравлические потери. К местным сопротивлениям относят короткие участки трубопроводов, в которых происходит деформация потока, т.ё^ изменение скоростей движения жидкости по величине и/или направлению. Простейшими местными гидравлическими сопротивлениями являются: ■    расширение потока; ■    сужение потока; ■    поворот потока. Большинство местных сопротивлений, включая гидравлическую арматуру (вентили, краны, клапаны), представляет собой комбинации простейших местных сопротивлений. Как правило потери в местных сопротивлениях вызваны вихреобразованием и подсчитываются по формуле Вейсбаха h = г — АРм ~~ ~ С м 2 9 где v — средняя скорость жидкости в трубе, в которой установлено данное местное сопротивление. Из-за сложности процессов, происходящих в местных гидравлических сопротивлениях, теоретически найти удается только в отдельных случаях, большинство же значений этого коэффициента получено в результате экспериментальных исследований (рис. 2. 20).
Вход е резервуар С^=1 Закругленное колено (отвод)’ Выход из резервуара С =0,5 Колено VV
л =г Р pv Цм ^q0 j
Рис. 2.20. Потери в простейших местных сопротивлениях В гидравлических системах достаточно часто встречаются постеленное сужение потока, называемое кон-фузором и постепенное расширение потока, называемое диффузором. Эти местные сопротивления могут иметь достаточно большие длины, поэтому кроме потерь из-за вихреобразования, вызванного изменением геометрии потока, в них учитываются потери давления на трение по длине. Расчет потерь в конфузорах и диффузорах приводится в справочной литературе. Коэффициенты потерь для прямоугольных тройников представлены на рис. 2.21. Q

См = 1,0 — 2,5
См = 0,9 1,2
Q/2
Q/2
Q
Q/2 Q/2
См = 1.0 1,5
См = 0,5 0,6

Рис. 2.21. Коэффициенты См для прямоугольных тройников Общая потеря напора в магистрали равна сумме потерь в отдельных ее компонентах. При практических расчетах трубопроводов потерями, вызванными взаимным влиянием друг на друга близко расположенных местных сопротивлений, обычно пренебрегают. Энергия, теряемая жидкостью во время течения, не исчезает бесследно, а превращается в другую форму — тепловую. Процесс преобразования механической энергии в тепловую является необратимым, т.е. таким, обратное течение которого (превращение тепловой энергии в механическую) невозможно. 2.4.6. Течение жидкости в коротких каналах с дросселированием потока10 Особенностью течения жидкости через короткие каналы, например, отверстия или щели в тонкой стенке (диафрагму), является то, что запас потенциальной энергии жидкости в процессе течения превращается в основном в кинетическую энергию струи. Такой вид течения является одним из наиболее распространенных в гидроаппаратах. Под тонкой понимают стенку такой толщины, при которой вытекающая струя соприкасается лишь с передней кромкой отверстия и не касается его боковой поверхности (рис. 2.22). >\\\\Ч\ Рис. 2.22. Схема течения жидкости через отверстие в тонкой стенке (дросселирующую диафрагму) Опыт показывает, что длина участка, на котором происходит сжатие струи, может быть равна половине диаметра отверстия, следовательно, тонкой можно назвать стенку, толщина которой не больше диаметра отверстия: / < соотношение площади сжатого поперечного сечения струи к площади отверстия называют коэффициентом сжатия е: Для приблизительных расчетов коэффициент сжатия струи для случаев течения через круглое отверстие принимают равным е = 0,64. Расход Qжидкости через дросселирующее отверстие, при известном перепаде давлений Ар на нем, определяется по формуле, являющейся одной из основных среди применяемых в технических приложениях при расчетах разнообразных дроссельных устройств. где ц — коэффициент расхода; А — площадь отверстия; Ар = /?1 — р2 — перепад давления на отверстии. Коэффициент расхода равен произведению Ц = £ф, где ф — коэффициент скорости, учитывающий разницу теоретической скорости vT истечения идеальной жидкости при напоре Н и фактической скорости v реальной жидкости: где vт =^2gH. Коэффициент расхода ц для конкретного дросселирующего отверстия обычно принимают по экспериментальным данным, представленным в зависимости от числа Рейнольдса (рис. 2 23). 2.4.7. Кавитация Кавитацией называется образование в капельной жидкости полостей, заполненных паром, газом, или их смесью (так называемых кавитационных пузырьков или каверн). Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения ркр (в реальной жидкости ркр приблизительно равно давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре). Если понижение давления происходит вследствие больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то кавитация называется гидродинамической, а если вследствие прохождения звуковых волн большой интенсивности — акустической. Гидродинамическая кавитация обычно возникает в результате местного понижения давления, вызванного возникновением больших местных скоростей в потоке. Мельчайшие пузырьки газа или пара, двигаясь с потоком и попадая в область давления р < ркр, сильно расширяются в результате того, что давление содержащегося в них пара и газа оказывается больше, чем суммарное действие поверхностного натяжения и давления в жидкости. В результате на участке потока с пониженным давлением, например в трубе с местным сужением, создается довольно четко ограниченная кавитационная зона, заполненная движущимися пузырьками. Выделившиеся из жидкости пузырьки пара и газа увлекаются потоком и переносятся в область более высокого давления, в которой пузырьки паров жидкости конденсируются и переходят в жидкое состояние, а воздушные сжимаются или полностью смыкаются. Так как сокращение кавитационного пузырька происходит мгновенно, частицы жидкости перемещаются к его центру с большой скоростью. В результате кинетическая энергия соударяющихся частиц вызывает в момент смыкания пузырьков местные гидравлические микроудары, сопровождающиеся высокими забросами давления и температуры в центрах пузырьков. По расчетам температуры могут достигать значений 1 500 °С и выше, а местное давление — до 200 МПа. Большая энергия, рассеиваемая при схлопывании кавитационных пузырей вблизи поверхности обтекаемого тела, может приводить к ее повреждению. Масштабы такого явления, называемого гидравлической эрозией, могут быть разными — от точечной поверхностной эрозии после многих лет эксплуатации до катастрофического выхода из строя насосов, гидроаппаратов и т.п. Кавитация может существенно увеличивать гидродинамическое сопротивление, в результате чего снижается коэффициент полезного действия гидравлического оборудования, может стать причиной снижения подачи насоса и даже срыва его работы. Для избежания опасности возникновения кавитации в гидросистемах, рекомендуется соблюдать, как минимум, следующие условия: ■    давление в потоке жидкости должно быть больше давления насыщенных паров; ■    режим течения жидкости по возможности должен быть ламинарным; ■    температура рабочей жидкости не должна превышать значение, при котором может начаться образование газовых пузырьков; ■    максимально возможное ограничение попадания воздуха в рабочую жидкость. Наиболее эффективным способом предотвращения возникновения кавитации в гидросистемах является повышение рабочего давления в проблемных зонах. В частности, радикальным способом борьбы с кавитацией в насосах является применение насосов подкачки. Для уменьшения разрушающего эффекта кавитации используют противоэрозионные материалы, специальные покрытия из бронзы, хрома и др. Наиболее стойкими к гидравлической эрозии являются титан, бронза и нержавеющая сталь, а наименее стойкими — чугун и углеродистая сталь. Полностью устранить разрушительное действие кавитации путем применения стойких против коррозии материалов не представляется возможным. 2.4.8. Гидроудар Гидравлическим ударом называется колебательный процесс резкого изменения давления в жидкости, вызванного внезапным изменением скорости её течения в напорном трубопроводе. Этот процесс является очень быстротечным и характеризуется чередованием резких повышений и понижений давления. Изменение давления при этом тесно связано с упругими деформациями жидкости и стенок трубопровода. Гидравлический удар чаще всего возникает при быстром перекрытии трубопровода запорным устройством (рис. 2.24). Рис. 2.24. Стадии гидравлического удара в трубопроводе Рассмотрим стадии гидравлического удара: ■    жидкость движется по трубопроводу со скоростью vo (рис. 2.24, а); ■    мгновенное закрытие задвижки (рис. 2.24, б). Скорость частиц жидкости, натолкнувшихся на задвижку, погашается, их кинетическая энергия переходит в работу деформации стенок трубы и жидкости. Стенки трубы растягиваются, жидкость сжимается11 в соответствии с повышением давления на величину Аруд. На остановившиеся частицы жидкости набегают текущие за ними и тоже останавливаются, в результате чего сечение 1-1 перемещается от задвижки со скоростью с, называемой скоростью ударной волны. Область, в которой давление изменяется на величину Аруд, называют ударной волной; ■    ударная волна достигла резервуара (рис. 2.24, в). Жидкость в трубе остановлена и сжата, стенки трубы — растянуты; ■    под действием перепада давления Аруц жидкость из трубы устремляется в резервуар, начиная с сечения, непосредственно прилегающего к резервуару (рис. 2.24, г). Сечение 1-1 перемещается в обратном направлении — к задвижке — с той же скоростью с. Давление за сечен’ием выравнивается до р0» труба приобретает начальное состояние; ■    работа деформации жидкости и трубы полностью переходит в кинетическую энергию, жидкость в трубе приобретает первоначальную скорость vG, но направленную в другую сторону (рис. 2.24, д); ■    движущаяся в резервуар жидкость стремится оторваться от задвижки, в результате возникает отрицательная ударная волна под давлением р0 —АРуд (Рис- 2.24, е). Ударная волна направляется от задвижки к резервуару со скоростью с, оставляя за собой сжавшиеся стенки трубы и расширившуюся под действием давления р0— Аруц жидкость. Кинетическая энергия жидкости вновь переходит в работу деформаций, но противоположного знака; ■    отрицательная ударная волна достигает резервуара (рис. 2.24, ж); ■    давление в трубе начинает выравниваться, что сопровождается возникновением движения жидкости из резервуара со скоростью v0 (рис. 2.24, з). Когда отраженная от резервуара ударная волна достигнет задвижки, возникнет ситуация уже имевшая место (см. рис. 2.24, б). Весь цикл гидравлического удара повторится. Увеличение давления Аруц при гидроударе определяется по формуле Жуковского; Л/V =P<Pq~vx)c, где v0 и г;1 — средние скорости в трубопроводе до и после закрытия задвижки, м/с; с — скорость распространения ударной волны вдоль трубопровода, с - l/^p/K + pd/8E> где К — объемный модуль упругости жидкости; Е — модуль упругости материала стенки трубопровода; d— внутренний диаметр трубопровода; 5 — толщина стенки трубопровода. При реальных гидроударах имеет место затухания колебаний давления вследствие трения и ухода энергии в резервуар (рис. 2.25).
3. Энергообеспечивающая подсистема Энергообеспечивающая подсистема предназначена для сообщения рабочей жидкости гидравлической энергии и поддержанию ее параметров (чистоты, давления, температуры и т.п.) в требуемом диапазоне значений. Обычно элементы энергообеспечивающей подсистемы монтируют компактным образом в виде функционально единой установки, которую в промышленной практике так и называют насосная установка, либо маслостанция (рис. 3.1).
№ поз. Наименование Гидробак V = 50 л HLP 22 cSt Электродвигатель 1 кВт, 1500 мин-1 Муфта пальчиковая Насос шестеренный, V0=12 см3, рн=16 МПа Воздушный фильтр Предохранительный клапан Фильтр сливной Манометр 10 МПа 3.1. Рабочие жидкости В гидроприводах рабочим телом, с помощью которого энергия от ее источника передается исполнительным механизмам, приводящим в действие технологическое оборудование, является жидкость. Будучи энергоносителем, рабочая жидкость выполняет целый ряд других, не менее важных функций, обеспечивающих нормальную работу, как отдельных элементов гидравлических приводов, так и системы в целом: ■    является смазкой трущихся деталей; ■    отводит теплоту от контактных пар элементов насосов и гидрдвигателей, возникающее при их трении; ■    уносит образующиеся вследствие трения продукты износа (абразивные частицы); ■    защищает от коррозии внутренние поверхности трубопроводов и гидравлических устройств. Выполнение рабочей жидкостью такого многообразия функций возможно только при ее соответствии целому ряду требований (рис. 3.2): ш хорошая смазывающая способность; ■    химическая стабильность в течение длительного времени работы (устойчивость к старению); ■    хорошие противоизносные свойства; ■    хорошая теплопроводность; ■    нейтральность к материалам гидроэлементов и уплотнений; ■    малая токсичность жидкости и ее паров (экологическая чистота); ■    высокая температура кипения и низкая температура замерзания; ■    высокая устойчивость к воспламенению (пожаробезопасность); ■    малая склонность к пенообразованию; ■    малая способность к поглощению влаги и воздуха; ■    возможность регенерации (т.е. восстановления) начальных свойств; ■    низкая стоимость и небольшие расходы на техническое обслуживание. Невыполнение этих требований приводит к различным нарушениям в функционировании гидропривода. В частности плохие смазочные или антикоррозийные свойства приводят к уменьшению сроков службы гидропривода; неоптимальная вязкость или ее слишком большая зависимость от режимов работы гидропривода снижают общий КПД и т.д. Нормальная и долговременная работа гидропривода определяется в равной мере как правильностью выбора марки рабочей жидкости при конструировании, так и грамотной эксплуатацией гидропривода. Всем перечисленным выше требованиям не удовлетворяет в полной мере ни одна жидкость. И менее всего — самая распространенная — вода, так как она является плохой смазкой и активно способствует коррозии контактирующих с ней металлов. В качестве рабочих жидкостей в гидроприводах применяют минеральные масла, эмульсии и синтетические жидкости . Минеральные масла. Наиболее часто в приводах используются минеральные масла, которые получают путем перегонки нефти-сырца и на 85...98 % состоящие из базового масла. Однако базовые масла в чистом виде, за редким исключением (веретенное АУ, турбинное и некоторые другие) не применяются, так как они не обладают требуемыми для гидропривода свойствами. Для получения рабочих жидкостей с нужными эксплуатационными свойствами в базовые масла вводятся различные присадки:
<<< Предыдущая страница  1     Следующая страница >>>


1 A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 
А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я