Уравнение движения привода с гидро и пневмоцилиндрами

Рис. 5.8. Гидрозамок (а) и фрагмент гидравлической схемы с гидрозамком (б)

Гидрозамки(управляемые обратные клапаны) (рис. 5.8, а) пред­назначены для пропускания рабочей жидкости при отсутствии уп­равляющего воздействия в одном направлении, а при наличии управляющего воздействия — в обоих направлениях. Гидрозамок состоит из обратного клапана / и поршня управления 3 со што­ком 2. На рис. 5.8, 6 представлен фрагмент гидравлической схемы с гидрозамком. Гидрозамок 6 установлен на гидролинии между поршневой полостью гидроцилиндра 4 и распределителем (на схеме не показан). Штоковая полость сообщается с гидрораспределите­лем непосредственно через трубопровод 9. При отсутствии подачи рабочей жидкости в штоковую полость движение жидкости по тру­бопроводам 5 и 7 возможно только в одном направлении — к гид­роцилиндру. При подаче рабочей жидкости в штоковую полость она поступает по отводу 8 также под поршень управления гидро­замка и, через шток, открывает обратный клапан, вследствие чего становится возможным движение рабочей жидкости по трубопро­водам 5 и 7 в обоих направлениях.

Предохранительные клапаныслужат для предохранения гидро­передачи от давления, превышающего установленное, путем пе­репуска рабочей жидкости из напорной линии в сливную. Разли­чают первичные (предохраняющие от перегрузок насос) и втори-

чные (предохраняющие гид­родвигатели) предохрани­тельные клапаны. Первичные клапаны устанавливают на напорной гидролинии насо­са, а вторичные — на рабо­чих отводах гидрораспреде­лителя.

Редукционные клапаныис­пользуют для поддержания пониженного давления на от­дельных участках системы пу-ем частичного сброса рабочей жидкости в сливную линию.

Гидродросселиприменяют для регулирования расхода жидкости гидролиниях. Регулируемый дроссель с обратным клапаном (рис. 5.9) редназначен для ограничения потока рабочей жидкости в одном аправлении (показано стрелками) и свободного пропуска пото-э в другом за счет срабатывания обратного клапана.

Работа гидропередачи обеспечивается также кондиционерами 1бочей жидкости, включающими гидробаки с сапунами, уст-эйства для очистки (фильтры и сепараторы), теплообменники. Гидравлические (масляные) бакипредставляют собой емкости, [ужащие для хранения, отстоя и охлаждения рабочей жидкости, фкулирующей в гидросистеме. Они сообщаются с атмосферой :рез сапуны, представляющие собой воздушные фильтры. Рабо-1Я жидкость поступает в бак по сливному трубопроводу через блок ияьтров. Количество рабочей жидкости контролируют указателем ювня. Обычно вместимость масляного бака составляет 2. 3-ми-тную подачу насоса.

Фильтры,применяемые в гидросистемах строительных машин, еспечивают очистку рабочей жидкости от загрязняющих при-;сей механическим способом при помощи щелевых и пористых шьтрующих элементов (металлических сетчатых, тканевых, бу-жных, керамических, а также с набивными бумажными или тек-яльными фильтрующими материалами). Тонкость фильтрации :тавляет 5. 40 мкм. Для улавливания ферромагнитных частиц по-стые фильтры комбинируют с магнитными очистителями. Теплообменникипредназначены для охлаждения рабочей жид-сти и стабилизации температуры в гидросистемах машин на гимальном уровне. Теплообменники устанавливают на сливных ниях после гидродвигателей или на линиях отвода утечек из фосистемы.

Гидролинииосуществляют взаимосвязь между элементами гидро-эедачи, через которую проходит поток рабочей жидкости. Их 1разделяют на всасывающие, напорные, сливные, дренажные и ши управления. Жесткие гидролинии обычно изготавливают из

стальных бесшовных труб. Подвижные части с установленными на них элементами гидропривода соединяют гибкими рукавами вы­сокого давления. Для предотвращения вытекания жидкости и пре­дохранения ее от загрязнений при разъединении трубопроводов применяют самозапирающиеся соединения с двумя шариковыми клапанами.

К рабочей жидкостив гидроприводах строительных машин предъявляют высокие требования. Она должна обладать хороши­ми смазывающими свойствами, не вызывать коррозии контак­тирующих с ней металлов, сохранять свои свойства при эксплу­атации в различных температурных условиях. Рабочая жидкость не должна образовывать пены и содержать веществ, выпадающих в осадок, должна быть безопасной в пожарном отношении и не то­ксичной. Наиболее полно этим требованиям отвечают масла, по­лучаемые из низкозастывающих фракций нефти с соответству­ющими присадками: загущающими, антиокислительными, анти­пенными, противоизносными, антикоррозионными. В строитель­ных машинах, работающих при температурах окружающего воз­духа 318. 228 К, применяют, в основном, специальные рабочие жидкости: МГ-30 (ТУ 38-1-01-50—70) — в качестве летнего сорта для районов с умеренным климатом и всесезонного сорта для южных районов страны; ВМГЗ (ТУ 38-101479—74) — для всесе-зонной эксплуатации в районах Крайнего Севера и в качестве зим­него сорта в районах с умеренным климатом.

Гидродинамические передачи.Прообразом гидродинамической передачи является водяная турбина, вращающаяся относительно своей оси за счет кинетической энергии падающей на ее лопатки воды. Представителями гидродинамических передач, применяемых в приводах строительных машин, являются гидротрансформаторы и реже гидромуфты.

Гидромуфта состоит из насосного 2 (рис. 5.10) и турбинного 3 колес, поса­женных соответственно на ведущий 1 и ведомый 4 валы. Внутренние полости обоих колес разделены наклонными в радиальном направлении лопатками. При вращении насосного колеса, на­ходящаяся в его внутренней полости ра­бочая жидкость за счет центробежных сил устремляется на периферию, вслед­ствие чего в периферийной части со­здается повышенное давление, способ­ствующее перетеканию жидкости в по­лость турбинного колеса, а в располо­женной ближе к центру части создает­ся разрежение, способствующее подса- Рис. 5.10. Схема гидромуфты

Рис. 5.11. Схема гидротрансформатора (а) и его механическая характери­стика (б)

сыванию жидкости из полости турбинного колеса. В процессе пе­рехода рабочей жидкости из насосного колеса в турбинное, она воздействует на лопатки турбины, заставляя последнюю вращать­ся. При этом турбинное колесо отстает от насосного: его угловая жорость со₂ всегда меньше угловой скорости насосного колеса со,. Это отставание (скольжение) находится в обратной зависимости ; угловой скоростью со,: чем больше эта скорость, тем меньше жольжение. При номинальном скольжении S_mM = (со, — щ)/щ = = 0,04. 0,06 КПД муфты составляет ri_HOM = co₂/q)| = 0,96. 0,94.

Гидромуфты располагают между двигателем и потребителем

Сергии. Они позволяют снизить динамические нагрузки на дви-

ателе и рабочих органах машины, обеспечивают автоматическое

бесступенчатое изменение скорости движения рабочего органа

машины) в зависимости от внешней нагрузки. Их можно исполь-

овать в качестве предохранительных муфт. В приводах с гидро-

(уфтами двигатель можно запускать без отключения трансмиссии.

В отличие от гидромуфты гидротрансформатор (рис. 5.11, а) имеет

ри рабочих колеса: насосное 3, турбинное 4 и реакторное 2. По-

леднее может быть установлено неподвижно или на обгонной

уфте /. При неподвижном реакторном колесе оно отклоняет по-

ж рабочей жидкости своими лопатками и изменяет момент ко-

ичества движения потока, а следовательно и крутящий момент

а турбинном колесе. Изменения моментов на насосном Г, и на

фбинном Т₂ колесах представлены на рис. 5.11, б. Эти изменения

роисходят так, что вне зависимости от внешней нагрузки, про-

эрциональной моменту на турбинном колесе, момент и угловая

сорость на насосном колесе, а следовательно и на двигателе из-

гняются весьма незначительно, чем обеспечивается защита дви-

гателя от перегрузок. Угловая скорость вращения турбинного ко­леса изменяется автоматически практически обратно пропорцио­нально моменту Г|. Коэффициентом трансформации называют от­ношение моментов К=Т₂/Т_Х. Коэффициент полезного действия гидротрансформатора т| представляется параболической функцией отношения угловых скоростей турбинного щ и насосного (0| колес г) -/((О2/СО1). Его максимальное значение составляет0,85. 0,87. Мак­симальному КПД соответствует номинальная точка характерис­тики гидротрансформатора с координатами щ_ноы; Т_2ном. В случае установки реакторного колеса на обгонной муфте последняя вклю­чается автоматически при малых нагрузках, вследствие чего реак­торное колесо вращается вместе с насосным и турбинным коле­сами. При этом гидротрансформатор работает в режиме гидро­муфты с более высоким КПД.

Благодаря мягкой выходной механической характеристике Т₂ = = >'(щ) гидротрансформаторы нашли широкое применение в при­водах землеройных, землеройно-транспортных, погрузчиков и других машин, где с изменчивостью внешних нагрузок целесооб­разно автоматически изменять рабочие скорости, а также снижать динамические нагрузки при стопорении рабочих органов в случае их упора в препятствия.

Пневматический привод

Структурно пневматический привод сходен с гидроприводом и отличается от него тем, что в пневмоприводе механическая энер­гия силовой установки преобразуется в энергию движения рабо­чего газа (обычно атмосферного воздуха, сжатого до 0,5. 0,8 МПа) и обратно — в движение исполнительных механизмов машины. Пневматические передачи используют в приводах пневматических молотов, ручных пневматических машин, вибраторов и других ма­шин, а также в системах управления машинами для плавного вклю­чения механизмов в работу и их торможения. Пневматические передачи надежны и просты в обслуживании, мало чувствитель­ны к динамическим нагрузкам и способны переносить длитель­ные перегрузки вплоть до полного стопорения. Они удобны в управлении, обеспечивают простоту преобразования вращатель­ного движения в поступательное, могут состоять из независимо расположенных сборочных единиц. К недостаткам передач от­носятся: обусловленная высокой сжимаемостью воздуха трудность точного регулирования, низкий КПД, высокая шумность в работе.

Основными частями пневматической передачи (см. рис. 4.41) являются: компрессор, воздухосборник (ресивер), пневматические двигатели, соединительные воздухопроводы, регуляторы давле­ния и предохранительные клапаны, воздушные фильтры и мас-ловлагоотделители.

Компрессорыпредназначены для вы­работки сжатого воздуха. Они приводят­ся электродвигателями или двигателя­ми внутреннего сгорания (ДВС), вмес­те с которыми, а также с системой воз­духоподготовки образуют переносные или передвижные компрессорные уста­новки (компрессорные станции). Легкие переносные станции небольшой произ­водительности монтируют обычно на раме с колесами для перевозки вруч­ную в пределах строительной площад­ки. Станции на двухосной пневмоколес-ной тележке перевозят автомобилем или трактором. Самоходные станции монти­руют обычно на шасси грузовых авто­мобилей.

По принципу действия компрессо­ры подразделяют на поршневые, ро­тационные, турбинные, диафрагмен-ные и винтовые. Принцип действия компрессоров всех типов заключается во всасывании воздуха из атмосферы в

ючую камеру, его сжатия и нагнетания в воздухосборник дви-иием вытеснителей (поршней, пластин, зубьев шестерен, ди-эагм, винтов). Наибольшее распространение в строительстве по-[или поршневые компрессоры.

Поршневой компрессор (рис. 5.12) представляет собой цилиндр 2, :отором перемещается поршень 1. Возвратно-поступательное сжение поршня обеспечивается приводимым от двигателя ко-:чатым валом 6 и шатуном 5. При движении поршня вниз от ртвой» точки в цилиндре создается разрежение, вследствие чего оматически открывается клапан 3, и в рабочую камеру из ат-феры всасывается воздух. При движении поршня вверх клапан 3 рывается, и воздух в цилиндре сжимается. Когда давление воз-1 в рабочей камере достигнет определенного значения (обыч-),8 МПа), откроется клапан 4 и воздух вытолкнется из цилин-в воздухосборник. За один оборот коленчатого вала происхо-полный цикл работы компрессора — всасывание воздуха, его тие и нагнетание.

Торшневые компрессоры бывают одно- и многоцилиндровыми с )- и многоступенчатым сжатием. В последнем случае воздух, гый в одном цилиндре, поступает в другой цилиндр для боль-о сжатия, чем обеспечивается более высокий КПД (на 10. 15 % >ше КПД компрессоров с одноступенчатым сжатием). Ком-хоры производительностью до 1 м 3 изготовляют обычно од-

Рис. 5.13. Схема воздухоподготовительной аппаратуры компрессорной

ноступенчатыми, а большей производительности — двухступен­чатыми.

Воздухосборники (ресиверы)предназначены для накопления сжатого рабочего воздуха, уменьшения пульсации давления в на­гнетательной пневмолинии потребителя, а также для охлаждения и очистки рабочего воздуха от воды и масла.

Система воздухоподготовки (рис. 5.13) включает фильтр 1 для очистки атмосферного воздуха от механических примесей, масля­ный охладитель 14 и масловлагоотделитель 11. Фильтр 1 устанав­ливают на всасывающем воздуховоде 2 компрессора 75, а масля­ный охладитель — на выходе из компрессора, где в нагретый сжа­тый воздух насосом 4 по трубопроводам 3 впрыскивается охлаж­денное масло. Охлажденная масловоздушная смесь через обрат­ный клапан 13 поступает по нагнетательному трубопроводу 12 в воздухосборник 5, где воздух очищается от влаги и масла фильт­ром 11, откуда очищенный воздух через регулирующий минималь­ное давление клапан 6 поступает в раздаточную колонку 9 с вен­тилями 8 для подсоединения потребителей и клапаном 7для страв­ливания воздуха. Кроме того, на воздухосборнике установлен пре­дохранительный клапан 10 для аварийного сброса масловоздуш-ной смеси.

Пневматические двигателипредназначены для преобразования энергии сжатого воздуха в возвратно-поступательное или враща­тельное движение выходного звена. Они подразделяются на пневмо-

моторы и пневмоцилиндры. Конструктивно они подобны гидромо­торам и гидроцилиндрам.

Для изменения направления движения рабочего воздуха к пнев-модвигателям, изменения или поддержания на постоянном за­данном уровне расхода и давления в пневматической передаче, служат пневмоаппараты (пневмораспределители, предохранитель­ные, редукционные, обратные клапаны, пневмодроссели), по принципу действия сходные с аналогичными гидроаппаратами.

Отработавший рабочий воздух из пневмодвигателей выбрасы­вается непосредственно в атмосферу.

Контрольные вопросы

1. Каков состав гидравлического привода? Для чего в его составе пред­
назначена механическая передача? Что такое гидропередача? Перечис­
лите ее составные элементы. Каково их назначение? Каков порядок пре­
образования энергии в гидропередачах?

2. Перечислите типы насосов, применяемых в гидроприводах строи­
тельных машин. Как они устроены и как работают? Что означает обрати­
мость насоса? Перечислите основные параметры насосов и гидромото­
ров, дайте им определение и приведите основные зависимости между
ними.

3. Как устроен и как работает гидроцилиндр? Какие типы гидроци­
линдров применяют в гидроприводах строительных машин? Как опреде­
ляют усилие на штоке гидроцилиндра?

4. Какие типы и виды гидравлических аппаратов применяют в гидро­
приводах строительных машин? Охарактеризуйте их назначение, устрой­
ство и принцип работы.

5. Для чего служат кондиционеры рабочей жидкости, какие устрой­
ства они включают? Охарактеризуйте их назначение, особенности уст­
ройства и принцип работы.

6. Для чего предназначены гидролинии? Как их классифицируют по
функциональному признаку? Для чего предназначены жесткие и гибкие
участки гидролиний?

7. Изложите требования, предъявляемые к рабочим жидкостям гид-
юпередач. Какие виды присадок применяют в рабочих жидкостях? Назо-
ште марки масел, применяемых в качестве рабочих жидкостей. Для ка-
сих условий их используют?

8. Изложите принцип действия гидромуфты и гидротрансформатора.
\яа чего используют эти устройства в приводах строительных машин? Что
акое коэффициент трансформации? Как изменяется КПД гидротранс­
форматора в функции угловой скорости турбинного колеса? Какая точка
ia механической характеристике гидротрансформатора является оптималь-
юй? Для чего реакторное колесо устанавливают на обгонной муфте?

9. В каких строительных машинах используют пневмопривод? Пере-
ислите его преимущества и недостатки. Из каких составных частей со-
тоит пневматическая передача?

10. Для чего предназначены компрессоры? Что входит в состав ком-
рессорной станции? Приведите классификацию компрессорных стан-

ций по способу их передвижения. Перечислите типы компрессоров. Из­ложите принцип работы поршневого компрессора одноступенчатого сжа­тия. Что такое компрессор многоступенчатого сжатия?

11. Для чего предназначены воздухосборники?

12. Какие аппараты включает система воздухоподготовки? Как они
взаимосвязаны? Изложите принцип работы системы.

13. Какие виды пневмодвигателей применяют в пневмопередачах?

14. Какие виды распределительных и регулирующих аппаратов при­
меняют в пневмопередачах?

I

ава 6. ОСНОВЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИКИ

6.1. Общие сведения о системах автоматики

Автоматизация строительных машин заключается в примене-л технических средств и систем управления, освобождающих овека-оператора (полностью или частично) от непосредствен-о участия в процессах управления работой машины или комп-тов машин. Развитие автоматических систем управления обус-лено необходимостью обеспечения более высоких скоростей и лий управления развивающейся техникой, значительно пре-иающих физические возможности человека; повышения тех-:о-экономических показателей и обеспечения наилучших (оп­альных) режимов работы; снижения утомляемости операто-и, как следствие, повышения надежности их работы и сниже-аварийности; создания новых средств управления рабочими цессами в условиях, опасных для жизни и здоровья человека недоступных для него.

‘правление любым техническим объектом (машиной, ее частью, плектом машин, технологическим процессом и т.п.) состоит онтроля его фактического состояния и регулирования. > системе автоматического управления (САУ) все эти процессы олняются без участия человека (оператора) по специальным раммам. Управление заключается в формировании управля-[X воздействий, обеспечивающих требуемое состояние или ре-работы объекта управления, а также в их реализации. втоматический контроль заключается в автоматическом полу-и информации о состоянии объекта или характере протекания алогического процесса, либо о наступлении их предельных зна-й, установленных нормативно-технической документацией. тематическое регулирование является разновидностью автома-жого управления. Оно заключается в поддержании постоян-или изменения по требуемому закону некоторой физической шны, характеризующей управляемый процесс. Регулирование течивается системой автоматического регулирования (САР). э характеру алгоритма управления(набора правил, по кото-изменяется управляющее воздействие) различают системы шения по разомкнутому (без обратной связи) и замкнутому у (с обратной связью), а также комбинированные.

Гидравлика, гидро — и пневмоприводы

Министерство образования и науки Украины

Сумский государственный университет

ГИДРАВЛИКА, ГИДРО — И ПНЕВМОПРИВОДЫ

для студентов бакалавратуры 6.0902 «Инженерная механика»

заочной формы обучения

на заседании кафедры ПГМ

«Гидравлика, гидро и пневмоприводы»

Протокол № от 28г.

Сумы Изд-во СумГУ 2007

Гидравлика, гидро — и пневмоприводы :Конспект лекций

/Составитель .- Сумы: Изд-во СумГУ, 200с.

Кафедра прикладной гидроаэромеханики

1 Жидкость и ее основные физические свойства …………. 6

1.1 Определение жидкости ………………………………….6

1.2 Основные свойства жидкости…………………………. 6

2.1 Гидростатическое давление ……………………………..9

2.2 Основное уравнение гидростатики ……………………10

2.3 Понятие о пьезометрической высоте и вакууме ……..11

2.4 Приборы для измерения давления …………………….13

2.5 Сила давления жидкости на плоские поверхности …..15

2.6 Сила давления жидкости на криволинейные цилиндрические поверхности. …………………………. 16

3.1 Основные понятия о движении жидкости. Уравнение расхода (неразрывности) …………………………………..18

3.2 Уравнение Бернулли …………………………………. 19

3.3 Режимы движения жидкости …………………………..21

4 Гидравлические сопротивления ……………………………22

4.1 Общие сведения о гидравлических потерях …………22

4.2 Местные сопротивления ………………………………25

4.3 Гидравлический расчет простых трубопроводов ……28

Раздел 2 Гидропневмоприводы ………………………..30

5.1 Принцип действия гидропривода …………………….30

5.2 Основные элементы объемного гидропривода ………31

5.3 Область применения и рабочие жидкости гидропривода ………………………………………………32

6 Насосы объемного гидропривода …………………………. 34

6.1 Общая характеристика насосов и их классификация..34

6.2 Основные параметры объемных насосов ……………..36

6.3 Поршневые насосы ……………………………………..36

6.4 Пластинчатые насосы ………………………………….38

6.5 Шестеренные насосы …………………………………..39

7 Объемные гидродвигатели и гидроаппаратура …………..41

7.1 Объемные гидродвигатели …………………………….41

8 Принципиальная схема гидропривода. Пневматический привод …………………………………………………………….50

8.1 Принципиальная схема гидропривода ………………..50

8.2 Общие сведения о пневмоприводе ……………………51

Конспект лекций по курсу «Гидравлика и гидропневмоприводы» предназначен для студентов, которые обучаются по профессиональному направлению «Инженерная механика».

Цель этого конспекта лекций – помочь студентам заочного отделения освоить необходимый объем знаний по указанной дисциплине и уменьшить время на самостоятельную подготовку. Конспект лекций написан в предельно сжатой форме и содержит основные теоретические сведения по гидравлике и гидропневмоприводу. В нем рассмотрены основные законы гидростатики и динамики жидкости, приведены примеры использования некоторых законов в технике, дана классификация гидравлических машин, которые используются в объемном гидроприводе, рассмотрены структура гидропривода и назначение его основных элементов: насосов, гидродвигателей, гидроаппаратуры. Кроме этого, в конспекте описаны принципиальная схема гидропривода и его регулирование, а также даны общие сведения о пневматическом приводе.

После изучения данного конспекта лекций дополнительные знания студент может получить из рекомендованной литературы.

Раздел 1 Гидравлика

1 Жидкость и ее основные физические свойства

Жидкость — физическое тело, обладающее свойством текучести, т. е. способностью неограниченно изменять свою форму под действием даже весьма малых сил, но в отличие от газов практически не изменяющее свой объем при изменении давления.

В обычном состоянии жидкость оказывает малое сопротивление разрыву и большое сопротивление сжатию (имеет малую сжимаемость). Вместе с тем жидкость оказывает значительное сопротивление относительному движению соседних слоев (обладает вязкостью) . В понятие «жидкость» включают как жидкости обычные, называемые капельными, так и газы, когда их можно считать как сплошную малосжимаемую легкоподвижную среду.

В гидравлике рассматривают только капельные жидкости. К ним относятся вода, нефть, керосин, бензин, ртуть и др. Газообразные жидкости — воздух и другие газы — в обычном состоянии капель не образуют. Основной особенностью капельных жидкостей является то, что в большинстве случаев их рассматривают как несжимаемые.

1.2 Основные свойства жидкости

Рассмотрим основные физические свойства жидкости: плотность, удельный вес, температурное расширение и вязкость.

1 Плотность — отношение массы жидкости m к занимаемому объему V :

. (1.1)

Единица плотности в системе СИ — .Плотность воды при температуре .

2 Удельный вес()- это вес единицы объема, т. е.

, (1.2)

где -вес жидкости в объеме V.

Для воды при имеем .

Между удельным весом и плотностью можно найти связь, если учесть что G=mg:

. (1.3)

3 Температурное расширение. Характеризируется температурным коэффициентом объемного расширения, представляющим собой относительное изменение объема жидкости при изменении температуры на :

(1.4)

где

изменение температуры, .

4 Вязкость-свойство жидкости оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) ее слоев. Это свойство проявляется в том, что в жидкости при ее движении между слоями возникают касательные напряжения. При течении вязкой жидкости вдоль твердой стенки происходит торможение потока, обусловленное вязкостью (рис. 1.1). Скорость U уменьшается по мере уменьшения расстояния y от стенки.

Согласно гипотезе И. Ньютона касательные напряжения, возникающие в движущейся жидкости, зависят от ее рода и характера и прямо пропор-циональны градиенту скорости

Рисунок 1.1 – Профиль скоростей при течении вязкой жидкости

, (1.5)

где коэффициент динамической вязкости жидкости; -приращение скорости, соответствующее приращению координаты dy.

Градиент скорости характеризует интенсивность сдвига жидкости в данной точке, коэффициент — вязкость капельных жидкостей и имеет размерность Нс/м2 (Па∙с).

На практике наиболее часто используется коэффициент кинематической вязкости

. (1.6)

Он измеряется в . Для воды при

.

2.1 Гидростатическое давление

Гидростатика — это раздел гидравлики, в котором изучаются законы равновесия жидкости и применение этих законов для решения практических задач.

На жидкость, находящуюся в состоянии равновесия (покоя), действуют две категории сил: поверхностные и массовые.

Поверхностные силы — это силы, действующие на поверхности объемов жидкости, например, сила давления поршня, сила атмосферного давления. Массовыми являются силы, пропорциональные массе жидкости: силы тяжести, инерции. В результате действия внешних сил внутри жидкости возникает напряжение сжатия или гидростатическое давление. Итак, гидростатическим давлением р называется сжимающее напряжение, возникающее внутри покоящейся жидкости. Средним гидростатическим давлением называется отношение

(2.1)

где F- сжимающая сила, Н; S — площадь площадки,.

Гидростатическое давление, как и напряжение, измеряется в или в паскалях (Па):1=1Па= = Кроме того, гидростатическое давление измеряется в , высотой столба жидкости, мм вод. ст. и мм рт. ст., в атмосферах физических, а, и технических, ат. На практике давление часто имеряют в технических атмосферах. Между единицами существует следующая связь:.

Гидростатическое давление имеет такие свойства:

а) гидростатическое давление направлено всегда по внутренней нормали (перпендикуляру) к площадке, на которую оно действует (рис 2.1);

Рисунок 2.1 — Направление давления

б) гидростатическое давление в любой точке жидкости по всем направлениям одинаково.

2.2 Основное уравнение гидростатики

Возьмем в жидкости произвольную точку с координатой Z и глубиной погружения h (рис 2.2).

Уравнение, выражающее гидростатическое давление р в любой точке неподвижной жидкости в том случае, когда из массовых сил на нее действует только одна сила тяжести, называется основным уравнением гидростатики

Рисунок 2.2 – Давление в точке

(2.2)

где — давление на свободной поверхности жидкости;

h— глубина расположения рассматриваемой точки.

Другая форма записи уравнения (2.2) имеет вид

(2.3)

где z и -вертикальные координаты произвольной точки и свободной поверхности жидкости, отсчитываемые от горизонтальной плоскости.

При известной величине удельного веса уравнение (2.2) можно записать в виде

. (2.4)

Из выражения (2.4) следует, что гидростатическое давление р в данной точке равно сумме давлений на свободной поверхности жидкости и давления, производимого столбом жидкости высотой, равной глубине погружения точки.

2.3 Понятие о пьезометрической высоте и вакууме

Различают давление, которое соответствует абсолютному нулю, и давление атмосферное (рис.2.3). Относительно абсолютного нуля давление в любой точки жидкости называется абсолютным.

Разность между абсолютным давлением и атмосферным давлением называется избыточным давлением и обозначается :

Рисунок 2.3 – Виды давления

(2.5)

Избыточным (манометрическим) называется давление, превышающее атмосферное (см. рис.2.3). Давление, недостающее до атмосферного, или разность между атмосферным и абсолютным давлением , называется вакуумметрическим давлением или вакуумом

. (2.6)

Рассмотрим закрытый сосуд1, заполненный жидкостью, на поверхности которой действует давление , превышающее атмосферное давление . К сосуду присоединена трубка 2, открытая сверху, т. е. сообщающаяся с атмосферой (рис 2.4). Так как давление на поверхности жидкости больше атмосферного, то жидкость в трубке 2 поднимается на некоторую высоту , которая в гидравлике называется пьезометрической высотой, а сама трубка — пьезометром.

Рисунок 2.4- Пьезометрическая плоскость

Пьезометрическая высота определяется из зависимостей (2.2) и (2.5):

. (2.7)

Аналогично определяется вакуумметрическая высота с учетом уравнения (2.6):

. (2.8)

Плоскость П-П, давление во всех точках которой равно атмосферному, называется пьезометрической. Если сосуд открыт, то пьезометрическая плоскость совпадает со свободной поверхностью жидкости.

2.4 Приборы для измерения давления

Для измерения давления используют жидкостные (барометр, пьезометр, вакуумметр, дифманометр), механические (манометр, вакуумметр) и электрические приборы. Рассмотрим принцип действия основных из них.

Барометр состоит из открытой чашки, заполненной ртутью, и стеклянной трубки, верхний конец которой запаян,

а нижний опущен в чашку под уровень ртути (рис.2.5). В верхней части трубки воздуха нет, поэтому в ней действует давление насыщенных паров ртути. Значение атмосфер-ного давления определяют по формуле

Рисунок 2.5 – Ртутный барометр

(2.9)

где — плотность ртути; h— высота подъема жидкости в трубке.

Пьезометр — это прибор для измерения небольших давлений в жидкости при помощи высоты столба этой жидкости (рис.2.6).

Он состоит из вертикальной стеклянной трубки, верхний конец которой открыт и сообщается с атмосферой, а нижний присоединен к сосуду, в котором измеряют давление р.

Рисунок 2.6 – Пьезометр

По основному уравнению гидростатики

. (2.10)

Вакуумметр — это U-образная стеклянная трубка, в колене которой имеется жидкость, тяжелее от той, которая

находится в сосуде. Один конец трубки соединен с сосудом, а второй открыт (рис.2.7). Давление на свободной поверхности жидкости, если трубка присоединена выше этой поверхности, вычисляют по формуле

Рисунок 2.7 – Жидкостной вакууметр

. (2.11)

Пружинный манометр (рис.2.8) состоит из корпуса 5, штуцера 6, манометрической (пружинной) трубки 4, передающе-

го механизма 3, стрелки 2 и шкалы 1. Жидкость под давлением попадает в штуцер, а затем в трубку. Под действием давления трубка разгибается и перемещается ее свободный конец, связанный со стрелкой прибора.

Рисунок 2.8 – Пружинный манометр

2.5 Сила давления жидкости на плоские поверхности

Сила давления жидкости на погруженную в нее плоскую поверхность (рис.2.9) равна

(2.12)

где— гидростатическое давление на свободной поверхности жидкости в резервуаре; — глубина погружения центра тяжести смоченной части плоской поверхности; S-площадь смоченной части плоской поверхности;

Рисунок 2.9 – Схема для определения силы давления жидкости

— гидростатическое давление в центре тяжести поверхности.

Таким образом, полная сила давления на плоскую стенку равна произведению площади этой стенки на величину гидростатичес — кого давления в ее центре тяжести.

Выражение (2.11) можно представить в виде

(2.13)

(2.15)

Сила представляет собой силу поверхностного давления . Поскольку давление распределено равномерно по всей площади смоченной части поверхности, его равнодействующая приложена в центре тяжести этой поверхности.

Сила обусловлена давлением самой жидкости. Сила приложена в центре давления Д, координату которого определяют по формуле

, (2.16)

где — момент инерции плоской фигуры относительно оси ОХ.

Для прямоугольника (b-ширина, h-высота фигуры), для круга диаметром d .

2.6 Сила давления жидкости на криволинейные цилиндрические поверхности

Сила давления жидкости на криволинейную цилиндрическую поверхность (рис.2.10) складывается из горизонтальной и вертикальной составляющих

. (2.17)

Рисунок 2.10 — Сила давления жидкости на криволинейную цилиндрическую поверхность

Горизонтальная составляющая равна силе давления жидкости на вертикальную проекцию данной стенки

(2.18)

где — расстояние от свободной поверхности жидкости до центра тяжести ее вертикальной проекции; -площадь вертикальной проекции.

Вертикальная составляющая равна весу жидкости в объеме тела давления , т. е.

. (2.19)

Объем тела давления — объем, заключенный между данной стенкой, свободной поверхностью жидкости и вертикальными плоскостями, проходящими по контуру стенки.

3 Основы гидродинамики

3.1 Основные понятия о движении жидкости. Уравнение расхода (неразрывности)

Основной задачей гидродинамики является изучение законов движения жидкости.

Движение жидкости может быть установившимся и неустановившимся.

При установившемся движении жидкости скорость и давление во всех ее точках не изменяется с течением времени. При неустановившемся движении скорость и давление жидкости изменяются во времени.

При движении частиц жидкости различают линию тока, элементарную струйку, живое сечение.

Линией тока называется линия, касательная к каждой точке которой в данный момент времени совпадает с вектором скорости (рис.3.1).

Рисунок 3.1 – Линия тока

Рисунок 3.2 – Элементарная струйка

Бесконечно малый объем, ограниченный линиями тока, называется элементарной струйкой. Предполагается, что поток движущейся жидкости состоит из отдельных элементарных струек.

Живое сечение потока — это поверхность в пределах потока жидкости, перпендикулярная в каждой своей точке к вектору соответствующей местной скорости в этой точке.

Расходом называется количество жидкости, протекающее через живое сечение в единицу времени. В гидравлике применяют объемный расход Q,:

(3.1)

где V-средняя скорость; S — площадь живого сечения.

При установившемся движении расход через все живые сечения потока одинаков:

. (3.2)

Выражение (3.2) называется уравнением расхода или уравнением неразрывности потока.

3.2 Уравнение Бернулли

Уравнение Бернулли является основным уравнением гидродинамики. Для двух сечений потока 1-1 и 2-2 реальной жидкости при установившемся движении уравнение Бернулли имеет вид

, (3.3)

где и — геометрический напор(удельная потенциальная энергия положения) в сечениях 1-1 и 2-2,м;

и — пьезометрический напор (удельная потенциальная

энергия давления ) в сечениях, м;

– скоростной напор (удельная кинетическая

энергия ) в сечениях, м;

,— избыточное давление в сечениях, Па;

,— средние по живому сечению трубы скорости потока в

сечениях, ;

— коэффициенты кинетической энергии(коэффициенты

Кориолиса) в сечениях;

— плотность жидкости, ;

-потери напора в трубе между сечениями, м.

Рисунок 3.3 – Графическая иллюстрация уравнения Бернулли

Коэффициент кинетической энергии учитывает неравномерность поля скоростей в рассматриваемом живом сечении. Величина этого коэффициента зависит от режима течения жидкости: для ламинарного течения =2, для турбулентного =1,05-1,15().

Все члены уравнения Бернулли в формуле (3.3) имеют линейную размерность и в энергетическом смысле представляют удельную энергию жидкости, т. е. энергию, отнесенную к единице веса жидкости.

Сумма всех трех членов+=H представляет собой полный напор в сечениях.

Графическая иллюстрация уравнения Бернулли показана на рис.3.3. Линия показывает изменение полных напоров в сечениях 1-1 и 2-2 и называется напорной линией или линией полного напора, линия — изменение пьезометрических напоров и называется пьезометрической линией.

3.3 Режимы движения жидкости

Силы вязкости в жидкости существенно влияют на величину и распределение скоростей движения жидкости, т. е. на характер ее движения.

Различают два режима движения: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме жидкость движется отдельными слоями, пульсаций скоростей и давлений не наблюдается. Турбулентный режим характеризуется неупорядоченным, хаотичным движением частиц и интенсивным перемешиванием жидкости.

Критерием для определения режима движения является безразмерное число Рейнольдса. Для труб круглого сечения число Рейнольдса определяется по формуле

, (3.4)

где V – средняя скорость жидкости; — диаметр трубы;

— кинематический коэффициент вязкости жидкости.

Экспериментально определено, что режим будет ламинарным, если .

— критическое число Рейнольдса, при котором происходит переход ламинарного режима в турбулентный. Для круглых труб принимают. Если число Рейнольдса находится в области , то режим считается переходным, а при — турбулентным.

Ламинарный режим возникает в тонких капиллярных трубках, во время движения очень вязких жидкостей, при фильтрации воды в слоях грунта и др. Движение маловязких жидкостей (вода, бензин, спирт) почти всегда происходит в турбулентном режиме.

4 Гидравлические сопротивления

4.1 Общие сведения о гидравлических потерях

Движение вязкой жидкости сопровождается потерями энергии.

Потери удельной энергии (напора), или гидравлические потери, зависят от формы, размеров русла, скорости течения и вязкости жидкости.

В большинстве случаев гидравлические потери пропорциональны скорости течения жидкости во второй степени или динамическому напору и определяются из выражения

(4.1)

где — коэффициент потерь; V-средняя скорость в сечении.

Потери в единицах давления

. (4.2)

Гидравлические потери энергии обычно разделяют на местные потери и потери на трение по длине

. (4.3)

Местные потери энергии обусловлены так называемыми местными гидравлическими сопротивлениями, т. е. местными изменениями формы и размеров русла, вызывающими деформацию потока. При протекании жидкости через местные сопротивления изменяется ее скорость и возникают вихри.

Примером местных сопротивлений может служить задвижка (рис.4.1).

Рисунок 4.1 – Местное гидравлическое сопротивление:

Местные потери напора определяются по формуле Вейсбаха

, (4.4)

где V-средняя скорость в трубе;-коэффициент местного сопротивления.

Потери на трение по длине —это потери энергии, которые возникают в прямых трубах постоянного сечения и возрастают прямо пропорционально длине трубы (рис.4.2).

Рассматриваемые потери обусловлены внутренним трением жидкости в трубах. Потери напора при трении определяются по формуле Дарси-Вейсбаха

, (4.5)

где λ – коэффициент гидравлического трения по длине или коэффициент Дарси; l – длина трубопровода; d –его диаметр; V – средняя скорость течения жидкости.

Рисунок 4.2 – Потери напора по длине трубы

Для ламинарного режима движения жидкости в круглой трубе коэффициент определяется по теоретической формуле

, (4.6)

где число Рейнольдса.

При турбулентном режиме коэффициент зависит от числа Рейнольдса Re и относительной шероховатости(-эквивалентная шероховатость) и определяется по эмпирическим формулам.

В области гидравлически гладких труб 4000 >(площадь резервуара значительно больше площади трубы).Коэффициент потерь на выходе из трубы будет: =1.

Внезапное сужение трубы (рис 4.5) вызывает меньшие потери энергии, чем внезапное расширение. В этом случае потери обусловлены трением потока при входе в узкую трубу и потерями на вихреобразование. Потери напора при внезапном сужении трубы определяют по формуле

(4.13)

где определяется по формуле Идельчика

Рисунок 4.5 – Внезапное сужение трубы

При входе жидкости из резервуара в трубу можно считать , а коэффициент сопротивления равным

Поворот трубы (рис 4.6) или колено без закругления вызывает

значительные потери энергии, так как в нем происходят отрыв и вихреобразование, причем тем больше, чем больше .Потерю напора рассчитывают по формуле

(4.14)

Рисунок 4.6 – Поворот трубы

где — коэффициент сопротивления колена, который определяется по справочным данным.

4.3 Гидравлический расчет простых трубопроводов

Трубопроводы разделяют на простые и сложные, длинные и короткие. При расчете коротких трубопроводов учитываются потери энергии в местных сопротивлениях, которые составляют более 8%, а при расчете длинных трубопроводов эти потери не учитываются.

Рассмотрим простой трубопровод постоянного сечения длинной l, диаметром d, содержащий ряд местных сопротивлений,

Например, вентиль, фильтр, обратный клапан(рис.4.7). Основным расчетным уравнением является уравнение Бернулли для начального 1 и конечного 2 сечений трубопровода, которое при имеет вид

Рисунок 4.7 – Схема простого трубопровода

. (4.15)

Введем понятие потребного напора .

Потребным напором для простого трубопровода называется пьезометрический напор в начальном сечении, обеспечивающий заданный расход жидкости в трубопроводе:

, (4.16)

где -статический напор, величина которого не зависит от расхода жидкости; — потери напора в трубопроводе, которые зависят от расхода жидкости.

Потери напора в трубопроводе состоят из потерь на трение по длине и потерь в местных сопротивления . С учетом формул (4.4) и (4.5) можно записать

. (4.17)

Исходным для гидравлического расчета трубопровода является уравнение неразрывности (3.2).

Используя выражение (4.15), можно построить характеристику потребного напора (рис. 4.8), которая позволяет определить при любом значении расхода

жидкости потребный напор или, наоборот, для заданного значения потребного напора найти расход жидкости.

Приведенные выше зависимости (3.2), (4.16), (4.17) для гидравлического расчета простого трубопровода позволяют

Рисунок 4.8 – Характеристика потребного напора

определить одну из неизвестных величин: расход Q, начальное давление или диаметр трубопровода d.

Раздел 2 Гидропневмоприводы

5.1 Принцип действия гидропривода

Гидроприводом называется совокупность гидромашин, гидроаппаратуры, гидролиний (трубопроводов) и вспомогательных устройств, предназначенных для передачи энергии и преобразования движения посредством жидкости. Гидропривод, содержащий объемные гидромашины, называется объемным.

Принцип действия объемного гидропривода основан на практической несжимаемости жидкости и передаче давления по закону Паскаля. Рассмотрим простейший гидропривод (рис.5.1).

Рисунок 5.1 – Схема гидропривода

Два цилиндра 1 и 2 заполнены жидкостью и соединены между собой трубопроводом. Поршень цилиндра 1 под действием силы перемещается вниз, вытесняя жидкость в цилиндр 2. Поршень цилиндра 2 при этом перемещается вверх и преодолевает силу . Если пренебречь потерями давления в системе, то по закону Паскаля давление в цилиндрах 1 и 2 будет одинаковым и равным

, (5.1)

где и — площади поршней цилиндров 1 и 2. Учитывая практическую несжимаемость жидкости, можно записать: или .

Так как величина является расходом жидкости Q, то условие передачи энергии можно представить в виде , где pQ – мощность потока жидкости; мощность, развиваемая поршнем цилиндра 2.

5.2 Основные элементы объемного гидропривода

Основными элементами объемного гидропривода являются:

1 Гидромашины – насосы и гидродвигатели. Насосы служат для подачи (перемещения) жидкости, гидродвигатели – для преобразования энергии подаваемой жидкости в механическую энергию рабочего органа.

2 Гидроаппаратура – это устройства управления гидроприводом, при помощи которых он регулируется, а также средства защиты от чрезмерно высоких давлений жидкости (дроссели, клапаны разного назначения и гидрораспределители).

3 Вспомогательные устройства: фильтры, теплообменники, (нагреватели и охладители жидкости), гидробаки и гидроаккумуляторы.

4 Гидролинии (трубопроводы): всасывающие, напорные, сливные, дренажные.

5 Контрольно-измерительные приборы: манометры, расходомеры, термометры и др.

Каждый объемный гидропривод содержит источник энергии. По виду источника энергии гидроприводы разделяют на три типа:

а) насосный гидропривод – гидропривод, в котором рабочая жидкость подается в гидродвигатель объемным насосом, входящим в состав этого гидропривода;

б) аккумуляторный гидропривод – рабочая жидкость подается в гидродвигатель от предварительно заряженного гидроаккумулятора;

в) магистральный гидропривод — в котором рабочая жидкость поступает в гидродвигатель из гидромагистрали.

По характеру движения выходного звена различают объемные гидроприводы:

а) поступательного движения – с поступательным движением выходного звена гидродвигателя;

б) поворотного движения – с поворотным движением выходного звена гидродвигателя на угол меньше ;

в) вращательного движения – с вращательным движением выходного звена гидродвигателя.

Гидропривод, в котором скорость выходного звена гидродвигателя может изменяться по заданному закону, называется регулируемым. В случае отсутствия устройств для изменения скорости – нерегулируемым.

5.3 Область применения и рабочие жидкости гидропривода

Гидравлические приводы нашли широкое применение для осуществления движения рабочих органов различных машин. В машиностроении гидравлические приводы применяют в системах автоматического управления металлорежущих станков и автоматических линий, роботов-манипуляторов, прессов, технологических машин в металлургической, пищевой, химической, легкой и других отраслях промышленности.

Кроме этого, объемный гидропривод используют в сельскохозяйственных, строительных, транспортных машинах, угольных комбайнах, буровых установках, самолетах, военной технике и др.

Широкое использование гидропривода обусловлено его существенными преимуществами, к которым можно отнести безступенчатое регулирование скорости вращения или перемещения рабочего органа машины, возможность дистанционного регулирования, реверс исполнительного органа, надежность работы и др.

К основным недостаткам объемного гидропривода следует отнести утечки и нагрев жидкости, необходимость применения специальных устройств для поддержания постоянной температуры рабочей среды, более низкий к. п.д., чем у механических передач.

Рабочая жидкость в гидроприводе является одновременно носителем энергии и смазкой. При этом она подвергается воздействию высоких давлений, скоростей и температур. Кроме этого, жидкость должна быть нейтральной к материалам, быть пожаробезопасной и нетоксичной. В значительной степени этим требованиям удовлетворяют минеральные масла и синтетические жидкости на кремнийорганической основе. В настоящее время в качестве рабочих жидкостей объемных гидроприводов, используемых в общем машиностроении, применяются минеральные масла: индустриальные ; турбинное; веретенное; АМГ – 10 и др.

Тип рабочей жидкости, применяемой в гидроприводе, определяется условиями его эксплуатации.

6 Насосы объемного гидропривода

6.1 Общая характеристика насосов и их классификация

Насосы – это гидравлические машины, в которых происходит преобразование механической энергии привода в гидравлическую энергию перекачиваемой жидкости.

Насосы подразделяются на два основных класса: динамические и объемные (рис.6.1).

Рисунок 6.1 – Классификация насосов

К динамическим насосам относятся центробежные, осевые, вихревые и др. Рабочим органом этих насосов, как правило, является вращающееся рабочее колесо (рис.6.2).

Рисунок 6.2 – Схема центробежного насоса:

1 – подвод; 2 – р. к; 3 – отвод; 4 – диффузор

Энергия от рабочего колеса передается жидкости путем динамического взаимодействия лопастей колеса с обтекающей их жидкостью.

В объемных насосах рабочий процесс основан на попеременном заполнении рабочей камеры жидкостью и вытеснении ее при помощи вытеснителя. Вытеснителями могут быть поршни, плунжеры, шестерни, винты, пластины и т. п.

Остановимся более подробно на характеристике объемных насосов, которые применяются в объемном гидроприводе. По характеру процесса вытеснения жидкости объемные насосы разделяются на поршневые и роторные.

В поршневом насосе жидкость вытесняется из неподвижных камер в результате возвратно-поступательного движения поршней.

В роторном насосе жидкость вытесняется из перемещаемых рабочих камер в результате вращательного или вращательно-поступательного движения вытеснителей (поршней, винтов, пластин).

К общим свойствам объемных насосов, которые отличают их от динамических (лопастных), относятся цикличность рабочего процесса, самовсасывание, малая зависимость подачи насоса от развиваемого ими давления.

6.2 Основные параметры объемных насосов

Для характеристики насосов объемного гидропривода используют следующие параметры:

1 Рабочий объем — разность наибольшего и наименьшего значений объема рабочей камеры за один оборот вала или за двойной ход рабочего органа насоса.

2 Подача насоса — объем жидкости, подаваемой насосом за единицу времени.

3 Давление насоса — разность между давлением на выходе из насоса и давлением на входе в него

. (6.1)

4 Мощность N, кВт, потребляемая вращательным насосом (подводимая от двигателя):

где M – крутящий момент на валу насоса;

— частота вращения вала.

5 Полезная мощность насоса — мощность, сообщаемая насосом перекачиваемой жидкости:

. (6.3)

6 К. п.д. насоса — отношение полезной мощности к мощности насоса

. (6.4)

6.3 Поршневые насосы

Поршневые насосы представляют собой простейшие объемные машины с возвратно-поступательным движением поршня в цилиндре. Схема однопоршневого насоса одностороннего действия показана на рис.6.3.

Рисунок 6.3 – Схема поршневого насоса:

1 – рабочая камера; 2 – поршень; 3, 4 – клапаны; 5, 6 – напорный и всасывающий трубопроводы; 7 – резервуар; 8 – кривошипно-шатунный механизм

Во время работы двигателя вращательное движение его вала при помощи кривошипно – шатунного механизма преобразуется в возвратно-поступательное движение поршня. Если поршень движется вправо, то объем рабочей камеры увеличивается, а давление в ней уменьшается. Всасывающий клапан открывается, и жидкость из резервуара по всасывающему трубопроводу поступает в насос. Если поршень движется влево, то объем рабочей камеры уменьшается, а давление в ней увеличивается, всасывающий клапан закрывается, напорный открывается, и жидкость поступает в напорный трубопровод. За один двойной ход поршня насос производит одно всасывание и одно нагнетание, поэтому он называется насосом одностороннего действия.

Подача насоса одностороннего действия определяется по формуле

, (6.5)

где — рабочий объем; h – ход поршня, h=2r; n – число двойных ходов поршня в единицу времени; — объемный к. п.д. ().

Поршневые насосы применяют для перекачивания воды, вязких и загрязненных жидкостей. Достоинством этих насосов является их способность к самовсасыванию. При запуске поршневой насос не нуждается в предварительном заливе.

6.4 Пластинчатые насосы

В пластинчатых насосах вытеснителем являются пластины. Рабочие камеры образованы двумя соседними пластинами и поверхностями ротора и статора. Схема пластинчатого насоса показана на рис. 6.4.

Рисунок 6.4 – Схема пластинчатого насоса:

1 – ротор; 2 – статор; 3 – пластина; 4 – камера всасывания; 5– камера нагнетания

Насос состоит из статора (корпуса) и ротора, в радиальных пазах которого установлены пластины. Пластины при вращении ротора совершают относительно него возвратно-поступательное движение. Ротор расположен в статоре с эксцентриситетом е. Статор имеет камеры всасывания и нагнетания. При вращении ротора пластины под действием центробежных сил прижимаются к внутренней поверхности статора. Жидкость из камеры всасывания переносится в камеру нагнетания.

Подачу пластинчатого насоса можно определить по формуле

, (6.6)

где в — ширина пластины; е-эксцентриситет; D — диаметр статора;

z — число пластин;— толщина пластины; n — частота вращения ротора; -объемный к. п.д. ().

Пластинчатые насосы применяются в основном для подачи масла в системы гидропривода станков, прессов, транспортных машин, а также для перекачивания других смазочных материалов и вязких продуктов.

6.5 Шестеренные насосы

Шестеренные насосы получили широкое распространение для подачи масел в системы гидропривода, а также для перекачивания смазочных материалов. Наиболее широко применяются насосы с шестернями внешнего зацепления. На рис. 6.5 приведена схема такого насоса. Он состоит из двух одинаковых шестерен ведущей и ведомой, установленных в корпусе с минимальными зазорами. Шестерни вращаются навстречу другу. При вращении шестерен жидкость заполняет впадины и переносится из полости всасывания в полость нагнетания и далее, при вступлении зубьев в зацепление, вытесняется в напорное окно.

Рисунок 6.5 — Схема шестеренного насоса

Подача шестеренного насоса определяется по формуле

, (6.7)

где m-модуль зацепления; z-число зубьев; n — частота вращения ротора; -объемный к. п.д. ().

7 Объемные гидродвигатели и гидроаппаратура

7.1 Объемные гидродвигатели

Объемным гидродвигателем называется объемная гидромашина для преобразования энергии потока жидкости в энергию движения выходного звена (вала, штока). В зависимости от характера движения выходного звена гидродвигатели подразделяются на три класса:

а) гидроцилиндры – объемные гидродвигатели с поступательным движением выходного звена;

б) поворотные гидродвигатели — объемные гидродвигатели с углом поворота меньше 360°;

в) гидромоторы — объемные гидродвигатели с вращательным движением выходного звена.

1 Гидроцилиндры. Гидроцилиндры являются простейшими гидродвигателями, которые применяются в качестве исполнительных механизмов гидроприводов различных машин и механизмов с поступательным движением выходного звена.

В гидроцилиндрах одностороннего действия движение выходного звена под действием потока рабочей жидкости осуществляется только в одном направлении, в гидроцилиндрах двустороннего действия – в обоих направлениях. Кроме этого, гидроцилиндры выполняются с односторонним или двусторонним штоком. Преимущественно применяют гидроцилиндры двустороннего действия с односторонним штоком. Схема такого гидроцилиндра показана на рис. 7.1.

Расход гидроцилиндра определяется из соотношения

, (7.1)

где Sэ – эффективная площадь поршня гидродвигателя;

Vn – скорость движения поршня; — объемный к. п. д.

Рисунок 7.1 – Схема гидроцилиндра с односторонним штоком двустороннего действия

Площадь Sэ зависит от направления движения поршня. При движении поршня вправо Sэ пр = pD2/4, при движении влево – Sэ лев = p(D2 – d2)/4. При изменении площади соответственно изменяются расход и скорость движения жидкости при ходе влево или вправо.

Усилие на штоке F определяется из уравнения равновесия поршня и для хода вправо будет равно:

F = (F1-F1)∙ (7.2)

∙, (7.3)

где р1 и р2 – давления жидкости в рабочей и сливной полостях гидроцилиндра; D – диаметр поршня; d – диаметр штока; — механический к. п. д. гидроцилиндра, учитывающий потерю энергии в гидроцилиндре на преодоление сил трения при движении поршня и штока (= 0,85-0,95).

Выходная (полезная) мощность гидроцилиндра Nвых определяется из соотношения

где F – усилие на штоке; Vn – скорость передвижения поршня.

Входная мощность N определяется параметрами на входе в цилиндр:

где р – давление на входе в цилиндр; Q – расход гидроцилиндра. К. п. д. цилиндра – это отношение выходной мощности к входной

, (7.6)

2 Поворотные гидродвигатели. По конструкции поворотные гидродвигатели бывают поршневые, лопастные и мембранные. Наиболее распространены поршневые поворотные гилродвигатели (рис. 7.2).

Для обеспечения поворотного движения рабочую жидкость подают в рабочие камеры гидродвигателя.

Поворотное движение осуществляется за счет применения реечно-зубчатой передачи. Угол поворота вала рабочей машины ограничивается ходом поршня двигателя.

Рисунок 7.2 – Поршневой поворотный гидродвигатель

3 Гидромоторы. Это объемные гидродвигатели вращательного движения. В машиностроении в качестве гидромоторов используют объемные роторные гидромашины. Благодаря свойству обратимости роторных насосов, любой из них может быть использован в качестве гидромотора. Гидромоторы, как и насосы, классифицируют на шестеренные, винтовые, пластинчатые и поршневые.

В зависимости от возможности регулирования рабочего объема гидромоторы делятся на регулируемые и нерегулируемые. Если выходное звено гидромотора может вращаться в обе стороны, то он называется реверсивным. Условное обозначение реверсивного регулируемого гидромотора показано на рис. 7.3.

Гидромотор, как и роторный насос, харак-теризуется рабочим объе-мом V0 , который зависит от его вида. Расход гидромотора определяется по формуле

Рисунок 7.3 – Условное обозначение гидромотора

(7.7)

где n – частота вращения вала гидромотора; объемный к. п. д.

Перепад давления на гидромоторе определяется разностью между давлением на входе и на выходе, т. е.

Полезная мощность гидромотора равна

где М – крутящий момент на валу гидромотора; w — угловая скорость вала, w = pn/30.

Мощность, потребляемая гидромотором:

Отношение Nп/N определяет общий к. п. д. гидромотора

. (7.11)

Гидроаппаратом называется устройство, предназначенное для изменения параметров потока рабочей жидкости (давления, расхода, направления движения) или для поддержания их заданного значения. Основным элементом всех гидроаппаратов является запорно-регулирующий орган – подвижный элемент, при перемещении которого частично или полностью перекрывается проходное сечение гидроаппарата. В зависимости от конструкции запорно-регулирующие элементы бывают золотниковые, клапанные, крановые.

Если гидроаппарат изменяет параметры потока рабочей жидкости, то он является регулирующим.

Гидроаппараты можно разделить на три основных типа:

а) гидрораспределители; б) гидроклапаны; в) гидродроссели.

Рассмотрим кратко каждый тип гидроаппарата.

1 Гидрораспределители. Гидрораспределитель – это гидроаппарат, предназначенный для изменения направления потока рабочей жидкости в двух или более гидролиниях. В зависимости от числа внешних гидролиний, подводимых к распределителю, гидрораспределители бывают двухлинейные, трехлинейные и т. д.; в зависимости от числа позиций запорно-регулирующего органа — двухпозиционные, трехпозиционные

и т. д. Условное обозначение 4-линейного 3- позиционного распреде-лителя с электрическим управлением показано на рис.7.4.

Рисунок 7.4 – Условное обозначение распределителя

Наиболее распространенным является золотниковый распределитель.

Потери давления Dрр в гидрораспределителе определяют по формуле

(7.12)

где Qном и рном – номинальная подача и потери напора на номинальной подаче (паспортные данные);

Qф — фактическая подача жидкости в гидроаппарате.

2 Гидроклапаны. Гидроклапаном называется гидроаппарат, в котором степень открытия проходного сечения изменяется под воздействием напора проходящей через него жидкости. Гидроклапаны бывают регулирующие и направляющие. К регулирующим относятся клапаны давления, предназначенные для регулирования давления в потоке рабочей жидкости. Из них наиболее широко применяются напорные и редукционные клапаны.

Напорные гидроклапаны делятся на предохранительные, которые предохраняют систему от давления, превышающего допустимое, и переливные, предназначенные для поддержания заданного уровня давления путём непрерывного слива рабочей жидкости во время работы.

Основные элементы шарикового напорного клапана показаны на рис. 7.5 .

Принцип действия всех напорных клапанов одинаков и основан на уравновешивании силы давления рабочей жидкости, действующей на клапан, усилием пружины (рис. 7.6).

Рисунок 7.5 – Схема предохра-нительного клапана

Сила давления пружины Fпр уравновешивается силой давления жидкости Fдавл, действующей на запорный элемент. При условии Fпр = Fдавл – клапан закрыт. Сила давления Fдавл определяется из условия:

Рисунок 7.6 – Принцип действия напорного клапана

Fдавл = р × , (7.13)

где р— давление жидкости в системе; dy – диаметр седла клапана (условного прохода жидкости).

Когда давление жидкости в системе превысит заданное, то Fпр

iSopromat.ru

Приводом машин и механизмов называется система взаимосвязанных устройств для приведения в движение одного или нескольких твердых тел, входящих в состав машины или механизма. Основными типами приводов являются: электропривод, гидропривод и пневмопривод.

Механизм – это система, предназначенная для преобразования движения одних твердых тел в требуемые движения других твердых тел. Если в преобразовании движения, кроме твердых тел, участвуют жидкие или газообразные тела, то механизм называется соответственно гидравлическим или пневматическим.

Среди гидравлических механизмов наибольшее распространение имеет гидравлический привод (гидропривод).

Гидравлический привод

В состав гидропривода входят гидронасос и гидродвигатель. Гидронасосом называется устройство для преобразования механической энергии твердого тела в механическую энергию жидкости.

Гидродвигатель – это устройство, предназначенное для преобразования механической энергии жидкости в механическую энергию твердого тела. Часто одно и то же устройство может выполнять как функцию насоса, так и функцию двигателя.

На рисунке 33 показана схема типового гидропривода (часто применяемого в машинах-автоматах). Гидродвигатель 1 (обычно называемый гидроцилиндром) выполнен в виде поршня, перемещающегося в цилиндре под действием сжатой жидкости.

Насос 2 может быть любого вида. Для изменения движения поршня гидроцилиндра служит распределитель 3. В положении распределителя, указанном на схеме, жидкость поступает в левую полость гидроцилиндра и поршень идет вправо (рабочий ход). При перемещении подвижной части распределителя влево жидкость от насоса идет в правую полость гидроцилиндра и поршень идет влево. Перемещение подвижной части распределителя достигается путем переменного включения двух злектромагнитов 6.

Тормозное устройство 4 при рабочем ходе включено в сливную линию. Оно выполнено в виде регулируемого дросселя – устройства, в котором перемещение подвижной части вызывает уменьшение площади сечения для прохода жидкости (проходного сечения). При уменьшении площади проходного сечения увеличивается давление в сливной полости гидроцилиндраи происходит торможение. Переливной клапан 5 служит для слива в бак части жидкости, подаваемой насосом, при уменьшении скорости поршня. Пружина клапана подобрана так, что он открывается по достижении определенного давления.

Гидродвигатель 1 в рассматриваемой схеме называется объемным, т.к. преобразование энергии жидкости в механическую энергию поршня происходит при периодическом изменении объема его рабочих полостей. Соответственно и весь гидропривод называется объемным. Этот гидропривод можно назвать также гидравлическим механизмом, предназначенным для преобразования вращательного движения вала насоса в прямолинейное поступательное движение поршня.

Как и в механизме, состоящем только из твердых тел, уравнение движения гидравлического механизма есть дифференциальное уравнение второго порядка, из которого находится зависимость обобщенной координаты механизма от времени. Отличие состоит лишь в том, что в него входят параметры, зависящие от давления жидкости в разных частях механизма.

Для объемного гидропривода, показанного на рисунке 33, уравнение движения (при постоянной приведенной массе) имеет вид:

где
m_пр – приведенная масса движущихся частей насоса,
Р_Д – приведенная движущая сила,
Р_С – приведенная сила сопротивления.

Давление p₁ зависит от давления на выходе из насоса и потерь давления в напорной линии. Давление р₂ зависит от потерь давления в сливной линии и потерь давления в тормозном устройстве. В приведенных формулах А₁ – площадь поршня; А_Ш – площадь штока.

Пневматический привод

Пневмопривод обычно по своему устройству аналогичен гидроприводу, только насос заменяется источником сжатого воздуха, а вместо сливной линии и сливного бака вводится линия, соединяющая нерабочую полость цилиндра с атмосферой.

Для решения задач динамики механизмов с пневмоприводом необходимо знать уравнения массового расхода газа при истечении газа из емкости, где поддерживается постоянное давление, и при движении газа по трубопроводу с учетом местных сопротивлений.

Здесь определяется массовый расход газа в отличие от задач динамики гидропривода, где принято определять объемный расход жидкости. Это различие связано с тем, что объем газа существенно зависит от давления и температуры.

Электрический привод

Электропривод представляет собой электромеханическую систему, состоящую из электродвигателя и механической части в виде одного или нескольких типов механизмов для преобразования вращения ротора в требуемое движение исполнительного механизма. Электропривод может использоваться, в том числе, и для приведения в действие насоса гидропривода или компрессора в пневмоприводе.

Для исследования динамики электромеханической системы применяют уравнения Лагранжа-Максвелла, которые имеют форму уравнений Лагранжа второго рода и позволяют автоматически получать не только уравнения движения механической части системы, но и связанные с ними уравнения электрической части.

Эти вопросы обычно подробно изучаются в университетских курсах теории механизмов и машин и в данном коротком курсе не рассматриваются.

Уважаемые студенты!
На нашем сайте можно получить помощь по техническим и другим предметам:
✔ Решение задач и контрольных
✔ Выполнение учебных работ
✔ Помощь на экзаменах