Гидравлика что это такое


Что такое гидравлика? Определение и понятие

Гидравлические механизмы относятся к старейшим системам, применяемым в практической инженерии. Сам по себе принцип механизированного действия постепенно утрачивает актуальность, поскольку его вытесняют более технологичные приводные средства. Но в силу ограниченности возможностей интеграции новых и более дорогих решений, во многих сферах сохраняет свои позиции и традиционная механика. Что такое гидравлика в современном контексте эксплуатации? Это инфраструктура, которая задействуется в машинах, конструкциях и сооружениях, обеспечивающая достаточное усилие для приведения в действие функциональных узлов и агрегатов.

Базовое определение гидравлики

С точки зрения науки, гидравлика – это раздел знаний, освещающий законы движения и равновесия жидкостей. Водная среда в тех или иных формах является главным аспектом изучения в этом направлении. Кроме теоретических исследований ученые занимаются и экспериментальными испытаниями, результаты которых формируют основу для решения задач прикладной инженерии. Научные работы посвящаются закономерности движения воды по трубопроводным каналам, в речных руслах и гидромашинах. Но для полного понимания, что такое гидравлика в научном контексте, нельзя обойтись и без смежных дисциплин, инструментарий которых затрагивается в ходе исследования. К таким можно отнести физику, математику и механику. Также выделяется два направления изучений гидравлики – в динамическом и статичном контекстах. Гидродинамика затрагивает вопросы кинематики воды как таковой, а гидростатика больше ориентируется на законы взаимодействия жидкостей с другими средами и телами.

Все же известность гидравлики как раздела науки не так широка по сравнению с ее производными в практической сфере. На тех же прикладных знаниях базируются проекты инженерных систем – например, одним из старейших продуктов гидравлики является акведук. В наши дни законы энергии жидкостей ложатся в основу разработок канализационных систем, поршневого оборудования, водоснабжения и т. д.

В большинстве случаев работа гидравлики такого типа организуется как двигательная сила для приведения в действие обслуживаемых агрегатов. Классическим примером являются гидромашины. В целом можно вывести такое определение инженерной гидравлики – совокупность элементов механической конструкции, устройство которой предполагает использование жидкости в качестве активной природной среды. Но это не означает, что вода является источником усилия. Она лишь транслятор энергии, которая ей придается другими механизмами, которые, в свою очередь, активизируются посредством электродвигателей и силовых агрегатов на жидкостном или твердотельном горючем.

Типы гидравлических конфигураций

Рабочий цикл гидромашины зависит от схемы, по которой циркулирует вода. Этот контур как раз и обуславливает момент работы воды, в процессе которого она приобретает энергию от двигателя и передает ее другим компонентам системы. В этом контексте можно выделить два типа циркуляционных конфигураций – с открытым и закрытым центрами.

В первом случае гидрораспределитель жидкости в процессе работы поршня обеспечивает двойной выход. То есть показатели давления меняются в зависимости от текущего положения поршня, а жидкость может отправляться в рабочий цикл или обратно в клапан. Ее перемещение регулирует связка поршня и клапана.

Для понимания принципа работы закрытой системы надо вернуться к определению того, что такое гидравлика, и как она взаимодействует с силовыми агрегатами. Поскольку гидравлика является лишь инфраструктурой, которую организуют функциональные узлы, обслуживающие жидкость, то вполне логично, что энергия рабочей среды может полностью зависеть от действия технической оснастки. В данном случае эту задачу выполняют насосы и клапаны, полностью замыкающие контур циркуляции.

Классификация по видам приводов

Различаются системы, обеспеченные нерегулируемым и регулируемым приводными механизмами. Типовым считается нерегулируемый гидропривод, в котором показатель давления насоса всегда соответствует установленным значениям. Зафиксированные данные обязательно должны быть выше, чем предельный уровень нагрузочного давления. То есть создается планка показателя, на которую равняется насос.

К недостаткам данного механизма относят большие потери в мощности, так как постоянное поддержание высокого давления при незначительных нагрузках нерационально. По такой схеме, к примеру, иногда выполняется гидравлика экскаватора, управляющая опорными элементами. Поскольку на эту функцию ложится высокая ответственность с точки зрения безопасности, то производители жертвуют избытками мощностной отдачи. Однако в одном и том же экскаваторе нерегулируемый привод опор может дополняться регулируемой системой, которая будет оптимизировано отвечать за работу навесного оборудования. Данный тип гидропривода предусматривает снижение давления насоса и его балансировку за счет клапанов и компенсаторов с направленным действием.

Гидравлические аккумуляторы

Применяются механизмы извлечения энергии жидкости и в аккумулирующих устройствах. Такие системы называются гидроемкостными и генерируют энергию воды, которая в момент работы находится под давлением. При этом сам аккумулятор чаще всего является составной частью механического гидропривода.

Существуют разные типы таких устройств – в частности, пневматические и пружинные. В промышленности используется и аккумулирующая гидравлика высоких давлений, на мощностях которой осуществляются простые, но требовательные к нагрузкам манипуляции с грузами. Независимо от типа гидроаккумулятор должен поддерживать давление на определенном уровне, вместе с этим исключая утечки и сглаживая вибрации за счет демпфирующего эффекта.

Машины на гидравлических системах

Наиболее распространены такие механизмы в машинах с навесным оборудованием – в тех же экскаваторах, тракторах и уборочных автомобилях. Широко применяют гидравлику в своих моделях конструкторы Минского тракторного завода (МТЗ).

Стандартная комплектация, которая используется в этих тракторах, включает насосы, гидрораспределитель, цилиндры и трубопровод. Рабочий цикл, который обеспечивает гидравлика МТЗ, можно представить так: жидкость поступает от емкости к насосам, переправляется к распределителям, входит в поршневую группу и возвращается в бак. На этапе перехода от гидрораспределителей к цилиндрам к регуляции процесса подключается оператор оборудования, который посредством рычагов контролирует поступление жидкости в поршневые группы в зависимости от текущих задач.

Обслуживание гидравлических механизмов

Профилактическое обслуживание обычно сводится к операциям смазки отдельных деталей и компонентов гидравлической системы. В процессе осмотра ответственное лицо также выявляет признаки износа, деформации и повреждения. Как правило, ремонт гидравлики сводится к замене гильз поршней, штоков и крышек. В регулярном порядке обновляются расходники в виде уплотнительных колец.

Заключение

Гидравлика – это один из простейших способов получения механического усилия доступными средствами. Для понимания, что такое гидравлика, и какую пользу она приносит рядовому пользователю, можно привести в качестве примера насосное оборудование. Садовые станции перекачки воды действуют на принципах гидравлической инженерии, затрачивая минимум энергии. На более высоком уровне по аналогичным схемам работают компрессорные установки и пневматический инструмент.

fb.ru

Основы гидравлики

Учебные вопросы:

Основные физические свойства жидкости.

В отличие от твердого тела жидкость характеризуется малым сцеплением между частицами, вследствие чего она обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который ее помещают.

Жидкости подразделяют на два вида:

Капельные жидкости обладают большим сопротивлением сжатию (практически несжимаемы) и малым сопротивлением касательным и растягивающим усилиям (из-за незначительного сцепления частиц и малых сил трения между частицами).

К капельным жидкостям относятся вода, бензин, керосин, нефть, ртуть и другие

Газообразные жидкости характеризуются почти полным отсутствием сопротивления сжатию.К газообразным жидкостям относятся все газы.

К основным физическим свойствам жидкости относятся:

Плотность — это отношение массы к объему, занимаемому этой массой. Плотность измеряют в системе СИ в килограммах на кубический метр (кг/м3). Плотность воды составляет 1000 кг/м3.

Используются также укрупненные показатели: – килопаскаль — 1 кПа= 103 Па; – мегапаскаль — 1 МПа = 106 Па.

Сжимаемость жидкости — это ее свойство изменять объем при изменении давления. Это свойство характеризуется коэффициентом объемного сжатия или сжимаемости, выражающим относительное уменьшение объема жидкости при увеличении давления на единицу площади. Для расчетов в области строительной гидравлики воду считают несжимаемой. В связи с этим при решении практических задач сжимаемостью жидкости обычно пренебрегают.

Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, называется модулем упругости. Модуль упругости измеряется в паскалях

.

Температурное расширение жидкости при ее нагревании характеризуется коэффициентом температурного расширения, который показывает относительное увеличение объема жидкости при изменении температуры на 1 С.

В отличие от других тел объем воды при ее нагревании от 0 до 4 °С уменьшается. При 4 °С вода имеет наибольшую плотность и наибольший удельный вес; при дальнейшем нагревании ее объем увеличивается. Однако в расчетах многих сооружений при незначительных изменениях температуры воды и давления изменением этого коэффициента можно пренебречь.

ž

Вязкость жидкости — ее свойство оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) частиц жидкости. Силы, возникающие в результате скольжения слоев жидкости, называют силами внутреннего трения, или силами вязкости.

Силы вязкости проявляются при движении реальной жидкости. Если жидкость находится в покое, то вязкость ее может быть принята равной нулю. С увеличением температуры вязкость жидкости быстро уменьшается; остается почти постоянной при изменении давления.

Гидростатика

Гидростатикой называется раздел гидравлики, в котором рассматриваются законы равновесия жидкости и их практическое применение.

Гидростатическое давление

В покоящейся жидкости всегда присутствует сила давления, которая называется гидростатическим давлением.

Жидкость оказывает силовое воздействие на дно и стенки сосуда. Частицы жидкости, расположенные в верхних слоях водоема, испытывают меньшие силы сжатия, чем частицы жидкости, находящиеся у дна.

Гидростатическое давление обладает свойствами

  • Свойство 1. В любой точке жидкости гидростатическое давление перпендикулярно площадке касательной к выделенному объему и действует внутрь рассматриваемого объема жидкости.
  • Свойство 2. Гидростатическое давление неизменно во всех направлениях.
  • Свойство 3. Гидростатическое давление в точке зависит от ее координат в пространстве.

Основное уравнение гидростатики

Рассмотрим распространенный случай равновесия жидкости, когда на нее действует только одна массовая сила – сила тяжести, и получим уравнение, позволяющее находить гидростатическое давление в любой точке рассматриваемого объема жидкости. Это уравнение называется основным уравнением гидростатики.

Пусть жидкость содержится в сосуде (рис.8 ) и на ее свободную поверхность действует давление P0 . Найдем гидростатическое давление P в произвольно взятой точке М, расположенной на глубине h. Выделим около точки М элементарную горизонтальную площадку dS и построим на ней вертикальный цилиндрический объем жидкости высотой h. Рассмотрим условие равновесия указанного объема жидкости, выделенного из общей массы жидкости. Давление жидкости на нижнее основание цилиндра теперь будет внешним и направлено по нормали внутрь объема, т.е. вверх.

Запишем сумму сил, действующих на рассматриваемый объем в проекции на вертикальную ось:

PdS – P0 dS – ρghdS = 0

Последний член уравнения представляет собой вес жидкости, заключенный в рассматриваемом вертикальном цилиндре объемом hdS. Силы давления по боковой поверхности цилиндра в уравнение не входят, т.к. они перпендикулярны к этой поверхности и их проекции на вертикальную ось равны нулю. Сократив выражение на dS и перегруппировав члены, найдем:

P = P0 + ρgh = P0 + hγ

Полученное уравнение называют основным уравнением гидростатики. По нему можно посчитать давление в любой точке покоящейся жидкости. Это давление, как видно из уравнения, складывается из двух величин: давления P0 на внешней поверхности жидкости и давления, обусловленного весом вышележащих слоев жидкости.

Пьезометрический и гидростатический напоры

Рассмотрим закрытый сосуд с жидкостью, к которому в точках А и В на произвольной глубине присоединены пьезометры I и II (рис. 9).

 Давление на свободной поверхности в сосуде больше атмосферного. Трубка I сверху открыта и давление на свободной поверхности в ней равно атмосферному. Трубка II сверху запаяна, из нее удален воздух, т.е. давление в ней равно нулю.

Для определения вертикальных координат точек А и В проведем на произвольной высоте горизонтальную плоскость 0-0. Эта плоскость называется плоскостью сравнения. Вертикальное расстояние от плоскости сравнения до рассматриваемой точки называется геометрической высотой точки по отношению к плоскости сравнения и обозначается буквой. За плоскость сравнения может быть принят уровень земли, пола.

Так как давление в сосуде на свободной поверхности жидкости больше атмосферного, то в пьезометрических трубках I и II жидкость поднимется на большую высоту, чем уровень жидкости в сосуде. Обозначим высоту поднятия жидкости в открытом пьезометре через – пьезометрическая высота, а высоту поднятия жидкости в закрытом пьезометре через – приведенная высота.

Пьезометрическая высота – мера манометрического давления в точке А. Приведенная высота – мера абсолютного давления в точке В. Разность высот , равна высоте столба жидкости, соответствующей атмосферному давлению т.е. 10 м.в.ст.

Сумма геометрической высоты и пьезометрической для любой точки жидкости будет величиной постоянной и называется пьезометрическим напором:

но

Подставив это выражение в формулу (1) получим:

это сумма приведенной высоты и геометрической высоты положения, называемая гидростатическим напором Hs.

Тогда:

В уравнении (5) Hs=const для любой точки жидкости, а не        зависит от положения точки. Значит:

Поэтому, сколько бы мы пьезометров не подключили, во всех пьезометрах жидкость установится на одном уровне: плоскость, соответствующая уровню П–П, называется пьезометрической плоскостью, а уровню Н–Н – напорной плоскостью.

Пьезометрический напор является мерой удельной потенциальной энергии жидкости. Предположим, что вес частицы жидкости в точке А. равен G. о отношении к плоскости сравнения О – О запас потенциальной энергии положения равен G*z, где -Z высота от плоскости О – О до точки А.

Под действием избыточного гидростатического давления Pm частица, находящаяся на глубине h , может подняться на высоту hp, то есть она обладает потенциальной энергией давления равной G*hp. Полная потенциальная энергия частицы жидкости весом G равна G*z+G*hp.

Удельная потенциальная энергия, т.е. энергия приходящаяся на единицу веса частицы будет соответственно равна:

Аналогично, гидростатический напор Hs является также мерой удельной потенциальной энергии жидкости, но большей по сравнению Hp на величину удельной потенциальной энергии атмосферного давления.

Вакуум. Закон Паскаля.

Вакуум — пространство, свободное от вещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, содержащую газ при давлении значительно ниже атмосферного. Вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного падения молекул газа λ и характерным размером среды d. Под d может приниматься расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода и т. д. В зависимости от величины соотношения λ/d различают низкий, средний и высокий вакуум.

Насос для демонстрации вакуума

Законом Паскаля в гидростатике называется следующее утверждение,сформулированное французским учёным Блезом Паскалем: давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях.

На основе закона Паскаля работают различные гидравлические устройства: тормозные системы, гидравлические процессы и др.

В законе Паскаля речь идет не о давлениях в разных точках гидравлической системы, а о возмущениях давления в разных точках, поэтому закон справедлив и для жидкости в поле силы тяжести.

В случае движущейся несжимаемой жидкости можно условно говорить о справедливости закона Паскаля, ибо добавление произвольной постоянной величины к давлению не меняет вида уравнения движения жидкости, однако в этом случае термин закон Паскаля обычно не применяется. Для сжимаемых жидкостей (газов) закон Паскаля, вообще говоря, несправедлив.

Виды движения жидкости

Виды движения жидкости бывают:

Неустановившимся – называют движение жидкости, все или некоторые характеристики которого изменяются во времени, т. е. давление и скорость зависят как от координат , так и от времени

.

Примерами неустановившегося движения являются опорожнение резервуаров, водохранилищ, движение воды в реках при переменном уровне (при паводках, сбросах воды через плотину) и т. д.

Установившимся – наз. движение жидкости неизменное во времени, при котором давление и скорость являются функциями только координат, но не зависит от времени.                    u = f1(x, y, z); p = f2(x, y, z). 

Установившееся движение подразделяется на:

  • равномерное
  • неравномерное

Равномерное движение характеризуется постоянством параметров по длине потока. Примерами такого движения являются движения в трубах постоянного сечения и в каналах правильной формы. Поле линий тока равномерного движения – семейство параллельных прямых.

При неравномерном движении скорость, глубина, площади сечений потока изменяются по его длине. Из неравномерных движений можно выделить так называемое плавно изменяющееся движение, которое характеризуется малой кривизной линий тока и малым углом расхождения линий тока .

В зависимости от причин, вызывающих движение, и условий, в которых оно происходит, различают:

  • напорное движение
  • безнапорное движение

Напорное движение происходит в потоке, со всех сторон ограниченном твердыми стенками. Давление во всех точках потока отлично от атмосферного и может быть как больше, так и меньше последнего. Движение происходит под действием разности давлений по длине потока, которая может быть создана водонапорной башней, питающим баком, насосной установкой.

Безнапорное движение происходит под действием силы тяжести при наличии свободной поверхности жидкости. Примерами безнапорного движения является движение в реках, каналах и трубах, когда сечение последних не полностью заполнено жидкостью.

Гидродинамика

Предметом изучения гидродинамики является движущаяся жидкость. Как было указано ранее, все без исключения физические и химические процессы, которые составляют основу промышленных технологических процессов, происходят в динамических условиях, в условиях движения текучих сред.

При движении жидкостей под воздействием внешних сил в потоках прежде всего формируются поля скоростей микро- и макрочастиц, которые определяют формирование температурных и полей концентраций веществ, что в конечном итоге обусловливает скорость протекания процессов.

На движущуюся жидкость, кроме сил, которые действовали на покоящуюся жидкость (поверхностные силы гидростатического давления и массовые силы: силы тяжести и внешние силы инерции), действуют дополнительные силы инерции и силы трения. В отличие от гидростатического давления, величина которого не зависит от ориентации поверхности, на которое оно действует, возникающее при движении гидродинамическое давление благодаря развитию напряжениям сдвига (касательным силам), различно в направлении осей X, Y и Z.

Наличие сил внутреннего трения между движущимися частицами жидкости (в соответствии с законом внутреннего трения Ньютона) является первопричиной различия скоростей движения в различных точках по поперечному сечению канала. Характер этого различия, который обусловливается характером связи между давлением и скоростью движения частиц в любой точке потока. Это и является основной задачей теории гидродинамики.

Уравнение неразрывности потока.

Уравнение неразрывности потока отражает закон сохранения массы: количество втекающей жидкости равно количеству вытекающей. Например, на рис. 15 расходы во входном и выходном сечениях напорной трубы равны:      q1 = q2.

Схема к уравнению неразрывности потока.

С учётом, что q = Vw, получим уравнение неразрывности потока:

V1 w1 = V2 w2

Если отсюда выразим скорость для выходного сечения:

V2 = V1 w1 /w2 ,

то легко заметить, что она увеличивается обратно пропорционально площади живого сечения потока. Такая обратная зависимость между скоростью и площадью является важным следствием уравнения неразрывности и применяется в технике, например, при тушении пожара для получения сильной и дальнобойной струи воды.

Ламинарный и турбулентный режим движения жидкости.

Наблюдения показывают, что в природе существует два разных движения жидкости:

  • žслоистое упорядоченное течение – ламинарное движение, при котором слои жидкости скользят друг друга, не смешиваясь между собой;
  • žтурбулентное неурегулированное течение, при котором частицы жидкости движутся по сложным траекториям, и при этом происходит перемешивание жидкости.

От чего зависит характер движения жидкости, установил Рейнольдс в 1883 году путем. Эксперименты показали, что переход от ламинарного к турбулентному движению происходит при определенной скорости (критическая скорость), которая для труб различных диаметров неодинакова: при увеличении диаметра она увеличивается, критическая скорость так же увеличивается при увеличении вязкости жидкости. Рейнольдс вывел общие условия существования ламинарного и турбулентных режимов движения жидкости. По Рейнольдсу режима движения жидкости зависят от безразмерного числа, которое учитывает основные, определяющие это движение: среднюю скорость, диаметр трубы, плотность жидкости и ее абсолютную вязкость.

Это число называется числом Рейнольдса:

Число Рейнольдса, при котором происходит переход от одного режима движения жидкости в другой режим, называется критическим .

При числе Рейнольдса            наблюдается ламинарный режим движения, при числе Рейнольдса                    – турбулентный режим движения жидкости. Чаще критическое значение числа принимают равным        это значение соответствует переходу движения жидкости от турбулентного режима к ламинарного.

При переходе от ламинарного режима движения жидкости к турбулентному критическое значение          имеет большее значение. Критическое значение числа Рейнольдса увеличивается в трубах, сужаются, и уменьшается в тех, что расширяются. Это объясняется тем, что при сужении поперечного сечения скорость движения частиц увеличивается, поэтому тенденция к поперечного перемещения уменьшается.

Уравнение Бернулли.

Закон (уравнение) Бернулли является следствием закона сохранения энергии для стационарного потока идеальной (то есть без внутреннего трения) несжимаемой жидкости:

Здесь:

p — плотность жидкости,

v— скорость потока,

h— высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости,

p— давление в точке пространства, где расположен центр массы рассматриваемого элемента жидкости,

g— ускорение свободного падения.

Константа в правой части часто называется полным давлением и зависит, в общем случае, от линии тока.

Размерность всех слагаемых — единица энергии, приходящаяся на единицу объёма жидкости. Первое и второе слагаемое в интеграле Бернулли имеют смысл кинетической и потенциальной энергии, приходящейся на единицу объёма жидкости. Следует обратить внимание на то, что третье слагаемое по своему происхождению является работой сил давления и не представляет собой запаса какого-либо специального вида энергии .

Соотношение, близкое к приведенному выше, было получено в 1739 г. Даниилом Бернулли, с именем которого обычно связывают интеграл Бернулли. В современном виде интеграл был получен Иоганном Бернулли около 1740 года.

Bernoulli Johann 1667-1748

СВОЙСТВА ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ

Список литературы:

ž1. В.П. Гусев «Основы гидравлики», Томск, 2009 г.

ž2. Бретшнайдер С. «Свойства газов и жидкостей», Москва

fireman.club

Лекции Основы гидравлики

ВВЕДЕНИЕ Гидравлика относится к числу древнейших наук. Первые гидравлические системы водоснабжения и ирригации были известны человеку еще задолго до нашей эры. Уже в Древнем Египте, Индии и Китае, странах Ближнего Востока умели строить на реках плотины и водяные мельницы, оросительные системы на рисовых полях, в которых использовались водоподъемные машины. В Риме за шесть столетий до нашей эры был построен водопровод, что свидетельствует о высокой технической культуре того времени. В III веке до нашей эры Архимед изобрел машину для подъема воды, названную «архимедовым винтом» и являющуюся прообразом современных гидравлических насосов. По мере развития науки и техники совершенствовались гидравлические и пневматические системы, и существенно расширялась сфера их практического применения. В настоящее время гидравлические машины, гидро- и пневмоприводы широко используют в водоснабжении и мелиорации, машиностроении и металлургии, на всех видах транспорта и в строительстве. Важную роль в развитии современной техники играют гидравлические и пневматические приводы как основное средство механизации и автоматизации технологических процессов и про­цессов управления различными объектами. В качестве исполнитель­ных устройств такие приводы применяют в станках и автоматиче­ских линиях, роботах и манипуляторах, системах управления автомобилем, самолетом и т.п. Очевидно, что техническое совершенствование гидравлических и пневматических систем не могло происходить без фундаментальных научных разработок, начало которым положил трактат Архимеда «О плавании тел». В XV—XVII веках в трудах Леонардо да Винчи, Г. Галилея, И. Ньютона были сформулированы отдельные законы равновесия и движения жидкости, а в середине XVIII века Д. Бернулли и Л. Эйлер заложили теоретические основы гидромеханики как науки. В XIX—XX веках гидромеханика получила дальнейшее развитие в трудах Дж. Г. Стокса, О. Рейнольдса, Н. Е. Жуковского, Н. П. Петрова, Л. Прандтля и других ученых. Этот период характеризуется бурным развитием науки и техники, поэтому в трудах по гидромеханике большое внимание уделяется вопросам, представляющим практический интерес. Формируется раздел гидромеханики, рассматривающий законы равновесия и движения жидкости в открытых и закрытых руслах и способы их применения для решения технических задач. Этот раздел гидромеханики получил название «гидравлика». Именно гидравлика как прикладная наука совместно с газовой динамикой, изучающей законы движения газа, является научной основой для расчета и проектирования современных гидравлических и пневматических систем и их элементов. В настоящем учебном пособии рассматриваются основные законы гидравлики, и описывается работа различных гидравлических и пневматических устройств, принцип действия которых основан на этих законах. Освещаются методы построения гидравлических и пневматических систем на базе этих устройств. Даются методы расчета основных параметров трубопроводов, гидравлических и пневматических машин, элементов управления и контроля гидравлических и пневматических приводов. ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ ^

1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1 Предмет гидравлики, основные понятия и определения Раздел механики, в котором изучаются равновесие и движение жидкостей, а также взаимодействие между жидкостью и обтекаемыми ею поверхностями или телами, называется «механика жид­кости», или «гидромеханика». Термин «жидкость» в гидромеханике обладает более широким значением, чем это принято в современном русском языке. В понятие «жидкость» включают физические тела, обладающие текучестью, то есть способностью изменять свою форму под воздействием сколь угодно малых сил. Поэтому под этим термином подразумеваются не только обычные (капельные) жидкости, но и газы. Несмотря на их различие, законы движения капельных жидкостей и газов при определенных условиях можно считать одинаковыми. Основным из этих условий является небольшое значение скорости движения по сравнению со скоростью звука. Одним из прикладных разделов гидромеханики является гидравлика, которая решает определенный круг технических задач и вопросов. Прикладной характер этого раздела подчеркивает само слово «гидравлика», которое образовано из греческих слов hydor — вода и aulos — трубка. Поэтому гидравлика рассматривается как наука о законах равновесия и движения жидкостей и о способах приложения этих законов для решения практических задач. Гидравлика изучает в первую очередь течения жидкостей в раз­личных руслах, т.е. потоки, ограниченные стенками. В понятие «рус­ло» мы будем включать все устройства, ограничивающие поток, в том числе трубопроводы, проточные части насосов, зазоры и дру­гие элементы гидравлических систем. Таким образом, в гидравли­ке изучаются в основном внутренние течения и решаются «внут­ренние» задачи. Внешние течения, связанные с обтеканием движущихся тел воздушной или жидкой средой, рассматриваются в аэрогидромеханике, которая в настоящее время получила также значительное развитие в связи с потребностями авиации, авто- и судостроения. Аэрогидромеханика, являющаяся весьма обширной областью исследований и практического применения, не менее важна, однако в данном учебном пособии она не рассматривается. Современная гидравлика является результатом развития двух методов исследования и решения технических задач. Первый из этих методов — теоретический, основанный на использовании законов механики. Развитие его привело к созданию ма­тематического описания практически всех основных процессов, про­исходящих в движущейся жидкости. Однако использование этих математических моделей не всегда позволяет решать практические задачи. Это связано, с одной стороны, со сложностью используемых математических зависимостей, а с другой стороны, — с необходимостью учета влияния большого числа конструктивных факторов. Второй метод — экспериментальный, учитывающий практическую деятельность людей, в результате которой накоплен значительный опыт по созданию гидравлических систем. Современные способы решения прикладных задач, применяемые в гидравлике, представляют собой комбинацию отмеченных методов. Суть их заключается в следующем: сначала исследуемое явление упрощается (вводятся разумные допущения), а затем к нему применяют теоретические методы гидромеханики и на их основе получают расчетные формулы. По формулам проводят необходимые вычисления, и полученные результаты сравнивают с опытными данными. На основе сравнения расчетные зависимости рекомендуют к применению на практике или вносят в них необходимые коррективы. Таким образом, методы, применяемые в гидравлике, являются сочетанием аналитических и экспериментальных способов исследования. ^ 1.2 Силы, действующие в жидкости. Давление Жидкость в гидравлике рассматривают как сплошную среду без пустот и промежутков. Кроме того, не учитывают влияние отдельных молекул, то есть даже бесконечно малые частицы жидкости считают состоящими из весьма большого количества молекул. Из курса физики известно, что вследствие текучести жидкости, т. е. подвижности ее частиц, она не воспринимает сосредоточенные силы. Поэтому в жидкости действуют только распределенные силы, причем эти силы могут распределяться по объему жид­кости или по поверхности. Первые называются массовыми, или объемными, а вторые — поверхностными. К объемным (массовым) силам относятся силы тяжести и силы инерции. Они пропорциональны массе и подчиняются второму закону Ньютона. К поверхностным силам следует отнести силы, с которыми воздействуют на жидкость соседние объемы жидкости или тела, так как это воздействие осуществляется через поверхности. Учитывая важность поверхностных сил в гидравлике, рассмотрим их подробнее. Пусть на плоскую поверхность площадью S под произвольным углом действует сила R (рисунок 1.1). Силу R можно разложить на тангенциальную Т и нормальную F составляющие. Тангенциальная составляющая называется силой трения Т и вызывает в жидкости касательные напряжения (или напряжения трения): . Единицей измерения касательных напряжений в системе СИ является Паскаль (Па) — ньютон, отнесенный к квадратному метру (1 Па = 1 Н/м2). Нормальная сила F называется силой давления и вызывает в жидкости нормальные напряжения сжатия, которые определяются отношением p = F/S. (1.1) Нормальные напряжения, возникающие в жидкости под действием внешних сил, называются гидромеханическим давлением или просто давлением. Рассмотрим системы отсчета давления и единицы его измерения. Важным при решении практических задач является выбор системы отсчета давления (шкалы давления). За начало шкалы может быть принят абсолютный нуль давления. При отсчете давлений от этого нуля их называют абсолютными рабс (рисунок 1.2, а). Однако, как показывает практика, технические задачи удобнее решать, используя избыточные давления ризб, т.е. когда за начало шкалы принимается атмосферное давление (см. рисунок 1.2, а). Давление, которое отсчитывается «вниз» от атмосферного нуля, называется давлением вакуума рвак ,, или вакуумом (см. рисунок 1.2, а). Таким образом, существуют три шкалы для отсчета давления, то есть давление может быть абсолютным, избыточным или вакуумным. Получим формулы для пересчета одного давления в другое. Для получения формулы пересчета избыточного давления в абсолютное рабс воспользуемся рисунком 1.2, б. Пусть значение искомого давления определяется положением точки В. Тогда очевидно, что рабе = ра + ризб, (1.2) где ра — атмосферное давление, измеренное барометром Связь между абсолютным давлением рабе и давлением вакуума рвак можно установить аналогичным путем, но уже исходя из положения точки С (рис. 1.2, в): рабе = ра - рвак (1.3) И избыточное давление, и вакуум отсчитываются от одного нуля (0атм), но в разные стороны. Следовательно, ризб, = - рвак. (1.4) Таким образом, формулы (1.2)...(1.4) связывают абсолютное, избыточное и вакуумное давления и позволяют пересчитать одно в другое. Практика показала, что для решения технических (прикладных) задач наиболее удобно использовать избыточные давления. Основной единицей измерения давления в системе СИ является паскаль (Па), который равен давлению, возникающему при действии силы в 1 Н на площадь размером 1 м2 (1 Па = 1 Н/м2). a — шкалы давления; б — взаимосвязь абсолютного и избыточного давлений; в — взаимосвязь абсолютного давления и давления вакуума Рисунок 1.2 - Системы отсчета давления Однако чаще используются более крупные единицы: килопаскаль (1 кПа = 103 Па) и мегапаскаль (1 МПа = 106 Па). В технике широкое распространение получила внесистемная единица - техническая атмосфера (ат), которая равна давлению, возникающему при действии силы в 1 кгс на площадь размером 1 см2 (1 ат = 1 кгс/см2). Соотношения между наиболее используемыми единицами следующие: 10 ат = 0,981 МПа ≈ 1 МПа или 1 ат = 98,1 кПа ≈ 100 кПа. В зарубежной литературе используется также единица измерения давления бар (1 бар = 105 Па). ^ 1.3 Основные физические свойства жидкостей и газов Рассмотрим некоторые свойства жидкостей, которые оказывают наиболее существенное влияние на происходящие в них процессы и поэтому учитываются при расчетах гидравлических систем. ^ 1.3.1 Плотность и удельный вес Важнейшими характеристиками механических свойств жидкости являются ее плотность и удельный вес. Они определяют «весомость» жидкости. Под плотностью ρ (кг/м3) понимают массу жидкости т, заключенную в единице ее объема V, т.е. ρ = m/V. Вместо плотности в формулах может быть использован также удельный вес γ (Н/м3), т.е. вес G, приходящийся на единицу объема V: γ =G/V. Плотность и удельный вес жидкости связаны между собой. Эта связь легко устанавливается, если учесть, что G = mg: γ =G/V = mg/V = ρ g . Изменения плотности и удельного веса жидкости при изменении температуры и давления незначительны, и в большинстве случаев их не учитывают. Плотности наиболее употребляемых жидкостей и газов (кг/м3): бензин — 710...780; керосин — 790...860; вода — 1000; ртуть — 13600; масло гидросистем (АМГ-10) — 850; масло веретенное — 890...900; масло индустриальное — 880...920; масло турбинное — 900; метан — 0,7; воздух — 1,3; углекислый газ — 2,0; пропан — 2,0. 1.3.2 Вязкость Вязкость — это способность жидкости сопротивляться сдвигу, т. е. свойство, обратное текучести (более вязкие жидкости являются менее текучими). Вязкость проявляется в возникновении касатель­ных напряжений (напряжений трения). Рассмотрим слоистое течение жидкости вдоль стенки (рисунок 1.3). В этом случае происходит торможение потока жидкости, обусловленное ее вязкостью. Причем скорость движения жидкости в слое тем ниже, чем ближе он рас­положен к стенке. Согласно гипотезе Ньютона касательное напря­жение, возникающее в слое жидкости на расстоянии у от стенки, определяется зависимостью (1.5) где dυ/dy — градиент скорости, характеризующий интенсивность нарастания скорости υ при удалении от стенки (по оси у). Зависимость (1.5) называют законом трения Ньютона. Течения большинства жидкостей, используемых в гидравлических системах, подчиняются закону трения Ньютона, и их называют ньютоновскими жидкостями. Однако следует иметь в виду, что существуют жидкости, в которых закон (1.5) в той или иной степени нарушается. Такие жидкости называют неньютоновскими. Величина μ, входящая в (1.5), получила название динамической вязкости жидкости. Она измеряется в Паּс либо в пуазах 1 Пз = 0.1 Па ּс. Однако на практике более широкое применение нашла кинематическая вязкость: . (1.6) Единицей измерения последней в системе СИ является м2/с или более мелкая единица см2/с, которую принято называть стоксом, 1 Ст = 1 см2/с. Для измерения вязкости также используются сантистоксы: 1 сСт = 0,01 Ст. В язкость жидкостей существенно зависит от температуры, причем вязкость капельных жидкостей с повышением температуры падает, а вязкость газов — растет (рисунок 1.4). Это объясняется тем, что в капельных жидкостях, где молекулы расположены близко друг к другу, вязкость обусловлена силами молекулярного сцепле­ния. Эти силы с ростом температуры ослабевают, и вязкость падает. В газах молекулы располагаются значительно дальше друг от друга. Вязкость газа зависит от интенсивности хаотичного движения молекул. С ростом температуры эта интенсивность растет и вязкость газа увеличивается. Вязкость жидкостей зависит также от давления, но это изменение незначительно, и в большинстве случаев его не учитывают. 1.3.3 Сжимаемость Сжимаемость — это способность жидкости изменять свой объем под действием давления. Сжимаемость капельных жидкостей и газов существенно различается. Так, капельные жидкости при изменении давления изменяют свой объем крайне незначительно. Газы, наоборот, могут значительно сжиматься под действием давления и неограниченно расширяться при его отсутствии. Для учета сжимаемости газов при различных условиях могут быть использованы уравнения состояния газа или зависимости для политропных процессов [4]. Сжимаемость капельных жидкостей характеризуется коэффициентом объемного сжатия βр (Па-1): , где dV— изменение объема под действием давления; dр - изменение давления; V — объем жидкости. Знак минус в формуле обусловлен тем, что при увеличении давления объем жидкости уменьшается, т.е. положительное приращение давления вызывает отрицательное приращение объема. При конечных приращениях давления и известном начальном объеме V0 можно определить конечный объем жидкости , (1.8) а также ее плотность (1.9) Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия βр, называется объемным модулем упругости жидкости (или модулем упругости) К = 1/ βр (Па). Эта величина входит в обобщенный закон Гука, связывающий изменение давления с изменением объема (1.10) Модуль упругости капельных жидкостей изменяется при изменении температуры и давления. Однако в большинстве случаев K считают постоянной величиной, принимая за нее среднее значение в данном диапазоне температур или давлений. Модули упругости некоторых жидкостей (МПа): бензин — 1300; керосин — 1280; вода — 2000; ртуть — 32400; масло гидросистем (АМГ-10) — 1300; масло индустриальное 20 - 1360; масло индустриальное 50 - 1470; масло турбинное — 1700. ^ 1.3.4 Температурное расширение Способность жидкости изменять свой объем при изменении температуры называется температурным расширением. Оно характеризуется коэффициентом температурного расширения βt (1.11) где dT— изменение температуры; dV— изменение объема под действием температуры; V — объем жидкости. При конечных приращениях температуры , (1.12) . (1.13) Как видно из формул (1.12), (1.13) с увеличением температуры объем жидкости возрастает, а плотность уменьшается. Коэффициент температурного расширения жидкостей зависит от давления и температуры, так для воды при t = 0 0C и p = 0,1 МПа βt = 14·10 –6 1/град, а при t = 100 0C и p = 10 МПа βt = 700·10 –6 1/град, то есть изменяется в 50 раз. Однако на практике обычно принимают среднее значение в данном диапазоне температур и давления. Например, для минеральных масел βt ≈ 800·10 –6 1/град. Газы весьма значительно изменяют свой объем при изменении температуры. Для учета этого изменения используют уравнения состояния газов или формулы политропных процессов [4]. 1.3.5 Испаряемость Любая капельная жидкость способна изменять свое агрегатное состояние, в частности превращаться в пар. Это свойство капельных жидкостей называют испаряемостью. В гидравлике наибольшее значение имеет условие, при котором начинается интенсивное парообразование по всему объему — кипение жидкости. Для начала процесса кипения должны быть созданы определенные условия (температура и давление). Например, дистиллированная вода закипает при нормальном атмосферном давлении и температуре 100 °С. Однако это является частным случаем кипения воды. Та же вода может закипеть при другой температуре, если она будет находиться под воздействием другого давления, т. е. для каждого значения температуры жидкости, используемой в гидросистеме, существует свое давление, при котором она закипает. Такое давление называют давлением насыщенных паров рн.п... Величина рнп всегда приводится как абсолютное давление и зависит от температуры. Для примера на рисунке 1.5 приведена зависимость давления насыщенных паров воды от температуры. На графике выделена точка ^ А, соответствующая температуре 100 °С и нормальному атмосферному давлению ра. Если на свободной поверхности воды создать более высокое давление р1, то она закипит при более высокой температуре Т1 (точка В на рисунке 1.5). И наоборот, при малом давлении р2 вода закипает при более низкой температуре Т2 (точка С на рисунке 1.5). ^ 1.3.6 Растворимость газов Многие жидкости способны растворять в себе газы. Эта способность характеризуется количеством растворенного газа в единице объема жидкости, различается для разных жидкостей и изменяется с увеличением давления. Относительный объем газа, растворенного в жидкости до ее полного насыщения, можно считать по закону Генри прямо пропорциональным давлению, то есть Vг /Vж = k p/p0, где Vг – объем растворенного газа, приведенный к нормальным условиям (p0 , Т0 ); Vж – объем жидкости; k - коэффициент растворимости; р - давление жидкости. Коэффициент k имеет следующие значения при 20 0С: для воды – 0,016, керосина - 0,13 минеральных масел - 0,08, жидкости АМГ-10 – 0,1. При понижении давления выделяется растворенный в жидкости газ, причем интенсивнее, чем растворяется в ней. Это явление может отрицательно сказывается на работе гидросистем. 2 ГИДРОСТАТИКА ^ 2.1 Свойства гидростатического давления. Основное уравнение гидростатики Гидростатикой называется раздел гидравлики, в котором рассматриваются законы равновесия жидкости и их практическое применение. В покоящейся жидкости возникают только напряжения сжатия и не могут действовать касательные напряжения, так как любое касательное напряжение жидкости вызовет ее движение, т.е. нарушит состояние покоя. В главе 1 было показано, что напряжения сжатия вызывает сила, действующая перпендикулярно на бесконечно малую площадку. Отсюда вытекает первое свойство гидростатического давления: гидростатическое давление действует по нормали к поверхности и является сжимающим, то есть действует внутрь рассматриваемого объема. Второе свойство гидростатического давления состоит в том, что в любой точке внутри покоящейся жидкости гидростатическое давление не зависит от ориентировки площадки, по которой оно действует, то есть одинаково во всех направлениях. Исходя из этих свойств гидростатического давления, можно получить основное уравнение гидростатики. Пусть жидкость находится сосуде, а на ее свободную поверхность действует давление ра .(рисунок 2.1). Определим давление р в произвольно выбранной точке, которая находится на глубине h. Для определения искомого давления р вокруг произвольно выбранной точки возьмем бесконечно малую горизонтальную площадку ΔS и построим на ней цилиндр до открытой поверхности жидкости. На выделенный объем жидкости сверху вниз действуют сила, равная произведению давления р0 на площадь ΔS, и вес выделенного объема жидкости G. В выбранной точке искомое давление р действует по всем направлениям одинаково (второе свойство гидростатического давления). Но на выделенный объем создаваемая этим давлением сила действует по нормали к поверхности и направлена внутрь объема (первое свойство гидростатического давления), т.е. сила направлена вверх и равна произведению р на площадь ΔS. Тогда условием равновесия выделенного объема жидкости в вертикальном направлении будет равенство p ∙ ΔS - G - p0 ∙ΔS = 0. Вес G выделенного цилиндра жидкости можно определить, подсчитав его объем V: G = V∙ p ∙g = ΔS∙ h ∙ ρ ∙ g. Подставив математическое выражение для G в уравнение равновесия и решив его относительно искомого давления р, окончательно получим p = p0 + ρ g h. (2.1) Полученное уравнение называют основным уравнением гидростатики. Оно позволяет подсчитать давление в любой точке внутри покоящейся жидкости, как сумму давления p0 на внешней поверхности жидкости и давления , обусловленного весом вышележащих слоев жидкости - ρ g h. Величина р0 является одинаковой для всех точек объема жидкости, поэтому учитывая свойства гидростатического давления, можно сказать, что давление, приложенное к внешней поверхности жидкости, передается всем точкам этой жидкости и по всем направлениям одинаково. Это положение известно под названием закона Паскаля. Давление жидкости, как видно из формулы (2.1), возрастает с увеличением глубины по линейному закону и на данной глубине есть величина постоянная. Поверхность, давление во всех точках которой одинаково, называется поверхностью уровня. В случае, когда на жидкость действует только сила тяжести, поверхности уровня представляют собой горизонтальные плоскости, при этом свободная поверхность является одной из поверхностей уровня. Возьмем на произвольной высоте горизонтальную плоскость сравнения. Обозначив через z расстояние от этой плоскости до рассматриваемой точки, через z0 - расстояние до свободной поверхности и заменив в уравнении (2.1) h на z – z0, получим основное уравнение гидростатики в другой форме: . (2.2) Так как рассматриваемая точка выбрана произвольно, можно утверждать, что для любой точки неподвижного объема жидкости . Координата z называется геометрической высотой, величина р / ρg – пьезометрической высотой, а их сумма - гидростатическим напором. Таким образом, гидростатический напор есть величина постоянная для всего объема неподвижной жидкости. Основное уравнение гидростатики широко применяется для решения практических задач. Однако при его использовании в практических расчетах следует обращать особое внимание на высоту h, так как она может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Действительно, если точка, в которой определяем давление, располагается ниже точки с исходным давлением, то в математической записи основного закона гидростатики ставится знак «+», как в формуле (2.1). А в том случае, когда точка, в которой определяем давление, располагается выше точки с исходным давлением, в уравнении знак « + » изменяется на « - », то есть ро = р – ρ g h. При выборе знака в основном законе гидростатики всегда следует помнить, что чем ниже (глубже) располагается точка в данной жидкости, тем больше давление в этой точке. В заключение следует добавить, что основное уравнение гидростатики широко используется при измерении давлений. ^ 2.2 Устройство и приборы для измерения давления Как было показано в главе 1, давление может быть абсолютным, избыточным и давлением вакуума. В машиностроительной гидравлике наиболее часто используются давления избыточные и вакуума, поэтому измерению этих давлений уделим наибольшее внимание. Простейшим прибором для измерения избыточного давления является пьезометр, который представляет собой вертикально установленную прозрачную трубку, верхний конец которой открыт в атмосферу, а нижний присоединен к емкости, в которой измеряется давление (рисунок 2.2, а). Применяя формулу (2.1) к жидкости, заключенной в пьезометре, получим рабс = рa + ρ ghp , где рабс - абсолютное давление в жидкости на уровне присоединения пьезометра, рa - атмосферное давление. Отсюда высота подъема жидкости в пьезометре (пьезометрическая высота) . (2.3) Таким образом, пьезометрическая высота представляет собой высоту столба жидкости, соответствующую избыточному давлению в данной точке. Измерения по пьезометру проводят в единицах длины, поэтому иногда давления выражают в единицах высоты столба определенной жидкости. Например, атмосферное давление, равное 760 мм рт. ст., соответствует высоте ртутного столба 760 мм в пьезометре. Подставив это значение в уравнение (2.3) при ρрт = 13600 кг/м3, получим атмосферное давление, равное 1,013 • 105 Па. Эта величина называется физической атмосферой. Она отличается от технической атмосферы, которая соответствует 736 мм рт. ст. Это число можно получить, если подставить в формулу (2.3) ризб = 1 ат и вычислить высоту hp. С помощью стеклянной трубки можно измерить и давление вакуума, при этом жидкость в трубке опустится ниже уровня измерения (см. рисунок 2.2,б). В этом случае рабс = рa - ρ ghp , откуда . (2.4) Формула (2.4) позволяет определить максимальную высоту всасывания жидкости. Полагая рабс = 0 и не учитывая давления насыщенных паров, получаем . При нормальном атмосферном давлении (0,1033 МПа) высота Нmax для воды равна 10.33 м, для бензина – 13,8 м, для ртути – 0,760 м и так далее. С хемы наиболее распространенных жидкостных манометров и вакуумметров представлены на рисунке 2.3. Рисунок 2.3 – Схемы жидкостных манометров: а) U – образный манометр; б) чашечный манометр; в) дифференциальный манометр; г) двух-жидкостный микроманометр; д) двух-жидкостный чашечный манометр. Пьезометры просты по конструкции и обеспечивают высокую точность измерений. Однако они не позволяют измерять большие давления. Подтвердим это на следующем примере. Пусть пьезометром необходимо измерить избыточное давление риз6 = 0,1 МПа ≈ 1 ат в жидкости с плотностью, равной плотности воды (ρ= 1000 кг/м3). Тогда из формулы (2.3) при заданных условиях получим высоту столба воды в пьезометре Н ≈ 10 м, что является весьма значительной величиной. В машиностроении используются более высокие давления (в сотни атмосфер), что ограничивает применение пьезометров. Аналогичные по принципу работы приборы с использованием ртути позволяют в 13,6 раза уменьшить пьезометрические высоты (ртуть в 13,6 раза тяжелее воды). Но ртуть ядовита, и такие приборы в машиностроении практически перестали применяться. Широкое распространение в технике для измерения давлений получили пружинные манометры. Основным элементом такого прибора (рисунок 2.4) является пружинящая тонкостенная трубка 1 (обычно латунная). Один из концов трубки запаян и подвижен, а второй закреплен, и к нему подводится измеряемое давление. Подвижный конец трубки 1 кинематически связан со стрелкой 3. При изменении давления он изменяет свое положение и перемещает стрелку 3, которая указывает на соответствующее число на шкале 2. Пружинные приборы для измерения вакуума не имеют ни принципиальных, ни конструктивных отличий от пружинных манометров. Устройства для измерения вакуума получили название вакуумметров. Выпускаются также приборы, позволяющие измерять как избыточные давления, так и вакуум. Их принято называть мановакуумметрами. В метеорологии измерение абсолютных значений атмосферных давлений проводят с помощью барометров. Для машиностроительных систем измерение абсолютных давлений практического значения не имеет. ^ 2.3 Сила давления на плоскую стенку До сих пор рассматривались давления, действующие в жидкости. Однако более важное практическое значение имеют силы, возникающие от действия жидкости на различные стенки. При определении силы, действующей со стороны жидкости на плоскую стенку, рассмотрим общий случай, когда стенка наклонена к горизонту под углом α, а на свободную поверхность жидкости действует давление р0 (рисунок 2.5). Вычислим силу давления F, действующую на некоторый участок рассматриваемой стенки площадью S. Ось Ох направим по линии пересечения плоскости стенки со свободной поверхностью жидкости, а ось Оу — перпендикулярно к этой линии в плоскости стенки. Выразим сначала элементарную силу давления, приложенную к бесконечно малой площадке dS: dF = p dS = (pо + ρ gh) dS = pо dS + ρ g h d S, где ро — давление на свободной поверхности; h — глубина расположения площадки dS. Для определения полной силы F проинтегрируем полученное выражение по всей площади S: где у — координата площадки dS. Последний интеграл представляет собой статический момент площади S относительно оси Ох и равсн произведению этой площади на координату ее центра тяжести (точка С), то есть , Следовательно , здесь hс — глубина расположения центра тяжести площади S.

studfiles.net

Виды гидравлики: общие классификации

Гидравлические системы используются в разнообразном оборудовании, но работа каждой из них основана на схожем принципе. В его основе лежит классический закон Паскаля, открытый еще в XVII веке. Согласно ему, давление, которое приложено к объему жидкости, создает силу. Она равномерно передается во всех направлениях и создает одинаковое давление в каждой точке.

Основа работы гидравлики любого вида — использование энергии жидкостей и возможность, приложив малое усилие, выдерживать увеличенную нагрузку на значительной площади – так называемый гидравлический мультипликатор. Таким образом, к гидравлике можно отнести все виды устройств, работающих на основе использования гидравлической энергии.

Спецтехника с гидроузлами Гидрофицированные роботы на заводе «Камаз»

Виды гидравлики по сферам применения

Несмотря на общий «фундамент», гидросистемы поражают разнообразием. Начиная от базовых гидравлических конструкций, состоящих из нескольких цилиндров и трубок, и заканчивая футуристичными продуктами, в которых объединены гидроэлементы и электротехнические решения, они демонстрируют широту инженерной мысли и приносят прикладную пользу в самых разных отраслях:

  • промышленности — как элемент литейного, прессового, транспортировочного и погрузочно-разгрузочного оборудования, металлорежущих станков, конвейеров;
  • сельском хозяйстве — навесное оборудование тракторов, экскаваторов, комбайнов и бульдозеров управляется именно гидроузлами;
  • автомобильном производстве: гидравлическая тормозная система — «must have» для современного легкового и грузового автотранспорта;
  • авиакосмической отрасли: системы, независимые или объединенные с пневматикой, используются в шасси, управляющих устройствах;
  • строительстве: практически вся спецтехника оснащена гидрофицированными узлами;
  • судовой технике: гидравлические системы используются в турбинах, рулевом управлении;
  • нефте- и газодобыче, морском бурении, энергетике, лесозаготовительном и складском хозяйстве, ЖКХ и многих других сферах.
Гидростанция к токарному станку

В промышленности (для металлорежущих и других станков) современную производительную гидравлику используют благодаря ее способности обеспечить оптимальный режим работы с помощью бесступенчатого регулирования, получать плавные и точные движения оборудования и простоты его автоматизации.

На производственных станках широко применяют системы с автоматическим управлением, а в строительстве, благоустройстве, дорожных и других работах — экскаваторы и другую гусеничную или колесную с гидрофицированными узлами. Гидросистема работает от мотора техники (ДВС или электрического) и обеспечивает функционирование навесных элементов — ковшей, стрел, вил и так далее.

Гидрофицированный экскаватор-погрузчик

Виды гидравлики с разными гидроприводами

В оборудовании для разных сфер используются гидроприводы одного из двух типов — гидродинамические, работающие преимущественно на кинетической энергии, или объемные. Последние используют потенциальную энергию давления жидкостей, обеспечивают большое давление и, благодаря техническому совершенству, широко используются в современных машинах. Системы с компактными и производительными объемными приводами устанавливают на сверхмощных экскаваторах и станках — их рабочее давление достигает 300 МПа и больше.

Пример техники с объемным гидроприводом Рабочее колесо гидротурбины для гидроагрегата ГЭС

Объемные гидроприводы используют в большинстве современных гидростистем, устанавливаемых в прессах, экскаваторах и строительной спецтехнике, металлообрабатывающих станках и так далее. Устройства классифицируют по:

  • характеру движения выходных звеньев гидромотора — оно может быть вращательным (с ведомым валом или корпусом), поступательным или поворотным, с движением на угол до 270 градусов;
  • регулированию: регулируемые и нерегулируемые в ручном или автоматическом режиме, дроссельным, объемным или объемно-дроссельным способом;
  • схемам циркуляции рабочих жидкостей — компактной замкнутой, используемой в мобильной технике, и разомкнутой, которая сообщается с отдельным гидробаком;
  • источникам подачи жидкостей: с насосами или гидроприводами, магистральными или автономными;
  • типу двигателя — электрический, ДВС в автомобилях и спецтехнике, турбины корабля и так далее.
Турбина Siemens с гидроприводом

Конструкция гидравлики разных видов

В промышленности используют машины и механизмы со сложным устройством, но, как правило, гидравлика в них работает по общей принципиальной схеме. В систему включены:

  • рабочий гидроцилиндр, преобразовывающий гидравлическую энергию в механическое движение (или, в более мощных промышленных системах, гидродвигатель);
  • гидронасос;
  • бак для рабочей жидкости, в котором предусмотрена горловина, сапун и вентилятор;
  • клапаны — обратный, предохранительный и распределительный (направляющий жидкость к цилиндру или в резервуар);
  • фильтры тонкой очистки (по одному на подающей и обратной линии) и грубой очистки — для удаления примесей механического характера;
  • система, управляющая всеми элементами;
  • контур (емкости под давлением, трубопроводная обвязка и другие компоненты), уплотнители и прокладки.
Классическая схема раздельноагрегатной гидросистемы

В зависимости от вида гидросистемы, ее конструкция может отличаться — это влияет на сферу применения устройства, его рабочие параметры.

Стандартный рабочий гидроцилиндр тормоза для комбайна «Нива СК-5»

Виды конструктивных элементов гидросистемы

Прежде всего, важен тип привода — части гидравлики, преобразующей энергию. Цилиндры относятся к роторному типу, и могут направлять жидкости только в один конец или в оба (однократное или двойное действие соответственно). Усилие их направлено прямолинейно. Гидравлика открытого типа с цилиндрами, которые сообщают выходным звеньям возвратно-поступательное движение, используется в мало- и среднемощном оборудовании.

Спецтехника с гидродвигателем

В сложных промышленных системах вместо рабочих цилиндров устанавливают гидродвигатели, в которые из насоса поступает жидкость, а затем возвращается в магистраль. Гидрофицированные моторы сообщают выходным звеньям вращательное движение с неограниченным углом поворота. Их приводит в действие рабочая гидравлическая жидкость, поступающая от насоса, что, в свою очередь, заставляет вращаться механические элементы. В оборудовании для разных сфер устанавливают шестеренчатые, лопастные или поршневые гидромоторы.

Радиально-поршневой гидромотор

Потоками в системе управляют гидрораспределители — дросселирующие и направляющие. По особенностям конструкции их делят на три разновидности: золотниковые, крановые и клапанные. Наиболее востребованы в промышленности, инженерных системах и коммуникациях гидрораспределители первого типа. Золотниковые модели просты в эксплуатации, компактны и надежны.

Гидронасос — еще один принципиально важный элемент гидравлики. Оборудование, преобразующее механическую энергию в энергию давления, используют в закрытых и открытых гидросистемах. Для техники, работающей в «жестких» условиях (бурильной, горнодобывающей и так далее) устанавливают модели динамического типа — они менее чувствительны к загрязнениям и примесям.

Гидравлический насос Гидронасос в разрезе Пара гидронасос-гидромотор

Также насосы классифицируют по действию — принудительному или непринудительному. В большинстве современных гидросистем, использующих повышенное давление, устанавливают насосы первого типа. По конструкции выделяют модели:

  • шестеренчатые;
  • лопастные;
  • поршневые — аксиального и радиального типов.
  • и др.
Гидрофицированные манипуляторы для 3D-печати

Существует огромное количество видов использования законов гидравлики — изготовители придумывают новые модели техники и оборудования. Среди наиболее интересных — гидросистемы, устанавливаемые в манипуляторах для 3D-печати, коллаборативных роботах, медицинских микрофлюидных устройствах, авиационном и другом оборудовании. Поэтому любая классификация не может считаться полной — научный прогресс дополняет ее чуть ли не каждый день.

pi4 workerbot — ультрасовременный индустриальный робот, воспроизводящий мимику

Гидравлический манипулятор, распечатанный на 3D-принтере

Гидрооборудование на линиях авиационного завода

Читайте также:

УСЛУГИ и ЦЕНЫ

* Цены указаны с НДС. ** Версия для печати…

hydro-test.ru


Смотрите также

Календарь

ПНВТСРЧТПТСБВС
     12
3456789
10111213141516
17181920212223
24252627282930
31      

Мы в Соцсетях

 

vklog square facebook 512 twitter icon Livejournal icon
square linkedin 512 20150213095025Одноклассники Blogger.svg rfgoogle