Предмет гидравлики и краткая история её развития.

Стр 1 из 8Следующая ⇒

Содержание

1. Введение.

1.1 Предмет гидравлики и краткая история её развития.

1.2 Гидростатика

1.3 Кинематика

1.4 Общие уравнения сплошной среды

1.5 Потери напора при установившемся движении.

2. Объемные гидромашины.

2.1 Понятие объемной гидромашины. Насосы, гидродвигатели.

2.2 Величины характеризующие рабочий процесс ОГМ.

2.3 Роторные гидромашины. Классификация.

3. Основные сведения об оъемном гидроприводе.

3.1 Назначения и основные свойства

3.2 Основные параметры гидрооборудования.

3.3 Основные режимы работы и условия эксплуатации гидрооборудования.

Введение

Предмет гидравлики и краткая история её развития.

Раздел механики, в котором изучают равновесие и движение жидкости, а также силовое взаимодействие жидкостью и обтекаемыми ею телами или ограничивающими её поверхностями, называется гидромеханикой.

Науку о законах равновесия и движения жидкостей и о способах приложения этих законов к решению практических задач называют гидравликой. В гидравлике рассматривают, главным образом, потоки жидкости, ограниченные и направленные твердыми стенками, т. е. течение в закрытых и открытых каналах.

Таким образом, можно сказать, что в гидравлике изучают в основном внутренние течения жидкостей и решают так называемую внутреннюю задачу в отличие от внешней, связанной с внешним обтеканием тел сплошной средой, которое имеет место при движении тела в жидкости или газе.

Историческое развитие механики жидкостей шло двумя различными путями:

-первый путь – теоретический, путь точного математического анализа, основанного на законах механики. Он привел к созданию теоретической гидромеханики, которая долгое время являлась самостоятельной дисциплиной, непосредственно не связанная с экспериментом. Однако на пути чистого теоретического исследования движения жидкости встречается множество трудностей, и методы теоретической гидромеханики не всегда дают ответы на вопросы, выдвигаемые практикой.

- второй путь – путь широкого применения эксперимента и накопления опытных данных для использования их в инженерной практике – привел к созданию гидравлики.

Понятие жидкости. Реальная и идеальная жидкости

Жидкость – физическое тело, молекулы которого слабо связаны между содой. Поэтому незначительные силы способны легко изменить форму жидкости, которая способна сохранить объем, но не форму. В гидравлике жидкость рассматривают как непрерывную среду, заполняющую пространство без пустот и промежутков, т.е. отвлекаются от молекулярного строения жидкости и её частицы, даже бесконечно малые, считают состоящими из большого числа молекул.

Реальной жидкостью называют жидкость, обладающую вязкостью (свойство жидкости сопротивляться сдвигу ее слоев).

Идеальная или невязкая жидкость является упрощенной моделью реальной (вязкой) жидкости. По предположению, идеальная жидкость имеет все свойства реальной, кроме вязкости.

рис. 1.1 Профиль скоростей течения жидкости.

Гидростатика

Кинематика

Установившееся и неустановившееся течение жидкости

Установившимся называется течение жидкости, неизменное по времени, при котором давление и скорость являются функциями только координат, но не зависят от времени. Давление и скорость могут изменяться при перемещении частицы жидкости из одного положения в другое, но в данной неподвижной относительно русла точке давление и скорость при установившемся движении не изменяются по времени, т. е.

P=f₁(x, y, z), v=f₂(x, y, z).

В частном случае установившееся течение может быть равномерным, когда скорость каждой частицы не изменяется с изменением ее координат, и поле скоростей остается неизменным вдоль потока.

Неустановившимся называется течение жидкости, все характеристики которого (или некоторые из них) изменяются по времени в точках рассматриваемого пространства.

В общем случае неустановившегося течения давление и скорость зависят как от координат, так и от времени:

P=F₁(x, y, z, t), v=F₂(x, y, z, t).

Примерами неустановившегося течения жидкости могут служить быстрое опорожнение сосуда через отверстие в дне или движение во всасывающей или напорной трубе поршневого насоса, поршень которого совершает возвратно-поступательное движение. Примером установившегося течения может служить истечение жидкости из сосуда, в котором поддерживается постоянный уровень, или движение жидкости в трубопроводе, создаваемое центробежным насосом с постоянной частотой вращения вала.

Исследование установившихся течений гораздо проще, чем неустановившихся. Траектории частиц жидкости при установившемся течении являются неизменными по времени.

При неустановившемся течении траектории различных частиц, проходящих через данную точку пространства, могут иметь разную форму. Наглядное представление о поле скоростей движущейся жидкости можно получить, если построить векторные линии этого поля, называемые в гидромеханике линиями тока.

Линией тока называется кривая, в каждой точке которой вектор скорости в данный момент времени направлен по касательной.

Очевидно, что в условиях установившегося течения линия тока совпадает с траекторией частицы и не изменяет своей формы с течением времени.

Общие уравнения сплошной среды

Уравнение неразрывности

Рассмотрим случай, когда невязкая жидкость течет по горизонтальной цилиндрической трубе с изменяющимся поперечным сечением.

Течение жидкости называют стационарным, если в каждой точке пространства, занимаемого жидкостью, ее скорость с течением времени не изменяется. При стационарном течении через любое поперечное сечение трубы за равные промежутки времени переносятся одинаковые объемы жидкости.

Жидкости практически несжимаемы, т. е. можно считать, что данная масса жидкости всегда имеет неизменный объем. Поэтому одинаковость объемов жидкости, проходящих через разные сечения трубы, означает, что скорость течения жидкости зависит от сечения трубы.

Пусть скорости стационарного течения жидкости через сечения трубы S₁ и S₂ равны соответственно v₁ и v₂. Объем жидкости, протекающей за промежуток времени t через сечение S₁, равен V₁=S₁v₁t, а объем жидкости, протекающей за то же время через сечение S2, равен V₂=S₂v₂t. Из равенства V₁=V₂ следует, что

Рис 1.14

(1.27)

Соотношение (1.27) называют уравнением неразрывности. Из него следует, что Следовательно, при стационарном течении жидкости скорости движения ее частиц через разные поперечные сечения трубы обратно пропорциональны площадям этих сечений.

Поскольку объемный расход Q равен произведению скорости текущей среды V на площадь S поперечного сечения трубки тока, уравнение неразрывности имеет следующий вид:

(1.28)

Это уравнение выражает один из основных законов гидроаэромеханики, согласно которому объемный расход во всякой трубке тока, ограниченной соседними линиями тока, должен быть в любой момент времени одинаков во всех ее поперечных сечениях.

Уравнение Бернулли

Основной задачей гидродинамики является изучение законов движения жидкости. Движение жидкости характеризуется скоростями движения частиц и давлением в отдельных точках потока.

Чтобы установить взаимосвязь между основными параметрами движения, а именно между гидродинамическим давлением и скоростью движущейся жидкости, составим уравнения движения жидкости. Эти уравнения могут быть получены из дифференциальных уравнений равновесия жидкости, если к действующим силам согласно принципу д’Аламбера присоединить силы инерции. Получим систему уравнений:

(1.29)

Преобразуем полученные уравнения, применительно к элементарной струйке идеальной жидкости, находящейся в установившемся движении, умножив каждое уравнение соответственно на , . После по членного суммирования получаем

(1.30)

Так как , , - это проекции элементарного пути, проходимого частицами жидкости за время dt, следовательно:

(1.31)

С учетом (3) уравнение (2) примет вид:

(1.32)

- полный дифференциал силовой функции, выражающей массовые силы, под действием которых осуществляется движение жидкости.

- полный дифференциал давления, так как при установившемся движении гидродинамическое давление не зависит от времени.

- полный дифференциал скорости, выраженной через ее составляющие по соответствующим осям координат.

С учетом вышесказанного уравнение (1.32) примет вид:

(1.33)

Или окончательно

(1.34)

В частном случае, когда из всех массовых сил на движущуюся жидкость действуют только силы тяжести, силовая функция будет равна

(1.35)

Подставив значение силовой функции в уравнение (6) и проинтегрировав, получим уравнение для рассматриваемого сечения:

(1.36)

Так как сумма трех членов в уравнении (8) постоянна для любого сечения струйки, то для двух сечений 1 - 1 и 2 - 2 (рис. 1.15) можно записать

(1.37)

Рис. 1.15

Разделив левую и правую часть уравнения (1.37) на g, окончательно получим:

(1.38)

Уравнение (10) устанавливает связь между скоростью движения, давлением и геометрическим положением частиц жидкости для двух сечений струйки и является уравнением Бернулли для элементарной струйки идеальной жидкости.

График Никурадзе

Если для гидравлически гладких труб коэффициент потерь на трение вполне определяется числом Рейнольдса, то для шероховатых труб зависит ещё и от шероховатости внутренней поверхности трубы. При этом важен не абсолютный размер бугорков шероховатости, а отношение этого размера к радиусу (или диаметру) трубы, т.е. так называемая относительная шероховатость . Одна и та же абсолютная шероховатость может совершенно не оказывать влияния на сопротивление трубы большого диаметра, но способна значительно увеличить сопротивление трубы малого диаметра. Кроме того, на сопротивление влияет характер шероховатости. Простейшим случаем будет тот, когда все бугорки шероховатости имеют один и тот же размер и одинаковую форму, т.е. при так называемой равномерно распределённой зернистой шероховатости.

Таким образом, в этом случае коэффициент зависит как от Рейнольдса, так и от отношения (или ):

(1.83)

Характер влияния этих двух параметров на сопротивление труб отчётливо виден из графика, который является результатом опытов И.И. Никурадзе.

Рис 1.23. Экспериментальная зависимость гидравлического коэффициента трения А, от числа Рейнольдса и относительной гладкости при песочной шероховатости (график Никурадзе)

И.И. Никурадзе испытал на сопротивление ряд труб с искусственно созданной шероховатостью на их внутренней поверхности. Шероховатость была получена путём приклейки песчинок определённого размера,. Полученного просеиванием песка через специальные сита. Тем самым была получена равномерно распределённая зернистая шероховатость. Испытания были проведены при широком диапазоне относительных шероховатостей ( ), а также чисел

Рис. 2.24. Экспериментальные зависимости гидравлического коэффициента трения от числа Рейнольдса и относительной гладкости стенок для промышленных труб с неравномерной шероховатостью

Re ( ). Результаты этих испытаний представлены в виде кривых зависимости от для ряда значений .

Из графика можно сделать следующие выводы:

1. При ламинарном течении шероховатость на сопротивление не влияет.

2. Критическое число Рейнольдса от шероховатости практически не зависит;

3. В области турбулентного течения, но при небольших Re и шероховатость на сопротивление не влияет;

4. При больших Re и больших относительных шероховатостях коэффициент перестаёт зависеть от Re и становится постоянным для данной относительной шероховатости.

Объемные гидромашины.

Таблица 3.1. Режим работы гидрооборудования

Режим работы	Пример
Наименование	Характеристика
Легкий	Эпизодическая работа не связанная с технологическим циклом машины (установка исполнительных органов до начала рабочих операций)	Привод механизмов подъема и опускания рабочего органа рыхлителей, дорожных фрез, кусторезов, каналокопателей, снегоочистителей, выносных опор экскаваторов, стреловых самоходных кранов и других машин.
Средний	Периодическая работа, связанная с технологическим циклом машины	Привод рабочего оборудования, скреперов, автогрейдеров, бульдозеров и кранов автомобильных, коммунальных машин; привод рулевого управления самоходных машин
Тяжелый	Постоянная работа при выполнении технологического цикла машины или ее передвижений	Привод рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов, погрузчиков, экскаваторов дреноукладчиков, автобетононасосов, валочно-пакетирующих и бурильных машин; привод механизмов передвижения дорожных катков, асфальто- и бетоноукладочных машин

Для гидрооборудования общего применения, удовлетворяющего комплексу технических требований, общему для большинства случаев применения, в качестве номинальных принимают значения климатических факторов внешней среды, в пределах которых обеспечивается нормальная эксплуатация. В нормативно-технической документации (НТД) на гидрооборудование указывают рабочие значения климатических факторов, в пределах которых обеспечивается сохранение номинальных параметров, и экономически целесообразный срок службы гидрооборудования

Значения климатических факторов, при которых гидрооборудование чрезвычайно редко и в течение не более 6 ч может оказаться в процессе эксплуатации, принято считать предельными рабочими, и изделия должны при этом:

· сохранять работоспособность с допустимыми отклонениями от номинальных параметров, указываемых в технических условиях;

· после прекращения действия этих предельных рабочих значений восстанавливать номинальные параметры;

В зависимости от воздействия климатических факторов в процессе эксплуатации машин в технических условиях на конкретные виды гидрооборудования указывают климатические исполнения и допустимые отклонения параметров от их первоначальных значений.

Согласно ГОСТ 15150-69 территория земного шара разделена на макроклиматические районы. Поставляемые в эти районы изделия должны изготавливаться в соответствующих климатических исполнениях с учетом категории размещения (укрупненно), характеризующей воздействие климатических факторов внешней среды в пределах данной географической зоны.

Анализ влияния климатических факторов внешней среды и многолетний опыт эксплуатации большого количества мобильных машин с объемным гидроприводом показали, что температура внешней среды оказывает наибольшее влияние на надежность и работоспособность гидрооборудования [4, 5, 10, 12, 14, 15, 25].

К макроклиматическому району с умеренным климатом, относятся районы, где средняя из ежегодных абсолютных максимумов температура воздуха равна или ниже плюс 40°С, а средняя из ежегодных абсолютных минимумов температура воздуха равна или выше минус 45 С (исполнение У).

К макроклиматическому району с холодным климатом относятся районы, в которых средняя из ежегодных абсолютных минимумов температура воздуха ниже минус 45°С (исполнение ХЛ). В этом обширном по территории районе наиболее низкие температуры воздуха (абсолютные минимумы - до минус 60°С и ниже) длительностью до 6 ч подряд в зимний период имеют вероятность возникновения один раз в 70-80 лет. Абсолютный минимум температуры воздуха, которая бывает один раз в два года длительностью 5-6 ч подряд, находится в пределах от минус 20 до минус 60 С.

Для мобильных машин возможен перерыв в работе, поэтому в качестве основного климатического фактора, необходимого для расчета и проектирования объемного гидропривода, следует принимать среднее значение температуры окружающего воздуха минус 50С в течение пяти суток подряд (120 ч) с повторяемостью один раз в 5 лет. Следовательно, для надежной эксплуатации мобильных машин с объемным гидроприводом в районах холодного климата они должны быть рассчитаны на изменение температуры воздуха в пределах от плюс 25С до минус 50С.

Изделия в специальном арктическом исполнении для районов с очень холодным климатом, где средняя минимальная температура ниже минус 60С, изготовляют для Антарктиды.

К макроклиматическому району с влажным тропическим климатом относятся районы, в которых сочетание температуры, равной или выше 20С и относительной влажности, равной или выше 80%, наблюдается примерно 12 или более часов в сутки за непрерывный период от 2 до 12 месяцев в году (исполнение ТВ).

Районы, в которых средняя из ежегодных абсолютных максимумов температура воздуха выше плюс 40С, относятся к макроклиматическому району с сухим тропическим климатом (исполнение ТС). Изделия в исполнениях У и ХЛ могут эксплуатироваться в теплой и жаркой зонах СССР по ГОСТ 16350-80, в которых средняя из ежегодных абсолютных максимумов температура воздуха выше плюс 40С или сочетание температуры, равной или выше плюс 20С и относительной влажности, равной или выше 80%, наблюдается более 12 ч в сутки за непрерывный период более двух месяцев в году. Для обозначения места размещения изделий в эксплуатационной документации, а также на заводской табличке, где должен быть приведен тип (марка) гидрооборудования; после указания климатического исполнения указывают категорию размещения для эксплуатации на открытом воздухе (1), под навесом или в помещениях (2), в закрытых помещениях (3), в закрытых отапливаемых или охлаждаемых производственных помещениях (4) и в помещениях (в том числе в подземных) с повышенной влажностью (5).

При создании мобильных машин и применении гидравлического оборудования необходимо учитывать режимы и условия их эксплуатации. Так, например, одноковшовые экскаваторы, бульдозеры, автогрейдеры, стреловые самоходные краны, погрузчики, копровое оборудование эксплуатируются в течение всего года, а шнекороторные и плужные снегоочистители, снегопогрузчики, рыхлители мерзлого грунта предназначены для эксплуатации в осенне-зимний и преимущественно в зимний период. Многие мелиоративные машины для строительства оросительных и осушительных каналов, эксплуатации мелиоративных систем способом гидромеханизации, а также бетонотранспортные машины и технологическое оборудование для производства строительных материалов эксплуатируются в районах с умеренным и жарким климатом при температуре воздуха, не ниже 0 С.