Lekcii

расчетах этими изменениями можно пренебречь. При проведении упрощенных расчетов плотность рабочей жидкости принимают равной ρ = 900 кг/м 3.

При описании процессов, происходящих в пневматических устройствах, воздух рассматривается как идеальный газ, состояние которого определяется уравнением Клапейрона

где T - абсолютная температура, K;

R - газовая постоянная, равная для воздуха R = 287 Дж/кг.К.

При различных значениях давлений и температур плотность воздуха можно определить по формуле

где g = 9.81 м/с 2 - ускорение свободного падения.

Для применяемых в гидроприводе масел объемный вес находится в пределах

γ = 8650 ...9050 Н/м 3.

Удельный вес γ - отношение веса масла при 20 0C к весу воды в том же объеме при 40C. Для минеральных масел удельный вес находится в пределах

γ = 0,84 ...0,91.

Одна из наиболее важных характеристик рабочей среды - вязкость, т.е. свойство, определяющее сопротивление жидкости или газа относительному перемещению их слоев. Различают динамическую μ и кинематическую ν вязкости.

Динамическая вязкость μ (коэффициент вязкости, коэффициент внутреннего трения) - величина, равная отношению силы внутреннего трения, действующей на поверхность слоя жидкости или газа при градиенте скорости, равном единице, к площади этого слоя. Динамическую вязкость μ (Па.с) определяют из формулы, выражающей силу PТР внутреннего трения:

PТР = μ . F. dv/dl, (2.6)

где F - площадь поверхностного слоя, на которую рассчитывается сила внутреннего трения, dv/dl - градиент скорости, показывающий быстроту изменения скорости при переходе от одного слоя жидкости к другому.

Кинематическая вязкость ν = μ / ρ и измеряется в сантистоксах (сСт) или в стоксах (Ст), 1 Ст = 1 см2/с.

Вязкость масла определяет большинство эксплуатационных свойств (характер смазывания, утечки, износ, трение), поэтому вязкость указывают в обозначении типа масла. Принято указывать в обозначении кинематическую вязкость при температуре 50 0С в сантистоксах.

По уровню вязкости для гидравлических систем достаточно иметь несколько групп масел:

маловязкие с ν50 = 4 ... 5 сСт; средневязкие с ν50 = 10 ... 15 сСт; вязкие с ν50 = 20 ... 35 сСт.

Гидроприводы общепромышленного назначения работают в закрытых отапливаемых помещениях при температуре окружающей среды от 0 0С до 350С, что позволяет использовать масла повышенной вязкости с ν50=20...40 сСт, что улучшает стабильность к окислению и смазочные свойства.

В гидроприводах кузнечно-штамповочных машин в качестве рабочей среды применяют негорючие водные эмульсии «масло в воде», представляющие собой двух - трех процентную дисперсную водную смесь эмульсола. В состав эмульсола входит минеральное масло с добавкой для улучшения противоизносных свойств 12 - 14 % олеиновой кислоты и 2,5 % едкого натра.

Рабочие жидкости, наиболее часто используемые в гидроприводах, и их характеристики приведены в табл. 2.1.

Вязкость минеральных масел значительно зависит от температуры, причем для различных сортов масел эта зависимость различна. Влияние температуры t на кинематическую вязкость ν в интервале температур от 30 0С до 150 0С определяют по формуле

где значения показателя степени n в зависимости от кинематической вязкости приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Вязкость минеральных масел с ростом давления повышается. Так при давлении 15 МПа вязкость масла может увеличиться на 25 - 30 % по сравнению с вязкостью, определенной при атмосферном давлении. С увеличением вязкости возрастают потери давления в гидросистеме, но одновременно уменьшаются утечки, поэтому более вязкие масла рекомендуется использовать в гидроприводах с повышенным давлением, а менее вязкие - в гидроприводах низкого давления. Влияние давления оценивают по зависимости

μ = μ0 . e r, (2.8)

где показатель степени r = a . (p – p 0) - b . (t – t 0); μ0, p0, t0 - соответственно динамическая вязкость, давление (Н/см2) и температура (0C) при начальных условиях; a = 1/4300 см 2/Н; b = 1/43 ... 1/30.

При рабочем давлении в гидросистеме до 5 МПа поправкой на изменение динамической вязкости μ в зависимости от давления можно пренебречь.

При 20ºС динамическая вязкость воздуха µ = 1,83 . 10-5 Па . с.

Отметим, что при ламинарном течении газа динамическая вязкость с изменением градиента скорости не меняется.

Жидкости, у которых динамическая вязкость μ в уравнении (2.6) постоянна при всех значениях градиента dv/dl называют ньютоновскими. К

ним относятся вода, керосин, базовые масла, большая часть синтетических жидкостей. В дальнейшем, если это не оговаривается особо, рабочая жидкость считается ньютоновской.

Сжимаемость - свойство жидкости или газа изменять свой объем под действием давления. В диапазоне до 30 МПа деформация жидкости подчиняется закону Гука и характеризуется объемным модулем упругости E,

гидросистеме, МПа; V - изменение объема жидкости.

Объемный модуль упругости E имеет большое значение при расчетах величины гидравлического удара, устойчивости работы и колебаний гидросистемы, при расчете гидроприводов с дистанционным управлением и синхронных систем.

При указанных выше значениях параметров с1 и с2 в диапазоне давлений

Для однофазной рабочей жидкости E зависит от давления и температуры. Зависимость от давления выражена слабо, так в диапазоне изменения давлений от 0 до 30 МПа модуль объемной упругости минеральных масел изменяется в пределах 1,35...1,75 ГПа. Зависимость от температуры более существенна, причем при увеличении температуры модуль объемной упругости уменьшается.

В зависимости от характера термодинамического процесса сжатия жидкости различают изотермический и адиабатический модули упругости. В

адиабатический модуль упругости (2.9), который связан с местной скоростью звука c в жидкости зависимостью E = ρ . c 2.

Если наличие в жидкости растворенного газа практически не влияет на ее упругие свойства, то наличие газовой фазы в жидкости существенно влияет на ее объемную упругость. Упругие свойства газожидкостной смеси обычно оцениваются модулем объемной упругости газожидкостной смеси EС при ее

где VЖ, VГ - объемы жидкостной и газовой фаз при атмосферном давлении p0; p - давление в гидросистеме.

При анализе формулы (2.10) видно, что зависимость модуля объемной упругости EС от давления и содержания газовой фазы весьма существенна, особенно для давлений менее 10 МПа. Даже при неизбежном содержании нерастворенного газа порядка 0,1 % возможно снижение модуля упругости более чем в два раза.

Растворяют газ и выделяют его в виде пузырьков все рабочие жидкости. При нормальных условиях газ может растворяться в объеме, составляющем до 15 % от объема жидкости. На растворимость газа влияют температура, давление, плотность, кинематическая вязкость. Растворимость значительно возрастает при повышении давления, влияние температуры менее существенно. Растворимость газа с повышением плотности и кинематической вязкости рабочих жидкостей снижается.

Основная причина выделения газа - резкое уменьшение давления и связанные с этим кавитационные явления, которые проявляются при течении жидкости через местные гидравлические сопротивления и через рабочие окна дросселей и клапанов. Выделение газа приводит к образованию газовых пробок, снижает жесткость гидродвигателей, уменьшает гидравлическое сопротивление дросселей, распределителей, что влияет на статические и динамические характеристики привода.

При работе гидропривода на отдельных участках давление рабочей жидкости может снизиться до значения давления парообразования. При обратном повышении давления произойдет конденсация паров и слияние пузырьков газа, что приведет к местному гидравлическому удару. Подобное явление называется кавитацией. Выделяющаяся при ударе энергия превращается в тепло, что приводит к местному повышению температуры. Точечные высокие температуры и ударные воздействия могут привести к разрушению как рабочей жидкости, так и поверхностей элементов гидросистемы. Для предотвращения подобных явлений необходимо повышать давление в опасных зонах.

Выделяемый в жидкости газ образует также пену - эмульсию из микроскопических пузырьков газа и жидкости. В пене интенсивно протекают химические реакции, в т.ч. окисление рабочей жидкости. Для уменьшения вспенивания применяют противопенные добавки.

Скорость u распространения звука в безграничной упругой среде

При изотермическом процессе (T = const), модуль упругости газа E = ρ, скорость распространения звука в безграничной неподвижной среде идеального газа

u = rp . (2.12)

При адиабатическом процессе модуль упругости газа E = k × p , где k = 1,4 - показатель адиабаты для воздуха.

Скорость звука

u = k × R × T . (2.13)

При н.у. (T = 293 K) местная скорость звука u = 347 м/с.

Взависимости от отношения скорости потока u газа к местной скорости звука u* различают следующие режимы течения газов:

- критический, u = u*; - докритический, u < u*;

- надкритический, u > u*.

Вкачестве критериев оценки режимов течения газов используются числа

Маха

M = u / u *

и Рейнольдса

= u × d Re n ,

где d - условный диаметр канала.

Каждая геометрическая форма канала (трубопровода) характеризуется критическим числом Рейнольдса Re*. При Re < Re* - течение ламинарное, при Re > Re* - турбулентное. Критическое число Маха M* = 1, и, соответственно, при M < 1 - докритический, дозвуковой режим течения, при M > 1 - надкритический.

Ламинарное течение возможно только на докритических режимах в относительно длинных трубопроводах с l/d > 10, при небольшом перепаде давления по длине l трубопровода.

Например, для цилиндрических трубопроводов Re * = 2300, и ламинарное течение устанавливается при M < 0,2, что соответствует скорости потока

В длинных трубопроводах температура газа вдоль потока остается практически постоянной и процесс истечения можно считать изотермическим и при постоянной массе газа

где k = 1,4 - показатель адиабаты.

На регулирующих устройствах преимущественно турбулентное течение потока, которое может протекать как с дозвуковыми, так и со звуковыми скоростями.

Термодинамический режим в этом случае ближе к политропическому и процесс расширения идеальных газов при постоянной массе

где n - показатель политропы, 1 ≤ n ≤ 1,4.

Обычно, не вдаваясь в подробности анализа факторов, влияющих на термогазодинамический процесс, протекающий в пневмоприводе, в качестве расчетной модели используют уравнение адиабатического расширения газов.

При выборе типа рабочей жидкости необходимо учитывать еще одну характеристику рабочей жидкости - воспламеняемость, которая оценивается тремя показателями:

температура вспышки - температура, при которой пары рабочей жидкости в смеси с окружающим воздухом вспыхивают при поднесении к ним пламени;

температура воспламенения - температура, при которой нагреваемая жидкость загорается при поднесении к ней пламени и горит не менее 5 мин.;

температура самовоспламенения - температура, при которой рабочая жидкость самовозгорается.

Объем рабочей жидкости зависит от температуры и давления. Уменьшение объема V1 рабочей жидкости под действием рабочего давления определяют по

где t - приращение температуры; α = 7 . 10 - 4 (0C) -1 - коэффициент линейного расширения.

При одновременном изменении давления и температуры объем рабочей

Удельная теплоемкость с минеральных масел находится в диапазоне с = 1,9...2,1 кДж/кг 0C,

среднее значение теплопроводности

λ = 0,136 Вт / м 2 . 0C.

Лекция № 3

Тема лекции:

Лопастные машины. Радиально-осевая турбина и центробежный насос. Принцип действия. Объемные машины. Классификация. Общие свойства. Объемные двигатели поступательного движения. Типы и устройство. Расчет основных параметров. Уплотнение соединений.

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Гидравлическими машинами называются машины, которые сообщают протекающей через них жидкости механическую энергию (насос), либо получают от жидкости часть энергии и передают ее рабочему органу для полезного использования (гидравлический двигатель). Насосы являются одной из самых распространенных разновидностей машин. Их применяют для различных целей, начиная от водоснабжения населения и предприятий и кончая подачей топлива в двигателях ракет. Насосы и гидродвигатели применяют также в гидропередачах, назначением которых является передача механической энергии от двигателя к исполнительному рабочему органу, а также преобразование вида и скорости движения последнего посредством жидкости.

Гидропередача состоит из насоca и гидродвигателя. Насос, работающий от двигателя, сообщает жидкости энергию. Пройдя через насос, жидкость поступает в гидродвигатель, где передает механическую энергию исполнительному рабочему органу. Назначение гидропередач такое же, как и механических передач, (муфты, коробки скоростей, редукторы

ит. д.), однако по сравнению с последними они имеют следующие преимущества:

1.Большая плавность работы. Люфты, неизбежные в элементах механической передачи, а также неточность ее изготовления приводят к вибрациям. Включение и выключение механической передачи или изменение ее передаточного числа сопровождается толчками.

2.Возможность получения бесступенчатого изменения передаточного числа. В механических передачах изменение передаточного числа обычно производится ступенями. Механические передачи, допускающие бесступенчатое изменение передаточного числа (например, фрикционные), недостаточно надежны и могут применяться только при малой мощности.

3.Возможность получения меньшей зависимости момента на ведущем валу от нагрузки, приложенной к исполнительному органу. Это упрощает обслуживание машин и предохраняет двигатель и трансмиссию от перегрузки.

4.Возможность передачи больших мощностей.

5.Малые габаритные размеры и масса.

6.Высокая надежность.

Эти преимущества привели к большому распространению гидропередач, несмотря на их несколько меньший, чем у механических передач КПД.

В современной технике применяется большое количество разновидностей гидромашин. Наибольшее распространение получили объемные и лопастные насосы и гидродвигатели. Объемные гидромашины (поршневые, шестеренные, аксиально-поршневые и т. д.) работают за счет изменения объема рабочих камер, периодически соединяющихся с входным и выходным патрубками. Рабочим органом лопастной машины является вращающееся рабочее колесо, снабженное лопастями. Энергия от рабочего колеса жидкости (лопастный насос) или от жидкости рабочему колесу (лопастный двигатель) передается путем динамического взаимодействия лопастей колеса с обтекающей их жидкостью. К лопастным насосам относятся центробежные и осевые.

ЛОПАСТНЫЕ МАШИНЫ

На рис. 4.1 изображена простейшая схема центробежное насоса. Проточная часть насоса состоит из трех основных элементов — подвода 1, рабочего колеса 2 и отвода 3. По подводу жидкость подается в рабочее колесо из подводящего трубопровода. Назначением рабочего колеса является передача жидкости энергии от двигателя. Рабочее колесо центробежного насоса состоит из ведущего а и ведомого (обода) б дисков, между которыми находятся лопатки в, изогнутые, как правило, в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Ведущим диском рабочее колесо крепится на валу. Жидкость движется через колесо из центральной его части к периферии. По отводу жидкость отводится от рабочего колеса к напорному патрубку или, в многоступенчатых насосах, к следующему колесу.

Рис. 4.1. Схема центробежного насоса

К наиболее распространенным лопастным гидродвигателям относятся радиальноосевые и осевые гидротурбины. Радиально-осевая гидротурбина принципиально не отличается по конструкции от центробежного насоса. Направление движения жидкости в ней и направление вращения колеса противоположны движению в центробежном насосе. Радиально-осевая турбина и центробежный насос являются обратимыми машинами и могут работать как в турбинном, так и в насосном режимах.

Рис. 4.2. Схема сил, действующих на крыловой профиль

Рассмотрим подробнее механизм передачи энергии в лопастной гидромашине. При обтекании потоком крылового профиля (например, крыла самолета) на его верхней и нижней поверхностях образуется перепад давления и, следовательно, возникает сила Р (рис. 4.2), которая называется подъемной силой. Аналогично этому возникает подъемная сила на лопатках рабочего колеса лопастной гидромашины при движении их в жидкости. У лопастного насоса направление момента подъемных сил противоположно направлению вращения рабочего колеса. Преодолевая этот момент при вращении, колесо совершает работу. Для этого к колесу от двигателя подводится энергия, которая, согласно закону сохранения энергии, передается жидкости и увеличивает ее удельную энергию. В дальнейшем удельная энергия жидкости частично превращается в тепло из-за трения между слоями жидкости в насосе и, следовательно, теряется, частично остается в форме механической удельной энергии, составляя полезный напор насоса. Насос конструируют так, чтобы потери энергии были возможно малыми. У лопастного двигателя (гидротурбины) направление момента подъемных сил совпадает с направлением вращения колеса. Воздействуя на лопатки, жидкость вращает рабочее колесо, передавая ему энергию.

Лопастные насосы бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми. Одноступенчатые насосы имеют одно рабочее колесо, многоступенчатые — несколько

последовательно соединенных рабочих колес, закрепленных на одном валу. На рис. 4.1 изображен одноступенчатый насос консольного тина. Рабочее колесо у этих насосов закреплено на конце (консоли) вала. Вал не проходит через область всасывания, что позволяет применить простейшую форму подвода в виде прямоосного конфузора.

Одноступенчатые насосы сообщают жидкости ограниченный напор (напором насоса называется энергия, сообщаемая им единице веса жидкости). Для повышения напора применяют многоступенчатые насосы, в которых жидкость проходит последовательно через несколько рабочих колес, закрепленных на одном валу. При этом пропорционально числу колес увеличивается напор насоса.

ОБЪЕМНЫЕ МАШИНЫ

Объемной насыпается гидромашина, рабочий процесс которой основан на попеременном заполнении рабочей камеры жидкостью и вытеснении ее из рабочей камеры. Под рабочей камерой объемной гидромашины понимается ограниченное пространство внутри машины, периодически изменяющее свой объем и попеременно сообщающееся с местами входа и выхода жидкости.

Объемная гидромашина может иметь одну или несколько рабочих камер.

В соответствии с тем, создают гидромашины поток жидкости или используют его, их разделяют на объемные насосы и гидродвигатели. В объемном насосе перемещение жидкости осуществляется путем вытеснения ее из рабочих камер вытеснителями. Под вытеснителем понимается рабочий орган насоса, непосредственно совершающий работу вытеснения. Вытеснителями могут быть поршни, плунжеры, шестерни, винты, пластины и т. д. По принципу действия, точнее по характеру процесса вытеснения жидкости, объемные насосы разделяют на поршневые (плунжерные) и роторные. В поршневом (плунжерном)

насосе жидкость вытесняется из неподвижных камер в результате лишь возвратнопоступательного движения вытеснителей (поршней, плунжеров, диафрагм).

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

По характеру движения входного звена объемные насосы разделяют на вращательные (с вращательным движением входного звена) и прямодействующие (с возвратнопоступательным движением входного звена).

Объемный гидродвигатель – это объемная гидромашина, предназначенная для преобразования энергии потока жидкости в энергию движения выходного звена.

По характеру движения выходного (ведомого) звена объемные гидродвигатели делят на три класса:

гидроцилиндры с возвратно-поступательным движением выходного эвена; гидромоторы с непрерывным вращательным движением выходного звена; поворотные гидродвигатели с ограниченным углом поворота выходного звена.

К общим свойствам объемных насосов, которые обусловлены их принципом действия и отличают их от насосов лопастных, относятся следующие:

1.Цикличность рабочего процесса и связанная с ней порционность и неравномерность подачи. Подача объемного насоса осуществляется не равномерным потоком, а порциями, каждая из которых соответствует подаче одной рабочей камеры.

2.Герметичность насоса, т. е. постоянное отделение напорного трубопровода от всасывающего (лопастные насосы герметичностью не обладают, а являются проточными).

3.Самовсасывание, т. е. способность объемного насоса создавать вакуум во всасывающем трубопроводе, заполненном воздухом, достаточный для подъема жидкости во всасывающем трубопроводе до уровни расположения насоса. Высота всасывания жидкости при этом не может быть больше предельно допустимой. Лопастные насосы бел специальных приспособлений не являются самовсасывающими.

4.Жесткость характеристики, т. е. крутизна ее в системе координат Н (или р) по Q, что означает малую зависимость подачи насоса Q от развиваемого им давления. Идеальная подача совсем не зависит от давления насоса (характеристики лопастных насосов обычно положе).

5.Независимость давления, создаваемого объемным насосом, от скорости движения рабочего органа насоса и скорости жидкости. В принципе при работе на несжимаемой жидкости объемный насос, обладающий идеальным уплотнением, способен создавать сколь угодно высокое давление, обусловленное нагрузкой, при сколь угодно малой скорости движения вытеснителей. Для получения высоких давлений с помощью лопастного насоса требуются большие частоты вращения колеса и большие скорости жидкости.

ОБЪЕМНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

Объемные двигатели поступательного движения (цилиндры) в зависимости от направления действия рабочей среды подразделяются на цилиндры одностороннего действия, у которых движение выходного звена под действием рабочей среды возможно только в одном направлении, и на цилиндры двустороннего действия, у которых движение возможно в двух взаимно противоположных направлениях.

К цилиндрам одностороннего действия относятся, например, цилиндры с

пружинным возвратом (рис. 4.3),