Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод (часть 2)
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНСТИТУТ ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ
А.В. Лепешкин, А.А. Михайлин, А.А. Шейпак
ГИДРАВЛИКА И ГИДРОПНЕВМОПРИВОД
ЧАСТЬ 2 ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ГИДРОПНЕВМОПРИВОД
Под редакцией А.А. Шейпака
Допущено УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов в качестве учебника для студентов, обучающихся по специальности "Автомобиле- и тракторостроение"
МОСКВА 2003
УДК 62.822 Л 48
Лепешкин А.В., Михайлин А.А., Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод: Учебник. Ч. 2. Гидравлические машины и гидропневмопривод / Под ред. А.А. Шейпака. – М.: МГИУ, 2003. – 352 с.
ISBN 5-276-00380-7 5-276-00480-3(Ч2)
Учебник для специальности 15.01.00 "Автомобиле- и тракторостроение" является логическим продолжением первой части, вышедшей в МГИУ в 2003 г. Вторая часть включает все дидактические единицы, относящиеся к гидравлическим машинам, гидравлическим и пневматическим приводам, в соответствии с государственным образовательным стандартом и примерной программой Минобразования РФ для машиностроительных направлений и специальностей.
Рецензенты: Штеренлихт Давид Вениаминович, профессор Московского государственного университета природоустройства; Беленков Юрий Александрович, профессор Московского государственного технического университета (МАМИ)
Редакторы: С.В. Мухин, Д.В. Морозова
Подписано к печати 16.12.2003. Сдано в производство 17.12.2003. Формат бум. 60х90/16. Бумага множ.
Усл. печ. л. 22,0. Уч.-изд. л. 23,5. № 3-23/03
Тираж 600. Заказ № 927
РИЦ МГИУ, 115280, Москва, Автозаводская, 16.
Тел. (095) 277-23-15
ISBN 5-276-00380-7 |
© |
А.В. Лепешкин, А.А. Михайлин, |
5-276-00480-3(Ч2) |
|
А.А. Шейпак, 2003 |
|
© |
МГИУ, 2003 |
|
© |
ИДО, 2003 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение....................................................................................................... |
7 |
1 . ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
13 |
ГЛАВА 1. Общие положения................................................................... |
13 |
1.1. Общие сведения о гидросистемах, гидроприводах |
|
и гидропередачах................................................................................... |
13 |
1.2. Рабочие жидкости ................................................................................. |
14 |
1.3. Гидролинии и элементы их соединения............................................. |
16 |
1.4. Уплотнительные устройства................................................................ |
22 |
1.4.1. Обеспечение герметичности уплотнительными кольцами..... |
23 |
1.4.2. Обеспечение герметичности уплотнительными манжетами.. |
24 |
1.4.3. Обеспечение герметичности без упругих уплотнителей ........ |
26 |
1.5. Гидробаки............................................................................................... |
27 |
1.6. Кондиционеры рабочей жидкости....................................................... |
28 |
1.6.1. Фильтры........................................................................................ |
29 |
1.6.2. Сепараторы................................................................................... |
34 |
1.6.3. Теплообменники.......................................................................... |
35 |
1.7. Гидромашины, их общая классификация |
37 |
и основные параметры.......................................................................... |
|
ГЛАВА 2. Лопастные гидромашины и насосы трения...................... |
44 |
2.1. Динамические насосы – основные сведения, классификация......... |
44 |
2.2. Центробежный насос |
45 |
2.2.1. Устройство и принцип действия центробежного насоса ........ |
45 |
2.2.2. Кинематика жидкой среды в проточной части |
|
центробежного насоса................................................................. |
47 |
2.2.3. Уравнение расхода для жидкости в центробежном насосе..... |
51 |
2.2.4. Основное уравнение теории лопастных насосов ..................... |
53 |
2.2.5. Схема бесконечного числа лопаток и поправки |
57 |
2.2.6. Характеристика центробежного насоса.................................... |
58 |
2.2.7. Работа центробежного насоса на сеть....................................... |
65 |
2.2.8. Кавитация в центробежных насосах.......................................... |
68 |
2.2.9. Силы, действующие на рабочее колесо насоса........................ |
72 |
2.2.10. Расчет центробежных насосов по нормативным данным..... |
74 |
2.2.11. Стохастическая модель центробежного насоса...................... |
76 |
2.3. Насосы трения ....................................................................................... |
79 |
2.3.1. Устройство и принцип действия дискового насоса................. |
79 |
2.3.2. Устройство и принцип действия вихревого насоса................. |
80 |
2.3.3. Устройство и принцип работы черпакового насоса ................ |
81 |
2.3.4. Лабиринтные насосы................................................................... |
82 |
2.3.5. Струйные насосы......................................................................... |
83 |
2.4. Гидравлические турбины ..................................................................... |
84 |
3
ГЛАВА 3. Гидродинамические передачи.............................................. |
87 |
3.1. Общие сведения о гидродинамических передачах........................... |
87 |
3.2. Устройство и рабочий процесс гидромуфты...................................... |
87 |
3.3. Устройство и рабочий процесс гидротрансформатора..................... |
91 |
3.4. Использование методов подобия при проектировании |
|
гидропередач механизмов и машин..................................................... |
96 |
3.5. Основные разновидности гидромуфт ................................................. |
101 |
3.6. Основные разновидности гидротрансформаторов............................ |
104 |
ГЛАВА 4. Общие сведения об объемных гидроприводах.................. |
108 |
4.1. Принцип действия объемного гидропривода. |
|
Основные понятия................................................................................. |
108 |
4.2. Основные преимущества и недостатки объемных гидроприводов. 113 |
|
ГЛАВА 5. Объемные гидравлические машины |
|
и гидроаккумуляторы............................................................ |
116 |
5.1. Основные сведения об объемных насосах.......................................... |
116 |
5.2. Возвратно-поступательные (поршневые) насосы.............................. |
118 |
5.3. Общие свойства и классификация роторных насосов....................... |
122 |
5.4. Шестеренные насосы............................................................................ |
124 |
5.5. Пластинчатые насосы........................................................................... |
128 |
5.6. Роторно-поршневые насосы................................................................. |
130 |
5.7. Характеристики роторных насосов и насосных установок.............. |
134 |
5.8. Объемные гидравлические двигатели................................................. |
138 |
5.8.1. Гидроцилиндры............................................................................ |
138 |
5.8.2. Гидромоторы................................................................................ |
140 |
5.9. Основы теории подобия роторных гидромашин............................... |
142 |
5.10. Гидроаккумуляторы............................................................................ |
148 |
ГЛАВА 6. Элементы управления гидравлических приводов |
|
(гидроаппараты) ...................................................................... |
153 |
6.1. Основные термины, определения и параметры................................. |
153 |
6.2. Гидродроссели....................................................................................... |
156 |
6.3. Регулирующие гидроклапаны.............................................................. |
162 |
6.4. Направляющие гидроклапаны............................................................. |
175 |
6.5. Направляющие гидрораспределители................................................. |
183 |
6.6. Дросселирующие гидрораспределители............................................. |
190 |
6.6.1. Золотниковые дросселирующие гидрораспределители.......... |
190 |
6.6.2. Струйные гидрораспределители................................................ |
194 |
6.6.3. Гидрораспределитель типа «сопло-заслонка».......................... |
195 |
6.7. Электрогидравлические усилители мощности |
|
управляющего сигнала.......................................................................... |
196 |
ГЛАВА 7. Нерегулируемые и регулируемые |
|
объемные гидроприводы ....................................................... |
199 |
7.1. Нерегулируемый объемный гидропривод.......................................... |
199 |
7.2. Способы регулирования объемных гидроприводов.......................... |
201 |
|
202 |
4
7.2.1. Гидропривод с дроссельным регулированием скорости |
|
при параллельном включении дросселя..................................... |
|
7.2.2. Гидропривод с дроссельным регулированием скорости |
|
при последовательном включении дросселя............................. |
204 |
7.2.3. Гидропривод с объемным (машинным) регулированием....... |
208 |
7.2.4. Гидропривод с объемно-дроссельным регулированием......... |
211 |
7.3. Способы стабилизации скорости в гидроприводах |
|
с дроссельным регулированием........................................................... |
212 |
7.4. Сравнение различных способов регулирования................................ |
215 |
7.4.1. Сравнение по нагрузочным характеристикам.......................... |
215 |
7.4.2. Сравнение по энергетическим характеристикам ..................... |
217 |
7.5. Системы синхронизации движения выходных звеньев |
|
нескольких гидродвигателей................................................................ |
222 |
7.5.1. Дроссельные способы синхронизации...................................... |
223 |
7.5.2. Объемные способы синхронизации........................................... |
225 |
7.6. Следящие гидроприводы...................................................................... |
227 |
ГЛАВА 8. Гидравлические системы подачи жидкости...................... |
231 |
8.1. Системы водоснабжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
231 |
8.2. Системы водяного теплоснабжения . . . . . . . . . . . . . . . . |
235 |
8.3. Системы подачи смазочно-охлаждающих жидкостей |
|
металлорежущих станков ..................................................................... |
238 |
8.4. Гидравлические системы охлаждения . . . . . . . . . . . . . . . |
242 |
8.5. Системы смазки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
245 |
ГЛАВА 9. Основы расчета гидравлических систем |
|
(гидравлических приводов)................................................... |
248 |
9.1. Синтез принципиальной схемы гидропривода |
|
и подбор его элементов ....................................................................... |
248 |
9.2. Общая методика уточненного расчета гидропривода |
|
при установившемся режиме работы .................................................. |
254 |
9.3. Построение характеристики насосной установки............................. |
255 |
9.3.1. Объемный насос с предохранительным клапаном................... |
255 |
9.3.2. Объемный нерегулируемый насос с переливным клапаном |
255 |
9.3.3. Объемный регулируемый насос с регулятором подачи |
256 |
9.4. Определение мощности, потребляемой гидроприводом.................. |
257 |
9.5. Построение характеристики простого трубопровода........................ |
259 |
9.6. Примеры выполнения уточненного расчета ...................................... |
261 |
9.6.1. Гидропривод возвратно-поступательного движения............... |
261 |
9.6.2. Гидропривод вращательного движения.................................... |
265 |
9.7. Основы динамического расчета объемного гидропривода .............. |
270 |
2. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ......................................... |
277 |
ГЛАВА 10. Общие сведения о пневматических системах ................. |
277 |
10.1. Уравнения состояния и закономерности движения газа................. |
277 |
10.2. Приближенные расчеты течения газа в трубопроводах.................. |
282 |
5
10.3. Течение газа через местные сопротивления..................................... |
283 |
10.4. Пневмосеть и кондиционеры рабочего газа..................................... |
285 |
10.5 Основные требования к монтажу, наладке |
|
и эксплуатации элементов пневмосети.............................................. |
295 |
ГЛАВА 11. Пневматические машины ................................................... |
298 |
11.1. Компрессоры........................................................................................ |
298 |
11.1.1. Динамические компрессоры..................................................... |
298 |
11.1.2. Объемные компрессоры............................................................ |
300 |
11.1.3. Охлаждение газа в компрессорах............................................. |
303 |
11.2. Пневматические исполнительные устройства................................. |
305 |
11.2.1. Пневматические цилиндры....................................................... |
305 |
11.2.2. Поворотные пневмодвигатели и пневмомоторы.................... |
309 |
ГЛАВА 12. Пневматические элементы управления и контроля..... |
311 |
12.1. Пневмоаппараты.................................................................................. |
311 |
12.2. Логические элементы пневмосистем................................................ |
315 |
12.2.1. Основы алгебры логики............................................................ |
316 |
12.2.2. Реализация логических операции |
|
на мембранных пневматических элементах........................... |
318 |
12.2.3. Реализация логических операций |
|
на струйных пневматических элементах................................ |
322 |
12.3. Пневматические системы контроля размеров.................................. |
326 |
ГЛАВА 13. Примеры пневматических систем..................................... |
331 |
13.1. Система турбонаддува двигателя внутреннего сгорания |
|
автомобиля............................................................................................ |
331 |
13.2. Пневматический привод полуавтоматического |
|
отрезного станка................................................................................... |
334 |
13.3. Пневматический привод тормозной системы автомобиля............. |
338 |
13.4. Лопастные пневматические приводы................................................ |
341 |
Список литературы.................................................................................... |
345 |
6
ВВЕДЕНИЕ
В соответствии Государственным образовательным стандартом для направления 653200 "Транспортные машины и транспортно-технические комплексы" в общепрофессиональной дисциплине "Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод" предусмотрены дидактические единицы по таким прикладным темам, как гидромашины, гидравлические и пневматические приводы. Эти темы изложены в настоящей книге, которую следует рассматривать как продолжение первой части учебного пособия по комплексной дисциплине.
Гидравлическими машинами называются устройства, выполняющие механические движения для преобразования энергии, материалов и информации, использующие в качестве рабочего тела капельные жидкости. По устройству и принципу действия при одинаковом назначении к гидравлическим машинам близки газовые или пневматические машины, использующие в качестве рабочего тела газы.
Гидравлическим приводом (гидроприводом) называется совокупность устройств, в число которых входит один или несколько гидродвигателей, предназначенная для приведения в движение механизмов и машин посредством рабочей жидкости под давлениям.
Пневматическим приводом (пневмоприводом) называется совокупность устройств, в число которых входит один или несколько пневмодвигателей, предназначенная для приведения в движение механизмов и машин посредством рабочего газа под давлением.
Гидравлические и пневматические машины являются древнейшими представителями энергетических машин, которые обеспечивают необходимые условия жизнедеятельности человеческого общества и в настоящее время.
Первым устройством для переноса (подачи) воды было, по всей вероятности, кожаное или деревянное ведро. Затем – корзина из прутьев, обмазанная глиной. В древнем Египте или Месопотамии придумали колодезный журавль с противовесом. Люди, стоящие гуськом и передающие друг другу ведра, могли создать поток воды. Неизвестно имя гениального изобретателя, который догадался прикрепить ведра к периферийной части деревянного колеса, которое могли вращать рабы или животные. Эта машина была выдающимся сооружением и применялась с глубокой древности почти до наших дней. Водоподъемные колеса могли подавать до 10 кубических метров воды в час на высоту 3-4 метра. Следующим шагом было создание так называемой нории (исп. "norria" от арабск. "наора" водокачка), которая представляла собой веревку или цепь с ковшами. Затем
7
кто-то заметил, что вместо ковшей или ведер можно использовать диски или шары. Тогда поток воды можно сделать более равномерным при меньшем усилии. Так появился второй основной тип насоса – динамический. С помощью норий в Древнем Египте подавали воду из колодцев глубиною до 100 метров. Античный мир подарил человечеству еще два типа насосов: Архимедов винт и нагнетательный поршневой насос Ктесибия. Роторные насосы впервые описаны в книге Агостино Рамелли (1588 г.). Создание центробежного насоса связано с именем знаменитого Дени Папена (1689 г.). Конструкция лопастных насосов усовершенствовалась многими поколениями инженеров. Так, один из крупнейших гидромехаников, Осборн Рейнольдс, получил патент на многоступенчатый центробежный насос с лопаточными направляющими аппаратами.
Первое описание водяного колеса принадлежит Витрувию, архитектору и инженеру Древнего Мира, жившему во времена Юлия Цезаря и императора Августа. Однако, по всей вероятности, эта машина появилась на несколько столетий раньше. После X в. водяные колеса стали применяться очень широко, оставаясь универсальным двигателем вплоть до конца XVIII в. Термин "турбина" появился в 1826 г., когда французский профессор Бурден создал первый центробежный водяной двигатель. Его ученик, Фурнейрон, в 1827 разработал первую водяную турбину для промышленности. Дальнейшее развитие турбиностроения связано с именами Жонваля, Френсиса, Пельтона, Каплана, В.С.Квятковского.
Впервые гидропривод появился в 1742 г. в Англии на чугунолитейном заводе Дерби для привода шахтного углеподъемника. Для откачки воды из шахты использовались паровые машины Ньюкомена, которые могли совершать только возвратно-поступательное движение, а для углеподъемника было необходимо иметь вращательное движение. Механики завода вспомнили о надежно работающих водяных колесах и направили откачиваемую из шахты воду в напорный бак, из которого вода могла самотеком подводиться к десяти верхнебойным водяным колесам.
Лишь через несколько лет была запатентована машина Ньюкомена с кривошипно-шатунным механизмом, известным со времен средневековья
(Пикар, 1780).
Наибольший вклад в создание современных гидравлических и пневматических приводов сделал, безусловно, Джозеф Брама.
Брама был родоначальником мировой станкостроительной школы и одним из авторов принципа взаимозаменяемости в машиностроении. Но потомкам он больше всего известен как изобретатель гидравлического пресса – машины, впервые воплотившей в себе принцип передачи энергии посредством жидкости, идею гидропривода, получившего впоследствии столь универсальное применение.
Здесь Брама намного опередил свой век. 130 лет никому не приходило в голову использовать гидростатический парадокс Паскаля для генерации
8
больших усилий, и еще полвека после смерти Брамы техническая гидравлика беспомощно топталась на месте.
Патент Джозефа Брамы № 2045 за 1795 г. явился коронным достижением его изобретательской жизни. "...Суть изобретения – в новом способе применения воды и других жидкостей для привода различных машин и механических аппаратов либо с целью гигантского увеличения действующей силы, либо для передачи движения и сил от одного устройства к другому, когда известными способами этого не удается достигнуть. Невозможно перечислить бесконечное разнообразие важных применений этого принципа, однако приложенные фигуры и чертежи полностью объясняют его суть.
30 апреля 1795 г. Джозеф Брама". Из описания следовало, что Брама фактически запатентовал не только гидропресс, но и все возможные виды гидро- и пневмопередач. Сам пресс он скромно именовал “только двумя насосами, разных размеров, действующими друг на друга”, например, с цилиндрами диаметром 1/4 и 12 дюймов. Такое соотношение позволяло, приложив 1 т, получить усилие
2304 т.
Здесь же, в патенте, упоминалась первая в истории гидравлическая система телеуправления: два одинаковых насоса, соединенных трубкой с водой. Приводя в движение поршень одного насоса, можно было заставить двигаться поршень второго, расположенного, например, на колокольне и связанного с колоколами. Такое устройство в 1814 г. было установлено в доме Вальтера Скотта — фантастическом готическом сооружении, построенном для автора многих знаменитых исторических романов в его имении, и позволяло как бы дергать за колокольчики в самых удаленных комнатах.
Велико значение изобретения Брамы, поскольку в те времена еще не было ни кривошипных, ни рычажных машин, были лишь винтовые прессы, работавшие на бумажных и текстильных фабриках. Мощность самых больших из них редко доходила до 50 т.
Чтобы доказать скептическим современникам, что его пресс, действительно, развивает большие усилия, Брама не останавливается перед расходами. Специально для демонстрации он построил в 1796 г. гидравлические весы (они и сейчас еще работают в Кенсингтонском музее науки и техники г. Лондона). Груз порядка 300 кг подвешивался на рычаге с таким невыгодным соотношением плеч, что для его подъема это усилие нужно было увеличить еще в 20 раз. Тем не менее, каждый желающий мог это легко сделать, несколько раз качнув ручку насоса.
Весы убедили маловерных. Посыпались заказы, и вскоре гидравлические прессы прочно заняли свое место в промышленности.
Хотя Брама изобретал самые разные устройства (в том числе современный унитаз), любимым детищем на протяжении всей его жизни была гидравлика. Ею он занимался всегда с особой охотой и старался использовать всюду. В частности, он спроектировал и запатентовал сложную гид-
9
росистему для подачи разных сортов пива из бочек, стоявших в погребе. Хранить бочки наверху было нельзя: при жаре пиво быстро скисало. Поэтому раньше в каждой пивной приходилось держать ватагу мальчишек, все время сновавших по лестницам. Источником энергии для “пивопровода” был груз, давивший на жидкость,— первый прообраз современных гидроаккумуляторов. Брама усовершенствовал также аппаратуру для газирования воды непрерывным способом при "высоких" давлениях (до
10 атм.).
Для улучшения комфортабельности транспортных средств появился патент № 3270 на "конструкцию и способ изготовления улучшенных каретных колес с помощью гидропресса". Затем Брама предложил маслонаполненные подшипники скольжения и мягкие кожаные шины.
Но самым существенным его изобретением в этой области была пневмогидравлическая подвеска очень прогрессивной конструкции (патент № 3616 за 1812 г.). Она представляла собой сосуд, наполовину заполненный маслом, с проходящей по ее центру трубой. В трубе мог вертикально перемещаться, как у насоса, поршень, на стержень которого должен был опираться экипаж. Кроме того, внизу имелся обратный клапан — через него закачивалось масло для регулировки жесткости или восполнения утечек. При толчках поршень прыгал вверх или вниз, сжимая воздух, игравший роль идеальной воздушной пружины. По-видимому, конструкция оказалась слишком сложной для современников Брамы. Его подвеска только сейчас, спустя полтора столетия, начала внедряться в автомобилестроении.
Вгоды увлечения гидравликой Брама запатентовал и построил первый строгальный станок с гидроприводом стола, сконструировал множество остроумных гидравлических устройств, в том числе такие известные, как телескопические гидроцилиндры. Сегодня по этому принципу работают гидравлические домкраты, известные каждому автомобилисту.
Существенное усовершенствование получил грузопоршневой аккумулятор после работ известного английского военного инженера Армстронга, который на его базе создал разнообразные гидравлические приводы. В первую очередь они стали применяться для привода корабельных механизмов: привод рулевого управления и поворот орудийных башен.
Конструкторы машин в конце девятнадцатого века хорошо знали, что для передачи энергии на достаточно большие расстояния обычные жесткие механические передачи уступают электрическим, гидравлическим, пневматическим устройствам. Кроме того, очевидно, что при использовании подобных устройств целесообразно использовать замкнутую систему управления с обратной связью.
В1900 г. итальянец Бонтемпи применил для копировально-фрезер- ного станка схему с гидромеханическим управлением, которая позволила уменьшить мощность управляющего сигнала по сравнению с выходной мощностью в тысячи раз. Копир и заготовка устанавливаются на одном столе и получают вращательное движение с одинаковой скоростью. Ролик
10