Файл: Гидравлика и гидравлические машины. Кирпичев Ю.В., Кирпичев И.Ю.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 08.07.2026
Просмотров: 41
Скачиваний: 0
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Воронежский государственный технический университет
Ю.В. Кирпичев И.Ю. Кирпичев В.А. Нилов Ю.Б. Рукин
Гидравлика и гидравлические машины
Учебное пособие
Воронеж 2001
УДК 621.82.001.66(075.9)
Кирпичев Ю.В. Гидравлика и гидравлические машины: Учеб. пособие / Ю.В. Кирпичев, И.Ю. Кирпичев, В.А. Нилов, Ю.Б. Рукин. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2001. 59 с.
Рассматриваются вопросы основ теории и расчета гидропривода механизмов сварочного оборудования. Приведены расчетные зависимости необходимые для выполнения лабораторных работ и расчетно-графического задания.
Учебное пособие предназначено для студентов, специальности 120500 “Технология и оборудование сварочного производства” при изучении дисциплины “Гидравлика, гидро и пневмо привод”
Учебное пособие подготовлено на магнитном носителе в текстовом редакторе MS WORD 97 и содержится в файле “гидравлика.doc”
Ил. 31. Библиогр.: 6 назв.
Научный редактор д-р техн. наук Д.В. Хван
Рецензенты: кафедра “Энергетики и гидравлики” Воронежской
государственной лесотехнической академии;
д-р техн. наук, профессор В.Н. Макеев
Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета
© Кирпичев Ю.В., Кирпичев И.Ю.,
Нилов В.А., Рукин Ю.Б.. 2001
© Оформление. Издательство Воронежского
государственного технического
университета, 2001
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 1. Введение. Свойства жидкости
1.1. Предмет гидравлики
1.2. Основные свойства жидкости
1.3. Физические свойства жидкости
1.3.1. Сжимаемость жидкости
1.3.2. Температурное расширение жидкости
1.3.3. Вязкость
1.4. Понятие о кавитации
Глава 2. Гидростатика
2.1. Гидростатическое давление
2.2. Основное уравнение гидростатики
2.3. Закон Паскаля и его применение в технике
Глава 3. Гидродинамика
3.1. Задачи и методы гидродинамики
3.2. Виды движения жидкости
3.3. Понятие о струйчатом движении жидкости
3.4. Гидравлические элементы потока
3.5. Уравнение постоянства расхода (уравнение неразрывности)
3.6. Уравнение Бернулли
3.7. Потери напора
3.8. Применение уравнения Бернулли в технике
1.1. Предмет гидравлики
Раздел механики, в котором изучают равновесие и движение жидкости, а также силовое взаимодействие между жидкостью и обтекаемыми ее телами или ограничивающими ее поверхностями, называется гидравликой. Если помимо жидкостей изучают движение газов (воздуха) и обтекание ими тел, то науку называют аэрогидравликой.
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. течения в открытых и закрытых руслах (каналах). В понятие «русло» и «канал» включают различные трубопроводы, насадки, элементы гидромашин и другие устройства, внутри которых протекает жидкость.
1.2. Основные свойства жидкости
Жидкостью называют физическое тело, не имеющее своей формы и всегда принимающее форму сосуда, в котором она находится. Жидкость легко меняет свою форму, если приложить к ней элементарно малую силу.
Все жидкости делятся на два класса: капельные газообразные. Капельные жидкости в естественном виде образуют капли (вода, нефть, бензин, спирт, ртуть и т.д.).
Капельные жидкости почти несжимаемы. Все капельные жидкости являются вязкими. Жидкости лишенные вязкости и несжимаемости называются идеальными.
Газообразные жидкости – сжимаемые жидкости, они не оказывают сопротивления растягивающим и сдвигающим усилиям.
Гидравлика занимается изучением капельных жидкостей, которые в дальнейшем будем именовать «жидкостями» и рассматривать как совокупность материальных точек (частиц) в ограниченном объеме.
,
кг/м3
или кг.с2/м4,
(1.1)
где m – масса жидкости в объеме V.
Удельным весом называется вес жидкости, заключенный в единице объема:
,
H/м3
или кг/м3
,
(1.2)
где G – вес жидкости, V – занимаемый ею объем.
Относительный удельный вес представляет собой отношение веса данной жидкости к весу воды при температуре 4˚С, взятой в том же объеме, что и жидкость, то есть число, показывающее во сколько раз данное тело тяжелее или легче воды. Относительный удельный вес – величина безразмерная и обозначается буквой «δ». Относительный удельный вес ртути δ = 13,6.
Плотность и удельный вес связаны между собой соотношением:
(1.3)
.
(1.4)
1.3. Физические свойства жидкости
1.3.1. Сжимаемость жидкости
Сжимаемостью называется свойство жидкости изменять свой объем при изменении давления. Молекулы жидкости располагаются тесно, и при повышении давления жидкость сжимается мало, приближенно подчиняясь, как и твердое тело, закону Гука/1/.
Сжимаемость жидкости оценивается коэффициентом объемного сжатия βр, которым называется число, выражающее относительное изменение объема жидкости, приходящееся на единицу изменения давления:
3.8.1. Расходомер Вентури
3.8.2. Измерительная шайба
3.8.3. Струйный насос (эжектор)
3.8.4. Трубка Пито
3.9. Потери напора при равномерном движении
3.10. Режимы движения вязкой жидкости
3.11. Местные сопротивления и потери энергии в них
3.11.1. Внезапное расширение трубы
3.11.2. Постепенное расширение. Диффузоры
3.11.3. Внезапное сужение трубы
3.11.4. Постепенное сужение трубы
3.11.5. Поворот трубы
3.11.6. Другие местные сопротивления
3.12. Потери напора в гидравлических системах
Глава 4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТРУБОПРОВОДОВ
4.1. Основные формулы и методы, применяемые при расчете
трубопроводов
4.2. Расчет простого трубопровода
Глава 5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
5.1. Классификация насосов
5.2. Основные рабочие параметры насосов
5.3. Центробежные насосы
5.4. Схема и принцип действия центробежного насоса
5.5. Допустимая высота всасывания. Явление кавитации
5.6. Шестеренчатые насосы
Глава 6. ГИДРОПРИВОДЫ И ГИДРОПЕРЕДАЧИ
6.1. Устройство и принцип действия гидропривода
6.2. Принцип расчета объемного гидропривода
6.3. Жидкости, применяемые в гидросистемах
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Глава 1. ВЕДЕНИЕ. СВОЙСТВА ЖИДКОСТИ
(м3/Н)
или (м3/кг).
(1.5)
Знак «минус» в формуле (1.4) обусловлен тем, что положительному приращению давления ρ соответствует отрицательное приращение объема V.
Величина, обратная коэффициенту βр, называется объемным модулем упругости Е:
(Н/м2)
или (кг/м2).
(1.6)
Модуль упругости жидкости Е, а, следовательно и величина βр, изменяется в зависимости от типа жидкости, действующего давления и температуры. С увеличением температуры модуль Е понижается, с увеличением давления – его значение повышается. Коэффициент βр изменяется наоборот.
1.3.2. Температурное расширение жидкости
С изменением температуры жидкости изменяется и ее объем. Это необходимо учитывать в практической деятельности, например, при заполнении резервуаров, цистерн и т.д.
Расширение жидкости при нагревании оценивается температурным коэффициентом объемного расширения βt, которым называется число выражающее относительное изменение объема жидкости на единицу изменения температуры:
(1/˚С).
(1.7)
Коэффициент объемного расширения жидкости находится в обратной зависимости от температуры.
1.3.3. Вязкость
В
язкость
является мерой способности жидкости
сопротивляться относительному перемещению
ее частиц при воздействии внешних сил.
Это свойство жидкости сопротивляться
сдвигу. Слои с большей скоростью
стремятся увлечь слои с меньшей скоростью
и наоборот, слои с меньшей скоростью
тормозят слои с большей скоростью/1,2/.
В результате получается процесс, аналогичный трению, и он называется внутренним трением. Силы, возникающие при этом, называются силами внутреннего трения или силами вязкости (рис. 1).
Величина силы внутреннего трения зависит от характера изменения скорости по нормали к поверхности, от размеров трущихся поверхностей и от рода жидкости и не зависит от давления, таким образом, сила внутреннего трения:
,
(1.8)
где S – площадь соприкасающихся слоев;
μ – коэффициент внутреннего трения или абсолютной (динамической) вязкости;
– градиент
скорости, т.е. падение скорости на единицу
расстояния между двумя параллельными
слоями жидкости.
(1.9)
Градиент скорости может быть со знаком «+» или «–», в зависимости от изменения скорости по сечению.
Если силу внутреннего сопротивления отнести к единице площади получается значение касательного напряжения τ:
;
.
(1.10)
Единица вязкости “пуаз”: 1 пуаз = 0,1 Н∙с/м2.
Кинематическим коэффициентом вязкости является отношение μ к плотности:
;
(1.11)
или
– называется «стоксом».
Кинематическая вязкость газов определяется по формуле:
,
(1.12)
где
– средняя скорость молекул;
l – длина свободного пробега молекул между двумя столкновениями ее с другими молекулами.
В
язкость
капельных жидкостей находится в обратно
пропорциональной прямой зависимости
от температуры, а газообразных наоборот
(рис. 2).
Кинематический коэффициент вязкости масел при различных давлениях можно определить по эмпирической формуле:
,
(1.13)
где 0 – кинематический коэффициент вязкости при нормальном атмосферном давлении;
k – коэффициент, принимаемый для легких масел 0,002, для тяжелых масел 0,003.
1.4. Понятие о кавитации
Кавитацией называется следующее явление – при пониженном давлении в какой-либо точке потока жидкости до величины ниже давления насыщенных паров при данной температуре жидкость вскипает; выделившиеся пузырьки пара (каверны) разрывают жидкость, далее паровые пузырьки переносятся потоком в область более высокого давления, где он конденсируются, т.к. процесс конденсации парового пузырька происходи мгновенно, то частицы жидкости, заполняя его, перемещаются к центру с большой скоростью (м/с). В результате кинематическая энергия соударяющихся частиц жидкости в момент завершения конденсации, переходя в потенциальную энергию, вызывают резкое возрастание давления в центре конденсации. Если конденсация паровых пузырьков будет происходить у стенок канала, где протекает жидкость, то они будут подвергаться действию высокого давления, в результате чего на поверхности стенок образуются микроскопические углубления (эрозия), что приводит к быстрому износу стенок канала. Кавитация может возникнуть в трубопроводах, в насадках, в насосах и в других устройствах. Кавитация оказывает отрицательное действие, нарушая нормальный режим работы гидросистем, а в отдельных случаях приводит к их разрушению.
Глава 2. Гидростатика
2.1. Гидростатическое давление
Гидростатика является разделом гидравлики, который рассматривает законы покоя жидкости.
В
жидкости, находящейся в покое, не
проявляются силы трения, следовательно
реальные жидкости по своим свойствам
будут очень близки к идеальным и все
вопросы поэтому будут решаться, с большой
точностью.
Выделим в покоящейся жидкости некоторый объем, ограниченный поверхностью ω (рис.3).
На этой поверхности рассмотрим элементарную площадку ∆ω, с центром тяжести в точке А. Сила давления на площадку ∆ω со стороны окружающей жидкости равна ∆P.
Отношение
–
называется средним гидростатическим
давлением. Предел отношения при стремлении
площади ∆ω к нулю
– представляет собой гидростатическое
давление в точке А жидкости.
Таким образом, гидростатическое давление есть снимающее напряжение внутри жидкости в результате действия внешних сил. Измеряется в Н/м2.
2.2. Основное уравнение гидростатики
Дифференциальное уравнение Эйлера:
dP=ρ(Xdx+Ydy+Zdz) , (2.1)
можно использовать для определения давления в различных частных случаях абсолютного и относительного покоя жидкости, где ρ – плотность жидкости; Х, Y, Z – проекции единичной массовой силы на оси 0Х, 0Y и 0Z.
Рассмотрим случай, когда жидкость находится в абсолютном покое и на нее, из массовых сил, действует только сила тяжести. Жидкость находится в открытом сосуде, на поверхности которого давление P0 (рис. 4).
Расположим оси координат так, чтобы ось 0Z была параллельна направлению силы тяжести, и проходила через точку A. Для частицы, положение которой определяется точкой A, а масса равна единице, имеем Х=0; Y=0; Z= - g, следовательно:
dP= - ρgdz . (2.2)
Для случая однородной жидкости ρ=const, интегрируя, получим:
P
=
- ρgz
+ c
, но ρg=γ
,
следовательно, P= - γz + C или P + γz=c.
Постоянную интегрирования C найдем из условия: при z=z0 на свободной поверхности P=P0, следовательно:
P0 + γz0 = C, тогда:
P + γz = P0 + γz0, (2.3)
или
P = P0 + (z0-z) γ. (2.4)
Если в уравнении (2.4) заменить разность (z0-z) через h – глубину расположения точки A, то получим:
P = P0 + γh . (2.5)
Полученный результат формулируется следующим образом: давление в произвольной точке жидкости, находящейся под действием силы тяжести в состоянии равновесия, равно сумме внешнего давления на свободной поверхности жидкости р0 и давления γh, обусловленного весом столба жидкости высота которого h равна расстоянию от свободной поверхности до рассматриваемой точки, площадь основания его равна единице.
Уравнение (2.4) называется основным уравнением гидростатики.
Разделив обе части уравнения (2.3) на удельный вес γ получим:
.
(2.6)
Уравнение
показывает, что сумма двух членов z
+
для всех точек данного объема покоящейся
жидкости есть величина постоянная. Так,
для двух произвольных точек 1 и 2 это
уравнение может быть записано:
.
(2.7)
2.3. Закон Паскаля и его применение в технике
Пользуясь основным уравнением гидростатики легко доказать закон Паскаля, который формулируется следующим образом: внешнее давление, оказанное на поверхности жидкости, находящейся в покое в замкнутом сосуде, передается внутрь жидкости одинаково во все точки.
Рассмотрим сосуд с жидкостью, давление в котором создается поршнем (рис. 5). Давление в точке А под поршнем равно P0. Тогда давление в точке В будет равно PВ=P0+γhВ .
Отсюда следует, что с изменением давления в точке А на величину ∆P,
н
а
туже величину изменяется давление в
точке В, т.к. γhВ
зависит только от глубины погружения
hB
в точке В.
Закон Паскаля имеет широкое применение в технике и используется при конструировании простейших гидростатических машин, гидравлических прессов, подъемников, аккумуляторов, мультипликаторов и др./2/.
Г
идравлический
пресс применяется в технике для создания
больших сжимающих усилий, для прессования,
что необходимо при обработке металлов
давлением (прессование, ковка, штамповка),
при брикетировании и испытании различных
материалов.
Гидравлический пресс состоит из двух сообщающихся сосудов (рис. 6), соединенных между собой трубопроводом, один из которых имеет малую площадь сечения ω и имеет диаметр d, а второй – большую площадь сечения Ω и диаметр поршня D.
Если к поршню в сосуде (1) приложить силу Р1, по под ним создается гидростатическое давление P. Оно может быть определено:
.
(2.8)
По закону Паскаля давление P передается во все точки жидкости, в том числе и на площадь Ω. Это давление создает силу P2=PΩ, или:
.
(2.9)
Таким образом сила P2 во столько раз больше силы P1, действующей на поршень в малом сечении, во сколько раз площадь Ω больше площади ω.
Сила P1 создается обычно при помощи поршневого насоса, который одновременно подает жидкость (масло или эмульсию) в камеру пресса. Сила P2 может прессовать тело С, находящееся между поршнем и неподвижной платформой. Практически развиваемая сила меньше силы P2 вследствие трения между поршнями и цилиндрами. Это уменьшение учитывается коэффициентом полезного действия η. Величина КПД в среднем равна η=0,85. В современных гидравлических прессах развивается весьма большие усилия до 750000 кН.
Глава 3. Гидродинамика
3.1. Задачи и методы гидродинамики
Гидродинамика – раздел гидравлики, изучающий законы, которым подчиняется жидкость, находящаяся в движении. Основной задачей гидродинамики является определение характера и параметров движения жидкости, а также установление силы воздействия жидкости на различные преграды и тела, находящиеся в ней.
При движении жидкости рассматриваются силы массовые (силы тяжести, силы инерции) и силы поверхностные (силы давления, силы трения). Силами трения, возникающими при движении реальной жидкости и обусловленными вязкостью, пренебрегать нельзя; они оказывают существенное, а иногда и решающее влияние на характер движения жидкости.