гідромеханіки
Введення.
Технічним додатком гідромеханіки
є наука гідравліка.
Гідравліка - це наука про закони руху
і рівноваги рідин і способи застосування цих законів до вирішення конкретних
технічних завдань. З гідравлікою пов'язані галузі науки і техніки, що займаються
створенням, дослідженням і використанням різних гідравлічних машин:
насосів, турбін, гідропередачею і гідроприводу. Часто опис теорії цих машин,
їх принципів роботи об'єднують в одному навчальному предметі
«Гідравліка та гідравлічні машини».
Слово гідравліка походить від грецького hydro (вода) і aulos (трубка). В даний час це поняття
значно розширилося: гідравліка займається вивченням будь-якої рідини,
що рухається не тільки в трубах.
На початку свого розвитку гідравліка
представляла собою теоретичну науку - математичну механіку рідини або
гідромеханіку. Використовуючи складний математичний апарат і приймаючи деякі
допущення по відношенню до фізичних властивостей рідини, ця наука розглядає
рух рідини за спрощеними схемами. Але методи математичної гідромеханіки
не дали можливості вирішити цілий ряд практичних завдань. У зв'язку з цим стала
розвиватися практична наука - технічна механіка рідини, вирішальна
інженерні задачі методом спрощення гідравлічних явищ, але з введенням в
теоретичні рівняння поправочних коефіцієнтів, отриманих в результаті
експерименту.
В даний час доводиться стикатися
із завданнями, при вирішенні яких одночасно використовуються методи теоретичної
і технічної гідромеханіки. Тому різниця в методах цих двох гілок одного
і тієї ж науки поступово зникає. Сучасна гідравліка являє собою
самостійну, що сформувалася галузь знань, що знаходить застосування в
різних областях техніки.
1. Коротка історія розвитку гідромеханіки.
Життя і діяльність людини у всі
часи були нерозривно пов'язані з водою. Ще в давні часи люди
використовували річки і моря як шляхи сполучення і займалися зрошенням земель.
Багато років тому в Середній Азії та Китаї, Єгипті та Месопотамії, Римі та Греції
були створені різні гідротехнічні споруди для підйому та подачі води:
канали і греблі, водогони та акведуки. За часів Траяна в Римі було 9
водопроводів загальною довжиною 436 км. Однак будь-яких відомостей про гідравлічні
розрахунках цих споруд не знайдено.
Першим науковою працею в області гідравліки
прийнято вважати трактат давньогрецького математика і механіка Архімеда (бл.
287-212 до н. е..) «Про плаваючих тілах», написаний приблизно за 250 років до н. е..
Архімедом відкритий закон про рівновагу тіла, навантаженого в рідину, який
потім лягло в основу теорії плавання кораблів і їх остійності.
Подальший розвиток гідравліка отримала в
XIV-XVII століттях. Широко відомі праці геніального італійського вченого Леонардо
да Вінчі (1452-1519). Він вивчав механізм руху рідини в річках і каналах,
процес витікання рідини, займався будівництвом гідротехнічних споруд,
встановив принцип роботи гідравлічного преса, винайшов відцентровий насос і
багато чого іншого. До цього ж періоду відносяться роботи голландського інженера С.
Стевіна (1548 - 1620); він визначив тиск рідини на площину і описав
гідравлічний парадокс.
Італійський вчений Г. Галілей (1564-1642)
систематизував основні положення Паскаля і вперше вказав на
залежність гідравлічних опорів від швидкості потоку рідини і його
щільності, а його співвітчизник Е. Торрічеллі (1608-1647) вивів формулу для
розрахунку швидкості витікання рідини. Важливе значення для гідравліки мали
роботи французького фізика і математика Б. Паскаля (1623-1662), який відкрив
закон про передачу зовнішнього тиску, що носить його ім'я.
Особливо слід відзначити роботи видатного
англійського фізика, математика, механіка і астронома І. Ньютона (1643-1727), який
вперше ввів поняття в'язкості рідини і встановив залежність між
напругою тертя, градієнтом швидкості і властивостями рідини; він же заклав
основи теорії гідродинамічного подоби.
Дослідження в цей період носили в
основному теоретичний характер і не були пов'язані один з одним. Лише у другій
половині XVIII століття праці найбільших вчених-механіків і математиків, і перш
всього Д. Бернуллі та Л. Ейлера, стали теоретичною основою гідромеханіки і
гідравліки.
Д. Бернуллі (1700-1782) вивів основне
рівняння руху рідини. З ім'ям Д. Бернуллі пов'язано поняття
«Гідродинаміка»: в 1738 р. він опублікував свою роботу «Гідродинаміка» - академічний
працю, виконаний автором під час роботи в Петербурзі.
Л. Ейлер (1707-1783)-відомий математик,
механік, фізик і астроном, уродженець Швейцарії. Не знайшовши на батьківщині умов для
наукової діяльності, він в 1727 р. переїхав до Росії і працював тут до кінця
своїх днів. Він опублікував більше 800 наукових робіт, що відносяться до різних
галузей знань, і створив основний працю «Загальні принципи руху
рідини ».
Великий російський вчений М. В. Ломоносов
(1711-1765), займаючись загальними проблемами фізики, приділяв велику увагу
питань руху рідин і газів і практичного застосування гідравліки, а
відкритий ним закон збереження маси та енергії лежить в основі сучасної гідравліки.
М. В. Ломоносов підтримував наукові контакти з Л. Ейлером у період роботи
швейцарського вченого в Петербурзькій Академії наук.
Друга половина XVIII і початок XIX століття
характеризуються зростанням промислового виробництва і бурхливим розвитком техніки.
Для вирішення різного роду інженерних задач в області гідравліки потрібні
нові наукові методи, що враховують властивості реальної рідини. Приблизно в цей
час починається другий період розвитку гідравліки - перетворення її в
прикладну науку.
Великий внесок у становлення технічної
гідромеханіки внесли французькі вчені А. Піто (1695-1771)-інженер-гідротехнік,
широко відомий винаходом «трубки Піто», А. Шезі (1718-1798), який вивів
формулу для визначення швидкості руху рідини, Ж. Борда (1733-1799),
який вивів рівняння для визначення втрат напору при різкому розширенні
потоку; італійський професор Д. Вентурі (1746-1822), який досліджував процес
витікання рідини з насадкою; Д. Вейсбах (1806-1871)-великий німецький
вчений, чиї теоретичні та експериментальні дослідження в області руху
рідини не втратили свого значення до теперішнього часу; англійський учений
О. Рейнольдс (1842-1912), що встановив два режими руху рідини і критерій
гідродинамічного подібності;
Л. Прандтля (1875-1953), який розробив
теорію турбулентних потоків.
Не залишилися осторонь від розвитку
технічної гідравліки і вчені Росії. Інженерне напрямок у гідромеханіці
інтенсивно розроблялося в стінах Петербурзького інституту шляхів сполучення,
де була створена перша в Росії гідравлічний лабораторія і плідно
працювала група вчених під керівництвом професора П. П. Мельникова (1804-1880)
- Почесного члена Петербурзької Академії наук, який видав у 1836 р. першого на
українською мовою підручник з гідравліки «Підстави практичної гідравліки ...».
Видатний російський інженер, почесний член Петербурзької Академії наук,
професор М. П. Петров (1836-1920) на основі гіпотези Ньютона про терті в
рідини розробив гідродинамічну теорію змащення машин.
Особливо великий внесок у розвиток
гідравліки вніс Микола Єгорович Жуковський (1847-1921)-автор цілого ряду робіт
з технічної гідродинаміки. Найважливішою його роботою, яка вийшла в світ в 1899 р.,
було дослідження «Про гідравлічному ударі».
На початку XX століття в гідравліці стали формуватися
різні напрямки спеціальних досліджень. Характерною особливістю цього
періоду є проведення колективних досліджень і створення наукових шкіл.
Талановитий. інженер і вчений В. Г. Шухов
(1853-1939) розробив методи розрахунку нафтопроводів і винайшов оригінальний
пристрій для підйому нафти - ерліфт. Провідну роль у розробці теорії і
розрахунку гідравлічних споруд зіграли роботи Н. Н. Павловського (1884-1937).
З перших днів створення Радянського
держави настав новий етап у розвитку гідравліки в нашій країні.
Розробка і здійснення плану ГОЕЛРО, проектування і будівництво великих
гідроелектростанцій вимагають вирішення цілого ряду прикладних задач в області
гідравліки, динаміки руслових процесів та ін Були створені спеціалізовані
науково-дослідні і проектні інститути, лабораторії при кафедрах
деяких провідних вищих навчальних закладів. Учені проводили дослідження і
вишукувальні роботи, необхідні для здійснення проектів будівництва
каналів ім. Москви, Біломоро-Балтійського, Волго-Донського ім. В. І. Леніна, а
також спорудження потужних гідроелектростанцій на Волзі, Дніпрі, найбільших річках
Сибіру.
Базою розвитку гідроенергетики стало створення в країні великого
енергетичного гідромашинобудування, що дозволило планомірно збільшувати
одиничну потужність гідроагрегатів на споруджуваних ГЕС. Так, на Волзької ГЕС ім.
XXII з'їзду КПРС потужність однієї турбіни складає 115 МВт, на Братської-250
МВт, на Красноярської - 500 МВт, на Саяно-Шушенської - 640 МВт. Не менш
значні досягнення гідромашинобудування з розробки насосів високого
тиску з великою подачею, об'ємного гідроприводу і гідродинамічних передач.
2.Гідравліка.
2.2 Деякі фізичні властивості рідин
Розглянемо фізичні властивості рідин,
визначають їх поведінку при гідравлічних процесах і застосування в різних
областях техніки.
Температурне розширення. Збільшення
об'єму рідин при нагріванні необхідно враховувати при їх практичному застосуванні,
так як нагріваються рідини можуть переливатися через краї резервуара,
руйнувати герметично закриті посуду, викликати похибка в роботі приладів і
пр.
Температурне розширення залежить від
фізичної природи рідини і характеризується коефіцієнтом об'ємного
розширення, який показує відносну зміну об'єму рідини при
збільшенні температури на 1 градус.
Стисливість і пружність. Під стискальність
розуміють властивість рідини змінювати свій обсяг під дією тиску. Так як
всі краплинні рідини (звичайні рідини, що зустрічаються в природі і застосовуються в
техніки) мають незначну стискальність, то в гідравлічних розрахунках їх частіше
всього вважають нестисливої. Але іноді стискальність рідини нехтувати
не можна, наприклад, якщо рідина знаходиться під землею на великих глибинах, де
вона відчуває високі тиски. Не можна також нехтувати стискальність
рідин при розрахунках гідравлічного удару.
Під пружністю розуміють здатність
рідини приймати свій колишній об'єм після зняття зовнішнього навантаження. Властивість
пружності визначає використання рідини як робоче тіло в багатьох
гідравлічних пристроях і машинах і характеризується модулем пружності К (Па).
Для крапельних рідин модуль пружності
зростає із збільшенням температури і тиску. Для води модуль пружності
може бути прийнятий рівним К = 2-103 МПа. Це означає, що при підвищенні тиску на
0,1 МПа об'єм води зменшується на 1/20000. Це вказує на досить
незначну стискальність води. Стисливість інших крапельних рідин має
такий же порядок, тому вони вважаються практично нестисливої, а їх питома
вага (відношення ваги рідини до її обсягу) -. незалежних від тиску.
Крапельні рідини при особливих умовах
здатні витримувати великі що розтягують зусилля. Вода може витримувати
негативні навантаження до 2,8-104 кПа. Опір розтягуванню зростає в
міру видалення з рідини розчинених в ній газів. Так, звичайна водопровідна
вода здатна витримувати негативні зусилля до 2,0-Ю3 кПа, а після видалення
з неї повітря - до 1,0-Ю4 кПа.
У капілярах опір рідини
розтягування збільшується. У звичайних же умовах опір розтягуванню всередині
крапельних рідин дуже мало, і тому іноді вважають, що рідини
нездатні, витримувати негативні навантаження.
Випаровуваність і кавітація. Випаровуваність
рідин залежить від температури і тиску. При зниженні тиску в рідині і
при підвищенні температури пружність парів збільшується і рідина закипає.
Під пружністю парів звичайно розуміють парціальний (часткове) тиск
насичених парів рідини над її поверхнею, при якому пари знаходяться в
рівновазі з рідиною, тобто коли процеси випаровування та конденсації взаємно
врівноважені:
У звичайних умовах (при нормальному
атмосферному тиску і температурі) вода містить близько 2% обсягу розчиненого
в ній повітря. Очевидно, що при підвищенні температури і зниження тиску,
коли разом з випаровуванням рідини в ній почнуть виділятися бульбашки повітря.
Поява у воді пароповітряні бульбашок називається кавітацією.
Рідина, яка містить пароповітряні суміш,
набуває властивості, відмінні від властивостей води: стискальність її значно
зростає. Потрапляючи в область підвищеного тиску, пляшечки пара
конденсуються і переходять у рідкий стан, а повітряні стискаються або
повністю замикаються. Це явище відбувається миттєво і супроводжується сильними
ударами з різким підвищенням тиску, у кілька тисяч разів перевершує
атмосферний. Так як мікроудари багаторазово повторюються на дуже малій
майданчику, відбувається руйнування твердої поверхні. У результаті має місце
так звана кавітаційна ерозія.
Явище кавітації зменшує пропускну
здатність трубопроводів, знижує подачу і ККД насосів. Кавітаційна ерозія
призводить до руйнування лопатей гідравлічних турбін, насосів, гребних гвинтів і
навіть бетонних гідротехнічних споруд.
В'язкість. В'язкістю називається властивість
рідини чинити опір зсуву або ковзання одних шарів рідини щодо
інших, тому що між шарами рідини виникають сили внутрішнього тертя і
дотичні напруги.
Вперше припущення про наявність сил
внутрішнього тертя висловив І. Ньютон в 1686 р., а достовірність цієї гіпотези
експериментально обгрунтував і підтвердив професор М. П. Петров у 1883 р.
Відповідно до гіпотези І. Ньютона величина сил внутрішнього тертя між шарами НЕ
залежить від тиску, а залежить від роду рідини, площі дотику верств
і відносній швидкості переміщення.
Щоб краще зрозуміти це твердження,
розглянемо малюнок 1.1. Під час руху в'язкої рідини уздовж твердої стінки
відбувається гальмування потоку за рахунок тертя частинок рідини об стінку. У
результаті швидкості руху шарів і будуть зменшуватися в міру наближення їх до
стінці. Очевидно, що в безпосередній близькості від стінки буде знаходитися
загальмований елементарний шар, де швидкість близька до нуля.
Різниця в швидкостях руху призводить до
того, що відбувається прослизання сусідніх шарів і виникнення дотичних
напруги.
Фізичний зміст коефіцієнта динамічної
в'язкості можна зрозуміти, прийнявши du/dy = 1. Тоді з рівняння. Таким чином,
коефіцієнт динамічної в'язкості можна розглядати як напруга
внутрішнього тертя при градієнті швидкості, що дорівнює одиниці.
Плинність рідин характеризується
величиною, зворотною коефіцієнту динамічної в'язкості.
Рис 1.Распределеніе швидкостей при перебігу
в'язкої рідини уздовж стінки.
Із закону тертя, що описується рівнянням,
видно, що напруга тертя може виникати тільки в рухомої рідини при
наявності швидкісної деформації. У що спочиває рідини швидкісна деформація
дорівнює нулю, отже, дотичні напруги також дорівнюють нулю. Рідини,
для яких прийнятне залежність отримали назву нормальних або ньютонівських.
Однак існують рідини, для яких
залежність неприйнятна. До них відносяться нафту і деякі нафтопродукти,
бітумні та полімерні матеріали, мастила при низьких температурах,
розплавлені метали при температурах, близьких до температури кристалізації,
різного роду суспензії і колоїдні розчини (наприклад, зубна паста). Такі
рідини називають аномальними або неньютоновскімі. Вони відрізняються від нормальних
(ньютонівських) наявністю сил тертя навіть у стані спокою, що перешкоджає
переходу рідин в рух до певного напруженого стану. Їх
рух починається тільки після подолання деякого граничного значення
дотичного напрявання те, що не залежить від градієнта швидкості по
нормаль.
Особливість руху аномальних рідин
була виявлена російським ученим Ф. Н. Шведови ще в 1889 р., а потім досліджена
і описана американським вченим Бінгемом в 1916 р. Тому їх іноді називають
бінгемовскімі або шведовскімі.
В'язкість крапельних рідин у
значній мірі залежить від температури. Наприклад, з підвищенням температури
в'язкість крапельної рідини зменшується, а повітря збільшується. Це
пояснюється тим, що в рідинах молекули розташовані значно ближче один до
одному, ніж в газах. Так як в'язкість обумовлена силами міжмолекулярної зчеплення,
а ці сили зі збільшенням температури рідини зменшуються, то і її в'язкість
зменшується. У той же час в газах молекули рухаються безладно, а зі зростанням
температури безладність теплового руху молекул зростає, що викликає
збільшення в'язкості.
Для таких рідин, як бензин, гас,
спирт, молоко та інші, характерні низькі значення в'язкості, у той час як
в'язкість патоки, мазуту, гліцерину та інших є досить значною.
В'язкість відіграє суттєву роль при
перекачування рідини по трубах, при спорожнюванні резервуарів, при роботі
різних машин і механізмів. Особливо важлива залежність в'язкості мастильних
мастил від температури. Наприклад, значне зниження в'язкості автомобільних
мастил при підвищенні температури може зробити їх дуже рідких. У
результаті погіршуються їх робочі характеристики, що викликає передчасний
знос двигуна. У зв'язку з цим застосовують спеціальні добавки, стабілізується
в'язкість мастил.
У гідравліці створено модель абстрактної,
не існуючої в природі рідини, яка називається ідеальною рідиною. Для
ідеальної рідини характерні наступні допущення:
абсолютна нестисливі, тобто
незмінюваність обсягу під дією зовнішніх сил і температури;
повна відсутність в'язкості, тобто
виключення можливості виникнення сил внутрішнього тертя.
Реальна рідина відрізняється від ідеальної,
перш за все тим, що при її русі виникають дотичні напруги
(внутрішнє тертя). У що спочиває рідини дотичні напруги завжди
відсутні, і тому в гідростатики немає необхідності розрізняти реальну і
ідеальну рідини.
Використання моделі ідеальної рідини
дозволяє проводити дослідження рухомих рідин із застосуванням
сучасного математичного апарату. Щоб перейти від ідеальних рідин до
реальним, необхідно або врахувати напруги та деформації, які виникають у
реальних рідинах, або ввести додаткові коефіцієнти, отримані для
реальних рідин експериментальним шляхом.
У гідравліці прийнято ще одне припущення.
Рідина розглядається як безперервна, суцільна середу, що заповнює
простір без порожнеч і проміжків, яку називають континуум (від
латинського слова continuum - безперервне). Виходячи з цього, вважають, що й фізичні
характеристики, які визначають стан і рух рідини, розподіляються і
змінюються в зайнятому нею обсязі безперервно. [1]
3.
Гідравлічні машини, гідроприводу.
Гідравлічні машини призначені для
переміщення рідин, перетворення енергії потоку рідини в механічну
енергію, а також передачі механічної енергії від машини-двигуна до
машині-знаряддя або перетворення різних видів рухів і швидкостей
за допомогою рідини. Відповідно гідравлічні машини поділяються на
три основні класи: насоси, гідродвигуна і гідропривід. Вони розрізняються за
своїм енергетичним і конструктивним ознакам, але загальним для них є те,
що в якості робочого тіла використовується рідина.
Найбільш численний клас
гідравлічних машин складають насоси. Всього налічується близько 130
найменувань насосів різних видів. Державний стандарт визначає насос
як машину для створення потоку рідкого середовища. Цей потік створюється в результаті
силового впливу витискувача на рідину в робочій камері насоса. За
характеру силового впливу насоси поділяють на динамічні та об'ємні. До
динамічним насосів відносяться лопатеві, відцентрові, осьові, вихрові,
струминні, до об'ємним - поршневі і плунжерні, діафрагмові, лічильники,
роторні та ін
Гідравлічні двигуни, як і насоси,
підрозділяються на машини динамічного та об'ємної дії. До них відносяться
гідравлічні турбіни, водяні колеса, гідроциліндри і роторні гідромотори.
Гідродвигуна знаходять широке застосування в різних областях техніки: в
гідроенергетиці (гідравлічні турбіни, які виробляють в країні близько
20% електроенергії), в нафтовидобутку і гірничій справі (бурові установки,
забезпечені турбобурамі), на транспорті (гідроциліндри і гідромотори) і т. д.
Гідропривід складається з трьох основних
елементів: гідропередачею, пристрої управління та обслуговуючого пристрою.
Силовий частиною гідроприводу є гідропередачею, що складається з насоса і
гідродвигуна. Отже, гідропередачею також діляться на два види:
динамічні та об'ємні. До динамічних відносяться гідродинамічні муфти і
гідродинамічні трансформатори, а до об'ємним - різні комбінації об'ємних
насосів і гідродвигуна. Призначення
гідропередачею таке ж, як і механічних (муфти, коробки швидкостей,
редуктори), однак у порівнянні з механічними вони мають ряд переваг,
які будуть розглянуті в гл. 12.
У сучасній техніці використовуються
гідромашини різних типів. Найбільшого поширення набули об'ємні і
лопатеві насоси та гідродвигуна. Деякі конструкції насосів володіють
властивість оборотності, тобто здатністю працювати в якості гідродвигуна
при підводі до них рідини під тиском. До них належать, зокрема,
роторні насоси.
Широке застосування мають гідросистеми з
двигунами прямолінійного, поворотного і зворотно-поступального рухів у
сучасних автоматизованих потокових лініях, в різних роботах і
маніпуляторах.
3.1 Поршневі насоси.
Пристрій і
принцип дії поршневих насосів
Поршневий насос являє собою машину
об'ємної дії, в якій витіснення рідини із замкнутого простору
насоса відбувається в результаті прямолінійного зворотно-поступального
руху Витискувач. До поршневим насосів відносять також і плунжерні насоси.
Вони різняться конструкцією витискувача і характером ущільнення.
Класифікація та
основні конструкції поршневих насосів
Поршневі насоси класифікуються за
кількома основними ознаками:
1. За характером руху ведучого ланки:
прямодействующіе, в яких провідне ланка здійснює зворотно-поступальний
рух (парові прямодействующіе); вальний, в яких провідне ланка здійснює
обертальний рух (кривошипні, кулачкові).
2. За кількістю циклів нагнітання і всмоктування
за один подвійний хід: односторонньої і двосторонньої дії.
3. За кількістю поршнів або плунжера:
однопоршневие, двопоршневими, трехпоршневие і многопоршневие.
4. По виду Витискувач: поршневі,
плунжерні і діафрагмові.
5. За способом приведення в дію: з
механічним приводом і ручні.
Розглянемо найбільш характерні
конструкції насосів:
Диференціальні насоси. Насоси
двосторонньої дії (мал. 2) мають одну робочу камеру 4 з всмоктуючим 3 і
напірним клапанами і другу робочу
камеру 2 без клапанів. Завдяки тому що за один оборот валу насос два рази
нагнітає рідина, подача його вирівнюється.
,
Рис. 2. Схема диференціального насоса.
Рис. 3. Схема насоса подвійної дії.
Насоси подвійної дії. Цей насос (рис.
3)
має більш рівномірну подачу по
порівнянні з насосами простої дії і диференціальними завдяки тому, що
по обидві сторони від циліндра є дві робочі камери, в кожній з яких
знаходяться нагнітальні 3 і всмоктуючі 4 клапани. Тому за один оборот
колінчастого вала поршень 5 два рази нагнітає рідина. Повітряний ковпак /,
сполучений з патрубком 2, при нагнітанні істотно знижує пульсацію
рідини.
Кулачкові насоси. У одноциліндрових
насосах (рис. 4, а) поршень 3
приводиться в рух кулачком 4, а повертається в початкове положення за допомогою
пружини. Вісь обертання кулачка зміщена щодо його геометричної осі на
величину ексцентрісітета .. При обертанні кулачка поршень здійснює в циліндрі
зворотно-поступальний рух на шляху s = 2e; при цьому через клапан відбувається
всмоктування, а через клапан 2 - нагнітання рідини.
Рис. 4. Схема насосів з кулачковим
приводом: а-одноциліндровий; б-трьохциліндровий однорядний; в - трьохциліндровий
радіальний.
Подача в насосах даного типу така ж
нерівномірна, як у поршневих насосах простої дії з шатунно-кривошипні
механізмом. Для вирівнювання подачі застосовуються многопоршневие насоси з числом
циліндрів r == 3-11
в одному ряду і без зміщення фаз їх робочих циклів на кут
