Файл: Н.М. Скорняков Гидравлика.pdf

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра горных машин и комплексов

ГИДРАВЛИКА

Программа, методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения по специальностям 120100 «Технология машиностроения»,

120200 «Металлорежущие станки и инструменты»

Составители Н.М. Скорняков В.В. Кузнецов

Утверждены на заседании кафедры Протокол № 2 от 18.10.02

Рекомендованы к печати учебно - методической комиссией специальности Протокол № 12 от 16.12.02

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса ГУ КузГТУ

Кемерово 2003

1

Целью изучения дисциплины является приобретение студентами знаний и навыков применения основных законов поведения жидкого и газообразного состояния вещества; современных физических и математических моделей, описывающих жидкость в состоянии покоя и движения, а также основ проектирования гидропривода станков.

В задачи курса входит: обучить студентов основам гидравлики, необходимой для изучения гидроприводов и гидроавтоматики; ознакомить с законами движения и равновесия жидкости, описывающими гидравлические явления; получить навыки математического аппарата применения численных методов расчета с обработкой данных на ЭВМ.

1. ПРОГРАММА КУРСА

Рабочая программа составлена на основании требований Государственного стандарта высшего профессионального образования к обязательному минимуму содержания и уровню подготовки специалистов по направлению 552900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» специальностей 120100 «Технология машиностроения», 120200 «Металлорежущие станки и инструменты».

Предмет гидравлики. Краткая историческая справка. Применение гидромашин, гидроприводов и гидроавтоматики в современном машиностроении и в комплексной механизации и автоматизации производства.

Основные свойства жидкостей. Силы, действующие на жидкость. Давление в жидкости. Сжимаемость.

Закон Ньютона для жидкостного трения. Вязкость. Особенности жидкостей, применяемых в гидросистемах, соответствующих специальности. Модель идеальной жидкости.

Гидростатика. Свойства давления в неподвижной жидкости. Основное уравнение гидростатики. Закон Паскаля. Приборы для измерения давления. Силы давления жидкости на плоские и криволинейные стенки. Примеры применения гидростатики в гидросистемах, соответствующих специальности.

Кинематика и динамика жидкости. Виды движения жидкости. Основные понятия кинематики жидкости: линия тока, трубка тока, струйка, живое сечение, расход. Поток жидкости. Средняя скорость. Уравнение расхода. Движение жидкой частицы. Понятие о вихревом и потенциальном движении. Ускорение жидкой частицы.

2

Реологические уравнения ньютоновских и неньютоновских жидкостей. Уравнение Бингама - Шведова. Дилатантные, реопектичные, тиксотропные, псевдопластичные жидкости. Уравнение Бернулли для установившегося движения идеальной жидкости. Геометрическое и энергетическое толкование уравнения Бернулли. Уравнение Бернулли для потока вязкой жидкости. Коэффициент Кориолиса. Общие сведения о гидравлических потерях. Виды гидравлических потерь. Трубка Пито. Расходомер Вентури.

Режим движения жидкости и основы гидродинамического подобия. Метод размерностей в гидромеханике. Ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости. Пульсация скоростей и давлений. Распределение осредненных скоростей по сечению.

Местные гидравлические сопротивления. Основные виды местных сопротивлений. Коэффициент местных потерь. Местные потери напора при больших числах Рейнольдса. Потери напора в трубах. Внезапное расширение трубы. Диффузоры. Сужение трубы. Колена. Местные потери напора при малых числах Рейнольдса. Кавитация в местных гидравлических сопротивлениях. Практическое использование кавитации.

Истечение жидкости через отверстия и насадки. Истечение жидкости через отверстия в тонкой стенке при постоянном напоре. Коэффициенты сжатия, скорости, расхода.

Гидравлический расчет трубопроводов. Основное расчетное уравнение простого трубопровода. Последовательное и параллельное соединения простых трубопроводов. Основные расчетные задачи. Трубопровод с насосной подачей. Явление гидравлического удара. Способы ослабления гидравлического удара. Практическое использование гидравлического удара в технике.

Численные методы. Общая схема применения численных методов. Применение ЭВМ для их реализации.

Гидропривод. Гидропередачи. Основные расчетные зависимости и принцип действия гидроприводов. Основы проектирования и расчета гидропривода.

2.СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Альтшуль А.Д. Гидравлика и аэродинамика: Учеб. для вузов / А.Д. Альтшуль, Л.С. Животовский, Л.П. Иванов. – М.: Стройиздат, 1987.

3

2.Альтшуль А.Д. Гидравлические сопротивления. – М.: Строй-

издат, 1973.

3.Башта Т.М. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учеб. для машиностроительных вузов. – 2-е изд / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. – М.: Машиностроение, 1982.

4.Войткунский Я.И. Гидромеханика: Учеб. / Я.И. Войткунский, Ю.И. Фадеев, К.К. Федяевский. – Л.: Судостроение, 1982.

5.Гейер В.Г. Гидравлика и гидропривод: Учеб. для вузов. – 3-е изд./ В.Г. Гейер, В.С. Дулин, А.Н. Заря. – М.: Недра, 1991.

6.Емцев Б.Т. Техническая гидромеханика. – М.: Машинострое-

ние, 1987.

7.Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. – М.: Машиностроение, 1975.

8.Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: Учеб. для вузов.

–6-е изд. – М.: Наука, 1987.

9.Патрашев А.Н. Прикладная гидромеханика / А.Н. Патрашев, Л.А. Кивако, С.И. Гожий. – М.: Воениздат, 1970.

10.Повх И.Л. Техническая гидромеханика: Учеб. пособие. – М.: Машиностроение, 1976.

11.Самойлович Г.С. Гидроаэромеханика. – М.: Машиностроение,

1980.

12.Седов И.И. Методы теории размерности и подобия в механи-

ке. – М.: Наука, 1970.

13.Штеренлихт Д.В. Гидравлика: Учеб. для вузов: В 2 кн. – М.: Энергоатомиздат,1991.

14.Скорняков Н.М. Техническая гидромеханика, гидромашины и гидропривод: Конспект лекций для техн. вузов: В 2 кн. / Н.М. Скорняков, В.Н. Вернер. – Кемерово: КузГТУ, 1998.

15.Стесин С.П. Лопастные машины и гидродинамические передачи: Учеб. для вузов / С.П. Стесин, Е.А. Яковенко. – М.: Машиностроение,1980.

16.Трифонов О.Н. Приводы автоматизированного оборудования: Учеб. для машиностроительных техникумов / О.Н. Трифонов, В.И. Иванов, Г.О. Трифонов. – М.: Машиностроение, 1991.

17.Нагорный В.С. Устройства автоматики гидро- и пневмосистем: Учеб. пособие для техн. вузов / В.С. Нагорный, А.А. Денисов. –

М.: Высш. шк., 1991.

4

18.Коновалов В.М. Очистка рабочих жидкостей в гидроприводах станков / В.М. Коновалов, В.Я. Скрицкий, В.А. Рокшевский. – М.: Машиностроение, 1976.

19.Сердечный В.Н. Нормы расхода топливно-смазочных материалов в лесной промышленности: Справочник / В.Н. Сердечный, Н.А. Бызов, А.К. Хаймусов. – М.: Лесная промышленность, 1990.

20.Герц Е.В. Пневматические приводы. Теория и расчет. – М.: Машиностроение, 1969.

21.Пневматические устройства и системы в машиностроении: Справочник / Е.В. Герц, А.И. Кудрявцев, О.В. Ложкин и др. – М.: Машиностроение, 1981.

22.Коваль П.В. Гидравлика и гидропривод горных машин: Учеб. для вузов. – М.: Машиностроение, 1979.

23.Рехтен А.В. Струйная техника: Основы, Элементы, схемы / Пер. с нем. А.А. Левина. – М.: Машиностроение, 1980.

24.Васильченко В.А. Гидравлическое оборудование мобильных машин: Справочник. – М.: Машиностроение, 1983.

25.Свешников В.К. Станочные гидроприводы: Справочник.-2-е изд., перераб. и доп / В.К. Свешников, А.А. Усов. – М.: Машинострое-

ние, 1988.

3. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ

При решении задач по изучаемому курсу перед студентом ставится цель ознакомиться с основными законами гидравлики и научиться выполнять несложные экспериментальные расчеты перекачивающих систем.

Задачи 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 посвящены расчету перекачивающей системы, показанной на рис. 1.

5

Рис. 1. Схема перекачивающей системы: 1 – нижний резервуар; 2 – приемный клапан; 3 – всасывающий трубопровод; 4 – насосная установка; 5 – вентиль; 6 – нагнетающий трубопровод; 7 – верхний резервуар; 8 – тарельчатый клапан; 9 – поплавок с тягой; 10 – люк

Насосная установка 4 перекачивает жидкость из нижнего резервуара 1 большой площади в верхний резервуар 7 с заданным объемом. Всасывающий трубопровод 3 снабжен приемным клапаном 2 с сеткойфильтром, а нагнетающий трубопровод 6 имеет регулирующий подачу

6

вентиль 5. Верхний резервуар 7 защищен от переполнения устройством, состоящим из тарельчатого клапана 8 с поплавком 9, соединенных тягой. На стенке резервуара имеется круглый люк, закрытый крышкой 10. Для четных вариантов задания (если последняя цифра зачетной книжки четная или 0) принимается резервуар прямоугольной формы площадью l×b и высотой h, а для нечетных вариантов резервуар имеет цилиндрическую форму диаметром D и высотой h.

Исходные данные для расчетов принимаются по таблицам 1 и 2 в соответствии с последней и предпоследней цифрой шифра зачетной книжки студента. В начале контрольной работы следует начертить схему рассчитываемой системы с указанием исходных данных. Задачи выполняются последовательно с использованием в необходимых случаях результатов решения предыдущих задач. Если при решении используются сведения из справочной и учебной литературы, то обязательна ссылка на использованный источник. Решение каждой задачи следует иллюстрировать расчетной схемой.

Исходные данные для решения задач

Таблица 1

8

Задача 1. Определить максимальный объем жидкости W, который можно залить в резервуар 7, при условии, что она не выльется из него при нагревании от начальной температуры tн=200 до конечной температуры tк=1200С. Вычислить высоту столба жидкости hж при tн=200.

Задача 2. Определить усилие на днище сосуда и разрывное усилие в сечении I – I при наполнении на высоту hж. Построить эпюры давлений на днище и боковые стенки.

Задача 3. Определить отрывное усилие, действующее на крышку люка диаметром dл, расположенного на боковой стенке резервуара. Во сколько раз увеличится отрывное усилие при создании в резервуаре избыточного давления Ризб.=100 кПа (~ 1 атм.)?

Задача 4. На рис. 2 приведена схема подшипника скольжения, состоящего из цапфы радиусом r и опоры шириной L. Зазор между цапфой и опорой постоянен и равен δ = 0,2 мм.

Цапфа вращается с частотой n = 500 мин-1 .

Считать, что скорость жидкости в зазоре изменяется по линейному закону от 0 у стенки опоры до V=πrn/30 у

Рис. 2. Схема подшипника скольжения поверхности цапфы. Определить мощность, теряе-

мую на преодоление трения в подшипнике, если зазор заполнен жидкостью, заданной в исходных данных (табл. 2). Каким должен быть кинематический коэффициент вязкости υ, чтобы снизить момент силы трения вдвое?

Задача 5. Определить высоту цилиндрического поплавка hп, обеспечивающего открытие тарельчатого клапана с диаметром седла dкл в днище резервуара при погружении в жидкость на 2/3 объема. Вес клапана с тягой и поплавком принять равным G=20 Н, а диаметр поплавка

dп=3dкл.

Задача 6 (четный вариант). Определить минимальное время разгона τ резервуара на подвижной платформе в направлении, параллельном размеру l, до скорости 60 км/ч при наполнении на высоту hж, чтобы жидкость не вылилась из резервуара.

9

Задача 6 (нечетный вариант). Определить максимально допустимую скорость вращения n цилиндрического резервуара вокруг вертикальной оси при наполнении на высоту hж, чтобы жидкость не выливалась из него.

Задача 7. Определить расход жидкости Q через отверстие полностью открытого клапана в днище резервуара при его наполнении на высоту hж. Диаметр отверстия принять равным диаметру клапана. Определить время истечения всей жидкости и половины жидкости из резервуара. Отверстие считать малым, с коэффициентом расхода µ=0,6. Во сколько раз увеличится время истечения всей жидкости при уменьшении диаметра отверстия вдвое? Во сколько раз уменьшится время истечения при создании в резервуаре постоянного избыточного давления Ризб=100 кПа ( 1атм.)?

4.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ 1 - 7

Взадаче 1 для определения максимально допустимого объема жидкости в резервуаре необходимо учесть ее температурное расширение при нагревании. Конечный объем жидкости после нагревания на-

ходится по формуле

Wк = Wн(1 + α∆t) , м3,

где Wн – начальный объем жидкости, м3; α – температурный коэффи-

циент расширения, 1/с0; ∆t – разность конечной и начальной температур, 0С.

Для решения задач 2 и 3 используется основное уравнение гидростатики, по которому определяется гидростатическое давление р в точке, находящейся на глубине h:

p = pо +ρgh, Па (Н/м2),

где ро – избыточное давление на свободной поверхности жидкости, Па; ρ – плотность жидкости, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2.

Сила давления жидкости на плоские стенки (поверхности) рассчитывается по формуле

R = pcF , Н,

где F – площадь смоченной поверхности стенки, м2; рс – гидростатическое давление в центре тяжести этой площади, Па.