Тема 1. Класифікація і основні параметри гідромашин

Загальна класифікація гідромашин, основні параметри, визначення напору (тиску) насоса в умовах експлуатації і проектування. Баланс потужності та коефіцієнти корисної дії (ККД) насоса. Класифікація об’ємних гідравлічних машин.

Тема 2. Об’ємні насоси

Поршневі, діафрагмові, шестеренні, пластинчасті, роторно-поршневі (радіальні і аксіальні) насоси. Будова, принцип дії, робочий об’єм, характеристики. Регульовані та реверсивні насоси. Визначення режимів роботи об’ємних насосів.

Тема 3. Об’ємні гідравлічні двигуни

Гідравлічні циліндри, гідромотори, поворотні гідродвигуни. Класифікація, будова, принцип дії, розрахунок.

Тема 4. Гідроапарати, кондиціонери, гідролінії і робочі рідини

Розподільники, клапани, дроселі, подільники потоків, гідробаки, фільтри, теплообмінники, гідролінії, гідроакумулятори. Класифікація, будова, принцип дії, розрахунок. Робочі рідини. Кавітація.

Тема 5. Об’ємні гідроприводи

Загальні відомості. Класифікація і умовні позначення. Принцип дії. Статика силового циліндру.

Тема 6. Динаміка гідравлічного поршневого приводу

Рівняння витрати рідини. Гідравлічна провідність трубопроводів. Рівняння руху поршня гідроциліндра і гідроприводів обертової дії.

Тема 7. Приклади об’ємних гідроприводів

Гідроприводи обертової дії. Гідравлічні схеми об’ємних гідроприводів. Автомобільні гальмівні системи. Слідкуючий гідропривод-підсилювач.

Тема 8. Способи регулювання об’ємних гідроприводів

Об’ємне і дросельне регулювання, характеристики і розрахункові залежності.

Блок 2. „Динамічні гідромашини і гідродинамічні передачі”

Тема 1. Динамічні гідромашини.

Визначення, класифікація. Відцентрові насоси. Будова, принцип дії, рух рідини в робочому колесі. Рівняння Ейлера. Закони подібності і пропорційності.

Тема 2. Режими роботи відцентрових насосів

Закони подібності і пропорційності, характеристики, режими роботи і регулювання відцентрових насосів

Тема 3. Гідродинамічні передачі

Гідромуфти і гідротрансформатори. Визначення, конструкції, принципи дії, характеристики, режими роботи. Комплексний гідротрансформатор. Переваги і недоліки гідродинамічних передач.

Блок 3. „Пневматичні приводи”

Тема 1. Принцип роботи і термодинамічні процеси

Загальні відомості, умовні позначення, принцип роботи, властивості повітря, термодинамічні процеси.

Тема 2. Повітропроводи і пневмокамери

Рух повітря і рівняння швидкості його руху в трубопроводі. Визначення пропускної здатності пнемоліній, часу наповнення і спорожнення пневмокамер постійного об’єму.

Тема 3. Пневматичні двигуни

Пневматичні циліндри, їх статичний і динамічний розрахунок. Компресори і пневмогальмівні системи.

2. Методичні рекомендації до вивчення окремих модулів та тем курсу Блок 1. „Об’ємні гідравлічні машини і гідроприводи”

Т ема 1. Класифікація і основні параметри гідромашин

Загальна класифікація гідравлічних машин

Машини, які передають рідині, що протікає через них, механічну енергію (насоси), або відбирають у рідини частину енергії і передають її робочому органу для виконання корисної роботи (гідравлічні двигуни), називають гідравлічними. За характером силового впливу на рідину вони поділяються на динамічні і об’ємні.

У динамічних гідромашинах силовий вплив на рідину відбувається в проточних робочих камерах, які постійно сполучаються із входом і виходом машини. До них відносяться: відцентрові, осьові, вихрові та струминні насоси, поворотнолопатеві і радіально-осьові турбіни тощо.

В об’ємних гідромашинах силовий вплив на рідину відбувається у замкнених робочих камерах, об’єм яких періодично змінюється і які навперемінно сполучаються з входом і виходом машини. До них відносяться: шестеренні, роторно-поршневі, пластинчасті насоси і гідромотори і гідравлічні циліндри.

У динамічних гідромашинах переважає кінетична енергія і виникають великі відцентрові сили інерції за рахунок швидкого обертання робочих органів. Вони мають велику продуктивність, але створюють порівняно невисокий тиск. В об’ємних гідромашинах, навпаки, переважає потенціальна енергія (в замкнених робочих камерах створюється високий тиск), а кінетична енергія незначна. Вони відзначаються порівняно невеликою продуктивністю і високим тиском. Отже, якщо потрібно мати великі витрати рідини, слід застосовувати динамічні гідромашини, а якщо великі тиски - то об’ємні.

Основні параметри насосів

Насосами називають гідравлічні машини, призначені для підвищення тиску і переміщення рідини.

Основними параметрами насосів є подача (продуктивність), напір (тиск), потужність і коефіцієнт корисної дії (ККД).

Подача - це об’єм рідини, який насос подає за одиницю часу. Її позначають буквою Q і вимірюють в м³/с, л/с, л/хв, м³/год. Подачу насосів визначають за допомогою спеціальних пристроїв .

Напір (H) - це енергія, яку насос надає одиниці ваги перекачуваної рідини. Для його визначення застосовують манометр і вакуумметр.

Розглянемо схему насосної установки (рис. 1.1). Вона складається з насоса 4, всмоктувального трубопроводу 3 зі зворотним клапаном 2 і фільтром 1 на кінці, нагнітального (або напірного) трубопроводу 7, на якому встановлено засувку 6. Рідина подається насосом із забірного резервуара 9 в напірний 8. Насос 4 приводиться в дію двигуном 5. Перед насосом підключається вакуумметр, після насоса - манометр.

Напір насоса H

, (1.1)

де і - питома енергія рідини відповідно на виході з насоса і на вході.

Е_вих=υ²_вих/(2g)+р_вих/(ρg)+z_вих., (1.2)

Е_вх=υ²_вх/(2g)+р_вх/(ρg)+z_вх. (1.3)

Зрозуміло, що Е_вих>Е_вх, поскільки насос передає рідині додаткову енергію. Абсолютний тиск перед насосом p_вх=p_a-p_вак , після насоса p_вих=p_a+p_ман (p_a - атмосферний тиск, p_вак, p_ман - вакуумметричний і манометричний тиски). Якщо в (1.1) підставити значення Е_вх, Е_вих, p_вх, p_вих, позначити ∆H=Z_вих-Z_вх і знехтувати різницею швидкісних напорів - [υ²_вих/(2g)–υ²_вх/(2g)], одержимо формулу:

Н=(р_вак+р_ман)/(ρg)+∆H. (1.4)

Підставимо в (1.1) значення: Е_вих=Е₄+h_вт.н.; Е_вх=Е₁-h_вт.вс.,

де h_вт.н, h_вт.вс. - втрати напору відповідно в нагнітальному та всмоктувальному трубопроводах; Е₁, Е₄ - питома енергія рідини в перерізі I-I і IV-IV ; Е_1.=υ²₁/(2g)+р₁/(ρg)+z_1.; Е₄=υ²₄/(2g)+р₄/(ρg)+z₄.

Після перетворень (1.1) прийме вигляд:

Н=h+h_вт +(р₄ –р₁)/(ρg), (1.5)

де h_вт=h_вт.н+h_вт.вс - сумарні втрати енергії в нагнітальному та всмоктувальному трубопроводах. Напір насоса Н вимірюється в метрах.

З формули (1.5) виходить, що напір насоса витрачається на підняття рідини на висоту h, подолання гідравлічних опорів h_вт і різниці - (p₄-p₁)/(ρg).

Тиск насоса

р=ρgН. (1.6)

Тиск р вимірюється в Па, або МПа.

Якщо насос подає робочу рідину на висоту h з відкритого бака (p₁=0) в гідроциліндр, в якому надлишковий тиск p₄=p_ц, то потрібний для цього тиск насоса р_пот буде дорівнювати:

р_пот.=р_ц.+ρgh_вт+ρgh=р_ц.+∆р_т+ρgh, (1.7)

де ∆р_т=ρgh_вт - втрати тиску в трубопроводах.

Ф-ла (1.5) використовується при проектуванні, а формула (1.4) – при експлуатації насосних установок .

Корисна потужність - це корисна робота, яку насос виконує за одиницю часу. Формулу для обчислення потужності можна вивести з таких міркувань. Нехай р - тиск насоса, S - площа поперечного перерізу трубопроводу, υ –середня швидкість руху рідини в трубопроводі. Тоді робота, яку виконуватиме насос за час t , дорівнює добутку сили F=pS на шлях l=υt, А=Fl=рSυt, а корисна потужність

N_к=А/t=рSυ=рQ, (1.8)

З урахуванням співвідношення (1.6)

N_к=ρgНQ, (1.9)

де Q - подача насоса.

Потужність на валу насоса, або затрачена потужність, більша від корисної через втрати на подолання тертя, за рахунок витіків рідини тощо

N=N_к/η=рQ/η=ρgНQ/η, (1.10)

де η – загальний ККД насоса.

Потужність вимірюється в Вт, або кВт.

Якщо відомі крутний момент М і кутова швидкість вала насоса ω, то

N=Мω=М2πn, (1.11)

де n – частота обертання вала насоса.

Баланс потужності та ККД насоса

На рис. 1.2 наведена схема баланса потужності насоса. Потужність, яку він споживає позначена N. Частина енергії (N-N_к) втрачається, тобто перетворюється в теплоту. Втрати потужності в насосі поділяють на механічні, об’ємні та гідравлічні.

Механічні втрати потужності - ∆N_м обумовлені тертям у підшипниках, ущільненнях і тертям робочих органів насоса об рідину. Вони враховуються механічним ККД - η_м

η_м=N_г/N=(N-∆N_м)/N, (1.12)

д е N_г=N-∆N_м - гідравлічна потужність.

Об’ємні втрати потужності ∆N_о обумовлені витіками рідини в насосі. Якщо теоретична (ідеальна) подача об’ємного насоса дорівнює Q_і, то його фактична подача становить лише Q=Q_і-Q_в, де Q_в - витіки рідини (тиск на виході з насоса значно більший, ніж на вході, тому якась частина Q_в рідини через щілини в насосі повернеться у впускну порожнину).

Ці втрати потужності враховуються об’ємним ККД - η_о

η_о=N^'/N_г=(N_г-∆N_о)/N_г=(Q_і–Q_в)/Q_і, (1.13)

Гідравлічні втрати потужності ∆N_г обумовлені гідравлічними опорами на шляху рідини між впускним і випускним отворами, в основному місцевими гідравлічними опорами. Внаслідок цього фактичний напір насоса H буде меншим від теоретичного H_т. Ці втрати потужності враховуються гідравлічним ККД – η_г

η_г=N_к/N^'=(N^'-∆N_г)/N_г=(Н_т–h_н)/Н_т, (1.14)

де h_н - втрати напору в насосі на подолання гідравлічних опорів.

Загальний ККД – η дорівнює:

η = N_к /N=(N_к/N^')(N^'/N_г)(N_г/N)=η_гη_оη_м. (1.15)

Отже, загальний ККД насоса дорівнює добутку гідравлічного, об'ємного і механічного ККД.

Для об’ємних насосів, в яких подача Q, а отже, швидкість руху рідини і втрати на подолання гідравлічних опорів h_н малі, гідравлічний η_г ≈ 1. Добуток η_гη_м - називають гідромеханічним ККД - η_гм. Тоді загальний ККД о6’ємних насосів

η=η_оη_гм (1.16)

Класифікація об’ємних гідравлічних машин. Гідромашини, в яких силовий вплив на рідину відбувається у замкнених робочих камерах, що періодично змінюють свій об’єм і навперемінно сполучаються із входом і виходом, називають об’ємними. Їх поділяють на зворотно-поступальної дії (поршневі, плунжерні, діафрагмові), роторно-обертової дії (шестеренні, гвинтові) і роторно-поступальної дії (аксіально-поршневі, радіально-поршневі, пластинчасті).

Запитання для самоконтролю

1. Дайте визначення динамічних і об’ємних гідромашин.

2. Які гідромашини відносяться до класу динамічних, які - до об’ємних?

3. Яка енергія переважає у динамічних гідромашинах, яка - у об’ємних ?

4. Які гідромашини треба застосовувати при необхідності створення великих тисків, які – для великих подач?

5. Дайте визначення насоса, гідродвигуна, гідромотора.

6. Дайте визначення основних параметрів насосів. Якими символами вони позначаються і в яких одиницях вимірюються?

7. Напишіть формули визначення напору насоса в умовах проектування та експлуатації. Поясніть складові.

8. Напишіть формулу визначення потрібного тиску насоса при подачі рідини на висоту h з відкритого бака (p₁=0) в гідроциліндр з надлишковим тиском p_ц=p₄. Поясніть складові.

9. Намалюйте схему баланса потужності насоса і поясніть всі позначення.

10. Чим обумовлені і чому дорівнюють ККД насосів: механічний - η_м, об’ємний - η_о, гідравлічний - η_г, гідромеханічний - η_гм і загальний – η?

11. Як класифікуються об’ємні гідравлічні машини?