Учебно – методический комплекс по дисциплине __Основы гидравлики и гидропривод_

специальности 190601 – Автомобили и автомобильное хозяйство

Приложения к рабочей учебной программе

по дисциплине «Основы гидравлики и гидропривод»

специальности 190601 – Автомобили и автомобильное хозяйство

2. Методические рекомендации для студентов

Рассмотрено на заседании кафедры

Протокол № ­­­8

от « 23 » апреля 2009 г.

Москва, 2009

2. Методические рекомендации для студентов

2.1 Методические рекомендации по изучению курса

При посещении лекций вести их запись, по ходу лекций задавать вопросы с целью выявления физической сущности рассматриваемого явления, принципа действия и конструкции гидромашин, теоретического обоснования получаемых расчетных соотношений и их прикладного значения.

2.2. Методические рекомендации при проведении практических занятий.

В ходе проведения практических занятий студенты должны задавать вопросы с целью выявления физической сущности задачи, теоретической части используемых расчетных соотношений, участвовать в обсуждении хода решения и проведении вычислений.

2.3. Методические рекомендации по выполнению контрольных работ.

В соответствии с методическими указаниями к контрольным заданиям выбрать свой вариант контрольной работы. Ознакомиться с условиями каждой задачи и при необходимости перевести все исходные данные в систему СИ. Исходя из условий конкретной задачи, определить исходные расчетные формулы, которые потребуются для решения задачи. Следует обратить внимание на то, что в случае, когда целью задачи является определение относительной величины, например, во сколько раз изменится диаметр трубопровода и т. п., некоторые величины, входящие в расчетные теоретические выражения, не заданы в численном виде. Провести расчеты. Оформить контрольную работу в виде единого документа (тетрадь и т. п.) и сдать преподавателю. После получения оценки ознакомиться с замечаниями.

В течение семестра предусмотрено проведение одной контрольной работы.

Номера варианта контрольных задач студент выбирает по последней цифре (см. Таблица 1), а числовые значения - по предпоследней цифре шифра или удостоверения студента (см. Таблица 2). Условия задач сформулированы для каких то произвольных исходных данных, конкретные численные значения которых выбираются в соответствии со способом, указанным выше.

Выполняемые контрольные задания имеют целью научить студента применять изученные закономерности при решении практических задач курса гидравлики.

Таблица 1

№*	При выполнении одной контрольной работы								При проведении двух контрольных работ
									первой				второй
1	1	4	7	10	13	16	20	23	1	4	7	10	13	16	20	23
2	2	5	8	11	14	17	21	24	2	5	8	11	14	17	21	24
3	3	6	9	12	15	18	22	25	3	6	9	12	15	18	22	25
4	1	4	7	10	13	19	20	26	1	4	7	10	13	19	20	26
5	2	5	8	11	14	20	21	27	2	5	8	11	14	20	21	27
6	3	6	9	12	15	21	22	28	3	6	9	12	15	21	22	28
7	1	4	7	10	13	22	20	29	1	4	7	10	13	22	20	29
8	2	5	8	11	14	19	21	26	2	5	8	11	14	19	21	26
9	3	6	9	12	15	16	22	23	3	6	9	12	15	16	22	23
0	1	4	7	10	13	17	20	24	1	4	7	10	13	17	20	24

№^* -последняя цифра шифра

Задачи 1 и 2 связаны с основными свойствами жидкости.

Задача 1. Канистра, заполненная бензином и не содержащая воздуха, нагрелась на солнце до температуры t_к = 50⁰С. На сколько повысилось бы давление бензина внутри канистры, если бы она была абсолютно жесткой? Начальная температура бензина t_н = 20⁰С Модуль объемной упругости бензина Е_ж = 1300 МПа, коэффициент температурного расширения β _t = 8 10^-4 1/град.

Задача 2. Определить объемный модуль упругости жидкости, если под действием груза А массой m = 250 кг поршень опустился на расстояние Δh = 5 мм. Начальная высота положения поршня (без груза) Н = 1,5 м, диаметр поршня d = 80мм, а резервуара D = 300 мм, высота резервуара h = 1,3 м. Весом поршня пренебречь. Резервуар считать абсолютно жестким. Рис. 1.

Задачи 3 и 4 связаны с определением гидростатического давления в жидкости.

Задача 3. Определить абсолютное и вакуумметрическое давление воздуха в сосуде, если показание ртутного прибора h = 368 мм, а высота воды Н = 1 м. Атмосферное давление равно h_а = 736 мм. рт. ст. Плотность ртути ρ_р = 13600 кг/м³, плотность воды ρ_в = 1000 кг/м³. Рис. 2.

Задача 4. Определить давление Р₁ жидкости, которое нужно подвести к гидроцилиндру, чтобы преодолеть усилие, направленное вдоль штока F = 1 кН. Диаметры: цилиндра D = 50 мм, штока d = 25 мм. Давление в баке Р₀ = 50 кПа, высота Н₀ = 5 м. Силу трения не учитывать. Плотность жидкости ρ = 1000 кг/м³. Рис. 3.

Задачи 5 и 6 связаны с определением силы давления жидкости на плоскую и криволинейную стенки.

Задача 5. Определить минимальную массу m груза, способного удерживать прямоугольный щит размером h = 3 м и b = 2 м в закрытом положении, при уровне воды в канале Н = 5 м. Длина рычага, на котором укреплен груз, L = 3м. Щит может поворачиваться в подшипниках вокруг оси О. Выше оси расположены неподвижные балки, концы которых заделаны в боковые стенки канала. Рис. 4.

Задача 6. Определить силу давления нефти Р на цилиндрическую стенку резервуара и угол наклона α линии действия этой силы к горизонту, если радиус стенки R = 800 мм, ширина стенки В = 3 м, высота нефти в резервуаре Н = 2 м, плотность нефти ρ = 900 кг/м³. Рис. 5.

Задачи 7 и 8 связаны с определением положения равновесия поверхности жидкости, при действии постоянного ускорения.

Задача 7. Топливный бак автомобиля длиной L =0,6 м, шириной в = 0,5 м и высотой Н = 0,2 м движется с постоянным ускорение а = 3,27 м /с². Определить минимальное количество топлива в баке, обеспечивающего его подачу без подсоса воздуха. Считать, что бензопровод установлен в центре горизонтальной проекции бака, его диаметр мал по сравнению с длиной бака, а расстояние от среза бензопровода до днища бака h = 10 мм. Рис. 6.

Задача 8. В сосуд высотой Н = 0,3 м залита жидкость до уровня h = 0,2 м. Определить до какой угловой скорости ω можно раскрутить сосуд, с тем, чтобы жидкость не выплеснулась из него, если его диаметр D = 100мм. Рис. 7.

Задачи 9 и 10 связаны с использованием уравнения Бернулли.

Задача 9. Вода перетекает из напорного бака, где избыточное давление воздуха Р_изб = 0,3 МПа, в открытый резервуар по короткой трубе d = 50 мм, на которой установлен кран. Чему должен быть равен коэффициент сопротивления крана ξ _кр для того, чтобы расход воды составил Q = 8,7 л /с. Высоты уровней Н₁ = 1 м и Н₂ = 3 м. Учесть потери напора на входе в трубу (ξ _вх = 0,5) и на выходе из трубы (внезапное расширение) ξ _вых = 1. Рис. 8.

Задача 10. Определить расход жидкости, вытекающей из трубы диаметром d = 16 мм через плавное расширение (диффузор) и далее по трубе диаметром D = 20 мм в бак. Коэффициент сопротивления диффузора ξ _диф = 0,2 (отнесен к скорости в трубе диаметром d), показание манометра Р_м = 20 кПа; высота h = 0,5 м, Н = 5 м; плотность жидкости ρ = 1000 кг/м³. Учесть потери на внезапное расширение ξ _рас = 1, потерями на трение пренебречь, режим течения считать турбулентным. Рис. 9.

Задачи 11 и 12 связаны с истечением жидкости через отверстия и насадки.

Задача 11. Определить скорость перемещения поршня вниз, если к штоку приложена сила F = 10 кН. Поршень диаметром D = 50 мм имеет пять отверстий диаметром d₀ = 2 мм каждое. Отверстия рассматривать как внешние цилиндрические насадки с коэффициентом расхода μ =0,82; ρ= 900 кг/м³. Рис. 10.

Задача 12. Правая и левая полости цилиндра гидротормоза, имеющих диаметр поршня D = 140 мм и диаметр штока d = 60 мм, сообщаются между собой через дроссель с площадью проходного сечения S_др = 20 мм² и коэффициентом расхода μ = 0,65. Определить время, за которое поршень переместится на величину хода L = 350 мм под действием силы F = 15 кН, плотность жидкости ρ= 900 кг/м³. Рис. 11.

Задачи 13 - 15 связаны с гидравлическим расчетом трубопроводов.

Задача 13. Определить потребный напор, который необходимо создать в сечении 0 – 0 для подачи в бак воды с вязкостью ν = 0,008 Ст, если длина трубопровода L = 80 м, его диаметр d = 50 мм, расход жидкости Q = 15 л/с, высота Н₀ = 30 м, давление в баке Р₂ = 0,2 МПа. Коэффициент сопротивления крана ζ₁ = 5, колена ζ₂ = 0,8, шероховатость трубы Δ = 0,04 мм. Рис. 12.

Задача 14. Какое давление должен создавать насос при подаче масла Q = 0,4 л/с и при давлении воздуха в пневмогидравлическом аккумуляторе Р₂ = 2 МПа, если коэффициент гидравлического сопротивления квадратичного дросселя ζ _др = 100; длина трубопровода от насоса до аккумулятора L = 4 м; диаметр d = 10 мм? Свойства масла: ρ= 900 кг/м³; ν = 0,5 Ст. Коэффициент ζ _др отнесен к трубе с d = 10 мм. Рис. 13.

Задача 15. Вода перетекает из бака А в резервуар Б по трубе диаметром d = 25 мм, длиной L = 10 м. Определить расход Q, если избыточное давление в баке Р₁ = 200 кПа; высоты уровней Н₁ = 1 м, Н₂ = 5 м. Режим течения считать турбулентным. Коэффициенты гидравлического сопротивления: сужения - ζ _суж =0,5; крана - ζ _кр = 4; колена - ζ _ко = 0,2; расширения - ζ _рас = 1; λ_т = 0,025. Рис. 14.

Задачи 16 - 19 связаны с расчетом характеристик центробежных насосов.

Задача 16. Центробежный насос системы охлаждения двигателя имеет рабочее колесо диаметром D₂ = 200 мм с семью (z = 7) радиальными лопатками (β₂ = 90⁰); диаметр окружного входа D₁ = 100 мм. Какую частоту вращения нужно сообщить валу этого насоса при работе на воде для получения давления насоса Р_н = 0,2 Мпа? Гидравлический к.п.д. насоса принять равным η _г =0,7.

Задача 17. Центробежный насос системы охлаждения двигателя имеет рабочее колесо диаметром D₂ = 150мм и ширину выходной части b₂ = 12 мм. Угол между касательной к лопатке и касательной к окружности колеса β₂ = 30⁰. Определить напор, создаваемый насосом, при подаче Q = 15 л/с, частоте вращения n = 3000 об/мин, приняв коэффициент влияния лопаток К_z = 0,75 и гидравлический к.п.д. η _г =0,85.

Задача 18. Компенсационный бачок системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания на Δh = 0,5 м выше оси вращения вала насоса и соединена с атмосферой. Определить кавитационный запас и разность между ним и критическим кавитационным запасом при температуре воды t = 80⁰С (Р_{н п} = 45 кПа), если кавитационный коэффициент быстроходности рассчитывается по формуле С.С. Руднева при С = 1200, Q = 5 л/с, n = 6000об/мин, h_а = 740 мм.рт. ст. Диаметр входного трубопровода d = 40 мм.

Задача 19. Подача центробежного насоса Q₁ = 360 м³/час при напоре Н₁ = 66 м вод. ст., частота вращения n₁ = 960 об/мин, к.п.д. насосной установки с учетом всех потерь η_н = 0,65. Определить, какой мощности и с какой частотой вращения необходимо установить электрический двигатель для того, чтобы повысить подачу насоса до Q₂ = 520 м³/час. Определить также, как при этом изменится напор насоса.

Задачи 20 – 22 связаны с расчетом поршневых насосов

Задача 20. Определить подачу поршневого насоса простого действия, у которого диаметр цилиндра D = 0,2 м, ход поршня S = 0,25 м. частота вращения вала насоса n = 60 об/мин, объемный к.п.д. η₀ = 0,95.

Задача 21. Определить подачу и потребляемую мощность поршневого одноцилиндрового насоса двойного действия, если известно, что диаметр цилиндра D = 0,2 м, диаметр штока d = 0,04 м, ход поршня S = 0,25 м, частота вращения вала насоса n = 90 об/мин, объемный к.п.д. η₀ = 0,92. Насос обеспечивает напор Н = 70 м. вод. ст. Полный к.п.в. η_н = 0,8.

Задача 22. Определить основные размеры двухпоршневого насоса двухстороннего действия с подачей Q = 1,25 м³/мин с объемным к.п.д. η₀ = 0,93. Отношение хода поршня S к диаметру цилиндра D принять равным к_х = (S/D) = 1, отношение диаметра цилиндра D к диаметру штока d принять равным к_ш = (D/d) = 2, а и частоту вращения вала n = 120 об/мин.

Задачи 23 – 29 связаны с расчетом объемного гидропривода и его отдельных элементов.

Задача 23. Двухкамерный гидродвигатель поворотного движения должен создать момент на валу, равный М = 2 кН м при угловой скорости поворота ω = 2 с^-1. Размеры гидродвигателя: D = 200 мм, d = 100 мм. Ширина лопастей b = 60 мм. Механический к.п.д. η_м =0,9; объемный к.п.д. η_о = 0,75. Определить потребный перепад давления, который должен быть создан в гидродвигателе и необходимую подачу. Рис. 15.

Задача 24. На рисунке показана упрощенная схема гидропривода с дроссельным управлением и последовательным включением дросселя. Обозначения6 1 – насос; 2 – гидроцилиндр; 3 – регулируемый дроссель; 4 – переливной клапан (гидрораспределитель на схеме не показан). Под каким давлением Р₁ нужно подвести жидкость (ρ = 1000 кг/м³) к левой полости гидроцилиндра для перемещения поршня вправо со скоростью U_п = 0,1 м/с и преодоления нагрузки вдоль штока F = 1000 Н, если коэффициент местного гидравлического сопротивления дросселя ζ_др = 10? Другими местными сопротивлениями и потерей на трение в трубопроводе пренебречь. Диаметры: поршня D_п = 60 мм, штока d_ш = 30мм, трубопровода d_т = 6 мм. Рис. 16.

Задача 25. На рисунке показана упрощенная схема объемного гидропривода поступательного движения с дроссельным регулированием скорости выходного звена (штока), где 1 – насос; 2 – рециркуляционный насос; 3 – шток; 4 предохранительный клапан. Шток гидроцилиндра 3 нагружен силой F = 1200 Н; диаметр поршня D = 40 мм. Предохранительный клапан 4 закрыт. Определить давление на выходе из насоса и скорость перемещения поршня со штоком U_п при таком открытии дросселя, когда его можно рассматривать как отверстие площадью S₀ = 0,05 см² с коэффициентом расхода μ = 0,61. Подача насоса Q = 0,5 л/с. Плотность жидкости ρ = 900 кг/м³. Другими потерями в трубопроводах пренебречь. Рис. 17.

Задача 26. Для подачи груза G со скоростью U_п = 0,15 м/с, используются два гидроцилиндра диаметром D = 100 мм. Груз смещен относительно оси симметрии так, что нагрузка на шток 1 –го цилиндра F₁ = 6 кН, а на шток 2-го цилиндра F₂ = 5 кН. Каким должен быть коэффициент местного сопротивления дросселя ζ_др, чтобы платформа поднималась без перекашивания? Диаметр трубопровода d = 10 мм. Плотность жидкости ρ = 900 кг/м³. Потерями на трение в трубопроводах пренебречь. Рис. 18.

Задача 27. Определить скорости поршней U_п1 и U_п2, площади которых одинаковы и равны S_п = 5 см². Штоки поршней нагружены силами F₁ = 1 кН и F₂ = 0,9 кН. Длина каждой ветви трубопровода от точки М до бака L = 5 м. Диаметр трубопроводов d = 10 мм. Подача насоса Q = 0,2 л/с. Кинематическая вязкость рабочей жидкости ν = 1 Ст. Плотность жидкости ρ = 900 кг/м³. Режим течения жидкости в трубопроводах – ламинарный. Рис. 19.

Задача 28. Найти минимальные рабочие объемы гидромашин гидропередачи (насоса и гидромотора), обеспечивающие на выходном валу гидромотора М_м = 50Н м и угловую скорость ω_м = 200 с^-1, если угловая скорость насоса ω_н = 300 с^-1, давление срабатывания предохранительного клапана Р_кл = 15 Мпа. Принять объемные к.п.д. гидромашин η_он = η_ом = 0,95, а механические η_мн = η_мм = 0,92. Какую мощность потребляет при этом насос. Рис. 20.

Задача 29. Объемный гидропривод вращательного движения с дроссельным регулированием состоит из двух гидромашин: насоса 1 и гидромотора 2, а также дросселя 3, предохранительного клапана 4 и вспомогательного насоса 5. Определить пределы изменения частоты вращения гидромотора n_м при постоянной нагрузке. Даны: частота вращения насоса n_н = 2400 об/мин; рабочие объемы гидромашин V_н = 0,01 л и V_м = 0,02 л; давление в напорной гидролинии, обусловленное заданной нагрузкой (моментом на валу гидромотора), Р_н =5МПа; давление во всасывающей линии, поддерживаемое насосом 5, Р_вс = 0,3 МПа; площадь проходного сечения дросселя при полном его открытии S_др = 0,015 см²; коэффициент расхода дросселя μ = 0,65; объемный к.п.д. каждой гидромашины η_о = 0,95. Расход через клапан 4 Q_кл = 0. Плотность жидкости ρ = 900 кг/м³. Рис. 21.

Таблица 2.

№*	Предпоследняя цифра шифра	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
1	tк, 0С	40	40	45	45	55	55	60	60	65	65
	tн, 0С	10	12	15	17	20	23	26	30	33	35
2	m, кг	200	200	250	250	300	300	350	350	400	400
	h, м	1	1,1	1,1	1,2	1,2	1,3	1,3	1,4	1,4	1,4
	Н, м	1,2	1,2	1,3	1,3	1,4	1,4	1,5	1,5	1,6	1,7
	Δh, мм	4	4	4,5	4,5	5	5	5,5	5,5	6	6
3	h, мм	300	310	320	330	340	350	360	370	380	390
	H, м	0,8	0,9	0,9	0,8	1	0,9	1,1	1	1,1	1,2
	hа, мм	725	725	730	730	735	735	740	740	745	746
4	F, кН	0,8	0,8	0,9	0,9	1	1	1,1	1,1	1,2	1,2
	Р0, кПа	40	40	45	45	50	50	55	55	60	60
	Н0,м	4	4,5	4,5	4	5	4,5	5,5	5	5,5	6
5	Н, м	4,5	4,5	5	5	5,5	5,5	6	6	6,5	6,5
	h, м	2,5	2,5	2,5	3	3	3	3,5	3,5	3,5	4
	L, м	2,2	2,2	2,5	3	3	2,5	3,5	3	4	3,5
6	Н, м	1,4	1,5	1,75	1,75	2	2	2,25	2,25	2,5	2,5
	R,мм	700	700	700	750	750	700	800	850	850	900
7	а, м/с2	1,64	1,64	1,64	2,18	2,18	2,18	3,27	3,27	4,36	4,36
	h, мм	20	15	10	20	15	10	20	15	10	15
8	Н, м	0,4	0,4	0,35	0,35	0,3	0,3	0,25	0,25	0,2	0,2
	h, м	0,3	0,25	0,25	0,2	0,25	0,15	0,15	0,2	0,15	0,1
9	Ризб, МПа	0,2	0,22	0,24	0,26	0,28	0,3	0,32	0,34	0,36	0,38
	Н1, м	1	1,2	1,4	1,6	1,8	2	2,2	2,4	2,6	2,8
	Н2, м	3	3,2	3,4	3,6	3,8	4	4,2	4,4	4,6	4,8
10	Рм, кПа	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25
	Н, м	5	4,5	4	4	4,5	5	4,5	4	4,5	5
	h, м	0,5	0,4	0,3	0,5	0,4	0,3	0,4	0,5	0,4	0,3
11	F, кН	9	9	9,5	9,5	10	10	10,5	10,5	11	11
	D, мм	40	40	45	45	50	50	55	55	60	60
	d0, мм	1	1,2	1,5	1,3	2	1,5	2,5	2	2,5	3
12	F, кН	12,5	13	13,5	14	14,5	15	15,5	16	16,5	17
	Sдр, мм2	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
13	Q, л/с	13	13	14	14	15	15	16	16	17	17
	L, м	50	55	60	65	70	75	80	85	90	95
	d, мм	35	35	40	40	45	45	50	50	55	55
14	Q, л/с	0,35	0,35	0,35	0,4	0,4	0,4	0,45	0,45	0,45	0,45
	L, м	3	3	3,5	3,5	3,5	4	4	4,5	4,5	4,5
	d, мм	8	8,5	9	9	10	11	10	11	12	12,5
15	Р1, кПа	180	180	190	190	200	200	210	210	220	230
	L, м	8	8	9	9	10	10	11	11	12	12
	d, мм	22	21	23	22	23	24	24	25	25	26
16	Рн, МПа	0,18	0,18	0,10	0,19	0,2	0,2	0,21	0,21	0,22	0,22
	z	5	4	5	6	6	7	7	8	8	9
17	Q, л/с	20	20	22,5	22,5	25	25	27,7	27,5	30	30
	D2, мм	125	100	125	150	150	175	175	150	150	175
18	Q, л/с	4	4	4	4,5	4,5	4,5	5	5	5,5	5,5
	hа, мм рт ст	730	740	750	750	760	770	760	770	770	760
19	Q2, м3/ч	400	450	450	500	500	450	550	500	550	600
	Н1, м	60	60	65	65	70	70	75	75	80	80
20	S, м	0,25	0,30	0,35	0,40	0,45	0,40	0,35	0,30	0,25	0,20
	n, об/м	66	66	60	72	72	66	66	60	72	72
21	d, мм	40	44	48	52	56	60	56	52	48	44
	S, м	0,25	0,30	0,35	0,40	0,45	0,40	0,35	0,30	0,25	0,20
	n, об/м	90	94	98	102	98	94	90	86	82	78
22	Q,м3/м	1,35	1,45	1,55	1,65	1,75	1,65	1,55	1,45	1,35	1,25
	кх	1	1,1	1,2	1,3	1,4	1,3	1,2	1,1	1	0,9
23	ω, с-1	1	1	1,5	1,5	2	2	2,5	2,5	3	3
	М, кН м	1	1,25	1,25	1,5	1,5	2,5	2	2,5	3	3,.5
24	Uп, м/с	0,08	0,08	0,09	0,09	0,1	0,1	0,11	0,11	0,12	0,12
	F, кН	0,9	1	0,9	1	1,1	1,2	1	1,1	1,1	1,2
25	Q, л/с	0,4	0,4	0,45	0,45	0,5	0,5	0,55	0,55	0,6	0,6
	F, кН	1,1	1,1	1,2	1,2	1,1	1,3	1,2	1,3	1,2	1,3
26	Uп, м/с	0,12	0,12	0,13	0,13	0,14	0,14	0,15	0,15	0,16	0,16
	F1, кН	7	7	6,5	6,5	6	6	5,5	5,5	5	5
	F2, кН	6	5,5	5,5	5	5	4,5	4,5	4	4	3,5
27	Q, л/с	0,18	0,18	0,19	0,19	0,2	0,2	0,21	0,21	0,22	0,22
	F1, кН	1,2	1,2	1,1	1,1	1	1	0,9	0,9	0,8	0,8
	F2, кН	1,1	1	1	0,9	0,85	0,8	0,8	0,75	0,7	0,65
28	Ркл, МПа	13	113	14	14	15	15	16	16	17	17
	Мм, н м	40	40	45	45	55	45	50	55	55	50
29	Рн, МПа	4	4	4,5	4,5	5	5	5,5	5,5	6	6
	Рвс, МПа	0,2	0,3	0,2	0,3	0,2	0,4	0,3	0,4	0,5	0,4

№^* - номер задачи, предпоследняя цифра шифра