Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий

А.Г. Сабуров, Ю.Н. Гуляева

ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКи,

ГИДРАВЛИЧЕСКИх мАШИН

И ГИДРОПРИВОДа

Конспект лекций

Санкт-Петербург

2008

УДК 532.54

ББК 30.123

С12

С12

Сабуров А.Г., Гуляева Ю.Н.

Основы гидравлики, гидравлических машин и гидропривода: Конспект лекций.  СПб.: СПбГУНиПТ, 2008.  180 с.

Рассмотрены основные положения гидростатики и гидродинамики. Приведены характеристики рабочего процесса и конструктивные особенности гидравлических машин, применяемых в транспортно-технологических установках и на предприятиях перерабатывающих отраслей промышленности. Изложены основные сведения об устройстве, рабочих характеристиках и регулировании гидравлического привода (гидропривода).

Предназначен для студентов специальности 190603 очной и заочной форм обучения, но может быть использован и студентами других специальностей.

УДК 532.54

ББК 30.123

Рецензенты

Кафедра "Машины и аппараты химических производств" Омского государственного технического университета (зав. кафедрой докт. техн. наук, проф. В.С. Калекин)

Докт. техн. наук А.В. Федоров (Всероссийский научно-исследовательский институт жиров)

Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом университета

 Санкт-Петербургский государственный

университет низкотемпературных

и пищевых технологий, 2008

Введение

Предлагаемый курс содержит три составные части: гидравлика, гидравлические машины, гидропривод.

Гидравлика (техническая механика жидкости) – прикладная наука, в которой изучаются законы равновесия и движения капельных жидкостей, а также методы применения этих законов в различных областях инженерной практики. Раздел гидравлики, в котором рассматриваются законы равновесия жидкостей, называется гидростатикой; часть гидравлики, где изучаются законы движения жидкостей, называется гидродинамикой.

Кроме гидравлики, задачи покоя и движения жидкостей рассматриваются и в теоретической гидромеханике. Однако методы исследования при этом различны. Если в гидравлике применяются упрощенные приемы решения задач с целью получения приближенных, но крайне необходимых ответов на вопросы инженерной практики, то в теоретической гидромеханике используются строгие математические методы, позволяющие получать общие теоретические решения задач.

Гидравлические машины предназначены для преобразования механической энергии двигателя в энергию перемещаемой жидкости (насосы) или гидравлической энергии потока жидкости в механическую энергию (гидродвигатели).

Гидропривод – это система, служащая для передачи посредством жидкости энергии на расстояние и преобразования ее в механическую энергию на выходе системы (в энергию движения гидродвигателя) и одновременно выполняющая функции регулирования и реверсирования скорости выходного звена.

Итак, предметом изучения в предлагаемом курсе является капельная жидкость, а также механические устройства, в которых осуществляется энергообмен между их конструктивными элементами и жидкостью.

Авторы считают своим приятным долгом выразить признательность Н.Е. Дюба, выполнившей большую и кропотливую работу по оформлению текста, рисунков и формул рукописи.

Глава 1. Основные физические свойства жидкостей и силы, действующие в них

1.1. Основные физические свойства жидкостей

Жидкость – физическое тело, частицы которого легкоподвижны. В отличие от твердых тел жидкость легкоподвижна. Это обусловлено тем, что в твердых телах молекулы и атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, могут колебаться только относительно некоторых средних положений, в то время, как в жидкости молекулы могут "обходить" друг друга. В связи с этим жидкость не обладает свойством сохранять свою форму, как твердые тела, и принимает форму сосуда, в котором находится. Вообще жидкость по своим свойствам – среднее состояние материи между твердым телом и газом.

В гидравлике изучаются законы равновесия и движения только капельных жидкостей, которые обладают свойством текучести и очень мало изменяют плотность при изменении давления, т. е. практически несжимаемы. Плотность – это масса единицы объема жидкости:

(1.1)

где m – масса жидкости; V – объем жидкости. В системе единиц измерения СИ плотность измеряется в кг/м³.

Вес единицы объема жидкости называется удельным весом

. (1.2)

В системе СИ величина γ измеряется в н/м³.

Из выражений (1.1) и (1.2) несложно получить связь плотности и удельного веса

, (1.3)

где g – ускорение свободного падения.

Сжимаемость – это свойство жидкости изменять свой объем при изменении давления. Сжимаемость характеризуется коэффициентом объемного сжатия

, м²/н, (1.4)

где – начальный объем, м³; – изменение объема, м³; – изменение давления, Па = н/м².

Капельные жидкости характеризуются очень малой сжимаемостью.

Температурное расширение – свойство жидкостей увеличивать свой объем при повышении температуры; характеризуется коэффициентом температурного расширения

, 1/град, (1.5)

где – изменение температуры.

Вязкость – это свойство жидкости оказывать сопротивление усилиям, вызывающим относительное перемещение ее частиц. Поясним это свойство. Пусть жидкость течет вдоль плоской стенки параллельными ей слоями (рис. 1.1). Вследствие тормозящего влияния стенки слои жидкости будут двигаться с разными скоростями, значения которых возрастают по мере отдаления от стенки. Рассмотрим два слоя со скоростями W и W + dW, отстоящих друг от друга на расстоянии dn. Опыт показывает, что касательная сила Т, которую надо прилагать к верхнему слою для его равномерного сдвига относительно нижнего слоя, тем больше, чем больше градиент скорости dW/dn. Кроме того, сила Т пропорциональна площади соприкосновения слоев S, поэтому сле-дует

, (1.6)

где – динамический коэффициент вязкости, зависящий от рода жидкости, а также ее температуры. Отношение – касательное напряжение (напряжение внутреннего трения, напряжение сдвига). Тогда

. (1.7)

Величина всегда положительна, знак правой части формулы (1.7) зависит от знака градиента dW/dn. Условимся проводить нормаль n к стенке в направлении уменьшения скорости (как на рис. 1.1). Тогда градиент скорости всегда будет отрицательным, и (1.7) примет вид

. (1.8)

Уравнение (1.8) выражает закон внутреннего трения Ньютона, согласно которому напряжение внутреннего трения, возникающее между слоями жидкости при ее течении, прямо пропорционально градиенту скорости. Коэффициент пропорциональности µ является динамическим коэффициентом вязкости. В системе СИ величина µ имеет размерность [Па·с]. Внутреннее трение характеризуют также кинематическим коэффициентом вязкости

, м²/с. (1.9)

Поверхностным натяжением называется работа, необходимая для образования единицы новой поверхности

, . (1.10)

Из размерности [н/м] следует, что поверхностное натяжение можно рассматривать также как силу, действующую на единицу длины поверхности раздела жидкости и соприкасающейся с ней среды. Природа поверхностного натяжения заключается в следующем. Внутри жидкости молекулы ее испытывают примерно одинаковое воздействие соседних молекул, в то время кок молекулы, находящиеся непосредственно у поверхности раздела фаз, притягиваются молекулами внутренних слоев сильнее, чем молекулами окружающей среды. В результате на поверхности жидкости возникает давление, направленное внутрь жидкости по нормали к ее поверхности, которое и стремится уменьшить эту поверхность до минимума.