12.3. Основные понятия термо- и газодинамики и принципы работы пневмоприводов

Расчет процессов в пневмоприводе основывается на законах и уравнениях газовой динамики и термодинамики.

Уравнение состояния воздуха определяется зависимостью Менделеева—Клайперона:

pV_уд = RT

где р — абсолютное давление газа; V_уд — удельный объем газа; R — газовая постоянная, для воздуха R=288 Дж/(кгК); Т — абсолютная температура.

Так как V_уд=V/т,

рV= т R Т или р = ρ R Т.

При сжатии и расширении воздуха изменяется энергия и его параметры. Самые простые процессы протекают при сохранении постоянным одного из параметров. Различают изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процессы.

Изохорный процесс (закон Шарля) характеризуется постоянством удельного объема (V_уд = const) при изменении давления и температуры. Так как V = const, то работа, совершаемая при этом процессе, равна нулю.

При изобарном процессе постоянным является давление воз­духа (р = const).

Изотермический процесс (закон Бойля — Мариотта) происхо­дит при постоянной температуре (T = const). При этом р V_уд = const = p₁V₁ = p₂V₂

Адиабатный процесс характеризуется сжатием и расширением газа без теплообмена с окружающей средой. При этом рV ^k_уд = const, где k — показатель адиабаты (для воздуха k=1,41).

При теплообмене с окружающей средой параметры газа изменяются одновременно и имеет место политропный процесс:

рVⁿ = const,

где n = 1...2 — показатель политропы.

Политропный процесс представляет собой нечто среднее между изотермическим и адиабатным процессами. Для изобарного процесса n = 0, для изотермического n= 1, для адиабатного n = k, для изохорного n = ∞.

Скорость (м/с) истечения воздуха из отверстия

V=44.4

где Т — температура воздуха, К; р₁ и р₂ — давления воздуха при входе в отверстие и выходе из него, Па.

Это уравнение будет корректным для случаев, когда отношение Р₂/Р₁ не превышает критического значения Е_кр. При адиабатном процессе Е_кр = 0,528. Если давление выше критического, т. е. р₁> Е_крр₂, то режим истечения надкритический, характеризуемый постоянством скорости истечения и расхода независимо от изменения давления окружающей среды. Если давление в резервуаре ниже критического, т. е. р₁<E_крр₂, то скорость истечения и рас­ход газа непостоянны и расход зависит от соотношения давле­ний в опоражниваемом резервуаре и окружающей среде. Отсюда следует, что режим процесса опоражнивания резервуара, начав­шегося при относительно высоких давлениях, при уменьшении давления переходит в подкритический, который рассчитывается гораздо сложнее.

Течение воздуха в трубах в основном турбулентное.

Потери давления воздуха в пневмосистеме связаны с трени­ем его о стенки труб и с потерями на местных сопротивлениях. Для труб на прямых участках

Δр = ,

где k_т — коэффициент трения (при р = 0,4 МПа и T = 303 К; k_т= (1,5.. .2,0) 10^-7)]; l — длина труб, м; v — скорость воздуха, м/с; d — внутренний диаметр трубы, м.

При определении этих потерь удобно пользоваться номограммами [3, 14].

Потери давления на местных сопротивлениях (тройниках, вентилях, аппаратах)

Δр = 51ξv²γ10^-7,

где ξ — коэффициент местного сопротивления, определяется экспериментально или из таблиц (для распределителей ξ=24...50; для обратных клапанов ξ=50...130; для дросселей ξ=60...130; для маслораспылителей ξ=32...60; для влагоотделителей ξ=18...31).

Пример. Определить, насколько повысится давление воздуха в поршневой полости пневмоцилиндра с тонкостенным корпусом, если объем воздуха в этой полости уменьшить при медленном вдвигании поршня в 3 раза. Уплотнения счи­тать абсолютно герметичными.

Решение. Так как стенки пневмоцилиндра тонкие и вдвигание поршня осу­ществляется медленно, можно считать, что процесс сжатия воздуха в цилиндре осуществляется при постоянной температуре (при хорошем теплообмене с окружающей средой). Этот процесс описывается уравнением Бойля— Мариотта

p₁V₁=p₂V₂

Так как

V₂=V₁ / 3,

p₂=

т. е. давление возрастет в 3 раза.

Пример. Определить потери давления при движении сжатого воздуха по трубе длиной 100 м с внутренним диаметром d= 18 мм. Расход воздуха Q = 20м³/ч. Плотность воздуха ρ =4,67 кг/м³. Коэффициент трения воздуха о стенки трубы k_T=2 10^-7

Решение. Скорость воздуха в трубе

V=

Потери давления

Δp=

Схема пневмопривода показана на рис. 34. Сжатый воздух под давлением р_о от пневмосети (или компрессора) подается через обратный клапан 1, редукционный клапан 2, отсечной кран 3,

Рис. 34. Схема пневмопривода

фильтр-отстойник 4, маслораспылитель 5 и пневмораспредели-тель 8 в пневмодвигатель 9. Отработанный воздух через распре­делитель, дроссель 7 и глушитель 6 идет на выхлоп в атмосферу.

В робототехнических устройствах в качестве пневмодвигателя в основном используют поршневые механизмы из-за их простоты, надежности и возможности создания значительных рабочих уси­лий. Применяют распределители с цилиндрическими и плоскими золотниками, клапаны, струйные трубки.

При описании процессов в пневмоприводе используют такие понятия, как: рабочая полость, представляющая собой простран­ство двигателя, в которое поступает воздух из пневмосети; выхлопная полость, представляющая собой пространство двигате­ля, соединенное со средой, в которую происходит выброс воздуха.

Рабочей средой обычно является сжатый воздух с темпера­турой окружающей среды t=20 °С и давлением р_о = 0,4...0,6 МПа.

Преимуществами пневмопривода при использовании его в ро­бототехнике являются простота конструкции и эксплуатации; быстродействие и небольшие потери давления; отсутствие загряз­нения окружающей среды; пожарная безопасность; надежность, возможность работы на упор.

Недостатками пневмопривода являются: высокая сжимаемость воздуха, что затрудняет регулирование; большие габаритные раз­меры из-за малых давлений рабочей среды; более низкий КПД по сравнению с КПД гидропривода.

13. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПНЕВМОПРИВОДАХ

Определение объемного пневмопривода по ГОСТ 17752—81 было дано в главе 12. Классификация оборудования пневмопривода соответствует классификации оборудования для гидропривода. К отличительным особенностям пневмопривода можно отнести преобладание магистрального источника подачи рабочего тела (газа) к потребителям, тогда как в гидроприводе используют в основном насосный и аккумуляторный источники. При этом сжатый газ разводится по пневмолиниям от централь­ной компрессорной установки. Затем его поток под давлением 0,4...0,6 МПа передается по трубопроводам к пневмодвигателям машин, в которых энергия сжатого газа преобразуется в механическую энергию движения рабочих органов машин и механизмов.

В пневмоприводах отсутствуют сливные и дренажные линии, так как отработанный газ выпускается через выхлопную пневмо-линию в атмосферу, что упрощает эксплуатацию.

В робототехнике применение пневмопривода обеспечивает получение высоких скоростей выходных звеньев, простоту циклового управления, возможность работы в агрессивной и пожароопасной среде, что и обусловило широкое его распространение. В то же время сжимаемость воздуха не обеспечивает стабильности скорости, фиксации рабочих органов в промежуточных по­ложениях, требует демпфирования выходного звена в конце хода.

Целый ряд применяемых в пневмоприводах устройств имеет аналогичное с гидроприводом назначение и конструктивное исполнение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В пособии изложен материал, соответствующий основной образовательной программе по дисциплине «Механика жидкостей и газов». Подробно рассмотрен материал по физическим и эксплуатационным характеристикам рабочих тел гидро- и пневмосистем, применяемых в машиностроении. Показана их взаимосвязь. Приведены основные уравнения и законы гидростатики, гидродинамики и пневматики. Рассмотрены явления кавитации и гидравлических ударов, возникающих в узлах гидроприводов.

Даны рекомендации по применению фильтров рабочей жидкости.

Пособие предназначено обеспечивать усвоение учебной информации, выполнение лабораторных работ по соответствующим разделам механики жидкостей и газов. Позволяет использовать оптимальные технологии обучения и виды взаимодействия преподавателя и студентов, соответствующее их целенаправленной подготовке к будущей практической деятельности.

Материалы данного учебного пособия могут быть использованы научными и инженерно – техническими работниками машиностроительных производств, занимающихся проблемами машиностроительной гидравлики и пневматических приводов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ландау Л.Д. Гидродинамика / Л.Д. Ландау, Е.М. Лившиц. М.: Наука, 1988. Т. 6.

2. Навроцкий К.Л. Теория и проектирование гидро- и пневмоприводов / К.Л. Навроцкий. М.: Машиностроение, 1991.

3. Столбов А.С. Основы гидравлики и гидроприводов станков / А.С. Столбов. М.: Машиностроение, 1988.

4. Аэрогидромеханика / под ред. А.М. Мхитаряна. М.: Машиностроение, 1984.

5. Миркин А.З. Трубопроводные системы / А.З. Миркин, В.В. Усиньш. М.: Машиностроение, 1991.

6. Чертоусов М.Д. Специальный курс гидравлики / М.Д. Чертоусов. М.: Госэнергоиздат, 1989.

7. Френкель Н.З. Гидравлика / Н.З. Френкель. М.: Энергия, 1987.

8. Комаревская О.В. Практика расчета гидравлических систем / О.В. Комаревская, Л.С. Столбов. М.: Машиностроение, 1984.

9. Уплотнения и уплотнительная техника: справочник / Л.А. Кондаков и др.; под ред. А.И. Голубева, Л.А. Кондакова. М.: Машиностроение, 1986.

10. Пневматика и гидравлика / под ред. Е.В. Герц. М.: Машиностроение, 1977. Вып. 4.

11. Лещенко В.А. Гидравлические следящие приводы станков с программным управлением / В.М. Лещенко. М.: Машиностроение, 1975.

12. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика: справ. пособие / Т.М. Башта. М.: Машиностроение, 1971.

13. Справочник по гидравлическим расчетам / под ред. П.Г. Киселева. М.: Энергия, 1972.

14. Сборник задач по машиностроительной гидравлике / под ред. И.И. Кулолевского и Л.Г. Подвидза. М.: Машиностроение, 1981.

15. Слюсарев А.Н. Гидравлические и пневматические элементы и приводы промышленных роботов / А.Н. Слюсарев. М.: Машиностроение, 1989. – 168 с.

16. Механика жидкости и газа. Курс лекций: учеб. пособие / С.Г. Валюхов, В.В. Бородкин, Ю.А. Булыгин, С.А. Повеквечных. – Воронеж: Научная книга, 2012. – 179 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение	3
1. Гидропривод как фактор автоматизации станков и станочных комплексов	4
2. Рабочие жидкости гидросистем	7
2.1. Требования к рабочим жидкостям	7
2.2. Эксплуатационные характеристики жидкостей	8
2.3. Физические характеристики жидкостей	9
2.3.1. Весомость жидкости	9
2.3.2. Плотность	10
2.3.3. Вязкость	10
2.3.4. Кинематическая вязкость	12
2.3.5. Условные (относительные) единицы вязкости	13
2.3.6. Перевод условных единиц вязкости в абсолютные	14
2.3.7. Зависимость вязкости от температуры	15
2.3.8. Зависимость вязкости от давления	16
2.3.9. Вязкость смесей минеральных масел	18
2.3.10. Механическая и химическая стойкость (стабильность)	19
2.3.11. Теплостойкость жидкостей	20
2.3.12. Растворение в жидкостях газов	21
2.3.13. Механическая смесь воздуха с жидкостью	23
2.3.14. Образование пены	24
2.3.15. Влияние нерастворенного воздуха на работу гидросистемы	26
2.3.16. Сжимаемость жидкостей	28
2.3.17. Теплопроводность и теплоемкость жидкостей	29
2.3.18. Характеристики масел, применяемых в гидросистемах	32
2.3.19. Принципы выбора рабочих жидкостей гидросистем	34
3. Основы кинематики жидкостей	35
3.1. Силы, действующие в жидкостях	35
3.2. Одномерное движение жидкостей	36
3.3 Элементы тока жидкости	36
3.4 Методы описания движения жидкости	37
4. Законы и уравнения гидростатики и гидродинамики жидкостей	39
4.1. Основное уравнение гидростатики	39
4.2. Закон Паскаля. Гидравлический пресс	40
4.3. Уравнение неразрывности (сплошности) жидкости	41
4.4. Уравнение Бернулли	42
4.5. Уравнение Вентури	43
4.6. Число Рейнольдса	44
4.7. Уравнение энергии жидкости	46
4.8. Удельная энергия жидкости	46
5. Гидравлика трубопроводов	49
5.1. Расчет сечения трубопровода	49
5.2. Режимы течения жидкости	51
5.3. Расчет потерь напора при движении жидкости по длине трубопровода	52
5.3.1. Ламинарный режим течения	52
5.3.2. Турбулентный режим течения	56
5.4. Местные гидравлические потери	58
5.4.1. Потери в золотниковых распределителях	61
5.4.2. Вход в трубу	62
5.4.3. Внезапное сужение трубопровода	63
5.4.4. Внезапное расширение трубопровода	65
5.4.5. Сложение потерь	65
6. Кавитация жидкости	67
6.1. Способы борьбы с кавитацией	70
6.2. Практическое использование эффекта кавитации	74
7. Гидравлический удар в гидроузлах	76
7.1. Скорость ударной волны	79
7.2. Гидравлический удар в отводах	81
7.3. Гидравлический удар в силовых гидроцилиндрах	83
7.4. Гидравлический удар в насосах	85
7.5. Гидравлический удар в сливных магистралях	86
7.6. Способы снижения величины ударного давления	87
7.7. Компенсаторы гидравлического удара	89
7.8. Клапанные гасители гидравлического удара	93
8. Гидродинамическое давление струи жидкости на стенку	94
8.1. Тепловой баланс гидросистемы	96
8.2. Охлаждающие устройства	98
9. Фильтрация рабочей жидкости	101
9.1. Методы фильтрации	102
9.2. Тонкость фильтрации	103
9.3. Типы щелевых фильтров и фильтрующие материалы	104
9.4. Схемы фильтрации	105
9.5. Место для установки фильтра	106
9.6. Критерии для оценки качества фильтрации	107
9.6.1. Коэффициент пропускания	107
9.6.2. Коэффициент отфильтровывания	107
9.6.3. Пропускная способность q и расход	108
9.6.4. Загрязнение фильтрующего элемента	109
10. Понятие о подобии потоков жидкости	110
10.1. Критерии подобия	113
10.2. Закон подобия для теплопередачи	117
11. Гидроприводы МРС и ОМД	121
11.1. Следящий гидропривод МРС	121
11.2. Погрешность воспроизведения, нечувствительность и устойчивость привода	123
11.3. Структурная схема следящего гидропривода	126
11.4. Гидропривод импульсных молотов и пресс - молотов	130
12. Основные положения теории пневмопривода	134
12.1 Общие сведения	134
12.2 Физические свойства воздуха	134
12.3 Основные понятия термо- и газодинамики и принципы работы пневмоприводов	136
13. Общие сведения о пневмоприводах	140
Заключение	142
Библиографический список	143

Учебное издание

Ткаченко Юрий Сергеевич

Пачевский Владимир Морицович

МЕХАНИКА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

В авторской редакции

Компьютерный набор Ю.Э. Симоновой

Подписано к изданию 10.07.2015.

Объем данных 1,87 Мб.

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический

университет»