- •1.2.3. Энергия свободного отката ствола
- •1.3. Проектирование накатников
- •П(А) = Пд- Цотк,
- •Вопросы для самоподготовки
- •2.1. Основные агрегаты лафета
- •2.2. Лафет как боевой станок артиллерийского орудия при выстреле
- •Вопросы для самоподготовки
- •3.1. Проектирование станин АО
- •3.2. Проектирование люльки АО
- •Вопросы для самоподготовки
- •4.1. Проектирование механизмов подрессоривания
- •5.2. Гидродинамические основы проектирования гидравлических тормозных устройств
- •Вопросы для самоподготовки
- •Вопросы для самоподготовки
- •Вопросы для самоподготовки
|
|
|
|
|
|
Таблица 5.2 |
|
|
Рабочие характеристики жидкостей |
|
|||||
|
Характеристики |
Стеол |
Стеол-М |
АУ |
ПОЖ |
||
1. Температура |
замерза |
-45 |
-65 |
-45 |
- -70 |
||
|
ния, °С |
|
|
|
120 |
350 |
115 |
2. Температура кипения, |
100 |
||||||
|
°С |
|
|
|
|
|
|
3. |
Коэффициент |
темпе |
5,5-10-4 |
6,5-10^ |
6,9-10"1 |
6,9-1 О*4 |
|
|
ратурного |
расшире |
|
|
|
|
|
|
ния, 1/°С, (3, |
|
|
|
|
|
— |
4. |
Коэффициент |
объем -4,9-10' 6 |
-5-10-6 |
-7,5-10"6 |
|||
|
ного сжатия, см3/Н, (3/> |
0,103 |
|
0,4 |
|
||
5. |
Динамический |
коэф |
0,109 |
|
|||
|
фициент вязкости при |
|
|
|
|
||
|
+15 °С, пуаз, ц |
|
|
|
|
|
|
6. |
Плотность, кг/дм3 |
1,0 |
1,09-1,1 |
0,9 |
1,09-1,1 |
||
|
Наиболее |
широко |
в настоящее время используется |
||||
стеол-М. Его достоинства: |
|
|
|
|
|||
|
а) благоприятно действует на материалы уплотнительных |
устройств - кожу, войлок (обладает кремационными свойства ми, снижает трение);
б) обладает универсальностью (используется во всех из вестных гидравлических и гидропневматических устройствах);
в) обладает высокой температуростойкостью (наиболее широкий диапазон рабочих температур).
Недостаток Стеола-М - высокая испаряемость (из-за нали чия спирта).
5.2.Гидродинамические основы проектирования гидравлических тормозных устройств
5.2.1.Гидродинамика идеальной жидкости
Гидродинамика изучает движение жидкости. Основопо ложником этой науки является Даниил Бернулли (1700-1782). Будучи членом Петербургской академии наук, он разрабатывал
законы механики |
жидких |
|
|
|
|
|
|
|||
и газообразных тел. В 1758 г. |
|
|
|
|
|
|
||||
Бернулли издал труд «Гид |
|
|
|
|
|
|
||||
родинамика», |
в котором |
за |
|
|
|
|
|
|
||
ложил основы современной |
|
|
|
|
|
|
||||
гидравлики. Он сформули |
|
|
|
|
|
|
||||
ровал понятие |
«идеальная |
|
|
|
|
|
|
|||
жидкость» и дал расчетную |
Рис. 5.4. |
Схема |
гидравлического |
|||||||
схему гидравлического трак |
||||||||||
та, |
представленную |
на |
тракта: |
Р |
- |
статическое |
давление |
|||
рис. 5.4. |
|
|
|
жидкости; |
V - |
скорость струек жид |
||||
|
|
|
кости; |
5 - |
сечение |
гидравлического |
||||
|
Идеальная жидкость |
- |
||||||||
это теоретическая жидкость, |
тракта; |
Z - |
геометрическая |
высота |
||||||
|
|
центра сечения |
|
|||||||
используемая |
для |
вывода |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
основных законов ее состояния. Идеальная жидкость характе ризуется следующими условиями (допущениями):
-она является несжимаемой;
-в ней отсутствует внешнее (вязкость) и внутреннее (сце пление молекул) трение;
-скорости струек этой жидкости в сечении одинаковы;
-струйки жидкости не перемешиваются и деформируются одинаково;
-гидравлический тракт идеально гладкий (нет шерохова
тостей); - гидравлические потери в этой жидкости и в этом тракте,
связанные с трением, отсутствуют.
5.2.2. Основные законы состояния идеальной жидкости
Законов состояния идеальной жидкости три:
-закон сохранения вещества, или закон неразрывности потока;
-закон сохранения механической энергии, или закон жи
вых сил; - закон сохранения количества движения, или закон со
хранения импульса силы.
Закон сохранения вещества. В любом сечении гидравли ческого тракта за единицу времени протекает одинаковое коли
чество жидкости; или - в любом сечении гидравлического трак та расход жидкости одинаков. Различают три вида расходов: объемный, массовый и весовой, определяемые из выражений
|
|
Ч = s y , , |
щ = ро(, |
G, =уи,, |
где и,, |
тп |
Gi - объемный (м3/с), |
массовый (кг/с) и весо |
|
вой (н/с) расход жидкости; |
|
|
||
Vj, |
р, у - |
скорость течения, плотность и удельный вес жид |
||
кости; |
|
|
|
|
Si - сечение гидравлического тракта.
Любое выражение для определения расхода жидкости представляет математическую форму записи закона сохранения вещества.
Закон сохранения вещества справедлив по отношению к идеальной и реальной жидкости.
Закон сохранения механической энергии. Для идеальной несжимаемой, движущейся по гидравлическому тракту жидко сти сумма трех напоров - геометрического (или нивелирного), статического (или пьезометрического) и динамического (или скоростного) есть величина постоянная вдоль любой струйки
жидкости |
(и по тракту в |
целом). Этот |
закон |
записывается |
|
в форме уравнения Бернулли |
|
|
|
|
|
|
|
V2 |
Р |
V2 |
|
|
Я = Z, + ^ - + ^ - = z 2+ ^ -+ -^ -. |
|
|||
где Н - |
|
2g |
У |
2g |
|
напор. Следствием |
закона |
сохранения |
механической |
энергии является закон сохранения мощности потока: «мощ ность потока идеальной жидкости постоянна вдоль гидравличе ского тракта».
Закон сохранения количества движения. Приращение количества движения жидкости равно приращению импульса силы давления. Этот закон записывается в одной из следую щих форм:
dk =dJ-, L = S,{PX+pV]2)= S2(p2+pV22).
Вторая форма записи закона формулируется следующим образом: «сила давления идеальной жидкости, движущейся по
идеальному гидравлическому тракту, есть величина постоянная по длине тракта».
Вывод второй формы записи закона основан на использо вании первой и состоит в следующем:
1. d J^(P xSl -P 2S2)dt, где dt - бесконечно малый отрезок времени;
2. dk - dm2V2 - dmxVx, где dmi - mi dt.
Используя первый закон состояния, последнее выражение можно представить в виде
dk = (m2V2- m,K, )dt = p(s2V2- S tf) d t.
Приравнивая полученное выражение к первому, можно по лучить вторую форму записи третьего закона состояния. При получении этой формы записи предполагается, что Z] « Z2* 0.
5.2.3. Некоторые приложения законов состояния идеальной жидкости
Законы состояния идеальной жидкости являются основой проектирования гидравлических устройств и систем, в том чис ле гидравлических тормозных устройств в артиллерии. Ниже рассмотрим три известных случая их практического использо вания:
а) для определения теоретической скорости истечения; б) для определения давления в струе жидкости при ударе
о стенку; в) для определения силы гид
равлического сопротивления при вы давливании жидкости через малое от верстие.
Теоретическая скорость истече ния жидкости из сосуда через малое отверстие, расположенное на глубине Я от поверхности жидкости, при ус ловиях
Z, = Ни Z2 = 0, Р\ = Рг = 0, К, «0,
на основании второго закона состояния (уравнение Бернулли)
определяется уравнением V2 = *J2 g Н - уравнением Таричелли.
Схема определения скорости истечения представлена на рис. 5.5.
Давление в струе жидкости при ударе о стенку-при ус ловиях
P ,* V 2*0,
на основании второго закона состояния будет следующим:
Рг= \РУ*,
где V] - скорость жидкости в струе, определяемая, например, по уравнению Таричелли. Данное соотношение получено Бер нулли.
Сила гидравлического сопротивления при выдавливании поршнем идеальной жидкости из сосуда через малое отверстие может быть найдена из выражения
Ф = У Я,
где S], Н - сечение сосуда и некоторый условный геометриче ский напор, определяемый из уравнения Таричелли
Используя далее первый закон состояния в виде V\S\ = V2S2> получаем окончательно
Ф = - |
4 V,2, |
2g |
Si |
где S2, S\, V\ - сечение малого отверстия, сечение и скорость поршня. Последнее соотношение условно именуется форму лой Канэ.
5.3.Гидравлическое сопротивление
игидравлические потери
5.3.1.Реальная жидкость
Реальная жидкость, по сравнению с идеальной, характери зуется следующими признаками:
-является вязкой, т.е. обладает внешним трением (трением между струйками и о стенки гидравлического тракта);
-обладает внутренним трением (имеет место молекуляр ное сцепление между струйками жидкости);
-является сжимаемой;
-в ней имеют место перемешивание струек, их неодинако вое деформирование и неравномерность поля скоростей.
При рассмотрении реальной жидкости предполагается, что она движется по реальному гидравлическому тракту, т.е. тракту, имеющему неровности и шероховатости, а также резкие изме нения величины и формы сечения и направления движения.
5.3.2. Гидравлическое сопротивление
При движении жидкости (как реальной, так и идеальной) по гидравлическому тракту имеют место потери энергии (напо ра), которые связаны с гидравлическим сопротивлением как са мой жидкости, так и гидравлического тракта.
Гидравлическое сопротивление - это физическое свойство жидкости и гидравлического тракта, это количественная харак теристика гидравлических потерь. Различают два вида гидрав лических сопротивлений: путевые и местные. Путевое гидрав лическое сопротивление характеризует реальную жидкость и связано с преодолением сил вязкости и молекулярного сцеп ления. Его величина зависит от длины тракта и его состояния. Местное гидравлическое сопротивление характеризует как ре альную, так и идеальную жидкость и связано с преодолением резких изменений величины и формы сечения тракта и направ ления движения жидкости. Различают два типа местных сопро тивлений: специальные и побочные. Специальные гидравличе ские сопротивления служат для формирования требуемых зако нов изменения силы гидравлического сопротивления.
Известно несколько характерных видов местных сопротив лений: внезапное расширение; диффузор (коническое расшире ние); плавный диффузор (реактивное сопло); внезапное суже ние; конфузор (коническое сужение); плавный конфузор (сопло Ловаля); диафрагма (мембрана, или тонкая стенка с малым от верстием) и т.д.
Диафрагма отличается от внезапного сужения тем, что по сле сужения потока имеет место свободное (без ограничиваю щих стенок) движение струи (до удара о встречную преграду).
Специальные местные гидравлические сопротивления вы полняются, как правило, в виде диафрагм. Роль диафрагмы в гидравлических тормозных устройствах играет поршень.
Любое гидравлическое устройство - это система гидравли ческих сопротивлений, которые образуют параллельные и по следовательные группы, блоки и цепи.
Через эту систему сопротивлений, специальных и побоч ных, жидкость принудительно перегоняется из одной полости гидравлического устройства в другую, на что и тратится основ ная доля энергии движущихся деталей.
5.3.3.Гидравлические потери
Всоответствии с двумя типами сопротивлений имеют ме сто два типа гидравлических потерь: путевые и местные.
Путевые потери присущи только реальным жидкостям.
Они возникают вследствие |
внешнего и внутреннего трения |
в жидкости, шероховатостей |
и неровностей гидравлического |
тракта. Их величина зависит от характеристик рабочей жидко сти, длины гидравлического тракта и режимов течения жидко сти. Различают ламинарное (слоистое) и турбулентное (вихре вое) течение жидкости. Характеристикой течения жидкости яв ляется число Рейнольдса
Re = V d ?
V
где V, d, v - скорость течения жидкости, диаметр гидравличес кого тракта и кинематический коэффициент вязкости жидкости. Смена режима течения происходит при Re и 2300. При Re >
> 2300 течение жидкости турбулентное. В турбулентном потоке путевые потери снижаются, а местные увеличиваются. В гид равлических тормозных устройствах вследствие малой их дли ны и турбулентности потоков жидкости путевые потери энергии малы и в проектных расчетах не учитываются.
Местные потери присущи как реальной, так и идеальной жидкости. Их появление связано с преодолением местных со противлений. Величина потерь зависит от характеристик мест ного сопротивления и режима течения жидкости. В турбулент ном потоке местные потери увеличиваются.
Гидравлические потери (путевые и местные) принимают ся пропорциональными квадрату скорости течения жидкости в рассматриваемом сечении:
V2
h = £ • —----- формула Вейсбаха,
где h - коэффициент сопротивления и потерянный напор.
Коэффициенты местных сопротивлений рассмотренных типов определяются в основном экспериментально. Исключе ние составляет внезапное сужение, для которого существует вы ражение
1 |
г |
0 |
- формула Идельчика, |
|
2 |
1 |
п) |
||
|
где п = S\/S2 ~ степень сужения потока. При л, стремящейся к бесконечности, £, = 0,5.
Этот вид местного сопротивления приводит к максималь ным гидравлическим потерям. Следовательно, для всех видов местных сопротивлений можно принять
0 <£<0,5.
Последнее соотношение справедливо для нормальных тем пературных условий (при температуре жидкости +15 °С). При отклонении температуры от номинальной величина коэффици ента сопротивления изменяется по закону вида
т ,
где £, , К (0 |
~ |
коэффициент |
сопротивления |
при |
произвольной |
и нормальной температуре жидко сти и поправочный температурный коэффициент. Ориентировочные значения поправочного коэффици ента в зависимости от температуры жидкости представлены графически на рис. 5.6.
При проектировании и расчете артиллерийских гидравлических тормозных устройств влияние температуры жидкости необхо
димо обязательно учитывать.
5.3.4. Некоторые характеристики гидравлических потерь
К характеристикам гидравлических потерь относятся, в ча стности, коэффициент напора, коэффициент скорости истече ния, коэффициент сжатия струи, коэффициент расхода, коэффи циент силы гидравлического сопротивления.
Чтобы рассмотреть перечисленные коэффициенты, соста вим уравнение Бернулли для реальной жидкости. Это уравне ние, с учетом формулы Вейсбаха, имеет вид
H = Zx+%-
У
где V/ - коэффициент сопротивления и средняя скорость по тока в сечении (с учетом неравномерности поля скоростей).
Коэффициент напора есть отношение действительного динамического напора к теоретическому. Из уравнения Бернул ли для идеальной и реальной жидкости следует
Ку =< V * |
1 |
уУт> |
1+4’ |
где Kv - коэффициент напора; V, Ут- скорость течения реаль ной и идеальной жидкости в рассматриваемом сечении.
Коэффициент скорости истечения есть отношение дейст вительной скорости истечения к теоретической. Из уравнения Бернулли для реальной жидкости при
Zx = H \Px* P 2*Z 2*0
можно получить
F = cpV2^tf,
где (р - коэффициент скорости истечения, равный
V 1
ФЧ = л/Г^ -
Коэффициент сжатия струи есть отношение сечения струи после истечения через малое отверстие в тонкой стенке (диафрагма) к сечению отверстия
где 1S1, *So —сечение струи и сечение отверстия. Коэффициент сжатия струи зависит от степени скругления входных кромок отверстия. В зависимости от степени скругления кромок коэф фициент сжатия струи изменяется в диапазоне 1> е > 0,5,
при этом:
8 = 1 - для отверстия с полностью скругленными кромками;
е = 0,5 - для отверстия с острыми кромками.
Радиус полного скругления кромок определяется из соотношения г, =
= (V 2 -l) г0, где г0 - радиус отверстия.
Следовательно, для полного скругле ния кромок отверстия толщина стенки должна быть не менее г\. Схема полного скругления кромок показана на рис. 5.7.
Коэффициент расхода есть отношение действительного расхода к теоретическому. Учитывая, что