2805
.pdfМинистерство общего и профессионального образования Российской Федерации
Воронежский государственный технический университет
В.В. Бородкин, А.И. Болдырев, В.Б. Бочаров
Гидродинамика установившихся процессов в гидросистемах
Учебное пособие
(в электронном виде на магнитном носителе)
Воронеж 1998
2
УДК 621.9 - 05
В.В.Бородкин, А.И.Болдырев, В.Б.Бочаров. Гидродинамика установившихся процессов в гидросистемах: Учеб. пособие. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 1998. 174 с.
Учебное пособие «Гидродинамика установившихся процессов в гидросистемах» предназначено для студентов всех форм обучения по специальности 12.01.00 «Технология машиностроения», изучающих курс «Гидравлика, гидропневмопривод специальных технологических систем».
В настоящем учебном пособии изложены теоретические основы, примеры, задания и основные подходы к практическому решению специфических инженерных задач, связанных с функционированием различных агрегатов и систем гидропневмоприводов, а также гидродинамики специальных технологических процессов электрофизикохимической обработки, программное обеспечение к компьютерному моделированию на ПЭВМ и квалификвционные тестовые задания.
Илл. 48. Табл. 20. Прилож. 11. Библиогр. 16 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета.
Рукопись набрана в текстовом редакторе Word 97 и размещена в электронном виде на магнитном носителе в виде файла УП гидравлика.doc, 4.06 Мбайт, включая текст и внедренную графику.
Научный редактор – канд. техн. наук, профессор А.И. Болдырев.
Рецензенты: кафедра «Гидравлика, водоснабжение и водоотведе-
ние» Воронежской государственной архитектурностроительной академии канд. техн. наук Н.В. Сухоруков
Воронежский государственный технический университет
3
ВВЕДЕНИЕ
Настоящее учебное пособие предназначено для студентов фа-
культета автоматизации и роботизации машиностроения специаль-
ности 12.01.00 «Технология машиностроения» и ориентировано на оказание им помощи в изучении курсов «Гидравлика, гидропневмо-
привод специальных технологических систем» и «Гидравлика, гид-
ропневмопривод и гидропневмоавтоматика станочного оборудова-
ния».
Изучение теоретических курсов по упомянутым дисциплинам неразрывно связано с выполнением индивидуальной работы сту-
дентами под контролем преподавателя, выполнением лабораторных и курсовых работ (проектов), периодическим контролем уровня по-
лученных знаний, в связи с чем учебное пособие содержит четыре раздела, включая научно-техническую, учебную и справочную ли-
тературу.
В первой главе изложены теоретические основы, примеры, зада-
ния и основные подходы к практическому решению специфических инженерных задач, связанных с функционированием различных аг-
регатов и систем гидропневмоприводов, а также гидродинамики специальных технологических процессов электрохимической обра-
ботки.
Вторая глава содержит описание восьми лабораторных работ,
выполняемых студентами при изучении курсов. Для каждой лабора-
торной работы приведены основные теоретические положения,
описание экспериментальных установок и их компьютерных моде-
4
лей, необходимое программное обеспечение, порядок выполнения и отчетности.
Третья глава посвящена проблемам курсового проектирования и включает в себя порядок, структуру и общие требования к выполне-
нию курсовых работ и проектов, основные методики расчетов, ва-
рианты заданий и примеры выполнения.
В четвертой главе приведены квалификационные тестовые зада-
ния по изучаемым курсам, шаблоны правильных ответов на них и оценочная шкала усвоенных знаний.
Исходя из специфики лабораторной и производственной базы кафедры, расположенной на площадях Воронежского механическо-
го завода, специализации выпускников по электрохимическим и электрофизическим методам обработки и тематике работ базового предприятия настоящее учебное пособие должно восполнить про-
белы в методическом обеспечении данных учебных курсов и может быть полезным как студентам, так и преподавателям других техни-
ческих специальностей.
1. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Современные гидравлические и пневматические системы крайне разнообразны по принципу действия, назначению, конструкции устройств, составляющих систему, и по целому ряду других призна-
ков. По своему назначению их можно разделить на системы, кото-
рые используют при управлении различными механизмами, и сис-
темы, обеспечивающие рабочий процесс в этих объектах. Примера-
ми систем первого класса могут служить системы, с помощью кото-
рых осуществляется управление технологическим оборудованием,
5
приспособлениями и другими устройствами. Ко второму классу от-
носятся системы смазки, охлаждения и обеспечения рабочего про-
цесса при выполнении специальных технологических операций, на-
пример, при электрохимической обработке поверхностей деталей сложного профиля. Успешное изучение упомянутых гидравличе-
ских устройств невозможно без использования практики решения конкретных технических задач - процесса, развивающего самостоя-
тельное инженерное мышление и технический кругозор.
В настоящей главе рассмотрены три задания по индивидуальной работе студентов под контролем преподавателя. Первое задание со-
держит три задачи по расчету элементов (агрегатов) систем гидро-
пневмоавтоматики, второе - три задачи по расчету параметров дви-
жения рабочей жидкости в сложно профильных каналах и третье -
три задачи по расчету гидроприводов технологических систем.
Для выполнения первого задания необходимо изучить конструк-
цию и принцип действия направляющей и регулирующей гидравли-
ческой аппаратуры, режимы течения жидкостей в местных гидрав-
лических сопротивлениях и силы, действующие со стороны рабочих сред на элементы дроссельных регулирующих устройств. Второе задание требует знаний установившегося ламинарного движения жидкости в трубах различной формы поперечного сечения, плоских и кольцевых зазорах, а также закона жидкостного трения Ньютона.
Третье задание предполагает наличие знаний по расчету простых и сложных трубопроводов, рабочих характеристик насосов и их рабо-
ты на сеть.
1.1.Динамика рабочих сред в регулирующих устройствах
6
иэлементах систем гидропневмоавтоматики
Вцепях управления и в станциях питания гидро- и пневмосистем для регулирования потоков рабочих сред, т.е. поддержания или из-
менения в определенных пределах давлений и расходов, использу-
ются различные по принципу действия и конструктивному испол-
нению дроссельные устройства, к которым относятся золотниковые распределители, сопла-заслонки и клапаны. Золотниковые распре-
делители могут иметь различное число регулируемых дросселей,
создаваемых в виде щелей кромками буртов золотника и кромками окон во втулке. Другим видом дроссельных устройств являются со-
пла-заслонки, в которых дросселем с регулируемым проходным се-
чением служит сопло, прикрываемое заслонкой. При этом цепь управления сопла-заслонки обязательно содержит хотя бы один не-
регулируемый дроссель. Клапаны применяются в гидро- и пневмо-
системах как в качестве автоматически действующих регулирую-
щих устройств предохранительные клапаны, переливные клапаны,
редукционные клапаны), так и в качестве распределительных уст-
ройств, выполняющих те же функции, что и золотниковые распре-
делители.
Все виды дроссельных устройств с регулируемыми и нерегули-
руемыми проходными сечениями представляют собой местные гид-
равлические сопротивления, установившийся расход среды через которые определяется по известным из гидравлики формулам. Если рабочей средой служит жидкость, то
|
|
|
|
|
QДР |
ДР FДР 2рДР / , |
( 1.1 ) |
где QДР - объемный расход жидкости, протекающей через дроссель;
7
ДР - коэффициент расхода; FДР - площадь проходного сечения дроссельного устройства; рДР - перепад давления на дроссельном устройстве; - плотность жидкости.
Коэффициент расхода ДР , входящий в формулу (1.1), в общем случае зависит от формы проточной части дроссельного устройства и является функцией числа Рейнольдса, определяемого соотноше-
нием
Re = 4RV/ , |
( 1.2 ) |
где R - гидравлический радиус, равный отношению площади попе- |
|
речного сечения щели FДР к ее смоченному периметру ; |
- коэф- |
фициент кинематической вязкости жидкости; V - скорость жидко-
сти, которая при определении числа Рейнольдса может быть приня-
та V 2рДР / . При известной зависимости для коэффициента
расхода формула (1.1) позволяет рассчитать статические характери-
стики золотникового распределителя, сопла-заслонки или клапана.
Статической характеристикой перечисленных здесь устройств на-
зывается зависимость, связывающая между собой различные уста-
новившиеся значения либо двух, либо трех следующих величин:
расхода рабочей среды, перепада давления, перемещения подвиж-
ного элемента устройства.
Если в качестве рабочей среды в дроссельных регулирующих устройствах используется воздух или какой-либо другой газ, то в случае адиабатного течения совершенного газа объемный расход
QДР после дросселя вычисляют по формуле
8
|
|
|
рА |
1/k |
|
|
|
рВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
О |
|
|||
QДР |
ДР С* FДР |
|
f1 |
|
|
|
|
|
TА R, |
( 1.3 ) |
|||
рВ |
|
|
|
рА |
|||||||||
где ДР - коэффициент расхода, |
значения которого лежат обычно |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
между 0,8 и 1,0 ; С* |
k 2 / (k |
1) k |
1 |
|
; k – показатель адиабаты |
- площадь проходного сечения дросселя ; рА и ТОА - давле-
ние и температура газа до дросселя ; рВ - давление газа после дрос-
селя ; R - газовая постоянная ; f1 (рВ /рА ) - функция, график которой показан на рис.1.
Элементы (золотники, затворы клапанов, заслонки) дроссельных регулируемых устройств могут быть нагружены силами трения, си-
лами давления и силами, приложенными со стороны других уст-
ройств.
Силы трения подразделяют на силы сухого и жидкостного тре-
ния. Силы сухого трения возникают из-за неравномерного распре-
деления давления в зазорах, действия составляющих от усилий пружин или каких-либо устройств, управляющих подвижным эле-
ментом. Наличие малых зазоров может способствовать возникнове-
нию сил трения покоя из-за облитерации (заращивания) зазоров.
При создании регулирующих устройств силы сухого трения пре-
9
дельно уменьшают за счет высокой точности изготовления деталей,
применения различных способов специальной обработки поверхно-
стей пар трения, выполнения канавок, выравнивающих давления в зазорах, принудительным вращением пар трения или созданием вибраций и т.п. Силы жидкостного трения характеризуются каса-
тельными напряжениями, возникающими в рабочей среде на по-
верхностях элементов регулирующих устройств и могут быть опре-
делены с помощью закона вязкого трения Ньютона.
Силы давления рабочей среды направлены по нормалям к по-
верхностям элементов регулирующих устройств. Эти силы подраз-
деляются на гидростатические и гидродинамические. Первые из
них вызываются действием давления на неподвижные элементы при покоящейся или движущейся с пренебрежимо малыми скоростями рабочей среды, вторые обусловлены действием давления при дви-
жении рабочей среды или при движении элемента в этой среде. Для геометрических параметров реальных регулирующих устройств ве-
личина гидродинамических сил близка к величине гидростатиче-
ской силы. Так, например, для устройства типа сопло-заслонка с острыми кромками сопла величина гидродинамической силы, воз-
действующей на заслонку, будет составлять
РГД (1,03. . .1,06)РГСТ , где РГСТ - гидростатическая сила. Кроме того, для повышения устойчивости к автоколебаниям элементов ре-
гулирующих устройств применяют различные способы уменьшения гидродинамических сил, например, компенсации, при котором зо-
лотнику и втулке придают форму, обеспечивающую встречное на-
правление действия гидродинамических сил на золотник при обте-
кании двух его буртов рабочей средой. Поэтому при решении задач,
10
включенных в задание №1, в качестве основных сил при составлении уравнений равновесия подвижных элементов устройств рекомендуется использовать только гидростатические силы.
Методика решения задач данного раздела сводится к совместному анализу уравнений (1.1) или (1.3) с уравнениями равновесия подвижных элементов различных типов регулирующих устройств.
Задача 1.1.
Ограничитель расхода жидкости, конструктивная схема которого приведена на рис.2, служит для автоматического поддержания постоянного расхода в системе при постоянном входном давлении
Р0 и переменном противодавлении Р1 , состоит из подвижного поршня 1
диаметром D, имеющего отверстие d и нагруженного пружиной 2. При изменении противодавления Р1 поршень 1 перемещается, изменяя открытие b окон в корпусе 3 таким образом, что расход жидкости через ограничитель остается постоянным. Считая усилие пружины R постоянным, определить для входного давления жидкости, равного Ро :