Гидроавтоматика

Лекция 1

Существенное место в САУ занимают исполнительные механизмы, называемые гидроприводом. Под объемным гидроприводом в общем случае понимается гидросистема, в состав которой входят объемный гидродвигатель. ОГП(объемный гидропривод) состоит из устройств конструктивно оформленных в одном общем блоке. Понятие гидропривод тождественно понятию гидросистемы – это устройство, передающее энергию с помощью жидкости под давлением. Гидросистемы обязательно имеют один или несколько насосов, а так же один или несколько двигателей. Кроме насосов и двигателей в гидросистему входят гидроаппаратура. Это устройства, предназначенные для изменения параметров потока рабочей жидкости, или для поддержания их на заданном уровне.

Регулируемыми параметрами обычно бывают

- Давление

- Расход

- Направление движения

Давление в жидкости в гидросистемах, напрямую связанная с передаваемой мощностью. Ввиду этого происходит постоянное превышение рабочих давлений. В современных системах рабочее давление составляют в среднем величину 200-300 атм. Могут доходить до 700 атм. Если в гидравлике под термином «жидкость» подразумевается как капельные жидкости, так и газы, то в гидроавтоматике(ГиА) все системы разделяются на гидросистемы и пневмосистемы, ввиду резкого различия характеристик рабочего тела.

«Рабочие жидкости гидросистем»

В качестве рабочего тела в гидросистемах в основном применяются различные виды минеральных масел. Они могут быть созданы на основе органических и кремнийорганических соединений. Иногда эти масла загущаются вязкими компонентами загустителями типа парафинов. РЖ(рабочая жидкость) является элементом гидросистемы и одновременно смазывающей и анти-коррозионной средой.

Основной характеристикой рабочей жидкости является ее плотность, сжимаемость, химическая и физическая стабильность, агрессивность по отношению к резиновым уплотнениям а так же смазывающая способность. Плотность РЖ меняется в диапазоне от 830 до 940 кг/м^3.

Плотность имеет большое значение для динамических расчетов гидромеханизмов, и расчетов потерь в гидросопротивлениях, т.к. ухудшение гидравлических характеристик и повышение потерь происходит в основном из-за ускорения жидкости. От плотности зависит так же давление гидроудара, который может иметь место в гидросистемах. Для применяемых РЖ в диапазоне давлений от 0 до 200 атм. Коэффициент температурного расширения можно принять равным 0,08% при изменении температуры на 1 градус.

Стабильность рабочего тела

Для работы гидросистем требуется, что бы жидкость в рабочих условиях применения и хранения не изменяла своих первоначальных физических и химических свойств. Стабильность жидкости условно понимается как физическая и химическая.

Физическая стабильность – это способность жидкости сохранять свое физическое состояние, которое в гидросистемах в основном может нарушаться из-за «смятия» жидкости при высоких давлениях, и особенно при дросселировании с большой скоростью. Вследствие чего нарушается молекулярное строение жидкости, из-за чего понижается ее вязкость и смазывающие свойства. Ухудшение характеристик объясняется тем, что минеральные масла имеют длинные молекулы, которые могут разрушаться или размалываться под действием высоких давлений, особенно при продавливании жидкости через малые зазоры.

На практике допускается снижение вязкости жидкости на 20% от ее первоначального состояния.

Под химической стабильностью понимается постоянство химического состава жидкости, и строение ее компонентов. Основной причиной химической нестабильности является окисление жидкости, вследствие чего из минеральных масел может выпадать осадок в виде смол, что так же снижает вязкость жидкости. Интенсивность окисления зависит от температуры, а так же от величины поверхности контакта жидкости с воздухом. При повышении температуры на 8-10 градусов Цельсия, интенсивность окисления масла удваивается.

Растворимость газов в жидкостях.

Все жидкости обладают способностью растворять газы. В растворенном состоянии эти газы не оказывают существенного влияния на работу гидросистемы. Растворимость газа понижается с уменьшением давления. Поэтому если в какой-то точке жидкости давление существенно понижается, происходит выделение газов в виде пузырьков, которые ухудшают механические свойства жидкости, а так же окисляют жидкость. Опыты показывают что относительный объем растворенного газа пропорционален давлению. Величина растворимости газа характеризуется коэффициентом растворимости:

K=(Vг/Vж)*(p1/p2)

Где Vг и Vж – объемы растворенного газа и жидкости соответственно,

P1 и p2 – начальное и конечное давление газа, находящегося в контакте с жидкостью.

Для минеральных масел k=0,1

Теплопроводность и удельная теплоемкость жидкости.

При работе гидросистем выделяется тепло, которое уносится рабочей жидкостью. Поэтому, желательно, что бы жидкость имела высокую теплоемкость и теплопроводность. Для большинства нефтепродуктов теплопроводность имеет значение порядка 0,0004 Вт/см*с*градус цельсия.

По этому показателю минеральные масла на порядок хуже, чем вода.

Кавитация жидкости.

Кавитацией называется явление выделения паров жидкости при снижении давления. Для возникновения кавитации необходимо, что бы давление в жидкости снизилось ниже давления ее насыщенных паров при данной температуре. Само по себе выделение пузырьков пара в жидкости не опасно. Однако если давление в жидкости повышается, то пузырьки пара схлопываются в огромной силой, что вызывает разрушение конструкции каналов, по которым течет жидкость. В гидросистемах разрушению подвергаются насосы, золотники, клапаны, и т.д. В насосах кроме разрушения конструкции при кавитации происходит так же уменьшение их подачи.

Лекция 2.

Насосы

Насосом называется машина, предназначенная для перемещения жидкости и передачи ей механической энергии, подведенной насосом. Как известно из гидравлики удельная механическая энергия жидкости описывается уравнением Бернулли (1).

По принципу действия, то есть физической сущности передачи энергии различают три основных класса насосов:

1. Лопастные(насосы обтекания). В них энергия жидкости передается в процессе обтекания лопастей колеса и их силового воздействия на поток.

2. Вихревые(насосы увлечения). В них преобразование энергии происходит в процессе интенсивного образования и разрушения вихрей, при увлечении быстродвижущимися частицами в ячейках колеса относительно медленно движущегося потока.

3. Объемные(насосы вытеснения). Передают энергию путем вытеснения жидкости из замкнутой рабочей камеры в напорный трубопровод. Например поршневой.

Основные технические данные насосов выражают основными характерными параметрами:

1. Подача или расход насоса. Q [м³/с] – объемная подача, G [кг/с] – массовая подача.

2. Напор, создаваемый насосом. Равен разности полных напоров на выходе и на входе в насосе между точками 2 и 1. Измеряется в метрах. Часто вместо напора используют давление. Знак «-» пишут в тех случаях, когда на входе имеется избыточное давление, когда насос работает с подпором. Однако очень часто на входе в насос имеется вакуум, в этом случае вакуумметрическое давление на входе складывается с давлением на выходе.

3. Число оборотов «n» [об/мин]. Если насос поступательного движения, то «n» – число рабочих ходов у поршня (мембраны).

4. Мощность.

N – мощность, потребляемая насосом, для насосов вращательного движения определяется по формуле , где M – момент на валу насоса, а – угловая скорость рабочего колеса. Если же насос поступательного движения, то мощность определяется по формуле , где P - усилие, – скорость.

P – полезная мощность, равная P – давление, создаваемое насосом, Q – расход насоса(подача).

η - КПД.

Уменьшение мощности происходит вследствие следующих причин:

1. Механического трения в подшипниках и уплотнениях насоса, которое оценивается механическим КПД (2).

2. Гидравлических потерь, то есть трения частиц жидкости друг о друга, и различных завихрений в источниках местных сопротивлений.

3. Объемные потери. Они объясняются утечками.

Полный КПД является произведением всех КПД.