Гидравлика.
Конспект лекций
Министерство образования РФ
Южно-Российский государственный технический университет
(Новочеркасский политехнический институт)
Кафедра гидропневмоавтоматики и гидропривода
________________________________________________________________
Конспект лекций
по курсу "Гидравлика"
для специальности 1701-
"Горные машины и оборудование"
Новочеркасск 2003
Составитель: к.т.н. И.Н. Сысоева.
Цель издания: Конспект лекций предназначен для обучения студентов в соответствии с государственным образовательным стандартом, учебным и рабочими планами для специальности «Горные машины и оборудование» и в помощь для подготовки обучаемых к текущему и итоговому контролям знаний.
Дисциплина: "Гидравлика" (ОПД.Ф.02.03).
Предназначены для студентов специальности1701.
Курс: 3
Форма обучения: дневная
Тираж: 5 экз.
Объем: 64 стр.
Обсуждено на заседании кафедры
“___“ ___________ 2003г. Протокол №___
(дата)
Заведующий кафедрой ГПАиГП __________________ Анисимов А.В.
(подпись)
Лекция №1
Введение в гидравлику
Гидравлика – это наука, занимающаяся изучением различных закономерностей, проявляющихся в жидкостях, движущихся или находящихся в состоянии покоя.
Целью изучения данной дисциплины является использование этих законов в инженерных задачах горного машиностроения.
Для знания изучаемой дисциплины в соответствии с рисунком 1 необходимы знания высшей математики (дифференцирование, интегрирование), физики (основы классической механики, свойства жидкостей, гидростатическое давление), теоретической механики (определение моментов сил, неравномерно распределенная нагрузка).
Знания гидравлики требуются в освоении последующих дисциплин:
Гидропривод горных машин;
Стационарные машины;
Проектирование и конструирование горных машин и оборудования.
Рисунок 1 – Связь гидравлики с предыдущими и последующими дисциплинами.
Значительное место в разработке и внедрении горных машин занимают механизированные комплексы.
В созданных и конструируемых горных машинах и агрегатах, особенно автоматизированных, широко применяют гидравлические системы, гидравлические приводы, основными отличительными особенностями которых являются: развиваемые большие усилия и мощности при малых габаритах, податливость, простота и тонкость регулирования, защита от перегрузок, высокая надежность. Получает дальнейшее развитие гидромеханизация, при которой выемка угля и проходка горных выработок осуществляются гидромониторами и комбайнами, а транспортировка и подъем горной массы - гидротранспортом.
Где же в горном деле нашло место применение гидравлики?
Механизированные крепи – это гидромеханические устройства, предназначенные для поддержания сводов подземных выработок для предотвращения обрушения окружающих пород и сохранения необходимых размеров поперечных сечений выработок.
Для добычи угля и слабых горных пород является целесообразным применение гидромеханического способа. Использование гидромеханического исполнительного органа на горных машинах позволяет:
повысить энерговооруженность выемочных машин без увеличения массы и габаритов, увеличение скорости их подачи более, чем 1,5 – 1,8 раза (в отдельных случаях в 2 – 2,5 раза) и усилия перекатывания на дисковых шарошках в 1,5 – 2 раза.
снижение запыленности атмосферы забоя до уровней, не превышающих предельно-допустимых концентраций.
улучшение сортности добываемого угля.
увеличение срока службы режущего инструмента.
Гидромеханические исполнительные органы в зависимости от давления струи воды, подаваемой к разрушаемому массиву условно разделяется на три группы: низкого давления (до 4 МПа), среднего давления (от 4 до 50 МПа) и высокого давления (от 50 МПа и выше (300 – 400)).
С помощью пневмоэнергии добывается значительная часть угля и руд. Пневмопривод применяется для отбойных молотков, приводимых в действие сжатым воздухом (до 5 – 6 атм (кг/см2), подаваемого от компрессорных станций.
Горные инженеры обязаны обеспечить эффективную эксплуатацию и дальнейшее совершенствование сложных гидравлических систем и гидропневмоприводов горных машин и комбайнов, вентиляционных и дегазационных устройств шахт, рудничных вентиляторных и водоотливных установок, оборудования при гидромеханизации горных работ и, следовательно, должны обладать глубокими знаниями в области гидравлики и гидропривода.
Гидравлика является научной основой при изучении: гидросистем, гидроприводов горных машин и комплексов; насосных, вентиляторных и компрессорных установок; рудничной аэрологии, вентиляции и дегазации шахт; обогащения полезных ископаемых; гидромеханизации горных работ, гидрогеологии.
Гидропривод и пневмопривод представляют собой комплексы, предназначенные для приведения в движение машин и механизмов с помощью гидравлической и пневматической энергии.
Первые фактические знания по гидравлике и опыт практического применения их были еще у древних народов Египта, Китая, Ассирии, Греции и др. Об этом свидетельствует строительство водоподъемных колес, кораблей, каналов, плотин, акведуков для водоснабжения и т. п. Одним из первых трудов (250 г. до н. э.), относящихся к гидравлике, является трактат «О плавающих телах» (закон Архимеда).
Последующие научные работы по гидравлике появились лишь в XVI и XVII веках. Наиболее крупные из них: Леонардо да Винчи (1452 - 1519) - в области плавания тел, движения жидкости по трубам и открытым руслам; С. Стевина (1548 - 1620) - законы давления жидкости на дно и стенки сосуда; Г. Галилея (1564 - 1642) - в области равновесия и движения тел в жидкости; Э. Торичелли (1608 - 1647) - по истечению жидкости через отверстия; Б. Паскаля (1623 - 1662) - о передаче давления жидкости (закон Паскаля); И. Ньютона (1642 - 1727) - о внутреннем трении в жидкости (закон Ньютона) и сопротивлении тел при движении в жидкости.
Гидромеханика (гидравлика) как наука сформировалась в XVIII веке в Российской академии наук работами Д. Бернулли (1700 - 1782), Л. Эйлера (1707 - 1783) и М. В. Ломоносова (1711 - 1765). М. В. Ломоносов открыл закон сохранения вещества в движении, который является физической основой уравнений движения жидкости. В своих работах «О вольном движении воздуха, в рудниках примеченном», «Попытка теории упругой силы воздуха», а также разработкой и изготовлением приборов для измерения скорости и направления ветра М. В. Ломоносов заложил основы гидравлики как прикладной науки. Л. Эйлер составил известные дифференциальные уравнения относительного равновесия и движения жидкости (уравнения Эйлера), а также предложил способы описания движения жидкости. Д. Бернулли получил уравнение запаса удельной энергии в невязкой жидкости при установившемся движении (уравнение Бернулли), являющееся основным в гидравлике.
Значительное развитие гидравлика как прикладная наука получила в XVIII и XIX веках в работах многих ученых и инженеров европейских стран: изобретение Пито прибора для измерения скорости (трубка Пито); установление Шези зависимости для определения потерь напора в каналах и трубах (формула Шези), экспериментальные работы Базена, Маннинга, Гангилье, Куттера по определению параметров, входящих в формулу потерь напора; составление эмпирических и полуэмпирических формул для определения гидравлических сопротивлений (Пуазейль, Дарси, Вейсбах, Буссинек); исследование вопросов истечения жидкости через отверстия и водосливы (Базен, Борда, Вейсбах). Важное значение для развития гидравлики имело открытие О. Рейнольдсом (1842 - 1912) двух режимов движения жидкости и установление принципов и критериев гидродинамического подобия (числа Рейнольдса, Фруда и др.).
В конце XIX и начале XX века существенный вклад в развитие гидравлики внесли русские ученые и инженеры: Н. П. Петров (1836 - 1920) разработал гидродинамическую теорию смазки и теоретически обосновал гипотезу Ньютона; Н.Е. Жуковский (1849 - 1921) создал теорию гидравлического удара, теорию крыла и исследовал многие другие вопросы механики жидкости, он же явился основателем известного всему миру Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ), носящего его имя; Д.И. Менделеев (1834 - 1907) опубликовал в 1880 г. работу «О сопротивлении жидкостей и о воздухоплавании», в которой были высказаны важные положения о механизме сопротивления движению тела в жидкости и даны основные представления о пограничном слое. Теория пограничного слоя, являющаяся одной из основополагающей при изучении турбулентных потоков в трубах и обтекании тела жидкостью, в XX веке получила большое развитие в трудах многих ученых (Л. Прандтль, Л.Г. Лойцянский).
Хотя отдельные элементы гидропневмоприводов (насосов, гидро- и пневмодвигателей и др.) применялись еще до нашей эры, однако использование гидропневмопривода в современном понятии (как комплекса устройств) началось сравнительно недавно. Известно, что в 1888 г. инженеры Русского металлического завода впервые применили гидропривод для наводки дальнобойных орудий на военных кораблях. Начиная с 1907 г., в морском флоте стали применяться гидродинамические передачи (гидротрансформаторы и гидромуфты).
Начало использования гидропривода в отечественных горных машинах относится к 1933 - 1937 гг. Первыми гидрофицированными машинами для шахт были врубовая машина КС (авторы В.В. Кисин и А.К. Сердюк) и угольный комбайн С-5 конструкции инженера А.К. Сердюка. С 1950 г. начинается все возрастающее применение гидропривода в горных машинах, механизированных крепях и системах автоматики технологических процессов угольных и рудных шахт.
За годы Советской власти в СССР создана обширная сеть гидравлических и аэродинамических институтов и лабораторий (ЦАГИ, ВНИИгидромаш, ВНИИводгео и др.), оснащенных совершенным оборудованием и точными приборами.
Исаак Ньютон (1643 - 1727) - великий английский физик и математик. В области механики жидкости сформулировал закон вязкости или внутреннего трения, открыл явление сжатия струи при истечении через отверстие, исследовал относительное равновесие жидкости, приливно-отливные явления.
Жан Лук Мари Пуазейль (1799 - 1869) - французский врач и физик. Установил эмпирическую зависимость коэффициента вязкости воды от температуры, а также опытным путем открыл закон ламинарного (слоистого) течения в круглой трубе.
Жозеф Луи Лагранж (1736 - 1813) - выдающийся французский математик и механик, член Парижской академии наук. Автор фундаментальных исследований по многим разделам математики. Основоположник аналитической механики.
Леонард Эйлер (1707 - 1783) - один из крупнейших математиков мира. Швейцарец по происхождению, он длительное время жил и работал в Петербурге (1727 - 1741) и с 1766 г. до конца жизни являлся действительным членом Петербургской академии наук. Помимо выдающихся математических работ Л. Эйлер опубликовал ряд основополагающих результатов по гидромеханике. В том числе дифференциальные уравнения равновесия и движения невязкой жидкости.
Огюстен Луи де Коши (1789 - 1857) - французский математик. Инженер по образованию, он был автором многих фундаментальных исследований по разным разделам математики и механики (теория пределов, функции комплексного переменного, движение жидкостей и др.).
Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821 - 1894) - немецкий физик, математик, физиолог и психолог, выполнил ряд выдающихся исследований по физике, механике и физиологии. Создал основы теории струйных и вихревых движений.
Джорж Габриель Стокс (1819 - 1903) - выдающийся английский физик и математик, автор ряда исследований по математике и гидродинамике. Дал вывод уравнений движения вязкой жидкости, исследовал закон медленного движения шара в жидкости и волны на поверхности жидкости. Получил ряд важных математических результатов.
Блез Паскаль (1623 - 1662) - выдающийся французский математик, физик и философ. Кроме ряда математических работ написал «Трактат о равновесии жидкостей», в котором решил некоторые задачи гидростатики, в частности сформулировал принцип действия гидравлического пресса.
Архимед (287 - 212 до н.э.) - древнегреческий ученый, математик и механик. Оставил после себя многочисленные труды по вопросам математики, механики, гидростатики. Наиболее известны законы рычага, способы вычисления длин кривых, законы гидростатики.
Луи Мари Анри Навье (1785 - 1836) - видный французский инженер и механик, профессор Школы мостов и дорог, а затем Политехнической школы в Париже, член французской академии наук. Первым вывел (в 1824 г.) уравнения движения вязкой жидкости.
Громека Ипполит Степанович (1851 – 1889) - русский физик, профессор Казанского университета, автор многих исследований по гидромеханике (теория винтовых потоков; неустановившееся движение вязкой жидкости в трубах, распространение ударных волн в жидкостях и др.).
Даниил Бернулли (1700 - 1782) - выдающийся математик и физик. Жил в Петербурге с 1725 по 1733 г., член Парижской академии наук. Занимался многими вопросами механики жидкостей и газов. В частности, получил уравнение установившегося движения несжимаемой жидкости.
Осборн Рейнольдс (1842 – 1912) - выдающийся; английский физик и инженер, профессор университета в Манчестере, член Лондонского королевского общества. Получил важнейшие результаты в областях изучения кавитации, смены режимов течения, турбулентности, гидродинамической теории смазки.
Жозеф Валантен Буссинекс (1842 - 1929) - французский ученый, механик, доктор и профессор Парижского университета, член Парижской академии наук. Изучал турбулентные течения, волны в открытых руслах, гидравлический прыжок, гидравлические сопротивления, фильтрацию. Внес значительный вклад в развитие прикладной гидромеханики.
Людвиг Прандтль (1875 - 1953) - немецкий ученый в области механики, один из основателей экспериментальной аэродинамики. Наиболее значительные результаты получил в области течений вязких жидкостей и газов. Создал полуэмпирическую теорию турбулентности, нашедшую широкое применение, получил фундаментальные результаты в теории пограничного слоя, проявив при этом уникальную физическую интуицию и глубокое понимание сущности явлений. В Геттингенском университете создал школу гидроаэродинамики, которая известна крупными научными достижениями.
Теодор Карман (1881 – 1963) - выдающийся ученый в области механики. Т. Карману принадлежит ряд исследований по вопросам пограничного слоя, гидравлических сопротивлений, вихревых движений, газогидравлической аналогии и др.
Джефри Инграм Тейлор (1886 - 1975) - английский ученый в области механики, член Лондонского королевского общества. Внес фундаментальный вклад в теорию турбулентности: развил теорию устойчивости течений вязкой жидкости, теорию турбулентной диффузии, создал полуэмпирическую теорию турбулентности.
Колмогоров Андрей Николаевич (род. 1903) - академик, выдающийся советский математик. Автор фундаментальных исследований по теории вероятностей, теории функций, типологии, математической логике. Выдвинул ряд плодотворных идей в статистической теории турбулентности.
Уильям Томсон, лорд Кельвин (1824 - 1907) - выдающийся английский физик. Автор важных работ в области электродинамики, гидродинамики и математики. Доказал фундаментальную теорему теории вихревых движений.
Жан Шарль Борда (1733 – 1799) - французский физик, геодезист. Автор ряда исследований по гидродинамике, обобщенных в работе «Опыт по сопротивлению жидкостей», В 1766 г. вывел формулу для потерь при внезапном расширении, названную его именем.
Эванджелиста Торричелли (1608 - 1647) - выдающийся итальянский физик и математик, изобретатель ртутного барометра. Установил пропорциональность скорости истечения корню квадратному из напора.
Николай Егорович Жуковский (1847 – 1921) - великий русский ученый в области механики, основоположник современной гидроаэродинамики. С 1879 г. - профессор Московского высшего технического училища, а с 1886 г. – профессор Московского университета; а с 1894 г. - член-корреспондент Петербургской академии наук. Н. Е. Жуковский выполнил ряд фундаментальных исследований по разнообразным разделам механики жидкости и газа. Им впервые выведены дифференциальные уравнения гидравлического удара в трубах с учетом упругости жидкости и стенок трубы, а также получены их общие решения. Использование этих решений позволило разрешить ряд практических задач, связанных с гидроударом в водопроводных трубах.
Из других выдающихся работ Н. Е. Жуковский получили всемирное признание и распространение видоизменение метода Кирхгофа для решения задач струйного обтекания тел, гидродинамическая теория фильтрации, решение задач гидродинамической теории смазки, теорема о подъемной силе и теория присоединенных вихрей, гидродинамическая теория гребного винта, теория решеток и ряд других исследований.
Работы Н. Е. Жуковского отличаются сочетанием строгой теории, ясного физического толкования результатов и практических выводов.
Жан Лерон Даламбер (1717 - 1783) - выдающийся французский математик, механик и философ. Сформулировал один из фундаментальных принципов механики, выполнил исследования по гидромеханике.
Сергей Алексеевич Чаплыгин (1869 – 1942) - выдающийся советский гидроаэромеханик, академик, Герой Социалистического Труда. С 1921 г. научный руководитель ЦАГИ. Автор фундаментальных работ о течениях газа с околозвуковыми скоростями, о газовых струях, о силах, действующих на обтекаемые тела, по внутренней баллистике и другим разделам гидродинамики.
Густав Роберт Кирхгоф (1824 - 1887) - один из крупнейших физиков XIX в., член Берлинской академии наук, руководитель кафедры математической физики Берлинского университета. Известен как автор ряда фундаментальных работ в области электро- и гидродинамики. В частности, развил идеи Гельмгольца в области теории струйных течений.
Николай Павлович Петров (1836 - 1920) - выдающийся русский инженер и ученый, почетный член Петербургской академии наук, выполнял ряд исследований по гидродинамике вязких жидкостей, вискозиметрии, создал основы гидродинамической теории смазки.
Леонид Самуилович Лейбензон (1879 - 1951) – академик, видный советский механик; автор ряда крупных работ по гидродинамике, теории упругости, геофизике.
Николай Евграфович Кочин (1901 - 1944) - советский математик и механик, академик. Автор крупных работ по гидроаэромеханике, математике и геофизике.
Адемар Жан-Клод Барре де Сен-Венан (1797 - 1886) - выдающийся французский ученый в области механики и инженер, член Парижской академии наук. Работы Сен-Венана по гидромеханике посвящены сопротивлениям течению в трубах и каналах, гравитационным волнам, установившемуся и неустановившемуся движениям в открытых руслах, истечениям газов, общим уравнениям вязкой жидкости.