Гидравлика

Различие в скоростях движения приводит к тому, что происходит проскальзывание соседних слоев и возникновение касательных напряжений.

Физический смысл коэффициента динамической вязкости можно понять, приняв du/dy =1. Тогда из уравнения. Таким образом, коэффициент динамической вязкости можно рассматривать как напряжение внутреннего трения при градиенте скорости, равном единице.

Текучесть жидкостей характеризуется величиной, обратной коэффициенту динамической вязкости.

Рис 1.Распределение скоростей при течении вязкой жидкости вдоль стенки.

Из закона трения, описываемого уравнением, видно, что напряжение трения может возникать только в движущейся жидкости при наличии скоростной деформации. В покоящейся жидкости скоростная деформация равна нулю; следовательно, касательные напряжения также равны нулю. Жидкости, для которых приемлема зависимость  получили  название нормальных или ньютоновских.

Однако существуют жидкости, для которых зависимость    неприемлема. К ним относятся нефть и некоторые нефтепродукты, битумные и полимерные материалы, смазочные масла при низких температурах, расплавленные металлы при температурах, близких к температуре кристаллизации, различного рода суспензии и коллоидные растворы (например, зубная паста). Такие жидкости называют аномальными или неньютоновскими. Они отличаются от нормальных (ньютоновских) наличием сил трения даже в состоянии покоя, что препятствует переходу жидкостей в движение до определенного напряженного состояния. Их движение начинается только после преодоления некоторого предельного значения касательного напряжения то, которое не зависит от градиента скорости по нормалям.

Особенность движения аномальных жидкостей была выявлена русским ученым Ф. Н. Шведовым еще в 1889 г., а затем исследована и описана американским ученым Бингемом в 1916 г. Поэтому их иногда называют бингемовскими или шведовскими.

Вязкость капельных жидкостей в значительной степени зависит от температуры. Например, с повышением температуры вязкость капельной жидкости уменьшается, а воздуха увеличивается. Это объясняется тем, что в жидкостях молекулы расположены значительно ближе друг к другу, чем в газах. Так как вязкость обусловлена силами межмолекулярного сцепления, а эти силы с увеличением температуры жидкости уменьшаются, то и вязкость ее уменьшается. В то же время в газах молекулы движутся беспорядочно, а с ростом температуры беспорядочность теплового движения молекул возрастает, что вызывает увеличение вязкости.

Для таких жидкостей, как бензин, керосин, спирт, молоко и другие, характерны низкие значения вязкости, в то время как вязкость патоки, мазута, глицерина и других довольно значительна.

Вязкость играет существенную роль при перекачивании жидкости по трубам, при опорожнении резервуаров, при работе различных машин и механизмов. Особенно важна зависимость вязкости смазочных масел от температуры. Например, значительное снижение вязкости автомобильных масел при повышении температуры может сделать их слишком жидкотекучими. В результате ухудшаются их рабочие характеристики, что вызывает преждевременный износ двигателя. В связи с этим применяют специальные добавки, стабилизующие вязкость масел.

В гидравлике создана модель абстрактной, не существующей в природе жидкости, которая называется идеальной жидкостью. Для идеальной жидкости характерны следующие допущения:

абсолютная несжимаемость, т. е. неизменяемость объема под действием внешних сил и температуры;

полное отсутствие вязкости, т. е. исключение возможности возникновения сил внутреннего трения.

Реальная жидкость отличается от идеальной, прежде всего тем, что при ее движении возникают касательные напряжения (внутреннее трение). В покоящейся жидкости касательные напряжения всегда отсутствуют, и потому в гидростатике нет необходимости различать реальную и идеальную жидкости.

Использование модели идеальной жидкости позволяет проводить исследования движущихся жидкостей с применением современного математического аппарата. Чтобы перейти от идеальных жидкостей к реальным, необходимо либо учесть напряжения и деформации, которые возникают в реальных жидкостях, либо ввести дополнительные коэффициенты, полученные для реальных жидкостей экспериментальным путем.

В гидравлике принято еще одно допущение. Жидкость рассматривается как непрерывная, сплошная среда, заполняющая пространство без пустот и промежутков, которую называют континуум (от латинского слова continuum — непрерывное). Исходя из этого, считают, что и физические характеристики, определяющие состояние и движение жидкости, распределяются и изменяются в занятом ею объеме непрерывно.

3. Гидравлические машины, гидроприводы.

Гидравлические машины предназначены для перемещения жидкостей, преобразования энергии потока жидкости в механическую энергию, а также передачи механической энергии от машины-двигателя к машине-орудию или преобразования различных видов движений и скоростей посредством жидкости. Соответственно гидравлические машины подразделяются на три основных класса: насосы, гидродвигатели и гидропривод. Они различаются по своим энергетическим и конструктивным признакам, но общим для них является то, что в качестве рабочего тела используется жидкость.

Наиболее многочисленный класс гидравлических машин составляют насосы. Всего насчитывается около 130 наименований насосов различных видов. Государственный стандарт определяет насос как машину для создания потока жидкой среды. Этот поток создается в результате силового воздействия вытеснителя на жидкость в рабочей камере насоса. По характеру силового воздействия насосы разделяют на динамические и объемные. К динамическим насосам относятся лопастные, центробежные, осевые, вихревые, струйные, к объемным — поршневые и плунжерные, диафрагменные, крыльчатые, роторные и др.

Гидравлические двигатели, как и насосы, подразделяются на машины динамического и объемного действия. К ним относятся гидравлические турбины, водяные колеса, гидроцилиндры и роторные гидромоторы. Гидродвигатели находят широкое применение в различных областях техники: в гидроэнергетике (гидравлические турбины, которые вырабатывают в стране около 20% электроэнергии) , в нефтедобыче и горном деле (буровые установки, снабженные турбобурами), на транспорте (гидроцилиндры и гидромоторы) и т. д.

Гидропривод состоит из трех основных элементов: гидропередачи, устройства управления и обслуживающего устройства. Силовой частью гидропривода является гидропередача, состоящая из насоса и гидродвигателя. Следовательно, гидропередачи также делятся на два вида: динамические и объемные. К динамическим относятся гидродинамические муфты и гидродинамические трансформаторы, а к объемным — различные комбинации объемных

насосов и гидродвигателей. Назначение гидропередач такое же, как и механических (муфты, коробки скоростей, редукторы), однако по сравнению с механическими они имеют ряд преимуществ, которые будут рассмотрены в гл. 12.

В современной технике используются гидромашины различных типов. Наибольшее распространение получили объемные и лопастные насосы и гидродвигатели. Некоторые конструкции насосов обладают свойством обратимости, т. е. способностью работать в качестве гидродвигателей при подводе к ним жидкости под давлением. К ним относятся, в частности, роторные насосы.

Широкое применение имеют гидросистемы с двигателями прямолинейного, поворотного и возвратно-поступательного движений в современных автоматизированных поточных линиях, в различных роботах и манипуляторах.

3.1 Поршневые насосы.

Устройство и принцип действия поршневых насосов

Поршневой насос представляет собой машину объемного действия, в которой вытеснение жидкости из замкнутого пространства насоса происходит в результате прямолинейного возвратно-поступательного движения вытеснителей. К поршневым насосам относят также и плунжерные насосы. Они различаются конструкцией вытеснителя и характером уплотнения.

Классификация и основные конструкции поршневых насосов

Поршневые насосы классифицируются по нескольким основным признакам:

1. По характеру движения  ведущего звена: прямодействующие, в которых ведущее звено совершает  возвратно-поступательное движение (паровые прямодействующие); вальные, в которых ведущее звено совершает  вращательное движение (кривошипные, кулачковые) .

2. По числу циклов нагнетания  и всасывания за один двойной  ход: одностороннего и двухстороннего  действия.

3. По количеству поршней  или плунжеров: однопоршневые, двухпоршневые, трехпоршневые и многопоршневые.

4. По виду вытеснителей: поршневые, плунжерные и диафрагменные.

5. По способу приведения  в действие: с механическим приводом  и ручные.

Рассмотрим наиболее характерные конструкции насосов:

Дифференциальные насосы. Насосы двухстороннего действия (рис. 2) имеют одну рабочую камеру 4 со всасывающим 3 и напорным  клапанами и вторую рабочую камеру 2 без клапанов. Благодаря тому, что за один оборот вала насос два раза нагнетает жидкость, подача его выравнивается.

,   

Рис. 2. Схема дифференциального насоса.

Рис. 3. Схема насоса двойного действия.

Насосы двойного действия. Этот насос (рис. 3)

имеет более равномерную подачу по сравнению с насосами простого действия и дифференциальными благодаря тому, что по обе стороны от цилиндра имеются две рабочие камеры, в каждой из которых находятся нагнетательные 3 и всасывающие 4 клапаны. Поэтому за один оборот коленчатого вала поршень 5 два раза нагнетает жидкость. Воздушный колпак /, соединенный с патрубком 2, при нагнетании существенно снижает пульсацию жидкости.

Кулачковые насосы. В одноцилиндровых насосах (рис. 4, а)  поршень 3 приводится в движение кулачком 4, а возвращается в исходное положение с помощью пружины. Ось вращения кулачка смещена относительно его геометрической оси на величину эксцентриситета. При вращении кулачка поршень совершает в цилиндре возвратно-поступательное движение на пути s=2e; при этом через клапан происходит всасывание, а через клапан 2 — нагнетание жидкости.

Рис. 4. Схема насосов с кулачковым приводом: а—одноцилиндровый; б—трехцилиндровый однорядный; в — трехцилиндровый радиальный.

Подача в насосах данного типа такая же неравномерная, как в поршневых насосах простого действия с шатунно-кривошипным механизмом. Для выравнивания подачи применяются многопоршневые насосы с числом цилиндров r==3—11 в одном ряду и со смещением фаз их рабочих циклов на угол φ=360°/r. Схема трехцилиндрового насоса представлена на рисунке 4, б. Кулачки 4 расположены в один ряд на приводном валу, а поршни прижимаются к кулачкам с помощью пружин (на схеме не показаны).

Для достижения компактности конструкции кулачковых насосов часто цилиндры располагают радиально с пересечением осей в общем центре (рис. 4, в). Центр вращения кулачка 4 и в данной схеме смещен относительно его геометрической оси на величину е. Контактное давление между поршнем и кулачком 4 уменьшается с помощью башмаков 3. Поршни прижаты к башмакам пружиной 2.

Кулачковые поршневые насосы способны создавать высокие давления. Они применяются в различных гидроприводах, для нагнетания жидкости в гидропрессах, а также в качестве топливных насосов в дизельных двигателях, о которых вы подробно узнаете при изучении автомобилей и тракторов.

Насосы с проходным поршнем. Насосы такой конструкции отличаются компактностью: в них отсутствует рабочая камера,   всасывающий клапан находится в рабочем цилиндре, а напорный — в поршне. Насосы с проходным поршнем применяются для подъема жидкостей из скважин, поэтому их называют погружными (рис. 5). В обсадную трубу пробуренной скважины опускается труба 6 с присоединенным к ней цилиндром 2, внутри которого находится поршень 3. Поршень дугой 4 соединен со штангой 5, которая приводится в возвратно-поступательное движение специальным механизмом. В нижней части труба 6 заканчивается всасывающим патрубком /, а в верхней — нагнетательным 7.

При подъеме поршня всасывающий клапан открывается и жидкость поступает в гидроцилиндр. При опускании поршня всасывающий клапан закрывается, давление в цилиндре повышается, вследствие чего открывается напорный клапан и жидкость через сквозное отверстие в поршне устремляется в пространство над ним. При очередном подъеме поршня одновременно с всасыванием происходит подача жидкости в нагнетательный патрубок.

Рис. 5

Насосы такого типа бывают и с ручным (рычажным)  приводом — они используются для подъема воды из скважин (колодцев) на приусадебных участках. рис. 5.

Диафрагменные насосы.

Насосы представляет собой мембрану, поршнем,            выполненную из эластичного материала (резины, кожи, ткани, пропитанной лаком, и др.).

Мембрана отделяет рабочую камеру от пространства, в которое жидкость не должна проникнуть.

В диафрагменном насосе, представленном на рисунке 6, а, клапанная коробка с всасывающим 5 и нагнетательным 4 клапанами расположена отдельно, а прогиб диафрагмы 3 осуществляется благодаря возвратно-поступательному движению плунжера 2 в цилиндре насоса /, заполненном специальной жидкостью. Диафрагменные насосы подобного типа часто применяются для перекачки жидкостей, загрязненных различными примесями (песком, илом, абразивными материалами), а также химически активных жидкостей и строительных растворов.

Рис. 6. Схемы диафрагменного насоса с плунжерным (а) и рычажным (б) приводами диафрагмы.

Диафрагму можно приводить в движение не только с помощью плунжера, но и обычным рычажным механизмом. На рисунке 6, б показана схема диафрагменного насоса с рычажным приводом. Рабочая камера 5 имеет два патрубка: всасывающий 3 и напорный 1, которые сообщаются с камерой через всасывающий 4 и напорный 2 клапаны.    Диафрагма 6 соединена со штоком 7, который совершает возвратно-поступательные движения. Диафрагменные насосы подобной конструкции используются в качестве бензонасосов на автомобильных двигателях. В этих насосах имеется два рычага: один — для ручной подкачки бензина и второй — для непрерывной его подачи во время работы двигателя. Последний приводится в движение специальным кулачком распределительного двигателя.