Лекции по гидравлике гидравлические машины

Лекции по гидравлике гидравлические машины

Гидравлическими машинами называются машины, которые сообщают протекающей через них жидкости механическую энергию (насос), либо получают от жидкости часть энергии и передают ее рабочему органу для полезного использования (гидродвигатель).

Насосы и гидромоторы применяют также в гидропередачах, назначением которых является передача механической энергии от двигателя к исполнительному органу, а также преобразование вида и скорости движения последнего посредством жидкости.

Гидропередачи по сравнению с механическими передачами (муфты, коробки скоростей, редукторы и т.д.) имеют следующие преимущества.
1. Плавность работы.
2. Возможность бесступенчатого регулирования скорости.
3. Меньшая зависимость момента на выходном валу от нагрузки, приложенной к исполнительному органу.
4. Возможность передачи больших мощностей.
5. Малые габаритные размеры.
6. Высокая надежность.

Эти преимущества привели к большому распространению гидропередач, несмотря на их несколько меньший, чем у механических передач КПД.

В современной технике применяется большое количество разновидностей машин. Наибольшее распространение для водоснабжения населения получили лопастные насосы. Рабочим органом лопастной машины является вращающееся рабочее колесо, снабженное лопастями. Лопастные насосы делятся на центробежные и осевые.

В центробежном лопастном насосе жидкость под действием центробежных сил перемещается через рабочее колесо от центра к периферии.

На рис. 7.1 изображена простейшая схема центробежного насоса. Проточная часть насоса состоит из трех основных элементов — подвода 1, рабочего колеса 2 и отвода 3. По подводу жидкость подается в рабочее колесо из подводящего трубопровода. Рабочее колесо 2 передает жидкости энергию от приводного двигателя. Рабочее колесо состоит из двух дисков а и б, между которыми находятся лопатки в, изогнутые в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Жидкость движется через колесо из центральной его части к периферии. По отводу жидкость отводится от рабочего колеса к напорному патрубку или, в многоступенчатых насосах, к следующему колесу.

В осевом лопастном насосе жидкость перемещается в основном вдоль оси вращение рабочего колеса (рис. 7.2). Рабочее колесо осевого насоса похоже на винт корабля. Оно состоит из втулки 1, на которой закреплено несколько лопастей 2. Отводом насоса служит осевой направляющий аппарат 3, с помощью которого устраняется закрутка жидкости, и кинетическая энергия ее преобразуется в энергию давления. Осевые насосы применяют при больших подачах и малых давлениях.

Осевые насосы могут быть жестколопастными, в которых положение лопастей рабочего колеса не изменяется, и поворотно-лопастными, в которых положение рабочего колеса может регулироваться.

Поршневые насосы относятся к числу объемных насосов, в которых перемещение жидкости осуществляется путем ее вытеснения из неподвижных рабочих камер вытеснителями. Рабочей камерой объемного насоса называют ограниченное пространство, попеременно сообщающееся со входом и выходом насоса. Вытеснителем называется рабочий орган насоса, который совершает вытеснение жидкости из рабочих камер (плунжер, поршень, диафрагма).

Классифицируются поршневые насосы по следующим показателям:
1) по типу вытеснителей: плунжерные, поршневые и диафрагменные;
2) по характеру движения ведущего звена: возвратно-поступательное движение ведущего звена; вращательное движение ведущего звена (кривошипные и кулачковые насосы);
3) по числу циклов нагнетания и всасывания за один двойной ход: одностороннего действия; двухстороннего действия.
4) по количеству поршней: однопоршневые; двухпоршневые; многопоршневые.

Насос простого действия. Схема насоса простого действия изображена на рис. 7.3. Поршень 2 связан с кривошипно-шатунным механизмом через шток 3, в результате чего он совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре 1. Поршень при ходе вправо создает разрежение в рабочей камере, вследствие чего всасывающий клапан 6 поднимается и жидкость из расходного резервуара 4 по всасывающему трубопроводу 5 поступает в рабочую камеру 7. При обратном ходе поршня (влево) всасывающий клапан закрывается, а нагнетательный клапан 8 открывается, и жидкость нагнетается в напорный трубопровод 9.

Так как каждому обороту двигателя соответствует два хода поршня, из которых лишь один соответствует нагнетанию, то теоретическая производительность в одну секунду будет

где F — площадь поршня, м²;
l — ход поршня, м;
n — число оборотов двигателя, об/мин.

Для повышения производительности поршневых насосов их часто выполняют сдвоенными, строенными и т.д. Поршни таких насосов приводятся в действие от одного коленчатого вала со смещением колен.

Действительная производительность насоса Q меньше теоретической, так как возникают утечки, обусловленные несвоевременным закрытием клапанов, неплотностями в клапанах и уплотнениях поршня и штока, а также неполнотой заполнения рабочей камеры.

Отношение действительной подачи Q к теоретической Q_T называется объемным КПД поршневого насоса:

Объемный КПД — основной экономический показатель, характеризующий работу насоса.

Насос двойного действия. Более равномерная и увеличенная подача жидкости, по сравнению с насосом простого действия, может быть достигнута насосом двойного действия (рис. 7.4), в котором каждому ходу поршня соответствуют одновременно процессы всасывания и нагнетания. Эти насосы выполняются горизонтальными и вертикальными, причем последние наиболее компактны. Теоретическая производительность насоса двойного действия будет

где f — площадь штока, м 2 .

Дифференциальный насос. В дифференциальном насосе (рис. 7.5) поршень 4 перемещается в гладко обработанном цилиндре 5. Уплотнением поршня служит сальник 3 (вариант I ) или малый зазор (вариант II ) со стенкой цилиндра. Насос имеет два клапана: всасывающий 7 и нагнетательный 6, а также вспомогательную камеру 1. Всасывание происходит за один ход поршня, а нагнетание за оба хода. Так, при ходе поршня влево из вспомогательной камеры в нагнетательный трубопровод 2 вытесняется объем жидкости, равный (F — f )l; при ходе поршня вправо из основной камеры вытесняется объем жидкости, равный f_l. Таким образом, за оба хода поршня в нагнетательный трубопровод будет подан объем жидкости, равный

т.е. столько же, сколько подается насосом простого действия. Разница лишь в том, что это количество жидкости подается за оба хода поршня, следовательно, и подача происходит более равномерно.

Рабочий цикл поршневого насоса может быть графически описан на бумаге специальным прибором — индикатором. График изменения давления в цилиндре за один полный оборот кривошипа называется индикаторной диаграммой . На рис. 7.6 показана такая диаграмма насоса простого действия.

При движении поршня слева направо (см. рис. 7.3) (процесс всасывания) давление в цилиндре насоса резко падает до давления всасывания P_вс по линии аб. Из-за податливости стенок цилиндра и сжимаемости жидкости линия аб не вертикальна, а слегка наклонена и переходит затем в волнистую линию бв. Далее на всасывающей линии поддерживается постоянное давление и линия вг остается практически горизонтальной на протяжении всего хода всасывания. При обратном движении поршня (ход нагнетания) давление в цилиндре от P_вс поднимается до давления P_нагн по прямой гд, наклон которой влево от вертикали объясняется теми же самыми причинами, что и для линии аб. Начало сжатия жидкости сопровождается колебаниями давления в цилиндре (линия де). В дальнейшем давление P_нагн остается неизменным на протяжении всего хода нагнетания (линия еа). При повторном рабочем цикле этот график будет повторяться.

Неисправности, возникающие в гидравлической части поршневого насоса изменяют характер индикаторной диаграммы. Анализируя различные индикаторные диаграммы с теми или иными аномалиями, можно безошибочно сказать о неисправности насоса.

Баланс мощности в насосе наглядно можно представить в виде схемы, представленной на рис 7.7.

Мощность, которая подводится к валу насоса называется подведенной. Она равна произведению крутящего момента на валу на его угловую скорость

Мощность, которую мы получаем от насоса в виде потока жидкости под давлением называется полезной мощностью насоса (в дальнейшем просто мощностью)

Отношение мощности насоса к подведенной мощности называется общим КПД насоса

а разность N_П — N_H = N_пот называется потерями мощности в насосе. Потери мощности в насосе делятся на объемные, механические и гидравлические.

Потери мощности на внутренние утечки и неполное заполнение камер насоса

Объемный КПД насоса определится из соотношения

Для современных насосов объемный КПД находится в пределах 0,92…0,96. Значения КПД приведены в технических характеристиках насосов.

Механические КПД характеризует потери на терние в подвижных соединениях между деталями насоса. При относительном перемещении соприкасающихся поверхностей в зоне их контакта всегда возникает сила трения, которая направлена в сторону, противоположную движению. Эта сила расходуется на деформацию поверхностного слоя, пластическое оттеснение и на преодоление межмолекулярных связей соприкасающихся поверхностей.

Мощность, затраченная на преодоление сил трения, определяется

где М_тр — момент трения в насосе;
ω — угловая скорость вала насоса.

Механический КПД определяется из соотношения

Для современных насосов механический КПД также находится в пределах 0,92…0,96.

Гидравлический КПД характеризует потери на деформацию потока рабочей жидкости в напорной камере и на трение жидкости о стенки сосуда. Эти потери примерно на порядок ниже механических потерь на трение и часто в инженерных расчетах не учитываются или объединяются с механическими потерями на трение. В этом случае объединенный КПД называется гидромеханическим.

Мощность, затраченная на гидравлические потери, определится

где P_К — давление в напорной камере насоса;
P_Н — давление в напорной гидролинии на выходе из насоса.

Гидравлический КПД определяется из соотношения

Общий КПД насоса равен произведению КПД объемного, гидравлического и механического

Таким образом, баланс мощности насоса дает представление о потерях, возникающих в насосе, общем КПД и всех его составляющих.

Кроме насосов и гидромоторов существуют и другие разнообразные по конструкции и назначению гидроэлементы. Одни управляют потоком рабочей жидкости, другие служат для обеспечения безотказной работы гидросистем и т.д. Совокупность этих устройств называется гидроприводом и требует отдельного изучения. Все гидроэлементы имеют свое условное обозначение, из которых составляются гидросхемы по аналогии с электрическими схемами.

Ниже приводятся условные обозначения основных гидроэлементов.

На рис. 7.8 изображен составленный из условных обозначений пример гидравлической схемы привода поворота стрелы челюстного погрузчика.

Схема состоит из бака, нерегулируемого гидромотора, трехпозиционного гидрораспределителя, двух регулируемых дросселей с параллельно подключенными к ним обратными клапанами, двух гидроцилиндров, фильтра и предохранительного клапана.

Принцип работы гидропривода заключается в следующем. Из бака рабочая жидкость (масло) забирается насосом и подается к гидрораспределителю. В нейтральном положении золотника гидрораспределителя при работающем насосе на участке трубопровода между насосом и распределителем начинает увеличиваться давление, при этом срабатывает предохранительный клапан и жидкость сливается обратно в бак. При смене позиции золотника (нижняя позиция на схеме) открываются проходные сечения в гидрораспределителе, и жидкость начинает поступать в полости нагнетания гидродвигателей (поршневые полости гидроцилиндров). Из штоковой полости гидроцилиндров масло по гидролинии слива проходит через регулируемые дроссели, гидрораспределитель и, очищаясь фильтром, попадает на слив в бак.

Скорость поступательного движения штоков гидроцилиндров регулируется дросселями. Реверсирование движения штоков осуществляется путем переключения позиций гидрораспределителя. При обратном движении штоков без нагрузки их скорость не регулируется и зависит от расхода рабочей жидкости в штоковые полости. При аварийной остановке штоков (например, непреодолимое усилие) давление в системе возрастает, вызывая тем самым открытие предохранительного клапана и сброс рабочей жидкости в бак.

Источник статьи: http://gidravl.narod.ru/mashine.html

Лекция №1 Гидравлические машины и приводы

Лекция №1 Гидравлические машины и приводы

Краткое содержание лекции

Область применения гидропневмомашин и связь с другими дисциплинами.Основные элементы гидропневмомашин и приводов. Преимущества и недостатки гидропневмо приводов. Назначение и область применения. Напор и давление в гидропневмомашинах

Общие сведения о гидросистемах

В современной технике в основном используются гидросисте­мы двух типов:

гидросистемы для подачи жидкости;

Для гидросистем, обеспечивающих подачу жидкости к потреби­телям, характерно отсутствие устройств, преобразующих энергию жидкости в механическую работу.

К таким гидросистемам относятся: системы водоснабжения и водяного теплоснабжения зданий, системы жидкостного охлажде­ния и смазывания различных машин, а также системы подачи смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) металлорежущих станков и др.

Такие гидросистемы относятся к классу разомкнутых гидроси­стем, в которых, как правило, движение жидкости обеспечивает­ся за счет работы насоса.

Метод аналитического расчета этих гидросистем базируется на уравнении (7.13), а при решении задачи графоаналитическим ме­тодом следует искать рабочую точку как точку пересечения харак­теристики насоса с суммарной характеристикой потребного напо­ра трубопровода (см. подразд. 7.4).

Гидравлическим приводом называется совокупность устройств, предназначенная для передачи механической энергии и преобра­зования движения посредством рабочей жидкости. Гидравличес­кие приводы, как правило, относятся к классу замкнутых гидро­систем.

В некоторых литературных источниках используется также тер­мин гидропередача. Под гидропередачей в большинстве случаев понимают силовую часть гидропривода, состоящую из насоса, гидродвигателя и соединительных трубопроводов с рабочей жид­костью.

Лекция №2

ДИНАМИЧЕСКИЕ ГИДРОМАШИНЫ

Насосы трения

Насосы трения относят, так же как и лопастные, к группе динамических насосов. В этих насосах силовое взаимодействие происходит в проточной части за счет сил трения, причем их проточная часть, как и у всех динамических насосов, постоянно сообщается с входом и выходом. Так как в основу работы этих насосов заложен принцип трения, то эффективность их работы невысока – низкие КПД. Поэтому насосы трения не получили широкого распространения в технике. Из насосов этого типа наиболее часто используются вихревые и струйные насосы.

Вихревые насосы

Вихревые насосы принято относить к насосам трения, однако по своему рабочему процессу и свойствам они близки также к центробежным (лопастным) насосам.

Конструктивная схема вихревого насоса приведена на рис. 16.8. Основной деталью насоса является рабочее колесо 1 с радиальными или наклонными лопатками. Колесо установлено в корпусе 3 и приводится во вращение валом 2. Важным конструктивным элементом является концентрический канал 4, который охватывает колесо по большей части окружности – от входного отверстия до выходного. По меньшей части окружности (от выходного отверстия до входного) канал отсутствует, что служит уплотнением между напорной и всасывающей полостями.

При вращении рабочего колеса 1 в межлопаточных полостях и концентрическом канале 4 образуются вихри 5, что приводит к непрерывному перемещению частиц жидкости из межлопаточных полостей колеса в канал и обратно. За счет этого происходит передача энергии от колеса к жидкости в концентрическом канале. Жидкость в канале как бы увлекается образовавшимися вихрями и перемещается вместе с колесом от полости всасывания к полости нагнетания.

К вихревым насосам могут быть применены те же законы теории подобия, что и для лопастных насосов, в том числе методы пересчета характеристик. Коэффициенты быстроходности для вихревых насосов n_s = 5…50.

Вихревые насосы по сравнению с центробежными насосами создают значительно большие напоры (в 3…10 раз) при тех же размерах и частоте вращения. Они обладают свойством самовсасывания, но имеют весьма низкие КПД (η = 0,30…0,45).

Струйные насосы

Струйные насосы также относятся к динамическим насосам трения. У этих насосов отсутствуют вращающиеся части, а поток перекачиваемой жидкости перемещается за счет трения, возникающего между ним и другим (рабочим) потоком жидкости. Рабочий поток жидкости подводится к насосу извне и должен обладать достаточной энергией для обеспечения перекачки жидкости с заданными параметрами. Его можно считать условным рабочим органом данного насоса. Рабочий и перекачиваемый потоки могут быть одной и той же или разными жидкостями.

На рис. 16.9 приведена одна из возможных конструктивных схем струйного насоса. Он состоит из полости 1 для подвода перекачиваемой жидкости, сопла 2 для подвода рабочей жидкости, сопла 3 для подвода перекачиваемой жидкости, камеры смешивания 4 и диффузора 5. Рабочая жидкость под напором подводятся к соплу 2, из которого вытекает с большой скоростью v₁ в камеру смешивания 4. Перекачиваемая жидкость из полости 1 через сопло З также подводятся в камеру смешивания. В последней за счет трения струя рабочей жидкости увлекает перекачиваемую жидкость, обеспечивая ее нагнетание. При этом рабочая и перекачиваемая жидкости перемешиваются и образуют общий поток, движущийся со скоростью v₂ (v₂ 5 , а в системах автоматики гидроприводов с электрическим управлением – до 10 7 . Такое высокое значение коэффициента усиления достигается за счет очень малой мощности управляющего сигнала. Так, мощность входного управляющего сигнала в гидроусилителе с электрическим управлением составляет 0,5…1,0 Вт, а усилие для перемещения некоторых вспомогательных золотников не превышает 40 мН.

Следящий гидропривод относится к автоматическим устройствам, которые в соответствии с теорией автоматического управления называются системами с отрицательной обратной связью. В таких системах происходит непрерывное сравнение входного сигнала управления и перемещения выходного звена. Образующийся при этом сигнал рассогласования (разность) в процессе работы постепенно уменьшается. Когда эта разность становится равной нулю, перемещение выходного звена прекращается. При этом считается, что следящий привод выполнил свою функцию: его выходное звено переместилось в соответствии со значением управляющего сигнала. Рассмотрим, как этот принцип управления реализуется в некоторых следящих гидроприводах.

На рис. 15.8, а приведена принципиальная схема следящего гидропривода поступательного движения, использующегося в качестве гидроусилителя руля колесной транспортной машины. При повороте рулевого колеса 1, например по часовой стрелке, посредством винтовой передачи 2 золотник З дросселирующего гидрораспределителя сместится влево и соединит правую полость гидроцилиндра 4 с напорной гидролинией (р_н), а левую – со сливной гидролинией (р_с). Под действием давления р_н поршень гидроцилиндра 4 начнет перемещаться влево, поворачивая жестко связанную

с ним рулевую тягу 6 и вместе с ней управляемое колесо машины. Поворот колеса будет происходить до тех пор, пока корпус распределителя 5, перемещающийся вместе с рулевой тягой 6, не сместится на расстояние, равное смещению золотника 3, и вновь не перекроет каналы распределителя. Итак, в данном случае сравнение сигнала управления (поворот рулевого колеса) и угла поворота управляемых колес машины происходит в дросселирующем гидрораспределителе. Результатом этого является некоторое открытие проходного сечения в нем, а следовательно, подвод давления р_н в полость гидроцилиндра. Как только площадь проходного сечения становится равной нулю, поршень гидроцилиндра останавливается. Это значит, что следящий гидропривод отработал поступивший на него сигнал управления.

Чтобы вернуть управляемые колеса машины в первоначальное положение, необходимо повернуть рулевое колесо 1 на такой же угол против часовой стрелки, в результате чего золотник 3, поршень гидроцилиндра 4, рулевая тяга 6 и, следовательно, корпус распределителя 5 возвратятся в исходное положение.

Коэффициент усиления гидроусилителя k_y, в этом случае можно выразить в виде отношения k_y = N_y/N_x, где N_y – мощность, развиваемая на поршне гидроцилиндра; N_x – мощность, необходимая для перемещения золотника.

На рис. 15.8, б представлена принципиальная схема следящего гидропривода фрезерного гидрокопировального станка. Этот станок предназначен для воспроизведения на заготовке 7 профиля шаблона 11. При движении фрезерного стола 9 щуп 10 и связанный с ним золотник 3 дросселирующего гидрораспределителя перемещаются в вертикальном направлении, очерчивая профиль шаблона 11. Это движение повторяет фрезерная головка 8, перемещающаяся по вертикальным направляющим под действием поршня гидроцилиндра 4. Слежение осуществляется за счет того, что корпус 5 дросселирующего распределителя жестко связан с фрезерной головкой 8 станка.

По аналогичной схеме может быть построен гидропривод фрезерной головки станка с числовым программным управлением. При этом сигнал управления золотником следящего гидрораспределителя не появляется в результате контакта щупа с поверхностью шаблона, а приходит от программного электронного устройства через электрогидравлический усилитель, который и обеспечивает смещение золотника. Отработка этого управляющего сигнала происходит так же, как в схеме, приведенной на рис. 15.8, б.

Лекция №10 Гидроаппаратура

1. Основные термины, определения и параметры

Приведенные ниже термины и определения даны в соответствии с гост 17752 – 81.

Гидроаппаратами называются устройства, предназначенные для изменения или поддержания заданных параметров потока рабочей жидкости (давления, расхода, направления движения). По характеру выполнения своих функций все гидроаппараты делятся на регулирующие и направляющие.

Регулирующий – это гидроаппарат, в котором изменение соответствующего параметра потока рабочей жидкости происходит путем частичного открытия или перекрытия проходного сечения в нем.

Направляющий – это гидроаппарат, который изменяет направление потока рабочей жидкости путем полного открытия или полного перекрытия проходного сечения в нем.

Под проходным сечением гидроаппарата понимается сечение потока, площадь которого определяет расход рабочей жидкости, проходящей через гидроаппарат.

Основным элементом гидроаппаратов является запорно-регулирующий элемент – деталь (или группа деталей), при перемещении которой частично или полностью перекрывается проходное сечение гидроаппарата. По конструкции запорно-регулирующего элемента гидроаппараты делятся на:

золотниковые, в которых запорно-регулирующим элементом является цилиндрический (рис. 13.1, а) или плоский (рис. 13.1, 6) золотник;

крановые, в которых запорно-регулирующим элементом является плоский (рис. 13.1, в), цилиндрический (рис. 13.1, г), конический (рис. 13.1, д) или сферический (рис. 13.1, е) кран;

клапанные, в которых запорно-регулирующим элементом является шариковый (рис. 13.1, ж), конусный (рис. 13.1, з), игольчатый (рис. 13.1, и) или плоский (рис. 13.1, к) клапан.

гидроаппараты бывают регулируемые и настраиваемые.

Регулируемый – это гидроаппарат, характеристики которого (проходное сечение, поджатие пружины и др.) могут быть изменены по сигналу извне во время работы гидросистемы.

Настраиваемый – это гидроаппарат, характеристики которого могут быть изменены только в условиях неработающей гидросистемы. Для этого, как правило, требуется разборка гидроаппарата.

На принципиальных и полуконструктивных схемах гидроаппаратов (ГОСТ 24242 – 80) их присоединительные отверстия обозначают буквами латинского алфавита: Р – отверстие для подвода рабочей жидкости под давлением; А и В – отверстия для присоединения к другим гидравлическим устройствам; Т – отверстие для отвода рабочей жидкости в бак; Х и Y – отверстия для потоков управления; L – отверстие для дренажного отвода жидкости.

К основным параметрам гидроаппаратов относятся:

условный проход D_y – это диаметр такого условного отверстия, площадь которого равна максимальному значению площади проходного сечения гидроаппарата;

Источник статьи: http://infopedia.su/15x14f94.html