ВВЕДЕНИЕ
В соответствии с Государственным образовательным стандартом для машиностроительных направлений и специальностей в общепрофессиональной дисциплине «Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод» предусмотрены дидактические единицы по таким прикладным темам, как гидромашины, гидравлические и пневматические приводы. Эти темы являются предметом данного учебника.
Гидравлическими машинами называются устройства, выполняющие механические движения для преобразования энергии, материалов и информации, использующие в качестве рабочего тела капельные жидкости. По устройству и принципу действия при одинаковом назначении к гидравлическим машинам близки газовые или пневматические машины, использующие в качестве рабочего тела газы.
Гидравлическим приводом (гидроприводом) называется совокупность устройств, в число которых входит один или несколько гидродвигателей, предназначенная для приведения в движение механизмов и машин посредством рабочей жидкости под давлением.
Пневматическим приводом (пневмоприводом) называется совокупность устройств, в число которых входит один или несколько пневмодвигателей, предназначенная для приведения в движение механизмов и машин посредствам рабочего газа под давлением.
Гидравлические и пневматические машины являются древнейшими представителями энергетических машин, которые обеспечивают необходимые условия жизнедеятельности человеческого общества и в настоящее время.
Первым устройством для переноса (подачи) воды было, по всей вероятности, кожаное или деревянное ведро, затем — корзина из прутьев, обмазанных глиной. В Древнем Египте или Месопотамии придумали колодезный журавль с противовесом. Люди, стоящие гуськом и передающие друг другу ведра, могли создать поток воды. Неизвестно имя гениального изобретателя, который догадался прикрепить ведра к периферийной части деревянного колеса, которое могли вращать рабы или животные. Эта машина была выдающимся сооружением и применялась с глубокой древности почти до наших дней. Водоподъемные колеса могли подавать до Юм 3 воды в час на высоту 3—4 м. Следующим шагом было создание так называемой нории (исп. пота от арабск. наора — водокачка), которая представ-
ляла собой веревку или цепь с ковшами. Затем кто-то заметил, что вместо ковшей или ведер можно использовать диски или шары. Тогда поток воды можно сделать более равномерным при меньшем усилии. Так появился второй основной тип насоса — динамический. С помощью норий в Древнем Египте подавали воду из колодцев глубиною до 100 м. Античный мир подарил человечеству еще два типа насосов: архимедов винт и нагнетательный поршневой насос Ктесибия. Роторные насосы впервые описаны в книге Агостино Рамелли (1588). Создание центробежного насоса связано с именем знаменитого Дени Папена (1689). Конструкция лопастных насосов усовершенствовалась многими поколениями инженеров. Так, один из крупнейших гидромехаников Осборн Рейнольдс получил патент на многоступенчатый центробежный насос с лопаточными направляющими аппаратами.
Первое описание водяного колеса принадлежит Витрувию, архитектору и инженеру Древнего мира, жившему во времена Юлия Цезаря и императора Августа, однако, по всей вероятности, эта машина появилась на несколько столетий раньше. После X в. водяные колеса стали применяться очень широко, оставаясь универсальным двигателем вплоть до конца XVIII в. Термин «турбина» появился в 1826 г., когда французский профессор Бурден создал первый центробежный водяной двигатель. Его ученик Фурнейрон в 1827 г. разработал первую водяную турбину для промышленности. Дальнейшее развитие тур- биностроения связано прежде всего с именами Жонваля, Френсиса, Пельтона, Каплана, В.С. Квятковского.
Впервые гидропривод появился в 1742 г. в Англии на чугунолитейном заводе Дерби для привода шахтного углеподъемника. Для откачки воды из шахты использовались паровые машины Ньюкомена, которые могли совершать только возвратно-поступательное движение, а для углеподъемника было необходимо иметь вращательное движение. Механики завода вспомнили о надежно работающих водяных колесах и направили откачиваемую из шахты воду в напорный бак, из которого вода могла самотеком подводиться к 10 верхнебойным водяным колесам.
Лишь через несколько лет была запатентована машина Ньюкомена с кривошипно-шатунным механизмом, известным со времен Средневековья (Пикар, 1780).
Наибольший вклад в создание современных гидравлических и пневматических приводов принадлежит, безусловно, Джозефу Брама.
Брама был родоначальником мировой станкостроительной школы и одним из авторов принципа взаимозаменяемости в машиностроении. Но потомкам он больше всего известен как изобретатель гидравлического пресса — машины, впервые воплотившей в себе принцип передачи энергии посредством жидкости, идею гидропривода, получившего впоследствии столь универсальное применение.
Здесь Брама намного опередил свой век. 130 лет никому не приходило в голову использовать гидростатический парадокс Паскаля для генерации больших усилий, и полвека еще после смерти Брамы техническая гидравлика беспомощно топталась на месте.
Патент Джозефа Брамы № 2045 за 1795 г. явился коронным достижением его изобретательской жизни. «. Суть изобретения в новом способе применения воды и других жидкостей для привода различных машин и механических аппаратов либо с целью гигантского увеличения действующей силы, либо для передачи движения и сил от одного устройства к другому, когда известными способами этого не удается достигнуть. Невозможно перечислить бесконечное разнообразие важных применений этого принципа, однако приложенные фигуры и чертежи полностью объясняют его суть.
30 апреля 1795 г. Джозеф Брама».
Из описания следовало, что Брама фактически запатентовал не только гидропресс, но и все возможные виды гидро- и пневмопередач. Сам пресс он скромно именовал «только двумя насосами, разных размеров, действующими друг на друга», например, с цилиндрами диаметром 1/4 и 12 дюймов. Такое соотношение позволяло, приложив 1 т, получить усилие 2304 т.
Здесь же, в патенте, упоминалась первая в истории гидравлическая система телеуправления: два одинаковых насоса, соединенных трубкой с водой. Приводя в движение поршень одного насоса, можно было заставить двигаться поршень второго, расположенного, например, на колокольне и связанного с колоколами. Такое устройство в 1814 г. было установлено в доме Вальтера Скотта — фантастическом готическом сооружении, построенном для автора многих знаменитых исторических романов в его имении, и как бы позволяло дергать за колокольчики в самых удаленных комнатах.
Чтобы представить себе значение изобретения Брамы, учтите, что в те времена еще не было ни кривошипных, ни рычажных машин, были лишь винтовые прессы, работавшие на бумажных и текстильных фабриках. Мощность самых больших из них редко доходила до 50 т.
Чтобы доказать скептическим современникам, что его пресс действительно развивает большие усилия, Брама не останавливается перед расходами. Специально для демонстрации он построил в 1796 г. гидравлические весы (они и сейчас еще работают в Кенсингтонском музее науки и технике Лондона). Груз порядка 300 кг подвешивался на рычаге с таким невыгодным соотношением плеч, что для его подъема это усилие нужно было увеличить еще в 20 раз. Тем не менее каждый желающий мог это легко сделать, несколько раз качнув ручку насоса.
Весы убедили маловерных. Посыпались заказы, и вскоре гидравлические прессы прочно заняли свое место в промышленности.
Хотя Брама изобретал самые разные устройства (в том числе современный унитаз), любимым детищем на протяжении всей его жизни была гидравлика. Ею он занимался всегда с особой охотой и старался использовать всюду. В частности, он спроектировал и запатентовал сложную гидросистему для подачи разных сортов пива из бочек, стоявших в погребе. Хранить бочки наверху было нельзя: в жару пиво быстро скисало. Поэтому раньше в каждой пивной приходилось держать ватагу мальчишек, все время сновавших по лестницам. Источником энергии для «пивопровода» был груз, давивший на жидкость,— первый прообраз современных гидроаккумуляторов. Брама усовершенствовал также аппаратуру для газирования воды непрерывным способом при «высоких» давлениях (до 10 атм.)
Для улучшения комфортабельности транспортных средств появился патент № 3270 на «конструкцию и способ изготовления улучшенных каретных колес с помощью гидропресса». Потом Брама предлагал маслонаполненные подшипники скольжения и даже мягкие кожаные шины.
Но самым существенным его изобретением в этой области была пневмогидравлическая подвеска очень прогрессивной конструкции (патент № 3616 за 1812 г.). Она представляла собой сосуд, наполовину заполненный маслом, с проходящей по ее центру трубой. В трубе мог вертикально перемещаться, как у насоса, поршень, на стержень которого должен был опираться экипаж. Кроме того, внизу имелся обратный клапан — через него закачивалось масло для регулировки жесткости или восполнения утечек. При толчках поршень прыгал вверх или вниз, сжимая воздух, игравший роль идеальной воздушной пружины. По-видимому, конструкция оказалась слишком сложной для современников Брамы. Его подвеска только сейчас, спустя полтора столетия, начала внедряться в автомобилестроении.
В годы увлечения гидравликой Брама запатентовал и построил первый строгальный станок с гидроприводом стола, сконструировал множество остроумных гидравлических устройств, в том числе такие известные, как телескопические гидроцилиндры. Сегодня на этом принципе работают гидравлические домкраты, известные каждому автомобилисту.
Существенное усовершенствование грузопоршневой аккумулятор получил после работ известного английского военного инженера Армстронга, который на его базе создал разнообразнейшие гидравлические приводы. В первую очередь они стали применяться для привода корабельных механизмов: привод рулевого управления и поворот орудийных башен.
Конструкторы машин в конце XIX в. хорошо знали, что для передачи энергии на достаточно большие расстояния обычные жесткие механические передачи уступают электрическим, гидравлическим, пневматическим устройствам. Кроме того, очевидно, что при использовании подобных устройств целесообразно использовать замкнутую систему управления с обратной связью.
В 1900 г. итальянец Бонтемпи применил для копировально-фрезерного станка схему с гидромеханическим управлением, которая позволила уменьшить мощность управляющего сигнала по сравнению с выходной мощностью в тысячи раз. Копир и заготовка устанавливаются на одном столе и получают вращательное движение с одинаковой скоростью. Ролик движется по профилю копира, считывая с него информацию, необходимую для управления движением фрезы, однако движение ролика передается не поршню золотникового распределителя, который открывает доступ жидкости от насоса в ту или иную полость большого (силового) гидроцилиндра. При подаче жидкости под давлением в левую полость гидроцилиндра из правой полости она будет выходить, а весь стол вместе с роликом и фрезой будет двигаться влево. Одновременно со столом, несущим фрезу, начинает перемещаться цилиндр золотника. Таким образом, начинает действовать цепь обратной связи, связывающая ведущую и ведомые части устройства в единую следящую систему с обратной связью. Устройства и механизмы для реализации слежения и усиления получили название сервомеханизмов от латинского корня «серво», означающего в переводе «раб» или «рабский».
В 20-е гг. XX в. гидравлический и пневматический приводы стали широко использоваться в металлорежущих станках.
Впервые гидравлический привод для управления самолетом начали применять в конце 30-х гг. XX в. для уменьшения усилия летчика и улучшения маневренности в целом. В начале 50-х гг. XX в. совершился переход на автоматическое управление летательным аппаратом: создание следящих гидроприводов с электрическим управлением.
В строительных и дорожных машинах гидропривод стал применяться с 50-х гг. XX в.
Гидрофицированные горные машины стали интенсивно производиться после 1960 г.
Гидрофикация тракторных агрегатов во многом определилась успехом испытания в 1979 г. тракторов К-701 и Т-150 в Небраске (США), которые показали высокое тяговое усилие и экономичность. Сейчас практически на всех тракторах применяются гидроприводы в навесных системах для подъема и опускания орудий.
В 1958 г. на ВДНХ был выставлен макет биоэлектрического манипулятора. Силовая часть — насос с двигателем, клапаны и соленоиды были заимствованы из узлов для станков с программным управлением. Клапаны управляются биотоками, которые отводятся от предплечья оператора с помощью специального браслета. Слегка напрягая мышцы, оператор управляет потоками жидкости, которые приводят в движение искусственную кисть человеческой руки. Напомним, что кисть руки является универсальнейшим механизмом, обладающим 27 степенями свободы.
Очевидно, следующим шагом может стать гидравлический или пневматический привод с системой управления, понимающей человеческую мысль.
Создание гидродинамических передач связано с именем немецкого инженера Г. Фёттингера (Н. Fottinger), который в 1902 г. поместил в один корпус два подвижных лопастных колеса — насосное и турбинное — и неподвижный направляющий аппарат, которые находились в непосредственной близости друг от друга. Поток жидкости из одного колеса в другое поступает без трубопроводов, образуя круг циркуляции. При расположении направляющего аппарата на выходе из насоса за счет соответствующего профилирования можно изменять не только величину момента, передаваемого гидротрансформатором, но и направление вращения. В 1910 г. Фёт- тингер исключил из схемы направляющий аппарат, предложив гидромуфту, которая имеет коэффициент полезного действия до 98%. Как правило, гидромуфта применяется в сочетании с зубчатым редуктором.
К основным достоинствам гидродинамических передач следует отнести возможность передачи больших мощностей при сравнительно малых габаритах и отсутствие жестких связей, что обеспечивает гибкость в передаче энергии. Удельная масса гидродинамической передачи составляет от 10 до 20% от массы электромеханических систем.
Преимущества гидродинамических передач способствовали их широкому применению в различных областях техники.
В 1928 г. фирмой «Лисхолм&Смит» в Швеции был создан первый гидротрансформатор для автобуса. С 1947 г. гидротрансформаторы в сочетании с механическими передачами стали устанавливать на серийных легковых автомобилях
В СССР первая гидромуфта была создана в 1929 г. профессором А.П. Кудрявцевым для судовых силовых установок, первый гидротрансформатор — в начале 30-х гг. XX в. в МВТУ им. Н.Э. Баумана.
В последние годы все большее распространение получают пневматические и электропневматические системы. Так, по сведениям фирмы «ФЕСТО», более 60% инвестиций для автоматизации в промышленно развитых странах приходится на электропневматические системы, управляемые контроллерами.
Гидравлические машины и гидропневмопривод
Министерство образования и науки Российской Федерации
филиал федерального государственного бюджетного образовательного
учреждения высшего образования
«Российский государственный университет нефти и газа
(национальный исследовательский университет)
имени И.М. Губкина» в г. Оренбурге
(филиал РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина в г. Оренбурге)
Дисциплина: «Гидравлические машины и гидропневмопривод»
Оренбург 2018
вариант 1
1. Поршень диаметром 
= 280 мм движется равномерно вниз в цилиндре, подавая жидкость Ж в открытый резервуар с постоянным уровнем. Диаметр трубопровода 
= 90 мм, его длина 
= 15 м. Когда поршень находится ниже уровня жидкости в резервуаре на 
, потребная для его перемещения сила равна 
= 19000 H. Определить скорость поршня и расход жидкости в трубопроводе. Построить напорную и пьезометрическую линии для трубопровода. Коэффициент гидравлического трения трубы принять 
. Коэффициент сопротивления входа в трубу 
, Коэффициент сопротивления выхода в резервуар 
.
= 15 м;
;
;
;
1. Выделим в заданной схеме 2 сечения (рис. 5):
· 1 – 1 – проходит под поршнем;
Плоскость сравнения 0 – 0 принимаем по нижнему краю поршня.
2. Составим уравнение Бернулли для сечений 1 – 1 и 2 – 2:
где Ра = 101325 Па – нормальное атмосферное давление;
V – скорость потока в трубопроводе.
Из данного уравнения определяем скорость потока:
V = 8,09 м/с
Используя полученную скорость, определяем искомый расход воды в системе по формуле:
3. Используя полученный расход, определяем скорость движения поршня в цилиндре из формулы:
4. Для построения напорной линии определяем потери напора:
· у входа в трубопровод:
· на выходе из трубопровода:
5. Для построения пьезометрической линии определяем скоростной напор:
Нск =
Нск = 3,30 м
Ответ: V= 8,09 м/с, Q = 0,051 м3/с, данные для постройки напорной и пьезометрической линии трубопровода приведены в 4 и 5
Полезная мощность (мощность сообщаемая насосом жидкости)
Nпотр = 0,88 кВт
Ответ: Nп = 0,74 кВт, Nпотр = 0,88 кВт, К.п.д. = 0,84
Так как давление создаваемое насосом равно давлению сливного клапана:
Тогда полезная мощность насоса равна:
Перепад давления на поршне:
∆рд = 937500 Па = 0,94 МПа
Диаметр поршня равен:
Скорость движения поршня в цилиндре:
Ответ: Nн. пол = 15 кВт, ∆рд = 0,94 МПа, d = 10,09 см, v = 0,375 м/с
4. Центробежный насос системы охлаждения двигателя имеет рабочее колесо диаметром D2 = 100 мм с семью радиальными лопатками (β2 = 90°); диаметр окружности входа D1 = 70 мм. Какую частоту вращения нужно сообщить валу этого насоса при работе на воде для получения давления насоса р= 3 МПа? Гидравлический к.п.д. насоса ηг = 0,8.
Заданное давление равно напору насоса:
Действительный напор центробежного насоса определяется соотношением:
Частота вращения, n (об/мин):
n = 30 ω/π
n = 12440 об/мин.
Ответ: n = 12440 об/мин.
5. Пластинчатый насос имеет следующие размеры: диаметр внутренней поверхности статора D = 80 мм, эксцентриситет е = 8 мм, толщина пластин δ = 2 мм, ширина пластин b = 20 мм. Определить мощность, потребляемую насосом при частоте вращения п = 1450 об/мин и давлении на выходе из насоса р = 5 МПа Механический к.п.д. принять равным ηм = 0,9.
Теоретическая подача пластинчатого насоса:
Qт = 2 b e n (π D – z δ)
Число пластин z = 5
Фактическая подача насоса:
Полезная мощность, развиваемая насосом:
Потребляемая (затрачиваемая) мощность:
6. При постоянном расходе жидкости, подводимой к радиально-поршневому гидромотору, частоту вращения его ротора можно изменять за счет перемещения статора и, следовательно, изменения эксцентриситета е. Определить максимальную частоту вращения ротора гидромотора, нагруженного постоянным моментом М = 200 Н·м, если известно: максимальное давление на входе в гидромотор pmax = 40 МПа; расход подводимой жидкости Q = 25 л/мин; объемный к.п.д. гидромотора ηо = 0,9 при рmах; механический к.п.д. при том же давлении ηм = 0,92.
Частота вращения вала гидромотора определяется по формуле
где Q – расход жидкости, подведенной к гидромотору.
Момент, развиваемый на валу гидромотора, равен
Выразим V и подставив в формулу нахождения частоты, получим:
ЭНЕРГОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Как отмечалось выше, энергопреобразователи — это устройства, в которых выполняемые ими функции сопровождаются преобразованием механической энергии из одного вида в другой.
К энергопреобразователям относятся: гидромашины (насосы и гидродвигатели), гидроаккумуляторы и гидропреобразователи.
ГИДРОМАШИНЫ И ИХ ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ
Основными элементами практически всех гидросистем, используемых в машиностроении, являются гидромашины.
Гидромашина — это устройство, создающее или использующее поток жидкой среды.
Посредством этого устройства происходит преобразование подводимой механической энергии в энергию потока жидкости или наоборот.
К гидромашинам относятся насосы и гидродвигатели.
Насосом называется гидромашина, преобразующая механическую энергию привода в энергию потока рабочей жидкости.
Параметры, характеризующие работу насоса, приведены в п. 3.1.1.
Гидродвигатель — это гидромашина, частично преобразующая энергию потока рабочей жидкости в механическую работу на его выходном звене.
Таким образом, гидродвигатель использует часть энергии потока рабочей жидкости для выполнения соответствующей полезной работы.
Выходным звеном гидродвигателя называется его конструктивный элемент, непосредственно совершающий полезную работу.
В зависимости от характера движения выходного звена различают гидродвигатели вращательного, поворотного и возвратно-поступательного движения.
Параметры, характеризующие работу гидродвигателя, приведены в п. 3.1.2.
Все гидромашины по принципу действия делятся на два основных типа: динамические (гл. 4) и объемные (гл. 5).
Динамической называется гидромашина, в которой силовое взаимодействие ее рабочего органа с жидкостью происходит в проточной полости, постоянно сообщенной с входом и выходом гидромашины.
Объемной называется гидромашина, в которой силовое взаимодействие ее рабочего органа с жидкостью происходит в герметичной рабочей камере, попеременно сообщающейся с входом и выходом гидромашины.
Динамическую гидромашину также часто называют проточной, так как в ней внутренняя полость всегда сообщена как с ее входом, так и с ее выходом, а объемную — герметичной, потому что в ней герметичная рабочая камера во время работы устройства может быть подключена либо только к входу гидромашины, либо только к ее выходу. Это значит, что в объемной гидромашине вход и выход всегда герметично отделены друг от друга.
Для рабочего процесса динамической гидромашины характерны высокие скорости движения ее рабочих органов и рабочей жидкости. Рабочий же процесс объемной гидромашины заключается в силовом взаимодействии рабочей жидкости и вытеснителя гидромашины внутри рабочей камеры. При этом высокие скорости движения жидкости и рабочих органов объемной гидромашины в принципе не обязательны, так как основную роль в рабочем процессе играет давление, которое создается в рабочей камере в результате действия больших сил на малые площади.
Следует отметить, что некоторые объемные гидромашины вращательного действия могу выполнять как функцию насоса, так и функцию гидродвигателя (гидромотора). В этом случае они называются мотор-насосами.
Рассмотрим основные параметры, характеризующие работу гидромашин независимо от их типа. Данные параметры, как правило, приводятся в паспортах гидромашин и используются при их выборе на этапе проектирования гидросистемы.
При этом следует обратить внимание на то, что кроме рассмотренных в разд. 3.2 и 3.3 параметров, характеризующих работу гидромашин, особо важными, позволяющими судить об их возможностях на установившихся режимах, являются их внешние характеристики. Обычно в паспорте гидромашины на этих характеристиках указывается зона, в пределах которой рекомендуется эксплуатация данного устройства. Эта зона называется рабочей частью характеристики гидромашины.
Заметим также, что под характеристиками насоса в большинстве случаев понимаются графические зависимости основных его технических показателей (напора, давления, мощности, КПД и т.д.) от подачи при постоянных значениях частоты вращения приводного вала, вязкости и плотности рабочей жидкости в сечении потока на входе в насос.