Гидравлика и гидропривод

Рис. 9.2. .Силы, действующие на крыло, об­

текаемое потоком (а), и аэродинамические характеристики профиля крыла (б)

Рис. 9.3. Обтекание вращающегося ротора

потоком

Турбулентный режим обтекания наблюдается для тел с раз­ ными формами и степенью шероховатости поверхности при раз­ личных числах Рейнольдса (для большинства частиц, не име­ ющих определенной формы,— при Re^300). Для развитого турбулентного режима критическая скорость определяется по формуле (9.8), а коэффициент сопротивления С зависит от фор­ мы и шероховатости поверхности тела. Значения коэффициен­ та С для некоторых твердых тел приведены ниже:

9.3. Подъемная сила и сила лобового сопротивления

При несимметричном обтекании твердого тела потоком жид­ кости направление силы, действующей со стороны жидкости на тело, не совпадает с1 направлением скорости невозмущенного потока (скорости на бесконечно большом расстоянии от тела). В этом случае силу можно разложить на составляющие (рис. 9.2, а): подъемную силу Ry= If? cos а, направленную нор-

Мально к вектору v«, и силу лобового сопротивления since, совпадающую с направлением вектора v

Тело, при обтекании которого потоком жидкости создается подъемная сила Ry значительно большая, чем сила лобового сопротивления Rx, называют к рылом. Впервые рациональную форму крыла, для которого Ry/Rx= 50-г70, предложил проф.

Н.Е. Жуковский.

Всоответствии с выражением (9.5)

силы лобового сопротивления; F= bl— площадь крыла; b — ши­ рина крыла; / — длина (размах) крыла постоянной ширины.

Коэффициенты Су и Сх зависят от профиля крыла, шерохо­ ватости его поверхности и угла атаки а. В результате продув­ ки крыльев в аэродинамических трубах! получили зависимости Cy = f(а) и Cx = f(а), определяющие аэродинамические харак­ теристики профиля крыла (рис. 9.2, б).

Подъемную силу можно получить и при обтекании симмет­ ричного профиля, например, вращающегося цилиндрического тела—ротора (рис. 9.3) или вообще вихря. Вследствие вязко­ сти жидкости вокруг ротора создается циркуляционное движе­ ние жидкости со скоростью сы, которое накладывается на основ­ ное движение со скоростью vю, в результате чего при указанном направлении вращения результирующая скорость (н*,—си) под ротором уменьшается, а над ротором (v^-j-Cu) — увеличивается. Если полный напор в сечении потока одинаковый, то вслед­ ствие разности результирующих скоростей над и под ротором, согласно уравнению Бернулли, давление р\ превысит р2, и в итоге возникнет подъемная сила Ry^ (P \—Р2)/7. Это явление называется эффектом Магнуса.

Таким образом, при убтеканни ротора наблюдается такой же процесс, что и при обтекании крыла. Кинематическая ха­ рактеристика поля, возникающего вокруг ротора или крыла,— циркуляция скорости [ем| формулу (3.3)]..

П. Е. Жуковский доказал, что источником подъемной силы крыла является циркуляционное движение жидкости вокруг его профиля (см. рис. 9.2, а), и установил зависимость между подъ­ емной силой Ry и циркуляцией скорости Г:

Направление подъемной силы определяется поворотом век­ тора скорости у* на 90° в сторону, противоположную направ­ лению циркуляционного чяижеиия.

Рис. 9.4. Силы, действующие при обтекании тела горизонтальным потоком

где f — коэффициент трения твердого тела о стенку трубы. Решая уравнение относительно vrp, получим

(9Л7)

где VT/F — характерный геометрический размер тела; Схт— коэффициент лобового сопротивления тела, учитывающий влия­ ние стенок трубы на обтекание тела.

Вследствие трудности определения параметров VT/F\ / и Схт, особенно при большом числе частиц, выпавших на стенку, ско­ рость трогания определяют опытным путем, причем под этой скоростью понимают не относительную, а среднюю скорость потока, при которой твердое начинает перемещаться волочени­ ем по стенке.

Критическую скорость можно определить аналогично ско­ рости трогания — из условия предельного равновесия твердого тела при взвешивании (отрыве от стенки) его горизонтальным потоком (рис. 9.4, б):

Ry= Gro или CyaFpv^K/2 = g VT(рт — р), откуда

(918)

В уравнении (9.18) коэффициент подъемной силы СУк не равен соответствующему коэффициенту Си при свободном об­ текании тела потоком, так как сказывается влияние стенок тру­ бы на обтекание. Процесс становится особенно сложным при движении в потоке большого числа твердых’ частиц (гидросме­ си), поэтому критическую скорость потока, как и скорость тро­ гания, определяют опытным путем. Причем под этой скоростью понимают минимальную среднюю скорость потока, при которой

еще не происходит выпадения твердого на горизонтальную стенку трубы.

В настоящее время существует большое число эмпирических формул для определения критической скорости. Так например, при транспортировании неоднородной гидросмеси с плотностью твердого рт^1600 кг/м3 критическую скорость рекомендуется определять по формуле

где k — опытный коэффициент, зависящий от крупности твердо­ го d3 (Л = 4,3 при d3 = 0—25 мм; £= 4,8 при d3 = 0-f-50 мм); d — диаметр трубы; рсм — плотность гидросмеси.

При транспортировании глинистых растворов, бетонных сме­ сей и шламов структура потока значительно отличается от вы­ шерассмотренной, так как из-за наличия большого числа мель­ чайших частиц вязкость гидросмеси превышает вязкость транс­ портирующей жидкости. В этом случае жидкость называется аномальной, а касательные напряжения в ней определяются по уравнению Шведова — Бингама:

где то — начальное касательное напряжение. Транспортирование таких гидросмесей осуществляется при

сравнительно небольших критических скоростях.

Основные параметры транспортирования открытыми пото­ ками (в лотках, желобах и т. д.) рассчитывают по эмпириче­ ским зависимостям, в основу которых положена формула Шези (5.5) с уточненными опытными коэффициентами.

Гидротранспортирование твердого широко применяется в горной, строительной и других отраслях промышленности, в частности, для гидромеханизации очистных и подготовительных работ при подземном и открытом способах добычи полезных ископаемых, для закладки выработанного пространства при подземной разработке полезных ископаемых, для транспортиро­ вания угля в трубах от шахт до потребителей, на обогатитель­ ных фабриках, при намыве плотин и строительстве каналов.

Вопросы для самопроверки

1. Какая струя является затопленной, какая — свободной?

2.Какие случаи применения струй на практике Вам известны?

3.Каков физический смысл гидравлической крупности?

4.Какие силы возникают при обтекании потоком тел несимметричной

формы?

5.Что такое критическая скорость и как ее определить?

6.Определите подъемную силу, действующую на крыло, обтекаемое по­

Ч а с т ь II

ГИДРОПРИВОД

10. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Гидропривод — это совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение машин и механизмов посредством гидравлической энергии. Обязательными элементами гидропри­ вода являются насос и гидродвигатель.

Гидравлическая энергия генерируется насосом Н (рис. 10.1, а), а затем преобразуется в механическую энергию гид­ родвигателем ГД. Устройства управления УУ предназначены

ни магистраль, ни гидроаккумулятор ГА не являются генера­ торами гидравлической энергии, поэтому наличие насоса в этих схемах обязательно (он не рассматривается только в целях упрощения анализа этих гидравлических систем).

Гидропривод представляет собой своего рода «гидравличе­ скую вставку» между приводным двигателем ЭД (электродви­ гателем) и нагрузкой М (машиной или механизмом) и выпол­ няет те же функции, что и механическая передача (редуктор, ременная передача, кривошипно-шатунный механизм и т. д.). Основное назначение гидропривода, как и механической пере­

тель, дизель и другие, поэтому иногда гидропривод называется соответственно электронасосный, дизельнасосный и т. д.

10.1. Основные элементы гидропривода

В общем случае в состав насосного гидропривода входят гид­ ропередача, гидроаппараты, кондиционеры рабочей жидкости, гидроемкости и гидролинии.

водов

Гидропередача — часть насосного гидропривода, предназна­ ченная для передачи движения от приводного двигателя к ма­ шинам и механизмам. Простейшая гидропередача (см. рис. 10.1, а) состоит из насоса, гидродвигателя и гидролинии. Иног­ да, в сложных системах работают одновременно несколько на­ сосов и гидродвигателей.

Гидроаппараты применяются для регулирования параметров потока рабочей жидкости (давления и расхода), а также для изменения или поддержания неизменным направления потока жидкости. Как правило, гидроаппараты являются составными элементами гидроавтоматики.

Кондиционеры рабочей жидкости (гидроочистители и теп­ лообменные аппараты) предназначены для получения ее необ­ ходимых качественных показателей.

Гидроемкости (гидробаки, гидроаккумуляторы) предназна­ чены для содержания в них рабочей жидкости с целью исполь­ зования ее в процессе работы гидропривода.

Гидролинии (гидросеть)—устройства для прохождения ра­ бочей жидкости. Конструктивно гидролинии представляют со­ бой трубы, рукава, колена, тройники и т. д.

В состав гидропривода могут входить гидропреобразователи, выполняющие функцию преобразования энергии одного потока рабочей жидкости с определенным значением давления в энер­ гию другого потока с другим (обычно большим) значением давления.

Рассмотрим принцип действия простейшего гидропривода. Рабочая жидкость из бака 7 через фильтр 9 и всасывающую гидролинию 10 засасывается насосом 2 (рис. 10.2, а), в кото­ ром происходит преобразование механической энергии в гидрав­ лическую. После насоса жидкость по напорной гидролинии 3 подводится к распределителю 4. При нейтральном положении запорного элемента распределителя жидкость свободно слива­

К недостаткам гидропривода относятся: утечки рабочей жид­ кости через уплотнения и зазоры, особенно при высоких зна­ чениях давления; нагрев рабочей жидкости, что в ряде случаев требует применения специальных охладительных устройств и средств тепловой защиты; более низкий КПД (по приведенным выше причинам), чем у сопоставимых механических передач; необходимость обеспечения в процессе эксплуатации чистоты рабочей жидкости и защиты от проникновения в нее воздуха; пожароопасность в случае применения горючей рабочей жид­ кости.

При правильном выборе гидросхем и конструировании гид­ роузлов некоторые из перечисленных недостатков гидроприво­ да можно устранить или значительно уменьшить их влияние на работу машин. Тогда преимущества гидропривода перед обыч­ ными механическими передачами становятся столь существен­ ными, что в большинстве случаев предпочтение отдается имен­ но ему.

Сейчас трудно назвать область техники, где бы ни исполь­ зовался гидропривод. Эффективность, большие технические воз­ можности делают его почти универсальным средством при ме­ ханизации и автоматизации различных технологических процес­ сов. В частности, в горной промышленности он используется в креплении подземных горных выработок: в очистных забоях применяются индивидуальные гидравлические стойки и гидрав­ лические комплексы, выполняющие основные и вспомогательные операции по передвижке как самих крепей, так и другого ме­ ханического оборудования в лаве; широко применяются крепи сопряжения горных выработок. Практически все комбайны для ведения очистных и нарезных работ, проведения подготовитель­ ных выработок имеют гидропривода подачи исполнительного органа на забой и механизмов для выполнения различных вспо­ могательных операций. Гидропривод является неотъемлемым элементом буровых установок. Большинство приводов шахтных конвейеров снабжено гидродинамическими муфтами.

10.3. Напор и давление гидромашины. Классификация гидромашин и гидропередач

Насосы и гидродвигатели относятся к гидравлическим маши­ нам, в которых жидкость служит рабочим телом для восприя­ тия (в насосах) и отдачи (в гидродвигателях) механической энергии, причем для гидромашин эта энергия выражается или напором, или давлением. Под этими величинами необходимо понимать полную энергию потока жидкости в машине, отнесен­ ную соответственно к единице силы тяжести [Дж/Н = м] или к единице объема [Дж/м3 = Н/м2 = Па] жидкости.

а

Рис. 10.3. Схемы гидропере­

дачи (а), гидромашины (б) и баланса мощности (в)

Определим напор #„ или давление рн насоса, воспользовав­ шись уравнением Бернулли (4.28) для потока жидкости при установившемся движении. Проведем сечения (рис. 10.3, а) 1 и 2 по входному и выходному патрубкам насоса, где подклю­ чены измерительные приборы, а также плоскость сравнения О—0. Тогда

где Н3 и # 4 — полный напор потока жидкости соответственно в сечениях 3 и 4.

Из уравнений (10.1) и (10.3) следует, что напор насоса и гидродвигателя представляет собой сумму приращений напоров скоростного, пьезометрического и геометрического. В большин­ стве случаев v2ftivи z2& z u o4« fl3 и z4« z 3. Следовательно,