Гидравлика. Практикум

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ -  БАКАЛАВРИАТ 

серия осн ован а в 1 9 9 6  г.

С.Ф. ВОЛЬВАК

I

ПРАКТИКУМ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 
профессионального образования в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 
35.03.06 «Агроинженерия»(квалификация (степень) «бакалавр»)

(протокол № 5 от 26.03.2020)

Э л е к т р о н н о 
znanium.com

Москва
ИНФРА-М

2020

УДК [532+631.3](075.8) 
ББК 30.123:40.72я73 
В71

Р ец ен зен т:

Бондарев А.В., кандидат технических наук, доцент, заведующий 
кафедрой технического сервиса в АПК ФГБОУ ВО «Белгородский 
государственный аграрный университет имени В.Я. Горина»

Вольвак С.Ф.

В71 
Гидравлика. Практикум : учебное пособие /  С.Ф. Вольвак. — 
Москва : ИНФРА-М, 2020. — 318 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/1045068.

ISBN 978-5-16-015660-6 (print)
ISBN 978-5-16-108552-3 (online)
Учебное пособие соответствует программе дисциплины «Гидравлика». 
Состоит из двух частей и служит для проведения практических и лабораторных работ.

В первой части приводится материал по основам расчёта гидравлических машин, гидроприводов сельскохозяйственной техники, систем мелиорации и гидротранспорта для выработки навыков применения теоретических сведений к решению конкретных технических задач и освоения 
практики гидравлических расчётов.

Вторая часть содержит материал по изучению методов и приборов для 
измерения давления, исследованию уравнения Бернулли, определению 
гидравлических сопротивлений, изучению устройства и принципов работы насосов объёмного и динамического типа, гидроцилиндров, объёмного 
гидропривода и гидродинамических передач, элементов и схем оросительных систем и систем сельскохозяйственного водоснабжения.

Для проведения практических и лабораторных занятий студентов всех 
форм обучения по направлению подготовки 35.03.06 «Агроинженерия», 
а также для аспирантов, преподавателей и инженерно-технических работников агропромышленного комплекса.

УДК [532+631.3](075.8) 
ББК 30.123:40.72я73

ISBN 978-5-16-015660-6 (print) 
ISBN 978-5-16-108552-3 (online)
© Вольвак С.Ф., 2018, 2020

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Гидравлика» является одной из основополагающих 
при подготовке инженерно-технических работников. Практикум предназначается для обучающихся по направлению подготовки 35.03.06 «Агроинженерия» и подготовлен в соответствии с рабочей программой дисциплины. Практикум состоит из двух частей и служит для проведения 
восьми практических и восьми лабораторных работ.

Основное назначение практикума -  помочь обучающимся получить 
навыки применения теоретических знаний для решения конкретных 
практических задач.

В каждой практической работе представлены: основные сведения 
по изучаемой теме; примеры решения практических задач; задание; контрольные вопросы.

В каждой лабораторной работе представлены: цель; краткие теоретические сведения по теме; описание лабораторных установок, приборов 
и оборудования; порядок и методика проведения лабораторных работ; 
методика обработки опытных данных; задание; контрольные вопросы.

Общие требования к выполнению работ

При выполнении работ необходимо соблюдать требования инструкций по охране труда и пожарной безопасности, которые должны 
постоянно находиться в специальном месте учебной аудитории. При эксплуатации и техническом обслуживании лабораторных установок необходимо соблюдать требования ГОСТ 12.3.019-80 «Система стандартов 
безопасности труда. Испытания и измерения электрические. Общие требования безопасности» (с изменением № 1), Правил эксплуатации электроустановок потребителей и Правил охраны труда при эксплуатации 
электроустановок потребителей.

Любые подключения лабораторных установок и работы по их техническому обслуживанию производить только при отключенном питании 
и исполнительных механизмов. Не допускается попадание влаги на контакты разъемов и внутренних элементов лабораторных установок. Подключение, регулировка и техобслуживание приборов должно производиться только квалифицированными специалистами.

Общие правила поведения в учебной аудитории

1. Обучающиеся допускаются к выполнению работ после ознакомления на первом занятии с требованиями инструкций по охране 
труда и пожарной безопасности, проверки преподавателем их усвоения 
и оформления в журнале регистрации инструктажа.

2. Обучающиеся обязаны знать и соблюдать правила внутреннего 
распорядка, в аудитории не разрешается находиться в верхней одежде,

3

запрещается курить, не допускается приносить и употреблять алкогольные, наркотические и токсические вещества.

3. Обучающиеся должны бережно относиться к лабораторному оборудованию (макетам, моделям, приборам, установкам), а также методическим указаниям, плакатам и другим пособиям, поддерживать чистоту 
и порядок. Запрещается делать какие-либо пометки в методических указаниях и других пособиях.

4. Включение приборов и установок осуществляется преподавателем 
или лаборантом с соблюдением требований электро- и пожаробезопасности либо обучающимися с разрешения преподавателя.

Общие требования к оформлению выполненных работ

Для успешного выполнения и представления к защите выполненных 
работ необходимо соблюдать следующие требования.

1. Обучающийся допускается к выполнению работы после усвоения 
необходимых теоретических сведений и подготовки бланка отчета.

2. Выполненные работы оформляются в виде отчета.
3. Отчет о каждой отдельной работе должен содержать порядковый 
номер, название и цель работы, описание приборов и оборудования, основные сведения, схемы изучаемых конструкций машин и лабораторных 
установок, расчетные формулы (при необходимости), таблицы для записи результатов измерений и вычислений, выводы с оценкой полученных результатов.

4. Таблицы и иллюстрации (рисунки, схемы, графики) нумеруются последовательно в пределах каждой отдельной работы. Например, 
«Таблица 1.3» (третья таблица первой работы) или «Рисунок 2.1» 
(первый рисунок второй работы). После номера следует название 
таблицы и рисунка. Номер и название таблицы помещают непосредственно над таблицей, а номер и название рисунка -  под иллюстрацией. 
Поясняющий текст, в котором расшифровываются принятые условные 
обозначения на рисунке, помещают непосредственно под иллюстрацией 
перед номером и названием рисунка.

5. Вычисления должны представляться в развернутой форме с указанием единиц измерения величин на всех этапах расчета.

6. Результаты измерений физических величин необходимо представлять с точностью, соответствующей точности применяемого средства 
измерения. Результаты расчетов желательно представлять с точностью до трех и более значащих цифр, например: 0,0011526 = 0,00115; 
3,24692 = 3,25; 54,362 = 54,4; 129,328 = 129,3.

4

ПРАКТИЧЕСКИЕ

РАБОТЫ

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1 
РАСЧЁТ УСТРОЙСТВ, ОСНОВАННЫХ 
НА ЗАКОНАХ ГИДРОСТАТИКИ

Цель работы: овладение приёмами и методами расчёта устройств, 
основанных на законах гидростатики.

Основные сведения

Особенная способность жидкости передавать усилия на расстояние 
широко 
используется 
в 
технике, 
например, 
в 
гидропрессах, 
гидроаккумуляторах и гидромультипликаторах, в случаях, когда их рабочие 
органы находятся в состоянии предельного равновесия.

Гидропресс применяют для получения больших сжимающих усилий, что 
необходимо, например, для деформации металлов при обработке давлением 
(прессование, ковка, штамповка), при испытании различных материалов, 
уплотнении 
рыхлых 
материалов, 
в 
технологических 
процессах 
по 
обезвоживанию осадков и т.д.

Рассмотрим гидропресс, состоящий из двух сообщающихся цилиндров, 
поршни которых имеют разную площадь (рисунок 1.1).

р = const

Р, -  сила, с которой оказывается воздействие на поршень малого цилиндра;
Рг ~ сила, с которой поршень большого цилиндра оказывает воздействие на 
обрабатываемый предмет (рабочее усилие)

Рисунок 1.1 -  Принципиальная схема гидравлического пресса

При воздействии силы Р\ на поршень узкого цилиндра площадью S) под 
поршнем создаётся давление р\ = P\/S\, которое по закону Паскаля передаётся 
жидкостью во все точки одинаково, в т.ч. и на поршень широкого цилиндра 
площадью S2, т.е. р\ = р2 = PpS2. При этом давление создаёт полезную силу 
Р2 = p2S2, под действием которой прессуется материал. Следовательно,

или
( Ы )

Из формулы (1.1) видно, что отношение усилий на малом и большом 
поршнях пропорционально отношению площадей и квадрату отношения 
диаметров поршней.

6

Рабочее усилие, создаваемое гидропрессом:

( 1.2)

Следовательно, 
с 
помощью 
гидропресса 
сила, 
действующая 
на 
обрабатываемый объект, увеличивается во столько раз, во сколько площадь 
поршня большого цилиндра превышает площадь малого.

Рассмотрим гидропресс, состоящий двух сообщающихся цилиндров с 
поршнями малого d\ и большого d2 диаметров (рисунок 1.2). Первый поршень 
(малого диаметра) соединён с рычагом размерами а и Ь, имеющим в точке О 
неподвижную шарнирную опору. Второй поршень (большого диаметра) с 
цилиндром установлен под платформой, на которую помещается прессуемое 
тело. Рычаг приводится вручную или с помощью специального двигателя.

Рассматривая 
равновесие 
рычага, 
составим 
уравнение 
моментов 
относительно точки О и найдём силу воздействия поршня малого диаметра на 
свободную поверхность жидкости в цилиндре:

где 
Q - усилие на рычаге, Н.
В результате этого по всему объёму жидкости внешнее давление 
передаётся без изменения. При этом давление от малого поршня передаётся на 
большой поршень, причём сила давления на большой поршень:

а

b

Рисунок 1.2 -  Схема гидравлического пресса

(1.3)

(1.4)

где 
5| -  площадь малого поршня, м2;
S2 -  площадь большего поршня, м2.

(1-5)

где 
d\ -  диаметр малого поршня, м; 
d2 -  диаметр большего поршня, м.
После подстановки значений формул (1.3), (1.4) и (1.5) получим:

( 1.6)

7

или с учётом потерь энергии на трение в движущихся частях, так называемого 
КПД 7 = 0,80-0,85, окончательно найдём:

'■■-«тйЬ- 
<''7)

Гидроаккумулятор — машина, которая позволяет постепенно накопить 
часть 
энергии, 
чтобы 
потом 
быстро 
отдать 
её. 
Накапливаемую 
в 
гидроаккумуляторе энергию аккумулирует сжатый газ либо пружина, а затем 
посылает её в гидросистему посредством жидкостного потока, находящегося 
под сильнейшим давлением (рисунок 
1.3). Гидроаккумуляторы имеют 
механические или пневматические накопительные устройства. Механические 
системы делятся на грузовые и пружинные. В грузовых устройствах энергия 
накапливается благодаря потенциальной энергии, которая сосредоточена в 
грузе, размещённом на некоторой высоте. Пружинные агрегаты накапливают 
энергию 
механическим 
способом 
путём 
сжатия 
пружины. 
Пневмогидроаккумуляторы копят энергетический потенциал при помощи 
сжатого газа, в роли которого может выступить азот или воздух.

Гидроаккумуляторы применяются в устройствах, предназначенных для 
водоснабжения и отопления помещений, в т. ч. для формирования требуемого 
напора в трубах и защиты от гидравлического удара, для рекуперации энергии, 
оперативного приведения в рабочее состояние двигателя, выполнения роли 
трансмиссии. В авиации устройство применяется как альтернатива прочим 
аварийным источникам энергии в момент отказа или поломки главной 
гидросистемы.

В гидравлическом аккумуляторе (см. рисунок 1.3) за счёт поднятия груза 
на величину рабочего хода поршня можно накопить потенциальную энергию 
(без учёта веса подвижных частей аккумулятора) по формуле:

Е п — G h .  
(1.8)

Рисунок 1.3 -  Принципиальная схема гидравлического аккумулятора

8

Гидромультипликатор -  машина, предназначенная для увеличения 
давления. Он состоит из двух цилиндров разного размера, поршни которых, 
имеющие площадь S, и S2 соединены друг с другом штоком (рисунок 1.4).

а -  поршневого типа; б -  плунжерного типа; р\ -  давление, создаваемое, 
например, насосом; р2 -  рабочее давление, создаваемое мультипликатором 
Рисунок 1.4 -  Принципиальная схема гидравлического мультипликатора

В состоянии предельного равновесия поршни неподвижны, поэтому 
силы, создаваемые давлениями в обоих цилиндрах, будут равны, т. е. Р\ = Р2 
или p tSt = P2S2, откуда

А 
$ ‘* '

(1.9)

Таким образом, мультипликатор увеличивают давление в столько раз, во 
сколько площадь большего поршня превышает площадь малого.

При выводе соотношений (1.2) и (1.9) не учитывались силы трения. В 
случае необходимости оценки их влияния на условия равновесия следует иметь 
в виду, что силы трения уменьшают усилие рассматриваемых устройств.

В случаях, когда в гидропрессах и гидромультипликаторах применяются 
плунжеры, в формулы (1.2) и (1.9) подставляются вместо площадей поршней 
соответствующие площади плунжеров.

Пример расчёта 1.1

Поршень диаметром D = 400 мм и другой поршень диаметром d = 100 мм 
(рисунок 1.4,а) связаны между собой штоком. Требуется определить давление 
р2, если перед поршнем большего диаметра поддерживается давление 
р\ = 10 кПа, при этом сила на преодоление трения в поршнях Ртр = 200 Н.

Порядок расчёта

1) Определяем силу, действующую на поршень диаметром D:

Р, = ppS, = 
3,144~— =1256 Н,

где Л) -  площадь поршня диаметром D.
2) Находим силу, действующую на жидкость под малым поршнем:

Р2 ~ Р\ ~ Ртр = 1256 -  200 = 1056 Н.

9

Порядок расчёта

1) 
Определяем силу Рь передаваемую малому поршню посредством рычага, 
из уравнения моментов сил относительно точки вращения рычага:

Р •(а + Ь) = Р\-а,

откуда

f  
'••(°+ .* )_ зоо-(о,м +о.з), 2550Н

1 
а 
0,04

2) 
Величина давления, которое возникает под малым поршнем, составит:

Р 
Р ■4 
2550-4
р. = — = —L--т = 
, =8121019 11а = 8,1 МПа,
1 
S, 
я- -rf2 
3,14-0,022

где 5] -  площадь поршня диаметром
3) 
С учётом закона Паскаля, т.е. р\ = рг = р, вычисляем силу, развиваемую 
гидравлическим прессом:

Рг = Рг 'S2 = Рг ' =
 8,1106 • 
= 254340 Н = 254 кН,

где S2 -  площадь поршня диаметром D.

10