Гидравлика. Практикум

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ - БАКАЛАВРИАТ серия основана в 1 996 г.




С.Ф. ВОЛЬВАК




                ГИДРАВЛИКА




            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)



znanium.com
электронно-библиотечная система

Москва
ИНФРА-М


2023

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


    Рецензент:                                                           
    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, 2023. --- 318 с. --- (Высшее образование: Бакалав- 
    риат). --- 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 лабора    торных работ.                                                        
    В первой части приводится материал по основам расчёта гидравличе-    
    ских машин, гидроприводов сельскохозяйственной техники, систем ме-   
    лиорации и гидротранспорта для выработки навыков применения теоре-   
    тических 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 рабо-  
    ты насосов объёмного и динамического типа, гидроцилиндров, объёмного 
    гидропривода и гидродинамических передач, элементов и схем ороситель    ных 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 работ    ников 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).

Pt - сила, с которой оказывается воздействие на поршень малого цилиндра; Р₂ ~ сила, с которой поршень большого цилиндра оказывает воздействие на обрабатываемый предмет (рабочее усилие)
Рисунок 1.1 - Принципиальная схема гидравлического пресса
      При воздействии силы Р₁ 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 = P₂/S₂. При этом давление создаёт полезную силу Р₂ ⁼ Pi'S₂, под действием которой прессуется материал. Следовательно,


                Pl₌Sl
                Л

£

или

(1.1)

      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:


Р = Р ² '

(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.

Рисунок 1.2 - Схема гидравлического пресса

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

Л=Ср                              (1.3)
о
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:

(1-4)

где 5, - площадь малого поршня, м²;
     S₂ - площадь большего поршня, м².
S,=^;5₂=^,                              (1.5)
                        4         4
где d\ - диаметр малого поршня, м;
     d₂ - диаметр большего поршня, м.
     После подстановки значений формул (1.3), (1.4) и (1.5) получим:

U-6)


7

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

⁽¹-⁷⁾

     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:
Eₙ=Gh.                      (1.8)


Рисунок 1.3 - Принципиальная схема гидравлического аккумулятора

8

     Гидромультиплика гор - машина, предназначенная для увеличения давления. Он состоит из двух цилиндров разного размера, поршни которых, имеющие площадь 5₁ и S₂ соединены друг с другом штоком (рисунок 1.4).

а)                         6)
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 р|5] = p₂S₂, откуда
<?
(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, = р,-5) =р,~- = 10000-^^-= 1256 Н,

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

Р₂ = Pi - Ртр = 1256 - 200 = 1056 Н.


9

3)  Величина давления под малым поршнем составит:

                  Р Р -4      1056-4
„ -                  7 =134522 Па = 135 кПа,
               ² S₂ л-d² 3,14 О,I²


где S₂ - площадь поршня диаметром d.


Пример расчёта 1.2
      Гидравлический пресс (рисунок 1.5) служит для создания больших усилий при прессовании. Необходимо определить силу Р₂, развиваемую прессом. Пресс состоит из двух цилиндров с большим и малым поршнями D = 200 мм и d = 20 мм. К рычагу приложено усилие Р = 300 Н, размеры рычага а = 0,04 м и b = 0,3 м. Весом поршней и трением в них пренебречь.


Порядок расчёта
1)   Определяем силу Р\, передаваемую малому поршню посредством рычага, из уравнения моментов сил относительно точки вращения рычага:

Р -(а + Ь) = Р\-а,

откуда
f 'М°^).зоо(°.м*о.з)_₂₅₅ОН
                  ¹ а              0,04

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

                 Р Р -4     7550-4
£l ₌ 2j_1₌       \ =8121019 Па = 8,1 МПа,
              ¹ S, л-d² 3,14-0,02²

где 5] - площадь поршня диаметром d.
3)   С учётом закона Паскаля, т.е. р\ = р₂= р, вычисляем силу, развиваемую гидравлическим прессом:

Р₂ = Pi'S? = Pi ’ ~~ = 8,1'10⁶ • —= 254340 Н = 254 кН,

где S₂ - площадь поршня диаметром D.


10