Цели и задачи. Дисциплина «Гидравлика и гидравлические машины» - одна из фундаментальных дисциплин общетехнического цикла

Дисциплина «Гидравлика и гидравлические машины» - одна из фундаментальных дисциплин общетехнического цикла, служит основой для изучения профилирующих дисциплин студентов механических специальностей.

1.1 Цели дисциплины

• дать учащимся знания по основным разделам гидростатики, гидродинамики для понимания процессов, совершающихся в гидро- и пневмосистемах, а также в узлах трения механизмов;
• дать знания о гидромашинах, гидродинамических передачах, объемных гидроприводах, и средствах гидроавтоматики, пневмоприводах и средствах пневмоавтоматики, применяемых на автотранспорте.

1.2 Задачи дисциплины

• изучение свойств капельной жидкости;
• изучение основных законов покоящейся и движущейся жидкости и умение применить их для решения практических инженерных задач;
• дать представление о состоянии и перспективах использования гиро- и систем в машиностроении;
• дать представление об основных видах гидравлического транспортного оборудования и принципах действия;
• дать представление об основах проектирования машин с использованием гидропневмосистем;
• привить умение использовать расчетные методики для проектирования гидропередач;
• привить навыки исполнения и чтения гидравлических схем;
• привить навыки проведения лабораторных испытаний гидравлической техники, а так же работы с контрольно-измерительными приборами.

Настоящая программа является базовой. Планом предусмотрено изучение дисциплины в седьмом семестре. Кроме лекционного курса запланировано проведение лабораторных работ, практических занятий и выполнение двух контрольных работ.

Наименование тем и их содержание

2.1 Введение

Предмет механики жидких сред. Вклад ученых Архимеда, Паскаля, Ньютона, Торричелли, Бернулли, Эйлера, Рейнольдса, Шези, Вентури, Ломоносова, Жуковского, Колмогорова, Леви, Гуржиенко, Железнякова и др. в развитие науки. Методика современных исследований. Примеры гидромеханических задач из отраслей техники. Объект изучения, физическое строение жидкости и газов.

Понятие "жидкость". Свойства жидкости: плотность, удельный вес, относительная плотность, вязкость, текучесть, сжимаемость, капиллярность, растворимость газов, поверхностное натяжение, температурное расширение, сопротивление растяжению. Капельная, упругая, идеальная и реальная жидкость. Гипотеза сплошности. Ньютоновские жидкости. Аномалии воды.

Силы, действующие в жидкости: массовые и поверхностные. Единичная массовая сила.

2.2 Статика жидкости

Гидростатическое давление. Единицы измерения давления. Атмосфернеое, избыточное, вакуумметрическое и абсолютное давление. Техническая и физическая атмосфера. Свойства гидростатического давления. Вывод основного уравнения гидростатики. Закон Паскаля. Гидростатический парадокс.

Героновы фонтаны. Приборы для измерения гидростатического давления. Металлический манометр, пьезометр, микроманометр, вакуумметр. Класс точности прибора, относительная и приведенная погрешность. Достоинства и недостатки приборов.

Определение силы давления жидкости на плоскую площадку, расположенную под углом к горизонту. Определение модуля силы, направления и линии действия. Центр давления. Определение центра давления в случае прямоугольной площадки, одна сторона которой лежит на линии свободной поверхности.

Определение силы гидростатического давления на криволинейную поверхность. Определение горизонтальной и вертикальной составляющей силы, направления и линии действия. Объем тела давления. Эксцентриситет. Определение толщины стенки трубопровода.

Доказательство закона Архимеда. Архимедова сила. Условия плавания и остойчивости тела. Центр водоизмещения, ватерлиния, плавучесть тела. Плоскость плавания, ось плавания, осадка. Метацентр, метацентрическая высота. Запас плавучести.

Абсолютный и относительный покой жидких сред. Уравнения Эйлера. Модель идеальной (невязкой) жидкости. Напряжения сил вязкости, обобщенная гипотеза Ньютона.

2.3 Гидродинамика

Два метода описания движения жидкостей и газов. Виды движения жидкости: установившееся и неустановившееся, равномерное и неравномерное, напорное и безнапорное. Элементы потока жидкости поверхность тока, трубка тока, элементарная струйка. Нормальное (живое) сечение. Понятие о линиях тока. Расход элементарного потока и расход через поверхность. Площадь живого сечения. Расход воды: объемный, массовый, весовой. Средняя и мгновенная скорость движения жидкости.

Уравнение неразрывности движения жидкости, уравнение неразрывности (сплошности) потока (вывод).

Вывод уравнения Бернулли для элементарной струйки идеальной жидкости. Геометрический смысл уравнения Бернулли. Геометрический, пьезометрический и скоростной напор. Полный напор, единица измерения. Использование трубки Пито для определения скоростного напора. Пьезометрическая и напорная линии. Энергетический смысл уравнения Бернулли. Полная удельная энергия единицы веса жидкости.

Уравнения Эйлера для элементарной струйки идеальной движущейся жидкости. Гидравлические элементы живого сечения.

Два режима движения жидкости: ламинарный и турбулентный.

Опыты О.Рейнольдса. Нижний критический предел числа Рейнольдса. переходная область. Определение толщины ламинарного слоя.

Гидравлические сопротивления, их физическая природа и классификация. Структура формул для вычисления потерь энергии. Данные о гидравлическом коэффициенте трения. Зоны сопротивления. Ламинарный поток в трубе и приведение его к одномерной модели. Потери напора.

Потери напора на гидравлическое трение при ламинарном режиме движения. Коэффициент Дарси. Вывод уравнения Пуазейля. Получение уравнения Вейсбаха-Дарси.

Случаи, когда теория определения коэффициента Дарси при ламинарном движении требует корректировки. Начальный участок ламинарного движения, движение в зазоре, движение с теплообменом, движение с большими перепадами давления.

Турбулентное течение в трубах, физическая природа турбулентных напряжений. Законы распределения скоростей и сопротивлений при турбулентных течениях в трубах. Определение коэффициента Дарси в случае турбулентного движения жидкости. Гидравлически гладкие и шероховатые трубы, Эквивалентная шероховатость. Область гладкого, вязкого трения, доквадратичная и квадратичная область сопротивления. Графики Никурадзе-Мурина.

Местные гидравлические сопротивления. Потери напора на местные сопротивления. Вывод уравнения Борда. Коэффициент местного сопротивления. Общее уравнение Вейсбаха. Коэффициенты местного сопротивления для различных сопротивлений. Зависимость коэффициента местного сопротивления от числа Рейнольдса и геометрических параметров. Частные виды местных сопротивлений.

Явление кавитации, число кавитации. Способы борьбы с явлением кавитации в гидромашинах.

Одномерные потоки жидкостей и газов. Одномерная модель и приведение к ней плавноизменяющихся течений.

Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости. Пьезометрический и гидравлический уклоны. Частный случай закона сохранения энергии.

Истечение жидкости через отверстия и насадки. Определение расхода и скорости истечения. Истечение через малое отверстие в тонкой стенке при постоянном напоре. Коэффициенты скорости, сжатия и расхода. Истечение под уровень. Определение времени опорожнения резервуара.

Истечение через насадки. Насадки Вентури, Борда. Коноидальный насадок. Определение скорости и расхода при истечении через насадки.

Коэффициенты скорости, расхода и сжатия при истечении через насадок.

Явление гидравлического удара. Модель гидроудара. Прямая и обратная ударная волна. Фаза и период гидроудара. Прямой и непрямой гидроудар. Определение превышения давления при прямом и непрямом гидроударе. Формула Н.Жуковского. Мероприятия по предотвращению гидроудара. Гидравлический таран. Изотермическое и адиабатное движение газа в трубах.

Построение зависимости потребного напора от расхода в случае последовательного соединения трубопроводов. Построение зависимости потребного напора от расхода в случае параллельного соединения трубопроводов. Выбор насоса, работающего на трубопроводную систему.

Основы теории подобия. Геометрическое, кинематическое и динамическое подобие. Подобие гидромеханических процессов. Числа и критерии подобия. Критериальные числа. Критерии Ньютона, Вебера, Струхаля, Фруда, Рейнольдса. Методы моделирования. Понятие о методе размерностей

2.4 Общие сведения о гидромашинах

Общая классификация гидромашин. Принцип действия насосов, гидродвигателей и гидропередач. Рабочие жидкости гидропередач.

Общие сведения о насосах. Основные параметры: подача (расход), давление (напор), мощность, КПД. Баланс мощности в гидромашинах. Допустимая высота всасывания. Кавитация.

Лопастные насосы. Основы теории лопастных насосов. Центробежные насосы. Осевые насосы. Основное уравнение центробежных насосов. Характеристики центробежных насосов. Основы теории гидродинамического подобия насосов. Работа насоса на сеть. Последовательное и параллельное включение насосов.

Гидродинамические передачи. Назначение и область применения. Устройство, принцип действия и классификация. Характеристики гидродинамических передач. Общие закономерности. Гидродинамические муфты, устройство и рабочий процесс гидромуфты. Основные параметры, уравнения и характеристики.

Совместная работа гидромуфты с двигателем. Регулирование гидромуфт. Гидродинамические трансформаторы, устройство, классификация, характеристика.

Объемные насосы. Общие сведения, принцип действия, основные свойства и классификация, области применения. Кривошипно-поршневые насосы. Роторные насосы. Устройство и область применения.

Объемные гидравлические двигатели. Силовые гидроцилиндры, их назначение и устройство. Расчет цилиндров. Поворотные гидродвигатели. Роторные гидродвигатели-гидромоторы. Расчет крутящего момента и мощности на валу гидромотора.

Объемный гидропривод и средства гидроавтоматики. Принцип действия объемного гидропривода. Классификация объемных гидроприводов по характеру движения выходного звена и другим признакам; Условные обозначения элементов гидропривода (гидродвигатели, гидроаппаратура, фильтры, гидроаккумуляторы, гидролинии).

Гидроаппаратура и элементы гидроавтоматики. Распределительные устройства: назначение, принцип действия и основные типы. Клапаны: принцип действия, устройство и характеристики. Дроссельные устройства, назначение, принцип действия. Фильтры и гидроаккумуляторы. Типовые схемы гидропривода СДМ. Основы теории и расчета объемного гидропривода.

3 Практические занятия

3.1.Гидростатика. Решение задач по определению гидростатического давления (абсолютного, избыточного, вакуумметрического). Исследования свойств жидкости. Решение задач. Закон Паскаля. Решение задач с использованием закона Паскаля.

Определение силы гидростатического давления на плоскую стенку, расположенную под углом к горизонту. Определение центра давления.

Определение равнодействующей силы гидростатического давления на криволинейную поверхность. Определение вертикальной и горизонтальной составляющей силы гидростатического давления. Понятие эксцентриситета. Объем тела давления. Решение задач. Построение эпюры гидростатического давления. Закон Архимеда. Определение выталкивающей силы. Метацентр, метацентрическая высота. Решение задач.

3.2 Гидродинамика. Основное уравнения неразрывности потока. Решение задач. Уравнение Бернулли для реальной жидкости. Решение задач. Потери напора по длине. Уравнение Вейсбаха-Дарси. Потери напора на местные сопротивления. Общее уравнение Вейсбаха. Решение задач.

Построение трубопроводной характеристики. Выбор насоса,

работающего на трубопроводную систему. Определение рабочей точки и характеристик насоса.

Параллельная и последовательная работа насосов. Построение суммарной характеристики насосов. Пересчет характеристик насоса на другую частоту вращения.

Построение схемы объемного гидропривода.

4 Лабораторные работы

4.1 Изучение режимов движения жидкости.

4.2 Опытная проверка уравнения Бернулли.

5 Контрольные работы

Контрольная работа №1 включает решение восьми задач, с использованием знаний и применением законов, изученных в разделе 2.2, 2.3.

Контрольная работа № 2 включает в себя две задачи. Первая посвящена расчету и построению трубопроводной характеристики, определению потребного напора и подачи насоса. Определение рабочей точки насоса.

Вторая задача посвящена расчету схемы объемного гидропривода.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Угинчус А.А., Чугаева Е. А. Гидравлика Л.: Стройиздат. – 1971.- 375 с.

2 Справочник по гидравлике / Под ред. проф. В. А. Большакова. Киев: Вища школа. – 1977. – 280 с.

3 Башта Т. М. и др. Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы. – Машиностроение, 1982. – 423 с.

4 Абрамович В.А., Вострова Р.Н., Овчинников В.М. Расчет объемного

гидропривода. Гомель. РИО БелГУТа, 1995. – с.

5 Вострова Р.Н. и др. Гидравлический расчет напорных трубопроводов, построение трубопроводной характеристики и выбор насосов с применением вычислительной техники. РИО БелГУТа, 1997. – 12 с.