книги из ГПНТБ / Полубояринов Ю.Г. Основы машиностроительной гидравлики и пневматики учеб. пособие
.pdf
Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР С Е В Е Р О - З А П А Д Н Ы Й З А О Ч Н Ы Й П О Л И Т Е Х Н И Ч Е С К И Й И Н С Т И Т У Т
Ю. Г. ПОЛУБОЯРИНОВ
Одобрено
Редсоветом 15 февраля 1973 г.
ОСНОВЫ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ГИДРАВЛИКИ И ПНЕВМАТИКИ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Л Е Н И Н Г Р А Д 1 9 7 3
Гос. п"бл":чиая научно--: . , . c " j " '
ОГ О З А Л А
Впособии излагаются основные сведения из курса гидравлики в объеме, необходимом для ясного понима ния принципа действия и теории гидравлических и пневматических устройств, применяемых в системах
управления. Описываются различные |
гидравлические |
и пневматические устройства, их |
принципиальные |
схемы и методика расчета. Приводятся основные сведе ния о пневматических измерительных системах, в на стоящее время применяемых для контроля линейных размеров изделий в машиностроении и приборострое нии.
Учебное пособие написано в соответствии с дейст вующей в СЗПИ программой для специальности «При боры точной механики» и должно служить основным материалом при изучении курса и подготовке к экза мену (зачету). Пособие предназначено для студентов, изучающих курс «Гидравлика и пневматика».
Ю Р И Й Г Е О Р Г И Е В И Ч П О Л У Б О Я Р И Н О В
ОСНОВЫ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ГИДРАВЛИКИ И ПНЕВМАТИКИ
У Ч Е Б Н О Е П О С О Б И Е
Научный редактор И. К. СПРУДЭ
© Издание Северо-Западного заочного политехнического института, 1973 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Предлагаемое учебное пособие предназначено для студентов технических вузов специальности «Приборы точной механики», изучающих дисциплину «Гидравлика и пневматика» в объеме 50 часов (включая лабораторный практикум).
Во введении излагаются общие сведения об использовании в ма шиностроении гидравлических и пневматических устройств, в ча стности устройств, служащих для передачи движений, — приводов, и сведения, касающиеся основных физических свойств и характе ристик жидкостей и газов, которые являются рабочей средой (энер гоносителями) в гидравлических и пневматических системах.
В первой главе рассматриваются теоретические основы расчета гидравлических и пневматических систем, т. е. краткие сведения из технической механики жидкостей и газов. Материал здесь из ложен весьма сжато, в него не включен ряд общих вопросов гид равлики, носящих второстепенный характер для промышленных гидравлических и пневматических установок. Читатели, заинтере сованные в более подробных сведениях, могут получить их в той учебной литературе, перечень которой приведен в конце главы.
Вторая глава пособия содержит сведения о гидравлических и пневматических элементах, которые находят применение в•совре менных системах управления. Материал главй разбит на пять па раграфов, в которых рассмотрены самые общие сведения о систе мах управления, источники питания гидравлических и пневмати ческих систем, гидравлические и пневматические исполнительные механизмы, следящие устройства и усилители, распределительные
ирегулирующие органы. Мы не стремились подробно излагать све дения о всех гидравлических и пневматических устройствах, при меняемых в промышленных установках, поскольку такие сведения имеются в соответствующей справочной литературе. В учебном по собии рассмотрены только такие вопросы, как назначение, схема устройства и принцип действия того или иного элемента, его гид равлическая характеристика, отражающая главную особенность элемента, и общий порядок расчета для условий стационарного режима работы. С вопросами конструирования, монтажа, наладки
иэксплуатации устройств, а также расчета их в переходных режи мах, которые здесь опущены, можно ознакомиться по специальной литературе, приведенной в конце главы.
Втретьей главе пособия-приводятся основные сведения о пневма тических измерительных системах, применяемых для измерения
3
линейных размеров. Такие системы в настоящее время приме няются в машиностроении и приборостроении и служат средством автоматизации производственных процессов. Однако учебной ли тературы по пневматическим измерительным системам, по суще ству, не имеется, поэтому предлагаемое пособие может в какой-то мере восполнить этот пробел. Материалом к составлению третьей главы послужили отдельные монографии, указанные в перечне ли тературы в конце пособия.
При работе над учебным пособием были учтены замечания ре цензентов — доцентов В. И. Погорелова, Ю. М. Исаева, А. М. Кур ганова, научного редактора к. т. н. И. К. Спрудэ. Автор выражает им свою глубокую благодарность.
ВВЕДЕНИЕ
Многочисленные промышленные системы управления машинами и механическим оборудованием имеют в своей структуре устрой ства, работающие во взаимодействии с жидкостью или газом. Та кие устройства называются гидравлическими или пневматическими устройствами. Технические сведения о процессах, протекающих при работе гидравлических и пневматических устройств, включая сами эти устройства и соединительные коммуникации — трубопро воды, излагаются в дисциплине с условным названием «Машино строительная гидравлика и пневматика».*
К г и д р а в л и ч е с к и м (пневматическим) устройствам от носятся исполнительные механизмы (гидро- и пневмодвигатели), различные регуляторы и распределители, преобразователи меха нической работы приводных двигателей в энергию жидкости или газа (насосы и компрессоры), следящие и усилительные устройства и т. п. Агрегаты, состоящие из нескольких устройств, образуют гидравлические (пневматические) системы. К числу таких систем относятся о б ъ е м н ы е гидро- и пневмоприводы в силовых уста новках. Объемные гидроприводы широко распространены в раз личных отраслях техники, что обусловлено рядом их преимуществ по сравнению, например, с механическими, электрическими и дру гими видами приводов. Наиболее важными преимуществами объем ных гидроприводов являются:
1) относительно малый вес, приходящийся на единицу мощно сти (в 5—10 раз меньше, чем у электрических агрегатов);
2)возможность бесступенчатого регулирования на ходу при помощи простых средств управления;
3)быстрый реверс исполнительного органа машины;
4)возможность получения жесткой скоростной характеристики под нагрузкой;
5)способность выдерживать значительные перегрузки;
6)большая чувствительность и малая инерционность;
7)простота раздельной (независимой) установки насоса и гид родвигателя.
|
* Гидравликой называется техническая механика жидкости, изучаю |
щая |
законы равновесий и движения различных жидкостей и разрабатываю |
щая |
способы применения этих законов. Пневматикой называется отрасль |
техники сжатого воздуха.
5
К недостаткам объемных гидравлических приводов |
относятся: |
1) изменение характеристик привода, связанное с изменением |
|
свойств рабочей жидкости в процессе эксплуатации |
(нагревание |
жидкости, ее воздухонасыщение и загрязнение); |
|
2) сложность изготовления скользящих пар и уплотнений для предотвращения утечек жидкости, особенно в установках, работаю
щих |
при высоких давлениях |
и скоростях |
движения; |
3) |
огнеопасность и взрывоопасность |
рабочей жидкости в гид |
|
ропередачах. |
|
|
|
П н е в м а т и ч е с к и е |
приводы обладают рядом преимуществ |
||
по сравнению с гидроприводами. Они более надежны в работе при резких изменениях температурного режима, не требуют уплотне ний повышенного качества, просты в изготовлении и обслужива нии. Но в отличие от гидроприводов пневматические приводы имеют больший вес, приходящийся на единицу мощности, не обеспечивают стабильную скорость и жесткую передачу сил (моментов) при пе ременной нагрузке, усложняют эксплуатацию при больших давле ниях и скоростях движения.
Наряду с силовыми установками, гидравлические и пневмати ческие элементы применяются также и в системах командных устройств, но уступают в них электрическим элементам. В этом отношении более удобными оказались комбинированные (электро гидравлические и электропневматические) системы, в которых функции силового воздействия осуществляют гидравлические и пневматические устройства, а командные функции исполняют элек трические элементы. •
Особое место в пневматике занимают пневматические измери тельные системы, предназначаемые для контроля линейных разме ров и геометрических форм ряда изделий массового производства. Пневматические измерительные системы характеризуются относи тельно простой конструкцией, высокой точностью, позволяют пе редавать сигнал о результатах измерения на расстояние и произ водить контроль с приложением небольших усилий.
Расчеты, связанные с конструированием гидравлических и пневматических устройств и систем, в значительной своей части содержат гидравлические расчеты. Они производятся в соответст вии с принятой и надлежаще обоснованной расчетной моделью того или иного явления, сопровождающего рабочий процесс в гидрав лических (пневматических) устройствах и системах.
Большое значение при выполнении гидравлических расчетов имеет правильное установление различных физических характери
стик и свойств рабочей среды (жидкости или газа). |
|
Физические характеристики рабочей среды могут |
изменяться |
под влиянием внешних факторов и тем самым вызывать |
изменения |
рабочего процесса, совершаемого гидравлическим или пневматиче ским устройством.
Рассмотрим наиболее важные в механическом отношении фи зические характеристики жидкостей и газов.
В широком смысле термином жидкость обозначают вещество, способное непрерывно деформироваться под действием достаточно малых касательных напряжений. Жидкости подразделяются на несжимаемые (капельные) и сжимаемые (газообразные) в зависи мости от их реакции на сопротивление сжимающим усилиям.
Действительное молекулярное строение жидкости заменяется моделью, согласно которой жидкость представляет собой сплошную среду. В такой среде все физические характеристики (плотность, вязкость, температура, скорость, давление и т. п.) распределяются непрерывно. На границах с твердыми стенками жидкость обладает
свойством прилипания, сцепления с поверхностью, что |
приводит |
к нулевой скорости движения жидкости на неподвижной |
граничной |
поверхности. |
|
Силы, действующие на выделенный объем жидкости и являю щиеся по отношению к нему внешними силами, подразделяются на м а с с о в ы е (объемные) и п о в е р х н о с т н ы е .
Массовые силы возникают благодаря действию гравитацион ного и магнитного * полей. Массовыми считаются и силы инерции. Величина массовой силы равна произведению массы на ускорение.
Поверхностные силы включают в себя: силы, действующие по нормали к контрольной поверхности выделенного объема, и силы, действующие тангенциально к контрольной поверхности. Удельные значения этих сил, приходящиеся на единицу площади, называются
н о р м а л ь н ы м и |
и к а с а т е л ь н ы м и |
н а п р я ж е |
||||||
н и я м и . Нормальное |
напряжение |
сжатия называется |
д а в л е |
|||||
н и е м . |
Давление измеряется в технических |
и физических |
атмо |
|||||
сферах |
(1 техническая' атмосфера = |
1 кГ/см2, |
1 физическая |
атмо |
||||
сфер а = |
1,0332 кГ/см2), |
в единицах |
СИ |
— . |
|
|
|
|
Отношение массы к |
объему жидкости |
называется |
п л о т н о |
|||||
с т ь ю . |
Плотность р измеряется в единицах кг/м3 (система СИ) и. |
|||||||
|
(система МКГСС). Плотность будет постоянной, |
если объем |
||||||
данного количества вещества остается неизменным.
Отношение веса к объему жидкости называется у д е л ь н ы м в е с о м . Удельный вес у измеряется в единицах н/м3 (система СИ)
кГ |
|
|
|
|
и — |
(система МКГСС). |
Плотность и удельный |
вес — взаимосвя- |
|
занные величины |
|
|
' о ) |
|
|
|
P - f . |
|
|
где g |
— ускорение силы тяжести (g |
= 9,81 м/сек2). |
||
Мера изменения объема и плотности вещества при воздействии |
||||
нормальных напряжений |
сжатия называется |
к о э ф ф и ц и е н |
||
т о м |
о б ъ е м н о г о с ж а т и я . |
Величина, |
обратная коэффи- |
|
*^Чассовые силы, обусловленные действием магнитного поля, рассмат риваются в специальных курсах .
7
циенту объемного сжатия, называется о б ъ е м н ы м |
м о д у л е м |
|
у п р у г о с т и |
|
|
Р _ |
dp _ dp |
,g. |
w P
где dp •— приращение давления; dW — изменение объема;
dp — изменение плотности; W — начальный объем;
р— начальная плотность.
Укапельных жидкостей значение Еаб примерно в 100 раз меньше, чем для стали, и в 20 тысяч раз больше, чем для воздуха. Таким об разом, изменение плотности жидкости становится практически за метным при изменении давления более чем на 100 am.
В отличие от капельных жидкостей, плотность газов сущест венно зависит не только от давления, но и от температуры. Зависи мость плотности от давления и температуры устанавливается по уравнению состояния. Для совершенных и весьма перегретых ре альных газов уравнение состояния записывается в форме Кла пейрона—Менделеева (в единицах МКГСС).
|
|
|
|
(3) |
где |
р — абсолютное |
давление, |
кГ/м2; |
|
р — плотность, |
кГсек? |
|
||
; |
|
|||
Т — абсолютная температура, °К; |
||||
R |
— газовая |
постоянная, |
к Г м |
|
Изменение параметров газа |
кГ • град |
|||
при переходе из одного состояния |
||||
в другое зависит |
от |
характера |
протекания процесса перехода и |
|
описывается уравнением процесса. Процесс перехода при постоян
ной температуре называется и з о т е р м и ч е с к и м |
и описы |
вается уравнением |
|
-^-=const. |
(4) |
-Процесс перехода при отсутствии теплообмена называется адиа батным. Адиабатный обратимый процесс называется изоэнтропным:
|
— = const, |
_ |
(5) |
|
Pft |
|
|
где k — — |
показатель изоэнтропы, |
причем ср |
и cw — удель- |
ные теплоемкости при постоянном давлении и постоянном объеме. Распространение малых возмущений давления в неограничен-
ном объеме сплошной среды или же в объеме, ограниченном абсо лютно жесткими стенками, происходит со скоростью, равной ско рости звука а
(6)
Для капельных жидкостей значение Еоб определяется по экс периментальным данным. Для газов с большой точностью можно принять £ о б = k-p (адиабатный объемный модуль упругости).
Если изменение плотности, сопровождающее распространение звуковой волны, происходит изоэнтропно, то скорость звука за висит только от природы газа и его температуры:
(6а)
Равновесное парциальное давление, которое оказывают на сво бодную поверхность молекулы, покидающие объем жидкости, на
зывается |
д а в л е н и е м н а с ы щ е н н о г о п а р а |
р н . Вели |
чина рн |
зависит от природы жидкости и ее температуры. |
Если дав |
ление в жидкости понижается до величины р н , то сплошность жид кости нарушается, появляются паровые пузырьки, или каверны, — происходит холодное кипение. Последующее смыкание пузырьков
(каверн), в области повышенного давления ( р > р „ ) |
сопровождается |
резким увеличением давления. Весь этот процесс |
называется к а - |
в и т а ц и е й . |
|
Опытные данные свидетельствуют о том, что касательные напря жения в жидкостях зависят от скорости деформации, а не от самой деформации, как это имеет место для твердых тел. Жидкости, ко
торые удовлетворяют этому предположению, |
называются н ь ю |
|
т о н о в с к и м и . |
Ньютоном было установлено, что касательные |
|
напряжения т при |
параллельном движении |
жидкости (см. ниже |
§ 3 и |
рис. 9, б) вдоль твердой стенки |
прямо пропорциональны ско |
||
рости |
угловой деформации (поперечному градиенту |
скорости) — |
||
|
|
|
|
dy |
Коэффициент пропорциональности |
j.i называется |
д и н а м и ч е |
||
с к и м к о э ф ф и ц и е н т о м |
в я з к о с т и ' |
|
||
Уравнение (7) показывает зависимость между силой и парамет рами движения. Действие вязкости состоит в том, что касательные напряжения появляются в результате поперечного молекулярного переноса импульса (количества движения) при сдвиге слоев жид кости.
Отношение динамического коэффициента вязкости к плотности жидкости называется кинематическим коэффициентом вязкости
(8)
9