Курс лекций по дисциплине «Гидравлические и пневматические системы»

Тема 1.3 Гидравлические машины.
Общие сведения о гидросистемах
В современной технике в основном используются гидросисте­мы двух типов:
гидросистемы для подачи жидкости;
гидравлические приводы.
Для гидросистем, обеспечивающих подачу жидкости к потреби­телям, характерно отсутствие устройств, преобразующих энергию жидкости в механическую работу.
К таким гидросистемам относятся: системы водоснабжения и водяного теплоснабжения зданий, системы жидкостного охлажде­ния и смазывания различных машин, а также системы подачи смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) металлорежущих станков и др.
Такие гидросистемы относятся к классу разомкнутых гидроси­стем, в которых, как правило, движение жидкости обеспечивает­ся за счет работы насоса.
Метод аналитического расчета этих гидросистем базируется на уравнении, а при решении задачи графоаналитическим ме­тодом следует искать рабочую точку как точку пересечения харак­теристики насоса с суммарной характеристикой потребного напо­ра трубопровода.
Гидравлическим приводом называется совокупность устройств, предназначенная для передачи механической энергии и преобра­зования движения посредством рабочей жидкости. Гидравлические приводы, как правило, относятся к классу замкнутых гидросистем.
В некоторых литературных источниках используется также термин гидропередача. Под гидропередачей в большинстве случаем понимают силовую часть гидропривода, состоящую из насоса гидродвигателя и соединительных трубопроводов с рабочей жид­костью.

Гидромашины, их общая классификация и основные параметры.
Основными элементами гидросистем являются гидромашины. Гидромашина — это устройство, создающее или использующее поток жидкой среды.
Посредством этого устройства происходит преобразование под­водимой механической энергии в энергию потока жидкости или использование энергии потока рабочей жидкости для совершения полезной работы. К гидромашинам относятся насосы и гидродви­гатели.
Насосом называется гидромашина, преобразующая механиче­скую энергию привода в энергию потока рабочей жидкости. Ос­новными параметрами, характеризующими работу насоса, привод которого осуществляется от источника механической энергии вра­щательного движения, являются:
напор насоса Н_н, м — приращение полной удельной механиче­ской энергии жидкости в насосе;
подана насоса Q_H, м³/с — объем жидкости, подаваемый насо­сом в напорный трубопровод в единицу времени; частота вращения вала насоса п, об/с, или с^-1; угловая скоростью, рад/с (угловая скорость и частота вращения вала насоса связаны между собой соотношением со = 2пп);
потребляемая мощность насоса N, Вт — мощность, подводимая к валу насоса;
полезная мощность насоса N_n, Вт — мощность, сообщаемая на­сосом потоку жидкости;
коэффициент полезного действия (КПД) насоса ŋ_н — отноше­ние полезной мощности насоса к потребляемой.
Некоторые из отмеченных параметров необходимо рассмотреть подробнее.
Одним из важнейших параметров насоса является его напор. Он равен разности полных напоров жидкости на выходе насоса и на входе в него, т.е. зависит от нивелирных высот z, давлений р, ско­ростей течения жидкости v, а также коэффициентов Кориолиса α и плотности жидкости р. После алгебраических преобразований эта разность приводится к формуле
(5.1)
где индексы 1 относятся к параметрам на входе в насос, а 2 — на выходе.
Для существующих конструкций насосов разность высот (Z2~Z1) расположения центров тяжести входного и выходного проходных сечений ничтожно мала и ею в расчетах пренебрегают.
Разность скоростных напоров [третье слагаемое в формуле (5.1)]можно принимать во внимание только в низконапорных насосах при условии, что у них площади входного и выходного отверстий отличаются по размерам.
Для подавляющего большинства насосов основной величиной, определяющей значение напора насоса, является разность пьезо­метрических высот [второе слагаемое в формуле (5.1)]. Очень час­то разность давлений на выходе и входе насоса называют давлени­ем, создаваемым насосом, или просто давлением насоса Р_Н=Р2~Р1- Таким образом, с учетом сказанного выше для большинства насо­сов можно считать
(5.2)
Необходимо также рассмотреть такой важный параметр насоса, как коэффициент полезного действия. КПД, или полный КПД, насоса определяется отношением полезной и потребляемой мощ­ностей. Потребляемая мощность насоса N, т.е. мощность на его валу, определяется по формуле
(5.3)
где М_н — момент на валу насоса; со — угловая скорость вала насоса.
Полезная мощность N_n, т. е. мощность, сообщаемая насосом по­току жидкости, определяется по формуле
(5.4)
Тогда полный КПД насоса
(5.5)
Необходимо отметить, что для характеристики работы гидромашин, кроме полного КПД, используют также частные КПД, которые учитывают различные виды потерь энергии. Различают три основных вида потерь энергии.
1. Гидравлические потери — это потери напора на движение жидкости в каналах внутри гидромашины. Они оцениваются гид­равлическим КПД η_r. Применительно к насосу гидравлический КПД
(5.6)

где Н_т — теоретический напор насоса; — суммарные потери напора на движение жидкости внутри насоса.

2. Объемные потери — это потери на утечки и циркуляцию жил кости через зазоры внутри гидромашины из области высокого давления в область низкого. Они оцениваются объемным КПДηο .При­менительно к насосу объемный КПД можно рассчитать следующим образом
(5.7)
где Q_T — теоретическая подача насоса; q_yx — суммарная утечка жидкости из области нагнетания в область всасывания.
3. Механические потери — это потери на механическое трение в подшипниках и уплотнениях гидромашины, оцениваемые механи­ческим КПДηο .Применительно к насосу механический КПД мож­но определить по формуле
(5.8)

где ∆N_тр — мощность, затрачиваемая на преодоление сил трения, возникающих в подшипниках и уплотнениях насоса; N_r — гидрав­лическая мощность — мощность, которую насос создал бы, если бы не было объемных и гидравлических потерь.

Следует иметь в виду, что полный КПД насоса ηн равен произ­ведению трех частных КПД:
(5.9)