Гидропривод и гидропневмоавтоматика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вопрос 1. Объясните назначение и классификацию гидравлических исполнительных двигателей

Гидравлические исполнительные механизмы предназначены для преобразования изменения давления жидкости в перемещение регулирующего органа (РО). Есть два типа гидравлических исполнительных механизмов: прямого хода (с поступательным движением штока) и кривошипные (с поворотным устройством).

Назначение РО - изменить количество вещества или энергии, подаваемых на вход объекта регулирования при изменении регулирующего параметра.

В промышленности используют поршневые и мембранные ИМ поступательного действия. В ИМ вращательного действия кривошипно-ползунного типа угол поворота вала составляет 300°. Перемещение поршня в цилиндре преобразуется с помощью шатуна и кривошипа в угол поворота выходного вала. В ИМ вращательного действия лопастного типа в цилиндре расположена прямоугольная лопасть, жёстко закреплённая на валу, к которому примыкает перегородка. Внутри перегородки находится уплотнительная планка, поджимаемая к валу пружиной.

Поршневые исполнительные механизмы прямого хода состоят из цилиндра с поршнем. Жидкость под высоким давлением подается в цилиндр и перемещает поршень, шток которого соединен со штоком РО. Входным сигналом поршневого ИМ, соответствующим командному сигналу регулятора, является объемный расход масла F, а выходным - перемещение штока h. Взаимосвязь между ними выражается уравнением:

где А - площадь поперечного сечения цилиндра.

Таким образом, поршневой гидравлический ИМ является интегрирующим звеном.

При соединении штока с кривошипом получается кривошипный ИМ, управляющий поворотными (заслоночными) регулирующими органами.

При выборе РО необходимо учитывать свойства и характеристики среды (состояние, агрессивность, способность к кристаллизации и др.), параметры регулируемой среды (температура, давление, влажность и т.п.), минимальные и максимальные расходы среды через РО, влияние рабочей среды на работу РО (взрывоопасность, вибрация). Регулирующий орган должен быть сопряжён с исполнительным механизмом.

Пневматические и гидравлические ИМ обладают рядом преимуществ перед электрическими ИМ: высокой надежностью, большим ресурсом работы, возможностью плавного изменения выходных параметров в широком диапазоне, простотой преобразования энергии потока жидкости или газа в механическую мощность на выходе ИМ, устойчивостью к вибрации.

Вопрос 2. Изложите уравнение неразрывности потока и уравнение Бернулли для потока идеальной и реальной жидкости

Движение жидкостей называется течением, а множество частиц движущейся жидкости - потоком. Графически движение жидкостей изображается с помощью линий тока, которые рисуются таким образом, что касательные к ним совпадают по направлению с вектором скорости жидкости в соответствующих точках пространства (рис. 1).

Скорость движения частиц жидкости неодинаковы по сечению ее потока. Поэтому вводится понятие о средней скорости потока всех частиц жидкости в сечении.

Рисунок 1 - Линии тока

Рисунок 2

гидравлический двигатель бернулли

Допустим, что в сечении I-I трубы (рис. 2) все частицы имеют среднюю скорость w, тогда за единицу времени они пройдут путь, равный w, и переместятся в сечение II-II. Объем жидкости, протекающей в единицу времени через сечение I-I , будет равен V, заключенному между сечениями I-I и II-II, т.е. произведению средней скорости w на площадь поперечного сечения S потока.

Это произведение представляет собой объемный расход жидкости:

V=wS [м3/с]

уравнение расхода, где w-линейная скорость (путь, проходимый жидкостью в ед. времени)

откуда w=V/S [м/с]

Массовая скорость W представляет собой количество жидкости, протекающее через ед. поперечного сечения потока, в ед. времени, и определяется из соотношения:

W=G/S [кг/м2с] где G - массовый расход жидкости [кг/c]

W=wс - зависимость м/д массовой и линейной скоростью.

Если скорость частиц жидкости не изменяются во времени, ее движение считается установившимся. При установившемся движении в каждом сечении потока постоянны не только скорость, но и расход, температура, давление и плотность жидкости. Вместе с тем при установившемся движении скорости потока могут изменяться в пространстве, при переходе жидкости от одного сечения к другому.

Рисунок 3

Рассмотрим установившееся движение жидкости, ограниченной стенками любой формы, например движение в трубе переменного сечения (рис. 3). Движущаяся жидкость сплошь заполняет трубу, в которой, таким образом, нет пустот и разрывов потока. При переходе от сечения S1 к сечению S2 скорость жидкости будет изменяться, но по закону сохранения вещества количество жидкости, поступающей в единицу времени через сечение S1, будет равно количеству ее, протекающему через сечение S2, т.е. расход жидкости останется постоянным. В том случае, если эти количества не были бы равны, жидкость накапливалась бы в трубе, между сечениями S1 и S2, и здесь происходило бы возрастание ее плотности и давления, что при установившемся движении невозможно.

Принимая массовые скорости жидкости в сечениях S1 и S2 равным соответственно W1 и W2, можно написать

G=S1W1=S2W2=S1w1с1=S2w2с2=const

где с1, с2-плотность жидкости в сечениях S1 и S2.

Для несжимаемой жидкости с1=с2 и уравнение принимает вид

V=S1w1=S2w2=const

Данное уравнение представляет собой материальный баланс потока жидкости и называются уравнение неразрывности потока.

Согласно этим уравнениям, средние скорости жидкости в различных сечениях трубопровода обратно пропорциональны площадям этих сечений. Произведение скорости на сечение, т.е. расход жидкости при установившемся движении, есть величина постоянная.

Уравнение Бернулли для идеальной жидкости.

Уравнение Даниила Бернулли, полученное в 1738 г., является фундаментальным уравнением гидродинамики. Оно дает связь между давлением P, средней скоростью х и пьезометрической высотой z в различных сечениях потока и выражает закон сохранения энергии движущейся жидкости. С помощью этого уравнения решается большой круг гидравлических задач.

Рассмотрим трубопровод переменного диаметра, расположенный в пространстве под углом в (рис. 4).

Рисунок 4 - Схема к выводу уравнения Бернулли для идеальной жидкости

Выберем произвольно на рассматриваемом участке трубопровода два сечения: сечение 1-1 и сечение 2-2. Вверх по трубопроводу от первого сечения ко второму движется жидкость, расход которой равен Q.

Для измерения давления жидкости применяют пьезометры - тонкостенные стеклянные трубки, в которых жидкость поднимается на высоту . В каждом сечении установлены пьезометры, в которых уровень жидкости поднимается на разные высоты.

Кроме пьезометров в каждом сечении 1-1 и 2-2 установлена трубка, загнутый конец которой направлен навстречу потоку жидкости, которая называется трубка Пито. Жидкость в трубках Пито также поднимается на разные уровни, если отсчитывать их от пьезометрической линии.

Пьезометрическую линию можно построить следующим образом. Если между сечением 1-1 и 2-2 поставить несколько таких же пьезометров и через показания уровней жидкости в них провести кривую, то мы получим ломаную линию (рис.4).

Однако высота уровней в трубках Пито относительно произвольной горизонтальной прямой 0-0, называемой плоскостью сравнения, будет одинакова.

Если через показания уровней жидкости в трубках Пито провести линию, то она будет горизонтальна, и будет отражать уровень полной энергии трубопровода.

Для двух произвольных сечений 1-1 и 2-2 потока идеальной жидкости уравнение Бернулли имеет следующий вид:

Так как сечения 1-1 и 2-2 взяты произвольно, то полученное уравнение можно переписать иначе:

и прочитать так: сумма трех членов уравнения Бернулли для любого сечения потока идеальной жидкости есть величина постоянная.

С энергетической точки зрения каждый член уравнения представляет собой определенные виды энергии:

z1 и z2 - удельные энергии положения, характеризующие потенциальную энергию в сечениях 1-1 и 2-2;

- удельные энергии давления, характеризующие потенциальную энергию давления в тех же сечениях;

- удельные кинетические энергии в тех же сечениях.

Следовательно, согласно уравнению Бернулли, полная удельная энергия идеальной жидкости в любом сечении постоянна.

Уравнение Бернулли можно истолковать и геометрически. Дело в том, что каждый член уравнения имеет линейную размерность. Глядя на рис.4, можно заметить, что z1 и z2 - геометрические высоты сечений 1-1 и 2-2 над плоскостью сравнения;  - пьезометрические высоты;  - скоростные высоты в указанных сечениях.

В этом случае уравнение Бернулли можно прочитать так: сумма геометрической, пьезометрической и скоростной высоты для идеальной жидкости есть величина постоянная.

Уравнение Бернулли для реальной жидкости

Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости несколько отличается от уравнения

Дело в том, что при движении реальной вязкой жидкости возникают силы трения, на преодоление которых жидкость затрачивает энергию. В результате полная удельная энергия жидкости в сечении 1-1 будет больше полной удельной энергии в сечении 2-2 на величину потерянной энергии (рис. 5).

Рисунок 5 - Схема к выводу уравнения Бернулли для реальной жидкости

Потерянная энергия или потерянный напор обозначаются  и имеют также линейную размерность.

Уравнение Бернулли для реальной жидкости будет иметь вид:

Из рис. 5 видно, что по мере движения жидкости от сечения 1-1 до сечения 2-2 потерянный напор все время увеличивается (потерянный напор выделен вертикальной штриховкой). Таким образом, уровень первоначальной энергии, которой обладает жидкость в первом сечении, для второго сечения будет складываться из четырех составляющих: геометрической высоты, пьезометрической высоты, скоростной высоты и потерянного напора между сечениями 1-1 и 2-2.

Кроме этого в уравнении появились еще два коэффициента б1 и б2, которые называются коэффициентами Кориолиса и зависят от режима течения жидкости (б = 2 для ламинарного режима, б = 1 для турбулентного режима).

Потерянная высота  складывается из потерь по длине, вызванных силой трения между слоями жидкости, и потерь, вызванных местными сопротивлениями (изменениями конфигурации потока)

= hлин + hмест

С помощью уравнения Бернулли решается большинство задач практической гидравлики. Для этого выбирают два сечения по длине потока, таким образом, чтобы для одного из них были известны величины Р, с, g, а для другого сечения одна или величины подлежали определению. При двух неизвестных для второго сечения используют уравнение постоянства расхода жидкости х1щ 1 = х2щ2.

Условия применимости уравнения Бернулли следующие:

1. Движение установившиеся; из массовых сил действует только сила тяжести.

2. Сечения берутся только там, где поток параллельноструйчатый или плавно изменяющийся. При этом совсем не обязательно, чтобы поток на всем участке между рассматриваемыми сечениями был близким к параллельноструйчатому.

3. Для сжимаемой жидкости движение должно происходить при постоянном давлении и температуре без разрывов струй и образований пустот.

Сечения потока плоские и перпендикулярны векторам скорости.

3. Задача

Определите диаметр поршня, если усилие, создаваемое станком 13 кH, давление в линии нагнетания 7 Мпа, давление в линии слива 0,3 Мпа, коэффициент механических потерь 0,85.

Дано:

F=13kH=13000H

?=0,85

-?

Решение:

=0,050

Ответ:

4. Задача

Время срабатывания пневмоцилиндра 10 с, расход воздуха 15000 м3/мин, диаметр поршня 100 мм, внутренний диаметр воздуховода 9 мм. Определить ход поршня цилиндра.

Дано:

t=10c

D=100мм=0,1м

d=9мм=0,009м

Q=1500=25

L-?

Решение:

=2580мм

Ответ:L=2580мм

Размещено на Allbest.ru