Свойства жидкостей и основные соотношения теории гидропривода

Теория гидропривода основана на двух разделах гидравлики: гидростатике, изучающей законы равновесия в системах с неподвижными капельными жидкостями, и гидродинамике, изучающей формы движения и действующие при этом силы в системах с движущимися капельными жидкостями.
В качестве рабочих жидкостей в гидроприводах ЭТУ используют минеральные масла и синтетические жидкости. Являясь рабочим телом гидравлических устройств, наряду с функциями передачи энергии в гидросистемах они обеспечивают смазку трущихся поверхностей элементов гидропривода, антикоррозионную защиту, отвод загрязнений и теплоты из гидросистем. Основные физические свойства жидкостей: плотность, кг/м3
здесь F — касательная сила, необходимая для смещения в ламинарном потоке слоя жидкости площадью s в направлении у со скоростью v, Н; \х — динамический коэффициент вязкости, Н«с/м2=1 П (пуаз).
В теории гидропривода используются также понятия относительной плотности ро=р/рв, где рв — плотность воды при /=3,98°С; модуля упругости жидкости Е— 1/р, Па; кинематического коэффициента вязкости v=jx/p, м2/с. Часто используют более мелкие единицы вязкости.
Кроме указанных свойств рабочие жидкости оцениваются физической, механической и химической стабильностями. Физическая стабильность представляет собой способность жидкости длительно сохранять свои начальные физические свойства. Механическая стабильность — это способность жидкости работать при значительных вибрациях без разрушения на компоненты. Химическая стабильность характеризует устойчивость жидкости к окислению кислородом воздуха.
При решении задач гидропривода часто используют понятие идеальной жидкости, т. е. нерасширяющейся и несжимаемой жидкости, обладающей абсолютной подвижностью частиц при отсутствии сил внутреннего трения. В задачах гидростатики понятием идеальной жидкости пользуются всегда, так как покоящаяся жидкость характеризуется свойствами, близкими к свойствам идеальной жидкости.
Гидростатические свойства жидкости проявляются в следующем. Каждая жидкость производит своим весом гидростатическое давление на поверхность, зависящее от плотности жидкости р и высоты столба жидкости h, Па, где g — ускорение свободного падения.
Давление внешних сил на часть замкнутой в объеме жидкости согласно закону Паскаля передается в любой точке объема во все стороны одинаково.
Гидродинамика также широко использует понятие идеальной жидкости. Но в некоторых случаях, когда изменения вязкости реальной жидкости значительны, расчеты, построенные на свойствах идеальной жидкости, могут привести к существенным погрешностям. Критерием правомерности теоретических расчетов является их экспериментальная проверка на натурных объектах или в лабораторных условиях, после чего результаты расчета могут быть соответствующим образом скорректированы.
Различают два вида течения жидкости — ламинарное и турбулентное. Ламинарное течение жидкости характеризуется отсутствием завихрений в потоке. Векторы скоростей элементарных струй жидкости параллельны в каждой точке трубопровода. При возникновении завихрений в потоке жидкости он становится турбулентным. Вид течения зависит от скорости течения жидкости v, м/с, диаметра трубы d, м, динамической вязкости ц, Н-с/м2 и плотности жидкости р, кг/м3. Критерий ламинариости потока жидкости, где Re=vpd/\i — безразмерное число Рейнольдса; критическое значение числа Рейнольдса, которое для круглых трубопроводов, например, равно 2320.
Переход от ламинарного движения к турбулентному происходит как по всему сечению трубопровода при больших скоростях потока, так и в местах резкого изменения диаметра или направления трубопровода, когда скорость во всем сечении потока или в отдельных местах его возрастает.
При всасывании жидкости гидронасосами в трубе, связывающей насос баком, давление снижается. Как известно, снижение давления приводит к снижению температуры кипения и парообразования жидкостей, поэтому во всасывающей трубе может возникнуть явление кавитации — смешения паров жидкости с самой жидкостью. Это вредное явление вызывает гидравлические удары в трубах, вибрацию насосов и разрушение металла в местах кавитации.
Движущаяся жидкость обладает свойством непрерывности потока, согласно которому движение жидкости в трубе с переменным сечением подчинено закону постоянства расхода т. е. скорость в такой трубе обратно пропорциональна сечению. При этом стенки трубопровода испытывают кроме статического и динамическое давление, являющееся мерой энергии движения жидкости. Динамическое давление
Рассмотрим движение идеальной жидкости в наклонной трубе, показанной на рис. 3.4, в координатах А, / и р, I. Согласно закону постоянства расхода через сечения S1 и S2. В сечениях S\ и действуют статические давления р\ и /?2> уровень которых определяется прямой 1. Элементарная энергия, равная работе по перемещению жидкости в любом s, сечении под действием силы F1, определяется как, где dli — элементарное перемещение жидкости в сечении за время dt.
Движущаяся жидкость на сечения S\ и $2 оказывает динамические или скоростные давления рл\ и рД2, которые могут быть определены экспериментально специально изогнутыми трубками Пито (прямая на рис. 3.4). Элементарная кинетическая энергия движущейся жидкости в t-м сечении определяется выражением
Согласно закону постоянства расхода жидкости (3.7) для любого сечения трубопровода, разделив левую и правую части (3.13) на Qdt=svdt=const, получим уравнение Бернулли для идеальной жидкости
Уравнение Бернулли является уравнением энергетического баланса для единицы веса жидкости. Оно устанавливает связь между статической р, динамической pv2/2 составляющей давления и составляющей давления положения единицы веса жидкости.
Для реальной жидкости при перемещении ее по участку гидроцепи между двумя сечениями характерно наличие потерь давления, обусловленное как трением жидкости о стенки гидропровода, так и внутренним трением в движущейся жидкости. Тогда при движении жидкости от сечения St к сечению $2 уравнение Бернулли можно представить в виде
В гидромагистралях потери энергии давления наблюдаются как в прямых гидропроводах, пропорционально возрастая с ростом длины гидропровода и снижаясь с рос-
том диаметра гидропровода, так и в так называемых узлах концентрации потерь—в местных сопротивлениях. Такими узлами являются изгибы и сужения труб, выступы уплотнений и т. д. Часть потерь обусловлена наличием утечек жидкости в элементах гидропривода — насосах, двигателях, распределителях и т. д.
Следует отметить, что в гидроцепях, содержащих активные элементы — гидронасосы и гидродвигатели, последние могут рассматриваться как источники энергии движущейся жидкости — гидронасосы, так и узлы концентрации потерь энергии потока — гидродвигатели. Потери гидроэнергии в гидродвигателях обусловлены как вредными явлениями: внутренним трением в жидкости, трением между жидкостью и элементами конструкции гидродвигателей, трением между подвижными частями гидродвигателей, так и полезным преобразованием потерянной для гидросистемы энергии в энергию на валу гидродвигателя, совершающую полезную работу.
Наличие потерь энергии в элементах гидроприводов, как и при любом способе преобразования энергии, неизбежно и оказывает существенное влияние на механические свойства гидроприводов. Снижение потерь энергии в гидросистемах является одной из задач при проектировании, монтаже и эксплуатации гидроприводов.