Образовательное учреждение высшего образования «Южно-Уральский институт управления и экономики» (ОУВО «ЮУИУиЭ») Кафедра «Транспорт и электроэнергетика» Компьютерный анимационный материал по дисциплине Разработан доктором технических наук, профессором В.С. Кукисом Мы должны рассмотреть пять тем: Тема 1. Гидростатика Тема 2. Гидродинамика Тема 3. Гидравлический расчет трубопроводов Тема 4. Гидромашины Тема 5. Основы гидрои пневмопривода Тема 1: ГИДРОСТАТИКА УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ : 1.Предмет гидравлики. 2. Основные свойства жидкости. 3. Гидростатика. 1. Предмет гидравлики Гидравлика - это прикладная техническая наука о законах равновесия и движения жидкостей , о их взаимодействии с соприкасающимися с ними неподвижными или движущимися твердыми телами Слово «гидравлика» происходит от сочетания двух греческих слов: «hydоr» (вода) и «aulos» (труба) Термин «жидкость» объединяет все физические тела, обладающие текучестью и не имеющие своей формы, а принимающие форму емкости (сосуда), в которой они находятся. Текучестью называют способность жидкости изменять свою форму, не дробясь на части, под действием даже небольших сил. Сказанное позволяет понять, что термин «жидкость» объединяет и собственно жидкие вещества (которые называют капельными жидкостями) и газообразные вещества (которые иногда называют упругими жидкостями, а чаще просто газами). С точки зрения механики, капельные жидкости и газы различаются только сжимаемостью Схема расположения молекул в телах, находящихся в различных физических состояниях Твердое тело Капельная жидкость Жидкость Упругая жидкость (газ) 2. Основные свойства жидкости 1. Параметры состояния: - Абсолютное давление (р); - Абсолютная температура (Т); - Плотность (ρ) [удельный объем (v)]. 2. Сжимаемость. 3. Температурное расширение. 4. Вязкость. К понятию «абсолютное давление» Удар молекулы о стенку, ограничивающую жидкость Соотношения между единицами измерения давления Единица Па кгс/м2 ат (кгс/см2) 1 Па 1 10,20 . 10-2 10,20 . 10-6 1 бар 105 10,20.103 10,20 1 кгс/м2 9,807 1,0 10-4 104 1,0 1 ат (кгс/см2) 9,807.104 1 атм 101,3.103 1,033.104 1,033 1 мм вод. ст. 9,807 1,0 10-4 1 мм рт. ст. 133,3 13,59 13,59.10-4 Техническая атмосфера (ат) - это сила, с которой действует столб ртути (имеющей температуру 0 С, находящейся на уровне моря, на широте 45) высотой 735,6 мм на основание площадью в 1 см2. Физическая атмосфера (атм) отличается от технической тем, что при тех же условиях высота столба ртути составляет 760 мм. Если вместо ртути использовать воду, то высота столба при 4 С и остальных указанных выше условиях, соответствующая одной технической атмосфере, будет равняться 10 м, а одной физической атмосфере – 10,333 м. р 0 бар 3 р (1 0,172 10 t ) t бар р H бар H 5,256 р бар (1 ) 44300 К понятиям «избыточное давление», «разрежение (вакуум)» Устройство барометра-анероида Понятие «Температура» Температура характеризует степень нагретости тел. Измеряется температура в градусах (от латинского слова gradus – ступень, степень). Масштаб градуса различен в различных температурных шкалах В настоящее время в мире используется пять температурных шкал: 1. Международная практическая температурная стоградусная шкала (t 0С). 2. Шкала Фаренгейта (t 0F). 3. Шкала Реомюра (t 0R). 4. Шкала Кельвина (T K). 5. Шкала Ренкина (Т 0Ra). Соотношения между шкалами Стоградусной (Цельсия), Фаренгейта и Рэнкина 5 t C t o F 32 9 o 9 t F t 0 C 32 5 o 5 t o C T o R 273,15 9 TK t C 273,15 o 9 t o F TK 459,67 5 To R 5 TK t o F 255,38 9 9 o t C 491,67 5 toR 9 TK 5 Сравнение некоторых точек в температурных шкалах Фаренгейта, стоградусной(Цельсия) и Кельвина Наименование параметра Шкалы Фаренгейта Стоградусная (Цельсия) Кельвина - 460 оF -273 оC 0K Точка замерзания воды 32 оF 0 оC 273 К Средняя комнатная температура 68 оF 20 оC 293 K Нормальная температура тела человека 98,6 оF 37 оC 310 K Точка кипения воды 212 оF 100 оC 373 K Абсолютный нуль Реперные точки международной практической температурной шкалы 1990 г. Температура Равновесное состояние T 90, K t 90 , оC Тройная точка равновесного водорода 13.81 -259.34 Точка кипения водорода при давлении 1атм 17.042 -256.108 Точка кипения равновесного водорода при 1атм 20.28 -252.87 Точка кипения неона при 1 атм 27.402 -246.048 Тройная точка кислорода 54.361 -218.789 Точка кипения кислорода при 1 атм 90.138 -182.962 Тройная точка воды 273.16 0.01 Точка кипения воды при 1 атм 373.15 100.0 Точка затвердевания цинка 692.73 419.58 Точка затвердевания серебра 1235.08 961.93 Точка затвердевания золота 1337.58 1064.43 Понятие «плотность» Плотность - это масса 1 м3 вещества (жидкости): m , V кг , 3 м где m - масса жидкости, кг; V- объем жидкости, м3. Величина, обратная плотности, называется удельным объемом. Удельный объем - это объем, занимаемой единицей массы вещества, в частности, жидкости: V v m м3 , кг Плотность жидкости не является постоянной величиной; она зависит от температуры и давления. С повышением температуры плотность жидкости, как правило, уменьшается, а с увеличением давления - увеличивается. Однако эти изменения не столь существенны и при обычных гидравлических расчетах не учитываются. Так, например, при изменении температуры воды от 4 до 100 0С плотность ее уменьшается до 0,96 г/см3, т. е. на 4 %. Приборы для определения плотности жидкости а б в а - ареометр без термометра; б - ареометр с термометром: 1 - шкала ареометра; 2 - термометр в - ареометр для определения плотности электролита аккумулятора Плотность некоторых капельных 3 жидкостей, кг/м (t= 0 0С; р=1 атм) вода 1000 ртуть 13600 бензины 716-761 дизельные топлива 831-932 автотракторные масла 916-930 низкозамерзающие жидкости 1087-1090 Сжимаемость Сжимаемость – это свойство капельной жидкости и газа изменять объем при изменении давления V V V1 Коэффициент объемного сжатия – 1 V p , Па 1 V p Температурное расширения Температурное расширение – это свойство жидкости изменять свой объем при изменении температуры V V V 1 Коэффициент температурного расширения 1 V 1 т , K V T Вязкость (внутреннее трение) - это способность капельных жидкостей сопротивляться взаимному перемещению их частиц друг относительно друга Основной количественной характеристикой вязкости является динамический коэффициент вязкости с/м2 (Па·с). Динамический коэффициент вязкости характеризует касательные напряжения, создаваемые силой внутреннего трения. В расчетах часто используется величина /ρ= - кинематический коэффициент вязкости, измеряемый в м2/c. Величину 104 м2/с называют Стокcом (по имени английского математика и физика Джона Стокса) и записывают как «Ст». Кинематический коэффициент вязкости характеризует ускорение частиц, вызванное силами вязкости. Вязкость зависит от многих фактов и, прежде всего, от температуры жидкости. При ее повышении вязкость уменьшается, при понижении - увеличивается. Объясняется это тем, что силы межмолекулярного взаимодействия с понижением температуры увеличиваются. Так, например, при понижении температуры воды от 100 до 0 0С ее вязкость увеличивается примерно в 6 раз, а вязкость моторных масел - в 25-30 раз. Сказанным объясняется трудность пуска поршневых ДВС при низких температурах окружающей среды. Вязкость моторного масла весьма существенно влияет на работу этих двигателей. Кроме пусковых качеств от нее зависят: эффективная мощность двигателя, расход топлива, износ трудящихся деталей, расход масла. Вязкость моторных топлив обычно отражена в их марке. КЛАССЫ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ МОТОРНЫХ МАСЕЛ Класс вязкости 4з/6 4з/8 6з/10 6 8 10 12 16 Кинематическая вязкость в мм2/с (сСт) при температуре 373 К 255 К 5,6-7,0 2600 7,0-9,5 2600 9,5-11,5 10400 5,6-7,0 7,0-9,5 9,5-11,5 11,5-13,0 15,0-18,0 - В соответствии с ГОСТ 17479.0-85 – ГОСТ 17479.3-85 основное обозначение моторных масел состоит из групп знаков: первая из которых обозначается буквой М (моторное) и не зависит от состава и свойства масла; вторая – цифрами, характеризующими класс кинематической вязкости третья — прописными буквами и обозначает принадлежность к группе масел по эксплуатационным свойствам. После прописной буквы в третьей группе знаков указывается присвоенный маслу индекс: индекс 1 присвоен маслам для карбюраторных двигателей, индекс 2 — для дизелей. В марке универсальных масел (единых для карбюраторных двигателей и дизелей) индекс в обозначении отсутствует. Группы масел по эксплуатационным свойствам Группа масел Рекомендуемая область применения моторных масел А Б1 Нефорсированные карбюраторные двигатели и дизели Малофорсированные карбюраторные двигатели, работающие в условиях, способствующих образованию высокотемпературных отложений и коррозии подшипников Малофорсированные дизели Б2 Группы масел по эксплуатационным свойствам Группа масел В1 В2 Г1 Г2 Д Е Рекомендуемая область применения моторных масел Среднефорсированные карбюраторные двигатели, работающие в условиях, способствующих окислению масла и образованию всех видов отложений Среднефорсированные дизели, предъявляющие повышенные требования к антикоррозионным, противоизносным свойствам масел и склонности к образованию высокотемпературных отложений Высокофорсированные карбюраторные двигатели, работающие в тяжелых эксплуатационных условиях, способствующих окислению масла, образованию всех видов отложений и коррозии Высокофорсированные дизели без наддува или с умеренным наддувом, работающие в эксплуатационных условиях, способствующих образованию высокотемпературных отложений Высокофорсированные дизели с наддувом, работающие в тяжелых эксплуатационных условиях или когда применяемое топливо требует использования масел с высокой нейтрализующей способностью, антикоррозионными и противоизносными свойствами, малой склонностью к образованию всех видов отложений Смазочные системы двигателей, работающих на топливе с высоким содержанием серы ПРИМЕРЫ ОБОЗНАЧЕНИЯ МОТОРНЫХ МАСЕЛ М-8-В1 М - моторное, 8 - класс вязкости, B1 - для среднефорсированных карбюраторных двигателей; М-6з/10-В М - моторное, 6з/10 - класс вязкости, В - универсальное масло для среднефорсированных карбюраторных двигателей и дизелей; М-16-А (Т) М - моторное, 16 - класс вязкости, А – для нефорсированных дизелей, (т) - трансмиссионное; М-8-Д (м) М - моторное, 8 - класс вязкости, Д - для высокофорсированных дизелей с наддувом, работающих в тяжелых эксплуатационных условиях; М-8-Г2 (к) М - моторное, 8 - класс вязкости, Г2 - для высокофорсированных дизелей без наддува или с умеренным наддувом, (к) - масло разработано для автомобилей семейства КамАЗ. Классификация масел по вязкости SAE SAE (Society of Automotive Engineers - американское Ассоциация Автомобильных Инженеров). Эта система стала самой распространенной системой индексации и классификации моторных масел в последнее время. Она описывает свойства вязкости и текучести - способности течь и, одновременно, "прилипать" к поверхности металла. Стандарт SAE J300 подразделяет моторные масла на шесть зимних (0W, 5W, 10W, 15W, 20W, и 25W) и пять летних (20, 30, 40 и 50). Сдвоенный номер означает всесезонное масло (5W-30, 5W-40, 10W-50 и т.д.). Сочетание значений вязкости летнего и зимнего сортов масла не означает арифметического сочетания свойств вязкости. Так, например, масло 5W-30 рекомендовано к эксплуатации при темпе-ратурах окружающей среды от -30 до +20 градусов. Вместе с этим летнее масло 30 может работать при температурах до 30 градусов, но только выше нуля. Модели жидкой среды Рассмотренные характеристики жидкости не всегда проявляются столь значительно, что должны быть учтены при решении задач. Так, в ряде случаев оправдано пренебрежение сжимаемостью капельных жидкостей, для газов - действием силы тяжести. В ряде случаев для капельных жидкостей и газов отказываются от учета вязкости. В силу этого появились различные модели сред. Если учитываются все рассмотренные выше характеристики жидкости, то ее называют реальной. Если не учитывать изменение объема при изменении давления и температуры, а также наличие вязкости, то говорят об идеальной капельной жидкости. Таким образом, модель идеальной капельной жидкости предполагает ее несжимаемость и отсутствие вязкости. Пренебрежение взаимодействием между молекулами и их размерами приводит к модели идеального газа. 3. Гидростатика Г и д р о с т а т и к о й называют раздел гидравлики, в котором изучают жидкость, находящуюся в состоянии покоя Абсолютный и относительный покой жидких сред покой относительный Под относительным покоем подразумевают состояние, при котором в движущейся как целое тело жидкости отсутствуют перемещения ее частиц друг относительно друга абсолютный Под абсолютным покоем понимают неподвижность жидкости относительно земли. При этом частицы жидкости также не перемещаются друг относительно друга Силы, действующие на жидкость, находящуюся в покое Внешние Поверхностные Массовые Силы, действующие на поверхность жидкости (называемую свободной поверхностью) Силы, действующие на все частицы жидкости Внутренние Силы, возникающие внутри жидкости под действием внешних сил, являющиеся силами сжатия. При рассмотрении покоящейся жидкости эти силы называют силами гидростатического сжатия, а давление внутри жидкости гидростатическим давлением Внешние силы, действующие на жидкость, находящуюся в покое Поверхностная сила Рбар Fo= РбарS Поверхностное давление Свободная поверхность m G J Массовая сила T Fn= pnS Поверхностная сила Внутренние силы, действующие в покоящейся жидкости. Гидростатическое давление Fo р = р 0 +ρgh Po G h m F dS Гидростатическое давление – это давление в точке, расположенной внутри покоящейся жидкости. Оно равно сумме давления, действующего на его свободную поверхность, и давления столба жидкости, имеющего высоту h (равную глубине, на которой расположена рассматриваемая точка) Закон Паскаля Внешнее давление, действующее на свободную поверхность жидкости, передается во все точки жидкости без изменения. Схема гидравлического подъемника Энергия покоящейся жидкости Рбар Еп = Еg + Ер А Еg = mgz Ро Ер = mgh Еп =mgz + +mgh= = mg (z+h) h hм M еп = е g + ер = =z+h еп =Н= z + h H z O Плоскость сравнения O Н= z + h H [потенциальный напор] - полная удельная, потенциальная энергия покоящейся жидкости Z [геометрический напор (геометрическая высота)] - удельная, потенциальная энергия жидкости в поле сил тяжести h [пьезометрический напор (пьезометрическая высота)] - удельная, потенциальная энергия жидкости в поле сил давления Потенциальный напор в различных точках покоящеся жидкости Пьезометрическая линия Рбар (линия пьезометрического напора) P P Ро hk hn hm H m zk O zn ho zm n zo k Плоскость сравнения O Запас удельной потенциальной энергии во H = zm+ hm = zn + hn = zk + hk=idem всех точках покоящейся жидкости одинаков
