reforef.ru 1
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГИДРОСИСТЕМ


В гидроприводах и системах применяются различные рабочие жидкости, физические свойства которых удовлетворяют условиям эксплуатации. Несмотря на существенные отличия свойств, процессы и явления, происходящие в различных жидкостях в состоянии равновесия или движения, подчиняются единым физиче­ским законам.

Раздел механики, в котором изучают равновесие и движение жидкости, а также силовое взаимодействие между жидкостью и обтекаемыми ею телами или ограничивающими ее поверхностями, называют гидромеха­никой.

Науку о законах равновесия и движения жидкостей и о способах приложения этих законов к решению конкретных технических задач называют гидравликой. В гидравлике рассматривают, главным образом, по­токи жидкости, ограниченные и направленные твердыми стенками, т.е. течения в открытых и закрытых кана­лах— в руслах рек, в трубопроводах, в элементах гидромашин и других устройствах, внутри которых проте­кает жидкость*.

При этом к понятию «жидкость» относят все тела, для которых свойственна текучесть, т.е. способность сильно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил. Таким образом, под термином «жид­кость» понимают как обычные жидкости, называемые капельными, так и газы.

Для капельных жидкостей характерным является то, что они, будучи в малом количестве, под действием сил поверхностного натяжения принимают сферическую форму, а в большом количестве — обычно образуют свободную поверхность раздела с газом. Важной особенностью капельных жидкостей является и то, что они ничтожно мало изменяют свой объем при изменении давления, поэтому их обычно считают несжимаемыми.

Газы, наоборот, могут значительно уменьшаться в объеме под действием давления и неограниченно рас­ширяться при его отсутствии, т.е. они обладают большой сжимаемостью. В дальнейшем под термином «жид­кость» будем понимать именно капельную жидкость.

В начале своего развития гидравлика представляла собой теоретическую науку — математическую меха­нику жидкости или гидромеханику. Используя сложный математический аппарат и принимая некоторые допу­щения в отношении физических свойств жидкости, эта наука рассматривала движение жидкости по упрощен­ным схемам. Но методы математической гидромеханики не позволили решить целый ряд практических задач. В связи с этим стала развиваться практическая наука — техническая механика жидкости, решающая инженер­ные задачи методом упрощения гидравлических явлений, но с введением в теоретические уравнения попра­вочных коэффициентов, полученных в результате эксперимента.


В современной гидравлике для достоверного математического описания исследуемых явлений использу­ют как чисто теоретические методы, основанные на применении законов механики, так и зависимости, полу­ченные экспериментальным путем. Поэтому различие в методах этих двух ветвей одной и той же науки посте­пенно исчезает. Современная гидравлика представляет собой самостоятельную, сформировавшуюся от­расль знаний, находящую применение в различных областях техники.
1. Силы, действующие в жидкости. Давление

Вследствие текучести (подвижности частиц) в жидкости не действуют сосредоточенные силы, а толь­ко непрерывно распределенные по ее объему или поверхности. В связи с этим силы, действующие на объ­ем жидкости и являющиеся по отношению к ней внешними, разделяют на объемные (массовые) и поверх­ностные.

К объемным силам относятся силы тяжести и силы инерции, а к поверхностным — силы, обусловленные воздействием соприкасающихся с жидкостью тел (твердых или газообразных) или же соседних объемов жидкости

Далее более подробно остановимся на рассмотрении поверхностных сил, поскольку, согласно третьему закону Ньютона, жидкость действует на соприкасающиеся с нею тела с такими же силами, но в противополож­ном направлении.
* Задачи, связанные с внешним обтеканием тел сплошной средой, которое имеет место при движении твер­дого тела в жидкости или газе (воздухе), рассматривают в аэрогидромеханике.

В общем случае поверхностная сила R, действующая на площадке А, направлена под некоторым углом к ней, и ее можно разложить на нормальную Fи тангенциальную ^составляющие (рис. 1). Первая называется силой давления, а вторая — силой трения.








Рис.1. Разложение поверхностной силы на две составляющие
Массовые и поверхностные силы в гидромеханике рассматривают в виде единичных сил, отнесенных к единице массы и единице площади соответственно.

Таким образом, единичная поверхностная сила, называемая напряжением поверхностной силы, раскла­дывается на нормальное р и касательное напряжения t.

Нормальное напряжение, т.е. напряжение силы давления, называется гидромеханическим давлением, или просто давлением.

Давление. Давление является одним из важнейших физических параметров, используемым, как в расчет­ных целях, например для определения расхода, количества энергии жидкости, так и для контроля и прогнози­рования безопасных и эффективных гидравлических режимов работы элементов гидросистем.

Итак, давлением р называют отношение абсолютной величины нормального, т.е. действующего перпен­дикулярно к поверхности тела, вектора силы f к площади этой поверхности А.



Поскольку в международной системе единиц СИ единицей площади является м2, а единицей силы — Н (ньютон), то единицей измерения давления будет Н/м2. Эта единица носит название паскаль и обозначается Па:

1 Па = 1 Н/м2.

Следует применять также производные от нее, такие как килопаскаль [кПа = 103 Па], мегапаскаль [МПа = 106 Па] и т.п.; в виде исключения используют бар [бар]:

1 бар = 105 Па = 102 кПа = 0,1 МПа.

На практике давление могут измерять относительно двух различных уровней (рис. 2):
  • уровня абсолютного вакуума, или абсолютного нуля давления — идеализированного состояния среды в замкнутом пространстве, из которого удалены все молекулы и атомы вещества среды;


  • уровня атмосферного, или барометрического, давления (ГОСТ 8.271-77).

Атмосферным давлением называют давление атмосферного воздуха на находящиеся в нем предметы и на земную поверхность и обозначают ратм. В каждой точке атмосферы атмосферное давление определяется весом вышележащего столба воздуха; с высотой его значение уменьшается. Атмосферное давление меняет­ся в зависимости от погодных условий и географического положения местности; на уровне моря его значение колеблется от 0,098 до 0,104 МПа (от 0,98 до 1,04 бар). Среднее значение рагм составляет 0,101325 МПа (1,01325 бар).

Давление, измеряемое относительно абсолютного вакуума, называют абсолютным давлением рабс (атмо­сферное давление — это абсолютное давление земной атмосферы).

Давление, которое больше или меньше атмосферного, но измеряется относительно атмосферного, назы­вают соответственно избыточным давлением ртб или вакуумметрическим давлением рвак (давлением разре­жения). Разность двух отличных от атмосферного давлений, одновременно измеряемых в различных процес­сах или двух точках одного процесса, называют дифференциальным давлением рдиф.

Диапазон давлений, измеряемых в технике, составляет 17 порядков: от 10-8 Па — в электровакуумном оборудовании до 103 МПа — при обработке металлов давлением.

Для прямого измерения избыточного давления с отображением его значения непосредственно на шкале, табло или индикаторе первичного измерительного прибора применяются манометры


Рис. 2. Системы отсчета давления
(ГОСТ 8.271-77). За ну­левую точку шкалы манометров принимают атмосферное давление.

Для измерения вакуума используют вакуумметры, шкала которых проградуирована от 0 до -1 бар. Прибо­ры, измеряющие вакуум и избыточное давление, называют мановакуумметрами. Дифференциальное давле­ние измеряют специальными дифференциальными манометрами.

2. Основные свойства жидкостей

Плотность. Плотностью р [кг/м3] называют отношение массы жидкости т [кг] к объему V[м3], который эта масса занимает:



Удельный вес. Удельным весом ? [Н/м3] называют вес единицы объема жидкости:



G — вес жидкости в объеме V.

Поскольку G = mg, плотность и удельный вес связаны между собой соотношением:



Сжимаемость. Свойство жидкости изменять объем под действием давления называют сжимаемостью. Сжимаемость характеризуется коэффициентом объемного сжатия рр [Па-1], который представляет собой от­носительное изменение объема, приходящееся на единицу давления:



где — начальный объем, м3;

— изменение объема, м3;

— изменение давления, Па.

Величина, обратная коэффициенту, носит название объемного модуля упругости (модуля сжимаемо­сти) Е[Па].

Для капельных жидкостей модуль Е незначительно уменьшается с увеличением температуры и возраста­ет с повышением давления. Для воды он составляет при атмосферном давлении приблизительно 2 000 МПа, для минеральных масел — 1 400... 1 700 МПа. Следовательно, при повышении давления на 0,1 МПа, объемы этих жидкостей уменьшатся всего на 1/20 000 и на 1/12 000 части соответственно, что дает основание считать ка­пельные жидкости несжимаемыми, т.е. считать плотность жидкостей независимой от давления.


Температурное расширение. Температурное расширение характеризуется коэффициентом объемного расширения