К магистральным трубопроводам относятся трубопроводы и ответвления (отводы) от них диаметром до 1420мм включительно с избыточным давлением транспортируемого продукта не выше 10 МПа, предназначенные для транспортировки:

- природного газа или нефтяного углеводородного газа из районов их добычи до мест потребления;

- искусственного углеводородного газа от мест производства до мест потребления;

- сжиженных углеводородных газов (пропана, бутана и их смесей) из мест производства до мест потребления;

- нефти из районов ее добычи (от головных перекачивающих насосных станций) до мест потребления (нефтебаз, перевалочных баз, нефтеперерабатывающих заводов или нефтехимических комплексов, пунктов налива, отдельных промышленных предприятий и портов);

- нефтепродуктов от мест их производства (нефтеперерабатывающих заводов ил нефтехимических комплексов) до мест потребления (нефтебаз, перевалочных баз, пунктов налива, отдельных промышленных предприятий и портов);

- товарной продукции в пределах головных и промежуточных газокомпрессорных, нефте- и нефтепродуктоперекачивающих насосных станций, станций подземного хранения газа, газораспределительных станций, замерных пунктов.

Нефть из скважин по индивидуальным нефтепроводам поступает на нефтесборные пункты, а оттуда по нефтесборным трубопроводам на головные сооружения – установку комплексной подготовки нефти, на которых она отстаивается, обезвоживается, очищается от различных примесей, отделяется от нефтяного газа и т.д. Отсюда нефть подается на головную насосную станцию, а затем в магистральный нефтепровод. Промежуточными насосными станциями нефть перекачивается до конечной насосной станции, а затем потребителю.

Состав магистрального нефтепровода аналогичен составу нефтепровода, отличие заключается в том, что нефтепродуктопровод имеет большее число отводов к нефтебазам.

Магистральные нефте- и нефтепродуктопроводы в зависимости от условного диаметра подразделяются на четыре класса:

I от 1000 до 1400мм;

II от 500 до 1000мм;

III от 300 до 500мм;

IV менее 300мм.

КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ.

Магистральные трубопроводы, как правило, прокладывают подземно. В исключительных случаях трубопроводы могут быть проложены по поверхности земли в насыпи (наземно) или на опорах (надземно). Такие прокладки допускаются в пустынях, горах болотах, на вечномерзлых и неустойчивых грунтах, на переходах через естественные и искусственные препятствия.

Прокладка трубопровода осуществляется одиночно или в составе параллельных трубопроводов в общем техническом коридоре. Число ниток в техническом коридоре регламентируется предельным количеством суммарного объема транспортируемого продукта.

Глубина заложения трубопровода (от верха трубы) зависит от диаметра, характеристик грунтов местности и должна быть не менее (в м):

при условном диаметре менее 1000мм 0,8

при условном диаметре 1000мм и более 1

на болотах и торфяных грунтах подлежащих осушению 1,1

в песчаных барханах (считая от межбарханных впадин) 1

в скальных грунтах, болотистой местности при отсутствии проезда автотранспорта и сельскохозяйственных машин 0,6

на пахотных и орошаемых землях 1

при пересечении искусственных каналов (от дна каналов) 1,1

Расстояния от оси подземных и наземных (в насыпи) трубопроводов до населенных пунктов, отдельных промышленных и сельскохозяйственных предприятий, зданий и сооружений должны приниматься в зависимости от класса и диаметра трубопроводов, степени ответственности объектов и необходимости обеспечения их безопасности.

Расстояния между параллельными нитками (при одновременном строительстве и строительстве параллельно действующему трубопроводу) следует принимать из условий технологии поточного строительства, гидрогеологических особенностей района, обеспечения безопасности при производстве работ и надежности трубопроводов в процессе эксплуатации.

Ширина траншеи по низу принимается не менее (мм):

-для трубопроводов диаметром до 700 - D

-для трубопроводов диаметром 700 и более ~1,5D

-при диаметрах 1200 и 1400 мм и при траншеях с откосом свыше 1:0,5, ширину траншеи

допускается уменьшить до D+500 мм.

ТРУБЫ ДЛЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ.

Трубы магистральных нефтепроводов изготавливают из стали, т.к это экономичный, прочный, хорошо сваривающийся и надёжный материал.

По способу изготовления трубы для магистральных нефтепроводов подразделяются на бесшовные, сварные с продольным швом и сварные со спиральным швом. Бесшовные трубы для трубопроводов диаметром до 529 мм, а сварные – при диаметрах 219 мм и выше.

Наружный диаметр и толщина стенки труб стандартизированы. В связи с большим разнообразием климатических условий при строительстве и эксплуатации трубопроводов трубы подразделяют на две группы: в обычном и северном исполнении. Трубы в обычном исполнении применяют для трубопроводов, прокладываемых в средней полосе и в южных районах страны (температура эксплуатации 0С и выше, температура строительства –40С и выше). Трубы в северном исполнении применяются при строительстве трубопроводов в северных районах страны (температура эксплуатации –20С…..-40С, температура строительства –60С). В соответствии с принятым исполнением труб выбирается марка стали.

Трубы для магистральных нефтепроводов изготавливают из углеродистых и низколегированных сталей.

СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ТРУБОВОДОВ ОТ КОРРОЗИИ.

Трубопровод, уложенный в грунт, подвергается почвенной коррозии, а проходящий над землей – атмосферной. Оба вида коррозии протекают по электрохимическому механизму, т.е с образованием на поверхности трубы анодных и катодных зон. Между ними протекает электрический ток, в результате чего в анодных зонах металл труб разрушается.

Для защиты трубопроводов от коррозии применяются пассивные и активные средства и методы. В качестве пассивного средства используются изоляционные покрытия, а к активным методам относится электрохимическая защита.

ИЗОЛЯЦИОННЫЕ ПОКРЫТИЯ.

Изоляционные покрытия, применяемые на подземных магистральных трубопроводах, должны удовлетворять следующим основным требованиям

· Обладать высокими диэлектрическими свойствами;

· Быть сплошными;

· Быть водонепроницаемыми, механически прочными, эластичными и термостойкими.

Конструкция покрытий должна допускать возможность механизации их нанесения на трубы, а используемые материалы должны быть недорогими, недефицитными и долговечными.

В зависимости от используемых материалов различают покрытия на основе битумных мастик, полимерных липких лент, эпоксидных полимеров, каменноугольных пеков и др. Наибольшее распространение в отрасли трубопроводного транспорта нефти получили покрытия на основе битумных мастик. Они представляют собой многослойную конструкцию, включающую грунтовку, мастику, армирующую и защитную обёртки. Грунтовка представляет собой раствор битума в бензине. После ее нанесения бензин испаряется и на трубе остается тонкая пленка битума, заполнившего все микронеровности поверхности металла. Грунтовка служит для обеспечения более полного контакта, а, следовательно, лучшей прилипаемости основного изоляционного слоя – битумной мастики – к трубе. Битумная мастика представляет собой смесь тугоплавкого битума, наполнителей и пластификаторов. Каждый из компонентов мастики выполняет свою роль. Битум обеспечивает необходимое электросопротивление покрытия, наполнители – механическую прочность масти, пластификаторы – ее эластичность. Битумную мастику наносят на трубу при температуре 150…180 С. Расплавляя тонкую плёнку битума, оставшуюся на трубе после испарения грунтовки, мастика проникает во все микронеровности поверхности металла, обеспечивая хорошую прилипаемость покрытия.

Битумная мастика может наноситься в один или два слоя. В последнем случае между слоями мастики для увеличения механической прочности покрытия наносят слой армирующей обертки из стеклохолста. Для защиты слоя битумной пластикой от механических повреждений она покрывается сверху защитной оберткой.

Изоляционные покрытия на основе битумных мастик применяются при температуре транспортируемого продукта не более 40 С. При более высоких температурах применяются полимерные изоляционные покрытия. Порошковые полиэтиленовые покрытия выдерживают температуру до 70 С, а эпоксидные – 80С, полиэтиленовые липкие ленты – 70С.

Покрытия на основе эпоксидной порошковой краски и напыленного полиэтилена изготавливаются, в основном, в заводских условиях. В настоящее время мощности по выпуску изолированных труб ограничены. Поэтому наиболее широко применяются покрытия на основе полимерных липких лент. Сначала на трубу наносится полимерная или битумно – полимерная грунтовка, затем полиэтиленовая или поливинилхлоридная изоляционная липкая лента и защитная обертка. Толщина изоляционного покрытия нормального типа 1.35…1.5 мм, а усиленного 1.7мм.

Полимерные покрытия обладают высоким электросопротивлением, очень технологичным, однако они легко уязвимы – острые выступы на поверхности металла или камушки легко прокалывают такую изоляцию, нарушая её сполшность. С этой точки зрения они уступают покрытиям на основе битумных мастик, проколоть которые достаточно сложно. Но и битумные покрытия имеют недостатки: с течением времени они теряют эластичность, становятся хрупкими и отслаиваются от трубопровода.

СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ АРМАТУРА

Попробуйте найти хоть один город или хоть одну деревню, где бы не применялся трубопровод. Питьевая вода, горячая вода для отопления, канализация, горючий газ - всё это приходит в дом по трубопроводам. Если упомянуть о некоем заводе, то наверняка на нём вы встретите множество трубопроводных систем: начиная от вентиляции и заканчивая трубами с промышленными средами. Каждый трубопровод монтируется из различных унифицированных деталей. Применяются, разумеется, трубы, являющиеся основными элементами системы - и множественные соединительные и дополнительные элементы — арматура различного назначения. Так, к примеру, регулирующая арматура используется для управления интенсивностью потоков в трубопроводе, предохранительная - для предотвращения внештатных ситуаций, контрольная - для снятии информации о состоянии трубопровода и среды, защитная - для защиты приборов и других устройств, фазоразделительная - для разделения среды в зависимости от состояния. Запорная арматура - это важная часть любых трубопроводов и подобных инженерных систем. Запорная арматура используется для перекрытия потоков жидкостей, пара или же газов в различных фазах. Главные виды запорной арматуры - задвижки, клапаны и краны, являющиеся, по сути, различными видами затворов. Например, на магистральных трубопроводах и трубопроводах большой протяженности наиболее часто можно найти шаровые краны из-за их экономической выгодности, надёжности и функциональности, а также безопасности как для трубопровода, так и для окружающей среды. Эти краны являются затвором, позволяющим перекрыть трубопровод в требуемом месте. Практическая задача любого элемента запорной арматуры - регуляция потока рабочей среды в соответствии с необходимостью. Запорная арматура позволяет перекрывать те или иные участки трубопровода, прекращая в них циркуляцию рабочей среды. Моделей и видов запорной арматуры - огромное колличество, например, шламовая запорная арматура. Задвижки - элементы, перекрывающие поток в трубопроводе перпендикулярно оси трубы. Представляют собой опускающуюся пластину, перегораживающую трубу. Поворотные запоры – дисковые задвижки, расположенные внутри трубы параллельно направлению потока. При необходимости поворачиваются перпендикулярно оси трубы и перекрывают её. Задвижки обладают недостатком при активной эксплуатации: они могут смещаться под воздействием среды, например, под давлением. Для предотвращения таких ситуаций используются запорные клапаны. Применение специальной резьбы даёт гарантию того, что положение клапана будет сохраняться. Если задвижки и запорные клапаны просто управляют средой по принципу "открыто-закрыто", а обратные клапаны могут применяться для более сложных задач, когда требуется обеспечить движение среды только в одном направлении. Обратный клапан пропускает среду только в одну сторону: если направление потока изменяется, то клапан закрывается. Предохранительные клапаны под {высокимзаранее заданным} давлением открываются и выпускают часть среды. Они предназначены для предотвращения аварийных ситуаций, вызванных нештатным давлением в системе. Фильтры решают проблему загрязнения жидкостей, очищая среду от примесей. Фланцы - это соединительные части труб (и не только). Фланцы хорошо знакомы любому, кто видел трубопроводы – большие кольца на месте соединений с отверстиями под болты - это они и есть. Фланцы очень удобно использовать из-за высокой герметичности и удобства сборки. Отводы различаются по способу изготовления: наиболее часто они бывают сварены из стали или выгнуты холодным способом. Отводы различают по максимальному выдерживаемому давлению. Одна из функций отводов - защита трубопроводов от вибрации. Трубопроводная арматура соединяется с системой трубопровода с помощью фланцевых соединений, на сварке, муфтах, на цапковых или штуцерных концах, посредством различных

Приборы контроля давления

Системы контроля служат для управления закачкой или стравливанием воздуха из пневмобаллонов. Существуют бюджетные ручные двух- и четырехконтурные клапаны, устанавливаемые совместно с аналоговыми манометрами. Более совершенные и более удобные системы используют электромагнитные клапаны, управляемые переключателями или контроллерами. В самых совершенных системах давлением в системе и клиренсом самостоятельно управляет электронный контроллер, который получает информацию от датчиков положения кузова и/или датчиков давления в пневмобаллонах. При этом существуют варианты систем с управлением только по давлению в каждой камере, систем с контролем только клиренса автомобиля и наиболее сложные системы, отслеживающие все параметры.

ВОПРОС 35 колесаУстройство колесного движителя.

Колесный движитель автомобиля КамАЗ-5320 общетранспортного назначения включает: ведомые колеса переднего моста и ведущие колеса среднего и заднего мостов (колесная формула 6x4). На передней оси устанавливают одинарные, на средней и задней осях — сдвоенные колеса.

Колеса съемные, бездисковые, со спицевыми ступицами, раз­борные, устанавливаются на конические поверхности пяти спиц и крепятся с помощью гаек и прижимов. Между ободами сдвоенных колес средней и задней осей устанавливаются распорные кольца. Каждое колесо состоит из обода и шины. Обод 1 (рис. 8.1) колеса имеет коническую поверхность, обеспечивающую плотную посадку шины, и снабжен замочным 2 и бортовым 3 коль­цами.

Запасное колесо устанавливается на кронштейне держателя, закрепленном на правом лонжероне рамы. Установка запасного колеса на держатель обеспечивается с помощью ручной лебедки, имеющейся на автомобиле.

Колесный движитель автомобиля Урал-4320 повышенной про­ходимости, со всеми ведущими колесами (колесная формула 6 х 6). Все колеса одинарные, что уменьшает сопротивление движению ма­шины.

Ступицы колес установлены на цапфах на двух конических роликовых подшипниках. В цапфах выполнены ка­налы и уплотнительное устройство для подвода воздуха к вращаю­щимся колесам. Колеса крепятся к ступицам с помощью гаек.

На автомобиле Урал-4320 применяются камерные шины с ре­гулируемым давлением воздуха размером 370—508 (рис. 8.2). Номинальное давление воздуха в шинах 250—320 кПа (2,5—3,2 кгс/см²). В зависимости от условий движения допускается кратковременное снижение давления воздуха в шинах с помощью системы регули­рования давления вплоть до 50 кПа (0,5 кгс/см²). Скорость движения при этом должна быть снижена.

Покрышка 3 шины имеет протектор повышенной проходимости. В комплект шины помимо камеры 8 и ободной ленты 7 входит также колесный кран, крепящийся к ободу 5.

Конические поверхности обода и бортовых колец обеспечива­ют посадку шины с натягом, что обеспечивает ее работу и при пони­женных давлениях в ней воздуха.

Держатель запасного колеса закреплен на правом лонжере рамы за кабиной. Подъем и плавное опускание запасного колеса обеспечивается гидроподъемником, включенным в систему гидрав­лического усилителя рулевого управления.

Сцепление колес с дорогой

Сцепление колес с дорогой – это динамическая величина, которая постоянно изменяется. Всего четыре маленьких участка контакта резины с дорожным покрытием оберегают водителя от того, чтобы не улететь с дороги куда-нибудь в кювет.

Пятно контакта – это, буквально говоря, след колеса на дороге, его опорная поверхность. Неподвижное пятно контакта представляет собой прямоугольник, если кривизна шины равна нулю и давление в ней имеет соответствующее значение. В динамике пятно контакта может иметь любую форму – от грубого прямоугольника до треугольника. Оно также может быть меньше или больше, чем статическое, в зависимости от вертикальной нагрузки, на которую, в свою очередь, влияет перенос веса или аэродинамическое прижимающее усилие, действующее на машину. Чем больше площадь пятна контакта, и чем больше вертикальная нагрузка, тем большее сцепление с дорогой мы можем потенциально получить. Более того, шины эластичны, так что они изменяют свою форму пропорционально боковой реактивной силе, возникающей при повороте автомобиля. Это изменение формы заставляет шину катиться под углом к ее продольному направлению.

Это явление носит название бокового увода, а угол, под которым начинает катиться шина, называется углом ее бокового увода. Слово «увод», однако, не подразумевает скольжения шины, а обозначает просто ее деформацию таким образом, при котором она «уходит» в сторону внешнего радиуса поворота. Максимальное сцепление достигается всегда при значении угла бокового увода, большем, чем ноль, хотя величина сцепления шины с дорогой быстро падает, когда этот угол становится слишком большим. Рисунок и структура колесной резины имеют самое непосредственное отношение к тому, какой угол увода максимизирует сцепление шин. Боковой увод иногда еще называют дрифтом, так как машина при нем как бы «дрейфует» к внешней стороне поворота (одно из значений английского слова drift – дрейф). Правда, этот дрифт имеет совершенно иное значение, нежели тот дрифт, которым увлекаются некоторые автолюбители – те самые, которые заставляют свои машины скользить в поворотах медленным, но впечатляющим образом. В автоспорте настоящий четырехколесный дрифт – когда все четыре шины катятся под сходными углами увода и с максимальным сцеплением от высшей точки поворота до внешнего края трассы – происходит быстро, но на самом деле выглядит скромно.

Круговая схема сцепления шин с дорогой – это графическое отображение всего возможного сцепления, которое мы можем получить от колеса. Вы можете приложить максимальную силу сцепления в любом направлении (вектор силы), но превысить 100-процентного значения этой силы невозможно. Другими словами, если мы используем некоторое количество доступной нам силы сцепления шин с дорогой для того, чтобы превратить ее в боковую реактивную силу в повороте, то мы получим и некоторое количество других сил, в которые трансформируется сцепление – к примеру, силу ускорения при выходе из поворота. То есть сохранится некий баланс в пределах первоначального значения силы сцепления.

Вектор обычно используется для обозначения направления суммы сил. Идеальной ситуацией, в которой сцепление будет оптимальным, можно считать ту, в которой вы будете как можно более близки к границе круговой схемы все время. Причем размер этого круга будет меняться вместе с изменениями площади пятна контакта и нагрузки на шину (статический вес + перенос веса + аэродинамика). Однако сила сцепления, «добавленная» на одну шину при переносе веса, будет меньше, чем потеря этой силы другой шины, с которой «убрали» вес (если подразумевать, что перенос веса дает в итоге потерю в суммарной силе сцепления для всех колес). Вот почему минимизация возможности переноса веса – одна из самых важных задач для любого гонщика.

Для того, чтобы пятно контакта шины с дорогой имело максимальный размер, шина при этом контакте должна иметь нулевую кривизну (то есть быть в идеале плоской). На практике же дорожные машины часто нуждаются в отрицательной кривизне шин в статическом состоянии (хотя это зависит от подвески).

Причин этому несколько. Во-первых, шины деформируются в зависимости от боковой реактивной силы. К тому же податливые втулки подвески (которые нужны для гашения шума и вибрации при езде) также деформируются. Оба эти явления вызовут потерю кривизны шины в повороте, так что статическая отрицательная кривизна нужна для компенсации этой потери. Другими причинами потери кривизны выступают крен кузова и изменения геометрии подвески в диапазоне смещений ее деталей.

Гоночные автомобили нуждаются в меньшем значении отрицательной кривизны шин для компенсации перечисленных выше факторов в силу того, что их подвеска меньше подвержена изменениям геометрии (например, благодаря использованию более жестких втулок). Боковая жесткость спортивной подвески выше, и кривизна шин в этом случае лучше контролируется.

Что это означает для тех, кто использует серийный автомобиль на спортивной трассе? То, что им нужно будет провести несколько тестов для выявления идеального значения отрицательной кривизны шин, не забывая при этом, что оно может сильно отличаться для задней и передней оси. А также о том, что это значение будет идеальным для трека, но не для обычных дорог. Причина в том, что на треке машина подвергается большим значениям реактивной боковой силы, и компенсировать изменение формы и геометрии подвески нужно тоже в большей степени. На улицах такая большая компенсация будет излишней и послужит причиной лишнего износа колесной резины без какого-либо ощутимого выигрыша в сцеплении колес с дорогой.

Устройство и назначение подвески. Направляющая, упругая и демпфирующая функции подвески

Подвеска служит для улучшения плавности хода, чем обеспе­чивается возможность длительного движения без быстрой утомля­емости людей и повреждения перевозимых грузов. Она представ­ляет собой совокупность устройств, осуществляющих упругую связь рамы с мостами, обеспечивающих смягчение толчков и ударов, возникающих при наезде колес на неровности дороги, и передачу сил и моментов, действующих между колесами и рамой. Подвеска состоит из упругого, направляющего и гасящего устройств.

Упругое устройство подвески служит для уменьшения динами­ческих нагрузок, обусловленных главным образом действием вер­тикальных сил. При наезде колеса на неровность дороги упругое устройство деформируется, значительно смягчая ударную нагрузку от колеса на кузов автомобиля. В результате работы упругого уст­ройства уменьшаются перемещения рамы автомобиля, копирующие профиль дорожных неровностей, и улучшается плавность хода автомобиля.

В качестве упругих устройств на автомобилях КамАЗ-5320 и Урал-4320 применяют металлические листовые рессоры.

Направляющее устройство подвески определяет характер перемещения колеса при деформации упругого устройства относительно рамы автомобиля, а также передает силы и моменты, действующие между колесом и рамой (силу тяги, тормозную силу, боковые силы и их моменты).

Функции направляющих устройств на автомобилях КамАЗ-5320 и Урал-4320 выполняют рессоры, балансиры и рычаги.

Гасящие устройства предназначены для быстрого гашения колебаний кузова автомобиля, возникших под воздействием упругого устройства подвески. Отсутствие гасящих устройств при больших скоростях движения автомобиля по неровной дороге может привести к резонансным колебаниям и как следствие этого к пробоям под­вески (удары рессор в ограничители).

Гашение колебаний сводится к превращению механической энергии колебаний рамы и закрепленных на нем составных частей в тепловую энергию благодаря трению в узлах подвески с после­дующим ее рассеиванием в окружающую среду. Трение в деталях упругого устройства (в листовых рессорах) в какой-то мере обеспе­чивает гашение колебаний (производит амортизирующее действие). Однако трение между листами рессор преобразует в тепло весь­ма незначительное количество кинетической энергии вертикальных колебаний остова, и толчки со стороны неровностей дороги передаются от колес к нему в достаточно большой степени. Поэтому для гашения колебаний применяются специальные устройства, амортизаторы, работа которых основана на наличии внутреннего трения в вязкой жидкости, проходящей через отверстие ограниченного сечения, зазор или приоткрытый клапан.

Листовые рессоры представляют собой упругие балки, собранные из отдельных стальных листов различной длины, стянутых центровым болтом. Лист, имеющий наибольшую длину, называется коренным. От боковых сдвигов листы предохраняются стяжными хомутами, которые также передают нагрузку от верхнего коренного листа на нижние при обратном прогибе рессоры.

Основным преимуществом листовых рессор является их способ­ность выполнять одновременно функции направляющего, упругого и гасящего устройств.Передняя подвеска автомобилей состоит из двух листовых рес­сор и двух телескопических амортизаторов.

Рессора передней подвески автомобиля КамАЗ-5320 (рис. 11.1) набрана из 15 листов. Коренной лист рессоры прямоугольного се­чения, а остальные Т-образного. Это позволяет уменьшить массу рессоры на 7—10% при сохранении ее характеристик. Передний конец рессоры с помощью ушка 1 и пальца 18 соединен с кронштей­ном 5 рамы. Отъемное ушко 1 прикреплено к коренному листу рессо­ры болтом 2 и накладкой 20, которая закреплена на ушке двумя бол­тами 19. В ушко запрессована втулка 3. Палец 18, соединяющий ушко с кронштейном, зафиксирован двумя болтами 6. Смазка пальца производится через масленку 4. Задний конец рессоры скользящий и через наклепанную на коренной лист накладку опирается на сменный сухарь 12, напрессованный на кронштейн. Для предохранения от износа стенок кронштейна 11 на пальцах 14 сухарей установлены вкладыши 13, стянутые болтом 15 через распорную втулку 16.

В средней части рессоры установлена накладка 7, через кото­рую рессора двумя стремянками 9 крепится к переднему мосту. Накладка имеет выштамповку, которая входит в углубление перво­го листа. Каждый лист рессоры своей выдавкой входит в углубление нижележащего листа, причем выдавка последнего листа входит в соответствующее углубление кронштейна амортизатора 17, за­фиксированного, в свою очередь, на балке переднего моста. От бокового смещения листы рессоры дополнительно скреплены хомутами.

Для исключения жестких ударов переднего моста о раму к нижним полкам лонжеронов привернуты резиновые буфера 8.

Рессора передней подвески автомобиля Урал-4320 (рис.11.2) набрана из 10 листов. Коренной и подкоренной листы рессоры пря­моугольного сечения, а остальные Т-образного.

Ход моста вверх ограничивается резиновым буфером 5, закреп­ленным в накладке 12 рессоры, и дополнительным буфером 10 на лонжероне рамы. Дополнительный буфер также уменьшает напря­жение в рессоре при резком торможении автомобиля, ограничивая ее закрутку.

Механическая подвеска - подвеска, не использующая пневматических устройств, только механические - рессорная, пружинная или торсионная подвеска.

1) Рессорная подвеска - механическая подвеска, упругим элементом которой является листовая рессора. Рессоры обычно применяются в зависимой подвеске грузовых автомобилей, а также в задней подвеске некоторых легковых. Листовые рессоры применяются по всей день, в основном на тяжелой технике и типичных "рабочих лошадках". Когда-то это был самый распространенный тип упругих элементов. Преимущества рессор заключаются в том, что они могут выступать в качестве конструктивных элементов, крепящих ось к раме, и за счет трения между листами обладают небольшими амортизирующими свойствами. В основном используются там, где требуется высокая грузоподъемность, и почти всегда в задней подвеске современных пикапов.

2) Пружинная подвеска - механическая подвеска, упругим элементом которой является пружина подвески. На сегодняшний день витые пружины почти полностью вытеснили рессоры, ведь пружинная подвеска лучше «отслеживает» профиль дороги, а значит положительно влияет на комфорт и управляемость и обеспечивает лучшую артикуляцию подвески, что, в свою очередь, позитивно сказывается на проходимости. Пружины легче и меньше, с их помощью можно по-разному компоновать подвеску, они проще и дешевле в производстве. А столь распространенная сегодня подвеска, как McPherson, вообще была бы немыслима без пружин.

3) Торсионная подвеска - механическая подвеска, упругим элементом которой является торсион. Торсион – это стальной стержень определенной длины, который работает на скручивание. Если взять в руки металлический прут и попробовать его скрутить, то он будет упруго сопротивляться. Так, например, автомобили Toyota Land Cruiser 100VX, Mitsubishi Pajero II и Pajero Sport оснащены передней независимой подвеской, где в качестве упругих элементов применяются торсионы. Они крепятся к рычагу подвески и располагаются вдоль рамы, не занимая места под капотом. Если торсион по причине износа начнет проседать, то его реально подтянуть, другие упругие элементы (рессоры, пружины) можно лишь заменить. Один из концов торсиона (этого стального стержня)жестко закреплен на раме или несущем кузове автомобиля, а на другом конце установлен рычаг. Усилие на свободном конце рычага создает момент, закручивающий торсион. Продольная и боковая силы на торсион практически не действуют, поскольку воспринимаются его опорами. Если сравнивать торсион с витой пружиной подвески, широко применяемой в подвесках современных авто, то можно заметить, что характер деформации материала в этих упругих элементах совершенно идентичен. Для подтверждения этого обстоятельства рассмотрим половину обособленного витка пружины. При возрастании общей силы сжатия пружины к концам такого полувитка приложена пара сил, создающая в сечении закручивающий момент. Характер деформаций стержня торсиона подобен деформации материала пружины. Вертикальная сила, действующая на рычаг подвески, создает момент, закручивающий торсион. Следовательно, стержень торсиона можно рассматривать как витки пружины, растянутые в одну линию. Получается, что при одинаковой длине и поперечном сечении прутка, из которого изготовлена пружина, и стержня торсиона характеристики их упругих свойств будут одинаковы. В то же время конструктивные возможности торсионов более широки, чем у витой пружины. Ничто не мешает сделать стержень торсиона составным. Обычно это набор плоских пластин, как и в листовых рессорах. Распространены также торсионы из многогранных стержней, собранных в пучок. Известны и конструкции из пучка круглых стержней, соединенных по концам. Витую же пружину почти всегда изготавливают из сплошного круглого стержня, поэтому, при равных с торсионом диаметре и длине жесткость пружины оказывается больше, а долговечность ниже.

Упругие элементы в виде пружин и торсионов используются в независимой передней подвеске легковых автомобилей.

Амортизаторы

Амортизаторы автомобилей телескопического типа. Сила сопротивления амортизатора при ходе сжатия значительно мень­ше, чем при ходе отдачи, что обеспечивается проходными се­чениями клапанов.

При плавном сжатии (рис. 11.4, а) шток 10 перемещает пор­шень 8 вниз. Перепускной кла­пан 9 открывается и жидкость перетекает в верхнюю полость, встречая незначительное сопро­тивление. Однако вся жидкость поступить в верхнюю полость не может, так как в рабочий ци­линдр вводится шток. Поэтому часть жидкости, равная по объему вдвигающейся в цилиндр части штока, перетекает через калиброванные отверстия в торце кла­пана 3 сжатия и каналы корпуса 2 клапанов в компенсационную камеру, несколько увеличивая давление находящегося в ней воздуха.

Калиброванные отверстия создают для жидкости сопротивле­ние, пропорциональное квадрату скорости ее истечения. При рез­ком сжатии жидкость не успевает перетекать через калиброванные отверстия, давление в рабочем цилиндре возрастает и открывается клапан сжатия 3. В результате силы сопротивления амортизатора увеличиваются менее интенсивно.

При плавной отдаче шток с поршнем перемещается вверх. Жидкость перетекает в пространство под поршнем через отверстия в поршне и калиброванные отверстия в клапане 7. Кроме того, часть жидкости возвращается из компенсационной полости через клапан отдачи 4. При резкой отдаче перетекание жидкости обеспечивается открытием клапана отдачи 7. Степень открытия клапана отдачи за­висит от резкости хода отдачи: чем резче отдача, тем больше отхо­дит клапан от своего седла.

Гидроамортизатор предназначен для гашения колебаний пружин, возникающих при движении трактора по неровной дороге. Это, в свою очередь, делает движение трактора более плавным и улучшает условия работы тракториста.

Гидроамортизатор устанавливают на передних каретках и состоит он из цилиндра, поршня, штока и компенсационного бачка. Внутренняя часть гидроамортизатора заполняется веретенным маслом АУ до уровня, определяемого щупом, установленным в пробке бачка.

Амортизаторные стойки

Колебания вредно отражаются па деталях автомобиля, а также на самочувствии пассажиров и водителя. Однако затухание колебаний происходит медленно из-за небольшого сопротивления в упругих элементах подвески (например, в витых пружинах). Для быстрого гашения колебаний в подвеску автомобилей вводят амортизаторы.

В настоящее время на автомобилях устанавливают гидроамортизаторы, которые по конструкции разделяют на рычажные и телескопические, а по принципу действия — на амортизаторы одностороннего и двухстороннего действия.

Амортизаторы двухстороннего действия гасят колебания как при сжатии, так и при распрямлении (отдаче) рессоры, а амортизаторы одностороннего действия — только при ее отдаче (последние устанавливают очень редко).

Гидро амортизатор двухстороннего действия имеет поршень, который установлен в цилиндре, заполненном специальной жидкостью (маслом), Поршень связан с осью автомобиля, а цилиндр — с его рамой. При сжатии, когда рама и ось сближаются, поршень заставляет жил кость перетекать через отверстия и открытый клапан из одном полости цилиндра в другую. Во время отдачи, т. е. когда рама и ось расходятся, жидкость перетекает в обратном направлении через отверстия небольшого диаметра.

В результате перетекания жидкости энергия колебательного движения преобразуется в теплоту, а колебания кузова и оси быстро затухают. Сопротивление амортизатора при сжатии в несколько раз меньше, чем при отдаче, что ослабляет удары и толчки, передаваемые кузову.

Гидроамортизаторы серии SA, предназначенные для поглощения энергии перемещающихся элементов конструкции. Они имеют специальную конструкцию, позволяющую осуществить плавное, без рывков, снижение скорости. В состав гидроамортизатора входят: нейлоновый наконечник 1, шток поршня 2, поршень 3, возвратная пружина 4, отверстия 5, аккумулятор 6 и обратный клапан 7. Полости заполнены рабочей жидкостью. Перемещающийся объект воздействует на наконечник. Усилие через шток передается на поршень, вызывая его перемещение. Жидкость перетекает из сжимаемой бесштоковой полости в штоковую через аккумулятор. Аккумулятор, представляющий собою трубку из пористого материала, при этом компенсирует разницу объемов полостей за счет изменения собственного объема. Возврат гидроамортизатора в исходное состояние после снятия усилия производится за счет пружины и обратного клапана.

Пневматические подвески

Сегодня продолжаем тему рассказом о пневмоподвесках.

Принципиальная схема пневматической подвески с резино-кордными упругими элементами и автоматическим регулированием положения кузова: 1 — упругий элемент; 2 — ось автомобиля; 3 — рама автомобиля; 4 — дополнительный воздушный резервуар; 5 — воздуховод; 6 — регулятор положения кузова; 7 — компрессор; 8 — резервуар

Характеристика подвески влияет на множество эксплуатационных качеств автомобиля: плавность хода, комфортабельность, устойчивость движения, долговечность, как самой машины, так и целого ряда ее узлов и деталей. В тяжелых дорожных условиях именно возможности подвески, а вовсе не мощность двигателя, определяют средние и максимальные скорости движения.

Опыт эксплуатации грузовых автомобилей показывает, что на неровных дорогах средняя скорость движения падает на 35-40%, расход топлива увеличивается на 50-70%, межремонтный пробег уменьшается на 35-40%. При этом производительность автотранспорта снижается на 32-36%, а стоимость перевозок возрастает на 50-60%. К этому следует добавить потери, обусловленные перерасходом металла, топлива, резины и добавочными затратами рабочей силы. Для уменьшения этих потерь можно или улучшать дороги, что дорого, или совершенствовать подвески автомобиля, что еще дороже, но в пересчете на тысячи автомобилей оказывается дешевле.

Независимая передняя подвеска среднетоннажного грузовика фирмы Commer с пневмоэлементами: 1 — поперечный рычаг; 2 — продольный рычаг; 3 — кронштейн — нижняя опора пневмоэлемента; 4 — двухсекционный пневмоэлемент

Все же и дороги с ровной поверхностью предъявляют к подвеске очень жесткие требования. Ведь скорости постоянно растут, а требования к управляемости и устойчивости автомобилей и автопоездов ужесточаются.

Анализ конструкций автомобилей показывает, что весовой коэффициент использования автомобиля, определяемый отношением полезной нагрузки к собственному весу, непрерывно увеличивается. Стремление к минимальному собственному весу, увеличению весового коэффициента использования автомобиля и максимальной комфортности приводит к тому, что подвески со стальными рессорами уже не всегда способны вписываться в предъявляемые к ним требования. Во многих случаях подвеска должна обеспечивать:

— максимальную плавность хода при отсутствии значительных взаимных смещений подрессоренных и неподрессоренных частей автомобиля;

— минимальный просвет между кузовом (шасси) и осями;

— постоянство высоты подножки или уровня пола при изменении нагрузки.

При линейных характеристиках традиционных упругих элементов не удается добиться приемлемой частоты собственных колебаний, равной 90-120 мин-1, что вынуждает конструкторов обращаться к упругим элементам с нелинейной, прогрессивной характеристикой: пневматическим или гидропневматическим, обладающим целым рядом достоинств.

Размещение трехсекционных пневмоэлементов в балансирной подвеске задних мостов автомобиля Tatra-815

Во-первых, эти упругие элементы имеют большую энергоемкость в основном рабочем диапазоне и при больших прогибах, а значит, обеспечивают снижение амплитуды колебаний, уменьшение количества энергии, поглощаемой амортизаторами, упрощают регулировку. При этом в подвесках со стальными упругими элементами прогрессивная характеристика достигается только за счет сильного усложнения конструкции.

Второе достоинство — легкость автоматического регулирования жесткости и динамичного хода подвески в соответствии с условиями нагружения, что позволяет получить большую плавность хода и улучшить другие эксплуатационные качества. При одинаковых размерах упругого элемента подвеска позволяет иметь высокую степень унификации для автомобилей разной грузоподъемности со значительной разницей в величине подрессоренных масс. Это третье достоинство. В-четвертых, пневмоэлементы имеют чрезвычайно высокую долговечность, недостижимую для стальных упругих элементов. Например, баллоны автобусов GMC выхаживают до 1 млн. км.

Постоянное положение кузова облегчает обеспечение правильной кинематики подвески и рулевого привода, снижается центр тяжести автомобиля и, следовательно, повышается его устойчивость. При любой нагрузке обеспечивается надлежащее положение фар, что повышает безопасность движения в ночное время. Это — пять. В-шестых, для улучшения устойчивости автомобиля при торможении на пневмоподвеску часто возлагается еще одна функция: точно регулировать тормозные усилия на колесах в зависимости от изменения нагрузок на них. Практически пневмоподвеска делает это более точно, чем механические системы регулирования тормозного давления и не обладает недостатком электронных систем, допускающих сбои в работе в условиях повышенной влажности. И, наконец, благодаря ей увеличивается срок службы автомобиля в целом.

Итог получается достаточно простым: учитывая, что стоимость изготовления пневмоподвесок почти сравнялась со стоимостью рессорных подвесок, применение первых позволяет получить большой технико-экономический эффект.

Различают два типа пневматических упругих элементов:

— с переменной эффективной площадью, зависящей от перемещения опорных фланцев элемента (обычно резино-кордные);

— поршневого типа, у которых в процессе деформации эффективная площадь остается постоянной.

Наибольшее распространение получили резино-кордные двойные пневмобаллоны. Такой баллон устанавливается между опорными фланцами (пластинами) подвески и крепится к ним с помощью винтов, при этом буртики оболочки зажимаются между фланцами, герметизируя внутреннюю полость. Кольцо ограничивает радиальное расширение, обеспечивает правильное складывание оболочек при сжатии, способствует повышению несущей способности и износостойкости баллона.

Собственная частота колебаний при увеличении статической нагрузки несколько уменьшается, тем медленнее, чем выше давление газа, а потому плавность хода пустого и наполненного людьми автобуса не может быть одинаковой.

Долговечность баллонов определяется не только их собственной конструкцией и качеством полиамидных материалов и резины, но также и конструкцией направляющего аппарата подвески. Его кинематика должна быть такой, чтобы баллоны работали только на сжатие. Число слоев корда (обычно это нейлон и капрон) равно двум — четырем. Внутренний слой резины должен быть не только воздухонепроницаемым, но и маслостойким. Внешний слой должен сопротивляться воздействию лучей солнца, озона, бензина — для него применяют неопрен. Таким образом пневмобаллон состоит из нескольких слоев прорезиненной кордной ткани (каркас) с внутренним герметизирующим и внешним защитным слоями.

Пневматический упругий элемент целесообразно применять в двух случаях: когда подрессоренная масса при загрузке автомобиля меняется в широких пределах (задние подвески грузовых автомобилей, в том числе седельных магистральных тягачей, автобусов, прицепов), или когда к плавности хода предъявляются особые требования, для выполнения которых необходимо регулирование характеристики подвесок. В этом случае параллельно пневмобаллонам часто устанавливают дополнительные пневморезервуары, обеспечивающие более пологую характеристику упругого элемента.

На графике приведены характеристики различных пневмоэлементов. По мере сжатия простого баллона растет не только давление воздуха в нем, но и его эффективная площадь, поэтому жесткость подвески увеличивается (кривая 1) При дополнительных резервуарах подвеска на двухсекционных баллонах обеспечивает частоту колебаний подрессоренных масс не более 80 мин-1(кривая 2). Трехсекционные баллоны позволяют снизить эту частоту еще на 10-15%.

Стремление уменьшить габариты упругого элемента, собственную частоту колебаний и емкость дополнительных резервуаров привело к развитию конструкций с пневмоэлементами рукавного и диафрагменного типа (кривая 3)

Причины создания и применение. Развитие конструкции легкового автомобиля привело к необходимости разработки и применения регулируемых подвесок. Можно назвать несколько основных причин, которые заставили инженеров использовать регулируемые подвески на легковых автомобилях.

Во-первых, это связано со значительными изменениями нагрузки на подвеску. Произошло снижение собственной массы автомобилей при повышении их грузоподъемности, особенно малолитражных, малогабаритных и компактных легковых автомобилей. Увеличение массы нагруженного автомобиля по сравнению с порожним достигает ста и более процентов.

Во-вторых, существенно повысились скорости движения легковых автомобилей. Появилась необходимость изменения положения кузова и «ужесточения» подвески для повышения устойчивости и управляемости. На дорогах с высококачественным покрытием максимальная скорость достигла отметки 150... 200 км/ч. (Возможно, это предел, так как дальнейшее возрастание скорости приведет к резкому снижению безопасности движения и значительному увеличению расхода топлива).

В-третьих, не утратила своего значения проблема повышения плавности хода и комфортабельности движения в различных дорожных условиях. Необходимость повышения плавности хода остро ощущается на отечественных автомобилях, эксплуатация которых происходит в весьма разнообразных дорожных и климатических условиях.

И наконец, в-четвертых, при использовании регулируемых подвесок стало возможным получить дополнительные преимущества и удобства по сравнению с обычной подвеской. Легко можно сохранять или принудительно изменять положение кузова и колес относительно дороги. Например, постоянный просвет улучшает работу фар, особенно при дальнем свете, регулирование обеспечивает возможность подъема кузова для преодоления препятствий, подъем и опускание колес для монтажа и демонтажа шин без домкрата.

Регулирование дорожного просвета. Упругие пневматические элементы

Пневматическая подвеска с регулировкой жесткости и дорожного просвета устанавливается на автомобили повышенной проходимости или на автомобили бизнес-класса и служит для создания дополнительного комфорта при движении.

Пневматическая подвеска позволяет уменьшать дорожный просвет в зависимости от скорости движения, при этом центр тяжести смещается вниз и значительно повышается курсовая устойчивость. Водитель может выбрать один из нескольких уровней дорожного просвета.

Давление в амортизационных стойках создается с помощью отдельного компрессора и пневморезервуара. Все элементы объединены с помощью пластиковых воздуховодов, а поток воздуха регулируется электромагнитными клапанами. Данные от четырех датчиков, расположенных на осях, и трех датчиков ускорения, установленных на кузове, поступают в блок управления адаптивной пневматической подвеской. Таким образом, компьютер в течение нескольких миллисекунд дает команду на перенастройку каждого амортизатора в зависимости от дорожных условий.

Сила демпфирования регулируется автоматически. При большой нагрузке в подвеску подается дополнительный воздух, который стравливается при уменьшении нагрузки. Кроме того, в адаптивной пневматической подвеске предусмотрена функция автоматического регулирования величины дорожного просвета. В этом случае клиренс автомобиля, независимо от нагрузки, всегда остается в рамках заданных значений.

Бесступенчатая регулировка жесткости пневматической подвески призвана обеспечивать высокий комфорт благодаря системе компьютерного контроля за показаниями различных типов датчиков.

Пока не возникает необходимость более жесткой работы подвески, например, при скоростном движении по дороге с хорошим покрытием, подвеска остается комфортно мягкой. Изменение степени демпфирования каждого колеса по отдельности снижает вероятность возникновения колебаний кузова, которые могут ухудшить комфорт пассажиров.

В поворотах или при трогании с места адаптивная подвеска автоматически уменьшает раскачку кузова и клевки.

Упругие пневматические элементы целесообразно применять на автомобилях, масса подрессоренной части которых меняется значительно (грузовые автомобили), или требования к плавности хода которых высоки (автобусы). Путем изменения давления воздуха в пневматическом элементе можно регулировать жесткость подвески. При этом появляется возможность регулировать высоту пола (автобусы), грузовой платформы или прицепного устройства относительно дороги либо величину дорожного просвета (при независимой подвеске).

Упругие пневматические элементы изготовляются обычно в виде резинокордных оболочек, содержащих прорезиненный каркас из двухслойного корда диагональной конструкции. Корд выполняется обычно из синтетических нитей (нейлон, капрон и т. п.). Наружный слой оболочки изготовляется из маслостойкой, а внутренний — из воздухонепроницаемой резины. Толщина оболочки 3—5 мм. Пневмобаллоны тороидальной формы бывают одно- и двухсекционными. Односекционные встречаются редко. Наиболее распространенными являются двухсекционные (двойные) пневмобаллоны, которые состоят из оболочки с двумя бортами, усиленными стальными проволочными кольцами, которыми баллон присоединяется к опорным фланцам с помощью стальных фасонных колец. В средней части оболочка перетянута стальным бандажным кольцом.

Максимальное давление внутри пневмобаллона не превышает 0,8 МПа, рабочее давление — 0,3—0,5 МПа, минимальное давление не ограничивается.

Действие системы при выборе большего дорожного просвета

При выборе водителем большего дорожного просвета система проверяет, достаточно ли сжатого воздуха в ресивере для увеличения дорожного просвета. При наличии достаточного количества сжатого воздуха в ресивере процесс увеличения дорожного просвета занимает несколько секунд.

Если же ресивер к моменту выбора нового дорожного просвета оказался пуст, сжатый воздух в пневмоподвеску начинает поступать от компрессора. Этот процесс может длиться несколько минут, и продолжительность зависит от рабочей температуры компрессора. Дело в том, что компрессор при достижении максимально допустимой рабочей температуры автоматически отключается и включается опять после его охлаждения.

Процесс изменения дорожного просвета не начнется, когда на дисплее появилось сообщение «Подача воздуха в ресивер». В этом случае подождите несколько минут и снова задайте требуемый дорожный просвет.

Действие системы при выборе меньшего дорожного просвета

Переход на меньший дорожный просвет осуществляется выпуском сжатого воздуха из пневморессор.

Единственным исключением является переход на уровень Lade. Опускание кузова на этот уровень происходит только тогда, когда запаса сжатого воздуха в ресивере достаточно для последующего перехода на уровень StraКen.

Если же запас сжатого воздуха недостаточен, опускания кузова не происходит. На дисплее приборного щитка появляется сообщение: «Подача воздуха в ресивер».

Различают два типа пневматических упругих элементов:

– с переменной эффективной площадью, зависящей от перемещения опорных фланцев элемента (обычно резино-кордные);

– поршневого типа, у которых в процессе деформации эффективная площадь остается постоянной.

Преимущество пневматического упругого элемента:

1. Большая энергоемкость, чем у других типов подвески;

2. Легкость автоматического регулирования жесткости и динамичного хода подвески в соответствии с условиями нагружения.

В общем случае под пневмоподвеской понимается замена штатных упругих элементов подвески (пружин, рессор или торсионов) на армированные резиновые пневмобаллоны, в которых роль упругого тела выполняет сжатый воздух, нагнетаемый из пневмосистемы.

Комбинированные подвески ЛИАЗ

Подвеска автобуса является связующим звеном между кузовом и колесами. На автобусах ЛиАЗ-677М, -677Г, ЛАЗ-4202, -42021 и др. применяют пневморессорные зависимые подвески. Они отличаются в основном от подвески автомобилей наличием упругого элемента, через который посредством рессор передаются на кузов силы, действующие на колеса. Входящие в подвеску пневмоэлементы совместно с гидравлическими амортизаторами вышеописанного типа уменьшают колебания кузова, обеспечивают хорошую устойчивость и плавность хода автобуса, что необходимо для комфортности поездки пассажиров.

Пневморессорная подвеска в качестве упругих элементов имеет полуэллиптические рессоры, воспринимающие реакции, как от тяговых тормозных моментов, так и боковые усилия, и пневматические двухсекционные резинокордные оболочки типоразмера 300-200 модели И-02, называемые пневмобалонами. С каждой стороны подвеска имеет по основной рессоре от автомобиля ЗИЛ-130, пневмобалону и телескопическому амортизатору от автомобиля МАЗ-500.

Устройство и работа. Основным элементом пневматической подвески является регулируемая пневморессора. Распространение пневморессор на автомобилях связано с их преимуществом по сравнению с другими упругими элементами: простотой регулирования основных показателей и изменения характеристик подвески. Регулирование пневматической подвески производится за счет подвода или отвода жидкости или газа в пневморессоры. В результате такого регулирования легко можно изменять положение кузова и колес, жесткость подвески и частоту собственных колебаний кузова. Грузоподъемность пневморессоры обеспечивается давлением сжатого воздуха (или газа), а жесткость — объемом, в котором этот воздух находится. Изменение грузоподъемности при загрузке или разгрузке автомобиля компенсируется повышением или понижением давления сжатого воздуха в пневморес-соре. Пневморессоры изменяют жесткость в зависимости от частоты колебаний кузова и колес. С увеличением скорости движения происходит ужесточение.подвески.

Конструкции регулируемых пневморессор весьма разнообразны, работы по их совершенствованию все время продолжаются, постоянно предлагаются новые схемы и конструктивные решения. Однако все виды регулируемых пневморессор можно разделить на два основных типа (рис. 4.21): телескопические поршневые рессоры и пневморессоры, выполненные на основе резино-кордных оболочек (РКО).

Основными частями поршневой рессоры (рис. 4.21, а) являются поршень /, рабочий цилиндр 2, стальная сфера 3, разделенная гибкой резиновой диафрагмой 4. Рабочее тело — газ (как правило, азот) находится в стальной сфере 3. Заправка сжатого газа в рессору производится через клапан 5. Регулирование пневморессоры осуществляется за счет подвода жидкости 7 в цилиндр с поршнем. На выходе из рабочего цилиндра в сферу жидкость проходит через дроссель 6 — устройство, выполняющее роль гидравлического амортизатора. Таким образом, упругий элемент объединен в одной конструкции с гасящим устройством.

На рисунке 4.21, б изображена схема регулируемой пневморессоры с РКО. На корпусе гидравлического амортизатора 11 закреплена РКО 12, выполненная в виде рукава, который при перемещении подвески обкатывается по корпусу 11. Конструкция рукава с кордным каркасом 9, наружным защитным 8 и герметизирующим 10 слоями резины напоминает устройство шины. Рабочий объем сжатого воздуха заключен между РКО и стаканом 13. К пневморессоре может быть подключен дополнительный объем 15. Подвод сжатого воздуха в пневморессору осуществляется через штуцер 14. Способ изменения давления сжатого воздуха (или газа) влияет на характеристику пневморессоры. При неподвижном поршне подвод жидкости (рис. 4.21, а) увеличивает давление газа в результате уменьшения его объема, при этом его масса остается неизменной. Если подводить в пневморессору сжатый воздух (рис. 4.21, б), то давление возрастет из-за увеличения массы воздуха, а объем, который он занимает, останется прежним. В первом случае увеличивается частота собственных колебаний кузова и плавность хода автомобиля ухудшается, во втором — частота собственных колебаний кузова и плавность хода сохраняются.

Способность пневморессор с РКО сохранять автомобилю плавность хода независимо от того, нагруженный он или порожний, имеет большое значение. Такие пневморессоры используют на автобусах и грузовых автомобилях, грузоподъемность которых значительно изменяется. Поршневые пневморессоры применяют на легковых автомобилях, изменение грузоподъемности у которых невелико. Улучшить характеристику поршневой пневморессоры при изменении давления сжатого газа можно, подключая дополнительные пневматические упругие элементы.

Регулируемые пневморессоры позволяют увеличивать жесткость подвески при движении автомобиля с большой скоростью по хорошей дороге или с малой скоростью по бездорожью. Для изменения жесткости пневморессор используют дополнительный объем для сжатого воздуха (рис. 4.21, б) или дополнительный пневматический упругий элемент (рис. 4.22).

Если к пневморессоре с РКО подсоединить дополнительный объем 15 (см. рис. 4.21, б), то жесткость ее уменьшится, подвеска будет мягкой. При отключении дополнительного объема произойдет ужесточение подвески.

На рисунке 4.22 показана схема с тремя упругими элементами, применяемая на машинах «Ситроен» (Франция). Основные упругие элементы 1 и 3 установлены в направляющих устройствах подвески колес. Дополнительный упругий элемент 2 соединен трубопроводами с основными. Все три элемента имеют одинаковые давления и объемы сжатого газа и не отличаются друг от друга по конструкции.

Во время управления подвеской с помощью клапанов 4 можно включать и выключать из работы дополнительный упругий элемент 2. При его включении существенно снижается жесткость подвески, при отключении она возрастает. Кроме регулирования положения кузова и колес, подвеска имеет еще два режима работы: «мягкий» с дополнительным элементом и «жесткий» без него.

На рисунке 4.23 показана конструкция поршневой пневморессоры. Сжатый газ (азот) заключен в металлической сфере, состоящей из двух частей — верхней 5 и нижней 8. Нагрузка на газ передается жидкостью через разделительную диафрагму 7. При работе рессоры жидкость, вытесняемая поршнем 3, проходит через встроенный амортизатор 9. С колесом автомобиля связан шток /, который передает усилия на поршень через упорную пяту 11. Между цилиндром 10 и поршнем 3 установлены уплотнения 12. Снизу пневморессора изолирована от окружающей среды кожухом 13 с устройством для слива жидкости 2. Подвод жидкости при регулировании рессоры производится через отверстие 4. Заправка рессоры сжатым газом осуществляется с помощью заправочного клапана 6.

На рисунке 4.24 изображена схема регулируемой пневматической подвески. Регулирование положения кузова осуществляется с помощью регулятора, привод 3 которого соединен с направляющим устройством подвески. В поршневой рессоре газ 4 и жидкость 5 разделены диафрагмой. Регулятор имеет каналы подвода / и слив 2 жидкости. В рессоре 6 размещен амортизатор. При увеличении нагрузки кузов опускается, и регулятор подает жидкость в цилиндр пневморессоры, восстанавливая положение кузова. При снижении загрузки автомобиля регулятор для сохранения положения кузова обеспечивает слив жидкости из пневморессоры.

Первым легковым автомобилем массового производства на пневматической подвеске был знаменитый французский автомобиль «Ситроен ДС-19», серийный выпуск которого начался в 1955 г. На всех колесах машины были установлены регулируемые поршневые пневморес-соры. Автомобили «Ситроен» с такими пневморессорами с успехом выпускаются и в настоящее время. Пневморессоры с РКО впервые появились на легковых автомобилях серийного производства в 1957 г. в США. Это была дорогостоящая машина «Кадиллак Эльдорадо». В пневматической подвеске автомобиля использовались РКО диафрагменного типа. Такие же РКО были установлены на серийном автомобиле «Мерседес-Бенц» 300 СЕ выпуска 1961 г. Он оказался одним из последних автомобилей с пневматической подвеской такого типа. Попытки применения РКО диафрагменного типа не получили распространения на легковых автомобилях.

В СССР в начале 50-х гг. велись интенсивные разработки пневматических подвесок для автобусов и грузовых автомобилей. На Всесоюзном совещании по проблемам пневмоподвески были представлены опытные образцы грузовых автомобилей и автобуса.с пневморессорами на основе РКО. Позже началось серийное производство автобусов с пневмоподвескои на Львовском и Ликинском автобусных и троллейбусном имени Урицкого (ЗиУ) заводах. Опытный автомобиль «Москвич» с пневматической подвеской был изготовлен в конце 60-х гг. на Ижевском автозаводе.

Интерес к пневматическим подвескам с РКО для легковых автомобилей появился снова, когда выяснилась возможность применения РКО рукавного типа в сочетании с электронными системами управления. В настоящее время управляемые пневматические подвески применяют многие ведущие автомобилестроительные заводы Европы, США и

Системы вентиляции и отопления салона автомобилей. Основные элементы, устройство.

Обогрев кабины осуществляется воздухом, нагретым в отопителе, который включен в систему охлаждения двигателя (рис. 9.1). При включенном вентиляторе отопителя воздух, поступающий сна­ружи через люк 3 или из кабины через люк 8, прокачивается через радиатор 7 отопителя и попадает в распределитель воздухообогрева 12, откуда посредством управляемых заслонок распределяется по кабине. Управление заслонками распределителя воздухообогрева осуществляется рычагом 11. При верхнем положении рычага воздух поступает через дефлектор 2 на обдув стекол, а при нижнем – для обогрева ног водителя и пассажиров. При изменении положения ры­чага относительно крайних положений соответственно изменяется количество воздуха, поступающего на обдув стекол и обогрев ног водителя и пассажиров. Управление люком 8 осуществляется рыча­гом 10. При верхнем положении рычага люк открыт, а при нижнем – закрыт. Привод наружного люка 3 осуществляется посредством рычага 13.

Оптимальный вариант обогрева кабины осуществляется при открытых наружном и внутреннем люках и среднем положении рычага 11. При этом воздух поступает снаружи и из кабины и подается на ветровое стекло и к ногам водителя и пассажиров. Включатель вентилятора помещен на щитке приборов.

При отрицательной температуре воздуха должен быть открыт краник 4, расположенный на впускной трубе двигателя. В летнее время радиатор отопителя необходимо отключать от системы охла­ждения, для чего краник 4 водоподводящей трубки 5 надежно за­крывается.

Вентилируется кабина через люки системы отопления и проемы опускающихся и поворотных стекол кабины. При недостаточной естественной вентиляции включается вентилятор отопителя.

Омыватели лобового и заднего стекла легковых автомобилей.

Устройство для очистки ветровых стекол состоит из двух пневматических однощеточных стеклоочистителей (рис. 9.2), двух кранов управления и трубопроводов. Левый край управляет работой стеклоочистителя и устройством для обмыва ветровых стекол. Щет­ки стеклоочистителей приводятся в действие поршневыми пневмодвигателями. Специальные устройства фиксируют щетки в нижнем положении. Угол обмаха щеток 90 ± 5°. Щетки стеклоочистителей работают со скоростью 20—30 или около 50 двойных ходов в минуту. Ручки включения стеклоочистителей располагаются под щитком приборов, справа от рулевой колонки. При поступательном пере­мещении ручки в кране включается одно из трех фиксированных положений.

Устройство для обмыва ветровых стекол включает в себя диафрагменный насос 3, работающий от сжатого воздуха, полиэтилено­вый бачок 2 и трубки с двумя одноструйными жиклерами 4. Устрой­ство приводится в действие краном управления левым стеклоочисти­телем.

Перед включением стеклоочистителя необходимо нажать на ручку до упора. Затем потянуть ее на себя, установив шток во вто­рое или третье положение. При этом сжатый воздух поступит к золотнику, направляющему воздух поочередно то в одну, то в дру­гую полость пневмодвигателя, поршень которого приводит в движение рычаг со щеткой. Для выключения стеклоочистителя необ­ходимо нажать на ручку крана до упора, при этом щетки устанав­ливают в нижнем положении. Насос приводится в действие переме­щением левой ручки крана управления на себя до упора. В этом положении ручку удерживать не более 1 с, после чего она автомати­чески возвращается в третье фиксированное положение. При переме­щении штока сжатый воздух поступает в диафрагменный насос. Имеющаяся в насосе жидкость выдавливается диафрагмой к жикле­рам. После срабатывания насоса диафрагма выпрямляется, в полос­ти под ней создается разрежение, и из бачка поступает новая порция жидкости. Насос постоянно заполнен жидкостью и готов к дей­ствию.

Стеклоочиститель ветровых стекол кабины включен в пнев­матическую систему автомобиля. Он состоит из пневматического двигателя с золотниковым распределением и механизмом укладки щеток по нижней кромке стекла, двух щеток, тяг и рычагов приво­да щеток. Включается стеклоочиститель поворотом головки крана против часовой стрелки. Кран расположен на панели приборов. Вращая головку крана, можно регулировать скорость движения щеток стеклоочистителя. При повороте головки крана против часо­вой стрелки интенсивность работы щеток увеличивается. При пово­роте головки крана по часовой стрелке до упора стеклоочиститель выключается.

По окончании работы щетки должны укладываться по нижней кромке стекла. Если механизм укладки щеток не сработал, кран вторично включается и выключается водителем.

Омыватель ветровых стекол состоит из насоса, бачка с жид­костью объемом 1,5 л, шлангов, двух распылителей. Насос диафрагменного типа установлен с левой стороны кабины на полу. Ба­чок расположен на левой боковине капота. Вода из бачка насосом подается по шлангам к распылителям и омывает ветровые стекла при нажатии на педаль. Стекла промываются с одновременным вклю­чением стеклоочистителей. Направление струи регулируется поло­жением жиклера распылителя. При отрицательных температурах в бачок заливается незамерзающая жидкость.

Аэродинамическое сопротивление

Аэродинамическое сопротивление автомобиля обусловлено движением последнего с некоторой относительной скоростью в окружающей воздушной среде. Среди всех сил, составляющих сопротивление движению автомобиля, эта представляет наибольший интерес в свете всевозрастающих скоростей передвижения транспортных средств. Дело все в том, что уже при скорости движения 50-60 км/час она превышает любую другую силу сопротивления движению автомобиля, а в районе 100-120 км/час превосходит всех их вместе взятых.

Применительно к автомобильной технике аэродинамическое сопротивление можно представить как сумму нескольких его составляющих. К ним относятся:

Сопротивление формы еще называют сопротивлением давления или лобовым сопротивлением. Сопротивление формы является основной составляющей сопротивления воздуха, оно достигает 60 % общего. Механизм возникновения этого вида сопротивления следующий. При движении транспортного средства в окружающей воздушной среде происходит сжатие набегающего потока воздуха в передней части автомобиля. В результате здесь создается область повышенного давления. Под его влиянием струйки воздуха устремляются к задней части автомобиля. Скользя по его поверхности, они обтекают контур транспортного средства. Однако в некоторый момент начинает проявляться явление отрыва элементарных струек от обтекаемой ими поверхности и образования в этих местах завихрений. В задней части автомобиля воздушный поток окончательно срывается с кузова транспортного средства. Это способствует образованию здесь области пониженного давления, куда постоянно осуществляется подсос воздуха из окружающего воздушного пространства. Классической иллюстрацией наличия зоны пониженного давления является пыль и грязь, оседающие на элементы конструкции задней части транспортного средства. За счет различия давлений воздуха впереди и сзади автомобиля создается сила лобового сопротивления. Чем позже происходит срыв воздушного потока с обтекаемой поверхности и соответственно меньше область пониженного давления, тем меньшей будет и сила лобового сопротивления.

В этом аспекте интересен следующий факт. Известно, что при езде двух формульных болидов друг за другом, уменьшается не только сопротивление движению заднего автомобиля, идущего в воздушном мешке, но и переднего, по измерениям в аэродинамической трубе - на 27%. Происходит это вследствие частичного заполнения зоны пониженного давления и уменьшения разряжения за ним.

Из вышесказанного понятно, что форма кузова транспортного средства в данном случае играет существенную роль. Кузов автомобиля необходимо изваять таким образом, чтобы процесс перемещения воздуха из передней зоны автомобиля в заднюю происходил с наименьшими затратами энергии, а последние определяются главным образом характером вихреобразования. Чем меньше образуется локальных завихрений, мешающих нормальному перетеканию струек воздуха под действием разности давлений, тем меньше будет и сила лобового сопротивления.

Сопротивление трения обусловлено "прилипанием" к поверхности кузова слоев перемещающегося воздуха, вследствие чего воздушный поток теряет скорость. В этом случае величина сопротивления трения зависит от свойств материала отделки поверхности кузова, а также от его состояния. Дело в том, что любая поверхность обладает различной поверхностной энергией, способной в различной степени повлиять на окружающую среду. Чем больше значение поверхностной энергии у материала покрытия автомобиля, тем сильнее его поверхность взаимодействует на молекулярном уровне с окружающей воздушной средой, и тем больше энергии необходимо затратить на разрушение сил Ван-дер-
Ваальса (сил взаимного притяжения молекул), препятствующих взаимному перемещению объемов соприкасающихся веществ. На данный вид потерь приходится около 10 - 20% всех аэродинамических потерь. Меньшие значения сопротивления трения относятся к автомобилям, обладающим новыми, хорошо отполированными покрытиями, большие к автомобилям с плохо окрашенными кузовами или покрытиями, которые с течением времени утратили большинство своих потребительских свойств.

Сопротивление вызываемое выступающими частями автомобиля составляет 10 - 

15% общего. Хотя на некоторых экземплярах автомобильной техники оно может принимать и гораздо большее значение. На его величину влияют самые, казалось бы, безобидные конструктивные элементы автомобиля, как-то дверные ручки, рычаги стеклоочистителей, колесные колпаки и прочие детали.
Оказывается даже такие мелочи вносят свой вклад в общую силу аэродинамического сопротивления движению, причем их довесок весьма существенен. Судите сами: поднятые ночью убирающиеся фары увеличивают силу сопротивления воздуха на 10%, открытые окна - на 5%, установленные предусмотрительным автовладельцем грязезащитные фартуки на всех колесах - на 3%, багажник на крыше - на 10-12%, наружные зеркала заднего вида - 5-7%, широкопрофильные шины - на 2-4%, антенна - на 2%, открытый люк в крыше - на
2-5%. С другой стороны есть ряд деталей, применение которых позволяет уменьшить аэродинамическое сопротивление. Так, установка на колеса гладких колпаков снижает его на 3%, замена выступающих дверных ручек на оптимизированные в аэродинамическом смысле - утопленные также несколько снижает силу сопротивления воздуха. Чтобы исключить добавочное сопротивление, вызываемое щетками стеклоочистителей, когда последние находятся в нерабочем положении, конструкторы некоторых фирм прячут их в специальный отсек, расположенный между кромкой капота и лобовым стеклом.
Также существенную роль играет качество сборки кузова автомобиля: малые зазоры в местах стыков кузовных деталей могут уменьшить сопротивление на 2-
5%.
Внутреннее сопротивление обусловлено движением воздушных потоков через системы вентиляции и охлаждения. Обычно пути движения воздушных потоков в этом случае имеют достаточно сложную конфигурацию, обладающую множеством местных сопротивлений. К числу последних относятся резкие изменения направления движения воздуха, фильтры, радиаторы и т. п.
Для количественной характеристики аэродинамического сопротивления используют следующую зависимость:
FX=CX*P*V2*FMID/2, где: Р - плотность воздуха;

V - скорость относительного движения воздуха и машины;

FMID - площадь наибольшего поперечного сечения автомобиля (лобовая площадь);

CX - коэффициент лобового сопротивления воздуха (коэффициент обтекаемости).
Обратите внимание на то, что скорость в формуле стоит в квадрате, а это значит: при увеличении скорости движения транспортного средства в два раза, сила сопротивления воздуха увеличивается в четыре раза, а затраты мощности вырастают в восемь раз!!! Поэтому при движении автомобиля в городском потоке аэродинамическое сопротивление автомобиля мало, на трассе же его значение достигает больших величин
Коэффициент лобового сопротивления определяют экспериментальным методом путем продувки автомобиля или его модели в аэродинамических трубах. От величины CX Вашего автомобиля в прямой зависимости находится количество расходуемого им топлива, а значит и денежная сумма оставляемая Вами у бензоколонки. Поэтому конструкторы всех фирм-производителей автомобильной техники постоянно пытаются снизить коэффициент лобового сопротивления своих творений. CX для лучших образцов современных автомобилей составляет величину порядка 0,28-0,25. Для примера, величина коэффициента лобового сопротивления "седьмого вазовского классического кирпича" составляет 0,46.

Комментарии излишни. Наименьшим же коэффициентом отличаются автомобили, предназначенные для установления рекордов скорости - CX порядка 0,2-0,15.

Однако аэродинамика влияет не только на скоростные качества автомобиля и расход топлива. В ее компетенцию входят также задачи обеспечения должного уровня курсовой устойчивости, управляемости автомобиля, снижения шумов при его движении.

Особое внимание заслуживает влияние аэродинамики на устойчивость и управляемость автомобилем. Это в первую очередь связано с возникновением подъемной силы, которая серьезно влияет на ходовые качества машины - уменьшает силу сцепление колес с дорогой, а в некоторых случаях может быть одной из причин опрокидывания автомобиля. Причина появления подъемной силы у автомобиля кроется в форме его профиля. Длины путей движения воздуха под автомобилем и над ним существенно разняться, следовательно, обтекаемому сверху воздушному потоку приходится проходить его с большей скоростью, нежели потоку движущемуся внизу автомобиля. Далее вступает в действие закон Бернулли, по которому, чем больше скорость, тем меньше давление и наоборот.

Поэтому внизу автомобиля создается область повышенного давления, а сверху - пониженного. В результате получаем подъемную силу. Конструкторы стремятся всякими ухищрениями свести ее к нулю, и частенько это им удается. Так, например, у "десятки" нулевая подъемная сила, а у "восьмерки" существует тенденция к подъему. Избавиться от подъемной силы можно установкой антикрыльев. Они создают дополнительную прижимную силу, хотя несколько и ухудшают общее аэродинамическое сопротивление. Следует заметить, что используются они в основном на гоночных болидах. Не следует путать между собой антикрыло и спойлер. Каждый из них выполняет свою задачу. Спойлеры, которые устанавливаются на серийные модели легковых автомобилей, предназначены в большей степени для лучшей организации движения потока воздуха.

На устойчивость автомобиля влияет и характер обтекания кузова воздушными потоками, направленными под определенным углом к его продольной оси. В этом случае результирующая сила лобового сопротивления, приложенная к его центру парусности, который находится на некотором расстоянии от поверхности контакта автомобиля с дорогой, а также смещен от его центра масс, создает разворачивающий момент и крен автомобиля. Ощутить всю прелесть данного явления можно, например, на "Таврии" при движении на высокой скорости в момент прохождения рядом "фуры".

Аэродинамические шумы, возникающие при движении автомобиля, свидетельствуют о плохой его аэродинамике или же о ее отсутствии вообще. Генерируются они за счет вибраций элементов кузова в моменты срыва воздушного потока с их поверхности. По наличию или отсутствию шумов на высоких скоростях движения можно определить степень проработки конструкции автомобиля в аэродинамическом смысле.

Как Вы понимаете, просчитать такое огромное количество параметров аэродинамики автомобиля невозможно. Поэтому ее созданием и доводкой конструкторы занимаются путем многочисленных продувок в аэродинамических трубах, как моделей автомобилей, так и натурных образцов.

Как оценить потери мощности на качение шин? Если дорога имеет твердое, ровное покрытие, а давление в шинах нормальное, то в широком диапазоне скоростей (примерно до 60–70% от максимальной) сила сопротивления качению шин почти постоянна и, по данным ряда исследований, составляет 0,013–0,015 полного веса машины. На скоростях 150–160 км/ч этот коэффициент может увеличиваться в зависимости от особенностей шины, давления в ней, температуры и т. д. до значений 0,019–0,020.

А вот другая составляющая пространства – это воздух. Чем быстрее едешь, тем сильнее его сопротивление. На очень высоких скоростях воздух становится
"железным": так, на некоторых боевых самолетах при энергичных маневрах один квадратный метр крыла испытывает нагрузку до нескольких тонн! Сопротивление воздуха – главный враг высоких скоростных показателей.

Соотношение мощности к скорости
Так изменяется необходимая для движения мощность в зависимости от скорости автомобиля: N – мощность, л.с.;

V – скорость, км/ч (м/с); Cx – коэффициент аэродинамического сопротивления;

S – "лобовая площадь" автомобиля; 1 – расчетная мощность, с учетом изменения потерь на качение шин по скорости;

2, 6 – характеристики максимальной ("располагаемой") мощности двигателей
ВАЗ-2103 и ВАЗ-2101;

3, 4 – результаты расчета для попутного и встречного ветра 5 м/с;

5 – расчетная кривая необходимой мощности для современного автомобиля со сниженным аэродинамическим сопротивлением Сх = 0,3.
Этот «враг» по-настоящему серьезен, так как резко увеличивается с ростом скорости: увеличили ее втрое – сила сопротивления подскочила в девять раз!
Она пропорциональна квадрату скорости. Но чтобы вычислить аэродинамическое сопротивление автомобиля, достаточно знать два важных его показателя. Во- первых, коэффциент аэродинамического сопротивления Cx . Его называют коэффициентом формы – вполне справедливо, так как он указывает именно на совершенство формы. "Це-икс" грузовиков и мотоциклов может достигать
0,6–1,0, для легковых машин типа "жигулей" составляет примерно 0,45, у лучших современных автомобилей – ниже 0,3. Во-вторых, максимальная площадь поперечного сечения машины S (лобовая площадь).

Поле потока вокруг легкового автомобиля
Вообще, оценивая различные тела, которые перемещаются в воздушном пространстве, можно понять, что «грамотная» форма объекта – это необходимое условие, чтобы перемещение было менее трудным.
На рисунке сравниваются тела с одинаковым отношением длины к высоте l//h или длины к диаметру l//d (это отношение иногда называют коэффициентом полноты тела); фактор близости основания (т.е. поверхности дороги) при таком рассмотрении может не учитываться.
[pic]

Аэродинамическое сопротивление тела вращения (Cx~0,05) состоит преимущественно из сопротивления трения; предельный случай чистого сопротивления трения имеет место при продольном обтекании плоской пластины.

Для этого вида сопротивления имеется хорошая теоретическая база. Влияние вязкости воздуха заметно только в очень тонкой, прилежащей к стенкам зоне, называемой пограничным слоем. Основываясь на экспериментально определенных законах распределения касательных напряжений вдоль стенок, можно рассчитать характеристики этого пограничного слоя, например его толщину, касательное напряжение вдоль стенки, место отрыва, для этого лишь необходимо, чтобы был предварительно рассчитан внешний поток, который в данном случае рассматривается как идеальный, т.е. не обладающий вязкостью.

Таким образом, можно провести оптимизацию, например, тела вращения, т.е. для тела с предварительно заданным отношением l//h и предварительно заданным объемом можно рассчитать форму, обеспечивающую минимальное аэродинамическое сопротивление. В дальнейшем можно, используя теоретические преобразования, пересчитать полученные для этого тела результаты применительно к телу, напоминающему автомобиль. Однако с уменьшением коэффициента полноты l//d сопоставимость теоретических расчетов с экспериментальными данными ухудшается. Причина этого заключается в отличие давлений, рассчитанных теоретически и имеющих место в реальных условиях, в области отрываемого потока (базовое давление, в отечественной литературе этот параметр часто называют донным давлением).

Аэродинамическое сопротивление прямоугольного параллелепипеда, обтекаемого продольным потоком (Cx~0,9) является в основном сопротивлением давления, в чистой форме этот вид сопротивления имеет место при обтекании плоской пластины, расположенной поперечно к потоку. Но даже в этом простом случае - простом в смысле того, что место отрыва однозначно определено острыми кромками - сопротивление давления в интересующем нас случае турбулентного потока в вихревом следе за пластиной не подается расчету. Обратное действие области возмущенного потока, в которой существенно влияние трения, на идеальный, не обладающий вязкостью внешний поток гораздо сильнее, чем в случае пограничного слоя. Общепризнанной модели для вихревого следа за телом, несмотря на интенсивные работы по ее созданию, до сих пор нет.

Итеративное рассмотрение идеального, не обладающего вязкостью, а затем реального, обладающего вязкостью, потока - как в случае пограничного слоя - невозможно. Решение полных уравнений движения, так называемых уравнений Навье-Стокса, возможно только для ламинарного потока, когда закон изменения касательных напряжений известен; в случае турбулентного потока из-за отсутствия подходящего закона изменения касательных напряжений, не говоря уже о проблемах вычисления, такого решения нет.

Легковой автомобиль, несмотря на меньшее по сравнению с параллелепипедом аэродинамическое сопротивление, по механике потока ближе к параллелепипеду и сильно удален от тела вращения. Как будет показано в двух последующих разделах, обтекание автомобиля сопровождается отрывами, а его аэродинамическое сопротивление является пре-имущественно сопротивлением давления.

Так как аэродинамическое сопротивление не поддается расчету, то были предприняты попытки каталогизировать его в зависимости от основных параметров формы. Можно сказать, что эти усилия до сегодняшнего дня безуспешны. Число параметров, описывающих геометрию легкового автомобиля, слишком велико, и отдельные поля потоков находятся в весьма сложном взаимодействии друг с другом.

Таким образом, в данной работе физическая суть процесса обтекания рассматривается только с качественной стороны; кроме того, приведен ряд выводов, которые относятся к конкретным случаям, и обобщать их необходимо с большой осторожностью. С учетом этих аспектов предлагается метод проведения работ, который является ничем иным, как стратегией опробирования.

Как правило, набегающий на автомобиль поток несимметричен. Для упрощения речь идет лишь о симметричном обтекании; влияние бокового ветра на аэродинамическое сопротивление не рассматривается.

В целом поле потока вокруг автомобиля изучено недостаточно. Поэтому картину обтекания автомобиля можно представить только благодаря суммированию отдельных сведений по этому вопросу. Они получены в результате измерений скоростей потока, распределения давления и наблюдения обтекания как на поверхности автомобиля, так и в прилегающем к нему пространстве.

Спойлер передка может выполняться отдельно устанавливаемой деталью кузова либо изготовляться как единое целое с панелью передка, т.е. отштамповываться совместно с ней. В первом случае существует относительно большая свобода в выборе положения, высоты и наклона спойлера. Во втором случае возможности при выборе параметров спойлера меньше, связано это прежде всего с технологическими причинами.

Стойка ветрового стекла (стойка А). Влияние стойки ветрового стекла на аэродинамическое сопротивление очень сильно зависит от положения и формы ветрового стекла, а также от формы передка. Решая вопрос снижения аэродинамического сопротивления путем правильного формообразования стойки ветрового стекла, как, впрочем, и любого другого элемента кузова, необходимо учитывать технологические возможности изготовления и ее функциональную нагрузку, которая заключается, например, в защите передних боковых стекол от попадания дождевой воды и грязи, сдуваемой с ветрового стекла, в поддержании приемлемого уровня внешнего аэродинамического шума и др.

Полученное таким образом поле потока для легкового автомобиля представлено на рис. Поле потока характеризуется многочисленными отрывами. Места, в которых может иметь место отрыв потока, показаны отдельно. Можно выделить два типа отрывов, а именно двумерные и трёхмерные. Линия отрыва в двумерном случае проходит преимущественно перпендикулярно к местному направлению потока. Если имеет место повторное прилегание потока, то образуются так называемые обратные потоки (циркулирующие потоки). Такие вихри могут возникать в следующих местах: на передней кромке капота; сбоку на крыльях; в зоне, образованной пересечением капота и ветрового стекла; на переднем спойлере и, возможно, в зоне излома при ступенчатой форме задней части автомобиля. Зоны, в которых оторвавшийся поток представляет собой близкое к двухмерному вихревое движение (зоны "спокойной воды") чаще всего образуются с обратной стороны задка автомобиля.

В зависимости от структуры поля потока за автомобилем образуется длинный, сильно вытянутый назад открытый или короткий замкнутый вихревой след (см. рис.).
Оторвавшиеся потоки совершают циркулирующие движения, оси которых, как правило, проходят перпендикулярно к набегающему невозмущенному потоку и параллельно к линии отрыва. На рис. для каждой из трех форм задней части автомобиля показана пара вихрей, вращающихся навстречу друг другу. Нижний вихрь вращается в направлении против часовой стрелки; именно он переносит частицы грязи на обратную сторону автомобиля. Верхний вихрь вращается в противоположную сторону, т.е. по часовой стрелке.

Конструкторы наблюдали, что после отрыва потока в вихревом следе образуется пара противоположно вращающихся продольных вихрей, которая в случае формы задка "универсал" индуцирует восходящий поток, а при плавно спускающейся и ступенчатой формах задка - нисходящий поток в вихревом следе. При форме задка "универсал" пара вихрей поднимется в направлении потока и перемещается к плоскости симметрии. При плавно спускающейся и ступенчатой формах задка вихри вдоль потока опускаются к дороге и перемещаются наружу. Можно предположить, что эти продольные вихри являются продолжением описанных выше поперечных вихрей.

Второй тип отрыва имеет трехмерный характер; эти отрывы на рис. отмечены штрихпунктирными линиями или заштрихованными зонами. Вихревые трубки образуются на наклонно обтекаемых острых кромках, совершенно так же, как на треугольном крыле самолета. Такая пара вихрей образуется на правой и левой стойках ветрового стекла, так называемых стойках А. В районе верхнего конца стоек указанная пара вихрей изгибается по направлению к крыше; их дальнейшее взаимодействие с потоком в районе задней части автомобиля еще не изучено. Ярко выраженная пара вихревых трубок образуется позади автомобиля при определенном наклоне линии задка (см. рис.). Эти вихри взаимодействуют с внешним потоком и с двухмерным вихревым следом. Они в значительной степени аналогичны кромочным вихрям крыла конечного размаха. Указанные вихревые трубки в пространстве между их осями индуцируют поле нисходящего потока, которое определяет расположение линии отрыва потока, обтекающего тело. Этот механизм становится понятным, если рассмотреть рис. На правой фотографии существует пара сильных вихрей; на левой фотографии образование такой пары искусственным путем предотвращено. В первом случае индуцированный парой вихревых трубок нисходящий поток способствует тому, что линия отрыва расположена очень низко, и это приводит к образованию небольшого замкнутого вихревого следа. Во втором случае поток отрывается от задней кромки крыши, вихревой след так сильно вытянут, что оканчивается вне пространства, имеющегося для наблюдений (длина рабочей части аэродинамической трубы). Следует указать на то, что конструкторы на своей модели автомобиля с плавно спускающейся формой задка не наблюдали описанные выше продольные вихревые трубки; другие измерения явно показали существование этой пары вихрей. Указанное несоответствие лишний раз подтверждает, что этот процесс формирования потока за автомобилем изучен еще не в полной мере.

Вращающиеся навстречу друг другу поперечные вихри в вихревом следе за автомобилями с разной формой задка: а) ступенчатая форма задка; б) плавно спускающаяся форма задка; в) круто спускающаяся форма задка

Для чего нужен козырёк?
Для анализа "десятку" загнали в аэродинамическую трубу. Вопреки ожиданиям, подъемная сила осталась прежней.

Да и коэффициент аэродинамического сопротивления изменился незначительно — следовательно, существенного увеличения расхода топлива не будет. Правда, немного изменился опрокидывающий момент — при установке козырька на
"десятку" подъемная сила, действующая на колеса передней оси, увеличивается на 50 Н, а задние колеса немного догружаются. Если для визуализации воздушных потоков пустить над капотом "десятки" струю дыма, то видно, что сразу за козырьком воздух закручивается в вихре, и это создает над капотом значительное разрежение. Из-за этого поток воздуха на передней части капота даже меняет направление на противоположное! Естественно, ни один изготовитель подобных "элеронов" об этом и не подозревает — никто из них наверняка не проводил аэродинамических исследований...
Но, может быть, козырек хотя бы снижает загрязняемость лобового стекла?
Ничуть не бывало — наш "элерон", установленный на одну из редакционных
"десяток", при езде по осенним грязным дорогам не дал ни малейшего положительного эффекта. Единственное отличие — если раньше летящая из-под колес впереди идущих машин грязь растекалась по капоту ровными симметричными струями, то теперь передок автомобиля стал напоминать орошенную из пульверизатора поверхность. А вышеупомянутое завихрение воздуха приводит к тому, что щель между козырьком и капотом начинает медленно, но верно забиваться песком. Так что польза от козырька только одна — он действительно защищает торец капота от мелких камней.
Интересные сводки и аспекты аэродинамики

Аэродинамический анализ некоторых автомобилей, а именно автомобилей с большим именем показал, что не всё «крутое» превосходно.
Все знают марку спортивного суперкара Lamborghini , да это действительно машина превосходна во всех её отношениях, но для оценки аэродинамического сопротивления она показала неожидаемые показатели. Скорость здесь была достигнута за счёт мощного 12-ти цилиндрового двигателя, низкой подвески, широкой базы (устойчивость), низкого кузова, а также пластикового корпуса, антикрыльев. Спойлеры и антикрылья на этом автомобиле расположены больше для стиля и для внешнего эстетического восприятия. Иногда, в некоторых случаях, грамотное расположение внешних спойлеров ухудшает стиль. Конструкторы и дизайнеры пытались на этом авто «убрать» поток фронтального набегающего воздуха, свести его на нет. Современное мнение – это плавное распределение потока вдоль формы кузова.

Дополнительные воздухозаборники снижают Cx , где энергия сопротивления воздуха идёт на охлаждение двигателя и на вентиляцию салона.
Кстати, внутреннее распределение воздушных масс оказывает влияние на движение автомобиля.
Вообще, если рассмотреть такой образ, что имеется водяной шар, а при движении он вытянется и примет форму капли, то эта форма будет самой аэродинамичной. Такой случай возможен только для полёта в воздушном пространстве. Но в автомобиле все параметры аэродинамики соподчинены к плоскости земли, а значит нельзя делать конкретные выводы. Все выводы экспериментальны. Распределение всех масс деталей автомобиля тоже влияет на аэродинамику.

P.s. При большом багажнике (пример: Ваз 2110) аэродинамические показатели в некоторых случаях улучшаются.
Внешние багажники

Багажник, основу которого составляют располагаемые поперек крыши автомобиля дуги, закрепляется на крыше специальными упорами - по два на каждую дугу. Подбор конструкции крепежной лапы упора осуществляется под конкретный тип посадочного места; здесь возможны следующие варианты: крыша с водосточным желобом, без желоба, с фиксированными точками крепления багажника и со штатно поставленными на заводе продольными дугами.
Эти дуги скругляются, по формообразованию соподчиняются общей форме кузова, но внешние выступающие элементы портят аэродинамический показатель. Чтобы снизить сопротивление воздуха нагнетаемого на крышу, где располагаются вещи, устанавливается аэродинамический бокс, но практически на всех моделях этот бокс испытывает давление на отрыв, а некоторые формы боксов создают незначительные срывы потоков фронтального «ветра».
ВЫВОД
Аэродинамика автомобиля – это наука, которая остаётся экспериментально доказываемой. Для снижения сопротивления движущегося тела, необходимо проанализировать его форму. Учесть возможные боковые ветры, воздействующие на кузов автомобиля. Распределение давлений вокруг движущейся машины отражается на ее движении по дороге. Устойчивость на больших скоростях падает. В нынешнее время делается очень много попыток, чтобы оптимизировать форму автомобиля, потому что необходимо постоянно иметь сцепление с дорогой и устойчивость при ветре, в том числе боковом и тыльном, а также влияет рельеф и характер дороги на аэродинамическое равновесие. Аэродинамичная форма кузова автомобиля – это составляющая безопасности и комфорта езды.

 Гидромуфты. Немного теории

Гидродинамические муфты (гидромуфты) нашли широкое применение в качестве составной части привода различных машин. Трудно назвать какую-либо отрасль промышленности и техники, в которых не использовались бы гидромуфты. В первую очередь это относится к горнорудной, химической, металлургической, нефтедобывающей и лесотехнической промышленности. Гидромуфты используются также в приводах широкого класса машин строительной, строительно-дорожной и транспортной техники.

Гидромуфты составляют неотъемлемую часть таких машин как ленточные, цепные скребковые и пластинчатые конвейеры, элеваторы, осевые вентиляторы и дымососы, питательные насосы и газовые турбины, дробилки и мельницы различных типов, роторные экскаваторы, дорожные катки, бетоносмесители, барабанные сушилки и центрифуги. Нельзя не упомянуть автомобили, трактора и железнодорожные локомотивы, в которых гидромуфты входят в состав гидромеханических коробок.

На рис.1 схематично в меридиональном сечении показана гидромуфта , имеющая ведущее лопастное насосное колесо центробежного типа 1(насос) и ведомое лопастное колесо, выполняющее функцию реактивной турбины 2(турбина). Оба колеса имеют, как правило, плоские радиальные лопатки 3 и 4. К насосу 1 присоединен вращающийся при работе корпус 5. Диски 6 и 7 насоса и турбины выполнены в виде чаш с криволинейными образующими. В сововокупности с межлопастными каналами торообразная часть полости гидромуфты, заключенная между чашами насоса и турбины, является рабочей полостью. Между торцами колес имеется небольшой осевой зазор, благодаря чему возможно вращение одного колеса относительно другого. Замкнутая полость гидромуфты заполняется рабочей жидкостью (РЖ), в качестве которой используются чаще всего минеральные маловязкие масла. В пожароопасных условиях применяются вода и водные эмульсии, а также трудновоспламеняемые синтетические масла.

В приводном блоке насос соединяется валом 8 с двигателем, а турбина валом 9 с механической передачей. При включении двигателя насос своей лопастной системой увлекает во вращение РЖ и, отбрасывая к периферии рабочей полости, направляет ее на лопатки турбины. В турбине кинетическая энергия РЖ, запасенная в насосе, преобразуется в механическую энергию вращения, необходимую для преодоления сил сопротивления движению и инерции маховых масс машины. РЖ, протекая в направлении оси вращения вдоль лопаток, воздействует на них и, отдав энергию, всасывается насосом на его наименьшем радиусе. И вновь РЖ "заряжается" в насосе новой порцией энергии. Процесс передачи и преобразования энергии от насоса к турбине происходит при работе гидромуфты непрерывно, и замкнутая циркуляция РЖ постоянно обеспечивает при этом силовую связь между колесами.

В гидромуфте (гидропередача без внешней опоры) момент на турбине всегда равен моменту на насосе, но передача энергии в ней происходит с определенными потерями, характеризуемыми в рабочем режиме значением К.П.Д. Поскольку моменты колес раны, то К.П.Д. численно равен отношению частоты вращения турбины n2 к частоте вращения насоса n1, т.е. передаточному отношению i ( i= n2/n1). Крутящий момент гидромуфты передается всегда при некотором отставании скорости турбины от скорости насоса. Это значит, что гидромуфта работает со скольжением Sг = (n1-n2)/ n1= 1-i. Скольжение отображает долю потерь мощности, идущих на нагрев РЖ и деталей гидромуфты.

Основные функциональные особенности гидромуфт.

При использовании гидромуфт привод машин приобретает целый ряд положительных свойств, из которых наиболее важными являются:

- страгивание с места с нулевыми значениями начального момента и ускорения, а также плавный разгон машин до рабочей скорости,

- предохранение приводного двигателя и механической трансмиссии от недопустимых перегрузок при резком торможении и пуске,

- возможность замены сложных электродвигателей с фазным ротором на простые и более надежные короткозамкнутые двигатели с обеспечением благоприятных условий их пуска под нагрузкой, в том числе и при большом моменте инерции машины,

- суммирование мощности нескольких двигателей, работающих на общий исполнительный орган при равномерном распределении нагрузки на эти двигатели, и возможность их поочередного запуска,

- стабильность и автоматичность срабатывания при заданном значении предельного момента и самовосстанавливаемость рабочего режима при устранении перегрузки,

- возможность гидродинамического и генераторного торможения машины, а также ее торможения противовращением при реверсировании двигателя,

- демпфирование и гашение крутильных колебаний крутящего момента и скорости вращения широкого спектра частот, имеющих место при работе многих машин.

К этому целесообразно добавить также такие особенности как высокий К.П.Д. гидромуфты (0,96-0,98), простота конструкции и настройки, отсутствие силовых пар трения, передающих крутящий момент. Изменение наполнения РЖ и введение в полость гидромуфты простого дросселирующего диска позволяют расширить диапазон передаваемой мощности.

Гидромуфты подразделяются на регулируемые и замкнутые.

Регулируемые гидромуфты предназначены, как правило, для относительно неглубокого (до 30-40%) регулирования частоты вращения ведомого вала привода. Наиболее экономичным такое регулирование является лишь для машин, у которых мощность нагрузки в процессе работы изменяется пропорционально кубу частоты вращения турбины, т.е. N2=(i3) Nн (Nн- номинальная мощность при полной скорости и n1=const.). К таким машинам относятся мощные (до15тыс.квт) центробежные насосы, турбогенераторы, вентиляторы. Менее экономичным регулирование с помощью гидромуфт является в случае, когда мощность изменяется пропорционально квадрату частоты вращения ,т.е. N2=(i2) Nн. Максимальные потери мощности Nпот. в первом случае составляют Nпот.= 0,148 Nн при i=0,666, а во втором случае 0,25 Nн- при i=0,5. Для многих лопастных машин регулирование гидромуфтой имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами регулирования скорости.

Наибольшее распространение в мировой практике получили более простые по конструкции и обслуживанию нерегулируемые замкнутые гидромуфты. Более подробно устройство, характеристики и принцип действия замкнутых гидромуфт рассмотрен ниже.

приборы контроля давления

Жидкостные манометрические термометры. В этих термометрах, как и в стеклянных, в качестве измеряемой величины, определяющей температуру, используется изменение объема термометрической жидкости. Манометрический жидкостной термометр (рис.1) состоит из чувствительного элемента 1 – стального термобаллона, в котором находится основная часть термометрической жидкости, подключенного к термобаллону капилляра 2 с внутренним диаметром 0,1…0,2 мм, и указателя с манометрической пружиной или со спиральной трубкой 3. Пружинная трубка преобразует расширение объема во вращательное движение стрелки.

Газовые манометрические термометры. При этом методе измеряется изменение давления Р или объема V газа как функция температуры Т в соответствии с законом идеального газа

PV=mRT.

Причем масса m и величина R (абсолютная газовая постоянная) являются постоянными. Для этой цели используют газ, близкий к идеальному (гелий, азот, аргон).

Конденсационные манометрические термометры работают по тому же принципу, что и жидкостные, и газовые термометры. Отличие их состоит в том, что чувствительный элемент частично заполнен жидкостью (конденсатом), а над конденсатом находится насыщенный пар этой же жидкости. Термометры основаны на том, что у каждой жидкости давление насыщенного пара однозначно определяется его температурой и не зависит от занимаемого объема. Однако зависимость давления насыщенного пара от температуры является нелинейной. В результате расстояния между делениями шкалы с ростом температуры увеличиваются

Компрессор 2 с приводным двигателем 3 всасывает воздух из атмосферы через заборный фильтр 1 и нагнетает в ресивер 7 через обратный клапан 4, охладитель 5 и фильтр-влагоотделитель 6. В результате охлаждения воздуха водяным охладителем 5 происходит конденсация 70-80 % содержащейся в воздухе влаги, улавливаемой фильтром- влагоотделителем и со 100-процентной относительной влажностью воздух поступает в ресивер 7, который аккумулирует пневмоэнергию и сглаживает пульсацию давления. В нем происходит дальнейшее охлаждение воздуха и конденсация некоторого количества влаги, которая по мере накопления удаляется вместе с механическими примесями через вентиль 10. Ресивер обязательно оборудуется одним или несколькими предохранительными клапанами 8 и манометром 9. Из ресивера воздух отводится к пневмолиниям 12 через краны 11. Обратный клапан 4 исключает возможность резкого падения давления в пневмосети при отключении компрессора.

22) Система питания тормозного пневмопривода. Система аварийного

растормаживания пружинных энергоаккумуляторов.

На рис. 5.1 показана схема пневматического тормозного привода грузовых

автомобилей КамАЗ. Привод многоконтурный и состоит из пяти независимых контуров.

Компрессор 4 подает сжатый воздух через регулятор 5 давления в предохранитель

6 от замерзания, где воздух насыщается парами спирта. Далее насыщенный воздух

распределяют двойной 7 и тройной 10 защитные клапаны в трубопроводы пяти

независимо действующих контуров. Эти контуры обеспечивают действие тормозных

механизмов рабочей, стояночной, запасной и вспомогательных тормозных систем

автомобиля, а также аварийное растормаживание стояночного тормозного механизма.

Первый контур служит для привода тормозных механизмов передних колес

автомобиля. В контур входят воздушный баллон 18, нижняя секция тормозного крана 20,

клапан 21 ограничителя давления и тормозные камеры 23 передних колес.

Второй контур предназначен для привода тормозных механизмов колес среднего и

заднего мостов автомобиля. Контур включает в себя воздушный баллон 8, верхнюю

секцию тормозного крана 20, регулятор 13 тормозных сил и тормозные камеры 17 колес

среднего и заднего мостов.

Третий контур служит для привода тормозных механизмов стояночной и запасной

тормозных систем (комбинированной системы прицепа или полуприцепа). В контур

входят воздушные баллоны 16, тормозной кран 2 обратного действия с ручным

управлением стояночным тормозным механизмом, ускорительный клапан 11,

двухмагистральный клапан 12 и цилиндры энергоаккумуляторов тормозных камер 17.

Четвертый контур предназначен для привода тормозных механизмов

вспомогательной тормозной системы и дополнительных потребителей сжатого воздуха

(пневмосигналы, стеклоочистители и др.). Контур включает в себя цилиндр 19 привода

заслонки выпускного трубопровода двигателя и цилиндр 3 выключения подачи топлива.

Пятый контур служит для аварийного растормаживания стояночного тормозного

механизма. Контур подключен к тройному защитному клапану 10 и обеспечивает

трехкратное растормаживание при неработающем двигателе после аварийного

растормаживания, чтобы отбуксировать автомобиль с места аварии. Растормаживание

производится краном 1, управляющим впуском и выпуском сжатого воздуха в цилиндры

энергоаккумуляторов тормозных камер 17.

Регулятор давления автоматически поддерживает давление воздуха в тормозном

пневмоприводе в необходимых пределах. Корпус регулятора давления (рис. 5.2) закрыт

двумя крышками.

Под верхней крышкой, сообщающейся с окружающим воздухом,

находится уравновешивающий поршень 6, натяг пружины 5 которого осуществляется

болтом, ввернутым в крышку. В поршне 6 собраны впускной 8 и выпускной 4 клапаны,

соединенные между собой стержнем. Нижняя крышка прижимает к корпусу регулятора

седло разгрузочного клапана 1 и фильтр 2. Разгрузочный клапан 1 соединен штоком с

разгрузочным поршнем 9 и прижат к своему седлу пружиной. В корпус регулятора

ввернут клапан для накачивания шин и резьбовая пробка 3, закрывающая клапан отбора

воздуха. Сжатый воздух от компрессора поступает в регулятор через вывод I, очищается

от влаги фильтром 2, проходит в кольцевой канал а и через обратный клапан 7 и вывод III

подается в пневмосистему. Одновременно через канал б часть воздуха поступает в

полость А под уравновешивающий поршень 6, нагруженный пружиной 5. Во время

возрастания давления воздуха до верхнего предела (0,70... 0,75 МПа) выпускной клапан 4

открыт и сообщает полость Б над разгрузочным поршнем 9 с окружающим воздухом

через вывод II, а впускной клапан 8 закрыт. Когда давление воздуха достигнет верхнего

предела, уравновешивающий поршень 6 перемещается вверх. При этом выпускной клапан

4 закрывается, а впускной клапан 8 открывается, и сжатый воздух из полости А через

канал в поступает в полость Б над разгрузочным поршнем 9. Поршень 9 опускается вниз разгрузочный клапан 1 открывается. Через открывшийся клапан нагнетаемый

компрессором воздух через вывод IV выходит наружу, и давление в пневмосистеме

падает. Вместе с воздухом через вывод IV удаляется наружу скопившийся в регуляторе

водяной конденсат. Когда давление воздуха в системе уменьшится до нижнего предела

(0,62...0,65 МПа) уравновешивающий поршень 6 под действием пружины 5 опускается

вниз, впускной клапан 8 закрывается, а выпускной клапан 4 открывается. При этом

разгрузочный поршень 9 поднимается вверх, и разгрузочный клапан 1 закрывается. В

результате компрессор опять начинает нагнетать сжатый воздух в пневмосистему.

Тормозной кран служит для управления колесными тормозными механизмами

автомобиля и приводом тормозных механизмов прицепа.

Тормозной кран (рис. 5.3) —

двухсекционный. Верхняя секция крана управляет задним контуром тормозного привода,

а нижняя — передним контуром. Внутри тормозного крана находятся верхний поршень 3,

малый поршень 7 с толкателем 10, большой поршень 1, верхний 2 и нижний 9 резиновые

клапаны. Выводы III и IV крана соединены с воздушными баллонами заднего и переднего

контуров пневмопривода, а от выводов I и II сжатый воздух поступает к тормозным

камерам передних и задних колес.

При торможении тормозной кран приводится в действие от тормозной педали,

соединенной с рычагом, который через ролик воздействует на толкатель. При этом усилие

через упругий резиновый элемент 4 передается на верхний поршень 3. Поршень

перемещается вниз, закрывает выпускное отверстие верхнего клапана 2, разобщает вывод

II с окружающим воздухом, открывает клапан 2 и пропускает сжатый воздух из вывода III

в вывод II и далее в тормозные камеры задних колес. Воздух в тормозные камеры будет

поступать до тех пор, пока его давление и давление пружины 6 на поршень 3 не

сравняется с усилием нажатия на тормозной педали. При этом давление воздуха в

тормозных камерах будет пропорционально усилию на тормозной педали. При

повышении давления в выводе II сжатый воздух по каналу а поступает в полость над

большим поршнем 1, который перемещается вниз вместе с малым поршнем 7. При этом

сначала закрывается выпускное отверстие нижнего клапана 9, разобщается вывод I с

окружающим воздухом и открывается клапан 9. Затем из вывода IV через вывод I

начинает поступать сжатый воздух к тормозным камерам передних колес автомобиля.

Воздух в тормозные камеры будет поступать до тех пор, пока его давление под

поршнями 1 и 7 не уравновесит усилие, прилагаемое к тормозной педали. В этом случае

давление в тормозных камерах будет пропорционально усилию на тормозной педали.

При повреждении заднего контура и отсутствии сжатого воздуха в выводе II

верхней секции крана усилие от тормозной педали будет передаваться на толкатель 10

малого поршня через шпильку 5, обеспечивая работу нижней секции тормозного крана.

При повреждении переднего контура и отсутствия воздуха в выводе I нижней секции

работоспособность верхней секции крана сохраняется.

При растормаживании поршни 1, 3 и 7 перемещаются вверх под действием пружин

6 и 8, выводы II и III, I и IV разобщаются соответственно клапанами 2 и 9. При этом

выводы I и II сообщаются через выпускные окна в полом толкателе 10 и вертикальный

канал, закрытый клапаном 11, с окружающим воздухом. В результате сжатый воздух из

тормозных камер колес автомобиля выходит наружу.

Ручной тормозной кран

служит для управления пружинными

энергоаккумуляторами привода стояночной и запасной тормозных систем. В корпусе 1

крана (рис. 5.4) и крышке 5 с рукояткой находятся поршень 11, уравновешивающая

пружина 2, выпускной клапан 10 с пружиной, шток 7 с седлом 9 и пружиной, фигурное

кольцо 4 и направляющий колпачок 6 с пружиной. Вывод III крана соединен с воздушным

баллоном, вывод II — с окружающим воздухом, а вывод I — с пружинными

энергоаккумуляторами колесных тормозных механизмов.

В расторможенном состоянии рукоятка крана находится в переднем положении и

стопорится фиксатором 8. При этом направляющий колпачок 6 и шток 7 под действием

своих пружин находятся в крайнем нижнем положении. Выпускной клапан 10 в этом

случае отведен от поршня 11, внутреннее отверстие клапана закрыто и не соединяет

полость А под поршнем с окружающим воздухом через вывод II. Полость А через

кольцевую щель между клапаном и поршнем сообщается с полостью Б перед поршнем.

Это дает возможность поступать сжатому воздуху из вывода III через отверстие в поршне

к выводу I и далее в энергоаккумуляторы, пружины которых удерживаются в сжатом

состоянии, обеспечивая при этом растормаживание задних колес автомобиля. При

частичном повороте рукоятки тормозного крана вместе с крышкой 5 поворачивается

направляющий колпачок 6. Колпачок перемещается вверх по винтовым выступам

фигурного кольца 4 и поднимает шток 7. При этом выпускной клапан 10 поднимается,

отверстие седла поршня 11 закрывается, а отверстие в клапане 10 открывается. В этом

случае сжатый воздух из энергоаккумуляторов будет выходить наружу через вывод II.

При этом пружины энергоаккумуляторов приводят в действие тормозные механизмы

запасной тормозной системы. Воздух из энергоаккумуляторов будет выходить до тех пор,

пока давление в полости А под поршнем 11 не преодолеет суммарное усилие

уравновешивающей пружины 2 и давление на поршень в полости Б. При повороте

рукоятки крана назад до отказа приводится в действие стояночная тормозная система. В

этом случае сжатый воздух из энергоаккумуляторов и вывода I полностью выходит через

вывод II наружу, и пружины энергоаккумуляторов приводят в действие тормозные

механизмы стояночной тормозной системы.

Для растормаживания стояночной тормозной системы рукоятка крана

поворачивается вперед до отказа. При этом сжатый воздух будет поступать из воздушного

баллона в энергоаккумуляторы. Пружины энергоаккумуляторов сжимаются под

действием сжатого воздуха, и тормозные механизмы колес растормаживаются.

Тормозные камеры служат для приведения в действие тормозных механизмов

передних колес автомобиля.

Тормозная камера (рис. 5.5, а) состоит из корпуса 5 и крышки

1, между которыми зажата диафрагма 4 из прорезиненной ткани. Диафрагма разделяет

тормозную камеру на две полости. Полость А (полость крышки) через штуцер 2 связана с

подводящей магистралью контура тормозных механизмов передних колес автомобиля.

Полость Б (диафрагменная полость) сообщается с окружающим воздухом через отверстия

8 в корпусе 5. Пружина 6 прижимает к диафрагме опорный диск 3 со штоком 7, который

соединен с регулировочным рычагом, установленным на валу разжимного кулака.

При торможении (рис. 5.5, б) сжатый воздух поступает через штуцер 2 в полость А

крышки, давит на диафрагму, которая, прогибаясь, перемещает шток 7 тормозной камеры.

При этом воздух из полости Б выходит наружу через отверстия 8 в корпусе. Шток

поворачивает регулировочный рычаг вместе с разжимным кулаком, который прижимает

колодки к тормозному барабану с усилием, пропорциональным давлению сжатого

воздуха, поступающего в тормозную камеру. При растормаживании сжатый воздух из

полости А выходит наружу через тормозной кран. При этом шток 7 с диском 3 под

действием возвратной пружины 6 перемещается в исходное положение. Он поворачивает

регулировочный рычаг с разжимным кулаком и освобождает тормозные колодки, которые

отводятся от тормозного барабана стяжными пружинами.

Тормозные камеры с энергоаккумулятором служат для приведения в действие

тормозных механизмов задних колес автомобиля при включении рабочей запасной и

стояночной тормозных систем. Тормозная камера с энергоаккумулятором (рис. 5.6)

представляет собой устройство, состоящее из пневматической камеры и пружинного

энергоаккумулятора. Между корпусом 2 камеры и фланцем 5 цилиндра 7 размещен

поршень 8 с толкателем 12, находящийся под воздействием пружины 9. Внутри толкателя

находится винт 10. Цилиндр 7 соединен трубкой 11 с корпусом 2 камеры, которая через

отверстие сообщается с окружающим воздухом. В нерабочем состоянии сжатый воздух

постоянно подводится через вывод I в полость цилиндра 7 под поршень 8, который

находится в верхнем крайнем положении, сжимая полностью пружину 9 При включении рабочей тормозной системы тормозные механизмы задних колес

автомобиля приводятся в действие пневматическими камерами. При этом сжатый воздух

через вывод II поступает в наддиафрагменную полость, и диафрагма 3 через диск 4

действует на шток 1, соединенный с регулировочным рычагом тормозного механизма,

вызывая торможение колеса. При растормаживании сжатый воздух выходит из

наддиафрагменной полости, и диафрагма возвращается в исходное положение возвратной

пружиной 13.

При включении запасной или стояночной тормозных систем тормозные механизмы

задних колес приводятся в действие энергоаккумулятором. В этом случае сжатый воздух

выпускается наружу из полости под поршнем 8 соответственно частично или полностью.

Под действием пружины 9 поршень перемещается вниз и перемещает толкатель 12,

который через подпятник 6 действует на диафрагму 3 и шток 1 тормозной камеры,

вызывая торможение колеса.

Включение запасной или стояночной тормозных систем производится подачей

сжатого воздуха в полость цилиндра 7 энергоаккумулятора под поршень 8. При

отсутствии сжатого воздуха в системе растормаживание производится путем

вывинчивания винта 10.

Регулятор тормозных сил служит для автоматического изменения давления

сжатого воздуха в тормозных камерах задних колес при изменении вертикальной

нагрузки, действующей на колеса при торможении автомобиля.

Между двумя частями корпуса 4 регулятора (рис. 5.7) зажата резинотканевая

диафрагма 10, которая закреплена на поршне 7 с радиальными ребрами 9. Такие же

радиальные ребра 6 выполнены во вставке 5 корпуса регулятора. В поршне установлен

плоский клапан 8 с пружиной. Подвижное выпускное седло 12 связано с шаровой опорой

13, установленной на валу 3. На другом конце вала закреплен рычаг 11, соединенный

тягами с балками среднего и заднего мостов автомобиля. К подвижному седлу 12 снизу

прижат поршень 14. Полость под поршнем через трубку 1 соединена с выводом II, к

которому подводится сжатый воздух от тормозного крана. Вывод III соединен с

тормозными камерами задних колес, а вывод I — через клапан 2 с окружающим воздухом.

В нерабочем состоянии клапан 8 прижат к седлу в поршне 7. Вывод II разобщен с

выводом III и сообщается с окружающим воздухом через верхнюю секцию тормозного

крана. Тормозные камеры задних колес через вывод III, выпускное седло 12 и вывод I

соединены с окружающим воздухом. При торможении положение седла 12 в корпусе

регулятора определяется шаровой опорой 13 и зависит от прогиба рессор подвески задних

колес. Равновесное положение поршня 7 достигается при различной активной площади

диафрагмы 10, которая зависит от того, какая часть диафрагмы соприкасается с ребрами 9

поршня 7, а какая — с ребрами 6 вставки 5 корпуса регулятора. Чем большая активная

площадь диафрагмы соприкасается с ребрами поршня, тем при меньшем давлении

сжатого воздуха, действующего на диафрагму снизу, достигается равновесное положение

поршня 7. Поэтому чем меньше прогнуты рессоры подвески задних колес автомобиля и

чем ниже опускается седло 12, тем больше разница в давлениях сжатого воздуха в

выводах II и III. При крайнем нижнем положении седла 12, что соответствует

минимальной вертикальной нагрузке, разность давлений сжатого воздуха в выводах I и II

регулятора наибольшая. При крайнем верхнем положении седла 12 (максимальная

вертикальная нагрузка) давление воздуха в выводах I и II выравнивается. Следовательно,

регулятор тормозных сил автоматически поддерживает в выводе III и в тормозных

камерах задних колес автомобиля давление сжатого воздуха, обеспечивающее

необходимую тормозную силу, пропорциональную вертикальной нагрузке, действующей

на задние колеса при торможении автомобиля.

При растормаживании давление сжатого воздуха в выводе II падает, поршень 7

поднимается вверх, и воздух из тормозных камер задних колес автомобиля через седло 12,

вывод I и клапан 2 выходит наружу. Так как выпуск сжатого воздуха из тормозных Камерах осуществляется не через тормозной кран, а через регулятор тормозных сил, процесс

растормаживания тормозных механизмов задних колес автомобиля происходит быстрее.

Моторный тормоз-замедлитель служит для перекрытия выпускного трубопровода

с целью перевода двигателя на режим торможения. Он устанавливается в приемных

трубах глушителя.

На рис. 5.8 представлен моторный тормоз-замедлитель грузовых автомобилей ЗИЛ,

который устанавливается перед глушителем. Корпус 2 тормоза прикреплен к фланцу

патрубка 8. В корпусе размещена заслонка 9 с валом 3. На конце вала закреплен рычаг 4,

соединенный со штоком 5 пневмоцилиндра 6, установленного на кронштейне 7, который

прикреплен к фланцу патрубка. При движении автомобиля при выключенном моторном

тормозе заслонка располагается вдоль потока отработавших газов, поступающих в корпус

через приемные трубы 1, не препятствуя их выходу из выпускного трубопровода

двигателя. При включении моторного тормоза под действием сжатого воздуха,

поступившего в пневмо-цилиндр 6, выдвигается шток 5, который поворачивает рычаг 4.

Рычаг поворачивает заслонку 9 на 90°. Заслонка перекрывает выход отработавших газов и

создает противодавление, которое увеличивает сопротивление перемещению поршней в

цилиндрах двигателя. Это приводит к уменьшению частоты вращения коленчатого вала,

возрастанию сопротивления движению и замедлению автомобиля. При включении

моторного тормоза одновременно с помощью другого пневмоцилиндра отключается

подача топлива в цилиндры двигателя, который начинает работать на компрессорном

режиме.

Рабочая тормозная система

Автомобили и автопоезда КамАЗ-5320 оборудованы четырьмя автономными тормозными системами: рабочей, запасной, стояночной и вспомогательной. Имея общие элементы, тормозные системы работают независимо и обеспечивают высокую эффективность торможения при любых условиях эксплуатации. Кроме того, автомобили оснащены аварийной системой растормаживания тормозов стояночной тормозной системы, системами контроля и аварийной сигнализации о работе тормозных систем и их приводов, а также приводом тормозов прицепа.Рабочая тормозная система оснащена пневматическим приводом, выполненным по двухконтурной схеме: контур привода тормозов передних колес и прицепа и контур привода колес задней тележки и прицепа. Исполнительными органами привода являются тормозные камеры. Привод управляется педалью, расположенной в кабине автомобиля и механически связанной системой тяг с двухсекционным тормозным краном. Тормозные механизмы системы установлены на всех шести колесах автомобиля.Тормозной путь при торможении рабочей тормозной системой должен быть для автомобиля не более 23 м и автопоезда 25 м, установившееся замедление — для автомобиля и автопоезда не менее 3,6 м/с2.

Стояночная и запасная тормозные системы

Стояночная и запасная тормозные системы объединены в одной конструкции, т. е. имеют общие пневматический привод с ручным тормозным краном и тормозные механизмы, установленные на колесах задней тележки (тормоза колес задней тележки являются общими для трех тормозных систем — рабочей, стояночной и запасной). Отличие в тормозных системах заключается лишь в способе управления ручным тормозным краном. При использовании тормозной системы как стояночной рукоятка тормозного крана устанавливается в одно из крайних фиксированных положений в зависимости от включения или выключения тормозной системы; при использовании тормозной системы как запасной ручной тормозной. кран имеет следящее действие, которое позволяет снижать скорость движения автомобиля с интенсивностью, зависящей от положения рукоятки тормозного крана. Тормозной путь при торможении запасной тормозной системой должен быть для автомобиля не более 29 м и автопоезда 30 м, установившееся замедление — для автомобиля и автопоезда не менее 2,8 м/с2.

Вспомогательная тормозная система

Вспомогательная тормозная система представляет собой моторный тормоз-замедлитель, для включения которого заслонками дроссельного типа перекрываются выпускные трубопроводы двигателя и отключается подача топлива. В результате двигатель переводится в компрессорный режим с приводом от трансмиссии. Возникающий благодаря силам противодавления в выпускном газопроводе и трения прокрутки двигателя момент сопротивления тормозит автомобиль с плавным замедлением на затяжных спусках горных дорог. Привод управления заслонками моторного тормоза-замедлителя и рычагом отключения подачи топлива пневматический.

 Система опрокидывания кузова

Работой гидравлического цилиндра управляет специальный распределитель, установленный в нижней части приемного бункера. Золотник распределителя связан через систему рычагов и кулачковый механизм с крышкой бункера. Таким образом, включение гидравлического цилиндра и перемещение толкающей плиты происходит только при закрытой крышке. При открывании крышки бункера плита немедленно останавливается.

Движение возобновится только после закрывания крышки. Такая работа толкающей плиты полностью обеспечивает безопасность обслуживающего персонала. Для производства регулировочных и ремонтных работ предусмотрено управление работой гидравлического цилиндра толкающей плиты при открытой крышке бункера.

Гидравлическая система мусоровоза состоит из масляного насоса, трубопроводов, бака для масла, предохранительного клапана, двух гидравлических распределителей и двух гидравлических цилиндров. Масляный насос лопастного типа Л1Ф-35 приводится в действие от автомобильного двигателя через коробку отбора мощности и муфту. Насос собран в одном блоке с коробкой отбора мощности.

Для подъема кузова в положение разгрузки использован телескопический гидравлический цилиндр одинарного действия. Гидравлический цилиндр толкающей заслонки двойного действия, плунжерного типа, с резиновыми манжетами. За счет разницы объемов рабочих полостей цилиндра скорость перемещения толкающей плиты различна. При перемещении мусора из приемного бункера в кузов скорость движения плиты в 3 раза меньше скорости возвращения ее в крайнее заднее положение.

Гидравлические распределители включены в гидравлическую цепь последовательно, поэтому в момент подъема кузова в наклонное положение толкающая заслонка не может быть приведена в движение. Наибольшее давление, развиваемое гидравлическим насосом, 6,5 МПа (65 кгс/см2). Для улучшения работы насоса и повышения срока его эксплуатации рабочее давление несколько меньше (при работе машины возможны случаи перегрузки). Гидравлическая система имеет предохранительный клапан, отрегулированный на давление 5,7 МПа (57 кгс/см2).

Гидравлическая система мусоровоза работает следующим образом. Масло из бака засасывается насосом и под давлением подается через предохранительный клапан к распределителю цилиндра подъема кузова. При нейтральном положении золотника масло по трубопроводу поступает к распределителю толкающей заслонки и через распределитель и трубопровод поступает в бак для масла. При включении распределителя подъема кузова масло поступает только в полость гидравлического цилиндра подъема кузова, так как нейтральная полость распределителя перекрыта золотником. При таком положении золотника масло к распределителю толкающей заслонки не поступает. Золотник распределителя подъема кузова подпружинен, поэтому он всегда стремится занять нейтральное положение. Управление золотником выведено в кабину водителя. Золотник толкающей заслонки приводится в действие при открывании и закрывании крышки приемного бункера.

Мусоровоз 93-М впервые оснащен кронштейном для крепления запасного колеса, предусмотрены места для размещения рабочего инструмента — вил и лопаты.

Для обеспечения техники безопасности при ремонтах и техническом обслуживании предусмотрены приспособления, исключающие самопроизвольное опускание кузова и задней крышки.

Гидропривод для управления навесным оборудованием

Общие сведения. Рабочее оборудование большинства бульдозеров, грейдеров и всех скреперов снабжено гидравлическим приводом. Они служит для управления положением элементов рабочего оборудования при выполнении технологических операций.

Гидравлический привод состоит из следующих элементов: насоса, приводимого в действие от двигателя базовой машины; исполнительного механизма, представляющего собой гидроцилиндр; механизма управления - гидрораспределителя; вспомогательных устройств - гидробака, фильтра, гидролиний.

В гидравлическом приводе вращательное движение вала насоса преобразуется в поступательное движение поршня гидроцилиндра. Энергия передается от насоса к гидроцилиндрам рабочей жидкостью.

Принцип работы гидропривода рассмотрен на рисунке 5. Из гидробака 1 по всасывающей гидролинии 18 жидкость подается в насос 17, который нагнетает ее по напорной гидролинии 15 к насосной полости 12 гидрораспределителя 14. Дальнейшая работа гидропривода зависит от положения рукоятки 9 и связанного с ней золотника 11 гидрораспределителя 14.

Золотник 11 размещен в осевом отверстии корпуса 10 гидрораспределителя. К осевому отверстию подведены сверления ответвляющих полостей. Полость 12 соединяет гидрораспределитель с насосом, полости 13 и 7 подводят рабочую жидкость к гидроцилиндру 6, а сливные полости 8 и 5 соединяют гидрораспределитель с гидробаком 1.

При положении I пояски золотника 11 перекрывают доступ рабочей жидкости из полости 12 в полости 13 и 7, а также слив из них через полости 8 и 5. В этом случае рабочая жидкость, находящаяся в гидроцилиндре, заперта и управляемый элемент рабочего оборудование неподвижен (нейтральное положение I). Рабочая жидкость, поступая от насоса 17 к гидрораспределителю 14, повышает давление в напорной гидролинии 15 и, преодолев сопротивление пружины переливного клапана 16, встроенного в гидрораспределитель, сливается в гидробак 1.

При опущенном золотнике 11 (положение II) полость 12 соединяется с полостью 13 гидроцилиндра, а полость 7 - с полостью 8 и шток гидроцилиндра 6 начинает выдвигаться.

При поднятом золотнике (положение III) направление подачи слива жидкости изменяется на противоположное и, следовательно, шток гидроцилиндра перемещается в обратном направлении.

При опущенном в крайнее нижнее положение золотнике 11 полость 12 изолирована от обеих полостей 7, 13 гидроцилиндра, которые в это время соединяются со сливными полостями 5 и 8. Таким образом, при воздействии внешней нагрузки от рабочего оборудования шток гидроцилиндра перемещается, свободно перекачивая находящуюся в нем рабочую жидкость из одной полости в другую. Такое положение называют "плавающим" и используют, например, для бульдозеров при перемещении грунта по поверхности без зарезания ножа отвала.

Рабочая жидкость, применяемая в гидроприводах, должна отвечать ряду требований: мало изменять вязкость и не разлагаться при значительных перепадах температур, не воздействовать на материалы уплотняющих элементов системы, обладать способностью противостоять пенообразованию. Рабочая жидкость одновременно является смазывающей и антикоррозийной средой для агрегатов и гидролиний системы.

Вязкость характеризует способность жидкости сопротивляться относительному перемещению ее частиц при воздействии внешних сил. Чем менее подвижна жидкость, тем большей несущей способностью она обладает. С повышением температуры несущая способность жидкости уменьшается. Наилучшим образом требованиям, предъявляемым к рабочим жидкостям, отвечают минеральные масла ВМГЗ и МГ-30. Эти жидкости по своим свойствам могут быть использованы в эксплуатации в холодное и жаркое время, т.е. являются всесезонными. Применение таких жидкостей позволяет снизить их расход за счет уменьшения потерь при замене, сократить затраты на транспортирование и хранение, уменьшить вероятность загрязнения в процессе заливки. Допускается также применять в качестве рабочей жидкости дизельные масла для летнего и зимнего периодов, а также веретенное масло АУ.

Схемы гидравлической системы.

Рабочее оборудование навесных и прицепных машин приводится в действие от гидросистемы базовых тракторов и тягачей, которая представляет собой раздельно-агрегатную систему. Ее отдельные элементы рассредоточены по всей машине. На рисунке 6 представлена схема гидросистемы трактора Т-170, которая типична и для всех базовых машин.

Гидросистема включает в себя насос 2, гидробак 3, фильтр 5 и гидрораспределитель 9, объединенные гидролиниями. Работает гидросистема следующим образом. Насос 2 через всасывающую гидролинию 1 забирает рабочую жидкость из гидробака 3 и нагнетает ее через напорную гидролинию 4 в гидрораспределитель 9. Он состоит из трех золотников 10 и предохранительного гидроклапана 11. В нейтральном положении (как показано на схеме) входы напорной гидролинии в золотники перекрыты и рабочая жидкость за счет возросшего давления в гидролинии 12 преодолевает сопротивление гидроклапана 11, проходит через фильтр 5 на слив в гидробак 3. При включении, например, нижнего золотника (перемещении его на схеме вправо) гидролиния 4 соединяется с выходной гидролинией 7 и рабочая жидкость направляется в соответствующую этой гидролинии полость гидроцилиндра привода рабочего оборудования.

Одновременно вторая полость гидроцилиндра, связанная с гидролинией 8, соединяется через нее со сливной гидролинией 6 и рабочая жидкость из этой полости перетекает в гидробак, а шток гидроцилиндра совершает поступательное движение.

Трансмиссионное гидрооботудование Электрические передачи

Электри́ческая переда́ча (электри́ческая трансми́ссия) — представляет собой соединение электрогенератора и электродвигателя (или нескольких генераторов и двигателей) для передачи вращения от первичного двигателя к движителю или исполнительному органу.

Электрические передачи бывают двух видов: «непрозрачные» (постоянного тока или с промежуточным звеном постоянного тока) и «прозрачные» (переменного тока).

В «непрозрачных» передачах частота вращения на выходе никак не связана с частотой вращения двигателя; это обеспечивает удобство трогания с места и изменения направления движения, а также полное использование мощности двигателя в широком диапазоне скоростей. «Непрозрачные» передачи широко применяются на тепловозах, карьерных самосвалах, тяжёлых тракторах и вездеходах, а также ледоколах.

«Непрозрачная» передача включает генератор постоянного тока или синхронный генератор с выпрямительной установкой; полученный постоянный ток поступает либо напрямую к двигателям постоянного тока, либо через инверторы к асинхронным двигателям.

«Прозрачная» электрическая передача включает синхронный генератор и синхронные или асинхронные двигатели, включенные напрямую; в этом случае электрическая передача лишь заменяет понижающий редуктор и обеспечивает реверсирование. Она проще и легче «непрозрачной» передачи; использовалась на некоторых океанских лайнерах.

Преимущества и недостатки

Электрическая передача обеспечивает удобное изменение частоты и направления вращения на выходе, плавное трогание с места, а также распределение мощности на несколько ведущих колёс/осей; первичный двигатель может быть расположен в любом месте транспортного средства независимо от расположения движителей.

С другой стороны, электрические машины имеют большой вес, также в них происходят заметные потери мощности; для их изготовления расходуется большое количество цветных металлов.

Применения

Корабли, подводные лодки, в основном, с атомной энергетической установкой.

Карьерные грузовики (БелАЗ и т. д.)

Тепловозы

Механические передачи

Механическая передача — механизм, служащий для передачи и преобразования механической энергии от энергетической машины до исполнительного механизма (органа) одного или более, как правило с изменением характера движения (изменения направления, сил, моментов и скоростей). Как правило, используется передача вращательного движения.

Классификация

Передачи зацепления:

Цилиндрические зубчатые передачи - отличаются надежностью и имеют высокий ресурс эксплуатации. Обычно применяются при особо сложных режимах работы, для передачи и преобразовывания больших мощностей. Цилиндрические передачи бывают прямозубыми, косозубыми и шевронными.

Прямозубые цилиндрические передачи легко изготавливать, но при их работе возникает высокий шум, они создают вибрацию и из-за этого быстрее изнашиваются.

Косозубые цилиндрические передачи обладают хорошей плавностью работы, низким шумом и хорошими эксплуатационными характеристиками. Существенный недостаток - возникают осевые силы, из-за которых приходится делать более жесткую конструкцию корпуса редуктора.

Шевронные цилиндрические передачи обладают крайне высокой плавностью работы. Шестерни этих передач представляют собой сдвоенные косозубые шестерни, но они имеют больший угол зубьев, чем косозубые. Стоимость изготовления шевронных зубчатых колес высокая, они требуют специализированных станков и высокой квалификации рабочих.

Конические зубчатые передачи в отличие от цилиндрических имеют пересекающиеся оси входных и выходных валов. Применяются если необходимо изменить направление кинетической передачи.

червячные - представляют собой механическую передачу от винта, называемого червяком на зубчатое колесо, называемое червяным колесом. Отличаются высоким предаточным отношением, относительно низким КПД. Червяки бывают однозаходные и многозаходные. Передаточное отношение червячного редуктора определяется как отношение количества зубьев на червячном колесе к количеству заходов на червяке.

гипоидные (спироидные);

цепные;

зубчатыми ремнями;

винтовые.

Волновая передача - сравнительно нова, отличается крайне высоким передаточным отношением. Имеет относительно малый вес и высокую износостойкость. Принцип работы - генерация волн на гибком колесе, которое имеет чуть меньшее количество зубьев чем жесткое колесо и смещение одного колеса относительно другого на их разницу зубьев за один оборот генератора волн.

Гидропередачи

Гидравлический привод (гидропривод) — это совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение машин и механизмов посредством гидравлической энергии. Обязательными элементами гидропривода являются насос и гидродвигатель. Гидропривод представляет собой своего рода «гидравлическую вставку» между приводным двигателем и нагрузкой (машиной или механизмом) и выполняет те же функции, что и механическая передача (редуктор, ремённая передача, кривошипно-шатунный механизм и т. д.). Основное назначение гидропривода, как и механической передачи, — преобразование механической характеристики приводного двигателя в соответствии с требованиями нагрузки (преобразование вида движения выходного звена двигателя, его параметров, а также регулирование, защита от перегрузок и др.). Приводным двигателем насоса могут быть электродвигатель, дизель и другие, поэтому иногда гидропривод называется соответственно электронасосный, дизельнасосный и т. д.Содержание

Виды гидроприводов

Гидроприводы могут быть двух типов: гидродинамические и объемные. В гидродинамических приводах используется в основном кинетическая энергия потока жидкости. В объемных гидроприводах используется потенциальная энергия давления рабочей жидкости.

Широкое распространение в настоящее время получил объёмный гидропривод. Под объёмным гидроприводом понимается совокупность объёмных гидромашин, гидроаппаратуры и других устройств, предназначенная для передачи механической энергии и преобразования движения посредством рабочей жидкости.

Объёмной называется гидромашина, рабочий процесс которой основан на попеременном заполнении рабочей камеры жидкостью и вытеснении её из рабочей камеры. К объёмным машинам относят, например, поршневые насосы, аксиально-поршневые, радиально-поршневые, шестерённые гидромашины и др.

Одна из особенностей, отличающая объёмный гидропривод от гидродинамического, - большие давления в гидросистемах. Так, номинальные давления в гидросистемах экскаваторов могут достигать 32 МПа, а в некоторых случаях рабочее давление может быть более 300 МПа.

Объёмный гидропривод применяется в горных и строительно-дорожных машинах, в станкостроении и др.

В зависимости от конструкции и типа входящих в состав гидропередачи элементов объемные гидроприводы можно классифицировать по нескольким признакам.

По характеру движения выходного звена гидродвигателя:

Гидропривод вращательного движения

когда в качестве гидродвигателя применяется гидромотор, у которого ведомое звено (вал или корпус) совершает неограниченное вращательное движение;

Гидропривод поступательного движения у которого в качестве гидродвигателя применяется гидроцилиндр - двигатель с возвратно-поступательным движением ведомого звена (штока поршня, плунжера или корпуса);

Гидропривод поворотного движения

когда в качестве гидродвигателя применен поворотный гидроцилиндр, у которого ведомое звено (вал или корпус) совершает возвратно-поворотное движение на угол, меньший 360 .

По возможности регулирования

Регулируемый гидропривод

в котором в процессе его эксплуатации скорость выходного звена гидродвигателя можно изменять по требуемому закону. В свою очередь регулирование может быть дроссельным, объемным, объемно-дроссельным или изменением скорости двигателя, приводящего в работу насос. Регулирование может быть ручным или автоматическим. В зависимости от задач регулирования гидропривод может быть стабилизированным, программным или следящим.

Нерегулируемый гидропривод у которого нельзя изменять скорость движения выходного звена гидропередачи в процессе эксплуатации.

По схеме циркуляции рабочей жидкости

Гидропривод с замкнутой схемой циркуляции в котором рабочая жидкость от гидродвигателя возвращается во всасывающую гидролинию насоса. Гидропривод с замкнутой циркуляцией рабочей жидкости компактен, имеет небольшую массу и допускает большую частоту вращения ротора насоса без опасности возникновения кавитации, поскольку в такой системе во всасывающей линии давление всегда превышает атмосферное. К недостаткам следует отнести плохие условия для охлаждения рабочей жидкости, а также необходимость спускать из гидросистемы рабочую жидкость при замене или ремонте гидроаппаратуры;

Гидропривод с разомкнутой системой циркуляции в котором рабочая жидкость постоянно сообщается с гидробаком или атмосферой. Достоинства такой схемы - хорошие условия для охлаждения и очистки рабочей жидкости. Однако такие гидроприводы громоздки и имеют большую массу, а частота вращения ротора насоса ограничивается допускаемыми (из условий бескавитационной работы насоса) скоростями движения рабочей жидкости во всасывающем трубопроводе.

По источнику подачи рабочей жидкости:

Насосный гидропривод

В насосном гидроприводе, получившем наибольшее распространение в технике, механическая энергия преобразуется насосом в гидравлическую, носитель энергии — рабочая жидкость, нагнетается через напорную магистраль к гидродвигателю, где энергия потока жидкости преобразуется в механическую. Рабочая жидкость, отдав свою энергию гидродвигателю, возвращается либо обратно к насосу (замкнутая схема гидропривода), либо в бак (разомкнутая или открытая схема гидропривода). В общем случае в состав насосного гидропривода входят гидропередача, гидроаппараты, кондиционеры рабочей жидкости, гидроёмкости и гидролинии.

Магистральный гидропривод

В магистральном гидроприводе рабочая жидкость нагнетается насосными станциями в напорную магистраль, к которой подключаются потребители гидравлической энергии.

Аккумуляторный гидропривод

В аккумуляторном гидроприводе жидкость подаётся в гидролинию от заранее заряженного гидроаккумулятора. Этот тип гидропривода используется в основном в машинах и механизмах с кратковременными режимами работы.

По типу приводящего двигателя гидроприводы

могут быть с электроприводом, приводом от ДВС, турбин и т.д.

Преимущества

К основным преимуществам гидропривода относятся: возможность универсального преобразования механической характеристики приводного двигателя в соответствии с требованиями нагрузки, простота управления и автоматизации; простота предохранения приводного двигателя и исполнительных органов машин от перегрузок; надежность эксплуатации; широкий диапазон бесступенчатого регулирования скорости выходного звена, большая передаваемая мощность на единицу массы привода, надёжная смазка трущихся поверхностей при применении минеральных масел в качестве рабочих жидкостей.

Гидропривод обеспечивает бесступенчатое регулирование скоростей в широком диапазоне, получение больших сил и мощностей при малых размерах и весе передаточного механизма, возможность осуществления различных видов движения, возможность частых и быстрых переключений при возвратно-поступательных и вращательных прямых и реверсивных движениях.

Недостатки

К недостаткам гидропривода относятся: утечки рабочей жидкости через уплотнения и зазоры, особенно при высоких значениях давления, нагрев рабочей жидкости, что в ряде случаев требует применения специальных охладительных устройств и средств тепловой защиты, более низкий КПД (по приведённым выше причинам), чем у сопоставимых механических передач; необходимость обеспечения в процессе эксплуатации чистоты рабочей жидкости и защиты от проникновения в неё воздуха; пожароопасность в случае применения горючей рабочей жидкости.

При правильном выборе гидросхем и конструировании гидроузлов некоторые из перечисленных недостатков гидропривода можно устранить или значительно уменьшить их влияние на работу машин. Тогда преимущества гидропривода перед обычными механическими передачами становятся столь существенными, что во многих случаях предпочтение отдаётся именно ему.

Электрическая передача также как и гидрообъемная не имеет механического способа передачи энергии и состоит из генератора электрического тока, стабилизирующего элемента (диодный мост), системы регулирования и управления, электродвигателя и коробки отбора мощности.

Возможность агрегатного построения этой передачи больше, чем у гидрообъемной, так как взаимосвязь элементов трансмиссии осуществляется посредством гибких силовых кабелей – отсутствуют механически изнашивающиеся части, что упрощает контроль и техническое обслуживание. Двигатель не подвержен переменным нагрузкам и это увеличивает его ресурс. Изменение скорости машины происходит плавно. Недостатки электрической передачи: высокая стоимость, в связи с использованием дорогостоящих металлов в обмотках, и других элементах управления, полупроводников, большая масса и невозможность жесткой реализации крутящего момента. Все это не оправдывает ее использование в малогабаритных и среднегабаритных дорожно-строительных машинах.

Следовательно, при внедрении той или иной передачи необходимо в первую очередь определить область использования техники, диапазон ее работы и себестоимость производства. Для универсальной малогабаритной техники наиболее эффективно применение механической передачи энергии с автоматическим выбором и включением передач, а также гидрообъемной передачи. Для универсальных машин средних габаритов – гидродинамическая передача, а также гидрообъемно-механическая и гидрообъемная. На крупногабаритных машинах наиболее оправдали себя гидродинамическая и электрическая передача мощности.

Современные универсальные машины должны иметь возможность работать на сверхнизких скоростях и при этом развивать транспортную скорость городского потока. Поэтому наиболее оправдано применение автоматических передач с механической, гидромеханической и гидрообъемно-механической трансмиссией. Бесступенчатое регулирование позволяет значительно повысить технический уровень передачи и показатели эффективности. Это связано с отсутствием передачи, переключаемой под нагрузкой, и быстроизнашивающихся фрикционов. При использовании гидропривода упрощается регулирование мощности отбираемой на ход и управление навесным оборудованием, легко осуществляется реверс передачи, бесступенчато изменяются скорости в рабочем и транспортном диапазоне, применяются различные варианты управления в зависимости от назначения машины. Небольшие размеры гидроагрегатов привода позволяют размещать их в любом месте при проектировании машины и легко заменять по окончании срока службы.

В зависимости от необходимых параметров машины, мы выбираем ту или другую передачу мощностного потока. Это связано с пожеланиями потребителя такими как: экономичность создания и эксплуатации транспортного средства, надежность, эргономичность и простота управления.

Эти преимущества настолько значительны, что гидропривод, в настоящее время, применяется не только на экскаваторах и погрузчиках, но и в таких машинах, как бульдозеры, асфальтоукладчики, самоходные бурильные установки. Таким образом, применение в передаче объемного регулирования скорости и тягового усилия наиболее эффективно и на многофункциональных машинах, работающих в различных условиях с различным навесным рабочим оборудованием, количество и производительность которого зависит от характеристик трансмиссии машины.

Гидрообъемная коробка передач

Гидрообъемная трансмиссия обеспечивает преобразование механической энергии в напор циркулирующей жидкости. В такой трансмиссии гидронасос, приводимый в действие от двигателя внутреннего сгорания, соединен трубопроводами с гидродвигателями.

Напор жидкости, создаваемый гидронасосом, преобразуется в крутящий момент на валах гидродвигателей, соединенных с ведущими колесами автомобиля. Недостатками гидрообъемной трансмиссии по сравнению с механической являются большие габаритные размеры и масса, меньший к. п. д. и высокая стоимость. Поэтому такая трансмиссия не находит широкого применения.

«Транспортное средство высокой проходимости с полнопоточной гидрообъемной «интеллектуальной» трансмиссией, обеспечивающей бесступенчатый и плавный подвод мощности к колесам».

Российский «Гидроход»

Первые попытки применить ее в трансмиссии автомобилей относятся к концу XIX века. Однако низкий КПД, высокая стоимость, связанная со сложностью конструкции и необходимостью высокой точности изготовления, большие габариты и вес, трудности, связанные с созданием надежных уплотнителей, заставили отказаться от этой идеи на долгие годы. Однако в последнее время ситуация в корне изменилась: гидрообъемные приводы и трансмиссии стали обычным явлением на бульдозерах, а на автокранах и экскаваторах почти во всех классах просто вытеснили все остальные схемы.

Произошло это в результате усовершенствования конструкций гидрообъемных насосов и гидромоторов, а главным образом – уплотнений в них. Ведь гидравлическая мощность равна произведению рабочего давления на расход жидкости, и если 20 лет назад 200 кг/см2 (бар) казались пределом возможного, то теперь 45–50 МПа (450–500 бар) никого не удивишь.

Преимущества гидрообъемных передач по сравнению с традиционными: бесступенчатое изменение передаточного числа трансмиссии в целом в очень широких пределах; возможность замены всех механизмов механической трансмиссии (а не только коробки передач и сцепления) одной-двумя парами «гидронасос–гидромотор»; компоновочные, связанные с возможностью размещения гидромоторов на любом расстоянии от гидронасоса, в результате чего гидромоторы можно располагать непосредственно в колесах; легкость реверсирования передачи и получения одинаковых скоростей при движении автомобиля вперед и назад.

Управляет работой гидронасосов и гидромоторов электронная система, без какого-либо вмешательства водителя, работа которого предельно упрощается.

Гидрообъёмная трансмиссия- это устройство для передачи движения, в состав которого входит объёмный гидропривод.

Мощность двигателя в такой трансмиссии передаётся ведущим органам машины от перемещения замкнутого объёма жидкости между вытеснителями насоса и гидроматора. Ряд положительных свойств гидрообъёмной трансмиссии в сочетании с широким применением гидрофицированного технологического оборудования способствует использованию этих передач в конструкциях как зарубежных, так и отечественных лесозаготовительных машин. К достоинствам гидрообъёмных передач, при использовании их в качестве основных агрегатов трансмиссий, относятся:

- бесступенчатое регулирование скорости и плавность передачи крутящего момента;

- реверсивность и возможность двигателя на малых “ползучих” скоростях;

- удобство компоновки и минимальное использование механических звеньев;

- возможность объединения гидропривода с механизмом поворота;

- лёгкость управления его автоматизации.

Наряду с достоинствами, эти передачи имеют ряд существенных недостатков: снижение КПД трансмиссии при больших диапазонах регулирования и, как следствие, неэкономичность длительной работы машины на режимах, не соответствующих номинальным нагрузкам; несколько большая масса трансмиссии на единицу передаваемой мощности; более высокая стоимость трансмиссии.

Для лесных машин, имеющих гидрофицированное рабочее оборудование, этот тип трансмиссий наиболее перспективен.

Пневматический делитель коробки передач, виды гидроагрегатов

Механизм переключения передач основной коробки передач имеет дистанционный механический привод управления. В привод (рис. 2) входят рычаг 1 переключения, передняя 2 и промежуточная 4 тяги, рычаг 3 передачи и шток с рычагом 5 механизма переключения передач, который находится в крышке 6 коробки передач. Механизм переключения передач делителя имеет пневматиче­ский привод. Привод состоит из переключателя 7 , находящегося на рычаге 1 коробки передач, редукционного клапана 10, пневмоцилин-дра 13, воздухораспределителя 9, клапана 11 включения делителя, крана 8 и трубопроводов.

При установке переключателя в положение Н (низшая) или В (высшая) передача золотник крана 8 перемещается тросом. Сжа­тый воздух от редукционного клапана 10 поступает в соответству­ющую полость воздухораспределителя 9, устанавливая при этом его золотник в необходимое положение. При выключении сцепле­ния упор 12, установленный на толкателе рычага выключения сцепления, открывает клапан 11, и сжатый воздух проходит в воздухораспределитель 9 и далее в нужную полость пневмоцилиндра 13, перемещая его поршень и выключая передачи в делителе. Следовательно, переключатель можно включать заранее, однако переключение передач в делителе произойдет только при выклю­чении сцепления. Такое полуавтоматическое переключение пере­дач делителя значительно облегчает его применение.

Рис.2. Приводы переклю­чения коробки передач (а) и делителя (б) грузовых авто­мобилей КамАЗ:

1, 3, 5 — рычаги; 2, 4 — тяги;6 — крышка; 7 — переключа­тель; 8 — кран; 9 — воздухорас­пределитель; 10, 11 — клапаны; 12 — упор; 13 — пневмоцилиндр; В, Н — положения пе­реключателя

 Фильтры. Назначение, разновидности, классификация.

Полнопоточный масляный фильтр системы смазки двигателя автомобиля КамАЗ-5320 с двумя сменными фильт­рующими элементами крепится тремя болтами к блоку цилиндров справа. К корпусу 21 фильтра (рис. 7.1) винтами 1 крепятся фильт­рующие элементы 25 и колпаки 26. С 1979 года устанавливаются бумажные фильтрующие элементы с повышенной пропускной спо­собностью. В летнее время в случае необходимости применяются фильтрующие элементы с композицией из древесной муки. В корпусе фильтра установлен перепускной клапан 15, обеспечивающий подачу масла в главную магистраль при засорении фильтра. Клапан открывается при перепаде давлений масла на входе и выходе из фильтра, равном 250—300 кПа (2,5—3 кгс/см²). Клапан работает совместно с контактным устройством 10, обеспечивающим включение лампы, сигнализирующей о работе двигателя на неочищенном масле. Длительная работа с засоренным фильтром недопустима, так как приводит к повышенному износу деталей двигателя. Свечение лампы допустимо только при пуске двигателя и его прогреве с холодным маслом в системе смазке. При сливе масла из фильтра используют пробки 27.

Центробежный масляный фильтр системы смазки двигателя автомобиля КамАЗ-5320 с гидравлическим приводом предназначен для дополнительной очистки масла от механических примесей. Установлен справа, в передней части двигателя. На оси ротора 11 (рис. 7.2), ввернутой в корпус фильтра 1 на упорном шариковом подшипнике установлен ротор 3 с колпаком 2, закрепленным гайками 5 и 8. В нижней части корпуса установлено стопорное устройство, состоящее из пластины 15 и стопоров 14 с пружинами. Стопорное устройство обеспечивает фиксацию ротора при разборке фильтра. Снаружи на оси 11 гайкой 9 закреплен кол­пак фильтра 4. Стыки соединяемых деталей уплотнены прокладками и кольцом. В корпусе установлен перепускной клапан 18 фильтра. Перепускной клапан ограничивает давление масла в фильтре на уровне 600—650 кПа (6—6,5 кгс/см²). Ротор фильтра приводится во вращение энер­гией струи масла, выбрасываемой из сопла ротора на лопатки втулки 13, закрепленной в роторе. Масло, входящее из колпака 2 во внутреннюю полость ротора по касательно расположенным отверстиям, также создает усилия, способствующие вращению ротора. Благодаря этому ротор с колпаком и находящимся в нем маслом вращается с частотой до 5000 об/мин. Возникающие при этом центробежные силы отбрасывают и удерживают механические примеси на внутренней стенке колпака 2. Очищенное масло по трубке поступает в поддон двигателя.

Фильтр грубой очистки топлива системы питания двигателя автомобиля КамАЗ-5320 (фильтр-отстойник) предназна­чен для предварительной очистки топлива, поступающего в топливоподкачивающий насос низкого давления. Он установлен на всасы­вающей магистрали системы питания с левой стороны автомобиля на раме. Основными частями фильтра (рис. 7.3) являются корпус 7, стакан 2, успокоитель 3, фильтрующая сетка 4, отражатель 5 и рас­пределитель 6.

Топливо, поступающее из топливного бака через подводящий штуцер 8, подается к распределителю 6 и стекает в стакан. Круп­ные посторонние частицы и вода оседают в нижней части стакана. Из верхней части стакана через фильтрующую сетку 4 по отводящему штуцеру 9 и топливопроводам топливо поступает к топливоподкачивающему насосу низкого давления.

Фильтр тонкой очистки топлива системы питания двигателя автомобиля КамАЗ-5320 (рис 7.4) предназначен для окончательной очистки топлива перед поступлением его в топливный насос высокого давления, а также для сбора и удаления в бак проникшего в систему питания воздуха вместе с частью топлива через клапан-жиклер 10. Открытие клапана происходит при давлении в полости 150±20 кПа (1,5±0,2 кгс/см²).

Сбор воздуха в фильтре обеспечивается тем, что он один из всех агрегатов системы питания топливом установлен в самой высокой точке системы.

Топливный фильтр тонкой очистки состоит из двух секции и включает в себя два стакана 3 с приваренными к ним стержнями, корпус 8, два смежных фильтрующих элемента 5, изготовленных из бумаги. Прохождение топлива только через фильтрующий элемент обеспечивается уплотнительными прокладками 4, 6, 7.

Воздушный фильтр сухого типа системы питания двигателя воздухом автомобиля КамАЗ-5320, с двухступенчатой очисткой воздуха и автоматическим отсосом пыли предназначен для очистки воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, крепится к раме ав­томобиля. Фильтр состоит из корпуса 1 (рис. 7.5), фильтрующего элемента 3, крышки 5, деталей крепления патрубков подвода 8 и отвода 9 воздуха и патрубка 2 отсоса пыли. В корпусе 1 фильтра устанавливается фильтрующий элемент, который крепится к кронштейну 7 гайкой 4. Между наружным и внутренним цилиндрами фильтрующего элемента установлен гофрированный пористый кар­тон. Цилиндры фильтрующего элемента закрыты крышками и уплот­нены прокладками. Корпус закрывается крышкой 5, крепящейся застежками 6. Воздухозаборник обеспечивает герметичное соединение трубы 5 (рис. 7.6) с колпаком 7 и сеткой, закрепленными на кабине, с фильтром 1, расположенным на раме. Гофрированные резиновые патрубки воздухозаборника, внутри которых вставлены опорные диски с пружинами, прижаты к кронштейну 4. Это обеспечивает сохранение герметизации стыков при смещениях рамы и ка­бины и возможность откидывания последней.

Впускные трубопроводы через пароинтовые прокладки крепят­ся на боковых поверхностях головок цилиндров двигателя и сое­диняются между собой переходником. Стыки уплотнены резиновой прокладкой.

На левом впускном коллекторе установлен сигнализатор степе­ни засоренности воздушного фильтра механического типа.

Область и масштабы применения пневматического привода обусловлены его достоинствами и недостатками, вытекающими из особенностей свойств воздуха. В отличие от жидкостей, применяемых в гидроприводах, воздух, как и все газы, обладает высокой сжимаемостью и малой плотностью в исходном атмосферном состоянии (около 1,25 кг/м 3), значительно меньшей вязкостью и большей текучестью, причем его вязкость существенно возрастает при повышении температуры и давления. Отсутствие смазочных свойств воздуха и наличие некоторого количества водяного пара, который при интенсивных термодинамических процессах в изменяющихся объемах рабочих камер пневмомашин может конденсироваться на их рабочих поверхностях, препятствует использованию воздуха без придания ему дополнительных смазочных свойств и влагопонижения. В связи с этим в пневмоприводах имеется потребность кондиционирования воздуха, т.е. придания ему свойств, обеспечивающих работоспособность и продляющих срок службы элементов привода.

С учетом вышеописанных отличительных особенностей воздуха рассмотрим достоинства пневмопривода в сравнении с его конкурентами - гидро- и электроприводом.

1. Простота конструкции и технического обслуживания. Изготовление деталей пневмомашин и пневмоаппаратов не требует такой высокой точности изготовления и герметизации соединений, как в гидроприводе, т.к. возможные утечки воздуха не столь существенно снижают эффективность работы и КПД системы.

2. Пожаро- и взрывобезопасность. Благодаря этому достоинству пневмопривод не имеет конкурентов для механизации работ в условиях, опасных по воспламенению и взрыву газа и пыли, например в шахтах с обильным выделением метана, в некоторых химических производствах, на мукомольных предприятиях, т.е. там, где недопустимо искрообразование.

3. Надежность работы в широком диапазоне температур, в условиях пыльной и влажной окружающей среды.

4. Возможность передачи пневмоэнергии на относительно большие расстояния по магистральным трубопроводам и снабжение сжатым воздухом многих потребителей.

7. Отсутствие необходимости в защитных устройствах от перегрузки давлением у потребителей. Требуемый предел давления воздуха устанавливается общим предохранительным клапаном, находящимся на источниках пневмоэнергии. Пневмодвигатели могут быть полностью заторможены без опасности повреждения и находиться в этом состоянии длительное время.

Несмотря на вышеописанные достоинства, применяемость пневмопривода ограничивается в основном экономическими соображениями из-за больших потерь энергии в компрессорах и пневмодвигателях, а также других недостатков, описанных ниже.

1. Высокая стоимость пневмоэнергии. Если гидро- и электропривод имеют КПД, соответственно, около 70 % и 90 %, то КПД пневмопривода обычно 5-15 % и очень редко до 30 %. Во многих случаях КПД может быть 1 % и менее.

2. Относительно большой вес и габариты пневмомашин из-за низкого рабочего давления. Если удельный вес гидромашин, приходящийся на единицу мощности, в 5-10 раз меньше веса электромашин, то пневмомашины имеют примерно такой же вес и габариты, как последние.

3. Трудность обеспечения стабильной скорости движения выходного звена при переменной внешней нагрузке и его фиксации в промежуточном положении.

4. Высокий уровень шума, достигающий 95-130 дБ при отсутствии средств для его снижения.

Преимущества и недостатки гидропривода

Широкое распространение гидропривода объясняется тем, что этот привод обладает рядом преимуществ перед другими видами приводов машин. Вот основные из них.

1. Бесступенчатое регулирование скорости движения выходного звена гидропередачи и обеспечение малых устойчивых скоростей..

2. Небольшие габариты и масса.

3. Частое реверсирование движения выходного звена гидропередачи. Например, частота реверсирования вала гидромотора может быть доведена до 500, а штока поршня гидроцилиндра даже до 1000 реверсов в минуту. В этом отношении гидропривод уступает лишь пневматическим инструментам, у которых число реверсов может достигать 1500 в минуту.

4. Большое быстродействие и наибольшая механическая и скоростная жесткость. 5. Автоматическая защита гидросистем от вредного воздействия перегрузок благодаря наличию предохранительных клапанов.

6. Хорошие условия смазки трущихся деталей и элементов гидроаппаратов, что обеспечивает их надежность и долговечность.

7. Простота преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и возвратно-поворотные без применения каких-либо механических передач, подверженных износу.

Говоря о преимуществах гидропривода, следует отметить простоту автоматизации работы гидрофицированных механизмов, возможность автоматического изменения их режимов работы по заданной программе.

Гидроприводу присущи и недостатки, которые ограничивают его применение. Основные из них следующие.

1. Изменение вязкости применяемых жидкостей от температуры

2. Утечки жидкости из гидросистем, которые снижают КПД привода, вызывают неравномерность движения выходногозвена гидропередачи

3. Необходимость изготовления многих элементов гидропривода по высокому классу точности для достижения малых зазоров между подвижными и неподвижными деталями

4. Взрыво- и огнеопасность применяемых минеральных рабочих жидкостей.

5. Невозможность передачи энергии на большие расстояния из-за больших потерь на преодоление гидравлических сопротивлений и резкое снижение при этом КПД гидросистемы.

Основными достоинствами гидравлического привода являются: малые габариты и масса вследствие высоких рабочих давлений; небольшое время срабатывания из-за несжимаемости жидкости; одновременное торможение всех колес независимо от величины зазоров между тормозными колодками и барабанами; высокий коэффициент полезного действия, так как потери энергии связаны в основном с перемещением маловязкой жидкости из одного объема в другой.

Основным недостатком гидравлического привода является применение мускульной энергии водителя для приведения в действие тормозов. Для машин со средней и тяжелой массой использование гидравлического привода без усилительных устройств не представляется возможным.

В пневматическом приводе для приведения в действие тормозов используется не мускульная энергия водителя, а энергия предварительно сжатого воздуха, что позволяет получить практически любые тормозные силы, необходимые для торможения машины, при небольших усилиях на тормозную педаль.

Рулевой привод

Рулевой привод предназначен ради передачи усилия от рулевого механизма на управляемые колеса, обеспечивая при этом их поворот на неодинаковые углы.

Углы имеете право быть различными, ради того для того чтобы колеса могли передвигаться ровно по дороге кроме проскальзывания. Ведь при движении на повороте всякое из колес описывает свою окружность отличную от прочий, причем внешнее (дальнее от центра поворота) колесо движется согласно большему радиусу, чем внутреннее. Только, этак как будто средоточие поворота около них всеобщий, в таком случае конечно внешнее колесо должен быть повернуть на совсем немаленький угол, чем внутреннее. Это а также обеспечивается конструкцией, этак называемой, «рулевой трапеции», которая подключает в себя рулевые тяги вместе с шарнирами а также поворотные рычаги.

Каждая рулевая тяга на собственных концах имеет шарниры, ради того затем чтобы подвижные части рулевого привода могли вольно поворачиваться относительно друг друга, а также кузова в различных плоскостях.

Рулевой привод, применяемый вместе с механизмом червячного вида (рис. 47)

Рулевой механизм реечного вида (рис. 48) отличается от червячного тем, что сейчас взамен пары «червяк–ролик» применяется 2 – «шестерня–рейка». Иными словами, поворачивая рулевое колесо, водитель на самом деле вращает шестерню, которая заставляет рейку перемещаться вправо или влево. Но далее рейка передает усилие, прилагаемое к рулевому колесу, на рулевой привод.

Рулевой привод, применяемый вместе с механизмом реечного вида (рис. 48), похоже отличается от своего предшественника. Он упрощен а также имеет всего две рулевые тяги. Тяги передают усилие на поворотные рычаги телескопических стоек подвески колес а также конечно поворачивают их вправо или влево.

При независимой подвеске передних колес применяют расчлененную рулевую трапецию, которая состоит из рулевой сошки 5 (рис. 16.2, б) и маятникового рычага 12, закрепленного на раме шарнирно.

Рулевой механизм состоит из рулевого колеса 1, рулевого вала 3, рулевой колонки 2 и червячной передачи 4, на вал которой крепится сошка 5 рулевого привода.

Рулевой привод представляет собой систему тяг и рычагов, осуществляющих в совокупности с рулевым механизмом поворот автомобиля. Для одновременного поворота направляющих колес на различные углы служит рулевая трапеция, состоящая из балки 9 переднего моста, поперечной рулевой тяги 8, рычагов 7 и 11, соединенных с цапфами 10.

ГУР

Гидравлический усилитель руля (ГУР) не только обеспечивает комфорт, но и повышает безопасность движения. Он помогает водителю сохранить контроль над автомобилем даже в случае разрыва передней шины. Надежность этого дорогостоящего устройства зависит от своевременного обслуживания.

К появлению усилителей привела необходимость снизить усилие, прилагаемое водителем к рулевому колесу, что особенно важно для грузовых автомобилей. Даже при сложном устройстве и, как следствие, высокой стоимости гидроусилители получили большое распространение благодаря тому, что помимо основной функции (усиления) они:

-позволяют уменьшить передаточное отношение рулевого механизма. Это снижает количество оборотов руля между его крайними положениями и, соответственно, увеличивает маневренность;

-смягчают удары, передаваемые на руль от неровностей дороги, снижая утомляемость водителя и помогая удержать руль при разрыве передней шины;

-сохраняют возможность управления автомобилем при выходе усилителя из строя;

-обеспечивают «чувство дороги» и кинематическое следящее действие (см. ниже).

Устройство гидроусилителя

Усилитель руля (рис.1) представляет из себя гидравлическую систему, состоящую из следующих элементов.

Насос обеспечивает давление и циркуляцию рабочей жидкости в системе. Наибольшее распространение получили пластинчатые насосы (рис. 2) благодаря их высокому к. п. д. и низкой чувствительности к износу рабочих поверхностей. Насос крепится на двигателе, а его привод осуществляется ременной передачей от коленчатого вала.

Распределитель направляет (распределяет) поток жидкости в необходимую полость гидроцилиндра или обратно в бачок. Если его золотник (подвижный элемент) перемещается при этом поступательно — распределитель называют осевым, если вращается — роторным. Он может находиться на элементах рулевого привода или на одном валу с рулевым механизмом. Распределитель — это прецизионный (высокоточный) узел, очень чувствительный к загрязнению масла.

Гидроцилиндр преобразует давление жидкости в перемещение поршня и штока, который через систему рычагов поворачивает колеса. Может быть встроен в рулевой механизм или располагаться между кузовом и элементами рулевого привода.

Рабочая жидкость (специальное масло) передает усилие от насоса к гидроцилиндру и смазывает все пары трения. Резервуаром для жидкости служит бачок. В нем расположен фильтрующий элемент, а в пробке — щуп для определения уровня

При неподвижном рулевом колесе (рис. 2, а) золотник удерживается в среднем (нейтральном) положении центрирующими пружинами. Полости распределителя соединены между собой так, что жидкость свободно перетекает из нагнетательной магистрали в сливную. Насос усилителя работает только на прокачку жидкости по системе, а не на поворот колес.

При повороте руля (рис. 2, б) золотник перемещается и перекрывает сливную магистраль. Масло под давлением поступает в одну из рабочих полостей цилиндра. Под действием жидкости поршень со штоком поворачивает колеса. Они, в свою очередь, перемещают корпус распределителя в сторону движения золотника. Как только рулевое колесо перестает вращаться, золотник останавливается и корпус его «догоняет». Восстанавливается нейтральное положение распределителя, при котором опять открывается сливная магистраль и прекращается поворот колес. Так реализуется кинематическое следящее действие усилителя — обеспечение поворота колес на угол, задаваемый водителем при вращении руля.

При наезде на препятствие (например, камень) оно воздействует на управляемые колеса, стремясь их повернуть, что особенно опасно на высоких скоростях. Колеса, начав вынужденный поворот, перемещают корпус распределителя относительно золотника, перекрывая сливную магистраль. Масло под давлением поступает в полость цилиндра. Поршень передает усилие на колеса в обратном направлении, не позволяя им поворачиваться дальше. Так как ход золотника небольшой (около 1 мм), автомобиль практически не изменит направление движения. Гидроусилитель не только облегчает водителю поворот колес, но и оберегает пальцы его рук от ударов спицами руля при наездах на препятствия. Небольшой толчок на руле все же будет ощущаться из-за реактивных шайб, давление над которыми возрастет.

В случае прекращения работы насоса (например, при обрыве ремня привода) возможность управления автомобилем сохраняется. Усилие от рулевого механизма в этом случае будет передаваться самим золотником на корпус распределителя и далее на колеса. Жидкость, перетекая через перепускной клапан (на схеме не показан) из одной полости гидроцилиндра в другую, практически не будет препятствовать повороту колес. Но так как гидроусилитель не работает, руль становится «тяжелее».

Классификация автомобилей.

Легковые;автобусы;грузовые;тягачи;самосвалы;цистерны;фургоны;Специальные

Легковые классифицируют по рабочему объему двигателя на: 1) особо малый (до 1,099 л.с), 2) малый (1,1-1,799), 3) средний (1,8-3,499), 4) большой (свыше 3,5), 5) высший класс (~)

Автобусы классифицируют по габаритной длине (м) на: 1) особо малый (до 5), 2) малый (6-7,5), 3) средний (8-10), 4) большой (11-12), 5) особо большой (16,5-24)

Грузовые классиф. в зависимости от полной массы на: 1) до 1.2т, 2) 1,2-2т, 3) 2-8т, 4)8-14т, 5) от 14-20т, 6) 20-40т, 7) свыше 40

Центрирующий элемент. Реактивное устройство.

Центрирующий элемент. Впускной клапан воздухораспределителя пневматического усилителя и золотник распределителя гидравлического усилителя должны возвращаться из смещенного или открытого состояния в первоначальное (нейтральное или закрытое) принудительно. Для этого применяются центрирующие элементы (клапанные пружины, центрирующие пружины или используется давление рабочей жидкости и реактивные клапаны, которые, находясь под действием сжатого воздуха, ускоряют возвращение в исходное положение впускных клапанов).

Центрирующий элемент яв-ся важнейшим элементом распределителя усилителя и, в зависимости от особенностей его конструкции, места расположения и связи с распределительным клапаном рулевое управление с усилителем в большой или меньшей степени отвечает эксплуатационным требованиям.

Центрирующий элемент может быть выполнен в виде одной предварительно сжатой пружины или в виде двух сжатых пружин.

Реактивное устройство. Одним из важнейших качеств обычного рулевого управления яв-ся способность создавать у водителя так называемое «чувство дороги» или ощущение производимого им поворота. Оно заключается в том, что с увеличением сопротивления повороту управляемых колес возрастает и усилие на рулевом колесе. Эти качеством реактивного прогрессивного воздействия на рулевое колесо должно обладать и рулевое управление с усилителем, встроенным в его систему.

Реактивные элементы бывают двух видов: Реактивный клапан и реактивная камера.

Конструкция одного из реактивных клапанов гидравлического усилителя

Золотник 6 возвращается в нейтральное положение под действием размещенных внутри их корпуса пружин и давления рабочей жидкости. С повышением нагрузки давление в напорной магистрали увеличивается поэтому и сопротивляемость золотников их перемещению также увеличивается. Это обстоятельство вызывает реакцию на рулевом колесе и чувство производимого водителем поворота.

 Детальное изучение устройства и принципа действия ГУР автомобиля КАМАЗ

«КамАЗ», как одного из наиболее эффективных и многофункциональных,

применяемых на отечественных автомобилях. На рис. 2.5 показано рулевое управление грузовых автомобилей КамАЗ. Рулевое управление левое, с передними управляемыми колесами, с усилителем. Оно состоит из рулевого механизма, рулевого привода и гидроусилителя. Рулевой механизм винтореечный и выполнен в виде винта, шариковой гайки, поршня-рейки и сектора. Передаточное число рулевого механизма равно 20. Рулевой привод — с задней неразрезной трапецией. Гидроусилитель — интегрального типа (гидроруль), представляет собой один агрегат, объединяющий рулевой механизм, гидрораспределитель, гидроцилиндр и угловой редуктор.

Рулевое колесо 5 закреплено на рулевом валу 4, который установлен на двух шариковых подшипниках в рулевой колонке 5, прикрепленной внутри кабины автомобиля. Рулевой вал 4 через карданный вал 2 с двумя карданными шарнирами и подвижным шлицевым соединением связан с ведущей конической шестерней 13 углового редуктора, передаточное число которого равно единице. Ведомая шестерня 20 углового редуктора установлена на шлицах винта 18 рулевого механизма. Обе шестерни вращаются в двух шариковых подшипниках, каждая в корпусе 19 редуктора, прикрепленного к горизонтально расположенному рулевому механизму 7, передающему усилие на рулевую \ сошку. Сошка 8 через продольную рулевую тягу соединена с поворотным рычагом левого управляемого колеса, которое через поперечную рулевую тягу и рычаги поворотных цапф связано с правым управляемым колесом. Продольная рулевая тяга выполнена сплошной. В ее головках расположены шарниры с шаровыми пальцами для крепления. Поперечная рулевая тяга изготовлена трубчатой и имеет на концах резьбу для установки наконечников с шаровыми шарнирами для связи с рычагами поворотных цапф. Поворотом поперечной тяги в наконечниках регулируется схождение передних управляемых колес автомобиля. Гидроусилитель собран в одном агрегате с угловым редуктором и рулевым

механизмом, картер которого одновременно является и гидроцилиндром. В картере 15 находится поршень рейка 16, зацепляющийся с зубчатым сектором 14, изготовленным вместе с валом рулевой сошки. Зазор в зацеплении регулируется специальным винтом путем осевого смещения вала сошки. В поршне-рейке закреплена шариковая гайка 17, связанная через шарики с винтом рулевого механизма. Крайние канавки шариковой гайки соединены трубкой, и шарики циркулируют по замкнутому контуру. На конце винта рулевого механизма между двумя упорными шариковыми подшипниками 21 и 23 установлен золотник 9 гидрораспределителя. Золотник вместе с подшипниками имеет возможность перемещаться в осевом направлении на 1,0...1,2 мм в обе стороны от нейтрального положения. В нейтральном положении золотник удерживается центрирующими пружинами 11, которые воздействуют на упорные шариковые подшипники через плунжеры 10 и 12. К корпусу золотника снаружи присоединены шланги нагнетательного и сливного маслопроводов от насоса 6 гидроусилителя. Внутри корпуса размещен шариковый обратный клапан, соединяющий при отказе гидросистемы рулевого управления нагнетательную и сливную масломагистрали и обеспечивающий таким образом возможность управления автомобилем без гидроусилителя. В корпусе золотника установлен предохранительный клапан рулевого механизма, который соединяет нагнетательную и сливную магистрали при давлении в гидросистеме рулевогоуправления, превышающем 7,5...8,0 МПа. Этот клапан предохраняет детали рулевого механизма от перегрузки, а гидронасос — от перегрева. Насос 6 гидроусилителя лопастного типа и приводится в действие от коленчатого вала двигателя шестеренной передачей. На валу насоса, вращающемся в подшипниках, установлен ротор 32, в пазах которого находятся подвижные лопасти. Ротор размещен внутри статора 31.

В крышке насоса размещены распределительный диск, перепускной клапан 26 и

предохранительный клапан 25 насоса. Перепускной клапан ограничивает подачу масла в гидроусилитель при достижении определенной производительности насоса. Предохранительный клапан находится внутри перепускного клапана, является резервным в гидросистеме рулевого управления и срабатывает при давлении масла 8,5...9,0 МПа. При открытии перепускного и предохранительного клапанов часть масла из полости крышки поступает в бачок насоса. Бачок 28 прикреплен к корпусу и крышке насоса. Он имеет два фильтра 29 и 30 для очистки масла и предохранительный клапан (сапун) для связи с окружающей средой. При работе насоса лопасти в роторе под действием центробежных сил и давления масла прижимаются к статору. Масло из корпуса насоса через распределительный диск поступает в полость нагнетания и далее через нагнетательный маслопровод 24 в гидроусилитель.

При прямолинейном движении автомобиля золотник находится в корпусе в

нейтральном положении. Поступившее в корпус из насоса масло проходит через золотник, гидроусилитель и направляется в масляный радиатор 1 гидроусилителя. В радиаторе, представляющем собой алюминиевую оребренную трубку и находящемся перед радиатором системы охлаждения двигателя, масло охлаждается и поступает в бачок насоса через сливной маслопровод 27. При повороте рулевого колеса из-за сопротивления повороту со стороны дороги

поршень-рейка 16 гидроусилителя остается неподвижным, а винт 18 с золотником 9 смещается на 1,0...1,2 мм. При этом в зависимости от направления поворота золотник сообщает одну полость гидроцилиндра с нагнетательной магистралью, а другую полость — со сливной магистралью. В этом случае масло перемещает поршень-рейку 16, который поворачивает зубчатый сектор 14, связанный с рулевой сошкой 8, и помогает водителю повернуть управляемые колеса автомобиля. В камерах между плунжерами 10 и 12 давление масла становится тем больше, чем больше сопротивление дороги повороту управляемых колес. Поэтому для смещения золотника при большем давлении масла

необходимо большее усилие водителя, что позволяет ему чувствовать дорогу.

Рулевой привод

Рулевой привод передает усилия водителя и гидравлического усилителя к управляемым колесам, обеспечивая поворот их на взаимно отличающиеся углы. Благодаря этому уменьшается сколь­жение, а следовательно, и износ шин и облегчается управление поворотом автомобиля.

Рулевой привод (а/м КамАЗ 5320) — механический, с шарнирными соединениями деталей. Управляемые колеса установлены с наклоном — развалом в поперечной плоскости автомобиля на 1° и схождением спереди на 2—5 мм. Шкворни управляемых колес наклонены в поперечном направлении на 8°, в продольной плоскости на 3° для создания ста­билизации управляемых колес. Максимальные углы поворота ко­лес, равные 45°, обеспечивают минимальный радиус поворота авто­мобиля по колее внешнего колеса 8,5 м с шириной занимаемого коридора 4,5 м.

Привод рулевого управления состоит из сошки, продольной и поперечной рулевых тяг и рычагов.

Рычаги поворотных кулаков, шарнирно соединенные с поперечной тягой, образуют рулевую трапецию, обеспечивающую поворот управляемых колес на взаимно различающиеся углы. Рычаги вставлены в конические отверстия кулаков и крепятся с помощью шпонок и гаек.

На резьбовые концы поперечной тяги 10 (рис. 2.7) навинчивают­ся наконечники 8, являющиеся головками шарниров. Вращением наконечников регулируется схождение колес спереди, компенси­рующее возможные в эксплуатации их расхождение вследствие износов деталей, которое повышает износ шин и утяжеляет управление автомобилем. Наконечники тяги фиксируются болтами. Шарнир тяги состоит из пальца 5 со сферической головкой, вкладышей 4, 6, прижимаемых пружиной 3 к головке, деталей крепления и уплот­нения. Пружина обеспечивает беззазорное соединение и компенси­рует износ поверхностей деталей.

Продольная тяга 11 откована совместно с головками шарни­ров. Шарниры закрываются резьбовыми крышками 18 и уплотнительными накладками 12. Смазка шарниров производится через мас­ленки. Поворотные оси-шкворни колес установлены с боковыми наклонами в поперечной плоскости внутрь на 8°. Поэтому при пово­роте колес передняя часть автомобиля слегка приподнимается, что создает стабилизацию управляемых колес (стремление управляемых колес вернуться к среднему положению после поворота).

Наклон шкворней в продольной плоскости назад на 3° создает стабилизацию управляемых колес за счет центробежных сил, возни­кающих при повороте.

При отпускании рулевого колеса после поворота сила веса и центробежные силы создают стабилизирующие моменты, автомати­чески возвращающие управляемые колеса к среднему положению. Это существенно облегчает управление автомобилем. Оси вращения колес наклонены наружными концами вниз на 1°, образуя развал колес, что затрудняет появление обратного развала колес в эксплу­атации вследствие износа подшипников. Движение с обратным разва­лом увеличивает износ шин и утяжеляет управление автомобилем.

Устройство и работа сцепления автомобиля КамАЗ-5320

Сцепление служит для того, чтобы отсоединять двигатель от коробки передач при переключении передач, а затем снова соеди­нять их, обеспечивая переключение передач с минимальными уда­рами между зубьями соединяемых шестерен или муфт, а также плавное трогание с места и разгон автомобиля. Кроме того, сцепле­ние предохраняет трансмиссию от перегрузок, например, при бы­стром включении передач и резком изменении скорости движения автомобиля. Сцепление используется также для разъединения дви­гателя и коробки передач при пуске холодного двигателя.

Включение и выключение сцепления осуществляется через привод управления и выключающее устройство сцепления.

Сцепление (рис. 3.1) установлено в картере 5, который изготов­лен из алюминиевого сплава и выполнен заодно с картером передне­го делителя коробки передач. Картер 5 по передней привалочной плоскости соединяется болтами с картером маховика двигателя, а с задней стороны к нему крепится картер коробки передач.

Сцепление фрикционное, сухое, двухдисковое с периферийным расположением нажимных пружин. Ведущие и ведомые части сцеп­ления, детали выключающего устройства и нажимные пружины 12 размещены в расточке маховика 1 под кожухом 6.

К ведущим частям сцепления относятся маховик 1, средний ведущий диск 2, нажимной диск 4. Средний ведущий и нажимной диски имеют на наружной поверхности по четыре шипа, которые входят в пазы на цилиндрической поверхности маховика и передают на ведущие диски крутящий момент от двигателя. При этом одновременно обеспечивается возможность осевого перемещения дисков 2, 4.

К ведомым частям сцепления относятся два ведомых диска 3. Ведомые диски стальные, снабжены фрикционными накладками, изготовленными из асбестовой композиции, соединяются со своими ступицами каждый через гаситель крутильных колебаний пружинно-фрикционного типа.

Ступицы ведомых дисков установлены на шлицах первичного вала переднего делителя передач. Между кожухом 6 и нажимным диском 4 установлены нажимные пружины 12, под действием кото­рых ведомые диски зажимаются между нажимным диском и махови­ком с суммарным усилием 10 500—12 200 Н (1050—1220 кгс),

Включающее устройство сцепления состоит из рычагов выклю­чения 8, соединенных наружными концами с нажимным диском 4, а в средней части с опорными вилками 7, которые установлены в ко­жухе 6; упорного кольца рычагов выключения 11 и муфты выключе­ния с подшипником 9, установленных на цилиндрической части крышки подшипника первичного вала переднего делителя передач, и вилки выключения 10, укрепленной на валу.

При включенном сцеплении крутящий момент передается от маховика через шиповое соединение на средний ведущий и нажим­ной диски, затем на фрикционные накладки ведомых дисков и через гасители крутильных колебаний на их ступицы, которые установле­ны на первичном валу переднего делителя передач. Когда сцепле­ние включено, упорное кольцо рычагов выключения 11 отходит от подшипника муфты выключения 9 так, что образуется зазор А = 3,2-4,0 мм, обеспечивающий полноту включения сцепле­ния.

При выключении сцепления муфта выключения с подшипни­ком 9 через упорное кольцо 11 воздействует на внутренние концы рычагов выключения 8, которые поворачиваются на игольчатых подшипниках опорных вилок 7. Наружные концы рычагов выключе­ния при этом оттягивают нажимной диск 4 от заднего ведомого диска 3. Средний ведущий диск 2 с помощью рычажного автомати­ческого механизма, смонтированного на диске, самоустанавливается в среднее положение между торцами нажимного диска 4 и маховика 1, освобождая передний ведомый диск 3. Таким образом, между ведущими и ведомыми дисками сцепления при полном его выключении имеются зазоры, которые обеспечивают разъединение ведущих и ве­домых частей и «чистоту» выключения сцепления.

Устройство и работа привода сцепления автомобиля КамАЗ-5320

Привод сцепления дистанционный, гидравлический с пневмо-усилитёлем. Включение в привод пневмоусилителя позволило су­щественно облегчить для водителя выключение и удержание в вы­ключенном состоянии сцепления. Принципиальная схема соедине­ния, размещения и крепления элементов привода управления по­казана на рис. 3.2.

При нажатии на педаль 1 (рис. 3.2) при выключении сцепления усилие от ноги водителя через рычаг и шток передается к главному цилиндру 2, откуда жидкость под давлением по трубопроводам 10 поступает в корпус следящего устройства 4, которое при этом обеспечивает пропуск сжатого воздуха, поступающего по воздухопро­воду 5 в цилиндр пневмоусилителя 3. Одновременно от главного цилиндра жидкость под давлением поступает в рабочий гидрав­лический цилиндр 6 усилителя. Следящее устройство, цилиндр пневмоусилителя и рабочий гидравлический цилиндр выполнены в одном агрегате — пневмогидравлическом усилителе.

Суммарное усилие, определяемое давлением воздуха в цилиндре пневмо­усилителя и давлением жидкости в ра­бочем цилиндре, передается на шток 9 и через рычаг 5, вал и вилку выключа­теля обеспечивает перемещение муфты с подшипником 7, необходимое для вык­лючения сцепления.

Педаль сцепления 1 (рис. 3.2, б) установлена на оси в кронштейне и снабжена оттяжной пружиной. Ход педали ограничен упорами верхнего (сцепление включено) и нижнего (сцепление выклю­чено) положения. В соединении педали сцепления со штоком главного цилиндра 2 имеется эксцентриковый палец, позво­ляющий осуществлять регулировку за­зора между толкателем и поршнем глав­ного цилиндра, когда педаль сцепления отпущена.

Главный цилиндр (рис. 3.3) установ­лен на кронштейне педали сцепления. В корпусе 1 главного цилиндра выпол­нены цилиндрическая А и компенсаци­онная Б полости, в которых находится рабочая жидкость. Корпус закрыт за­щитным чехлом 2. В цилиндрической полости А установлен поршень 4 с тор­цевой уплотнительной манжетой 5. В поршне 4 имеется отверстие В, перекры­ваемое при рабочем ходе уплотнительным кольцом, имеющимся на конце штока 3. При отпущенной педали сцепления поршень 4 находится в верхнем положении под воздействием пружины 6. Снизу цилиндрическая полость А закрыта пробкой 7, в центре которой имеется нарезанное отверстие для подсоединения трубопроводов гидропривода.

Когда педаль сцепления отпущена (сцепление включено), пнев­матический поршень 12 и поршень 4 выключения сцепления нахо­дятся в крайнем правом (переднем) положении (пневматический поршень занимает это положение под действием возвратной пружины). Давление в полости перед поршнем соответствует атмосферному. Положение поршня 4 выключения сцепления определяется упором его толкателя в днище пневматического поршня. В следящем устройстве при этом выпускной клапан 11 открыт, а впускной 10 закрыт.

При нажатии на педаль сцепления рабочая жидкость поступает под давлением к отверстию А, создавая давление в полости ци­линдра выключения сцепления и у торца следящего поршня 7. Под давлением рабочей жидкости следящий поршень воздействует на клапанное устройство таким образом, что выпускной клапан 11 закрывается, а впускной 10 открывается, пропуская сжатый воздух, поступающий по трубопроводам к отверстию Б в корпусе пневмогидравлического усилителя. Под давлением сжатого воздуха пневматический поршень 12 перемещается, воздействуя на шток поршня. В результате на толкатель поршня 2 выключения сцепле­ния действует суммарное усилие обеспечивающее полное выключе­ние сцеплении при нажатии водителем на педаль с силой около 200 Н (20 кгс).

При отпускании педали давление перед следящим поршнем 7 падает, в результате в следящем устройстве перекрывается впуск­ной и открывается выпускной клапан. Сжатый воздух из полости за пневматическим поршнем постепенно стравливается в атмосферу, воздействие поршня на шток уменьшается и осуществляется плавное включение сцепления.

При отсутствии сжатого воздуха в пневматической системе со­храняется возможность управления сцеплением, так как выключе­ние сцепления может быть осуществлено за счет давления только в гидравлической части усилителя. При этом усилие на педали, создаваемое водителем, должно быть около 600 Н (60 кгс).

Тормозные системы применяемые на мобильном транспорте

Современные автомобили оборудуются: рабочей, запасной, стояночной и вспомогательной автономными тормозными системами.

Рабочая тормозная система служит для снижения скорости автомобиля с желаемой интенсивностью вплоть до полной остановки вне зависимости от его скорости, нагрузки и величин уклонов до­рог, для которых он предназначен.

Запасная тормозная система предназначена для плавного сни­жения скорости движения или остановки автомобиля в случае пол­ного или частичного выхода из строя рабочей тормозной системы. Эффективность рабочей и запасной тормозных систем автомобилей с полной массой свыше 12 т оценивается величиной тормозного пути или установившегося замедления при начальной скорости тор­можения 40 км/ч на прямом и горизонтальном участке сухой дороги с твердым покрытием, обеспечивающим хорошее сцепление колес с дорогой.

'Стояночная тормозная система служит для удержания непо­движного автомобиля на горизонтальном участке пути или уклоне даже при отсутствии водителя. Эффективность стояночной тормозной системы должна обеспечивать удержание автомобиля на уклоне такой крутизны, который он может преодолеть на низшей передаче.

Вспомогательная тормозная система предназначена для под­держания постоянной скорости автомобиля при движении его на за­тяжных спусках горных дорог и регулирования ее самостоятельно или одновременно с рабочей тормозной системой с целью разгрузки тормозных механизмов последней. Эффективность вспомогательной тормозной системы должна обеспечивать без применения иных тор-мозных систем спуск автомобиля со скоростью 30 км/ч по уклону 7% протяженностью 6 км. • ,

Каждая тормозная система состоит из тормозных механизмов (тормозов) и тормозного привода.

ТОРМОЗНЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМОБИЛЯ КамАЗ-5320

Автомобиль КамАЗ-5320 Кроме того, автомобиль и автопоезд оснащены аварийной системой расторма-живания тормозов стояночной тормозной системы, системами конт­роля и аварийной сигнализации о работе тормозных систем и их приводов, а также приводом тормозов прицепа.

Рабочая тормозная система оснащена пневматическим приво­дом, выполненным по двухконтурной схеме: контур привода тормо­зов передних колес и прицепа и контур привода колес задней те­лежки и прицепа. Исполнительными органами привода являются тормозные камеры. Привод управляется педалью. Тормозные меха­низмы системы установлены иа всех шести колесах автомобиля. Тор­мозной путь при торможении рабочей тормозной системой должен быть для автомобиля не более 20 м и автопоезда 21 м; установившее­ся замедление — для автомобиля и автопоезда не менее 4,4 м/с².

Стояночная и запасная тормозные системы объединены в одной конструкции, т. е. имеют общие пневматический привод с ручным тормозным краном и тормозные механизмы, установленные на коле­сах задней тележки. Отличие в тормозных системах заключается в способе управления ручным тормозным краном.

При использовании тормозной системы как стояночной, руко­ятка тормозного крана устанавливается в одно из крайних фикси­рованных положений в зависимости от включения или выключения тормозной системы; при использовании тормозной системы как за­пасной, ручной тормозной кран имеет следящее действие, позво­ляющее снижать скорость движения автомобиля с интенсивностью, зависящей от положения рукоятки тормозного крана. Тормозной путь при торможении запасной тормозной системой должен быть для автомобиля не более 34 м и автопоезда 35 м; установившееся замед­ление— для автомобиля и автопоезда не менее 2,2 м/с².

Вспомогательная тормозная система представляет собой мо­торный тормоз-замедлитель, для включения которого перекрывают­ся заслонками выпускные трубопроводы двигателя и отключается подача топлива. В результате двигатель переводится в компрессор­ный режим с приводом от трансмиссии. Возникающий благодаря противодавлению на выпуске и силам трения в двигателе момент со­противления тормозит автомобиль на затяжных спусках горных дорог. Привод управления заслонками и рычагом отключения пода­чи топлива пневматический.

Аварийная- система растормажиеания тормозов стояночной тормозной системы растормаживает тормозные механизмы колес задней тележки при автоматическом срабатывании пружинных эиергоаккумуляторов и остановке автомобиля из-за утечки сжатого воздуха в случае повреждения привода стояночной тормозной системы. Привод аварийной системы растормаживаиия пневматиче­ский, с дублирующим устройством для механического растор­маживания.

Система контроля и аварийной сигнализации о работе тормоз-ныхсистем и их приводов световая и акустическая. Во всех контурах пневматического привода и в воздушных баллонах тормозных си­стем встроены электропневматические выключатели, которые при действии любой тормозной системы замыкают цепи электрических ламп стоп-сигнала, а при недостаточном давлении в воздушных бал­лонах — сигнальных электрических ламп на панели приборов ав­томобиля и звукового сигнала (зуммера). Кроме того, все контуры пневматического привода снабжены клапанами контрольных выво­дов, при помощи которых производится диагностика технического состояния пневматического тормозного привода, а при необходимо­сти и отбор сжатого воздуха.

Привод тормозов прицепа автомобилей-тягачей комбинирован­ный, одиопроводиый и двухпроводиый, что обеспечивает буксиров­ку прицепов (полуприцепов), тормозные системы которых оборудо­ваны приводами, выполненными по одной из конструктивных схем.

 Кинематика и динамика автомобильного колеса.

Энергия вращения, вырабатываемая двигателем, преобразуется в поступательное движение транспортного средства движетелем, в качестве которого в автомобиле выступает система колес с эластичными пневматическими шинами.

На автомобильное колесо, взаимодействующее с опорной поверхностью, действуют силы, которые удерживают автомобиль на дороге, передвигают и останавливают его, заставляют изменить направление движения. В процессе взаимодействия колеса с опорной поверхностью в различных направлениях деформируется как колесо, так и опорная поверхность. В зависимости от соотношения деформации колеса и опорной поверхности возможны следующие условные виды движения колеса:

эластичного (деформируемого) колеса по недеформируемой поверхности;

жесткого (недеформируемого) колеса по деформируемой поверхности;

деформируемого колеса по деформируемой поверхности.

К первому виду движения можно относить случаи, когда деформация опорной поверхности значительно меньше деформации шины, что наиболее характерно для автомобиля как транспортного средства, предназначенного для движения по дорогам с твердым покрытием.

Второй вид движения наиболее часто наблюдается при работе трактора на рыхлых или болотистых почвах, при движении автомобиля по снежной целине или сыпучему песчаному грунту.

В некоторых условиях деформации колеса и опорной поверхности соизмеримы, например, при движении автомобиля с пониженным давлением воздуха в шинах по грунтам с малой несущей способностью (пашня, размокший грунт и др.).

Автомобильное колесо может катиться прямолинейно (при прямолинейном движении автомобиля) или криволинейно (при повороте автомобиля). Ниже рассматривается прямолинейное движение автомобильного колеса по недеформируемой поверхности. При этом считается, что все силы и моменты, действующие на колесо, располагаются в вертикальной плоскости. Особенности работы колеса в других условиях движения будут рассмотрены нами позднее.

Пневматическая шина представляет собой оболочку, наполненную сжатым воздухом. При качении колеса по дороге происходит деформация этой оболочки и проскальзывание элементов протектора относительно поверхности дороги.

Факторы влияющие на процесс торможения

Действительное расстояние, на котором остановится автомобиль, с учетом всех влияющих факторов на быстроту торможения (состояние дороги, количество и тип тормозов, субъективные качества шофера и т. д.) принято называть опасной зоной торможения.

Испытаниями установлено, что тормозной путь увеличивается во столько раз, во сколько раз ухудшается сцепление шины с дорогой, а при постоянном коэффициенте сцепления тормозной путь увеличивается пропорционально квадрату увеличения скорости.

Существенное влияние на величину тормозного пути оказывает время реакции шофера, которое колеблется от 0,5 до 1-2 сек, а также время срабатывания тормозной системы. (Тормозная система с гидравлическим приводом минимально срабатывает за 0,2 сек, а с пневматическим - 0,6 сек).

Тормозной путь зависит от многих переменных величин: типа тормозов, коэффициента сцепления шин с дорогой, начальной скорости движения, интенсивности возрастания давления на педали и т. п. Он не учитывает также расстояния, проходимого автомобилем за время реакции шофера и за время срабатывания тормозной системы.

Тормозной механизм

Тормозной механизм предназначен для создания помехи вра­щению колеса.

Рабочая, запасная и стояночная тормозные системы оснащены колесными колодочными тормозными механизмами, отличающимися высокой стабильностью тормозных свойств, с расположением коло­док внутри барабанов на неподвижных опорах с фиксированным разжимным кулаком. Тормозные механизмы всех колес принадле­жат к рабочей тормозной системе, а тормозные механизмы колес зад­ней тележки одновременно являются составными частями запасной и стояночной тормозных систем.

Основные узлы тормозного механизма переднего колеса смонти­рованы на суппорте 6 (рис. 7.1), жестко связанном с фланцем 12 поворотного кулака моста. На оси 14, закрепленные в суппорте, свободно опираются две тормозные колодки 3 с прикрепленными к ним фрикционными накладками 15. Последние имеют серпообраз­ный профиль в соответствии с характером их износа. Оси колодок эксцентриковые, что позволяет при сборке тормоза правильно сцент­рировать колодки с тормозным барабаном. При торможении колод­ки раздвигаются S-образным разжимным кулаком 7 и прижимаются к внутренней поверхности барабана 2, создавая помеху вращению колеса. Для снижения трения между разжимным кулаком и колод­ками установлены ролики 4. В исходное положение колодки возвра­щаются четырьмя стяжными пружинами 16.

Вал разжимного кулака вращается в кронштейне, на котором установлена тормозная камера 10. На конце вала разжимного кулака крепится рычаг 9 регулировочного механизма червячного типа, соединенный с штоком тормозной камеры.

Тормозные механизмы задних колес отличаются от передних конструкцией суппорта, корпуса разжимного кулака и самого раз­жимного кулака.

Рис. 7.1. Тормозной механизм переднего колеса:

/-сгупица; 2 -тормозной барабан; 8 — колодка; 4 ролик; 5 - маслоуловитель б--суппорт; 7-разжимной кулак; 8-щнток; 9-регулировочный .рьмаг; 10-тормозная камера; //-Балка передней оси: 12 - фланец поворотного кулака: /3-цапфа." 14-ось. * колодки; /5 — накладка; 16— пружина колодок

 Тормозной путь.

ТОРМОЗНЫЕ СВОЙСТВА АВТОМОБИЛЯ.

Под этим понятием определяют свойства автомобиля снижать скорость движения по желанию водителя, при необходимости быстро останавливаться, а также удерживать на уклоне во время стоянки.

Торможение автомобиля имеет большое значение для безопасности движения и зависит от его тормозных качеств. Эту роль выполняет тормозная система, предназначенная для постоянного пользования во время движения автомобиля.

Стояночная тормозная система предназначена для удержания автомобиля от самопроизвольного движения во время стоянки.

Тормоза современного автомобиля могут развивать тормозные силы, значительно превышающие силы сцепления шин с дорогой. В некоторых случаях для удержания автомобиля на стоянке водители включают вместо стояночного тормоза одну из низших передач. Но на автомобилях с дизельным двигателем применять такой способ в любых ситуациях категорически запрещено.

Управляя автомобилем, водитель должен учитывать возможные изменения весовой нагрузки на ось. При движении с уклона центр тяжести переносится вперед, и при торможении создается опрокидывающий момент, дополнительно нагружающий переднюю ось.

Особую опасность при торможении представляют перевозимые жидкие грузы, не полностью заполняющие емкости – цистерны, так как при торможении жидкость перемещается вперед, увеличивая нагрузку на переднюю ось.

Эффективность торможения оценивается по тормозному пути и величине замедления.

Тормозной путь – это расстояние, которое проходит автомобиль от начала торможения до полной остановки. Для легковых автомобилей правилами дорожного движения (31 раздел ПДД) установлены предельная величина тормозного пути при начальной скорости 40 км/час – тормоз ножной:- тормозной путь – 14,7 метра.

Остановочный путь – расстояние, которое проходит автомобиль от момента обнаружения водителем опасности до остановки автомобиля. (тормозной путь и некоторое расстояние, которое проходит автомобиль за время реакции водителя).

Время реакции водителя – от 0,2 до 1,5 сек и более.

Средняя величина (расчетная) – 0,8 сек.

Время срабатывания тормозного привода – 0,2 – 0,4 сек для гидравлики и 0,6 – 0,8 сек для пневматического тормоза.

Замедление автомобиля

Быстрота безопасной остановки характеризуется величиной отрицательного ускорения или замедления автомобиля. Замедление является одним из основных измерителей тормозных свойств.

Принято величину замедления обозначать буквой J; значение величины отрицательного ускорения (замедления) для процесса торможения на горизонтальной хорошей дороге при максимальном использовании тормозной силы (силами сопротивления воздуха пренебрегаем) можно определить по формуле:

j = ? · g,

где:

j - замедление в м/сек2;

? - коэффициент сцепления колес с дорогой;

g - ускорение силы тяжести в м/сек2.

Торможение - процесс создания и изменения искусственного сопротивления движению автомобиля с целью уменьшения его скорости или удержания неподвижным относительно дороги.

Тормозные свойства характеризуют способность автомобиля уменьшать скорость и готовность его к экстренной остановке.

Современные автомобили оборудуют рабочей, запасной, стояночной и вспомогательной тормозными системами. Рабочая тормозная система является основной, с ее помощью снижают скорость автомобиля, вплоть до его остановки. Надежная им эффективная рабочая тормозная система позволяет водителю уверенно вести автомобиль с большой скоростью и остановить его на коротком участке пути.

Тормозные свойства автомобиля оцениваются показателями:

установившееся замедление автомобиля;

тормозной путь.

Установившееся замедление – среднее значение замедления за время установившегося торможения автотранспортного средства.

Тормозной путь автомобиля - расстояние пройденное автотранспортным средством от начала до конца торможения.

Замедление и тормозной путь определяют аналитически, а проверяют методами ходовых (дорожных испытаний) или стационарными испытаниями на специальных стендах.

Проблема управления автомобиля на скользкой дороге

При движении по увлажненной, покрытой пленкой грязи или свежевыпавшим снегом, а особенно обледеневшей дороге, сила сцепления колес с дорогой значительно уменьшается (иногда в несколько раз) по сравнению с силой сцепления в условиях движения по сухой дороге. Вследствие этого на скользкой дороге часто возникает буксование ведущих колес, движение колес юзом (при торможении) и заносы автомобиля.

Буксование колес затрудняет трогание автомобиля с места, особенно на подъемах и в случаях, когда колеса находятся в углублении. Буксование наступает, если подводимый к колесам от двигателя крутящий момент создает окружную силу, превышающую силу сцепления колес с дорогой. Поэтому буксование тем вероятнее, чем ниже включенная передача. Чтобы предотвратить буксование при трогании автомобиля с места, начинать движение следует с наименьшим открытием дросселей карбюратора. Целесообразно также, если из-за буксования колес невозможно тронуть автомобиль с места на первой передаче, начинать движение сразу со второй, а на особо скользкой дороге даже на третьей передаче. Если эти приемы трогания с места не дают результата, необходимо увеличить силу сцепления колес с дорогой, подсыпая под колеса песок, щебень, грунт или подкладывая под них ветки, солому и другие подручные материалы.

Движение колес юзом начинается аналогично возникновению буксования в случаях, когда создаваемая при торможении сила на окружности колес превышает силу их сцепления с поверхностью дороги. Поэтому при торможении на скользкой дороге сила нажатия на педаль тормоза должна быть очень умеренной.

Занос - это боковое скольжение колес, вследствие которого автомобиль начинает двигаться в направлении, не соответствующем положению его колес, и теряется возможность нормального управления им. Если своевременно не прекратить занос, он может вызвать столкновение с другим движущимся сбоку транспортным средством или сход с полотна дороги в кювет и последующее опрокидывание автомобиля. Занос происходит под действием боковых сил, стремящихся переместить автомобиль в поперечном направлении. Эти силы возникают на поворотах вследствие инерции автомобиля; при наличии поперечного уклона полотна дороги или даже отдельных неровностей на ее поверхности под действием силы тяжести автомобиля; при торможении в результате неодинаковой эффективности действия тормозных механизмов колес правой и левой стороны автомобиля. Силам, стремящимся вызвать скольжение колеса как в предельном (буксование или движение юзом), так и в поперечном (занос) направлении, противодействует сила его сцепления с дорогой, равная произведению силы давления колеса на дорогу и коэффициента сцепления колеса с ее поверхностью. Сила сцепления имеет вполне определенную ограниченную величину.

Например, если часть массы автомобиля, приходящаяся на колесо, равна 300 кг, а коэффициент сцепления - 0,7, сила сцепления составит 300х0,7=210 кгс.

Для предотвращения скольжения колеса в обоих направлениях необходимо, чтобы сила сцепления С превышала равнодействующую К продольной Т и поперечной В сил или по меньшей мере была равна ей (рис. 2). Чем больше величина продольной (тяговой или тормозной) силы, стремящейся вызвать скольжение колеса в направлении движения автомобиля, тем меньше величина допустимой поперечной силы. Поэтому, если приложить к колесу тормозную силу, способную вызвать движение юзом (в приведенном выше примере силу, равную или превышающую 210кгс), вся сила сцепления колеса с дорогой будет использована для противодействия продольному скольжению колеса, и любая, даже очень небольшая поперечная сила вызовет боковое скольжение, т. е. занос, так как ей ничто не будет противодействовать. На скользкой дороге сила сцепления колес с поверхностью дорожного покрытия очень мала, а поэтому даже небольшая окружная (тяговая или тормозная) сила, приложенная к колесу, может вызвать его скольжение в продольном направлении. При этом почти неизбежно возникает занос, так как на автомобиль практически всегда действуют боковые силы.

Для предотвращения заносов необходимо вести автомобиль так, чтобы возникающие при движении боковые силы, а также приложенная к колесам тяговая или тормозная сила не превышала предела, при котором может начаться скольжение колес. Скорость движения на поворотах следует снижать в соответствии с величиной радиуса поворота и состоянием дороги. Чем круче поворот (меньше его радиус) и чем меньше коэффициент сцепления колес с поверхностью дороги, тем ниже должна быть скорость. Рулевое колесо нужно поворачивать плавно, так как резкие повороты называют значительное увеличение боковых сил. Во время движения желательно поддерживать постоянную окружную (тяговую) силу на ведущих колесах и избегать резкого нажатия и отпускания педали управления дросселями карбюратора. Для замедления хода автомобиля рекомендуется применять прерывистое торможение, которое производят, попеременно нажимая, а затем на короткое время отпуская педаль тормоза. При таком торможении, если и возникает юз колес, он не приводит к заносу, так как торможение периодически прерывается и автомобиль успевает выровняться.

Начинающийся занос можно быстро ликвидировать, правильно действуя рулевым колесом и педалями. Для этого при начале заноса рулевое колесо быстро, но плавно поворачивают в сторону заноса (рис. 3) и одновременно уменьшают или увеличивают открытие дросселей, чтобы прекратить буксование или юз колес, вызванные предшествующим резким изменением положения педали управления дросселями.

Если занос возник вследствие торможения, необходимо отпустить педаль тормоза. Нередко после выравнивания движения начинается занос автомобиля в другую сторону, который устраняют таким же способом.

Поверхность дороги становится наиболее скользкой при гололеде. Образование ледяной корки на дороге происходит при температурах на поверхности почвы от 0 до -5град.С после снегопада, дождя или оттепели.

Поэтому при таких условиях водители должны быть особенно внимательными.

В большинстве случаев наличие АБС позволяет достичь существенно более короткого тормозного пути, чем при ее отсутствии, кроме того АБС позволяет водителю сохранять контроль над транспортным средством во время экстренного торможения, то есть сохраняется возможность совершения достаточно резких маневров непосредственно в процессе торможения. Сочетание двух этих факторов делает АБС очень существенным плюсом в обеспечении активной безопасности транспортных средств.

Для неопытного водителя наличие АБС лучше в любом случае, поскольку позволяет экстренно тормозить интуитивно понятным способом, просто прикладывая максимальное усилие к тормозной педали или рукоятке, и сохраняя при этом возможность маневра.

В некоторых условиях работа АБС может привести к увеличению тормозного пути. На рыхлых поверхностях, таких как глубокий снег, песок или гравий, заблокированные при торможении колеса начинают зарываться в поверхность, что дает дополнительное замедление, незаблокированные колеса тормозят в этих условиях медленнее. Для того, чтобы можно было эффективно тормозить в таких условиях, АБС часто делают отключаемой. Кроме того, некоторые типы АБС имеют специальный алгоритм торможения для рыхлой поверхности, который приводит к многочисленным кратковременным блокировкам колес. Такая техника торможения позволяет достичь эффективного замедления, не теряя при этом управляемости, как при полной блокировке. Тип поверхности может быть установлен водителем вручную, или может определяться системой автоматически, путем анализа поведения автомобиля, или при помощи специальных датчиков определения дорожного покрытия.

Тормозные приводы

3.4. Механический привод.

Тормозной привод служит для приведения в действие тормоза, расположенного на колесе или на одном из валов трансмиссии. Тормозные приводы разделяют на механические, гидравлические и пневматические.

Механический привод представляет собой систему тяг и рычагов, соединяющую ножную педаль или ручной рычаг с тормозами. Механический привод от рычага применяют только для центральных стояночных тормозов.

3.5. Гидравлический привод.

Гидравлическим приводом называют такой привод, в котором усилие от педали к тормозу передается через жидкость. Он состоит из главного тормозного цилиндра с резервуаром для тормозной жидкости, колесных тормозных цилиндров, педали и магистрали, состоящей из трубопроводов. Вся система привода заполнена тормозной жидкостью. При нажатии на педаль шток перемещает поршень, который вытесняет жидкость из главного цилиндра по трубопроводам к тормозным цилиндрам. Под давлением жидкости поршни раздвигаются и через опорные стержни передают тормозные усилия колодкам, которые фрикционными накладками прижимаются к тормозному барабану, вызывая торможение колес. После прекращения нажатия на педаль колодки, находящиеся на неподвижной оси, под действием пружин отходят от барабана и возвращают поршни в исходное положение, вытесняя жидкость обратно в главный тормозной цилиндр, а из него частично в резервуар.

При гидравлическом приводе усилие от педали передается разжимному устройству тормозных колодок через жидкость. Основные части гидравлического привода тормозов: 1) резервуар(рис. 236) с запасом тормозной жидкости;

2) главный цилиндр тормозов, необходимый для создания давления жидкости в приводе; резервуар конструктивно объединен с главным цилиндром;

3) рабочие цилиндры тормозов, передающие давление тормозной жидкости на тормозные колодки;

4) соединительные трубопроводы и шланги.

С резервуаромнаполненным специальной жидкостью, сообщается главный цилиндр При нажатии на педальшток перемещает поршень ; жидкость из цилиндра вытесняется и поступает по трубопроводами к рабочим цилиндрам тормозов. Под давлением жидкости поршни раздвигаются и передают усилие колодками.Неподвижной опорой колодок служит палецотносительно оси которого они могут поворачиваться; стягиваются колодки пружиной

Главный цилиндр(рис. 237)изготовлен вместе с резервуаромв котором находится запас жидкости. Жидкость заливается через отверстие, закрываемое пробкой;в пробке имеются отверстиядля прохода воздуха.

Резервуар сообщается с главным цилиндром двумя отверстиями: перепускными компенсационным

В левой части главного цилиндра находится поршеньприводимый в движение от педали штокомВ головке поршня выполнены отверстияперекрытые шайбой и резиновой манжетойприжимаемой к днищу поршня пружиной И обратного клапана.В левой части поршня установлено уплотнительное резиновое кольцо(манжета).

В правой части главного цилиндра расположен, кроме обратного клапана с пружинойнагнетательный клапаннагруженный пружиной.

Если нажать на педаль, усилие от нее будет передаваться на шток который переместит поршень вправо.

3.6. Пневматический привод.

Пневматическим приводом называют такой привод, в котором для приведения в действие тормозов используют давление сжатого воздуха. Он применяется на автомобилях средней и большой грузоподъемности, а также на тракторах-тягачах, рассчитаны на работу с прицепами. Пневматический тормозной привод состоит из компрессора с регулятором давления баллонов, комбинированного тормозного крана, колесных тормозных камер, манометра, педали, предохранительного клапана, крана для выпуска конденсата, крана отбора воздуха, разобщительного крана, соединительной головки и трубопроводов.

Компрессор установлен на головке цилиндров двигателя и приводится в действие клиновидным ремнем от шкива вентилятора. Воздух, сжимаемый компрессором, через нагнетательный клапан поступает в один из воздушных баллонов. На баллоне установлен клапан, который предохраняет воздушную систему от повышения давления в случае неисправности регулятора Давления. Каждый баллон снабжен краном для выпуска конденсата. Воздух из второго баллона по трубопроводу поступает в тормозной кран, а также по трубопроводу -- в регулятор давления.

Комбинированный тормозной кран включает в себя две параллельные системы: верхнюю для торможения прицепа и нижнюю -- для торможения автомобиля. На тормозной кран передается механическое воздействие от тормозной педали через тягу и рычаг и от рычага управления центрально.

Комбинированный тормозной кран включает в себя две параллельные системы: верхнюю -- для торможения прицепа и нижнюю -- для торможения автомобиля. На тормозной кран передается механическое воздействие от тормозной педали через тягу и рычаг и от рычага управления центрально (стояночного) тормоза через систему тяг и рычагов.

При нажатии на педаль сжатый воздух из баллона чепе тормозной кран поступает к тормозным камерам, где воздействует на диафрагму, которая, выгибаясь, перемещает соединенный с нею шток камеры. Шток поворачивает разжимной кулак, который прижимает тормозные колодки к барабану.

При отпускании педали воздух выпускается в атмосферу из тормозных камер и колодки под действием пружин оттягиваются от барабана в исходное положение.

Гидропривод ножного тормоза с вакуумным усилителем.

Рис. 21. Гидропривод ножного тормоза с вакуумным усилителем.

1. Главный тормозной цилиндр в сборе;

2. Поршень главного тормозного цилиндра;

3. Усилитель тормозов вакуумный;

4. Вилка штока с вакумным усилителем;

5. Соединитель;

6. Болт;

7. Контргайка;

8. Педаль сцепления;

9. Наконечник;

10. Контргайка;

11. Выключатель стоп-сигнала;

12. Педаль тормоза;

13. Вилка толкателя;

14. Контргайка;

15. Трос сцепления;

16. Толкатель;

17. Гайка;

18. Шайба;

19. Шланг;

20. Штуцер;

21. Уплотнитель;

22. Поршень;

23. Наконечник;

24. Шток;

25. Уплотнитель штока;

26. Возвратная пружина поршня;

27. Буфер штока;

28. Корпус клапана;

29. Диафрагма;

30. Упорная пластина поршня;

31. Поршень;

32. Уплотнитель крышки корпуса;

33. Клапан;

34. Пружина клапана;

35. Возвратная пружина толкателя;

36. Воздушный фильтр;

37. Защитный колпачек корпуса клапана.

ВАКУУМНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ТОРМОЗОВ

УСТРОЙСТВО

В корпусе 3 (рис. 21) усилителя, закрытом крышкой, находится корпус 28 клапана с диафрагмой 29, разделяющей усилитель на две полости: вакуумную С и атмосферную А. В корпусе клапана размещены: воздушный фильтр 36 для очистки воздуха, входящего в усилитель, толкатель 4 с поршнем 31, резиновым клапаном 33, пружинами 34 и 35 и опорными чашками, Шаровой наконечник толкателя обжат в поршне 31, а сам поршень фиксируется в корпусе 28 клапана упорной пластиной 30, которая удерживается от выпадания пояском диафрагмы 29. Со стороны крепления главного цилиндра в корпусе 28 клапана размещены эластичный буфер 27 и шток 24, Бездействующий на поршни главного цилиндра. Отверстие для прохода штока 24 герметизировано уплотнителем 25, а отверстие в крышке для прохода корпуса 28 клапана изолировано уплотнителем 32 и защищено резиновым колпачком 4. Во втулку, приваренную к корпусу 3, ввернут штуцер для крепления наконечника вакуумного шланга 19, соединяющего вакуумную полость С усилителя с впускной трубой двигателя. В наконечнике шланга установлен клапан 20, открывающий отверстие, если давление в вакуумной полости С усилителя больше давления во впускной трубе двигателя.

ОСНОВНАЯ СИСТЕМА

На современных легковых автомобилях устанавливают основные ТС, состоящие из тормозного гидропривода и тормозных механизмов. Когда Вы нажимаете ногой на педаль тормоза, та сила, с которой Вы давите на педаль, передается на устройство, которое называется главный тормозной цилиндр. Главный тормозной цилиндр имеет поршень, который, двигаясь, увеличивает давление в системе гидравлических тормозных трубок, ведущих к каждому колесу автомобиля. На каждом колесе тормозная жидкость под давлением оказывает воздействие на поршень колесного тормозного механизма, который выдвигает тормозные колодки, а те, в свою очередь, прижимаются к тормозному барабану или тормозному диску. Трение замедляет вращение колес, и движение автомобиля.

Рис. 1 Схема гидропривода тормозов

1 - тормозные цилиндры передних колес; 2 - трубопровод передних тормозов; 3 - трубопровод задних тормозов; 4 - тормозные цилиндры задних колес; 5 - бачок главного тормозного цилиндра; 6 - главный тормозной цилиндр; 7 - поршень главного тормозного цилиндра; 8 - шток; 9 - педаль тормоза

Тормозной привод

В гидропривод основной ТС входят:

- главный тормозной цилиндр с вакуумным усилителем или без него;

- регулятор давления в задних тормозных механизмах;

- рабочий контур (трубопровод диаметром 4-8 мм).

Рабочий контур соединяет между собой устройства гидропривода и тормозные механизмы. Главный тормозной цилиндр (ГТЦ) предназначен для преобразования усилия, прилагаемого к педали тормоза, в избыточное давление тормозной жидкости и распределения его по рабочим контурам. Бачок с запасом тормозной жидкости может крепиться на ГТЦ или вне его. Вместе с ГТЦ на большинстве автомобилей устанавливают вакуумные усилители, которые увеличивают силу, создающую давление в тормозной системе. Вакуумный усилитель (рис. 2) конструктивно связан с главным тормозным цилиндром. Основным элементом усилителя является камера, разделенная резиновой перегородкой (диафрагмой) на два объема. Один объем связан с впускным трубопроводом двигателя, где создается разряжение, а другой с атмосферой. Из-за перепада давлений, благодаря большой площади диафрагмы, «помогающее» усилие при работе с педалью тормоза может достигать 30 - 40 кг и больше. Это значительно облегчает работу водителя при торможениях и позволяет сохранить его работоспособность длительное время.

Рис. 2 Схема вакуумного усилителя

1 - главный тормозной цилиндр; 2 - корпус вакуумного усилителя; 3 - диафрагма; 4 - пружина; 5 - педаль тормоза

Регулятор уменьшает давление в приводе тормозных механизмов задних колес. При торможении сила инерции движущегося автомобиля и противодействующая ей сила трения (точка приложения которой ниже центра тяжести автомобиля) создают продольный опрокидывающий момент. Мягкая передняя подвеска, реагируя на него, "проседает", а задние колеса "разгружаются". Поэтому даже при неэкстренном интенсивном торможении задние колеса могут блокироваться, что часто приводит к заносу автомобиля. В зависимости от изменения расстояния между элементами задней подвески и кузовом автомобиля (его продольного наклона) давление в приводе задних тормозов (по сравнению с передними) ограничивается. В результате чего блокировки задних колес не происходит или (в зависимости от замедления и загруженности автомобиля) она возникает значительно позже.

Тормозные жидкости

Тормозная жидкость "НЕВА" ТУ 6-01-34-93

Тормозная жидкость "НЕВА" является первой отечественной тормозной жидкостью, разработанной ОАО "Завод им. Шаумяна" более 25 лет назад в соответствии с международной классификацией (класс ДОТ-3), для применения в автомобилях, освоенных по лицензии на АвтоВАЗ (г.Тольятти).

Тормозная жидкость "НЕВА" состоит из многокомпонентной смеси, содержащей основу в виде этилкарбитола и нескольких антикоррозионных присадок. Состав защищен авторским свидетельством N364228.

тормозная жидкость "НЕВА" работоспособна до температуры минус 40-45?С. Имеет высокие антикоррозионные свойства и хорошую совместимость с резино-техническими изделиями. Тормозная жидкость "НЕВА" применяется в гидроприводе тормозов и сцеплений легковых и грузовых автомобилей всех марок за исключением ГАЗ - 24 выпуска до 1985 года. Тормозная жидкость "НЕВА" полностью совместима с тормозной жидкостью более поздней разработки: "Томь" и "Роса".В зависимости от условий эксплуатации срок службы тормозной жидкости "НЕВА" составляет 1-2 года.

Аналоги тормозной жидкости "НЕВА": Shell Donax B, Castrol Brake Fleud HD и.т.п. жидкости, относящиеся к классу ДОТ-3 международной классификации тормозных жидкостей.

Технические характеристики:Внешний вид и цвет прозрачная, однородная жидкость от светло до темно-желтого цвета без осадка. Допускаются опалесценции

Кинематическая вязкость мм/с

при 100°С, не менее

при температуре 50°С, не менее

при минус 40°C менее

2,0

5,0

1500

Температура кипения, °C не ниже 195

Температура кипения "увлажненной жидкости", °C, не ниже 138

Стабильность при высокой температуре, °C, не более 5

Тормозные жидкости производят на основе касторового масла или на основе гликолей. Разработана и испытана хорошая тормозная жидкость на нефтяной основе — жидкость ГТН. Однако эта жидкость пока не нашла применения, так как резиновые детали автомобильных тормозных систем делают из обычной немаслостойкой резины. Такие детали при контакте с нефтяной жидкостью быстро набухают и становятся непригодными к дальнейшей эксплуатации.

Хорошие эксплуатационные свойства показали тормозные жидкости на «касторовой основе». Касторовое масло имеет высокие смазывающие свойства и не вызывает набухания или размягчения натуральной резины и изготовленных из нее уплотнительных деталей тормозной системы.

При смешении 60% изопентанола и 40% касторового масла получают тормозную жидкость АСК, при смешении 50% бутанола и 50% касторового масла — тормозную жидкость БСК, при смешении 40% этанола и 60% касторового масла — тормозную жидкость ЭСК. Жидкость ЭСК имеет ряд недостатков и ее производят и применяют в ограниченном количестве. Этанол кипит при 78 град. С и при высоких температурах может давать паровые пробки в тормозной системе.

Все касторовые тормозные жидкости готовят смешением только с концентрированными спиртами. Попадание в жидкость воды приводит к снижению концентрации спирта, что вызывает расслоение жидкости. Спирто—касторовые смеси имеют довольно низкую температуру застывания, однако уже при температуре минус 20 град. С происходит интенсивная кристаллизация составляющих касторового масла. Поэтому касторовые тормозные жидкости при температурах ниже минус 20 град. С применять не рекомендуется.

В последние годы находят все большее применение в качестве тормозных жидкостей различные смеси гликолей и их производных. Смесь гликолей с комплексом антикоррозионных и противоизносных присадок вырабатывают и применяют под маркой гидротормозной жидкости ГТЖ-22М.

Разработаны рецептуры и организовано промышленное производство тормозных жидкостей «Нева» и «Томь», которые представляют собой композиции на основе этилкарбитола с разными загустителями и антикоррозионными присадками.

Жидкости на основе гликолей и этилкарбитола по многим свойствам превосходят спирто-касторовые смеси. Они имеют хорошие низкотемпературные свойства (не замерзают при температуре минус 60 град. С), низкую испаряемость и высокую температуру вспышки. Все эти жидкости нейтральны по отношению к резиновым немаслостойким деталям, так что могут заливаться в тормозную систему автомобилей с обычными резиновыми уплотнителями. В отличие от применявшейся ранее жидкости ГТЖ-22 при использовании жидкостей ГТЖ-22М, «Нева» и «Томь» не требуется предварительная смазка трущихся деталей тормозной системы касторовым маслом или спирто-касторовой жидкостью БСК при подготовке машин к весенне-летней и осенне-зимней эксплуатации. Эти жидкости нельзя смешивать со спирто-касторовыми жидкостями, так как происходит расслоение и выпадение касторового масла. Применение жидкостей на основе гликолей и этилкарбитола обеспечивает работу гидравлического привода тормозов при температурах окружающего воздуха от + 50 до - 50 град. С. Все эти жидкости токсичны, поэтому при работе необходимо соблюдать осторожность.

Классификация приемов торможения автомобиля

Различают служебное, экстренное и аварийное торможение.

Служебное торможение (с интенсивностью замедления менее 3 м/с2) не связано с дефицитом времени для замедления или остановки автомобиля и в нормальных условиях движения является наиболее приемлемым, так как осуществляется в комфортной зоне отрицательных ускорений.

Экстренное торможение используется в критических ситуациях, связанных с дефицитом времени и расстояния. Оно реализует самое интенсивное замедление с учетом тормозных свойств автомобиля, а также возможностей водителя применить традиционные или нетрадиционные приемы в зависимости от коэффициента сцепления шин с дорогой и других внешних условий.

Аварийное торможение применяется при выходе из строя или отказе рабочей тормозной системы и во всех других случаях, когда эта система не позволяет добиться необходимого эффекта.

Импульсное торможение автомобиля

К импульсному торможению относят два способа - прерывистый и ступенчатый.

Прерывистое торможение - периодическое нажатие на педаль тормоза и полное ее отпускание. Основной причиной, вынуждающей временно прекратить действие тормозных механизмов, является блокировка колес. Такой способ применяется на неровной дороге и там, где чередуются участки с разными коэффициентами сцепления, например асфальт со льдом, снегом и грязью. Перед наездом на неровность или скользкий участок следует полностью отпускать тормоз.

Эффективность прерывистого способа при экстренном торможении недостаточна, так как временное прекращение действия тормозов влияет на увеличение тормозного пути автомобиля.

Для экстренного торможения характерен ступенчатый способ, который внешне напоминает прерывистый, однако в отличие от прерывистого не имеет пассивной фазы, связанной с полным прекращением действия тормозных механизмов. Для него характерно последовательное увеличение каждого последующего усилия на тормозной педали, а также времени его приложения. Первое же нажатие на педаль должно быть предельно коротким и слабым. Перетормаживание в одном из импульсов ступенчатого торможения требует своей компенсации, которая проявляется в увеличении времени на разблокирование колес. Кроме того, торможение с многократно повторяемым кратковременным блокированием колес требует дополнительной компенсации устойчивости автомобиля с помощью руления.

Экстренное торможение автомобиля

Появление в автомобиле ABS, ESP и других систем помощи водителю при торможении меняет наши представления о том, что же нужно делать во время экстренного торможения. Впрочем, для владельцев автомобилей, не оборудованных ABS, старые рецепты по-прежнему верны.

Интенсивность экстренного торможения ограничивается возможностями водителя (владением техническими приемами и способностью сохранять устойчивость и управляемость автомобиля), автомобиля (эффективностью тормозных систем, качеством шин) и внешними условиями (коэффициентом сцепления шин с дорогой, рельефом местности). Кроме снижения скорости экстренному торможению присущи и действия, позволяющие держать под контролем устойчивость и управляемость автомобиля.

Контроль за выполнением торможения на грани блокирования колес осуществляется с помощью так называемого 'мышечного чувства'. У разных водителей имеются значительные различия в возможностях корректировки мышечных усилий при экстренном торможении. Другим осложняющим фактором является 'механизм страха', который может затормозить проявление даже автоматизированных двигательных навыков и нарушить координацию движений. Наиболее ярко выраженным проявлением 'механизма страха' является торможение в критической ситуации при полностью заблокированных колесах. Необходимо подавление этого проявления рефлекторной деятельности в виде дозирования усилия в зависимости от скорости автомобиля, коэффициента сцепления, дорожного покрытия, геометрии движения.

В большинстве случаев применение экстренного торможения связано с эффектом полного или частичного кратковременного блокирования колес. Чаще всего блокирование возникает на задних колесах автомобиля, так как при торможении нагрузка в автомобиле перераспределяется по осям: передние колеса загружаются, а задние разгружаются. Поэтому многие автомобили имеют специальные регуляторы тормозных сил, ослабляющие действие задних тормозов на ненагруженном автомобиле.

Нетрадиционным способом торможения является боковое соскальзывание, которое может быть реализовано с заносом задней оси, со сносом всех осей или с вращением автомобиля. Для перевода автомобиля в критический занос задней оси используется моментное включение-выключение стояночного тормоза на дуге поворота или ударное включение пониженной передачи. Передние колёса при этом управляются (трение покоя), а задние - нет (трение скольжения, или 'юз'). Для устойчивого торможения в заносе водитель использует компенсаторное руление и переменное дросселирование.

Прием 'газ-тормоз' чрезвычайно эффективен на автомобилях с передним приводом и позволяет сохранить управляемость передних колес при интенсивном торможении рабочим тормозом, избежать блокирования управляемых колес, увеличить тормозное усилие. Торможение выполняется левой ногой, во время торможения правая нога продолжает дросселирование - открытый дроссель.

Торможение двигателем и переключение передач

Торможение двигателем не дает большого эффекта замедления в чистом виде, поэтому часто игнорируется водителями. Однако его значимость существенна при управлении автомобилем в условиях низкого коэффициента сцепления и позволяет повысить устойчивость и управляемость автомобиля, его стабильность при экстренных маневрах.

Безопасное управление автомобилем требует, чтобы любой прием торможения выполнялся комбинированным способом, т.е. при включенной передаче. Торможение на нейтральной передаче в нормальных условиях следует расценивать как легкомысленное действие, а в сложных условиях - как опасное. У некоторых начинающих водителей выработан рефлекс: начиная тормозить, обязательно выключать сцепление. В основе такой привычки лежит ученическая боязнь заглушить двигатель. Но двигатель глохнет при частоте вращения вала менее 500-700 об/мин. Этому режиму на прямой передаче соответствует скорость 13-15 км/ч, поэтому выключать сцепление следует практически перед самой остановкой автомобиля.

Прием 'перегазовка' выполняется для уравнивания окружных скоростей вращения шестерен, входящих в зацепление. Такой прием помогает избежать рывка автомобиля и не спровоцировать занос на скользкой дороге и, кроме того, уменьшает износ синхронизаторов и увеличивает срок службы КПП. При этом правая стопа водителя осуществляет активное торможение рабочим тормозом, поэтому для выполнения перегазовки необходимо временно прекратить активное торможение или выполнить перегазовку носком (пяткой) правой стопы, не прерывая торможения.

Перегазовка при служебном торможении выполняется за три цикла: выключение повышающей передачи; пауза в нейтральном положении и перегазовка; включение понижающей передачи.

Экстренное торможение требует последовательного переключения передач вниз от прямой передачи до 2-й. Первая передача может включаться в аварийном режиме при отказе рабочей тормозной системы. В этом случае желательно сократить время на перегазовку и изменить структуру приема. Повышение частоты вращения коленчатого вала двигателя достигается не отдельным нажатием на педаль управления подачей топлива, а замедленным выключением сцепления при открытом дросселе.

Очень вредной является избирательность: на сухой дороге тормозить только рабочим тормозом, на скользкой - еще и мотором. Значительно безопаснее иметь выработанный навык смешанного торможения и применять его в любых условиях, чем создать себе стереотип 'летнего' торможения и из-за имеющегося автоматизма применить его на льду или снегу.

Аварийное торможение автомобиля

Аварийное торможение может осуществляться стояночным тормозом, а также нетрадиционными способами, в том числе и контактным способом с использованием естественных и искусственных препятствий.

В аварийной ситуации, когда все возможности совершения экстренного маневра были исчерпаны и/или произошел отказ тормозной системы, большинство водителей из-за неумения и стресса прекращают управление. Однако пассивная безопасность конструкции современного автомобиля позволяет существенно снизить тяжесть последствий ДТП за счет деформации сминаемых частей кузова, таких как крылья, бампера, багажник.

При этом важно выбрать направление контакта, чтобы избежать удара 'в лоб', поскольку из всех силовых элементов кузова лонжероны имеют максимальную продольную жесткость, вылета на полосу встречного движения и опрокидывания. Как водителю, так и пассажирам необходимо уметь быстро принимать безопасную позу для снижения последствий удара.

Гидромеханика – изучает все движения жидкостей и газов.Гидромеханика и ее часть гидравлика прикладная наука, которая изучает закономерности движения жидкостей и применение этих законов к решению изомерных задач.Основные различия между гидромеханикой и гидравликой состоит в постановке задач: 1. в гидромеханике не налагается ограничений на вид движения жидкостей и как правило рассматривается общий случай пространственных трехмерных течений.

2. в гидравлике рассматривается только одномерное течение. Гидравлика основа знаний для любого нефтяника. Жидкость-тело обладающее весьма большой подвижностью частиц.

Идеальная жидкость – считается, что жидкость не обладает вязкостью и не зависит от параметров (плотность, от температуры и давления).

Нормальные напряжения в жидкости определяются как предел отношения силы давления ∆Р к площадке ∆ωр = lim | ∆TI∆ω| ∆ω→0

Нормальные напряжения р называют давлением.

Если величину давления р отсчитывают от нуля, его называют аб­солютным, если от атмосферного — избыточным – величина давления, превышающая атмосферноеили манометри­ческим – величина давления, котрое не достает до атмосферного.

Абсолютное давление равно атмосферному, сложенному с избы­точным, т.е. Pабс=Рат+Ризб

Если гидромеханическое давление в жидкости оказывается мень­ше, атмосферного, то, как принято говорить, в жидкости имеется ва­куум (разрежение).

Величина вакуума определяется разностью между атмосферным и абсолютным давлениями в жидкости

Рвак = Рат – Рабс и изменяется в пределах от нуля до атмосферного давления.

Объем тело давления – объем, заключенный между пьезометрической плоскостью, криволинейной поверхностью и вертикальными образующимися, которые проектируют криволинейную поверхность на пьезометрическую плоскость.

Элементарным объемным расходом струйки(м³/с) называется величина, представляющая собой объем жидкости, протекающий через живое сечение струйки в единицу времени:

dQ=dV/dt=udωdt/dt=udω , где dV – объем жидкости, прошедший за время dt через живое сечение dω.

Средняя скорость v в живом сечении потока ω – такая фиктивная скорость, с которой должны были бы двигаться все частицы жидкости, чтобы при этом объемный расход Q был бы тем же, что при реальном распределении скоростей:

V=∫_ωudω/ω.

Если объемный расход жидкости умножить на плотность жидкости, то получим массовый расход Q_m

Q_m=ρQ [кг/c].

Умножая массовый расход на ускорение силы тяжести, получим весовой расход, измеряется в [H/c]:

G= ρgQ=mg.

Уравнение Бернулли z₁+p₁/ρg +α₁U₁²/2g= z₂+p₂/ρg +α₂U₂²/2g +h_1-2 .

Местные сопротивления – сопротивления, сосредоточенные на коротких участках трубопровода, которые приводят к потери напора и вызваны местным отрывом вихрей, а также нарушением структуры потока.

H_m=ξU²/2g ; h_m=ξU²/2g – уравнение Борда; ξ – коэф. местного сопротивления.

h_T – потеря трения, h_m – потери местные,

h_1-2=h_T+h_m - потеря напора.

h_T=2Lτ/ρgr.

h_T=64LU²/Re*d*2g – Формула Дарси-Вейсбаха.

Гидравлическим ударом в напорном трубопроводе – резкое изменение давления жидкости, вызванное резким изменением скорости течения.

Формула Жуковского ∆p=ρuc.

Гипотеза сплошности.

«Рассматривать жидкие тела как совокупность отдельных молекул (в каждой отдельно) практически неподвижно, поэтому при изучении жидкости и газов (и вообще деформации тел) вводятся допущения, что эти тела заполняют пространство непрерывно, т.е. характеризуют определенными значениями параметра (плотность, температура, вязкость и тд.). при таком рассмотрении жидкое тело называют сплошной средой или континиумом.Жидкости. Все вещества в природе имеют молекулярное строение. По характеру молекулярных движений, а также по численным значениям межмолекулярных сил жидкости занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами. Свойства жидкостей при высоких температурах и низких давлениях ближе к составам газов, а при низких температурах и высоких давлениях — к свойствам твердых тел. В газах расстояния между молекулами больше, а межмолекулярные силы меньше, чем в жидкостях и твердых телах, поэтому газы отличаются от жидкостей и твердых тел большей сжимаемостью. По сравнению с газами жидкости и твердые тела малосжимаемы.
Молекулы жидкости находятся в непрерывном хаотичном тепловом движении, отличающемся от хаотичного теплового движения газов и твердых тел: в жидкостях это движение осуществляется в виде колебаний (10п колебаний п секунду) относительно мгновенных центров и скачкообразных переходов от одного центра к другому. Тепловое движение молекул твердых тел — колебания относительно стабильных центров. Тепловое движение молекул газа — непрерывные скачкообразные перемены мест.
Диффузия молекул жидкостей и газов обусловливает их общее свойство — текучесть. Поэтому термин «жидкость» применяют для обозначения и собственно жидкости (несжимаемая или весьма мало сжимаемая, капельная жидкость), и газа (сжимаемая жидкость). В гидравлике рассматриваются равновесие и движение капельных жидкостей.
Гипотеза сплошности. Жидкость рассматривается как деформируемая система материальных частиц, непрерывно заполняющих пространство, в котором оно движется.
Жидкая частица представляет собой бесконечно малый объем, в котором находится достаточно много молекул жидкости. Например, если рассмотреть кубик воды со сторонами размером 0,001 см, то в объеме будет находиться 3,3 • 1013 молекул. Частица жидкости полагается достаточно малой по сравнению с размерами области, занятой движущейся жидкостью.
При таком предположении жидкость в целом рассматривается как континуум — сплошная среда, непрерывно заполняющая пространство, т. е. принимается, что в жидкости нет пустот или разрывов, все характеристики жидкости являются непрерывными функциями, имеющими непрерывные частные производные по всем своим параметрам. Сплошная среда представляет собой модель, которая успешно используется при исследовании закономерностей покоя и движения жидкости.
Правомерность применения модели жидкости — сплошная среда подтверждена всей практикой гидравлики.
Гипотеза сплошности нужна для того, чтобы можно было применить дифференциальное исчисление, определенные формулы в математике, которые мы проходим. Если будем рассматривать жидкости как несплошное тело, то нужно применять другую «математику», которая находиться только в стадии развития.

Силы, действующие на выделенный объем сплошной среды (жидкости)

Рассмотрим не­который объем жидкости (содержащийся в сосуде или объем, мыс­ленно выделенный из общей массы жидкости). Приложенные к нему силы можно разделить на массовые и поверхностные.

Массовые силы обусловлены действующим на жидкость силовым полем, они приложены к каждой частице жидкости и пропорцио­нальны их массе, примером таких сил являются силы тяжести, силы инерции переносного движения.

Поверхностные силы обусловлены взаимодействием рассматри­ваемого объема с окружающими его телами; если жидкость налита в сосуд — это силы реакции стенок сосуда; если рассматривается объ­ем, мысленно выделенный из общей массы жидкости — это силы, действующие на него со стороны «отброшенной» жидкости. Во всех случаях эти силы распределены по поверхности выделенного объема и определяются площадью поверхности, на которую они действуют.

Напряжения в сплошной среде. Нормальные и касательные напряжения.

Определим напряжение, возникающее в жидкости под действием массовых сил. Возьмем элементарный объем ∆ V, в котором заключе­на масса жидкости ∆m и приложена массовая сила ∆.F.

Отношение этой силы к массе элементарного объема называется средним напряжением массовой силы и обозначается через а_ср, та­ким образом, а_ср=│∆F _{│ /} ∆m

Если объем элементарной частицы и, следовательно, ее масса стремится к нулю, то получим напряжение массовых сил в точке lim _│∆F _{│ /} ∆m = d| F | /dm = а. (1.1) при ∆ V → 0 .

Напряжение массовых сил совпадает с ускорением (как следует из второго закона Ньютона), вызываемым этой силой, и имеет его размерность.

Аналогичным образом можно оп­ределить напряжение поверхност­ных сил. Эти силы пропорциональны размеру площадки, на которую они действуют, и непрерывно распреде­лены по ее поверхности; их можно разложить на составляющие: нор­мальную силу сжатия и касательную силу (силу трения).

Поверхностные силы сжатия име­ют место как при равновесии (покое) жидкости, так и при ее движении, а поверхностные силы трения в обычных жидкостях возникают только при их движении.

Пусть на элементарную площадку ∆ω действует поверхностная сила ∆R, направленная под углом а к нормали к площадке (рис. 1.1).

Силу ∆R можно разложить, как указывалось, на нормальную со­ставляющую ∆Р, направленную вдоль нормали к площадке, и на ка­сательную ∆T, лежащую в плоскости касательной к поверхности в точке приложения силы ∆R..

Предел отношения элементарной силы (силы трения) ∆T к пло­щадке∆ω или отношение конечной касательной силы Т к площади w называется касательным напряжением.

т = lim | ∆TI∆ω| или τ = T/ ω (1.2) ∆ω→0

Нормальные напряжения в жидкости определяются как предел отношения силы давления ∆Р к площадке ∆ω: р = lim | ∆TI∆ω| ∆ω→0

Нормальные напряжения р называют давлением.

Сопротивление растяжению внутри капельных жидкостей по мо­лекулярной теории может быть весьма значительным. При опытах с тщательно очищенной и дегазированной водой в ней были получены кратковременные напряжения растяжения до 28*10³ кН. Однако жидкости, содержащие взвешенные твердые частицы и мельчайшие пузырьки газов, не выдерживают даже незначительных напряжений растяжения. Поэтому в дальнейшем будем считать, что напряжения растяжения в капельных жидкостях практически невозможны и в ней могут действовать только сжимающие усилия, вызывающие нор­мальное напряжение.

Давление: абсолютное, избыточное, вакуумное

Если величину давления р отсчитывают от нуля, его называют аб­солютным, если от атмосферного — избыточным или манометри­ческим.

Абсолютное давление равно атмосферному, сложенному с избы­точным, т.е.

Pабс=Рат+Ризб (1.3)

Если гидромеханическое давление в жидкости оказывается мень­ше, атмосферного, то, как принято говорить, в жидкости имеется ва­куум (разрежение).

Величина вакуума определяется разностью между атмосферным и абсолютным давлениями в жидкости

Рвак = Рат + Рабс (1.4)

и изменяется в пределах от нуля до атмосферного давления.

Физические свойства жидкостей

Плотность ρ - масса жидкости в единице объема. Для однородной жидкости ρ=m/V

где  m - масса жидкости в объеме V. Единицы измерения ρ в системе СГС - г/см³, в системе СИ - кг/м³.

Удельный вес γ - вес жидкости в единице объема: γ=G/V

где G - вес жидкости. Единицы измерения γ в системе СГС - дин/см³, в системе МКГСС - кгс/м³, а в системе СИ - Н/м³.

Удельный вес и плотность связаны между собой зависимостью γ=ρ·g, где g - ускорение свободного падения.

Плотность и удельный вес. Важнейшим физическим свойством жидкости, определяющим её концентрацию в пространстве, является плотность жидкости. Под плотностью жидкости понимается масса единицы объёма жидкости: где: М - масса жидкости, W - объём, занимаемый жидкостью.

В международной системе единиц СИ масса вещества измеряется в кг, объём жидко­го тела в м ³ , тогда размерность плотности жидкости в системе единиц СИ - кг/м ³.

Плотность капельных жидкостей и газов зависит от температуры и давления. Зави­симость величины плотности жидкости и газа при температуре отличной от 20 °С опреде­ляется по формуле Д.И. Менделеева:

где: р и р₂₀ - плотности жидкости (газа) при температурах соответственноT и T_о=20°С,

βi - коэффициент температурного расширения.

(чем больше разность температур, тем меньше плотность).

Исключительными особенностями обладает вода, максимальная плотность которой отмечается при 4 °С.

Под удельным весом жидкости (газа) понимается вес единицы объёма жидкости (газа):

Где - G вес жидкости (газа), W объем, занимаемый жидкостью (газом).

Связь между плотностью и удельным весом жидкости такая же как и между массой тела и её весом:

Размерность удельного веса жидкости в системе единиц СИ н/м ³ , удельный вес чис­той воды составляет 9810 н/м³.

Упругость. Капельные жидкости относятся к категории плохо сжимаемых тел. При­чины незначительных изменений объёма жидкости при увеличении давления очевидны, т.к. межмолекулярные расстояния в капельной жидкости малы и при деформации жидко­сти приходится преодолевать значительные силы отталкивания, действующие между мо­лекулами, и даже испытывать влияние сил, действующих внутри атома.

Оценка упругих свойств жидкостей может осуществляться по ряду специальных па­раметров.

коэффициент объёмного сжатия жидкости представляет собой относительное изменение объёма жидкости при изменении давления на единицу. По суще­ству это известный закон Гука для модели объёмного сжатия:

, где - нач.объём жид-ти, (при начальном давлении),

- коэффициент объёмного (упругого) сжатия жидкости.

Считается, что коэффициент объёмного сжатия жидкости зависит с достаточно большой точностью только от свойств самой жидкости и не зависит от внешних условий. Коэффициент объёмного сжатия жидкости имеет размерность обратную размерности дав­ления, т.е. м/н.

адиабатический модуль упругости жидкости К, зависящий от термодинами­ческого состояния жидкости (величина обратная коэффициенту объёмного сжатия жидкости):

Вязкость.При движении реальных (вязких) жидкостей в них возникают внутренние напряжения, обусловленные силами внутреннего трения жидкости. Природа этих сил до­вольно сложна; возникающие в жидкости напряжения связаны с процессом переноса им­пульса(вектора массовой скорости движения жидкости). При этом возникающие в жидкости напряжения обусловлены двумя факторами: напряжениями, возникающими при деформации сдвига и напряжениями, возникающими при деформации объёмного сжатия.

Наличие сил вязкостного трения в движущейся жидкости подтверждается простым и наглядным опытом. Если в цилиндрическую ёмкость, заполненную жидкостью опустить вращающийся цилиндр, то вскоре придёт в движение (начнёт вращаться вокруг своей оси в том же направлении, что и вращающийся цилиндр) и сама ёмкость с жидкостью. Этот факт свидетельствует о том, что вращательный момент от вращающегося цилиндра был передан через вязкую жидкость самой ёмкости, заполненной жидкостью.

коэффициент динамической вязкости жидкости.

Величина коэффициента динамической вязкости жидкости при постоянной темпера­туре и постоянном давлении зависит от внутренних (химических) свойств самой жидко­сти. Размерность коэффициента динамической вязкости в системе единиц СИ.Па*с

ко­эффициент динамической вязкости к плотности жидкости: В системе единиц СИ коэффициент кинематической вязкости измеряется в м² /с.

Вязкость жидкости в значительной степени зависит от температуры и давления. При увеличении температуры капельной жидкости коэффициенты её вязкости (как динамиче­ский, так и кинематический) резко снижается в десятки и сотни раз, что обусловлено уве­личением внутренней энергии молекул жидкости по сравнению с энергией межмолеку­лярной связи в жидкости.

Кроме деформации сдвига внутреннее сопротивление в жидкости возникает и при объёмном сжатии жидкости, т.е. сжимаемая жидкость стремится восстановить состояние первоначального равновесия. Этот процесс, в некоторой степени, аналогичен проявлению сил сопротивления при деформации сдвига, хотя сам процесс и отличается по своей сути. По этой причине говорят, что в жидкости проявляется так называемая вторая вязкость £, обусловленная деформацией объёмного сжатия жидкости.

Плотность.

Важнейшим физическим свойством жидкости, определяющим её концентрацию в пространстве, является плотность жидкости. Под плотностью жидкости понимается масса единицы объёма жидкости: где: М - масса жидкости, W - объём, занимаемый жидкостью.

В международной системе единиц СИ масса вещества измеряется в кг, объём жидко­го тела в м ³ , тогда размерность плотности жидкости в системе единиц СИ - кг/м ³.

Плотность капельных жидкостей и газов зависит от температуры и давления. Зави­симость величины плотности жидкости и газа при температуре отличной от 20 °С опреде­ляется по формуле Д.И. Менделеева:

где: р и р₂₀ - плотности жидкости (газа) при температурах соответственноT и T_о=20°С,

βi - коэффициент температурного расширения.

(чем больше разность температур, тем меньше плотность).

Исключительными особенностями обладает вода, максимальная плотность которой отмечается при 4 °С.

Под удельным весом жидкости (газа) понимается вес единицы объёма жидкости (газа):

Где - G вес жидкости (газа), W объем, занимаемый жидкостью (газом).

Связь между плотностью и удельным весом жидкости такая же как и между массой тела и её весом:

Размерность удельного веса жидкости в системе единиц СИ н/м ³ , удельный вес чис­той воды составляет 9810 н/м³.

Уравнение состояния.

Основное уравнение Эйлера , где X,Y,Z – компоненты ускорения

Уравнение Эйлера для разных состояний имеет разные формы записи. Поскольку само уравнение получено для общего случая, то рассмотрим несколько случаев:

1) движение неустановившееся.

2) жидкость в покое. Следовательно, Ux = Uy = Uz = 0.

В таком случае уравнение Эйлера превращается в уравнение равномерной жидкости. Это уравнение также дифференциальное и является системой из трех уравнений;

3) жидкость невязкая. Для такой жидкости уравнение движения имеет вид

где Fl – проекция плотности распределения сил массы на направление, по которому направлена касательная к линии тока; dU/dt – ускорение частицы

Подставив U = dl/dt в (2) и учтя, что (∂U/∂l)U = 1/2(∂U²/∂l), получим уравнение.

Мы привели три формы уравнения Эйлера для трех частных случаев. Но это не предел. Главное – правильно определить уравнение состояния, которое содержало хотя бы один неизвестный параметр.

Уравнение Эйлера в сочетании с уравнением неразрывности может быть применено для любого случая.

Уравнение состояния в общем виде:

Таким образом, для решения многих гидродинамических задач оказывается достаточно уравнения Эйлера, уравнения неразрывности и уравнения состояния.

С помощью пяти уравнений легко находятся пять неизвестных: p, Ux, Uy, Uz, ρ.

Невязкую жидкость можно описать и другим уравнением

ρ=const - несжимаемые жидкости = капельные;

p/ρ=RT - газообразные.

Жидкости несжимаемые, капельные, газообразные.

Жидкость– физическое тело, обладающее свойством текучести, в силу чего жидкость не имеет собственной формы и принимает форму сосуда, в  который её помещают.

      Жидкость делят на два вида: капельные и газообразные. Капельные жидкости характеризуются большим сопротивлением сжатию (почти несжимаемы) и малым сопротивлением растягивающим и касательным усилиям.

      Газы способны к весьма значительному уменьшению своего объёма под действием давления и к неограниченному расширению при отсутствии давления. В отличие от газов (сжимаемые жидкости) капельные жидкости образуют свободную поверхность.

Несмотря на различия, законы движения капельных жидкостей и газов при определённых условиях можно считать одинаковыми, например в случае, когда сжимаемостью газов можно пренебречь. Жидкости, существующие в природе, называются реальными. Для облегчения решения многих задач гидравлики введено абстрактное понятие идеальной жидкости, которая обладает абсолютной подвижностью частиц (отсутствуют силы внутреннего трения – вязкость равна нулю).

Несжимаемая жидкость – жидкость, которая сохраняет только объем, а при этом форма может меняться как угодно(текучесть жидкости)

Коэффициенты сжимаемости.

коэффициент сжимаемости жидкости:

где A – некоторая функция, возрастающая с температурой, p – внешнее давление и p_T – давление, связанное с силами Ван-дер-Ваальса (a/V²) при температуре T.

Эта формула показывает, что коэффициент сжимаемости растет с повышением температуры и уменьшается с ростом давления. Среди всех жидкостей наибольшей сжимаемостью обладает жидкий гелий, у которого при давлении в несколько атмосфер коэффициент c равен . Коэффициент сжимаемости воды равен , а ртути –.

β_p= - 1/V₀ * ∆V/∆p ; β – коэф. сжимаемости.

V=V₀(1 – β_p∆p) – для капельных жидкостей (несжимаемые жидкости);

K=1/β_p – модуль объемных жидкостей .

β_t=1/V₀ * ∆V/∆t .

Давление в покоящейся жидкости

В покоящейся жидкости всегда присутствует сила давления, которая называется гидростатическим давлением. Жидкость оказывает силовое воздействие на дно и стенки сосуда. Частицы жидкости, расположенные в верхних слоях водоема, испытывают меньшие силы сжатия, чем частицы жидкости, находящиеся у дна.

Рассмотрим резервуар с плоскими вертикальными стенками, наполненный жидкостью (рис.2.1, а). На дно резервуара действует сила P равная весу налитой жидкости G = γ V, т.е. P = G.

Если эту силу P разделить на площадь дна S_abcd, то мы получим среднее гидростатическое давление, действующее на дно резервуара.

Дифференциальное уравнение гидростатики (Ур-е Эйлера)

Продолжая рассмотрение вопроса о давлении в покоящейся жидкости, мысленно выделим в ней элементарный параллелепипед с ребрами dx, dy, dz, параллельными соответствующим осям прямоугольных координат (рис. 2.2) и обозначим через р давление точке М — центр параллелепипеда.

Пусть в точках «а» и «b» граней параллелепипеда, параллельных координатной плоскости xOz, действуют давления р1 и p2. Поскольку точки а и b отстоят от центра параллелепипеда на величины (- dy/2) и ( + dy/2), а давление в каждой точке жидкости является функцией координат, то величины p1 и р2 с точностью до бесконечно малой более высокого порядка (разложение в ряд Тейлора) могут быть представлены: p1=p – ½*∂p/∂y*dy ; p2= p + ½*∂p/∂y*dy . (2.1)

Аналогично можно получить выражения для давления на гранях, параллельных плоскости хОу,

p – ½*∂p/∂z*dz ; p + ½*∂p/∂z*dz ;

и плоскости yOz p – ½*∂p/∂x*dx ; p + ½*∂p/∂x*dx ;

Параллелепипед находится в покое, следовательно, суммы про­екций всех сил, действующих на него, на любую ось равны нулю. Спроектировав силы на ось, например у, получим P1dx dz-P2dx dz+pdx dy dz Y= 0 .

Подставляя сюда значения р1 и р₁ из (2.1), найдем

(p – ½*∂p/∂y*dy) dx dz – (p + ½*∂p/∂y*dy) dx dz + p dx dy dz Y=0.

Далее, после приведения, получим —∂p/∂y*dx dy dz + pdx dy dz Y=0 или после сокращения∂p/∂y – pY=0.

Аналогичные уравнения получаются также для проекций на оси х и у. В результате получаем систему из трех дифференциальных уравнений X – 1/p*∂p/∂x = 0 Y - 1/p*∂p/∂y = 0 Z - 1/p*∂p/∂z = 0. (2.2)

Эта система носит название уравнений гидростатики Эйлера: они определяют закон распределения давления вдоль соответствующей оси координат.

Умножая уравнение (2.2) соответственно: первое — на dx, второе — на dy и третье — на dz и складывая, получим Xdx + Ydy +Zdz -1/p(∂p/∂x* dx + ∂p/∂y* dy + ∂p/∂z* dz) = 0. (2.3)

Давление, напомним, есть функция только координат, поэтому выражение в скобках представляет собой полный дифференциал этой функции и уравнение (2.3) можно представить в виде

dp =ρ (Xdx + Ydy + Zdz). (2.4)

Это уравнение является основным дифференциальным уравнени­ем равновесия жидкости.

Так как левая часть формулы (2.4) является полным диффе­ренциалом, то для однородной жидкости (р = const) и прямаячасть тоже должна быть полным дифференциалом некоторой функции U(x,y,z), т.е.

Xdx + Ydy + Zdz = dU, Где X= ∂U/∂x , Y=∂U/∂y, Z=∂U/∂z .

Равновесие несжимаемой жидкости в поле силы тяжести.

Это равновесие описывается уравнением, которое называется основным уравнением гидростатики.

Для единицы массы покоящейся жидкости

Для любых двух точек одного и того же объема, то

Полученные уравнения описывают распределение давления в жидкости, которая находится в равновесном состоянии. Из них уравнение (2) является основным уравнением гидростатики.

Для водоемов больших объемов или поверхности требуется уточнения: сонаправлен ли радиусу Земли в данной точке; насколько горизонтальна рассматриваемая поверхность.

Из (2) следует p = p₀ + ρg(z – z₀), (4) где z₁ = z; p₁ = p; z₂ = z₀; p₂ = p₀. p = p₀ + ρgh, (5)

где ρgh – весовое давление, которое соответствует единичной высоте и единичной площади.

Давление р называют абсолютным давлением p_абс.

Если р > p_абс, то p – p_атм = p₀ + ρgh – p_атм – его называют избыточным давлением: p_изч = p < p₀, (6)

если p < p_атм, то говорят о разности в жидкости p_вак = p_атм – p, (7) называют вакуумметрическим давлением.

Свойства гидростатического давления

Свойство 1.(на рис. а) В любой точке жидкости гидростатическое давление перпендикулярно площадке касательной к выделенному объему и действует внутрь рассматриваемого объема жидкости.

Для доказательства этого утверждения вернемся к рис.2.1, а. Выделим на боковой стенке резервуара площадку S_бок (заштриховано). Гидростатическое давление действует на эту площадку в виде распределенной силы, которую можно заменить одной равнодействующей, которую обозначим P. Предположим, что равнодействующая гидростатического давления P, действующая на эту площадку, приложена в точке А и направлена к ней под углом φ (на рис. 2.1 обозначена штриховым отрезком со стрелкой). Тогда сила реакции стенки R на жидкость будет иметь ту же самую величину, но противоположное направление (сплошной отрезок со стрелкой). Указанный вектор R можно разложить на два составляющих вектора: нормальный R_n (перпендикулярный к заштрихованной площадке) и касательный R_τ к стенке.

Сила нормального давления R_n вызывает в жидкости напряжения сжатия. Этим напряжениям жидкость легко противостоит. Сила R_τ действующая на жидкость вдоль стенки, должна была бы вызвать в жидкости касательные напряжения вдоль стенки и частицы должны были бы перемещаться вниз. Но так как жидкость в резервуаре находится в состоянии покоя, то составляющая R_τ отсутствует.

Свойство 2. (на рис. б) Гидростатическое давление неизменно во всех направлениях.

В жидкости, заполняющей какой-то резервуар, выделим элементарный кубик с очень малыми сторонами Δx, Δy, Δz (рис.2.1, б). На каждую из боковых поверхностей будет давить сила гидростатического давления, равная произведению соответствующего давления P_x, P_y , P_z на элементарные площади. Обозначим вектора давлений, действующие в положительном направлении (согласно указанным координатам) как P'_x, P'_y, P'_z, а вектора давлений, действующие в обратном направлении соответственно P''_x, P''_y, P''_z. Поскольку кубик находится в равновесии, то можно записать равенства

P'_xΔyΔz=P''_xΔyΔz P'_yΔxΔz = P''_yΔxΔz P'_zΔxΔy + γΔx, Δy, Δz = P''_zΔxΔy

где γ - удельный вес жидкости; Δx, Δy, Δz - объем кубика.

Сократив полученные равенства, найдем, что P'_x = P''_x; P'_y = P''_y; P'_z + γΔz = P''_z

Членом третьего уравнения γΔz, как бесконечно малым по сравнению с P'_z и P''_z, можно пренебречь и тогда окончательно P'_x = P''_x; P'_y = P''_y; P'_z=P''_z

Вследствие того, что кубик не деформируется (не вытягивается вдоль одной из осей), надо полагать, что давления по различным осям одинаковы, т.е. P'_x = P''_x = P'_y = P''_y = P'_z=P''_z

Свойство 3. Гидростатическое давление в точке зависит от ее координат в пространстве.

Это положение не требует специального доказательства, так как ясно, что по мере увеличения погружения точки давление в ней будет возрастать, а по мере уменьшения погружения уменьшаться. Третье свойство гидростатического давления может быть записано в виде

P=f(x, y, z)

Основное уравнение гидростатики для капельных жидкостей и газов.

dp = (Xdx + Ydy + Zdz). – уравнение Эйлера

x=0, y=0, z=-g → - gdz=0, - gz=const dp= -gdz

p₂ – p₁ = - ρg (z₂ – z₁), p₂ = p₁ + ρgh - (действ. в поле действия g)

z₁ + p₁/ρg = z₂ + p₂/ρg

Закон Паскаля. P₂=p₁ + ρgh

Для поверх. «Если на поверхности жидкости изменится давление, то она распространяется мгновенно во все точки жидкости».

Основно́й зако́н гидроста́тики (закон Паскаля) формулируется так: «жидкости и газы передают оказываемое на них давление равномерно по всем направлениям».

На основе закона Паскаля гидростатики работают различные гидравлические устройства: тормозные системы, прессы и др.

Закон Паскаля неприменим в случае движущейся жидкости (газа), а также в случае, когда жидкость (газ) находится в гравитационном поле; так, известно, что атмосферное и гидростатическое давление уменьшается с высотой.

Относительный покой жидкости.

Понятие относительного покоя. В предшествующем изложе­нии гидростатики предполагалось, что жидкость находится в по­кое относительно некоторой условно неподвижной системы отсчета (в так называемом абсолютном покое). Неподвижными относительно этой системы предполагаются также сосуды, в ко­торых заключена жидкость. При таком предположении и полу­чено основное уравнение гидростатики.

Перейдем к рассмотрению так называемого относительного по­коя жидкости. Под этим определением подразумевается, что части­цы жидкости, заключенной в некотором сосуде, не имеют перемещений друг относительно друга и вся масса жидкости покоит­ся относительно стенок сосуда, следовательно, относительно жестко связанных с сосудом координатных осей, в то же время сосуд пере­мещается произвольным образом относительно неподвижной систе­мы отсчета.

Из основ механики известно, что законы, описывающие абсолют­ный или относительный покой (а также абсолютное или относитель­ное движение), не различаются между собой, если подвижная система отсчета перемещается относительно неподвижной инерциальным образом, т.е. прямолинейно и равномерно. Рассмотрим два примера относительного покоя жидкости.

Относительный покой однородной жидкости в цилиндриче­ском сосуде, вращающемся вокруг вертикальной оси. Подвижные координатные оси расположим так, что ось Oz направлена верти­кально вверх (рис. 2.17). Сосуд, благодаря трению, вовлекает в дви­жение наполняющую его жидкость и по истечении небольшого промежутка времени, после начала вращения, жидкость также на­чинает приходить во вращение с той же угловой скоростью, что и сам сосуд. Таким образом, в дальнейшем жидкость покоится относи­тельно сосуда, что позволяет применить уравнения гидростатики, но в координатах, жестко связанных с сосудом, т.е. вращающихся в пространстве.

Приложенными к частицам жидкости массовыми силами являют­ся по-прежнему силы тяжести, параллельные оси z; силами инерции F_и в переносном движении в данном случае являются центробежные силы, перпендикулярные к оси z, имеющие ускорение (ω²r), где r = √(x² + у²) есть расстояние данной частицы жидкости от оси враще­ния. Проекциями ускорения равнодействующей этих сил на оси ко­ординат будут X=│F_и/m│_x= ω²x ; Y=│F_и/m│_y= ω²y ; Z=│F_и/m│_z= ω²z ;

Подставляя эти выражения в (2.8), найдем дифференциальное уравнение поверхностей уровня

ω²(xdx + ydy) – gdz =0. (2.21)

Интегрируя это уравнение, получим ω²/2(x² + y²) – gz =const или ω²r²/2 - gz = const (2.22)

Из (2.22) следует, что поверхности уровня (в том числе и свобод­ная поверхность) являются параболоидами вращения (см. рис. 1.17) вокруг оси z.

Напомним, что распределению давления в несжимаемой жидко­сти соответствует зависимость (2.4).

dp =p(Xdx+Ydy + Zdz),

а в данном случае dp = р [ω² (xdx + ydy) - gdz ],

отсюда (после интегрирова­ния) можно получить

р = р ω²r²/2 - pgz+c. (2.23)

Поместим начало подвиж­ных координат в точку «О» пе­ресечения оси z со свободной поверхностью. Тогда постоян­ная интегрирования опреде­лится из граничного условия р = р₀ при r = 0 и Z= 0. Подста­вив эти значения в (2.23), получим const = р₀, следовательно р = р₀ +р* ω²r²/2 - pgz. (2.24)

Последнее уравнение выражает закон распределения давления в жидкости.

Из уравнения (2.24) видно, что давление в некоторой горизон­тальной плоскости z=const по мере увеличения радиуса увеличива­ется по сравнению с гидростатическим, вычисленным для неподвижного сосуда, на величину p *ω²r²/2 , т.е. тем сильнее, чем больше число оборотов сосуда. Этим пользуются в технике в случа­ях, когда надо увеличить на некоторый период времени давление внутри массы жидкости (увеличение давления, зависящее от значе­ния центробежной силы, лежит также в основе работы центробеж­ных насосов).

Примеры применения основных уравнений гидростатики.

Гидравлика — это наука о законах движения и равновесия жидкостей и способах приложения этих законов к решению конкретных технических задач. С гидравликой связаны отрасли науки и техники, занимающиеся созданием, исследованием и использованием различных гидравлических машин: насосов, турбин, гидропередач и гидропривода. Часто описание теории этих машин, их устройства и принципов работы объединяют в одном учебном предмете «Гидравлика и гидравлические машины».

Слово гидравлика произошло от греческого hydro (вода) и aulos (трубка). В настоящее время это понятие значительно расширилось: гидравлика занимается изучением любой жидкости, движущейся не только в трубах.

Первым научным трудом в области гидравлики принято считать трактат древнегреческого математика и механика Архимеда (ок. 287—212 до н. э.) «О плавающих телах», написанный примерно за 250 лет до н. э. Архимедом открыт закон о равновесии тела, погруженного в жидкость, который затем лег в основу теории плавания кораблей и их остойчивости.

Гидравлические машины предназначены для перемещения жидкостей, преобразования энергии потока жидкости в механическую энергию, а также передачи механической энергии от машины-двигателя к машине-орудию или преобразования различных видов движений и скоростей посредством жидкости. Соответственно гидравлические машины подразделяются на три основных класса: насосы, гидродвигатели и гидропривод. Они различаются по своим энергетическим и конструктивным признакам, но общим для них является то, что в качестве рабочего тела используется жидкость.

Наиболее многочисленный класс гидравлических машин составляют насосы. Всего насчитывается около 130 наименований насосов различных видов. Государственный стандарт определяет насос как машину для создания потока жидкой среды. Этот поток создается в результате силового воздействия вытеснителя на жидкость в рабочей камере насоса. По характеру силового воздействия насосы разделяют на динамические и объемные. К динамическим насосам относятся лопастные, центробежные, осевые, вихревые, струйные, к объемным — поршневые и плунжерные, диафрагменные, крыльчатые, роторные и др.

Гидравлические двигатели, как и насосы, подразделяются на машины динамического и объемного действия. К ним относятся гидравлические турбины, водяные колеса, гидроцилиндры и роторные гидромоторы. Гидродвигатели находят широкое применение в различных областях техники: в гидроэнергетике (гидравлические турбины, которые вырабатывают в стране около 20% электроэнергии) , в нефтедобыче и горном деле (буровые установки, снабженные турбобурами), на транспорте (гидроцилиндры и гидромоторы) и т. д.

Основное уравнение гидростатики : P=P₀+ρgh ;

Используется в гидравлическом прессе.

Приборы для измерения давления.

Пьезометры. Для измерения гидростатического давления в жидкости применяются приборы, которые делятся на две группы: жидкостные (пьезометры и пьзометрические трубки, открытый пьезометр представляет собой стеклянную трубку небольшого диаметра, одним концом присоединенную к сосуду, в котором надо измерить давление, а другим концом направлен в атмосферу ) и механические. Давление над поверхностью жидкости определяется высотой этой жидкости – пьезометрическая высота где -абсолютное давление -атмосферное давление. Поверхность, проходящая через уровень жид-ти в пьезометре – пьезометрическая поверхность. С помощью пьезометра можно измерять как избыточное, так и вакуумметрическое давление. При этом будет либо положительной, при избыточном давлении, либо отрицательной, при вакууме, или равна нулю в открытом сосуде. Пьезометры, служащие для измерения разности давления в двух точках жид-ти или в двух разных сосудах, называются дифференциальными.

Манометры. Т.к. пьезометры измеряют сравнительно небольшие давления (при больших давления трубка пьезометра получается чрезмерно длинной), применяют жидкостные манометры. В них давление измеряется высотою жид-ти не той, которая находится в сосуде, но в жид-ти большей плотности (ртути)-ртутный манометр. Представляет собой стеклянную трубку, изогнутую во внешнюю (открытую в атмосферу) ветвь трубки заливают ртуть. Если в сосуде содержится газ, то давление . Если сосуд частично заполнен жид-тью, то давление над уровнем воды где -плотность воды.

Вакуумметры. Для измерения давления, которое меньше атмосферного (избыт. давление будет отрицательным – вакуум) применяются вакуумметры. По конструкции те же манометры, только в этом случае уровень ртути в ветви присоединен к сосуду выше, чем в открытой ветви. Определение давления в сосуде, заполненном воздухом , а вакуум равняется

Для измерения незначительного давления в газе применяют микроманометры, трубка которых наклонена под небольшим углом к горизонту и этот угол можно менять

Для измерения больших давлений применяют механические и пружинные манометры. Мембранные манометры. Для измерения быстроизменяющихся давлений и дистанционной передачи показаний используются электрические способы измерения давления.

Единицы измерения давления.

Единицей измерения давления используется техническая атмосфера, равная давлению в 1 кгс на 1 см². Техническая атмосфера обозначается ат или кгс/см². В качестве единиц измерения давления (разрежения) применяют также метр и миллиметр водяного столба и миллиметр ртутного столба.

Соотношения между этими единицами:

1 кгс/см² = 735,56 мм рт. ст. (при 0 °С);
1 кгс/см² = 10 м вод. ст. (при 4 °С);
1 кгс/см² = 10 000 мм вод. ст. = 10 000 кгс/м².

В науке, а иногда и в технике за единицу давления принимается физическая атмосфера, обозначаемая атм и равная давлению столба ртути высотой 760 мм рт. ст. при 0 °С.

Соотношения между технической и физической атмосферами следующие:

1 кгс/см² = 0,9678 атм;
1 атм = 1,0332 кгс/см² = 10,332 м вод. ст.

В системе СИ эта единица названа паскаль (Па).

Соотношения паскаля со старыми единицами

1 мм вод. ст. = 9,80665 Па ≈ 9,8 Па;
1 мм рт. ст. = 133,322 Па ≈ 133,3 Па;
1 кгс/см² = 98 066,5 Па;
1 атм = 101 325 Па.

Определение величины равнодействующей силы давления на плоские и криволинейные поверхности.

Сила давления жидкости па плоскую поверхность

Из основного закона гидростатики величина давления р определяется глу­биной погружения точки под уровень свободной поверхности h жидкости и величиной плотности жидкости р.

Для горизонтальной поверхности величина давления одинакова во всех точках этой поверхно­сти, т.к.:

- Сила давления жидкости на горизонтальную поверхность (дно сосу­да). «Гидравлический пара­докс» (см. рисунок), здесь величины силы давления на дно всех сосудов одинаковы, независимо от формы стенок сосудов и их физической высоты, т.к. площади доньев у всех сосудов оди­наковы, одинаковы и величины давлений.

Сила давления на наклонную поверхность. Примером такой поверхности может служить наклонная стенка сосуда. Для вывода уравнения и вычисления силы давления на стенку выберем систему координат: ось ОХ вдоль пересечения плоскости свободной поверхности жидкости с на­клонной стенкой, а ось OZ вдоль этой стенки перпендикулярно оси ОХ. В качестве координатной плоскости XOZ будет выступать сама наклонная стенка. На плос­кости стенки выделим малую площадку, которую можем считать горизонтальной (мала размером). Величина давления на глубине площадки будет равна: где: h - глубина погружения площадки относительно свободной поверхности жидкости (по вертика­ли). Сила давления dP на площадку:

Для определения силы давления на всю смоченную часть наклонной стенки (часть площади стенки сосуда, расположенная ниже уровня свободной поверхности жидкости) необходимо проинтегрировать это урав­нение по всей смоченной части площади стенки S .

Интегралпредставляет собой статический момент площади S относительно оси ОХ. Он, как известно, равен произведению этой площади на координату её центра тяжести z_c. Тогда окончательно: - Сила давления на наклонную плоскую поверхность. Сила давления на плоскую стенку кроме величины и направления характеризуется также и точкой приложения этой силы, которая называется центром дав­ления.

Понятие центра давления.

Центр давления силы атмосферного давления p₀S будет находиться в центре тяже­сти площадки, поскольку атмосферное давление передаётся на все точки жидкости одина­ково. Центр давления самой жидкости на площадку можно определить из теоремы о моменте равнодействующей силы. Момент равнодействующей

силы относительно оси ОХ будет равен сумме моментов составляющих сил относительно этой же оси.

, откуда где: - положение центра избыточного давления на вертикальной оси, - момент инерции площадки S относительно оси ОХ.

Центр давления (точка приложения равнодействующей силы избыточного давления) расположен всегда ниже центра тяжести площадки. В случаях, когда внешней действующей силой на свободную поверхность жидкости является сила атмосферного давления, то на стенку сосуда будут одновременно действовать две одинаковые по вели­чине и противоположные по направлению силы обусловленные атмосферным давлением (на внутреннюю и внешнюю стороны стенки). По этой причине реальной действующей несбалансированной силой остаётся сила избыточного давления.

Применение законов гидростатики к нефтепромысловым задачам (расчет давления, простейшие гидравлические машины)

Выберем внутри покоящейся жидкости криволинейную поверхность ABCD, которая может быть частью поверхности некоторого тела погруженного в жидкость. Построим проекции этой поверхности на координатные плоскости. В координатной плоскости XOZ проекцией этой поверхности будет плоская поверхность , в координатной плоскости YOZ — плоская поверхность и в плоскости свободной поверхности жидкости (координатная плоскость ХОТ) - плоская поверхность . На криволинейной поверхности выделим малую площадку dS, проекции которой на координатные плоскости будут соответственно . Сила давления на криво­линейную поверхность dP будет направ­лена по внутренней нормали к этой по­верхности:

Горизонтальные составляющие мо­гут быть определены, как силы давления на проекции малой площадки dS на соответствующие координатные плоскости:

Интегрируя эти уравнения, получим (как в случае с давлением на наклонную по­верхность):

Вертикальная составляющая силы давления:

Второй интеграл в этом равенстве представляет собой объём образованный рассмат­риваемой криволинейной поверхностью ABCD и её проекцией на свободную поверхность жидкости. Этот объём принято называть телом давления

Горизонтальные составляющие силы давления на криволинейную поверхность равны давлениям на вертикальные проекции этой поверхности, а вертикаль­ная составляющая равна весу тела давления, и силе внешнего давления на горизонтальную проекцию криволинейной поверхности.

Примерами могут служить простейшие гидравлические машины - гидравлический пресс, построен­ный по принципу сообщающихся сосудов и гидравлический аккумулятор.

Гидравлический пресс состоит из двух цилиндров приводного (1) и рабочего (2) со-

единенных между собой трубо­проводом и представляет систе­му сообщающихся сосудов. В приводном цилиндре перемеща­ется плунжер малого диаметра d, в рабочем цилиндре находит­ся поршень с большим диамет­ром D. Связь между плунжером и

рабочим поршнем осуществляется через рабочую жидкость, заполняющую гидравлическую систему (сообщающиеся сосуды). Усилие F через рычаг передаются рабочей жидкости.

Сила давления на жидкость под плунжером Р_] передаёт жидкости давление р, которое, в свою очередь, передаётся во все точки рабочего поршня.

Тогда сила давления на поверхность рабочего поршня будет равна

С помощью гидравлического пресса, приложенная к концу рычага сила, увеличивается враз.

Основные задачи и методы гидродинамики.

Гидродинамикой называется раздел гидравлики, изучающий законы движение жидкостей и взаимодействие жидкости с покоящимися или движущимися в ней твердыми телами.

Задачей гидродинамики является отыскание характеристик движения по заданным параметрам. Последними являются силы, вызывающие движение, а искомыми харак-ми являются скорость движения и давление в жидкости. Давление внутри жидкости называется в этом случае гидродинамическим.

Движение жидкости можно изучать 2мя методами: методом Лагранжа (изучение движения выделенных частиц жидкости, перемещающихся в пространстве, т.е. непрерывно изменяющих свои координаты) и методом Эйлера (определение скорости той частицы, которая в данный момент времени здесь находится).

Установившееся и неустановившееся равномерное и плавно изменяющееся движения.

Установившемся (стационарным) называется движение, при котором давление, скорость и др. параметры в данной точке потока жидкости с течением времени не меняются; их значения меняются лишь при переходе к др. точке пространства. Записывается в виде двух зависимостей

Пример установившегося движения: движение жидкости в трубе, соединяющей два водоема с постоянными уровнями воды или истечение жид-ти из сосуда с постоянным уровнем жидкости в нем, также течение жидкости в трубопроводе, создаваемое работой центробежного насоса при постоянной частоте вращения.

Осн. Задача сводится к отысканию зависимостей: = ,зная эти проекции можно определить скорость в любой точке пространства, занимаемого потоком жидкости.

Установившееся движение делится на равномерное и неравномерное. Равномерное движение-движение, при котором поперечные сечения потока и х-ки течения одинаковы по всей длине тока. Пример: течение жид-ти в трубе постоянного сечения, рассматриваемой как трубка тока - совокупность линий тока, проходящих через некоторый малый замкнутый контур в жид-ти.

Неравномерное движение – движение, при котором значения скоростей в поперечном сечении струйки (потока) меняются по ее длине. Пример: течение жид-ти в конически расходящихся (диффузор) или сходящихся (конфузор) патрубках.

Неустановившимся (нестационарным) называется движение, при котором скорость и давление меняются также во времени, т.е. являются функ-ями координат и времени:

Пример: истечение жид-ти из резервуара при переменном уровне жид-ти в нем, движение жид-ти в напорной или всасывающей трубе поршневого насоса.

Линия и трубка тока, элементарная струйка, поток локальные и средние скорости.

Линия тока (применяется при неустановившемся движении) это кривая, в каждой точке которой вектор скорости в данный момент времени направлены по касательной.

Трубка тока - трубчатая поверхность, образуемая линиями тока с бесконечно малым поперечным сечением. Часть потока, заключенная внутри трубки тока называется элементарной струйкой.

Так как в потоке скорость отдельных частиц жидкости различна по живому сечению не всегда известен. Понятие средней скорости v в сечении. Средняя скоростьv в сечении потока- такая фиктивная скорость, с которой должны были двигаться все частицы жидкости, чтобы при этом объемный расход Q был бы тем же, что при реальном распределении скоростей.

Локальная скорость потока - это скорость в определенной точке потока, измеряющаяся трубкой Пито-Прандтля.

Потоки напорный и безнапорный, гидравлические струи.

Потоки по характеру разделены на три категории:

Безнапорные потоки, частично ограниченные твердыми стенками и имеющие свободную поверхность. Пример: течение жидкости в каналах и реках.

Напорные потоки, ограниченные всесторонне жесткими стенками и имеющие свободную поверхность. Пример: движение жидкости в заполненным ею трубопроводе.

Струи, когда движение жид-ти происходит внутри такой же или др. жид-ти или в газовой среде.

Расход, уравнение неразрывности.

Уравнение неразрывности течений

Труба с переменным живым сечением.

Расход жидкости через трубу в любом ее сечении постоянен, т.е. Q₁=Q₂= const, откуда ω₁υ₁ = ω₂υ₂

Если течение в трубе является сплошным и неразрывным, то уравнение неразрывности примет вид:

Элементарный объемный расход струйки – величина, представляющая собой объем жидкости, протекающий через живое сечение струйки в единицу времени , где dV – объем жидкости прошедшее за время t через живое сечение

Поскольку поток жидкости состоит из совокупности элементарных струек, то расход потока Q равняется сумме расходов элементарных струек - м³/с

Так как в потоке скорость отдельных частиц жидкости различна по живому сечению не всегда известен. Понятие средней скорости v в сечении. Средняя скоростьv в сечении потока- такая фиктивная скорость, с которой должны были двигаться все частицы жидкости, чтобы при этом объемный расход Q был бы тем же, что при реальном распределении скоростей.

Если объемный расход жидкости умножить на плотность жидкости, то получим массовый расход. - кг/с

Умножая массовый расход на ускорение силы тяжести g получим весовой расход G, измеряется Н/с

Примеры технического приложения уравнения Бернулли (скоростная трубка, расходомер Вентури, расчет мощности насоса)

Определение мощности насоса в установке для подачи жид-ти с одного уровня на более высокий. Жидкость поступает из резервуара А по всасывающей трубке В в насос Н, где энергия от двигателя передается жид-ти, поступающей в нагнетательную линию С. На всасывающем трубопроводе в сечении 1 – 1 (перед насосом) установлен вакууметр, а на нагнетательном трубопроводе в сечении подключен монометр. Удельная энергия жид-ти в сечении 1 – 1 равна а в сечении 2 – 2 нагнетательной линии Где и - абсолютное давление.

Т.к. при протекании через насос жид-ть приобретает дополнительную энергию, то

В условиях, когда диаметры всасывающей и нагнетательной линии близки между собой по величине или равны, прирост энергии равен

Полезная и эффективная мощность насоса

Выражение мощности с учетом КПД двигателя

Абсолютное давление во всасывающей линии через вакууметрическое давление ,а абсолютное давление в нагнет. линии через монометр. давление , т.е. то

Расходомер Вентури. Служит для измерения расхода жидкости в трубопроводах и широко применяется в различных обл. техники. Преимущество среди других приборов заключается в простота в конструкции (отсутствие вращающихся и трущихся деталей). Состоит из 2х участков: плавносужающегося (конфузора) и плавнорасширяющегося (диффузора). Плавность очертаний направлена на уменьшение гидравл. потери при проходе жид-ти через суженное сечение. Расходомеры бывают горизонтальными, вертикальными или расположенными наклонною. Формула для расхода, где с- постоянная расходомера, - показание монометра

Трубка Пито. Гидродинамическая трубка Пито служит для измерения местных скоростей в безнапорном потоке жид-ти. Представляет собой изогнутую под прямым углом полую трубку. Одна часть трубки устанавливается своим открытым концом навстречу течению в потоке; концу этой части придается удобообтекаемая форма для того, чтобы были наименьшими возмущения потока жидкости вблизи трубки. Другой конец устанавливается вертикально и выводится в пространство над свободной поверх-ю жид-ти. Уровень жидкости в вертикальной трубке будет выше уровня свободной поверхности, т.к. кинетическая энергия струйки, набегающей на изогнутый конец трубки при торможении переходит в потенциальную энергию положения. Скорость ,где - поправочный коэффициент скорости, h- превышение уровня жид-ти в верт. трубке над св. поверхностью.

Трубка Пито-Прандтля. Для замеров местной скорости в напорах потока. Состоит из 2х объединенных концентрически расположенных трубок. Внешняя трубка сообщается с окружающей жидкостью отверстиями, через которые передается только пьезометрический напор ;внутренняя центральная трубка измеряет суммарный напор (пьезометрический и скоростной)

Разность h уровней в обеих трубках соответствует скоростному напору, т.е.

Местная скорость u рассчитывается . Перемещая трубку Пито-Прандтля по сечению потока, можно найти распределение скоростей в этом сечении.

Общие сведения о гидравлических сопротивлениях

Гидравлические сопротивления движению жид-тей в трубе, канале или русле делятся на сопротивления по длине потока и местные сопротивления. Потери энергии по длине обусловлены силами трения, возникающими при трении между жид-тью и тв. стенками, а также между частицами от взаимного прикосновения. Местные сопротивления возникают при резких нарушениях движения жид-ти в результате изменения формы трубы или русла, в котором движется поток. Полная потеря напора на сопротивления при движении жидкости , где -напор, затрачиваемый на преодоление сопротивлений по длине;- на преодоление местных сопротивлений.

Опыты Рейнольдса. Понятия о режимах течения.

К баку А присоединена стеклянная трубка В, снабженная краном С, с помощью которого можно регулировать расход и скорость течения жидкости в трубке В. Над баком установлен сосуд D, в который заливается подкрашенная жид-ть, краном К можно регулировать приток этой жид-ти через тоонкую трубку Е в устье трубки В. Уровень жид-ти в баке поддерживается постоянным при помощи сливной трубки Н;установившееся движение. Меняя открытие крана С, можно увеличивать или уменьшать расход и скорость течения в трубе В. При малом открытии крана С, когда скорость в трубе В мала, вытекающая из сопла подкрашенная жид-ть образует внутри основной устойчивую четко очерченную окрашенную нить, что указывает на существование струйного движения жид-ти. В прямой трубе постоянного сечения струйки направлены параллельно оси трубы, поперечные перемещения частиц жид-ти отсутствуют и поэтому не происходит перемешивания окрашенной и неокрашенной жид-ти. Такое течение называют ламинарным. По мере возрастания скорости течения в трубке В окрашенная струйка начинает колебаться и принимает волнообразные очертания. Затем на отдельных участках начинают появляться разрывы, струйка теряет отчетливую форму и при дальнейшем возрастании скорости размыва размывается в потоке основной жид-ти, равномерно окрашивая ее. Такое течение называется турбулентным (встречается в природе чаще чем ламинарный).

В опытах Рейнольдса было установлено, что перехода ламинарного движения в турбулентное можно добиться путем изменения значений диаметра трубы или заменой одной жид-ти другой, обладающей др. значениями плотности или вязкости. Условия перехода зависят от 4 параметров: скорости, плотности, диаметра трубы d и динамической вязкости жид-ти . Скорость перехода к турбулентному течению может быть различной в различных условиях.

Физический смысл числа Рейнольдса.

Количественный критерий, позволяющий предсказать характер (лам. или турб.) течения.. С учетом зависимости между кинематическим и динамическим коэф. вязкости . Число является мерой отношения кин.энергии жид-ти к работе сил вязкого трения и от него зависят все безразмерные коэф., входящие в расчетные зависимости. Переход от лам. режима к турб. Совершается при числах Re>2300. При значениях Reкр. Критическое знач. используется не только при круговом, но и любом др. сечении потока; подсчет значения числа производят заменяя диаметр на гидравлический радиус, т.е.d=4R

Виды гидравлических сопротивлений.

Потери удельной энергии в потоке жидкости, безусловно, связаны с вязкостью жид­кости, но сама вязкость - не единственный фактор, определяющий потери напора. Но можно утверждать, что величина потерь напора почти всегда пропорциональны квадрату средней скорости движения жидкости. Эту гипотезу подтверждают результаты большин­ства опытных работ и специально поставленных экспериментов. По этой причине потери напора принято исчислять в долях от скоростного напора (удельной кинетической энергии потока). Тогда:

Потери напора принято подразделять на две категории:

потери напора, распределённые вдоль всего канала, по которому перемеща­ется жидкость (трубопровод, канал, русло реки и др.), эти потери пропорцио­нальны длине канала и называются потерями напора по длине сосредоточенные потери напора: потери напора на локальной длине потока (достаточно малой по сравнению с протяжённостью всего потока). Этот вид потерь во многом зависит от особенностей преобразования параметров пото­ка (скоростей, формы линий тока и др.). Как правило, видов таких потерь до­вольно много и их расположение по длине потока зачастую далеко не зако­номерно. Такие потери напора называют местными потерями или потерями напора на местных гидравлических сопротивлениях. Это вид потерь напора также принято исчислять в долях от скоростного напора Тогда полные потери напора можно представить собой как сумму всех видов потерь напора:

Оценка величины местных потерь напора практически всегда базируются на резуль­татах экспериментов, по результатам таких экспериментов определяются величины коэф­фициентов потерь. Для вычисления потерь напора по длине имеются более или менее на­дёжные теоретические предпосылки, позволяющие вычислять потери с помощью при­вычных формул.

Ламинарное равномерное движение жидкости в трубе круглого сечения.

ЛАМИНАРНОЕ ТЕЧЕНИЕ(от лат. lamina - пластинка) - упорядоченный режим течения вязкой жидкости (или газа), характеризующийся отсутствием перемешивания между соседними слоями жидкости. Условия, при к-рых может происходить устойчивое, т. е. не нарушающееся от случайных возмущений, Л. т., зависят от значения безразмерного Рейнольдса числа Re. Для каждого вида течения существует такое число Rе_Кр, наз. нижним критич. числом Рейнольдса, что при любом Re<Re_кp Л. т. является устойчивым и практически осуществляется; значение Rе_кр обычно определяется экспериментально. При Rе>Rе_кр, принимая особые меры для предотвращения случайных возмущений, можно тоже получить Л. т., но оно не будет устойчивым и, когда возникнут возмущения, перейдёт в неупорядоченное турбулентное течение .Теоретически Л. т. изучаются с помощью Навье - Стокса уравнений движения вязкой жидкости. Точные решения этих ур-ний удаётся получить лишь в немногих частных случаях, и обычно при решении конкретных задач используют те или иные приближённые методы.

Представление об особенностях Л. т. даёт хорошо изученный случай движения в круглой цилиндрич. трубе. Для этого течения Rе_Кр2300, где Re= ( - средняя по расходу скорость жидкости, d - диаметр трубы, - кинематич. коэф. вязкости, - динамич. коэф. вязкости, - плотность жидкости). Т. о., практически устойчивое Л. т. может иметь место или при сравнительно медленном течении достаточно вязкой жидкости или в очень тонких (капиллярных) трубках. Напр., для воды (=10^-6 м²/с при 20° С) устойчивое Л. т. с=1 м/с возможно лишь в трубках диаметром не более 2,2 мм.

Распределение напряжений по радиусу.

Касательные напряжения. Рассмотрим правила определения величины касательных

напряжений на примере потока жидкости в круглой цилиндрической трубе. Двумя сечения­ми выделим в потоке жидкости отсек длиной l. На данный отсек жидкости будут действовать силы давления, приложенные к площадям жи­вых сечений потока жидкости слева и справа и сила трения, направленная в сторону обратную движению жидкости. Поскольку движение жидкости установившееся, то все действующие на отсек жидкости силы должны быть уравновешены.

где: r₀ - касательные напряжения на боковой поверхности отсека жидкости.

Касательные напряжения на периферии отсека жидкости (у стенки трубы) будут равны:

Очевидно, это будут максимальная величина касательных напряжений в отсеке жид­кости. Вычислим величину касательных напряжений на расстоянии r от оси трубы.

Таким образом, касательные напряжения по сечению трубы изменяются по линей­ному закону; в центре потока (на оси трубы) r=0 касательные напряжения т= 0.

Связь между средней и осевой скоростями.

Изучение скоростей отдельных частиц жидкости по длине потока показывает, что на участке вблизи входа в трубопровод частицы движутся неравномерно, а именно: частицы, расположенные вблизи оси потока, движутся ускоренно, частицы, находящиеся ближе к стенке, замедленно. Благодаря этому эпюра скоростей для разных сечений (фиг. 12-1) этого участка трубопровода не будет одинаковой.

По длине этого участка происходит формирование потока. Длина входного участка, на котором заканчивается формирование потока, называется длиной начального участка. За начальным участком движение становится равномерным.

Рассмотрим формирование ламинарного потока в трубопроводе, вход в который сделан плавным (рис.)

Жидкость вступает в трубу с почти одинаковой скоростью по всему сечению и только у стенок скорость жидкости обращается в нуль. По мере удаления от входа толщина затормаживаемого слоя жидкости у стенки увеличивается.

Схема распределения скоростей на начальном участке установившегося ламинарного потока.

Но так как расход жидкости остается одним и тем же, то замедление движения слоев, расположенных ближе к стенкам, вызывает увеличение скорости слоев, расположенных ближе к оси трубы.

Сформировавшемуся, а значит равномерному изотермическому ламинарному потоку жидкости в круглой трубе соответствует параболический закон распределения скоростей. В этом потоке осевая скорость, являющаяся максимальной u_max в 2 раза больше средней

u_max=2v

Такое распределение скоростей наступает лишь на расстоянии от входа в трубу, равном бесконечности. Но практически уже на конечных расстояниях от входа в трубу распределение скоростей мало отличается от параболического.

Теоретическое определение длины начального участка было произведено французским ученым Буссинеском еще в 1891 г.

Он считал, что формирование потока практически можно считать законченным, если скорость частицы в конце участка на оси u_ос достигает 0,99 значения максимальной скорости u_max ,соответствующей равномерному ламинарному потоку в круглой трубе:

u_ос=0.99 u_max

При этих условиях им была получена для длины начального участка l_н формула

l_н=0.065dRe

Как показывают исследования, при ламинарном течении жидкости в круглой трубе максимальная скорость находится на оси трубы. У стенок трубы скорость равна нулю, т.к. частицы жидкости покрывают внутреннюю поверхность трубопровода тонким неподвижным слоем. От стенок трубы к ее оси скорости нарастают плавно. График распределения скоростей по поперечному сечению потока представляет собой параболоид вращения, а сечение параболоида осевой плоскостью - квадратичную параболу (рис.4.3).

Рис. 4.3. Схема для рассмотрения ламинарного потока

Потери напора на трение по длине потока.

Рассмотрим кольцевой слой жидкости толщины dr на расстоянии r от оси трубы, площадь сечения кольца равна dω=2πrdr, а расход жидкости через это сечение равен:

dQ=udr= u2πrdr
Подставляя сюда выражение скорости и интегрируя, получим:

, т.е. .

Это есть выражение расхода через осевую скорость в трубе.

С другой стороны , где v-средняя скорость в живом сечении потока.

=> .Т.о., средняя скорость потока при лам.режиме равна половине осевой.

С учетом этого результата из выражения для потерь напора на трение

можно получить выражение для потерь напора по длине l в виде:

или, введя вместо радиуса диаметр трубы и выражая абсолютную вязкость η через кинематическую (η=v∙ρ), в виде .

Из этой формулы видно, что потери напора при ламинарном движении пропорциональны первой степени средней скорости или расхода жидкости.

Эту формулу можно представить в другом виде, если учесть, что .

Делая соответствующую подстановку, получим

Или, введя обозначение , окончательно получим

Это универсальная формула Вейсбаха-Дарси,

где λ - коэффициент гидравлического трения или коэф. гидравлического сопротивления.

Формула Дарси-Вейсбаха используется для определения потерь на трение как для ламинарного, так и для турбулентного течения, однако, если для ламинарного движения коэффициент гидравлического сопротивления λ вычисляется по формуле λ=64/Re, то для турбулентного движения формулы будут иметь другой вид.

Формула Пуазейля.

Течение Пуазейля- ламинарное течение жидкости через тонкие цилиндрические трубки. Описывается законом Пуазейля.

Окончательно потери напора при ламинарном движении жидкости в трубе:

Несколько преобразовав формулу для определения потерь напора, получим формулу Пуазейля:

Закон установившегося течения в вязкой несжимаемой жидкости в тонкой цилиндрической трубке круглого сечения. Сформулирован впервые Готтфильхом Хагеном в 1839 и вскоре повторно выведен Ж.Л. Пуазейлем в 1840. Согласно закону, секундный объемный расход жидкости пропорционален перепаду давления на единицу длины трубки. Закон Пуазейля применим только при ламинарном течении и при условии, что длина трубки превышает так называемую длину начального участка необходимую для развития ламинарного течения в трубке.

Свойства течения Пуазейля:

-Течение Пуазейля характеризуется параболическим распределением скорости по радиусу трубки.

-В каждом поперечном сечении трубки средняя скорость вдвое меньше максимальной скорости в этом сечении.

Из формулы Пуазейля видно, что потери напора при ламинарном движении пропорциональны первой степени скорости или расхода жидкости.

Формулой Пуазейля пользуются при расчетах показателей транспортировки жидкостей и газов в трубопроводах различного назначения. Ламинарный режим работы нефте- и газопроводов является наиболее выгодным в энергетическом отношении. Так, в частности, коэффициент трения при ламинарном режиме практически не зависит от шероховатости внутренней поверхности трубы (гладкие трубы).

Коэффициент гидравлического сопротивления.

безразмерный множитель - коээфициент гидравлического сопротивления, или коэффициент гидравлического трения, является частью формулы Дарси-Вейсбаха . Формула Дарси-Вейсбаха используется для определения потерь на трение как ламинарного, так и для турбулентного течения. Может быть найден экспериментально. Из уравнения Бернулли следует, что потери напора на трение будут равны = откуда видно что для определения необходимо измерить разность давлений на участке трубы и расход жидкости.

Возможные способы снижения гидравлических потерь.

Т.к. график скорости по диаметру при  ламинарном  режиме представляет собой параболу, скорость потока будет достигнута только на оси трубы, а, следовательно, толщина пограничного слоя будет равна половине диаметра трубы. Т.к. касательные напряжения (силы трения) в  жидкости при  одинаковых скоростях зависят от расстояния между ними (чем меньше расстояние, тем сила трения больше - вспомнить), то рост толщины пограничного слоя приведет к снижению  потерь. Как следствие -потери при  ламинарном режиме наименьшие.

Турбулентное движение жидкости.

Турбулентность экспериментально открыта английским инженером Рейнольдсом в 1883 году при изучении течения несжимаемой воды в трубах.

ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ - форма течения жидкости или газа, при к-рой вследствие наличия в течении многочисл. вихрей разл. размеров жидкие частицы совершают хаотич. неустановившиеся движения по сложным траекториям в противоположность ламинарным течениям с гладкими квазипараллельными траекториями частиц. Т. т. наблюдаются при определ. условиях (при достаточно больших Рейнольдса числах)в трубах, каналах, пограничных слоях около поверхностей движущихся относительно жидкости или газа твёрдых тел, в следах за такими телами, струях, зонах перемешивания между потоками разной скорости, а также в разнообразных природных условиях.

Т. т. отличаются от ламинарных не только характером движения частиц, но также распределением осреднённой скорости по сечению потока, зависимостью средней или макс. скорости, расхода и коэф. сопротивления от числа Рейнольдса Re, гораздо большей интенсивностью тепло-и массообмена.

Мгновенные параметры потока (скорость, температура, давление, концентрация примесей) при этом хаотично колеблются вокруг средних значений. Зависимость квадрата амплитуды от частоты колебаний (или спектр Фурье) является непрерывной функцией.

Для возникновения турбулентности необходима сплошная среда, которая подчиняется кинетическому уравнению Больцмана или Навье-Стокса или пограничного слоя. Уравнение Навье-Стокса (в него входит и уравнение сохранения массы или уравнение неразрывности) описывает множество турбулентных течений с достаточной для практики точностью.Обычно турбулентность наступает при превышении некоторого критического числа Рейнольдса и/или Релея (в частном случае скорости потока при постоянной плотности и диаметре трубы и/или температуры на внешней границе среды).

Поле скоростей в турбулентном потоке.

Хотя дифференциальные уравнения движения реальной жидкости справедливы также и для истинных скоростей турбулентного движения, однако сложность явлений, происходящих в нем, не позволяет для исследования этого потока воспользоваться этими уравнениями. Вместо действительного турбулентного потока в гидравлике исследуется его упрощенная модель — осредненный турбулентный поток. При построении этой модели исходят из гипотезы о том, что поле скоростей в пространстве, занимаемым турбулентным потоком, можно разбить на два поля: на поле местных осредненных скоростей u и на поле пульсационных скоростей u’.

В этом потоке проекции истинных скоростей u_x, u_y и u_z можно выразить через проекции осредненных скоростей , и и пульсационных а именно

Такая модель потока позволяет установить важные соотношения между осредненными характеристиками турбулентного потока (осредненными скоростями, давлениями), что и является важнейшей задачей гидравлики.

Осредненный сформировавшийся установившийся поток, так же как и ламинарный поток в трубопроводе, формируется постепенно. Длина начального участка 6удет зависеть от условий входа и от числа Re, соответствующего потоку. Однако роль начального участка в гидравлических расчетах турбулентных потоков незначительна. Большое количество экспериментальных исследований показывает, что практически формирование поля осредненных скоростей заканчивается на длине трубопровода, равной .

Экспериментальные исследования при турбулентном течении.

При наблюдении за движением жидкости в трубах и каналах, можно заметить, что в одном случае жидкость сохраняет определенный строй своих частиц, а в других - перемещаются бессистемно. Однако исчерпывающие опыты по этому вопросу были проведены Рейнольдсом в 1883 г. На рис. 4.1 изображена установка, аналогичная той, на которой Рейнольдс производил свои опыты.

Рис. 4.1. Схема установки Рейнольдса

Установка состоит из резервуара А с водой, от которого отходит стеклянная труба В с краном С на конце, и сосуда D с водным раствором краски, которая может по трубке вводиться тонкой струйкой внутрь стеклянной трубы В.

Первый случай движения жидкости. Если немного приоткрыть кран С и дать возможность воде протекать в трубе с небольшой скоростью, а затем с помощью крана Е впустить краску в поток воды, то увидим, что введенная в трубу краска не будет перемешиваться с потоком воды. Струйка краски будет отчетливо видимой вдоль всей стеклянной трубы, что указывает на слоистый характер течения жидкости и на отсутствие перемешивания. Если при этом, если к трубе подсоединить пьезометр или трубку Пито, то они покажут неизменность давления и скорости по времени. Такой режим движения называется ламинарный.

Второй случай движения жидкости. При постепенном увеличении скорости течения воды в трубе путем открытия крана С картина течения вначале не меняется, но затем при определенной скорости течения наступает быстрое ее изменение. Струйка краски по выходе из трубки начинает колебаться, затем размывается и перемешивается с потоком воды, причем становятся заметными вихреобразования и вращательное движение жидкости. Пьезометр и трубка Пито при этом покажут непрерывные пульсации давления и скорости в потоке воды. Такое течение называется турбулентным (рис.4.1, вверху). Если уменьшить скорость потока, то восстановится ламинарное течение.

Коэффициент гидравлического сопротивления при турбулентном течении. Графики Никурадзе и Мурина.

Основной расчетной формулой для потерь напора при турбулентном течении жидкости в круглых трубах является эмпирическая формула, называемая формулой Вейсбаха-Дарси и имеющая следующий вид:

Различие заключается лишь в значениях коэффициента гидравлического трения λ. Этот коэффициент зависит от числа Рейнольдса Re и от безразмерного геометрического фактора - относительной шероховатости Δ/d (или Δ/r₀, где r₀ - радиус трубы).

Первые систематические опыты для выявления влияния различ­ных параметров на величину λ были проведены Никурадзе под руко­водством Прандтля в 20-х годах XX века в Германии.

Эти опыты проводились в латунных трубах, глад­ких, что достигалось шлифовкой и с искусственной однородной ше­роховатостью, которая создавалась наклеиванием зерен песка определенного размера на внутреннюю поверхность труб. В трубах с полученной таким образом определенной шероховатостью при раз­ных расходах измерялась потеря напора и вычислялся коэффициент λ, значения которого наносились на график в функции числа Рейнольдса. Результаты опытов Никурадзе представлены графически на рис. 4.11 На этом графике по горизонтальной оси отложены величи­ны lgRe, а по вертикальной оси — lg(l00 λ). Кривые построены по данным опытов с трубами относительной шероховатости от ε=∆/d= 0,001 (самая нижняя кривая) до ε=0,033 (самая верхняя кривая).

Анализируя представленный график, можно сделать следу­ющие выводы:

Существуют четыре различные области.

Область ламинарного режима (I). В области ламинарного режи­ма (т.е. при Re < 2300, чему соответствует lg Re < 3,36) опытные точ­ки, независимо от шероховатости стенок, уложились на одну прямую линию I. Следовательно, здесь λ зависит только от числа Рейнольдса и не зависит от шероховатости, т.е. λ=f (Re).

Остальные участки кривых (II, III, IV) относятся к турбулентно­му движению.

В области перехода от ламинарного движения к турбулентному Re = 2000-4000 (3,3< lgRe< 3,6) наблюдается большой разброс опытных точек и кривая между I и II па рис. 4.11 проведена условно.

Область гидравлически гладких труб (II). В этой области опыт­ные точки для труб с различной шероховатостью располагаются в не­котором диапазоне чисел Re на одной прямой II, отрываясь от нее в сторону возрастания коэффициента λ тем раньше, чем больше шероховатость стенок. Таким образом, при некоторых условиях шерохо­ватость не оказывает влияния на потери напора также и при турбулентном движении, т.е. и здесь λ =f(Re). Область смешанного трения (III). Здесь каждая кривая относится к определенному значению относительной шероховатости и величина также меняется с изменением числа Рейнольдса, т.е. коэф­фициент гидравлического сопротивления зависит как от числа Re, так и от ε(λ =f(Re,ε))

Область «вполне шероховатых труб» (IV), При увеличении числа Re кривые области IIIпереходят в линии, параллельные оси lg Re, т,е. коэффициентλв этой области не зависит от числа Re и оп­ределяется только относительной шероховатостью. Полуэмпиричекая теория турбулентности позволяет предложить выражение для коэффициента λ, исходя из распределения скорости в живых сечени­ях потока.

Можно вывести следующие полуэмпирические формулы Прандтля-Никурадзе из логарифмического закона распределения скоростей

Для гладких труб -

Для вполне шероховатых труб

Предложенная полуэмпирическая теория не отражает особенностей сопротивления в области смешанного трения.

Опыты Никурадзе проводились в трубах с одной искусственной шероховатостью. Трубы же, применяемые на практике, имеют шероховатость неоднородную и неравномерную. Поэтому долгое время оставалось неясным, насколько правильны будут выводы, полученные Никурадзе на трубах с искусственной шероховатостью, в применении к обычным промышленным трубам с естественной шероховатостью и каковы численные значения ше­роховатости для подобных труб, Выяснению этих вопросов был по­священ ряд проведенных экспе­риментальных исследований (работы Кольбрука, И.А.Исаева, ГА.Мурина, ФА Шевелева).

Наибольший интерес представляют опыты ГА.Мурина по исследованию гидравлических сопротивлений в обычных промышленных стальных трубах, законченные в 1948 г. Результаты этих опытов представлены на графике, изображенномрис. 4,12, показывающем изменение коэффициента λ в зависимости от числа Рейнольдса для стальных труб.

Подтвердив основные закономерности, установленные Никурад­зе, эти опыты показали, что для труб с естественной шероховатостью коэффициент λ в пере­ходной области имеет всегда большие значения, чем в случае вполне шероховатых труб (а не меньше, как у Никурадзе), Поэтому кривые на диаграмме Мурина не имеют впадины, характерной для кривых Никурадзе.

Результаты обобщения большого числа опытов показали, что λявляется функцией двух безразмерных параметров числа Рейнольдса­, отражающего влияние вязкости и скорости движения жидкости и относительной шероховатости ε=∆/d, характеризующего влияние поверхности стенок, т.е.

λ=f(Re, ∆/d)

Основные расчетные формулы.

Таблица для определения коэффициента гидравлического трения

Местные сопротивления

Местными сопротивлениями называются, в отличие от сопротивлений по длине, сосредоточенные на коротких участках трубопровода потери напора, вызванные местным отрывом вихрей, а также нарушением структуры потока. Эти процессы в значительной степени зависят от формы местных сопротивлений. Условно местные сопротивления можно разделить на несколько видов, представленных на рис. 4.13

D₁v₂

Внезапное расширение Внезапное сужение

Диффузор Конфузор

Диафрагма Закругление трубопровода

К местным сопротивлениям, в частности, относятся участки трубопроводов, имеющих переходы с одного диаметра на другой, колена, раструбы, тройники, крестовины, всякого рода запорные устройства и приспособления (краны, задвижки, вентили, клапаны), а также фильтры, сетки, специальные устройства входа и выхода к насосам (диффузоры, конфузоры).

Учет местных сопротивлений играет решающую роль при расчете гидравлически коротких трубопроводах, где величина потерь энергии на местных сопротивлениях сравнима с потерями по длине. Практически любое местное сопротивление приводит к

резкому изменению характера течения, сопровождаемого изменением местных скоростей как по величине, так и по направлению.

Нa практике для определения потерь энергии на местных сопротивлениях применяется формула Вейсбаха, выражающая потери в долях скоростного напора

, где неизвестный коэффициент пропорциональности ζ называется коэффициентом местного сопротивления.

В качестве скорости v принимается скорость на участке трубопровода, либо до него. От этого будет зависеть численное значение коэффициента ζ, поэтому необходимо специально оговаривать, по отношению к какой скорости вычислен коэффициент местного сопротивления. В общем случае коэффициент ζ зависит от геометрической формы местного сопротивления и числа Re.

Коэффициент ζ принимается постоянным для данного вида местного сопротивления. Однако экспериментальные исследования показали, что это условие соблюдается только при больших числах Рейнольдса (Re > 10⁴), При небольших величинах Re значения коэффициента ζ существенно зависит от числа Рейнольдса, Справочные значения ζ относятся к случаю, когда местное сопротивление работает в условиях автомодельности по числу Re, т.е. не зависит от его числового значения. Значения ζ, приводимые в справочниках, следует считать ориентировочными. Для уточнения данных о конкретном местном сопротивлении необходимо провести экспериментальное исследование в требуемом диапазоне чисел Re. Однако, есть случаи, когда величина потерь энергии на местном сопротивлении может быть определена теоретически, например, при внезапном расширении потока.

Иногда местные сопротивления выражают через эквивалентную длину прямого участка трубопровода . Эквивалентной длиной называют такую длину прямого участка трубопровода данного диаметра, потери напора в котором при пропуске данного расхода равны рассматриваемым местным потерям.

, получаем ,или .

Эта формула позволяет весьма просто оценивать роль потерь удельной энергии в местном сопротивлении по сравнению с потерями по длине в общем балансе потерь.

Определение и виды местных сопротивлений.

Простейшие местные сопротивления при турбулентном режиме течения в трубе.

1. Внезапное расширение потока. Потеря напора (энергии) при внезапном расширении русла расходуется на вихреобразование, связанное с отрывом потока от стенок, т.е. на поддержание вращательного непрерывного движения жидких масс с постоянным их обновлением.

Рис. 4.9. Внезапное расширение трубы

При внезапном расширении русла (трубы) (рис.4.9) поток срывается с угла и расширяется не внезапно, как русло, а постепенно, причем в кольцевом пространстве между потоком и стенкой трубы образуются вихри, которые и являются причиной потерь энергии. Рассмотрим два сечения потока: 1-1 - в плоскости расширения трубы и 2-2 - в том месте, где поток, расширившись, заполнил все сечение широкой трубы. Так как поток между рассматриваемыми сечениями расширяется, то скорость его уменьшается, а давление возрастает. Поэтому второй пьезометр показывает высоту на ΔH большую, чем первый; но если бы потерь напора в данном месте не было, то второй пьезометр показал бы высоту большую еще на h_расш. Эта высота и есть местная потеря напора на расширение, которая определяется по формуле: где S1, S2 - площадь поперечных сечений 1-1 и 2-2. υ-скорость на известном участке трубопровода. Это выражение является следствием теоремы Борда.

Теорема Борда: потеря напора при внезапном расширении потока равна скоростному напору, определенному по разности скоростей

Выражение ( 1 - S₁/S₂ )² обозначается греческой буквой ζ (дзета) и называется коэффициентом местного сопротивления, таким образом

2. Постепенное расширение русла. Постепенно расширяющаяся труба называется диффузором (рис.4.10). Течение скорости в диффузоре сопровождается ее уменьшением и увеличением давления, а следовательно, преобразованием кинетической энергии жидкости в энергию давления. В диффузоре, так же как и при внезапном расширении русла, происходит отрыв основного потока от стенки и вихреобразования. Интенсивность этих явлений возрастает с увеличением угла расширения диффузора α.

Рис. 4.10. Постепенное расширение трубы

Кроме того, в диффузоре имеются и обычные потери на терние, подобные тем, которые возникают в трубах постоянного сечения. Полную потерю напора в диффузоре рассматривают как сумму двух слагаемых:

где h_тр и h_расш - потери напора на трение и расширение (вихреобразование).

где n = S₂/S₁ = ( r₂/r₁ ) ² - степень расширения диффузора. Потеря напора на расширение h_расш имеет ту же самую природу, что и при внезапном расширении русла

где k - коэффициент смягчения, при α= 5…20°, k = sinα.

Учитывая это полную потерю напора можно переписать в виде:

откуда коэффициент сопротивления диффузора можно выразить формулой

Рис. 4.11. Зависимость ζ_диф от угла

Функция ζ = f(α)имеет минимум при некотором наивыгоднейшем оптимальном значении угла α, оптимальное значение которого определится следующим выражением:

При подстановке в эту формулу λ_Т =0,015…0,025 и n = 2…4 получим α_опт = 6 (рис.4.11).

3. Внезапное сужение русла. В этом случае потеря напора обусловлена трением потока при входе в более узкую трубу и потерями на вихреобразование, которые образуются в кольцевом пространстве вокруг суженой части потока (рис.4.12).

Полная потеря напора определится по формуле ;

где коэффициент сопротивления сужения определяется по полуэмпирической формуле И.Е. Идельчика:

в которой n = S₁/S₂ - степень сужения.

При выходе трубы из резервуара больших размеров, когда можно считать, что S₂/S₁ = 0, а также при отсутствии закругления входного угла, коэффициент сопротивления   ζ_суж = 0,5.

4. Постепенное сужение русла. Данное местное сопротивление представляет собой коническую сходящуюся трубу, которая называется конфузором (рис.4.13). Течение жидкости в конфузоре сопровождается увеличением скорости и падением давления. В конфузоре имеются лишь потери на трение

где коэффициент сопротивления конфузора определяется по формуле

в которой n = S₁/S₂ - степень сужения.

Небольшое вихреобразование и отрыв потока от стенки с одновременным сжатием потока возникает лишь на выходе из конфузора в месте соединения конической трубы с цилиндрической. Закруглением входного угла можно значительно уменьшить потерю напора при входе в трубу. Конфузор с плавно сопряженными цилиндрическими и коническими частями называется соплом (рис.4.14).

Рис. 4.14. Сопло

5. Внезапный поворот трубы (колено). Данный вид местного сопротивления (рис.4.15) вызывает значительные потери энергии, т.к. в нем происходят отрыв потока и вихреобразования, причем потери тем больше, чем больше угол δ. Потерю напора рассчитывают по формуле

где ζ_кол - коэффициент сопротивления колена круглого сечения, который определяется по графику в зависимости от угла колена δ (рис.4.16).

6. Постепенный поворот трубы (закругленное колено или отвод). Плавность поворота значительно уменьшает интенсивность вихреобразования, а следовательно, и сопротивление отвода по сравнению с коленом. Это уменьшение тем больше, чем больше относительный радиус кривизны отвода R / d рис.4.17). Коэффициент сопротивления отвода ζ_отв зависит от отношения R / d, угла δ, а также формы поперечного сечения трубы.

Для отводов круглого сечения с углом δ= 90 и R/d 1 при турбулентном течении можно воспользоваться эмпирической формулой:

Для углов δ 70° коэффициент сопротивления

а при δ 100°

Потеря напора в колене определится как

Все выше изложенное относится к турбулентному движению жидкости. При ламинарном движении местные сопротивления играют малую роль при определении общего сопротивления трубопровода. Кроме этого закон сопротивления при ламинарном режиме является более сложным и исследован в меньшей степени.

Формула Вейсбаха.

Нa практике для определения потерь энергии на местных сопротивлениях применяется формула Вейсбаха, выражающая потери в долях скоростного напора

, где неизвестный коэффициент пропорциональности ζ называется коэффициентом местного сопротивления.

В качестве скорости v принимается скорость на участке трубопровода, либо до него. От этого будет зависеть численное значение коэффициента ζ, поэтому необходимо специально оговаривать, по отношению к какой скорости вычислен коэффициент местного сопротивления. В общем случае коэффициент ζ зависит от геометрической формы местного сопротивления и числа Re. (см. вопрос 45)

Теорема Борда.

Теорема Борда:потеря напора при внезапном расширении потока равна скоростному напору, определенному по разности скоростей

Используется при внезапном расширении потока (см.вопрос 46)

Экспериментальное определение коэффициентов местных сопротивлений.

Рис.Схема экспериментальной установки для определения коэффициента местных сопротивлений

Наиболее точным способом исследования коэффициентов мест­ного сопротивления является исследование их на модельном трубопроводе, в точности копирующем тот, на котором это местное сопротивление будет уста­новлено.

В этом случае сначала определяются потери удель­ной энергии модельного тру­бопровода без местного со­противления, а затем потери удельной энергии в том же трубопроводе, но с местным сопротивлением, Потери энергии, вызванные местным сопротивлением, находят как разность потерь энергии в обоих случаях.

Весьма часто местные со­противления исследуются без уточнения их месторас­положения в будущем.

В этом случае лучшим способом является также ме­тод модельного трубопрово­да, однако модель представ­ляет прямой трубопровод достаточной длины, в цен­тре которого смонтировано исследуемое местное сопро­тивление. Так же как и в предыдущем случае потери удельной энергии определя­ют как разность потерь удельной энергии в трубо­проводе с местным сопро­тивлением и только в тру­бопроводе (без местного со­противления). Для того что­бы избавиться от предвари­тельного определения сопро­тивления самого трубопро­вода, исследование может быть осуществлено методом двух дифференциальных манометров (или четырех пьезометров), как показано на рис., Здесь I — труба; II—испытываемое местное сопротивление; III и IV —два дифференциальных ртутных манометра; V — мерный бак; VI — термометр. Манометры должны быть присоединены в таких сечениях трубопровода, где распределение скоростей по живым сечениям потока можно считать одинаковым (a₁=a₂=a₃=a₄) Для того чтобы на одной и той же установке можно было производить исследование различных местных сопротивле­ний, длины отдельных участков опытного трубопровода следует брать побольше. Размеры, показанные на рис., обеспечи­вают достаточную точность исследования.

При соблюдении поставленных выше условий дифференциаль­ный манометр III позволяет определить значение

равное сумме потерь удельной энергии по длине на участке 1—4 и в местном сопротивлении

Дифференциальный манометр IV позволяет определить значение

равное сумме потерь удельной энергии по длине па участке, вдвое меньшем предыдущего, и в том же местном сопротив­лении:

Таким образом, для определения h_м имеются два уравне­ния, откуда находим:

Зная на основании предыдущего, что можно найти и коэффициент сопротивления ζ_м по формуле:

ζ_м-коэффициент местного сопротивления, зависящий от числа Re, формы местного сопротивления, шероховатости его поверхностей и т.д.

объемный вес жидкости γ = ρ g,

P1 и P2 - давления соответственно в сечениях 1 и 2.

Эквивалентная длина

Иногда местные сопротивления выражают через эквивалентную длину прямого участка трубопровода . Эквивалентной длиной называют такую длину прямого участка трубопровода данного диаметра, потери напора в котором при пропуске данного расхода равны рассматриваемым местным потерям.

, получаем ,или .

Эта формула позволяет весьма просто оценивать роль потерь удельной энергии в местном сопротивлении по сравнению с потерями по длине в общем балансе потерь.

Взаимное влияние местных сопротивлений

Местные потери напора часто суммируют в соответствии с принципом наложения потерь, согласно которому полная потеря напора представляет собой арифметическую сумму потерь, вызываемых отдельными сопротивлениями. Принцип наложенния потерь дает надежные результаты лишь в случае, если расстояние между отдельными местными сопротивлениями достаточно велико для того, чтобы искажение эпюры скоростей, вызванное одним из них, не сказывалось на сопротивлении, лежащем ниже по сечению. Для этого необходимо, чтобы местные сопротивления отстояли друг от друга не ближе, чем

lвл/d=(12/√λ)-50

где lвл - длина влияния местного сопротивления;

λ — коэффициент гидравлического трения трубы, на которой расположено местное сопротивление.

Эта формула действительна для турбулентного движения.

При больших числах Рейнольдса в первом приближении

lвл/d≥ (30-40)d

При малых числах Рейнольдса (большие значения λ.) взаимное влияние местных сопротивлений проявляется слабее, длина влияния местного сопротивления имеет меньшую величину и приближенно может быть оценена по формуле

lвл/d =1.25√Re.

Гидравлический расчет трубопроводов.

Гидравлический расчеты трубопроводов, независимо от их вида, имеют целью установление зависимостей между количеством протекающей в них жидкости (расходом), распределением давления по длине трубопровода и геометрическими характеристиками (формой и размерами труб на отдельных участках трубопроводной сети). Исходными при этих расчетах является уравнение Бернулли и уравнения сохранения расхода: первое является динамическим, а второе – кинематическим.

В соответствии с уравнением Бернулли разность полных напоров в начальном, и в конечном сечениях трубопровода, или некоторого его участка, равняется напору, который затрачивается на преодоление гидравлических сопротивлений Причем , где - потери напора по длине, - местные потери напора на гидравлические сопротивления.

Потери напора по длине трубопровода определяются для круглых труб из формулы Дарси-Вейсбаха. , а для некруглых – из выражения -

Местные потери напора определяются , значения коэф. приведены в специальной литературе.

Типы трубопроводов.

Короткие (условно) – называются трубопроводы небольшой длинны, если местные потери совместимы с потерями на длине, или превышают потери по длине. Это – всасывающие трубы центробежных насосов, сифоны, сливные патрубки.

Длинные – называются трубопроводы, имеющие значительную протяженность, в которых наоборот, потери напора по длине являются основными, а местными потерями пренебрегают, или же оценивают их приближенно.

Учитывая гидравлическую схему работы длинных трубопроводов, их можно разделить также на простые и сложные.

Простые – трубопроводы одинакового по длине диаметра, состоящие из одной лишь линии или нитки.

Сложные - трубопроводы, в случае, если они имеют одно или несколько ответвлений, параллельные ветви и переменный по длине диаметр т.д

- параллельные соединения (рис. а) — (лупинг) когда к основной магистрали подключены параллельно её еще одна или несколько труб.

- разветвленные (рис. б) или тупиковые трубопроводы, в которых жидкость из магистрали не отнимается в боковые ответвления и обратно в магистраль не поступает.

- кольцевые (рис. в)– трубопроводы, представляющие собой замкнутую магистраль, питающую расположенные вдоль нее расходные пункты.

Три задачи расчёта простых трубопроводов и методы их решения.

Задача первая.

Требуется определить напор в начале трубопровода, чтобы обеспечить заданный расход жидкости Q по трубопроводу с известными параметрами. Уравнение Бернулли, записанное для сечений на поверхности жидкости в резервуаре 1-1 и на выходе из трубы 2-2 (рис. 6.2, а) имеет вид:

Пренебрегая величиной в виду ее малости по сравнению с другими членами уравнения и обозначая разность высот , получим уравнение Бернулли в виде:

где - скорость движения жидкости в трубопроводе; - абсолютные значения

Начальный искомый напор равен сумме

По заданному расходу, характеристикам жидкости (р, η) и тру­бопровода (I, d, ∆) находят значения v и числа Re, а также значение относительной шероховатости ∆/d , определяют режим течения, об­ласть течения и выбирают соответствующую формулу для вычисле­ния коэффициента гидравлического сопротивления.

Аналогично решается задача, когда происходит перетекание жидкости из одного резервуара в другой (рис. 6.2, б). Для опреде­ления необходимого напора составляется уравнение Бернулли для сечений 1—1 и 2—2 на поверхностях жидкости в резервуарах. Получаем

Необходимый напор в начале трубопровода равен

Во многих случаях источником энергии для перекачки жидкости является насос. Для определения необходимого напора, создаваемо­го насосом в начале нагнетательной линии (рис. 6.2, в), составляется уравнение Бернулли для сечений 1—1 в начале этой линии и для се­чения 2—2 на свободной поверхности жидкости в резервуаре. При­нимая плоскость сравнения, проходящую через центр первого сечения, получаем

Из этого выражения может быть найдено давление , которое должен создавать насос. По найденному давлению и требуемому рас­ходу можно выбрать соответствующий насос для перекачки жидко­сти. Следует отметить, что в большинстве случаев скоростным напором можно пренебречь ввиду его малости по сравнению с други­ми членами уравнения Бернулли.

Задача вторая.

Определение расхода жидкости заданных при ос­тальных параметрах перекачки жидкости по трубопроводу. Рассмот­рим схему подачи жидкости (см. рис. 6.2, а) в трубопровод из напорной емкости. Необходимо определить расход жидкости, что равносильно нахождению скорости движения жидкости в трубопро­воде, которая входит в уравнение Бернулли.

Составим уравнение Бернулли для сечений 1 - 1 и 2—2, пренеб­регая скоростными напорами:

В этой формуле левая часть может быть определена по известным данным задачи. Значение скорости, а значит и расход можно было бы найти, если есть возможность найти члены, входящие в скобки выра­жения (6.3). В общем случае при режимах течения, отличающихся от квадратичного, коэффициенты гидравлического сопротивления λ и местного сопротивления ζ зависят от числа Re, а значит и от ν, а вид этой зависимости заранее неизвестен. Возможны два способа реше­ния такого типа задач: аналитический и графоаналитический.

Аналитически задача может быть решена в тех случаях, когда до начала расчета можно предсказать режим течения, а значит и вид за­висимости λ от Re. Так, если предположить, что режим течения будет ламинарным, то коэффициент гидравлического сопротивления оп­ределится по формуле λ = 64/Re, а значения ζ находят по справочни­ку. После подготовки значений этих коэффициентов в уравнение (6.3) находят скорость v, а затем расход. Аналогично решается зада­ча, если предполагаемый режим является квадратичным. В каждом из этих случаев требуется проверка предполагаемого режима тече­ния, т.е. необходимо, чтобы при ламинарном течении Re 500 d/∆

Если предположение не подтвердилось, то задачу решают мето­дом последовательных приближений, задавая в первом приближе­нии значение расхода , находят величину потерь и сравнива­ют с потерями напора для заданного трубопровода, равными

Если полученное значение оказалось больше чем , то расход уменьшают, а если меньше то следующее зна­чение , увеличивают, последовательно приближая получаемое значение к вычисленному .

Графоаналитический метод требует построения характеристики трубопровода Q-h (зависимости потерь напора от расхода) с помощью, которой определяют расход

Для построения характеристики трубопровода сдаются рядом про­извольных значений расхода жидкости и по ним опре­деляются потери напора в трубопроводе, как было изложено в первой задаче. Затем по выбранным расходам и соответствующим им поте­рям напора строим график зависимости Q- для данного трубопровода (рис. 6.3). Для найденных потерь по графику определяем соответствую­щий им расход жидкости . При реше­нии задачи методом последовательных приближений или графоаналитиче­ским требуется большое число вычис­лений, что наиболее рационально проводить с использованием ЭВМ.

Задача третья.

Определение мини­мально необходимого диаметра трубо­провода для обеспечения заданного рас­хода Q при известном напоре в трубоп­роводе . Эта задача может быть решена, как и в предыдущем случае ана­литически, методом последовательных приближений или графоаналитически.

В последних двух случаях задаются рядом значений диаметров и, зная Q, вычисляют потери напора . В методе последовательных приближений срав­нивают получаемые значения потерь напора с заданными по условию задачи,

добиваясь их близкого совпадения.

В графоаналитическом методе строится зависимость потерь напора от диаметра (рис. 6.4), а затем отложив по оси ординат предварительно вычисленные потери напора на оси абсцисс нахо­дят минимально необходимый диаметр . Если диаметр, определен­ный с этого графика, отсутствует в сортаменте, то берется ближайший большой диаметр.

Рассмотрим случай последовательного соединения труб. Если трубопровод состоит из нескольких последовательно соединенных участков труб различного диаметра и различной длины (рис. 6.5), то задачи решаются изложенными способами. При этом полные потери напора на всем протяжении трубопровода определяются как сумма потерь на трение на отдельных участках и местных сопротивлений:

, а расход жидкости на каждом из участков одинаков

Равенство (6.4) выражает собой принцип наложения потерь (принцип суперпозиции).

Принцип наложения может быть использован лишь в том случае, если расстояние между имеющимися местными сопротивлениями достаточно больше. Как показали опыты, если , где L – расстояние между местными сопротивлениями, d – диаметр трубопровода, то взаимное влияние местных сопротивлений мало и в этом случае можно воспользоваться соотношением:

Если требуется найти расход в последовательно соединенном трубопроводе при задаваемых значениях напора, то в качестве расчетного служит по-прежнему соотношение: .

Если при этом заранее не известны коэффициенты λ и ζ, зависящие от расхода, то — так же как в случае простого трубопровода — эту задачу надо решать ме­тодом последовательных приближений или графоа­налитическим способом. С этой целью при нескольких значениях расхода, задавае­мых произвольно, строим гидравлическую характери­стику для каждого участка, и совмещаем графики на одном чертеже (строим совме­стную характеристику), как это показано на схеме (рис. 6.6) для тру­бопровода, состоящего из двух участков I и II; при этом для получе­ния точек совместной характеристики для каждого значения расхода Q суммируются соответствующие ему значения потерь напора h на каждом из участков. Таким образом, расстояние от оси абсцисс до са­мой верхней кривой равняется сумме потерь на всей длине трубопрово­да и поскольку располагаемая величина напора известна — из графика можно определить соответствующий этому напору расход .

Особенности расчета трубопроводов, работающих под вакуумом. Понятие кавитации.

Для обеспечения устойчивой работы таких трубопроводов необходимо выполнять требования на ограничение величины вакуума в них. Известно что для каждой ж-ти существует давление (при данной температуре), при котором ж-ть находится в состоянии динамического равновесия со своим паром. Это давление называется давлением насыщенного пара или упругостью паров . Если давление в жидкости окажется меньше этого давления, то внутри нее начинается процесс парообразования, т.е. выделение растворенного в жидкости газа. Поэтому понижение давления в каком-либо месте трубопровода до давления приводит к образованию газовых полостей, что делает невозможным нормальную работу трубопровода. Этот процесс также называется кавитацией. В связи с этим основным принципом расчета трубопроводов, работающих под вакуумом, является требование, чтобы минимальное давление в них было выше упругости паров перекачиваемой ж-ти, т.е. , где - наименьшее абсолютное давление на расчетном участке трубопровода.

Сифон – самотечный трубопровод, часть которого расположена выше свободной поверхности в напорной емкости, из которой происходит подача жидкости в нижнюю емкость.

На рис. 6,16 представлено решение задачи по определению расхода в сифоне. Пропускная способность сифона делается равным давлению насыщенных паров то начинается испарение, подача жид-ти сначала уменьшается, а затем прекращается из-за разрыва потока. Для обеспечения нормальной работы сифона нужно, чтобы минимальное давление в нем, не было ниже давления насыщенных парод жидкости. Уравнение Бернулли для уч-ка между сечениями 1-1 и 2-2

Принимая для свободной пов-ти емкости А давление , скорость =0, потери энергии по длине , где l – длина участка между сечениями 1-1 и 2-2 , следовательно,

Гидравлический расчет сложных трубопроводов.

Сложный трубопровод состоит из разветвленных участков различного диаметра и длины с различным расходами жидкости. Места трубопровода, где соединяются несколько ветвей, называют узлами. Как и при расчете простых трубопроводов может ставиться задача определения необходимого напора для обеспечения заданного расхода, либо определение расхода при заданных размерах и известных напорах. Потери напора в трубах вычисляют по формуле:

В зависимости от характера поставленной задачи и типа сложного трубопровода определяется конкретный вид системы расчетных уравнений.

Расчет трубопровода из труб с переменным сечением.

Схема трубопровода состоит из нескольких труб разного диаметра(сечения).

Потери на таком трубопроводе вычисляются следующим образом:

Решение системы уравнений для трубопровода с заданными размерами удобно получить, используя графический метод. Для этого строят гидравлические характеристики всех труб, входящих в рассматриваемую схему. Характеристики представляют собой зависимость потерь напора от расхода, выраженную уравнением 6.6. Характеристики труб с разными диаметрами суммируются. Для этого необходимо на графике Q-h сложить абсциссы (расходы) каждой из кривых при одинаковых ординатах (напорах). В результате такого суммирования получим характеристику участка, которую можно рассматривать как одну им эквивалентную с одним диаметром.Для определения задач на расход и напор, нужно на этом графике отложить известную величину и по лучим неизвестную ранее, путем перенесения кривой с известным числом.

Расчет лупинга

Схема сложного трубопровода, называемая параллельным соединением труб, представлена на рис. 6.7. Магистральный трубопровод разветвляется в т.С на несколько параллельных линий труб различных длин и диаметров, сходящихся затем в точке магистрали. Обозначим расход в магистрали Q1, а в параллельных линиях через Q2,Q3,Q4. Очевидно, что

Составляя уравнение Бернулли для каждой из параллельных ветвей на участке CD, получим, что потери в каждой из линии равны разности напоров в точках C и D, а следовательно, потери напора равны между собой. В силу этого, в соответствии с зависимостью потерь

, получаем

Решение системы уравнений для трубопровода с заданными размерами удобно получить, используя графический метод. Для этого строят гидравлические характеристики всех труб, входящих в рассматриваемую схему. Характеристики представляют собой зависимость потерь напора от расхода, выраженную уравнением 6.6. Характеристики параллельно соединенных труб суммируются согласно уравнения 6.7 и6.8. Для этого необходимо на графике Q-h сложить абсциссы (расходы) каждой из кривых при одинаковых ординатах (напорах). В результате такого суммирования получим характеристику разветвленного участка, которую можно рассматривать как заменяющую параллельно соединенные трубы одной им эквивалентной.

Для определения задач на расход и напор, нужно на этом графике отложить известную величину и по лучим неизвестную ранее, путем перенесения кривой с известным числом.

Истечение жидкости из отверстий и насадков. Основные определения

Условия истечения:

- отверстия бывают большие и малые

- истечение может быть в атмосферу или пространство заполненной жидкостью.

- происходит с постоянным или переменным расходом.

- истечение через отверстие в тонкой стенки и истечение через насадки, т.е. короткие патрубки разной формы.

- отверстиями в тонких стенках называются отверстия, края которых имеют острую кромку, а толщина стенки не влияет на форму струи и условия истечения.

- отверстие будем называть малым, если его размеры не велики по сравнению с высотой, на котором в боковой поверхности находится свободная поверхность жидкости.

Установившееся истечение жидкости из малого отверстия в тонкой стенке.

Истечение в атмосферу через отверстие с острой кромкой (или в тонкой стенке) в горизонтальном дне сосуда. Отверстия в тонких стенках называются отверстия, края которых имеют острую кромку, и толщина стенки не влияет на форму струи и условия истечения. Стенку можно полагать тонкой, если её толщина не превосходит 0,2 диаметра отверстия. Если же , то для получения такой же гидравлической картины следует заострить кромку отверстия. Истечение через такие отверстия отличается от других случаев высокой устойчивостью.

Малое отверстие – отверстие, если его размеры невелики по сравнению с высотой, на которой над отверстием (в боковой стенке) находится свободная поверхность жидкости. Все точки отверстия погружены на одну и ту же глубину под уровнем жидкости, при этом площадь отверстия много меньше площади свободной поверхности.

Рассмотрим установившееся истечение жидкости из резервуара через такое малое отверстие в дне при постоянной H глубине погружения. Сечение резервуара как у свободной поверхности, так и близ отверстий будем полагать достаточно большим для того, чтобы скорость в нем была весьма малой и соответствующий скоростной напор можно считать равным нулю.

Коэффициент сжатия . где w_с и w_о - площади поперечного сечения струи и отверстия соответственно; d_с и d_о - диаметры струи и отверстия соответственно.

Размер и форма отверстия влияют на величину коэф сжатия, вследствие чего эпсилон определяют для данный отверстий и напора опытным путем.

Для круглого отверстия в тонкой стенке при небольших числах Рейнольдса коэффициент сжатия довольно устойчив, изменяясь в пределах 0,61-0,64

Средняя скорость в сжатом сечении - где фи – коэффициент скорости (альфа – коэф. Кориолиса , равен единице, а эпсилон коэф. Сопротивления отверстия), он учитывает потери напора при прохождении жидкости через отверстие.

Напор жидкости -

Теоретический расход через отверстие -

Действительный расход -

Коэффициенты сжатия, скорости и расхода.

Три коэффициента истечения:

- коэффициент сжатия:

- коэффициент скорости:

Имеет наименьшее значение в случае расходящегося насадка - и наибольшее при истечении в случае насадка, выполненного по форме вытекающей струи (коноидального)

- коэффициент расхода:

Наименьший, в случае расходящегося насадка до - , и наибольший, в случае коноидального до

Насадки их виды и области применения

Насадок – присоединенный в отверстию в тонкой стенке короткий патрубок. Насадки делятся на три основные группы:

1. Цилиндрические – внешние 1 и внутренние 2

При истечении жидкости из цилиндрического насадка сечение выходящей струи и сечение отверстия одинаковы, а это значит, что ко­эффициент сжатия струи= 1.

1. Конические – сходящиеся 3 и расходящиеся 4

В конических сходящихся насадках вакуум не образуется, т.к. скорость сжатых сечений меньше чем скорость на выходе.

Применяют в инженерной практике для получения больших выходных скоростей, увеличения силы и дальности полета струи жидкости: в пожарных брандспойтах, в форсунках для подачи топлива, гидромониторах для размыва грунта, фонтанных соплах, соплах активных гидравлических турбин, водоструйных насосах – для увеличения кинетической энергии струи.

Свойство конических, расходящихся насадков – переходить без больших потерь большую скорость в узком сечении в малую в широком обусловливает их применение в качестве преобразователей скоростной энергии в потенциальную – в давление в диффузорах, каналах направляющего аппарата центробежных насососв, во всасывающих трубах турбин, для замедления подачи смазочных масел.

1. Коиноидальные - с закругленными по форме сжатия струи стенками 5

Выполняется по форме сжимающей струи и благодаря этому обеспечивает безотрывность течения внутри насадка и параллельность струй в выходном сечении. Несмотря на то, что коноидальные насадки дают наибольшие выходные скорости и расходы, их сравнительно редко применяют, главным образом из-за сложности изготовления.

Коноидальный насадок выполняется по форме сжатой струи и поэтому обеспечивает безотрывность течения внутри насадки.

Потери в отверстиях и насадках.

Потери в отверстиях

Потери напора связаны с диссипацией механической энергии за счет сил внутреннего вязкого трения во всем объеме жидкости в резервуаре и местными сопротивлениями в отверстии. Пренебрегая (вследствие их малости) потерями в резервуаре, учтем лишь потери от местного сопротивления на входе в отверстие, представляя их в виде: , где - скорость в сжатом сечении.

Потери в насадках:

Составим уравнение Д. Бернулли для сечений 1-1 и 2-2

, где – потери напора.

Для истечения из открытого резервуара в атмосферу аналогично истечению через отверстие уравнение Д. Бернулли приводится к виду

.

Потери напора в насадке складываются из потерь па входе и на расширение сжатой струи внутри насадка. (Незначительными потерями в резервуаре и потерями по длине насадка ввиду их малости можно пренебречь.) Итак,

По уравнению неразрывности можем записать: ,

Откуда .

, .

Неустановившееся движение жидкости в трубах. Уравнение Бернулли для неустановившегося движения.

Неустановившееся движение жидкости называется неустановившемся, если ее параметры течения (т.е. скорость, давление, плотность и др.) изменяются по времени. Примерами неустановившейся движения могут служить неустановившееся движение в напорных трубопроводах при открытии или закрытии регулирующей аппаратуры, включении и отключении насосов, наполнение и опорожнение резервуаров, гидравлический удар в трубах.

, где - инерционный напор

Обратим внимание, что в уравнении давления , скорость являются функциями времени, т.е. Потери на трении для неустановившегося движения вычисляют по тем же формулам, что и для установившегося движения, предполагая, что для мгновенного значения скорости это допустимо. Из уравнения следует, что разность давлений при неустановившемся движении может как возрастать, так и убывать, определяясь знаком инерционного напора. Так при торможении жидкости удельная энергия потока увеличивается, а при разгоне уменьшается. При установившемся движении жидкости, вследствие потерь на трение, удельная энергия потока уменьшается.

Гидравлический удар в трубах.

Гидравлический удар в напорном трубопроводе называют резкое изменение давления в жидкости, вызванное (также резким) изменением скорости ее течения (например, при быстром перекрытии трубопровода запорным устройством). Этот процесс является очень быстротечным и характеризуется чередованием повышений и понижений давлений. Теоретическое и экспериментальное исследование гидравлического удара было произведено впервые Н.Е. Жуковским, который в 1899 г. Решил эту задачу с учетом упругих свойств жидкости и материала стенок трубопровода. гидравлический удар - процесс колебательный, т.е. волновой. Рассмотрим простой трубопровод, начинающийся у бассейна А и имеющий на некотором расстоянии от входа задвижку В. Если задвижка открыта и движение жидкости в трубе установившееся, то пьезометрическая линия на участке до задвижки будет, с учетом потери напора на входе, представляться отрезком прямой а-а, при полностью закрытой задвижке – это горизонтальная линия в-в.

Пусть в некоторый момент времени ранее открытую задвижку быстро закрывают. Отток жидкости через сечение у задвижки прекращается и в такой же короткий срок останавливается слой жидкости, непосредственно прилегающий к задвижке. Масса прилегающего к задвижке слоя жидкости возрастает за счет ее уплотнения и за счет расширения сечения трубы. Граница между потоком с установившимся течением и уплотненной областью перемещается в сторону входа в трубу со скоростью, называемой скоростью фронта ударной волны; в сечениях пробегаемых фронтом происходит резкое изменение скорости течения и соответственно резко меняется давление. Когда прямая волна достигает входа в трубу, начинается, в следствие превышения напора в трубе над напором в бассейне, истечение жидкости из трубы в бассейн. Возникает обратная или отраженная волна, которая распространяется в направлении к задвижке с такой же практически скоростью, с какой до этого перемещалась прямая. В трубе происходит в этом периоде времени течение в направлении к входу в трубу на участке до фронта отраженной волны и к задвижке на участке от фронта до задвижки.

Формула Жуковского – повышения давления при гидравлическом ударе.

Скорость распространения фронта волны -

D – дополнительное от повышения давления напряжение в материале трубопровода;

- толщина стенки трубопровода;

- модуль упругости материала трубопровода;

К – модуль упругости жидкости.

Время, в течение которого ударная волна, возникшая у задвижки, достигнет напорного резервуара, отразится от него и вернется к задвижке - - фаза удара, время двойного пробега волной повышения давления на расстояние L.

Способы борьбы с гидравлическим ударом.

Гидравлический удар представляет собой периодический затухающий колебательный процесс, т.е. процесс, сопровождаемый повышением и понижением давления в трубопроводе. Гидравлический удар, как правило, является нежелательным явлением, т.к. может привести к разрушению трубопроводной системы. Поэтому на насосных станциях, где возможно образование гидравлического удара, при отключении насосного агрегата в связи с аварией электросети используют специальные устройства для гашения волны повышения давления – воздушные колпаки, клапаны для сброса давления. Простейший способ борьбы является медленное закрытие запорных устройств. Этому требованию отвечают вентили, задвижки со специальным приводом.

Пример явления гидравлического удара в нефтегазовом деле.

Гидравлический удар может быть использован как полезное явление. Так, например, явление гидравлического удара лежит в основе метода вибрационного воздействия на призабойную скважину с целью ее очистки, а так же используется в особом способе подъема жидкости, называемом гидравлическим тараном.

- по назначению и роду перекачиваемой жидкости

- для воды

- горячих и холодных нефтепродуктов

- кислот

- сжиженных газов

- глинистого и цементного растворов и т.д.

- по расположению рабочих цилиндров

- горизонтальные

- вертикальные

- по конструкции

- поршневые

- плунжерные

- диафрагменные (всасывание и нагнетание осуществляется за счет изменения формы гибкой диафрагмы)

- по числу цилиндров – с одним насосным цилиндром, с двумя, тремя и многоцилиндровые

- по кратности действия

- одинарного действия

- двойного действия

- по типу привода

- приводные

- прямодействующие

- ручные

- по быстроходности рабочего органа

- средней быстроходности, с числом двойных ходов поршня в минуту 80-150

- быстроходные, с числом двойных ходов поршня в минуту 150-350

- по величине подачи

- малые (диаметр поршня d=50 мм)

- средние (d=50…150 мм)

- большие (d>150 мм)

- по величине развиваемого давления

- малого давления

- среднего

- высокого

а – поршневой простого действи

б – плунжерный простого действия

в – поршневой двойного действия

г – дифференциальный

Поршневые насосы

Достоинства поршневых насосов

- широкое применение для перекачки различных жидкостей (различной температуры, вязкости, агрессивности)

- достижение высоких напоров при любых, даже незначительных подачах

- высокий КПД

-стабильная подача

Недостатки поршневых насосов

- тихоходность, и, следовательно, большие габариты, большая масса, высокая стоимость

- неравномерность подачи и пульсация давлений во всасывающей и нагнетательной линиях.

Рабочая камера - объем цилиндра,

вытеснитель – поршень с возвратно-поступательным движением, которое ему сообщает кривошипно-шатунный механизм.

Гидравлическая часть поршневого насоса

Корпус гидравлической части насоса может быть литой или сварной. В зависимости от конструкции насоса корпус может быть выполнен как одно целое с клапанной коробкой, всасывающими и нагнетательными патрубками.

Поршни изготавливают цельными или составными в зависимости от условий работы насоса и частоты смены быстроизнашивающихся деталей.

Плунжеры применяют монолитной и пустотелой конструкции.

Клапан поршневого насоса

Клапаны:

принудительного действия и самодействующими.

По кинематике клапаны подразделяются на

- откидные,

- вращающиеся вокруг оси,

- подъемные, перемещающиеся вдоль своей оси,

- шаровые, перемещающиеся в пространстве клапанной коробки и при этом свободно вращающиеся.

Подъемные клапаны бывают тарельчатыми и кольцевыми.

Теоретическая (идеальная) подача поршневых насосов

определяется рабочим объемом Vо и частотой вращения вала n.

Рабочим объемом насоса Vо называется объем, вытесняемый поршнем в процессе нагнетания за один период его движения, т.е. за один двойной ход или за один оборот вала.

Vо=Vk=hSп=2rSп

где Sп – площадь поршня

h – полный ход поршня (h=2r, r – радиус кривошипа).

Qи= Vоn=hSпn

Идеальная подача для насоса двойного действия. Такой насос за полный оборот кривошипа подает дважды

Vo=V1+V2

V1=Sпh

V2=(Sп-Sш)h

где Sш – площадь поперечного сечения штока

Qи=(2Sп-Sш)hn

Действительная подача

Возможна утечка из-за неплотности прикрытия клапанов и негерметичности уплотнений.

Эти факторы учитываются коэффициентом подачи hоб

Q=hобQи

hоб=Q/(Q+q) , где q – утечки жидкости в единицу времени

Закон движения поршня х, его скорость vп и ускорение jп зависит от угла поворота кривошипа a.

х=(h/2)(1-cosa)

vп=(h/2)wsina

jп=(hw2/2)cosa

Текущее значение идеальной подачи

Qи.т=vпSп=(h/2)Sпwsina

Неравномерность подачи

Важнейший показатель, характеризующий насос объемного действия, - степень неравномерности его подачи, отражающая отношение максимальной подачи к средней за один оборот кривошипа.

Неравномерность подачи характеризуется коэ

σ=Qmax-Qmin)/Qи

Неравномерная подача жидкости приводит к пульсации ее потока во всасывающем и нагнетательном трубопроводах, увеличивая нагрузку на привод насоса.

Принцип работы современных насосов и их кинематика определяют неравномерность заполнения рабочих камер и вытеснение из них жидкости, например, вследствие неравномерности движения вытеснителей. Это определяет неравномерность или пульсации подачи жидкости насосом в напорную магистраль. В практике неравномерность (пульсация) подачи у насосов невелика (около 1,0%) и зависит от конструктивных и кинематических особенностей насоса. Однако пульсация подачи жидкости вызывает пульсацию давления вследствие инерции жидкости и ее высокого модуля упругости; амплитуда пульсации давления при высокой герметичности насоса может значительно превысить амплитуду пульсации подачи. Пульсация давления в насосе определяется не только пульсацией подачи, но и в значительной мере несовершенством узла распределения современных насосов. Последнее обусловлено явлениями сжатия рабочей жидкости, заключенной в камерах насоса при ее переносе из полости всасывания в полость нагнетания. Эта неравномерность может значительно превышать расчетную неравномерность, определяемую кинематикой насоса. Пульсация давления насоса может привести к усталостному разрушению гидра магистрали, особенно шлангов, а также вызвать вибрацию устройств управления.

Компенсаторы

фаза 1 - Qср=Qн + Qк

фаза 2 - Qср=Qн - Qк

фаза 3 - Qср=Qн + Qк

а – диафрагменный тупиковый с перфорированной трубкой;

б – диафрагменный шаровой;

в – диафрагменный проточный;

г – тупиковый клапанный

Индикаторная диаграмма

Индикаторная диаграмма — для различных поршневых механизмов графическая зависимость давления в цилиндре от хода поршня (или в зависимости от объёма, занимаемого газом или жидкостью в цилиндре). Индикаторные диаграммы строятся при исследовании работы поршневых насосов, двигателей внутреннего сгорания, паровых машин и других механизмов.

Площадь диаграммы пропорциональна работе поршня, совершенной за один двойной ход.

Разность средних давлений – среднее индикаторное давление

ринд=fинд/(хинд*аинд)

где fинд, хинд – площадь и длина индикаторной диаграммы, аинд – вертикальный масштаб. Горизонтальный масштаб не требуется

*Индикаторная мощность, затрачиваемая в рабочей камере

Nинд= риндSпhn

*Индикаторная работа

Аинд=(р2ср-р1ср)Sпh

Общая индикаторная мощность многокамерного насоса

где lинд - удельная индикаторная работа;

rQиaн - массовый расход жидкости (вместе с утечками);

aн - коэффициент наполнения насоса.

*Индикаторный к. п. д.

где Nп, р, Q- полезная мощность, давление и подача насоса;

- гидравлический к. п. д.

Мощность насоса (N= Nинд + Nм).

Механический к. п. д. hм = Nинд/N

К. п. д. насоса

Диагностика поршневого насоса по индикаторной диаграмме

1 — вместе с жидкостью по линии асжимается воздух

2 — в рабочей камере вследствие неправильной конструкции образуется газовый мешок

3 — запаздывание с посадкой всасывающего клапана

4 — запаздывание с закрытием нагнетательного клапана

5, 6— неплотность клапанов.

7 — насос работает без пневмокомпенсаторов или при их неэффективном действии

8 — жидкость неравномерно подходит к насосу при давлении выше атмосферного

Расчет поршневого насоса

Определение мощности приводного двигателя

КПД насоса

где Nп, Вт – полезная мощность

Nп=HнrgQн= рнQн

hн=hгhоhм

hм=h1h2h3h4

h1 – КПД подшипников валов (0,98…0,99),

h2 – КПД зубчатой передачи (0,98…0,99),

h3 – КПД кривошипно-шатунного механизма (0,95),

h4 – КПД поршней и уплотнений (0,92).

мощность, необходимая для приведения насоса в действие

N=Nп/hн= HнrgQн/hн

*Выбор двигателя для насоса

выбирается с учетом возможных перегрузок, а также КПД передачи hп

Nдв=jN/hп

j - коэффициент запаса

(для больших насосов он равен 1,1…1,5, для малых – 1,2…1,5);

hп – КПД передачи между двигателем и насосом

(для клиноременной передачи – 0,92, для цепной – 0,98).

Наибольший крутящий момент, развиваемый приводным двигателем, М=Мд.max/ihп

Мд.max – максимальный момент, развиваемый приводным двигателем;

i – передаточное отношение передачи.

Основные размеры гидравлической части насоса

для насосов одностороннего действия

Vцо=khSп=khpD2/4

для насосов двухстороннего действия

Vцд=kh(2Sп – Sш) =

k – число цилиндров насоса;

h – ход поршня (обычно задается на основании анализа существующих конструкций)

Максимальные диаметры поршней Dmax для наибольшей подачи Qн max

для насосов одностороннего действия

для насосов двухстороннего действия

kг – геометрический коэффициент (для трехпоршневого насоса одностороннего действия равен 25,46, для двухпоршневого насоса двухстороннего действия – 19,1)

a - коэффициент подачи (отношение действительной подачи к идеальной). Для расчетов коэффициент подачи принимают равным 0,9.

Длина цилиндровой втулки

l=h+lп+Dl

lп – длина поршня

Dl – запас длины

(запас длины цилиндровой втулки 30…50 мм используется для заходной фаски, а также для подтягивания изношенного уплотнения и компенсации возможного удлинения штока при неполном свинчивании его составных частей).

Расчет клапанных коробок и цилиндров на прочность

р – давление опрессовки,

[s] – допустимые напряжения растяжения

Давление опрессовки принимают вдвое большим, чем максимальное развиваемое насосом.

Диаметр штока поршня определяют из расчета на прочность и приводят в соответствие со значениями ряда.

[s] – допустимое напряжение, s - фактическое напряжение, Pmax – максимальное усилие, действующее на шток.

При определении Pmax необходимо учитывать силы трения в уплотнениях штока и поршня

*Определение критического усилия Ркр на шток используя формулу Эйлера

m - коэффициент приведенной длины, принимается равным 0,5 в предположении, что оба конца штока защемлены;

l – действительная длина стержня;

Е – модуль упругости;

I – момент инерции сечения, I=(pd4)/64.

Диаметр клапана

рассчитывается по площади проходного сечения, необходимой для перемещения жидкости с заданной скоростью.

При полном открытии клапана площадь проходного сечения у горловины конического седла

Sпр=pdклhmaxsina

dкл – диаметр горловины седла клапана;

a - угол между образующей и осью конуса.

По условию неразрывности потока жидкости,

вытесняемой из одной рабочей камеры

Sпrw= Sпрv

v – условная средняя скорость потока жидкости в проходном сечении горловины клапана.

Диаметр клапана

dкл=Sпrw/pvmaxhmax sina

Гидромотором называется объемный гидравлический двигатель с вращательным движением выходного звена. Классификация гидромоторов приведена на рис. 5.8. Наибольшее распространение получили роторные гидромоторы. Их конструкции ничем принципиально не отличаются от конструкций одноименных роторных насосов. Некоторые конструктивные отличия обычно вызваны обратным направлением потока мощности через гидромотор (по сравнению с насосом). Применительно к гидромоторам необходимо учитывать, что мощность к гидродвигателю подводится с потоком жидкости. В гидромоторе она преобразуется во вращательное движение, а затем реализуется в виде крутящего момента на его выходном валу.

Широкое распространение получили шестеренные (рис. 5.9), пластинчатые и роторно-поршневые (рис. 5.10 и 5.11)

Рис. 5.8. Классификация гидромоторов

5.9 Шестерный гидромотор

Рис. 5.10. Радиально-поршневой гидромотор

Рис. 5.11. Аксиально-поршневой гидромотор

гидромоторы. Наиболее широко используются роторно- поршневые гидромоторы. При этом аксиально-поршневые применяются в случае необходимости получения на выходе высоких скоростей вращения, а радиально-поршневые гидромоторы – для получения низких скоростей вращения (в частности, используются в мотор-колесах самоходных машин).

Основной характеристикой геометрических размеров роторных гидромоторов, как и роторных насосов, является их рабочий объем W_o. Эта величина имеет тот же физический смысл и определяется так же, как и у насосов. Следует отметить, что гидромоторы и аналогичные им насосы могут быть с переменным рабочим объемом, т.е. регулируемыми.

Полные КПД роторных гидромоторов определяются произведением объемного и механического КПД. Гидравлические потери в этих гидромоторах малы, поэтому их гидравлические КПД принимают равными единице (η_г = 1). Численные значения объемных η_о и механических η_м КПД роторных гидромашин практически не отличаются от аналогичных величин для однотипных насосов.

При расчете гидромоторов используются две основные формулы. Они несколько отличаются от аналогичных формул для роторных насосов из-за противоположного направления потока мощности. Первая из этих формул связывает момент на валу гидромотора с перепадом давлений в напорном и сливном трубопроводах. Вторая формула связывает расход Q через гидромотор с частотой вращения его вала n.

Для обозначения гидромоторов на принципиальных гидравлических схемах используется та же система символов, что для обозначения роторных насосов. Но в отличие от насосов у гидромоторов стрелки (треугольники) внутри окружностей, указывающие направление движения жидкости, всегда направлены внутрь окружности. Символ регулируемых гидромоторов также перечеркивается тонкой стрелкой.

В заключение следует отметить, что выпускаются роторные гидромашины, которые могут работать как в режиме насоса, так и в режиме гидромотора. Такие гидромашины принято называть насос-моторами

Расчет крутящего момента и мощности на валу гидромотора. Регулирование рабочего объема.

Мощность и крутящий момент на валу гидромотора. Фактическая мощность развиваемая гидромотором при данном перепаде давлений

N_{M факт} = ΔPq_Mn_Mη_M

где q_м - рабочий объем гидромотора; 
n_м - частота вращения гидромотора; 
η_м - общий КПД гидромотора.

Выразив крутящий момент через теоретическую мощность N_Т = ΔPqn и угловую скорость ω= 2πn, получим теоретическую величину крутящего момента для гидромашины:

Рабочий объем гидромашины в насосе - это объем жидкости вытесняемый в систему за один оборот вала насоса; в гидромоторе - объем жидкости, необходимый для получения одного оборота вала гидромотора. Гидромашины изготавливаются с постоянным и переменным рабочим объемом. В соответствии с этим с постоянным рабочим объемом называются нерегулируемые, а с переменным - регулируемые.

Гидролиния (магистраль) - как уже говорилось в лекции 2, это трубопровод, по которому транспортируется рабочая жидкость. Различают магистрали всасывающие, напорные, сливные и дренажные.

Производительность насоса (подача) - это отношение объема подаваемой жидкости ко времени.

Теоретическая производительность насоса Q_Т - это расчетный объем жидкости, вытесняемый в единицу времени из его полости нагнетания.

Действительная производительность насоса Q_Д уменьшается на величину QН из-за обратного течения жидкости в насосе из полости нагнетания в полость всасывания и из-за утечки жидкости во внешнюю среду. Поэтому

Q_Д = Q_Т - Q_Н,

а отношение

где η_об.н. - объемный КПД насоса.

Направляющая гидроаппаратура.

Направляющие гидроаппараты изменяют направление потока масла путем полного открытия или полного закрытия рабочего проходного сечения. К этой группе аппаратов относятся гидрораспределители золотникового или кранового типа, обратные клапаны, а также некоторые гидроклапаны давления, которые могут работать в режиме направляющих гидроаппаратов.

Гидрораспределители предназначены для изменения направления или пуска и остановки потока масла в двух или более линиях в зависимости от наличия внешнего управляющего воздействия. Они позволяют реверсировать движение рабочих органов в станках, останавливать рабочие органы (трехпозиционные распределители), а также выполнять другие операции в соответствии с гидросхемой распределителя. Распределители имеют запорно-регулирующий элемент, выполнен­ный в виде золотника, совершающего осевое движение, или крана, совершающего поворотное движение (рис. 1). В положении золотника распределителя ГР, показан- ном на рисунке, основной поток маслаQ из напорной линии Р по ,линии А поступает в одну из камер гидродвигателя ГД, а из противоположной камеры вытесняется через линию В и распределитель в сливную линию Т При переме­щении рукоятки управления в другую крайнюю позицию направление потока масла реверсируется (Р-ГР-В~ГД-А-ГР-Т), в результате чего изменяется направление движения гидродвигателя, а вместе с ним и рабочего органа станка. Трехпозиционные распределители имеют дополнительно среднюю (нейт­ральную) позицию, в которой возможна остановка гидродвигателя.

Направляющие аппараты гидросистем должны иметь малые утечки, незначи­тельные потери давления при протекании через их каналы потока масла, минимальные усилия для перемещения золотника (или крана), а также возможность получения безударного реверса движения рабочего органа при ограниченном времени переключения. Перемещение золотника в корпусе возможно лишь при наличии радиального зазора между этими деталями, по которому возможны утечки масла между полостями. Утечка (см³/мин) на каждом уплотняющем пояске

гдеD — диаметр золотника, мм (см. рис. 1); δ_р — радиальный зазор между золот­ником и отверстием в корпусе, мкм; ∆р — перепад давления на уплотняющем пояске, МПа; v - вязкость масла, сСт; l - длина уплотняющего пояска (вдоль оси золотника), мм.

Для уменьшения утечек необходимо уменьшать радиальный зазор, однако технологически обеспечить величину зазора менее 5 мкм трудно; кроме того, при малых зазорах снижается надежность работы аппарата, так как деформации корпуса могут вызывать заклинивание золотника. Для снижения утечек целесо­образно также уменьшать диаметр золотника и увеличивать длину уплотняющих поясков, что приводит к нежелательному увеличению потерь давления и хода золотника. Таким образом, конструктору обычно приходится выбирать разумный компромисс.

Для перемещения золотника в корпусе необходимо приложить к золотнику осевое усилие,которое зависит от рабочею давления, размеров золотника» а также правильности геометрической формы золотника и отверстия в корпусе. Трение в золотниковой паре зависит от времени пребывания золотника в покос под давлением. Исследования показали, что после выдержки распределителя с зо­лотником диаметром 25 мм, имеющим два уплотняющих пояска длиной 4 мм, иод давлением 20 МПа в течение I ч на стенде, защищенном от вибрации, усилие, необходимое для страгивания золотника с места, превышало 500 Н, причем после выдержки под давлением и отключения насоса усилие оставалось примерно таким же. Трение золотника при наличии рабочего давления создастся вследствие неравномерного распределения давления в зазоре. При зтом возникает неуравнове­шенное радиальное усилие, прижимающее золотник к одной стороне. Радиальное усилие действует лишь на те уплотняющие пояски золотника распределителя, по которым идет утечка масла, вызванная перепадом давления; пояски, имеющие одинаковое давление с обеих сторон, радиальным усилием не нагружаются. Одной из причин возникновения защемляющих усилий, остающихся после сброса давления, является засорение радиального зазора загрязняющими частицами, находящимися в масле. Наиболее простои способ снижения неуравновешенных радиальных сил давления жидкости на золотник состоит в прорезке на уплотняющих поясках кольцевых разгрузочных канавок шириной и глубиной 0,3-0,5 мм, выравнива­ющих давление в зазоре по окружности.

Кроме гидростатических на золотник действуют также осевые гидродинами­ческие силы (Н| потока масла

, где Q - расход масла через рабочую кромку золотника, л/мин; Ap_t - перепад давления на кромке. МПа.

Гидродинамические силы обычно стремятся переместить золотник в направлении закрытия щели. Для распределителей, применяемых в станкостроении, эти усилия сравнительно невелики, и специальных средств зашиты ог них, как правило, не предусматривается.

При переключении распределителей возможны гидравлические улары в систе­мах. Для устранения ударов на рабочих кромках золотника выполняются кони­ческие фаски или дросселирующие прорези, обеспечивающие достаточно плавное изменение давления в камерах гидродвигателя. Кроме того, в распределителях с гидравлическим и электрогилравлическим управлением предусматривается возможиость регулирования скорости перемещения золотника. Это позволяет при необходимости изменять время реверса в пределах 0,05 — 3 с. В гидроприводах, в которых требуется высокое быстродействие, могут применяться распределители с электроуправлением. Время срабатывания таких распределителей не превышает 0,01—0,02 с. Поскольку тяговое усилие и ход электромагнита ограничены, распре­делители с электроуправлением имеют обычно условный проход не более 10 мм; для больших типоразмеров применяется электрогидравлическое управление.

Обратные клапаны практически свободно пропускают поток масла в одном направлении; при движении масла в противоположном направлении клапаны запирают поток. Обратные клапаны должны быть герметичными в закрытом положении и обладать минимальным гидравлическим сопротивлением в открытом положении.

Гидроклапаны давления (см. гл. 5) пропускают через себя поток масла, когда достигаются заданные давление в линии подвода, разность давлений в линии управления и линии отвода или разность давлений в двух линиях управления.

Гидрораспределители.

Гидрораспределителемназывается гидроаппарат, предназначенный для изменения направления потока рабочей жидкости в двух или более гидролиниях в зависимости от внешнего управляющего воздействия.

Гидрораспределители бывают направляющими и дросселирующими.

Направляющим гидрораспределителемназывается направляющий гидроаппарат, предназначенный для пуска, остановки или изменения направления потока рабочей жидкости в двух или более гидролиниях в зависимости от наличия внешнего управляющего воздействия.

Гидрораспределители делятся:

- по конструкции запорно-регулирующего элементана золотниковые (с цилиндрическим или плоским золотником), крановые и клапанные;

- по числу внешних гидролинийна двухлинейные, трехлинейные, четырехлинейные и т. д.;

- по числу фиксированных или характерных позицийзапорно-регулирующего элемента на двухпозиционные, трехпозиционные и т. д.;

- по виду управленияна распределители с ручным, механическим, электрическим, гидравлическим и другими видами управления;

- по числу запорно-регулирующих элементов на одноступенчатые, двухступенчатые и т.д.

Крановые гидрораспределители применяются при небольших давлениях и расходах. Их запорно-регулирующие элементы выполняются в виде цилиндрического или конического крана. Чаще используют крановые распределители с коническим запорно-регулирующим элементом и ручным управлением. При переключении этого гидрораспределителя его запорно-регулирующий элемент поворачивается вокруг своей оси.показана конструкция трехпозиционного кранового гидрораспределителя с ручным управлением, Клапанные гидрораспределители по конструкции запорно-регулирующего элемента делятся на шариковые и конические, а по способу переключения – на распределители с ручным, электромагнитным и гидравлическим управлением.

Дросселирующие гидрораспределители

Дросселирующим гидрораспределителем называется регулирующий гидроаппарат, предназначенный для изменения величины расхода и направления движения потока рабочей жидкости в нескольких гидролиниях одновременно в соответствии с изменением величины внешнего управляющего воздействия. Чаще всего в качестве дросселирующих гидрораспределителей используются золотниковые гидрораспределители. Функции, близкие к тем, что решают золотниковые дросселирующие гидрораспределители, позволяют обеспечить струйные гидрораспределители и гидрораспределители типа «сопло-заслонка». Такие гидрораспределители часто используются как предварительная ступень гидравлического управления в гидрораспределителях с многоступенчатым управлением.

В отличие от направляющего гидрораспределителя, запорно-регулирующий элемент дросселирующего гидрораспределителя может занимать, кроме характерных, бесконечное множество промежуточных рабочих положений, образуя дросселирующие проходные сечения для потока рабочей жидкости. Обычно площадь рабочего проходного сечения находится в прямо пропорциональной зависимости от величины управляющего сигнала.

Струйные гидрораспределители

Примером струйного гидрораспределителя является гидрораспределитель типа «струйная трубка», принципиальная схема которого представлена на рис. 6.29,а.

К струйной трубке 1, имеющей возможность поворачиваться на некоторый угол, подводится поток жидкости. В сливной полости размещена плата 4 с приемными окнами, к которым подключены гидролинии 2 и 3, связанные с гидродвигателем.

В струйной трубке энергия давления потока жидкости преобразуется в кинетическую энергию струи, которая затем при попадании жидкости в расширяющееся приемное окно платы 4, расположенное напротив струйной трубки, преобразуется опять в энергию давления. При повороте струйной трубки происходит перераспределение энергии жидкости между приемными окнами. В них возникает некоторый перепад давления, который и обеспечивает движение ведомого звена гидродвигателя. Чем больше угол поворота струйной трубки, тем больше перепад давления и тем больше скорость движения ведомого звена гидродвигателя.

К достоинствам гидрораспределителя «струйная трубка» относятся:

малая чувствительность к загрязнению рабочей жидкости и незначительное влияние вязкости на его характеристики.

К недостаткам относятся: конструктивная и технологическая сложность подвода жидкости к поворачивающейся струйной трубке и возможность возникновения вибрации струйной трубки при некоторых значениях давления питания.

Гидрораспределитель типа «сопло-заслонка»

В гидрораспределителе типа «сопло-заслонка» распределение жидкости основано на принципах построения гидравлических делителей давления, в которых используются регулируемые и настраиваемые гидродроссели.

На практике широкое распространение получили одно- и двухдроссельные (по числу регулируемых гидродросселей) гидрораспределители типа «сопло-заслонка».

При уменьшении расстояния между соплом и заслонкой за счет поворота заслонки (увеличения сопротивления регулируемого гидродросселя «сопло-заслонка» потоку жидкости) давление p в междроссельной камере увеличивается. Под действием силы от этого давления поршень гидроцилиндра 5 смещается вправо, преодолевая сопротивление пружины. При увеличении расстояния между соплом и заслонкой давление p в междроссельной камере уменьшается. Поршень гидроцилиндра 5 при этом под действием пружины будет двигаться влево до тех пор, пока сила пружины не уравновесится силой давления жидкости в левой полости гидродвигателя.

Электрогидравлические усилители мощности управляющего сигнала

Часто в гидроприводах с электрическим управлением используются устройства предварительного усиления мощности входного управляющего сигнала. В этом случае применяют устройства, для которых входным является электрический сигнал, а выходным – некоторый поток рабочей жидкости с параметром (расходом или давлением) пропорциональным величине входного сигнала. Направление потока или знак перепада давления при этом соответствует знаку входного электрического сигнала. Такие устройства называются электрогидравлическими усилителями (ЭГУ).

ЭГУ состоит из электромеханического преобразователя (ЭМП), в котором электрический сигнал преобразуется в некоторое механическое перемещение (поворот вала или перемещение толкателя электромагнита), и гидравлического усилителя (ГУ) мощности, в качестве которого используется, как правило, дросселирующий гидрораспределитель.

Одной из проблем, возникающих при этом, является то, что мощности электрического сигнала не достаточно для обеспечения перемещения золотника дросселирующего гидрораспределителя. В этом случае применяют так называемые многокаскадные ЭГУ с двумя и более каскадами усиления входного сигнала.

Пневмораспределители.

Пневмораспределители предназначены для изменения направления потоков сжатого воздуха в двух или более внешних пневмолиниях в зависимости от внешнего управляющего воздействия. Под внешними пневмолиниями понимаются воздухопроводы и каналы для прохождения воздуха (в том числе и отверстия для связи с атмосферой), соединяемые в определенных сочетаниях при различных положениях распределительного органа.В зависимости от количества подводящих и отводящих магистралей (каналов) пневмораспределители делятся на двухканальные, трехканальные, четырехканальные, пятиканальные и т.д., по количеству его фиксированных положений – двухпозиционные, трехпозиционные.                                                                                               По способу управления пневмораспределители могут быть с электромеханическим, электропневматическим, механическим, пневматическим и ручным управлением.

При электромеханическом управлении электромагнит пневмораспределителя непосредственно перемещает распределительный элемент. Пневматическое управление осуществляется воздухом, поданным в управляющий канал пневмораспределителя. Механическое управление осуществляется концевыми выключателями. Электропневматическое управление (или пилотное управление) – электромагнитное поле катушки управляющего распределителя (пилота) воздействует на якорь, переключающий распределительный элемент основного распределителя. Для проведения наладочных работ в пневмосистемах в конструкциях электропневматических распределителей предусмотрено ручное дублирование управления, которое позволяет переключить распределитель без подачи электрического управляющего сигнала.

Управление пневмораспределителем может быть одностороннее или двухстороннее. При одностороннем управлении возврат распределительного элемента осуществляется с помощью механической пружины или пневматической пружины (подачей воздуха, автоматически отобранным по каналу распределителя из магистрали). При двустороннем управлении на пневмораспределитель подается два управляющих сигнала.

По виду распределительного элемента распределители могут быть клапанного или золотникового типа.

По способу монтажа распределители имеют стыковое, трубное, резьбовое исполнение.

К расходным характеристикам пневмораспределителей относят условный проход, пропускную способность, эффективную площадь проходного сечения, время срабатывания, а также мощность электромагнитной катушки для электромеханических и электропневматических распределителей.

Существуют понятия «нормально открытого» и «нормально закрытого» распределителя.

«Нормально открытый» распределитель – при отсутствии управляющего воздействия питание «открыто», т.е. сжатый воздух проходит к выходному каналу распределителя. «Нормально закрытый» распределитель – при отсутствии управляющего воздействия питание «закрыто».

Гидроклапаны.

Гидроклапан – это гидроаппарат, в котором величина открытия рабочего проходного сечения (положение запорно-регулирующего элемента) изменяется от воздействия потока рабочей жидкости, проходящего через гидроаппарат.

Существуют как регулирующие, так и направляющиегидроклапаны.

К регулирующим гидроклапанамотносятся гидроклапаны давления, а именно: гидроклапаны напорные и редукционные, а также гидроклапаны разностии соотношения давлений.

Гидроклапаном давленияназывается регулирующий гидроклапан, предназначенный для регулирования давления в потоке рабочей жидкости.

По характеру воздействия потока рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент клапана различают гидроклапаны давления прямогои непрямого действия.

В гидроклапанах прямого действияпроходное сечение изменяется в результате непосредственного воздействия контролируемого потока рабочей жидкости на запорно- регулирующий элемент клапана.

Гидроклапаны непрямого действияпредставляют собой совокупность, как правило, двух клапанов: основного и вспомогательного, причем величина открытия рабочего проходного сечения основного клапана изменяется в результате воздействия потока рабочей жидкости на запорно- регулирующий элемент вспомогательного клапана.

Напорным гидроклапаномназывается гидроклапан давления, предназначенный для ограничения давления в подводимом потоке рабочей жидкости.

К напорным гидроклапанам относятся предохранительный и переливнойгидроклапаны.

Предохранительным гидроклапаномназывается напорный гидроклапан, предназначенный для предохранения элементов гидросистемы от давления, превышающего допустимое. Предохранительные гидроклапаны используются во всех объемных гидроприводах и устанавливаются, как правило, в непосредственной близости у насоса, а также в местах, где по условиям работы гидросистемы возможно возникновение опасных по величине давлений. Как правило, для предохранительного гидроклапана характерен эпизодический режим работы.

Предохранительный клапан прямого действия

В данном случае используется конусный запорно- регулирующий элемент 2, прижимающийся к седлу в корпусе 1 пружиной 3. Давление срабатыванияпредохранительного гидроклапана p_к можно отрегулировать при помощи регулировочного винта 4 за счет изменения силы предварительного поджатия пружины 3.

Переливной– это напорный гидроклапан, предназначенный для поддержания заданного уровня давления на входе в клапан с заданной точностью путем непрерывного слива части потока рабочей жидкости.Переливные клапаны работают постоянно в неустановившемся режиме, поэтому в них для исключения ударов запорно-регулирующего элемента о седло, как правило, используются золотниковые запорно-регулирующие элементы. Возможность использования в конструкции переливного клапана золотникового запорно-регулирующего элемента обусловлена также и отсутствием жестких требований к их герметичности.На рис. 6.4 приведена конструктивная схема переливного клапана прямого действия с золотниковым запорно-регулирующим элементом.

Переливной клапан прямого действия

Основным требованием, предъявляемым к переливному гидроклапану, является поддержание заданного уровня контролируемого давления с заданной точностью в рабочем диапазоне изменения величины расхода жидкости, сливающейся через клапан.

Переливные гидроклапаны используются в гидроприводах с дроссельным регулированием. Они подключаются к напорной гидролинии на выходе насоса или устанавливаются в сливную гидролинию последовательно. В этих случаях они выполняют функцию подпорных гидроклапанов.

К основным параметрам напорных клапанов (ГОСТ 16517-82) относятся условный проход Dy; номинальное давление p_ном; диапазон регулирования давления; максимальные внутренние утечки жидкости (для предохранительных клапанов); масса (без рабочей жидкости); зависимость регулируемого давления от расхода, сливающегося через клапан.

Редукционным называется регулирующий гидроклапан, предназначенный для поддержания в отводимом потоке постоянного давления р₂ меньшего, чем давление р₁ в подводимом потоке. Он чаще всего применяется в гидросистемах, где от одного насоса работают несколько потребителей, требующие разные уровни давлений питания.

Редукционный клапан прямого действия состоит из запорно-регулирующего элемента 3, объединенного с уравновешивающим поршнем 1, и пружины 2, размещенных в гнезде корпуса 8, образующего седло 6 клапана. Для демпфирования возможных колебаний заклапанная полость 9 соединена с областью слива дросселем 10. В отличие от напорных гидроклапанов редукционный клапан нормально открыт, т.е. при выключенной гидросистеме запорно- регулирующий элемент клапана пружиной полностью открывается. Это обстоятельство отражено в условном обозначении редукционного клапана тем, что стрелка внутри квадрата соединяет входную и выходную гидролинии.прямого действия

Пружина стремится удержать клапан в открытом положении, ограниченном упором 4, а давление р₂ в полости 5 создает силу, которая стремится клапан закрыть. В полости 7 гидростатические силы от давления р₁, действующие на запорно-регулирующий элемент по кольцевой площади, взаимно уравновешиваются: одна сила действует на запирающий элемент 3 в сторону его открытия, а другая на уравновешивающий поршень 1 в противоположную сторону (эти силы имеют одну и ту же величину, так как получаются в результате действия одного давления на равные площади). Поэтому давление р₁ на работу клапана непосредственного влияния не оказывает.

При наличии жестких требований по точности поддержания величины редуцируемого давления рекомендуется использовать редукционный клапан непрямого действия

Гидроклапан разности (перепада) давлений– это гидроклапан давления, предназначенный для поддержания заданной разности давлений в подводимом и отводимом потоках рабочей жидкости или в одном из этих потоков и постороннем потоке.

Схема гидроклапана разности давлений, предназначенного для поддержания заданной разности давлений в подводимом и отводимом потоках рабочей жидкости.

Гидроклапан разности (перепада) давлений

В его корпусе 1 размещены золотниковый запорно-регулирующий элемент 2 и пружина 3. Торцевые полости золотника соединены каналами с подводимым и отводимым потоками рабочей жидкости.

К основным параметрам клапанов разности давлений (ГОСТ 16517-82) относятся: условный проход Dy; максимальное рабочее давление p_ном; рабочий диапазон регулирования разности давлений; масса (без рабочей жидкости); зависимость разности давлений от расхода, рабочий диапазон расходов через клапан.

Гидроклапан соотношения давлений– это гидроклапан давления, предназначенный для поддержания заданного соотношения давлений в подводимом и отводимом потоках рабочей жидкости или в одном из этих потоков и постороннем потоке.

гидроклапана соотношения давлений, предназначенного для поддержания заданного соотношения давлений в подводимом и отводимом потоках рабочей жидкости.

В обоих случаях он включает в себя золотниковый запорно-регулирующий элемент 2 с разной эффективной площадью сечения золотника. Последнее достигается разными способами: либо за счет использования ступенчатого золотника либо за счет установки дополнительного

плунжера-толкателя 1. С технологической точки зрения второй вариант считается предпочтительным. С помощью каналов, выполненных в корпусе 3, торцевые полости запорно-регулирующего элемента 2 соединены с подводимым и отводимым потоками рабочей жидкости.

Изменение давления в одном из потоков приводит к перемещению запорно-регулирующего элемента 2 и соотношение давлений восстанавливается. Соотношение давлений обратно пропорционально отношению эффективных площадей запорно-регулирующего элемента 2.

К основным параметрам клапанов соотношения давлений (ГОСТ 16517-82) относятся: условный проход Dy, максимальное рабочее давление p_ном, величина поддерживаемого соотношения давлений, масса (без рабочей жидкости), рабочий диапазон расходов через клапан

Гидравлические дроссели.

Гидродроссель – это регулирующий гидроаппарат, предназначенный для получения заданной величины расхода при данной величине перепада давления в подводимом и отводимом потоках рабочей жидкости.

Гидродроссель представляет собой местное гидравлическое сопротивление, которое также может использоваться для снижения давления в отводимом потоке рабочей жидкости при данном расходе.

Важной особенностью гидродросселя является то, что проходное сечение в нем не изменяется под действием потока рабочей жидкости.

Применение гидродросселей в качестве регулирующих элементов объемных гидроприводов требует от них двух качеств:

- возможность получения характеристики гидродросселя желаемого вида;

- сохранение стабильности характеристики гидродросселя во время эксплуатации.

Под характеристикой гидродросселяпонимается зависимость потерь давления Δp_др в гидродросселе (перепада давления на гидродросселе) от расхода Q рабочей жидкости, проходящей через него.

По виду этой зависимости различают гидродроссели:

- линейные– имеют линейную характеристику

Δp_др = KQ;                                                                      (6.1)

- квадратичные– имеют квадратичную характеристику

Δp_др = KQ.                                                                       (6.2)

Линейность характеристики линейного гидродросселя на практике обеспечивается за счет наличия в его конструкции протяженного канала малого проходного сечения, внутри которого получают ламинарный режим течения жидкости (см. закон Пуазейля).

На рис. 6.1 приведена конструктивная схема линейного регулируемого гидродросселя, в котором дросселирующим каналом является винтовая линия прямоугольного сечения, нарезанная на поверхности цилиндрического плунжера 1, образующего прецизионную пару с поверхностью гильзы 2. Регулирование гидродросселя осуществляется изменением рабочей длины lк дросселирующего канала за счет вращения винтовой головки 3.

Основным недостатком линейных гидродросселей является нестабильность их характеристики, а именно: зависимость крутизны их характеристики от температуры рабочей жидкости (от ее вязкости). Из-за этой температурной нестабильности характеристики линейные гидродроссели в системах автоматического управления объемными гидроприводами (системах гидроавтоматики) практически не встречаются.

Квадратичные гидродроссели в отличие от линейных имеют стабильную характеристику, не зависящую от температуры жидкости. В связи с этим квадратичные гидродроссели получили наибольшее распространение в гидроприводах и системах гидроавтоматики.

Простейшим квадратичным нерегулируемым (настраиваемым) гидродросселемявляется жиклер, представляющий собой отверстие в тонкой стенке, из которого происходит истечение жидкости под уровень.

Расчетной формулой для такого гидродросселя является формула истечения

,                                                         (6.3)

Рис. 6.1. Типовые конструктивные схемы гидравлических дросселей

из которой получаем выражение, определяющее его характеристику:

,                                                     (6.4)

где μ – коэффициент расхода, для минеральных масел в области квадратичного сопротивления его можно принимать равнымμ = 0,65;

      S_o – площадь проходного сечения отверстия в гидродросселе.

Недостатком этого гидродросселя является то, что для получения на нем достаточно большого перепада давления для относительно малых по величине значений расхода в гидродросселе следует иметь отверстие очень малой площади. При этом даже если удастся изготовить такое отверстие, то во время эксплуатации высока вероятность его засорения. Как следствие – изменение характеристики гидродросселя, т.е. надежность работы такого гидродросселя будет низкой. Поэтому на практике при решении подобной задачи рекомендуется использовать пакетные гидродроссели(рис. 6.1).

Такой гидродроссель состоит из набора шайб. При проектировании пакетного гидродросселя необходимо предусмотреть взаимную фиксацию шайб с целью получения максимального разведения отверстий в соседних шайбах.

Регулируемымназывается гидродроссель, в котором площадь его проходного сечения можно изменять путем воздействия на его запорно-регулирующий элемент из вне.

К регулируемым относятся крановые, золотниковые, клапанные (игольчатые) гидродроссели, гидродроссель типа «сопло-заслонка» и др.

У кранового гидродросселя(см. рис. 6.1) недостатком является увеличение необходимого момента управления пробкой при значительном рабочем давлении питания. Поэтому крановые гидродроссели рекомендуется использовать в низконапорных гидросистемах.

У золотникового гидродросселязапорно- регулирующий элемент (золотник) совершает осевое перемещение в корпусе, изменяя при этом площадь проходного сечения гидродросселя за счет изменения величины кольцевого зазора между торцем золотника и проточкой в корпусе. Недостатком золотникового гидродросселя является зависимость усилия управления запорно-регулирующим элементом от рабочего давления питания.

В клапанном,или игольчатом, гидродросселе(рис. 6.1) изменение площади проходного сечения происходит за счет перемещения запорно-регулирующего элемента относительно седла, приближаясь или удаляясь от него. Недостатком этого гидродросселя является зависимость усилия, необходимого для управления его запорно-регулирующим элементом, от рабочего давления питания.

В гидродросселе типа «сопло-заслонка»запорно- регулирующий элемент (плоская заслонка) перемещается вдоль оси сопла, приближаясь или отдаляясь от него. Следствием этого является изменение расстояния заслонки от торца сопла, а значит, изменение сопротивления потоку жидкости, вытекающему из сопла. В этом гидродросселе усилие, необходимое для управления заслонкой, пропорционально величине потерь давления на гидродросселе. Эта особенность может использоваться при проектировании систем автоматического управления объемным гидроприводом.

Для увеличения расхода рабочей жидкости, протекающей через дроссель в обратном направлении, в нем иногда предусматривают установку обратного клапана (рис. 6.2). 

Рис. 6.2. Регулируемый дроссель с обратным клапаном

Гидробаки и гидроаккамуляторы насосных установок. Насосные установки гидроприводов.

Гидробак — в гидроприводе ёмкость для хранения рабочей жидкости.

Гидравлические баки выполняют следующие функции:

• Хранение рабочей жидкости. Гидросистема требует для своей работы некоторый запас рабочей жидкости.
• Отстой рабочей жидкости. Поскольку системы объёмного гидропривода очень чувствительны к загрязнению рабочей жидкости, то крайне важным является очистка рабочей жидкости. Помимо фильтров, функцию очистки выполняют и гидробаки, в которых жидкость отстаивается и значительная часть абразивных частиц оседает на дно. В связи с этим в конструкциях гидробаков часто предусматривают специальные перегородки, препятствующие перемешиванию жидкости.
• Охлаждение рабочей жидкости. Одним из недостатков гидропривода является зависимость его рабочих параметров от вязкости рабочей жидкости, а значит, от её температуры. В связи с этим важной является функция охлаждения рабочей жидкости в гидробаке. Площадь поверхности гидробака при проектировании часто специально увеличивают для увеличения теплоотдачи.

Для предотвращения попадания в рабочую жидкость пыли и твёрдых частиц гидробаки должны оборудоваться специальными воздушными фильтрами.

Объём гидробака обычно проектируют равным двум-трём величинам подачи насоса.

Гидробаки рекомендуется устанавливать выше уровня расположения насоса — для улучшения условий всасывания и предупреждения возникновения кавитации во всасывающей полости насоса.

Гидробак с наддувом — это такой гидробак, в котором газ над жидкостью находится под давлением выше атмосферного. Гидробаки с наддувом устанавливают в тех случаях, когда нужно улучшить условия всасывания насоса и предотвратить возникновениие кавитации.

Гидроаккумулятор — это сосуд, работающий под давлением, который позволяет накапливать гидравлическую энергию и возвращать её в систему в нужный момент.

Классификация гидроаккумуляторов по способу накопления энергии

1. Гидроаккумуляторы с механическим накопителем;

а) грузовые гидроаккумуляторы(накопление энергии гидравлической жидкости и её возврат в систему происходит за счет потенциальной энергии находящегося на определённой высоте груза).

б) пружинные гидроаккумуляторы(накопление энергии гидравлической жидкости и её возврат в систему происходит за счёт механической энергии сжатой пружины).

2. Гидроаккумуляторы с пневматическим накопителем;

Преимущества и недостатки

Гидроаккумуляторы с пневматическим накопителем

В пневмогидравлических аккумуляторах (пневмогидроаккумуляторах) накопление энергии гидравлической жидкости и её возврат в систему происходит за счёт энергии сжатого газа. В пневмогидроаккумуляторах в качестве сжимаемой среды используется газ азот или сжатый воздух.

Преимущества и недостатки

Ввиду ряда недостатков гидроаккумуляторы с механическим накоплением энергии не получили широкого распространения и имеют ограниченное применение. Наиболее широкое применение на практике во всём мире получили пневмогидравлические аккумуляторы.

Процесс сжатия и расширения газа в пневмогидроаккумуляторе является политропным процессом. Для модели идеального газа справедлива зависимость:

P₀V₀ⁿ = P₁*V₁ⁿ = P₂*V₂ⁿ.

Причём, интервал времени, за который происходит процесс, учитывает показатель политропы «n». Медленно протекающие процессы расширения и сжатия газа близки к изотермическому с показателем политропы n~1. Быстрому расширению и сжатию газа близок адиабатный процесс, поэтому показатель политропы принимается n~1,4. При давлении выше 200 бар поведение реального газа отличается от поведения модели идеального газа и, если его не учитывать, то при расчётах получается заниженное значение объёма гидроаккумулятора. В этом случае необходимо ввести корректирующий коэффициент, учитывающий это несоответствие. При практическом применении зависимость давления от объёма газа может быть снижена за счёт увеличения газовой полости путём присоединения дополнительного объёма.

При малом изменении давления в жидкостной полости гидроаккумулятора газ сжимается незначительно. В этом случае для поддержания давления в узком диапазоне изменяемый объём гидроаккумулятора может оказаться недостаточным для рабочего процесса. Для того, чтобы изменение объёма в меньшей степени влияло на изменение давления, газовую полость гидроаккумулятора увеличивают посредством подключения к ней дополнительного ресивера. В этом случае объём газовой полости складывается из объёма ресивера и изменяемого объёма гидроаккумулятора. Экономически целесообразно применять гидроаккумуляторы в системах с эпизодическими пиками потребляемого расхода, которые значительно превышают средний расход жидкости в гидросистеме. Установленная мощность гидропривода при этом может быть уменьшена в полтора-два раза, а потребление энергии такой системой можно снизить более, чем на 50 %.

Назначение пневмогидроаккумуляторов

Различные по конструкции (поршневые, баллонные, мембранные, сильфонные) и назначению пневмогидроаккумуляторы позволяют получить решения для многих задач, таких как:

• аккумулирование гидравлической энергии;
• питание системы в нештатных и аварийных ситуациях;
• уравновешивание сил и нагрузок;
• компенсация утечек;
• компенсация объёмов рабочей жидкости;
• демпфирование пульсации поршневых насосов;
• демпфирование пульсаций в напорных и всасывающих магистралях;
• демпфирование пульсации при работе топливных насосов высокого давления дизельных двигателей;
• гашение гидроударов;
• амортизационная подвеска мобильной техники и пр;
• увеличение срока службы насосов.

[править] Использование гидроаккумуляторов в быту и промышленности

Наибольшее распространение в быту и промышленности нашли пневмогидроаккумуляторы. Они представляют собой достаточной прочности для заданных давлений емкость (металлическую, композитную и т.п) с эластичной мембраной/баллоном внутри, служащей для поддержания давления рабочей жидкости в гидравлической системе или системе водоснабжения/отопления. В быту, в большинстве случаев гидроаккумуляторы используются для систем автономного обеспечения водой загородных домов, коттеджных поселков, небольших предприятий.

Гидроприводы поступательного движения.

Типовой пневмопривод изображен на рис. 1.1, Поршень 1перемещается в рабочем цилиндре 2 под воздействием сжатого воздуха, поступающего попеременно в обе полости цилиндра из магистрали через распределитель 3. В конце хода кулачок, укрепленный на штоке (не показан на чертеже), нажимает на рычаг одного из конечных выключателей 4 или 5. В положении, изображенном на чертеже,

поршень перемещается направо, переключая выключатель 4, и когда он займет положение, показанное штриховой линией,  конечный выключатель 5 переключится. Сигнал в виде давления сжатого воздуха передается от выключателя на вход распределителя 3, в  результате чего золотник перемещается в правое положение. Сжатый воздух из магистрали через этот же распределитель направляется в правую полость цилиндра 2 и перемещает поршень 1 влево, при этом распределитель выключается. В конце обратного хода кулачок на штоке нажимает на конечный выключатель 4, снова переключается золотник, и цикл повторяется. 

Гидроприводы вращательного движения.

На рис. 1.2 показан привод вращательного движения, изображенный в упрощенном виде без

воздухораспределителя. В корпусе 1 установлен ротор 2, ось вращения которого смещена относительно центра корпуса (эксцентриситет е). В пазы ротора помещены пластины 3, Сжатый воздух, подаваемый через окно 4 корпуса, воздействует на пластины. Так как площади этих пластин, в разной степени выдвинутых из пазов ротора, отличаются друг от друга, то создается момент от сил  давления сжатого воздуха, благодаря чему ротор вращается.

В период его вращения пластины под действием центробежной силы прижимаются к внутренней  поверхности корпуса. Чтобы обеспечить более надежное уплотнение, к пазам ротора иногда подводят сжатый воздух или в них помещают пружины: это способствует также и более быстрому выдвижению пластин из пазов, Отработанный воздух  выходит из привода через выхлопное окно 5 в атмосферу. Вращательное движение также может быть осуществлено посредством поршневых пневмоустройств и шарнирно-рычажных передаточных механизмов.(рис.1.3)Кроме поршневых пневмоустройств в приводах поступательного  движения используют также устройства с упругими элементами, в качестве которых могут служить мембраны, сильфоны, шланги и пр.

Гидропривод поворотного движения.

Гидропривод поворотного движения использует моментный гидроцилиндр, совершающий возвратно-поворотное движение. Схема циркуляции жидкости во многом определяет конструкцию и область применения гидропривода. Различают две схемы гидропривода: открытую (разомкнутую) и закрытую (замкнутую).Открытая схема гидропривода характеризуется тем, что рабочая жидкость от насоса к гидра двигателю размыкается баком значительной емкости, т. е. циркулирует по схеме насос — гидра двигатель — бак. Гидропривод, выполненный по этой схеме, имеет простую конструкцию, и кроме насоса и гидра двигателя требует также предохранительного клапана для защиты от перегрузки, крана для включения, выключения и реверсирования гидра двигателя, а также бака для жидкости. Сливная линия гидра двигателя, как и всасывающая линия насоса, непосредственно соединена с баком, сообщающимся с атмосферой, что обеспечивает свободный слив жидкости изгидра двигателя и питание насоса под атмосферным давлением. Достоинствами открытых схем гидропривода являются простота, возможность создания многодвигательных систем различных конструкций с одним насосом, хорошие условия для охлаждения и очистки рабочей жидкости. Недостатки этой схемы: большие габариты, вакуум во всасывающей линии, что ограничивает применение быстроходных насосов из-за возможной кавитации, проникновение в систему воздуха, что нарушает плавность работы механизмов, а также трудность реверсирования в процессе работы тяжело нагруженного гидра двигателя. По открытой схеме циркуляции выполняется большая часть гидроприводов горных машин как вращательного, так и поступательного движения. Закрытая схема гидропривода требует предварительного заполнения жидкости, которая отделена от атмосферы и при работе гидропривода циркулирует по схеме.

когда в качестве гидродвигателя применён поворотный гидродвигатель, у которого ведомое звено (вал или корпус) совершает возвратно-поворотное движение на угол, меньший 360°.

Поворотный гидродвигатель (неполноповоротный гидромотор, поворотный гидроцилиндр) — гидравлическая машина, предназначенная для преобразования гидравлической энергии в механическую, и для сообщения рабочему органу возвратно-вращательного движения на угол, меньший 360°.

Рисунок 1 - Двухпластинчатый поворотный гидродвигатель: фиолетовым цветом показана полость высокого давления, зеленовато-голубоватым — полость низкого давления

Чем больше количество пластин, тем больший момент на валу, но тем меньший угол поворота гидродвигателя, и тем меньшая угловая скорость вращения.

Максимальный угол поворота гидродвигателя зависит от числа пластин следующим образом: для однопластинчатого он составляет порядка 270°, для двухпластинчатого — около 150°, для трёхпластинчатого — до 70° ^[1]. Гидродвигатели с числом пластин большим четырёх изготавливают редко ^[2].

Момент на валу пластинчатого поворотного гидродвигателя зависит от разности давлений в напорной и сливной гидролиниях, от разницы диаметров ротора и статора, от длины пластин и от числа пластин:

где:

b — длина пластины,

p₁ и p₂ — давления, соответственно, в полостях высокого и низкого давлений,

r₁ — радиус внутренней поверхности статора,

r₂ — радиус ротора,

z — число пластин.

Управление движением вала поворотного гидродвигателя осуществляется с помощью гидрораспределителя, либо с помощью средств регулирования гидропривода.

Поворотные гидродвигатели применяются, например, в механизмах поворота заслонок, во вращающихся упорах и др.

Вследствие того, что трудно обеспечить надёжное уплотнение пластин, пластинчатые поворотные гидродвигатели применяются только при низких давлениях рабочей жидкости ^[3].

Помимо пластинчатых поворотных гидродвигателей, применяются кривошипно-шатунные гидравлические поворотные механизмы, а также механизмы с зубчато-реечной передачей.

Гидроприводы с последовательным и параллельным включением дросселя.

Дроссельный способ регулирования скорости  гидроприводас нерегулируемым насосом основан на том, что часть жидкости, подаваемой насосом, отводится в сливную гидролинию и не совершает полезной работы. Простейшим регулятором скорости является регулируемый дроссель, который устанавливается в системе либо последовательно с гидродвигателем, либо в гидролинии управления параллельно гидродвигателю.

При параллельном включении дросселя (рис.9.2, а) рабочая жидкость, подаваемая насосом, разделяется на два потока. Один поток проходит через гидродвигатель, другой – через регулируемый дроссель. Скорость поршня для этой схемы определится выражением

где S – эффективная площадь поршня; QН – подача насоса; Sдр –

площадь проходного сечения дросселя;  – коэффициент

расхода; FН – нагрузка на шток поршня;  – плотность

жидкости.

В такой системе при постоянной внешней нагрузке FН = const, скорость движения будет изменяться от v min до v max при изменении Sдр от Sдр max до Sдр = 0. Поскольку в рассматриваемом гидроприводе давление на выходе насоса зависит от нагрузки PH = FH /S и не является постоянной величиной, такую систему называют системой с переменнымдавлением. Клапан, установленный в системе, является предохранительным. Эта система позволяет регулировать скорость только в том случае, если направление действия нагрузки противоположно направлению движения выходного звена гидропривода (отрицательная нагрузка).

Последовательное включение дросселя осуществляется на входе в гидродвигатель, на выходе гидродвигателя, на входе и выходе гидродвигателя. При этом во всех трех случаях система регулирования скорости строится на принципе поддержания постоянного значения давления PH на выходе нерегулируемого насоса за счет слива части рабочей жидкости через переливной клапан. Поэтому система дроссельного регулирования с последовательным включением дросселей получила название система с постоянным давлением. Гидропривод с дросселем на входе (рис.9.2, б) допускает регулирование скорости только при отрицательной нагрузке. При положительной нагрузке, направленной по движению поршня, может произойти разрыв сплошности потока рабочей жидкости, особенно при зарытом дросселе, когда поршень продолжает движение под действием сил инерции. Скорость движения поршня в таком гидроприводеопределяется выражением

Гидропривод с дросселем на выходе (рис.9.2, в) допускаетрегулирование скорости гидродвигателя при знакопеременной нагрузке, так как при любом направлении действия силы FН изменению скорости препятствует сопротивление дросселя, через который рабочая жидкость поступает из полости гидродвигателя на слив. Для такой схемы включения дросселя скорость движения выходного звена определится

При установке дросселя на выходе в случаях больших положительных нагрузок давление перед дросселем может превысить допустимый уровень. Поэтому для предохранения системы параллельно дросселю включают предохранительный клапан. Недостатком дроссельного регулирования является то, что при регулировании часть энергии тратится на преодоление сопротивления в дросселе и предохранительном клапане, вследствие чего повышается температура жидкости, а это отрицательно сказывается на работе гидросистемы. При дроссельном регулировании снижается КПД гидропривода, и отсутствует постоянство скорости движения выходного звена гидродвигателя при переменной нагрузке.

Гидропривод с регулируемым насосом и гидроприводом.

На рис.10.1 изображена типовая схема гидросистемы с регулируемым насосом 3, приводимым во вращение электродвигателем М, с трехпозиционным четырехходовым распределителем 2 с ручным управлением, с помощью которого осуществляется реверс поршня силового цилиндра 1. В среднем положении распределителя 2 все его каналы соединяются с баком 5, что соответствует холостому ходу (разгрузке) насоса и "плавающему" состоянию поршня цилиндра. Насос 3 снабжен фильтром 4, установленным на всасывающем трубопроводе, и предохранительным клапаном 6.

На рис.10.2 представлена схема гидросистемы с регулируемым дросселем, установленным в линии подачи (на входе). В схеме предусмотрено соединение полостей цилиндра, для обеспечения чего применен утапливаемый с помощью упоров 4 на штоке цилиндра четырехходовой переключатель 5.

Система включает нерегулируемый насос 9 с предохранительным клапаном 7, трехпозиционный четырехходовой распределитель 6 с ручным управлением, регулируемый дроссель 2 и двухпозиционный переключатель 5 с приводом от упора 4 движущегося штока силового цилиндра 3 и с установкой в исходное (верхнее) положение под действием пружины.

В среднем положении распределителя 6, представленного на рис.10.2 все его каналы соединены между собой и с баком, что соответствует разгрузке насоса и "плаванию" поршня цилиндра.

Положение распределителя в левой его позиции (жидкость поступает в перерывающиеся каналы правого поля распределителя) соответствует движению поршня силового цилиндра 3 вправо (жидкость от насоса поступает в левую полость), причем в этом положении распределителя 6 и утопленного переключателя 5 жидкость как от насоса, так и из нерабочей (правой) полости цилиндра 3 поступает в левую его полость (в этом случае рабочей площадью цилиндра является площадь сечения штока), что способствует ускоренному перемещению поршня вправо. После того, как нажатие упора 4 на переключатель 5 прекратится, он под действием пружины переместится вверх и отсечет левую полость цилиндра 3 от правой, соединив последнюю через распределитель с баком 8. В результате в левую полость цилиндра будет поступать лишь жидкость, проходящая через регулируемый дроссель 2, что соответствует регулируемому рабочему ходу поршня цилиндра 3.

При установке распределителя 6 в правое положение жидкость от насоса 9 поступает при неутопленном переключателе 5 в правую полость цилиндра 3, осуществляя обратный ход поршня. При этом жидкость, вытесняемая из левой полости цилиндра 3, поступает через дроссель 2 и обратный клапан 1 в бак.

При нажатии в этом случае на переключатель 5 канал насоса перекроется.

Рис.10.3. Гидросистема с цилиндром одностороннего действия

На рис.10.3, а представлена схема гидросистемы с силовым цилиндром 1 одностороннего действия и регулируемым насосом 4. Гидросистема упра-вляяется трехходовым двух-позиционным распределителем 2 с ручным приводом. Для предохранения от перегрузок система снабжена предохранительным клапаном 3.

В положении распределителя 2, представленном на рис.10.3, а, жидкость от насоса поступает в силовой цилиндр 1. Линия бака при этом перекрыта. При перемещении распределителя в противоположное положение выходной канал насоса 4 перекрывается, а цилиндр 1 соединяется с баком, в результате поршень цилиндра под действием веса приводимого узла опускается вниз. Скорость опускания регулируется с помощью дросселирования отводимой жидкости распределителем 2.

При применении в последней схеме трехходового трехпозиционного распределителя (рис.10.3, б) можно обеспечить в среднем его положении запирание жидкости в силовом цилиндре 1 (для удержания, например, груза в поднятом положении) при одновременном соединении насоса 4 с баком.

Гидропривод с регулируемым насосом и гидроприводом.

По характеру выполнения своих функцийвсе гидроаппараты делятся на регулирующиеи направляющие.

Регулирующимназывается гидроаппарат, в котором изменение соответствующего параметра потока рабочей жидкости происходит за счет частичного открытия или перекрытия проходного сечения в нем.

Направляющимназывается гидроаппарат, который изменяет направление потока рабочей жидкости путем полного открытия или полного перекрытия проходного сечения в нем. Под площадью проходного сечениягидроаппарата понимается минимальное значение площади живого сечения потока (выбранного нормально скорости жидкости) в нем. Эта площадь сечения определяет расход рабочей жидкости, проходящей через гидроаппарат.

Основным элементом гидроаппарата является запорно-регулирующий элемент– это деталь или группа деталей, при перемещении которых частично или полностью перекрывается проходное сечение гидроаппарата.

По конструкции запорно-регулирующего элемента гидроаппараты делятся на:

- золотниковые, в которых запорно-регулирующим элементом является цилиндрический или плоскийзолотник;

- крановые, в которых запорно-регулирующим элементом является плоский, цилиндрический, конический или сферическийкран;

- клапанные, в которых запорно-регулирующим элементом является шариковый, конусный, игольчатый или плоский(тарельчатый) клапан.

По способу перенастройки гидроаппараты делятсянарегулируемые и настраиваемые.

Регулируемымназывается гидроаппарат, в которомвеличина открытия проходного сечения или силовое воздействие на запорно-регулирующий элемент могут быть изменены по сигналу извне во время работы гидросистемы.

Настраиваемымназывается гидроаппарат, характеристики которого могут быть измененытолько в условиях выключенной гидросистемы. Часто при этом бывает необходима разборка гидроаппарата или гидросистемы.

По способу подключения гидроаппараты делятся на:

- гидроаппараты трубного присоединения– соединяются с другими гидравлическими устройствами при помощи трубопроводов и рукавов;

- гидроаппараты стыкового присоединения– соединяются с другими гидравлическими устройствами при помощи каналов, выведенных на наружную плоскость, по которой происходит стыковка с другими гидравлическими устройствами;

- гидроаппараты модульного исполнения– соединяются с другими гидравлическими устройствами при помощи вертикальных каналов, выведенных на две параллельные наружные плоскости с одинаковыми координатами присоединительных отверстий;

- встраиваемые– эти гидроаппараты, как правило, не имеют корпусов. Их монтируют в специальных монтажных гнездах гидравлических блоков, соединенных с соответствующими каналами.

Присоединительные отверстия на принципиальных и полуконструктивных схемах гидроаппаратов в соответствии с ГОСТ 24242-80обозначают прописными буквами латинского алфавита:

- Р– отверстие для подвода рабочей жидкости под давлением;

- А иВ– отверстия для присоединения к другим гидравлическим устройствам;

- Т – отверстие для отвода рабочей жидкости в гидробак;

- X и Y – отверстия для потоков управления;

- L – отверстие для дренажного отвода жидкости.

К основным параметрам гидроаппаратов(эти параметры, как правило, приводятся в каталогах и паспортах гидроаппаратов) относятся следующие.

Главным параметром всех гидроаппаратов является их условный проходDy, под которым понимается диаметр условного отверстия, площадь которого равна максимальному значению проходного сечения гидроаппарата.

Последовательность значений Dy регламентируетГОСТ 16516-80. Типоразмерные ряды всех гидроаппаратов строятся по их условным проходам.

К основным параметрам гидроаппаратов относятся также номинальное давление, номинальный расход рабочей жидкости, масса аппарата (без рабочей жидкости) и др.

Под номинальным давлением р_ном понимают наибольшее избыточное давление рабочей жидкости, поступающей на вход гидроаппарата, при котором он должен работать в течение установленного ресурса (срока службы) с сохранением параметров в пределах установленных норм. Ряды номинальных давлений для гидроприводов устанавливает ГОСТ 12445-80.

Под номинальным расходомжидкости Qном понимаютрасход жидкости с определенной вязкостью, проходящий через гидроаппарат, при котором он выполняет свое назначение с сохранением параметров в пределах установленных норм. Ряды номинальных расходов жидкости для гидроприводов устанавливает ГОСТ 13825-80.

Выбор конкретного гидроаппарата для определенной гидросистемы осуществляется по величине условного проходаDy, проверяя при этом соответствие расчетных величин максимального рабочего расхода жидкости через гидроаппарат и максимального рабочего давленияноминальным значениямQ_ном и р_ном, приведенным в паспорте гидроаппарата.

Все гидроаппараты, которые используются в объемных гидроприводах, можно разделить на три основные класса: гидродроссели, гидроклапаны и гидрораспределители.

Гидропередача − это устройство для передачи механической энергии посредством потока жидкости. В состав гидропередачи входят насос, гидравлический двигатель и соединительные трубопроводы с рабочей жидкостью. Гидропередачи, использующие динамические гидромашины, называются гидродинамическими.

В гидродинамических передачах применяют лопастные насосы и, в качестве гидравлических двигателей, лопастные турбины. В реальных конструкциях лопастный насос и гидравлическая турбина предельно сближены и располагаются соосно в общем корпусе. Так как эти две гидромашины имеют общий корпус, то в дальнейшем насос будем называть насосным колесом, а турбину − турбинным колесом. В такой конструкции отсутствуют трубопроводы, поэтому жидкость из насосного колеса сразу попадает на лопатки турбинного колеса, а из турбинного − вновь на лопатки насосного колеса.

Гидродинамические передачи, применяемые в машиностроении, подразделяют на гидравлические муфты(гидромуфты) и гидравлические трансформаторы(гидротрансформаторы).

Гидромуфты, состоящие из насосного и турбинного колес, служат для передачи энергии без изменения крутящего момента, т. е. моменты на входном и выходном валах гидромуфты практически одинаковы.

Гидротрансформаторы, кроме насосного и турбинного колес, имеют хотя бы одно дополнительное колесо. Оно на большинстве режимов работы неподвижно, т.е. является неактивным (реактивным), и поэтому его принято называть реактором. Включение в состав гидротрансформатора реактора позволяет ему изменять (трансформировать) передаваемый крутящий момент. Таким образом, моменты на входном и выходном валах гидротрансформатора на большинстве режимов работы различны.

Комплексным называют гидротрансформатор, который в широком диапазоне изменения своих передаточных отношений работает как гидротрансформатор, а при больших значениях передаточных отношений переходит в режим гидромуфты и работает как гидромуфта. Это позволяет существенно повысить его коэффициент полезного действия.

Устройство и рабочий процесс гидромуфты

Основными элементами гидравлической муфты являются два соостно установленных лопастных колеса: насосное и турбинное, а также корпус, подшипники и другие детали. Насосное колесо приводится во вращение двигателем с угловой скоростью ω₁. Жидкость, находящаяся в межлопастном пространстве насосного колеса, раскручивается вместе с ним и центробежными силами отбрасывается от оси вращения к периферии колеса. Участвуя во вращательном движении вместе с насосным колесом, частицы жидкости приобретает кинетическую энергию и скорость в направлении движения этого колеса. Далее жидкость перемещается с насосного колесана турбинное колесо .

Устройство и рабочий процессгидротрансформатора

Основными элементами гидравлического трансформатора являются три соосно установленных лопастных колеса: насосное, турбинное и реактивное (реактор), а также корпус, подшипники и другие вспомогательные детали. На осевом разрезе гидротрансформатора (рис. 3.2) показано насосное колесо Н, турбинное колесо Т, реактивное колесо (реактор) Р и корпус гидротрансформатора К, а также муфта свободного хода. Основным конструктивным отличием колес гидротрансформатора от колес гидромуфты является сложный криволинейный профиль их лопаток

Насосное колесо Н приводится во вращение крутящим моментом двигателяМ₁. Жидкость, находящаяся в межлопаточном пространстве насоса раскручивается вместе с ним с угловой скоростью ω₁ и отбрасывается от оси вращения к периферии колеса. При этом каждая частица жидкости приобретает кинетическую энергию и скорость в направлении вращения колеса. Затем поток жидкости перемещается с насосного колеса на турбинное колесо Т.

В межлопаточном пространстве турбинного колеса жидкость, раскрученная в насосном колесе, воздействует на лопатки турбинного колеса и приводит его во вращение с угловой скоростью ω₁. При этом частицы жидкости постепенно теряют кинетическую энергию, полученную в насосном колесе, и движутся от периферии к оси вращения. Затем поток жидкости перемещается с турбинного колеса Тна реактор Р. Далее поток жидкости проходит через межлопаточное пространство неподвижного реактора и перемещается на насосное колесо. Затем рабочий процесс повторяется, т.е. жидкость циркулирует в межлопаточном пространстве колес по замкнутому контуру.

РеакторР служит для изменения крутящего момента на гидротрансформаторе, т.е. для получения на выходном валу момента М₂, отличного от входного момента М₁.

В конструкцию гидротрансформатора включают муфту свободного хода. При положительном значении момента на реактивном колесе она обеспечивает неподвижность реактивного колеса (“стопорит”). При изменении направлениямомента на реакторе обгонная муфта освобождает реактор, который начинает свободно вращаться вместе с потоком жидкости. При этом гидротрансформатор начинает работатьв режиме гидромуфты, так как в этом случае у него отсутствует неподвижное реактивное колесо. Такой гидротрансформатор, в котором совмещаются свойства гидротрансформатора и гидромуфты, называется комплексным гидротрансформатором.

Принцип действия объемных гидропередач. Области применения гидроприводов.

Принцип действия объемной гидропередачи пояснен на простейшей схеме, представленной на рис.7.1.

Жидкость из насоса 1 через реверсивный клапан 5 попадает в гидромотор 4, который передает крутящий момент ведомому валу. Реверс гидромотора производят путем перемещения распределителя 5. Переливной клапан 3 совместно с дроссельным регулятором потока 7 осуществляют регулирование расхода рабочей жидкости, поступающей в гидромотор. Изменение расхода приводит к изменению скорости вращения вала гидромотора, следовательно меняется передаточное отношение гидропередачи. Теплообменник 2 служит для охлаждения рабочей жидкости, а гидробак 6 предназначен для сбора и хранения рабочей жидкости.

Область применения

Наиболее широко объёмный гидропривод машин применяется в металлорежущих станках, прессах, в системах управления летательных аппаратов, судов, тяжёлых автомобилей, мобильной строительно-дорожной технике, в системах автоматического управления и регулирования тепловых двигателей, гидротурбин. Реже объёмный Гидропривод машин используется в качестве главных приводов транспортных установках на автомобилях, кранах.

Гидропневмоприводы металлообрабатывающих станков

При обработке заготовок на современных металлообрабатывающих станках их рабочие органы и механизмы обеспечивают согласованные между собой перемещения заготовки и режущего инструмента, надежное крепление заготовки, автоматическую смену инструментов, снятие обработанной детали, установку заготовки и другие вспомогательные движения, т.е. в станке требуется приводить в движение большое число узлов и механизмов. Устройства, выполняющие эти перемещения называют приводами. Под приводом подразумевают двигатель и те устройства, которые управляют его работой, изменяют скорость прямолинейного движения или частоту вращения рабочего органа, усилие или крутящий момент и т.д.

В современных металлообрабатывающих станках используют различные типы приводов (электрические, пневматические, гидравлические или комбинированные), применение которых зависит от многих факторов: назначения и технических требований к изготовляемым деталям, разновидности обрабатываемого материала, структуры принятого технологического процесса обработки, вида и типа производства, фактического уровня его развития и т.п.

В пневматических приводах используют двигатели, в которых механическое движение получается за счет использования энергии сжатого воздуха. Наиболее распространенный пневмодвигатель поступательного движения - пневмоцилиндр, отличающийся простотой конструкции, невысокой стоимостью и достаточной надежностью. Ограничением для применения пневмоприводов является использование в качестве рабочей среды сжатого воздуха. Из-за значительной сжимаемости воздуха затруднено регулирование и поддержание заданной скорости движения, получение равномерного движения рабочего органа при малых скоростях перемещения. Наибольшее распространение получили пневмоприводы, работающие при давлении около 0,4 - 0,6 МПа. Поэтому увеличение получаемых усилий возможно только за счет увеличения размеров пневмоцилиндров, что затрудняет их использование в конструкции станка. Указанные особенности пневмопривода определили область его наиболее рационального применения в станках - выполнение вспомогательных перемещений, а в промышленных роботах - рабочих перемещений узлов. В некоторых случаях используют и системы управления станками, построенные на пневматических логических элементах.

В гидравлических приводах для получения механического движения используют давление жидкости. Высокая подвижность и малая сжимаемость жидкостей позволяют с помощью простого по конструкции двигателя поступательного движения - гидроцилиндра - выполнить практически все требования, предъявляемые к движению рабочих органов в станках: по скорости, равномерности движения, усилиям, частоте переключений и др. Рабочие давления жидкости в гидроприводах станков значительно выше, чем давление сжатого воздуха в пневмоприводах, поэтому габаритные размеры гидравлических исполнительных механизмов соответственно меньше, чем пневматических, и они легче встраиваются в станок. Гидравлические двигатели вращательного движения также имеют меньшие размеры и массу на единицу мощности по сравнению с электродвигателями. Гидравлический привод удобно сочетается с другими типами приводов, электронными системами управления станками, а также имеет и другие преимущества, благодаря которым гидропривод является эффективным средством автоматизации станков и устройств, способствующих их более эффективному использованию (промышленных роботов, автоматизированных магазинов инструментов и складов продукции, устройств контроля размеров заготовок, деталей и др.).

По своему назначению гидравлический привод в станках делится на гидропривод главного движения, гидропривод подач и гидропривод вспомогательных перемещений.

В станках гидродвигатели обычно размещают на рабочих органах или в непосредственной близости от них, а насосы - на гидробаках, при этом от одного насоса может питаться несколько гидродвигателей. В частном случае насос и гидромотор могут быть объединены в виде гидропередачи.

Гидроприводы станочных приспособлений и технологической оснастки

Станочными приспособлениями называют дополнительные устройства к металлорежущим станкам, позволяющие наиболее экономично в заданных производственных условиях обеспечить заложенные в конструкции детали требования к точности размеров, формы и взаимного положения обрабатываемых поверхностей.

К станочным приспособлениям относятся: устройства для установки и закрепления обрабатываемых деталей на станках (приспособления), устройства для установки и крепления режущего инструмента на станках (вспомогательный инструмент) и др.

В настоящее время механизируют, а во многих случаях и автоматизируют, установку и закрепление обрабатываемых деталей, поворот приспособлений в процессе обработки, снятие обработанных деталей со станков, транспортировку их для последующей обработки и др. Для этих целей в отечественном крупносерийном и массовом производствах широко используется сжатый воздух, жидкости под давлением, электроэнергия и др. Наиболее широко используется сжатый воздух (пневматика), так как пневматические устройства, например пневматические приводы приспособлений, отличаются быстротой действия, относительной простотой конструкции, легкостью и простотой управления, надежностью и стабильностью в работе.

По быстроте действия пневмоприводы значительно превосходят не только ручные, но и многие механизированные приводы. Если, например, скорость течения масла, находящегося под давлением в трубопроводе гидравлического устройства, составляет 2,5 - 4,5 м/сек, а максимально возможная - 9 м/сек, то воздух, находясь под давлением 4 - 5 кг/см², распространяется по трубопроводам со скоростью до 180 м/сек и более. Поэтому в течение 1 ч возможно осуществить до 2500 срабатываний пневмопривода.

К преимуществам пневмопривода следует отнести то, что его работоспособность не зависит от колебаний температуры окружающей среды. Большое преимущество состоит также в том, что пневмоприводы обеспечивают непрерывное действие зажимной силы, вследствие чего эта сила может быть значительно меньше, чем при ручном приводе. Это обстоятельство весьма существенно при обработке тонкостенных деталей, склонных к деформациям при зажиме. Кроме того, сжатый воздух используют для удаления стружки и мелких деталей, для охлаждения инструмента во время обработки. Сжатый воздух применяют в непрерывно действующих притирочных устройствах. Турбинный пневмопривод используется в быстроходных сверлильных головках с числом оборотов до 100000 в минуту, которыми пользуются для сверления отверстий диаметром менее 0,25 мм. Чтобы использовать сжатый воздух в приспособлениях, требуется соответствующая силовая, воздухопроводящая, регулирующая и контролирующая аппаратура. Для предохранения рабочих органов этой аппаратуры от окисления, загрязнения и в связи с этим от преждевременного выхода из строя воздух должен быть освобожден от влаги, масла, кислот и всяких механических включений. Очистка воздуха обычно производится дважды. Предварительно в отдельных холодильных установках воздух под действием циркулирующей по трубам воды охлаждается до комнатной температуры и выделяет излишнюю влагу. Вторичная очистка воздуха происходит в расположенных на рабочих местах специальных фильтрующих устройствах, в которые он поступает от общезаводской или общецеховой компрессорной установки под давлением 4 - 5 кГс/см². Первоначальное давление воздуха, создаваемое компрессором, находится в пределах 7 - 8 кГс/см².

По конструкции силовой части пневмоприводы можно разделить на группу поршневых приводов и группу диафрагменных приводов. В этих приводах давление сжатого воздуха преобразуется в силу, действующую вдоль оси штока, связывающего привод с зажимным механизмом приспособления для обрабатываемой детали. Необходимая сила зажима детали в приводах первой группы создается с помощью одно- или двусторонне действующих поршневых цилиндров (пневмоцилиндров), в приводах второй группы также с помощью одно- или двусторонне действующих диафрагменных камер (пневмокамер), которые могут быть стационарными и вращающимися.

Односторонне действующие пневмоцилиндры применяются при относительно малой величине требующегося рабочего хода штока, двусторонне действующие - при большом ходе или при необходимости закреплять обрабатываемые детали при прямом и при обратном ходе поршня, например, при поочередном закреплении деталей в двух приспособлениях, расположенных с двух сторон от пневмоцилиндра. В практике встречаются пневмоцилиндры с движением двух поршней в разные стороны или с противоположным движением цилиндра и находящегося в нем поршня. Пневмокамеры применимы только при малых ходах штоков.

Гидравлические приводы по принципу работы аналогичны пневматическим поршневым приводам. В них также необходимая сила, с помощью которой осуществляется тот или другой элемент операции (зажим обрабатываемой детали, поворот приспособления и т.п.), создается с помощью цилиндров одно- или двустороннего действия. Однако оборудование и аппаратура гидроприводов существенно отличаются от оборудования и аппаратуры пневмо-приводов. Применять различные приспособления с гидроприводами можно либо на гидрофицированных станках, оснащённых собственной насосной станцией для питания рабочих цилиндров, либо при наличии отдельных гидроустановок, действующих от самостоятельного электро- или пневмодвигателя, либо при наличии мощных гидростанций, обслуживающих группу станков.

Основное достоинство гидроприводов состоит в возможности создания больших давлений в гидроцилиндрах (до 100 кГс/см²и более) при относительно небольших габаритных размерах цилиндров. Гидроприводы по сравнению с пневмоприводами более устойчивы при изменениях нагрузки на деталь в процессе обработки. Поэтому они широко применяются, например, в автоматических устройствах для копировальной обработки деталей. Высокое давление в гидроцилиндрах позволяет обойтись без специальных усилителей зажимов, часто необходимых при использовании пневмоприводов для закрепления деталей, при обработке которых возникают большие силы резания.

Гидроприводы имеют сложную конструкцию и затраты на их изготовление больше по сравнению с пневмоприводами. Кроме того, у гидроприводов происходит утечка масла через уплотнения в местах сопряжения подвижных деталей. Для сбора этого масла необходимо применять специальные устройства, а также расходовать при этом дополнительную энергию на циркуляцию в системе масла, перекачиваемого для восполнения утечки. На работоспособность гидропривода оказывает влияние качество масла, например, его вязкость. Обычно используется веретенное масло 2 или 3 и турбинное Л.

Гидропневмоприводы и гидросистемы, обеспечивающие рабочий процесс при изготовлении и обработке деталей.

В настоящее время в технологии машиностроения достаточно широко применяют различные способы изготовления деталей, рабочие процессы в которых неразрывно связаны с движением жидких сред. При формообразовании заготовок к таким процессам относятся процессы центробежного литья, литья под давлением, процессы гидродинамической очистки отливок от остатков формовочной смеси, шлаков и т.п., процессы гидродинамической штамповки листовых заготовок, разнообразные сборочные процессы В области размерной обработки к таким процессам относят электрохимическую и разнообразные комбинированные методы обработки.

Сущность электрохимической размерной обработки заключается в растворении материала детали в электролитах под действием электрического поля. Также применяется и обратный процесс - гальванопластика, позволяющий покрывать поверхность детали слоем хрома, никеля, цинка, меди и др. за счет осаждения их ионов из растворов электролита. Под действием тока в электролите материал анода (в большинстве случаев это заготовка) растворяется и в виде продуктов обработки выносится из межэлектродного пространства (МЭП) потоком электролита. Кроме того в результате электрохимических реакций образуются и газообразные продукты, которые также удаляются с потоком электролита в атмосферу. Необходимым условием осуществления процесса ЭХО является удаление продуктов обработки из областей, расположенных в местах их активного выделения (прианодная и прикатодная области). В большинстве случаев это достигается принудительной прокачкой электролита.

Если процесс ЭХО протекает в течение нескольких секунд, например, при маркировании деталей по схеме с неподвижными электродами, то электролит не успевает загрязниться продуктами обработки. В таких условиях электролит не прокачивают. При времени процесса до 8-10 секунд для перемещения электролита могут быть использованы ультразвуковые или низкочастотные вибрации электродов или влажные ленты, перемещаемые через электродный зазор. Если обрабатывают детали, предназначенные для перемещения газов или жидкостей (крыльчатки компрессоров, насосов, шнеков т др.), то электролит можно перемещать за счет вращения самой заготовки. Жидкость протекает по зазору между электродами со скоростью, регулируемой частотой вращения заготовки. В остальных случаях используют насосы. ПриЭХО в электролите происходит накопление продуктов обработки и при малых межэлектродных зазорах между электродом-инструментом и обрабатываемой деталью может происходить пробой и короткое замыкание. Электрохимические станки могут комплектоваться также тарельчатыми сепараторами, пластинчатыми отстойниками и другими устройствами для очистки электролитов. Регулирование температуры и состава электролитов осуществляют в специальных ваннах автоматическими системами. Для подогрева и охлаждения электролитов с целью стабилизации температурного режима обработки в ваннах устанавливают теплообменники.

Взаимное комбинирование традиционных и нетрадиционных технологических процессов механической обработки изделий привело к созданию, так называемых, комбинированных методов обработки. Комбинированные методы обработки образуются сочетанием различных технологических приемов, в каждом из которых пытаются использовать и усилить положительные признаки, необходимые для технологического процесса изготовления детали. Если одной из составляющих комбинированных способов является электрохимическая обработки детали в среде электролита, то для его принудительной подачи используют гидроприводы, аналогичные гидроприводам, применяемым в процессах ЭХО.

Применение гидропневмоприводов для средств комплексной механизации и автоматизации технологических процессов

Комплексная механизация и автоматизация технологических процессов при изготовлении деталей имеет целью повышение качества, производительности, коэффициента загрузки оборудования, улучшения условий труда, экономических показателей производства.

Для сокращения вспомогательного времени при механической обработке деталей на металлорежущих станках автоматизации подвергают такие операции, как установка, закрепление и снятие обрабатываемой заготовки, смена и замена инструментов, контроль деталей на станке, транспортирование и подача в рабочую зону обрабатываемых заготовок, очистка металлорежущего инструмента от стружки и ее удаления от станка и т.д. Для этих целей широкое применение в технических системах находят гидравлические и пневматические приводы.

Гидропривод обладает малой инерционностью подвижных частей, что обеспечивает его высокое быстродействие и позволяет быстро реверсировать и тормозить исполнительное устройство. Гидропривод имеет в 3-10 раз меньшую массу и габаритные размеры, чем электропривод. Он обеспечивает бесступенчатое регулирование скорости движения, долговечен, конструкция устройств, предотвращающих его поломку при перегрузке, проста и надежна. Гидропривод позволяет легко обеспечивать автоматизацию циклов движений. КПД гидродвигателей находится в пределах 85-95 %, что выше, чем у электрических машин.

В станках с ЧПУ гидроприводы применяют чаще всего в движениях подач и как следящие приводы. В цепях главного движения они применяются главным образом в станках с возвратно-поступательным движением. В станках с ЧПУ обычно применяются две схемы питания гидродвигателей: объемное (от гидронасоса с регулируемой производительностью) и дроссельное (посредством золотника). Диапазон регулирования величин подач в станках с ЧПУ должен перекрывать как рабочие подачи, так и быстрые перемещения. Он достигает 10000 мм/мин и выше. Необходимо обеспечивать высокую точность и плавность перемещений при малых рабочих подачах (1-4 мм/мин). В зависимости от системы управления приводы подач бывают дискретными (шаговыми) и следящими. Шаговый привод подачи применяется в разомкнутых (без обратной связи) системах управления. В шаговых приводах применяются шаговые электродвигатели (ШД), которые бывают маломощными (управляющими) и силовыми. В приводах с маломощными ШД в качестве усилителей крутящего момента обычно применяют гидравлические усилители. При этом крутящий момент гидромотора может превышать крутящий момент шагового двигателя до 300 раз.

Для удаления стружки от станков обычно применяют комбинации различных типов устройств. Так, например, стружка из каждого станка смывается сильной струей СОЖ и поступает в общий желоб, по которому движется в сборник. В сборнике СОЖ отделяется от стружки и подается насосом обратно к станкам. Для уборки стружки также применяются пневматические устройства, которые бывают с нагнетательной, всасывающей и всасывающе- нагнетательной системами.

Объемные гидропередачи. Назначение  и области применения гидроприводов.

Гидропередача объёмная

Объемная гидропередача вращательного движения с объемным регулированием

Гидропередача объёмная (гидростатическая), механизм для передачи механической энергии и преобразования движения за счёт гидростатического напора жидкости. По кинематике различают Г. о. возвратно-поступательного, возвратно-поворотного и вращательного движения.Объемная гидропередача включает в себя следующие основные элементы: насос, гидродвигатель (гидроцилиндр или гидромотор) и соединяющие их трубопроводы. В большинство гидропередач входит также гидрораспределител

Объемная гидропередача представляет собой часть объемного гидропривода и состоит из насоса, объемного гидродвигателя, гидролиний и элементов, обеспечивающих исправную работу гидромашин. Она служит для передачи энергии от источника энергии к рабочим органам машин. Вместе с источником энергии и системой управления объемная гидропередача образует объемный гидропривод. Часто под гидроприводом понимается только его гидравлическая часть.

Кроме гидромашин, к основному гидрооборудованию объемной гидропередачи относятся гидроаппараты (гидрораспределители, гидроклапаны, регуляторы, делители и сумматоры потоков), кондиционеры рабочей жидкости (фильтры, теплообменники, баки), трубопроводы и соединительная арматура.

К вспомогательному гидрооборудованию относятся устройства, предназначенные для подпитки насоса (эжекторы), выпуска воздуха из гид­росистемы или для сообщения ее с атмосферой (вентили, краны, фильтры-сапуны) и измерительные устройства.

Общие свойства и классификация роторных насосов

В роторных насосах силовое взаимодействие рабочего органа с жидкостью происходит в подвижных рабочих камерах, которые попеременно сообщаются с полостями всасывания и нагнетания.

Наличие подвижных рабочих камер у роторных насосов позволяет исключить из их конструкций впускной и выпускной клапаны. При отсутствии клапанов попеременное соединение и изоляция рабочих камер от трубопроводов обеспечивается в роторных насосах за счет перемещения этих камер от полости всасывания к полости нагнетания и обратно.

Скоростные показатели возвратно-поступательных насосов в большей степени ограничиваются инерционностью клапанов. Поэтому в отличие от них роторные насосы, вследствие отсутствия клапанов, обладают значительно большей быстроходностью. Количество рабочих циклов в единицу времени у этих насосов может быть в 10 и более раз выше аналогичного параметра поршневых насосов.

Отсутствие клапанов обеспечивает роторным насосам и второе существенное отличие от поршневых – обратимость.

Практически любой роторный насос может быть использован в качестве гидродвигателя, т.е. если к насосу подвести жидкость под давлением, то получим вращение его вала. Важной особенностью роторных насосов является то, что они всегда имеют несколько рабочих камер. Это обеспечивает им бóльшую равномерность подачипо сравнению с поршневыми насосами, однако их подача не может быть абсолютно равномерной и её пульсация всегда имеет место. Отсутствие клапанов в роторных насосах повлекло за собой также значительное уменьшение гидравлических потерь.

Классификацию роторных насосов определяет ГОСТ 17398-72. Все роторные насосы делятся на две большие группы. В первую группу включены насосы, использующие только вращательное движение. Во вторую группу входят насосы, в кинематике которых, кроме вращательного движения, присутствует также возвратно-поступательное движение.

Из роторно-вращательных насосов наибольшее распространение получили шестеренныенасосы, которые используются практически во всех отраслях машиностроения.

Из роторно-поступательных насосов в машиностроении достаточно широко применяются пластинчатыеи некоторые разновидности роторно-поршневыхнасосов.

Характеристики роторных насосов.

Под характеристикой роторного насоса понимают графическую зависимость его давления от подачи. Для построения характеристики насоса прежде всего необходимо определить его теоретическую подачу.

Теоретическая (или идеальная) подача любого объемного насоса может быть определена при рабочем объеме Wo и частоте его вращения n по соотношению

Q =W₀⋅n.                                       (4.1)

Такая подача насоса существует при нулевом давлении на выходе насоса (точкаАна рис. 4.12).

Рис. 4.12. Характеристика насоса и насосной установки

Как следует из формулы (4.1), теоретическая подача не зависит от давления насоса и поэтому представляет собой прямую вертикальную линию (линия 1 на рис. 4.12).

Действительная подача насоса меньше теоретической на величину объемных потерь, т.е. потерь на утечки и перетечки жидкости из полостей с высокими давлениями. Такие утечки через зазоры существуют в любом, самом технически совершенном насосе. Из-за малой величины поперечных размеров зазоров и значительной вязкости жидкости эти утечки носят ламинарный характер, т.е. их величина пропорциональна давлению насоса. Отсюда следует, что действительная характеристика насоса представляет собой прямую линию, наклоненную в сторону снижения подачи (линия 2).

На графике (рис. 4.12) видно, что величина утечек растет пропорционально росту давления, а его действительная подача c ростом давления уменьшается. Отметим: чем технически совершеннее насос, тем меньше у него утечки и меньше наклон линии 2. Действительная характеристика может быть построена при известной величине объемного КПД насоса ηо.

При такой характеристике для небольшого изменения подачи насоса требуется весьма существенное повышение давления. Однако на практике часто бывает необходимо изменять подачу в широком диапазоне без значительного повышения давления, т.е. регулировать подачу. Для этого необходимо “сломать” линию АВ в какой-то точкеС, получив тем самым линию 3. Тогда на этом участке CD характеристики можно существенно изменять подачу при небольшом изменении давления. Характеристика АСDможет быть получена только с помощью дополнительных устройств и поэтому будет являться характеристикой не насоса, а насосной установки. Под насосной установкой понимают насос с дополнительными устройствами, обеспечивающими его работу с необходимыми параметрами и требуемой характеристикой.

Линию 3 иногда называют регуляторной ветвью характеристики насосной установки. На практике эту ветвь получают двумя способами: с помощью переливных клапанов и с помощью регуляторов подачи.

 Конструктивные схемы и типовые рабочие характеристики объемных насосов.

По конструктивному признаку объемные насосы делятся на:

- насосы с возвратно-поступательным движением рабочего органа, к которым относятся приводные поршневые, дозировочные, паровые поршневые, диафрагменные, скважинные штанговые, ручные;

- насосы с вращательным движением рабочего органа, роторные, к которым относятся шестеренные, винтовые (одно, двух и трехвинтовые), коловратные, шланговые, оксиально-поршневые и шиберные.

Рабочий процесс в объемном насосе основан на вытеснении жидкости из рабочей камеры, герметично отделяемой от всасывающего и нагнетательного трактов, что обеспечивает, "жесткую" рабочую характеристику насоса при изменении режимных параметров.

Максимально допустимое давление (напор) определяется прочностью насоса, мощностью двигателя. В системе, где устанавливаются объемные насосы, должны быть предусмотрены предохранительные клапаны.

Величину давления, при котором происходит полный перепуск перекачиваемой жидкости из полости нагнетания в полость всасывания, регулируют пружиной предохранительного клапана, причем эта величина не должна превышать величину максимально допускаемого рабочего давления насоса.

Напорная характеристика в привычных координатах для центробежного насоса будет представлять вертикальную прямую, параллельную оси ординат.

В действительности наблюдается незначительное уменьшение подачи с увеличением давления, определяемое возрастанием утечки жидкости через зазоры внутри насоса.

На рисунке показана напорная характеристика объемного насоса. Она характеризует зависимость подачи насоса от давления на выходе при бескавитационной работе и отсутствии взвешенного воздуха в перекачиваемой жидкости. Пунктирной линией условно обозначено возможное положение кривой при работе насоса без предохранительного устройства.

При определенной величине создаваемого насосом давления (точка А) начинает срабатывать предохранительный клапан и часть жидкости перетекает из полости давления в полость всасывания. На характеристике от этой точки "А" прямая переходит в пологую крутую, характеризующую уменьшение величины подачи насосного агрегата.

Область применения объемных насосов - сравнительно малые подачи при больших давлениях. Характерной чертой объемных насосов является неравномерность подачи. Особенно это проявляется в насосах с возвратно-поступательным движением рабочего органа.

Устранения этого негативного явления: установка на напорных и всасывающих линиях воздушных колпаков использование многоплунжерных насосов, насосов двухстороннего действия и двухцилиндровых насосов, работающих в противофазе.

Характерной конструктивной особенностью многих насосов объёмного типа является то, что вал насоса представляет собой коленчатый или эксцентриковый вал. Вал насоса связан с рабочим органом посредством кривошипно-шатунного механизма, преобразующего вращательное движение вала в возвратно-поступательное движение рабочего органа (органов). Таким образом, частота вращения вала насоса определяет частоту движения рабочего органа. Частота вращения вала насоса, как правило, меньше частоты вращения двигателя. Снижение частоты вращения вала насоса осуществляется с помощью передач зацеплением или клиноремённой передачи.

Поршневые насосы.

В возвратно-поступательных насосах силовое взаимодействие рабочего органа с жидкостью происходит в неподвижных рабочих камерах, которые попеременно сообщаются с полостями всасывания и нагнетания за счет впускного и выпускного клапанов.

В качестве рабочего органа (вытеснителя) в возвратно-поступательных насосах используется поршень, плунжер или гибкая диафрагма (мембрана). В связи с этим они подразделяются напоршневые, плунжерные и диафрагменные.

Всю группу возвратно-поступательных насосов иногда называют поршневыми насосами.

Возвратно-поступательные насосы также делятся по способу привода вытеснителя на прямодействующие и вальные. Привод прямодействующего насоса осуществляется за счет возвратно-поступательного воздействия непосредственно на вытеснитель. Примером такого насоса может служить простейший садовый насос. Привод вального насоса осуществляется за счет вращения ведущего вала с преобразованием вращательного движения в возвратно-поступательное движение при помощи кулачкового или кривошипно- шатунного механизма.

Рассмотрим устройство и принцип работы такого насоса с вальным приводом. На рис. 3.3 приведена конструктивная схема поршневого насоса с кривошипно-шатунным механизмом. Приводной вал через кривошип 6 радиусом r и шатун 5 приводит в движение поршень 2 площадью Sп, который движется возвратно-поступательно в корпусе (цилиндре). Насос также имеет два подпружиненных клапана: впускной и выпускной. Рабочей камерой 1 насоса является пространство

 Рис. 3.3. Схема поршневого насоса

слева от поршня, ограниченное корпусом, поршнем 2, а также клапанами. При движении поршня 2 вправо жидкость через впускной клапан заполняет рабочую камеру, т.е. обеспечивается всасывание. При движении поршня 2 влево жидкость нагнетается в напорный трубопровод через клапан.

Насосы с поршнем в качестве вытеснителя являются наиболее распространенными из возвратно-поступательных насосов. Они могут создавать значительные давления (до 30…40 МПа). Однако выпускаются также насосы, рассчитанные на значительно меньшие давления (до 1…5 МПа).

Насосы с подпружиненными клапанами допускают до 100…300 рабочих циклов в минуту. Насосы с клапанами специальной конструкции позволяют увеличивать этот параметр до 300…500 циклов в минуту.

Объемный КПД ηо большинства поршневых насосов составляет 0,85…0,98. Причем бóльшие значения КПД соответствуют насосам большого размера, а маленькие значения – малым. Гидравлический КПД ηг учитывает гидравлические потери в клапанах, и его значения лежат для этих насосов в пределах 0,8…0,9. Механический КПД ηм – 0,94…0,96.

Полный КПД η для большинства поршневых насосов составляет 0,85…0,92.

Значительно реже применяются насосы с плунжером в качестве вытеснителя. У этих насосов существенно больше поверхность контакта между корпусом и вытеснителем, что позволяет значительно лучше уплотнить рабочую камеру. Плунжерные насосы обычно изготавливаются с высокой точностью. Поэтому они являются весьма дорогими, но позволяют получать очень высокие давления до 150…200 МПа.

Радиально – поршневые насосы.

В радиально-поршневых насосах вытеснителями являются поршни или (чаще) плунжеры, которые располагаются радиально, т.е. перпендикулярно оси вращения. На рис. 4.10 представлена конструктивная схема радиально- поршневого насоса однократного действия с плунжерами в качестве вытеснителей.

Рис. 4.10. Конструктивная схема радиально-

поршневого насоса

Основным элементом насоса является ротор, или блок 4 с плунжерами 5, который вращается относительно корпуса насоса 6. Ротор 4 установлен в корпусе со смещением оси на величину е, т.е. с эксцентриситетом. Полости всасывания и нагнетания роторно-поршневого насоса располагаются в центре и разделены перемычкой 2.

При работе насоса плунжеры 5 вращаются вместе с ротором 4 и одновременно скользят по корпусу 6. За счет этого действия и пружин внутри рабочих камер обеспечивается возвратно-поступательное движение плунжеров 5 относительно ротора 4. Когда рабочая камера перемещается из верхнего положения (3 на рис. 4.10) в нижнее (1 на рис. 4.10), её объем увеличивается. При этом перемещении она через отверстие в роторе 4 соединена с полостью всасывания, обеспечивается её заполнение рабочей жидкостью – всасывание. При обратном перемещении её рабочий объем уменьшается и происходит вытеснение жидкости в полость нагнетания.

На рис. 4.11 представлена другая конструктивная схема радиально-поршневого насоса с приводом от эксцентрикового вала. Его отличительной особенностью является наличие клапанных распределительных устройств, позволяющих осуществлять подвод и отвод рабочей жидкости к плунжерам не через центральные отверстия, а через торцевые, расположенные в корпусе насоса.

Радиально-поршневые насосы могут быть двух- и многократного действия. Это обеспечивается за счет создания на внутренней поверхности корпуса специального профиля (например, как у пластинчатого насоса двукратного действия). При такой конструкции каждый плунжер совершает два рабочих хода за один оборот вала насоса.

Следует также отметить, что радиально-поршневые насосы могут быть регулируемыми. В регулируемом радиально-поршневом насосе изменение рабочего объема обеспечивается за счет смещение ротора 4 относительно корпуса 6, т.е. за счет изменения эксцентриситета е.

Радиально-поршневые насосы применяются существенно реже, чем аксиально-поршневые. Их главное отличие от других роторных насосов заключается в том, что они выпускаются с большими рабочими объемами.

Рис. 4.11. Конструктивная схема радиально-поршневого насоса

Аксиально-поршневые насосы.

Аксиально-поршневые гидромашины нашли широкое применение в гидроприводах, что объясняется рядом их преимуществ: меньшие радиальные размеры, масса, габарит и момент инерции вращающихся масс; возможность работы при большом числе оборотов; удобство монтажа и ремонта.

Аксиально-поршневой насос состоит из блока цилиндров 8 с поршнями 4, шатунов 7, упорного диска 5, распределительного устройства 2 и ведущего вала 6.

Во время работы насоса при вращении вала приходит во вращение и блок цилиндров. Когда поршни выдвигаются из цилиндров, происходит всасывание, а когда вдвигаются - нагнетание. Через окна 1 и 3 в распределительном устройстве 2 цилиндры попеременно соединяются то с всасывающей, то с напорной гидролиниями. Для исключенсоединения всасывающей линии с напорной блок цилиндров плотно прижат к распределительному устройству, а между окнами этого устройства есть уплотнительные перемычки. Для уменьшения гидравлического удара сделаны дроссельные канавки в виде небольших усиков, за счет которых давление жидкости в цилиндрах повышается равномерно.

Рабочими камерами аксиально-поршневых насосов являются цилиндры, аксиально расположенные относительно оси ротора, а вытеснителями - поршни. По виду передачи движения вытеснителям аксиально-поршневые насосы подразделяются на насосы с наклонным блоком и с наклонным диском.

Насосы с силовым карданом приводной вал соединен с наклонным диском силовым карданом, выполненным в виде универсального шарнира с двумя степенями свободы. Поршни соединяются с диском шатунами. Крутящий момент от приводящего двигателя передается блоку цилиндров через кардан и наклонный диск для преодоления сил трения между торцом блока цилиндров и распределительным устройством.

В насосах с двойным несиловым карданом углы между осью промежуточного вала и осями ведущего и ведомого валов принимают одинаковыми. Вращение ведущего и ведомого валов будет практически синхронным, а кардан полностью разгруженным.

Насосы с точечным касанием поршней наклонного диска имеют наиболее простую конструкцию, поскольку здесь нет шатунов и карданных валов. Но необходимо принудительно выдвижение поршней из цилиндров для прижатия их к опорной поверхности наклонного диска.

Аксиально-поршневые машины бескарданного типа блок цилиндров соединяется с ведущим валом через шайбу и шатуны поршней. По сравнению с гидромашинами с карданной связью они проще в изготовлении, надежнее в эксплуатации, имеют меньший габарит блока цилиндров. Подачу для машин с бесшатунным приводом определяют по формуле: , а для машин с шатунным приводом , где d - диаметр цилиндра; D и D’ - диаметр окружности, на которой расположены центры окружностей цилиндров или закреплены шатуны на диске; D tg γ и D' sin γ - ход поршня при повороте блока цилиндров на 180 ; z - число поршней.  Крутящий момент гидромотора:

Пластинчатые насосы.

Пластинчатый насос – это роторно-поступательный насос с рабочими органами (вытеснителями) в виде плоских пластин. Пластинчатые насосы могут быть однократного, двукратного и многократного действия.

Пластинчатый насос однократного действия. В пазах вращающегося ротора, ось которого смещена относительно оси неподвижного статора на величину эксцентриситета е, установлены несколько пластин. Вращаясь вместе с ротором, эти пластины одновременно совершают возвратно- поступательные движения в пазах ротора. Рабочими камерами насоса являются объемы, ограниченные соседними пластинами, а также поверхностями ротора и статора.

Затем пластина переносится от полости нагнетания к полости всасывания, и рабочий цикл повторяется.

Пластинчатый насос двукратного действия. Внутренняя поверхность имеет специальный профиль, что позволяет каждой пластине за один оборот вала дважды производить подачу жидкости. У пластинчатого насоса двукратного действия имеются две полости всасывания, которые объединены одним трубопроводом, и две полости нагнетания, также объединенные общим трубопроводом.

Основной конструктивной проблемой является уплотнение в месте контакта пластины и корпуса. В разных насосах поджатие пластины к корпусу обеспечивается различными способами. В насосах с высокими скоростями вращения за счет центробежных сил. В насосах, рассчитанных на большие давления, за счет давления, подводимого в пазы.

Конструкция пластинчатого насоса позволяет обеспечить изменение рабочего объема насоса. Для этого достаточно сделать вал ротора подвижным, т.е. обеспечить возможность изменения эксцентриситета е за счет перемещения ротора. Что позволяет уменьшать рабочий объем, подачу насоса, направлять поток жидкости в обратном направлении.

Следует отметить, что пластинчатые насосы двукратного и многократного действия не могут быть регулируемыми.

Нерегулируемые пластинчатые насосы компактны, просты в производстве и достаточно надежны в эксплуатации. Их максимальные величины давления 7…14 МПа. Рекомендуемые частоты вращения в пределах 1000…1500 об/мин. Полные КПД 0,6…0,85, а объемные КПД – 0,7…0,92.

 Шестерные насосы.

Шестеренный насос– это зубчатый насос с рабочими органами в виде шестерен, обеспечивающих геометрическое замыкание рабочих камер и передачу крутящего момента с ведущего вала на ведомый. Шестеренные насосы могут быть с внешним и внутренним зацеплением.

Самым распространенным является шестеренный насос с внешним зацеплением (рис. 4.1). Он обычно состоит из двух одинаковых эвольвентных зубчатых колес, находящихся в зацеплении, а также неподвижного корпуса.

Жидкость во всасывающей полости заполняет впадины между зубьями. Затем впадины с жидкостью перемещаются по дугам окружности от полости всасывания к полости нагнетания и попадают в область зацепления. При этом каждый зуб входит в соответствующую впадину и вытесняет из неё жидкость. Таким образом, жидкость вытесняется из впадин в полость нагнетания и далее в напорный трубопровод. Следует иметь в виду, что впадина на некоторую величину больше зуба. Поэтому часть жидкости возвращается обратно в полость всасывания в запертых в зоне зацепления объемах между впадинами и головками зубьев.

Для улучшения эксплуатационных показателей шестеренных насосов их конструкции несколько усложняют. Так, для лучшего уплотнения боковых (торцевых) зазоров в насосах применяют специальные плавающие втулки, которые давлением насоса поджимаются к боковым поверхностям шестерен. Тем самым, при повышении давления автоматически повышается герметичность насоса.

Шестеренный насос с внешним зацеплением
Для повышения герметичности зубчатое зацепление часто выполняют с большим коэффициентом перекрытия, что позволяет значительное время в контакте находится сразу двум парам зубьев. Однако это увеличивает замкнутые объемы в месте зацепления. Запертая жидкость в ограниченных объемах между зубьями сжимается, что приводит к скачкам давления. Для устранения отмеченных скачков в торцевых поверхностях корпуса в зоне зацепления устраивают специальные компенсационные канавки. У некоторых шестеренных насосов для снижения радиальных нагрузок устраивают разгрузочные каналы в боковых поверхностях корпусов, удаленных от полостей всасывания и нагнетания.

Шестеренные насосы выпускаются как для гидросистем с высокими давлениями (до 15…20 МПа), так и для гидросистем с более низкими давлениями (1…10 МПа). Первые применяются в гидросистемах тракторов, дорожно-строительных и сельскохозяйственных машин. Вторые используются в станочных гидроприводах. Рекомендованные частоты вращения большинства шестеренных насосов с внешним зацеплением лежат в пределах1000…2500 об/мин. Полные КПД этих насосов обычно составляют 0,75…0,85, а объемные КПД – 0,85…0,95.

Кроме шестеренных насосов с внешним зацеплением, известны также шестеренные насосы с внутренним зацеплением (рис. 4.2): шестерня меньших размеров располагается внутри более крупного зубчатого колеса. Оба зубчатых колеса находятся в зацеплении и вращаются относительно неподвижного корпуса, причем ведущей является внутренняя шестерня.

Рабочими камерами, как и в случае насоса с внешним зацеплением, являются впадины зубьев. Всасывающие и напорные трубопроводы подводятся к торцевым поверхностям насоса и заканчиваются полостями всасывания и нагнетания. Необходимой деталью насоса с внутренним (эвольвентным) зацеплением является неподвижный серпообразный разделительный элемент, который служит для разделения полостей всасывания и нагнетания. Принцип действия данного насоса аналогичен принципу действия шестеренного насоса с внешним зацеплением.

Шестеренные насосы с внутренним зацеплением компактнее и могут работать при больших скоростях вращения. Однако они создают меньшие давления (обычно не более 5…7 МПа). Из-за указанного обстоятельства и более сложной конструкции (по сравнению с насосами с внешним зацеплением, они не нашли широкого применения).

Винтовые насосы.

Винтовой или шнековый насос — насос, в котором создание напора нагнетаемой жидкости осуществляется за счёт вытеснения жидкости одним или несколькими винтовыми металлическими роторами, вращающимся внутри статора соответствующей формы.

Винтовые насосы являются разновидностью роторно-зубчатых насосов и легко получаются из шестерённых путём уменьшения числа зубьев шестерён и увеличения угла наклона зубьев

Принцип работы Перекачивание жидкости происходит за счёт перемещения её вдоль оси винта в камере, образованной винтовыми канавками и поверхностью корпуса. Винты, входя винтовыми выступами в канавки смежного винта, создают замкнутое пространство, не позволяя жидкости перемещаться назад.

Область применения Предназначен для перекачивания жидкостей различной степени вязкости, газа или пара, в том числе и их смесей.Эти насосы могут работать при давлениях до 30 МПа.

Конструктивные особенности Для улучшения качества уплотнений и снижения утечек иногда применяется цилиндрический или конический эластичный корпус. В последнем случае конический винт прижимается пружиной, а иногда ещё и давлением перекачиваемой жидкости. Однако насосы с эластичным корпусом способны выдерживать меньшие давления чем насосы с металлическим корпусом. В насосах с коническими винтами можно обойтись жёстким корпусом.

Наиболее распространёнными являются трёхвинтовые насосы.

Преимущества

• равномерная подача жидкости, в отличие от насосов поршневых и плунжерных;
• способность перекачивать смеси из жидкой и твёрдой фаз без повреждения твёрдых включений в жидкости;
• как и другие объёмные насосы, винтовые обладают способностью к самовсасыванию жидкости;
• возможность получить высокое давление на выходе без множества каскадов нагнетания;
• хорошая сбалансированность механизма и, как следствие, - низкий уровень шума при работе.

Недостатки

• сложность и высокая стоимость изготовления насоса;
• нерегулируемость рабочего объёма;
• так же, как и другие виды объёмных насосов, винтовые нельзя пускать вхолостую без перекачиваемой жидкости, так как в этом случае повышается коэффициент трения деталей насоса и ухудшаются условия охлаждения; в результате насос может перегреться и выйти из строя.

устройство трехзвенного насоса

Конструкция винтов в двухвинтовом насосе. Жидкость перемещается вдоль оси насоса

Компрессоры.

Компрессоры - устройство для сжатия и подачи газов под давлением (воздуха, паров хладагента и т. д.). Компрессорная установка — совокупность компрессора, привода и вспомогательного оборудования (газоохладителя, осушителя сжатого воздуха и т. д.). Компрессоры называются дожимающими, если давление всасываемого газа существенно превышает атмосферное. Производительность компрессоров обычно выражают в единицах объёма газа, приведённого к нормальным условиям. При этом различают производительность по входу и по выходу. Эти величины практически равны при маленькой разнице давлений между входом и выходом. При большой разнице у, скажем, поршневых компрессоров, выходная производительность может при тех же оборотах падать более чем в два раза по сравнению с входной производительностью, измеренной при нулевом перепаде давления между входом и выходом.

 Классификация

Компрессоры, различные по давлению, производительности, сжимаемой среде, условиям окружающей среды, имеют большое разнообразие конструкций и типов. Компрессоры классифицируются по ряду характерных признаков.

По назначению компрессоры классифицируются по отрасли производства, для которых они предназначены (химические, энергетические, общего назначения и т. д.), по роду сжимаемого газа (воздушный, кислородный, хлорный, азотный, гелиевый и т. д.).

По способу отвода теплоты — с жидкостным или воздушным охлаждением.

По типу приводного двигателя  — с приводом от электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания, паровой или газовой турбины. Если компрессор приводятся во вращение от турбины, то он называется турбокомпрессор.

По принципу действия компрессоры подразделяются наобъёмные, лопастные (лопаточные) и термокомпрессоры. Под принципом действия понимают основную особенность процесса повышения давления, зависящую от конструкции компрессора.

Объёмный компрессор — это машина, в которой процесс сжатия происходит в рабочих камерах, изменяющих свой объём периодически, попеременно сообщающихся с входом и выходом компрессора. Объёмные машины по геометрической форме рабочих органов и способу изменения объёма рабочих камер можно разделить на поршневые, мембранные и роторные (винтовые, ротационно-пластинчатые, жидкостно-кольцевые, с катящимся ротором, газодувки Рутс (насос Рутса), спиральные) компрессоры.Поршневые компрессоры (при высоких давлениях сжатия применяются также плунжерные) могут быть одностороннего или двухстороннего действия, крейцкопфные и бескрейцкопфные, смазываемые и без применения смазки (сухого трения).

К объёмным машинам с вращающим сжимающим элементом (роторным машинам) относятся: винтовые компрессоры, ротационно-пластинчатые, жидкостно-кольцевые и другие конструкции компрессорных машин.

Лопастной или лопаточный компрессор — машина динамического действия, в которой сжатие газа происходит в результате взаимодействия потока с вращающейся и неподвижной решётками лопастей. Характерной особенностью лопастных машин является отсутствие пульсации развиваемого ими давления. К лопастным относятся осерадиальные, осевые и вихревые машины.

По конечному давлению различают:

• вакуум-компрессоры, газодувки — машины, которые отсасывают газ из пространства с давлением ниже атмосферного или выше;
• компрессоры низкого давления, предназначенные для нагнетания газа при давлении от 0,15 до 1,2 МПа, среднего — от 1,2 до 10 МПа, и высокого — от 10 до 100 МПа
• компрессоры сверхвысокого давления, предназначенные для сжатия газа выше 100 МПа.

Классификация объемных гидроприводов прохарактеру движения выходного звена и другим признакам.

Объемный гидропривод– гидропривод, использующий объемные гидромашины.

Принцип действияобъемного гидропривода основан на практической несжимаемости рабочей жидкости и на свойстве жидкости передавать давление по всем направлениям в соответствии с законом Паскаля.

По виду источника энергии жидкости объемные гидроприводы делятся на три типа.

Насосный гидропривод: источником энергии жидкости является объемный насос, входящий в состав гидропривода. При анализе работы такого гидропривода в это понятие также включают и приводящий насос двигатель. По характеру циркуляции рабочей жидкости насосные гидроприводы разделяют на гидроприводы с разомкнутой циркуляцией жидкости (жидкость от гидродвигателя поступает в гидробак, откуда всасывается насосом) и гидроприводы с замкнутой циркуляцией жидкости (жидкость от гидродвигателя поступает сразу во всасывающую гидролинию насоса).

Аккумуляторный гидропривод: источником энергии жидкости является предварительно заряженный гидроаккумулятор. Такие гидроприводы используются в гидросистемах с кратковременным рабочим циклом или с ограниченным числом циклов (например, гидропривод рулей ракеты).

Магистральный гидропривод: рабочая жидкость поступает в гидросистему из централизованной гидравлической магистрали с определенным располагаемым напором (энергией).

Выходным звеном гидропривода считается выходное звено гидродвигателя, совершающее полезную работу.

По характеру движения выходного звена различают объемные гидроприводы:

• поступательного движения. В них выходное звено совершает возвратно-поступательное движение. В качестве гидродвигателя используется объемный гидродвигатель возвратно-поступательного движения (гидроцилиндр);

• поворотного движения. В них выходное звено совершает ограниченное по величине возвратно-поворотное движение. В качестве гидродвигателя используется объемный гидродвигатель поворотного движения (поворотный гидромотор);

• вращательного движения. В них выходное звено совершает вращательное движение. В качестве гидродвигателя используется объемный гидродвигатель вращательного движения (гидромотор).

Если в гидроприводе имеется возможность изменять только направление движения выходного звена, то такой гидропривод называется нерегулируемым.

Если же в гидроприводе имеется возможность изменять скорость выходного звена извне по заданному закону, как по направлению, так и по величине, то такой гидропривод называется регулируемым.

На практике используют два основных способа регулирования величины скорости движения выходного звена объемного гидропривода:

• дроссельное регулирование. Регулирование скорости осуществляется регулирующим гидроаппаратом за счет изменения количества рабочей жидкости, поступающей в гидродвигатель. При этом часть потока рабочей жидкости, поступающей от насоса, отводится на слив, минуя гидродвигатель;

• объемное (машинное) регулирование. Регулирование скорости осуществляется регулируемым насосом или регулируемым гидромотором, или обеими объемными гидромашинами с регулируемым рабочим объемом.

Если в объемном гидроприводе регулирование скорости выходного звена происходит одновременно двумя вышеперечисленными способами, то такой способ регулирования называется объемно-дроссельным, или машинно-дроссельным.

В некоторых случаях в насосном гидроприводе скорость движения выходного звена регулируется за счет изменения частоты вращения приводящего двигателя (электродвигателя, двигателя внутреннего сгорания и т.п.). Такой гидропривод называется гидроприводом с управлением приводящим двигателем.

Регулирование гидропривода может быть ручным, автоматическим и программным.

Объемный гидропривод, в котором в определенном диапазоне изменения внешних воздействий скорость движения выходного звена путем регулирования поддерживается постоянной, называется стабилизированным.

Объемный гидропривод, в котором перемещение выходного звена находится в строгом соответствии с величиной управляющего сигнала, называется следящим гидроприводом.

Принимая во внимание задачи, которые необходимо решать по управлению гидроприводом и обеспечению его работоспособности, можно заключить, что реальный объемный гидропривод обязательно должен включать в себя следующие элементы (количество перечисленных ниже элементов в составе гидропривода не ограничивается):

• энергопреобразователи– это устройства, обеспечивающие преобразование механической энергии в гидроприводе. К ним относятся: гидромашины (насосы и гидродвигатели), гидроаккумуляторы и гидропреобразователи.

• гидросеть – это совокупность устройств, обеспечивающих гидравлическую связь элементов гидропривода. К ним относятся: гидробаки, рабочая жидкость, гидролинии, гидравлическая соединительная арматура.

• кондиционеры рабочей среды– это устройства, предназначенные для поддержания заданных качественных показателей и состояния рабочей жидкости (чистота, температура и т.п.). К ним относятся: фильтры, сепараторы, теплообменники и воздухоспускные устройства (частично к этому классу устройств относятся и гидробаки, где также происходит очистка и охлаждение рабочей жидкости).

• гидроаппараты– это устройства, предназначенные для изменения или поддержания заданных значений параметров потока рабочей жидкости (давления, расхода, направления движения). Их еще называют элементами управления объемных гидроприводов. К ним относятся: гидродроссели, гидроклапаны и гидрораспределители.

Регулируемые объемные гидроприводы широко используются в качестве приводов станков, прокатных станов, прессового и литейного оборудования, дорожных и строительных машин, транспортных и сельскохозяйственных машин и т.п.

Силовые гидроцилиндры, их назначение и устройство. Расчет гидроцилиндров.

Силовой гидроцилиндр – это объёмный гидродвигатель, в котором ведомое звено (шток, плунжер) совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение относительно корпуса гидроцилиндра, реже наоборот. Силовые гидроцилиндры делятся на гидроцилиндры двухстороннего действия, которые преобладают на автовышках и автоподъёмниках, и гидроцилиндры одностороннего действия. Гидроцилиндры двухстороннего действия делятся на гидроцилиндры с двухсторонним штоком, односторонним штоком, телескопические и комбинированные. Гидроцилиндры одностороннего действия делятся на поршневые, плунжерные, телескопические. В тех случаях, когда для получения необходимого усилия нельзя установить гидроцилиндр с большим диаметром, но при этом длина цилиндра не ограничивается, применяют комбинированные гидроцилиндры – сдвоенные и строенные. Последовательное соединение гидроцилиндров увеличивает эффективную площадь, а, следовательно, и тяговое или толкающее усилие на штоке. Если в системе работает несколько гидроцилиндров, то их диаметры следует подбирать исходя из равенства рабочих давлений. В этом случае система будет работать на максимальном КПД и с наименьшими тепловыми потерями. Если по каким-либо соображениям это условие выдержать невозможно, то при работе различных гидроцилиндров в системе будет устанавливаться давление, не равное давлению насоса или давлению настройки предохранительного клапана, а давление, соответствующее внешним усилиям. Если же при этом производится регулирование скорости на выходе, то в гидросистеме до гидроцилиндра устанавливается давление, равное давлению настройки предохранительного клапана, а за гидроцилиндром – давление подпора, которое дополнит внешнее усилие на шток гидроцилиндра. В гидроцилиндрах с высококачественными уплотнениями из резинотехнических изделий или другими мягкими уплотнениями утечки почти отсутствуют, и поэтому их объёмный КПД равен 100%.

Рис. 5.2. Схема гидроцилиндра двустороннего действия

Поворотные гидродвигатели.

Поворотные гидродвигатели сообщают выходному звену ограниченное вращательное движение. На рис. 5.12 изображены конструктивные схемы поворотных шиберных (лопастных) гидродвигателей (однопластинчатого двухкамерного, двухлопастного четырехкамерного и трехлопастного шестикамерного). При четырехкамерном гидродвигателе развиваемый момент увеличивается, а угловая скорость уменьшается в 2 - раза. Так как применение многокамерных систем сокращает возможный угол поворота ротора, число камер более четырех применяют редко.

В конструкции таких гидродвигателей много общего с пластинчатыми гидромашинами. Трение и утечки по торцам являются главными потерями энергии. Для сокращения и устранения внутренних утечек по торцам ротора и пластин применяют подгонку боковых крышек с малыми зазорами, поджим одной из крышек с гидростатической разгрузкой или радиальные упругие уплотнения из резины или полимерных материалов.

На рис. 5.13 представлена конструкция поршневого поворотного гидродвигателя. Он представляет собой гидроцилиндр 5, шток 3, выступающая часть которого выполнена как зубчатая рейка, движущаяся во втулке. С рейкой-штоком сцеплена шестерня 2, жестко соединенная с выходным валом гидромотора (ось 1 вала располагается перпендикулярно плоскости чертежа). Шток совершает возвратно- поступательные движения, а выходной вал - возвратно-поворотные.

Рис. 5.12. Поворотные шиберные гидродвигатели

Рис. 5.13. Поворотный гидродвигатель поршневого типа

Роторные гидродвигатели – гидромоторы. Обратимость роторных насосов и гидромоторовю

Роторно-пластинчатые (шиберные, лопастные) гидромашины являются наиболее простыми из существующих типов объемных гидромашин.

Схема простейшего роторно-пластинчатого насоса показана на рис. 3.13. Ротор 1 размещен в корпусе насоса между двумя плотно прижатыми к нему торцевыми дисками 2. В радиальных либо слегка наклоненных к радиусу ротора пазах установлены пластины (шиберы) 3. Ось вращения ротора располагается по отношению к статору 4 эксцентрично. Прижатые к статору и вращающиеся вместе с ротором пластины скользят по внутренней цилиндрической поверхности статора, совершая одновременно возвратно-поступательное движение относительно ротора в его пазах. Из-за эксцентричности расположения ротора при удалении пластины от точки, где расстояние между статором и ротором минимальное, объем полости между пластинами увеличивается. Это приводит к понижению давления и заполнению полости жидкостью через окно 5, расположенное на периферии статора и сообщающееся со всасывающим патрубком 6 насоса. Поступившая в полость жидкость переносится пластинами в направлении вращения ротора. Когда пластины проходят точку, в которой расстояние между ротором и статором максимально, объем пространства между пластинами начинает сокращаться и жидкость вытесняется в полость нагнетания через противоположное окно и поступает в нагнетательный патрубок 7 насоса. Пластинчатые насосы изготавливаются с постоянной и регулируемой подачами. Регулирование пластинчатых насосов осуществляется изменением эксцентриситета е. Подача пластинчатых насосов пульсирующая. Минимальная подача имеет место в момент вступления пластины в работу. При дальнейшем повороте ротора подача увеличивается. Максимальная подача имеет место в момент, когда пластина занимает положение, соответствующее наибольшему расстоянию между ротором и статором. В дальнейшем подача насоса вновь уменьшается и достигает минимума в момент выхода пластины из работы.

Для уменьшения пульсации подачи жидкости рекомендуется принимать от 4 до 12 пластин. В целях устранения возможности соединения нагнетательной полости со всасывающей предусматриваются уплотнительные выступы I-II и III-IV. Длина уплотняющего выступа I-II делается с таким расчетом, чтобы в момент вступления одной пластины в пределы уплотняющего выступа предыдущая пластина выходила за его пределы. Для устранения защемления жидкости в замкнутом объеме выступ III-IV, расположенный перед камерой всасывания, делается короче выступа I-II, находящегося перед нагнетательной камерой. У рассматриваемого насоса каждая пластина в течение одного оборота ротора один раз принимает участие во всасывании жидкости и один раз - в нагнетании. Такие машины называют роторно-пластинчатыми насосами одиночного действия.

Роторно-пластинчатые насосы отличаются большой подачей при относительно небольших размерах. Средняя подача определяется по формуле:

,

где b- ширина ротора; е - эксцентриситет; r - радиус ротора; z - число пластин;  - толщина пластины; n - число оборотов ротора в единицу времени; _о - объемный КПД.

Одним из существенных недостатков роторно-пластинчатых насосов и гидродвигателей одиночного действия является наличие большой односторонней нагрузки на подшипники. Для устранения этого недостатка применяют роторно-пластинчатые гидромашины двойного действия (рис. 3.14).

Подача насоса двойного действия равна удвоенной подаче, определяемой по формуле для насоса одиночного действия.

В роторно-пластинчатых насосах двойного действия на участке между всасывающим и нагнетательным окнами направляющая поверхность спрофилирована по окружности, описанной из центра ротора, а на участках, занятых окнами, - по спирали Архимеда.

Средняя подача насоса двойного действия равна

,

где r₂ и r₁ - большой и малый радиусы статора;  - угол наклона пластин (для радиальных пластин  = 0).

Подача насоса двойного действия постоянна и не зависит от угла поворота ротора (подача из одной камеры накладывается на подачу из второй камеры так, что суммарная подача насоса остается неизменной в любой момент времени).

При подаче жидкости под давлением р во всасывающую камеру гидромашины двойного действия последняя работает как гидродвигатель с практически постоянным крутящим моментом.

Момент гидродвигателя можно определить по формуле

.

Роторно-пластинчатые машины имеют высокий КПД при высокой точности изготовления деталей и качественной их сборке.

На основании роторно-пластинчатых гидромашин разработана роторно-пластинчатая гидропередача, составленная из регулируемого насоса и реверсивного гидродвигателя, при помощи которой можно передавать механическую энергию с ведущего вала двигателя на ведомый, которая позволяет изменять передаточное отношение и крутящий момент на ведомом валу.

Высокомоментные гидромоторы.

В открытых гидравлических схемах рабочая жидкость поступает в насос из бака и проходя через гидрораспределитель и исполнительные гидродвигатели возвращается в бак.

Наиболее часто в системах гидропривода самоходной техники применяются аксиально-поршневые гидронасосы и гидромоторы с наклонным блоком цилиндров, реже - с наклонным диском (шайбой).

Аксиально-поршневые гидронасосы с наклонным блоком цилидров получили наиболее широкое применение в объемных гидроприводах машин, работающих в средних и тяжелых режимах внешних нагрузок с большой частотой включения. Их следует предпочитать при выборе перспективного типа гидромашин с учетом номинального давления, так как они более надежны в условиях переменных нагрузок и менее чувствительны к загрязнению рабочей жидкости, чем аксиально-поршневые насосы с наклонным диском.

Гидронасосы могут быть выполнены с нерегулируемым (рис. 1) и регулируемым (рис. 2) рабочим объемом и предназначены для работы как в режиме объемного насоса, так и в режиме объемного гидромотора (насоса-мотора) с реверсивным и нереверсивным направлениями вращения и с постоянным и реверсивным направлениями потока.

Рис. 1. Нерегулируемый аксиально-поршневой гидронасос - гидромотор с наклонным блоком цилиндров:

1 - приводной вал; 2 - подшипники; 3 - корпус;
4 - наклонный блок цилиндров; 5 - поршни;
6 - распределитель; 7 - крышка; 8 - дренажное отверстие

Рис. 2. Регулируемый аксиально-поршневой насос-мотор с наклонным блоком цилиндров:

Традиционная схема исполнения гидронасосов с наклонным блоком цилиндров и торцевым распределением рабочей жидкости позволяет использовать номинальное давление до 35 МПа.
Регулируемые гидронасосы позволяют изменять величину потока рабочей жидкости за счет изменения рабочего объема, которое достигается в результате изменения угла наклона блока цилиндров.
Изменение наклона блока цилиндров может осуществляться механическим, гидравлическим, электрогидравлическим релейным и пропорциональным приводом.

Регулирование гидронасоса может осуществляться различными регуляторами, которые обеспечивают:
- постоянную мощность;
- постоянное давление;
- постоянный поток.

Гидронасосы двухпоточные регулируемые самовсасывающие предназначены для работы в открытых гидросистемах объемного гидропривода. Регулирование подачи двух потоков осуществляется за счет синхронного изменения угла наклона блоков цилиндров регулятором постоянной мощности.
Гидравлическая схема двухпоточного насоса представлена на рис. 3.

Рис. 3. Гидравлическая схема двух поточного аксиально-поршневого насоса:

1- приводной вал; 2 - редуктор; 3 - качающие узлы;
4 - регулятор; А - линия всасывания;
В1, В2 - рабочие линии; S - канал для внешнего гидроуправления

Двухпоточные гидронасосы применяются на полноповоротных экскаваторах, кранах, лесозаготовительных и других машинах, где требуются независимое совмещение операций - элементов рабочих органов.

Двухпоточные гидронасосы могут быть с отдельным управлением качающих узлов, а также оснащаться третьим нерегулируемым насосом небольшой производительности для привода системы сервоуправления или рулевого механизма самоходной машины.

Пневматическим устройством - называют устройство, в котором в качестве рабочего тела используется сжатый газ, физи­ческие свойства газа проявляются в виде давления на поверхность твердых звеньев устройства или в виде аэродинамических эффектов.

Пневмопривод представляет собой систему взаимосвя­занных пневмоустройств, предназначенных для приведения в дви­жение рабочих органов машин или рабочих звеньев механизмов. Пневмоустройства в приводах могут быть связаны между собой пневматическими линиями (трубопроводами) и механизмами (шарнирно-рычажными, зубчатыми, кулачковыми и т. д.).

Исполнительные устройства предназначены для преоб­разования энергии сжатого воздуха в энергию движения рабочих органов машины.

Пневмодвигатель (от греч.pnéuma — дуновение, воздух), пневматический двигатель, пневмомотор — энергосиловая машина, преобразующая энергию сжатого воздуха в механическую работу.