Основы гидравлики и гидропривода

Министерство сельского хозяйства и продовольствия Республики Беларусь

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

" Белорусский государственный

аграрный технический университет"

Кафедра гидравлики и гидравлических машин

Методические указания и задания для контрольной работы студентам заочной формы обучения сельскохозяйственных вузов Основы гидравлики и гидропривода Минск

1. Общие указания по организации самостоятельной работы студента

2. Указания по выполнению контрольной работы

3. Цель и задачи курса

4. Содержание дисциплины

5. Методические указания по изучению дисциплины

5.1 Введение. Физические свойства жидкости

5.2 Гидростатика

5.3 Гидродинамика

5.4 Гидравлические сопротивления

5.5 Движение жидкости по трубопроводам

5.6 Истечение жидкости через отверстия и насадки

5.7 Равномерное движение жидкости в каналах. Фильтрация

5.8 Гидравлические машины и гидропривод

5.9 Сельскохозяйственное водоснабжение

5.10 Сельскохозяйственная мелиорация

6. Рекомендации к решению задач

6.1 Сила давления на плоские поверхности

6.2 Сила давления на криволинейную поверхность

6.3 Расчет короткого трубопровода

6.4 Истечение жидкости через отверстия и насадки

6.5 Расчет насосной установки

6.6 Расчет объемного гидропривода

7. Задания к выполнению контрольной работы

7.1 Сила давления на плоские поверхности

7.2 Сила гидростатического давления на криволинейную поверхность

7.3 Расчет короткого трубопровода

7.4 Истечение жидкости

7.5 Расчет насосной установки

7.6 Гидропривод c.-х. машин Литература Приложения

1. Общие указания по организации самостоятельной работы студента Приступая к изучению курса, необходимо прежде всего детально ознакомиться с программой и методическими указаниями.

Изучение курса рекомендуется вести в такой последовательности разделов и тем, в какой они представлены в методических указаниях. Процесс проработки материала по теме рекомендуется организовать следующим образом:

1. Внимательно прочитать соответствующие разделы программы и методические указания и тем самым четко уяснить изучаемые вопросы.

2. Прочитать литературу, рекомендуемую для проработки данной темы. При чтении литературы необходимо выделить наиболее важные и трудные места, а также отметить вопросы программы, которые не освещены в данном литературном источнике.

3. Углубленно проработать теоретические положения по вопросам темы, выводы расчетных формул, а также определения отдельных величин и характеристик. При изучении каждой темы очень важно уяснить размерность рассматриваемых величин и характеристик.

4. Изучить по дополнительной литературе вопросы, не освещенные в основной.

5. Внимательно просмотреть примеры расчетов, приведенные к рекомендуемой литературе.

6. Кратко законспектировать материал по теме. Обязательным элементом конспекта по каждой теме должны быть схемы, эскизы и графики, иллюстрирующие аналитические выводы, теоретические положения курса, принцип работы отдельных конструкций и др.

7. После проработки темы и составления конспекта необходимо дать ответы на вопросы для самопроверки, приведенные в методических указаниях.

8. Проработка темы заканчивается выполнением контрольных задач.

По всем вопросам, в которых студент сам не может разобраться, следует обращаться на кафедру «Гидравлика и гидравлические машины» для получения консультаций и дополнительных разъяснений.

2. Указания по выполнению контрольной работы Студентом-заочником выполняется одна контрольная работа, включающая в себя шесть задач. Номера задач и данные для решения выбираются по последним цифрам шифра или по индивидуальному заданию преподавателя, о чем сообщается студентам на установочной сессии. Номер задачи соответствует последней цифре шифра. Данные для решения задач выбираются из таблиц по предпоследней цифре шифра.

Контрольная работа должна быть написана разборчиво и аккуратно, с полями для исправлений и заметок при рецензировании. Ко всем техническим расчетам необходимо давать краткие пояснения, схемы и графики, иллюстрирующие расчет и отдельные расчетные величины.

Для всех исходных характеристик и гидравлических величин, полученных в результате расчета, необходимо указывать размерность. Если та или иная гидравлическая характеристика принимается по справочнику или вспомогательной таблице, необходимо указывать источник, откуда она взята, а для эмпирических формул — ее автора.

Выполненная контрольная работа отсылается в университет для проверки.

По результатам проверки работа допускается к защите или не допускается. Работа должна быть зачтена после собеседования со студентом во время сессии или консультации.

3. Цель и задачи курса Цель изучения курса — получить знания, необходимые для решения инженерных задач, связанных с использованием жидкостей в различных областях техники и сельского хозяйства.

На основе законов равновесия капельной жидкости производятся расчеты гидравлических прессов, домкратов, аккумуляторов, тормозов, подъемников, гидромуфт и других аналогичных устройств. Численная оценка силового воздействия жидкости на тела, погруженные в нее, и на поверхности конструкций, соприкасающихся с жидкостью, дается также на основе законов гидравлики.

Изучение основных законов движения капельной жидкости дает возможность определить условия работы и рассчитать размеры сечения трубопроводов, насадок, отверстий, систем охлаждения, смазки и др.

Расчет размеров и определение условий работы каналов для транспортирования жидкости и сооружений для управления потоком в этих каналах также выполняется на основе законов гидравлики.

Применение законов гидравлики позволяет решать вопросы расчета и конструирования насосов — машин, посредством которых механическая энергия извне (например, от двигателя) передается жидкости, а также гидравлических турбин.

4. Содержание дисциплины Раздел 1. Гидростатика. Жидкости, их свойства. Гидростатическое давление и его свойства. Дифференциальное уравнение равновесия жидкости. Уравнение Эйлера. Основное уравнение в интегральной форме. Абсолютное и избыточное давление. Давление жидкости на плоские поверхности. Точка приложения силы. Определение величины силы давления на криволинейные поверхности. Эпюры давления. Закон Архимеда. Вращение несжимающейся жидкости в сосуде вокруг вертикальной оси. Движение сосуда с жидкостью горизонтально с ускорением.

Раздел 2. Гидродинамика. Параметры потока движущейся жидкости. Уравнение неразрывности. Дифференциальное уравнение Эйлера. Уравнение Бернулли для элементарной струйки. Уравнение Бернулли для установившегося потока реальной жидкости. Основное уравнение равномерного потока. Гидравлические сопротивления. Графики Никурадзе и Мурина. Коэффициент гидравлического трения. Коэффициенты местных сопротивлений. Гидравлический расчет коротких трубопроводов. Гидравлический расчет длинных трубопроводов тупиковой сети. Расчет составного трубопровода. Параллельное соединение трубопроводов. Расчет кольцевой сети. Гидравлический удар. Истечение жидкости через отверстия и насадки при постоянном и переменном напоре. Опорожнение ёмкости. Дальность полета струи и распад струи. Активное и реактивное действие струи.

Раздел 3. Динамические насосы. Классификация насосов. Параметры, характеризующие насос. Основное уравнение лопастных машин. Параметры, характеризующие насосную установку. Определение рабочей точки насоса. Методы регулирования подачи насосов. Работа насоса на данный трубопровод. Работа насосов при последовательном и параллельном соединении. Методика подбора динамических насосов. Высота всасывания. Специальные водоподъемники.

Раздел 4. С.-х. водоснабжение. Особенности с.-х. водоснабжения. Требования к качеству воды. Источники водоснабжения. Определение расчетных расходов. Определение напорно-регулирующего объема резервуара. Число включений насоса при автоматической работе. Насосные станции. Основные сведения, классификация, основные параметры.

Раздел 5. Гидропривод. Состояние и перспективы развития объемного гидропривода. Классификация объемного гидропривода. Принцип действия объемного гидропривода. Требования, предъявляемые к объемному гидроприводу. Составление схемы объемного гидропривода. Схемы циркуляции жидкости. Условия работы объемного гидропривода. Характеристика рабочих жидкостей. Гидродвигатели возвратно-поступательного движения. Схема объемного гидропривода с гидродвигателями возвратно-поступательного движения. Выбор и расчет гидроцилиндров. Гидродвигатели вращательного движения. Схема объемного гидропривода с гидродвигателями вращательного движения. Выбор и расчет гидромоторов. Определение параметров и выбор насоса. Регулирование параметров выходного звена. Объемное регулирование. Дроссель регулирования. Анализ и сравнение методов регулирования. Стабилизация и синхронность движения выходного звена. Расчет трубопроводов. Расчет диаметров трубопроводов и РВД. Расчет гидравлических потерь. Расчет мощности и КПД гидропривода. Контрольно-регулирующие гидроаппараты. Классификация гидроаппаратов. Расчет предохранительных, переливных и редукционных клапанов. Расчет и подбор фильтров, распределителей, теплообменников, делителей потока и гидробака. Тепловой расчет объемного гидропривода. Гидродинамические передачи. Рабочий процесс и характеристика гидромуфт. Рабочий процесс и характеристика гидротрансформатора.

Раздел 6. Мелиорация. С.-х. мелиорация. Дождевание. Дождевальные машины. Раздел 7. Гидротранспорт. Гидротранспорт в сельском хозяйстве.

5. Методические указания по изучению дисциплины

5.1 Введение. Физические свойства жидкости Изучение темы необходимо начать с вопроса о предмете гидравлики и ее значении при решении инженерных задач в различных областях техники и сельского хозяйства. Надо ознакомиться с задачами гидравлики в области электрификации сельского хозяйства, остановиться на истории развития гидравлики.

Затем изучить физические свойства жидкостей. При рассмотрении их особое внимание нужно уделить вопросам размерностей основных показателей, которыми эти свойства характеризуются.

Для количественной оценки физико-механических свойств жидкости в гидравлике используются технические единицы измерения.

В Международной системе единиц (СИ) удельный вес измеряется в ньютонах на кубический метр, .Удельный вес воды при 4 °C г = 9810 Н/м³. Плотность воды с = 1000 кг/м³.

Для упрощения исследований и обобщения выводов в гидравлике широко используется понятие идеальной, или невязкой жидкости. Важно уяснить различие между невязкой жидкостью как научной абстракцией и реальной физической жидкостью.

Вопросы для проверки:

1. В чем состоит значение гидравлики и гидравлических машин в интенсификации сельскохозяйственного производства?

2. Перечислите основные физико-механические свойства жидкостей.

3. Какая существует зависимость между плотностью и удельным весом жидкости?

5.2 Гидростатика Необходимо уяснить, какие силы могут действовать на покоящуюся жидкость, затем усвоить понятие гидростатического давления в точке и его основные свойства.

В Международной системе единиц (СИ) за единицу давления принято равномерно распределенное давление, при котором на 1 приходится сила, равная 1 Н, называемая паскаль, 1 Па = 1 Н/м².

Для усвоения единиц измерения давления и связи между ними полезно решить несколько задач на определение величины гидростатического давления, (выражая эту величину в различных размерностях).

Важно знать основное уравнение гидростатики и иметь ясное представление о разнице между абсолютным и избыточным давлением. Следует разобраться в понятии пьезометрической высоты и гидростатического напора. Необходимо знать, что для всех точек данного объема покоящейся жидкости гидростатический напор относительно выбранной плоскости сравнения есть величина постоянная.

Прежде чем перейти к изучению вопроса о силе давления жидкости на плоские стенки и цилиндрические поверхности, нужно усвоить методику построения эпюр гидростатического давления. Полезно рассмотреть несколько примеров построения эпюр давления на вертикальные и наклонные стенки.

После этого следует разобрать два способа определений силы гидростатического давления на плоские стенки: аналитический и графический — понятие центра давления и способы его определения. Для уяснения условий плавучести надо вспомнить закон Архимеда.

В заключение необходимо ознакомиться с вопросом относительного равновесия жидкости в сосуде, равномерно вращающемся вокруг вертикальной оси и движущемся прямолинейно с постоянным ускорением.

Для этих случаев разобрать формулы определения давления в любой точке жидкости.

Вопросы для проверки:

1. Что такое гидростатическое давление в данной точке?

2. Назовите силы, действующие в жидкости.

3. Основное уравнение гидростатики. Закон Паскаля.

4. Что называется абсолютным давлением, избыточным давлением, вакуумом?

5. Приборы для измерения давления.

6. Сила давления на плоские поверхности и точка ее приложения.

7. Построение и использование эпюр гидростатического давления.

8. Сила давления на криволинейную поверхность и точка ее приложения. Закон Архимеда.

9. Относительное равновесие жидкости в сосуде, равномерно вращающемся вокруг вертикальной оси, и в сосуде, движущемся прямолинейно с постоянным ускорением.

5.3 Гидродинамика Изучение этой темы надо начать с понятия гидродинамического давления, скорости в точке внутри движущейся жидкости и видов движения. Разобрать струйчатую модель движения жидкости. Познакомиться с элементами движения: траекторией, линией тока, элементарной струйкой, потоком. Уяснить основные характеристики потока жидкости: живое сечение, смоченный периметр, гидравлический радиус, средняя скорость, расход. Затем перейти к рассмотрению основных уравнений гидродинамики — неразрывности и уравнения Д. Бернулли.

Уравнение Бернулли лежит в основе всей гидравлики и позволяет решать самые разнообразные практические задачи, поэтому его изучению следует уделить особое внимание. Необходимо четко уяснить: а) геометрический и энергетический смысл уравнения; б) принцип графического изображения уравнения и в) условия движения, для которых применимо уравнение (струйчатость, медленная изменяемость движения и т. д.).

Изучение уравнения Бернулли нужно начать с рассмотрения простейшего случая движения элементарной струйки идеальной жидкости, разобраться в выводе этого уравнения из закона кинетической энергии, затем перейти к рассмотрению уравнения Бернулли для элементарной струйки реальной жидкости.

При изучении уравнения Бернулли для целого потока реальной жидкости надо обратить внимание на условия применения этого уравнения и на физический смысл коэффициента неравномерности распределения скоростей по его живому сечению.

Важно усвоить понятие пьезометрической и напорной линий, а также пьезометрического и гидравлического уклонов.

Вопросы для проверки:

1. Назовите виды движения жидкости в потоке.

2. Дайте определение гидравлических величин: площади живого сечения, смоченного периметра, гидравлического радиуса расхода воды.

3. Уравнение неразрывности потока.

4. Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости.

5. В чем состоит геометрический и энергетический смысл уравнения Бернулли?

6. Примеры применения уравнения Бернулли.

5.4 Гидравлические сопротивления Необходимо разобрать основное уравнение равномерного движения жидкости и формулу Шези. Затем перейти к изучению гидравлических сопротивлений, встречающихся при движении жидкости. Так как гидравлические сопротивления в значительной степени зависят от режима движения жидкости, то их изучение целесообразно начать с ознакомления с ламинарным и турбулентным режимами движения. Нужно отчетливо представлять себе физический смысл числа Рейнольдса, знать критерий Рейнольдса, который дает возможность практически установить переход ламинарного режима движения жидкости в турбулентный. Разобраться в зависимостях между потерей напора и средней скоростью течения жидкости при ламинарном и турбулентном режимах.

Останавливаясь на вопросе определения численной величины потерь на трение по длине при турбулентном движении, очень важно понять деление сопротивлений на области (зоны): гладкостенную, доквадратичную, или переходную, и квадратичную. При этом необходимо не только установить границы каждой из них, но и уяснить принцип построения формул для определения коэффициента трения по каждой зоне сопротивлений.

При изучении потерь напора на преодоление местных сопротивлений следует знать причины, вызывающие местные потери напора, и усвоить общую зависимость для определения этих потерь.

Вопросы для проверки:

1. Перечислите виды гидравлических сопротивлений, возникающих при движении жидкости.

2. В чем состоит основное отличие турбулентного режима от ламинарного?

3. Назовите известные вам из практики примеры ламинарного и турбулентного движения жидкости.

4. Что такое число Рейнольдса? Напишите аналитическое выражение определения числа Рейнольдса для потока в трубе круглого сечения. Его критическое значение.

5. Что такое абсолютная и относительная шероховатость?

6. Как определить потерю напора при ламинарном течении в трубах?

7. От каких факторов зависит коэффициент трения л при турбулентном движении в трубах и по каким формулам его можно определить?

8. Какие вам известны области (зоны) сопротивлений при турбулентном движении жидкости? (График Мурина)

9. Напишите формулу Шези и объясните все входящие в нее величины.

10. Какая имеется связь между значением л и величиной скоростного коэффициента С (коэффициента Шези)?

11. Какие сопротивления называют местными? По какой формуле можно найти их величину потерь напора при местном сопротивлении?

5.5 Движение жидкости по трубопроводам Изучение данной темы следует начать с классификации трубопроводов по признакам:

а) режима работы — постоянный или переменный расход жидкости;

б) соотношения между величинами потерь напора по длине (на трение) и на преодоление местных сопротивлений;

в) конструктивным — материал стенок трубопровода и их состояние; форма поперечного сечения; простой и сложный трубопровод и др.;

г) жидкости, протекающей в трубопроводе.

Важно уяснить, что из всего разнообразия трубопроводов гидравлический расчет их может быть сведен к трем принципиальным схемам.

1. Расчет простого короткого трубопровода при постоянном расходе, когда детально учитываются сопротивления по длине, местные сопротивления и величина скоростного напора.

2. Расчет простого длинного трубопровода при постоянном расходе, когда точно учитываются сопротивления по длине, а величина местных сопротивлений определяется приближенно (в процентах от потерь напора по длине).

3. Расчет простого длинного трубопровода с транзитным и равномерно распределенным путевым расходом.

Для первых двух схем трубопровода необходимо усвоить: а) вывод расчетной зависимости для общего случая турбулентного движения жидкости (независимо от зоны сопротивлений); б) преобразование этой зависимости введением расходной характеристики для квадратичной зоны сопротивлений. Таким преобразованием формула приводится к виду, удобному для технических расчетов.

Для третьей схемы трубопровода нужно рассмотреть вопрос определения расчетного расхода.

Далее следует сосредоточить внимание на разборе приемов применения полученных зависимостей к более сложным схемам трубопровода, а также на расчете трубопроводов при движении в них жидкостей, отличных от воды.

Надо научиться пользоваться специальными таблицами и номограммами, в которых даны значения гидравлических уклонов в зависимости от величины расхода для стандартных размеров сечения трубопроводов. Они упрощают и ускоряют расчеты.

Детально рассмотрите явление гидравлического удара в трубопроводе постоянного сечения большой длины.

Вопросы для проверки:

1. Какие трубопроводы принято называть короткими и длинными? Приведите примеры коротких и длинных трубопроводов.

2. Гидравлический расчет коротких трубопроводов.

3. Гидравлический расчет длинных трубопроводов.

4. Расчет параллельно и последовательно соединенных трубопроводов.

5. Особенности расчета сложных кольцевых сетей.

6. При каких условиях в трубопроводе возникает гидравлический удар? Определение повышения давления при прямом гидравлическом ударе.

5.6 Истечение жидкости через отверстия и насадки При изучении каждого типа водопропускных отверстий (отверстие в тонкой стенке, насадки) необходимо вначале рассмотреть их классификацию, а затем уже расчетные формулы для определения скорости истечения и расхода. При выводе указанных расчетных формул используются основные уравнения гидравлики: уравнение Бернулли и уравнение неразрывности потока, причем учитываются потери напора (главным образом местные). Важно отчетливо уяснить по каждому типу водопропускных отверстий методику определения величин коэффициентов: сопротивления сжатия струи, скорости и расхода, без численных значений которых нельзя выполнить технические расчеты.

Для насадок надо усвоить расчет гидродинамического давления в сжатом сечении, обратить внимание на предельное значение напора, выше которого насадка перестает работать. Следует уяснить причины увеличения расхода при истечении из насадки по сравнению с отверстием в тонкой стенке с той же площадью сечения.

Рассматривая истечение под переменным уровнем (напором), нужно сравнить время, которое необходимо для вытекания одного и того же объема жидкости при переменном напоре и при постоянном напоре.

Необходимо рассмотреть струю, ее взаимодействие с неподвижными и подвижными поверхностями.

Вопросы для проверки:

1. Истечение жидкости через отверстие в тонкой стенке.

2. Истечение жидкости через насадки.

3. Как определяется дальность полета струи?

4. Воздействие струи на подвижные и неподвижные поверхности.

5. Определите условия, при которых произойдет опорожнение резервуара.

5.7 Равномерное движение жидкости в каналах. Фильтрация Движение жидкости в каналах происходит под действием силы тяжести. Нужно рассмотреть условия, при которых возможно равномерное безнапорное движение. Изучить вопросы определения средней скорости, а также основные геометрические и гидравлические характеристики русла, которыми определяется его пропускная способность (площадь живого сечения, смоченный периметр, гидравлический радиус и др.).

Ознакомиться с различными типами задач при расчете каналов.

При изучении мерных водосливов следует ознакомиться с их типами и гидравлическими расчетами.

Уяснить основные понятия о фильтрации, разобрать основной закон фильтрации.

Вопросы для проверки:

1. Назовите гидравлические элементы, характеризующие открытый канал трапецеидального сечения.

2. Напишите уравнение равномерного движения.

3. Напишите формулу основного закона фильтрации.

5.8 Гидравлические машины и гидропривод Изучение темы необходимо начать с рассмотрения классификации водоподъемных машин по принципу передачи им энергии перекачиваемой жидкости. Затем остановиться на рассмотрении основных типов насосов. Изучить основные рабочие параметры, характеризующие работу насосов: производительность Q, напор H, мощность N, полный КПД з и высоту всасывания. После этого перейти к изучению каждого типа насоса. Вначале изучить устройство и принцип действия центробежного насоса. Разобрать характер движения жидкости в рабочем колесе насоса и основное уравнение его. Уяснить взаимосвязь рабочих параметров насоса: производительности Q, напора H, мощности N и числа оборотов рабочего колеса n (формулы подобия). Ознакомиться с понятием коэффициента быстроходности n_s. Какая существует классификация лопастных насосов в зависимости от n_s? Особое внимание обратить на явление кавитации. Что собою представляет это явление и каковы причины его возникновения? При этом важно усвоить зависимость для определения допустимой высоты всасывания из условия предотвращения кавитации. Ознакомиться с рабочими характеристиками насоса, что они собою представляют и как получаются. Подробно разобрать вопрос подбора насосов с помощью характеристик, определение рабочей точки насоса. Разобрать построение рабочих характеристик при параллельной и последовательной совместной работе насосов.

Переходя к изучению устройства и принципа действия поршневых насосов, остановиться на их классификации и разобрать схемы их действия. Обратить внимание на неравномерность подачи жидкости поршневыми насосами и на принцип действия воздушных колпаков. Рассмотреть индикаторную диаграмму, ее построение и назначение.

Затем изучить принцип действия и устройство роторных насосов. Обратить внимание на пульсацию расхода у шестеренных насосов и как этот недостаток устраняется у винтовых насосов. Разобрать формулу определения производительности шестеренного насоса.

Разобрав основные вопросы принципа действия различных типов насосов, перейти к рассмотрению гидравлических приводов. Разобрать устройство и характер их действия. Какие типы насосов применяются в гидравлических приводах? Какие жидкости применяются в гидроприводах и каким требованиям они должны отвечать?

Вопросы для проверки:

1. Классификация гидравлических машин.

2. Основные рабочие параметры насосов: подача, напор, мощность, КПД и вакуумметрические характеристики.

3. Рабочая и энергетическая характеристики центробежных насосов.

4. Насосная установка, работа насоса на сеть трубопроводов.

5. Основное уравнение работы центробежных насосов.

6. Треугольники скоростей. Производительность, момент и напор в рабочем колесе насоса.

7. Параллельная и последовательная работа центробежных насосов.

8. Как определяется предельная высота всасывания?

9. Опишите устройство осевых и вихревых насосов, рабочие характеристики.

10. Конструкции и расчет поршневых, шестеренных и планетарных гидромашин.

11. Конструкция и расчет гидродвигателей возвратно-поступательного действия.

12. Конструкция и расчет гидравлических резервуаров.

13. Конструкция и расчет трубопроводов и РВД.

14. Конструкции и расчет гидравлических распределителей.

15. Конструкция и расчет гидравлических клапанов.

16. Конструкция и расчет гидравлических аккумуляторов.

17. Конструкция и расчет фильтров и теплообменников.

18. Составление схем объемного гидропривода, расчет и подбор гидравлических аппаратов.

19. Регулирование параметров выходного звена в системах объемного гидропривода.

20. Требования к жидкостям, применяемым в гидроприводах.

5.9 Сельскохозяйственное водоснабжение Вначале ознакомиться с общими сведениями по сельскохозяйственному водоснабжению. Рассмотреть различные виды водопотребителей, рекомендуемые нормы водопотребления. Обратить внимание на требования, которые предъявляются к качеству воды (ГОСТ 2874−73 и ГОСТ 2761–74), изучить существующие источники водоснабжения, разобраться в устройствах забора воды из поверхностных источников и в случае захвата подземных вод. Ознакомиться с существующими схемами водоснабжения, изучить режимы водопотребления и усвоить определение характерных расходов воды.

После этого следует разобрать схему подачи воды по водопроводу и распределительной сети, ознакомиться с арматурой и сооружениями, устраиваемыми на водоводе и в сети, с устройством водонапорных башен и подземных резервуаров. Разобрать методы определения ёмкости бака водонапорной башни, обратить внимание на автоматизацию водоснабжения.

Рассмотреть различные типы насосных станций, состав сооружений и принципы выбора типа, числа и мощности агрегатов. Уделить внимание размещению оборудования, а также вспомогательному оборудованию насосных станций. Важным вопросом является автоматизация водоподачи, а также мероприятия по технике безопасности.

Рассмотреть назначение и состав канализационных сооружений.

Вопросы для проверки:

1. Особенности с.-х. водоснабжения. Источники водоснабжения.

2. Свойства воды, требования к качеству воды. Водозаборы.

3. Основные схемы с.-х. водоснабжения.

4. Виды потребителей и нормы водопотребления.

5. Режимы водопотребления и расчет путевых и узловых расходов.

6. Определение параметров водонапорных башен и резервуаров.

5.10 Сельскохозяйственная мелиорация Осушение. Необходимо познакомиться с искусственным удалением избыточной влаги из почвы. Надо уяснить требования сельскохозяйственных культур к водному режиму почвы для нормальной их жизнедеятельности. Понять, что собой представляет норма осушения. Затем рассмотреть возможные осушительные мелиорации, познакомиться с основными элементами осушительной системы и действием водоприемника.

Орошение. Основная задача — знакомство с орошением сельскохозяйственных культур. Следует рассмотреть элементы оросительной системы, существующие способы полива. Обратить внимание на орошение дождеванием, ознакомиться с дождевальными машинами.

Вопросы для проверки:

1. Мелиорация. Открытые и закрытые осушительные сети.

2. Орошение с.-х. культур, норма орошения и норма полива.

3. Назовите дождевальные машины и охарактеризуйте их.

6. Рекомендации к решению задач

6.1 Сила давления на плоские поверхности

1. Сила гидростатического давления, действующего на плоские поверхности, определяется по формуле:

(6.1)

где S — площадь рассматриваемой фигуры;

p_с — гидростатическое давление, действующее в центре тяжести данной плоской фигуры (рис. 6.1, точка С).

2. Давление р_с находится с помощью основного уравнения гидростатики:

(6.2)

где hc — глубина погружения центра тяжести рассматриваемой плоской фигуры от горизонтальной плоскости, на которой рo определено граничными условиями. Часто является известным давление на свободной поверхности жидкости, например, в случае, представленном на рис. 6.1, давление ро = рм и находится по показанию манометра.

3. Когда по условиям задачи требуется определить момент силы гидростатического давления, расчеты упростятся, если вычислять не силу гидростатического давления по формуле (6.1), а ее составляющие:

F_п — силу, которая возникает в результате давления на граничную поверхность жидкости в резервуаре или слоев жидкости, расположенных над верхней точкой рассматриваемой фигуры (точка 1 на рис. 6.1). Поскольку эта сила создается давлением, которое по закону Паскаля равномерно распределяется по рассматриваемой фигуре, то будем эту силу называть силой Паскаля; Fж — силу, создаваемую весом слоя жидкости, расположенного в пределах рассматриваемой фигуры.

(6.3)

(6.4)

где p₁ — давление в верхней точке рассматриваемой фигуры;

— глубина погружения центра тяжести рассматриваемой фигуры от горизонтальной плоскости, проходящей через верхнюю точку фигуры.

Давление в точке 1 согласно уравнению (6.2) примет вид:

(6.5)

Обе составляющие действуют по нормали к поверхности данной фигуры, но приложены в разных точках.

Сила F_п приложена в центре тяжести рассматриваемой фигуры (точка С), а сила F_ж — в точке Д, которая смещена вниз вдоль фигуры от точки С на величину е, называемую эксцентриситетом силы

(6.6)

где I_с — осевой момент инерции рассматриваемой фигуры относительно горизонтальной оси, которая лежит в плоскости и проходит через ее центр тяжести (приложение 5);

y_с — расстояние вдоль фигуры между горизонтальной плоскостью, проходящей через верхнюю точку фигуры и ее центром тяжести (приложение 5).

Основное уравнение гидростатики для определения давления в точке 1 примет вид (6.5), а для вычисления давления в точке 2 -;

(6.7)

где h₂ — глубина погружения самой нижней точки фигуры от горизонтальной поверхности, на которой давление равно р_м.

Ординаты давлений р₁ и р₂ в масштабе, выбранном по ГОСТу, откладываются в соответствующих точках по нормали к поверхности со стороны нагрузки и соединяются прямой линией.

Рис. 6.1. Расчетная схема для определения силы гидростатического давления

6.2 Сила давления на криволинейную поверхность

(6.8)

Горизонтальная составляющая силы давления на криволинейную поверхность определяется по формуле:

(6.9)

где р_с — давление в центре тяжести плоской поверхности (точка С), являющейся проекцией криволинейной поверхности на вертикальную плоскость ZОУ, определяется по формуле (6.2);

S — площадь плоской поверхности, являющейся проекцией криволинейной поверхности на вертикальную плоскость ZОУ.

Вертикальная составляющая силы давления определяется по формуле:

(6.10)

где г — удельный вес жидкости (приложение 1);

W — объем тела давления, заключенный между криволинейной поверхностью вертикальными плоскостями, проходящими через начало и окончание криволинейной поверхности и горизонтальной плоскостью, где избыточное давление равно 0 (нулю). В нашем случае сечение объема тела давления заштриховано (рис. 6.2).

Для определения точки приложения силы F_кр, действующей на криволинейную поверхность, рассмотрим предварительно направление сил F_г и F_в. Горизонтальная составляющая F_г всегда направлена со стороны действия жидкости через центр тяжести объема тела давления. Вертикальная составляющая F_в проходит через центр тяжести тела давления. Ее направление (вверх или вниз) определяется взаиморасположением жидкости и криволинейной поверхности. Если жидкость ограничивается поверхностью снизу, то и сила F_в направлена вниз, а если сверху — вверх или, если объем тела давления заполнен жидкостью, направлена вниз, а если не заполнен жидкостью, то F_в направлена вверх.

Точка приложения F_кр (точка Д) определяется геометрическим построением сил F_г и F_в в масштабе, и сила F_кр проходит через центр симметрии криволинейной поверхности (точка О).

Рис. 6.2. Сила давления на криволинейную поверхность

6.3 Расчет короткого трубопровода

1. Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости:

(6.11)

или в сокращенной форме:

(6.12)

где z₁, z₂ — геометрические напоры соответственно в сечениях 1 и 2. Геометрический напор отсчитывается расстоянием по вертикали от плоскости сравнения до центра тяжести рассматриваемого сечения;

— пьезометрические напоры в соответствующих сечениях;

— потенциальный напор в рассматриваемом сечении;

— полный напор в данном сечении;

h₁₋₂ — потери напора на участке потока между сечениями 1 и 2;

p — давление в центре тяжести рассматриваемого сечения;

— средняя скорость потока в соответствующем сечении;

б — коэффициент кинетической энергии (Кориолиса), зависит от формы эпюры скоростей. Для круглых труб при ламинарном режиме б = 2, при турбулентном б = 1,1.

2. Уравнение неразрывности (постоянства расхода) для жидкостей и газов, сжимаемостью которых в данном процессе можно пренебречь:

(вдоль потока) (6.13)

где Q — расход потока жидкости;

S — площадь поперечного сечения потока.

3. Формулы для определения потерь напора и давления:

а) по длине потока:

(6.14)

где — коэффициент гидравлического трения (приложение 7);

l — длина участка русла, на котором определяются потери напора;

d — диаметр трубопровода; если русло некруглое, то вместо d принимают величину, равную четырем гидравлическим радиусам, то есть d = 4R.

б) в местных сопротивлениях:

(6.15)

где — коэффициент гидравлического сопротивления (приложение 6).

4. Число Рейнольдса:

(6.16)

где — кинематический коэффициент вязкости (приложение 2).

5. Относительная гладкость:

(6.17)

где — абсолютная эквивалентная шероховатость (приложение 3).

6.4 Истечение жидкости через отверстия и насадки Расход жидкости через малое отверстие в тонкой стенке при постоянном напоре H вычисляется по формуле:

(6.18)

где g — ускорение свободного падения;

— коэффициент расхода (приложение 8).

Действующий напор определяется по формуле:

(6.19)

где — превышение поверхности жидкости в резервуаре над центром тяжести сжатого сечения;

р₁ — давление на поверхности жидкости в резервуаре;

р₂ — давление в сжатом сечении струи жидкости (в практических расчетах оно принимается равным давлению в окружающей струю среде);

— объемный вес жидкости;

— скоростной напор в сечении на поверхности жидкости внутри резервуара; если площадь сечения резервуара много больше площади отверстия, то этот скоростной напор практически равен 0.

Скорость жидкости при истечении через отверстия и насадки определяется по формуле:

где — коэффициент скорости (приложение 8).

6.5 Расчет насосной установки Насосная установка и ее параметры Насосной установкой целесообразно называть систему резервуаров, трубопроводов и арматуру, к которой подсоединяется насос.

Диаметры трубопроводов насосной установки выбираются в зависимости от средней скорости воды в трубопроводе, которая по СНиП 2.04.02−84 для труб диаметром d? 250 мм составляет для всасывающих трубопроводов (0,6…1) м/с, а для нагнетательных трубопроводов (0,8…2,0) м/с. Всасывающий трубопровод для уменьшения вероятности появления кавитации рекомендуется делать по возможности короче и с наименьшим числом поворотов. Во избежание подсоса воздуха всасывающие трубопроводы обычно применяются стальные.

Насосную установку характеризуют следующие параметры:

Q — расход — объем воды, проходящей в единицу времени через каждое поперечное сечение трубопроводов насосной установки, м³/с;

Н_в — геометрическая высота всасывания, м;

Н_н — геометрическая высота нагнетания, м;

Н_г = Н_в + Н_н — геометрический напор насосной установки, м;

р₁, р₂ — давления на поверхности жидкости в приемном и напорном резервуарах, Па;

Н_н.у — потребный напор насосной установки — это напор, который необходимо создать на насосной установке, чтобы по ней пошла жидкость с заданным расходом

(6.20)

где h = h_в + h_н — общие потери напора трубопроводов насосной установки;

h_в и h_н — потери напора соответственно во всасывающем и нагнетательном трубопроводах.

Для всасывающего трубопровода:

(6.21)

где л_в — коэффициент гидравлического трения для всасывающего трубопровода, определяемый по графику Мурина (приложение 7) или по формулам;

l_в, d_в — длина и диаметр всасывающего трубопровода;

ж — коэффициент местных гидравлических сопротивлений (приложение 6).

Нагнетательный трубопровод, как правило, намного длиннее всасывающего, поэтому определение местных потерь напора можно упростить, приняв их равными 10% от потерь по длине.

Соответственно:

(6.22)

где l_н, d_н — длина и диаметр нагнетательного трубопровода, м;

— средняя скорость воды в нагнетательном трубопроводе, м/с;

л_н — коэффициент гидравлического трения для нагнетательного трубопровода.

Гидравлическая характеристика насосной установки

. (6.23)

При построении характеристики величину В целесообразно вычислять по формуле:

(6.24)

где h_р — общие потери напора в трубопроводах насосной установки при расчетном расходе Q_р. Расчетный расход насосной установки определяется объемом и режимом водопотребления, а также величиной регулирующих сооружений;

В — постоянная для данной установки при турбулентном режиме движения жидкости.

Рис. 6.3. Схема определения рабочих параметров насоса: Н_н.у — гидравлическая характеристика (потребный напор) насосной установки; Р — расчетная точка насосной установки (индексом обозначены потребный напор и расход насосной установки); А — рабочая точка насоса (индексом обозначены рабочие параметры насоса)

6.6 Расчет объемного гидропривода Выбор гидродвигателей. Гидродвигатели возвратно-поступательного движения (силовые гидроцилиндры) Основные параметры, по которым выбираются гидродвигатели возвратно-поступательного движения:

— номинальное усилие на штоке гидроцилиндра, H;

— ход поршня гидроцилиндра, м;

— скорость движения поршня, исходя из требований выполнения технологического процесса.

При выборе гидроцилиндра по развиваемому усилию следует соблюдать условие:

(6.25)

где — усилие на рабочем органе сельскохозяйственной машины, определяется из исходных данных, H;

— усилие, которое может развивать гидроцилиндр (приложение 25).

Выбор гидромоторов и определение основных параметров Для привода агрегатов сельскохозяйственных машин вращательного действия используются гидромоторы, при этом обычно задается или определяется и частота вращения выходного вала рабочего органа машины.

Для гидромашин вращательного действия должно соблюдаться условие:

(6.26)

где — заданный крутящий момент на валу рабочего органа машины, Н•м;

— крутящий момент, развиваемый гидромотором, Н•м.

При непосредственном соединении гидромотора с рабочим валом машины необходимо соблюдать следующие условия:

или, (6.27)

где — номинальная частота вращения вала гидромотора, с^-1 (приложение 27);

— минимальная частота вращения вала гидромотора, с^-1 (приложение 27);

— максимальная частота вращения гидромотора, с^-1 (приложение 27).

Перепад давления в гидромоторе для создания заданного крутящего момента определяется по формулам:

(6.28)

(6.29)

где — заданный крутящий момент, Н•м;

— рабочий объем гидромотора, см/об (приложение 26);

— механический КПД гидромотора.

Для обеспечения заданной частоты вращения выходного вала машины на гидромотор необходимо подать расход, который определяется по формуле:

(6.30)

где — частота вращения вала рабочей машины или гидромотора при наличии редуктора или передачи, с^-1;

— объемный КПД гидромотора (определяется по технической характеристике).

Полный расход, который необходимо подать для питания параллельно работающих гидромоторов,

(6.31)

где z — число параллельно работающих гидромоторов.

Определение параметров и выбор насоса Для обеспечения выходных параметров гидроцилиндра или гидромотора необходимо подобрать насос, обеспечивающий соответствующий расход и давление, в некоторых случаях следует установить два насоса (желательно одинаковые, работающие параллельно).

При выборе насоса необходимо знать главную рабочую характеристику насоса — рабочий объем насоса и давление, которое необходимо обеспечить на гидромоторе или гидроцилиндре.

Расчетный рабочий объем насоса определяется по расходу, который следует подать на гидродвигатель, по формуле:

(6.32)

где — подача на гидродвигатель, в нашем случае это или ;

— номинальная частота вращения насоса (в некоторых случаях это могут быть обороты двигателя или вала отбора мощности).

Определив, по техническим характеристикам насосов выбираем насос из условия:

(6.33)

где — рабочий объем насоса, см/об (приложение 27).

Выбранный насос должен развивать давление

(6.34)

где — давление на входе в гидроцилиндр или гидромотор;

— полная потеря давления в гидроприводе от насоса до гидробака (предварительно можно принять = (0,06…0,1)р, но после расчета потерь давления в системе гидропривода следует уточнить принятое значение и проверить правильность выбора насоса на развиваемое давление, т. е.

(6.35)

Максимальное давление, которое может создавать насос при перегрузках, ограничивается предохранительным клапаном. Он открывается при давлении, превышающем расчетное давление на величину

(6.36)

Следовательно, максимальное рабочее давление насоса

(6.37)

Оно не должно превышать максимально допустимое давление данного насоса, указанного в технической характеристике.

Действительная подача выбранного насоса определяется по формуле:

(6.38)

где — рабочий объем насоса;

— номинальная частота вращения;

— объемный КПД насоса.

Гидравлический расчет трубопроводов и РВД Внутренний диаметр трубопровода гидролинии или резинометаллического рукава высокого давления (РВД) определяется по формулам:

(6.39)

где — внутренний диаметр, мм (приложение 28);

— расход рабочей жидкости на рассматриваемом участке, см/с;

— средняя скорость жидкости, см/с.

Средняя скорость жидкости в трубопроводах выбирается в зависимости от назначения трубопровода.

Можно рекомендовать следующие значения средней скорости:

— всасывающая линия: = 0,5…1,5 м/с;

— сливная линия: = 1,4…2,25 м/с;

— нагнетательная линия: при давлении < 6 МПа = 3…4 м/с;

при давлении > 6 МПа = 5…6 м/с;

— линия управления = 5…6 м/с.

Определив внутренний диаметр линии по пропускной способности, следует определить толщину стенки трубопровода. Минимальную толщину стенки трубопровода определяем по формуле:

(6.40)

где — максимальное давление в линии, МПа. В нагнетательной линии оно определяется настройкой предохранительного клапана насоса;

— внутренний диаметр трубопровода, мм;

— допустимое напряжение разрыва материала трубопровода. Для труб из стали 20, 35, 40 можно принять = 400…500 МПа, для медных труб = 200…280 МПа.

Расчет гидравлических потерь Потери давления в гидролинии слагаются из потерь на гидравлическое трение, потерь на местное сопротивление и потери в гидроаппаратуре, находящейся в данной линии.

Потери давления на трение в гидролиниях определяем по формуле:

(6.41)

где — потери давления, Па;

d — диаметр трубопровода, м;

— плотность рабочей жидкости, кг/м;

— коэффициент гидравлического трения;

— длина соответствующего участка гидролинии, м;

— средняя скорость движения рабочей жидкости, м/с.

Для определения коэффициента гидравлического трения необходимо определить режим движения жидкости по формуле:

(6.42)

где — средняя скорость рабочей жидкости, см/с;

— внутренний диаметр трубопровода, см;

— кинетический коэффициент вязкости рабочей жидкости, см²/с.

При ламинарном режиме движения (< 2300) коэффициент гидравлического трения следует определять по формуле:; для резиновых рукавов РВД .

При турбулентном режиме движения жидкости (2300 < < 8000) можно рекомендовать формулу Блазиуса:

. (6.43)

При > 8000 для жидкостей с высокой вязкостью коэффициент гидравлического трения не зависит от и его можно принять в практических расчетах для стальных трубопроводов и РВД равным 0,02.

7. Задания к выполнению контрольной работы

7.1 Сила давления на плоские поверхности Таблица 7.1

7.2 Сила гидростатического давления на криволинейную поверхность Таблица 7.3

Таблица 7.4

7.3 Расчет короткого трубопровода Таблица 7.5

Таблица 7.6

7.4 Истечение жидкости Таблица 7.7

Таблица 7.8

7.5 Расчет насосной установки Насос типа К (КМ) подает воду температурой t из открытого источника с отметкой уровня воды _и в напорный резервуар, находящийся под давлением р_и и с отметкой уровня воды в резервуаре _р.

Необходимо:

1. Подобрать диаметр стального всасывающего трубопровода с Д_вс, длиной l_вс при средней скорости _вс = (0,6…1) м/с.

2. Подобрать диаметр стального нагнетательного трубопровода с Д_н, длиной l_н при средней скорости _н = (0,8…2) м/с.

3. Подобрать насос, определить параметры рабочей точки насоса и отметку рабочего колеса насоса _к, приняв подачу насоса Q_н = Q_ч.max при автоматической работе насоса, приняв К _ч.max.

Потери напора на местные сопротивления во всасывающем и нагнетательном трубопроводах заданы коэффициентами б_вс, б_н в % от потерь по длине.

Рис. 7.1. Схема насосной установки Таблица 7.9

Таблица 7.10

7.6 Гидропривод c.-х. машин Для заданного типа с.-х. машины, согласно данным табл. 7.11 и 7.12, необходимо:

— составить схему гидропривода;

— подобрать по каталогу или рассчитать агрегаты гидропривода: насос, гидромотор, гидроцилиндр, распределитель, предохранительный клапан, дроссель, делитель потока, фильтр, гидробак, охладитель и др.

— определить давление настройки предохранительного клапана (приняв потери давления на местные сопротивления в нагнетательном и сливном трубопроводах 20% от потерь давления по длине, потери давления в гидроагрегатах определить по техническим данным или принять: на распределителе р_р = 0,2 МПа, на делителе потока р_д = 0,15 МПа, на охладителе р_о = 0,1 МПа;

— зарисовать схему, привести описание и расчет основных рабочих параметров гидравлического оборудования, обеспечивающего работу гидравлического привода.

Таблица 7.11

Таблица 7.12

1. Гидравлика и гидравлические машины / Ловкис З. В. [и др.]. — М.: Колос, 1995.

2. Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы / Башта Т. М. [и др.]. — М.: Машиностроение, 1982.

3. Гидравлика: методич. указания к выполнению лабораторных работ / сост. В. С. Лахмаков, В. И. Лаптев, Е. В. Плискевич. — Мн.: БГАТУ, 2002.

4. Гидравлический привод с.-х. машин: методич. указания по выполнению курсовой работы / сост. В. С. Лахмаков, В. И. Лаптев, Е. В. Плискевич. — Мн.: БГАТУ, 2004.

5. Гидропривод с.-х. техники: методич. указания к выполнению лабораторных работ / сост. З. В. Ловкис, В. С. Лахмаков, Л. К. Гроцкий. — Мн.: БАТУ, 1994.

6. Исаев, А. П. Гидравлика и гидромеханизация с.-х. процессов / А. П. Исаев. — М.: Агропромиздат, 1990.

7. Карасев, Б. В. Гидравлика, основы с.-х. водоснабжения и канализации / Б. В. Карасев. — Мн.: Вышэйшая школа, 1983.

8. Костюченко, Э. В. Водоснабжение и насосы в с.-х. производстве / Э. В. Костюченко, В. И. Лаптев. — Мн.: Ураджай, 1984.

9. Ловкис, З. В. Гидроприводы с.-х. техники: конструкция и расчет / З. В. Ловкис. — М.: ВО Агропромиздат, 1990.