книги / Проектирование лафетов и противооткатных устройств артиллерийских орудий
..pdf5.1.3. Тормозные жидкости
Принцип действия гидравлических тормозных устройств основан на преобразовании энергии отката ствола в энергию движения жидкости из одной полости гидравлического устрой ства в другую через отверстия малого сечения с выделением значительного количества тепла. Для получения требуемого за кона изменения гидравлической силы сопротивления сечение отверстий должно заданным образом изменяться по ходу порш ня. Изменение сечения отверстий достигается изменением глу бины канавки, высоты шпонки, диаметра веретена, диаметра иг лы и т.д. В качестве рабочей жидкости в гидравлических тор мозных устройствах используется специальная так называемая тормозная жидкость. К тормозным жидкостям предъявляются жесткие требования, в том числе: устойчивость характеристик при длительном хранении; антикоррозийность; температуростойкость (тепло и морозостойкость); универсальность, недефицитность, безопасность в обращении и т.д. В современной ар тиллерийской практике наибольшее распространение получили тормозные жидкости четырех типов: Стеол, Стеол-М, ПОЖ и веретенное масло № 3 (АУ). Состав жидкостей и некоторые их характеристики представлены в табл. 5.1 и 5.2.
|
|
|
|
Таблица 5.1 |
|
Состав тормозных жидкостей |
|
||||
Состав жидкости |
Стеол |
Стеол-М |
ПОЖ |
АУ |
|
1. Вода |
40,17 |
32 |
9 |
|
|
2. Глицерин |
57,7 |
46,3 |
- |
Веретенное |
|
3. Этиловый спирт |
- |
20 |
- |
масло № 3 |
|
(фракция |
|||||
4. Хромокислый калий |
2,0 |
1,6 |
|
||
1 |
перегонки |
||||
5. Едкий натрий |
0,13 |
0,1 |
нефти) |
||
|
|||||
6. Этиленгликоль |
- |
|
90 |
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 5.2 |
|
|
Рабочие характеристики жидкостей |
|
|||||
|
Характеристики |
Стеол |
Стеол-М |
АУ |
ПОЖ |
||
1. Температура |
замерза |
-45 |
-65 |
-45 |
- -70 |
||
|
ния, °С |
|
|
|
120 |
350 |
115 |
2. Температура кипения, |
100 |
||||||
|
°С |
|
|
|
|
|
|
3. |
Коэффициент |
темпе |
5,5-10-4 |
6,5-10^ |
6,9-10"1 |
6,9-1 О*4 |
|
|
ратурного |
расшире |
|
|
|
|
|
|
ния, 1/°С, (3, |
|
|
|
|
|
— |
4. |
Коэффициент |
объем -4,9-10' 6 |
-5-10-6 |
-7,5-10"6 |
|||
|
ного сжатия, см3/Н, (3/> |
0,103 |
|
0,4 |
|
||
5. |
Динамический |
коэф |
0,109 |
|
|||
|
фициент вязкости при |
|
|
|
|
||
|
+15 °С, пуаз, ц |
|
|
|
|
|
|
6. |
Плотность, кг/дм3 |
1,0 |
1,09-1,1 |
0,9 |
1,09-1,1 |
||
|
Наиболее |
широко |
в настоящее время используется |
||||
стеол-М. Его достоинства: |
|
|
|
|
|||
|
а) благоприятно действует на материалы уплотнительных |
устройств - кожу, войлок (обладает кремационными свойства ми, снижает трение);
б) обладает универсальностью (используется во всех из вестных гидравлических и гидропневматических устройствах);
в) обладает высокой температуростойкостью (наиболее широкий диапазон рабочих температур).
Недостаток Стеола-М - высокая испаряемость (из-за нали чия спирта).
5.2.Гидродинамические основы проектирования гидравлических тормозных устройств
5.2.1.Гидродинамика идеальной жидкости
Гидродинамика изучает движение жидкости. Основопо ложником этой науки является Даниил Бернулли (1700-1782). Будучи членом Петербургской академии наук, он разрабатывал
законы механики |
жидких |
|
|
|
|
|
|
|||
и газообразных тел. В 1758 г. |
|
|
|
|
|
|
||||
Бернулли издал труд «Гид |
|
|
|
|
|
|
||||
родинамика», |
в котором |
за |
|
|
|
|
|
|
||
ложил основы современной |
|
|
|
|
|
|
||||
гидравлики. Он сформули |
|
|
|
|
|
|
||||
ровал понятие |
«идеальная |
|
|
|
|
|
|
|||
жидкость» и дал расчетную |
Рис. 5.4. |
Схема |
гидравлического |
|||||||
схему гидравлического трак |
||||||||||
та, |
представленную |
на |
тракта: |
Р |
- |
статическое |
давление |
|||
рис. 5.4. |
|
|
|
жидкости; |
V - |
скорость струек жид |
||||
|
|
|
кости; |
5 - |
сечение |
гидравлического |
||||
|
Идеальная жидкость |
- |
||||||||
это теоретическая жидкость, |
тракта; |
Z - |
геометрическая |
высота |
||||||
|
|
центра сечения |
|
|||||||
используемая |
для |
вывода |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
основных законов ее состояния. Идеальная жидкость характе ризуется следующими условиями (допущениями):
-она является несжимаемой;
-в ней отсутствует внешнее (вязкость) и внутреннее (сце пление молекул) трение;
-скорости струек этой жидкости в сечении одинаковы;
-струйки жидкости не перемешиваются и деформируются одинаково;
-гидравлический тракт идеально гладкий (нет шерохова
тостей); - гидравлические потери в этой жидкости и в этом тракте,
связанные с трением, отсутствуют.
5.2.2. Основные законы состояния идеальной жидкости
Законов состояния идеальной жидкости три:
-закон сохранения вещества, или закон неразрывности потока;
-закон сохранения механической энергии, или закон жи
вых сил; - закон сохранения количества движения, или закон со
хранения импульса силы.
Закон сохранения вещества. В любом сечении гидравли ческого тракта за единицу времени протекает одинаковое коли
чество жидкости; или - в любом сечении гидравлического трак та расход жидкости одинаков. Различают три вида расходов: объемный, массовый и весовой, определяемые из выражений
|
|
Ч = s y , , |
щ = ро(, |
G, =уи,, |
где и,, |
тп |
Gi - объемный (м3/с), |
массовый (кг/с) и весо |
|
вой (н/с) расход жидкости; |
|
|
||
Vj, |
р, у - |
скорость течения, плотность и удельный вес жид |
||
кости; |
|
|
|
|
Si - сечение гидравлического тракта.
Любое выражение для определения расхода жидкости представляет математическую форму записи закона сохранения вещества.
Закон сохранения вещества справедлив по отношению к идеальной и реальной жидкости.
Закон сохранения механической энергии. Для идеальной несжимаемой, движущейся по гидравлическому тракту жидко сти сумма трех напоров - геометрического (или нивелирного), статического (или пьезометрического) и динамического (или скоростного) есть величина постоянная вдоль любой струйки
жидкости |
(и по тракту в |
целом). Этот |
закон |
записывается |
|
в форме уравнения Бернулли |
|
|
|
|
|
|
|
V2 |
Р |
V2 |
|
|
Я = Z, + ^ - + ^ - = z 2+ ^ -+ -^ -. |
|
|||
где Н - |
|
2g |
У |
2g |
|
напор. Следствием |
закона |
сохранения |
механической |
энергии является закон сохранения мощности потока: «мощ ность потока идеальной жидкости постоянна вдоль гидравличе ского тракта».
Закон сохранения количества движения. Приращение количества движения жидкости равно приращению импульса силы давления. Этот закон записывается в одной из следую щих форм:
dk =dJ-, L = S,{PX+pV]2)= S2(p2+pV22).
Вторая форма записи закона формулируется следующим образом: «сила давления идеальной жидкости, движущейся по
идеальному гидравлическому тракту, есть величина постоянная по длине тракта».
Вывод второй формы записи закона основан на использо вании первой и состоит в следующем:
1. d J^(P xSl -P 2S2)dt, где dt - бесконечно малый отрезок времени;
2. dk - dm2V2 - dmxVx, где dmi - mi dt.
Используя первый закон состояния, последнее выражение можно представить в виде
dk = (m2V2- m,K, )dt = p(s2V2- S tf) d t.
Приравнивая полученное выражение к первому, можно по лучить вторую форму записи третьего закона состояния. При получении этой формы записи предполагается, что Z] « Z2* 0.
5.2.3. Некоторые приложения законов состояния идеальной жидкости
Законы состояния идеальной жидкости являются основой проектирования гидравлических устройств и систем, в том чис ле гидравлических тормозных устройств в артиллерии. Ниже рассмотрим три известных случая их практического использо вания:
а) для определения теоретической скорости истечения; б) для определения давления в струе жидкости при ударе
о стенку; в) для определения силы гид
равлического сопротивления при вы давливании жидкости через малое от верстие.
Теоретическая скорость истече ния жидкости из сосуда через малое отверстие, расположенное на глубине Я от поверхности жидкости, при ус ловиях
Z, = Ни Z2 = 0, Р\ = Рг = 0, К, «0,
на основании второго закона состояния (уравнение Бернулли)
определяется уравнением V2 = *J2 g Н - уравнением Таричелли.
Схема определения скорости истечения представлена на рис. 5.5.
Давление в струе жидкости при ударе о стенку-при ус ловиях
P ,* V 2*0,
на основании второго закона состояния будет следующим:
Рг= \РУ*,
где V] - скорость жидкости в струе, определяемая, например, по уравнению Таричелли. Данное соотношение получено Бер нулли.
Сила гидравлического сопротивления при выдавливании поршнем идеальной жидкости из сосуда через малое отверстие может быть найдена из выражения
Ф = У Я,
где S], Н - сечение сосуда и некоторый условный геометриче ский напор, определяемый из уравнения Таричелли
Используя далее первый закон состояния в виде V\S\ = V2S2> получаем окончательно
Ф = - |
4 V,2, |
2g |
Si |
где S2, S\, V\ - сечение малого отверстия, сечение и скорость поршня. Последнее соотношение условно именуется форму лой Канэ.
5.3.Гидравлическое сопротивление
игидравлические потери
5.3.1.Реальная жидкость
Реальная жидкость, по сравнению с идеальной, характери зуется следующими признаками:
-является вязкой, т.е. обладает внешним трением (трением между струйками и о стенки гидравлического тракта);
-обладает внутренним трением (имеет место молекуляр ное сцепление между струйками жидкости);
-является сжимаемой;
-в ней имеют место перемешивание струек, их неодинако вое деформирование и неравномерность поля скоростей.
При рассмотрении реальной жидкости предполагается, что она движется по реальному гидравлическому тракту, т.е. тракту, имеющему неровности и шероховатости, а также резкие изме нения величины и формы сечения и направления движения.
5.3.2. Гидравлическое сопротивление
При движении жидкости (как реальной, так и идеальной) по гидравлическому тракту имеют место потери энергии (напо ра), которые связаны с гидравлическим сопротивлением как са мой жидкости, так и гидравлического тракта.
Гидравлическое сопротивление - это физическое свойство жидкости и гидравлического тракта, это количественная харак теристика гидравлических потерь. Различают два вида гидрав лических сопротивлений: путевые и местные. Путевое гидрав лическое сопротивление характеризует реальную жидкость и связано с преодолением сил вязкости и молекулярного сцеп ления. Его величина зависит от длины тракта и его состояния. Местное гидравлическое сопротивление характеризует как ре альную, так и идеальную жидкость и связано с преодолением резких изменений величины и формы сечения тракта и направ ления движения жидкости. Различают два типа местных сопро тивлений: специальные и побочные. Специальные гидравличе ские сопротивления служат для формирования требуемых зако нов изменения силы гидравлического сопротивления.
Известно несколько характерных видов местных сопротив лений: внезапное расширение; диффузор (коническое расшире ние); плавный диффузор (реактивное сопло); внезапное суже ние; конфузор (коническое сужение); плавный конфузор (сопло Ловаля); диафрагма (мембрана, или тонкая стенка с малым от верстием) и т.д.
Диафрагма отличается от внезапного сужения тем, что по сле сужения потока имеет место свободное (без ограничиваю щих стенок) движение струи (до удара о встречную преграду).
Специальные местные гидравлические сопротивления вы полняются, как правило, в виде диафрагм. Роль диафрагмы в гидравлических тормозных устройствах играет поршень.
Любое гидравлическое устройство - это система гидравли ческих сопротивлений, которые образуют параллельные и по следовательные группы, блоки и цепи.
Через эту систему сопротивлений, специальных и побоч ных, жидкость принудительно перегоняется из одной полости гидравлического устройства в другую, на что и тратится основ ная доля энергии движущихся деталей.
5.3.3.Гидравлические потери
Всоответствии с двумя типами сопротивлений имеют ме сто два типа гидравлических потерь: путевые и местные.
Путевые потери присущи только реальным жидкостям.
Они возникают вследствие |
внешнего и внутреннего трения |
в жидкости, шероховатостей |
и неровностей гидравлического |
тракта. Их величина зависит от характеристик рабочей жидко сти, длины гидравлического тракта и режимов течения жидко сти. Различают ламинарное (слоистое) и турбулентное (вихре вое) течение жидкости. Характеристикой течения жидкости яв ляется число Рейнольдса
Re = V d ?
V
где V, d, v - скорость течения жидкости, диаметр гидравличес кого тракта и кинематический коэффициент вязкости жидкости. Смена режима течения происходит при Re и 2300. При Re >
> 2300 течение жидкости турбулентное. В турбулентном потоке путевые потери снижаются, а местные увеличиваются. В гид равлических тормозных устройствах вследствие малой их дли ны и турбулентности потоков жидкости путевые потери энергии малы и в проектных расчетах не учитываются.
Местные потери присущи как реальной, так и идеальной жидкости. Их появление связано с преодолением местных со противлений. Величина потерь зависит от характеристик мест ного сопротивления и режима течения жидкости. В турбулент ном потоке местные потери увеличиваются.
Гидравлические потери (путевые и местные) принимают ся пропорциональными квадрату скорости течения жидкости в рассматриваемом сечении:
V2
h = £ • —----- формула Вейсбаха,
где h - коэффициент сопротивления и потерянный напор.
Коэффициенты местных сопротивлений рассмотренных типов определяются в основном экспериментально. Исключе ние составляет внезапное сужение, для которого существует вы ражение
1 |
г |
0 |
- формула Идельчика, |
|
2 |
1 |
п) |
||
|
где п = S\/S2 ~ степень сужения потока. При л, стремящейся к бесконечности, £, = 0,5.
Этот вид местного сопротивления приводит к максималь ным гидравлическим потерям. Следовательно, для всех видов местных сопротивлений можно принять
0 <£<0,5.
Последнее соотношение справедливо для нормальных тем пературных условий (при температуре жидкости +15 °С). При отклонении температуры от номинальной величина коэффици ента сопротивления изменяется по закону вида
т ,
где £, , К (0 |
~ |
коэффициент |
сопротивления |
при |
произвольной |
и нормальной температуре жидко сти и поправочный температурный коэффициент. Ориентировочные значения поправочного коэффици ента в зависимости от температуры жидкости представлены графически на рис. 5.6.
При проектировании и расчете артиллерийских гидравлических тормозных устройств влияние температуры жидкости необхо
димо обязательно учитывать.
5.3.4. Некоторые характеристики гидравлических потерь
К характеристикам гидравлических потерь относятся, в ча стности, коэффициент напора, коэффициент скорости истече ния, коэффициент сжатия струи, коэффициент расхода, коэффи циент силы гидравлического сопротивления.
Чтобы рассмотреть перечисленные коэффициенты, соста вим уравнение Бернулли для реальной жидкости. Это уравне ние, с учетом формулы Вейсбаха, имеет вид
H = Zx+%-
У
где V/ - коэффициент сопротивления и средняя скорость по тока в сечении (с учетом неравномерности поля скоростей).
Коэффициент напора есть отношение действительного динамического напора к теоретическому. Из уравнения Бернул ли для идеальной и реальной жидкости следует
Ку =< V * |
1 |
уУт> |
1+4’ |
где Kv - коэффициент напора; V, Ут- скорость течения реаль ной и идеальной жидкости в рассматриваемом сечении.