ОСНОВИ ГІДРАВЛІКИ 

Електронний посібник

ГОЛОВНА	ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ	АНОТАЦІЯ
ДОДАТКИ	СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ	УКЛАДАЧІ

3. Гідростатичні механізми

3.1. Класифікація гідростатичних механізмів. Гідравлічний прес. Гідроакумулятор.

3.2. Вимірювання тиску. П’єзометри. Вакуумметри. Пружинні манометри. U – подібні манометри. Мікроманометри, диференційні манометри.

3.1. Класифікація гідростатичних механізмів. Гідравлічний прес.

Гідроакумулятор.

Практично закон Паскаля використовується при роботі цілого ряду гідростатичних механізмів: гідравлічних пресів і підйомників, гідроакумуляторів, об'ємних насосів і гідродвигунів, гідравлічних інструментів та ін.

Рис. 3.1. Приклад використання гідростатики у механізмах і техніці

Одним із прикладів гідростатичного механізму можна назвати роботу гідравлічної гальмівної системи автомобіля (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Принцип роботи гальмівної системи автомобіля

Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=kARDTuxFzlk

Сполучені посудини – це посудини, з’єднані між собою нижче рівня рідини (у кожній посудині). Так рідина може переміщатися з однієї посудини до іншої.

Рис. 3.3. Сполучені посудини

Які б форми не мали такі посудини, на поверхні однорідних рідин в стані спокою на одному рівні діє однаковий тиск.

Якщо в коліна сполучених посудин налити рідини, щільності яких будуть різні, то менший об’єм більш щільної рідини в одному коліні врівноважить більший об’єм менш щільної рідини в іншому коліні посудини. Іншими словами, висота стовпа рідини з меншою щільністю більша, ніж висота стовпа рідини з більшою щільністю. Давайте розрахуємо, у скільки висота стовпа рідини з меншою щільністю більше висоти стовпа рідини з більшою щільністю, якщо ці дві рідини, що не змішуються, знаходяться в сполучених посудинах. p=ρgh, p1=p2, ρ1gh1=ρ2gh2. Звідси: h1/h2= ρ2/ρ1, ρ2= h1/h2·ρ1.

Рис. 3.4. Рідини з різною густиною у сполучених посудинах

Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=ImfjMcQGzlQ

Закон Паскаля дозволяє пояснити дію гідравлічної машини.

Гідравлічна машина – це машина, дія якої заснована на законах руху та рівноваги рідини. Основною її частиною є два циліндри різного діаметру з поршнями, поєднані трубкою та заповнені рідиною (рис. 3.5). Поки на поршні не діють сили, висоти стовпів рідини в обох циліндрах однакові. За законом Паскаля, однаковим буде й тиск у кожному з циліндрів. Отже, сила, яка діє на більший поршень, більша за силу, яка діє на менший поршень, у стільки разів, у скільки разів площа більшого поршня більша за площу меншого поршня. Таким чином, за допомогою гідравлічної машини можна малою силою врівноважити більшу силу.

Рис. 3.5. До пояснення принципу дії гідравлічної машини

Гідравлічний прес – гідравлічна машина статичної дії, в якій робочі зусилля створюються за допомогою рідини під тиском (рис. 3.8). Гідравлічний прес використовує гідравлічний відповідник механічного важеля. Застосовується для обробки матеріалів тиском. Автором першого винаходу гідравлічного преса є англійський винахідник Джозеф Брама, який 1795 року отримав патент на його конструкцію.

Рис. 3.6. Схема гідравлічного пресса і підйомника

Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=wCPhmJKlHGc

Гідравлічний домкрат призначений для створення зусиль для підіймання вантажів. Ці машини складаються з двох сполучених циліндрів з поршнями малого та великого діаметрів.

Рис. 3.7. Анімація роботи гідравлічного преса і підйомника

Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=42dtoqUKY8I

Якщо до кінця важеля (рис. 3.8) прикласти зусилля F₀, то на малий поршень буде діяти сила F₁

(3.1)

Рис. 3.8. Гідравлічний прес

Внаслідок чого в рідині під поршнем виникне зміна тиску

(3.2)

де S₁ – площа поперечного перерізу малого поршня, м².

Зміна тиску, у відповідності з законом Паскаля, передається в усі точки об’єму, заповненого рідиною, без змін. Тоді сила тиску рідини на великий поршень буде визначатися за формулою:

(3.3)

де S₂ – площа поперечного перерізу великого поршня, м².

Відношення S₂/S₁ називається передаточним числом. Очевидно, що для циліндрів S₂/S₁=(D₂/d₂).

Враховуючи втрати напору на тертя в рухомих частинах, введенням ККД η, отримаємо розрахункову формулу:

(3.4)

Зазвичай ККД має значення η = 0,8…0,85.

Гідравлічний акумулятор – машина, що дозволяє поступово накопичувати енергію, щоб потім швидко її віддати (рис. 3.9, а).

Рис. 3.9. Гідравлічний акумулятор (а) і мультиплікатор (б)

За рахунок підйому вантажу G на величину робочого ходу h плунжера в гідравлічному акумуляторі накопичується потенціальна енергія (без врахування ваги рухомих частин акумулятора)

(3.5)

	г	д
Рис. 3.10. Схема гідроакумулятора: а – вантажного; б – пружинного; в – з пневматичним накопичувачем; г, д - анімація роботи.

Гідравлічний мультиплікатор – пристрій для збільшення тиску. Він складається з поршня діаметром D, який з’єднаний з плунжером діаметром d (рис. 3.9, б).

При подачі в циліндр робочої рідини з тиском р₁, на поршень буде діяти сила F = р₁πD²/4. Ця сила створює тиск під плунжером:

(3.6)

З урахуванням ККД, тиск р₂ визначається за формулою:

(3.7)

3.2. Вимірювання тиску. П’єзометри. Вакуумметри. Пружинні манометри.

U – подібні манометри. Мікроманометри, диференційні манометри.

Нагадаємо, що метрологія (від грец. metron – міра і logos – наука) – наука про вимірювання. Однією з основних проблем метрології є розробка засобів вимірювань. Тиск вимірюється спеціальними пристроями. За допомогою їх встановлюються якісні та кількісні показники (значення) тиску.

Прилади для вимірювання тиску є найбільш розповсюдженими і складають близько 25% від усіх існуючих вимірювальних приладів.

Прилади для вимірювання тиску класифікуються за наступними ознаками:

За видом вимірюваного тиску:
ü Барометри	– для вимірювання атмосферного тиску
ü Манометри	– для вимірювання надлишкового тиску
ü Вакуумметри	– для вимірювання вакуумметричного тиску
ü Мановакуумметри	– для вимірювання манометричного і вакуумметричного тиску

Рис. 3.11. Прилади для вимірювання тиску:

а – барометр; б – манометр; в – вакуумметр; г - мановакууметр

За принципом дії:
ü Рідинні	– п’єзометри, рідинні барометри та манометри, мікроманометри. Вказівним елементом, який сприймає тиск, у них є рідина, а мірою тиску – її стовп, що врівноважується вимірюваним тиском
ü Механічні	– вантажопоршневі, пружинні, мембранні, сильфонні манометри та механічні барометри. Елементами, які сприймають тиск у цих приладах, є відповідно вантажопоршнева колонка, трубчаста пружина, мембрана і сильфон
ü Електричні	– принцип дії яких базується на залежності електричних параметрів манометричного перетворювача вiд вимірюваного тиску
ü Комбіновані	– у них поєднується принцип дії рідинних і механічних з електричними

Клас точності – це максимальна допустима погрішність приладу, виражена в процентах від граничного тиску, вимірюваного приладом.

За призначенням прилади поділяються на три групи:
ü Технічні (робочі)	– клас точності – 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0
ü Лабораторні (контрольні)	– клас точності – 0,5
ü Зразкові (якими перевіряються інші манометри)	– клас точності – 0,02; 0,05; 0,15; 0,25; 0,4.

Розглянемо конструкцію та принцип дії деяких приладів для вимірювання тиску.

Барометри – це прилади для вимірювання атмосферного тиску. Найпростіший рідинний барометр (рис. 3.12, а) складається зі скляної трубки, запаяної з одного кінця, з якої видалене повітря. Відкритим кінцем трубка опущена в посудину з рідиною (частіше ртуттю). Для фіксації показань до трубки додається шкала. Оскільки на вільну поверхню рідини в посудині діє атмосферний тиск, то рідина піднімається в трубці на висоту h, яку можна знайти з формули:

(3.8)

За нормальних умов висота стовпа ртуті буде 0,735 м рт. ст., а води – 10 м вод. ст.

Рис. 3.12. Схеми: а – рідинного барометра; б – п’єзометра

П’єзометри – це рідинні прилади, які складаються зі скляної відкритої трубки діаметром не менше 10 мм зі шкалою (рис. 3.12, б). Нижнім кінцем трубка приєднується до посудини, в якій вимірюється тиск, вказівною рідиною в них є та ж рідина, в якій вимірюється тиск. За допомогою п’єзометра вимірюється порівняно невеликий надлишковий тиск – до 2…3 м вод. ст.

Рідинні манометри відрізняються від п’єзометрів тим, що в них тиск що вимірюється урівноважується стовпом рідини з більшою питомою вагою, наприклад ртуті γ_рт=136 кН/м³. Принцип дії їх базується на зрівноваженні вимірюваного тиску тиском відповідного стовпа рідини (рис. 3.13). Вони прості за конструкцією і порівняно точні за вимірюванням тиску. Але їх не використовують в системах автоматичного керування, оскільки немає можливості передавати значення тиску на відстань.

	г
Рис. 3.13. Рідинні манометри: а – загальний вигляд; б – двотрубний; в – однотрубний; г – анімація роботи

Рідинний манометр являє собою зігнуту як латинська велика літера U скляну трубку, що закріплена на дошці зі шкалою.

Трубку приладу заповнюють рідиною (вода, ртуть тощо) до нульової відмітки («0»). Один кінець трубки з’єднують з вимірюваним тиском (Р_абс), а другий залишають вільним (тобто на нього діє атмосферний тиск Р_атм). Зміна тиску визначається за формулою:

(3.9)

де h – висота стовпа рідини (м);

g – прискорення вільного падіння (м/с²);

ρ – густина рідини (кг/м³), тобто вимірюваний тиск (∆Р) – надлишковий.

Найпростішим являється U-подібний ртутний манометр в якому коліно трубки заповнюється ртуттю. Ртутні манометри використовуються для вимірювання тиску до 3 атм – далі вони є громіздкими і використовуються тільки в лабораторних умовах.

Мікроманометри – це також рідинні прилади, призначені для вимірювання малих тисків з високою точністю (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Загальний вигляд і схема мікроманометра:

1 – резервуар; 2 – нахилена трубка

Вони складаються з резервуара 1, заповненого рідиною (найчастіше спиртом), і приєднаної до резервуара нахиленої трубки 2 зі шкалою. Тиск, який показує мікроманометр, знаходиться за залежністю:

(3.10)

де L – довжина заповнення трубки вказівною рідиною;

α – кут нахилу трубки.

Для вимірювання високих тисків використовують механічні (пружинні) манометри, вони відрізняються простотою конструкції і портативністю. Це є основні прилади для вимірювання тиску більшого за атмосферний.

Механічні манометри – це прилади, в яких тиск сприймається трубчастою пружиною (рис. 3.15, а), сильфоном або мембраною (рис. 3.15, в).

а	б	в
Рис. 3.15. Механічні манометри: а – пружинний (трубчастий); б – сильфонний; в - мембранний

Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=GSycYP_ShoQ

Ці прилади штуцером приєднуються до області вимірюваного тиску. Під дією тиску рідина в пружинному манометрі надходить до трубчастої пружини, яка під впливом тиску розпрямляється, і кінець її за допомогою приводного механізму приводить у рух стрілку, яка на шкалі манометра показує значення тиску. У мембранних манометрах тиск рідини сприймається мембраною (металевою гофрованою пластиною), внаслідок чого мембрана вигинається, а її вигинання поводком передається на зубчастий механізм, який приводить у рух стрілку, що показує на шкалі значення тиску. У сильфонних манометрах тиск рідини сприймається сильфоном.

Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=uBdTxTp_qLI

Механічними манометрами вимірюється тиск до 2,5 МПа. Поряд з переконливими перевагами основним недоліком механічних манометрів є залишкова деформація пружних елементів, а тому їх необхідно періодично перевіряти.

Вакуумметри – призначені для вимірювання вакуумметричного тиску і можуть бути як рідинними (рис. 4.13), так і механічними (аналогічними пружинним манометрам) (рис. 4.12, а).

Візьмемо посудину в якій тиск менший атмосферного (тобто вакуумметричний), і з’єднаємо її зігнутою трубкою з рідиною, яка знаходиться в посудині. Оскільки в посудині тиск менше атмосферного, то рідина під дією атмосферного тиску р_а, який діє на її поверхні опуститься на висоту h_вак, яка і є вакуумметричною.

Рис. 3.16. Вакуумметри: а – рідинний; б – пружинний; в - електронний

У пружинному вакуумметрі, під дією вакуумметричного тиску, пружина стискується і змушує стрілку рухатися у зворотному (у порівнянні з манометрами) напрямку (проти годинникової стрілки).

Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=Vfr8Kh3cjHY

Електронний (цифровий) вакуумметр представляє собою портативний пристрій, який використовує технологію термопар, він має можливість виконувати самокалібрування, а також дозволяє програмувати цільовий діапазон вакууму за допомогою світлового сенсорного індикатора.

Диференційний манометр використовують у тих випадках, коли необхідно виміряти не тиск в посудині, а різницю тисків у двох посудинах або в двох точках рідини в одній і тій же посудині.

Рис. 3.17. Диференційний манометр: а – механічний; б – цифровий

Джерело: https://www.youtube.com/watch?v=iru8tRwS7Yc

• Прилад має бути встановлений вертикально і заповнений робочою рідиною до нульової відмітки шкали.
• Отвір для приєднання приладу до ємності має бути невеликим, вісь отвору повинна бути перпендикулярною до стінки, а краї отвору мають бути гладкі без задирок.
• У результати вимірів вносяться поправки на систематичні похибки, викликані зміною температури робочої рідини, капілярністю (при використанні трубок з діаметром меншим 10 мм для води та 6 мм для ртуті), пониженням рівня рідини в чашці.

• Місце встановлення механічних приладів має бути добре освітленим, в зоні досяжності для огляду обслуговуючим персоналом та розташованим подалі він джерел вібрації.
• При виборі приладу з одновитковою трубчастою пружиною необхідно, щоб робоча межа надлишкового тиску була не більше 3/4 верхньої границі вимірювання приладу при постійному тиску і не більше 2/3 верхньої границі вимірювання при змінному тиску. При вимірюванні різних значень тиску доцільно, щоб прилад працював у другій третині шкали. При роботі приладу в першій третині шкали зростає відносна похибка вимірювань, а при роботі приладу в зоні верхньої границі є загроза виходу його з ладу.
• При проведенні вимірювань прилад має бути встановлений в робоче положення: вертикально, штуцером вниз.
• Перевіряють встановлення стрілки на нуль шкали до і після проведення вимірювань.
• При вимірюванні надлишкового тиску рідина в з’єднувальній трубці вивільняється від бульбашок повітря. При вимірюванні вакуумметричного тиску з’єднувальна трубка заповнюється повітрям.
• При знятті показів кут зору спостерігача має бути перпендикулярним до циферблату приладу і проходити при цьому через вказівний кінець стрілки.
• Якщо з’єднувальна трубка приладу заповнена рідиною, вносять поправку на висоту розташування приладу. Наприклад, якщо центр шкали манометра знаходиться на величину h вище від місця відбору тиску, то дійсний тиск в точці приєднання приладу на gh більший, ніж за показом приладу.

Питання для самоконтролю

1. Назвіть класифікацію гідростатичних механізмів 2. Що називають сполученими посудинами? 3. З яких основних елементів складається гідравлічна машина? 4. Що називається гідравлічним пресом? 5. Як працює гідравлічний домкрат? 6. Що називається гідроавлічним акумулятором? 7. Що називається гідроавлічним мультиплікатором? 8. За якими ознаками класифікуються прилади для вимірювання тиску? 9. Який тиск вимірюють барометром? 10. Для чого призначений п’єзометр? 11. Як працюють рідинні манометри? 12. Що вимірюють за допомогою мікроманометрів? 13. Вкажіть принцип дії механічних манометрів. 14. Для чого призначені вакууметри? 15. Назвіть правила користування приладами для вимірювання тиску.

Попередня тема

На початок

Наступна тема