До лабораторних робіт з дисципліни

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

До лабораторних робіт з дисципліни

«Гідравліка, гідро- та пневмоприводи»

для студентів спеціальностей

7.090202 "Технологія машинобудування",

7.090203 "Металорізальні верстати та системи" ,

та 7.090208 "Обробка матеріалів за спецтехнологіями"

усіх форм навчання

Частина І

Затверджено

на засіданні кафедри КП МРВС,

протокол №4 від 01.11.2001 р.

та Методичною радою ЧДТУ,

протокол №2 від 18.01.2002 р.

Черкаси ЧДТУ 2002

Укладічі: Юзвенко Володимир Федорович

Циба Олександр Анатолійович

Рецензент Титаренко Л.В.,к.т.н., доц.

Відповідальний редактор Ткач В.І.

Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни «Гідравліка, гідро- та пневмоприводи» для студентів спеціальностей 7.090202 "Технологія машинобудування", 7.090203 "Металорізальні верстати тасистеми", 7.090208 "Обробка матеріалів за спецтехнологіями" усіх форм навчання / Укл.: В.Ф. Юзвенко, O.A. Циба. - Черкаси: ЧДТУ, 2002. - 36 с.

Дані методичні вказівки містять в собі шість лабораторних робіт, призначених длястудентів машинобудівних спеціальностей денної та заочної форми навчання.

Навчальне видання

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до лабораторних робіт з дисципліни

«Гідравліка, гідро- та пневмоприводи»

для студентів спеціальностей

7.090202 "Технологія машинобудування",

7.090203 "Металорізальні верстати та системи" ,

та 7.090208 "Обробка матеріалів за спецтехнологіями"

усіх форм навчання

Лабораторна робота № 1

ВИМІРЮВАННЯ ТИСКУ В РІДИНІ, ЩО ЗНАХОДИТЬСЯ У спокої ПРИНЦИП ПАСКАЛЯ

Мета роботи: ознайомитися з видами тиску, методами і приладами для його вимірювання; навчитися вимірювати надмірний та вакуумметричний тиск; набути навичок обчислення величини тиску за рівняннями гідростатики.

Короткі теоретичні відомості

Види тисків

Найважливіша характеристика рідини, що знаходиться у стані спо­кою, - гідростатичний тиск. Оскільки частинки рідини мають велику рухливість, рідина не здатна чинити опір дії зосереджених сил. Тому діючі в ній сили мають бути розподіленими або на її поверхні, або в об'ємі (масі). Залежно від цього розрізняють поверхневі сили, що пропорційні площі поверхні рідини, та масові, що пропорційні її масі.

Поверхнева сила, що діє на поверхню площею S, може бути розкладена на дві - нормальну до поверхні і тангенціальну. Перша називається силою тиску, друга силою зсуву (тертя). У рідині, що перебуває у спокої, можуть діяти тільки сил тиску, оскільки при наявності сил зсуву неминуче виникає течія.

Напруження сили тиску називається гідростатичним тиском і визначається за формулою:

(1.1)

де S - нескінченно мала поверхня, на яку діє сила тиску Р.

Тиск являє собою кількісну характеристику напруженого стану рідини і є скалярною величиною. Сила ж тиску - векторна величина і, як вже відзначалося, направлена по нормалі до поверхні.

Гідростатичний тиск, що виникає всередині рідини, визначається з основного рівняння гідростатики:

(1.2)

де р₀ - тиск на вільну поверхню рідини;

р - густина рідини;

g - прискорення вільного падіння;

h- глибина занурення точки.

Тиск може бути виміряний і виражений за різними шкалами (рисунок 1.1).

Абсолютна шкала має початком відліку тиск, рівний абсолютному нулю. Виражений за цією шкалою тиск називається абсолютним. За шкалою надмірного тиску відлік починається від тиску, рівного атмосферному (p_am), і проводиться у бік збільшення тиску:

p_над= p_абс - p_аm (1.3)

Рисунок 1.1. – Шкали вимірювання тиску.

За шкалою вакууму відлік проводиться також від тиску, що дорівнює атмосферному, але у бік зменшення тиску. Ця шкала використовується тільки для значень абсолютного тиску. Зв'язок між вакуумом (р_вак) і абсолютним тиском виражається формулою:

p_вак= p_аm - p_абс (1.4)

Одиниці тиску в міжнародній, технічній і фізичній системах одиниць виражаються відповідно Н/м² (Па), кг/м² і дн/см². У техніці досить широке застосування знайшли такі одиниці, як мегапаскаль - 1 МПа -10⁶ Н/м², бар - 1 бар - 10³ Н/м², а також технічна атмосфера - 1 ат - 1 кгс/см². Іноді, як міру тиску, приймають висоту стовпа рідини, що врівноважує даний тиск (тобто тиск виражається у вигляді відповідного напору якої-небудь рідини). Перехід від тиску до напору відбувається за залежністю:

h=p_над /ρg (1.5)

що витікає з формул (1.2) і (1.3), за умови, що р₀ = р_ат .

Співвідношення між одиницями тиску в різних системах такі:

Рисунок 1.2 - П'єзометр

Принцип дії манометрів і вакуумметрів однаковий, тому їх конструкції схожі. За конструктивними ознаками манометри і вакуумметри поділяються на такі групи:

• рідинні, що вимірюють тиск за висотою врівноваженого стовпа рідини;

• механічні, що вимірюють тиск за деформацією пружних елементів приладів (пружини або мембрани);

• поршневі, які вимірюють тиск за допомогою навантаженого відомою силою поршня, що переміщується в циліндрі, заповненому маслом;

• електричні, принцип дії яких базується на пропорційності між зміною електричного опору провідників і зміною тиску.

Рідинні манометри і вакуумметри є найпростішими і в той же час досить точними приладами для вимірювання тиску і розрідження.

Різниця тиску в двох точках всередині рідини вимірюється за допомогою диференціальних манометрів (дифманометрів). Як дифманометр може бути використаний U- подібний рідинний манометр. У цьому випадку праве і ліве коліна приладу підключаються до точок, різниця тиску в яких вимірюється. Якщо прилад не працює, робоча рідина знаходиться в обох колінах на однаковому рівні (звичайно по середині колін). Цей рівень і приймають за нуль шкали. Під час підключення приладу робоча рідина переміститься. Висоту врівноваженого стовпа робочої рідини (показання приладу) визначають додаванням висот опускання рідини в одному коліні і підйому - в другому коліні від первинного нульового положення. Якщо з'єднувальні (імпульсні) трубки повністю заповнені рідиною, то шуканий перепад тиску можна знайти за залежністю:

p₁ - p₂ =(ρ_p-ρ)gh_p (1.6)

Необхідно також враховувати поправку на розташування дифманометра відносно точок підключення колін.

Рідинні дифманометри можуть бути використані для вимірювання малих перепадів тиску, якщо підібрати робочу рідину з густиною, близькою до густини рідини в резервуарі. Якщо ρ_р < р, то U - подібна трубка приладу має бути перевернутою.

Рідинні манометри, вакуумметри, дифманометри, що найчастіше застосовуються в техніці, мають шкалу в межах 100...1000 мм, нижня межа якої визначається точністю відліку, верхня - громіздкістю конструкції і незручністю зняття показів.

Пружинні манометри і вакуумметри мають цілий ряд переваг: зручність шкали для спостереження, простоту будови, надійність у роботі, невеликі розміри, широкі межі вимірювань. Якщо тиск в апараті або в трубопроводі може бути вищим чи нижчим атмосферного, то для його вимірювання використовують мановакуумметри.

Опис дослідної установки

Установка для вимірювання тиску (рисунок 1.3) складається зі стенда, на якому змонтовані резервуар А (у ньому вимірюється тиск), рідинний манометр М₁, пружинні манометри М₂ і М₃, вакуумметр В, п'єзометр П. Резервуар частково заповнений рідиною (водою) і забезпечений водомірним склом С. Тиск над вільною поверхнею рідини створюється за допомогою компресора, вакуум - за допомогою вакуум-насоса. Компресор і вакуум-насос розміщені в нижній частині стенда і сполучаються з резервуаром трубопроводами, на яких встановлені вентилі ВТ₁ і ВТ₂.

Рисунок 1.3 - Схема дослідної установки

Порядок виконання роботи

1. Закрити вентилі ВТ₁ і ВТ₂.

2. Включити компресор, який створить тиск у резервуарі А, а потім повільно відкрити вентиль ВТ₁.

3. При досягненні певного тиску вентиль ВТ₁ закрити.

4. Виміряти тиск над вільною поверхнею рідини в резервуарі, тиск у точці D (за допомогою приладів, що є на установці), а також глибину занурення точки D за шкалою, розташованою над водомірним склом.

5. Дослід повторити після зміни тиску в резервуарі А.

При закритих вентилях ВТ₁ і ВТ₂ ввімкнути вакуум-насос, який створить розрідження у резервуарі. Плавно відкрити вентиль ВТ₂. При певному значенні вакууму вентиль ВТ₂ закрити і проводити відлік за приладами вимірювання тиску. Під час проведення досліду необхідно стежити, щоб висота стовпа рідини в п'єзометрі була не менше, ніж 0 мм. Атмосферний тиск вимірювати за барометром.

Таблиця 1.1 - Результати вимірювань і розрахунки

Показник	Дослід
1 Показання рідинного манометра hрт, мм рт. ст.
2 Показання пружинних манометрів, кгс/см2 М2 М3
3 Показання вакуумметра В, кгс/см2
4 Показання п'єзометра П hn , мм
5 Глибина занурення точки D h,мм
6 Вимірювання надлишкового тиску на вільній поверхні, Па: pнад.М1 = ρрт ghрт pнад.М2= 9,8 104 М2 pв= 9,8 104 В
7 Виміряний надлишковий тиск в точці D, Па: pнад.П = ρghП pнад.Mз=9,8 104 М3
8 Розрахунковий надлишковий тиск у точці D, Па: pнад.М1 + ρgh pнад.М2 + ρgh рнад.в= pв + ρgh
9 Розрахунковий абсолютний тиск у точці D, Па: рабс.М1 = pнад.М1 + pат рабс.М2 = pнад.М2 + pат рабс.в = pнад.в + pат

Форма звіту

1. Назва лабораторної роботи.

2. Мета роботи.

3. Основні визначення і аналітичні залежності для різних видів тиску та приладів, що їх вимірюють.

4. Опис будови та принципу дії дослідної установки.

5. Методика проведення досліду.

6. Необхідні розрахунки та відображення результатів виконання дослідної роботи.

7. Висновки з виконаної роботи.

Контрольні питання

1. Що називається тиском рідин і газів?

2. Що таке абсолютний, надлишковий і вакуумметричний тиск?

3. Одиниці тиску. Співвідношення між одиницями тиску, що найчастіше застосовуються в техніці.

4. Основні типи приладів для вимірювання тиску.

5. Принцип роботи і будова приладів для вимірювання тиску.

6. Як визначити сумарну силу тиску на дно або стінку резервуара?

Лабораторна робота №2

Рисунок 2.1 - Труба Веятурі та графік тисків

Найпростіший витратомір із змінним перепадом тиску - діафрагма або витратомірна шайба (рисунок 2.2), яка являє собою звуження робочого трубопроводу тонкою кільцевою шайбою. Потік, що рухається до діафрагми по всьому перерізу труби, порівняно плавно огинає краї отвору і, залишаючи мертві простори, утворює стислий переріз. За стислим перерізом потік поступово розширюється у поперечному напрямі і на деякій відстані знову заповнює весь переріз труби.

Рисунок 2.2 - Витратомірна шайба, графіки тиску та швидкості

Під час різкої зміни конфігурації потоку відбувається зміна швидкості і тиску, що спричиняє витрат)' енергії, яку має потік. Витрати тиску фіксуються перепадом тиску в диференціальному манометрі, що приєднаний до двох штуцерів, які вкручені по обидві сторони діафрагми.

Витратоміром з постійним перепадом тиску є ротаметр (рисунок 2.3). Він складається з вертикальної конічної трубки 1, по якій потік рухається знизу вгору. Всередині трубки знаходиться поплавець 2 з ебоніту або алюмінію, що піднімається потоком вгору. Одночасно поплавець приводиться в обертання завдяки похилим борозенкам на його поверхні і підіймається доти, поки не утворить достатнього простору для проходу потоку. Таким чином, врівноважується вага поплавця і визначається постійний перепад тиску. Точність показань витратомірів з постійним перепадом тиску становить ± 2,5%.

Рисунок 2.3 – Ротаметр

Рисунок 2.4 - Схема тарувального стенда.

Порядок виконання роботи

1. Відкривши максимально вентиль 3, промити трубопровід 1 і видалити з нього повітря.

2. За допомогою вентиля 3 встановити певну витрату рідини.

3. При сталому режимі виміряти об'ємним або ваговим методом витрату рідини.

4 Записати показання дифманометра.

5. Спостереження повторити до шести разів для різних витрат рідини.

6. Дані, отримані під час досліду, занести до таблиці 2.1.

7. Після виконання досліду отримані дані обробити і побудувати тарувальну криву у прямокутній системі координат.

Примітка - Якщо відомі величини параметрів х і к, то експериментальна крива зіставляється з теоретичною, розрахованою за формулою (2.10).

Таблиця 2.1 - Результати вимірювання та розрахунків

Показники	Одиниці вимірю-вання	Дослід
Рівень у лівому коліні дифманометра, h1	см
Рівень у правому коліні дифманометра, h2	см
Різниця рівнів. h	см
Об'єм вимірюваної рідини, W	см3
Час вимірювання, t	с
Витрата, Q	см3/с
Середня швидкість, V	см/с

Форма звіту

1. Назва лабораторної роботи.

2. Мета роботи.

3.Короткий опис способів вимірювання втрати та приладів, що використовуються для цього.

4. Опис будови та принципу дії дослідної установки.

5. Методика проведення досліду.

6. Необхідні розрахунки та відображення результатів виконання дослідної роботи.

7.Висновки з виконаної роботи.

Контрольні питання

1. Що таке витрата?

2. Які існують способи вимірювання витрати?

3. Як виражається об'ємна витрата через масову і вагову?

4. Що таке середня швидкість?

5. Принцип роботи витратомірних пристроїв із змінним перепадом тиску.

6. Будова найпоширеніших витратомірів із змінним перепадом тиску.

7. Що означає тарувати витратомірні пристрої?

8. Що таке стала витратомірного пристрою?

Лабораторна робота №3

Рисунок 3.1 - Схема дослідної установки

1. Спочатку трохи відкрити кран 3 для пропуску невеликої кількості води. При малих швидкостях руху води в трубі фарба, що вводиться у потік, не змішується з нею, а переміщується у вигляді тонкої цівки.

2. Для обчислення числа Re виміряти об'ємним способом витрату води:

(3.5)

де W - об'єм води в мірному бачку;

t - час, що вимірюється секундоміром.

3. За середньою швидкістю в трубі v і температурою води t, °С визначити коефіцієнт кінематичної в'язкості v, використовуючи довідник.

4. Відкривши більше кран і спостерігаючи за поведінкою цівки в потоці води, можна побачити перехідний стан потоку від ламінарного режиму до турбулентного. При цьому потрібно повторити всі вимірювання і обчислити значення Rе.

5. При подальшому відкриванні крана 3 буде спостерігатися стійкий турбулентний режим з інтенсивним перемішуванням фарби та води. При цьому необхідно виконати всі вимірювання і обчислити число Rе,

6. Дані вимірювань і розрахунків занести до таблиці 3.1.

7. Для збільшення точності дослідів для кожного режиму виконати 3-4 вимірювання Q і t, потім визначити їх середнє арифметичне значення.

Таблиця 3.1 - Результати вимірювань і розрахунків

Форма звіту

1. Назва лабораторної роботи.

2. Мета роботи.

3. Короткий опис особливостей руху рідини на різних режимах.

4. Опис будови та принципу дії дослідної установки.

5. Методика проведення досліду.

6. Необхідні розрахунки та відображення результатів виконання дослідної роботи.

7. Висновки з виконаної роботи.

Контрольні питання

1. Яке практичне значення має вивчення режимів руху рідини?

2. Що таке ламінарний режим і чим він характеризується?

3. Що таке турбулентний режим і чим він характеризується?

4. Як вирахувати число Рейнольдса?

5. Фізичне значення числа Рейнольдса.

6 Критичне число Рейнольдса для напірної і безнапірної течії.

7. Що таке середня швидкість і як вона визначається?

8. Як визначити в'язкість рідини і від чого вона залежить?

9. Порядок проведення досліду.

Лабораторна робота № 4

Опис дослідної установки

Схема дослідної установки для визначення коефіцієнта λ зображена на рисунку 4.1.

Рисунок 4.1 - Схема дослідної установки

Експериментальна ділянка являє собою трубу постійного діаметра 1. На відстані l один від одного закришені п'єзометри 2 з масштабними лінійками. На трубопроводі, що відводить воду з експериментальної ділянки, знаходяться: термометр 3 для вимірювання температури води та вентилі 4 і 5 для регулювання режиму роботи системи.

Порядок виконання роботи

1. За допомогою вентилів 4 і 5 встановити довільну витрату рідини в системі. Промити з'єднувальні трубки і дослідну ділянку трубопроводу для повного видалення повітря з системи.

2. Тими ж вентилями встановити витрату, відповідну першому режиму за програмою дослідження.

3. Виконати вимірювання: витрати Q рідини в системі за допомогою витратомірного пристрою; рівнів рідини в п'єзометрах; температури води t.

4. Розрахувати: середню швидкість руху рідини в трубопроводі v; втрати напору її; на експериментальній ділянці труби (див. рівняння (4.5)); дослідний коефіцієнт гідравлічного тертя з (4.8); розрахунковий коефіцієнт гідравлічного тертя за однією з наведених формул (4.10), (4.11), (4.12) або (4.13) залежно від режиму руху рідини в трубі. При цьому коефіцієнт кінематичної в'язкості рідини знаходиться за довідковим даними залежно від температури.

5. Виконати чотири досліди для різних режимів руху рідини.

6. Результати вимірювань і обчислень занести до таблиці 4.1.

Таблиця 4.1 - Результати вимірювань та обчислень

Форма звіту

1. Назва лабораторної роботи.

2. Мета роботи.

3. Короткий виклад основних залежностей рухомої рідини та особливостей гідравлічного тертя під час її руху.

4. Опис будови та принципу дії дослідної установки.

5. Методика проведення досліду.

6. Необхідні розрахунки та відображення результатів виконання дослідної роботи.

7. Висновки з виконаної роботи.

Контрольні запитання

1. Що таке питома енергія потоку і як її виразити аналітично?

2. Що таке гідравлічні втрати і їх фізичне походження?

3. Які частини питомої енергії потоку витрачаються на подолання опорів по довжині потоку?

4. Як практично визначають втрати енергії?

5. Як теоретично визначають втрати енергії (напору) па тертя?

6. Вплив шорсткості стінок на коефіцієнт тертя. Що таке гідравлічно гладкі та гідравлічно шорсткі труби?

7. Як визначити розрахунковий коефіцієнт λ при ламінарному режимі руху рідини?

8. Як визначити розрахунковий коефіцієнт λ при турбулентному режимі руху рідини в трубопроводах різної гідравлічної шорсткості?

9. Основні елементи установки та їх призначення.

Лабораторна робота №5

Опис дослідної установки

Схема дослідної установки для визначення коефіцієнтів місцевих опорів зображена на рисунку 5.1.

Основні елементи установки: пристрій для живлення водою 1 експериментальна ділянка трубопроводу 2, пристрій для вимірювання витрат.

Експериментальна ділянка трубопроводу складається з різних місцевих опорів: поворот потоку 5, поступового розширення трубопроводу (дифузора), поступового звуження трубопроводу (конфузора), раптового розширення 6 і раптового звуження 7 потоку, вентиля 8. Місцеві опори сполучені послідовно трубами постійного поперечного перетину. Для вимірювання перепаду тиску на кожному місцевому опорі встановлено два п'єзометри 4, перед опором і після нього. Витрата води регулюється за допомогою вентилів 3 і 9, встановлених на початку і в кінці експериментальної ділянки трубопроводу.

Порядок виконання роботи

1. Відкрити вентилі 3 і 9, встановивши в системі довільну витрату води, промити трубопроводи і трубки п'єзометрів для звільнення системи від повітря. Після промивання системи встановити бажаний робочий режим.

2. Виміряти витрату рідини.

3. Виміряти рівні рідини в п'єзометрах.

4. Розрахувати швидкості руху рідини на ділянках трубопроводу. Визначити втрати напору в місцевих опорах.

5. Визначити коефіцієнти місцевих опорів і порівняти їх з довідниковими даними.

6. Результати вимірювань і обчислень занести до таблиці 5.1.

Рисунок 5.1 - Схема дослідної установки

Таблиця 5.1 – Результати вимірювання та розрахунків

Форма звіту

1. Назва лабораторної роботи.

2. Мета роботи.

3. Короткий опис причин та особливостей місцевих втрат енергії руху рідини.

4. Опис будови та принципу дії дослідної установки.

5. Методика проведення досліду.

6. Необхідні розрахунки та відображення результатів виконання дослідної роботи.

7. Висновок з виконаної роботи.

Контрольні питання

1. Чим викликані місцеві втрати енергії?

2. Як визначаються місцеві втрати експериментально?

3. Як визначаються місцеві втрати аналітично?

4. Природа місцевих втрат енергії.

5. Що таке коефіцієнт місцевих втрат енергії і як він визначається?

6. Як визначити втрати енергії при раптовому розширенні потоку аналітично?

7. Рівняння Бернуллі і його фізичне значення.

Лабораторна робота №6

Рисунок 6.1 – Схема витікання рідини через отвір у тонкій стінці

Коефіцієнт стиснення струменя ε залежить від форми отвору, від положення отвору відносно стінок резервуара і від числа Рейнольдса.

Розрізняють стиснення досконале і недосконале, повне і неповне.

Стиснення називається досконалим,якщо вільна поверхня рідини, бічні стінки і дно посудини не впливають на стиснення струменя. Для цього досить, щоб межі отвору були віддалені від стінок і дна посудини не менш ніж на потрійну довжину відповідної сторони отвору, тобто, щоб т 3bі п 3а(випадок І, рисунок 6.2). Стиснення називається недосконалим,якщо на нього впливають стінки або дно посудини. Це відбувається при т 3bі п 3а(випадок II, рисунок 6.2)

Повним називається таке стиснення, коли струмінь стискується з усіх сторін (випадки І і II, рисунок 6.2).

Якщо струмінь, що витікає, не має бічного стиснення з однієї або з декількох сторін, стиснення називається неповним(випадок III, рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 - Види стиснення струменя рідини

Рівняння Бернуллі для процесу витікання (рисунок 6.1) має вигляд:

(6.2)

де - висота положення перетину I-І над площиною порівняння 0-0;

i - абсолютні тиски відповідно в перетинах I-І і II-II;

v₁ i v₂ - швидкості руху рідини відповідно в перетинах 1-І і П-П;

- втрати натиску при витіканні через отвір у тонкій стінці.

Вважаючи, що v₁=0 (ω₁ значно більше ω₂), і розв'язуючи рівняння (6.2) відносно v₂, отримуємо:

(6.3)

Вираз називаємо діючим опором. Взявши α₂ = 1, виділимо вираз , як коефіцієнт швидкості.

Рисунок 6.3 – Схема вимірювання координат довільної точки струменя

Тоді:

(6.7)

Витрата рідини визначається як добуток швидкості на площу живого перетину:

=vω(6.8)

Підставляючи у (6.8) значення v_д з (6.4) і значення ω_с з (6.1), маємо вираз для визначення витрати рідини:

(6.9)

де μ=εφ - коефіцієнт витрати.

Коефіцієнт витрати μ визначається співвідношенням витрати дійсної, що знаходять дослідним шляхом, і теоретичної:

(6.10)

де Q_T = ω₀V_T = .

Визначивши дослідним шляхом коефіцієнти φ і μ знаходять коефіцієнт стиснення струменя:

(6.11)

При витіканні малов'язких рідин через круглий малий отвір у тонкій стінці в умовах повного досконалого стиснення середні значення розглянутих коефіцієнтів становлять: ε=0,64; μ = 0,62; φ= 0,97; ξ=0,065.

Рисунок 6.4 – Види насадок

Насадки спричиняють додаткові опори рух