Прежде чем говорить о передаче энергии через жидкости, необходимо понять некоторые свойства жидкостей и то, как в них передаётся сила. Это поможет нам понять, почему гидравлика работает именно так, как работает.

Жидкость

Жидкость — это любое вещество, не имеющее фиксированной формы. К жидкостям относятся как жидкости, так и газы.

Жидкий

Жидкость, подобно газу, состоит из молекул. Однако, в отличие от газа, молекулы в жидкости притягиваются друг к другу достаточно сильно, чтобы находиться близко друг от друга, но не настолько тесно, чтобы быть зафиксированными в неподвижных позициях, как в твёрдом теле. Именно поэтому жидкость свободно течёт и принимает форму сосуда, в котором она находится.

Рисунок 2-1. Молекулы жидкости (внизу) плотно упакованы и находятся в постоянном движении, тогда как молекулы газа (вверху) расположены далеко друг от друга.

Кинетическая энергия молекул

Молекулы внутри жидкости всегда находятся в движении — даже когда жидкость выглядит совершенно неподвижной. Они постоянно скользят и проходят мимо друг друга. Такое молекулярное движение называется внутренней энергией жидкости.

Жидкости принимают форму сосуда, в котором они находятся

Благодаря этому постоянному молекулярному скольжению жидкость течёт и заполняет любую ёмкость, в которой она находится. Независимо от того, много ли жидкости или мало, она всегда принимает форму этой ёмкости. Данное свойство тесно связано с вязкостью, которая рассматривается в последующих главах.

Жидкости относительно несжимаемы

Поскольку молекулы жидкости расположены близко друг к другу, жидкости ведут себя подобно твёрдым телам в одном важном аспекте: они относительно несжимаемы — их невозможно сжать до значительно меньшего объёма.

Именно поэтому ныряльщики входят в воду ногами вперёд или руками вперёд (так называемый «ножевой вход»), а не падают на живот. Вода не может достаточно быстро уйти с пути при ударе большой плоской поверхностью, и такой удар ощущается как столкновение с твёрдым телом. Ноги или руки рассекают воду небольшой площадью поверхности, а небольшая площадь означает значительно меньшую силу удара.

Поскольку жидкость относительно несжимаема и принимает форму любой ёмкости, это даёт ей реальное преимущество при передаче силы.

Передача силы

Четыре способа передачи энергии (механический, электрический, гидравлический и пневматический) позволяют передавать как статическую силу (потенциальную энергию), так и динамическую силу (кинетическую энергию). При передаче статической силы через жидкость происходит нечто особое.

Сила, передаваемая через жидкость

В отличие от силы, действующей на твёрдое тело, сила, приложенная к ограниченной жидкости, передаётся по всей жидкости в виде давления — причём давление одинаково во всех точках жидкости.

Если мы надавим на подвижный поршень, расположенный сверху на ёмкости, полностью заполненной жидкостью, приложенная нами сила создаёт давление, которое передаётся равномерно во всех направлениях через жидкость.

Неважно, каким образом было создано это давление — с помощью поршня, руки, силы тяжести, пружины, сжатого воздуха или их комбинации: как только сила попадает внутрь ограниченной жидкости, она преобразуется в давление и передаётся равномерно по всей жидкости.

Поскольку жидкость принимает форму любой ёмкости, давление может передаваться независимо от формы этой ёмкости.

Рисунок 2–4. Сила, действующая на поршень, создаёт давление в жидкости. Это давление распространяется одинаково во всех направлениях — это ключевой принцип гидравлики.

Закон Паскаля

Свойство жидкости передавать давление одинаково во всех направлениях называется законом Паскаля, названным в честь его первооткрывателя Блеза Паскаля.

Математическая форма закона Паскаля совпадает с формулой давления, введённой в главе 1:

Манометры

Манометр измеряет давление, действующее на жидкость в системе. Два наиболее распространённых типа манометров в гидравлических системах — это манометр с трубчатой пружиной Бурдона и поршневой манометр.

Манометр с трубчатой пружиной Бурдона

Манометр с трубкой Бурдона состоит из циферблата и стрелки. Стрелка соединена с изогнутой гибкой металлической трубкой, называемой трубкой Бурдона. Давление из системы поступает в трубку через входное отверстие. Шкала обычно проградуирована в фунтах на квадратный дюйм (psi), барах или паскалях (Па).

Принцип работы трубки Бурдона

По мере роста давления в системе разница площадей внутренней и внешней поверхностей изогнутой трубки вызывает её выравнивание. Это движение выравнивания приводит стрелку в движение по циферблату, указывая измеренное давление. Манометры с трубкой Бурдона являются прецизионными приборами с точностью от 0,1 % до 3,0 % от полной шкалы; они применяются при лабораторных испытаниях или в любых случаях, когда критически важна точность измерения давления.

Поршневой манометр

Манометр поршневого типа состоит из поршня, балансировочной пружины, стрелки и шкалы. Давление в системе действует на торцевую поверхность поршня, смещая его против усилия пружины. Перемещение поршня приводит в движение стрелку по циферблату. Шкала отградуирована в фунтах на квадратный дюйм (psi) или барах. Поршневые манометры отличаются высокой надёжностью и экономичностью — их часто выбирают для повседневного контроля параметров системы.

Рисунок 2-6. Манометр поршневого типа: давление в системе воздействует на поршень, смещая его против пружины. Перемещение поршня приводит в движение стрелку.

Преобразование давления в механическую силу

Передача давления по герметичной жидкости полезна только в том случае, если давление можно снова преобразовать в механическую силу в какой-либо точке системы. Эту функцию выполняет исполнительный элемент — он воспринимает гидравлическое давление и преобразует его в механическую силу.

Гидравлический цилиндр представляет собой один из типов исполнительных элементов.

Гидравлический цилиндр

Гидравлический цилиндр воспринимает гидравлическое давление и преобразует его в прямолинейное (линейное) механическое усилие. С помощью соответствующих механических передач это усилие также может быть преобразовано во вращательное движение.

Конструкция цилиндра

Основные части цилиндра: гильза (трубка), торцевые крышки, поршень, шток поршня и входные/выходные отверстия. На каждом конце расположена одна торцевая крышка. Поршень может перемещаться внутри гильзы. Шток соединён с поршнем. Входные и выходные отверстия на каждом конце гильзы обеспечивают подачу и отвод рабочего масла.

Рис. 2-8. Поперечное сечение гидравлического цилиндра. Масло поступает в одно отверстие, давит на поршень, и шток выдвигается. Масло, выходящее из другого отверстия, возвращается в бак.

Принцип работы цилиндра

Когда входное отверстие цилиндра подключено к системе, цилиндр становится её частью. Давление из точки А передаётся по системе к поршню внутри цилиндра. Это давление, действующее на площадь поршня, создаёт механическую силу в точке Б — на конце штока.

Прикладывая давление

Когда давление передаётся через герметичную жидкость, его создаёт какой-либо подвижный элемент. Во всех приведённых до сих пор примерах таким элементом является поршень. Давление в системе определяется как отношение силы к площади поршня (P = F/A).

Увеличение механической силы

Гидравлика может усиливать (умножать) механическое усилие. Коэффициент усиления зависит от площади поршня гидравлического цилиндра (в дюймах² или см²). Поскольку давление передаётся равномерно через герметичную жидкость, при условии, что площадь поршня выходного цилиндра больше площади поршня входного цилиндра, выходное усилие будет превышать входное усилие.

Пример: Усилие 5000 фунтов (22 200 Н) действует на поршень площадью 10 дюймов² (64,52 см²), создавая давление:

То же самое давление 500 psi действует на выходной поршень площадью 15 дюймов² (96,78 см²):

Рисунок 2-9. Усиление механического усилия. На оба поршня действует одинаковое давление, однако больший поршень создаёт большее усилие. F = P × A.

Усилитель давления

Усилитель давления (также называемый усилителем) может повышать гидравлическое давление. Он состоит из двух поршней, соединённых одним штоком внутри единого корпуса с входным, выходным и сливным отверстиями. Большой поршень воспринимает давление в системе; сила, создаваемая им, передаётся на малый поршень, который создаёт более высокое выходное давление благодаря меньшей площади своего основания.

Принцип работы усилителя давления

Большой поршень воспринимает давление в системе и передаёт эту силу через шток на малый поршень. Поскольку площадь малого поршня меньше, выходное давление на его стороне выше — то есть давление усиливается.

Пример: Сила 5000 фунтов-силы (22 200 Н) действует на большой поршень (площадь: 15 дюйм² / 96,78 см²). Давление = 333 psi (22,9 бар). Эта сила передаётся на малый поршень (площадь: 0,76 см²). Выходное давление = 5000 фунтов-силы / 0,76 см² × (1/10 000) = 2000 psi (137,9 бар). Выходная сила = 30 000 фунтов-силы (133 200 Н).

Типичная область применения усилителей давления — зажимные приспособления.

Рисунок 2-11. Усиливатель давления. Большой поршень передаёт свою силу малому поршню, площадь которого значительно меньше — в результате на выходе создаётся значительно более высокое давление.

Гидравлическая передача энергии

Цель применения гидравлики (или любого другого способа передачи энергии) в машине — выполнение полезной работы. Для того чтобы цилиндр выполнял работу, он должен прикладывать силу к нагрузке и перемещать её на определённое расстояние; следовательно, в системе необходим компонент, способный использовать энергию для обеспечения непрерывного потока жидкости.

Гидравлический аккумулятор

Все рассмотренные до сих пор устройства, создающие давление в герметичном объёме жидкости, используют поршни и цилиндры. Поршень прикладывает силу, а цилиндр обеспечивает герметичность жидкости. Такие устройства называются аккумуляторами.

Аккумулятор может накапливать потенциальную энергию жидкости под давлением. Эта накопленная потенциальная энергия может быть преобразована в рабочую энергию (расход и давление).

Пример: аккумулятор с давлением 500 psi (34,5 бар) создаёт давление для перемещения нагрузки. Из запасённого давления 500 psi (34,5 бар) 400 psi (27,6 бар) расходуется на преодоление сопротивления нагрузки, а оставшееся давление преобразуется в поток жидкости для перемещения нагрузки.

Аккумуляторы имеют определённое ограничение: если нагрузка очень велика, может не хватить давления для её преодоления, и, следовательно, никакая работа выполнена не будет. Кроме того, после полного выпуска запасённой жидкости поток прекращается.

Чтобы создать достаточное давление для преодоления нагрузки и обеспечивать непрерывный поток жидкости, требуется другое устройство — объёмный гидравлический насос.

Рисунок 2-12. Работа аккумулятора. Запасённое давление может перемещать нагрузку, однако после истощения рабочей жидкости поток прекращается — аккумулятор сам по себе не способен обеспечивать непрерывную работу.

Объёмный гидравлический насос

Поршневой насос объемного типа создает непрерывный поток жидкости за счет повторяющегося возвратно-поступательного или вращательного внутреннего движения. Он обеспечивает как кинетическую энергию (расход), так и энергию давления — рабочую энергию, необходимую для выполнения непрерывной гидравлической работы.

Поршневой насос с обратным ходом

Возвратно-поступательный поршневой насос имеет поршень, соединенный с приводным двигателем (двигателем внутреннего сгорания или электродвигателем) посредством кривошипа или кулачка. На входе и выходе установлены шариковые обратные клапаны. При вытягивании поршня внутренний объём увеличивается, входной шариковый клапан открывается и жидкость поступает внутрь. При вдавливании поршня объём уменьшается, давление возрастает, входной шариковый клапан закрывается, а выходной — открывается, выталкивая жидкость в систему. Непрерывное движение поршня вперёд и назад создаёт пульсирующий поток; давление может быть любым, требуемым системой.

Рисунок 2-13. Возвратно-поступательный поршневой насос. Поршень перемещается вперёд и назад, всасывая масло через входной обратный клапан и выталкивая его через выходной обратный клапан.

Роторный насос объемного типа

Самым распространённым насосом в промышленных гидравлических системах является роторный объёмный насос. Он создаёт относительно плавный и под давлением поток жидкости и легко приводится в действие электродвигателем или двигателем внутреннего сгорания. За каждый оборот вращающегося элемента перемещается фиксированный объём жидкости.

Конструкция роторного насоса

Роторный насос состоит из корпуса и вращающейся сборки. Корпус имеет входное и выходное отверстия. Вращающаяся сборка создаёт поток и давление. На приведённом примере показаны ротор и лопасти, которые могут свободно перемещаться в радиальных пазах ротора.

Принцип работы роторного насоса

Вращающаяся сборка установлена эксцентрично (со смещением от центра) внутри корпуса и соединена с приводным двигателем через вал — ротор вращается. По мере вращения ротора центробежная сила прижимает лопатки к стенке корпуса, образуя герметичные камеры. На стороне всасывания объём камеры увеличивается, и жидкость засасывается внутрь. На стороне нагнетания объём камеры уменьшается, давление возрастает, и жидкость выталкивается из системы. Насос создаёт давление, равное лишь минимальному сопротивлению в системе — не более того.

Рисунок 2-15. Роторный лопастной насос. Лопатки, плотно прилегающие к стенке корпуса, образуют камеры, объём которых увеличивается (на стороне всасывания) и уменьшается (на стороне нагнетания) по мере вращения ротора.

Сопротивление и давление

В гидравлической системе давление и сопротивление напрямую связаны между собой. Насос нагнетает жидкость в систему; величина давления определяется величиной сопротивления. Высокое сопротивление → высокое давление; низкое сопротивление → низкое давление. Сопротивление движению жидкости определяет, какое давление создаётся.

Сопротивление, действующее на насос

На насос действуют два типа сопротивления: сопротивление нагрузки и сопротивление потоку. Если пренебречь сопротивлением потоку, единственным сопротивлением остаётся нагрузка. Если для преодоления сопротивления нагрузки требуется 200 psi (13,8 бар), насос создаёт давление 200 psi и передаёт гидравлическую рабочую энергию исполнительному устройству, которое затем перемещает нагрузку.

Сопротивление потоку присутствует всегда. Оно вынуждает насос забирать больше энергии от первичного двигателя и создавать более высокое давление для его преодоления.

Рисунок 2-16. Сопротивление и давление. Давление на выходе насоса возрастает для преодоления суммарного сопротивления, с которым он сталкивается — сопротивления нагрузки плюс сопротивление потоку (трение).

Дополнительное преобразование энергии

Дополнительная энергия, которую насос передаёт жидкости для преодоления сопротивления потоку, не преобразуется в полезную гидравлическую рабочую энергию на исполнительном устройстве — она расходуется на преодоление трения потока. Эта «расходуемая» энергия не теряется в смысле закона сохранения энергии; она преобразуется в тепло, повышающее температуру жидкости. Это тепло представляет собой неэффективность системы.

Скорость и расход

В динамической (текущей) гидравлической системе жидкость движется по трубам с определённой скоростью (быстротой). Скорость измеряется в футах в секунду (ft/s) или метрах в секунду (м/с).

Объём жидкости, проходящий через заданную точку за единицу времени, называется расходом. В гидравлических системах обычно используются единицы измерения: галлоны в минуту (gpm, США) или литры в минуту (Lpm).

Скорость и расход связаны между собой: чтобы наполнить ёмкость объёмом 5 галлонов (18,95 л) за одну минуту через трубу большого диаметра, жидкость должна двигаться со скоростью 10 ft/s (3,04 м/с). Через трубу вдвое меньшего диаметра для обеспечения того же расхода 5 gpm жидкость должна двигаться со скоростью 20 ft/s (6,10 м/с). Расход остаётся одинаковым, а скорость изменяется.

Рисунок 2-17. Одинаковый расход, разная скорость. В трубе меньшего диаметра жидкость должна двигаться быстрее, чтобы пропустить тот же объём в минуту.

Трение вызывает выделение тепла

Жидкость, протекающая по гидравлическим трубам, выделяет тепло вследствие трения — чем выше скорость её течения, тем больше выделяется тепла. В промышленных приложениях рекомендуемая скорость жидкости в линиях между насосом и исполнительным устройством составляет 15 футов/с (4,572 м/с).

Изгибы вызывают выделение тепла

Жидкость, текущая по прямой трубе и достигающая изгиба, должна резко изменить направление движения. Молекулы жидкости сталкиваются друг с другом и со стенками трубы — это также приводит к выделению тепла. В зависимости от диаметра трубы один коленообразный отвод под углом 90° может выделять столько же тепла, сколько несколько футов прямой трубы.

Разность давлений

Перепад давления — это разница давлений между любыми двумя точками в системе. Перепад давления указывает на два обстоятельства:

1. Он показывает наличие гидравлической рабочей энергии (под давлением, движущейся жидкости) между этими двумя точками.
2. Это значение показывает, сколько гидравлической энергии преобразовалось в тепло между этими двумя точками.

Пример: манометр 1 показывает 200 psi (13,79 бар); манометр 2 показывает 180 psi (12,41 бар). Перепад давления составляет 20 psi (1,38 бар). Это означает следующее:

3. Жидкость течёт от манометра 1 к манометру 2.
4. гидравлическая энергия, эквивалентная 20 psi, была преобразована в тепло за счёт трения потока между двумя манометрами.

Рисунок 2-19. Перепад давления. Снижение давления на 20 psi на данном участке трубопровода указывает на наличие потока и количественно характеризует гидравлическую энергию, потерянную на тепло трения.

Конструирование систем с целью снижения выделения тепла

Преобразование гидравлической энергии в тепло означает, что система теряет энергию. Для повышения эффективности проектировщики должны подбирать масло с оптимальной вязкостью, правильно рассчитывать диаметры трубопроводов, а также минимизировать количество изгибов и соединительных элементов. Все эти меры снижают гидравлическое сопротивление потоку и, соответственно, уменьшают потери энергии в виде тепла.

Рисунок 2-20. Выделение тепла в реальной гидравлической схеме. Каждый участок трубопровода, фитинг, изгиб и клапан вносят вклад в перепад давления и потери энергии.