Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины
ДОНЕЦКИЙ ГОРНЫЙ ТЕХНИКУМ ИМ. Е.Т. АБАКУМОВА
КОНСПЕКТ
лекций по предмету «Горные машины и комплексы»
специальности
5.090309«Технология подземной разработки полезных ископаемых»
5.05030102 «Подземная разработка полезных ископаемых»
преподавателя Борзых Михаила Анатольевича
Занятие 1. Лекция
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время одним из главных направлений повышения эффективности работы отечественных угольных предприятий является концентрация горных работ и интенсификация производственных процессов на основе создания и использования новой высокопроизводительной, надежной и безопасной горной техники.
Цикл дисциплины «Горные машины и комплексы» изучает машины и механизмы, предназначенные для разрушения горного массива и механизированного крепления очистного забоя.
К машинам, предназначенным для разрушения горного массива, относятся машины для бурения шпуров (производство буровзрывных работ) и скважин, а также разрушения угольного забоя и породного забоя.
Бурение шпуров и скважин производится ручными, переносными и передвижными машинами.
Основными машинами, применяемыми в шахтах, являются машины, предназначенные для добычи угля и проведения подготовительных выработок. Такие машины называются соответственно очистные и проходческие комбайны.
Для крепления очистных выработок, как правило, используются механизированные крепи, которые не только защищают выработанное пространство от обрушения гонных пород, но и позволяют управлять горным давлением.
В цикле дисциплины «Горные машины и комплексы» будут рассматриваться вопросы конструктивного исполнения и работы, как основного, так и вспомогательного оборудования.
В общем виде структуру материала дисциплины можно представить в виде блок-схемы, представленной на рисунке 1
                  |
Рисунок 1 - Структура изучаемого материала дисциплины «Горные машины и комплексы»
Занятие 2. Лекция
Раздел 1 Основы гидравлики
Узловые вопросы лекции:
1. Основные физические свойства жидкостей: плотность, вязкость, сжимаемость и тепловое расширение. Зависимость свойств жидкостей от изменения давления и температуры. Особые состояния жидкостей: растворение в жидкости газов, кипение, кавитация.
2. Теория работы гидравлического устройства.
Основные понятия «давление», «напор», «расход жидкости», «средняя скорость жидкости», «всасывание», «гидравлические сопротивления»
Тема 1.1 Свойства и состояния жидкостей
1.1.1 Основные физические свойства жидкостей
Жидкостями называют физические тела, занимающие по своему молекулярному строению промежуточное положение между твердыми телами и газами. В отличие от твердого тела жидкость обладает текучестью, а в отличие от газа – весьма малой изменяемостью объема при изменении внешних условий.
Основными физическими свойствами жидкостей, влияющими на выбор их в качестве рабочего тела гидропередач, являются плотность, вязкость, сжимаемость и тепловое расширение.
Плотностьжидкости характеризуется величиной ее массы в единице объема:
ρ = m/V,
где m — масса, кг;
V— объем, м3.
Единица измерения плотности — кг/м3. Чем выше плотность рабочей жидкости, тем больше энергии затрачивается на ускорение и торможение потока. Исходя из этого, наиболее целесообразно применять в гидропередачах рабочие жидкости плотностью 700— 1000 кг/м3.
Сжимаемость - свойство жидкости изменять объем при изменении давления. Сжимаемость характеризуется коэффициентом сжимаемости bр, который представляет собой относительное изменение объема жидкости при увеличении давления на единицу. Так, при увеличении давления на величину Dр первоначальный объем жидкости Vизменится на величину:
DV = bр × V × Dр, или
где bр - коэффициент сжимаемости при температуре t;
V – объем жидкости при давлении р0;
DV – увеличение объема жидкости при увеличении давления на Dр;
Dр – приращение давления;
Dр = р – р0;
где р – конечное давление;
р0 – начальное давление.
Из выражения определения плотности:
ρ = m/V,
подставив значение объема,
получим закономерность изменения плотности жидкости ρр при изменении давления на Dр:
где ρ0 —плотность жидкости при начальном давлении.
Величина, обратная коэффициенту сжимаемости bр, называется объемным модулем упругости Есж.
Есж. = 1/bр
Коэффициент объемного сжатия для минеральных масел bр = 0,00052 – 0,00075 МПа-1; для воды и водомасляной эмульсии bр = 0,000475 МПа-1;
Например для воды:
- при р = 10 МПа, ρ = 1000 кг/м3;
- при р = 50 МПа, ρ = 981 кг/м3; (1,9%).
для масла индустриального И-12А:
- при р = 10 МПа, ρ = 880 кг/м3;
- при р = 50 МПа, ρ = 859 кг/м3; (2%).
Вязкость— это способность жидкости оказывать сопротивление относительному перемещению или сдвигу ее слоев. Это свойство обусловлено возникновением в движущейся жидкости сил внутреннего сопротивления. Количественно вязкость характеризуется коэффициентом динамичной вязкости μ, имеющим размерность Па · с (Паскаль – секунда).
Отношение величины динамической вязкости к плотности жидкости называется кинематической вязкостью, м2/с:
n = μ /ρ.
Кинематическая вязкость на практике измеряется в стоксах (Ст):
1 Ст = 10-4 м2/с = 1 см2/с; 1 Ст = 0,01сСт (сантистокс)
Вязкость жидкости изменяется с изменением давления и температуры.
Изменение вязкости при изменении давления незначительно.
Например для масла индустриального И-12А:
- при р = 10 МПа, n = 0,1 Ст;
- при р = 50 МПа, n = 0,115 Ст; (15%).
Зависимость же вязкости от температуры является значительной. Например, для воды или водомасляной эмульсии при повышении температуры вязкость уменьшается:
- при t = 10°С, n = 0,013 Ст;
- при t = 50°С, n = 0,005 Ст. (62%).
Тепловое расширение - свойство жидкости изменять объем при изменении температуры
Vt = V0(1 + bt × Dt),
где Vt иV0— объемы жидкости при температуре tи 0;
Dt= t - t0- диапазон изменения температур;
bt— коэффициент объемного расширения, среднее значение которого для воды при 20°С равно 2 × 10-4 1/К, а для минеральных масел - 7 × 10-4 1/К.
Из выражения Vt = V0(1 + bt × Dt), следует:
Ввиду незначительного теплового расширения жидкости, изменением плотности с изменением температуры можно пренебречь. Однако, когдажидкость заключена в замкнутом жестком объеме, увеличение температуры при отсутствии утечек может привести к опасному повышению давления (примерно на 1,1 МПа/1°С)
Dр = bt × Еж. × Dt.
1.1.2 Особые состояния жидкости
Жидкость практически представляет собой сплошную однородную среду. Однако в некоторых случаях происходит нарушение сплошности жидкости, которое может существенно повлиять на закономерности ее равновесия и движения.
Растворение в жидкости газов представляет собой процесс проникновения молекул газа из окружающей среды через свободную поверхность внутрь жидкости. Если давление в какой-либо части объема жидкости уменьшается (или температура повышается) находящийся в ней газ начнет выделяться в виде пузырьков, и в жидкости образуются разрывы сплошности, ухудшающие свойства жидкости. Газ будет выделяться из жидкости до тех пор, пока не наступит равновесие между жидкой и газовой фазами системы. При выделении газа жидкость вспенивается. Время насыщения жидкости газом зависит от площади свободной поверхности. Возмущение поверхности ускоряет процесс растворения газа.
В случае появления в жидкости пузырьков пара различают два явления: кипение и кавитацию жидкости.
Кипение жидкости — это процесс образования пузырьков пара внутри жидкости и выделение их через свободную поверхность в окружающую среду.
Кипение связано с тем, что в технических жидкостях всегда находятся пузырьки нерастворенного воздуха (газа), внутрь которых происходит испарение жидкости до состояния насыщения. Давление внутри пузырьков практически равно давлению насыщенного пара, при котором пары находятся в равновесии с жидкостью. Если давление на поверхности жидкости меньше давления насыщенного пара, внешнее давление на пузырьки оказывается меньше внутреннего, размеры пузырьков увеличиваются, и они выталкиваются на поверхность, что сопровождается разрывом сплошности жидкости и изменением ее свойств. Одним из условий уменьшения количества нерастворенного газа является соблюдение режима t= const.
Кавитация жидкости — это явление, когда пузырьки пара или паровоздушные пузырьки, появившиеся при давлении в движущейся жидкости, меньшем давления насыщенных паров, не выходят из нее, а, попадая в область повышенного давления, с большой силой смыкаются (паровые пузырьки конденсируются, а газовые сжимаются). Разрушение пузырьков сопровождается шумом, вибрацией и местными гидравлическими ударами, приводящими к постепенному эрозийному разрушению ограничивающих поток твердых стенок.
Явление кавитации может наблюдаться в любой гидравлической системе, работающей при давлении ниже атмосферного, например в результате местного повышения скоростей. Возникновение кавитации значительно облегчается при наличии в жидкости пузырьков воздуха, а также растворенных газов. Кавитацию часто используют для практических целей, например для регулирования расхода жидкости, для обработки поверхностей деталей. Законы гидравлики, установленные для сплошных сред, при кавитации не могут быть применимы.
Тема 1.2 Теория работы гидравлического устройства
Гидравлическое устройство – это устройство, в котором рабочим телом является рабочая жидкость.
Для выполнения определенных задач, гидравлические устройства объединяются в систему, которая, в конечном итоге, предназначена для преобразования механической энергии в гидравлическую или для преобразования гидравлической энергии в механическую энергию.
В гидравлическом устройстве рабочая жидкость может находиться в состоянии покоя или в движении. Соответственно эти состояния называются статическим и динамическим.
В покоящейся жидкости не проявляются силы вязкости. Покоящаяся жидкость подвержена действию внешних массовых пропорциональных массе сил и поверхностных, действующих на свободную или граничную поверхность, сил. В результате действия этих сил внутри жидкости возникают сжимающие напряжения, называемые гидростатическим давлением (аналогично напряжению сжатия в твердых телах). При равномерном распределении силы Fпо поверхности площадью S гидростатическое давление выражается формулой:
.
Единицей гидростатического давления является 1 Н/м2. Эта единица называется паскаль (Па). Так как она очень мала, применяют кратную ей единицу мегапаскаль (МПа). При этом 1МПа = 106 Па » 10 кгс/см2.
В динамике рассматривается струйчатая модель движения жидкости, при которой поток представляется состоящим из отдельных элементарных струек.
Площадь сечения трубки тока, перпендикулярную к линиям тока, называют живым сечением элементарной струйки S.
Объем жидкости V, проходящей через живое сечение в единицу времени t, называют расходом:
Скоростью жидкости в точке является отношение расхода элементарной струйки, проходящей через данную точку, к живому сечению струйки. Средняя скорость определяется:
При движении жидкости создается напор.
Напор в гидравлике, линейная величина, выражающая удельную (отнесённую к единице веса) энергию потока жидкости в данной точке.
Полный напор потока характеризуется уравнением Бернулли.
где z – геометрическая высота (напор) частички над плоскостью;
– удельная энергия давления (пьезометрический напор(высота));
– удельная кинетическая энергия (скоростной напор (высота));
Н – полный напор потока.
Единицей измерения напора является метр (м).
Например, напор насоса составляет 30 м. Это означает, что насос обладает энергией, способной переместить жидкость на высоту 30 м.
При движении реальной жидкости возникают силы гидравлического сопротивления, для преодоления которых и поддержания поступательного движения жидкости необходима затрата энергии. Практически это выражается в потере части напора.
Гидравлические сопротивления в трубопроводах подразделяются на линейные и местные. Линейные сопротивления зависят от длины канала и обусловливаются силами вязкости и влиянием стенок, ограничивающих поток. Местные сопротивления вызываются различного рода фасонными частями и арматурой, приводящими к деформации потока и изменению величины или направления скорости течения жидкости.
Потери в результате гидравлических сопротивлений в зависимости от того, рассматриваются давление или напор, выражаются разностью
DН = Н1 – Н2 или Dр = р1 – р2
и имеют размерность соответственно напора или давления.
Из уравнения Бернулли следует, что гидравлические потери зависят от скорости потока, который в свою очередь зависит от режима движения жидкости. Эта зависимость имеет вид:
Dр = kun
где k – коэффициент пропорциональности;
u – средняя скорость потока;
n – показатель степени, находящийся в пределах 1 ÷ 2 и зависящий от режима движения жидкости.
Существуют два резко отличающихся один от другого режима движения жидкости: ламинарный, при котором отдельные струи жидкости, перемещаясь, не смешиваются между собой, и турбулентный, когда струи жидкости интенсивно и беспорядочно перемешиваются.
Переход ламинарного режима в турбулентный происходит при увеличении скорости потока или расхода, при уменьшении вязкости жидкости, при увеличении геометрических размеров трубопровода.
На практике возможны случаи существования в различных точках участка одновременно обоих режимов.
Для турбулентного потока типично явление пульсации скорости и давления, т. е. резкие изменения давления и скорости и данной точке во времени, по величине и по направлению. Если при ламинарном режиме энергия расходуется только на преодоление сил внутреннего трения между слоями жидкости, то при турбулентном режиме кроме этого энергия затрачивается на процесс хаотического перемешивания жидкости, что вызывает в жидкости дополнительные напряжения.
Местные гидравлические сопротивления создаются различного рода элементами, установка которых вызывается необходимостью условий эксплуатации трубопроводов. Поток в местных сопротивлениях претерпевает изменение направления или сечения, разделения или соединения, а также различные комбинации указанных случаев, что сопровождается значительными потерями энергии.
ВОПРОСЫДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Дайте определение плотностижидкости. Укажите единицу измерения плотности.
2. Дайте определение сжимаемостижидкости. Укажите единицу измерения коэффициента объемного сжатия.
3. Дайте определение вязкостижидкости. Укажите единицу измерения коэффициента динамичной вязкости μ и кинематической вязкости n.
4. Что представляет собой процесс растворения в жидкости газов?
5. Что представляет собой процесскипения жидкости?
6. Что представляет собой явление кавитации жидкости?
7. Что называется гидравлическим устройством?
8. Дайте определение и назовите единицу измерения гидростатического давления.
9. Объясните понятия расхода и средней скорости жидкости.
10. Дайте определение и укажите единицу измерения напора.
11. Запишите и объясните основное уравнение гидродинамики (уравнение Бернулли).
12. Объясните понятия линейных и местных сопротивлений. Укажите, как выглядят потери давление или напора в результате наличия гидравлических сопротивлений.
13. Объясните понятия ламинарного и турбулентного потоков. Объясните зависимость перехода ламинарного потока в турбулентный поток.
Занятие 3. Лекция