系統(tǒng)建模與動力學分析-液壓系統(tǒng).pptVIP

液壓缸 將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的 做直線往復(fù)運動 或擺動運動 的液壓執(zhí)行元件 根據(jù)常用液壓缸的結(jié)構(gòu)形式 可將其分為四種類型 1 活塞式 其兩端進出口油口A和B都可通壓力油或回油 以實現(xiàn)活塞的雙向運動 故又稱為雙作用缸 單活塞桿液壓缸 左圖 只有一端有活塞桿 活塞左邊面積較大 當流體壓力作用在左邊時 提供一慢速的 更大作用力的工作行程 而活塞右邊面積較小 返回行程較快 雙活塞桿液壓缸 右圖 在兩個方向上具有相等的作用力 2 柱塞式 是一種單作用式液壓缸 靠液壓力只能實現(xiàn)一個方向的運動 柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重 3 伸縮式 伸縮式液壓缸具有二級或多級活塞 伸縮式液壓缸中活塞伸出的順序式從大到小 而空載縮回的順序則一般是從小到大 伸縮缸可實現(xiàn)較長的行程 而縮回時長度較短 結(jié)構(gòu)較為緊湊 此種液壓缸常用于工程機械和農(nóng)業(yè)機械上 4 擺動式 擺動式液壓缸是輸出扭矩并實現(xiàn)往復(fù)運動的執(zhí)行元件 也稱擺動式液壓馬達 有單葉片和雙葉片兩種形式 定子塊固定在缸體上 而葉片和轉(zhuǎn)子連接在一起 根據(jù)進油方向 葉片將帶動轉(zhuǎn)子作往復(fù)擺動 結(jié)構(gòu) 葉片 缸體 輸出軸 單葉片式 雙葉片式 旋轉(zhuǎn)式液壓馬達 又包括柱塞馬達 葉片馬達和齒輪馬達 許多液壓泵只要作小量的改變或根本不需要改變就可以用作馬達 1 軸向柱塞馬達結(jié)構(gòu) 2 工作原理 輸入的高壓油通過柱塞作用在斜盤上 斜盤給柱塞的反作用力的徑向分力 使缸體產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 通過輸出軸帶動負載做功 平行于圓盤的力作用在軸上的扭矩 改變供油方向 馬達反轉(zhuǎn) 雙向馬達改變斜盤傾角 排量變 轉(zhuǎn)速變 變量馬達3 應(yīng)用 高轉(zhuǎn)速 較大扭矩的場合 2 徑向柱塞馬達結(jié)構(gòu) 2 徑向柱塞馬達工作原理在徑向柱塞馬達中 壓力液體進入缸體中的一半 沿液壓缸體的軸線推動每個柱塞 這些柱塞的徑向移動 一直到旋轉(zhuǎn)至定子輪廓距配油軸最遠的點為止 這樣 徑向推動柱塞而產(chǎn)生缸體和柱塞旋轉(zhuǎn) 2 齒輪馬達工作原理 與齒輪泵正好相反 兩個齒輪都是被動的 但只有一個是與輸出軸相連接的 液壓流體從泵進入工作腔A 并在兩個方向上沿殼體內(nèi)表面流到工作腔B 迫使齒輪旋轉(zhuǎn) 通過這種旋轉(zhuǎn)運動可得到對輸出軸作功 液壓控制閥 是用機械運動來控制液壓馬達液流的方向 可分為如下四種類型 1 滑閥 一般根據(jù)流入和流出此閥的通道數(shù)來分類 例如 四通柱塞閥的工作原理閥芯可以在兩個方向移動如果閥芯移動到右邊 B口與壓力口P接通 A口與回油口接通 動力 或馬達 活塞移向左 如果閥芯移動到左邊 A口與壓力口P接通 B口與回油口接通 動力 或馬達 活塞移向右 三通閥 用改變作用在不等面積動力活塞一邊的壓力 來達到改變運動方向的目的 2 擋板閥 也稱噴嘴 擋板閥 一個擋板放在兩個相對的噴嘴之間 如果擋板向右微小移動 在噴嘴中產(chǎn)生壓力不平衡 動力活塞移向左 等等 擋板閥常在液壓伺服系統(tǒng)中作為兩級伺服閥中的第一級使用 目的是以提供必要的相對較大的力以移動第二級滑閥 3 射流管閥 液壓流體自射流管噴射出來 如果射流管自中間位置移動到右邊 動力活塞移向左 圖4 15 射流管閥由于零位泄漏量大 響應(yīng)慢和特性無法預(yù)測 因此不像擋板閥用的多 主要優(yōu)點是對臟的流體不敏感 提升閥 基本上是二通閥 典型的提升閥可以在單向閥和溢流閥中找到 單向閥 一個單通道方向閥 允許液體在一個方向上流動且能控制液體流量的大小 而在反方向上的流動是受到阻礙的 單向閥工作原理 溢流閥 作用是保護裝置 防止回路元件過載或限制液壓馬達的作用力 溢流閥的工作原理 當進口壓力超過彈簧力時 閥被推離閥座 流體從壓力管道通過閥而流回油箱 當壓力下降到低于彈簧力時 閥恢復(fù)原位 流動停止 當閥強迫離開閥座 并且流體開始流動時的壓力稱為開啟壓力 全流量時的壓力比開啟壓力大 壓力增大導(dǎo)致通過溢流閥的流量增大 稱此為壓力增量 液壓系統(tǒng)的優(yōu)缺點優(yōu)點1 液壓流體具有潤滑劑的作用 還能夠進行熱量傳遞 2 尺寸較小的液壓馬達能夠產(chǎn)生出大的力和力矩 3 液壓馬達對于啟動 停止和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換具有高的速度響應(yīng) 4 液壓馬達可在連續(xù)的 間斷的 倒轉(zhuǎn)和停車的情況下操作而不致?lián)p壞 5 直線和旋轉(zhuǎn)式液壓馬達可以設(shè)計成柔性的 6 液壓馬達泄漏小 載荷作用時的速度降落小 缺點 pp176 油擊現(xiàn)象 pp176 由于瞬時關(guān)閉管路一端的閥 而使油或水在管路中的流動突然停止 由此肯能引起一間斷的壓力脈沖 從而引起一系列的沖擊 其聲音好像是錘擊一樣 它與流體介質(zhì)有關(guān) 例如 自來水管系統(tǒng) 空穴現(xiàn)象 pp177 在流體的快速流動中汽化和氣泡隨即破滅的過程稱為空穴現(xiàn)象 它會產(chǎn)生噪音和振動 降低效率 損壞流道等 例如 離心式泵 液壓流體的性質(zhì) 密度 物質(zhì)的質(zhì)量密度是單位體積的質(zhì)量 單位是kg m3 比容 比容是密度的倒數(shù) 它是流體單位質(zhì)量所占的容積 比重和比重力 物質(zhì)的比重力是其單位體積的重量 單位是N m3 比重力和質(zhì)量密度的關(guān)系是 物質(zhì)的比重是它的重量與在標準大氣壓力和溫度下相等體積的水的重量之比 液壓流體的性質(zhì) 流體的密度是壓力和溫度的函數(shù) 它可以寫成 其中分別是密度 壓力和溫度 假定當壓力是 溫度是時的流體密度是 a和b的值是正的 因此流體質(zhì)量密度隨壓力增大而增大 隨溫度增大而減小 系數(shù)a和b分別稱為是可壓縮性模量和體積的膨脹系數(shù) 液壓流體的性質(zhì) 可壓縮性和體積模量流體的可壓縮性是由其體積模量來表示 流體的體積模量和可壓縮性模量是互為倒數(shù)的 如果體積為V的流體增加壓力dp 它將引起體積下降dV 其體積模量的定義為注意是dV負的 所以 dV是正的 由于所有液壓流體將與空氣在一定的范圍內(nèi)混合 所以用實驗測定體積模量時 任何給定流體的體積模量的值是與流體中所含有的空氣量有關(guān) 粘度 粘度是液壓流體最重要的性質(zhì) 是流體在流動中的內(nèi)摩擦或阻力的一種度量 粘度的物理本質(zhì)是分子間的引力和分子熱運動 碰撞 低粘度表示泄漏損失增大 而高粘度意味著低靈敏度的操作 在液壓系統(tǒng)中可容許的粘度是由泵 馬達 和閥以及周圍的和操作溫度的工作特性所限制 流體的粘度隨溫度升高而減小 粘度是用觀察一定體積的流體在一定的水頭下通過有相同孔徑的短管所需要的時間來測定 例如一個毛細管式粘度計 由流體中的各部分相對運動而產(chǎn)生的阻力稱為動力粘度或絕對粘度 它是流體的剪切應(yīng)力與剪切變形之比 動力粘度或絕對粘度系數(shù)是流體薄層在平行于薄層方向運動 對另一距它為單位距離的流體薄層 具有單位相對速度時所產(chǎn)生的阻力 動力粘度的單位 SI制 N s m2或kg m s cgs制 dyn s cm2或g cm s泊 p 運動粘度是動力粘度除以質(zhì)量密度 運動粘度的單位 SI制 m2 s cgs制 cm2 s沲 St 關(guān)于液壓流體的幾個要點1 水 天然油和植物或動物油不用作液壓流體 因為它們?nèi)狈m當?shù)臐櫥涂寡趸芰?并會引起腐蝕 起泡沫等等 2 液壓流體的工作壽命與它抗氧化能力有關(guān) 由于任何流體都與空氣有一定量的混合 當溫度在70度以上 氧化加速 因此高質(zhì)量的流體一般含有抗氧化劑以減慢氧化 3 當在高溫工作時 流體重要的性質(zhì)是潤滑性 粘性 熱穩(wěn)定性 重量和體積模量 4 對于安排在高溫源的液壓系統(tǒng) 將使用耐火的流體 流體流動的基本定律 雷諾數(shù)作用在流動流體上的力是由重力 浮力 流體慣性 粘性 表面張力及其他類似的因素所產(chǎn)生 在多數(shù)的流動情況中 由流體慣性和粘性所引起的力最重要 它基本支配了流體的流動 慣性力與粘性力的無量綱之比稱為雷諾數(shù) 大的雷諾數(shù)表示由慣性力支配 而小的雷諾數(shù)是由粘性所支配 流體流動的基本定律 雷諾數(shù)R由下式給出 其中 流體質(zhì)量密度 動力粘度 流動的平均速度 特征長度對于在管中的流動 特征長度是管子的內(nèi)徑 平均流動速度是Q 體積流量A 管子截面積D 管子內(nèi)徑 流體流動的基本定律 最終 在管子中流動的雷諾數(shù)由下式給出小結(jié) 雷諾數(shù)是一個表征流體的粘性特性的一個參數(shù) 雷諾數(shù)越大 該流體的粘質(zhì)性就越小 粘質(zhì)性越小的流體就越容易流動 沒有粘質(zhì)性的流體就是所謂的超流 它的雷諾數(shù)趨于無窮大 超流現(xiàn)象舉例 當液氦 指4He 的溫度降到2 17K時 液氦從原來的正常流體突然轉(zhuǎn)變?yōu)?超流體 流體流動的基本定律 層流和紊流由粘性力決定的流動稱為層流 其特征是光滑 平行的流體直線運動 當由慣性力支配時 流動稱為紊流 或渦流 其特征是不規(guī)則的類似漩渦的流體運動 雷諾數(shù)低于2000 流動總是層流 雷諾數(shù)大于4000 流動除特殊情況外一般是紊流 一般 如果管路橫截面積比較小和 或 管道長度比較長 則流動是層流 否則就產(chǎn)生紊流 層流對溫度是敏感的 因為它與粘性有關(guān) 流體流動的基本定律 層流是一種緩慢流動的流體 流體質(zhì)點作有條不紊的平行的線狀運動 彼此不相摻混 對于層流 在管中速度分布為拋物線形 紊流是一種充滿了漩渦的急湍流動的流體 流體質(zhì)點的運動軌跡極不規(guī)則 其流速大小和流動方向隨時間而變化 彼此互相摻混 紊流的搬運能力要強于層流 并且紊流還有漩渦揚舉作用 這是可使沉積物呈懸浮搬運的主要因素 流體流動的基本定律 牛頓流體和非牛頓流體從流體力學的性質(zhì)來說 凡服從牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱做牛頓流體 否則稱非牛頓流體 牛頓內(nèi)摩擦定律牽引流就屬牛頓流體 沉積物重力流屬非牛頓流體 牛頓流體和非牛頓流體對碎屑物質(zhì)搬運和沉積作用的機制是不相同的 流體流動的基本定律 流線 流體流過所劃下的連續(xù)線 其上各點具有速度向量的方向 因此在垂直于流線的方向上無流動 流管 是所有通過封閉曲線的流線所構(gòu)成的管子 由于速度向量在垂直于管表面上無分量 因此沒有穿過流管壁的流動 穩(wěn)定流動 如果流體中的壓力 速度 密度 溫度及類似的因素在任何點都與時間無關(guān) 此流動稱為是穩(wěn)定流動 流體流動的基本定律 在穩(wěn)定流動中 空間中任意點保持為常數(shù) 其中 壓力 速度向量 密度 溫度如果在每一點的條件是隨時間而變的 此流動稱為不穩(wěn)定的 控制體積 是指在空間中的某個范圍 控制體積的大小和形狀一般是選擇得便于分析 流體流動的基本定律 采用控制體積是為了便于對發(fā)生在空間流進和流出的情況進行分析 連續(xù)性方程 是應(yīng)用質(zhì)量守恒原理于流動中而求得的 此原理是說明系統(tǒng)中的質(zhì)量相對于時間而言保持為常數(shù) 對于控制體積的連續(xù)性方程說明控制體積內(nèi)單位時間質(zhì)量增大率等于純流入控制體積中的質(zhì)量流率 流體流動的基本定律 對上圖應(yīng)用能量守恒定律可得應(yīng)用在穩(wěn)定流動中沿流管兩截面的連續(xù)性方程 若在橫截面A1和A2上的平均密度分別是和 平均速度是V1和V2 于是定義流量Q1和Q2為連續(xù)性方程又可寫為 流體流動的基本定律 對于不可壓穩(wěn)定流動 有 因此這表示流體在管中的流量在任何橫截面上保持為常數(shù) 歐拉運動方程 研究無限小長度ds的流管和由流管在截面1和截面2之間的壁加上垂直于流管的兩端截面所組成的控制體積 假設(shè)粘度是零或流體是無摩擦的 流體流動的基本定律 控制體積內(nèi)流體的質(zhì)量 該質(zhì)量的加速度 截面1沿s正方向的壓力 截面2沿s負方向的壓力 應(yīng)用牛頓第二定律 其中作用在控制體邊上的力垂直于s 在方程中不出現(xiàn) 流體流動的基本定律 一般 速度v與s及t有關(guān) 或v v s t 因此根據(jù)上兩式可得由于 其中z是垂直位移 最終可得歐拉運動方程式 流體流動的基本定律 對于穩(wěn)定流體 且v只是s的函數(shù) 故上式可簡化為穩(wěn)定流動的歐拉運動方程 伯努利方程對于穩(wěn)定 無摩擦 即流體的粘性可以忽略 不可壓縮流動 上式可以積分得此方程是對于穩(wěn)定流動通過控制體積的能量方程式 流體流動的基本定律 上式兩邊除以g 可得伯努利方程式 上式中每一項都有長度量綱 沿一流管速度能頭 壓力能頭 勢能頭三者之和是常數(shù) 即在任何界面上的總能頭是常數(shù) 對于不穩(wěn)定流動 歐拉方程為 流體流動的基本定律 將方程式沿流管積分得最終可得在截面1和2處通過控制體積的不穩(wěn)定流動的能量方程式 流體流動的基本定律 流體流動的基本定律 通過小孔的流動小孔是一種流道長度很短的突然節(jié)流 通過小孔的流動狀況存在兩種形式 它與由粘性力還是慣性力支配有關(guān) 根據(jù)連續(xù)性定律 流過孔隙的流動速度必然比在其上游范圍內(nèi)的速度增大 如圖4 23 a 所示 當雷諾數(shù)低時 通過小孔的下游流動為平流 由于粘性所產(chǎn)生的內(nèi)剪切力影響 流體的壓力下降 流體流動的基本定律 如圖4 23 b 所示 當雷諾數(shù)高時 下游流動為紊流 通過小孔時壓力的下降是由于流體從上游速度加速到高的射流速度所引起 大量重要的小孔流動現(xiàn)象為此種情況 流體速度在截面1和2之間增加到射流速度 射流的流出面積比小孔面積小 沿射流其射流面積變?yōu)樽钚≈幏Q為收縮斷面 在收縮斷面處的流面積A2與小孔面積A0之比稱為收縮系數(shù)Ce 流體流動的基本定律 由于在截面1和2之間的流動是流線 可以應(yīng)用伯努利方程 假定z1 z2 根據(jù)連續(xù)性方程 又可得根據(jù)上兩式 最終得和在收縮斷面處通過小孔的體積流量是 流體流動的基本定律 由于忽略粘性摩擦 引進一個被稱為速度系數(shù)的實驗因素來給出流量Qc是流量系數(shù) 一般通過實驗求得在用液壓閥調(diào)節(jié)節(jié)流面積以控制壓力和流量的情況下 上式是作為基本方程式來使用 說明 再設(shè)計管路時 從原則上要排除產(chǎn)生過分大的摩擦 pp190 建立液壓系統(tǒng)的數(shù)學模型 工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常有由小孔 閥或其它流動阻力裝置的管道所連接的充滿流體容器組成的系統(tǒng) 這些系統(tǒng)的特性可以用已經(jīng)給出的流體流動的基本定律來進行分析 容器壁上小孔的流出 應(yīng)用伯努力方程有如選擇水平面2 2作為標高水頭基準 把下面參數(shù)代入上式可得考慮摩擦等因素 最后 實際流量為實際速度與射流面積的乘積 1 1 2 2 H 建立液壓系統(tǒng)的數(shù)學模型 同機械和電系統(tǒng)類似 對于液壓系統(tǒng)也存在三種基本元件 它們是液感元件 液容元件和液阻元件 阻量 物理元件的阻量可以定義為使速度 電流或流量產(chǎn)生單位變化所需要的勢能變化 即對于在管中 小孔 閥或其它節(jié)流裝置的流體流動 勢能可以用壓力差 節(jié)流裝置前后之間的壓力差 或水頭差 m 代表 流量可以用流體的體積變化率代表 根據(jù)上述一般的流體流動定義 有 建立液壓系統(tǒng)的數(shù)學模型 或流體流動液阻與流動條件有關(guān) 層流和紊流 層流和紊流情況下勢能差與流量的關(guān)系對于層流 流量與水頭差成正比 即式中 是比例常數(shù) 因此 層流液阻為注意層流液阻是常數(shù) 對于紊流 通過節(jié)流的流量為因為流量與水頭差是由非線性方程式相聯(lián)系 紊流液阻不是常數(shù) 建立液壓系統(tǒng)的數(shù)學模型 由 13 式 可得所以有因此紊流液阻為注意 紊流的液阻不是常量 而是依賴于流量和水頭差 它是在一定的工作條件下決定的 而且僅僅在接近這種工作條件下才采用這個液阻 建立液壓系統(tǒng)的數(shù)學模型 容量 物理元件的容量可以定義為使有單位勢能變化所需要的質(zhì)量或位移的變化 或?qū)τ诔錆M流體的容器系統(tǒng) 質(zhì)量可以是流體的體積 而勢能可以是壓力或水頭 因此有和一般選擇水頭作為勢能的度量比較方便 因為這樣使充滿流體容器的液容與容器的橫截面積一致 如果容器的橫截面積是常數(shù) 那么對于任何水頭的液容是常數(shù) 建立液壓系統(tǒng)的數(shù)學模型 慣量 定義為使流量 速度或電流的單位變化率所需要的勢能的變化 或?qū)τ诹黧w在管道 通路及類似的裝置中流動的慣性作用 勢能可以是壓力或水頭 而流量每秒的變化可以是流體體積的流動加速度 因此有和 建立液壓系統(tǒng)的數(shù)學模型 例題 流體在管道中流動 假設(shè)管道的橫截面是常數(shù)并在管道中兩截面之間壓力差是 于是力將加速兩截面之間的流體 或由于質(zhì)量M等于因此有或如果選擇壓力作為勢能的度量 有如果選擇水頭作為勢能的度量 有于是 有 建立液壓系統(tǒng)的數(shù)學模型 說明 pp197 在把液壓系統(tǒng)表示成為液阻 液容和液感的數(shù)學模型時 這些方程將表示成相容的單位 數(shù)學模型保持相同 流體液容和流體流動液感分別由于壓力和流動的結(jié)果而儲存能量 流體流動液阻消耗能量 一般流體流動液感是可以忽略的 只有在特殊情況下 才是重要的 建立液面系統(tǒng)的數(shù)學模型假定流體從閥中流出是紊流 定義 穩(wěn)定水頭 在任何變化發(fā)生前 m 水頭穩(wěn)態(tài)值的微小變化 m 穩(wěn)態(tài)流量 在任何變化發(fā)生之前 進口流量從其穩(wěn)態(tài)值的微小偏差 出口流量從其穩(wěn)態(tài)值的微小偏差 建立液面系統(tǒng)的數(shù)學模型 儲存于容器中的流體經(jīng)過dt秒后的變化等于在同一時間間隔dt秒內(nèi)容器中的凈流入 因此流體流經(jīng)閥的液阻是其中 對于紊流 流量與液位的關(guān)系是由于流量正比于水頭的平方根 液阻的值不是常數(shù) 通常可用水頭和流量的實驗關(guān)系曲線求液阻的值 在工作點上液阻等于曲線在該點上的斜率 注意 如果工作條件微小變化 液阻的值在整個工作期間可以看成是常數(shù)