液壓與氣壓傳動-課件

1、壓傳動與氣液壓目錄第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)第2章液壓泵第3章液壓執(zhí)行元件第4章液壓控制閥第5章液壓傳動輔助元件第6章液壓基本回路第7章典型液壓傳動系統(tǒng)第8章液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算第9章液壓傳動伺服控制系統(tǒng)第10章 氣壓傳動基礎(chǔ)知識第11章 氣源裝置與氣動元件第12章氣動回路第13章氣動程序控制系統(tǒng)設(shè)計第14章氣壓傳動系統(tǒng)實(shí)例1.1液壓油液(Hydraulic oil)1.2液體靜力學(xué)(Hydro-static mechanics basic knowledge)第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ) (Hydro-mechanics basic knowledge of hydraulic transmissi

2、on)1.3液體運(yùn)動學(xué)和液體動力學(xué)(Hydro-kinematics and Hydro-dynamics basic knowledge)壓傳動與氣液壓1.4管路流動的壓力損失(Pressure losses at pipessurface and within the liquids move in pipes)1.5孔 口 流 動(Flow of liquid moving through orifice)1.6縫隙流動(Flow of liquid moving through narrow clearance)1.7液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象(Pressure shock and cavit

3、ation)壓傳動與氣液壓1. 密度單位體積液體的質(zhì)量稱為該液體的密度，用表示，對于均質(zhì)液體：式中 V液體的體積，m3；m體積為V的液體的質(zhì)量，kg。液壓油的密度隨著溫度和壓力的變化而變化，一般是隨著溫度的升高而減小，隨著壓力的增高而增大，但是變化很小。在一般的使用條件下，可近似將液體的密度視為常數(shù)，液壓油的密度計算時可取近似值900 kg/m3。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)1.1液壓油液(Hydraulic oil)1.1.1液壓油液的性質(zhì)壓傳動與氣液壓2.可壓縮性液體受壓力作用而發(fā)生體積減小的性質(zhì)稱為液體的可壓縮性。體積為V的液體，當(dāng)壓力增大p時，體積減小V，則液體在單位壓力變化下的體積相對變化

4、量為式中，k稱為液體的壓縮系數(shù)。由于壓力增大時液體的體積減小，因此上式的右邊須加一負(fù)號，以使k為正值。k的倒數(shù)稱為液體的體積彈性模量，用K表示，即K表示產(chǎn)生單位體積相對變化量所需要的壓力增量，在實(shí)際應(yīng)用中，常用K值說明液體抵抗壓縮能力的大小。液壓油的平均體積彈性模量K值為(1.22)103 MPa，數(shù)值很大，故對于一般液壓系統(tǒng)，可認(rèn)為油液是不可壓縮的。但是，若液壓油中混入空氣時，其可壓縮性將顯著增加，并將嚴(yán)重影響液壓系統(tǒng)的工作性能，故在液壓系統(tǒng)中盡力防止空氣混入油液中。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓3.黏性1)黏性的意義液體分子之間的吸引力使其互相制約形成一體，這種吸引力稱為內(nèi)聚力。液體

5、分子與固體分子之間的吸引力稱為附著力。當(dāng)液體在外力作用下流動時，液體分子間內(nèi)聚力會阻礙分子相對運(yùn)動，即分子之間產(chǎn)生一種內(nèi)摩擦力，這一特性稱為液體的黏性。黏性是液體的重要物理特性，也是選擇液壓油的依據(jù)。液體流動時，由于液體和固體壁面間的附著力以及液體的黏性，會使液體內(nèi)各液層間的速度大小不等。如圖1.1所示，設(shè)在兩個平行平板之間充滿液體，當(dāng)上平板以速度u0相對于靜止的下平板向右移動時，在附著力的作用下，緊貼于上平板的液體層速度為u0，而中間各層液體的速度則從上到下近似呈線性遞減的規(guī)律分布，這是因?yàn)樵谙噜弮梢后w層間存在內(nèi)摩擦力的緣故，該力對上層液體起阻滯作用，而對下層液體則起拖曳作用。第1章液壓流體

6、力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果表明，液體流動時相鄰液層間的內(nèi)摩擦力Ff與液層接觸面積A、液層間的速度梯度du/dy成正比，即加入比例系數(shù)， 則式中 比例系數(shù)，又稱為黏度系數(shù)或動力黏度。若以表示液層間在單位面積上的內(nèi)摩擦力，則上式可寫成這就是牛頓液體內(nèi)摩擦定律。由式(1-5)可知，在靜止液體中，因速度梯度du/dy0，故內(nèi)摩擦力為零，因此液體在靜止?fàn)顟B(tài)下是不呈現(xiàn)黏性的。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓2)液體的黏度液體黏性的大小用黏度來表示。常用的黏度有3種，即動力黏度、運(yùn)動黏度和相對黏度。(1) 動力黏度。它是表征液體黏度的內(nèi)摩擦系數(shù)，故由式(1-5)可知由此可知動力黏度的物理意義是：

7、當(dāng)速度梯度等于1時，接觸液體液層間單位面積上的內(nèi)摩擦力即為動力黏度，又稱絕對黏度。 動力黏度的單位是Pas。(2) 運(yùn)動黏度。動力黏度和該液體密度的比值稱為運(yùn)動黏度，用表示，即運(yùn)動黏度沒有明確的物理意義。因?yàn)樵谄鋯挝恢兄挥虚L度和時間的量綱，所以稱為運(yùn)動黏度。它是工程實(shí)際中經(jīng)常用到的物理量，單位是m2/s 。就物理意義來說，并不是一個黏度的量，但工程中常用它來標(biāo)志液體的黏度。例如，液壓油的牌號，就是這種油液在40時的運(yùn)動黏度(mm2/s)的平均值，如L-AN32液壓油就是指這種液壓油在40時的運(yùn)動黏度的平均值為32 mm2/s。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓(3)相對黏度。相對黏度又稱條件

8、黏度。它是采用特定的黏度計在規(guī)定的條件下測出來的液體黏度。根據(jù)測量條件的不同，各國采用的相對黏度的單位也不同。如中國、德國及前蘇聯(lián)等國采用恩氏黏度(E)，美國采用國際賽氏秒(SSU)，英國采用雷氏黏度(R)，等等。恩氏黏度由恩氏黏度計測定，即將200 cm2的被測液體裝入底部有2.8 mm小孔的恩氏黏度計的容器中，在某一特定溫度t時，測定液體在自重作用下流過小孔所需的時間t1，和同體積的蒸餾水在20時流過同一小孔所需的時間t2之比值，便是該液體在t 時的恩氏黏度。恩氏黏度用符號Et表示，即一般以20、50、100作為測定恩氏黏度的標(biāo)準(zhǔn)溫度，由此而得來的恩氏黏度分別用E20、E50和E100表示

9、。恩氏黏度和運(yùn)動黏度的換算關(guān)系式為 第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓3) 調(diào)和油的黏度選擇合適黏度的液壓油，對液壓系統(tǒng)的工作性能有著十分重要的作用。有時現(xiàn)有的油液黏度不能滿足要求，可把兩種不同黏度的油液混合起來使用，稱為調(diào)和油。調(diào)和油的黏度與兩種油所占有的比例有關(guān)，一般可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式計算：式中 E1、E2混合前兩種油液的黏度，取E1E2；E混合后的調(diào)和油黏度；ab參與調(diào)和的兩種油液各占的百分?jǐn)?shù)(a%b%100%)；c實(shí)驗(yàn)系數(shù)，見表1.1。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓4)黏度和溫度的關(guān)系溫度對油液黏度影響很大，當(dāng)油液溫度升高時，其黏度顯著下降。油液黏度的變化直接影響液壓系統(tǒng)的性能

10、和泄漏量，因此希望黏度隨溫度的變化越小越好。不同的油液有不同的黏度溫度變化關(guān)系，這種關(guān)系叫作油液的黏溫特性。常用的國產(chǎn)油液的黏溫特性如圖1.2所示，供選擇液壓油時參考。黏度特性還常用黏度指數(shù)(VI)來表示。VI表示該液體的黏度隨溫度變化程度與標(biāo)準(zhǔn)液的黏度變化程度之比。黏度指數(shù)越高，液體的黏溫特性越好，即溫度變化后，黏度變化較小。一般要求油液的黏度指數(shù)高于90，優(yōu)異的在100以上。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓5)黏度與壓力的關(guān)系壓力對油液的黏度也有一定的影響。壓力越高，分子間的距離越小，因此黏度越大。不同的油液有不同的黏度壓力變化關(guān)系，這種關(guān)系叫作油液的黏壓特性。但一般情況下，壓力的變化

11、對黏度影響比較小。通常當(dāng)壓力在35 MPa以下時，黏度隨壓力的變化不太大。當(dāng)壓力在35 MPa以上時，黏度的增大甚至?xí)绊懙揭后w的流動性。例如，當(dāng)壓力從零升高到150 MPa時，液壓油的黏度將增大至17倍，油液在系統(tǒng)中的流動阻力就會顯著增大。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓4.其他特性液壓油液還有其他一些物理化學(xué)性質(zhì)，如抗燃性、抗氧化性、抗凝性、抗泡沫性、抗乳化性、防銹性、潤滑性、導(dǎo)熱性、穩(wěn)定性以及相容性(主要指對密封材料、軟管等不侵蝕和不溶脹的性質(zhì))等，這些性質(zhì)對液壓系統(tǒng)的工作性能有重要影響。對于不同品種的液壓油液，這些性質(zhì)的指標(biāo)是不同的，具體應(yīng)用時可查油類產(chǎn)品手冊。第1章液壓流體力學(xué)基

12、礎(chǔ)壓傳動與氣液壓1.要求液壓系統(tǒng)中的工作油液具有雙重作用，一是作為傳遞能量的介質(zhì)，二是作為潤滑劑潤滑運(yùn)動零件的工作表面。因此，油液的性能會直接影響液壓傳動的性能：如工作的可靠性、靈敏性、工況的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的效率及零件的壽命等。一般在選擇油液時應(yīng)滿足下列幾項(xiàng)要求：(1) 適宜的黏度及良好的黏溫性能，以確保工作溫度發(fā)生變化的條件下能準(zhǔn)確、靈敏地傳遞動力，并能保證液壓元件的正常潤滑；(2) 具有良好的防銹性及抗氧化安定性，在高溫高壓條件下不易氧化變質(zhì)，使用壽命長；(3) 具有良好的抗泡沫性，使油液在受到機(jī)械不斷攪拌的工作條件下產(chǎn)生的泡沫易于消失，以使動力傳遞穩(wěn)定，避免液壓油的加速氧化；(4) 良好的

13、抗乳化性，能與混入油中的水迅速分離，以免形成乳化液，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)金屬材料的銹蝕和降低使用效果；第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)1.1.2對液壓油液的要求和選用壓傳動與氣液壓(5) 良好的極壓抗磨性，以保證液壓元件中的摩擦副在高壓、高速苛刻條件下得到正常的潤滑，減少磨損。除上述基本質(zhì)量要求外，對于一些特殊性能要求的液壓油尚有特殊要求。如低溫液壓油要求具有良好的低溫使用性能；抗燃液壓油要求具有良好的抗燃性能。目前，液壓傳動系統(tǒng)主要采用的液體有石油基液壓油、水基液壓油和合成液壓油。石油基液壓油是從石油中提煉并增加一些添加劑而成的，簡稱液壓油。這種液壓油潤滑性和化學(xué)穩(wěn)定性好，是迄今液壓傳動系統(tǒng)中廣泛采用的工作介

14、質(zhì)。這種油的缺點(diǎn)是抗燃性差，因此，在使用時需要考慮防火措施。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓水基液壓油有水-乙二醇液壓油和乳化液液壓油。前者由體積分?jǐn)?shù)為35%55%的水和乙二醇及一些添加劑組成，后者由一定比例的水和乳化液及一些添加劑組成。這種乳化液液壓油有兩大類：一類是少量的油(占5%10%)分散在大量的水中，稱為水包油液壓油，也稱高水基液壓油(O/W)；另一類是水分散在大量油中(油占60%)，稱為油包水液壓油(W/O)。乳化液液壓油含水量大、不可燃、價格低廉，但是潤滑性差、易蒸發(fā)、乳化穩(wěn)定差，主要適用于采煤機(jī)械、水壓機(jī)等。合成液壓油中較常見的是磷酸酯液壓油。它是一種較好的抗燃液壓油，由于

15、其揮發(fā)極少，且蒸汽比重大，切斷火源就能完全停止燃燒，因此具有良好的防火性能，使用溫度可達(dá)120 ，它的潤滑性、低溫流動性和氧化穩(wěn)定性都較好，但價格高且對于丁腈橡膠有侵蝕性。這種液壓油在軍事裝備上應(yīng)用較多。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓2.選用選擇液壓油首先要考慮的是黏度問題。在一定條件下，選用的油液黏度太高或太低，都會影響系統(tǒng)的正常工作。黏度高的油液流動時產(chǎn)生的阻力較大，克服阻力所消耗的功率較大，而此功率損耗又將轉(zhuǎn)換成熱量使油溫上升。黏度太低，會使泄漏量加大，使系統(tǒng)的容積效率下降。一般液壓系統(tǒng)的油液黏度為40(1060)106 m/s，更高黏度的油液應(yīng)用較少。在選擇液壓油時要根據(jù)具體情況

16、或系統(tǒng)的要求來選用黏度合適的油液。選擇時一般考慮以下幾個方面：(1) 液壓系統(tǒng)的工作壓力。工作壓力較高的液壓系統(tǒng)宜選用黏度較大的液壓油，以減少系統(tǒng)泄漏；反之，可選用黏度較小的液壓油。(2) 環(huán)境溫度。環(huán)境溫度較高時宜選用黏度較大的液壓油。(3) 運(yùn)動速度。液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件運(yùn)動速度較高時，為減小液流的功率損失，宜選用黏度較低的液壓油。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓(4) 液壓泵的類型。在液壓系統(tǒng)的所有元件中，以液壓泵對液壓油的性能最為敏感，因?yàn)楸脙?nèi)零件的運(yùn)動速度很高，承受的壓力較大，潤滑要求苛刻，溫升高。因此，常根據(jù)液壓泵的類型及要求來選擇液壓油的黏度。各類液壓泵適用的黏度范圍及推薦用油牌

17、號如表1.2所示。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓1.液體的靜壓力靜止液體在單位面積上所受的法向力稱為靜壓力，如果在液體內(nèi)某點(diǎn)處微小面積A上作用有法向力F，則F/A的極限就定義為該點(diǎn)處的靜壓力，并用p表示，即 若在液體的面積上，所受的為均勻分布的作用力時，則靜壓力可表示為液體靜壓力在物理學(xué)上稱為壓強(qiáng)，在工程實(shí)際應(yīng)用中習(xí)慣上稱為壓力。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)1.2 液體靜力學(xué)(Hydro-static mechanics basic knowledge)1.2.1靜壓力及其特性液體靜力學(xué)是研究液體處于靜止?fàn)顟B(tài)下的力學(xué)規(guī)律以及這些規(guī)律的應(yīng)用。這里所說的靜止，是

18、指液體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間沒有相對運(yùn)動，至于液體整體，完全可以像剛體一樣作各種運(yùn)動。壓傳動與氣液壓在國際單位制(SI)中，壓力的單位是Pa(帕，N/m2)，由于此單位太小，在工程上使用很不方便，因此常采用它的倍數(shù)單位MPa(兆帕)。1 MPa106 Pa106 N/m2國際上壓力曾經(jīng)慣用的單位是bar(巴)。我國過去在工程上采用工程大氣壓(at)、水柱高度、汞柱高度等壓力單位。各種壓力單位之間的換算關(guān)系如下：1 bar1105 Pa0.1 MPa1 at(工程大氣壓)1 kgf/cm29.8104 Pa1 mH2O(米水柱)9.8103 Pa1 mmHg(毫米汞柱)1.33102 Pa 第1章液壓流體

19、力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓2.液體靜壓力的特性(1)液體靜壓力垂直于其承壓面，其方向和該面的內(nèi)法線方向一致。(2)靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)所受到的靜壓力在各個方向上都相等。 第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓1.靜壓力基本方程式在重力作用下的靜止液體所受的力，除了液體重力，還有液面上作用的外加壓力，其受力情況如圖1.3(a)所示。如果計算離液面深度為h的某一點(diǎn)壓力，可以從液體內(nèi)取出一個底面通過該點(diǎn)的垂直小液柱作為研究體，如圖1.3(b)所示，設(shè)液柱底面積為A，高為h，體積為Ah，則液柱的重力為ghA，且作用于液柱的重心上。由于液柱處于受力平衡狀態(tài)，因此在垂直方向上存在如下關(guān)系：pAp0AghA等式兩邊同

20、除以A，則得pp0gh (1-13)第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)1.2.2靜壓力基本方程壓傳動與氣液壓式(1-13)為液體的靜壓力基本方程式。由該式可知，重力作用下靜止的液體，其壓力分布有如下特征：(1)靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)的壓力由兩部分組成：一部分是液面上的外加壓力p0，另一部分是該點(diǎn)以上液體自重所形成的壓力，即g與該點(diǎn)離液面深度h的乘積。當(dāng)液面上只受大氣壓力pa作用時，則液體內(nèi)任一點(diǎn)處的壓力為ppagh (1-14)(2)靜止液體內(nèi)的任一點(diǎn)壓力隨該點(diǎn)距離液面的深度呈直線規(guī)律遞增。(3)離液面深度相同處各點(diǎn)的壓力均相等，而壓力相等的所有點(diǎn)組成的面稱為等壓面。在重力作用下靜止液體中的等壓面為水平面，而與

21、大氣接觸的自由表面也是等壓面。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓(4)對于靜止液體，如果液面外加壓力為p0，液面與基準(zhǔn)水平面的垂直距離為z0，液體內(nèi)任一點(diǎn)的壓力為p，該點(diǎn)與基準(zhǔn)水平面的垂直距離為z，則由靜壓力基本方程式可得其中，p/(g)為靜止液體中單位質(zhì)量液體的壓力能；z為單位質(zhì)量液體的勢能。公式的物理意義為靜止液體中任一質(zhì)點(diǎn)的總能量保持不變，即能量守恒。(5)在常用的液壓裝置中，一般外加壓力p0遠(yuǎn)大于液體自重所形成的壓力gh，因此分析計算時可忽略gh，即認(rèn)為液壓裝置靜止液體內(nèi)部的壓力是近似相等的。在以后的有關(guān)章節(jié)分析計算壓力時，都采用這一結(jié)論。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓2.壓力

22、的表示方法根據(jù)度量基準(zhǔn)的不同，液體壓力分為絕對壓力和相對壓力兩種。以絕對零壓力作為基準(zhǔn)所表示的壓力，稱為絕對壓力；以當(dāng)?shù)卮髿鈮毫榛鶞?zhǔn)所表示的壓力，稱為相對壓力。絕大多數(shù)測壓儀表因其外部均受大氣壓力作用，所以儀表指示的壓力是相對壓力。今后如不特別指明，液壓傳動中所提到的壓力均為相對壓力。如果液體中某點(diǎn)處的絕對壓力小于大氣壓力，這時該點(diǎn)的絕對壓力比大氣壓力小的那部分壓力值，稱為真空度，此時相對壓力為負(fù)值，又稱負(fù)壓。絕對壓力、相對壓力和真空度的關(guān)系如圖1.4所示。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓例1.1 如圖1.5所示，容器內(nèi)充滿油液。已知油的密度900 kg/m3，活塞上的作用力F1 000

23、 N，活塞面積A1103 m2，忽略活塞的質(zhì)量。問活塞下方深度為h0.5 m處的靜壓力等于多少？解：根據(jù)公式(1-13)pp0pgh，活塞與油液接觸面上的壓力：則深度為h0.5 m處的液體壓力為pp0gh (1069009.80.5)Pa 1.004 4106 N/m2 106 N/m2 1 MPa第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓密閉容器內(nèi)的液體，當(dāng)外加壓力p0發(fā)生變化時，只要液體仍保持原來的靜止?fàn)顟B(tài)不變，則液體內(nèi)任一點(diǎn)的壓力將發(fā)生同樣大小的變化。這就是說，在密閉容器內(nèi)，施加于靜止液體的壓力可以等值地傳遞到液體各點(diǎn)，這就是帕斯卡原理，也稱為靜壓傳遞原理。圖1.6是應(yīng)用帕斯卡原理的實(shí)例。圖中

24、大小兩個液壓缸由連通管相連構(gòu)成密閉容積。其中大缸活塞面積為A1，作用在活塞上的負(fù)載為F1，液體所形成的壓力pF1/A1。由帕斯卡原理知：小活塞處的壓力也為p，若小活塞面積為A2，則為防止大活塞下降，在小活塞上應(yīng)施加的力：由式(1-16)可知，由于A2/A11，所以用一個很小的推力F2，就可以推動一個比較大的負(fù)載F1。液壓千斤頂就是依據(jù)這一原理制成的。從負(fù)載與壓力的關(guān)系還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大活塞上的負(fù)載F10時，不考慮活塞自重和其他阻力，則不論怎樣推動小液壓缸的活塞，也不能在液體中形成壓力，這說明液體內(nèi)的壓力是由外負(fù)載決定的。這是液壓傳動中一個很重要的概念。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)1.2.3帕斯卡原理壓

25、傳動與氣液壓液體和固體壁面接觸時，固體壁面將受到液體靜壓力的作用。當(dāng)固體壁面為一平面時，液體壓力在該平面上的總作用力F 等于液體壓力p與該平面面積A的乘積，其作用方向與該平面垂直，即FpA (1-17)當(dāng)固體壁面為一曲面時，情況就不同了；作用在曲面上各點(diǎn)處的壓力方向是不平行的，因此，靜壓力作用在曲面某一方向x上的總作用力Fx等于液體壓力與曲面在該方向投影面積Ax的乘積，即FxpAx (1-18)上述結(jié)論適用于任何曲面。下面以液壓缸缸筒的受力情況為例加以證明。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)1.2.4靜壓力對固體壁面的作用力液體運(yùn)動學(xué)研究液體的運(yùn)動規(guī)律，液體動力學(xué)研究作用于液體上的力與液體運(yùn)動之間的關(guān)系。

26、液體的連續(xù)性方程、伯努利方程、動量方程是描述流動液體力學(xué)規(guī)律的3個基本方程。前兩個方程式反映壓力、流速與流量之間的關(guān)系；動量方程用來解決流動液體與固體壁面間的作用力問題。這些內(nèi)容不僅構(gòu)成了液體運(yùn)動學(xué)和液體動力學(xué)的基礎(chǔ)，而且還是液壓技術(shù)中分析問題和設(shè)計計算的理論依據(jù)。壓傳動與氣液壓第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)1.3液體運(yùn)動學(xué)和液體動力學(xué)(Hydro-kinematics and Hydro-dynamics basic knowledge)壓傳動與氣液壓1.理想液體和恒定流動由于液體具有黏性，而且黏性只是在液體運(yùn)動時才體現(xiàn)出來，因此在研究流動液體時必須考慮黏性的影響。液體中的黏性問題非常復(fù)雜，為了分析

27、和計算問題的方便，開始分析時可先假設(shè)液體沒有黏性，然后再考慮黏性的影響，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等辦法對已得出的結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充或修正。對于液體的可壓縮問題，也可采用同樣的方法來處理。 理想液體：在研究流動液體時，把假設(shè)的既無黏性又不可壓縮的液體稱為理想液體。而把事實(shí)上既有黏性又可壓縮的液體稱為實(shí)際液體。恒定流動：當(dāng)液體流動時，如果液體中任一點(diǎn)處的壓力、速度和密度都不隨時間而變化，則液體的這種流動稱為恒定流動(亦稱定常流動或非時變流動)；反之，若液體中任一點(diǎn)處的壓力、速度和密度中有一個隨時間而變化時，就稱為非恒定流動(亦稱非定常流動或時變流動)。如圖1.8所示，圖1.8(a)為恒定流動，圖1.8(b)為非恒

28、定流動。非恒定流動情況復(fù)雜，本節(jié)主要介紹恒定流動時的基本方程。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)1.3.1基本概念壓傳動與氣液壓2.通流截面、流量和平均流速液體在管道中流動時，其垂直于流動方向的截面為通流截面(或過流截面)。單位時間內(nèi)流過某一通流截面的液體體積稱為流量。流量用q 表示，單位為m3/s或L/min。由于流動液體黏性的作用，在通流截面上各點(diǎn)的流速u 一般是不相等的。在計算流過整個通流截面A的流量時，可在通流截面A上取一微小截面dA，如圖1.9(a)所示，并認(rèn)為在該斷面各點(diǎn)的速度u相等，則流過該微小斷面的流量為dqudA流過整個通流截面A的流量為對于實(shí)際液體的流動，速度u 的分布規(guī)律很復(fù)雜，如圖

29、1.9(b)所示，故按公式(1-19)計算流量是困難的。因此，提出一個平均流速的概念，即假設(shè)通流截面上各點(diǎn)的流速均勻分布，液體以此均布流速v流過通流截面的流量等于以實(shí)際流速流過的流量，即由此得出通流截面上的平均流速為vq/A (1-20) 第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓在實(shí)際的工程計算中，平均流速才具有應(yīng)用價值。液壓缸工作時，活塞的運(yùn)動速度就等于缸內(nèi)液體的平均流速，當(dāng)液壓缸有效面積一定時，活塞運(yùn)動速度由輸入液壓缸的流量決定。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓流量連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的一種表達(dá)形式。圖1.10為一不等截面管，液體在管內(nèi)作恒定流動，任取1、2兩個通流截面，設(shè)

30、其面積分別為A1和A2，兩個截面中液體的平均流速和密度分別為v1、1和v2、2，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在單位時間內(nèi)流過兩個截面的液體質(zhì)量相等，即1v1A12v2A2 不考慮液體的壓縮性，有12，則v1A1v2A2 (1-21)由于兩通流截面是任意取的，故有qvA常數(shù) 這就是液流的流量連續(xù)性方程，它說明恒定流動中流過各截面的不可壓縮流體的流量是不變的。因而流速和通流截面的面積成反比。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)1.3.2流量連續(xù)性方程壓傳動與氣液壓伯努利方程是能量守恒定律在流體力學(xué)中的一種表達(dá)形式。1.理想液體的伯努利方程理想液體因無黏性，又不可壓縮，因此在管內(nèi)作穩(wěn)定流動時沒有能量損失。根據(jù)能量守恒定律，

31、同一管道每一截面的總能量都是相等的。如前所述，對靜止液體，單位質(zhì)量液體的總能量為單位質(zhì)量液體的壓力能p/(g)和勢能之和；而對于流動液體，除以上兩項(xiàng)外，還有單位質(zhì)量液體的動能v2/(2g)。在圖1.11中任取兩個截面A1和A2，它們距基準(zhǔn)水平面的距離分別為z1和z2，斷面平均流速分別為v1和v2，壓力分別為p1和p2。根據(jù)能量守恒定律有因兩個截面是任意取的，因此上式可改寫為第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)1.3.3伯努利方程壓傳動與氣液壓以上兩式即為理想液體的伯努利方程，其物理意義為：在管內(nèi)作穩(wěn)定流動的理想流體具有壓力能、勢能和動能3種形式的能量，在任一截面上這3種能量可以互相轉(zhuǎn)換，但其總和不變，即能量

32、守恒。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓2.實(shí)際液體伯努利方程實(shí)際液體在管道內(nèi)流動時，由于液體存在黏性，會產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，消耗能量；由于管道形狀和尺寸的變化，液流會產(chǎn)生擾動，消耗能量。因此，實(shí)際液體流動時存在能量損失，設(shè)單位質(zhì)量液體在兩截面之間流動的能量損失為hw。另外，因?qū)嶋H流速v在管道通流截面上的分布不是均勻的，為方便計算，一般用平均流速替代實(shí)際流速計算動能。顯然，這將產(chǎn)生計算誤差。為修正這一誤差，便引進(jìn)了動能修正系數(shù)，它等于單位時間內(nèi)某截面處的實(shí)際動能與按平均流速計算的動能之比，其表達(dá)式為動能修正系數(shù)在紊流時取1.1，在層流時取2，實(shí)際計算時常取1。在引進(jìn)了能量損失hw和動能修正系數(shù)后，

33、實(shí)際液體的伯努利方程表示為 第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓在利用式(1-24)進(jìn)行計算時必須注意：(1) 截面1、2應(yīng)順流向選取，且選在流動平穩(wěn)的通流截面上。(2) z 和p 應(yīng)為通流截面的同一點(diǎn)上的兩個參數(shù)，為方便起見，一般將這兩個參數(shù)定在通流截面的軸心處。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓動量方程是動量定理在流體力學(xué)中的具體應(yīng)用。動量方程可以用來計算流動液體作用于限制其流動的固體壁面上的總作用力。根據(jù)剛體力學(xué)動量定理：作用在物體上全部外力的矢量和應(yīng)等于物體在力作用方向上的動量的變化率。1.動量方程式為推導(dǎo)液體作穩(wěn)定流動時的動量方程，在圖1.14所示的管道中，任取通流截面1、2所限制

34、的液體體積，稱之為控制體積，截面1、2為控制表面。截面1、2上的通流面積分別為A1、A2，平均流速分別為v1、v2?？刂企w積從12流到12位置時，可以看成是一個質(zhì)點(diǎn)系在運(yùn)動。若以dmv表示控制體積在位置12處相對于位置12處的動量增量，F(xiàn)表示諸外力的合力，則由動量定理有第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)1.3.4動量方程壓傳動與氣液壓由于控制體積12的動量與控制體積12的動量可分別做如下表示：故動量的變化為根據(jù)動量定義所以在時間間隔dt內(nèi)動量的變化為于是有 式(1-26)即為理想液體做穩(wěn)定流動時的動量方程式。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓2.動量方程式的討論(1)在式(1-26)中，F(xiàn)、v1、v2均

35、為向量，在具體應(yīng)用時應(yīng)將上式向某指定方向投影，列出在該方向上的動量方程。(2)式(1-26)中的F是液體所受的固體壁面的作用力，而液體的反作用力作用于固體壁面上的力則為F，即與力F大小相等，方向相反。(3)動量修正系。液體的真實(shí)動量與用平均流速計算出的動量之比叫作動量修正系數(shù)，以表示?？紤]這一因素后，液體的動量方程式修正為Fq(2v21v1) (1-27)對于圓管中的層流流動，取1.33，近似值常取1；對于圓管中的紊流流動，取1。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)由于流動液體具有黏性，以及液體流動時突然轉(zhuǎn)彎和通過閥口會產(chǎn)生相互撞擊和出現(xiàn)漩渦等，液體在管道中流動時必然會產(chǎn)生阻力。為了克服阻力，液體流動時需要

36、損耗一部分能量。損失的能量轉(zhuǎn)變成熱量后一部分沿管壁散發(fā)到空間，另一部分進(jìn)入系統(tǒng)使油液的溫度升高。能量損失的外部表現(xiàn)是液體流過一段管路后壓力降低，所以也可用壓力損失來描述能量損失。液體在系統(tǒng)中流動時的能量損失有兩種：一種是液體在等徑直管中流過一段距離時，因液體的黏性摩擦產(chǎn)生的能量損失，稱為沿程壓力損失；另一種是液體在經(jīng)過截面形狀突然變化的區(qū)域時，由于液流的方向或速度突然變化引起液體質(zhì)點(diǎn)間的劇烈作用而產(chǎn)生的能量損失，稱為局部壓力損失。液體在管路中流動時的壓力損失和液流的運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)，下面先分析液流的流態(tài)，然后分析兩種壓力損失。壓傳動與氣液壓第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)1.4管路流動的壓力損失(Press

37、ure losses at pipessurface and within the liquids move in pipes)壓傳動與氣液壓1.流態(tài)19世紀(jì)末，英國物理學(xué)家雷諾通過大量實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了液體在管道中流動時存在兩種流動狀態(tài)，即層流和紊流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在層流時，液體質(zhì)點(diǎn)互不干擾，液體的流動呈線性或?qū)訝?，且平行于管道軸線；而在紊流時，液體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動雜亂無章，除了平行于管道軸線的運(yùn)動外還存在著劇烈的橫向運(yùn)動。層流與紊流是兩種不同性質(zhì)的流動狀態(tài)。層流時液體流速較低，液體質(zhì)點(diǎn)間的黏性力起主導(dǎo)作用，液體質(zhì)點(diǎn)受黏性的約束，不能隨意運(yùn)動；紊流時液體流速較高，液體質(zhì)點(diǎn)間黏性的制約作用減弱，慣性力起主

38、導(dǎo)作用。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)1.4.1流態(tài)與雷諾數(shù)壓傳動與氣液壓2.雷諾數(shù)液體的流動狀態(tài)可用雷諾數(shù)來判斷。實(shí)驗(yàn)證明，液體在圓管中的流動狀態(tài)不僅與管內(nèi)的平均流速v有關(guān)，還與管道內(nèi)徑d、液體的運(yùn)動黏度有關(guān)。而用來判別液流狀態(tài)是由這3個參數(shù)所組成的一個無量綱數(shù)雷諾數(shù)Re：雷諾數(shù)的物理意義表示了液體流動時慣性力與黏性力之比。如果液流的雷諾數(shù)相同，則流動狀態(tài)也相同。液流由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鲿r的雷諾數(shù)和由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r的雷諾數(shù)是不相同的，后者的數(shù)值小，所以一般都用后者作為判別液流狀態(tài)的依據(jù)，稱為臨界雷諾數(shù)，記為Recr。當(dāng)液流的實(shí)際雷諾數(shù)Re小于臨界雷諾數(shù)Reer時，為層流；反之，為紊流。常見液流管道的臨

39、界雷諾數(shù)由實(shí)驗(yàn)求得，如表1.3所示。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓對于非圓截面的管道來說，Re可由下式計算：式中，R為通流截面的水力半徑，它等于液流的有效面積A和它的濕周(有效截面的周界長度)x之比，即水力半徑的大小對管道的通流能力的影響很大。在流通截面面積一定時，水力半徑大，代表液流和管壁的接觸周長短，管壁對液流的阻力小，通流能力大。在面積相等但形狀不同的所有通流截面中，圓形管道的水力半徑最大。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓液體在等直徑圓管中流動時因黏性摩擦而產(chǎn)生的壓力損失稱為沿程壓力損失。它不僅取決于管道長度、直徑及液體的黏度，而且與流體的流動狀態(tài)，即雷諾數(shù)有關(guān)，因此實(shí)際分析計

40、算時應(yīng)先判別液體的流態(tài)是層流還是紊流。1.層流時的沿程壓力損失液流在層流流動時，液體質(zhì)點(diǎn)作有規(guī)則的運(yùn)動，因此可以方便地用數(shù)學(xué)工具來分析液流的速度、流量和壓力損失。1)通流截面上的流速分布規(guī)律圖1.17為液體在等徑水平圓管中作層流運(yùn)動。在液流中取一段與管軸相重合的微小圓柱體作為研究對象，設(shè)其半徑為r，長度為l，作用在兩端面的壓力為p1和p2，作用在側(cè)面的內(nèi)摩擦力為Ff。液流在作勻速運(yùn)動時受力平衡，故有(p1p2)r2Ff第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)1.4.2圓管流動的沿程壓力損失壓傳動與氣液壓由式(1- 4)知內(nèi)摩擦力Ff2rldu/dr(因流速u隨 r 的增大而減小，故du/dr為負(fù)值，為使Ff為正

41、值，所以加一負(fù)號)。令pp1p2并將Ff代入上式整理可得對上式積分，并應(yīng)用邊界條件，當(dāng)rR時，u0，得 可見管內(nèi)液體質(zhì)點(diǎn)的流速在半徑方向上按拋物線規(guī)律分布。最小流速在管壁rR處， umin0；最大流速發(fā)生在軸線r0處，umaxpR2/(4l)。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓2)通過管道的流量在半徑r 處取出一厚為dr的微小圓環(huán)面積dA2rdr，所通過的流量為dqudA2urdr，對此積分得3)管道內(nèi)的平均流速根據(jù)平均流速的定義，可得將上式與umax值比較可知，平均流速v為最大流速的1/2。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓4) 沿程壓力損失從式(1-33)中求出表達(dá)式即為沿程壓力損失：

42、由式(1-34)可知，液流在直管中作層流流動時，其沿程壓力損失與管長、流速、黏度成正比，而與管徑的平方成反比。適當(dāng)變換式(1-34)可寫成如下形式： 式中，為沿程阻力系數(shù)，理論值64/Re，考慮實(shí)際流動中的油溫變化不勻等問題，因而在實(shí)際計算時，對金屬管取75/Re，橡膠軟管取80/Re。在液壓傳動中，因?yàn)橐后w自重和位置變化對壓力的影響很小可以忽略，所以在水平管的條件下推導(dǎo)的公式(1-35)同樣適用于非水平管。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓2.紊流時的沿程壓力損失紊流的特點(diǎn)是流體質(zhì)點(diǎn)的速度無論數(shù)值大小和方向都隨時間的變化而發(fā)生無規(guī)律的變化，它實(shí)質(zhì)上是非恒定流動。這種極不規(guī)則的運(yùn)動在慣性力作

43、用下會引起質(zhì)點(diǎn)之間的碰撞和形成旋渦，所以紊流的能量損失比層流的能量損失大很多。由于紊流流動狀態(tài)的復(fù)雜性，目前還沒有相應(yīng)計算紊流沿程損失的理論公式。實(shí)驗(yàn)證明，紊流時的沿程壓力損失計算公式可采用層流時的計算公式，但式中的沿程阻力系數(shù) 除與雷諾數(shù)有關(guān)外，還與管壁的粗糙度有關(guān)，即f(Re，/d)，這里為管壁的絕對粗糙度，/d稱為管壁的相對粗糙度。對于光滑管，0.316 4Re0.25；對于粗糙管的具體數(shù)值可參考相關(guān)文獻(xiàn)。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓液體流經(jīng)管道的彎頭、接頭、突然變化的截面以及閥口等處時，液體流速的大小和方向?qū)⒓眲“l(fā)生變化，在這些區(qū)域形成旋渦、氣穴等，使液體質(zhì)點(diǎn)相互撞擊而引起局部

44、能量損失。液流流過上述局部裝置時的流動狀態(tài)很復(fù)雜，影響的因素也很多，局部壓力損失值除少數(shù)情況能從理論上分析和計算外，一般都依靠實(shí)驗(yàn)測得各類局部障礙的阻力系數(shù)，然后進(jìn)行計算。局部壓力損失p的計算一般按下式計算：式中局部阻力系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定，具體數(shù)值可查閱有關(guān)手冊；液體密度，kg/m3； v液體的平均流速，m/s。液體流過各種閥的局部壓力損失，因閥芯結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，故按式(1-36)計算較困難，這時可由產(chǎn)品目錄中查出閥在額定流量時的壓力損失pr。當(dāng)流經(jīng)閥的實(shí)際流量q不等于額定流量qr時，通過該閥的壓力損失p可用下式計算：第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)1.4.3管道流動的局部壓力損失壓傳動與氣液壓在求出液壓系統(tǒng)

45、中各段管路的沿程壓力損失和各局部壓力損失后，整個液壓系統(tǒng)的總壓力損失應(yīng)為所有沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和，即 必須指出，上式僅在兩相鄰局部障礙之間的距離大于管道內(nèi)徑1020倍時才是正確的。因?yàn)橐毫鹘?jīng)過局部阻力區(qū)域后受到很大的干擾，要經(jīng)過一段距離才能穩(wěn)定下來。如果距離太短，液流還未穩(wěn)定就又要經(jīng)歷后一個局部阻力，它所受到的擾動將更為嚴(yán)重，這時的阻力系數(shù)可能會比正常值大好幾倍。通常情況下，液壓系統(tǒng)的管路并不長，所以沿程壓力損失比較小，而閥等元件的局部壓力損失卻較大。因此，管路總的壓力損失一般以局部損失為主。 第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)1.4.4管路系統(tǒng)中總的壓力損失壓傳動與氣液壓當(dāng)小孔的通流長度

46、l 與孔徑d之比l/d0.5時，稱為薄壁小孔，如圖1.18所示。一般薄壁小孔的孔口邊緣都做成刃口形式。當(dāng)液流經(jīng)過管道由小孔流出時，由于液體的慣性作用，使通過小孔后的液流形成一個收縮斷面CC，然后再擴(kuò)散，這一收縮和擴(kuò)散過程產(chǎn)生很大的能量損失。當(dāng)孔前通道直徑與小孔直徑之比D/d7時，液流的收縮作用不受孔前通道內(nèi)壁的影響，這時的收縮稱為完全收縮；當(dāng)D/d105時，Cd可以認(rèn)為是不變的常數(shù)，計算時按 Cd 0.600.61選取。液流不完全收縮時，Cd可按表1.4來選擇。這時由于管壁對液流進(jìn)入小孔起導(dǎo)向作用，Cd可增至0.70.8。薄壁小孔因其沿程阻力損失非常小，通過小孔的流量與油液黏度無關(guān)，即對油溫的

47、變化不敏感，因此，薄壁小孔多被用作調(diào)節(jié)流量的節(jié)流器使用。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓當(dāng)孔的長度和直徑之比為0.5l/d4時，稱為短孔，短孔加工比薄壁小孔容易，因此特別適合于作固定節(jié)流器使用。短孔的流量公式依然是式(1-41)，但其流量系數(shù)Cd應(yīng)由圖1.19查出。由圖中可知，當(dāng)Re2 000時，基本保持在0.8左右。當(dāng)孔的長度和直徑之比l/d4時，則稱為細(xì)長孔。流經(jīng)細(xì)長孔的液流一般都是層流，所以細(xì)長孔的流量公式可以應(yīng)用前面推導(dǎo)的圓管層流流量公式，即從上式可看出，液流經(jīng)過細(xì)長孔的流量和孔前后壓差p成正比，而和液體黏度成反比，因此，流量受液體溫度影響較大，這是和薄壁小孔不同的。第1章液壓流體

48、力學(xué)基礎(chǔ)1.5.2短孔和細(xì)長孔壓傳動與氣液壓在液壓元件中，構(gòu)成運(yùn)動副的一些運(yùn)動件與固定件之間存在著一定縫隙，而當(dāng)縫隙兩端的液體存在壓力差時，勢必形成縫隙流動，即泄漏。泄漏的存在將嚴(yán)重影響液壓元件，特別是液壓泵和液壓馬達(dá)的工作性能。當(dāng)圓柱體存在一定錐度時，其縫隙流動還可能導(dǎo)致卡緊現(xiàn)象，這是一個需要引起注意的問題。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)1.6縫隙流動(Flow of liquid moving through narrow clearance)壓傳動與氣液壓圖1.20為在兩塊平行平板所形成的縫隙間充滿了液體，縫隙高度為h，縫隙寬度和長度分別為b和l，且一般恒有b h和l h ?？p隙兩端存在壓差pp

49、1p2，液體會產(chǎn)生流動。如果沒有壓差p的作用，而兩平行平板之間有相對運(yùn)動，即一塊平板固定，另一塊平板以速度u0(與壓差方向相同)運(yùn)動時，由于液體存在黏性，液體也會被帶著移動，這就是剪切作用所引起的流動。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)1.6.1平行平板間的縫隙流量壓傳動與氣液壓液體通過平行平板縫隙時的最一般的流動情況，是既受壓差的作用，又受平行平板相對運(yùn)動的作用。在液流中取一個微元體dxdy(寬度方向取單位長度)，作用在其左右兩端面上的壓力為p和pdp，上下兩面所受到的切應(yīng)力為d和，因此微元體的受力平衡方程為經(jīng)過整理并將代入后有 對上式積分兩次得 式中，C1、C2為積分常數(shù)。可利用邊界條件求出：當(dāng)平行平

50、板間的相對運(yùn)動速度為u0時，則在y0處，u0，在yh處，uu0，則得 ；此外，液流作層流運(yùn)動時，p只是x的線性函數(shù)，即dp/dx(p2p1)/lp/l，將這些關(guān)系式代入式(1-43)并整理后得第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓由此得通過平行平板縫隙的流量為當(dāng)平行平板間沒有相對運(yùn)動，即u00時，通過的液流純由壓差引起，稱為壓差流動，其流量為當(dāng)平行平板兩端不存在壓差時，通過的液流純由平板運(yùn)動引起，稱為剪切流動，其流量值為 如果將上面的這些流量理解為元件縫隙中的泄漏量，那么從式(1-46)可以看出，在壓差作用下，通過縫隙的流量與縫隙值的三次方成正比，這說明元件內(nèi)縫隙的大小對其泄漏量的影響是很大的。

51、第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓在液壓元件中，某些相對運(yùn)動的零件，如柱塞與柱塞孔，圓柱滑閥閥芯與閥體孔之間的間隙為圓柱環(huán)形間隙。根據(jù)二者是否同心又分為同心圓柱環(huán)形間隙和偏心環(huán)圓柱形間隙。1.通過同心圓柱環(huán)形縫隙的流量圖1.21為同心圓柱環(huán)形縫隙的流動。設(shè)圓柱體直徑為d，縫隙值為h，縫隙長度為l，如果將環(huán)形縫隙沿圓周方向展開，就相當(dāng)于一個平行平板縫隙。因此只要使bd代入式(1-45)，就可得同心圓柱環(huán)形縫隙的流量公式：當(dāng)圓柱體移動方向和壓差方向相同時取“”號，方向相反時取“”號。若無相對運(yùn)動，u00，則同心圓柱環(huán)形縫隙流量公式為第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)1.6.2圓柱環(huán)形縫隙壓傳動與氣液壓2.流

52、經(jīng)偏心圓柱環(huán)形縫隙的流量圖1.22為液體在偏心圓柱環(huán)形縫隙間的流動。設(shè)內(nèi)外圓的偏心量為e，在任意角度處的縫隙為h。因縫隙很小，r1r2rd/2，可把微小圓弧db所對應(yīng)的環(huán)形縫隙間的流動近似地看成是平行平板縫隙的流動。將dbrd代入式(1-45)得第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓由圖1.22的幾何關(guān)系，可知 hh0ecosh0(1cos)式中 h0內(nèi)外圓同心時半徑方向的縫隙值；相對偏心率，e/h0。將h值代入上式并積分，便得偏心圓柱環(huán)形縫隙的流量公式為正負(fù)號意義同前。當(dāng)內(nèi)外圓之間沒有軸向相對移動時，即u00時，其流量公式為由式(1-51)可以看出，當(dāng)相對偏心率0時，即為同心圓環(huán)縫隙的情況；如

53、果偏心距達(dá)到最大值，即eh，相當(dāng)于1，這時通過偏心圓環(huán)縫隙的流量為通過同心圓柱環(huán)形縫隙流量的2.5倍。因此，在液壓元件中，有配合的零件應(yīng)盡量使其同心，以減小縫隙泄漏量。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓圖1.23為相距間隙h很小的平行圓盤，液流由圓盤中心向四周沿徑向呈放射形流出。柱塞泵和液壓馬達(dá)中的滑履和斜盤之間，噴嘴擋板閥的噴嘴與擋板之間，以及某些靜壓支承均屬這類流動。設(shè)圓盤中心孔半徑為r1，圓盤的外半徑為r2，則由式(1-44)，并令u00，可得在半徑為r 、離下平面z處的徑向速度為流過的流量為即對上式積分，有第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)1.6.3平行圓盤間隙的徑向流動壓傳動與氣液壓當(dāng)rr2

54、時，pp2，求出C，代入上式得又當(dāng)rr1 時，pp1，所以平行圓盤間隙的流量公式為第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓在液壓傳動系統(tǒng)中，由于工作情況突變使液體在系統(tǒng)中流動受阻而引起液體的壓力在某一瞬間突然急劇上升，形成一個壓力峰值，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊。工作情況突變的實(shí)例很多，如閥門的突然關(guān)閉，運(yùn)動件的快速制動等。液壓沖擊瞬時的壓力峰值有時比正常壓力要大好多倍，這會損壞密封裝置、液壓元件和管道，還會引起設(shè)備振動，產(chǎn)生噪聲，影響系統(tǒng)工作性能，甚至產(chǎn)生誤動作引發(fā)事故，所以要設(shè)法減小液壓沖擊及其影響。1.管道閥門突然關(guān)閉時的液壓沖擊如圖1.24所示，設(shè)管道長度為l、截面積為A，液體的密度為，液體在管

55、道中的流速為v0。當(dāng)閥門關(guān)閉，管道中產(chǎn)生液壓沖擊，壓力的升高值為p，壓力沖擊波第一波從閥門開始經(jīng)過時間t1后傳至大容腔處，這一瞬時管道中的液體停止流動，根據(jù)液體中的動量定理，有第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)1.7液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象(Pressure shock and cavitation)1.7.1液壓沖擊壓傳動與氣液壓整理后得 式中，cl/t1為壓力沖擊波在管中的傳播速度。c不僅與液體的體積彈性模量K有關(guān)，而且還和管道材料的彈性模量E、管道的內(nèi)徑d及管道的壁厚有關(guān)，一般情況下可按下式計算：在液壓傳動中，沖擊波在管道中的傳播速度c一般為9001 400 m/s。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓如

56、果閥門不是完全關(guān)閉，而是使液流速度從v0降到v1，則式(1-53)可改寫成當(dāng)閥門關(guān)閉時間時，稱為完全沖擊(亦稱直接液壓沖擊)。式(1-53)和式(1-55)適用于完全沖擊。當(dāng)閥門關(guān)閉時間時，稱為不完全沖擊(亦稱間接液壓沖擊)。此時壓力峰值比完全沖擊時低，壓力升高值可近似按下式計算：不論是哪一種沖擊，只要求出液壓沖擊時的最大壓力升高值p，便可求出沖擊時管道中的最大壓力： 式中，p為正常工作壓力。在估算由于閥門突然關(guān)閉引起的液壓沖擊時，通常總是把閥門的關(guān)閉假設(shè)為瞬間完成的，即認(rèn)為是完全沖擊，這樣做的結(jié)果是偏于安全。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓2.運(yùn)動部件制動時產(chǎn)生的液壓沖擊如圖1.25所示

57、，設(shè)總質(zhì)量為m的運(yùn)動部件在制動時的減速時間為t，速度的減小值為v，液壓缸有效工作面積為A，則根據(jù)動量定理可求得系統(tǒng)中的沖擊壓力的近似值p為式(1-58)中因忽略了阻尼和泄漏等因素，計算結(jié)果比實(shí)際值要大，但偏于安全，因而具有實(shí)用價值。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓3.減小液壓沖擊的措施 針對上述各式中影響沖擊壓力p的因素，可以采取以下措施來減小液壓沖擊： (1) 適當(dāng)增大管徑，限制管道流速v，一般在液壓系統(tǒng)中把v控制在4.5 m/s以內(nèi)，pmax不超過5 MPa就可以認(rèn)為是安全的。 (2) 正確設(shè)計閥口或設(shè)置制動裝置，使運(yùn)動部件制動時速度變化比較均勻。 (3) 延長閥門關(guān)閉和運(yùn)動部件制動換

58、向的時間，可采用換向時間可調(diào)的換向閥。 (4) 盡可能縮短管道長度，減小壓力波的傳播時間，變直接沖擊為間接沖擊。 (5) 在容易發(fā)生液壓沖擊的部位采用橡膠軟管或設(shè)置蓄能器，以吸收沖擊的能量；也可以在這些部位安裝安全閥，以限制壓力升高。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓1. 氣穴現(xiàn)象的機(jī)理及危害氣穴現(xiàn)象又稱為空穴現(xiàn)象。在液壓系統(tǒng)中，如果某點(diǎn)處的壓力低于液壓油液所在溫度下的空氣分離壓力時，原先溶解在液體中的空氣就會分離出來，使液體中迅速出現(xiàn)大量氣泡，這種現(xiàn)象叫作氣穴現(xiàn)象。當(dāng)壓力進(jìn)一步減小而低于液體的飽和蒸氣壓力時，液體將迅速汽化，產(chǎn)生大量蒸氣氣泡，使氣穴現(xiàn)象更加嚴(yán)重。氣穴現(xiàn)象多發(fā)生在閥門和液壓泵

59、的吸油口。在閥口處，一般由于通流截面較小而使流速很高，根據(jù)伯努利方程，該處的壓力會很低，以致產(chǎn)生氣穴。在液壓泵的吸油過程中，吸油口的絕對壓力會低于大氣壓，如果液壓泵的安裝高度太大，再加上吸油口處過濾器和管道阻力、油液黏度等因素的影響，泵入口處的真空度會很大，也會產(chǎn)生氣穴。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)1.7.2氣穴現(xiàn)象壓傳動與氣液壓當(dāng)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象時，大量的氣泡使液流的流動特性變壞，造成流量和壓力的不穩(wěn)定，當(dāng)帶有氣泡的液流進(jìn)入高壓區(qū)時，周圍的高壓會使氣泡迅速崩潰，使局部產(chǎn)生非常高的溫度和沖擊壓力，引起振動和噪聲。當(dāng)附著在金屬表面上的氣泡破滅時，局部產(chǎn)生的高溫和高壓會使金屬表面疲勞，時間一長會造成

60、金屬表面的侵蝕、剝落，甚至出現(xiàn)海綿狀的小洞穴。這種由于氣穴造成的對金屬表面的腐蝕作用稱為氣蝕。氣蝕會縮短元件的使用壽命，嚴(yán)重時會造成故障。第1章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)壓傳動與氣液壓2. 減少氣穴現(xiàn)象的措施為減少氣穴現(xiàn)象和氣蝕的危害，一般采取如下措施：(1)減小閥孔或其他元件通道前后的壓力降，一般使壓力比p1/p23.5。(2)盡量降低液壓泵的吸油高度，采用內(nèi)徑較大的吸油管并少用彎頭，吸油管端的過濾器容量要大，以減小管道阻力，必要時對大流量泵采用輔助泵供油。(3)各元件的聯(lián)接處要密封可靠，防止空氣進(jìn)入。(4)對容易產(chǎn)生氣蝕的元件，如泵的配油盤等，要采用抗腐蝕能力強(qiáng)的金屬材料，增強(qiáng)元件的機(jī)械強(qiáng)度。第1章