基礎(chǔ)液壓技術(shù)

1、第1頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二系統(tǒng)工作要求：實現(xiàn)油缸的前進(jìn)、后退運動，油缸最大推動負(fù)載力：F=150000N；前進(jìn)、后退速度在0-0.15m/s范圍之內(nèi)連續(xù)可調(diào)（電控制）。實時檢測液壓泵出口壓力、流量設(shè)計任務(wù)：1.設(shè)計、繪制液壓系統(tǒng)原理圖；2.系統(tǒng)壓力、流量、液壓缸尺寸設(shè)計計算；3.電動機功率、扭矩、轉(zhuǎn)速計算；4.電動機、聯(lián)軸器、液壓元器件（泵、閥、油缸）及傳感器選型課程設(shè)計第2頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二什么是液壓？以液體為介質(zhì)，用其產(chǎn)生的壓 力傳遞能量的方式稱為 液壓第3頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二

2、液壓傳動系統(tǒng)的工作原理第4頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二液壓傳動系統(tǒng)中能量的傳遞和轉(zhuǎn)換第5頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二1.動力元件液壓傳動系統(tǒng)的組成2.執(zhí)行元件4.輔助元件3.控制元件5.傳動介質(zhì)液壓泵液壓馬達(dá)或油缸各種閥:方向閥、壓力閥、流量閥油箱、濾油器、加熱器、冷卻器等即液體第6頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二液壓傳動系統(tǒng)的優(yōu)缺點1. 實現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速。2. 在同等輸出功率下，液壓傳動裝置的體積 小、重量輕、運動慣量小、動態(tài)性能好。3. 實現(xiàn)無間隙傳動，運動平穩(wěn)。4. 便于實現(xiàn)自動工作循環(huán)和自動過載保

3、護(hù)。5. 采用油作為傳動介質(zhì)，因此液壓元件有自我潤滑作用，有較長的使用壽命。6. 液壓元件標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，便于設(shè)計、制造和推廣應(yīng)用優(yōu)點：第7頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二液壓傳動系統(tǒng)的優(yōu)缺點1、損失大、效率低、發(fā)熱大。2、不能得到定比傳動。3、當(dāng)采用油作為傳動介質(zhì)時還需要注意防火問題。4、液壓元件加工精度要求高，造價高。5、液壓系統(tǒng)的故障比較難查找，對操作人員的技術(shù)水平要求高。缺點：第8頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二流體傳動第9頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二流體傳動能量轉(zhuǎn)換和傳遞基于“靜液壓”原理流體相對“靜止

4、”通過流體的壓力傳遞動力能量轉(zhuǎn)換和傳遞基于“動液壓”原理利用流體的動能傳遞能量第10頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二能量轉(zhuǎn)換和傳遞能量傳遞方式比較液壓氣動電傳動機械傳動能量來源(驅(qū)動)電機柴油機蓄能器電機柴油機蓄能罐電網(wǎng)蓄電池電機柴油機重力、拉力(彈簧)傳遞能量元件軟管、硬管軟管、硬管電纜磁場機械零件：杠桿、軸、齒輪等能量載體液體氣體電子流剛性和彈性物體作用力密度(功率密度)大高壓、大力、小流量相當(dāng)小壓力低小電功率密度與液壓功率密度比為1:10 大與液壓相比不易實現(xiàn)功率流的選擇和分配平穩(wěn)性控制(加減速)非常好通過壓力和流量調(diào)節(jié)一般通過壓力和流量調(diào)節(jié)一般和非常好之間通過

5、開環(huán)和閉環(huán)調(diào)節(jié)一般輸出裝置運動形式通過使用液壓馬達(dá)和油缸很容易實現(xiàn)直線運動和旋轉(zhuǎn)運動通過使用氣動馬達(dá)和氣動缸很容易實現(xiàn)直線運動和旋轉(zhuǎn)運動原始為旋轉(zhuǎn)運動直線和旋轉(zhuǎn)第11頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二實現(xiàn)運動控制 運動的兩種方式直線運動: -液壓油缸 -氣動油缸 -絲杠+直線軸承2. 旋轉(zhuǎn)運動 -液壓馬達(dá) -減速機 -氣動馬達(dá) -伺服電機 -變頻調(diào)速電機第12頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二實現(xiàn)運動控制 滾珠絲杠變旋轉(zhuǎn)運動為直線運動旋轉(zhuǎn)運動的-電機-伺服電機驅(qū)動工作機構(gòu)第13頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二液壓流體力學(xué)

6、的理論基礎(chǔ)液壓流體靜力學(xué)液壓流體力學(xué)液壓流體動力學(xué)液壓流體運動學(xué)帕斯卡定理流量連續(xù)性定理伯努利方程第14頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二液壓傳動的理論基礎(chǔ)1. 靜液壓理論建立在理想的介質(zhì)上 靜液壓原理是建立在理想的傳遞介質(zhì)上的-沒有質(zhì)量-沒有摩擦-不可壓縮 對高頻響的系統(tǒng)，就要考慮介質(zhì)的壓縮性。即介質(zhì)不是剛性的而是彈性的 Hydraulics 第15頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二液壓流體靜力學(xué)如果作用面積A1=A2=A3; 則F1=F2=F3第16頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二液壓流體靜力學(xué)2. 靜液壓理論建立在

7、帕斯卡定理(Pascals law)上第17頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二帕斯卡定理的要點:液壓流體靜力學(xué)第18頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二力的傳遞:液壓流體靜力學(xué)第19頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二 正負(fù)載 由液壓系統(tǒng)產(chǎn)生動力給負(fù)載 負(fù)負(fù)載（產(chǎn)生吸空） 由負(fù)載產(chǎn)生動力給液壓系統(tǒng)節(jié)流負(fù)載 用節(jié)流的方式使油泵產(chǎn)生動力液壓流體靜力學(xué)第20頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二壓力傳遞:液壓流體靜力學(xué)第21頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二液壓流體靜力學(xué)第22頁，共50頁

8、，2022年，5月20日，12點54分，星期二液壓流體靜力學(xué)第23頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二液壓流體運動學(xué)液壓系統(tǒng)中速度取決于流量 第24頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二液壓流體運動學(xué)在變徑的流道內(nèi)，在任何時候，通過個節(jié)點的流量相流量連續(xù)性原理第25頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二液壓流體動力學(xué)能守恒定關(guān)于運動液體的能守恒定指出，只要沒有能從外界補充，也沒有能傳送到外界，則運動液體的總能保持變。 這一總能包括： 勢能（位能） 動能（運動能） 決定于流體的高度和靜壓力 決定于流體流動速度和背壓力得到伯努方程 第2

9、6頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二液壓流體動力學(xué)伯努利方程第27頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二液壓流體動力學(xué)能量守恒：流速、壓力第28頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二 液體流動時的壓力損失1.液體的流動狀態(tài) 19世紀(jì)末，雷諾首先通過實驗觀察了水在圓管內(nèi)的流動情況，并發(fā)現(xiàn)液體在管道中流動時有兩種流動狀態(tài)：層流和紊流（湍流）。這個實驗被稱為雷諾實驗。實驗結(jié)果表明，在層流時，液體質(zhì)點互不干擾，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)點的運動雜亂無章，在沿管道流動時，除平行于管道軸線的運動外，還存在著劇

10、烈的橫向運動，液體質(zhì)點在流動中互相干擾。 層流和紊流是兩種不同的流態(tài)。層流時，液體的流速低，液體質(zhì)點受粘性約束，不能隨意運動，粘性力起主導(dǎo)作用，液體的能量主要消耗在液體之間的摩擦損失上；紊流時，液體的流速較高，粘性的制約作用減弱，慣性力起主導(dǎo)作用，液體的能量主要消耗在動能損失上。 第29頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二 通過雷諾實驗還可以證明，液體在圓形管道中的流動狀態(tài)不僅與管內(nèi)的平均流速 有關(guān)，還和管道的直徑d、液體的運動粘度有關(guān)。實際上，液體流動狀態(tài)是由上述三個參數(shù)所確定的稱為雷諾數(shù)Re的無量綱數(shù)來判定，即： 對于非圓形截面管道，雷諾數(shù)Re可用下式表示，即： 水力

11、直徑R可用下式計算： 式中：A 過流斷面積； 濕周，即有效截面的管壁周長。 液體流動時的壓力損失第30頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二 雷諾數(shù)是液體在管道中流動狀態(tài)的判別數(shù)。對于不同情況下的液體流動狀態(tài)，如果液體流動時的雷諾數(shù)Re相同，它的流動狀態(tài)也就相同。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)值要小，所以一般都用后者作為判斷液流狀態(tài)的依據(jù)，稱為臨界雷諾數(shù)，記作Recr。當(dāng)液流的實際雷諾數(shù)Re小于臨界雷諾數(shù)Recr時，液流為層流；反之，為紊流。 雷諾數(shù)的物理意義：雷諾數(shù)是液流的慣性作用對粘性作用的比。當(dāng)雷諾數(shù)較大時，說明慣性力起

12、主導(dǎo)作用，這時液體處于紊流狀態(tài)；當(dāng)雷諾數(shù)較小時，說明粘性力起主導(dǎo)作用，這時液體處于層流狀態(tài)。 液體流動時的壓力損失第31頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二2.沿程壓力損失 () 液體層流時的沿程壓力損失 層流時液體質(zhì)點作有規(guī)則的流動，是液壓傳動中最常見的現(xiàn)象。在設(shè)計和使用液壓傳動系統(tǒng)時，都希望管道中的液流保持這種流動狀態(tài)。 下圖所示為液體在等徑水平直管中作層流流動的情況。 液體流動時的壓力損失第32頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二 在液流中取一段與管軸重合的微小圓柱體作為研究對象，設(shè)它的半徑為r，長度為l，作用在兩端面的壓力分別為p1和p2，作

13、用在側(cè)面的內(nèi)摩擦力為Ff。液流在作勻速運動時處于受力平衡狀態(tài)，故有： 式中Ff是液體內(nèi)摩擦力， Ff =-2rldu/dr（其中的負(fù)號表示流速u隨半徑r的增大而減?。袅?，并將Ff 代入上式，整理可得： 對上式進(jìn)行積分，并代入相應(yīng)的邊界條件，即當(dāng)r =R時，u = 0，得： 可見管內(nèi)液體質(zhì)點的流速在半徑方向上按拋物線規(guī)律分布。 液體流動時的壓力損失第33頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二 對于微小環(huán)形通流截面積dA=2rdr，所通過的流量為： 于是積分可得： 根據(jù)平均流速的定義，在管道內(nèi)的平均流速是： 液體流動時的壓力損失第34頁，共50頁，2022年，5月20日，

14、12點54分，星期二整理后，得沿程壓力損失為： 從上式可以看出，當(dāng)直管中的液流為層流時，其沿程壓力損失與液體粘度、管長、流速成正比，而與管徑的平方成反比。適當(dāng)變換上式沿程壓力損失計算公式，可改寫成如下形式： 式中為沿程阻力系數(shù)。對于圓管層流，理論值 = 64/Re?？紤]到實際圓管截面可能有變形，以及靠近管壁處的液層可能被冷卻等因素，在實際計算時，可對金屬管取 = 75/Re，橡膠管 = 80/Re。 液體流動時的壓力損失第35頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二 (2) 液體紊流時的沿程壓力損失 紊流時計算沿程壓力損失的公式在形式上同于層流，即： 但式中的阻力系數(shù) 除與雷

15、諾數(shù)有關(guān)外，還與管壁的粗糙度有關(guān)，即 = f (Re，/d)，這里的為管壁的絕對粗糙度，它與管徑d 的比值/d 稱為相對粗糙度。 液體流動時的壓力損失第36頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二3.局部壓力損失 液體流經(jīng)管道的彎頭、接頭、突變截面以及閥口、濾網(wǎng)等局部裝置時，液流方向和流速發(fā)生變化，在這些地方形成旋渦、氣穴，并發(fā)生強烈的撞擊現(xiàn)象，由此而造成的壓力損失稱為局部壓力損失。局部壓力損失的阻力系數(shù)，一般要依靠實驗來確定。局部壓力損失的計算公式有如下形式： 液體流過各種閥類的局部壓力損失亦服從上式，但因閥內(nèi)的通道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，按此公式計算比較困難，故閥類元件局部壓力損失的實

16、際計算常用公式： 液體流動時的壓力損失第37頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二4.管路系統(tǒng)總壓力損失 整個管路系統(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： 在液壓傳動系統(tǒng)中，絕大多數(shù)壓力損失轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，造成系統(tǒng)溫度增高，泄漏增大，影響系統(tǒng)的工作性能。從計算壓力損失的公式可以看出，減小流速，縮短管道長度，減少管道截面突變，提高管道內(nèi)壁的加工質(zhì)量等，都可使壓力損失減小。其中流速的影響最大，故液體在管路中的流速不應(yīng)過高。但流速太低，也會使管路和閥類元件的尺寸加大，并使成本增加，因此要綜合考慮確定液體在管道中的流速。 液體流動時的壓力損失第38頁，共50頁，

17、2022年，5月20日，12點54分，星期二 液體流動時的壓力損失管道流速選擇第39頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二 孔口流量 (1) 薄壁孔口的流量 下圖所示為進(jìn)口邊做成刃口形的典型薄壁孔口。由于液體的慣性作用，液流通過孔口時要發(fā)生收縮現(xiàn)象，在靠近孔口的后方出現(xiàn)收縮最大的通流截面2-2。對于薄壁圓孔，當(dāng)孔前通道直徑與小孔直徑之比d1/d7時，流束的收縮作用不受孔前通道內(nèi)壁的影響，這時的收縮被稱為完全收縮；反之，當(dāng)d1/d7時，孔前通道對液流進(jìn)入小孔起導(dǎo)向作用，這時的收縮被稱為不完全收縮。 薄壁小孔液流第40頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二

18、現(xiàn)對孔前通流斷面11和收縮斷面22之間的液體列出伯努利方程： 式中，h1=h2；因1 2 ，則1可以忽略不計，認(rèn)為是零；因為收縮斷面的流動是紊流，則2=1；而 僅為局部損失，即 ，代入上式后可得： 由此可得通過薄壁孔口的流量公式為： 孔口流量第41頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二 (2) 短孔、細(xì)長孔口的流量 短孔的流量公式仍然為上式。短孔比薄壁孔口容易制作，因此特別適合于作固定節(jié)流器使用。 流經(jīng)細(xì)長孔的液流，由于粘性而流動不暢，流速低，故多為層流。所以其流量計算可以應(yīng)用前面推出的圓管層流流量公式： 在這里，液體流經(jīng)細(xì)長孔的流量q和孔前后的壓差 p成正比，而和液體的粘

19、度成反比。可見細(xì)長孔的流量和液壓油的粘度有關(guān)。這一點是和薄壁孔口的特性大不相同的。 綜合各孔口的流量公式，可以歸納出一個流量通用公式： 孔口流量第42頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二液壓沖擊和空穴現(xiàn)象1.液壓沖擊 在液壓傳動系統(tǒng)中，常常由于一些原因而使液體壓力突然急劇上升，形成很高的壓力峰值，這種現(xiàn)象被稱為液壓沖擊。 (1) 液壓沖擊產(chǎn)生的原因 在閥門突然關(guān)閉或運動部件快速制動等情況下，液體在系統(tǒng)中的流動會突然受阻。這時，由于液流的慣性作用，液體就從受阻端開始，迅速將動能逐層轉(zhuǎn)換為液壓能，因而產(chǎn)生了壓力沖擊波；此后，這個壓力波又從該端開始反向傳遞，將壓力能逐層轉(zhuǎn)化為動

20、能，這使得液體又反向流動；然后，在另一端又再次將動能轉(zhuǎn)化為壓力能，如此反復(fù)地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。由于這種壓力波的迅速往復(fù)傳播，便在系統(tǒng)內(nèi)形成壓力振蕩。這一振蕩過程，由于液體受到摩擦力以及液體和管壁的彈性作用不斷地消耗能量，才使振蕩過程逐漸衰減而趨向穩(wěn)定，產(chǎn)生液壓沖擊的本質(zhì)是動量變化。第43頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二 (2) 液壓沖擊的危害 系統(tǒng)中出現(xiàn)液壓沖擊時，液體瞬時壓力峰值可以比正常工作壓力大好幾倍。液壓沖擊會損壞密封裝置、管道或液壓元件，還會引起設(shè)備振動，產(chǎn)生很大噪聲。有時沖擊會使某些液壓元件如壓力繼電器、順序閥等產(chǎn)生誤動作，影響系統(tǒng)正常工作。 液壓沖擊和空穴現(xiàn)

21、象第44頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二 (3) 沖擊壓力 （a）管道閥門關(guān)閉時的液壓沖擊 設(shè)管道截面積為A，產(chǎn)生沖擊的管道長為l，壓力沖擊波第一波在l長度內(nèi)傳播的時間為t1，液體的密度為，管中液體的流速為，閥門關(guān)閉后的流速為零，則由動量方程得： 整理后得 式中c = l/t，為壓力沖擊波在管道中的傳播速度。 應(yīng)用式（3.45）時，需要先知道c值的大小，而c值不僅和液體的體積彈性模量K有關(guān)，而且還與管道材料的彈性模量E、管道的內(nèi)徑d及壁厚 有關(guān)。在液壓傳動中，c值一般在9001 400 m/s之間。 若液體流速 不是突然降為零，而是降為則上式可寫成 液壓沖擊和空穴現(xiàn)象

22、第45頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二 設(shè)壓力沖擊波在管中往復(fù)一次的時間為tc，其中tc=2l / c。當(dāng)閥門關(guān)閉時間ttc時，閥門不是突然關(guān)閉，此時壓力峰值較小，這時的沖擊稱為間接沖擊，其p值可按下式計算 （b）運動部件制動時的液壓沖擊 設(shè)總質(zhì)量為的運動部件在制動時的減速時間為t，速度減小值為，液壓缸有效作用面積為A，則根據(jù)動量定理得 上式中忽略了阻尼和泄漏等因素，計算結(jié)果偏大，但比較安全。液壓沖擊和空穴現(xiàn)象第46頁，共50頁，2022年，5月20日，12點54分，星期二 (4) 減小壓力沖擊的措施盡可能延長閥門關(guān)閉和運動部件制動換向的時間。在液壓傳動系統(tǒng)中采用換向

23、時間可調(diào)的換向閥可做到這一點。正確設(shè)計閥口，限制管道流速及運動部件速度，使運動部件制動時速度變化比較均勻。例如在機床液壓傳動系統(tǒng)中，通常將管道流速限制在4.5 m/s以下，液壓缸驅(qū)動的運動部件速度一般不宜超過10 m/min等。在某些精度要求不高的工作機械上，使液壓缸兩腔油路在換向閥回到中位時瞬時互通。適當(dāng)加大管道直徑，盡量縮短管路長度。加大管道直徑不僅可以降低流速，而且還可以減小壓力沖擊波速度c值；縮短管道長度的目的是減小壓力沖擊波的傳播時間t；必要時，還可在沖擊區(qū)附近設(shè)置卸荷閥和安裝蓄能器等緩沖裝置來達(dá)到此目的。采用軟管，以增加系統(tǒng)的彈性。液壓沖擊和空穴現(xiàn)象第47頁，共50頁，2022年，5