第一單元 第二章液壓傳動力學基礎(chǔ)教學課件 液壓與氣動

第一單元第二章液壓傳動力學基礎(chǔ)教學課件高教版液壓與氣動第一單元

液壓傳動原理、力學基礎(chǔ)及基本元器件第2章液壓傳動力學基礎(chǔ)2.1液體靜力學基礎(chǔ) 2.2液體動力學基礎(chǔ)2.3液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象2.1.1液體靜力學2.1.2液體靜力學基本方程2.2.1基本概念2.2.2液體的流態(tài)和雷諾數(shù) 2.2.3液體流動的連續(xù)性方程—質(zhì)量方程2.3.1液壓沖擊2.3.2氣穴現(xiàn)象*2.2.4液體流動的伯努利方程—能量方程2.2.5壓力損失2.1.3靜壓力的傳遞2.1.4絕對壓力、相對壓力和真空度2.1.5液體對固體壁面的作用力2.1液體靜力學基礎(chǔ)2.1.1液體靜力學液壓傳動是依靠液體靜壓力來傳遞力的。液體靜壓力是指液體處于靜止狀態(tài)時，液體單位面積上所受的法向作用力。這一定義在物理學中稱為壓強，在液壓傳動中簡稱壓力。其中F指法向作用力，A指作用面積壓力的法定單位為牛頓/米2（N/m2），稱為帕斯卡，簡稱帕（Pa），在工程上還經(jīng)常用到兆帕（MPa）和巴（bar）這兩個單位液體靜壓力有如下特性：（1）沿著內(nèi)法線垂直作用于作用面。（2）靜止液體內(nèi)，任一點所受各個方向的壓力都相等。從上述結(jié)論可以推出：靜止液體總是處于受壓狀態(tài)。

2.1液體靜力學基礎(chǔ)2.1.2液體靜力學基本方程如圖2.1所示，已知容器內(nèi)液體密度為ρ，且液體處于靜止狀態(tài)，液面上承受壓力為p0。由靜壓力基本方程，可以知道1．靜止液體內(nèi)任一點處的壓力是液面上的壓力p0和液體自重所產(chǎn)生的壓力ρgh之和。當液面只受大氣壓力pa作用時，則液體內(nèi)任一點處的壓力為：2．靜止液體內(nèi)的壓力隨著液體深度h的增加線性地增加；3．深度相同的各點壓力相等，這些壓力相等的點組成了等壓面，很顯然，在重力作用下，靜止液體的等壓面為一水平面。2.1液體靜力學基礎(chǔ)2.1.3靜壓力傳遞在密閉容器中，由外力產(chǎn)生的壓力將等值地傳遞到液體內(nèi)部各點，這就是帕斯卡原理，也稱靜壓力傳遞原理。液壓系統(tǒng)中靜止液體內(nèi)的壓力處處相等。也可以做這樣的結(jié)論：液體內(nèi)的壓力是由外界負載作用形成的，即液壓系統(tǒng)的工作壓力取決于負載。例：如圖2.2所示為兩個相互連通的液壓缸，已知大缸內(nèi)徑D=100mm，小缸內(nèi)徑d=20mm，大活塞上所放置物體質(zhì)量5000kg。問在小活塞上施加的力F為多大時，才能夠使大活塞頂起重物？解：根據(jù)帕斯卡定理，兩缸中由外力產(chǎn)生的壓力相等，即P左=P右

即力比等于直徑平方比（或引申為面積比）。由此，我們可以這么認為，只要大、小缸活塞面積比越大，就越省力。2.1液體靜力學基礎(chǔ)2.1.4絕對壓力、相對壓力和真空度液體壓力通常有絕對壓力、相對壓力和真空度三種表示方法：以絕對真空作為基準所表示的壓力稱為絕對壓力。以大氣壓力作為基準所表示的壓力稱為相對壓力。當絕對壓力小于大氣壓時，比大氣壓力小的那部分數(shù)值稱為真空度。從圖2.3可知，絕對壓力、相對壓力和真空度三者之間的關(guān)系為：相對壓力=絕對壓力-大氣壓力絕對壓力=相對壓力+大氣壓力真空度=絕對壓力-大氣壓力

結(jié)論：絕對壓力總是正值，而表壓力則可正可負亦可為零。當表壓力為正時，表示所測壓力比大氣壓大，為負時，表示所測壓力比大氣壓小。2.1液體靜力學基礎(chǔ)2.1.5液體對固體壁面的作用力液體和固定表面相接觸時，固體表面將受到液壓力的作用。當固體表面為一平面時，液體在該表面上的總作用力F等于液體的壓力P與承受面積A的乘積，即如圖2.4所示，要計算球面和圓錐面在垂直方向的總作用力F，只需要先計算出兩個面在該方向上的投影面積大小，再與壓力相乘即可。圖2.4液壓力作用在曲面上的力兩個曲面在該方向上的投影面積為一直徑為d的圓，故其總作用力F為：結(jié)論：只要投影面積不變，不管曲面如何變化，則其計算結(jié)果將是一致的。2.2液壓動力學基礎(chǔ)2.2.1基本概念1．理想液體和穩(wěn)定流動（1）把既無黏性又不可壓縮的假想液體稱為理想液體，而把事實上存在的具有黏性又可壓縮的液體稱為實際液體。（2）液體流動時，若液體中任一點處的壓力、速度和密度都不隨時間變化，這種流動稱為穩(wěn)定流動（亦稱恒定流動或定常流動）。反之，若任一點處的壓力、速度或密度中有一個或多個隨時間變化，則稱為非穩(wěn)定流動。2．通流截面、流量和平均流速（1）通流截面。液體在管道中流動時，將垂直于液體流動方向的截面稱為通流截面或過流截面。通常用A表示，單位為m2。（2）流量。單位時間內(nèi)流過某一通流截面的液體體積成為流量，用q表示，單位為m3/s、L/min和ml/min。（3）平均流速。液體在管道中流動時，由于具有黏性，在同一截面上各點的流動速度是不相同的。根據(jù)平均流速的定義，可以推導出其計算公式為：活塞的運動速度取決于輸入液壓缸的流量。2.2液壓動力學基礎(chǔ)2.2.2液體的流態(tài)和雷諾數(shù)實驗表明，在液體流動的過程中，存在著多種不同的流動狀態(tài)。經(jīng)過大量的實驗表明，基本上可以把液體的流動狀態(tài)分為三類。層流：液體流動時是分層的，層與層之間的流動互不干擾，只有橫向運動，沒有縱向交錯。紊流：液體流動時液流完全紊亂，既有橫向運動，也有縱向交錯。過渡流態(tài)：處于層流和紊流之間的一種中間狀態(tài)。2.2液壓動力學基礎(chǔ)2.2.2液體的流態(tài)和雷諾數(shù)實驗證明，液體流動狀態(tài)不僅僅和平均流速v有關(guān)，還和管道水力直徑dH和液體的運動黏度υ有關(guān)，而這三個要素所組成的一個無量綱數(shù)就是雷諾數(shù)，用Re表示，即式中，水力直徑dH為其中：A——通流截面面積x——濕周周長，指通流截面處與液體相接觸的壁面的周長所以，圓形管道的水力直徑為其直徑d。2.2液壓動力學基礎(chǔ)2.2.2液體的流態(tài)和雷諾數(shù)實驗證明，上臨界雷諾數(shù)要比下臨界雷諾數(shù)大，工程上以下臨界雷諾數(shù)作為液體流動狀態(tài)判別的依據(jù)，并稱其為臨界雷諾數(shù)Rec。當Re＜Rec時，為層流；當Re≥Rec時，為紊流。常見管道的臨界雷諾數(shù)見表2.1。2.2液壓動力學基礎(chǔ)2.2.3液體流動的連續(xù)性方程——質(zhì)量方程

如圖2.8所示，設(shè)液體在管道中作穩(wěn)定流動。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在單位時間內(nèi)通過兩個截面的液體質(zhì)量應(yīng)相等，即忽略液體的可壓縮性，有ρ1=ρ2，則液體流動的連續(xù)性方程，表明了液體流經(jīng)各個通流截面時，其流量是相等的，也說明了流速和面積成反比例關(guān)系。2.2液壓動力學基礎(chǔ)*2.2.4液體流動的伯努利方程——能量方程伯努利方程是能量守恒定律在流體力學中的一種表達形式。1．理想液體的伯努利方程如圖2.9所示，設(shè)管內(nèi)為理想液體，在不等截面的管路中作穩(wěn)定流動。理想液體的伯努利方程：通流面積越小處，流速越大，也就是說其動能越大，那么其壓力（或者說壓力能）越小，反之，通流面積越大處，流速越小，則其壓力（壓力能）越大。2．實際液體的伯努利方程實際液體具有黏性，在流動過程中會因為摩擦的存在而消耗掉一定的能量。實際液體的伯努利方程為：2.2液壓動力學基礎(chǔ)2.2.5壓力損失液體因為摩擦和其他一些原因造成能量的損失。一般表現(xiàn)為壓力損失，具體可分為兩種：1．沿程壓力損失

液體在等直徑直管中流動時，由于黏性摩擦產(chǎn)生的壓力損失，主要取決于液體的流動速度、黏性和管路的長度、管徑等。2．局部壓力損失

液體流經(jīng)閥口、管道轉(zhuǎn)彎、突變截面、接頭等處，由于流動速度和方向發(fā)生劇烈變化而造成的損失。系統(tǒng)中總的壓力損失等于所有沿程壓力損失之和所有局部壓力損失之和。為了減少壓力損失，通常采取下列措施：（1）控制好油液流動速度，過高壓力損失嚴重，過低則會增大管路直徑和各種元器件的尺寸。（2）管道內(nèi)部應(yīng)盡量光滑，降低各種元器件表面粗糙度。（3）密封元件的性能良好。（4）油液黏度適當。過高會增加摩擦，過低則會加大泄露。（5）盡量減少管道長度，盡量避免彎道和管路直徑的急劇變化。2.3液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象2.3.1液壓沖擊在液壓系統(tǒng)中，由于某種原因造成液體壓力在某一瞬間急劇上升，形成很高的壓力峰值，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊。1．產(chǎn)生液壓沖擊的原因（1）在液流突然停止運動的時候；（2）急速改變運動部件的速度；（3）由于液壓系統(tǒng)中某些元件反應(yīng)動作不夠靈敏，也會造成液壓沖擊。2．液壓沖擊的危害引起設(shè)備振動和噪聲；損壞液壓元件、密封裝置，甚至使油管破裂；系統(tǒng)中的某些元件也可能產(chǎn)生誤動作，造成事故。3．減少液壓沖擊的措施（1）延長閥門開、關(guān)和運動部件制動、換向的時間。（2）限制管道流速及運動部件速度。（3）安裝管道時，需要轉(zhuǎn)彎時應(yīng)盡量增大彎道半徑，一般應(yīng)是管道直徑的三倍以上。（4）適當加大管道直徑，盡量縮短管路長度。必要時可在沖擊區(qū)附近安裝蓄能器等緩沖裝置來達到此目的。（5）采用軟管，以增加系統(tǒng)的彈性。2.3液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象2.3.2氣穴現(xiàn)象在液壓系統(tǒng)中，如果某處的壓力值低于空氣分離壓時，原先溶解在液體中的空氣就會分離出來，導致液體中出現(xiàn)大量氣泡，這種現(xiàn)象稱為氣穴現(xiàn)象。1．氣穴現(xiàn)象的危害：出現(xiàn)爬行現(xiàn)象；局部液壓沖擊，發(fā)出噪聲并引起振動；氣蝕；2．產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象的原因：氣穴現(xiàn)象多發(fā)生在閥口和液壓泵的入口處。由于閥口的通道狹窄，液流速度增大，造成壓力大大下降，以致產(chǎn)生氣穴。當泵的安裝高度過大，吸油管直徑太小，吸油阻力太大，或泵的轉(zhuǎn)速過高，造成入口處真空度過大，亦會產(chǎn)生氣穴