《液壓與氣壓傳動技術》課件第一章

1-1液壓工作介質1-2液壓油的力學基礎1-3液體流動狀態(tài)、液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象【學習目標】(１)掌握工作介質液壓油的分類及物理性質.(２)掌握液體靜力學、動力學基礎知識.(３)了解壓力損失、層流、紊流、雷諾數(shù)的概念.(４)掌握液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象.1-1液壓工作介質一、液壓工作介質的種類在液壓傳動系統(tǒng)中,工作介質按照GB/T7631.287(等效采用ISO6743/4)進行分類,主要分為石油基型液壓油和難燃型液壓油兩大類,如圖1-1所示.在液壓傳動系統(tǒng)中,一般以礦物油(石油基型液壓油)作為工作介質.液壓油是傳遞信號和能量的轉換介質,同時它還具備潤滑、防腐、散熱等方面的作用.一個液壓系統(tǒng)能夠正常有效工作,很大程度上取決于液壓油.二、液壓油的物理性質１．密度單位體積內液體的質量,稱為液體的密度.體積為V、質量為M的液體的密度ρ為２．可壓縮性液體是可以被壓縮的,液體受外部壓力作用而發(fā)生體積減小的性質稱為可壓縮性.液體可壓縮性的大小用液體的壓縮系數(shù)k表示,指在單位壓力變化時引起液體體積的相對變化量.由于液體的體積不容易壓縮,故在一般的液壓系統(tǒng)中,靜態(tài)工作下可不考慮油液的壓縮性.３．黏性１)黏性的概念液體在外力作用下流動(或有流動趨勢)時,分子間的內聚力要阻止分子間的相對運動而產生一種內摩擦力,這種現(xiàn)象叫做液體的黏性.液體只有在流動(或有流動趨勢)時才會呈現(xiàn)出黏性,靜止液體是不呈現(xiàn)黏性的.液體黏性的示意圖見圖１-２.２)黏度液體的黏性大小可用黏度來表示.黏度的表示方法有動力黏度μ、運動黏度ν和相對黏度.３)黏度與壓力、溫度的關系液體的黏度會隨著壓力、溫度的變化而發(fā)生變化.壓力增加,體積減小,密度增大,黏度增大,但增加的數(shù)值不大.在一般液壓系統(tǒng)的使用范圍內,黏度可忽略不計.液體的黏度受溫度影響較大.溫度升高,體積膨脹,密度減小,黏度下降,這種現(xiàn)象叫做液壓油的黏溫特性.不同的液壓油具有不同的黏溫特性,決定了液壓油的使用場合.圖１-３所示為常見的幾種不同液壓油的黏溫圖.三、液壓油的污染、控制和選用１．要求(１)黏度合適,黏溫性能要好.(２)油液純凈,不含雜質.(３)在低溫下不容易凝固,在高溫下不容易燃燒.(４)潤滑性能好,不容易形成干摩擦.(５)具有良好的抗泡沫性和抗乳化性,相容性好.(６)穩(wěn)定性好,能長期在高溫、高壓以及高速環(huán)境下使用.(７)防腐性好.(８)經(jīng)濟適用性好,成本低.２．選用在液壓傳動系統(tǒng)中,各類閥及液壓泵對油液的性能非常敏感,合理地選擇液壓油對延長系統(tǒng)中各元件的使用壽命、提高系統(tǒng)可靠性都有重要的影響.在選用時,優(yōu)先考慮黏性.(１)工作壓力高,選黏度大的;工作壓力低,選黏度小的.(２)環(huán)境溫度高,選黏度大的;環(huán)境溫度低,選黏度小的.(３)工作元件運動速度高時,宜選黏度小的;工作元件運動速度低時,宜選黏度大的.其次選用經(jīng)濟適合型.盡量選擇成本低、對污環(huán)境染性小、防腐性能好、難燃型、毒性小、穩(wěn)定性高、更換方便、使用時間長的液壓油.３．液壓油的污染與保養(yǎng)質量再好的液壓油其性能也不可能永遠保持不變.液壓油變質除了會降低使用性能外,劣化生成的有機酸或油泥還會導致液壓裝置腐蝕生銹,引起液壓元件動作不良等故障.據(jù)統(tǒng)計,液壓系統(tǒng)故障的７０％~８５％是由于液壓油的污染引起的.引起液壓油污染的過程包括運輸、安裝、運行、維護、儲存、自然混入及物化過程.因此,為了防止液壓油的劣化、污染對液壓系統(tǒng)造成損害,必須遵照換油基準(定期更換或理化分析方法),使液壓油的性能始終保持在安全范圍內.１-２液壓油的力學基礎一、液體的靜力學基礎液體的靜力學主要討論液體處于靜止狀態(tài)時的平衡規(guī)律及這些規(guī)律的應用.１．液體的靜壓力液體的靜壓力是指在單位面積上所受的內法向力,簡稱壓力.在物理學中它稱為壓強,在液壓與氣壓傳動中則稱為壓力,用符號P來表示:液體的靜壓力有以下重要性質:(１)液體的靜壓力垂直于其作用平面,其方向與該平面的內法線方向一致.(２)靜止液體內任一點的壓力在各個方向上都相等.２．靜力學基本方程如圖１-４所示,在盛有液體的容器中,作用在液面上的壓力為P０,求離液面h深處A點壓力.由于液體在外力、重力及周圍液體的壓力作用下處于平衡狀態(tài),故A點壓力作用的公式計算為式(１３)為液體靜力學基本方程,該式表明:(１)靜止液體內任一點處的壓力由兩部分組成,一部分是液面上的壓力P０,另一部分為ρg與該點距液面深度h的乘積.當液面上只受大氣壓Pa作用時,點A處的靜壓力則為P＝Pa＋ρgh.(２)靜止液體內的壓力P隨液體深度h呈直線規(guī)律分布.(３)距液面深度h相同的各點壓力都相等,由壓力相等的點組成了等壓面,這個等壓面為一水平面.３．壓力的表示方法壓力有兩種表示方法:一種是以絕對真空作為基準所表示的壓力,稱為絕對壓力;另一種是以大氣壓力作為基準所表示的壓力,稱為相對壓力.由于大多數(shù)測壓儀表所測得的壓力都是相對壓力,故相對壓力也稱表壓力.當絕對壓力小于大氣壓力時,可用容器內的絕對壓力不足一個大氣壓的數(shù)值來表示,稱為真空度.它們的關系如下:絕對壓力＝大氣壓力＋相對壓力(絕對壓力＞大氣壓力)真空度＝大氣壓力－絕對壓力(絕對壓力＜大氣壓力)絕對壓力、相對壓力、真空度三者之間的關系如圖１-６所示.４．帕斯卡原理在密閉容器中的靜止液體,當一處受到壓力作用時,這個壓力將通過液體自身傳到內部的任意點上,而且其壓力值處處相等,這種現(xiàn)象就叫帕斯卡原理,也叫靜壓傳遞原理.液壓千斤頂就是利用這個原理工作的,如圖１-７所示.二、液體的動力學基礎１．基本概念(１)理想液體:既無黏性又不可壓縮的液體.(２)實際液體:既有黏性又可壓縮的液體.(３)穩(wěn)定流動:液體流動時,若液體中任意一點的壓力、速度和密度都不隨時間的變化而變化,稱為穩(wěn)定流動,也叫恒定流動,如圖１-８所示.(４)非穩(wěn)定流動:液體流動時,任意一點的壓力、速度和密度中有一項隨時間發(fā)生變化,稱為非穩(wěn)定流動,也叫非恒定流動.(５)通流截面A:液體在管道內流動時,垂直于液體流動方向的截面.(６)流量q:單位時間通過通流截面的液體的體積,單位為L/min或m３/s.(７)平均流速v:由于流動的液體的黏性作用,通流截面上液體各點的流速不相等.２．連續(xù)性方程質量守恒定律是一項基本物理定律,在流體力學中廣泛應用.如圖１９所示,理想液體在管道內做恒定流動,通過兩個通流截面１-１、２-２的面積分別為A１和A２,液體的平均流速分別為v１和v２,則單位時間流過兩個截面的液體質量相等,因此有由于液體近似認為不可壓縮,因此ρ１＝ρ２,故式(１-８)稱為連續(xù)性方程.３．伯努利原理能量守恒定律也是一項基本物理定律,在流體力學中得以應用.物理意義:理想的液體在管道內做穩(wěn)定流動,具有三種形式的能量,即壓力能、動能和勢能.這三種能量可以相互轉換,但在各個截面上這三種能量的總和是一個常數(shù),即能量守恒.三、管道中的能量損失１．壓力損失在液壓傳動中,壓力損失分為兩類:沿程壓力損失和局部壓力損失.沿程壓力損失:油液沿等直徑直管流動時所產生的壓力損失.這類壓力損失是由液體流動時的內、外摩擦力所引起的.局部壓力損失:是油液流經(jīng)局部障礙(如彎管、接頭、管道截面突然擴大或收縮)時,由于油液流的方向和速度的突然變化,在局部形成漩渦引起油液質點間,以及質點與固體壁面間相互碰撞和劇烈摩擦而產生的壓力損失.２．流量損失由于液壓元件連接處密封的原因和配合表面之間存在縫隙,所以不同程度地存在著泄漏,泄漏造成流量損失.泄漏分內泄漏與外泄漏兩種.３．總能量損失液壓系統(tǒng)中所有壓力損失及流量損失的總和,稱為總能量損失.１-３液體流動狀態(tài)、液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象一、層流、紊流及雷諾數(shù)１．層流液體流動時呈線型或層狀,且平行于管道軸線,各層互不干擾,黏性力起主要作用,如圖１-１-１(a)所示.２．紊流液體流動時各質點運動雜亂無章,慣性力起主要作用,如圖１-１-１(b)所示.３．雷諾數(shù)實驗表明,決定流動狀態(tài)的是管內的平均流速v、液體的運動黏度ν、管徑d三個數(shù)所組成的一個無量綱數(shù),稱為雷諾數(shù)Re:二、液壓沖擊因某些原因液體的壓力在一瞬間會突然升高或者降低,產生很高的壓力峰值,這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊.１．液壓沖擊的類型液壓沖擊的類型有管道閥門突然關閉時的液壓沖擊和運動部件制動時產生的液壓沖擊.瞬間壓力沖擊不僅引起振動和噪聲,而且會損壞密封裝置、管道、元件,造成設備事故.２．減少液壓沖擊的措施(１)延長閥門關閉和運動部件制動換向的時間.(２)限制管道流速及運動部件的速度.(３)適當增大管徑,以減小沖擊波的傳播速度.(４)盡量縮短管道長度,減小壓力波的傳播時間.(５)用橡膠軟管或設置蓄能器吸收沖擊的能量.三、空穴現(xiàn)象１．空穴現(xiàn)象的機理及危害液壓系統(tǒng)中,某點壓力低于液壓油液所在溫度下的空氣分離壓時,原先溶于液體中的空氣會分離出來,使液體產生大量的氣泡,這種現(xiàn)象稱為空穴現(xiàn)象(也叫氣穴現(xiàn)象).當壓力進一步減小到低于液體的飽和蒸汽壓時,液體將迅速汽化,產生大量蒸汽氣泡使空穴現(xiàn)象更加嚴重.空穴現(xiàn)象多發(fā)生在閥口和泵的吸油口.２．空穴現(xiàn)象的危害大量氣泡使液流的流動特性變壞,造成流量和壓力不穩(wěn)定,液體流動不連續(xù);氣泡進入高壓區(qū),高壓會使氣泡迅速崩潰,使局部產生非常高的溫度和沖擊壓力,引起振動和噪聲;