2-液壓傳動基本概念

2液壓傳動基本概念

液壓傳動

液壓傳動中的平均流速和流量2.2伯努利方程2.3液壓傳動中的壓力2.12液壓傳動基本概念液壓系統(tǒng)中的壓力損失2.4液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象2.52.1液壓傳動中的壓力12壓力的概念壓力的表示34靜壓力的特性壓力的傳遞56工作壓力形成液體靜壓力對固體壁面的作用力2.1.1壓力的概念液壓傳動中所說的壓力概念是指當液體相對靜止時，液體單位面積上所受的法向力，常用符號p表示。在物理學中則稱為壓強。

2.1.1壓力的概念靜止液體某點處微小面積△A所受的法向力為△F，則該點的壓力為液壓傳動系統(tǒng)中，外載荷（F）通過活塞（面積為A）均勻地作用于液體表面。此時，液體所受的壓力為2.1.2壓力的表示（1）壓力的表示方法壓力有兩種表示方法，即絕對壓力和相對壓力。以絕對真空為基準的壓力為絕對壓力；以大氣壓（Pa）為基準的壓力為相對壓力。大多數(shù)測量壓力的儀表都受大氣壓的作用，所以，儀表指示的壓力都是相對壓力，也稱表壓力。在液壓傳動中，如不特別說明，壓力均指相對壓力。

2.1.2壓力的表示圖2-1絕對壓力、相對壓力、真空度2.1.2壓力的表示如果液體中某點處的絕對壓力小于大氣壓力（Pa），那么，比大氣壓小的那部分數(shù)值叫做該點的真空度。由圖2-1可知，以大氣壓為基準計算壓力值時，基準以上的正值是表壓力，基準以下的負值就是真空度。絕對壓力、相對壓力、真空度的關系為絕對壓力＝大氣壓力＋相對壓力真空度＝大氣壓力－絕對壓力

2.1.2壓力的表示（2）壓力的單位壓力的法定計量單位是Pa（帕），1Pa=1N/m2，工程上也常使用MPa（兆帕），1MPa=106Pa（兆帕）。以前沿用過和某些部門慣用的壓力單位還有bar（巴）、at（工程大氣壓，即kgf/cm2）、atm（標準大氣壓）、mmH2O（約定毫米水柱）或mmHg（約定毫米汞柱）等。2.1.2壓力的表示表2-1各種壓力單位換算關系2.1.3靜壓力的特性①液體的壓力沿著內法線方向作用于承壓面，即靜止液體只承受法向壓力，不承受剪切力和拉力，否則就破壞了液體靜止的條件。②靜止液體內，任意點處所受到的靜壓力各個方向都相等。2.1.3靜壓力的特性液壓系統(tǒng)中實際流動的液體具有黏性，而且因管道截面積不同或在截面中的位置不同，各點的流速不同，即液體不是處于平衡狀態(tài)的靜止液體。但實測表明，在密閉系統(tǒng)中流動的液體，其壓力與受相同外載下靜壓力的數(shù)值相差很小。2.1.4壓力的傳遞液體受外力作用的情況下，外力作用產生的壓力與由外加重物和液體自重所產生的壓力相比后者很小，因此，在液壓傳動系統(tǒng)中可以忽略不計，近似地認為在整個液體內部的壓力是相等的。2.1.4壓力的傳遞壓力的傳遞遵循帕斯卡原理或靜壓傳遞原理。即在密閉容器內，施加于靜止液體上的壓力可以等值傳遞到液體內各點。這就是靜壓傳遞原理，或稱為帕斯卡原理。2.1.4壓力的傳遞圖2-2相互連通的容器2.1.4壓力的傳遞如圖2-2所示，設小活塞的面積A1與大活塞的面積A2之比為1：10，在小活塞上施加lkN的力，則在大活塞上就有10kN的向上推力。至于速度，小活塞的運動速度要為大活塞速度的10倍。從行程來說，也是10倍。2.1.5工作壓力形成圖2-3液壓系統(tǒng)壓力的形成（a)外負載為F（b)外負載為零（c)活塞移至缸體端部2.1.5工作壓力形成在圖2-3中，液壓泵連續(xù)地向液壓缸供油，當油液充滿后，由于活塞受到外界負載F的阻礙作用，使活塞不能向右移動，若液壓泵繼續(xù)強行向液壓缸中供油，其擠壓作用不斷加劇，壓力也不斷升高，當作用在活塞有效作用面積A上的壓力升高到足以克服外界負載時，活塞便向右運動，這時系統(tǒng)的壓力為2.1.5工作壓力形成如果F不再改變，則由于活塞的移動，使液壓缸左腔的容積不斷增加，這正好容納了液壓泵的連續(xù)供油量，此時油液不再受到更大的擠壓，因而壓力也就不會再繼續(xù)升高，始終保持相應的p值。2.1.5工作壓力形成果用壓力表實測圖2-3中（b）和圖（c）所示的兩種情況，則測得如圖（b）所示狀態(tài)時的壓力等于零。這是因為此時外界的負載為零(不計管道的阻力)，油液的流動沒有受到阻礙，因此建立不起來壓力。在圖c的情況下，當活塞移至缸體的端部時，由于液壓泵連續(xù)供油，而液壓缸左腔的容積卻無法增加，所以系統(tǒng)的壓力急劇升高，假如系統(tǒng)沒有保護措施，系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)將被破壞。2.1.6液體靜壓力對固體壁面的作用力靜止液體和固體壁面相接觸時，固體壁面上各點在某一方向上所受靜壓作用力的總和，就是液體在該方向上作用于固體壁面上的力。2.1.6液體靜壓力對固體壁面的作用力（1）液體靜壓力對平面的作用力在液壓傳動中，略去了液體自重產生的壓力，液體中各點的靜壓力是均勻分布的，且垂直作用于受壓表面。當固體壁面為一平面時，平面上各點處的靜壓力大小相等，作用在固體壁面上的力F等于靜壓力p與承壓面積A的乘積，其作用力方向垂直于壁面，即2.1.6液體靜壓力對固體壁面的作用力（2）液體靜壓力對曲面的作用力當固體壁面為曲面時，曲面上液壓作用力在某方向（如x方向）上的總作用力Fx等于液體壓力p和曲面在該方向投影面積Ax的乘積，即2.1.6液體靜壓力對固體壁面的作用力例如，如圖2-4所示為一球面和圓錐面受液體壓力作用的情況。球面和圓錐面在垂直方向所受的液體作用力F等于曲面在垂直方向的投影面積A與壓力p的積，即2.1.6液體靜壓力對固體壁面的作用力圖2-4液體靜壓力對曲面的作用力

2.2液壓傳動中的平均流速和流量12流速與流量流動連續(xù)性方程3流量與活塞速度2.2.1流速與流量（1）平均流速液壓傳動是靠流動著的有壓液體來傳遞動力，油液在油管或液壓缸內流動的快慢稱為流速。由于流動的液體在油管或液壓缸的截面上的每一點的速度并不完全相等，因此通常說的流速都是平均流速，用v表示，流速單位為m/s。2.2.1流速與流量（2）流量單位時間內流過某通流截面的液體的體積稱為流量，用qV表示，流量的單位為m3/s，工程上也用L/min（升/分）。2.2.2流動連續(xù)性方程圖2-5液體在管路中連續(xù)流動2.2.2流動連續(xù)性方程如圖2-5所示，密度為ρ的液體，在橫截面不同的管路中定常流動時，設1、2兩個不同的通流截面的面積分別為A1和A2，平均流速分別為υ1和υ2，那么，液體流動的連續(xù)性方程可表示為

υ1A1=υ2A2=常數(shù)

（2-5）2.2.3流量與活塞速度圖2-6簡單液壓系統(tǒng)2.2.3流量與活塞速度圖2-6所示液壓系統(tǒng)中的流量常指通過油管進入液壓缸的流量。以流量為qV(m3/s)的液體進入液壓缸推動活塞運動，取移動的活塞表面積為有效截面A(m2)，顯然液壓缸中的液體流動速度與活塞運動速度相等，且為液體平均流速度v，所以活塞的運動速度為：v=qV/A（2-6）2.2.3流量與活塞速度[例3.1]如圖2-7所示，已知入口流量qV1=25L/min，小活塞桿直徑d1=20mm，小活塞直徑D1=75mm。大活塞桿直徑d2=40mm，大活塞直徑D2=125mm，假設沒有泄漏，求小活塞和大活塞的運動速度υ1、υ2。圖2-7活塞速度計算2.2.3流量與活塞速度解根據(jù)液流流量與流速的關系q=υA，活塞運動速度υ1、υ2分別為2.3伯努利方程12理想液體的伯努利方程實際液體的伯努利方程2.3.1理想液體的伯努利方程理想流體的伯努利方程標示為式（2-8）或式（2-9）的形式：2.3.2實際液體的伯努利方程在推導理想流體伯努利方程時，認為通流截面的各點流速相等，但實際并非如此。因此，對動能部分引入修正系數(shù)α1、α2進行相應修正。這樣，實際液體伯努利方程可表示為2.3.2實際液體的伯努利方程在液壓傳動系統(tǒng)中，管路中的壓力常為十幾個到幾百個大氣壓，而大多數(shù)情況下管路中液壓油的流速不超過6m/s，管路安裝高度變化也不超過5m。因此，在液壓傳動系統(tǒng)中，液壓油流速引起的動能變化和高度引起的位能變化相對壓力能來說可以忽略不計，這樣，液壓傳動系統(tǒng)的能量損失主要表現(xiàn)為壓力損失Δpw。伯努利方程可簡化為p1－p1=△pw（2-10）2.3.2實際液體的伯努利方程[例3.2]如果如圖2-8所示液壓泵的吸油口真空度不夠，將導致液壓泵吸油不足，影響液壓系統(tǒng)正常工作。設油箱液面壓力為p1，液壓泵吸油口處的絕對壓力為p2，泵吸油口距油箱液面的高度為h（吸油高度）。分析吸油高度的影響因素，并計算液壓泵吸油口的真空度。2.3.2實際液體的伯努利方程圖2-8液壓泵吸油口真空度計算2.3.2實際液體的伯努利方程解以油箱液面1—1截面為基準，泵的吸油口為2—2截面。對該兩個截面建立實際液體的伯努利方程，則有：2.3.2實際液體的伯努利方程考慮到如下情況。①油箱液面與大氣接觸，故p1為大氣壓力，即p1=pa。②υ1為油箱液面下降速度，由于υ1遠遠小于υ2，可近似為υ1＝0。③h1=0，h2=h；④泵吸油口處液體的流速υ2等于液體在吸油管內的流速。⑤△pw為吸油管路的能量損失。2.3.2實際液體的伯努利方程因此，上式可簡化為所以，泵的吸油高度h和真空度pa－p2如下：2.4液壓系統(tǒng)中的壓力損失12流動狀態(tài)壓力損失2.4.1流動狀態(tài)（1）層流層流是指液體流動時，液體質點沒有橫向運動，互不混雜，呈線狀或層狀的流動。2.4.1流動狀態(tài)（2）紊流紊流是指液體流動時，液體質點有橫向運動(或產生小旋渦)，做混雜紊亂狀態(tài)的運動。2.4.1流動狀態(tài)（3）雷諾數(shù)液體在圓形管路中的流動狀態(tài)不僅與管內的平均流速υ有關，還與管路的直徑d、液體的運動黏度v有關。實際上，液體流動狀態(tài)是由這三個決定的一個叫做雷諾數(shù)（Re）的參數(shù)所決定的。（2-11）2.4.2壓力損失(1)沿程損失液體在等徑直管中流動時，由于液體內部的摩擦力而產生的能量損失稱為沿程壓力損失，其計算公式為2.4.2壓力損失(2)局部損失液體流過彎頭、各種控制閥門、小孔、縫隙或管道面積突然變化等局部阻礙時，會因流速、流向的改變而產生碰撞、旋渦等現(xiàn)象而產生的壓力損失稱為局部壓力損失，其計算公式為2.4.2壓力損失(3)管路系統(tǒng)總壓力損失整個管路系統(tǒng)的總壓力損失，等于管路系統(tǒng)中所有的沿程壓力損失和所有的局部壓力損失之和，即：∑△p=∑△p沿+∑p局（2-14）2.4.2壓力損失(4)減小壓力損失的措施①縮短管道，減小截面變化和管道彎曲。②管道截面要合理，以限制流速，一般情況下的流速為吸油管小于1m/s；壓油管為2.5~5m/s，回油管小于2.5m/s。③管道內壁力求光滑。④選用黏度合適潤滑油。2.4.2壓力損失（5）壓力損失的危害及可利用之處管路總的壓力損失增大，勢必會降低系統(tǒng)的效率，增加能量消耗。而這些損耗的能量大部分轉換為熱能，使油液的溫度上升，泄漏量加大，影響液壓系統(tǒng)的性能，甚至可能使油液氧化而產生雜質，造成管道或閥口堵塞而使系統(tǒng)發(fā)生故障。2.5液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象12液壓沖擊氣穴2.5.1液壓沖擊(1)液壓沖擊的產生原因在閥門突然關閉或液壓缸快速制動等情況下，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，迅速將動能逐層轉換為壓力能，因而產生了壓力沖擊波；此后，又從另一端開始，將壓力能逐層轉化為動能，液體又反向流動；然后，又再次將動能轉換為壓力能，如此反復地進行能量轉換。2.5.1液壓沖擊(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，還會引起設備振動，產生很