01、液壓傳動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí).ppt

1、ysu-2010,歡 迎 使 用 液壓與氣壓傳動(dòng) 多媒體授課系統(tǒng),燕 山 大 學(xué) 液壓與氣壓傳動(dòng)課程組 內(nèi)容編輯：姚春東、高殿榮 設(shè)計(jì)制作：姚春東,ysu-2010,第一章 液壓傳動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí),第一節(jié) 流體靜力學(xué) 第二節(jié) 流體動(dòng)力學(xué) 第三節(jié) 定常管流的壓力損失計(jì)算 第四節(jié) 孔口和縫隙流動(dòng) 第五節(jié) 空穴現(xiàn)象,ysu-2010,第一節(jié) 流體靜力學(xué),液體靜力學(xué)主要是討論液體靜止時(shí)的平衡規(guī)律以及這些規(guī)律的應(yīng)用。 一、液體靜壓力及其特征 液體的壓力p是指液體在單位面積上所受的作用力。設(shè)液體在面積f上所受的作用力為P，則有,兩個(gè)主要特征： （1）液體靜壓力的方向，總是沿著作用面的內(nèi)法線方向； （2）靜止液體

2、內(nèi)任一點(diǎn)的液體靜壓力在各個(gè)方向上都相等。,ysu-2010,二、液體靜壓力基本方程,1.靜壓力基本方程 圖示容器中液面上的壓力為大氣壓力p0，液面下深度為h處的一點(diǎn)B的壓力pB為 pB A=p0A+ gh A 即 pB=p0+gh 由此可知： （1）靜止液體內(nèi)任一處的壓力由兩部分組成，一部分是液面上的壓力p0，另一部分是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(shí)，點(diǎn)B處的靜壓力為： pB=pa+gh （2）同一容器中同一液體內(nèi)的靜壓力隨深度h的增加而線性增加。,p0A,ghA,pBA,（3）連通器內(nèi)同一液體中深度h相同的各處壓力都相等，由壓力相等的點(diǎn)組成的面稱為等壓面。在重力作

3、用下靜止液體中的等壓面是一個(gè)水平面。,ysu-2010,2、靜壓力基本方程式的物理意義,由p=p0+gh 可得 h=（p-p0）/g 靜止液體中，液體的能量可以用壓力能p表示，也可以用液柱高h(yuǎn)表示。 但各點(diǎn)的總能量保持不變。 例如：1kg/cm2(一個(gè)工程大氣壓)相當(dāng)于10m水柱高。760mm水銀柱高。,ysu-2010,三、壓力的表示方法及單位,絕對(duì)壓力=相對(duì)壓力+大氣壓力 真空度=大氣壓力-絕對(duì)壓力 壓力的單位：帕斯卡 Pa 1 Pa = 1 N/m2 1 MPa=106 Pa =10 kg/cm2(工程大氣壓力) 四、帕斯卡原理 應(yīng)用：水壓機(jī)、液壓千斤頂?shù)取?相對(duì)壓力（負(fù)） 真空度,絕對(duì)

4、壓力,相對(duì)壓力,（正）,絕對(duì)壓力,ppa,絕對(duì)真空,大氣壓力pa,Ppa,絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力和真空度,ysu-2010,五、液體靜壓力,液體作用在固體壁面上的靜壓力F由下式計(jì)算： F=pA A=D2/4 (圖a) A=d2/4 (圖b,c),圖3 液壓力作用在固體壁面上的力,ysu-2010,第二節(jié) 液體動(dòng)力學(xué),本節(jié)主要討論作用在流體上的力以及這些力和流體運(yùn)動(dòng)特征之間的關(guān)系。 一、基本概念 1.理想液體、定常流動(dòng)和一維流動(dòng) 理想液體：既無(wú)粘性又不可壓縮的液體。 定常流動(dòng)（穩(wěn)定流動(dòng)）：是指流體中任意一點(diǎn)的壓力、速度和密度都不隨時(shí)間而變化的流動(dòng)。 若三者中有一項(xiàng)隨時(shí)間而變化，就稱為不穩(wěn)定流動(dòng)。 一

5、維流動(dòng)：是指流體中任意一點(diǎn)的壓力、速度和密度都只隨x而變化的流動(dòng)。,ysu-2010,2.跡線、流線、流束和通流截面,流束：如果通過(guò)某截面A上所有各點(diǎn)畫(huà)出流線，這些流線的集合構(gòu)成流束。,流線：是某一瞬時(shí)液流中一條條標(biāo)志其質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的曲線，在流線上各點(diǎn)處的瞬時(shí)液流方向與該點(diǎn)的切線方向重合。,ysu-2010,3.流量與平均流速,流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)某截面的液體的體積（m3/s）或（L/min）,平均流速 v=q/A,二、連續(xù)性方程 質(zhì)量守恒 u1dA1dt = u2dA2dt 密度不變、 時(shí)間dt不變、則流量相同。 用平均速度表示 q = v1A1 = v2A2= vA=常數(shù),ysu-2010

6、,物理意義,1）速度可傳遞,2）速度方向可改變,3）速度大小可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié),ysu-2010,三、伯努利方程,1.理想液體的伯努利方程,物理意義：理想液體在實(shí)際流動(dòng)過(guò)程中，其壓力能、位能和動(dòng)能可相互轉(zhuǎn)化，但總能量不變。,2.實(shí)際液體總流的伯努利方程： 實(shí)際液體是有粘性和可壓縮的，它在運(yùn)動(dòng)時(shí)由于摩擦要損耗一部分能量，這部分能量損耗用損失水頭hW表示。,goto,ysu-2010,第四節(jié) 定常管流的壓力損失計(jì)算,實(shí)際液體具有粘性，在流動(dòng)時(shí)就有阻力，為了克服阻力，就必然要消耗能量，這樣就有能量損失。在液壓傳動(dòng)中，能量損失主要表現(xiàn)為壓力損失。液壓系統(tǒng)中的壓力損失分為兩類，一類是油液沿等直徑直管流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生

7、的壓力損失，稱之為沿程壓力損失。這類壓力損失是由液體流動(dòng)時(shí)的內(nèi)、外摩擦力所引起的。 另一類是油液流經(jīng)局部障礙(如彎管、接頭、管道截面突然擴(kuò)大或收縮)時(shí)，由于液流的方向和速度的突然變化，在局部形成旋渦引起油液質(zhì)點(diǎn)間以及質(zhì)點(diǎn)與固體壁面間相互碰撞和劇烈摩擦而產(chǎn)生的壓力損失稱之為局部壓力損失。,ysu-2010,一、流態(tài)、雷諾數(shù),1層流和紊流流體在流動(dòng)時(shí)，通過(guò)雷諾實(shí)驗(yàn)，可以看到下圖所示的幾種流動(dòng)狀態(tài)。在低速流動(dòng)時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)互不干擾，液體的流動(dòng)呈線性或?qū)訝?，且平行于管道軸線，如圖a所示，此種流動(dòng)狀態(tài)稱為層流； 當(dāng)流速大時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)雜亂無(wú)章，除了平行于管道軸線的運(yùn)動(dòng)外，還存在著劇烈的橫向運(yùn)動(dòng)，此種流

8、動(dòng)狀態(tài)稱為紊流，如圖d所示；圖b中色線開(kāi)始折斷，表明層流開(kāi)始破壞，圖c中色線上下波動(dòng)，并出現(xiàn)斷裂，表現(xiàn)液體流動(dòng)已趨于紊流，此兩種狀態(tài)稱為變流，一般也將其看成紊流。,ysu-2010,層流時(shí)，液體流速較低，質(zhì)點(diǎn)受粘性制約，不能隨意運(yùn)動(dòng)，粘性力起主導(dǎo)作用；但在紊流時(shí)，因液體流速較高，粘性的制約作用減弱，因而慣性力起主導(dǎo)作用。液體流動(dòng)時(shí)究竟是層流還紊流，須用雷諾數(shù)來(lái)判別。,2雷諾數(shù) 實(shí)驗(yàn)表明，液體在圓管中的流動(dòng)狀態(tài)不僅與管內(nèi)的平均流速v有關(guān)，還和管徑、液體的運(yùn)動(dòng)粘度有關(guān)，但是真正決定液流流動(dòng)狀態(tài)的是用這三個(gè)數(shù)所組成的一個(gè)稱為雷諾數(shù)Re的無(wú)量綱數(shù)，即,液流由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯睦字Z數(shù)稱為下臨界雷諾數(shù)，一般

9、都用下臨界雷諾數(shù)作為判別液流狀態(tài)的依據(jù)，簡(jiǎn)稱臨界雷諾數(shù)，當(dāng)液流實(shí)際流動(dòng)時(shí)的雷諾數(shù)小于臨界雷諾數(shù)時(shí)，液流為層流，反之液流則為紊流，常見(jiàn)的液流管道的臨界雷諾數(shù)可由實(shí)驗(yàn)求得。,ysu-2010,對(duì)于非圓截面管道來(lái)說(shuō)，Re可用下式來(lái)計(jì)算,式中，R為通流截面的水力半徑。它等于液流的有效截面積A和它的濕周 (通流截面上與液體接觸的固體壁面的周長(zhǎng)) x之比，即,水力半徑大小對(duì)管道通流能力影響很大。水力半徑大，表明液流與管壁接觸少，通流能力大；水力半徑小，表明液流與管壁接觸多，通流能力小，容易堵塞。,ysu-2010,二、液體在直管道中的壓力損失,液體在直管道中流動(dòng)的壓力損失稱為沿程壓力損失，它與管道的長(zhǎng)度、

10、內(nèi)徑和液體的流速、粘度以及液體的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。 （一）液體在通流截面上的速度分布規(guī)律,積分得,ysu-2010,邊界條件,液體在通流截面上的速度分布規(guī)律為二次曲線,ysu-2010,2、圓管中的流量,ysu-2010,3、沿程壓力損失,ysu-2010,（二）紊流時(shí)的壓力損失,視雷諾數(shù)大小取值不同,（三）局部壓力損失,局部阻力損失系數(shù)，由彎管及閥門(mén)結(jié)構(gòu)不同查表。,（四）管路系統(tǒng)中的總壓力損失與壓力效率,ysu-2010,第五節(jié) 孔口和縫隙流動(dòng),一、孔口液流特性 在液壓系統(tǒng)的管路中，裝有截面突然收縮的裝置，稱為節(jié)流裝置(如節(jié)流閥)。突然收縮處的流動(dòng)叫節(jié)流。在液壓傳動(dòng)及控制中常人為地制造各種形式的

11、孔口節(jié)流裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)流量和壓力的控制。1薄壁小孔的流量公式 當(dāng)小孔的通流長(zhǎng)度與孔徑之比l/d05時(shí)稱之為薄壁小孔，如圖所示。,式中： Cd流量系數(shù)； A0小孔過(guò)流面積，A0 =d2/4； p為小孔前后壓差。 流量系數(shù)Cd一般由實(shí)驗(yàn)確定。在液流完全收縮的情況下， Cd0.600.62。當(dāng)液流為不完全收縮時(shí)，Cd0.70.8。,ysu-2010,2.液流流經(jīng)細(xì)長(zhǎng)孔和短孔的流量,液體流經(jīng)細(xì)長(zhǎng)小孔時(shí)，一般都是層流狀態(tài)，所以可直接應(yīng)用前面已導(dǎo)出的直管流量公式來(lái)計(jì)算，當(dāng)孔口直徑為d，截面積為Ad2/4時(shí)，可寫(xiě)成：,為了分析問(wèn)題方便起見(jiàn)，將上面兩式一并用下式表示，即：,式中：m為指數(shù)，當(dāng)孔口為薄壁小孔時(shí)，m

12、0.5，當(dāng)孔口為細(xì)長(zhǎng)孔時(shí)，m1 K為孔口的通流系數(shù)，當(dāng)孔口為薄壁孔時(shí)，KCd(2/)0.5；當(dāng)孔口為細(xì)長(zhǎng)孔時(shí)，Kd2/（32l）。 液流流經(jīng)短孔的流量仍可用薄壁小孔的流量計(jì)算式： qCdA (2p/) m，但其中的流量系數(shù)可在有關(guān)液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)中查得。0.5m1。短孔加工比薄壁小孔容易，故常用作固定的節(jié)流器使用。,ysu-2010,二、縫隙液流特性,液壓元件內(nèi)各零件間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，必須要有適當(dāng)間隙。間隙過(guò)大，會(huì)造成泄漏；間隙過(guò)小，會(huì)使零件卡死。如圖所示的泄漏是由壓差和間隙造成的。內(nèi)泄漏的損失轉(zhuǎn)換為熱能，使油溫升高，外泄漏污染環(huán)境，兩者均影響系統(tǒng)的性能與效率，因此，研究液體流經(jīng)間隙的泄漏量、壓差與間

13、隙量之間的關(guān)系，對(duì)提高元件性能及保證系統(tǒng)正常工作是必要的。,內(nèi)泄漏與外泄漏,ysu-2010,（一）平行平板的間隙流動(dòng),液體流經(jīng)平行平板間隙的一般情況是既受壓差p=p1-p2的作用，同時(shí)又受到平行平板間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用。 如圖示,設(shè)平板長(zhǎng)為l，寬為b，兩平行平板間的間隙為h，且lh，bh，液體不可壓縮，質(zhì)量力忽略不計(jì)，粘度不變。,在液體中取一個(gè)微元體dx dy(寬度方向取單位長(zhǎng))，作用在它與液流相垂直的兩個(gè)表面上的壓力為p和p+dp，作用在與液流相平行的上下兩個(gè)表面上的切應(yīng)力為和+d，因此它的受力平衡方程為,ysu-2010,1、固定平行平板間隙流動(dòng)(壓差流動(dòng))的漏失量,上、下兩平板均固定不動(dòng)，

14、液體在間隙兩端的壓差的作用下而在間隙中流動(dòng)，稱為壓差流動(dòng)。其漏失量為,2兩平行平板有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的間隙流動(dòng)(1)兩平行平板有相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度u，但無(wú)壓差 這種流動(dòng)稱為純剪切流動(dòng)。其漏失量公式為：,A,ysu-2010,(2)兩平行平板既有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩端又存在壓差時(shí)的流動(dòng),這是一種普遍情況，其速度和流量是以上兩種情況的線性疊加，即,漏失量：,速度:,當(dāng)長(zhǎng)平板相對(duì)于短平板的運(yùn)動(dòng)方向和壓差與流動(dòng)方向一致時(shí)，取“+”號(hào)(泵缸)；反之取“-”號(hào)（液缸、馬達(dá)）。 損失能量：,結(jié)論：間隙h越小，泄漏功率損失也越小。但是h的減小會(huì)使液壓元件中的摩擦功率損失增大，因而間隙h有一個(gè)使這兩種功率損失之和達(dá)到最小的最佳值，

15、并不是越小越好。,ysu-2010,(二)圓柱環(huán)形間隙流動(dòng),當(dāng)h/r1時(shí)，可以將環(huán)形間隙間的流動(dòng)近似地看作是平行平板間隙間的流動(dòng)，只要將bd代入平行平板間隙漏失量公式，就可得到這種情況下的流量，即：,液壓元件中液壓缸缸體與活塞之間的間隙，閥體與滑閥閥芯之間的間隙中的流動(dòng)均屬這種情況。 1同心環(huán)形間隙在壓差作用下的流動(dòng),當(dāng)長(zhǎng)圓柱表面相對(duì)短圓柱表面的運(yùn)動(dòng)方向與壓差流動(dòng)方向一致時(shí)取“+”號(hào)，反之取“-”號(hào)。,ysu-2010,2偏心環(huán)形間隙在壓差作用下的流動(dòng),由此式可見(jiàn)完全偏心時(shí)1，即最大偏心eh0時(shí)，其流量為同心時(shí)流量的2.5倍，這說(shuō)明了偏心對(duì)泄漏量的影響。所以對(duì)液壓元件的同心度應(yīng)有適當(dāng)要求。,液

16、壓元件中經(jīng)常出現(xiàn)偏心環(huán)狀的情況，例如油缸活塞與缸筒不同心時(shí)就形成了偏向環(huán)狀間隙。下圖表示了偏心環(huán)狀間隙的簡(jiǎn)圖。令R-rh0(同心時(shí)半徑間隙量)，e/h0(相對(duì)偏心率)，則有：,ysu-2010,3內(nèi)外圓柱表面有相對(duì)運(yùn)動(dòng)且又存在壓差的流動(dòng),式中等號(hào)右邊第一項(xiàng)為壓差流動(dòng)的流量，第二項(xiàng)為純剪切流動(dòng)的泄漏，當(dāng)長(zhǎng)圓柱表面相對(duì)短圓柱表面的運(yùn)動(dòng)方向與壓差流動(dòng)方向一致時(shí)取“+”號(hào)，反之取“-”號(hào)。,ysu-2010,第六節(jié)空穴現(xiàn)象,在液壓系統(tǒng)中，由于某種原因會(huì)產(chǎn)生低氣壓，當(dāng)壓力低于液體的空氣分離壓時(shí)，液體中溶解的空氣就會(huì)分離出來(lái)，以氣泡的形式存在于液體中，使原來(lái)充滿管道的液體出現(xiàn)了氣體的空穴，這種現(xiàn)象稱為空穴

17、現(xiàn)象；另外，當(dāng)絕對(duì)壓力低于液體的飽和蒸氣壓時(shí)，液體中會(huì)出現(xiàn)大量的蒸氣泡，這也稱空穴現(xiàn)象。 空穴現(xiàn)象使液壓裝置產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，使金屬表面受到腐蝕。,ysu-2010,節(jié)流口處的氣穴現(xiàn)象,氣蝕：管道中低壓區(qū)發(fā)生空穴現(xiàn)象時(shí)（低壓區(qū)），氣泡隨著液流進(jìn)入高壓區(qū)后，隨即急劇潰滅或急劇縮小，原來(lái)氣泡所占的空間形成了真空，四周液體質(zhì)點(diǎn)將以極大的速度沖向潰滅或壓縮氣泡中心，產(chǎn)生局部沖擊現(xiàn)象（形成高壓、高溫），使金屬剝落，表面形成麻點(diǎn)或出現(xiàn)小坑，這種因空穴現(xiàn)象而加劇金屬表面腐蝕的現(xiàn)象，稱為氣蝕。（汽蝕動(dòng)畫(huà)） 空穴現(xiàn)象發(fā)生在液流的低壓區(qū)，氣蝕現(xiàn)象發(fā)生在高壓區(qū)。,ysu-2010,第七節(jié) 液壓沖擊 （汽蝕動(dòng)畫(huà)）,在液壓系統(tǒng)中，由于某種原因，液體壓力在一瞬間會(huì)突然升高，產(chǎn)生很高的壓力峰值，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊。液壓沖擊的壓力峰值往往比正常工作壓力高好幾倍，且常伴有巨大的振動(dòng)和噪聲，使液壓系統(tǒng)產(chǎn)生溫升，并使某些液壓元件（如壓力繼電器、液壓控制閥等）產(chǎn)生誤動(dòng)作，導(dǎo)致設(shè)備損壞。 1、液壓沖擊的類型: （1）閥門(mén)突然打開(kāi)或關(guān)閉，及系統(tǒng)中某些元件反應(yīng)的滯后，使液流突然停止運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的液壓沖擊； （2）運(yùn)動(dòng)部件突然啟動(dòng)或停止，因其慣性使液壓缸和相連管道中壓力產(chǎn)生急劇變化而形成壓力波，會(huì)產(chǎn)生液壓沖擊。,ysu-2010,2、消除或減弱液