《液壓與氣壓傳動技術(shù)》課件第一章

1-1液壓工作介質(zhì)1-2液壓油的力學(xué)基礎(chǔ)1-3液體流動狀態(tài)、液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象【學(xué)習(xí)目標(biāo)】(１)掌握工作介質(zhì)液壓油的分類及物理性質(zhì).(２)掌握液體靜力學(xué)、動力學(xué)基礎(chǔ)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(zhì)一、液壓工作介質(zhì)的種類在液壓傳動系統(tǒng)中,工作介質(zhì)按照GB/T7631.287(等效采用ISO6743/4)進(jìn)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(zhì).液壓油是傳遞信號和能量的轉(zhuǎn)換介質(zhì),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(zhì)１．密度單位體積內(nèi)液體的質(zhì)量,稱為液體的密度.體積為V、質(zhì)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(zhì)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(nèi)聚力要阻止分子間的相對運(yùn)動而產(chǎn)生一種內(nèi)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(yùn)動黏度ν和相對黏度.３)黏度與壓力、溫度的關(guān)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(nèi),黏度可忽略不計(jì).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(zhì).(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(jì)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(yùn)動速度高時,宜選黏度小的;工作元件運(yùn)動速度低時,宜選黏度大的.其次選用經(jīng)濟(jì)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(zhì)量再好的液壓油其性能也不可能永遠(yuǎn)保持不變.液壓油變質(zhì)除了會降低使用性能外,劣化生成的有機(jī)酸或油泥還會導(dǎo)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(jì),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(yùn)輸、安裝、運(yùn)行、維護(hù)、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(zhǔn)(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(nèi).１-２液壓油的力學(xué)基礎(chǔ)一、液體的靜力學(xué)基礎(chǔ)液體的靜力學(xué)主要討論液體處于靜止?fàn)顟B(tài)時的平衡規(guī)律及這些規(guī)律的應(yīng)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(nèi)法向力,簡稱壓力.在物理學(xué)中它稱為壓強(qiáng),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(zhì):(１)液體的靜壓力垂直于其作用平面,其方向與該平面的內(nèi)法線方向一致.(２)靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)的壓力在各個方向上都相等.２．靜力學(xué)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(diǎn)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(diǎn)壓力作用的公式計(jì)算為式(１３)為液體靜力學(xué)基本方程,該式表明:(１)靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)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(diǎn)距液面深度h的乘積.當(dāng)液面上只受大氣壓Pa作用時,點(diǎn)A處的靜壓力則為P＝Pa＋ρgh.(２)靜止液體內(nèi)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(diǎn)壓力都相等,由壓力相等的點(diǎn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(dāng)絕對壓力小于大氣壓力時,可用容器內(nèi)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(guān)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(guān)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(dāng)一處受到壓力作用時,這個壓力將通過液體自身傳到內(nèi)部的任意點(diǎn)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(xué)基礎(chǔ)１．基本概念(１)理想液體:既無黏性又不可壓縮的液體.(２)實(shí)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(diǎn)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(diǎn)的壓力、速度和密度中有一項(xiàng)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(nèi)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(diǎn)的流速不相等.２．連續(xù)性方程質(zhì)量守恒定律是一項(xiàng)基本物理定律,在流體力學(xué)中廣泛應(yīng)用.如圖１９所示,理想液體在管道內(nèi)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(zhì)量相等,因此有由于液體近似認(rèn)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(xiàng)基本物理定律,在流體力學(xué)中得以應(yīng)用.物理意義:理想的液體在管道內(nèi)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(zhuǎn)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(chǎn)生的壓力損失.這類壓力損失是由液體流動時的內(nèi)、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(kuò)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(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.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(nèi)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?qū)訝?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(zhì)點(diǎn)運(yùn)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(shí)驗(yàn)表明,決定流動狀態(tài)的是管內(nèi)的平均流速v、液體的運(yùn)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(chǎn)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(guān)閉時的液壓沖擊和運(yùn)動部件制動時產(chǎn)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(shè)備事故.２．減少液壓沖擊的措施(１)延長閥門關(guān)閉和運(yùn)動部件制動換向的時間.(２)限制管道流速及運(yùn)動部件的速度.(３)適當(dāng)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(shè)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(jī)理及危害液壓系統(tǒng)中,某點(diǎn)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(chǎn)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(dāng)壓力進(jìn)一步減小到低于液體的飽和蒸汽壓時,液體將迅速汽化,產(chǎn)生大量蒸汽氣泡使空穴現(xiàn)象更加嚴(yán)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(jìn)入高壓區(qū),高壓會使氣泡迅速崩潰,使局部產(chǎn)生非常高的溫度和沖擊壓力,引起振動和噪聲;