2-液壓傳動(dòng)基本概念

2液壓傳動(dòng)基本概念

液壓傳動(dòng)

液壓傳動(dòng)中的平均流速和流量2.2伯努利方程2.3液壓傳動(dòng)中的壓力2.12液壓傳動(dòng)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(dòng)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(duì)固體壁面的作用力2.1.1壓力的概念液壓傳動(dòng)中所說(shuō)的壓力概念是指當(dāng)液體相對(duì)靜止時(shí)，液體單位面積上所受的法向力，常用符號(hào)p表示。在物理學(xué)中則稱為壓強(qiáng)。

2.1.1壓力的概念靜止液體某點(diǎn)處微小面積△A所受的法向力為△F，則該點(diǎn)的壓力為液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，外載荷（F）通過(guò)活塞（面積為A）均勻地作用于液體表面。此時(shí)，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(duì)壓力和相對(duì)壓力。以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)的壓力為絕對(duì)壓力；以大氣壓（Pa）為基準(zhǔn)的壓力為相對(duì)壓力。大多數(shù)測(cè)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(duì)壓力，也稱表壓力。在液壓傳動(dòng)中，如不特別說(shuō)明，壓力均指相對(duì)壓力。

2.1.2壓力的表示圖2-1絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力、真空度2.1.2壓力的表示如果液體中某點(diǎn)處的絕對(duì)壓力小于大氣壓力（Pa），那么，比大氣壓小的那部分?jǐn)?shù)值叫做該點(diǎn)的真空度。由圖2-1可知，以大氣壓為基準(zhǔn)計(jì)算壓力值時(shí)，基準(zhǔn)以上的正值是表壓力，基準(zhǔn)以下的負(fù)值就是真空度。絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力、真空度的關(guān)系為絕對(duì)壓力＝大氣壓力＋相對(duì)壓力真空度＝大氣壓力－絕對(duì)壓力

2.1.2壓力的表示（2）壓力的單位壓力的法定計(jì)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(guò)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)系2.1.3靜壓力的特性①液體的壓力沿著內(nèi)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(nèi)，任意點(diǎn)處所受到的靜壓力各個(gè)方向都相等。2.1.3靜壓力的特性液壓系統(tǒng)中實(shí)際流動(dòng)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(diǎn)的流速不同，即液體不是處于平衡狀態(tài)的靜止液體。但實(shí)測(cè)表明，在密閉系統(tǒng)中流動(dòng)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(chǎn)生的壓力與由外加重物和液體自重所產(chǎn)生的壓力相比后者很小，因此，在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中可以忽略不計(jì)，近似地認(rèn)為在整個(gè)液體內(nèi)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(nèi)，施加于靜止液體上的壓力可以等值傳遞到液體內(nèi)各點(diǎn)。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(shè)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(yùn)動(dòng)速度要為大活塞速度的10倍。從行程來(lái)說(shuō)，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(fù)載為F（b)外負(fù)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(dāng)油液充滿后，由于活塞受到外界負(fù)載F的阻礙作用，使活塞不能向右移動(dòng)，若液壓泵繼續(xù)強(qiáng)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(dāng)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(fù)載時(shí)，活塞便向右運(yùn)動(dòng)，這時(shí)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(dòng)，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(shí)油液不再受到更大的擠壓，因而壓力也就不會(huì)再繼續(xù)升高，始終保持相應(yīng)的p值。2.1.5工作壓力形成果用壓力表實(shí)測(cè)圖2-3中（b）和圖（c）所示的兩種情況，則測(cè)得如圖（b）所示狀態(tài)時(shí)的壓力等于零。這是因?yàn)榇藭r(shí)外界的負(fù)載為零(不計(jì)管道的阻力)，油液的流動(dòng)沒有受到阻礙，因此建立不起來(lái)壓力。在圖c的情況下，當(dāng)活塞移至缸體的端部時(shí)，由于液壓泵連續(xù)供油，而液壓缸左腔的容積卻無(wú)法增加，所以系統(tǒng)的壓力急劇升高，假如系統(tǒng)沒有保護(hù)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(duì)固體壁面的作用力靜止液體和固體壁面相接觸時(shí)，固體壁面上各點(diǎn)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(duì)固體壁面的作用力（1）液體靜壓力對(duì)平面的作用力在液壓傳動(dòng)中，略去了液體自重產(chǎn)生的壓力，液體中各點(diǎn)的靜壓力是均勻分布的，且垂直作用于受壓表面。當(dāng)固體壁面為一平面時(shí)，平面上各點(diǎn)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(duì)固體壁面的作用力（2）液體靜壓力對(duì)曲面的作用力當(dāng)固體壁面為曲面時(shí)，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(duì)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(duì)固體壁面的作用力圖2-4液體靜壓力對(duì)曲面的作用力

2.2液壓傳動(dòng)中的平均流速和流量12流速與流量流動(dòng)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(dòng)是靠流動(dòng)著的有壓液體來(lái)傳遞動(dòng)力，油液在油管或液壓缸內(nèi)流動(dòng)的快慢稱為流速。由于流動(dòng)的液體在油管或液壓缸的截面上的每一點(diǎn)的速度并不完全相等，因此通常說(shuō)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(shí)間內(nèi)流過(guò)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(dòng)連續(xù)性方程圖2-5液體在管路中連續(xù)流動(dòng)2.2.2流動(dòng)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(dòng)時(shí)，設(shè)1、2兩個(gè)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(dòng)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(jiǎn)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(guò)油管進(jìn)入液壓缸的流量。以流量為qV(m3/s)的液體進(jìn)入液壓缸推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，取移動(dòng)的活塞表面積為有效截面A(m2)，顯然液壓缸中的液體流動(dòng)速度與活塞運(yùn)動(dòng)速度相等，且為液體平均流速度v，所以活塞的運(yùn)動(dòng)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(shè)沒有泄漏，求小活塞和大活塞的運(yùn)動(dòng)速度υ1、υ2。圖2-7活塞速度計(jì)算2.2.3流量與活塞速度解根據(jù)液流流量與流速的關(guān)系q=υA，活塞運(yùn)動(dòng)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(shí)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(biāo)示為式（2-8）或式（2-9）的形式：2.3.2實(shí)際液體的伯努利方程在推導(dǎo)理想流體伯努利方程時(shí)，認(rèn)為通流截面的各點(diǎn)流速相等，但實(shí)際并非如此。因此，對(duì)動(dòng)能部分引入修正系數(shù)α1、α2進(jìn)行相應(yīng)修正。這樣，實(shí)際液體伯努利方程可表示為2.3.2實(shí)際液體的伯努利方程在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，管路中的壓力常為十幾個(gè)到幾百個(gè)大氣壓，而大多數(shù)情況下管路中液壓油的流速不超過(guò)6m/s，管路安裝高度變化也不超過(guò)5m。因此，在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，液壓油流速引起的動(dòng)能變化和高度引起的位能變化相對(duì)壓力能來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)，這樣，液壓傳動(dòng)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(jiǎn)化為p1－p1=△pw（2-10）2.3.2實(shí)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(dǎo)致液壓泵吸油不足，影響液壓系統(tǒng)正常工作。設(shè)油箱液面壓力為p1，液壓泵吸油口處的絕對(duì)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(jì)算液壓泵吸油口的真空度。2.3.2實(shí)際液體的伯努利方程圖2-8液壓泵吸油口真空度計(jì)算2.3.2實(shí)際液體的伯努利方程解以油箱液面1—1截面為基準(zhǔn)，泵的吸油口為2—2截面。對(duì)該兩個(gè)截面建立實(shí)際液體的伯努利方程，則有：2.3.2實(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(nèi)的流速。⑤△pw為吸油管路的能量損失。2.3.2實(shí)際液體的伯努利方程因此，上式可簡(jiǎn)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(dòng)狀態(tài)壓力損失2.4.1流動(dòng)狀態(tài)（1）層流層流是指液體流動(dòng)時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)沒有橫向運(yùn)動(dòng)，互不混雜，呈線狀或?qū)訝畹牧鲃?dòng)。2.4.1流動(dòng)狀態(tài)（2）紊流紊流是指液體流動(dòng)時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)有橫向運(yùn)動(dòng)(或產(chǎn)生小旋渦)，做混雜紊亂狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)。2.4.1流動(dòng)狀態(tài)（3）雷諾數(shù)液體在圓形管路中的流動(dòng)狀態(tài)不僅與管內(nèi)的平均流速υ有關(guān)，還與管路的直徑d、液體的運(yùn)動(dòng)黏度v有關(guān)。實(shí)際上，液體流動(dòng)狀態(tài)是由這三個(gè)決定的一個(gè)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(dòng)時(shí)，由于液體內(nèi)部的摩擦力而產(chǎn)生的能量損失稱為沿程壓力損失，其計(jì)算公式為2.4.2壓力損失(2)局部損失液體流過(guò)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(shí)，會(huì)因流速、流向的改變而產(chǎn)生碰撞、旋渦等現(xiàn)象而產(chǎn)生的壓力損失稱為局部壓力損失，其計(jì)算公式為2.4.2壓力損失(3)管路系統(tǒng)總壓力損失整個(gè)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(nèi)壁力求光滑。④選用黏度合適潤(rùn)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(shì)必會(huì)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(zhuǎn)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(chǎn)生雜質(zhì)，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(chǎn)生原因在閥門突然關(guān)閉或液壓缸快速制動(dòng)等情況下，液體在系統(tǒng)中的流動(dòng)會(huì)突然受阻。這時(shí)，由于液流的慣性作用，液體就從受阻端開始，迅速將動(dòng)能逐層轉(zhuǎn)換為壓力能，因而產(chǎn)生了壓力沖擊波；此后，又從另一端開始，將壓力能逐層轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，液體又反向流動(dòng)；然后，又再次將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能，如此反復(fù)地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)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(shí)，液體瞬時(shí)壓力峰值可以比正常工作壓力大好幾倍。液壓沖擊會(huì)損壞密封裝置、管道或液壓元件，還會(huì)引起設(shè)備振動(dòng)，產(chǎn)生很