《液壓與氣壓傳動案例教程》課件項(xiàng)目1

項(xiàng)目1液壓系統(tǒng)基本知識模塊1.1基本液壓系統(tǒng)分析模塊1.2液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)選擇模塊1.3液體靜力學(xué)分析模塊1.4液體動力學(xué)分析模塊1.5管道內(nèi)壓力損失的計(jì)算模塊1.6液壓沖擊及空穴現(xiàn)象分析習(xí)題1模塊1.1基本液壓系統(tǒng)分析

任務(wù)1.1.1液壓千斤頂工作狀態(tài)分析

液壓傳動的工作原理可以用一個(gè)液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟韥碚f明。

圖1-1-1是液壓千斤頂工作原理圖。大油缸9和大活塞8組成舉升液壓缸，杠桿手柄1、小油缸2、小活塞3、單向閥4和7組成手動液壓泵。如提起手柄使小活塞向上移動，小活塞下端油腔容積增大，形成局部真空，這時(shí)單向閥4打開，通過吸油管5從油箱12中吸油；用力壓下手柄，小活塞下移，小活塞下腔壓力升高，單向閥4關(guān)閉，單向閥7打開，下腔的油液經(jīng)管道6輸入舉升油缸9的下腔，迫使大活塞8向上移動，頂起重物。再次提起手柄吸油時(shí)，單向閥7自動關(guān)閉，使油液不能倒流，從而保證了重物不會自行下落。不斷地往復(fù)扳動手柄，就能不斷地把油液壓入舉升缸下腔，使重物逐漸地升起。如果打開截止閥11，舉升缸下腔的油液通過管道10、截止閥11流回油箱，重物就向下移動。這就是液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟?。圖1-1-1液壓千斤頂工作原理圖液壓傳動是利用有壓力的油液作為傳遞動力的工作介質(zhì)。壓下杠桿時(shí)，小油缸2輸出壓力油，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能，壓力油經(jīng)過管道6及單向閥7，推動大活塞8舉起重物，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。大活塞8舉升的速度取決于單位時(shí)間內(nèi)流入大油缸9中油液容積的多少。由此可見，液壓傳動是一個(gè)不同能量之間的轉(zhuǎn)換過程。任務(wù)1.1.2液壓工作臺工作狀態(tài)分析

1.典型液壓系統(tǒng)分析

液壓千斤頂是一種簡單的液壓傳動裝置。下面分析一種半結(jié)構(gòu)式液壓系統(tǒng)，如圖1-1-2所示。

機(jī)床工作臺液壓系統(tǒng)由油箱、濾油器、液壓泵、溢流閥、開停閥、節(jié)流閥、換向閥、液壓缸以及連接這些元件的油管、接頭組成。其工作原理如下：液壓泵由電動機(jī)驅(qū)動后，從油箱中吸油。油液經(jīng)濾油器進(jìn)入液壓泵，油液在泵腔中從入口低壓到泵出口高壓，在圖1-1-2(a)所示狀態(tài)下，通過開停閥、節(jié)流閥、換向閥進(jìn)入液壓缸左腔，推動活塞使工作臺向右移動。這時(shí)，液壓缸右腔的油經(jīng)換向閥和回油管6排回油箱。圖1-1-2半結(jié)構(gòu)式液壓系統(tǒng)如果將換向閥手柄轉(zhuǎn)換成圖1-1-2(b)所示狀態(tài)，則壓力管中的油將經(jīng)過開停閥、節(jié)流閥和換向閥進(jìn)入液壓缸右腔,推動活塞使工作臺向左移動，并使液壓缸左腔的油經(jīng)換向閥和回油管6排回油箱。

工作臺的移動速度是通過節(jié)流閥來調(diào)節(jié)的。當(dāng)節(jié)流閥開大時(shí)，進(jìn)入液壓缸的油量增多，工作臺的移動速度增大；當(dāng)節(jié)流閥關(guān)小時(shí)，進(jìn)入液壓缸的油量減小，工作臺的移動速度減小。為了克服移動工作臺時(shí)所受到的各種阻力，液壓缸必須產(chǎn)生一個(gè)足夠大的推力，這個(gè)推力是由液壓缸中的油液壓力所產(chǎn)生的。要克服的阻力越大，缸中的油液壓力越高；反之壓力就越低。這種現(xiàn)象正說明了液壓傳動的一個(gè)基本原理——壓力取決于負(fù)載。

2.液壓傳動系統(tǒng)圖的圖形符號

圖1-1-2所示的是一種半結(jié)構(gòu)式的液壓系統(tǒng)工作原理圖。它有直觀性強(qiáng)、容易理解的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)原理圖檢查十分方便，但圖形比較復(fù)雜，繪制比較麻煩。我國已經(jīng)制定了一種用規(guī)定的圖形符號來表示液壓原理圖中的各元件和連接管路的國家標(biāo)準(zhǔn)，即《液壓系統(tǒng)圖圖形符號(GB786—76)》。

圖1-1-3所示為圖1-1-2(a)系統(tǒng)采用《液壓系統(tǒng)圖圖形符號(GB786—76)》繪制的工作原理圖。使用這些圖形符號可使液壓系統(tǒng)圖簡單明了，且便于繪圖。圖1-1-3機(jī)床工作臺液壓系統(tǒng)的圖形符號圖

3.液壓傳動的優(yōu)缺點(diǎn)

1)液壓傳動的優(yōu)點(diǎn)

液壓傳動之所以能得到廣泛的應(yīng)用，是由于它具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）由于液壓傳動是油管連接，所以借助油管的連接可以靈活方便地布置傳動機(jī)構(gòu)，這是比機(jī)械傳動優(yōu)越的地方。由于液壓缸的推力很大，加之極易布置，在挖掘機(jī)等重型工程機(jī)械上，已基本取代了老式的機(jī)械傳動，不僅操作方便，而且外形美觀大方。

（2）液壓傳動裝置的重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小。目前，液壓泵和液壓馬達(dá)單位功率的重量指標(biāo)是發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的1/10，液壓泵和液壓馬達(dá)可小至0.0025N/W(牛/瓦)，發(fā)電機(jī)和電動機(jī)則約為0.03N/W。（3）液壓傳動可在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。借助閥或變量泵、變量馬達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速范圍可達(dá)1∶2000，并可在液壓裝置運(yùn)行的過程中進(jìn)行調(diào)速。

（4）液壓傳動均勻平穩(wěn)，負(fù)載變化時(shí)速度較穩(wěn)定。正因?yàn)榇颂攸c(diǎn)，金屬切削機(jī)床中的磨床傳動現(xiàn)在幾乎都采用液壓傳動。

（5）液壓裝置易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。借助于溢流閥等裝置，過載保護(hù)的實(shí)現(xiàn)較為簡單，液壓件能自行潤滑，因此使用壽命長。

（6）液壓傳動容易實(shí)現(xiàn)自動化。借助于各種控制閥，特別是結(jié)合使用液壓控制和電氣控制時(shí)，能很容易地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動工作循環(huán)，而且可以實(shí)現(xiàn)遙控。

（7）液壓元件已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，便于設(shè)計(jì)、制造和推廣使用。

2)液壓傳動的缺點(diǎn)

液壓傳動的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）液壓系統(tǒng)中的漏油等因素，影響運(yùn)動的平穩(wěn)性和正確性，使得液壓傳動不能保證嚴(yán)格的傳動比。

（2）液壓傳動對油溫的變化比較敏感。溫度變化時(shí)，液體粘性變化，引起運(yùn)動特性的變化，使得工作的穩(wěn)定性受到影響，所以它不宜在溫度變化很大的環(huán)境下工作。

（3）為了減少泄漏，以及為了滿足某些性能上的要求，液壓元件的配合件制造精度要求較高，加工工藝較復(fù)雜。

（4）液壓傳動要求有單獨(dú)的能源，不像電源那樣使用方便。

（5）液壓系統(tǒng)發(fā)生故障后不易檢查和排除。

4.液壓傳動在機(jī)床中的應(yīng)用

在機(jī)床上，液壓傳動常應(yīng)用在以下的一些裝置中。

（1）進(jìn)給運(yùn)動傳動裝置：磨床砂輪架和工作臺的進(jìn)給運(yùn)動；車床、六角車床、自動車床的刀架或轉(zhuǎn)塔刀架；銑床、刨床、組合機(jī)床的工作臺等的進(jìn)給運(yùn)動。這些部件有的要求快速移動，有的要求慢速移動，有的則既要求快速移動，也要求慢速移動。這些運(yùn)動多半要求有較大的調(diào)速范圍，要求在工作中無級調(diào)速，有的要求持續(xù)進(jìn)給，有的要求間歇進(jìn)給，有的要求在負(fù)載變化下速度恒定，有的要求有良好的換向性能等等。所有這些要求都是可以用液壓傳動來實(shí)現(xiàn)的。

（2）往復(fù)主體運(yùn)動傳動裝置：龍門刨床的工作臺、牛頭刨床或插床的滑枕。由于這些裝置要求作高速往復(fù)直線運(yùn)動，并且要求換向沖擊小、換向時(shí)間短、能耗低，因此都可以采用液壓傳動。（3）仿形裝置：車床、銑床、刨床上的仿形加工，其精度可達(dá)0.01～0.02mm。此外，磨床上的成形砂輪修正裝置亦可采用這種系統(tǒng)。

（4）輔助裝置：機(jī)床上的夾緊裝置、齒輪箱變速操縱裝置、絲桿螺母間隙消除裝置、垂直移動部件平衡裝置、分度裝置、工件和刀具裝卸裝置、工件輸送裝置等。在這些裝置中采用液壓傳動有利于簡化機(jī)床結(jié)構(gòu),提高機(jī)床自動化程度。

（5）靜壓支承：重型機(jī)床、高速機(jī)床、高精度機(jī)床上的軸承、導(dǎo)軌、絲杠螺母機(jī)構(gòu)等。這些裝置采用液體靜壓支承后，可以提高工作平穩(wěn)性和運(yùn)動精度。

液壓傳動在其他機(jī)械工業(yè)部門的應(yīng)用情況如表1-1-1所示。模塊1.2液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)選擇

任務(wù)1.2.1液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)性質(zhì)分析

1.粘性的表示方法

液體在外力作用下流動(或有流動趨勢)時(shí)，分子間的內(nèi)聚力要阻止分子相對運(yùn)動而產(chǎn)生一種內(nèi)摩擦力。這種阻礙液體分子之間相對運(yùn)動的性質(zhì)叫做液體的粘性。粘性使流動液體內(nèi)部各處的速度不相等，若兩平行平板間充滿液體，下平板不動，而上平板以速度u0向右平動。由于液體的粘性，緊靠下平板和上平板的液體層速度分別為0和u0，而中間各液層的速度則從下到上逐漸遞增。當(dāng)兩平行板之間的距離較小時(shí)，各液層間的速度呈線性規(guī)律變化。

1)動力粘度

液體的粘度用μ來表示，是指液體在單位速度梯度下流動時(shí)單位面積上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力。由于μ與力有關(guān)，所以μ又稱動力粘度，或絕對粘度。它的法定計(jì)量單位為Pa·s，以前沿用的單位為P(泊，dyn·s/cm2，1Pa·s=10P=103cP(厘泊))。

2)運(yùn)動粘度

動力粘度與液體密度的比值，稱為液體的運(yùn)動粘度，以ν表示，即(1-2-1)運(yùn)動粘度沒有明確的物理意義，只是在分析和計(jì)算中經(jīng)常用到μ與ρ的比值，才引入這個(gè)物理量，又由于它的量綱只與長度和時(shí)間有關(guān)，所以稱之為運(yùn)動粘度。運(yùn)動粘度的法定計(jì)量單位為m2/s，以前沿用的單位為St(斯)和cSt(厘斯)

(1m2/s=104St=106cSt)。

3)相對粘度

相對粘度又稱條件粘度，它是按一定的測量條件制定的，然后再根據(jù)關(guān)系式換算出動力粘度或運(yùn)動粘度。各國采用的測量條件是不同的。中國、德國等國采用恩氏粘度(E)，美國采用賽氏粘度(SSU)，英國采用雷氏粘度(R)。

2.液壓油的分類

液壓油的分類如下：

1）石油型液壓油

石油型液壓油是以石油的精煉物為基礎(chǔ)，加入抗氧化劑或抗磨劑等混合而成的液壓油。不同性能、不同品種、不同精度則加入不同的添加劑。具體有普通液壓油、專用液壓油、抗磨液壓油、高粘度指數(shù)液壓油幾類。

2）難燃液壓油

難燃液壓油可分為合成液壓油和含水液壓油兩類。合成液壓油也稱磷酸脂液壓油；含水液壓油包括兩種，即水(乙二醇液壓油)與乳化液(油包水乳化液和水包油乳化液）。

3.液壓系統(tǒng)對液壓油的要求

液壓油是液壓傳動系統(tǒng)的重要組成部分，是用來傳遞能量的工作介質(zhì)。除了傳遞能量外，液壓油還起著潤滑運(yùn)動部件和保護(hù)金屬不被銹蝕的作用。液壓油的質(zhì)量及其各種性能將直接影響液壓系統(tǒng)的工作。

1.液壓油的選用

正確而合理地選用液壓油，是保證液壓設(shè)備高效率正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提。

選用液壓油時(shí)，可根據(jù)液壓元件生產(chǎn)廠樣本和說明書所推薦的品種號數(shù)來選用液壓油，或者根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作壓力、工作溫度、液壓元件種類及經(jīng)濟(jì)性等因素全面考慮，一般是先確定適用的粘度范圍，再選擇合適的液壓油品種。同時(shí)還要考慮液壓系統(tǒng)工作條件的特殊要求，如在寒冷地區(qū)工作的系統(tǒng)則要求油的粘度指數(shù)高、低溫流動性好、凝固點(diǎn)低；伺服系統(tǒng)則要求油質(zhì)純、壓縮性??；高壓系統(tǒng)則要求油液抗磨性好。在選用液壓油時(shí)，粘度是一個(gè)重要的參數(shù)。粘度的高低將影響運(yùn)動部件的潤滑、縫隙的泄漏以及流動時(shí)的壓力損失、系統(tǒng)的發(fā)熱溫升等。所以，在環(huán)境溫度較高、工作壓力較高或運(yùn)動速度較低時(shí)，為減少泄漏，應(yīng)選用粘度較高的液壓油；否則相反。

常見液壓油系列品種見表1-2-1，其中，液壓油的牌號(即數(shù)字)表示在40℃下油液運(yùn)動粘度的平均值(單位為cSt)；原名表示過去的牌號，其中的數(shù)字表示在50℃時(shí)油液運(yùn)動粘度的平均值。

2.液壓油的污染與防護(hù)

1）液壓油被污染的原因

液壓油被污染的原因主要有以下幾方面：

(1)液壓系統(tǒng)的管道及液壓元件內(nèi)的型砂、切屑、磨料、焊渣、銹片、灰塵等污垢在系統(tǒng)使用前未被沖洗干凈，在液壓系統(tǒng)工作時(shí)，這些污垢就進(jìn)入到液壓油里。

(2)外界的灰塵、砂粒等。

(3)液壓系統(tǒng)本身也不斷地產(chǎn)生污垢，而直接進(jìn)入液壓油里，如金屬和密封材料的磨損顆粒，過濾材料脫落的顆?；蚶w維及油液因油溫升高氧化變質(zhì)而生成的膠狀物等。

2）油液污染的危害

液壓油污染嚴(yán)重時(shí)，直接影響液壓系統(tǒng)的工作性能，不僅使液壓系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生故障，還使液壓元件壽命縮短。造成這些危害的原因主要是污垢中的顆粒。對于液壓元件來說，由于這些固體顆粒進(jìn)入到元件里，會使元件的滑動部分磨損加劇，并可能堵塞液壓元件里的節(jié)流孔、阻尼孔，或使閥芯卡死，從而造成液壓系統(tǒng)的故障。水分和空氣的混入使液壓油的潤滑能力降低并使它加速氧化變質(zhì)，產(chǎn)生氣蝕，使液壓元件加速腐蝕，使液壓系統(tǒng)出現(xiàn)振動、爬行等。

3）防止污染的措施

對液壓油的污染控制工作主要是從兩個(gè)方面著手：一是防止污染物侵入液壓系統(tǒng)；二是把已經(jīng)侵入的污染物從系統(tǒng)中清除出去。污染控制要貫穿于整個(gè)液壓裝置的設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用、維護(hù)和修理等各個(gè)階段。

為防止油液污染，在實(shí)際工作中應(yīng)采取如下措施:

(1)使液壓油在使用前保持清潔。

(2)使液壓系統(tǒng)在裝配后、運(yùn)轉(zhuǎn)前保持清潔。

(3)使液壓油在工作中保持清潔。

(4)采用合適的濾油器，這是控制液壓油污染的重要手段。

(5)定期更換液壓油。

(6)控制液壓油的工作溫度。液壓系統(tǒng)中最簡單的冷卻器是蛇形管冷卻器(見圖1-2-1)，它直接裝在油箱內(nèi)，冷卻水從蛇形管內(nèi)部通過，帶走油液中熱量。這種冷卻器結(jié)構(gòu)簡單，但冷卻效率低，耗水量大。

液壓系統(tǒng)中用得較多的冷卻器是強(qiáng)制對流式多管冷卻器(如圖1-2-2所示)。油液從進(jìn)油口5流入，從出油口3流出；冷卻水從進(jìn)水口7流入，通過多根水管后由出水口1流出。油液在水管外部流動時(shí)，它的行進(jìn)路線因冷卻器內(nèi)設(shè)置了隔板而加長，因而增加了熱交換效果。圖1-2-3所示為翅片管式冷卻器的一種形式，它是在圓管或橢圓管外嵌套上許多徑向翅片，其散熱面積可達(dá)光滑管的8～10倍。橢圓管的散熱效果一般比圓管更好。圖1-2-1蛇形管冷卻器圖1-2-2多管式冷卻器圖1-2-3翅片管式冷卻器液壓系統(tǒng)亦可以用汽車上的風(fēng)冷式散熱器來進(jìn)行冷卻。這種用風(fēng)扇鼓風(fēng)帶走流入散熱器內(nèi)油液熱量的裝置不需另設(shè)通水管路，結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，但冷卻效果較水冷式差。

冷卻器一般應(yīng)安放在回油管或低壓管路上，如溢流閥的出口。

冷卻器所造成的壓力損失一般約為0.01～0.1MPa。

液壓系統(tǒng)的加熱一般常采用結(jié)構(gòu)簡單、能按需要自動調(diào)節(jié)最高和最低溫度的電加熱器。這種加熱器的安裝方式是用法蘭盤橫裝在箱壁上，發(fā)熱部分全部浸在油液內(nèi)。加熱器應(yīng)安裝在箱內(nèi)油液流動處，以有利于熱量的交換。由于油液是熱的不良導(dǎo)體，單個(gè)加熱器的功率容量不能太大，以免其周圍油液過度受熱后發(fā)生變質(zhì)現(xiàn)象。模塊1.3液體靜力學(xué)分析

任務(wù)1.3.1液體靜壓力分析

1.液體靜壓力的產(chǎn)生

作用在液體上的力有兩種：一種是質(zhì)量力，另一種是表面力。

表面力作用于所研究液體的表面上，如法向力、切向力。表面力可以是其他物體(例如活塞、大氣層)作用在液體上的力，也可以是一部分液體間作用在另一部分液體上的力。對于液體整體來說，其他物體作用在液體上的力屬于外力，而液體間的作用力屬于內(nèi)力。由于理想液體質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)聚力很小，因此液體不能抵抗拉力或切向力，即使是微小的拉力或切向力都會使液體發(fā)生流動。因?yàn)殪o止液體不存在質(zhì)點(diǎn)間的相對運(yùn)動，也就不存在拉力或切向力，所以靜止液體只能承受壓力。所謂靜壓力，是指靜止液體單位面積上所受的法向力，用p表示。

液體內(nèi)某質(zhì)點(diǎn)處的法向力ΔF對其微小面積ΔA的極限稱為壓力p，即(1-3-1)

2.液體靜壓力的分析

靜止液體內(nèi)部受力情況可用圖1-3-1(a)來說明。設(shè)容器中裝滿液體，在任意一點(diǎn)A處取一微小面積dA，該點(diǎn)距液面深度為h，距坐標(biāo)原點(diǎn)高度為Z，容器液平面距坐標(biāo)原點(diǎn)為Z0。為了求得任意一點(diǎn)A的壓力，可取dA·h這個(gè)液柱為分離體（如圖1-3-1(b)所示)。根據(jù)靜壓力的特性，作用于這個(gè)液柱上的力在各方向都平衡，現(xiàn)求各作用力在Ｚ方向的平衡方程。

微小液柱頂面上的作用力為p0dA(方向向下)，液柱本身的重力Ｇ＝γhdA(方向向下)，液柱底面對液柱的作用力為pdA(方向向上)，則平衡方程為

pdA=p0dA+γhdA

(1-3-2)圖1-3-1靜止液體的壓力分布

3.液體壓力的表示方法

液體壓力通常有絕對壓力、相對壓力(表壓力)、真空度三種表示方法。因?yàn)樵诘厍虮砻嫔?，一切物體都受大氣壓力的作用，而且是自成平衡的，即大多數(shù)測壓儀表在大氣壓下并不動作，這時(shí)它所表示的壓力值為零，因此，它們測出的壓力是高于大氣壓力的那部分壓力。另一種是以絕對真空為基準(zhǔn)零值時(shí)所測得的壓力，我們稱它為絕對壓力。當(dāng)絕對壓力低于大氣壓時(shí)，習(xí)慣上稱為出現(xiàn)真空。因此，某點(diǎn)的絕對壓力比大氣壓小的那部分?jǐn)?shù)值叫做該點(diǎn)的真空度。如某點(diǎn)的絕對壓力為4.052×104Pa(0.4大氣壓)，則該點(diǎn)的真空度為6.078×104Pa(0.6大氣壓)。絕對壓力、相對壓力(表壓力)和真空度的關(guān)系如圖1-3-2所示。圖1-3-2絕對壓力與表壓力的關(guān)系由圖1-3-2可知，絕對壓力總是正值，表壓力則可正可負(fù)，負(fù)的表壓力就是真空度，如真空度為4.052×104Pa(0.4大氣壓)，其表壓力為－4.052×104Pa(－0.4大氣壓)。我們把下端開口，上端具有閥門的玻璃管插入密度為ρ的液體中，如圖1-3-3所示。如果在上端抽出一部分封入的空氣，使管內(nèi)壓力低于大氣壓pa，則在大氣壓的作用下，管內(nèi)液體將上升至h0，這時(shí)管內(nèi)液面壓力為p0，由流體靜力學(xué)基本公式可知：p=p0+ρgh0。顯然，ρgh0就是管內(nèi)液面壓力p0不足大氣壓力的部分，因此它就是管內(nèi)液面上的真空度。圖1-3-3真空任務(wù)1.3.2液體靜力學(xué)計(jì)算

密封容器內(nèi)的靜止液體，當(dāng)其邊界上的壓力p0發(fā)生變化，例如增加了Δp時(shí)，則容器內(nèi)任意一點(diǎn)的壓力將增加同一數(shù)值，即Δp。也就是說，在密封容器內(nèi)施加于靜止液體任一點(diǎn)的壓力將以等值傳遞到液體各點(diǎn)。這就是帕斯卡原理或靜壓傳遞原理。

在液壓傳動系統(tǒng)中，通常是外力產(chǎn)生的壓力要比液體自重(γh)所產(chǎn)生的壓力大得多。

根據(jù)帕斯卡原理和靜壓力的特性，液壓傳動不僅可以進(jìn)行力的傳遞，還能將力放大和改變力的方向。圖1-3-4所示是應(yīng)用帕斯卡原理推導(dǎo)壓力與負(fù)載關(guān)系的實(shí)例。圖1-3-4靜壓傳遞原理應(yīng)用實(shí)例模塊1.4液體動力學(xué)分析

任務(wù)1.4.1液體動力學(xué)基礎(chǔ)

1.液體流動分析參數(shù)選擇

液體具有粘性，并在流動時(shí)表現(xiàn)出來，因此研究流動液體時(shí)就要考慮其粘性，而液體的粘性阻力是一個(gè)很復(fù)雜的問題，這就使我們對流動液體的研究變得復(fù)雜。因此，我們引入理想液體的概念，理想液體就是指沒有粘性、不可壓縮的液體。首先對理想液體進(jìn)行研究，然后再通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法對所得的結(jié)論進(jìn)行補(bǔ)充和修正。

1）模型建立

當(dāng)液體流動時(shí)，可以將流動液體中空間任一點(diǎn)上質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動參數(shù)，壓力p、流速v及密度ρ表示為空間坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)，例如：

壓力p=p（x，y，z，t)

速度v=v（x，y，z，t)

密度ρ=ρ（x，y，z，t）

如果空間上的運(yùn)動參數(shù)p、v及ρ在不同的時(shí)間內(nèi)都有確定的值，即它們只隨空間點(diǎn)坐標(biāo)的變化而變化，不隨時(shí)間t變化，對液體的這種運(yùn)動稱為定常流動或恒定流動，可表示為，在流體的運(yùn)動參數(shù)中，只要有一個(gè)運(yùn)動參數(shù)隨時(shí)間而變化，液體的運(yùn)動就是非定常流動或非恒定流動，如圖1-4-1所示。圖1-4-1恒定出流與非恒定出流

2）跡線、流線、流束和通流截面

(1)跡線：是流場中液體質(zhì)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)動的軌跡線。

(2)流線：是流場中液體質(zhì)點(diǎn)在某一瞬間運(yùn)動狀態(tài)的一條空間曲線。由于液體中每一點(diǎn)只能有一個(gè)速度，所以流線之間不能相交也不能折轉(zhuǎn)。如圖1-4-2(a)所示。

（3）流管：某一瞬時(shí)t在流場中畫一封閉曲線，經(jīng)過曲線的每一點(diǎn)作流線，由這些流線組成的表面稱流管。

（4）流束：充滿在流管內(nèi)的流線的總體稱為流束。如圖1-4-2(b)所示。

（5）通流截面：垂直于流束的截面稱為通流截面。圖1-4-2流線和流束

3）流量和平均流速

(1)流量：單位時(shí)間內(nèi)通過通流截面液體的體積稱為流量，用q表示，流量的常用單位為升/分（L/min）。

對微小流束，通過dA上的流量為dq，其表達(dá)式為(1-4-1)dq=udA當(dāng)已知通流截面上的流速u的變化規(guī)律時(shí)，可以由上式求出實(shí)際流量。

(2)平均流速：在實(shí)際液體流動中，由于粘性摩擦力的作用，通流截面上流速u的分布規(guī)律難以確定，因此引入平均流速的概念，即認(rèn)為通流截面上各點(diǎn)的流速均為平均流速，用v來表示，則通過通流截面的流量就等于平均流速乘以通流截面積。令此流量與上述實(shí)際流量相等，得(1-4-2)

2.液體流動狀態(tài)分析

試驗(yàn)裝置如圖1-4-3所示，試驗(yàn)時(shí)保持水箱中水位恒定且盡可能平靜，然后將閥門A微微開啟，使少量水流流經(jīng)玻璃管，即玻璃管內(nèi)平均流速v很小。這時(shí)，如將彩色水容器的閥門B也微微開啟，使彩色水也流入玻璃管內(nèi)，我們可以在玻璃管內(nèi)看到一條細(xì)直而鮮明的彩色流束，而且不論彩色水放在玻璃管內(nèi)的任何位置，它都能呈直線狀，這說明管中水流都是安定地沿軸向運(yùn)動，液體質(zhì)點(diǎn)沒有垂直于主流方向的橫向運(yùn)動，所以彩色水和周圍的液體沒有混雜。如果把A閥門緩慢開大，管中流量和它的平均流速v也將逐漸增大，直至平均流速增加至某一數(shù)值，彩色流束開始彎曲顫動，這說明玻璃管內(nèi)液體質(zhì)點(diǎn)不再保持安定，開始發(fā)生脈動，這種脈動不僅具有橫向的脈動速度，也具有縱向脈動速度。如果A閥門繼續(xù)開大，脈動加劇，彩色水就完全與周圍液體混雜而不再維持流束狀態(tài)。圖1-4-3雷諾試驗(yàn)液體流動時(shí)究竟是層流還是紊流，需用雷諾數(shù)（Re）來判別。

實(shí)驗(yàn)證明，液體在圓管中的流動狀態(tài)不僅與管內(nèi)的平均流速v有關(guān)，還和管徑d、液體的運(yùn)動粘度ν有關(guān)。但是，真正決定液流狀態(tài)的，卻是這三個(gè)參數(shù)所組成的一個(gè)稱為雷諾數(shù)Re的無量綱純數(shù)，即（1-4-3）由式（1-4-3）可知，若液流的雷諾數(shù)Re相同，則它的流動狀態(tài)也相同。當(dāng)液流的雷諾數(shù)Re小于臨界雷諾數(shù)Recr時(shí)，液流為層流；反之為紊流。常見的液流管道的臨界雷諾數(shù)見表1-4-1。對于非閥截面的管道來說，Re可用下式計(jì)算(1-4-4)式中：r為液流截面的水力半徑，它等于液流的有效截面積A和它的濕周（有效截面的周界長度）x之比，即(1-4-5)直徑為D的圓柱截面管道的水力半徑為r=A/x=D/4。正方形的管道，邊長為b，則濕周為4b，因而水力半徑為r=b/4。水力半徑的大小對管道的通流能力影響很大。水力半徑大，表明流體與管壁的接觸少，同流能力強(qiáng)；水力半徑小，表明流體與管壁的接觸多，同流能力差，容易堵塞。任務(wù)1.4.2液體動力學(xué)計(jì)算

1.連續(xù)性方程的計(jì)算

質(zhì)量守恒是自然界的客觀規(guī)律，不可壓縮液體的流動過程同樣遵守質(zhì)量守恒定律。在流體力學(xué)中這個(gè)規(guī)律稱為連續(xù)性方程的數(shù)學(xué)形式。

任取一段流管如圖1-4-4所示，其中不可壓縮流體作定常流動的連續(xù)性方程為

v1A1=v2A2=q=常數(shù)（1-4-6)

式中：v1、v2分別是流管通流截面A1及A2上的平均流速。

式（1-4-6）表明通過流管內(nèi)任一通流截面上的流量相等。則有任一通流截面上的平均流速為（1-4-7）圖1-4-4液體的微小流束連續(xù)性流動示意圖

2.伯努利方程的計(jì)算

能量守恒是自然界的客觀規(guī)律，流動液體也遵守能量守恒定律，這個(gè)規(guī)律是用伯努利方程的數(shù)學(xué)形式來表達(dá)的。

(1)理想液體微小流束的伯努利方程。

由圖1-4-5可得，理想液體微小流束的伯努利方程為（1-4-8）式中：p/ρg為單位重量液體所具有的壓力能，稱為比壓能，也叫做壓力水頭；z為單位重量液體所具有的勢能，稱為比位能，也叫做位置水頭；v2/2g為單位重量液體所具有的動能，稱為比動能，也叫做速度水頭。

圖1-4-5液流能量方程關(guān)系轉(zhuǎn)換圖

(2)實(shí)際液體微小流束的伯努利方程。

由于液體存在著粘性，其粘性力在起作用，并表示為對液體流動的阻力。實(shí)際液體的流動要克服這些阻力，表示為機(jī)械能的消耗和損失，因此，當(dāng)液體流動時(shí)，液流的總能量或總比能在不斷地減少。所以，實(shí)際液體微小流束的伯努利方程為(1-4-9)式中：hw表示液體流動中的壓力損失。

(3)實(shí)際液體的伯努利方程為(1-4-10)

3.動量方程的計(jì)算

動量方程是動量定理在流體力學(xué)中的具體應(yīng)用。流動液體的動量方程是流體力學(xué)的基本方程之一，它是研究液體運(yùn)動時(shí)作用在液體上的外力與其動量的變化之間的關(guān)系。在液壓傳動中，計(jì)算液流作用在固體壁面上的力時(shí)，應(yīng)用動量方程去解決就比較方便。

由圖1-4-6得出流動液體的動量方程為(1-4-11)上式是一個(gè)矢量表達(dá)式，液體對固體壁面的作用力F與液體所受外力大小相等、方向相反。圖1-4-6動量變化模塊1.5管道內(nèi)壓力損失的計(jì)算

1.液體在直管中流動時(shí)的壓力損失

液體在直管中流動時(shí)的壓力損失是由液體流動時(shí)的摩擦引起的，稱之為沿程壓力損失，它主要取決于管路的長度、內(nèi)徑、液體的流速和粘度等。液體的流態(tài)不同，沿程壓力損失也不同。液體在圓管中層流流動在液壓傳動中最為常見，因此，在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，常希望管道中的液流保持層流流動的狀態(tài)。

1)層流時(shí)的壓力損失

在液壓傳動中，液體的流動狀態(tài)多數(shù)是層流，在這種狀態(tài)下液體流經(jīng)直管的壓力損失可以通過理論計(jì)算求得。

(1)液體在流通截面上的速度分布規(guī)律。圖1-5-1所示為液體在半徑為R的水平圓管中作穩(wěn)定層流時(shí)的情況。圖1-5-1圓管中的層流在圖中的管內(nèi)取出一段半徑為r，長度為l，與管軸相重合的微小圓柱體，作用在其兩端面上的壓力為p1和p2，作用在側(cè)面上的內(nèi)摩擦力為(1-5-1)由數(shù)學(xué)工具可以求得速度分布表達(dá)式為(1-5-2)式中：l為管道長度(m)；μ為管道中流動的液體的動力粘度(Pa·s)；Δp為管道l長度上的壓力降(N/m2)，Δp=p1－p2。最大速度發(fā)生在軸線上，即r=0處速度最大，有(1-5-2)

(2)通過管道的流量。

在半徑r處取一厚度為dr的微小圓環(huán)面積，則通過圓管的流量為(1-5-4)

(3)管道內(nèi)的平均流速。(1-5-5)

(4)沿程壓力損失。

若管中是層流流動，由式(1-5-4)和式(1-5-5)可得(1-5-6)

將式(1-5-6)經(jīng)適當(dāng)變換可得到(1-5-7)沿式中：λ＝為沿程阻力損失系數(shù)。

2)紊流時(shí)的壓力損失

層流流動中各質(zhì)點(diǎn)有沿軸向的規(guī)則運(yùn)動，而無橫向運(yùn)動。紊流的重要特性之一是液體各質(zhì)點(diǎn)不再是有規(guī)則的軸向運(yùn)動，而是在運(yùn)動過程中互相滲透和脈動。這種極不規(guī)則的運(yùn)動，引起質(zhì)點(diǎn)間的碰撞，并形成旋渦，使紊流能量損失比層流大得多。

由于紊流流動現(xiàn)象的復(fù)雜性，完全用理論方法加以研究至今，尚未獲得令人滿意的成果，故仍用實(shí)驗(yàn)的方法加以研究，再輔以理論解釋，因而紊流狀態(tài)下液體流動的壓力損失仍用式(1-5-7)來計(jì)算，式中的λ值與雷諾數(shù)Re有關(guān)，具體的λ值見表1-5-1，與管壁表面粗糙度Δ有關(guān)。

2.局部壓力損失

局部壓力損失是液體流經(jīng)閥口、彎管、通流截面變化等所引起的壓力損失。液流通過這些地方時(shí)，由于液流方向和速度均發(fā)生變化，形成旋渦(如圖1-5-2)，使液體的質(zhì)點(diǎn)間相互撞擊，從而產(chǎn)生較大的能量損耗。圖1-5-2突然擴(kuò)大處的局部壓力損失局部壓力損失可表示如下：(1-5-8)局式中：ξ為局部阻力系數(shù)，其值僅在液流流經(jīng)突然擴(kuò)大的截面時(shí)可以用理論推導(dǎo)方法求得，其他情況均需通過實(shí)驗(yàn)來確定；v為液體的平均流速，一般情況下指局部阻力下游處管的流速。

3.管路系統(tǒng)中的總壓力損失與效率管路系統(tǒng)的總壓力損失等于所有沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和，即(1-5-9)模塊1.6液壓沖擊及空穴現(xiàn)象分析

1.液壓沖擊現(xiàn)象分析

在液壓系統(tǒng)中，當(dāng)快速地?fù)Q向或關(guān)閉液壓回路時(shí)，會使液流速度急速地改變(變向或停止)。由于流動液體的慣性或運(yùn)動部件的慣性，會使系統(tǒng)內(nèi)的壓力發(fā)生突然升高或降低，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊。在研究液壓沖擊時(shí)，必須把液體當(dāng)作彈性物體，同時(shí)還需考慮管壁的彈性。

首先討論一下水錘現(xiàn)象的發(fā)展過程。如圖1-6-1所示，為某液壓傳動油路的一部分。管路A的入口端裝有蓄能器，出口端裝有快速電磁換向閥。當(dāng)換向閥打開時(shí)，管中液體的流速為v0，壓力為p0，現(xiàn)在來研究當(dāng)閥門突然關(guān)閉時(shí)，閥門前及管中壓力變化的規(guī)律。圖1-6-1液壓沖擊的液壓傳動油路分析當(dāng)閥門突然關(guān)閉時(shí)，如果認(rèn)為液體是不可壓縮的，則管中整個(gè)液體將如同剛體一樣同時(shí)靜止下來。但實(shí)驗(yàn)證明并非如此，事實(shí)上只有緊鄰著閥門的一層厚度為Δl的液體于Δt時(shí)間內(nèi)首先停止流動。之后，液體被壓縮，壓力增高Δp，如圖1-6-2所示。同時(shí)管壁亦發(fā)生膨脹。在下一個(gè)無限小時(shí)間Δt段后，緊鄰著的第二層液體層又停止下來，其厚度亦為Δl，也受壓縮，同時(shí)這段管子也發(fā)生了膨脹。依此類推，第三層、第四層液體逐層停止下來，并產(chǎn)生增壓。這樣就形成了一個(gè)高壓區(qū)和低壓區(qū)分界面(稱為增壓波面)，它以速度c從閥門處開始向蓄能器方向傳播。我們稱c為水錘波的傳播速度，它實(shí)際上等于液體中的聲速。圖1-6-2閥門突然關(guān)閉時(shí)的受力分析在閥門關(guān)閉t1=l/c時(shí)刻后，如圖1-6-3所示，水錘壓力波面到達(dá)管路入口處。這時(shí)，在管長l中全部液體都已依次停止流動，而且液體處在壓縮狀態(tài)下。這時(shí)來自管內(nèi)方面的壓力較高，而在蓄能器內(nèi)的壓力較低。顯然這種狀態(tài)是不能平衡的，可見管中緊鄰入口處第一層的液體將會以速度v0沖向蓄能器中。與此同時(shí)，第一層液體層結(jié)束了受壓狀態(tài)，水錘壓力Δp消失，恢復(fù)到正常情況下的壓力，管壁也恢復(fù)了原狀。這樣，管中的液體高壓區(qū)和低壓區(qū)的分界面即減壓波面，將以速度c自蓄能器向閥門方向傳播。

在閥門關(guān)閉t2=2l/c時(shí)刻后，全管長l內(nèi)的液體壓力和體積都已恢復(fù)了原狀。圖1-6-3是理想情況，表示在緊鄰閥門前的壓力