01、液壓傳動基礎知識.ppt

1、ysu-2010,歡 迎 使 用 液壓與氣壓傳動 多媒體授課系統(tǒng),燕 山 大 學 液壓與氣壓傳動課程組 內容編輯：姚春東、高殿榮 設計制作：姚春東,ysu-2010,第一章 液壓傳動基礎知識,第一節(jié) 流體靜力學 第二節(jié) 流體動力學 第三節(jié) 定常管流的壓力損失計算 第四節(jié) 孔口和縫隙流動 第五節(jié) 空穴現象,ysu-2010,第一節(jié) 流體靜力學,液體靜力學主要是討論液體靜止時的平衡規(guī)律以及這些規(guī)律的應用。 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。設液體在面積f上所受的作用力為P，則有,兩個主要特征： （1）液體靜壓力的方向，總是沿著作用面的內法線方向； （2）靜止液體

2、內任一點的液體靜壓力在各個方向上都相等。,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與該點離液面深度h的乘積。當液面上只受大氣壓力pa作用時，點B處的靜壓力為： pB=pa+gh （2）同一容器中同一液體內的靜壓力隨深度h的增加而線性增加。,p0A,ghA,pBA,（3）連通器內同一液體中深度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表示。 但各點的總能量保持不變。 例如：1kg/cm2(一個工程大氣壓)相當于10m水柱高。760mm水銀柱高。,ysu-2010,三、壓力的表示方法及單位,絕對壓力=相對壓力+大氣壓力 真空度=大氣壓力-絕對壓力 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 應用：水壓機、液壓千斤頂等。,相對壓力（負） 真空度,絕對

4、壓力,相對壓力,（正）,絕對壓力,ppa,絕對真空,大氣壓力pa,Ppa,絕對壓力、相對壓力和真空度,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) 液體動力學,本節(jié)主要討論作用在流體上的力以及這些力和流體運動特征之間的關系。 一、基本概念 1.理想液體、定常流動和一維流動 理想液體：既無粘性又不可壓縮的液體。 定常流動（穩(wěn)定流動）：是指流體中任意一點的壓力、速度和密度都不隨時間而變化的流動。 若三者中有一項隨時間而變化，就稱為不穩(wěn)定流動。 一

5、維流動：是指流體中任意一點的壓力、速度和密度都只隨x而變化的流動。,ysu-2010,2.跡線、流線、流束和通流截面,流束：如果通過某截面A上所有各點畫出流線，這些流線的集合構成流束。,流線：是某一瞬時液流中一條條標志其質點運動狀態(tài)的曲線，在流線上各點處的瞬時液流方向與該點的切線方向重合。,ysu-2010,3.流量與平均流速,流量：單位時間內通過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 質量守恒 u1dA1dt = u2dA2dt 密度不變、 時間dt不變、則流量相同。 用平均速度表示 q = v1A1 = v2A2= vA=常數,ysu-2010

6、,物理意義,1）速度可傳遞,2）速度方向可改變,3）速度大小可無級調節(jié),ysu-2010,三、伯努利方程,1.理想液體的伯努利方程,物理意義：理想液體在實際流動過程中，其壓力能、位能和動能可相互轉化，但總能量不變。,2.實際液體總流的伯努利方程： 實際液體是有粘性和可壓縮的，它在運動時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算,實際液體具有粘性，在流動時就有阻力，為了克服阻力，就必然要消耗能量，這樣就有能量損失。在液壓傳動中，能量損失主要表現為壓力損失。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時所產生

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時的內、外摩擦力所引起的。 另一類是油液流經局部障礙(如彎管、接頭、管道截面突然擴大或收縮)時，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點間以及質點與固體壁面間相互碰撞和劇烈摩擦而產生的壓力損失稱之為局部壓力損失。,ysu-2010,一、流態(tài)、雷諾數,1層流和紊流流體在流動時，通過雷諾實驗，可以看到下圖所示的幾種流動狀態(tài)。在低速流動時，液體質點互不干擾，液體的流動呈線性或層狀，且平行于管道軸線，如圖a所示，此種流動狀態(tài)稱為層流； 當流速大時，液體質點的運動雜亂無章，除了平行于管道軸線的運動外，還存在著劇烈的橫向運動，此種流

8、動狀態(tài)稱為紊流，如圖d所示；圖b中色線開始折斷，表明層流開始破壞，圖c中色線上下波動，并出現斷裂，表現液體流動已趨于紊流，此兩種狀態(tài)稱為變流，一般也將其看成紊流。,ysu-2010,層流時，液體流速較低，質點受粘性制約，不能隨意運動，粘性力起主導作用；但在紊流時，因液體流速較高，粘性的制約作用減弱，因而慣性力起主導作用。液體流動時究竟是層流還紊流，須用雷諾數來判別。,2雷諾數 實驗表明，液體在圓管中的流動狀態(tài)不僅與管內的平均流速v有關，還和管徑、液體的運動粘度有關，但是真正決定液流流動狀態(tài)的是用這三個數所組成的一個稱為雷諾數Re的無量綱數，即,液流由紊流轉變?yōu)閷恿鞯睦字Z數稱為下臨界雷諾數，一般

9、都用下臨界雷諾數作為判別液流狀態(tài)的依據，簡稱臨界雷諾數，當液流實際流動時的雷諾數小于臨界雷諾數時，液流為層流，反之液流則為紊流，常見的液流管道的臨界雷諾數可由實驗求得。,ysu-2010,對于非圓截面管道來說，Re可用下式來計算,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) x之比，即,水力半徑大小對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的壓力損失稱為沿程壓力損失，它與管道的長度、

10、內徑和液體的流速、粘度以及液體的流動狀態(tài)有關。 （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）紊流時的壓力損失,視雷諾數大小取值不同,（三）局部壓力損失,局部阻力損失系數，由彎管及閥門結構不同查表。,（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,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)。突然收縮處的流動叫節(jié)流。在液壓傳動及控制中常人為地制造各種形式的

11、孔口節(jié)流裝置來實現對流量和壓力的控制。1薄壁小孔的流量公式 當小孔的通流長度與孔徑之比l/d05時稱之為薄壁小孔，如圖所示。,式中： Cd流量系數； A0小孔過流面積，A0 =d2/4； p為小孔前后壓差。 流量系數Cd一般由實驗確定。在液流完全收縮的情況下， Cd0.600.62。當液流為不完全收縮時，Cd0.70.8。,ysu-2010,2.液流流經細長孔和短孔的流量,液體流經細長小孔時，一般都是層流狀態(tài)，所以可直接應用前面已導出的直管流量公式來計算，當孔口直徑為d，截面積為Ad2/4時，可寫成：,為了分析問題方便起見，將上面兩式一并用下式表示，即：,式中：m為指數，當孔口為薄壁小孔時，m

12、0.5，當孔口為細長孔時，m1 K為孔口的通流系數，當孔口為薄壁孔時，KCd(2/)0.5；當孔口為細長孔時，Kd2/（32l）。 液流流經短孔的流量仍可用薄壁小孔的流量計算式： qCdA (2p/) m，但其中的流量系數可在有關液壓設計手冊中查得。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,液壓元件內各零件間有相對運動，必須要有適當間隙。間隙過大，會造成泄漏；間隙過小，會使零件卡死。如圖所示的泄漏是由壓差和間隙造成的。內泄漏的損失轉換為熱能，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，研究液體流經間隙的泄漏量、壓差與間

13、隙量之間的關系，對提高元件性能及保證系統(tǒng)正常工作是必要的。,內泄漏與外泄漏,ysu-2010,（一）平行平板的間隙流動,液體流經平行平板間隙的一般情況是既受壓差p=p1-p2的作用，同時又受到平行平板間相對運動的作用。 如圖示,設平板長為l，寬為b，兩平行平板間的間隙為h，且lh，bh，液體不可壓縮，質量力忽略不計，粘度不變。,在液體中取一個微元體dx dy(寬度方向取單位長)，作用在它與液流相垂直的兩個表面上的壓力為p和p+dp，作用在與液流相平行的上下兩個表面上的切應力為和+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(壓差流動)的漏失量,上、下兩平板均固定不動，

14、液體在間隙兩端的壓差的作用下而在間隙中流動，稱為壓差流動。其漏失量為,2兩平行平板有相對運動時的間隙流動(1)兩平行平板有相對運動速度u，但無壓差 這種流動稱為純剪切流動。其漏失量公式為：,A,ysu-2010,(2)兩平行平板既有相對運動，兩端又存在壓差時的流動,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:,當長平板相對于短平板的運動方向和壓差與流動方向一致時，取“+”號(泵缸)；反之取“-”號（液缸、馬達）。 損失能量：,結論：間隙h越小，泄漏功率損失也越小。但是h的減小會使液壓元件中的摩擦功率損失增大，因而間隙h有一個使這兩種功率損失之和達到最小的最佳值，

15、并不是越小越好。,ysu-2010,(二)圓柱環(huán)形間隙流動,當h/r1時，可以將環(huán)形間隙間的流動近似地看作是平行平板間隙間的流動，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均屬這種情況。 1同心環(huán)形間隙在壓差作用下的流動,當長圓柱表面相對短圓柱表面的運動方向與壓差流動方向一致時取“+”號，反之取“-”號。,ysu-2010,2偏心環(huán)形間隙在壓差作用下的流動,由此式可見完全偏心時1，即最大偏心eh0時，其流量為同心時流量的2.5倍，這說明了偏心對泄漏量的影響。所以對液壓元件的同心度應有適當要求。,液

16、壓元件中經常出現偏心環(huán)狀的情況，例如油缸活塞與缸筒不同心時就形成了偏向環(huán)狀間隙。下圖表示了偏心環(huán)狀間隙的簡圖。令R-rh0(同心時半徑間隙量)，e/h0(相對偏心率)，則有：,ysu-2010,3內外圓柱表面有相對運動且又存在壓差的流動,式中等號右邊第一項為壓差流動的流量，第二項為純剪切流動的泄漏，當長圓柱表面相對短圓柱表面的運動方向與壓差流動方向一致時取“+”號，反之取“-”號。,ysu-2010,第六節(jié)空穴現象,在液壓系統(tǒng)中，由于某種原因會產生低氣壓，當壓力低于液體的空氣分離壓時，液體中溶解的空氣就會分離出來，以氣泡的形式存在于液體中，使原來充滿管道的液體出現了氣體的空穴，這種現象稱為空穴

17、現象；另外，當絕對壓力低于液體的飽和蒸氣壓時，液體中會出現大量的蒸氣泡，這也稱空穴現象。 空穴現象使液壓裝置產生噪聲和振動，使金屬表面受到腐蝕。,ysu-2010,節(jié)流口處的氣穴現象,氣蝕：管道中低壓區(qū)發(fā)生空穴現象時（低壓區(qū)），氣泡隨著液流進入高壓區(qū)后，隨即急劇潰滅或急劇縮小，原來氣泡所占的空間形成了真空，四周液體質點將以極大的速度沖向潰滅或壓縮氣泡中心，產生局部沖擊現象（形成高壓、高溫），使金屬剝落，表面形成麻點或出現小坑，這種因空穴現象而加劇金屬表面腐蝕的現象，稱為氣蝕。（汽蝕動畫） 空穴現象發(fā)生在液流的低壓區(qū)，氣蝕現象發(fā)生在高壓區(qū)。,ysu-2010,第七節(jié) 液壓沖擊 （汽蝕動畫）,在液壓系統(tǒng)中，由于某種原因，液體壓力在一瞬間會突然升高，產生很高的壓力峰值，這種現象稱為液壓沖擊。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和噪聲，使液壓系統(tǒng)產生溫升，并使某些液壓元件（如壓力繼電器、液壓控制閥等）產生誤動作，導致設備損壞。 1、液壓沖擊的類型: （1）閥門突然打開或關閉，及系統(tǒng)中某些元件反應的滯后，使液流突然停止運動而產生的液壓沖擊； （2）運動部件突然啟動或停止，因其慣性使液壓缸和相連管道中壓力產生急劇變化而形成壓力波，會產生液壓沖擊。,ysu-2010,2、消除或減弱液