第二章液压传动与气压传动课件

第二章 液压传动基础知识v液压传动的工作介质v流体静力学v流体动力学v液体流动时的压力损失v孔口和缝隙流动v液压冲击与气穴现象2.1 液压传动的工作介质n液压油的用途n液压油的物理性质n对液压油的要求及选用2.1.1 液压油的用途1.传递能量的载体：将泵的机械能转换成液体的压力能并传至各处，由于油本身具有粘度，在传递过程中会产生一定的动力损失。2.润滑防锈：液压元件内各移动部位，都可受到液压油充分润滑，从而减低元件磨耗。3.密封：油本身的粘性对细小的间隙有密封的作用。4.冷却：系统损失的能量会变成热，被油带出。2.1.2 液压油的物理性质n液压油的密度及重度n液压油的可压缩性n液压油的粘性一.液压油的密度及重度密度单位体积液体的质量 密度随着温度或压力的变化而变化，但变化不大，通常可忽略不计。压力增大，密度亦增大，温度上升，密度下降。常用矿物型液压油密度计算时取二.液压油的压缩性反映了液体体积随工作压力变化而变化的特性。用体积压缩系数 或其倒数体积弹性模数K 表示。定义：在一定温度下，每增加一个单位的压力，液体体积的相对变化值。问题：气体与液体相比，体积弹性模（系）数谁大？若有游离空气混入系统时三.液压油的粘性(一)粘性:是选择液压油的重要依据定义：油液在外力作用下，液层间作相对运动时，产生内摩擦力的性质称为粘性。特点：运动时才呈现粘性，静止油液不表现出粘性。(二)粘度：衡量粘性大小的物理量式中：Ff 内摩擦力（N）A油层接触面积动力粘度（单位是Pa.s）如图21所示为粘性示意图。实验结果表明，流体流动时相邻液层间的内摩擦力为：1.动力粘度，其物理意义为：液体在单位速度梯度下流动时，单位面积上产生的内摩擦力。它是一种绝对粘度。单位为pa.s.2.运动粘度：液体动力粘度与液体密度之比。无明显的物理意义。运动粘度也是绝对粘度，单位为m2/s,1m2/s=106mm2/s(厘斯，cSt)。习惯上使用运动粘度标志液体的粘度，例如机械油的牌号就是用其在40度时的平均运动粘度为其标号。如LHL46，LHL指改善其防锈及抗氧性的精制矿物油（通用机床液压油），数字46表示该液压油在40C时的运动粘度为46厘斯（平均值）。在工程实际中，常采用先测出液体的相对粘度，然后再换算成绝对粘度的方法来确定工作液的粘度。3.相对粘度又称条件粘度。常用的有恩氏粘度：200ml，直径2.8mm，在某一温度(20、50、100度)下与20度蒸馏水的时间比较。中国、俄罗斯及德国采用。美国、英国分别采用通用赛氏秒和商用雷氏秒。（三）温度和压力对粘性的影响 粘度随温度变化的关系叫粘温特性，随温度的变化粘度变化较小，即粘温特性较好。油温变化对系统性能的影响：温度上升，粘度显著下降，造成泄漏、效率降低、磨损增加等问题；温度下降，粘度增加，造成流动困难及泵转动不易等问题。如运转时油液温度超过60度，就必须加装冷却器，因油温在60度以上，每超过10度，油的劣化速度就会加倍。压力变化对粘性同样有影响。2.1.3 对液压油的要求及选用n对液压油的要求n液压油的选择n液压油的污染与维护一.对液压油的要求(1)适当的粘度和良好的粘温性；(2)有良好的化学稳定性（氧化安定性，热安定性及不易氧化、变质）；(3)良好的润滑性，以减少相对运动间的磨损；(4)良好的抗泡沫性（起泡少，消泡快）；(5)体积膨胀系数低，闪点及燃点高（油温升高时，部分的油会蒸发而与空气混合成油气，此油气所能点着的最低温度称为闪火点，如继续加热，则会达到连续燃烧的温度，此温度称为燃烧点）；(6)纯净度好，杂质少；(7)对人体无害，对环境污染小，价格便宜。但，粘度是第一位的。二.液压油的选用液压油的选择包括液压油品种的选择及粘度的选择。液压油有很多品种，可根据不同的使用场合选用合适的品种，在品种确定的情况下，最主要考虑的是油液的粘度。1.选择液压油品种液压油主要有下列三种：A.石油基型矿物油（可燃性）：主要由石腊基（paraffin base）的原油精制而成，再加抗氧化剂和防锈剂，由于石油基液体（矿物油）的润滑性好、腐蚀性小、粘度较高、化学稳定性好，因此在液压传动中广泛采用。其缺点为耐火性差。B.抗燃液压油（难燃性）：专用于防止有引起火灾危险的乳化型液压油。有水中油滴型（o/w）和油中水滴形（w/o）两种，水中油滴型（o/w）的润滑性差，会侵蚀油封和金属；油中水滴形（w/o）化学稳定性很差。C.专用液压油：航空、舰船、炮用及车辆制动用液压油。2.选择液压油粘度A.液压系统的工作压力：工作压力较高的系统宜选用粘度较高的液压油，以减少泄露；反之便选用粘度较低的油。当 时，；当 时，；当 时，。B.运动速度：执行机构运动速度较高时，为了减小液流的功率损失，宜选用粘度较低的液压油。C.环境工作温度高时选用粘度较高的液压油，减少容积损失。此外，可按液压泵的类型来选用，在液压系统中，对液压泵的润滑要求苛刻，不同类型的泵对油的粘度有不同的要求，具体可参见有关产品说明书。除了按液压系统所配置液压泵产品说明书的推荐选用之外，也可按下表选用。液压油选用的总结：首先根据工作条件（v、p、T）和元件类型选择油液品种，然后根据粘度选择牌号。慢速、高压、高温：大（以q）通常 Rec时，为紊流当雷诺数Re Rec 时，为层流通常，光滑金属圆管Rec=20002300压力损失：由于液体具有粘性，在管路流动过程中必然要损耗一部分能量。在液压技术中，这部分能量损耗主要表现为压力损失，即hf。压力损失有沿程压力损失和局部压力损失两种，它们与液体的流动状态有关。2.4.2 沿程压力损失当液体在等径管中流动过程中，因摩擦而产生的压力损失。其中，系数与流态有关层流：金属管=75/Re 橡胶软管=(80108)/Re紊流：3 3103Re 10105 5 光滑管=0.3164Re-0.25，其它经验公式见教材。2.4.3 局部压力损失液体在流动过程中由于遇到局部障碍(管子截面形状突然变化、液流方向改变或其它形式的液流阻力)而引起的压力损失。2.4.4 管路中总的压力损失等于所有沿程损失和所有局部损失之和。由于压力损失的必然存在，所以泵的额定压力要略大于系统工作时所需的最大工作压力，一般可将系统工作所需的最大工作压力乘以一个1.31.5的系数来估算。伯努力方程举例如图所示：液压泵的流量Q=63L/min,吸油管通径d=20mm，液压泵吸油口距液面高度h=400mm,粗滤油网的压力降油液密度粘度求液压泵吸油口处的真空度。n液体流经孔口的力学特性n液体流经缝隙的力学特性2.5 液体流经孔口及缝隙的力学特性2.5.1 液体流经孔口的力学特性n薄壁孔口n细长孔n短孔（厚壁孔口）如图所示，当小孔的长度和直径之比为时，该小孔称之为薄壁小孔。薄壁孔口通常做成刃口形式。液体流经薄壁孔口的流量公式为：1.薄壁孔口对上式作如下几点说明：1.由于流体流经薄壁孔口的流量q与小孔前后压差的平方根成正比，所以孔口出流受孔口压差变化的影响较小。由于q与液体的粘度无关，因而工作温度的变化对薄壁孔口流量q的影响甚微。在液压技术中，节流孔口常做成薄壁孔口。2.流量系数通常由实验确定。在完全收缩的情况下（时，D为管径），流量系数为：3.液体流经滑阀阀口、锥阀阀口及喷嘴挡板阀阀口时，也可用薄壁孔口流量公式来计算流量，而流量系数及孔口过流截面积随着孔口不同而有所区别。对于如图2-25所示的圆柱滑阀阀口，当：阀口为尖锐棱边时，；阀口为棱边圆滑或有小圆角时，。对于如图226所示锥阀阀口，当时，2.细长孔如图所示，当时，该孔称为细长孔。通过细长孔的流量公式：或3.短孔（厚壁孔口）当时，称为短孔。2.5.2 液体流经缝隙的力学特性n平行平板缝隙流n环形缝隙流1.平行平板缝隙中的平行流动(1)压差流动如图230所示，液体在压力差作用下的流动称为压差流动。液体在压差作用下流经平行平板间隙的流量公式为：(2)剪切流动如图231所示，两平行平面间隙间充满液体，平板两端无压差。两平板之间有相对运动（设下平板不动，上平板以速度v沿x正向运动）。在运动时，由于液体存在粘性，缝隙中的液体也会流动，这种流动称为剪切流动。在平行平面缝隙中剪切流动的流量公式为：(3)压差与剪切联合作用下的流动如图2-32所示，平行平面间隙两端有压差，而平板间又有相对运动，液体在压差及平板带动下在缝隙中二维流动，称为联合运动。此时平行平板缝隙的流量为：2.环形缝隙中的平行流动(1)圆柱环形缝隙中的平行流动A.同心环形缝隙中的平行流动圆柱同心环形缝隙的流量公式：B.偏心环形缝隙中的平行流动偏心圆柱环形缝隙的流量公式为(2)圆锥环形缝隙流动中的平行流动图236流体在圆锥环形缝隙中稳定流动通过圆锥环形缝隙的流量公式为：对于倒锥，在渐扩缝隙中的压力分布为：对于顺锥，在渐缩缝隙中的压力分布为：(3)平面环形缝隙差压流动在图238所示环形缝隙中，沿平面环形缝隙向外辐射流出（轴向对称流动），其流量公式为：若流体经平面环形缝隙流入大气，缝隙内的压力分布规律为：如图2-39所示。把间隙切开展开成平面，则将成为扇形。从几何关系可求出扇形中心角为：用代替上式中的，就可得到通过锥阀的流量公式为：2.6 液压冲击和气穴气蚀现象n液压冲击n气穴、气蚀现象2.6.1 液压冲击n液压冲击现象n产生液压冲击的原因n液压冲击的危害n避免液压冲击的主要办法 1.什么叫液压冲击？在液压系统中,由于某种原因使系统或系统局部压力在一瞬间急剧上升，形成很高的压力峰值，并产生振动和噪声，这种现象。2.产生液压冲击的原因(1)液流具有惯性。(2)运动部件（负载）本身具有惯性。(1)液流具有惯性。当液流通道迅速关闭或液流迅速换向时（或突然制动时），液流速度的大小或方向发生突然的变化，流体的惯性将导致液压冲击。(2)运动部件（负载）本身具有惯性。运动部件由液压驱动。当其突然制动或换向时，因运动部件具有惯性，此时也将导致系统发生液压冲击。3.液压冲击的危害(1)极易引起强烈的振动和噪声，并使油温升高(2)巨大的压力峰值会损坏某些液压元件,尤其是密封件。(3)由于压力冲击产生的高压力可能使某些压力控制元件 （如压力继电器、顺序阀等）产生误动作,而损坏设备。4.避免液压冲击的主要办法(1)延缓阀门关闭或运动部件制动、换向时间。(2)限制管流速度。(3)在冲击源附近设置蓄能器或安全阀。(4)在液压元件中设置缓冲装置。(5)采用橡胶软管吸收冲击时的能量。2.6.2 气穴、气蚀现象n气穴现象n气蚀现象n气穴、气蚀现象危害 1.气穴现象存在于液压油中的空气有两种状态：混入，溶入液体在流动过程中，由于压力降低到空气分离压时，溶解在液压油中的空气会游离出来产生气泡的现象称为气穴现象。特点：在低压区形成2.气蚀现象由气穴现象产生的气泡被液流带到高压区,气泡在较高压力作用下将迅速破裂,从而引起局部液压冲击,造成噪音和振动,另一方面,由于气泡中的氧也会腐蚀金属元件的表面,我们把这种因发生气穴现象而造成的腐蚀叫气蚀现象。特点：在高压区形成 3.气穴、气蚀现象危害（1）由气穴现象产生的气泡破坏了液流的连续性，降低了油管的通油能力,造成流量和压力的波动,影响系统正常工作。（2）气蚀现象产生局部液压冲击，其动能迅速转变为压力能及热能，使局部压力及温度急剧上升，破坏了材料,使液压元件承受冲击载荷，降低其使用寿命。在液压传动装置中，气穴现象可能发生在油泵、管路以及其它具有节流装置的地方，特别是油泵装置，这种现象最为常见。气穴气蚀现象是液压系统产生各种故障的原因之一，特别在高速、高压的液压设备中更应注意。4.预防气穴及气蚀所采取的措施(1)减小孔口或缝隙前后压力差，希望孔口或缝隙前后压力差之比小于3.5。(2)限制泵吸油口至油箱油面的安装高度，尽量减少吸油管道中的压力损失。(3)提高各元件接合处管道的密封性，尽量防止空气渗入到液压系统中。(4)对于易产生气蚀的零件采用抗腐蚀性强的材料，增加零件的机械强度并降低其表面粗糙度。(5)当拖动大负载运动的液压执行元件因换向或制动在回油腔产生液压冲击的同时，会使原进油腔压力下降而产生真空。为防止气穴，应在系统中设置补油回路。课后作业教材P42习题思考题中2.7、2.8、2.9、2.10