液压传动基础知识模版课件

*,液压传动,1.,液压传动基础知识,(82),1,1.,液压传动基础知识,假设：,1,、液体是一连续介质。,2,、液体易于流动，其质点间凝聚力极小，以致于不能抵抗任何拉力。,1.1,液压油,作用：是传递动力和控制信号的工作介质,同时可起到润滑、冷却和防锈的作用。,2,1.1.1,液压油的性质,1),密度,单位体积液体所具有的质量。,m,质量；,V,体积。,2),可压缩性,3,体积压缩系数,体积； ,压力。,负号表明压力升高，液体体积减小。,物理意义：,单位压力变化下的液体体积相对变化量。,4,体积弹性模量,物理意义：,单位相对液体体积变化所需压力的变化量。（刚性）,等效体积弹性模量,5,考虑油液、容器及混入油液中的气体的综合影响。,（系统 容器 油液 气体）,6,当,时， 约为纯油的,35.6%;,当,时， 约为纯油的,12.2%;,可见，油液中混入气体对,K,的影响极大。,3),粘性,定义：,粘性是液体抗拒变形的特性。,注：,液体只有流动时，才会呈现粘性；,不流动的液体不呈现粘性。,7,牛顿液体摩擦定律,实验表明：液体在流动时，相邻液层间的内摩擦力,Ff,与液层接触面积,A,成正比，与液层间相对滑移速度,du,成正比，而与液层间距离,dy,成反比。即,或切应力,粘性系数；,速度梯度 。,8,粘度,衡量粘性大小的量。,动力粘度,：单位：,帕秒,（绝对粘度）,物理意义：,在数值上等于,为,1,时的切应力。,运动粘度 ：,9,常用单位：,斯,（,st,），,厘斯,（,cst,）。,1,cst,(,mm,2,/s,)=10,-2,st,(,cm,2,/s,)=10,-6,m,2,/s,。,注：,机械油的牌号是用,40,0,C,时该油的运动粘度（,cst,）的平均来标志的。,相对粘度：,采用特定的粘度计在规定的条件下测出来的液体粘度。,10,恩氏粘度：,将,200,cm,3,的被测液体装入底部有,mm,小孔的恩氏粘度计的容器中，在某一温度,t,0,C,时，测定液体在自重作用下流过小孔所需的时间,t,1,，和同体积的蒸馏水在,20,0,C,时流过同一小孔所需时间,t,2,之比值，便是该液体在,t,0,C,时的恩氏粘度。即,11,调和油的粘度,粘温关系,一般,，,很显著。,粘压关系,一般，,影响较小，一般可忽略不计。,4,）其它特性,12,抗燃性、抗氧化性、抗凝性、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、润滑性、导热性、稳定性、相容性等。,1.1.2,对液压油的要求,粘温特性好。,具有良好的润滑性。,成分纯净，不含有腐蚀性物质。,具有良好的化学稳定性。,抗泡沫性好，抗乳化性好，对金属和密封,件有良好的相容性。,体积膨胀系数低，比热容和传热系数高，,流动点和凝固点低，闪点和燃点高。,无毒性，价格便宜。,13,1.1.3,选用原则,主要考虑粘性。,1),，以减少泄漏。,2),温度,以减少泄漏。,3),速度,以减少摩损，散热和油液的流动性。,4),按关键元件选。,14,1.2,液体静力学,静止液体：,指液体内部质点间没有相对运动。,1.2.1,液体静压力及其特性,1),作用在液体上的力,质量力,表面力,法向应力（压力）,切向应力,15,2),压力,p,的定义,单位面积,A,上所受的法向力,F,叫压力,p,。,3),静止液体中压力的性质,压力垂直于作用面且沿着内法线方向。,静止液体内任一点的压力各向均相等。,1.2.2,液体静压力基本方程,16,1,）方程,h,h,p,0,重力作用下静力学基本方程。,17,2),等压面,压力相等的点所组成的面叫等压面。,所以，在重力作用下，静止液体中的等压面为一水平面。,1.2.3,压力的表示法及其单位,1),表示法,p,绝对, p,a,时,: p,绝对,= p,相对,+ p,a,p,绝对, p,a,绝对压力,相对压力,真空度,p p,a,19,2),单位,帕,（,Pa,）：,1,Pa,= 1,N/m,2,；,兆帕,（,MPa,）：,1,MPa,= 10,6,Pa,。,巴,（,bar,）：,1,bar,=10,5,Pa,3),压力分级,压力等级,低,中,中高,高,超高压,压力,MPa,0,20,1.2.4,帕斯卡原理,(,静压传递原理,),在密闭的容器内，施加于静止液体的压力可以等值地传递到容器内各点。,例：,P,1,P,2,A,1,A,2,F,1,F,2,21,注：,即系统压力取决于,负载。,1.2.5,液体静压力对固体壁面的作用力,1,）对平面的作用力,项，则得,在,中，若忽略,，即帕斯卡原理。,例：求液压缸所能克服的负载,F,22,A,2,A,1,D,d,F,1,p,F,1,p,1,A,1,p,2,A,2,活塞力平衡方程,23,A,2,A,1,D,d,P,F,2,F,2,p,2,A,1,p,1,A,2,活塞力平衡方程：,24,A,2,A,1,D,d,F,3,p,F,3,pA,1,pA,2,活塞力平衡方程：,液压缸的,差动连接,25,1,）对曲面的作用力,可以证明 ：,曲面上液压作用,力,在某方向上,分力,等于,压力,和曲面周围曲线在该方向的垂直面内投影所围成的,面积,的,乘积,。,例：,p,d,X,Z,Y,26,1.3,液体动力学,1.3.1,基本概念,1),理想液体和恒定流动,理想液体的特征：无粘性,不可压缩。,恒定流动：液体流动时，液体中任一点处的,压力,、,速度,和,密度,都不随,时间,变化而变化,这种流动称,恒定流动,。反之，则称,非恒定流动,。,27,2),流线、流束和通流截面,流线：,同一瞬时，运动着的液体质点,在空间所构成的曲线，在此曲线上，每,点处的切线方向即该点处液体质点运动,速度方向，因而它即不能相交，也不能,转折,。,28,迹线：,液体质点的运动轨迹。当液体作恒定流动时，其流线与迹线重合。,流束：,流线的集合。,通流截面：,流束中垂直与流线的面。,微小流束：,通流截面无限小时的流束，此时截面上各点处的液体质点运动速度可以认为是相等的。,3),流量,q,和平均流速,v,29,流量,q,单位时间内，流过流束通流截面的流体体积。,m,3,/s,常用单位,:,升,/,分,(,l/min,),。,对于微小流束,dt,内,30,u,微小流束上液体质点运动速度。,对于实际流束，则,平均流速。,1.3.2,连续性方程,流束中，取两个过流截面，则有：,31,连续性方程,注：,条件：理想液体，恒定流动。,物理意义：质量守恒。,32,q,1,q,2,液体应是连续的。,注意节点。,例：,求液压缸的速度。,A,2,A,1,D,d,v,1,q,33,A,2,A,1,D,d,q,v,2,A,2,A,1,D,d,V,3,q,q,2,q,1,34,1.3.3,伯努利方程,1,）流动分析：,在微小流束中取一微,小段,ds,，分析其所受,力，按牛顿第二定律,则有：,流体的欧拉方程。,35,2),理想液体的伯努利方程,上述方程两边个乘以,ds,，并从截面,1-1,积分至,2-2,截面则有：,积分并整理后得：,对于恒定流动来说，,，故有,36,3),几点讨论,条件：,a.,理想液体（无粘性,不可压缩）,不,计损失；且过流截面上流速处处相等。,b.,恒定流动。,物理意义：,方程两边个乘以,mg,则由,可得：,37,方程中每一项的分别表示位置势能、,压力能和动能。,定义：单位重量液体所具有的能量称为,比能,。则伯努利方程中,每一项分别表示,比位能,比压能,和,比动能,。,38,方程的物理意义为：,比能守恒,。,几何意义,方程中每一项都具有长度单位,称为水头,则方程中每一项分别表示 位置水头、压力水头和速度水头。,方程的几何意义为：水头守恒。,39,当速度,u,1,=u,2,=O,时，则方程变为：,（静力学基本方程）。,液体是连续的。,例：,图示水箱，侧壁开有小孔，水箱液面,1-1,与小孔中心,2-2,处的压力分别为,p,1,和,p,2,，其间的距离为,h,，且,h,基本不变，不计损失，求水从小孔流出的速度。,40,解：,选取,1-1,和,2-2,截面,列出伯努利方程,：,并列出连续性方程：,;A,1,A,2, u,1,0,则,在截面,1-1,处：,z,1,=h,，,p,1,=p,1,，,u,1,0,；,在截面,2-2,处：,z,2,=0,，,p,2,=p,a,（大气压）,u,2,？；将其代入得：,41,当,p,1,=p,a,时,，,；,当（,p,1,-p,a,）,/,（,）,h,时，,。,42,1.3.4,动量方程,1),刚体的动量方程,根据力学动量定理，作用在物体上的全部外力的矢量和等于在力的作用方向上的动量的变化率，即,2),液体的动量方程,43,流束中取,控制体积,液体,1-1,和,2-2,，,流速分别为,u,1,、,u,2,，动量为；,设在,t,时刻，截面,1,、和,2,上的面积分别为,A,1,、,A,2,，,经,t,时间后，该段液体移到,1-2,位,置，其动量为,在,t,内动量的变化量为,44,而,故,3),几点讨论,矢量方程。,45,适用于恒定流动,所求出的力称,稳态液动力,。若为非恒定流动,则还有,瞬态液动力,。,为控制体积液体所受外力的总和，实际构件受力一般与之成,作用力,与,反作用力,关系。,例：,求滑阀阀芯所受轴向力。,解：,取阀进出口之间的液体为控制体,积，并列出,X,向方程，,46,2,=90,0,，,方向向左，而液体对阀芯的作用力,方向向右，即该力使阀口趋于关闭。,47,1.4,管道中液流特性,1.4.1,液体的流动状态,1),雷诺实验,48,当,vvcr,（临界流速），颜色水与周围水不混杂，,得,层流,；,当,v,vcr,，颜色水流束弯曲、颤动；,当,v,vcr,（临界流速），颜色水与周围水完全混杂，,得,紊流,。,2),雷诺数,Re,式中：,v ,平均流速；,d ,管径；, ,液体的运动粘度。,49,临界雷诺数：,当,Re,Recr,得,层流,；,当,ReRecr,得,紊流,。,对光滑圆管，,R,ecr,=2320,。,雷诺数的物理意义：就影响而言，是惯性力与粘性力之比。,层流时，粘性力的影响大于惯性力；,紊流时，惯性力的影响大于粘性力。,50,1.4.2,圆管中的层流,1),条件：,水平细长直管，,l/d4,；,压差流动，,p,1,-p,2,=p,0,；,恒定流动，层流。,51,2),流动分析,取中央小圆液柱，,按牛顿第二定律，,前一项为位变加速度，后一项为时变加速度，,直管，,恒定流动，,代入得：,52,即,又,代入得：,3),流速分布,由实验知：,53,积分,并由边界条件,:r=d/2,时,u=0,得：,呈,旋转抛物面,分布。,4),流量计算,取微环面积,54,哈根,-,泊肃叶公式。,5),平均流速,v,55,1.4.3,圆管中的紊流,1),时均流速,和时均压力,变化而变化，则可将实质上非恒定流动,看作恒定流动。,只要,时均流速,和时均压力,不随时间,56,2),流速分布,基本呈现平面分布。,57,1.4.4,压力损失,p,1),沿程压力损失,p,式中：,l ,管长；,d ,管径；,v ,平均流速；, ,液体密度；, ,沿程阻力系数。,层流时：,（理论值），,58,实际取,（金属圆管）；,（橡胶软管）。,紊流时：,P25,表,1-6,。,2),局部压力损失,p,凡是流速发生变化的地方都有局部,压力损失。,59,式中：,v ,平均流速；, ,液体密度；,局部阻力系数。,3,）总压力损失,损失的水头高,60,1.4.5,实际液体的伯努利方程,主要考虑：,1,）因液体粘性引起的能量损失，（用,损失的水头高,h,W,表示）,2,）因液体粘性引起的流速分布不均，而用平均流速计算比动能项所产生的比动能项的误差。（用动能修正系数,来解决）,61,则可将理想液体的伯努利方程,改造成实际 液体的伯努利方程,其中：,h,w,损失水头高；,动能修正系数，层流时：,紊流时：,62,1.5,孔口及缝隙的压力流量特性,1.5.1,薄壁小孔,1),条件：,l/d ,；,d,；,压差势流,p,0,。,2),流动分析,63,实验表明：液流流束在喉部有收缩。,收缩截面面积,A,c,，孔口截面面积,A,0,，,则定义收缩系数,C,c,，,实验和理论分析表明：流束在收缩,处平均流速为：,C,v,流速系数,则：,64,C,d,流速系数，,C,d,=C,c,C,v,3),圆柱滑阀阀口的流量计算,不计径向间隙,C,r,，,则阀口通流面积为,65,考虑径向间隙,C,r,，则阀口通流面积为：,4),圆锥阀口的流量计算,66,1.5.2,细长孔、薄壁小孔及短孔的,流量计算,1),细长孔,（层流时）,2),薄壁小孔,67,3),短孔,l/d,4,K ,节流系数；,m ,节流指数，,0.5 m 1,1.5.3,平行平板缝隙,条件：,l,h,，,b,h,；层流，,恒定流动。,68,y,z,在两平行平,板之间，取一微,元体液体，分析,其受力，按牛顿,第二定律,可有：,即：,69,3),流速分布,对上式积分，并注意到,由边界条件,y=0,，,u=0,和,y=h,，,u=u,0,得,4),流量计算,70,式中：前一项称作压差流；,后一项称作剪切流。,1.5.4,环形缝隙,1),同心环形缝隙,71,若不计剪切流，则,72,2),偏心环形缝隙,可将,db,段圆弧所对应的环形缝隙看作平行平板缝隙，则：,db=rd,，,h,0,内外圆同心时半径方向的缝隙值,。,73,相对偏心率，, 0 1,不计剪切流，则,u,0,=0,，,74,故,同心时：,e=0,=0,最大偏心时：,e=h,0,=1,即最大偏心时的流量是同心时流量,的倍。,3),几点讨论：,75,缝隙流量实质是研讨泄漏。,影响泄漏的因素：,e,，,h,，,p,，,，,b,，,l,，等。,减少泄漏的措施：,保证同心，,h,，,p,，,，,b,，,l,。,76,1.6,液压冲击和气穴现象,1.6.1,液压冲击,1),产生液压冲击的原因及危害,原因：,液体因突然停止运动而导致动能向压,力能瞬时转变；,运动部件换向或制动引起冲击；,元件动作不灵敏。,77,危害：,产生误动作；,损坏元件或系统。,2),液体因突然停止运动而产生的,液压冲击,冲击过程,2l/c,78,最大压力升高值,p,max,设：液体动能液体压力能，则：,式中：,液体密度；,v,0,初始,流速；,c ,压力波波速（声速），,等效体积弹性模量。,完全冲击和非完全冲击,79,设：阀关闭时间为,t,，,临界关闭时间为,T,，,T=2l/c,，,则,t,T,，,完全冲击,，,（直接冲击）,t T,，,非完全冲击,，,（间接冲击）,可见：欲,p,max,，可,t,。,管中最大压力,80,1),运动部件制动时产生的液压冲击,可见：,t,可,p,。,81,4),减小液压冲击的措施,1.6.2,气穴现象,对泵吸油口处有：,当,v,2,很大，或,h,w,很大，或,z,2,很大，,则使,p,2,=p,极小,p,p,g,（空气分离压） ,p,a,（大气压）, 油气分离严重气穴，,82,p,p,v,(,饱和蒸汽压,),p,g,(,空气压分离,),油液汽化强烈气穴，,后果：,振动、噪声及气蚀。,注：,气穴现象不但在泵进油口处出现，,还会在有些阀口处出现。,