液压系统物理学基础

*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,液压系统的物理学基础,液体的压力,压力：,液体的压力是指液体在单位面积上所受的作用力，用,p,表示。,P,=,F,A,p=,液体的压力（,Pa,）,F=,力（,N,）,A=,面积（,m,2,）,单位：,工业中常用的单位为巴（,bar,）。,1bar=110,5,Pa(N/m,2,)=0.1 MPa,1MPa=110,6,Pa 1bar=14.5,磅,/,英寸,2,液体静压力的特性：,1,、液体静压力垂直于作用面，其方向与该面的内法线方向一致。,2,、静止液体内，任意点处的静压力在各个方向上都相等。,已知：力,F=100kN,，工作压力,p=350bar,求：活塞的直径,d,。,解：查表得：,d=60 mm,利用图表计算液体的压力,液体静力学的基本方程,p=p,0,+gh,静止液体中任一点处的静压力是作用液面,上的压力,p0,和液体重力所产生的压力,gh,之和。当液面与大气接触时，,p0,为,大气压力,p,大气压，故,p=p,大气压,+gh,液体静压力随液深呈线性规律分布。,离液面深度相同的各点组成了等压面，此,等压面为一水平面。,p,0,p,h,h,G,p,p,0,A,h,A,A,h,0,h,M,M,p,0,压力的表示方法,绝对压力：,以绝对真空为基准进行度量而得到的压力值（,pa,）。,相对压力：,以大气压为基准进行度量而得到的压力值（,pg,）。,真空度：,绝对压力不足大气压的那部分压力值。,大气压,0%,真空,绝对真空,100%,真空,真空度,绝对压力,相对压力（表压力）,大气压,=1.013bar,F1,100 bar,A1,A2,A3,A4,A5,F3,F2,F4,F5,帕斯卡原理,帕斯卡原理：,在密闭的容器内，由外力施加于静止液体表面所产生的压力，将等值且同时地传递到液体内部各点（静压传递原理）。,力的倍增,从这个等式中可以导出某个量,F,1,、,F,2,、,A,1,或,A,2,的大小。,在活塞上施加一个较小的力，通过工作活塞表面积的扩大，便能得到较大的力。,F,2,F,1,A,1,P,1,A,2,P,2,=,A,2,F,2,A,1,F,1,因为面积,A,1,小于,A,2,，故行程,s,1,必大于,s,2,。,活塞的行程与它的面积成反比。,S,1,A,1,=S,2,A,2,F,2,F,1,S,1,A,1,活塞,1,A,2,活塞,2,S,2,行程的倍增,因活塞面积,A,2,小于,A,1,，故压力,p,2,大于,p,1,。,p,1,A,1,=p,2,A,2,A,1,F,1,p,1,A,2,F,2,p,2,压力的倍增,液体的流量,流量：,单位时间流过某一通流截面的流体的容量（体积）,。,Q,=,V,t,Q=,流量（,m,3,/s,）,V=,容量（,m,3,）,t=,时间（,s,）,液压缸工作时，活塞运动的速度就等于缸内液体的平均流速。活塞运动速度的大小由输入液压缸的流量来决定：,v,=,Q,A,Q=,进入液压缸的流量,A=,液压缸活塞的有效作用面积,v=,液压缸活塞的运动速度,层流和紊流,层流,紊流,层流，即压力流体在管子中有规则地圆筒状地成层流动。这时内部流体内层的速度大于外层的速度。当压力流体的流速增加时，小部分流体从一定的速度起（称为临界速度）不再成为一个有规则的层，管子中间的小部分流体趋向管壁。小部分流体互相影响和干扰，形成了旋涡，流动就变为旋涡式的紊流，结果主流的能量被分散。（,Re2300,紊流）,液流连续性方程,上式表明流体在管中流动时流过各个通流截面的流量是相等的，因而流速和通流面积成反比，管粗流速低，管细流速快。,1,A1,V1,A2,V2,2,Q=VA=,常量,伯努利方程,V,1,2,/2,V,2,2,/2,p,1,/,p,2,/,gh,1,gh,2,在密闭管道内作稳定流动的理想液体具有三种形式的能量（压力能、位能、动能），在沿管道流动过程中三种能量之间可以互相转化，但在任一截面处，三种能量的总和为一常数。,p,2,+gh,2,+,v,2,2,2,+gh,1,+,p,1,v,1,2,2,=,理想液体伯努利方程,实际液体伯努利方程,p,2,+gh,2,+,a,2,v,2,2,2,+gh,1,+,p,1,a,1,v,1,2,2,=,+gh,W,液压传动的能量损失,-,压力损失,沿程压力损失,指液体在等径直管中流动时由于摩擦阻力而产生的压力损失。它主要决定于液体的流速、粘性和管路的长度以及油管的内径等。,v,2,2,P,=,l,d,V=,液流的平均流速,=,液体的密度,=,沿程阻力系数，适用于层流和紊流。,圆管层流：金属管,=75/Re,，橡胶管,=80/Re,紊流：当,2.310,3,Re10,5,时，可取,0.3146Re,-0.25,液压传动的能量损失,-,压力损失,局部压力损失,局部压力损失指的是液体流经管道的弯头、接头、突变截面以及阀口，致使液流的方向和大小发生剧烈变化，发生撞击、旋涡等现象所造成的能量损失。,v,2,2,P,=,对于层流,v,2,2,P,=b,校正因子,b,Re,b,30,15,7.5,3,1.5,1.25,1.15,1.0,2300,1500,1000,500,250,100,50,25,形状系数,1.3,0.5,0.5-1,2,1.2,515,液压传动的能量损失,-,总压力损失,利用上式计算时，只有在产生各局部阻力处之间有足够的距离时才是正确的。因为当液流经过一个局部阻力处后，要在直管中流过一段距离，液流才能稳定。否则，如液流尚未稳定就又经过第二个局部阻力处，将使情况复杂化，有时阻力系数可能比正常情况下大,2-3,倍。,一般希望在两个局部阻力处之间的直管长度,l,（,10-20,）,d,，,d,为管道内径。,P,=P,P,v,2,2,=,v,2,2,l,d,液压传动的能量损失,-,流量损失,内泄漏,油液由高压腔向低压腔的泄漏。,外泄漏,油液由元件内部向外部的泄漏。,主要泄漏部位：,元件和集成块之间的固定联接面；管接头的螺纹联接处；液压缸的滑动面；轴伸的转动部位；阀孔和阀芯的间隙等。,位能,位能（也称势能）是一种能量，当一物体被举高,h,时，物体（或流体）中就具有这种能量，这是人为克服重力而做了功。,W=mgh,m=,流体的质量,(kg),g=,重力加速度,(m/s,2,),(g=9.8110m/s,2,),h=,流体高度,(m),单位：焦耳,J(Joule),A,B,X,压力能,当流体受压力冲击时，因为内部空气消失流体的体积变小，可压缩的范围合计是输出容量的,1-3%,。因为液压油的可压缩性小，即,V,相对小些。在,100bar,压力时,V,约是输出容量的,1%,。,压力能来自压缩流体反作用所产生的力。,W=pV,p=,流体的压力,(Pa),V=,流体的容量,(m,3,),单位：焦耳,J(Joule),弹性模数,Eoel,K=V,0,p,V,(N/m,2,或,N/cm,2,),V0=,输出容量,V=,容量的减少量,p,动能,动能（也称运动的能量）是这样一种能量，当一物体（或液体）以一定的速度移动时，物体所具有的能量。这种能是由作用在物体（或液体）上的力,F,所产生的加速度作了功而产生的。,W=,1,2,mv,2,m=,流体的质量,(kg),v=,速度,(m/s),单位：焦耳,J(Joule),V,1,V,2,F,p,热能,热能是一种为加热一个物体（或流体）到一定的温度所需要的能量。,在液压设备中由于摩擦，有一部分能量被转换成为热能。它导致了液压油和结构元件变热。还有一部分热能被排到外部，这样保留的能量减少。其结果是压力能减少。,W=pV,p=,摩擦造成的压力损耗,(Pa),V=,容量,(m,3,),单位：焦耳,J(Joule),p,1,p,2,p=p,1,-p,2,功率,负载,B,A,DF1,P,T,DD1,P,B,A,T,DW5,a,b,PS,M,机械功率,P=FV,M=,转矩,Nm,液压功率,P=pQ,机械功率,P=2nM,电功率 单位：瓦特,P=pQ,P=,功率,(W),p=,压力,(Pa),Q=,流量,(m,3,/s),通常功率被定义为每个单位时间内所做的功或能。,效率,输出功率与输入功率之比为效率（,）,效率,=,输出功率,输入功率,容积效率（,v,）,：它涉及到泵、马达和阀的内部和外部的泄漏引起的损耗。是泵的实际流量与理论流量的比值。,液压机械效率（,hm,）,：它涉及到泵、马达和油缸内的摩擦所造成的损耗。是泵的理论驱动转矩与实际驱动转矩之比。,在泵、马达和油缸中，由于能量转换所造成的总损耗可以从给定的总效率（,ges,）并以下式来计算：,ges,=,v,hm,输入功率与输出功率,负载,B,A,DF1,P,T,DD1,P,B,A,T,DW5,a,b,PS,M,P=pQ,液压功率,P,E,=2n,E,M,E,电机向泵提供的输入功率,P,A,=2n,A,M,A,P,A,=FV,油缸或,马达,5%,10%,阀,管道,10%,泵,10%,电动机,5%,液压功率损耗,25%/30%,输出功率,P,A,70%/75%,EI,电功率,stung,液压冲击和气穴现象,液压冲击,在液压系统中，由于,某种原因,而引起油液的压力在瞬间急剧上升，这种现象称为液压冲击。,1,，当管道内的液体运动时，在某一瞬时将液流通路迅速切断（如阀门迅速关闭），则液体,的流速将突然将为,0,。,2,，液压系统中的高速运动部件突然制动时。如液压缸运动到底时。,3,，当液压系统中的某些元件反应不灵敏时,气穴现象,在液压系统中，如果某处的压力迅速下降至低于空气分离压时，溶于油液中的空气游离出来形成气泡，这些气泡夹杂在油液中形成气穴，这种现象称为气穴现象。,为了避免气穴现象的产生，我们,可以减小阀口的压降，希望阀口前后的压力比,P1,：,P2,小于,3.5,。整个系统的管道应尽可能做到平直，避免急弯和局部窄缝，密封要好，配置合理。,液压冲击和气穴现象,气蚀,所谓气蚀就是工件材料表面上最小颗粒的丢失。它发生在液压器件（泵和阀）的控制边缘。,V3V4,-0.3 bar,V3,V4,狭窄部位的压力降,相对真空,压力,(bar),0,3,2,1,0.7,压力降,压力中断,谢谢！,