第一单元第二章液压传动力学基础

液压与气动电子教案丛 书 主 编 李 乃 夫主 编 孙 名 楷副 主 编 王 永 润中等职业教育机电技术专业规划教材 第 一 单 元 液 压 传 动 原 理 、 力 学 基 础 及基 本 元 器 件 第 2章 液 压 传 动 力 学 基 础 2.1 液 体 静 力 学 基 础 2.2 液 体 动 力 学 基 础 2.3 液 压 冲 击 和 气 穴 现 象 2.1.1 液 体 静 力 学 2.1.2 液 体 静 力 学 基 本 方 程2.2.1 基 本 概 念 2.2.2 液 体 的 流 态 和 雷 诺 数 2.2.3 液 体 流 动 的 连 续 性 方 程 质 量 方 程 2.3.1 液 压 冲 击 2.3.2 气 穴 现 象 *2.2.4 液 体 流 动 的 伯 努 利 方 程 能 量 方 程 2.2.5 压 力 损 失 2.1.3 静 压 力 的 传 递 2.1.4 绝 对 压 力 、 相 对 压 力 和 真 空 度 2.1.5 液 体 对 固 体 壁 面 的 作 用 力 2.1 液 体 静 力 学 基 础2.1.1 液 体 静 力 学液 压 传 动 是 依 靠 液 体 静 压 力 来 传 递 力 的 。 液 体 静 压 力 是 指 液 体 处 于 静 止 状 态 时 ， 液 体 单 位 面 积 上 所 受 的 法 向 作 用 力 。这 一 定 义 在 物 理 学 中 称 为 压 强 ， 在 液 压 传 动 中 简 称 压 力 。 其 中 F指 法 向 作 用 力 ， A指 作 用 面 积 压 力 的 法 定 单 位 为 牛 顿 /米 2（ N/m2） ， 称 为 帕 斯 卡 ， 简 称 帕 （ Pa） ， 在 工 程上 还 经 常 用 到 兆 帕 （ MPa） 和 巴 （ bar） 这 两 个 单 位 液 体 静 压 力 有 如 下 特 性 ： （ 1） 沿 着 内 法 线 垂 直 作 用 于 作 用 面 。（ 2） 静 止 液 体 内 ， 任 一 点 所 受 各 个 方 向 的 压 力 都 相 等 。 从 上 述 结 论 可 以 推 出 ： 静 止 液 体 总 是 处 于 受 压 状 态 。 2.1 液 体 静 力 学 基 础2.1.2 液 体 静 力 学 基 本 方 程 如 图 2.1所 示 ， 已 知 容 器 内 液 体 密 度 为 ， 且 液 体 处 于 静 止 状 态 ， 液 面 上 承 受 压 力为 p0。 由 静 压 力 基 本 方 程 ， 可 以 知 道 1 静 止 液 体 内 任 一 点 处 的 压 力 是 液 面 上 的压 力 p0和 液 体 自 重 所 产 生 的 压 力 gh之 和 。当 液 面 只 受 大 气 压 力 pa作 用 时 ， 则 液 体 内 任一 点 处 的 压 力 为 ： 2 静 止 液 体 内 的 压 力 随 着 液 体 深 度 h的 增 加 线 性 地 增 加 ； 3 深 度 相 同 的 各 点 压 力 相 等 ， 这 些 压 力 相 等 的 点 组 成 了 等 压 面 ， 很 显 然 ， 在 重 力作 用 下 ， 静 止 液 体 的 等 压 面 为 一 水 平 面 。 2.1 液 体 静 力 学 基 础2.1.3 静 压 力 传 递 在 密 闭 容 器 中 ， 由 外 力 产 生 的 压 力 将 等 值 地 传 递 到 液 体 内 部 各 点 ， 这 就 是帕 斯 卡 原 理 ， 也 称 静 压 力 传 递 原 理 。 液 压 系 统 中 静 止 液 体 内 的 压 力 处 处 相 等 。 也 可 以 做 这 样 的 结 论 ： 液 体 内 的 压力 是 由 外 界 负 载 作 用 形 成 的 ， 即 液 压 系 统 的 工 作 压 力 取 决 于 负 载 。 例 ： 如 图 2.2所 示 为 两 个 相 互 连 通 的 液 压 缸 ， 已 知 大缸 内 径 D=100mm， 小 缸 内 径 d=20mm， 大 活 塞 上 所 放置 物 体 质 量 5000kg。 问 在 小 活 塞 上 施 加 的 力 F为 多 大时 ， 才 能 够 使 大 活 塞 顶 起 重 物 ？ 解 ： 根 据 帕 斯 卡 定 理 ， 两 缸 中 由 外 力 产 生 的 压 力 相 等 ，即 P 左 = P右 即 力 比 等 于 直 径 平 方 比 （ 或 引 申 为 面 积 比 ） 。 由 此 ， 我 们 可 以 这 么 认 为 ， 只 要 大 、小 缸 活 塞 面 积 比 越 大 ， 就 越 省 力 。 2.1 液 体 静 力 学 基 础2.1.4 绝 对 压 力 、 相 对 压 力 和 真 空 度液 体 压 力 通 常 有 绝 对 压 力 、 相 对 压 力 和 真 空 度 三 种 表 示 方 法 ： 以 绝 对 真 空 作 为 基 准 所 表 示 的 压 力 称 为 绝 对 压 力 。 以 大 气 压 力 作 为 基 准 所 表 示 的 压 力 称 为 相 对 压 力 。 当 绝 对 压 力 小 于 大 气 压 时 ， 比 大 气 压 力 小 的 那 部 分 数 值 称 为 真 空 度 。 从 图 2.3可 知 ， 绝 对 压 力 、 相 对 压 力 和 真 空 度 三 者 之 间 的 关 系 为 ： 相 对 压 力 =绝 对 压 力 -大 气 压 力绝 对 压 力 =相 对 压 力 +大 气 压 力 真 空 度 =绝 对 压 力 -大 气 压 力 结 论 ： 绝 对 压 力 总 是 正 值 ， 而 表 压 力 则 可 正 可 负 亦 可 为 零 。 当 表 压 力 为 正 时 ， 表示 所 测 压 力 比 大 气 压 大 ， 为 负 时 ， 表 示 所 测 压 力 比 大 气 压 小 。 2.1 液 体 静 力 学 基 础2.1.5 液 体 对 固 体 壁 面 的 作 用 力 液 体 和 固 定 表 面 相 接 触 时 ， 固 体 表 面 将 受 到 液 压 力 的 作 用 。 当 固 体 表 面 为 一 平 面 时 ， 液 体 在 该 表 面 上 的 总 作 用 力 F等 于 液 体 的 压 力 P与 承受 面 积 A的 乘 积 ， 即 如 图 2.4所 示 ， 要 计 算 球 面 和 圆 锥 面 在 垂 直 方 向 的 总 作 用 力 F， 只 需 要 先 计 算 出 两个 面 在 该 方 向 上 的 投 影 面 积 大 小 ， 再 与 压 力 相 乘 即 可 。 图 2.4液 压 力 作 用 在 曲 面 上 的 力 两 个 曲 面 在 该 方 向 上 的 投 影 面 积 为 一直 径 为 d的 圆 ， 故 其 总 作 用 力 F为 ： 结 论 ： 只 要 投 影 面 积 不 变 ， 不 管 曲 面 如 何 变 化 ， 则 其 计 算 结 果 将 是 一 致 的 。 2.2 液 压 动 力 学 基 础2.2.1 基 本 概 念1 理 想 液 体 和 稳 定 流 动 （ 1） 把 既 无 黏 性 又 不 可 压 缩 的 假 想 液 体 称 为 理 想 液 体 ， 而 把 事 实 上 存 在 的 具 有 黏 性又 可 压 缩 的 液 体 称 为 实 际 液 体 。 （ 2） 液 体 流 动 时 ， 若 液 体 中 任 一 点 处 的 压 力 、 速 度 和 密 度 都 不 随 时 间 变 化 ， 这 种 流动 称 为 稳 定 流 动 （ 亦 称 恒 定 流 动 或 定 常 流 动 ） 。 反 之 ， 若 任 一 点 处 的 压 力 、 速 度 或密 度 中 有 一 个 或 多 个 随 时 间 变 化 ， 则 称 为 非 稳 定 流 动 。 2 通 流 截 面 、 流 量 和 平 均 流 速 （ 1） 通 流 截 面 。 液 体 在 管 道 中 流 动 时 ， 将 垂 直 于 液 体 流 动 方 向 的截 面 称 为 通 流 截 面 或 过 流 截 面 。 通 常 用 A表 示 ， 单 位 为 m 2。 （ 2） 流 量 。 单 位 时 间 内 流 过 某 一 通 流 截 面 的 液 体 体 积 成 为 流 量 ，用 q表 示 ， 单 位 为 m3/s、 L/min和 ml/min。 （ 3） 平 均 流 速 。 液 体 在 管 道 中 流 动 时 ， 由 于 具 有 黏 性 ， 在 同 一 截 面 上 各 点 的 流 动 速度 是 不 相 同 的 。 根 据 平 均 流 速 的 定 义 ， 可 以 推 导 出 其 计 算 公 式 为 ： 活 塞 的 运 动 速 度 取 决 于 输 入 液 压 缸 的 流 量 。 2.2 液 压 动 力 学 基 础2.2.2 液 体 的 流 态 和 雷 诺 数 实 验 表 明 ， 在 液 体 流 动 的 过 程 中 ， 存 在 着 多 种 不 同 的 流 动 状 态 。 经 过 大 量 的 实 验表 明 ， 基 本 上 可 以 把 液 体 的 流 动 状 态 分 为 三 类 。 层 流 ： 液 体 流 动 时 是 分 层 的 ， 层 与 层 之 间 的 流 动 互 不 干 扰 ， 只 有 横 向 运 动 ， 没 有 纵向 交 错 。 紊 流 ： 液 体 流 动 时 液 流 完 全 紊 乱 ， 既 有 横 向 运 动 ， 也 有 纵 向 交 错 。 过 渡 流 态 ： 处 于 层 流 和 紊 流 之 间 的 一 种 中 间 状 态 。 2.2 液 压 动 力 学 基 础2.2.2 液 体 的 流 态 和 雷 诺 数 实 验 证 明 ， 液 体 流 动 状 态 不 仅 仅 和 平 均 流 速 v有 关 ， 还 和 管 道 水 力 直 径 dH和 液 体 的运 动 黏 度 有 关 ， 而 这 三 个 要 素 所 组 成 的 一 个 无 量 纲 数 就 是 雷 诺 数 ， 用 Re表 示 ， 即 式 中 ， 水 力 直 径 dH为 其 中 ： A通 流 截 面 面 积 x湿 周 周 长 ， 指 通 流 截 面 处 与 液 体 相 接 触 的 壁 面 的 周 长 所 以 ， 圆 形 管 道 的 水 力 直 径 为 其 直 径 d。 2.2 液 压 动 力 学 基 础2.2.2 液 体 的 流 态 和 雷 诺 数实 验 证 明 ， 上 临 界 雷 诺 数 要 比 下 临 界 雷 诺 数 大 ， 工 程 上 以 下 临 界 雷 诺 数 作 为 液 体 流动 状 态 判 别 的 依 据 ， 并 称 其 为 临 界 雷 诺 数 Rec。 当 Re Rec时 ， 为 层 流 ； 当 ReRec时 ， 为 紊 流 。 常 见 管 道 的 临 界 雷 诺 数 见 表 2.1。 2.2 液 压 动 力 学 基 础2.2.3 液 体 流 动 的 连 续 性 方 程 质 量 方 程 如 图 2.8所 示 ， 设 液 体 在 管 道 中 作 稳 定 流 动 。 根 据 质 量 守 恒 定 律 ， 在 单 位 时 间 内 通 过 两 个 截 面 的 液 体 质 量 应 相 等 ， 即 忽 略 液 体 的 可 压 缩 性 ， 有 1=2， 则 液 体 流 动 的 连 续 性 方 程 ， 表 明 了 液 体 流 经 各 个 通 流 截 面 时 ， 其 流 量 是 相 等 的 ， 也 说 明了 流 速 和 面 积 成 反 比 例 关 系 。 2.2 液 压 动 力 学 基 础*2.2.4 液 体 流 动 的 伯 努 利 方 程 能 量 方 程 伯 努 利 方 程 是 能 量 守 恒 定 律 在 流 体 力 学 中 的 一 种 表 达 形 式 。 1 理 想 液 体 的 伯 努 利 方 程 如 图 2.9所 示 ， 设 管 内 为 理 想 液 体 ， 在 不 等 截 面 的 管 路 中 作 稳 定 流 动 。 理 想 液 体 的 伯 努 利 方 程 ： 通 流 面 积 越 小 处 ， 流 速 越 大 ， 也 就 是 说 其 动能 越 大 ， 那 么 其 压 力 （ 或 者 说 压 力 能 ） 越 小 ， 反之 ， 通 流 面 积 越 大 处 ， 流 速 越 小 ， 则 其 压 力 （ 压 力 能 ） 越 大 。 2 实 际 液 体 的 伯 努 利 方 程 实 际 液 体 具 有 黏 性 ， 在 流 动 过 程 中 会 因 为 摩 擦 的 存 在 而 消 耗 掉 一 定 的 能 量 。 实 际 液 体 的 伯 努 利 方 程 为 ： 2.2 液 压 动 力 学 基 础2.2.5 压 力 损 失 液 体 因 为 摩 擦 和 其 他 一 些 原 因 造 成 能 量 的 损 失 。一 般 表 现 为 压 力 损 失 ， 具 体 可 分 为 两 种 ： 1 沿 程 压 力 损 失 液 体 在 等 直 径 直 管 中 流 动 时 ， 由 于 黏 性 摩 擦 产 生 的 压 力 损 失 ， 主 要 取 决 于 液 体的 流 动 速 度 、 黏 性 和 管 路 的 长 度 、 管 径 等 。 2 局 部 压 力 损 失 液 体 流 经 阀 口 、 管 道 转 弯 、 突 变 截 面 、 接 头 等 处 ， 由 于 流 动 速 度 和 方 向 发 生 剧烈 变 化 而 造 成 的 损 失 。 系 统 中 总 的 压 力 损 失 等 于 所 有 沿 程 压 力 损 失 之 和 所 有 局 部 压 力 损 失 之 和 。 为 了 减 少 压 力 损 失 ， 通 常 采 取 下 列 措 施 ： （ 1） 控 制 好 油 液 流 动 速 度 ， 过 高 压 力 损 失 严 重 ， 过 低 则 会 增 大 管 路 直 径 和 各 种元 器 件 的 尺 寸 。（ 2） 管 道 内 部 应 尽 量 光 滑 ， 降 低 各 种 元 器 件 表 面 粗 糙 度 。（ 3） 密 封 元 件 的 性 能 良 好 。（ 4） 油 液 黏 度 适 当 。 过 高 会 增 加 摩 擦 ， 过 低 则 会 加 大 泄 露 。（ 5） 尽 量 减 少 管 道 长 度 ， 尽 量 避 免 弯 道 和 管 路 直 径 的 急 剧 变 化 。 2.3 液 压 冲 击 和 气 穴 现 象2.3.1 液 压 冲 击 在 液 压 系 统 中 ， 由 于 某 种 原 因 造 成 液 体 压 力 在 某 一 瞬 间 急 剧 上 升 ， 形 成 很 高 的 压 力峰 值 ， 这 种 现 象 称 为 液 压 冲 击 。 1 产 生 液 压 冲 击 的 原 因 （ 1） 在 液 流 突 然 停 止 运 动 的 时 候 ； （ 2） 急 速 改 变 运 动 部 件 的 速 度 ； （ 3） 由 于 液 压 系 统 中 某 些 元 件 反 应 动 作 不 够 灵 敏 ， 也 会 造 成 液 压 冲 击 。 2 液 压 冲 击 的 危 害 引 起 设 备 振 动 和 噪 声 ； 损 坏 液 压 元 件 、 密 封 装 置 ， 甚 至 使 油 管 破 裂 ； 系 统 中 的 某 些 元 件 也 可 能 产 生 误 动 作 ， 造 成 事 故 。 3 减 少 液 压 冲 击 的 措 施 （ 1） 延 长 阀 门 开 、 关 和 运 动 部 件 制 动 、 换 向 的 时 间 。（ 2） 限 制 管 道 流 速 及 运 动 部 件 速 度 。（ 3） 安 装 管 道 时 ， 需 要 转 弯 时 应 尽 量 增 大 弯 道 半 径 ， 一 般 应 是 管 道 直 径 的 三倍 以 上 。（ 4） 适 当 加 大 管 道 直 径 ， 尽 量 缩 短 管 路 长 度 。 必 要 时 可 在 冲 击 区 附 近 安 装 蓄能 器 等 缓 冲 装 置 来 达 到 此 目 的 。（ 5） 采 用 软 管 ， 以 增 加 系 统 的 弹 性 。 2.3 液 压 冲 击 和 气 穴 现 象2.3.2 气 穴 现 象 在 液 压 系 统 中 ， 如 果 某 处 的 压 力 值 低 于 空 气 分 离 压 时 ， 原 先 溶 解 在 液 体 中 的 空气 就 会 分 离 出 来 ， 导 致 液 体 中 出 现 大 量 气 泡 ， 这 种 现 象 称 为 气 穴 现 象 。 1 气 穴 现 象 的 危 害 ：出 现 爬 行 现 象 ； 局 部 液 压 冲 击 ， 发 出 噪 声 并 引 起 振 动 ； 气 蚀 ； 2 产 生 气 穴 现 象 的 原 因 ：气 穴 现 象 多 发 生 在 阀 口 和 液 压 泵 的 入 口 处 。 由 于 阀 口 的 通 道 狭 窄 ， 液 流 速 度 增 大 ，造 成 压 力 大 大 下 降 ， 以 致 产 生 气 穴 。 当 泵 的 安 装 高 度 过 大 ， 吸 油 管 直 径 太 小 ， 吸 油阻 力 太 大 ， 或 泵 的 转 速 过 高 ， 造 成 入 口 处 真 空 度 过 大 ， 亦 会 产 生 气 穴 。 3 减 少 气 穴 现 象 ， 通 常 采 取 下 列 措 施 ： （ 1） 液 压 泵 的 吸 油 管 管 径 不 能 过 小 ， 并 应 限 制 液 压 泵 吸 油 管 中 油 液 的 流 速 ， 降 低吸 油 高 度 。（ 2） 液 压 泵 转 速 不 能 过 高 ， 以 防 吸 油 不 充 分 。（ 3） 管 路 尽 量 平 直 ， 避 免 出 现 急 转 弯 及 狭 窄 处 。（ 4） 节 流 口 压 力 降 要 小 ， 一 般 控 制 节 流 口 前 后 压 力 比 不 大 于 3.5。（ 5） 管 路 密 封 要 好 ， 防 止 空 气 渗 入 。（ 6） 为 了 提 高 零 件 的 抗 气 蚀 能 力 ， 可 采 用 抗 气 蚀 能 力 强 的 金 属 材 料 （ 如 青 铜 抗 气蚀 能 力 强 ， 而 铸 铁 比 较 弱 ） ， 并 降 低 零 件 表 面 粗 糙 度 。