液压传动基础.pptx

第一节 液压传动工作介质一、液压传动工作介质的性质 1密度 单位体积液体的质量称为液体的密度。=m/v2可可压缩性性 单位压力变化下的体积相对变化量第1页/共89页3粘性1）粘性的定义：液体在外力作用下流动(或有流动趋势)时，分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产生的一种内摩擦力，这种现象叫做液体的粘性。2）粘度：第2页/共89页3）粘度的种类 1）动力粘度：又称绝对粘度，动力粘度 的物理意义是，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 2）运动粘度：液体的动力粘度与其密度的 比值v=v=/3）相对粘度：相对粘度又称条件粘度，它 是按一定的测量条件制定的。可分为恩氏 粘度EE、赛氏粘度SSUSSU、雷氏粘度ReRe等。第3页/共89页4）粘度与温度、压力之间的关系第4页/共89页4其它性质稳定性、抗泡沫性、抗乳化性等二、对液压传动工作介质的要求 1)合适的粘度，较好的粘温特性。2)润滑性能好。3)质地纯净，杂质少。4)对金属和密封件有良好的相容性。5)对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定 性。第5页/共89页6)6)抗泡沫好，抗乳化性好，腐蚀性小，防 锈性好。7)7)体积膨胀系数小，比热容大。8)8)流动点和凝固点低，闪点(明火能使油面 上油蒸气闪燃，但油本身不燃烧时的温 度)和燃点高。9)9)对人体无害，成本低。第6页/共89页三、工作介质的分类和选择1、分类 按抗燃烧特性可分为两大类：（1）为矿物油系；（2）为不燃或难燃油系1）水基液压油2）合成液压油 第7页/共89页2工作介质的选用原则（1）液压泵的类型（2）液压系统的工作压力（3）运动速度（4）环境温度（5）防污染的要求（6）综合经济性第8页/共89页四、液压系统的污染控制 1污染的根源已被污染的新油、残留污染、侵入污染和内部生成污染。2污染的的危害 3污染的测定 称重法 颗粒记数法 显微镜颗粒记数法自动颗粒记数法第9页/共89页 4污染度的等级 5工作介质的污染控制 (1)对元件和系统进行清洗，才能正式运转。(2)防止污染物从外界侵入。(3)在液压系统合适部位设置合适的过滤器 (4)控制工作介质的温度 (5)定期检查和更换工作介质第10页/共89页第二节 液体静力学一、液体静压力及其特性1.力的种类（1）质量力（2）表面力 1）静压力液体内某点处单位面积A上所 受到的法向力F之比，称为压力p（静压力）或pF/A第11页/共89页2）静压力两个重要特性：液体静压力的方向总是作用面的内法线方向。静止液体内任一点的液体静压力在各个方向上都相等。二、液体静压力基本方程1静压力基本方程式在平衡状态下，有p A=p0 A+FG=p0 A+gh A 第12页/共89页则点所受的压力为p=p0+gh要点：要点：静止液体内任一点静止液体内任一点处的的压力由两部分力由两部分组成，一部分是液面上的成，一部分是液面上的压力力p0，另一部分，另一部分是是g与与该点离液面深度点离液面深度 h的乘的乘积。同一容器中同一液体内的静压力随液体深度h的增加而线性地增加。连通器内同一液体中深度h相同的各点压力都相等。由压力相等的点组成的面称为等压面。重力作用下静止液体中的等压面是一个水平面。第13页/共89页2 2静压力基本方程式的物理意义（1 1）公式推导距液面深度为h h处的A A点的压力p p为：p=p0+gh=p0+g（z0-z）将上式整理可得 或第14页/共89页例：求玻璃管的液柱高度hp得：这说明：压力能与势能的相互转化。（2）物理意义：静止液体中单位质量液体的压力能和位能可以互相转换，但各点的总能量却保持不变，即能量守衡。第15页/共89页三、压力的表示方法及单位1.压力的表示法（1）绝对压力以绝对真空作为基准所表示的压力；（2）相对压力以大气压力作为基准所表示的压力绝对压力相对压力大气压力第16页/共89页真空度大气压绝对压力2.压力的单位:我国法定压力单位为帕斯卡，简称帕1MPa=101MPa=106 6 Pa Pa1at1at（工程大气压）=1kgf/cm=1kgf/cm2 2=9.810=9.8104 4 Pa Pa 1mH1mH2 2O(O(米水柱)=9.810)=9.8103 3 Pa Pa 1mmHg(1mmHg(毫米汞柱)=1.3310)=1.33102 2 Pa Pa 1bar(1bar(巴)=10)=105252第17页/共89页例1 如图1-7所示，容器内充满油液，活塞上作用力F1000N，活塞的面积A110-3m2，问活塞下方深度为h处的压力等于多少？油液的密度900kg/m3。解：根据解：根据pp0gh，活塞，活塞和液面接触和液面接触处的的压力力p0F/A=1000/(110-3)N/m2=106N/m2,因此深度因此深度为h处的液体的液体压力力为第18页/共89页P=p0+pgh=(106+9000.5)N/m2106N/m2 106N/m2 因而对液压传动来说，一般不考虑液体位置高度对于压力的影响，可以认为静止静止液体内各处的压力都是相等的。液体内各处的压力都是相等的。第19页/共89页四、帕斯卡原理1.定义：在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到各点。2.应用：按帕斯卡原理，液压缸内压力到处相等，p1p2p，于是 F2F1A2/A1第20页/共89页五、液体静压力对固体壁面的作用力 1）当固体壁面为平面时，液体压力在该平面的总作用力 F=p A ，方向垂直于该平面。2）当固体壁面为曲面时，液体压力在曲面某方向上的总作用力 F=p Ax，Ax 为曲面在该方向的投影面积 第21页/共89页第三节 液体动力学一、基本概念1理想液体、定常流动和一维流动 理想液体理想液体：既无粘性又不可压缩的液体。定常流动定常流动：液体流动时，若液体中任何一点的 压力、速度和密度都不随时间而变化，则这种 流动就称为定常流动(恒定流动或非时变流动)。一维流动一维流动：当液体整个地作线形流动时，称为 一维流动第22页/共89页2迹线、流线、流束和通流截面迹线迹线：是流动液体的某一质点在某一时间间隔内在空间的运动轨迹。流线流线：是表示某一瞬时液流中各处质点运动状态的一条条曲线，在此瞬时，流线上各质点速度方向与该线相切。流管流管：在液体的流动空间中任意画一不属流线的封闭曲线，沿经过此封闭曲线上的每一点作流线，由这些流线组合的表面称为流管。第23页/共89页流束流束：流管内的流线群称为流束。通流截面通流截面：流束中与所有流线正交的截面称为通流截面，截面上每点处的流动速度都垂直于这个面。第24页/共89页平行流动平行流动：流线彼此平行的流动称为平行流动。缓变流动缓变流动：流线夹角很小或流线曲率半径很大的流动称为缓变流动。3流量和平均流速（1）流量：单位时间内通过某通流截面的液体的体积称为流量。第25页/共89页（2）平均流速（3）质量流量qm：用流过其截面的液体质量来表示4流动液体的压力当惯性力很小，且把液体当作理想液体时，流动液体内任意点处的压力在各个方向上的数值可以看作是相等的。第26页/共89页二、连续性方程 1.公式推导：根据质量守恒定律，在dt时间内流入此微小流束的质量应等于此微小流束流出的质量 u1dA1dtu2dA2dt 即 u1dA1u2dA2对整个流管：从而 q1q2用平均流速表示 v1A1v2A2 第27页/共89页由于流通流截面是任意取的，故有 qvA常数2.说明：通过流管任一通流截面的流量相等。流量一定时,液体的流速与管道通流截面积成反比.在具有分歧的管路中具有q1=q2+q3的关系.第28页/共89页三、伯努利方程1.1.理想液体的运动微分方程微元体的所受的重力为 -gdAds-gdAds 压力作用在两端面上的力微元体在定常流动下的加速度为第29页/共89页微元体的力平衡方程为因为 所以上式简化为p，z，u只是s的函数，进一步简化得上式即为重力场中，理想液体沿流线作定常流动时的运动方程，即欧拉运动方程。第30页/共89页2、理想液体的伯努利方程 沿流线对欧拉运动方程积分得或对流线上任意两点且两边同除以g可得以上两式即为理想液体作定常流动的伯努利方程。第31页/共89页物理意义：1）第一式表明理想液体作定常流动时，沿同一流线对运动微分方程的积分为常数，沿不同的流线积分则为另一常数。这就是能量守恒规律在流体力学中的体现。2）第二式理想液体作定常流动时，液流中任意截面处液体的总比能（即单位重量液体的总能量）为一定值。第32页/共89页3）比压能，比位能，比动能第33页/共89页3 3实际液体流束的伯努利方程4 4实际液体总流的伯努利方程(1-20)(1-21)第34页/共89页因为当截面的流动为缓流时：p/+zg=常数所以：注意：两个截面应取在平行或缓变流动处 动能修正系数平均能量损耗第35页/共89页5伯努利方程应用举例例1如图示简易热水器，左端接冷水管，右端接淋浴莲蓬头。已知 A1=A2/4和A1、h值，问冷水管内流量达到多少时才能抽吸热水？解：沿冷水流动方向列A1、A2截面的伯努利方程 p1/+v12/2=p2/+v22/2第36页/共89页补充辅助方程 p1=pagh p2=pa v1A1=v2A2代入得 h+v12/2g=(v1/4)2/2g v1=(32gh/15)1/2 q=v1A1=(32gh/15)1/2 A1第37页/共89页例2 2 如图115115所示的水箱侧壁开有一小孔，水箱自由液面1111与小孔2222处的压力分别为p p1 1和p p2 2，小孔中心到水箱自由液面的距离为h h，且h h基本不变，若不计损失，求水从小孔流出的速度。解 以小孔中心线为基准，根据伯努利方程应用的条件，选取截面1111和2222列伯努利方程：在截面1111：z z1 1=h p=h p1 1=p=pl l v v1 1O(O(设1 11)1)第38页/共89页第39页/共89页第40页/共89页第41页/共89页例1-4 计算液压泵的吸油腔的真空度或液压泵允许的最大吸油高度。第42页/共89页四、动量方程1.公式推导由动量定理知控制体积微元的动量是控制体积内微小流束的动量为第43页/共89页整个控制体积内液体的动量为对液体的作用力合力为在实际应用中，一般为为动量修正系数(1-31)第44页/共89页2）物理意义方程左边为作用于控制体积内液体上的所有外力的总和等式右边第一项表示液体流量变化所引起的力，称为瞬态力第二、三项表示流出控制表面和流入控制表面时的动量变化率，称为稳态力定常流时：上述公式均为矢量表达式 第45页/共89页3.动量方程应用举例【例l-5】计算如图1-19所示液体对弯管的作用力。解：如图所示，取截面11和22间的液体为控制体积，在控制表面上液体所受到的总压力为：F1=p1AF2=p2 A F方向如图所示，它在x、y方向上的分力为F x和F y，列出在x方第46页/共89页第47页/共89页第四节 定常管流的压力损失计算一、压力损失的基本概念在液压传动中，能量损失主要表现为压力损失压力损失 1、沿程压力损失：沿程压力损失：油液沿等直径直管流动时所产生的压力损失，这类压力损失是由液体流动时的内、外摩擦力所引起的。2、局部压力损失：局部压力损失：是油液流经局部障碍（如弯管、接头、管道截面突然扩大或收缩）时，由于液流的方向和速度的突然变化，在局部形成旋涡引起油液质点间，以及质点与固体壁面间相互碰撞和剧烈摩擦而产生的压力损失第48页/共89页二、流态、雷诺数 1层流和紊流（1）定义 层流：层流：液体质点互不干扰，液体的流动呈 线性或层状，且平行于管道轴线；紊流：紊流：液体质点的运动杂乱无章，除了平 行于管道轴线的运动以外，还存在着剧烈 的横向运动。第49页/共89页（2）液流状态a）层流 b）层流开始破坏c）流动趋于紊流 d）紊流第50页/共89页2雷诺数 1）定义式 Re=d/Re=d/2 2）上临界雷诺数液流由层流转变为紊流时的雷诺数，大 3 3）下临界雷诺数由紊流转变为层流的雷诺数 ，小，又称临界雷诺数 4 4）对于非圆截面管道来说Re4R/RA/R R为通流截面的水力半径为湿周是通流截面上与液体接触的固体壁面的周长第51页/共89页三、液体在直管中流动时的压力损失(一)层流时的压力损失 1液流在通流截面上的速度分布规律 在轴线方向上的受力平衡方程为第52页/共89页由牛顿内摩擦定律可知代入上式积分可得由r=dr=d2 2时，u u0 0第53页/共89页2 2圆管中的流量 平均流速为第54页/共89页3 3沿程压力损失因为q=q=dd2 2/4,/4,=,Re=d/=,Re=d/称为沿程阻力系数第55页/共89页(二)紊流时的压力损失紊流状态下液体流动的压力损失仍用上式来计算四、局部压力损失为局部阻力系数，v v为液体的平均流速，一般情况下均指局部阻力后部的流速。第56页/共89页【例l一7】推导如图123所示的液流流经突然扩大截面时的压力损失。解:在图中取11和22截面列出伯努利方程hfg可略去不计a第57页/共89页另将两截面11和22间的液体取为控制体积，根据动量方程，有 因为p0=p1,q=A1v1=A2v2bb带入a第58页/共89页因为紊流因为要有压力的量纲第59页/共89页流入一个大容腔，用v1表示第60页/共89页四、管路系统中的总压力损失与压力效率一般液压系统中液压泵的压力p pp p应比执行元件的工作压力p p1 1高pp压力效率为第61页/共89页第五节 孔口和缝隙流动一、孔口液流特性 1.孔口分类：时为薄壁小孔；l/d4时为细长小孔；0.5 l/d 4时为短孔 l为小孔的通流长度；d为小孔的孔径。第62页/共89页2 2流经薄壁小孔的流量Cc为收缩系数，即 Cc=A0/A，CdCvCc为小孔流量系数。(1-49)第63页/共89页3 3流经细长小孔的流量计算当孔口的截面积为A=d2/4时，由前面已导出的直管流量公式，得 比较二式，可得统一式(1-50)(1-51)第64页/共89页二、缝隙液流特性(一)平行平板的间隙流动微小单元体dxdy(宽度方向取单位长)的受力平衡方程为经整理后得其中du/dydu/dy第65页/共89页对上式两次积分得C1、C2为积分常数1、固定平行平板间隙流动（压差流动）1）定义：压差流动：上下两平板固定不动，液体在间隙两端压差作用下而在间隙中流动。第66页/共89页2）公式：由边界条件：y=0时,u=0；y=h 时,u=0得：所以得第67页/共89页2 2、两平行平板有相对运动时的间隙流动（1 1）纯剪切流动两平板有相对运动速度v v，但无压差。由边界条件：y=0y=0时，u=0u=0；y=h y=h 时，u=vu=v。及dp/dx=0dp/dx=0，可得0=0+0+C2,C C2 2=0;=0;v=0+C1h+0,C C1 1=v/h,=v/h,第68页/共89页（2）两平板即有相对运动，两端又有压差的流动。是以上两种情况的线性叠加长平板相对短平板运动方向与压差流动方向一致时，取“+”；反之，取“-”。第69页/共89页于是泄漏的功率损失可写成：(二)圆柱环形间隙流动 1同心环形间隙在有相对运动且又存在压差作用下的流动第70页/共89页2 2、偏心环形间隙在压差作用下的流动设在任意角度处取dd，对应的内外圆柱表面形成一间隙，通过该间隙的流量为由图知：，又因很小，所以第71页/共89页式中，h h0 0为在同心时的间隙量，h h0 0R Rr r；为相对偏心量，e/he/h0 0所以完全偏心时，1 1第72页/共89页3 3内外圆柱表面有相对运动且又存在压差的流动长圆柱表面相对短圆柱表面运动方向与压差流动方向一致时，取“+”+”；反之，取“-”-”。第73页/共89页(三)流经平行圆盘间隙径向流动的流量在半径r r处取宽度为drdr的液层，将液层展开在r r处的流速设为u ur r第74页/共89页所以由边界条件r=rr=r2 2时，p=pp=p2 2得第75页/共89页当r=r1时，p=p1，则所以作用于平面上的总液压力为当圆盘外侧为大气压力，即p2=0时，可得第76页/共89页（四）圆锥状环形间隙流动第77页/共89页【例18】已知液压缸中活塞直径d=100mm，长l100mm，活塞与液压缸同心时间隙，油液的动力粘度为。求：同心时的泄漏量；完全偏心时的泄漏量；当活塞以6mmin速度与压力差同向运动且液压缸完全偏心时的泄漏量。第78页/共89页第79页/共89页第六节 空穴现象 在流动的液体中，因某点处的压力低于空气分离压而产生气泡的现象，称为空穴现象。一、油液的空气分离压和饱和蒸气压 1 1、过饱和状态 过饱和状态 空气分离压 饱和蒸气压第80页/共89页2 2、空穴现象举例1 1）节流口处的空穴现象2 2）液压泵的空穴现象第81页/共89页3.危害：二、减小空穴现象的措施（1 1）减小流经节流小孔前后的压力差，一般希望小孔前后压力比小于。（2 2）正确设计液压泵的结构参数，适当加大吸油管内径。（3 3）提高零件的抗气蚀能力，增加零件的机械强度，采用抗腐蚀能力强的金属材料，减小零件表面粗糙度等。第82页/共89页第七节 液压冲击在液压系统中，由于某种原因，液体压力在一瞬间会突然升高，产生很高的压力峰值，这种现象称为液压冲击。一、液压冲击产生的原因第83页/共89页2 2、液体突然停止运动时产生的液压冲击液体的动能Alv2/2转化为液体的弹性能Alp2/（2K），即 Alv2/2=Alp2/（2K）所以p为液压冲击时压力的升高值；K为液体的等效体积弹性模量；c为冲击波在管道中的传播速度第84页/共89页 K为液体的体积弹性模量；d为管道内径；为管道壁厚；E为管道材料的弹性模量完全冲击与非完全冲击当阀门关闭时间t小于压力波来回一次所需的时间tc（临界关闭时间）的情况，即t tc（tc=2l/c），称为完全冲击，否则，称为非完全冲击。非完全冲击：第85页/共89页【例110】已知某管道的内径为d=200mm，壁厚10mm，液体在管中初始流速2ms，压力p，液体的体积模量K=2.0103MPa，管壁材料的弹性模量E=2.0 X105MPa。当阀突然关闭时，试求最大压力升高值p。解 先计算冲击波传播速度c，设液体的密度900kgm3，可得第86页/共89页所以p=c=900*1360.8*2N/m2=24.5*105Pa三、运动部件制动时产生的液压冲击 由动量定理得第87页/共89页四、减小液压冲击的措施 由以上分析可知，采取以下措施可减小液压冲击：使直接冲击变为间接冲击，这可用减慢阀的关闭速 度和减小冲击波传递距离来达到。限制管道中油液的流速v。用橡胶软管或在冲击源处设置蓄能器，以吸收液压冲击的能量。在容易出现液压冲击的地方，安装限制压力升高的安全阀。第88页/共89页感谢您的观看！第89页/共89页