液压系统物理学基础幻灯片.ppt

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1、液压系统物理学基础第1页，共28页，编辑于2022年，星期一液体的压力液体的压力压力：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。表示。P=FAp=液体的压力（液体的压力（Pa）F=力（力（N）A=面积（面积（m2）单位：单位：工业中常用的单位为巴（工业中常用的单位为巴（bar）。）。1bar=1105 Pa(N/m2)=0.1 MPa1MPa=1106 Pa 1bar=14.5 磅磅/英寸英寸2液体静压力的特性：液体静压力的特性：1、液液体体静静压压力力垂垂直直于于作作用用面面，其其方方向向与与该该面面的的内内法法线线方向一致。方

2、向一致。2、静静止止液液体体内内，任任意意点点处处的的静静压压力力在在各各个个方方向向上上都都相相等。等。第2页，共28页，编辑于2022年，星期一液体静力学的基本方程液体静力学的基本方程p=p0 +gh 静止液体中任一点处的静压力是作用液面静止液体中任一点处的静压力是作用液面 上的压力上的压力p0和液体重力所产生的压力和液体重力所产生的压力 gh之和。当液面与大气接触时，之和。当液面与大气接触时，p0为为 大气压力大气压力p大气压，故大气压，故p=p大气压大气压+gh 液体静压力随液深呈线性规律分布。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，此离液面深度相同的各点组成

3、了等压面，此 等压面为一水平面。等压面为一水平面。p0phhGpp0AhAAh0hMMp0第4页，共28页，编辑于2022年，星期一压力的表示方法压力的表示方法q绝绝对对压压力力：以以绝绝对对真真空空为为基基准准进行度量而得到的压力值（进行度量而得到的压力值（pa）。）。q相相对对压压力力：以以大大气气压压为为基基准准进进行行度量而得到的压力值（度量而得到的压力值（pg）。）。q真真空空度度：绝绝对对压压力力不不足足大大气气压压的那部分压力值。的那部分压力值。大气压大气压0%真空真空绝对真空绝对真空100%真空真空真空度真空度绝对压力绝对压力相对压力（表压力）相对压力（表压力）大气压大气压=1

4、.013bar第5页，共28页，编辑于2022年，星期一F1100 barA1A2A3A4A5F3F2F4F5帕斯卡原理帕斯卡原理帕帕斯斯卡卡原原理理：在在密密闭闭的的容容器器内内，由由外外力力施施加加于于静静止止液液体体表表面面所所产产生生的的压压力力，将将等等值值且且同同时时地地传传递递到液体内部各点（静压传递原理）。到液体内部各点（静压传递原理）。第6页，共28页，编辑于2022年，星期一力的倍增力的倍增从这个等式中可以从这个等式中可以导出某个量导出某个量F1、F2、A1或或A2的大小。的大小。在活塞上施加一个在活塞上施加一个较小的力，通过工作活较小的力，通过工作活塞表面积的扩大，便能塞

5、表面积的扩大，便能得到较大的力。得到较大的力。F2F1A1P1A2P2=A2F2A1F1第7页，共28页，编辑于2022年，星期一因为面积因为面积A1小于小于A2，故行程，故行程s1必大于必大于s2。活塞的行程与它活塞的行程与它的面积成反比。的面积成反比。S1A1=S2A2F2F1S1A1活塞活塞1A2活塞活塞2S2行程的倍增行程的倍增第8页，共28页，编辑于2022年，星期一因因活活塞塞面面积积A2小小于于A1，故故压压力力p2大于大于p1。p1A1=p2A2A1F1p1A2F2p2压力的倍增压力的倍增第9页，共28页，编辑于2022年，星期一液体的流量液体的流量流量：流量：单位时间流过某一

6、通流截面的流体的容量（体积）单位时间流过某一通流截面的流体的容量（体积）。Q=VtQ=流量（流量（m3/s）V=容量（容量（m3）t=时间（时间（s）液液压压缸缸工工作作时时，活活塞塞运运动动的的速速度度就就等等于于缸缸内内液液体体的的平平均均流流速速。活活塞塞运运动速度的大小由输入液压缸的流量来决定：动速度的大小由输入液压缸的流量来决定：v=QAQ=进入液压缸的流量进入液压缸的流量A=液压缸活塞的有效作用面积液压缸活塞的有效作用面积v=液压缸活塞的运动速度液压缸活塞的运动速度第10页，共28页，编辑于2022年，星期一层流和紊流层流和紊流层流层流紊流紊流 层层流流，即即压压力力流流体体在在管

7、管子子中中有有规规则则地地圆圆筒筒状状地地成成层层流流动动。这这时时内内部部流流体体内内层层的的速速度度大大于于外外层层的的速速度度。当当压压力力流流体体的的流流速速增增加加时时，小小部部分分流流体体从从一一定定的的速速度度起起（称称为为临临界界速速度度）不不再再成成为为一一个个有有规规则则的的层层，管管子子中中间间的的小小部部分分流流体体趋趋向向管管壁壁。小小部部分分流流体体互互相相影影响响和和干干扰扰，形形成成了了旋旋涡涡，流流动动就就变变为为旋旋涡涡式式的的紊紊流流，结结果果主主流流的的能能量量被被分散。（分散。（Re2300 紊流）紊流）第11页，共28页，编辑于2022年，星期一液流

8、连续性方程液流连续性方程上上式式表表明明流流体体在在管管中中流流动动时时流流过过各各个个通通流流截截面面的的流流量量是是相相等等的，因而流速和通流面积成反比，管粗流速低，管细流速快。的，因而流速和通流面积成反比，管粗流速低，管细流速快。1A1V1A2V22Q=VA=常量常量第12页，共28页，编辑于2022年，星期一伯努利方程伯努利方程V12/2V22/2p1/p2/gh1gh2在在密密闭闭管管道道内内作作稳稳定定流流动动的的理理想想液液体体具具有有三三种种形形式式的的能能量量（压压力力能能、位位能能、动动能能），在在沿沿管管道道流流动动过过程程中中三三种种能能量量之之间间可可以以互互相相转转

9、化化，但但在在任任一一截截面面处处，三三种种能能量量的的总总和和为为一一常常数。数。p2+gh2+v222+gh1+p1v122=理想液体伯努利方程理想液体伯努利方程实际液体伯努利方程实际液体伯努利方程p2+gh2+a2v222+gh1+p1a1v122=+ghW第13页，共28页，编辑于2022年，星期一液压传动的能量损失液压传动的能量损失-压力损失压力损失沿程压力损失沿程压力损失指指液液体体在在等等径径直直管管中中流流动动时时由由于于摩摩擦擦阻阻力力而而产产生生的的压压力力损损失失。它它主主要要决决定定于于液液体体的流速、粘性和管路的长度以及油管的内径等。的流速、粘性和管路的长度以及油管的

10、内径等。v22P=ldV=液流的平均流速液流的平均流速=液体的密度液体的密度=沿程阻力系数，适用于层流和紊流。沿程阻力系数，适用于层流和紊流。圆管层流：金属管圆管层流：金属管=75/Re，橡胶管，橡胶管=80/Re紊流：当紊流：当2.3103Re105时，可取时，可取0.3146Re-0.25第14页，共28页，编辑于2022年，星期一液压传动的能量损失液压传动的能量损失-压力损失压力损失局部压力损失局部压力损失局局部部压压力力损损失失指指的的是是液液体体流流经经管管道道的的弯弯头头、接接头头、突突变变截截面面以以及及阀阀口口，致致使使液液流流的的方方向和大小发生剧烈变化，发生撞击、旋涡等现象

11、所造成的能量损失。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。v22P=对于层流对于层流v22P=b 校正因子校正因子bReb30157.531.51.251.151.02300150010005002501005025形状系数形状系数1.30.50.5-121.2515第15页，共28页，编辑于2022年，星期一液压传动的能量损失液压传动的能量损失-总压力损失总压力损失 利利用用上上式式计计算算时时，只只有有在在产产生生各各局局部部阻阻力力处处之之间间有有足足够够的的距距离离时时才才是是正正确确的的。因因为为当当液液流流经经过过一一个个局局部部阻阻力力处处后后，要要在在直直管

12、管中中流流过过一一段段距距离离，液液流流才才能能稳稳定定。否否则则，如如液液流流尚尚未未稳稳定定就就又又经经过过第第二二个个局局部部阻阻力力处处，将将使使情情况况复复杂杂化化，有有时时阻阻力力系系数数可可能能比比正正常常情情况况下下大大2-3倍倍。一一般般希希望望在在两两个个局局部阻力处之间的直管长度部阻力处之间的直管长度l（10-20）d，d为管道内径。为管道内径。P=P P v22=v22ld第16页，共28页，编辑于2022年，星期一液压传动的能量损失液压传动的能量损失-流量损失流量损失内泄漏内泄漏油液由高压腔向低压腔的泄漏。油液由高压腔向低压腔的泄漏。外泄漏外泄漏油液由元件内部向外部的

13、泄漏。油液由元件内部向外部的泄漏。主主要要泄泄漏漏部部位位：元元件件和和集集成成块块之之间间的的固固定定联联接接面面；管管接接头头的的螺螺纹纹联联接接处处；液液压压缸的滑动面；轴伸的转动部位；阀孔和阀芯的间隙等。缸的滑动面；轴伸的转动部位；阀孔和阀芯的间隙等。第17页，共28页，编辑于2022年，星期一位能位能位位能能（也也称称势势能能）是是一一种种能能量量，当当一一物物体体被被举举高高h时时，物物体体（或或流流体体）中中就就具具有有这这种种能能量量，这这是是人为克服重力而做了功。人为克服重力而做了功。W=mghm=流体的质量流体的质量(kg)g=重力加速度重力加速度(m/s2)(g=9.81

14、10m/s2)h=流体高度流体高度(m)单位：焦耳单位：焦耳J(Joule)ABX第18页，共28页，编辑于2022年，星期一压力能压力能当当流流体体受受压压力力冲冲击击时时，因因为为内内部部空空气气消消失失流流体体的的体体积积变变小小，可可压压缩缩的的范范围围合合计计是是输输出出容容量量的的1-3%。因因为为液液压压油油的的可可压压缩缩性性小小，即即V相相对对小些。在小些。在100bar压力时压力时V约是输出容量的约是输出容量的1%。压力能来自压缩流体反作用所产生的力。压力能来自压缩流体反作用所产生的力。W=pVp=流体的压力流体的压力(Pa)V=流体的容量流体的容量(m3)单位：焦耳单位：

15、焦耳J(Joule)弹弹性性模模数数EoelK=V0pV(N/m2或或N/cm2)V0=输出容量输出容量V=容量的减少量容量的减少量p第19页，共28页，编辑于2022年，星期一动能动能动动能能（也也称称运运动动的的能能量量）是是这这样样一一种种能能量量，当当一一物物体体（或或液液体体）以以一一定定的的速速度度移移动动时时，物物体体所所具具有有的的能能量量。这这种种能能是是由由作作用用在在物物体体（或液体）上的力（或液体）上的力F所产生的加速度作了功而产生的。所产生的加速度作了功而产生的。W=12mv2m=流体的质量流体的质量(kg)v=速度速度(m/s)单位：焦耳单位：焦耳J(Joule)V

16、1V2Fp第20页，共28页，编辑于2022年，星期一热能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。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。在在液液压压设设备备中中由由于于摩摩擦擦，有有一一部部分分能能量量被被转转换换成成为为热热能能。它它导导致致了了液液压压油油和和结结构构元元件件变变热热。还还有有一一部部分分热热能能被被排排到到外外部部，这这样样保保留留的的能能量量减减少少。其其结结果果是是压压力能减少。力能减少。W=pV p=摩擦造成的压力损耗摩擦造成的压力损耗(Pa)V=容量容量(m3)单位：焦耳单位：焦耳J(Joule)p1p2p=p1-p2

17、第21页，共28页，编辑于2022年，星期一功率功率负载BADF1PTDD1PBATDW5abPSM机械功率机械功率 P=FVM=转矩转矩Nm液压功率液压功率 P=pQ机械功率机械功率 P=2nM电功率电功率 单位：瓦特单位：瓦特P=pQP=功率功率(W)p=压力压力(Pa)Q=流量流量(m3/s)通通常常功功率率被被定定义义为为每每个个单单位位时时间间内内所所做做的的功或能。功或能。第22页，共28页，编辑于2022年，星期一效率效率输出功率与输入功率之比为效率（输出功率与输入功率之比为效率（）效率效率=输出功率输出功率输入功率输入功率容容积积效效率率（v）：它它涉涉及及到到泵泵、马马达达和

18、和阀阀的的内内部部和和外外部部的的泄泄漏漏引引起起的的损损耗耗。是是泵泵的的实实际际流流量与理论流量的比值。量与理论流量的比值。液液压压机机械械效效率率（hm）：它它涉涉及及到到泵泵、马马达达和和油油缸缸内内的的摩摩擦擦所所造造成成的的损损耗耗。是是泵泵的的理理论驱动转矩与实际驱动转矩之比。论驱动转矩与实际驱动转矩之比。在在泵泵、马马达达和和油油缸缸中中，由由于于能能量量转转换换所所造造成成的的总总损损耗耗可可以以从从给给定定的的总总效效率率（ges）并以下式来计算：并以下式来计算：ges=v hm第23页，共28页，编辑于2022年，星期一输入功率与输出功率输入功率与输出功率负载负载BADF

19、1PTDD1PBATDW5abPSM P=pQ液压功率液压功率 PE=2nEME电机向泵提供电机向泵提供的输入功率的输入功率PA=2nAMAPA=FV油缸或油缸或马达马达5%10%阀阀管道管道10%泵泵10%电动机电动机5%液压功率损耗液压功率损耗25%/30%输出功率输出功率PA70%/75%EI 电功率电功率 stung第24页，共28页，编辑于2022年，星期一液压冲击和气穴现象液压冲击和气穴现象液压冲击液压冲击在液压系统中，由于在液压系统中，由于某种原因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。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

20、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，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。，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，当液压系统中的某些元件反应不灵敏时第25页，共28页，编辑于2022年，星期一气穴现象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时，溶于油

21、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。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，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我们可以减小阀口的压降，希望阀口前后的压力比P1P1：P2P2小于小于3.53.5。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。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。置合理。液压冲击和气穴现象液压冲击和气穴现象第26页，共28页，编辑于2022年，星期一气蚀气蚀所所谓谓气气蚀蚀就就是是工工件件材材料料表表面面上上最最小小颗颗粒粒的的丢丢失失。它它发发生生在在液液压压器器件件（泵泵和和阀阀）的的控制边缘。控制边缘。V3V4-0.3 barV3V4狭窄部位的压力降狭窄部位的压力降相对相对真空真空压力压力(bar)03210.7压力降压力降压力中断压力中断第27页，共28页，编辑于2022年，星期一第28页，共28页，编辑于2022年，星期一