液壓傳動基本知識

單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,第一章,液壓傳動基本知識,第一節(jié) 液壓傳動工作介質,第二節(jié) 液體靜力學,第三節(jié) 流體動力學,第四節(jié) 流態(tài)以及壓力損失的計算,第五節(jié) 孔口和縫隙流動,第一節(jié) 液壓傳動工作介質,液壓油,石油型,乳化型,合成型,難燃型,一 液壓傳動,1,密度,單位體積液體的質量稱為液體的密度,礦物油型液壓油的密度隨溫度的上升而有所有減小。,隨壓力的提高而稍有增加。,但密度的變動值很小，可以認為是常值,。,2,可壓縮性,壓力為 體積為 的液體,壓力增大 時，體積減少,其相對壓縮量與壓力增量成正比,由于壓力增大時液體的體積減小，即 為正， 為負,因此，加一負號，以使,k,為正值,液壓油,鋼,一般情況下，液壓油的可壓縮性對液壓系統(tǒng)影響不大,但在高壓下或研究系統(tǒng)動態(tài)性能時，則必須予以考慮,液壓油的可壓縮性是鋼的,100-150,倍,當液壓油中混有空氣時，其,k,值將大大減小，抗壓縮能力顯著降低，這會嚴重影響液壓系統(tǒng)的工作性能。在有較高要求或壓力變化較大的系統(tǒng)中，應力求減少液壓油中混入氣體。,3,、粘性,液體在外力作用下流動時，分子間的內聚力要阻止分子間的相對運動而產(chǎn)生的一種內摩擦力，這種現(xiàn)象叫液體的粘性。,在靜止液體中，因內摩擦力為零。所以，液體在靜止狀態(tài)下是不呈粘性的。,液體粘性的大小用粘度表示,運動粘度,動力粘度,相對粘度,1,）動力粘度,牛頓內摩擦定律的流體力學模型,間距很小的兩平行平板間充滿液體。,下板固定不動，上板以速度 向右運動。,流體的粘性,流體和固體壁面間的附著力,緊貼上平板的流體層速度為,緊貼下平板的流體層速度為,0,中間各層的速度按線形規(guī)律分布,牛頓內摩擦定律指出,流體流動時，相鄰流層間的內摩擦力,因為它的單位只有長度和時間的量綱，類似于運動學的量綱，故 稱為運動粘度。,液壓油的牌號是以,40,的溫度下的運動粘度值來表示的,例如 牌號為,L,HL32,的液壓油,指這種油在,40,時的運動粘度平均值為,32,就物理意義來說， 不是一個粘度的量，但習慣上常用它標志液體的粘度。,3,）相對粘度 （條件粘度）,動力粘度和運動粘度都比較難測量,相對粘度是根據(jù)特定測量條件制定的,測量條件不同，采用的相對粘度單位也不同,恩氏粘度用恩氏粘度計測定,將200,mL( ),被測液體裝入粘度計的容器內,容器底部有一直徑為 的小孔,測出某一溫度下液體流盡的時間,同體積蒸餾水在,20,時流盡的時間為 （通常,=51,s),被測液體在 下的恩氏粘度,恩氏粘度與運動粘度間的換算關系為,4),液壓油粘度與壓力和溫度的關系,a.,液壓油的粘度隨壓力的增高而增大,壓力,分子間距離,內聚力,粘度,一般的液壓系統(tǒng)壓力,< 20,MPa，,壓力對粘度影響不大,b,液壓油的粘度對溫度的變化比較敏感 溫度,粘度,油液粘度的變化直接影響液壓系統(tǒng)的性能和泄漏量，希望粘度隨溫度的變化越小越好。,對液壓傳動工作介質的要求,工作介質的分類和選用,正確合理的選擇液壓油，對保證液壓傳動系統(tǒng)正常工作、延長液壓傳動系統(tǒng)和液壓元件的使用壽命以及提高液壓傳動系統(tǒng)的工作可靠性等都有重要影響。,液壓油的選用，首先應根據(jù)工作環(huán)境和工作條件來選擇合適的液壓油類型，然后再選擇液壓油的粘度，即牌號。,液壓油的選擇，首先是油液品種的選擇?？筛鶕?jù)是否液壓專用、有無起火危險、工作壓力及工作溫度范圍等因素進行考慮，品牌確定后，選擇油的粘度等級。應注意：,粘度太大，液流的損失和發(fā)熱大，使系統(tǒng)的效率降低，,粘度太小，泄漏增大，也會使液壓系統(tǒng)的效率降低。,（1,）工作壓力,工作壓力較高的系統(tǒng)宜選用粘度較大的液壓油，以減少漏。,（,2,）運動速度,當液壓系統(tǒng)的工作部件運動速度較高時，宜選用粘度較小的液壓油，以減輕液流的摩擦損失。,（,3,）環(huán)境溫度,溫度高時，宜選用粘度較大的油,在液壓系統(tǒng)所有元件中，液壓泵的工作條件最為嚴峻，不但壓力高、轉速高和溫度高，而且工作介質在被液壓泵吸入和油液壓泵壓出時要受到剪切作用，所以一般根據(jù)液壓泵的要求來確定介質的粘度。,第二節(jié) 液體靜力學,這里所說的靜止，是指液體內部質點之間沒有運動。,一、液體的壓力,液體單位面積上所受的法向力稱為壓力,。,這一定義在物理學中稱為壓強，但在液壓傳動中習慣稱為壓力。,壓力通常以,p,表示。,液體的壓力有如下特性：,1,）液體的壓力沿著內法線方向作用于承壓面。,2,）靜止液體內任一點的壓力在各個方向上都相等。,由上述性質可知，靜止液體總是處于受壓狀態(tài)，并其內部的任何質點都是受平衡壓力作用的。,假想從液面往下切取一個垂直小液柱作為研究體，設液柱的底面積為 ，高為,h，,液柱處于平衡狀態(tài)，,上式稱為靜力學基本方程。由上式可知：,1,）靜止液體內任一點處都由兩部分組成：一部分是液面上的壓力,另一部分是該點以上液體自重所形成的壓力，即 與該點離液面深度,h,的乘積。當液面上只受大氣壓力 作用時，則液體內任一點處的壓力為,2,）靜止液體內的壓力隨液體深度呈直線規(guī)律分布。,3,）離液面深度相同的各點組成了等壓面，此等壓面為一水平面。,二、,液體靜壓力基本方程,三、壓力的表示方法及單位,根據(jù)度量基準的不同，壓力分為,絕對壓力,相對壓力,1,絕對壓力以絕對零壓為基準,2,相對壓力以大氣壓力為基準,在地球的表面上，一切受大氣籠罩的物體，大氣壓力的都是自相平衡的，因此，一般壓力儀表在大氣中的讀數(shù)為零。,用壓力表測得的數(shù)值顯然是相對壓力,在液壓與氣動技術中，如不特別指明，壓力均指相對壓力,。,3,真空度,絕對壓力低于大氣壓力，低于大氣壓力的那部分數(shù)值叫真空度。,計算 相對壓力,=,絕對壓力,-,大氣壓力,> 0,表壓力,< 0,值是真空度,壓力單位 帕斯卡，簡稱帕。符號為,Pa,帕的單位太小，常采用兆帕，符號,MPa,例 某點絕對壓力為,書例,1-1,可見，液柱高度引起的壓力 可忽略不計。,因而對液壓傳動來說，一般不考慮液體位置高度對壓力的影響，可以認為靜止液體內各處的壓力都相等。,帕斯卡原理,在密閉容器內，施加于靜止液體上的壓力將以等值同時傳到各點，這就是靜壓傳遞原理或稱帕斯卡原理。,上例中，容器內液體各點的壓力,液體靜壓力對固體壁面的作用力,液體和固體壁面相接觸時，固體壁面將受到液壓力的作用。,當固體壁面為一平面時，液體壓力在該平面上的總作用力,F,當固體壁面是一個曲面時，作用在曲面各點的液體靜壓力是不平行的。,當固體壁面為一曲面時，液體壓力在該曲面某,x,方面的總作用力,第三節(jié) 流體動力學,一 、基本概念,1.,理想液體和定常流動,在液壓傳動中液壓油總是在不斷地流動著，因此必須研究流體運動時的現(xiàn)象和規(guī)律。研究液體流動時必須考慮粘性的影響，但由于這個問題非常復雜，所以在開始分析時可以假設液體沒有粘性，然后再考慮粘性的作用，并通過實驗驗證的辦法對理想結論進行補充或修正。這種辦法同樣可以用來處理液體的可壓縮性問題。,既無粘性又不可壓縮的液體稱為理想液體。,液體流動時，若液體中任一點處的壓力、速度和密度都不隨時間而變化，則這種流動稱為定常流動。,2,通流截面、流量和平均流速,液體在管道中流動時，其垂直于流動方向的截面稱為過流斷面（或稱通流截面）。,單位時間內流過某一通流截面的液體體積稱為流量。該流量以 表示，單位為,對于實際液體，當液流通過微小的通流截面，,dA,時，液體在該截面各點的流速可以認為是相等的，所以通過該截面的流量為,流過整個過流斷面,A,的流量為,實際液體在流動時，由于粘性力的作用，整個通流截面上各點的速度,u,一般是不等的，其分布規(guī)律亦難知道，故按積分計算流量是不便的。,平均流速-即假設通流截面上各點的流速均勻分布，液體以此均布流速,v,流過此截面的流量等于以實際流速流過的流量,即,平均流速為,在工程實際中，平均流速,v,才具有應用價值。液壓缸工作時，活塞運動速度就等于缸內液體的平均流速，當液壓缸有效面積一定時，活塞運動速度決定于輸入液壓缸的流量。,二、連續(xù)性方程,連續(xù)性方程是質量守恒定律在流體力學中的一種表達形式。,設液體在圖示的管道中作定常流動。若任取的,1、2,兩個通流截面的面積分別為 和 ，并且在該二截面處的液體密度和平均流速分別為 和 ，則根據(jù)質量守恒定律，在單位時間內流過兩個斷面的液體質量相等，即,當忽略液體的可壓縮性時， ，則得,或寫成,它說明液體在管道中流動時，流過各個截面的流量是相等的（即流量是連續(xù)的），因而流速和通流截面積成反比。,三、伯努力方程方程,伯努力方程是能量守恒定律在流體力學中的一種表達形式。,1,、理想液體伯努力方程,截面,I、II,的中心到基準面的高度為,z,1,、z,2,壓力分別為,流速分別為,由于是理想液體，截面上的流速可,以認為是均勻分布的。,理想液體的伯努力方程為,或寫成,上式各項分別是單位體積液體的壓力能，位能和動能,或寫成,上式各項分別為單位質量液體的壓力能、位能和動能,伯努利方程的物理意義是：,在密閉管道內作定常流動的理想液體具有三種形式的能量，即壓力能、位能和動能。在流動過程中，三種能量可以相互轉化，但總和為一定值。,2,、實際液體伯努利方程,實際液體在管道中流動時，因粘性摩擦而產(chǎn)生能量損耗，設單位體積液體在兩截面間流動的能量損失為,另外,由于實際液體在通流截面上的流速分布是不均勻的,用平均流速代替實際流速計算動能時,必然會產(chǎn)生誤差,為了修正這個誤差,引入動能修正系數(shù),實際液體的伯努利方程為,當紊流時,取 層流時取,伯努利方程揭示了液體流動過程中的能量變化規(guī)律,因此它是流體力學中的一個特別重要的基本方程,.,應用伯努利方程必須注意,;,截面,1 、2,需順流向選取,(,否則 為負值,),且應選在緩慢的通流截面上,.,2),截面中心在基準面以上時,z,取正值,;,反之,取負值,.,通常選取特殊位置的水平面作為基準面,.,例 液壓泵裝置如圖所示,油箱和大氣相通,.,試分析吸油高度,h,對泵工作性能的影響,.,以油箱液面為基準面,對油箱液面,1-1,和泵進口處截面,2-2,列伯努利方程,式中,得,泵進口處的真空度為,三部分,1,把油液提升到一定高度所需壓力,2,產(chǎn)生一定流速所需壓力,3,吸油管內壓力損失,1),當泵安裝于液面之上時,h>0,則,泵進口處的絕對壓力小于大氣壓力,形成真空,油靠大氣壓力壓入泵內,.,2),當泵安裝于液面以下時,h<0,在一般情況下,為便于安裝維修,泵應安裝在油箱液面以上,依靠進口處形成的真空度來吸油,.,但真空度不能太大,.,當 的絕對壓力小于油液的空氣分離壓時,油中的氣體就要析出,;,當 的絕對壓力小于油液的飽和蒸汽壓時,油就會氣化,.,油液的連續(xù)性就要受到破壞,并產(chǎn)生噪聲和振動,影響泵和系統(tǒng)的正常工作,.,為使真空度不致過大,需要限制泵的安裝高度,.,動量方程,動量方程是動量定理在流體力學中的具體應用,.,液體作用在固體壁面上的力,用動量定理來求解比較方便,.,作用在物體上的合外力的大小等于物體在力作用方向上的動量的變化率。,將動量定理應用于流體時，須從流管中任意取出一個由通流截面,A-A,和,B-B,圍起來的控制體積。,A-A,截面和,B-B,截面稱為控制表面。,流體力學中的動量定理,用平均流速,v,代替實際流速,u，,其誤差用動量修正系數(shù) 予以修正。,等式右邊第一項是使控制體積內的液體動量發(fā)生變化所需的力，稱為瞬態(tài)力。,等式右邊第二項表示液體流出控制表面和流入控制表面時的動量變化率，稱為穩(wěn)態(tài)力。,液體作用在固體壁面的作用力與作用在液體上的力大小相等，方向相反，對應的分別稱為瞬態(tài)液動力和穩(wěn)態(tài)液動力。,定常流動時，只有穩(wěn)態(tài)液動力。,必須注意， 方程為矢量方程。,第四節(jié) 流態(tài)以及壓力損失的計算,一.,流態(tài)，雷諾數(shù),流體在流動時有兩種狀態(tài)，層流和穩(wěn)流。,英國學者雷諾采用圖示的實驗裝置來研究液體在圓管中的流動，并于,1883,年發(fā)表了兩種流動狀態(tài)的實驗結果。,調節(jié) 開關,2,以調節(jié)管,1,中流速,（,1,）管,1,中流速較小。,紅色水在管,1,中呈一條明顯的直線。,表明管中的水流是分層的，層與層之間互不干擾。,液流的這種流動狀態(tài)稱為層流。,（,2,）管,1,中流速增大,紅線開始抖動而呈波紋狀。,表明層流狀態(tài)受到破壞，液流開始紊亂。,（,3,）管,1,中流速進一步增大,紅線完全消失，紅色水和清水完全混合。,表明管中液流完全紊亂，這時的流動狀態(tài)稱為紊流。,實驗證明，液體在圓管中的流動狀態(tài)不僅與管內的平均流速,v,有關，還和管道內徑,d、,液體的運動粘度 有關。實際上，判定液流狀態(tài)的是上述三個參數(shù)所組成的一個稱為雷諾數(shù) 的無量綱數(shù)，即,液流由層流轉變?yōu)槲闪鲿r的雷諾數(shù)和由紊流轉變?yōu)閷恿鲿r的雷諾數(shù)是不同的，后者的數(shù)值小，所以一般都用后者作為判斷液流狀態(tài)的依據(jù)，稱為臨界雷諾數(shù)，記作 （表,18,P30）。,當液流的實際雷諾數(shù) 小于；臨界雷諾數(shù) 時，為層流；反之，為紊流。,面積相等但形狀不同的通流截面，其水力直徑是不同的。由計算可知，圓形最大，同心環(huán)狀的最小。,二、壓力損失,實際液體具有粘性，所以流動時粘性阻力要損耗一定能量，這種能量損耗表示為壓力損失，就是實際液體伯努利方程中的 項。,損耗的能量轉變?yōu)闊崃浚挂簤合到y(tǒng)溫度升高，甚至性能變差。因此，在設計液壓系統(tǒng)時，應考慮盡量減少壓力損失。,壓力損失,沿程壓力損失：液體在等直管內流動時因摩擦而產(chǎn)生的壓力損失。,局部壓力損失：液體流經(jīng)管道的彎頭、接頭、閥口以及突然變化,的截面等處，因流速或流向發(fā)生急劇變化而在局部區(qū)域產(chǎn)生流動阻力所造成的壓力損失。,（一）沿程壓力損失,1,、圓管層流流量,P31 1-39,2,、通流截面上的流速分布規(guī)律,管內流速隨半徑,r,按拋物線規(guī)律分布,最小流速在管壁 處，,最大流速在管軸 處，,3,、管道內的平均流速,4,、沿程壓力損失,由圓管層流公式可求得 即為沿程壓力損失,考慮到實際圓管截面可能有變形，以及靠近管壁處的液層可能冷卻，因而，在實際計算時，,對金屬管取 橡膠管,紊流狀態(tài)下液體流動的壓力損失仍用上式計算，但式中的 值不僅與雷諾數(shù),Re,有關，而且與管壁表面粗糙度 有關。,P32,表,19,圓管紊流時的 值,（二） 局部壓力損失,（三） 管路系統(tǒng)中的總壓力損失,減小,減小流速，縮短管道長度,減少管道截面的突變，提高管道內壁的加工質量,以流速的影響為最大，故流體在管路系統(tǒng)中的流速不應過高。,第五節(jié) 孔口和縫隙流動,一、孔口液流特性,1,、薄壁小孔,小孔的長度和直徑之比 的孔稱之為薄壁小孔,通過薄壁小孔的流量公式為,通過薄壁小孔的流量與油液的粘度無關，因此，流量受油溫變化的影響較小。薄壁孔口加工困難，因此實際應用較多的是短孔。,2,、細長小孔,當孔的長度和直徑之比 時，稱為細長孔。,流經(jīng)細長孔的液流一般都是層流，用前面公式,流經(jīng)細長孔的流量與動力粘度 有關，因此，流量受油溫變化的影響較大。,通用公式,A,孔口截面面積,孔口前后的壓力差,m,節(jié)流指數(shù) 薄壁孔,m=0.5,細長孔,m=1,K,孔口的形狀系數(shù) 薄壁孔 細長孔,二、 縫隙液流特性,（一）平行平板縫隙,平板長為,L，,寬為,b，,兩平行平板間的間隙為,h,且,L>>h ，b>>h,1、,壓差流動,在壓差 作用下通過固定平行平板縫隙的流動,2,、剪切流動,當平行平板作相對運動，即使壓差 ，由于液體粘性的作用，液體也會被平板帶著產(chǎn)生流動。,兩平板相對運動速度,v,中間各層的流速呈線性分布，平均流速為,v/2,3,、在壓差和剪切聯(lián)合作用下的流量,當動板的運動方向和壓差方向一致時取“”號,當動板的運動方向和壓差方向反之時取“”號,（二）環(huán)形縫隙,1,、同心環(huán)形縫隙,2,、偏心環(huán)形縫隙,內外圓柱表面的半徑分別為,r,和,R，,偏心量為,e,相對偏心量,