液压与气压传动课件

液压与气压传动,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,（ISBN 6-111-19113-7）,策划编辑 余茂祚责任编辑 余茂祚,多媒体课件,液压与气压传动是针对普通高等职业技术教育的特点，根据编者多年的教学与实践经验编写的。全书共分16章，前9章详细讲解了液压传动部份，后7章介绍了气压传动部份。液压与气压传动可作为高等职业技术院校机械类专业教材，也可以作为相关行业岗位培训教材。,制作 罗红专,进入,欢迎使用多媒体课件,21世纪高职高专规划教材 （机械类）,液压与气压传动,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,制作罗红专,绪论,第4章液压控制元件,第3章液压缸,第2章 液压动力元件,第1章 液压传动的基础知识,第5章 液压辅助元件,第6章 液压基本回路,第 9 章 液压系统设计,第8章 液压伺服系统,第11章 气压传动概述,第12章 气压传动元件,第13章 气动基本回路与系统,第14章 气动系统安装调试和维护,第 7 章 典型液压传动系统,绪论,0.1 液压传动的发展及研究对象0.2 液压传动工作原理 0.2.1 液压千斤顶工作原理 0.2.2 磨床工作台工作原理0.3 液压传动的组成及特点0.3.1 液压传动系统组成0.3.2 液压传动的优缺点,绪论,工作介质:油液,控制元件：阀,液压传动:,原动机的机械能,液体的压力能,液体的压力能,执行机构的机械能(所需的运动和动力),绪论,绪论,液压技术的发展，可追溯到 17 世纪帕斯卡提出了著名的帕斯卡定律，开始奠定了流体静压传动的理论基础。在第二次世界大战后，液压技术由军工迅速转向民用工业。我国液压工业经过40余年的发展，其生产的液压产品广泛应用于工业、农业和国防等各个部门。近 20年来，产品应用技术飞快发展。设计生产了许多新型液压元件。此外通过计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助测试（CAT）、污染控制、故障诊断、机电一体化等方面研究成果的应用，液压技术水平得到很大的提高。液压传动的任务：研究液压系统各类元件的结构、作用、工作原理、应用方法，以及组成液压系统的特点。掌握液压设备的安装、调试、维护及操作。,0.1 发展及研究对象,0.2 液压传动工作原理,绪论,0.2.1 液压千斤顶的工作原理,如图0-1所示。大缸体3和大活塞4组成了举升缸，杠杆手柄6、小缸体8、活塞7、单向阀5和9组成手动液压泵。当抬起手柄 6，使小活塞7向上移动，小活塞下腔密封容积增大形成局部真空时，单向阀9打开，油箱1 中的油液在大气压力的作用下通过吸油管进入小活塞的下腔，完成一次吸油过程。当用力压下手柄6时，活塞7下移，其下腔密封容积减小，油液受挤压使压力升高，单向阀9关闭，单向阀5 打开，油液进入举升缸下腔，驱动大活塞 4 使重物G上升一段距离，完成一次排油过程。反复地抬、压手柄，使油液不断地压入举升缸，重物不断升高，达到起重的目的。如将放油阀2旋转90，活塞4可以在重力的作用下实现回程。这就是液压千斤顶的工作过程。,1油箱 2放油阀 3大缸体 4大活塞 5、9单向阀 6杠杆手柄 7小活塞 8小缸体,绪论,图0-1 液压千斤顶的工作原理,绪论,0.2.2 磨床工作台工作原理,绪论,图0-2 磨床工作台液压传动原理图a) 液压传动结构原理图 b)用图形符号表示的液压原理图1油箱 2过滤器 3液压泵 4节流阀 5溢流阀 6换向阀7手柄 8液压缸 9活塞 10工作台 P、A、B、T各油口,a) b),如图0-2 所示。系统的功能是推动磨床工作台实现往复直线运动，其工作过程如下。,绪论,工作台向右直线运动：电动机(图中未画)带动液压泵3工作，从油箱l中吸入液压油，经过过滤器2进入油管，走节流阀4进入换向阀6，当手柄7向右推时，阀芯向右移，使油液进入液压缸8的左腔，推动活塞9向右移动，同时带动工作台10向右直线运动。 工作台向左直线运动：由于工作台运动方向需要变化，当手柄7向左拉时，换向阀 6 的阀芯相对于阀体位置改变，油液通道发生变化，于是液压泵3从油箱1中吸入的液压油，经进油路进入液压缸8的右腔，推动活塞 9向左移动，带动工作台10向左直线运动。 工作台处于停止状态：当换向阀6阀芯相对于阀体处于中位时，如图1-2a所示位置，这时由液压泵3输出的压力油经溢流阀5，沿回油管直接流回油箱1。 磨床工作时，工作台往复运动速度能够调节。通过改变节流阀4 的开口大小，来控制通过节流阀的流量，从而控制进入液压缸的流量，使其控制工作台运动速度的快慢，即液压缸的运动速度取决于流量。,绪论,工作台移动时，要克服各种负载 (如切削力、摩擦力等)。因为工件材料不同、切削用量不同，其负载大小也不同，因此液压缸必须有足够大的推力来克服工作负载。液压缸的推力是由油液压力产生的，其负载越大，所需推力就越大，工作压力也越高。即工作压力的高低直接取决于负载的大小。同时根据负载不同，系统提供的油液压力可以调整，通过调整溢流阀 5 的弹簧压紧力来控制油液的压力，压紧力越大，油液压力越大；反之则小。油液的压力数值可以通过压力表来观察，当系统压力达到溢流阀的调整压力时，溢流阀溢流，系统的压力维持在溢流阀的调定值上，油液压力不再升高。 综上所述，液压传动系统是以液压油为工作介质来实现各种机械传动和控制的。其压力和流量是液压系统的两个重要参数，它们的特性是液压系统的工作压力取决于负载，液压缸的运动速度取决于流量。 液压系统图按国标GB/T786.11993中所规定的绘制。,0.3 液压传动的组成及特点,绪论,0.3.1 液压传动系统组成,动力装置：泵，将机械能转换成液体压力能的装置。执行装置：缸或马达，将液体压力能转换成机械能的装置。控制装置：阀，对液体的压力、流量和流动方向进行控制和调节的装置。辅助装置：对工作介质起到容纳、净化、润滑、消声和实现元件间连接等作用的装置。 传动介质：传递能量的液体液压油。,图0-3气压传动系统1电动机 2空气压缩机 3储气罐 3-压力控制阀 4-逻辑元件 5-方向控制阀6-流量控制阀 7-机控阀 9气缸 8-消声器 11油雾器 12空气过滤器,0.3.2 液压传动的优缺点,绪论,液压传动与机械传动、电气传动相比有以下优点输出力大,定位精度高、传动平稳，使用寿命长。容易实现无级调速，调速方便且调速范围大。容易实现过载保护和自动控制。机构简化和操作简单。液压传动的缺点传动效率低，对温度变化敏感，实现定比传动困难。出现故障不易诊断。液压元件制造精度高， 油液易泄漏。,0-4液压与气动技术的应用,工程机械 推土机、挖掘机、压路机起重运输 汽车吊、叉车、港口龙门吊矿山机械 凿岩机、提升机、液压支架建筑机械 打桩机、平地机、液压千斤顶农业机械 拖拉机、联合收割机冶金机械 压力机、轧钢机锻压机械 压力机、模锻机、空气锤机械制造 组合机床、冲床、自动线、气动扳手轻工机械 打包机、注塑机汽车工业 汽车中的转向器、减振器、自卸汽车智能机械 模拟驾驶舱、机器人,平面磨床,四柱液压机,注塑机,挖掘机,推土机,升降机,汽车式升降台,返回,第1章 液压传动的基础知识,1.1 液体的性质1.1.1 液压油的物理性质1.1.2 粘度的表示方法1.1.3 液压油的基本要求1.1.4 常用液压油的类型1.1.5 液压油的选用1.1.6 液压油污染控制措施 1.2 液体静力学基础1.2.1 静止液体的压力及其性质1.2.2 帕斯卡原理,第1章 液压传动的基础知识,1.2.3 压力表示方法1.2.4 液体对固体壁面的作用力1.3 液体动力学基础1.3.1 基本概念1.3.2 连续性方程1.3.3 伯努利方程1.3.4 液体动量方程 1.4 管路的压力损失 1.4.1 沿程压力损失1.4.2 局部压力损失1.4.3 管路系统中的压力损失,第1章 液压传动的基础知识,1.4.4 液压泵出口压力的确定 1.5 液体流经孔口及缝隙的流量压力特性1.5.1 液体流经小孔的流量压力特性1.5.2 液体流经缝隙的流量压力特性1.6 液压冲击与气穴现象1.6.1 液压冲击 1.6.2 气穴现象,第1章 液压传动的基础知识,第1章 液压传动的基础知识,油液是液压传动与控制系统中用来传递能量的工作介质。此外，它还起着传递信号、润滑、冷却、防锈和减振等作用。,第1章 液压传动的基础知识,1.1 液体的性质,油液直接影响液压系统的工作性能，因此必须合理的选择和使用。,1.1.1 液压油的物理性质,1.液体的密度 密度是指单位体积内液体所具有的质量，用符号表示，单位为kg/m3。计算式为,液压油的密度随压力的升高而增大，随着温度的升高而减小。但在通常的使用压力和温度范围内对密度的影响都极小，一般情况下可视液压油的密度为常数，其密度值为900 kg/m3。,（1-1）,2.液体的可压缩性 液体受压力作用其体积会减小的性质称为液体的可压缩性，其定义为单位压力变化时引起的液体单位体积的变化量，用体积压缩率 k 来表示，单位为m2/N，计算式为,由于液体随压力的增加体积减小，故在公式前加负号，使 k 为正值。,（1-2）,第1章 液压传动的基础知识,液体的体积压缩系数（或体积弹性模量）说明液体抵抗压缩能力的小，其值与压力、温度有关，但影响甚小。因此，在压力、温度变化不大的液压系统中可视为常数，认为液压油是不可压缩的。 常用油液体积弹性模量 K （1.22.0）109 Pa。,第1章 液压传动的基础知识,体积压缩系数的倒数称为体积弹性模量 K ，单位为Pa，写成微分形式，即,（1-3）,K,如图 2-1所示，粘性使流动液体内部各处的速度不等。假设两平行平板间存在着液体，当上平板以u0速度向右运动，下平板静止不动时，液体在附着力的作用下，紧贴上平板的一层液体以u0速度向右运动，而紧贴下平板的液体保持静止，当两平板之间的距离较小时，各液层间的速度呈线性变化。,第1章 液压传动的基础知识,图1-1 液体粘度示意图,3.液体的粘性液体流动时分子间相互牵制的力称为液体的内摩擦力或粘滞力，而液体流动时呈现阻碍液体分子之间相对运动的这种性质称为液体的粘性。,式（1-4）称为牛顿液体的内摩擦定律。,根据实验得出，液体流动时相邻液层间的内摩擦力 F 与接触面积 A 和速度变化量du成正比，与液层间距离的变化量dy成反比，其比例系数为，即,或写成,（1-4）,第1章 液压传动的基础知识,第1章 液压传动的基础知识,图1-2 液体的粘度-温度特性曲线1石油型普通液压油 2石油型高度指数液压油3水包油乳化液 4水-乙二醇 5磷酸酯液,4.粘度和压力、温度的关系 液体的粘度随压力变化的性质称为液体的粘压特性，液体压力增大时，其粘度增大；变化量较小，可忽略不计。 液体粘度随温度变化的性质称为液体的粘温特性。如图 1-2所示，粘度随温度变化越小，其粘温特性越好，该油适宜温度范围就越广。,第1章 液压传动的基础知识,1.1.2 粘度的表示方法,液体的粘度主要用动力粘度、运动粘度和相对粘度来表示。1.动力粘度 动力粘度是绝对粘度，是指液体在单位速度梯度流动时的表面切应力。其计算式为,（1-5）,动力粘度的单位为帕秒（Pas）1 Pas10 P（泊）103 cP (厘泊),第1章 液压传动的基础知识,（1-6）,运动粘度的单位为m2/s，或斯（St）和厘斯（cSt）。1 m2/s = 104 St (cm2/s) = 106 cSt (mm2/s) 。我国液压油的牌号：指在某一温度下运动粘度的平均厘斯（cSt）值来表示，例如N32号液压油，就是指此种油在 40时运动粘度的平均值为32厘斯。,2.运动粘度 液体的动力粘度与它的密度之比，用符号表示，即,第1章 液压传动的基础知识,3.相对粘度 相对粘度有恩氏粘度、赛氏粘度和雷氏粘度等。 恩氏粘度的测量方法： 将200 mL的被测液体放入粘度计的容器内，加热到温度 t后，让它从容器底部一个 2.8 mm的直径小孔流出，测出液体全部流出所用的时间 t1；然后与流出同样体积的20的蒸馏水所需时间 t20 之比，比值即为该液体在温度 t 时的恩氏粘度，用符号oEt表示，即,（1-7）,第1章 液压传动的基础知识,在 20时，水值常数 t20=5052。工业上常以 20、50、100作为测定液体粘度的标准温度，由此得到的恩氏粘度可用0E20、0E50、0E100标记。恩氏粘度和运动粘度可通过下列经验公式进行换算,（1-8）,(m2/s),第1章 液压传动的基础知识,粘温特性好，压缩性要小。润滑性能好，防锈、耐腐蚀性能好。抗泡沫、抗乳化性好。抗燃性能好。,1.1.3 液压油的基本要求,第1章 液压传动的基础知识,矿物油型液压油是以石油的精炼物为基础，加入各种添加剂调制而成。这种油液的特点是润滑性好，腐蚀性小，化学稳定性好，所以约90以上的液压系统采用此类液压油。常见液压油的代号、特性和用途见表 1-1所示。,1.1.4 常用液压油的类型,第1章 液压传动的基础知识,表1-1 常见液压油的代号、特性和用途,第1章 液压传动的基础知识,液压油对液压系统的运动平稳性、工作可靠性、灵敏性、系统效率、功率损耗、气蚀和磨损等都有显著影响，所以选用液压油时，选择合适的粘度和适当的油液品种。 按工作机的类型选用；精密机械与一般机械对粘度要求不同，为了避免温度升高而引起机件变形，影响工作精度，精密机械宜采用较低粘度的液压油。如机床液压伺服系统，为保证伺服机构动作灵敏性，也宜采用粘度较低的油液。 按液压泵的类型选用：液压泵是液压系统的重要元件，在系统中它的运动速度、压力和温升都较高，工作时间又较长，因而对粘度要求较严格，所以选择粘度时应先考虑到液压泵。否则，泵磨损过快，容积效率降低，甚至可能破坏泵的吸油条件。在一般情况下，可将液压泵要求的粘度作为选择液压油的基准，见表 1-2 所示。,1.1.5 液压油的选用,第1章 液压传动的基础知识,表1-2 按液压泵类型推荐用油粘度,第1章 液压传动的基础知识,按液压系统工作压力选用：工作压力较高时，宜选用粘度较高的油，以免系统泄漏过多，效率过低；工作压力较低时，宜用粘度较低的油，这样可以减少压力损失，例如机床工作压力一般低于 6.3 MPa，采用 (2060)8-6 m2s 的油液；工程机械工作压力属于高压，多采用较高粘度的油液。 考虑液压系统的环境温度：矿物油的粘度受温度影响很大，为了保证在工作温度下有较适宜的粘度，还必须考虑环境温度的影响。当温度高时，宜采用粘度较高的油液；环境温度低时，宜采用粘度较低的油液。,第1章 液压传动的基础知识,考虑液压系统的运动速度：当液压系统工作部件的运动速度很高时，油液的流速也高，液压损失随着增大，而泄漏相对减少，因此宜用粘度较低的油液；反之，当工作部件运动速度较低时，每分钟所需的油量很小，这时泄漏相对较大，对系统的运动速度影响也较大，所以宜选用粘度较高的油液。 选择合适的液压油品种：液压系统使用的油液品种很多，主要有机械油、变压器油、汽轮机油、通用液压油、低温液压油、抗燃液压油和抗磨液压油等。机械油最为广泛采用。如果温度较低或温度变化较大时，应选择粘温特性好的低温液压油；若环境温度较高且有防火要求，则应选择抗燃液压油；如果设备长期在重载下工作，为减少磨损，可选用抗磨液压油。选择合适的液压油品种可以保证液压系统的正常工作，减少故障发生，还可以提高设备使用寿命。,第1章 液压传动的基础知识,液压油污染是液压系统故障的主要原因，据统计液压系统故障至少70是油液污染造成的。因此液压油的正确使用、管理和防污是保证液压系统正常可靠工作的重要方面。 1.油液污染的主要原因液压油污染造成液压系统故障。其主要原因表现为： 1)油液在炼制、运输和储存过程中受到了污染。 2)液压系统在加工、装配、存储、运输过程中灰尘、焊渣、型砂、切屑、磨料等残留物造成了污染。 3)液压系统运行中由于油箱密封不完善以及元件密封装置损坏而由系统外部侵入污染物造成污染。 4)液压系统运行中自身产生的污染物，如金属及密封件因磨损而产生的颗粒，油液氧化变质生成物也都会造成油液的污染。,1.1.6 液压油污染控制措施,第1章 液压传动的基础知识,2.油液污染的危害液压系统中污染物主要有固体颗粒、水、空气、化学物质、微生物等杂物。其中固体颗粒性污垢是引起污染危害的主要原因。1)固体颗粒会使泵的滑动部分 ( 如叶片泵中的叶片和叶片槽、转子端面和配油盘 )磨损加剧，缩短泵的使用寿命；对于阀类元件，污垢颗粒会加速阀芯和阀体的磨损，甚至使阀芯卡死，把节流孔和阻尼孔堵塞，从而使阀的性能下降、变坏、甚至动作失灵；对于液压缸，污垢颗粒会加速密封件的磨损，使泄漏增大；当油液中的污垢堵塞过滤器的滤孔时，会使泵吸油困难、回油不畅，产生气蚀、振动和噪声。 2)水的侵入加速了液压油的氧化，并且和添加剂起作用，产生粘性胶质，使滤芯堵塞。 3)空气的混入能降低油液的体积模量，引起气蚀，降低其润滑性能。 4)微生物的生成使油液变质，降低润滑性能，加速元件腐蚀。,第1章 液压传动的基础知识,3.油液污染的控制措施对液压油进行良好的管理，保证液压油的清洁，对于保证设备的正常运行，提高设备使用寿命有着非常重要的意义。对液压油的污染控制工作概括起来有两个方面：一是防止污染物侵入液压系统；二是把已经侵入的污染物从系统中清除出去。 污染控制贯穿于液压系统的设计、制造、安装、使用、维修等各个环节。在实际工作中污染控制主要有以下措施： 1)油液使用前保持清洁。液压油进厂前必须取样检验，加入油箱前应按规定进行过滤。贮运液压油的容器应清洁、密封，系统中漏出来的油液未经过滤不得重新加入油箱。 2)合理选用液压元件和密封元件，减少污染物侵入的途径。装配前所有液压元件及零件应彻底清洗，特别是细管、细小盲孔及死角的铁屑、锈片和灰尘、沙粒等应清洗干净。在确保液压传动系统性能的前提下，尽量少用液压元件，减少管路的连接和泄漏。,第1章 液压传动的基础知识,3)液压系统在装配后、运行前保持清洁。液压元件加工和装配时要认真清洗和检验，装配后进行防锈处理。油箱、管道和接头应去除毛刺、焊渣后进行酸洗以去除表面氧化物。液压系统装配好后应做循环冲洗并进行严格检查后再投入使用。 4)注意液压油在工作中保持清洁。液压油在工作中会受到环境的污染，所以采用密封油箱或在通气孔上加装高效能空气滤清器，可避免外界杂质、水分的侵入。合理选用过滤器，是防止杂质污染油液的非常重要措施。根据设备的要求、使用场合在液压系统中选用不同的过滤方式、不同精度和结构的滤油器，并对滤油器定期检查、清洗。 5)系统中使用的液压油应定期检查、补充、更换。 6)控制液压油的工作温度，防止过高油温造成油液氧化变质。,第1章 液压传动的基础知识,液体静力学主要研究静止液体所具有的力学规律。所谓静止液体是指液体内部质点与质点之间没有相对运动，而液体整体则完全可以随同容器一起作各种匀速运动。,1.2 液体静力学基础,。,1.2.1 静止液体的压力及其性质,1.液体的压力液体单位面积上所受到的法向作用力，常用 p 来表示。压力的单位为 Pa 或 MPa，1 MPa = 106 Pa，计算公式为,（1-9）,式中 F法向作用力（N）； A承压面积（m2）。 在这里压力与压强的概念相同，物理学中称为压强，工程实际中称为压力。 静止液体压力具备两个重要特性： 1)压力的方向沿着承压面的内法线方向； 2)流体内任一点上各个方向的压力相等。,第1章 液压传动的基础知识,第1章 液压传动的基础知识,在重力作用下静止液体表面受压力 p0 的作用,如图1-3所示。如果,2.液体静压力液体处于静止状态下的压力称为液体静压力。在液压传动中所指压力都是指液体的静压力。,图1-3 重力作用下的静止液体,第1章 液压传动的基础知识,求液体内任意一点 A 的压力 p ，可从液面向下取一微小圆柱，其高度为 h，底面积为A，则该圆柱除受侧面力外，上表面受力为 p0A，下表面所受力 pA，液体所受重力为ghA，作用在圆柱的质心上。小圆柱在这些力的作用下处于平衡状态，于是在垂直方向上力应平衡。平衡方程式为,（1-10）,式中 g 重力加速度； 液体的密度。,第1章 液压传动的基础知识,由式（2-10）简化后，得液体静力学基本方程式,如果液面上所受压力为大气压时（ p0 = pa），则,（1-11）,式中 pa 大气压力。由式可知：液体的静压力是由液体的自重和液体表面受到的外力产生的。,（1-12）,第1章 液压传动的基础知识,静压力特性： 1)静止液体内任意一点的压力由液面上的压力（p0 = F/A）和液体重力引起的压力gh两部分组成； 2)静止液体内的压力随深度增加而增大； 3)液面深度相等，其静压力相等。压力相等的点组成的面叫做等压面。在重力作用下等压面是水平面。,第1章 液压传动的基础知识,1.2.2 帕斯卡原理,静止液体，当其液面上的压力发生变化时，液体内部任一点的压力均将发生相同的变化，即：在密封容器内，静止液体任一点的压力将等值地传递到液体内部各点。这就是静止液体中的压力传递原理，即帕斯卡原理。在液压传动系统中，通常由外力产生的压力要比液体自重形成的压力大的多，可以忽略gh影响，即认为静止液体中的压力处处相等。,第1章 液压传动的基础知识,液体压力表示方法有两种：一种是以绝对真空为基准表示的绝对压力；另一种是以大气压力为基准表示的相对压力。绝大多数压力仪表所测得的压力是相对压力，所以也称为表压力。在液压系统中，没有特别说明的压力均指相对压力。绝对压力和相对压力的关系为绝对压力大气压力相对压力 当液体中某处绝对压力低于大气压力 (即相对压力为负值)时，习惯上称该处具有真空，绝对压力小于大气压力的那部分数值用普通压力表无法测量，而要用真空计或真空表来测量，所以称为真空度。它们的关系为 真空度大气压力绝对压力 绝对压力、相对压力和真空度的相互关系如图2-4所示。,1.2.3 压力表示方法,第1章 液压传动的基础知识,图1-4 绝对压力、相对压力和真空度的关系,第1章 液压传动的基础知识,例1 如图1-5所示为装有水银的U形管测压计，左端与水的容器相连，右端与大气相通。汞的密度为汞=13.6103 kgm3，标准大气压1atm=101325Pa。 1)如图 2-5a，已知 h = 20cm，h1=30cm，试计算A点的相对压力和绝对压力。 2)如图2-5b，已知 h1=15cm，h2=30cm，试计算A点的真空度和绝对压力。,图1-5 U形管测压计,第1章 液压传动的基础知识,上式求得是相对压力，A点的绝对压力是,解：a）图取B-B面为等压面，列静力学方程，即,第1章 液压传动的基础知识,b）图取C-C面为等压面，pC 压力等于大气压 pa，列静力学方程，即,上式求得是绝对压力，A点的真空度是,第1章 液压传动的基础知识,1.2.4 液体对固体壁面的作用力,当固体壁面为平面时，液体对固体壁面上的作用力F 等于液体压力 p 与该平面面积 A 的乘积, 即,（1-13）,当固体壁面是曲面时，液体作用于曲面某x 方向上的作用力等于液体压力 p 与曲面在该方向投影面积 Ax 的乘积，即,（1-14）,第1章 液压传动的基础知识,本节主要研究液体流动时的流动状态、运动规律及能量转化等问题。并介绍几个基本方程，即连续性方程、能量方程 (伯努利方程) 和动量方程。它们是液体动力学基础，也是液压技术分析问题和设计计算的理论依据。,1.3 液体动力学基础,第1章 液压传动的基础知识,1.3.1 基本概念,2.稳定流动和非稳定流动液体流动时，如果任意点处的压力、流速和密度都不随时间变化而变化，则这种流动称作稳定流动，否则，称作非稳定流动。如图 2-6a 所示, 由于水箱中的水位保持不变，1-1、2-2截面处的压力、流速和密度都不随时间变化而变化，故 1-1、2-2截面处为稳定流动。如图1-6b所示,1.理想液体和实际液体粘性对液体的流动将产生一定的影响，若考虑这种影响，将使问题变得复杂。为了分析问题的方便清晰，首先假设液体是没有粘性的，然后再考虑粘性的影响并进行修正。所以把既无粘性又不可压缩的液体叫做理想液体，而把实际上既有粘性又可压缩的液体叫做实际液体。,第1章 液压传动的基础知识,由于水箱中的水位随时间而变化，1-1、2-2截面处的压力、流速和密度都随时间变化而变化，故 1-1、 2-2截面处为非稳定流动。在液压系统中液体流动通常是稳定流动状态。,图1-6 稳定流动和非稳定流动a）稳定流动 b）非稳定流动1水箱 2进水管 3溢流口 4出水管 A、B阀门,第1章 液压传动的基础知识,3.流量单位时间内流过通流截面液体的体积，用符号q表示，单位为 m3s，在工程中常用 Lmin, 1 L/ min = 1/68-4 m3/s。4.流速通常所说的流速均指平均流速，是假想液体经过通流截面的流速是均匀分布的，用符号 v 表示，单位为m/s。用平均流速计算流量，则有,（1-15）,式中 A垂直于液体流动方向的通流截面的面积。,第1章 液压传动的基础知识,5.液体的流动状态液体的流动状态分为层流和紊流，这一现象可通过雷诺实验观察。1)雷诺实验，人们为了探索流体摩擦阻力的规律，研究了液体流动过程中的物理现象，1883年著名的雷诺(Reynoids)实验揭示了液体流动时存在着两种不同的流动状态层流和紊流。如图 2-7所示为雷诺实验装置示意图。在透明水箱内，水面下部安装一根带有喇叭形进口的玻璃管，管的下游装有阀门以便调节管内水的流速。水箱的液面始终保持不变，使液体作稳定流动。玻璃管的喇叭形口中心有一根针形小管，红色液体由针管流出，红色液体的密度与水的密度几乎相同。,第1章 液压传动的基础知识,实验结果表明 当玻璃管内水的流速较小时，管中心的红色液体呈现一根平稳的细线流，沿着玻璃管的轴线流过全管，如图 1-7a 所示。随着水的流速增大至某个值后，红色液体的细线开始抖动、弯曲，呈现波浪形，如图1-7b所示，速度再增大，细线被冲散、断裂，最后使全管内水的颜色均匀一致，如图 1-7c 所示。,图1-7 雷诺实验装置示意图a）层流 b）过度流 c）紊流,第1章 液压传动的基础知识,雷诺实验揭示了液体流动有两种截然不同的状态。一种相当于图1-7a的流动，称为层流，液体流动呈现层状；另一种相当于图 1-7b、c的流动，称为紊流，液体流动呈现混杂状。层流时粘性力起主导地位，液体质点受粘性的约束，流动时能量损失小；紊流时惯性力起主导作用，粘性力的制约作用减弱，流动时能量损失大。,第1章 液压传动的基础知识,2)判别液体的流态是层流或紊流，可通过雷诺数 Re 来判断。液体在圆管中流动时的雷诺数 Re 与管道的直径和液体流速成正比而与运动粘度成反比，即,（1-16）,式中 v管道内液体的流动速度； d圆形管道的直径； 液体的运动粘度。 液体的流动状态是层流或紊流，由临界雷诺数Rec决定。 当雷诺数ReRec时，流动状态为层流； 当雷诺数ReRec时，流动状态为紊流。,通过实验得出常用管道的临界雷诺数见表1-3。,第1章 液压传动的基础知识,表1-3 常用管道的临界雷诺数Rec,第1章 液压传动的基础知识,对于非圆截面的管道来说，雷诺数 Re 可用下式计算,（1-17）,式中 dH为管道截面的水力直径，其值与通流截面的有效面积A 和湿周长度x (通流截面上与液体接触的固体壁面的周 界长度 )的关系式，即,（1-18）,水力直径大，液体流动时与管壁接触少，阻力小，通流能力大；水力直径小，液体流动时与管壁接触多，阻力大，通流能力小，容易堵塞。 一般液压传动系统所用液体为矿物油，粘度较大，且管中流速不大，多属层流。只有当液体流经阀口或弯头等处时才会形成紊流。,第1章 液压传动的基础知识,当液体在管道中作稳定流动时，根据质量守恒定律，管内液体的质量不会增多也不会减少，因而在单位时间内液体流经管道任意截面的质量相等，这就是液体的质量守恒定律，也称液流的连续性定律。,如图 1-8 所示为液体在直径不同的管道中流动时的情况。若在管道上取l-1通流截面，其通流截面的面积为A1，液体的平均流速为V1；若在管道上取 2-2通流截面，其通流截面的面积为A2，液体的平均流速为V2，液体的密度为。,1.3.2 连续性方程,第1章 液压传动的基础知识,由式可知：液体在同一管道中作稳定流动时，流量是一个常数，管道截面越大处流速越小，管道截面越小处流速越大。,根据质量守恒有,(1-19),常数,即液体流动的连续性方程为,常数,（1-20）,第1章 液压传动的基础知识,图1-9 伯努利方程示意图,设密度为 的液体在通道内流动如图2-9所示。现任取两通流截面 1-1和2-2为研究对象，两截面至水平参考面的距离分别为h1和h2，两截面处液体的流速分别为 vl 和 v2，压力分别为 p1和 p2。,1.理想液体的伯努利方程 由于理想液体无粘性，在管道中作稳定流动时就不存在能量损失，这样同一管道中任意截面上的总能量都应相等，这就是能量守恒定律。,1.3.3 伯努利方程,第1章 液压传动的基础知识,根据能量守恒定律可导出重力作用下液体在通道内稳定流动时方程，即,或在通道内任意截面，则有,（1-21）,=常数,（1-22）,式中,单位重量液体的压力能（压力头）；,式（1-21）和式（1-22）称为伯努利方程，其物理意义表示：理想液体在重力场作稳定流动时，具有压力能、位能和动能三种形式，它们之间可以互相转化，且总和保持不变。,h 单位重量液体的的位能（位置头）；,单位重量液体的的动能（速度头）。,第1章 液压传动的基础知识,2.实际液体的伯努利方程实际液体存在着粘性，流动时会产生能量损失，同时管道局部形状和尺寸的变化也会引起能量损失，能量损失的大小用hw表示，故对理想液体的伯努利方程进行修正，此时伯努利方程为,（1-23）,式中 hw 液体由截面1-1流到截面2-2时引起的能量损失； 1、2动能修正系数，紊流时=1，层流时=2。,第1章 液压传动的基础知识,例 2 如图1-10所示，液压泵的流量q =32Lmin,吸油管内径d =20mm,液压泵吸油口距离液面高度h = 500mm,液压油的运动粘度为208-6m2s，密度900 kgm3，不计压力损失（hW=0），求液压泵吸油口的真空度？,解：吸油管内油液流动的速度：,=1.7 m/s,液压油在吸油管中的流动状态,第1章 液压传动的基础知识,即真空度,由此可见，泵吸油口的真空度主要是克服位置和速度引起的压力损失以及摩擦引起的压力损失，因此，泵口不要离液面过高，以防产生吸空现象。,查表1-3知，光滑金属圆管 Rec= 2320Re =1700 ，故流动状态为层流，即1=2=2。 选取油池的液面为-和靠近泵吸油口的截面为-，列伯努利方程，并以-截面为基准面，因此 h1=0, v1=0 （因为油箱截面面积大，流速较小）, p1= pa（油池液面上受大气压力作用）。伯努利方程为,=7015.5 Pa7.01 kPa,第1章 液压传动的基础知识,根据理论力学中的动量定理，作用在物体上的合力等于物体在力作用方向上动量的变化率，即稳态液动力,（1-24）,（1-25）,对于作稳定流动的液体，若忽略可压缩性，液体的密度不变，则单位时间内流过的液体质量 m =qt，将其代入上式，动量方程式为,1.3.4 液体动量方程,第1章 液压传动的基础知识,若考虑实际流速与平均流速之间存在误差，应引入动量修正系数，其动量方程为,（1-26）,式中 F 作用在液体上外力的合力； v1、v2 液体在前后两个过流截面上的流速； 1、2动量修正系数，紊流时=1，层流时=1.33。为简化 计算，通常均取=1。,第1章 液压传动的基础知识,很多液压阀都是滑阀结构，这些滑阀靠阀芯的移动来改变阀口的大小或启闭，从而控制了液流。液流通过阀口时，阀芯所产生的液动力，将对这些液压阀的性能有很大影响。作用在阀芯上的液动力有稳态液动力和瞬态液动力两种，这里我们只讨论对滑阀芯移动有影响的稳态轴向液动力。稳态液动力是阀芯移动结束且开口固定以后，液流流过阀口时因动量变化而作用在阀芯上的力。如图1-11所示，液流流过阀口的两种情况。,图1-11 滑阀的稳态液动力,第1章 液压传动的基础知识,由式可知：稳态液动力的方向总是使阀口趋于关闭。,取阀芯两凸肩间的容腔中液体作为控制体，由式(1-25)可求得液流流入或流出阀腔时的稳态液动力为0,式中 是射流角，一般取=69； v1、v2是滑阀阀口处的平均流速。,第1章 液压传动的基础知识,由于液体具有粘性，在流动时会有阻力，为了克服阻力，液体就要消耗能量，造成能量的损失。在液压传动系统中，能量损失主要表现在液压油的压力降低，因此将其称为压力损失。 在密封管道中流动的液体存在两种压力损失：沿程压力损失和局部压力损失。,1.4 管路的压力损失,第1章 液压传动的基础知识,2.4.1沿程压力损失,液体在等截面直管中流动时，由于液体与管壁的摩擦以及液体分子间的内摩擦，必然要消耗一部分能量，这种因摩擦而产生的能量损失称为沿程压力损失。实验证明：液体的沿程压力损失与管道长度、单位体积的动能成正比与管径成反比，其比例系数为。即沿程压力损失p为,(1-27),式中 沿程阻力系数；其取值可利用经验公式计算，见表2-4 l 液体流经管路的长度； d 管路内径； v 液体的平均流速。,1.4.1 沿程压力损失,第1章 液压传动的基础知识,表1-4 管道内的沿程阻力系数,第1章 液压传动的基础知识,例 3 某液压系统中，采用管长为25 m，内径为 20 mm，油液的密度为900 kgm3，运动粘度为408-6 m2/s，当流量为18 Lmin时，试计算沿程压力损失？解：计算雷诺数Re：,m/s,=477.5,第1章 液压传动的基础知识,= 80578 Pa 0.081 MPa,查表1-3知光滑金属圆管Rec=2320Re=477.5，故流动状态为层流。由于实际情况下管壁附近的液体层应冷却而粘度增大较多。 故沿程压力损失为,第1章 液压传动的基础知识,式中 局部阻力系数，液体流经这些局部障碍物时的流动现象 复杂，具体数据可通过实验测定或查阅有关液压传动设 计手册。,局部压力损失是指液体流经阀口、弯管及变化的截面等局部阻力处所引起的压力损失。液体经过这些局部阻力处流速和方向产生急剧变化，流体质点间产生撞击，液流形成死水旋涡区，从而产生了能量损失。局部压力损失p可按下式计算,(1-28),1.4.2 局部压力损失,第1章 液压传动的基础知识,管路系统中的压力损失等于所有管路系统中的沿层压力损失和局部压力损失之和，即,(1-29),利用上式进行计算时，只有在各局部障碍之间有足够的距离时才正确。因为当液体流过一个局部障碍后，要在直管中流过一段距离，液体才能稳定，否则其局部阻力系数可能比正常情况大23倍。因此一般希望在两个障碍之间直管的长度l(1020)d。 液压系统中的压力损失绝大部分将转换为热能，造成系统油温的升高、泄漏增大，影响液压系统的工作性能。因此常采用减小流速，缩短管路的长度，减少管路截面突变和管路的弯曲，减少管路内壁的粗糙度和适当增大管路的直径，合理选用阀门等元件的一系列措施，减少管路系统中的压力损失，保证系统正常运行。,=,1.4.3 管路系统中的压力损失,第1章 液压传动的基础知识,2.4.4液压泵出口压力的确定,在液压技术中，研究液体传动中产生压力损失的主要目的就是为了保证液压泵向液压缸提供所需的工作压力，因此，要仔细计算油液由液压泵向液压缸供油时，油液在管道流动过程中产生的压力损失，但是计算沿程压力损失和局部压力损失是非常繁琐的，一般不详细计算，而是采用估算的方法。通常将液压泵出口压力设定为液压缸工作压力的（1.31.5）倍，即pp =（1.31.5）p，或者根据液压泵到液压缸之间采用的液压元件估算总压力损失 p，那么液压泵的出口工作压力为液压缸所需的工作压力 p 与估算的总压力损失p 之和，即,(1-30),式中 pp液压泵的出口工作压力； p 液压缸的工作压力。,1.4.4 液压泵出口压力的确定,第1章 液压传动的基础知识,液压元件经常利用液体流经阀的小孔或缝隙来控制液体的压力和流量，从而达到调速和调压的目的。液压元件的泄漏也属于间隙流动。,1.5 液体流经孔口及缝隙的流量压力特性,第1章 液压传动的基础知识,1.薄壁孔的流量计算所谓薄壁孔是指小孔的通道长度 l与直径d 之比小于或等于 0.5的孔，如图2-12所示为液流流经节流孔口的状态。液流在小孔上游大约d2处开始加速并从四周流向小孔，贴近管壁的液体由于惯性不会作直角转弯而是向管轴中心收缩，从而形成收缩断面，大约在小孔出口d2的地方，形成最小收缩截面 de，截面收缩的程度取决于 Re、孔口及边缘形状、孔口离管道及容器侧壁的距离等因素。如果圆形小孔，当管道直径与小孔直径之比Dd 7时，称完全收缩，此时流束的收缩不受孔前通道侧壁的影响。反之，当 Dd7时，称为不完全收缩，由于这时管壁与孔前通道侧壁较近，侧壁对收缩的程度有影响。,液体流经的小孔有薄壁小孔、细长小孔和介于二者之间的短孔。,1.5.1 液体流经小孔的流量压力特性,第1章 液压传动的基础知识,图1-12 液体流经节流孔口的状态,第1章 液压传动的基础知识,式中 AT 小孔的通流面积； p小孔两端的压力差； C d 流量系数，由实验确定。当液流完全收缩时，Cd 几乎不变。 计算时一般取Cd =0.60.62；当液流不完全收缩时，管壁离 小孔较近，此时管壁对液流起导向作用，流量系数Cd 可增大 到0.70.8。 从公式中可以看出：流经薄壁孔的流量 q与小孔的通流面积成正比，与小孔前后压差p的平方根成正比。由于薄壁孔的流程很短，沿程阻力小，且不受粘度的影响，因而油温变化对流量影响也很小，薄壁小孔处流速较高不易堵塞。这些特性使薄壁小孔常作为节流阀的阀口。,根据伯努利方程和连续性方程推导出通过薄壁小孔的流量公式为,(1-31),第1章 液压传动的基础知识,例 4 有一薄壁小孔，通过流量q =25 L/min时，孔前后的压力损失为p = 0.3 MPa, 设流量系数 Cd = 0.62，油的密度= 900kg/m3。试求节流阀孔的通流面积。解：根据薄壁小孔的流量公式(1-31),则,第1章 液压传动的基础知识,2.细长孔的流量计算所谓细长孔一般是指小孔的长径比ld 4 时的情况，如液压系统中的导管、某些阻尼孔等。液流在细长孔中流动时，一般都是层流，通过细长孔的流量公式为,(1-32),式中 液压油的动力粘度。 从公式中可知，通过细长孔的流量由于与油的动力粘度成反比，故受油温的影响较大，同时细长孔易被堵塞。细长孔常用作控制阀的阻尼孔。,第1章 液压传动的基础知识,3.短孔短孔指介于薄壁小孔与细长小孔之间的孔，即 ld 4 ld 0.5 。短孔加工起来比薄壁孔容易得多，因此特别适合于作固定的节流孔。流量计算也可采用薄壁小孔的公式，但流量系数Cd应根据短管的形状和安装方式不同而作具体计算或查表，关于这方面的深入了解，可参考有关的流体力学专著。 在液压系统中，各种小孔的流量压力特性，可用下式表示,(1-33),式中 K由小孔的形状和液体性质决定的系数，对于薄壁孔 K = Cd（2/）1/2，对于细长孔K = d2/32l； m由小孔的长径比决定的压差指数，薄壁孔 m = 0.5、细长孔 m = 1、短孔 m = 0.51； AT小孔的通流面积； p小孔两端的压力差。,第1章 液压传动的基础知识,在液压系统中，各种液压元件内部表面之间存在着间隙。液压系统的泄漏主要是在压力差作用下通过间隙产生的，泄漏使系统效率降低，性能下降。为减少泄漏和提高液压系统的工作性能，有必要分析液体流经缝隙的泄漏规律。 流体流经缝隙的大小相对其长度和宽度小得很多，因此缝隙中的流动受固体壁面的影响很大，其流动状态一般均为层流。常见的缝隙有两种，两个平行平面形成的缝隙和内、外圆柱表面形成的环状缝隙。,1.5.2液体流经缝隙的流量压力特性,第1章 液压传动的基础知识,1.两个平行平面的缝隙如图1-13所示，液体沿两个平行平面缝隙流动时，由于压差的作用，其流经该缝隙流量计算式为,式中 p缝隙两端的压力差，p = p1- p2； 液压油的动力粘度； l、b、分别为缝隙的长度、宽度和高度。,(1-34),第1章 液压传动的基础知识,图1-13 液体在两个平行平面缝隙中流动 图1-14液体在同心园环缝隙中流动,2.同心环状缝隙如图 2-14 所示，液体沿两个内外圆柱表面环状缝隙流动时，计算时将其展开后可视为平面间缝隙，故以平面间缝隙的宽度用圆环的周长d来代替, 其流经缝隙流量计算式为,(1-35),式中 d同心圆孔的直径。,第1章