液压与气压传动课件(精华版).ppt

普通高等教育 十一五 国家级重点教材普通高等工科教育机电类规划教材 液压与气压传动 第4版 左健民主编主讲陈水胜湖北工业大学机械电子工程系2011年2月 液压传动与气压传动 第三版 杨曙东何存兴主编 课件编制 湖北工业大学陈水胜李奕 前言 一 课程的性质和任务二 课程的基本要求三 课程内容 理论教学 实验教学 56学时 四 教学大纲执行说明五 学时分配六 教材及参考书 总目录 绪论第一章流体力学基础第二章液压动力元件第三章液压执行元件第四章液压控制元件第五章液压辅助元件第六章液压基本回路第七章典型液压传动系统第八章液压伺服和电液比例控制技术第九章液压系统的设计与计算 绪论 一 液压与气压传动的研究对象二 液压与气压传动的工作原理三 液压与气压传动系统的组成四 液压与气压传动的优缺点五 液压与气压传动的应用及发展 一 液压与气压传动的研究对象 液压与气压传动是研究以有压流体 压力油或压缩空气 为能源介质 来实现各种机械的传动和自动控制的学科 液压与气压传动实现传动和控制的方法是基本相同的 它们都是利用各种元件组成所需要的各种控制回路 再由若干回路有机组合成能完成一定控制功能的传动系统来进行能量的传递 转换与控制 液压传动所用的工作介质为液压油或其它合成液体 气压传动所用的工作介质为空气 由于这两种流体的性质不同 所以液压传动和气压传动又各有其特点 液压传动传递动力大 运动平稳 但由于液体粘性大 在流动过程中阻力损失大 因而不宜作远距离传动和控制 而气压传动由于空气的可压缩性大 且工作压力低 通常在1 0MPa以下 所以传递动力不大 运动也不如液压传动平稳 但空气粘性小 传递过程中阻力小 速度快 反应灵敏 因而气压传动能用于远距离的传动和控制 二 液压与气压传动的工作原理 液压与气压传动的基本工作原理是相似的 现以图0 1所示的液压千斤顶来简述液压传动的工作原理 由图0 1a可知 大缸体9和大活塞8组成举升液压缸 杠杆手柄1 小缸体2 小活塞3 单向阀4和7组成手动液压泵 如提起手柄使小活塞向上移动 小活塞下端油腔容积增大 形成局部真空 这时单向阀4打开通过吸油管5从油箱12中吸油 用力压下手柄 小活塞下移 小活塞下腔压力升高 单向阀4关闭 单向阀7打开 下腔的油液经管道6输入大缸体9的下腔 迫使大活塞8向上移动 顶起重物 再次提起手柄吸油时 举升缸下腔的压力油将力图倒流入手动泵内 但此时单向阀7自动关闭 使油液不能倒流 从而保证了重物不会自行下落 不断地往复扳动手柄 就能不断地把油液压入举升缸下腔 使重物逐渐地升起 如果打开截止阀11 举升缸下腔的油液通过管道10 阀11流回油箱 大活塞在重物和自重作用下向下移动 回到原始位置 1 力比例关系 图0 1b为液压千斤顶的简化模型 据此可分析两活塞之间的力比例关系 运动关系和功率关系 当大活塞上有重物负载W时 大活塞下腔的油液就将产生一定的压力p p W A2 根据帕斯卡原理 在密闭容腔内 施加于静止液体上的压力将以等值同时传到液压各点 因而要顶起大活塞及其重物负载W 在小活塞下腔就必须要产生一个等值的压力p 也就是说小活塞上必须施加力F1 F1 pA1 因而有p F1 A1 W A2或W F1 A2 A1 0 1 由式 0 1 可知 当负载W增大时 流体工作压力p也要随之增大 亦即F1要随之增大 反之 若负载W很小 流体压力就很低 F1也就很小 由此建立了一个很重要的基本概念 即在液压和气压传动中工作压力取决于负载 而与流入的流体多少无关 2 运动关系 如果不考虑液体的可压缩性 漏损和缸体 油管的变形 从图0 1b可以看出 被小活塞压出的油液的体积必然等于大活塞向上升起后大缸扩大的体积 即A1h1 A2h2或h2 h1 A1 A2 0 2 从式 0 2 可知 两活塞的位移和两活塞的面积成反比 将A1h1 A2h2两端同除以活塞移动的时间t得A1h1 t A2h2 t即v2 v1 A1 A2 0 3 式中v1 v2分别为小活塞和大活塞的运动速度 从式 0 3 可以看出 活塞的运动速度和活塞的作用面积成反比 Ah t的物理意义是单位时间内液体流过截面积为A的某一截面的体积 称为流量q 即q Av因此 A1v1 A2v2 0 4 如果已知进入缸体的流量q 则活塞的运动速度为v q A 0 5 调节进入缸体的流量q 即可调节活塞的运动速度v 这就是液压与气压传动能实现无级调速的基本原理 从式 0 5 可得到另一个重要的基本概念 即活塞的运动速度取决于进入液压 气压 缸 马达 的流量 而与流体压力大小无关 3 功率关系 由式 0 1 和式 0 3 可得F1v1 Wv2 0 6 式 0 6 左端为输入功率 右端为输出功率 这说明在不计损失的情况下输入功率等于输出功率 由式 0 6 还可得出P pA1v1 pA2v2 pq 0 7 由式 0 7 可以看出 液压与气压传动中的功率P可以用压力p和流量q的乘积来表示 压力p和流量q式流体传动中最基本 最重要的两个参数 它们相当于机械传动中的力和速度 它们的乘积即为功率 从以上分析可知 液压传动和气压传动是以流体的压力能来传递动力的 三 液压与气压传动系统的组成 左图 动画 所示为机床工作台液压系统的工作原理图 慢速左移 活塞的移动速度由节流阀来调节 节流阀口开大 进入液压缸的油液增多 活塞的移动速度增大 节流阀口关小时 进入液压缸的油液减小 活塞的移动速度减小 液压泵输出的多余油液需经溢流阀和回油管排回油箱 这只有在压力支管中的油液压力对溢流阀钢球的作用力等于或略大于溢流阀中弹簧的预紧力时 油液才能顶开溢流阀中的钢球流回油箱 为克服活塞所受到的各种阻力 液压缸必须产生一个足够大的推力 这个推力是由液压缸中的油液压力产生的 要克服的阻力越大 液压缸中的油液压力越高 反之压力就越低 右图所示为一可完成某程序动作的气压系统的组成原理图 其中的控制装置是由若干气动元件组成的气动逻辑回路 它可以根据气缸活塞杆的始末位置 由行程开关等传递信号 再作出下一步的动作 从而实现规定的自动工作循环 由上面的例子可以看出 液压与气压传动系统主要由以下几个部分组成 1 能源装置把机械能转换成流体的压力能的装置 一般最常见的是液压泵或空气压缩机 2 执行装置把流体的压力能转换成机械能的装置 一般指液 气 压缸或液 气 压马达 3 控制调节装置对液 气 压系统中流体的压力 流量和流动方向进行控制和调节的装置 如溢流阀 节流阀 换向阀等 4 辅助装置指除以上三种以外的装置 如油箱 过滤器 分水滤气器 油雾器 蓄能器等 它们对保证液 气 压系统可靠和稳定地工作有重大作用 5 传动介质传递能量的流体 即液压油或压缩空气 四 液压与气压传动的优缺点 五 液压与气压传动的应用及发展 注塑机械 机床 全自动六角车床 桥梁检修机械 防洪闸门及堤坝装置 巨型天线 甲板起重机械 气压传动的应用 自动水果分类机 汽车组装线 自动激光唱片拾放装置 自动糖果包装机 自动汽车清洗机 自动空气喷射织布机 压烫机 液压与气压传动发展 如果从17世纪帕斯卡提出静压传递原理 18世纪英国制成世界第一台水压机算起 液压传动已有二百多年的历史 但是由于当时没有成熟的液压传动技术和液压元件 因此它没有得到普遍的应用 随着科学技术的不断发展 各行各业对传动技术有了进一步的需求 特别是在第二次世界大战期间 由于军事上迫切地需要反应快 重量轻 功率大的各种武器装备 而液压传动技术正好具有这方面的优势 所以获得了较快的发展 在战后的50年中 液压传动技术迅速地扩展到其他各个部门 并得到了广泛的应用 目前 液压与气压传动分别在实现高压 高速 大功率 高效率 低噪声 长寿命 高度集成化 小型化与轻量化 一体化 执行件柔性化等方面取得了很大的进展 同时 由于它与微电子技术密切配合 能在尽可能小的空间内传递出尽可能大的功率并加以准确地控制 从而更使得它在各行各业中发挥出了巨大作用 第一章流体力学基础 第一节液压传动的工作介质第二节液体静力学第三节液体动力学第四节定常管流的压力损失计算第五节孔口和缝隙流量第六节空穴现象和液压冲击 第一节液压传动的工作介质 液压传动最常用的工作介质是液压油 此外 还有乳化型传动液和合成型传动液等 此处仅介绍几个常用的液压传动工作介质的性质 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 体积为 质量为 的液体的密度为 m V 矿物油型液压油的密度随温度的上升而有所减小 随压力的提高而稍有增加 但变动值很小 可以认为是常值 我国采用摄氏20度时的密度作为油液的标准密度 以 表示 常用液压油和传统的密度如下 以液体的静压能传递动力的液体传动是以油液作为工作介质的 为此必须了解油液的种类 物理性质 研究油液的静力学 运动学和动力学规律 本章主要介绍这方面的内容 常用工作介质的密度 kg m 3 压力为 0 体积为 0的液体 如压力增大 p时 体积减小 V 则此液体的可压缩性可用体积压缩系数 即单位压力变化下的体积相对变化量来表示 p V V0 由于压力增大时液体的体积减小 因此上式右边须加一负号 以使成为正值 液体体积压缩系数的倒数 称为体积弹性模量 简称体积模量 即 2 可压缩性 封闭在容器内的液体在外力作用下的情况就如一弹簧 外力增大 体积减小 外力减小 体积增大 其弹簧刚度 h 在液体承压面积A不变时 可以通过压力变化 P F A和体积变化 V A L求出 即 h F l AK V 2 液压传动工作介质的可压缩性对动态工作的液压系统来说影响极大 但当液压系统在静态下 稳态 工作时 一般可以不予考虑 10 9 10 9 10 9 10 9 3 1 4 2 0 3 15 2 65 各种液压传动工作介质的体积模量 20C 大气压 0 1 95 3 粘性 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 这种现象就叫粘性 静止液体是不会有粘性的 液体流动时相邻液层间的内摩擦力Ft与液层接触面积A 液层间的速度梯度du dy成正比即 Ft A du dy 式中 为比例常数 称为粘性系数或粘度 粘度是衡量液体粘性的标准 粘度 称动力粘度 单位Pas 帕秒 以前沿用的单位为P 泊 dynes cm 液体的动力粘度与其密度的比值 成为运动粘度 即 单位m s 以前沿用的单位为St 斯 2 1Pas 10cP 厘泊 3 2 1m s 10St 10cSt 厘斯 10mm s 2 4 6 6 2 即 dy du Ft A dy du 为切应力 就物理意义而言 不是一个粘度的量 但习惯上常用它来标志液体粘度 液压传动工作介质的粘度是以40摄氏度时的运动粘度 以mm s 的中心值来划分的 如某一种牌号L HL22普通液压油在40摄氏度时运动粘度的中心值为22mm s 2 2 液体的粘度随液体的压力和温度而变 对液压传动工作介质来说 压力增大时 粘度增大 在一般液压系统使用的压力范围内 增大的数值很小 可以忽略不计 右图所示 温度升高 粘度下降 这个变化率的大小直接影响液压传动工作介质的使用 其重要性不亚于粘度本身 4 其它性质 液压传动工作介质还有其它的一些性质 如稳定性 热稳定性 氧化稳定性 水解稳定性 水解稳定性 剪切稳定性等 抗泡沫性 抗乳化性 防锈性 润滑性以及相容性 对所接触的金属 密封材料 涂料等作用程度 导热性等 都对它的选择和使用有重要影响 这些性质需要在精炼的矿物油中加入各种添加剂来获得 其含义较为明显 2 润滑性能好 即油液润滑时产生的油膜强度高 以免产生干摩擦 3 质地纯净 杂质少 不应含有杂质 以免刮伤表面 4 对金属和密封件有良好的相容性 不应含有腐蚀性物质 以免侵蚀机件和密封元件 5 对热 氧化 水解和剪切都有良好的稳定性 防止油液氧化后变酸性腐蚀金属表面 6 抗泡沫好 抗乳化性好 腐蚀性小 防锈性好 7 体积膨胀系数小 比热容大 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 对人体无害 成本低 对轧钢机 压铸机 挤压机和飞机等液压系统则须突出耐高温 热稳定 不腐蚀 无毒 不挥发 防火等项要求 二 对液压传动工作介质的要求不同的工作机械 不同的使用情况对液压传动工作介质的要求有很大的不同 为了很好地传递运动和动力 液压传动工作介质应具备如下性能 1 合适的粘度 较好的粘温特性 粘度随温度变化越小越好 1 分类液压系统工作介质的品种以其代号和后面的数字组成 代号为L是石油产品的总分类号 H表示液压系统用的工作介质 数字表示该工作介质的粘度等级 表1 1所示 2 工作介质的选用原则选择液压系统的工作介质一般需考虑以下几点 三 工作介质的分类和选择 1 液压系统的工作条件 2 液压系统的工作环境 3 综合经济分析 o o 工作介质粘度v40 mms 2 1 P 7 0MPa P 7 0MPa 齿轮泵 叶片泵 径向柱塞泵 轴向柱塞泵 液压泵类型 按液压泵类型推荐用工作介质的粘度 o 需要难燃料的场合 表1 1液压系统工作介质分类 GB11118 89 四 液压系统的污染控制工作介质的污染是液压系统发生故障的主要原因 它严重影响液压系统的可靠性及液压元件的寿命 因此工作介质的正确使用 管理以及污染控制 是提高液压系统的可靠性及延长液压元件使用寿命的重要手段 1 污染的根源进入工作介质的固体污染物有四个根源 已被污染的新油 残留污染 侵入污染和内部生成污染 2 污染的的危害液压系统的故障75 以上是由工作介质污染物造成的 3 污染的测定污染度测定方法有测重法和颗粒计数法两种 4 污染度的等级我国制定的国家标准GB T14039 93 液压系统工作介质固体颗粒污染等级代号 和目前仍被采用的美国NASl638油液污染度等级 5 工作介质的污染控制工作介质污染的原因很复杂 工作介质自身又在不断产生污染物 因此要彻底解决工作介质的污染问题是很困难的 为了延长液压元件的寿命 保证液压系统可靠地工作 将工作介质的污染度控制在某一限度内是较为切实可行的办法 为了减少工作介质的污染 应采取如下一些措施 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 工作介质温度过高会加速其氧化变质 产生各种生成物 缩短它的使用期限 5 定期检查和更换工作介质 定期对液压系统的工作介质进行抽样检查 分析其污染度 如已不合要求 必须立即更换 更换新的工作介质前 必须对整个液压系统彻底清洗一遍 第二节液体静力学 一 液体静压力及其特性二 液体静压力基本方程三 压力的表示方法及单位四 帕斯卡原理五 液体静压力对固体壁面的作用力 1 2 1液体静压力及其特性 一 液体的静压力作用在液体上的力有两种类型 质量力和表面力 前者作用在液体的所有质点上 如重力 惯性力等 数值上等于加速度 后者作用在液体的表面上 如切向力和法向力 表面力可能是容器作用在液体上的外力 也可能是来自另一部分液体的内力 静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力 如果在液体内部某点处微小面积 A上作用有法向力 F 则 F A的极限定义为该点处的静压力 用p表示 即 1 1 若在液体的面积A上受均匀分布的作用力F 则静压力可表示为 1 2 液体静压力在物理学上称为压强 在工程应用中习惯称为压力 二 液体静压力的特性1 液体静压力垂直于作用表面 其方向和该面的内法线方向一致 2 静止液体内任一点所受的静压力在各个方向上都相等 液体静压力特性表明 静止液体内部的任何质点都受平衡压力的作用 1 2 2静力学基本方程 1 静压力基本方程式在重力作用下的静止液体 其受力情况如图1 1所示 图1 1重力作用下的静止液体 则 点所受的压力为式中 g为重力加速度 此表达式即为液体静压力的基本方程 由此式可知 1 静止液体内任一点处的压力由两部分组成 一部分是液面上的压力p0 另一部分是 g与该点离液面深度h的乘积 2 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 3 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 在液压传动中 液体重力引起的压力通常很小 可以忽略不计 液体静压力取决于外加压力 2 静压力基本方程式的物理意义 图1 2静压力基本方程式的物理意义 图1 2为盛有液体的密闭容器 液面压力为p0 选则一基本水平面ox 根据静压力基本方程式可以确定距液面深度 处 点的压力 即 这是液体静压力基本方程式的另一种形式 其中z0g表示A点的单位质量液体的位能 表示A点的单位质量液体的压力能 上述表达式说明了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 即能量守恒 这就是静压力基本方程式中包含的物理意义 1 2 3压力的表示方法及单位 压力的表示方法压力的表示方法有两种 一种是以绝对真空作为基准所表示的压力 称为绝对压力 另一种是以大气压力作为基准所表示的压力 称为相对压力 由于大多数测压仪表所测得的压力都是相对压力 故相对压力也称表压力 绝对压力与相对压力的关系为 绝对压力 相对压力 大气压力绝对压力小于大气压时 负相对压力数值部分叫做真空度 即真空度 大气压 绝对压力 绝对压力 大气压 由此可知 当以大气压为基准计算压力时 基准以上的正值是表压力 基准以下的负值就是真空度 绝对压力 相对压力和真空度的相互关系如图1 3 图1 3绝对压力相对压力和真空度 压力的单位 法定压力 ISO 单位称为帕斯卡 帕 符号为Pa 工程上常用兆帕这个单位来表示压力 在工程上采用工程大气压 也采用水柱高或汞柱高度等 在液压技术中 目前还采用的压力单位有巴 符号为bar1bar压力的单位及其它非法定计量单位的换算关系为 1at 工程大气压 米水柱 毫米汞柱 压力单位 1 2 4帕斯卡原理 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 这就是静压传递原理或称帕斯卡原理 液压系统中的压力是由外界负载决定的 在左图中 F是外加负载 A是活塞面积 根据帕斯卡原理 缸筒内的压力将随外加负载的变化而变化 并且各点的压力变化值相等 如果不考虑活塞和液体重力引起的压力 则液体中的压力为 由此可见 缸筒内的液体压力是由外界负载决定的 这是液压传动中的一个基本概念 图1 4 p F A 帕斯卡原理的应用 液压千斤顶是帕斯卡原理在工程中的应用实例 按帕斯卡原理应有p1 p2 或F2A1 F1A2 1 2 5液体静压力对固体壁面的作用力 静止液体和固体壁面相接触时 固体壁面上各点在某一方向上所受静压作用力的总和 便是液体在该方向上作用于固体壁面上的力 在液压传动计算中质量力可以忽略 静压力处处相等 所以可认为作用于固体壁面上的压力是均匀分布的 当固体壁面是曲面时 作用在曲面各点的液体静压力是不平行的 曲面上液压作用力在某一方向上的分力等于液体静压力和曲面在该方向的垂直面内投影面积的乘积 上图a所示 则压力P作用在活塞上的力F为 F PA D 2 4 p 图b和图c作用力为 F PA p 2 4 d d为承受部分曲面投影圆的直径 第三节液体动力学 基本概念液体流动基本方程 1 3 1基本概念 流线如图a所示流束如图b所示 定常流动时 流管和流束形状不变 通流截面 如图c的A面和B面 截面上的每点处的流动速度都垂直于这个面 1 3 2液体流动基本方程 一 流量连续性方程 图1 5连续性方程推导简图 连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的一种表达形式 如果液体作定常流动 且不可压缩 那么任取一流管 图1 5 两端通流截面面积为A1和A2 在流管中取一微小流束 流束两端的截面积分别为dA1和dA2 在微小截面上各点的速度可以认为是相等的 且分别为u1和u2 根据质量守恒定律 在dt时间内流人此微小流束的质量应等于从此微小流束流出的质量 故有 即 对整个流管 显然是微小流束的集合 由上式积分得 即 如用平均速度表示 得 由于两通流截面是任意取的 故有 上式称为不可压缩液体作定常流动时的连续性方程 它说明通过流管任一通流截面的流量相等 此外还说明当流量一定时 流速和通流截面面积成反比 二 伯努利方程 伯努利方程就是能量守恒定律在流动液体中的表现形式 要说明流动液体的能量问题 必须先讲述液流的受力平衡方程 亦即它的运动微分方程 1 理想液体的运动微分方程 这就是重力场中 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 它表示了单位质量液体的力平衡方程 2 理想液体的伯努利方程 理想液体微小流束的伯努利方程 p gz u 2 2 常数 3 实际液体总流的伯努利方程 把理想液体的伯努利方程修正成实际液体的伯努利方程 修正过程考虑了两点 1 液体在流动过程中的能量损失 2 用通流截面的平均流速v取代微元体的流速u 或对流线上任意两点且两边除以g可得 p1 g z1 u1 2 2g p2 g z2 2 2g u2 上式表明理想液体作定常流动时 液流中任意截面处液体的总比能由比压能 p g 比位能 z 与比动能 u 2g 组成 且均为长度纲量 因此从几何意义上讲可分别称为压力水头 位置水头和速度水头 三者之间可互相转化 但总和为一定值 2 实际液体是有粘性的 因此流动中粘性摩擦力会消耗一部分能量 同时 管道形状的变化会使液体产生扰动 也要消耗能量 这些能量最终变成热量损失掉了 考虑到这部分能量损失 应该在伯努利方程中加入修正项hw 用通流截面的平均流速v取代微元体的流速u也有个修正问题 为此引进动能修正系数 它等于单位时间内某截面处的实际动能与按平均流速计算的动能之比 即 引入能量损失hw和动能修正系数 后 实际液体的伯努利方程为 式中 1 2分别为截面A1 A2上的动能修正系数 是液体从截面1流到截面2损耗的能量 它们可由实验求出 上式就是仅受重力作用的实际液体在管流中作平行 或缓变 流动截面上的伯努利方程 它的物理意义是单位质量液体的能量守恒 其中hwg为单位质量液体从截面 1流到截面 2过程中的能量损耗 1 和 是指截面的同一点上的两个参数 至于 1 2上的点倒不一定都要取在同一条流线上 但一般对管流而言 计算点都取在轴心线上 把这两个点都取在两截面的轴心处 不过是为了方便 2 液流是恒定流 如不是恒定流 要加入惯性项 3 两个计算通流截面应取在平行流动或缓变流动处 但两截面之间的流动不受此限制 至于两截面间是什么流 是没有关系的 这最多影响能量损失的大小 应用伯努利方程时 应注意的几点 4 液流仅受重力作用 亦即盛液的容器没有牵连加速度的情况 5 液体不可压缩 密度在运动中保持不变 6 流量沿程不变 即没有分流 7 适当地选取基准面 一般取液平面 这时 一般等于 a 8 截面上的压力应取同一种表示法 都取相对压力 或都取绝对压力 压力小于大气压时 则表压力为负值 但用真空度表示时要写正值 如绝对压力为0 03MPa 则表压力为 0 07MPa 真空度为0 07MPa 9 不要忘记动能修正系数 2层流时 1紊流时 因为在推导伯努利方程过程中逐次加入了限制条件 因此 三 动量方程 液体作用在固体壁面上的力 用动量定理来求解比较方便 动量定理指出 作用在物体上的力的大小等于物体在力作用方向上的动量的变化率 即 根据上式进行推导 详细推导过程请参阅参考书 可得流动液体的动量方程 方程左边为作用于控制体积内液体上的所有外力的总和 而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柑流人控制表面时的动量变化率 称为稳态力 如果控制体中的液体在所研究的方向上不受其它外力 只有液体与固体壁面的相互作用力 则该二力的作用力与反作用力大小相等 方向相反 液体作用在固体壁面的作用力分别称为瞬态液动力和稳态液动力 定常流动时 故上式中只有稳态液动力 即 上述公式均为矢量表达式 在应用时可根据问题的具体要求向指定方向投影 列出该指定方向的动量方程 从而可求出作用力在该方向上的分量 然后加以合成 动量修正系数 为液体流过某截面A的实际动量与以平均流速流过截面的动量之比 当液流流速较大且分布较均 紊流 时 1 液流流速较低且分布不均匀 层流 时 1 33 第四节定常管流的压力损失计算 实际液体具有粘性 在流动时就有阻力 为了克服阻力 就必然要消耗能量 这样就有能量损失 在液压传动中 能量损失主要表现为压力损失 这就是实际液体流动的伯努利方程式项的含义 液压系统中的压力损失分为两类 一类是油液沿等直径直管流动时所产生的压力损失 称之为沿程压力损失 这类压力损失是由液体流动时的内 外摩擦力所引起的 另一类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称之为局部压力损失 一 流态 雷诺数1 层流和紊流 流体在流动时 通过雷诺实验 可以看到左图1 6所示的几种流动状态 一般将其定义为层流和紊流 在低速流动时 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 如图1 6a所示 此种流动状态称为在层流时 当流速大时 液体质点的运动杂乱无章 除了平行于管道轴线的运动外 还存在着剧烈的横向运动 此种流动状态称为紊流 如图1 6d所示 图1 6b中色线开始折断 表明层流开始破坏 图1 6c中色线上下波动 并出现断裂 表现液体流动已趋于紊流 英国物理学家雷诺通过大量实验 发现了液体在管路中流动时存在的两种流动状态 层流和紊流 雷诺实验表明 层流时液体质点互不干扰 液体沿管路轴线作线性或层状流动 紊流时液体质点相互干扰 运动杂乱无章 除了沿管路轴线运动以外还有剧烈的横向运动 实验分析表明 层流发生在液体流速较低的场合 粘性力起主导作用 压力损失主要是液体的粘性摩擦损失 紊流发生在液体流速较高的场合 惯性力起主导作用 压力损失主要是液体的动能损失 2 雷诺数实验表明 液体在圆管中的流动状态不仅与管内的平均流速 有关 还和管径 液体的运动粘度 有关 但是真正决定液流流动状态的是用这三个数所组成的一个称为雷诺数Re的无量纲数 即液体流动时的雷诺数若相同 则它的流动状态也相同 另一方面液流由层流转变为紊流时的雷诺数和由紊流转变为层流的雷诺数是不同的 前者称为上临界雷诺数 后者为下临界雷诺数 后者数值小 所以一般都用后者作为判别液流状态的依据 简称临界雷诺数Rec 见表1 8 当液流的实际流动时的雷诺数小于临界雷诺数时 液流为层流 反之液流则为紊流 常见的液流管道的临界雷诺数可由实验求得 对于非圆截面管道来说 Re可用下式来计算 式中 R为通流截面的水力半径 它等于液流的有效截面积A和它的湿周 通流截面上与液体接触的固体壁面的周长 之比 即 水力半径大小对管道通流能力影响很大 水力半径大 表明液流与管壁接触少 通流能力大 水力半径小 表明液流与管壁接触多 通流能力小 容易堵塞 面积相等但形状不同的通流截面 其水力直径是不同的 计算表明 圆形的水力直径最大 同心圆环的水力直径最小 水力直径大则通流能力强 对液体的流动阻力小 因此管路多是圆形截面 一切流动都有层流和紊流两种流动状态及相应临界雷诺数 临界雷诺数的数值由实验测定 雷诺数的物理意义是 液流的惯性作用和粘性作用之比 另外 前面提到的动能修正系数 和动量修正系数 也与液体的流动状态有关 层流时 2 4 3 紊流时 1 二 沿程压力损失 液体在等径直管中流动时产生的压力损失称为沿程压力损失 该损失与液体的流动状态有关 一 层流时的沿程压力损失 图1 8圆管层流运动分析 液体在等径水平直管中的层流流动如图2 8所示 取一段与管轴重合的微小圆柱体作为研究对象 液体作匀速运动时该微元体处于受力平衡状态 即 式中 Ff是液体内摩擦力 这里用到了牛顿液体内摩擦定律 整理上式可得 对上式进行积分 并代入边界条件 得 可见 流速在半径方向上是按抛物线规律分布的 在管道轴线上流速取最大值 4 l p R r 2 2 u 通过微元体的流量微元为 因此 圆管通流截面上的平均流速为 积分上式可得 由此可见 液体在圆管中作层流流动时 其中心处的最大流速为平均流速的两倍 即umax 2v 3 沿程压力损失 2 圆管中的流量 由上式q可得其沿程压力损失为 所以 5 5 8 0 25 2 d 22 8 7 Re 597 d 9 8 1 14 2lg d 21 25 Re 0 9 2 d 9 8 Re 595 0 11 d 9 8 Re d 22 7 8 圆管絮流时的 值 式中 为沿程阻力系数 理论值为64 Re 液压油在金属管中作层流流动时 常取75 Re 在橡胶管中取80 Re 二 紊流时的沿程压力损失紊流时计算沿程压力损失的公式在形式上与上式相同 不同的是此时的 不仅与雷诺数有关 还与管壁的粗糙度有关 即 f Re d 绝对粗糙度 与管径d的比值 d称为相对粗糙度 具体的 值见下表 注 钢管 0 004mm 铜管 0 0015 0 01mm 橡胶软管 0 03mm 铝管 0 0015 0 06mm 图1 9 对于光滑管 0 3164Re 0 25 对于粗糙管 的值可以根据不同的Re和 d从图1 9中查出 下面给出了常见管壁的绝对粗糙度 三 局部压力损失 液体流经管道的弯头 接头 突变截面 阀口和滤网等局部装置时产生的压力损失称为局部压力损失 局部压力损失的计算公式如下 式中 局部阻力系数 各种局部装置结构的 是由实验测定的 可查手册 阀类元件局部压力损失可按下式计算 式中 pn 阀在额定流量qn下的压力损失 qn 阀的额定流量 q 阀的实际流量 至此 管路系统总的压力损失为 在管路系统的压力损失中 液体的流速影响最大 流速高压力损失会增大很多 但流速太低会增加管路和阀类元件的尺寸 合理选择液体在管路中的流速是液压系统设计中一个重要问题 p p p s 第五节孔口和缝隙流量 一 孔口液流特性在液压系统的管路中 装有截面突然收缩的装置 称为节流装置 如节流阀 突然收缩处的流动叫节流 一般均采用各种形式的孔口来实现节流 由前述内容可知 液体流经孔口时要产生局部压力损失 使系统发热 油液粘度下降 系统的泄漏增加 这是不利的一方面 在液压传动及控制中要人为地制造这种节流装置来实现对流量和压力的控制 1 流经薄壁小孔的流量 当小孔的通流长度与孔径之比l d 0 5时称之为薄壁小孔 如图1 10所示 图1 10 对孔前通道断面1 1和收缩断面2 2之间的液体列出伯努力方程 p1 u1 2 2 p2 2 2 u2 2 2 u2 由于D d v1 v2 故v1可以忽略不计 上式整理后得 式中 为速度系数 由此可求得液流通过薄壁小孔的流量 式中Cd CvCc为小孔流量系数 Cd和Cc一般由试验求得 通常D d较大 一般在7以上 液流为完全收缩 液流在小孔处呈絮流状态 雷诺数较大 薄壁小孔的收缩系数Cc取0 61 0 63 速度系数Cv取0 97 0 98 这时Cd 0 61 0 62 当不完全收缩时 Cd 0 7 0 8 2 流经细长小孔的流量计算所谓细长小孔 一般指小孔的长径比l d 4时的情况 其流量公式为 孔口的长径比0 5 l d 4时为短孔 短孔的流量公式仍为薄壁小孔公式 只是流量系数Cq应从图2 15中查出 当dRe l 10000时 可取Cq 0 82 短孔的工艺性好 在固定节流器中常用 孔口的长径比l d 4时为细长孔 细长孔中多为层流 流量公式可用前面推出的圆管流量公式 即 细长孔的流量总是与液体粘度有关的 二 缝隙液流特性液压系统是由一些元件 管接头和管道组成的 每一部分都是由一些零件组成的 在这些零件之间 通常需要有一定的配合间隙 由此带来了泄漏现象 同时液压油也总是从压力 较高处流向系统中压力较低处或大气中 前者称为内泄漏 后者称为外泄漏 一 平行平板的间隙流动如图1 12所示 平板长为l 宽为 两平行平板间的间隙为 且l 液体不可压缩 质量力可忽略不计 粘度为常数 则在流动液体中取一微小单元体dxdy 作用在它与液流相垂直的两个表面上的压力为p和p dp 作用在它与液流相平行的 图1 12平板缝隙间的液体流动 两个表面上的单位面积摩擦力为 和 d 因此它受力平衡方程为 pdy d dx p dp dy dx 经整理并将 du dy代入后得 du dy 2 2 1 dp dx 1 固定平行平板间隙流动 压差流动 上 下两平板均固定不动 液体在间隙两端的压差作用下而在间隙中流动 称为压差流动 当y 0时 u 0 当y h时 u 0 将此边界条件代入上式可得 对上式两次积分可得 2 1 dp dx y 2 u C1y C2 式中C1 C2为边界条件所确定的积分常数 下面分两种情况讨论 2 h C1 dp dx C2 0 所以 于是有 u 2 1 h y y dp dx 因为 dp dx p2 p1 p1 p2 l l p l 代入流速及流量公式得 从以上两式可以看出 在间隙中的速度分布规律呈抛物线状 通过间隙的流量与间隙的三次方成正比 因此必须严格控制间隙量 以减少泄露 2 两平行平板有相对运动时的间隙流动 1 两平行平板有相对运动速度u 但无压差这种流动称为纯剪切流动 2 两平行平板既有相对运动 两端又存在压差时的流动这是一种普遍情况 其速度和流量是以上两种情况的线性叠加 即 其边界条件为 当y 0时 u 0 当y h时 u v 且dp dx 0 由C1 v h C2 0 所以有 二 圆环缝隙流量在液压缸的活塞和缸筒之间 在液压阀的阀心和阀套之间都存在圆环缝隙 下面分两种情况讨论 图1 13同心圆环缝隙液流 1 同心圆环缝隙流量同心圆环缝隙的结构和液体流动情况如图1 13所示 如果将圆环缝隙沿圆周方向展开 就相当于一个平行平板缝隙 2 偏心圆环缝隙流量偏心圆环缝隙的结构如图2 14所示 此时的流量公式为 图1 14偏心圆环缝隙液流 式中 h 内外圆同心时的缝隙值 相对偏心率 e h e为偏心距 由此可见 当 0时 它就是同心圆环缝隙的流量公式 当 1时 偏心圆环缝隙的流量比同心圆环缝隙流量大了许多 可见 较高的同心度可以减小泄漏量 三 圆环平面缝隙流量 图1 15园环平面缝隙间液流 圆环平面缝隙结构和液体的流动情况如图1 15所示 圆环与平面缝隙之间没有相对运动 令uo 0 在半径为r 距离下平面z处的径向速度为 通过的流量 上式对r积分 并代入边界条件 得圆环平面缝隙的流量公式为 第六节空穴现象和液压冲击 在液压系统中 空穴现象和液压冲击给系统带来诸多不利影响 因此需要了解这些现象产生的原因 并采取措施加以防治 流动的液体 如果压力低于其空气分离压时 原先溶解在液体中的空气就会分离出来 从而导致液体中充满大量的气泡 这种现象称为空穴现象 如图2 24 动画 所示 如果液体的压力进一步降低 低到饱和蒸气压时 液体本身将汽化 产生更多的蒸气泡 空穴现象将更加严重 空穴多发生在阀口和液压泵的入口处 因为阀口处液体的流速增大 压力将降低 如果液压泵吸油管太细 也会造成真空度过大 发生空穴现象 空穴现象会引起流量的不连续和压力波 空穴现象 动 空气中的游离氧对液压元件有很大的腐蚀 气蚀 作用 为减少空穴现象带来的危害 通常采取下列措施 1减小孔口或缝隙前后的压力降 一般希望相应的压力比p1 p2 3 5 2降低液压泵的吸油高度 适当加大吸油管直径 对于自吸能力差的液压泵要安装辅助泵供油 3管路要有良好的密封 防止空气进入 液压冲击 在液压系统中 由于某种原因使液体压力突然产生很高的峰值 这种现象称为液压冲击 发生液压冲击时 由于瞬间的压力峰值比正常的工作压力大好几倍 因此对密封元件 管道和液压元件都有损坏作用 还会引起设备振动 产生很大的噪声 液压冲击经常使压力继电器 顺序阀等元件产生误动作 液压冲击的产生多发生在阀门突然关闭或运动部件快速制动的场合 这时液体的流动突然受阻 液体的动量发生了变化 从而产生了压力冲击波 这种冲击波迅速往复传播 最后由于液体受到摩擦力作用而衰减 如动画所示为液压缸制动时由于惯性而产生的冲击 现将减小压力冲击的措施归纳如下 尽量延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间 在冲击区附近安装卸荷阀 蓄能器等缓冲装置正确设计阀口 限制管道流速及运动部件速度 使运动部件制动时速度变化比较平稳 如果换向精度要求不高 可使液压缸两腔油路在换向阀回到中位时瞬时互通 压力冲击值的近似计算 如果系统的正常工作压力为p 发生液压冲击时产生的压力冲击值为 p 那么此时系统中的压力pmax p p 由于液压冲击是一种非定常流动 动态过程非常复杂 精确计算压力冲击值是困难的 下面给出两种压力冲击值的近似计算公式 1 管道阀门关闭时的压力冲击值设产生压力冲击的管道长度为l 压力冲击波第一波在l长度内的传播时间为t1 液体的密度为 管道中液体的流速为v 阀门关闭后的流速为v1 根据动量方程有式中 c l t1 是压力波在管中的传播速度 其值在900 1400m s之间 2 运动部件制动时的压力冲击值设总质量为 m的运动部件在制动时的减速时间为 t 速度减小值为 v 液压缸有效面积为A 根据动量定理有上式忽略了阻尼和泄漏等因素的影响 计算结果偏大 比较安全 第二章液压动力元件 动力元件起着向系统提供动力源的作用 是系统不可缺少的核心元件 液压系统是以液压泵作为向系统提供一定的流量和压力的动力元件 液压泵将原动机 电动机或内燃机 输出的机械能转换为工作液体的压力能 是一种能量转换装置 第一节液压泵概述第二节齿轮泵第三节叶片泵第四节柱塞泵第五节液压泵的噪声第六节液压泵的选用 第一节液压泵概述 一 液压泵的工作原理及特点1 液压泵的工作原理液压泵是靠密封容腔容积的变化来工作的 右图 动画 是液压泵的工作原理图 当凸轮1由原动机带动旋转时 柱塞2便在凸轮1和弹簧4的作用下在缸体3内往复运动 柱塞右移时 缸体中密封工作腔a的容积变大 产生真空 油箱中的油液便在大气压力作用下通过吸油单向阀5吸入缸体内 实现吸油 柱塞左移时 缸体中密封工作单柱塞式液压泵工作原理动画腔a的容量变小 油液受挤压 便通过1 凸轮 2 柱塞 3 泵体压油单向阀6输送到系统中去 实现压4 弹簧 5 6 单向阀油如果偏心轮不断地旋转 液压泵就会不断地完成吸油和压油动作 因此就会连续不断地液压系统供油 2 液压泵的特点 从上述液压泵的工作过程可以看出 其基本特点是 1 具有若干密封而又可以周期性变化的的空间液压泵的输出流量与此空间的容积变化量和单位时间内的变化次数成正比 与其它因素无关 2 油箱内液体的绝对压力必须恒等于或大于大气压力这是容积式液压泵能够吸入油液的外部条件 因此 为保证液压泵正常吸油 油箱必须与大气相通 或采用封闭的充压油箱 3 具有相应的配流机构将吸液腔和排液腔隔开 保证液压泵有规律地连续吸排液体 液压泵地结构原理不同 其配流机构也不相同 二 液压泵的主要性能参数 1 压力 1 工作压力指液压泵出口处的实际压力值 工作压力值取决于液压泵输出到系统中的液体在流动过程中所受的阻力 2 额定压力指液压泵在连续工作过程中允许达到的最高压力 额定压力值的大小由液压泵零部件的结构强度和密封性来决定 3 最高允许压力指在超过额定压力的条件下 根据试验标准规定 允许液压泵短暂运行的最高压力值 2 排量和流量 1 排量V指在无泄漏情况下 液压泵转一转所能排出的油液体积 可见 排量的大小只与液压泵中密封工作容腔的几何尺寸和个数有关 2 理论流量qt指在无泄漏情况下 液压泵单位时间内输出的油液体积 其值等于泵的排量V和泵轴转数n的乘积 即qt Vn 2 1 3 实际流量q指单位时间内液压泵实际输出油液体积 由于工作过程泵的出口压力不等于零 因而存在内部泄漏量q1 使得泵的实际流量小于泵的理论流量 即q qt q1 2 2 4 额定流量qn泵在额定转数和额定压力下输出的实际流量 3 功率和效率 1 液压泵功率损失液压泵的功率损失有容积损失和机械损失两部分 1 容积损失主要是液压泵内部泄漏造成的流量损失 容积损失的大小用容积效率表征 即 2 3 式中取泄漏量 q klp 这是因为液压泵工作构件之间的间隙很小 泄漏液体的流动状态可以看作是层流 即泄漏量和泵的工作压力p成正比 Kl是液压泵的泄漏系数 2 机械损失指液压泵内流体粘性和机械摩擦造成的转矩损失 机械损失的大小用机械效率表征 即 2 5 2 液压泵的功率 1 输入功率Pi驱动液压泵的机械功率 由电动机或柴油机给出 即 2 6 2 输出功率po液压泵输出的液压功率 即泵的实际流量q与泵的进 出口压差 p的乘积 2 7 在实际的计算中 若油箱通大气 液压泵吸 压油口的压力差 p往往用液压泵出口压力p代入 3 液压泵的总效率 液压泵的总效率是泵的输出功率与输入功率之比 即 2 9 液压泵的总效率 容积效率和机械效率可以通过实验测得 下图给出了某液压泵的性能曲线 第二节齿轮泵 齿轮泵是一种常用的液压泵 其主要特点是 1 抗油液污染能力强 体积小 价格低廉 2 内部泄漏比较大 噪声大 流量脉动大 排量不能调节 上述特点使得齿轮泵通常被用于工作环境比较恶劣的各种低压 中压系统中 齿轮泵中齿轮的齿形以渐开线为多 在结构上可分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵 外啮合齿轮泵应用广泛 一 外啮合齿轮泵 一 外啮合齿轮泵的工作原理右图 动画 是外啮合齿轮泵的工作原理图 由于齿轮端面与壳体端盖之间的缝隙很小 齿轮齿顶与壳体内表面的间隙也很小 因此可以看成将齿轮泵壳体内分隔成左 右两个密封容腔 当齿轮按图示方向旋转时 右侧的齿轮逐渐脱离啮合 因此这一侧的密封容腔的体积逐渐增大 形成局部真空 油箱中的油液在大气压力的作用下经泵的吸油口进入这个腔体 因此这个容腔称为吸油腔 随着齿轮的转动 每1 壳体 2 主动齿轮 个齿间中的油液从右侧被带到了左侧 在3 从动轮左侧的密封容腔中 轮齿逐渐进入啮合 使左侧密封容腔的体积逐渐减小 把齿间的油液从压油口挤压输出的容腔称为压油腔 当齿轮泵不断地旋转时 齿轮泵的吸 压油口不断地吸油和压油 实现了向液压系统输送油液的过程 在齿轮泵中 吸油区和压油区由相互啮合的轮齿和泵体分隔开来 因此没有单独的配油机构 二 外啮合齿轮泵的排量和流量计算 1 排量V排量是液压泵每转一周所排出的液体体积 这里近似等于两个齿轮的齿间容积之和 设齿间容积等于齿轮体积 则有 2 11 式中 D 齿轮节圆直径 h 齿轮齿高 B 齿轮齿宽 Z 齿轮齿数 m 齿轮模数 由于齿间容积比轮齿的体积稍大 所以通常修正为 2 12 2 流量q 当驱动齿轮泵的原动机转速为n时 齿轮泵的理论流量为qt vn 2 13 齿轮泵的实际输出流量为 2 14 式中 pv 齿轮泵的容积效率 式 2 14 中的q是齿轮泵的平均流量 实际上 在齿轮啮合过程齿轮泵的瞬时流量是脉动变化的 设qmax和qmin分别表示齿轮泵的最大 最小瞬时流量 则流量脉动率 q为 2 15 三 外啮合齿轮泵的结构特点和优缺点 外啮合齿轮泵的泄漏 困油和径向液压力不平衡是影响齿轮泵性能指标和寿命的三大问题 各种不同齿轮泵的结构特点之所以不同 都采用了不同结构措施来解决这三大问题所致 1 泄漏 这里所说的泄漏是指液压泵的内部泄漏 即一部分液压油从压油腔流回吸油腔 没有输