液压与气压传动-01.ppt

ysu 2010 欢迎使用 液压与气压传动 多媒体授课系统 燕山大学 液压与气压传动 课程组内容编辑 姚春东 高殿荣设计制作 姚春东 ysu 2010 第一章液压传动基础知识 第一节流体静力学第二节流体动力学第三节定常管流的压力损失计算第四节孔口和缝隙流动第五节空穴现象 ysu 2010 第一节流体静力学 液体静力学主要是讨论液体静止时的平衡规律以及这些规律的应用 一 液体静压力及其特征液体的压力p是指液体在单位面积上所受的作用力 设液体在面积f上所受的作用力为P 则有 两个主要特征 1 液体静压力的方向 总是沿着作用面的内法线方向 2 静止液体内任一点的液体静压力在各个方向上都相等 ysu 2010 二 液体静压力基本方程 1 静压力基本方程图示容器中液面上的压力为大气压力p0 液面下深度为h处的一点B的压力pB为pB A p0 A g h A即pB p0 g h由此可知 1 静止液体内任一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 当液面上只受大气压力pa作用时 点B处的静压力为 pB pa g h 2 同一容器中同一液体内的静压力随深度h的增加而线性增加 p0 A g h A pB A 3 连通器内同一液体中深度h相同的各处压力都相等 由压力相等的点组成的面称为等压面 在重力作用下静止液体中的等压面是一个水平面 ysu 2010 2 静压力基本方程式的物理意义 由p p0 g h可得h p p0 g静止液体中 液体的能量可以用压力能p表示 也可以用液柱高h表示 但各点的总能量保持不变 例如 1kg cm2 一个工程大气压 相当于10m水柱高 760mm水银柱高 ysu 2010 三 压力的表示方法及单位 绝对压力 相对压力 大气压力真空度 大气压力 绝对压力压力的单位 帕斯卡Pa1Pa 1N m21MPa 106Pa 10kg cm2 工程大气压力 四 帕斯卡原理应用 水压机 液压千斤顶等 相对压力 负 真空度 绝对压力 相对压力 正 绝对压力 p pa 绝对真空 大气压力pa P pa 绝对压力 相对压力和真空度 ysu 2010 五 液体静压力 液体作用在固体壁面上的静压力F由下式计算 F p AA D2 4 图a A d2 4 图b c 图3液压力作用在固体壁面上的力 ysu 2010 第二节液体动力学 本节主要讨论作用在流体上的力以及这些力和流体运动特征之间的关系 一 基本概念1 理想液体 定常流动和一维流动理想液体 既无粘性又不可压缩的液体 定常流动 稳定流动 是指流体中任意一点的压力 速度和密度都不随时间而变化的流动 若三者中有一项随时间而变化 就称为不稳定流动 一维流动 是指流体中任意一点的压力 速度和密度都只随x而变化的流动 ysu 2010 2 迹线 流线 流束和通流截面 流束 如果通过某截面A上所有各点画出流线 这些流线的集合构成流束 流线 是某一瞬时液流中一条条标志其质点运动状态的曲线 在流线上各点处的瞬时液流方向与该点的切线方向重合 ysu 2010 3 流量与平均流速 流量 单位时间内通过某截面的液体的体积 m3 s 或 L min 平均流速v q A 二 连续性方程质量守恒 u1dA1dt u2dA2dt密度 不变 时间dt不变 则流量相同 用平均速度表示q v1A1 v2A2 vA 常数 ysu 2010 物理意义 1 速度可传递 2 速度方向可改变 3 速度大小可无级调节 ysu 2010 三 伯努利方程 1 理想液体的伯努利方程 物理意义 理想液体在实际流动过程中 其压力能 位能和动能可相互转化 但总能量不变 2 实际液体总流的伯努利方程 实际液体是有粘性和可压缩的 它在运动时由于摩擦要损耗一部分能量 这部分能量损耗用损失水头hW表示 goto ysu 2010 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 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 ysu 2010 一 流态 雷诺数 1 层流和紊流流体在流动时 通过雷诺实验 可以看到下图所示的几种流动状态 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a所示 此种流动状态称为层流 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d所示 图b中色线开始折断 表明层流开始破坏 图c中色线上下波动 并出现断裂 表现液体流动已趋于紊流 此两种状态称为变流 一般也将其看成紊流 ysu 2010 层流时 液体流速较低 质点受粘性制约 不能随意运动 粘性力起主导作用 但在紊流时 因液体流速较高 粘性的制约作用减弱 因而惯性力起主导作用 液体流动时究竟是层流还紊流 须用雷诺数来判别 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v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 液流由紊流转变为层流的雷诺数称为下临界雷诺数 一般都用下临界雷诺数作为判别液流状态的依据 简称临界雷诺数 当液流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 ysu 2010 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 x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 ysu 2010 二 液体在直管道中的压力损失 液体在直管道中流动的压力损失称为沿程压力损失 它与管道的长度 内径和液体的流速 粘度以及液体的流动状态有关 一 液体在通流截面上的速度分布规律 积分得 ysu 2010 边界条件 液体在通流截面上的速度分布规律为二次曲线 ysu 2010 2 圆管中的流量 ysu 2010 3 沿程压力损失 ysu 2010 二 紊流时的压力损失 视雷诺数大小取值不同 三 局部压力损失 局部阻力损失系数 由弯管及阀门结构不同查表 四 管路系统中的总压力损失与压力效率 ysu 2010 第五节孔口和缝隙流动 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 在液压传动及控制中常人为地制造各种形式的孔口节流装置来实现对流量和压力的控制 1 薄壁小孔的流量公式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 如图所示 式中 Cd 流量系数 A0 小孔过流面积 A0 d2 4 p 为小孔前后压差 流量系数Cd一般由实验确定 在液流完全收缩的情况下 Cd 0 60 0 62 当液流为不完全收缩时 Cd 0 7 0 8 ysu 2010 2 液流流经细长孔和短孔的流量 液体流经细长小孔时 一般都是层流状态 所以可直接应用前面已导出的直管流量公式来计算 当孔口直径为d 截面积为A d2 4时 可写成 为了分析问题方便起见 将上面两式一并用下式表示 即 式中 m 为指数 当孔口为薄壁小孔时 m 0 5 当孔口为细长孔时 m 1K 为孔口的通流系数 当孔口为薄壁孔时 K Cd 2 0 5 当孔口为细长孔时 K d2 32 l 液流流经短孔的流量仍可用薄壁小孔的流量计算式 q CdA 2 p m 但其中的流量系数可在有关液压设计手册中查得 0 5 m 1 短孔加工比薄壁小孔容易 故常用作固定的节流器使用 ysu 2010 二 缝隙液流特性 液压元件内各零件间有相对运动 必须要有适当间隙 间隙过大 会造成泄漏 间隙过小 会使零件卡死 如图所示的泄漏是由压差和间隙造成的 内泄漏的损失转换为热能 使油温升高 外泄漏污染环境 两者均影响系统的性能与效率 因此 研究液体流经间隙的泄漏量 压差与间隙量之间的关系 对提高元件性能及保证系统正常工作是必要的 内泄漏与外泄漏 ysu 2010 一 平行平板的间隙流动 液体流经平行平板间隙的一般情况是既受压差 p p1 p2的作用 同时又受到平行平板间相对运动的作用 如图示 设平板长为l 宽为b 两平行平板间的间隙为h 且l h b h 液体不可压缩 质量力忽略不计 粘度不变 在液体中取一个微元体dxdy 宽度方向取单位长 作用在它与液流相垂直的两个表面上的压力为p和p dp 作用在与液流相平行的上下两个表面上的切应力为 和 d 因此它的受力平衡方程为 ysu 2010 1 固定平行平板间隙流动 压差流动 的漏失量 上 下两平板均固定不动 液体在间隙两端的压差的作用下而在间隙中流动 称为压差流动 其漏失量为 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 其漏失量公式为 A ysu 2010 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 漏失量 速度 当长平板相对于短平板的运动方向和压差与流动方向一致时 取 号 泵缸 反之取 号 液缸 马达 损失能量 结论 间隙h越小 泄漏功率损失也越小 但是h的减小会使液压元件中的摩擦功率损失增大 因而间隙h有一个使这两种功率损失之和达到最小的最佳值 并不是越小越好 ysu 2010 二 圆柱环形间隙流动 当h r 1时 可以将环形间隙间的流动近似地看作是平行平板间隙间的流动 只要将b d代入平行平板间隙漏失量公式 就可得到这种情况下的流量 即 液压元件中液压缸缸体与活塞之间的间隙 阀体与滑阀阀芯之间的间隙中的流动均属这种情况 1 同心环形间隙在压差作用下的流动 当长圆柱表面相对短圆柱表面的运动方向与压差流动方向一致时取 号 反之取 号 ysu 2010 2 偏心环形间隙在压差作用下的流动 由此式可见完全偏心时 1 即最大偏心e h0时 其流量为同心时流量的2 5倍 这说明了偏心对泄漏量的影响 所以对液压元件的同心度应有适当要求 液压元件中经常出现偏心环状的情况 例如油缸活塞与缸筒不同心时就形成了偏向环状间隙 下图表示了偏心环状间隙的简图 令R r h0 同心时半径间隙量 e h0 相对偏心率 则有 ysu 2010 3 内外圆柱表面有相对运动且又存在压差的流动 式中等号右边第一项为压差流动的流量 第二项为纯剪切流动的泄漏 当长圆柱表面相对短圆柱表面的运动方向与压差流动方向一致时取 号 反之取 号 ysu 2010 第六节空穴现象 在液压系统中 由于某种原因会产生低气压 当压力低于液体的空气分离压时 液体中溶解的空气就会分离出来 以气泡的形式存在于液体中 使原来充满管道的液体出现了气体的空穴 这种现象称为空穴现象 另外 当绝对压力低于液体的饱和蒸气压时 液体中会出现大量的蒸气泡 这也称空穴现象 空穴现象使液压装置产生噪声和振动 使金属表面受到腐蚀 ysu 2010 节流口处的气穴现象 气蚀 管道中低压区发生空穴现象时 低压区 气泡随着液流进入高压区后 随即急剧溃灭或急剧缩小 原来气泡所占的空间形成了真空 四周液体质点将以极大的速度冲向溃灭或压缩气泡中心 产生局部冲击现象 形成高压 高温 使金属剥落 表面形成麻点或出现小坑 这种因空穴现象而加剧金属表面腐蚀的现象 称为气蚀 汽蚀动画 空穴现象发生在液流的低压区 气蚀现象发生在高压区 ysu 2010 第七节液压冲击 汽蚀动画 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 液压冲击的压力峰值往往比正常工作压力高好几倍 且常伴有巨大的振动和噪声 使液压系统产生温升 并使某些液压元件 如压力继电器 液压控制阀等 产生误动作 导致设备损坏 1 液压冲击的类型 1 阀门突然打开或关闭 及系统中某些元件反应的滞后 使液流突然停止运动而产生的液压冲击 2 运动部件突然启动或停止 因其惯性使液压缸和相连管道中压力产生急剧变化而形成压力波 会产生液压冲击 ysu 2010