系统建模与动力学分析-液压系统.ppt

液压缸 将液压能转变为机械能的 做直线往复运动 或摆动运动 的液压执行元件 根据常用液压缸的结构形式 可将其分为四种类型 1 活塞式 其两端进出口油口A和B都可通压力油或回油 以实现活塞的双向运动 故又称为双作用缸 单活塞杆液压缸 左图 只有一端有活塞杆 活塞左边面积较大 当流体压力作用在左边时 提供一慢速的 更大作用力的工作行程 而活塞右边面积较小 返回行程较快 双活塞杆液压缸 右图 在两个方向上具有相等的作用力 2 柱塞式 是一种单作用式液压缸 靠液压力只能实现一个方向的运动 柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重 3 伸缩式 伸缩式液压缸具有二级或多级活塞 伸缩式液压缸中活塞伸出的顺序式从大到小 而空载缩回的顺序则一般是从小到大 伸缩缸可实现较长的行程 而缩回时长度较短 结构较为紧凑 此种液压缸常用于工程机械和农业机械上 4 摆动式 摆动式液压缸是输出扭矩并实现往复运动的执行元件 也称摆动式液压马达 有单叶片和双叶片两种形式 定子块固定在缸体上 而叶片和转子连接在一起 根据进油方向 叶片将带动转子作往复摆动 结构 叶片 缸体 输出轴 单叶片式 双叶片式 旋转式液压马达 又包括柱塞马达 叶片马达和齿轮马达 许多液压泵只要作小量的改变或根本不需要改变就可以用作马达 1 轴向柱塞马达结构 2 工作原理 输入的高压油通过柱塞作用在斜盘上 斜盘给柱塞的反作用力的径向分力 使缸体产生转矩 通过输出轴带动负载做功 平行于圆盘的力作用在轴上的扭矩 改变供油方向 马达反转 双向马达改变斜盘倾角 排量变 转速变 变量马达3 应用 高转速 较大扭矩的场合 2 径向柱塞马达结构 2 径向柱塞马达工作原理在径向柱塞马达中 压力液体进入缸体中的一半 沿液压缸体的轴线推动每个柱塞 这些柱塞的径向移动 一直到旋转至定子轮廓距配油轴最远的点为止 这样 径向推动柱塞而产生缸体和柱塞旋转 2 齿轮马达工作原理 与齿轮泵正好相反 两个齿轮都是被动的 但只有一个是与输出轴相连接的 液压流体从泵进入工作腔A 并在两个方向上沿壳体内表面流到工作腔B 迫使齿轮旋转 通过这种旋转运动可得到对输出轴作功 液压控制阀 是用机械运动来控制液压马达液流的方向 可分为如下四种类型 1 滑阀 一般根据流入和流出此阀的通道数来分类 例如 四通柱塞阀的工作原理阀芯可以在两个方向移动如果阀芯移动到右边 B口与压力口P接通 A口与回油口接通 动力 或马达 活塞移向左 如果阀芯移动到左边 A口与压力口P接通 B口与回油口接通 动力 或马达 活塞移向右 三通阀 用改变作用在不等面积动力活塞一边的压力 来达到改变运动方向的目的 2 挡板阀 也称喷嘴 挡板阀 一个挡板放在两个相对的喷嘴之间 如果挡板向右微小移动 在喷嘴中产生压力不平衡 动力活塞移向左 等等 挡板阀常在液压伺服系统中作为两级伺服阀中的第一级使用 目的是以提供必要的相对较大的力以移动第二级滑阀 3 射流管阀 液压流体自射流管喷射出来 如果射流管自中间位置移动到右边 动力活塞移向左 图4 15 射流管阀由于零位泄漏量大 响应慢和特性无法预测 因此不像挡板阀用的多 主要优点是对脏的流体不敏感 提升阀 基本上是二通阀 典型的提升阀可以在单向阀和溢流阀中找到 单向阀 一个单通道方向阀 允许液体在一个方向上流动且能控制液体流量的大小 而在反方向上的流动是受到阻碍的 单向阀工作原理 溢流阀 作用是保护装置 防止回路元件过载或限制液压马达的作用力 溢流阀的工作原理 当进口压力超过弹簧力时 阀被推离阀座 流体从压力管道通过阀而流回油箱 当压力下降到低于弹簧力时 阀恢复原位 流动停止 当阀强迫离开阀座 并且流体开始流动时的压力称为开启压力 全流量时的压力比开启压力大 压力增大导致通过溢流阀的流量增大 称此为压力增量 液压系统的优缺点优点1 液压流体具有润滑剂的作用 还能够进行热量传递 2 尺寸较小的液压马达能够产生出大的力和力矩 3 液压马达对于启动 停止和转速转换具有高的速度响应 4 液压马达可在连续的 间断的 倒转和停车的情况下操作而不致损坏 5 直线和旋转式液压马达可以设计成柔性的 6 液压马达泄漏小 载荷作用时的速度降落小 缺点 pp176 油击现象 pp176 由于瞬时关闭管路一端的阀 而使油或水在管路中的流动突然停止 由此肯能引起一间断的压力脉冲 从而引起一系列的冲击 其声音好像是锤击一样 它与流体介质有关 例如 自来水管系统 空穴现象 pp177 在流体的快速流动中汽化和气泡随即破灭的过程称为空穴现象 它会产生噪音和振动 降低效率 损坏流道等 例如 离心式泵 液压流体的性质 密度 物质的质量密度是单位体积的质量 单位是kg m3 比容 比容是密度的倒数 它是流体单位质量所占的容积 比重和比重力 物质的比重力是其单位体积的重量 单位是N m3 比重力和质量密度的关系是 物质的比重是它的重量与在标准大气压力和温度下相等体积的水的重量之比 液压流体的性质 流体的密度是压力和温度的函数 它可以写成 其中分别是密度 压力和温度 假定当压力是 温度是时的流体密度是 a和b的值是正的 因此流体质量密度随压力增大而增大 随温度增大而减小 系数a和b分别称为是可压缩性模量和体积的膨胀系数 液压流体的性质 可压缩性和体积模量流体的可压缩性是由其体积模量来表示 流体的体积模量和可压缩性模量是互为倒数的 如果体积为V的流体增加压力dp 它将引起体积下降dV 其体积模量的定义为注意是dV负的 所以 dV是正的 由于所有液压流体将与空气在一定的范围内混合 所以用实验测定体积模量时 任何给定流体的体积模量的值是与流体中所含有的空气量有关 粘度 粘度是液压流体最重要的性质 是流体在流动中的内摩擦或阻力的一种度量 粘度的物理本质是分子间的引力和分子热运动 碰撞 低粘度表示泄漏损失增大 而高粘度意味着低灵敏度的操作 在液压系统中可容许的粘度是由泵 马达 和阀以及周围的和操作温度的工作特性所限制 流体的粘度随温度升高而减小 粘度是用观察一定体积的流体在一定的水头下通过有相同孔径的短管所需要的时间来测定 例如一个毛细管式粘度计 由流体中的各部分相对运动而产生的阻力称为动力粘度或绝对粘度 它是流体的剪切应力与剪切变形之比 动力粘度或绝对粘度系数是流体薄层在平行于薄层方向运动 对另一距它为单位距离的流体薄层 具有单位相对速度时所产生的阻力 动力粘度的单位 SI制 N s m2或kg m s cgs制 dyn s cm2或g cm s泊 p 运动粘度是动力粘度除以质量密度 运动粘度的单位 SI制 m2 s cgs制 cm2 s沲 St 关于液压流体的几个要点1 水 天然油和植物或动物油不用作液压流体 因为它们缺乏适当的润滑和抗氧化能力 并会引起腐蚀 起泡沫等等 2 液压流体的工作寿命与它抗氧化能力有关 由于任何流体都与空气有一定量的混合 当温度在70度以上 氧化加速 因此高质量的流体一般含有抗氧化剂以减慢氧化 3 当在高温工作时 流体重要的性质是润滑性 粘性 热稳定性 重量和体积模量 4 对于安排在高温源的液压系统 将使用耐火的流体 流体流动的基本定律 雷诺数作用在流动流体上的力是由重力 浮力 流体惯性 粘性 表面张力及其他类似的因素所产生 在多数的流动情况中 由流体惯性和粘性所引起的力最重要 它基本支配了流体的流动 惯性力与粘性力的无量纲之比称为雷诺数 大的雷诺数表示由惯性力支配 而小的雷诺数是由粘性所支配 流体流动的基本定律 雷诺数R由下式给出 其中 流体质量密度 动力粘度 流动的平均速度 特征长度对于在管中的流动 特征长度是管子的内径 平均流动速度是Q 体积流量A 管子截面积D 管子内径 流体流动的基本定律 最终 在管子中流动的雷诺数由下式给出小结 雷诺数是一个表征流体的粘性特性的一个参数 雷诺数越大 该流体的粘质性就越小 粘质性越小的流体就越容易流动 没有粘质性的流体就是所谓的超流 它的雷诺数趋于无穷大 超流现象举例 当液氦 指4He 的温度降到2 17K时 液氦从原来的正常流体突然转变为 超流体 流体流动的基本定律 层流和紊流由粘性力决定的流动称为层流 其特征是光滑 平行的流体直线运动 当由惯性力支配时 流动称为紊流 或涡流 其特征是不规则的类似漩涡的流体运动 雷诺数低于2000 流动总是层流 雷诺数大于4000 流动除特殊情况外一般是紊流 一般 如果管路横截面积比较小和 或 管道长度比较长 则流动是层流 否则就产生紊流 层流对温度是敏感的 因为它与粘性有关 流体流动的基本定律 层流是一种缓慢流动的流体 流体质点作有条不紊的平行的线状运动 彼此不相掺混 对于层流 在管中速度分布为抛物线形 紊流是一种充满了漩涡的急湍流动的流体 流体质点的运动轨迹极不规则 其流速大小和流动方向随时间而变化 彼此互相掺混 紊流的搬运能力要强于层流 并且紊流还有漩涡扬举作用 这是可使沉积物呈悬浮搬运的主要因素 流体流动的基本定律 牛顿流体和非牛顿流体从流体力学的性质来说 凡服从牛顿内摩擦定律的流体称做牛顿流体 否则称非牛顿流体 牛顿内摩擦定律牵引流就属牛顿流体 沉积物重力流属非牛顿流体 牛顿流体和非牛顿流体对碎屑物质搬运和沉积作用的机制是不相同的 流体流动的基本定律 流线 流体流过所划下的连续线 其上各点具有速度向量的方向 因此在垂直于流线的方向上无流动 流管 是所有通过封闭曲线的流线所构成的管子 由于速度向量在垂直于管表面上无分量 因此没有穿过流管壁的流动 稳定流动 如果流体中的压力 速度 密度 温度及类似的因素在任何点都与时间无关 此流动称为是稳定流动 流体流动的基本定律 在稳定流动中 空间中任意点保持为常数 其中 压力 速度向量 密度 温度如果在每一点的条件是随时间而变的 此流动称为不稳定的 控制体积 是指在空间中的某个范围 控制体积的大小和形状一般是选择得便于分析 流体流动的基本定律 采用控制体积是为了便于对发生在空间流进和流出的情况进行分析 连续性方程 是应用质量守恒原理于流动中而求得的 此原理是说明系统中的质量相对于时间而言保持为常数 对于控制体积的连续性方程说明控制体积内单位时间质量增大率等于纯流入控制体积中的质量流率 流体流动的基本定律 对上图应用能量守恒定律可得应用在稳定流动中沿流管两截面的连续性方程 若在横截面A1和A2上的平均密度分别是和 平均速度是V1和V2 于是定义流量Q1和Q2为连续性方程又可写为 流体流动的基本定律 对于不可压稳定流动 有 因此这表示流体在管中的流量在任何横截面上保持为常数 欧拉运动方程 研究无限小长度ds的流管和由流管在截面1和截面2之间的壁加上垂直于流管的两端截面所组成的控制体积 假设粘度是零或流体是无摩擦的 流体流动的基本定律 控制体积内流体的质量 该质量的加速度 截面1沿s正方向的压力 截面2沿s负方向的压力 应用牛顿第二定律 其中作用在控制体边上的力垂直于s 在方程中不出现 流体流动的基本定律 一般 速度v与s及t有关 或v v s t 因此根据上两式可得由于 其中z是垂直位移 最终可得欧拉运动方程式 流体流动的基本定律 对于稳定流体 且v只是s的函数 故上式可简化为稳定流动的欧拉运动方程 伯努利方程对于稳定 无摩擦 即流体的粘性可以忽略 不可压缩流动 上式可以积分得此方程是对于稳定流动通过控制体积的能量方程式 流体流动的基本定律 上式两边除以g 可得伯努利方程式 上式中每一项都有长度量纲 沿一流管速度能头 压力能头 势能头三者之和是常数 即在任何界面上的总能头是常数 对于不稳定流动 欧拉方程为 流体流动的基本定律 将方程式沿流管积分得最终可得在截面1和2处通过控制体积的不稳定流动的能量方程式 流体流动的基本定律 流体流动的基本定律 通过小孔的流动小孔是一种流道长度很短的突然节流 通过小孔的流动状况存在两种形式 它与由粘性力还是惯性力支配有关 根据连续性定律 流过孔隙的流动速度必然比在其上游范围内的速度增大 如图4 23 a 所示 当雷诺数低时 通过小孔的下游流动为平流 由于粘性所产生的内剪切力影响 流体的压力下降 流体流动的基本定律 如图4 23 b 所示 当雷诺数高时 下游流动为紊流 通过小孔时压力的下降是由于流体从上游速度加速到高的射流速度所引起 大量重要的小孔流动现象为此种情况 流体速度在截面1和2之间增加到射流速度 射流的流出面积比小孔面积小 沿射流其射流面积变为最小之处称为收缩断面 在收缩断面处的流面积A2与小孔面积A0之比称为收缩系数Ce 流体流动的基本定律 由于在截面1和2之间的流动是流线 可以应用伯努利方程 假定z1 z2 根据连续性方程 又可得根据上两式 最终得和在收缩断面处通过小孔的体积流量是 流体流动的基本定律 由于忽略粘性摩擦 引进一个被称为速度系数的实验因素来给出流量Qc是流量系数 一般通过实验求得在用液压阀调节节流面积以控制压力和流量的情况下 上式是作为基本方程式来使用 说明 再设计管路时 从原则上要排除产生过分大的摩擦 pp190 建立液压系统的数学模型 工业生产中经常有由小孔 阀或其它流动阻力装置的管道所连接的充满流体容器组成的系统 这些系统的特性可以用已经给出的流体流动的基本定律来进行分析 容器壁上小孔的流出 应用伯努力方程有如选择水平面2 2作为标高水头基准 把下面参数代入上式可得考虑摩擦等因素 最后 实际流量为实际速度与射流面积的乘积 1 1 2 2 H 建立液压系统的数学模型 同机械和电系统类似 对于液压系统也存在三种基本元件 它们是液感元件 液容元件和液阻元件 阻量 物理元件的阻量可以定义为使速度 电流或流量产生单位变化所需要的势能变化 即对于在管中 小孔 阀或其它节流装置的流体流动 势能可以用压力差 节流装置前后之间的压力差 或水头差 m 代表 流量可以用流体的体积变化率代表 根据上述一般的流体流动定义 有 建立液压系统的数学模型 或流体流动液阻与流动条件有关 层流和紊流 层流和紊流情况下势能差与流量的关系对于层流 流量与水头差成正比 即式中 是比例常数 因此 层流液阻为注意层流液阻是常数 对于紊流 通过节流的流量为因为流量与水头差是由非线性方程式相联系 紊流液阻不是常数 建立液压系统的数学模型 由 13 式 可得所以有因此紊流液阻为注意 紊流的液阻不是常量 而是依赖于流量和水头差 它是在一定的工作条件下决定的 而且仅仅在接近这种工作条件下才采用这个液阻 建立液压系统的数学模型 容量 物理元件的容量可以定义为使有单位势能变化所需要的质量或位移的变化 或对于充满流体的容器系统 质量可以是流体的体积 而势能可以是压力或水头 因此有和一般选择水头作为势能的度量比较方便 因为这样使充满流体容器的液容与容器的横截面积一致 如果容器的横截面积是常数 那么对于任何水头的液容是常数 建立液压系统的数学模型 惯量 定义为使流量 速度或电流的单位变化率所需要的势能的变化 或对于流体在管道 通路及类似的装置中流动的惯性作用 势能可以是压力或水头 而流量每秒的变化可以是流体体积的流动加速度 因此有和 建立液压系统的数学模型 例题 流体在管道中流动 假设管道的横截面是常数并在管道中两截面之间压力差是 于是力将加速两截面之间的流体 或由于质量M等于因此有或如果选择压力作为势能的度量 有如果选择水头作为势能的度量 有于是 有 建立液压系统的数学模型 说明 pp197 在把液压系统表示成为液阻 液容和液感的数学模型时 这些方程将表示成相容的单位 数学模型保持相同 流体液容和流体流动液感分别由于压力和流动的结果而储存能量 流体流动液阻消耗能量 一般流体流动液感是可以忽略的 只有在特殊情况下 才是重要的 建立液面系统的数学模型假定流体从阀中流出是紊流 定义 稳定水头 在任何变化发生前 m 水头稳态值的微小变化 m 稳态流量 在任何变化发生之前 进口流量从其稳态值的微小偏差 出口流量从其稳态值的微小偏差 建立液面系统的数学模型 储存于容器中的流体经过dt秒后的变化等于在同一时间间隔dt秒内容器中的净流入 因此流体流经阀的液阻是其中 对于紊流 流量与液位的关系是由于流量正比于水头的平方根 液阻的值不是常数 通常可用水头和流量的实验关系曲线求液阻的值 在工作点上液阻等于曲线在该点上的斜率 注意 如果工作条件微小变化 液阻的值在整个工作期间可以看成是常数