液压传动基础知识幻灯片.ppt

1 液压传动基础知识 假设 1 液体是一连续介质 2 液体易于流动 其质点间凝聚力极小 以致于不能抵抗任何拉力 1 1液压油 作用 是传递动力和控制信号的工作介质 同时可起到润滑 冷却和防锈的作用 1 1 1 1液压油的性质 1 密度 单位体积液体所具有的质量 m 质量 V 体积 2 可压缩性 2 体积压缩系数 体积 压力 负号表明压力升高 液体体积减小 物理意义 单位压力变化下的液体体积相对变化量 3 体积弹性模量 物理意义 单位相对液体体积变化所需压力的变化量 刚性 等效体积弹性模量 4 考虑油液 容器及混入油液中的气体的综合影响 系统容器油液气体 5 可见 油液中混入气体对K 的影响极大 3 粘性 定义 粘性是液体抗拒变形的特性 注 液体只有流动时 才会呈现粘性 不流动的液体不呈现粘性 6 牛顿液体摩擦定律 实验表明 液体在流动时 相邻液层间的内摩擦力Ff与液层接触面积A成正比 与液层间相对滑移速度du成正比 而与液层间距离dy成反比 即 或切应力 粘性系数 速度梯度 7 粘度衡量粘性大小的量 运动粘度 8 常用单位 斯 st 厘斯 cst 1cst mm2 s 10 2st cm2 s 10 6m2 s 注 机械油的牌号是用400C时该油的运动粘度 cst 的平均来标志的 相对粘度 采用特定的粘度计在规定的条件下测出来的液体粘度 9 恩氏粘度 将200cm3的被测液体装入底部有 2 8mm小孔的恩氏粘度计的容器中 在某一温度t0C时 测定液体在自重作用下流过小孔所需的时间t1 和同体积的蒸馏水在200C时流过同一小孔所需时间t2之比值 便是该液体在t0C时的恩氏粘度 即 10 调和油的粘度 粘温关系 粘压关系 4 其它特性 11 抗燃性 抗氧化性 抗凝性 抗泡沫性 抗乳化性 防锈性 润滑性 导热性 稳定性 相容性等 1 1 2对液压油的要求 粘温特性好 具有良好的润滑性 成分纯净 不含有腐蚀性物质 具有良好的化学稳定性 抗泡沫性好 抗乳化性好 对金属和密封件有良好的相容性 体积膨胀系数低 比热容和传热系数高 流动点和凝固点低 闪点和燃点高 无毒性 价格便宜 12 1 1 3选用原则 主要考虑粘性 4 按关键元件选 13 1 2液体静力学 静止液体 指液体内部质点间没有相对运动 1 2 1液体静压力及其特性 1 作用在液体上的力 14 2 压力p的定义 单位面积A上所受的法向力 F叫压力p 3 静止液体中压力的性质 压力垂直于作用面且沿着内法线方向 静止液体内任一点的压力各向均相等 1 2 2液体静压力基本方程 15 1 方程 重力作用下静力学基本方程 16 2 等压面 压力相等的点所组成的面叫等压面 所以 在重力作用下 静止液体中的等压面为一水平面 1 2 3压力的表示法及其单位 1 表示法 p绝对 pa时 p绝对 p相对 pap绝对 pa时 p真空 pa p绝对 17 18 2 单位 帕 Pa 1Pa 1N m2 兆帕 MPa 1MPa 106Pa 巴 bar 1bar 105Pa 3 压力分级 19 1 2 4帕斯卡原理 静压传递原理 在密闭的容器内 施加于静止液体的压力可以等值地传递到容器内各点 例 20 注 即系统压力取决于 负载 1 2 5液体静压力对固体壁面的作用力 1 对平面的作用力 例 求液压缸所能克服的负载F 21 活塞力平衡方程 22 活塞力平衡方程 23 活塞力平衡方程 液压缸的差动连接 24 1 对曲面的作用力 可以证明 曲面上液压作用力在某方向上分力等于压力和曲面周围曲线在该方向的垂直面内投影所围成的面积的乘积 例 25 1 3液体动力学 1 3 1基本概念 1 理想液体和恒定流动 理想液体的特征 无粘性 不可压缩 恒定流动 液体流动时 液体中任一点处的压力 速度和密度都不随时间变化而变化 这种流动称恒定流动 反之 则称非恒定流动 26 2 流线 流束和通流截面 流线 同一瞬时 运动着的液体质点在空间所构成的曲线 在此曲线上 每点处的切线方向即该点处液体质点运动速度方向 因而它即不能相交 也不能转折 27 迹线 液体质点的运动轨迹 当液体作恒定流动时 其流线与迹线重合 流束 流线的集合 通流截面 流束中垂直与流线的面 微小流束 通流截面无限小时的流束 此时截面上各点处的液体质点运动速度可以认为是相等的 3 流量q和平均流速v 28 流量q 单位时间内 流过流束通流截面的流体体积 m3 s常用单位 升 分 l min 对于微小流束 dt内 29 u 微小流束上液体质点运动速度 对于实际流束 则 平均流速 1 3 2连续性方程 流束中 取两个过流截面 则有 30 连续性方程 注 条件 理想液体 恒定流动 物理意义 质量守恒 31 液体应是连续的 注意节点 例 求液压缸的速度 32 33 1 3 3伯努利方程 1 流动分析 流体的欧拉方程 34 2 理想液体的伯努利方程 上述方程两边个乘以ds 并从截面1 1积分至2 2截面则有 积分并整理后得 35 3 几点讨论 条件 a 理想液体 无粘性 不可压缩 不计损失 且过流截面上流速处处相等 b 恒定流动 物理意义 方程两边个乘以mg 则由 可得 36 方程中每一项的分别表示位置势能 压力能和动能 定义 单位重量液体所具有的能量称为比能 则伯努利方程中 每一项分别表示比位能 比压能和比动能 37 方程的物理意义为 比能守恒 几何意义 方程中每一项都具有长度单位 称为水头 则方程中每一项分别表示位置水头 压力水头和速度水头 方程的几何意义为 水头守恒 38 当速度u1 u2 O时 则方程变为 静力学基本方程 液体是连续的 例 图示水箱 侧壁开有小孔 水箱液面1 1与小孔中心2 2处的压力分别为p1和p2 其间的距离为h 且h基本不变 不计损失 求水从小孔流出的速度 39 解 选取1 1和2 2截面列出伯努利方程 并列出连续性方程 A1 A2 u1 0 则 在截面1 1处 z1 h p1 p1 u1 0 在截面2 2处 z2 0 p2 pa 大气压 u2 将其代入得 40 41 1 3 4动量方程 1 刚体的动量方程 根据力学动量定理 作用在物体上的全部外力的矢量和等于在力的作用方向上的动量的变化率 即 2 液体的动量方程 42 流束中取控制体积液体1 1和2 2 经 t时间后 该段液体移到1 2 位置 其动量为 在 t内动量的变化量为 43 而 故 3 几点讨论 矢量方程 44 适用于恒定流动 所求出的力称稳态液动力 若为非恒定流动 则还有瞬态液动力 为控制体积液体所受外力的总和 实际构件受力一般与之成作用力与反作用力关系 例 求滑阀阀芯所受轴向力 解 取阀进出口之间的液体为控制体积 并列出X向方程 45 2 900 方向向左 而液体对阀芯的作用力 方向向右 即该力使阀口趋于关闭 46 1 4管道中液流特性 1 4 1液体的流动状态 1 雷诺实验 47 当v vcr 临界流速 颜色水与周围水不混杂 得层流 当v vcr 颜色水流束弯曲 颤动 当v vcr 临界流速 颜色水与周围水完全混杂 得紊流 2 雷诺数Re 式中 v 平均流速 d 管径 液体的运动粘度 48 临界雷诺数 当Re Recr得层流 当Re Recr得紊流 对光滑圆管 Recr 2320 雷诺数的物理意义 就影响而言 是惯性力与粘性力之比 层流时 粘性力的影响大于惯性力 紊流时 惯性力的影响大于粘性力 49 1 4 2圆管中的层流 1 条件 水平细长直管 l d 4 压差流动 p1 p2 p 0 恒定流动 层流 50 2 流动分析 取中央小圆液柱 按牛顿第二定律 前一项为位变加速度 后一项为时变加速度 直管 恒定流动 代入得 51 即 又 代入得 3 流速分布 由实验知 52 积分 并由边界条件 r d 2时 u 0得 呈旋转抛物面分布 4 流量计算 取微环面积 53 哈根 泊肃叶公式 5 平均流速v 54 1 4 3圆管中的紊流 55 2 流速分布 基本呈现平面分布 56 1 4 4压力损失 p 1 沿程压力损失 p 式中 l 管长 d 管径 v 平均流速 液体密度 沿程阻力系数 57 实际取 金属圆管 橡胶软管 紊流时 P25表1 6 2 局部压力损失 p 凡是流速发生变化的地方都有局部压力损失 58 式中 v 平均流速 液体密度 局部阻力系数 3 总压力损失 损失的水头高 59 1 4 5实际液体的伯努利方程 主要考虑 1 因液体粘性引起的能量损失 用损失的水头高hW表示 2 因液体粘性引起的流速分布不均 而用平均流速计算比动能项所产生的比动能项的误差 用动能修正系数 来解决 60 则可将理想液体的伯努利方程 改造成实际液体的伯努利方程 其中 hw 损失水头高 动能修正系数 层流时 紊流时 61 1 5孔口及缝隙的压力流量特性 1 5 1薄壁小孔 1 条件 l d 0 5 d 压差势流 p 0 2 流动分析 62 实验表明 液流流束在喉部有收缩 收缩截面面积Ac 孔口截面面积A0 则定义收缩系数Cc 实验和理论分析表明 流束在收缩处平均流速为 Cv 流速系数 则 63 Cd 流速系数 Cd Cc Cv 3 圆柱滑阀阀口的流量计算 不计径向间隙Cr 则阀口通流面积为 64 考虑径向间隙Cr 则阀口通流面积为 4 圆锥阀口的流量计算 65 1 5 2细长孔 薄壁小孔及短孔的流量计算 1 细长孔 层流时 2 薄壁小孔 66 3 短孔0 5 l d 4 K 节流系数 m 节流指数 0 5 m 1 1 5 3平行平板缝隙 条件 l h b h 层流 恒定流动 67 在两平行平板之间 取一微元体液体 分析其受力 按牛顿第二定律 可有 即 68 3 流速分布 对上式积分 并注意到 由边界条件y 0 u 0和y h u u0得 4 流量计算 69 式中 前一项称作压差流 后一项称作剪切流 1 5 4环形缝隙 1 同心环形缝隙 70 若不计剪切流 则 71 2 偏心环形缝隙 可将db段圆弧所对应的环形缝隙看作平行平板缝隙 则 db rd h0 内外圆同心时半径方向的缝隙值 72 相对偏心率 0 1 不计剪切流 则u0 0 73 故 同心时 e 0 0 最大偏心时 e h0 1 即最大偏心时的流量是同心时流量的2 5倍 3 几点讨论 74 缝隙流量实质是研讨泄漏 影响泄漏的因素 e h p b l 等 减少泄漏的措施 保证同心 h p b l 75 1 6液压冲击和气穴现象 1 6 1液压冲击 1 产生液压冲击的原因及危害 原因 液体因突然停止运动而导致动能向压力能瞬时转变 运动部件换向或制动引起冲击 元件动作不灵敏 76 危害 产生误动作 损坏元件或系统 2 液体因突然停止运动而产生的液压冲击 冲击过程 77 最大压力升高值 pmax 设 液体动能 液体压力能 则 式中 液体密度 v0 初始流速 c 压力波波速 声速 等效体积弹性模量 完全冲击和非完全冲击 78 设 阀关闭时间为t 临界关闭时间为T T 2l c 则t T