第一章(液压传动的基础知识).ppt

工程机械液压与液力传动技术 教师 王建莉 第一章液压传动基础知识 一 液压传动概述 传动定义 在工程机械上 传动是指能量 动力 由发动机向工作装置的传递 例 发动机曲轴的旋转运动变为车轮的转动 发动机曲轴的旋转运动变为转向轮的转向 传动的形式根据工作介质的不同 传动形式可分为 机械传动 液体传动 气体传动 电力传动等 液体传动定义 以液体为工作介质传递能量的叫液体传动 分类 液体传动包括液压传动和液力传动 区别 液压传动是利用液体的压力能实现能量传递 如液压泵 油缸 液力传动是利用液体的动能实现能量传递 水轮机 这里仅讨论液压传动 第一节液压传动的基本原则 一 液压传动的基本原理1 1论述 液压传动的基本原理是以液压油为工作介质 通过动力元件 油泵 将发动机的机械能转换为油液的压力能 通过管道 控制元件 借助执行元件 将油液的压力能转换成机械能 驱动负载 实现直线或回转运动 机械能压力能机械能 1 2液压传动的工作原理 千斤顶 油压千斤顶原理1油箱2 4单向阀3小油缸5大油缸6开关 1 3液压传动的工作特性 1 3 1 液压传动中压力取决于负载小活塞底面单位面积上的压力 1 1 大活塞底面上的压力为 1 2 根据流体力学中的帕斯卡原理 平衡液体内某一点的压力等值地传递到液体各点 因此有 1 3 由上式可得 1 4 由于 所以 故千斤顶有力的放大作用 1 3 2 负载的运动速度取决于流量 液压传动中传递运动时 速度传递按照容积变化相等的原则进行 故有 1 5 由于速度 1 6 将式 1 6 代入式 1 5 有 1 7 令为流量 负载的运动速度取决于进入大液压缸的流量 而与负载的大小 无关 二液压传动系统的组成 图自卸车车厢举倾机构工作原理图1 油箱2 滤油器3 限压阀4 换向阀芯5 换向阀6 液压缸7 单向阀8 液压泵a b 油道 1 动力元件 序号8 泵 机械能 压力能 把原动机的机械能转换成液体压力能的转换元件2 执行元件 序号6 缸 马达 压力能 机械能 把液体的压力能转换成机械能的转换元件3 控制元件 序号3 5 7 阀 控制方向 压力及流量 对液压系统中油液的压力 流量或流动方向进行控制或调节的元件4 辅助元件 油箱 油管 滤油器 压力表在系统中起储存油液 连接 滤油 测量等作用 1 动力元件 液压泵 能量转换 提供压力油 2 执行元件 能量转换带动机构做功 3 控制调节元件 各种 控制压力 方向 流量 4 辅助元件 各种液压辅件 三液压传动系统图的图形符号 图自卸车车厢举倾机构工作原理图1 油箱2 滤油器3 限压阀4 换向阀芯5 换向阀6 液压缸7 单向阀8 液压泵a b 油道 1 油箱2 液压泵3 单向阀4 换向阀5 限压阀6 滤油器7 液压缸 机床工作台液压系统的图形符号图1 工作台2 液压缸3 油塞4 换向阀5 节流阀6 开停阀7 溢流阀8 液压泵9 滤油10 油箱 液压系统图图形符号 GB T786 1 1993 四液压传动的优缺点 4 1液压传动的优点1 液压装置工作比较平稳 2 液压装置能在大范围内实现无级调速 调速范围可达1 2000 且调速性能好 3 液压装置的体积小 重量轻 功率大 且容易获得很大的力和力矩 4 液压装置控制调节简单 容易实现自动化 5 液压装置易于实现过载保护 且液压元件能自行润滑 寿命较长 6 液压元件已实现标准化 系列化和通用化 所以液压系统的设计 制造和使用都比较方便 4 2液压传动的缺点1 液压传动不能保证严格的传动比 这是由于液压油的可压缩性和泄漏等因素造成的 2 液压传动中 能量经过二次变换及传动过程中压力损失 能量损失较多 系统效率较低 3 液压传动对油温的变化比较敏感 主要是粘性 系统的性能随温度的变化而改变 4 液压元件要求有较高的加工精度 以减少泄漏 从而成本较高 5 液压传动出现故障时不易找出 第二节液压油 油液种类 19 液压油 合成液压液 石油型液压油 水基液压液 价格高 密封性好 润滑性 稳定性好 95 的水 抗燃小 绝大多数液压系统使用石油型液压油 1 1密度 均质液体中 密度即为单位体积所具有的质量 kg m3 1 8 其中 m 液体的质量 单位 kgV 液体的体积 单位 m3液体的密度随温度和压力的变化而变化 但影响很小 可以忽略 液压油计算时取 900kg m3 一 液压油的性质 1 2重度 均质液体中 重度即为单位体积所具有的重量 由于 所以密度 和重度 的关系是 重度的单位为N m3液体的重度随温度和压力的变化而变化 但影响很小 可以忽略 液压油计算时取 9 103N m3 1 3液体的压缩性1 3 1定义 液体的压缩性是指液体受压后其体积变小的性能 压缩性的大小用体积压缩系数表示 1 体积压缩系数 即单位压力变化下的体积相对变化量 由于压力增大时体积减小 反之则增大 所以为负值 故式中加一个符号 油的可压缩性很小 可以忽略 认为液体是不可压缩的 二液体的黏度2 1定义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檫力 这种现象叫做液体的黏性 它使液体各层间的运动速度不等 液体黏性的大小用黏度来表示 黏度大 内摩擦力大 油液就 稠 黏度小 内摩擦力就小 油液就 稀 常用的黏度有三种表示方法 绝对黏度 流动黏度 运动黏度和相对黏度 粘性示意图 下板固定上板以u0运动A点 u 0B点 u u0两板之间液流速度逐渐减小 动画演示 2 2黏度的表现 实验证明 相邻液层间的内摩擦力Ff与两液层间的速度差成正比 与两液层间的距离成反比 即式中 Ff 液体流动时 相邻液体层间的内摩擦力 粘性系数 与液体的种类和温度有关A 液层接触面积 u y 速度梯度 即液层速度沿着平板间隔方向的变化率 静止液体du 0不呈现粘性单位面积上的内摩擦力 即液层间的切应力 牛顿内摩擦定律 u y 2 3绝对黏度 动力黏度 动力黏度 是表征流体内摩擦力大小的黏性系数 其值等于液体在单位速度梯度流动时 单位面积上的内摩擦力 即 单位 Pa s 帕 秒 或用N s m2 牛 秒 米2 如果绝对黏度只与液体种类有关而与速度梯度无关 这种液体称牛顿液体 否则为非牛顿液体 石油基液压油一般为牛顿液体 2 4运动黏度动力黏度 是液体动力黏度与其密度之比称为该液体的运动黏度 即单位 现在为 米2 秒 m2 s 过去用斯 St 或里斯 cSt 表示 1m2 s 104St 106cSt 106mm2 s 习惯上用运动黏度来表示液体的黏度 例如 机械油的牌号表示这种油在50 时以mm2 s为单位的运动粘度的平均值 例如YA N32中YA是普通液压油 N32表示50 时油的平均运动粘度为32mm2 s 2 5相对黏度 条件黏度 相对黏度是根据特定测量条件制定的 故又称条件黏度 我国采用的为恩式黏度 即采用恩氏黏度计测定 式中 t1 油流出的时间t2 20OC蒸馏水流出时间 恩氏粘度与运动粘度的换算关系 通常以20 50 100OC作为标准测定温度 记为 2 6 1粘度与压力的关系 压力较低时 压力对粘度的影响不大 可不考虑 当压力大于50MPa时 其影响才趋于显著 2 6 2粘度与温度的关系 影响 T降低 增大 阻力大 能耗增加T增加 减小 油变稀 泄漏增加故需限制油温 T过高 加冷却器T过低 加加热器 压力增大时 黏度也相应增大 p 2 6黏度与压力和温度的关系 温度升高时 黏度相应降低 T 三液压油的基本要求 1 合适的粘度 粘温性好2 润滑性能好3 杂质少4 相容性好5 稳定性好6 抗泡性好 防锈性好7 凝点低 闪点 燃点高8 无公害 成本低 四液压油液的选择和使用 1 液压油液的选择 1 优先考虑粘性 11 5 41 3cSt即20 30 40号机械油 2 按工作压力p高 选 大 p低 选 小 3 按环境温度T高 选 大 T低 选 小 4 按运动速度v高 选 小 v低 选 大 5 其他环境 污染 抗燃 经济 价格 使用寿命 特殊要求 精密机床 野外工作的工程机械 第三节液压传动的基本参数 液压传动的基本参数是压力 流量和功率一液体的压力液体在单位面积上所承受的法向作用力 称为压力 即物理学中称为的压强 液体的压力为 单位 N m2 牛顿 米2 帕 Pa 工程中常用KPa 千帕 或MPa 兆帕 1MPa 1000KPa 106Pa 106N M2 二液体的流量2 1流量单位时间内流过管道的液体的体积称为液体的流量 液体的流量为 单位 L min 升 分 1L 10 3m3 1cm32 2流速液体单位时间内流过的距离称为液体的流速 液体的流速为 单位 m s 米 秒 如Q单位为L min A单位为cm2 则 三功和功率3 1功物体在力F的作用下 沿力F的方向移动了距离S 则力F对于这个物体做的功W为 3 2功率单位时间内做的功叫做功率P 式中 S t v 为物体移动的速度 单位 W 瓦 以油缸为例 根据活塞的受力平衡有 压力油对活塞做的功为 由于 体积 所以 液压油做工的功率P为若压力单位为MPa 流量单位为L min 则功率P为 可见 液压功由压力和流量共同传递 作业 1 20 时 水的动力粘度 1 008 10 3Pa s 密度 1000kg m3 求在该温度下水的运动粘度 2 已知图中小活塞的面积A1 10cm2 大活塞的面积A2 100cm2 管道的截面积A3 2cm2 试计算 1 若使W 10 104N的重物抬起 应在小活塞上施加的力F 2 当小活塞以v1 1m min的速度向下移动时 求大活塞上升的速度v2 管道中液体的流速v3 作业 第四节流体的静力学 按作用方式 平衡流体上的作用力有 质量力 与流体质量大小有关并且集中在液体质点上的力称为质量力 表面力 与表面面积有关而且分布作用在流体表面上的力称为表面力 概述 表面力是由与分析体相接触的其它物体的作用产生的针对流体的作用 表面力按其作用方向可分为两种 沿表面内法线方向的压力 沿表面切向的摩擦力 一液体静压力特性1 1静压力静止液体 液体内质点间无相对运动 不呈现黏性的液体 与盛装液体的容器是否运动无关 对于静止流体 切向摩擦力为零 只有沿受压面内法线方向的流体静压力 静压力 简称压力 指液体处于相对静止时 单位面积上所受的法向作用力 如果法向力均匀地作用在面积上 压力表示为 1 2静压力的特性 1 静压力的方向总是沿着作用面的内法线方向 2 静止液体内任意点所受到各个方向的静压力都相等 由流体的特性知 流体在平衡状态时只要有切应力作用 流体就会变形 引起流体质点间的相对运动 破坏流体的平衡 流体还不能承受拉力 所以 流体在平衡状态下只能承受垂直并指向作用面的压力 二 液体静力学基本方程 2 1静压力基本方程重力场中连续 均质 不可压缩流体的静压力基本方程式 流体静压力基本方程式表明 1 静止液体内任一点处的压力为液面压力和液柱重力所产生的压力之和 2 静止液体内的压力随着深度h呈直线规律分布 3 深度相同处各点的压力都相等 等压面 压力相同点组成的面叫作等压面 在重力作用下静止液体中的等压面是水平面 2 2静压力基本方程的物理意义 静压力基本方程式 式中 Z0 液面与基准水平面之间的距离 Z 深度为h的点与基准水平面之间的距离 上式整理后可得 上式是静压力基本方程的另一种形式 式中表示单位重力液体的压力能 故常称作压力水头 z表示单位重力液体的位能 也常称作位置水头 因此 静压力基本方程的物理意义是 静止液体内任何一点具有压力能和位能两种能量形式 且其总和保持不变 即能量守恒 但两种能量形式之间可以互相交换 真空度 当压力比当地大气压低时 流体压力与当地大气压的差值称为真空度 三 压力的表示方法及单位 以当地大气压为计算标准表示的压力 也称为计示压力 表压力 相对压力 绝对压力 以绝对真空为起点表示的压力 1 压力的表示方法 绝对压强 表压强 当地大气压表压强 绝对压力 当地大气压 当p pa时 绝对压强 当地大气压 真空度真空度 当地大气压 绝对压力 当p pa时 2 静压强的计量单位 1 压力单位 Pa N m2 bar MPa1bar 105Pa 0 1MPa 2 液柱高单位 测压计常以水或水银作为工作介质 压力常以水柱高度 mH2O 或毫米汞柱 mmHg 表示 3 大气压单位 以1标准大气压 1atm 为单位表示 1atm 1 013 105Pa 10 33mH2O 760mmHg 1bar 0 1MPa 四 帕斯卡原理 在密闭容器内 施加于静止液体上的压力将以相等的数值传递到液体各点 这就是静压传递原理 即帕斯卡原理 五 静压力对固体壁面的总作用力 5 1压力油作用在平面上的力 作用在平面上压力的方向互相平行 总作用力F等于静压力p与承压面积A的乘积 即 F pA 在液压制动装置中 设总泵的直径d 25 4mm 分泵的直径D 32mm 现根据制动要求 分泵活塞杆作用在制动器上的制动力F2 3159N 踏板的传动比L1 L2 5 5 试求驾驶员需踩在踏板上的力F0 液压制动示意图 5 2压力油作用在曲面上的力 当承压面积为曲面时 作用在曲面上的压力的方向均垂直于曲面 图为液压受力简图 设液压缸半径为r 长度为L 在液压缸右半壁上任取一窄长条微小面积 压力在微小平面上的力为 F沿x的分力为 压力沿x方向总作用力 压力沿x方向总作用力 静压力作用在曲面上的力在某一方向上的分力等于压力与曲面在该方向投影面积的乘积 某安全阀如图 阀芯为圆锥形 阀座孔径d 10mm 阀芯最大直径D 15mm 当油液压力P1 8MPa时 压力油克服弹簧力顶开阀芯而溢油 出油腔有背压p2 0 4MPa 试求阀内弹簧的预紧力 解阀芯受到的向上的作用力为 阀芯受到的向下的作用力为 阀芯受力平衡方程整理得 一 基本概念1 理想液体和实际液体理想液体 既无粘性 又无压缩性的假想液体 实际液体 既有粘性 又有压缩性的真实液体 2 定常流动和非定常流动定常流动 液体的压力 速度和密度只随位置变化 与时间无关 也称恒定流动 非定常流动 液体的压力 速度和密度中有一个参数与时间有关 也称非恒定流动 第五节液体流动的力学性质 举例 动画演示 动画演示 定常流动 非定常流动 3 一维流动一维流动 液体整个地作线形流动 二维流动 液体整个地作平面流动 三维流动 液体整个地作空间流动 4 流线 流束 过流截面流线 某一瞬时液流中标志其各处质点运动状态的曲线 在流线上各点的瞬时速度方向与该点的切线方向重合 流线的性质 稳定流动时 流线形状不随时间变化 流线不能相交 也不能转折 流线是连续光滑的曲线 通流截面 流束中与所有流线正交的截面 流线彼此平行的流动称为平行流动 流线间的夹角很小 或流线的曲率半径很大的流动称为缓变流动 相反情况便是急变流动 前两者的通流截面均认为是平面 急变流动的过流截面是曲面 流束 面积A上所有各点的流线的集合 流束内外流线均不能穿越流束表面 面积A无限小时的流束 称为微小流束 单位时间内流入控制体积的质量 单位时间内流出控制体积的质量 二 液体流动的连续性方程 连续性方程是质量守恒规律在流体力学中的表现 设 不可压缩流体在非断面管中作定常流动 对于稳定流动 不可压缩液体 为常数 过流断面1和2的面积分别为A1和A2 平均流速分别为V1和V2 在定常流动中 流过各截面的不可压缩液体的流量是相等的 而且液体的平均流速与管道的过流截面积成反比 即 说明 流量连续性的动画演示 上式即为液流的流量连续性方程 三 流动液体的能量守恒定律 在液压系统中是利用具有压力的流动液体来传递能量 在流体力学中 流动液体的能量守恒方程又叫伯努利方程 如图 在管子断面 处流速为 压力为 断面中心到地面的距离为Z1 管子断面 处 流速为 压力为 断面中心距地面高度为Z2 在断面1处取一块重量为mg的油液 则其具有的能量为 1 位能 则单位重量的位能为 2 动能质量为m的油液具有的动能为 所以单位重量的动能为 3 压力能由于油液具有压力 所以它具有压力能 油液的压力能为 又因但时间t内其重量为 因此 单位重量油液的压力能为 故 在断面 处 单位重量油液具有的总能量为 同样 在断面 处 单位重量油液具有的总能量为 除去动能 即为之前所讲理想液体静力学能量守恒方程 根据能量守恒定律 油液流经断面 的总能量是相等的 即 此式即为理想液体微小流束的能量守恒方程 伯努利方程 能量守恒定律的意义 管内作定常流动的理想液体 在任意截面上 液体的总比能保持不变 但比位能 比压能 比动能可以相互转换 单位重量实际液体在微小流束中从截面1流到截面2 因粘性而损耗的能量 3 实际流动液体的伯努利方程 此外 液流经液流截面A1 A2上各点的流速并不相等 计算中常用平均流速代替各点不等的流速 且令单位时间内流液的实际动能和按平均流速计算出来的动能之比为动能修正系数 那么 实际液体总流的伯努利方程为 方程的适用条件 定常流动 不可压缩液体 质量力只有重力 所取截面为缓变流截面 流量沿流程保持不变 层流时 2 紊流时 1 没有机械能加入 泵从油箱吸油 泵的输出流量Q 25L min 吸油管直径d 30mm 设滤网及管道内总的压降为0 03MPa 油液的密度 880kg m3 要保证泵的进口真空度不大于0 0336MPa 试求泵的安装高度 题 解根据流体的能量守恒定律 因为油箱液面与大气接触 故为大气压力 为油缸液面下降速度 由于 故可近似为零 修正系数因此上式可简化为 整理得 带入数值 解得 假定流量为Q的液流 则在时间内流过的液体的质量为 四 流动液体的动量方程 动量 物体质量与速度的乘积称为物体的动量 动量定理 物体的动量对时间的改变率等于作用于该物体上的力 即 那么 流液的力为 这就是流体的动量方程 1 雷诺实验 第六节液体流动时的压力损失 一 液体的流态 动画演示 2 流态液体质点互不干扰 流动呈线性或层状 平行于管道轴线 没有横向运动 液体质点的运动杂乱无章 除沿管道轴线运动外 还有剧烈的横向运动 层流 紊流 3 雷诺数 式中 液体速度 cm s 运动粘度 cst液流由层流转变为紊流的雷诺数称为临界雷诺Rec 光滑的金属圆管 Rec 2320ReRec紊流 沿程压力损失 液体在等径直管中流动时 因摩擦而产生的损失 局部压力损失 由于管道的截面突然变化 液流方向改变或其它形式的液流阻力而引起的损失 1 沿程压力损失或 沿程阻力系数 二 压力损失 沿程阻力系数的确定 与流态等因素有关 层流时理论值 64 Re 层流时液压油在金属管道中流动 75 Re 紊流时 f Re d 3000 Re 105 0 3164Re 0 25 2 局部压力损失或 局部阻力系数 一般由实验测定 一 液体在缝隙中的流动 第七节液