机械设计第一章

液压与气压传动,磨床工作台液压传动系统,第一章液压流体力学基础,液压油液,1.1,流体静力学,1.2,流体动力学,1.3,管道流动,1.4,孔口流动,1.5,缝隙流动,1.6,液压冲击和气穴现象,1.7,1.1液压油液,在液压系统中，最常用的工作介质是液压油，液压油是传递信号和能量的工作介质。同时，还对液压装置的机构、零件起到润滑，冷却和防锈等方面的作用。液压传动系统的压力、温度和流速在很大的范围内变化，因此液压油的质量优劣直接影响液压系统的工作性能。,1.1液压油液,一、液压油液的性质,（一）密度和重度密度：单位Kg/m3,在液压系统中一般液压油（矿物油）的密度：=850950Kg/m3,对匀质液体：单位体积内所含的质量。=m/V,重度：单位N/m3,对匀质液体：单位体积内所含的重量。=G/V,在液压系统中一般液压油（矿物油）的密度：=84009500N/m3,V,1.1液压油液,一、液压油液的性质,（二）可压缩性,体积压缩系数：受压液体在单位压力变化下的液体体积相对变化量。,液体体积弹性模量K：产生单位体积相对变化量所需要的压力增量。,1.1液压油液,一、液压油液的性质,（三）粘性1、粘性的意义,液体在外力作用下流动时，由于液体分子间的内聚力而产生一种阻碍液体分子之间进行相对运动的内摩擦力，液体这种产生内摩擦力的性质称为液体的粘性。粘性表征了流体抵抗剪切变形的能力。,1.1液压油液,一、液压油液的性质,（三）粘性1、粘性的意义,相邻两液层间的内摩擦力,称为牛顿液体内摩擦定律,切应力：单位面积上的摩擦力,相邻运动液体层间所产生的内摩擦力,1.1液压油液,一、液压油液的性质,（三）粘性2、液体的粘度（三种）,（1）动力粘度,当：du/dy=1时，=由此可知动力粘度：是指它在单位速度梯度下流动时单位面积上产生的内摩擦力。,单位为牛顿秒/米2，符号为Ns/m2或为帕秒，符号为Pas，还可用CGS制单位：P（泊）。,1.1液压油液,一、液压油液的性质,（三）粘性2、液体的粘度,（2）运动粘度,运动粘度是动力粘度与密度的比值：=/运动粘度的SI单位m2/s，常用mm2/s（厘沲，cst）机械油的牌号L-AN32,（3）相对粘度,相对粘度是以相对于蒸馏水的粘性的大小来表示该液体的粘性的。恩氏粘度,1.1液压油液,一、液压油液的性质,（三）粘性2、液体的粘度,（3）相对粘度,工业上一般以20，50，100作为测定恩氏粘度的标准温度，并相应以E20，E50，E100表示。,（油温可不同，但水温总是20）,200ml温度为T的被测液体,流经恩氏粘度计小孔（2.8mm）所用时间t1，与同体积20度的水通过小孔所用时间t2之比。,1.1液压油液,粘度与压力、温度的关系：,压力增加，粘度增大。但在液压系统使用的压力范围内，增大数值很小，可忽略不计。,温度升高,粘度下降。不同的油液有不同的粘度温度变化关系，这种关系叫做油液的粘温特性。油液粘度的变化直接影响液压系统的性能和泄漏量,因此希望粘度随温度的变化越小越好。,一、液压油液的性质,1.1液压油液,二、对液压油的要求和选用,（一）要求,1）粘度适宜，粘温特性要好；2）油液纯净，不含杂质（化学及机械杂质）；,1.1液压油液,3）凝固点要低，以防寒冷凝固；闪点和燃点要高，以防燃烧；4）润滑性能好；5)化学稳定性要好,6）其它：抗泡沫性和抗乳化性好；材料相容性好；无毒，价格便宜。,1.1液压油液,水,水/油,矿物油,植物油,合成油,液压油,环境友好性,成本,1.1液压油液,二、对液压油的要求和选用,（二）选用,1）选用液压油液首先考虑的是粘度2）液压系统的工作压力-压力高，要选择粘度较大的液压油液。3）环境温度-温度高，选用粘度较大的液压油液。4）运动速度和精密型-速度高、精密选用粘度较低的液压油液。5）液压泵的类型,1.2流体静力学,一、液体的静压力及其特性,（一）液体的静压力,1、静止液体：液体内部质点与质点无相对运动,2、静压力：单位面积上液体所受作用力,对于均布受力的液体，其静压力为p=F/A,液体内某点处单位面积上所受的法向力，叫液体的压力,1.2流体静力学,一、液体的静压力及其特性,（一）液体的静压力,3、性质：,静止液体不呈粘性；液体静压力垂直于作用面，指向作用面的内法线方向；静止液体内，任意点的压力在各个方向上都相等。,1.2流体静力学,一、液体的静压力及其特性,（一）液体的静压力,1.2流体静力学,二、静压力的基本方程,特征：(1)组成部分(2)压力分布规律，等压面(3)使液面产生压力的三种方式：固体壁面(如活塞)气体不同质的液体,（一）基本方程,1.2流体静力学,二、静压力的基本方程,（二）静压力基本方程的物理意义,说明静止液体中单位质量液体的压力能和势能可以互相转换，但各点的总能量保持不变，即能量守恒。,1.2流体静力学,三、压力的表示方法及单位,液体压力通常有绝对压力、相对压力(表压力)、真空度三种表示方法。归纳如下：,（表压力）,压力单位:帕（Pa）1Pa=1N/m2兆帕（MPa）1MPa=106Pa巴（bar）1bar=1.01105Pa工程大气压（at）1at=9.8104PammHg(毫米汞柱)1mmHg=133Pa标准大气压（atm）1atm=1.01105Pa,(1)绝对压力大气压力+表压力(2)表压力绝对压力-大气压力(3)真空度大气压力-绝对压力,例1-1：已知=900kg/m3,F=1000N,A=110-3m2,求h=0.5m处的静压力p=?,解：由压力计算式求得：,由上例知：在外界压力作用下，由自重产生的那部分静压力gh很小，可忽略不计，可认为静止液体内各处的压力都是相等的。,1.2流体静力学,1.2流体静力学,四、帕斯卡原理,在密封容器内施加于静止液体任一点的压力将以等值传到液体各点。,1点：p1=F/A+gh12点：p2=F/A+gh2,1.2流体静力学,四、帕斯卡原理,液压传动可使力放大，可使力缩小，也可以改变力的方向。,1.2流体静力学,A,液压泵,执行元件,10kg/cm2,四、帕斯卡原理,液体内的压力是由负载决定的。,1.2流体静力学,四、帕斯卡原理,A,10kg/cm2,例1-2如图所示为装有水银的U形管测压计，左端与水的容器相连，右端与大气相通。汞的密度为汞=13.6103kgm3，标准大气压1atm=101325Pa。1)如图a，已知h=20cm，h1=30cm，试计算A点的相对压力和绝对压力。2)如图b，已知h1=15cm，h2=30cm，试计算A点的真空度和绝对压力。,图U形管测压计,1.2流体静力学,1.2流体静力学,五、静压力对固体壁面的作用力,液体和固体壁面接触时，固体壁面将受到液体静压力的作用。,当固体壁面为平面时，液体压力在该平面的总作用力F=pA，方向垂直于该平面。,当固体壁面为曲面时，液体压力在曲面某方向上的总作用力，为曲面在该方向的投影面积。,1.2流体静力学,五、静压力对固体壁面的作用力,1.3液体动力学,在液压传动系统中，液压油总是在不断的流动中，因此要研究液体在外力作用下的运动规律及作用在流体上的力及这些力和液体运动特性之间的关系。对液压流体力学我们只关心和研究平均作用力和运动之间的关系。本节主要讨论三个基本方程式，即液流的连续性方程、伯努利方程和动量方程。它们是刚体力学中的质量守恒、能量守恒及动量守恒原理在流体力学中的具体应用。,1.3液体动力学,一、基本概念,（一）理想液体和恒定流动,理想液体：既无粘性又不可压缩的液体为理想液体。恒定流动：液体中任一点处的压力、速度和密度都不随时间变化的流动称为恒定流动（定常流动）。反之如果压力、速度和密度中有一个随时间变化的流动就称为非恒定流动。,1.3液体动力学,一、基本概念,（二）通流截面、流量和平均流速,通流截面：液体在管道中流动时，垂直于流动方向的截面即为通流截面。,1.3液体动力学,一、基本概念,（二）通流截面、流量和平均流速,流量：单位时间内通过通流截面的液体的体积。,对微小流束而言，其截面积为dA，则微小流量为：dq=udA积分后：,1.3液体动力学,一、基本概念,（二）通流截面、流量和平均流速,平均流速：假设通流截面上各点的流速均匀分布,液体以此均布流速流过通流截面的流量等于以实际流速流过的流量。,1.3液体动力学,二、流量连续性方程质量守恒定律,流量连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表达方式。,液体在管内作恒定流动，任取1、2两个通流截面，根据质量守恒定律，在单位时间内过A1和A2两个截面液体的质量相等。,：,例1-4：如图所示，己知流量q125L/min，小活塞杆直径d120mm，小活塞直径D175mm，大活塞杆直径d240mm，大活塞直径D2125mm，假设没有泄漏流量，求大小活塞的运动速度v1、v2。,解：根据液流连续性方程qvA，求大小活塞的运动速度v1和v2分别为：,1.3液体动力学,二、流量连续性方程质量守恒定律,1.3液体动力学,三、伯努利方程能量守恒定律,1、理想液体的伯努利方程（无粘性、不可压缩，管内稳定流动）则流经任一截面单位质量液体的能量应相等。,物理意义：在管内作稳定流动的理想流体具有压力能，势能和动能三种形式的能量，它们可以互相转换，但其总和不变，即能量守恒。,1.3液体动力学,三、伯努利方程能量守恒定律,1、理想液体的伯努利方程,1.3液体动力学,三、伯努利方程能量守恒定律,1、理想液体的伯努利方程,解：沿液体流动方向列A1、A2截面的伯努利方程p1/g+v12/2g=p2/g+v22/2g补充辅助方程p1=paghp2=pav1A1=v2A2代入得h+v12/2g=(v1/4)2/2gv1=(32gh/15)1/2q=v1A1=(32gh/15)1/2A1,1.3液体动力学,三、伯努利方程能量守恒定律,1、理想液体的伯努利方程,例1-7推导文丘里流量计的流量公式（测量流量的一种仪器）。液流Q从左边入，从右边出，其间经过一段缩小断面和扩大断面的管路，在22和11两截面间安装水银测压计。可测取两点压力差值。已知22和11截面通流面积分别为A2和A1。,解:由理想液体伯努利方程,由于水平放置：,又连续性方程：,1.3液体动力学,三、伯努利方程能量守恒定律,1、理想液体的伯努利方程,例1-8有一水箱足够大，且通大气，各处尺寸如图所示，（理想液体）求：1）流出的流量q；2）截面2-2处的压力p2,1.3液体动力学,三、伯努利方程能量守恒定律,1、理想液体的伯努利方程,1.3液体动力学,三、伯努利方程能量守恒定律,1、理想液体的伯努利方程,例1-9：已知h=500mm，液压泵流量q=32L/min，通管直径d=20mm,液压油密度=900kg/m3,若不计压力损失，求泵吸油口的真空度。,1.3液体动力学,三、伯努利方程能量守恒定律,2、实际液体的伯努利方程（存在粘性，有内摩擦。管内形状、尺寸变化。消耗能量()，平均流速，动能修正系数）,1.3液体动力学,三、伯努利方程能量守恒定律,2、实际液体的伯努利方程,计算时必须注意:1)截面1、2应顺流向选取，且选在流动平稳通流截面上。2)z和p应为通流截面的同一点上的两个参数，为方便起见，一般将这两个参数定在通流截面的轴心处。,1.3液体动力学,三、伯努利方程能量守恒定律,2、实际液体的伯努利方程,例1-10：应用伯努利方程分析液压泵正常吸油的条件，液压泵装置如图所示，设液压泵吸油口处绝对压力p2，油箱液面压力p1为大气压pa,泵吸油口至油箱液面高度为h。,解：列11与22截面的伯努利方程，以油箱液面为基准：,泵吸油口处的真空度不能太大，即泵的绝对压力不能小因为如泵吸油口处的绝对压力低于液体在该温度下的空气分离压，溶解在油液内的空气就会析出，形成气泡，产生气穴现象，出现震动和噪声。为此要限制液压泵吸油口的真空度小于0.3105Pa；,1.3液体动力学,三、伯努利方程能量守恒定律,2、实际液体的伯努利方程,采取的措施,1.3液体动力学,三、伯努利方程能量守恒定律,2、实际液体的伯努利方程,B、对液压泵的吸油高度进行限制。安装高度：一般泵的吸油高度h0.5m，有时为使吸油条件改善，将泵安装在油箱液面下面，使泵的吸油高度小于零。,A、增大吸油管直径、缩短吸油管长度、减少局部压力损失，以降低第一项和第三项。,使用伯努利方程解决问题时的步骤：,(1)选取适当的水平基准面；(2)选取两截面，其中一个截面的参数为已知，另一个为所求参数的截面；(3)按照流动方向列出伯努利方程；(4)未知量多于方程数，则必须列出其它的辅助方程，如连续性方程、动量方程，并联立解之。,1.3液体动力学,三、伯努利方程能量守恒定律,2、实际液体的伯努利方程,1.3液体动力学,三、伯努利方程能量守恒定律,2、实际液体的伯努利方程,例1-11：液压泵装置如图所示，泵流量q=25L/min,管径d=30mm，管道总压力降为0.03MPa，设定1=2=1，液压油密度=880Kg/m3,求：在保证真空度不大于0.0336MPa情况下，h的大小。,解：列11与22截面的伯努利方程，以油箱液面为基准：,由于流动液体具有粘性，以及流动时突然转弯或通过阀口会产生撞击和旋涡，因此液体流动时必然会产生阻力。为了克服阻力，流动液体会损耗一部分能量，这种能量损失可用液体的压力损失来表示。即hw（）压力损失由沿程压力损失和局部压力损失两部分组成。液流在管道中流动时的压力损失和液流运动状态有关。,1.4管道流动,1.4管道流动,一、流态与雷诺数,1、流态,雷诺实验装置,层流粘性力起主导作用在液体运动时，如果质点没有横向脉动，不引起液体质点混杂，而是层次分明，能够维持安定的流束状态，这种流动称为层流。紊流惯性力起主导作用如果液体流动时质点具有脉动速度，引起流层间质点相互错杂交换，这种流动称为紊流或湍流。液体的流动状态用雷诺数来判断,1.4管道流动,一、流态与雷诺数,2、雷诺数（平均流速、管径和运动粘度）,在任意形状截面的导管中流动时的雷诺数：,在圆形截面的导管中流动时的雷诺数：,1.4管道流动,一、流态与雷诺数,2、雷诺数,常用管道的临界雷诺数Rec,1.4管道流动,一、流态与雷诺数,例1-12运动粘度=0.4cm2/s的液压油以2.6L/s的流量通过内径为20mm的光滑金属圆管。（1）试求其雷诺数，并判别其流态；（2）若要使管中的液流为层流状态，管径至少应为多少？,解:（1）油液在圆管中的流速为,紊流状态,（2）由于,1.4管道流动,二、圆管流动的沿程压力损失,1、层流时的沿程压力损失,（1）通流截面上的流速分布规律,二、圆管流动的沿程压力损失,1、层流时的沿程压力损失,（2）通过管道的流量,1.4管道流动,（3）管道内的平均流速,二、圆管流动的沿程压力损失,1、层流时的沿程压力损失,（4）沿程压力损失,1.4管道流动,管道内的沿程阻力系数,二、圆管流动的沿程压力损失,2、紊流时的沿程压力损失,1.4管道流动,值的选取：钢管：0.04mm铜管：0.00150.01mm铝管：0.00150.06mm橡胶软管：0.03mm,例1-13某液压系统中采用光滑的金属软管，管长为25m，内径为20mm，油液的密度为900kgm3，运动粘度为4010-6m2/s，当流量为18Lmin时，试计算沿程压力损失？,二、圆管流动的沿程压力损失,2、紊流时的沿程压力损失,1.4管道流动,解：计算雷诺数,沿程压力损失,层流,三、管道流动的局部压力损失,1.4管道流动,液体流经管道的弯头、接头、阀口等处时，产生漩涡并发生紊动现象，由此造成的压力损失称为局部压力损失。,液体流过局部装置时形成死水区或涡旋区，液体在此区域并不参加主流动，而是不断的打旋，加速液体摩擦或造成质点碰撞，产生局部能量损失；,液体流过局部装置时流速的大小和方向发生急剧变化，各截面上的速度分布规律也不断变化，引起附加摩擦而消耗能量。,三、管道流动的局部压力损失,1.4管道流动,四、液压系统管路总的压力损失,1.4管道流动,整个液压系统的总压力损失应为所有沿程压力损失和所有的局部压力损失之和。,利用上式进行计算时，只有在各局部障碍之间有足够的距离时才正确。因为当液体流过一个局部障碍后，要在直管中流过一段距离，液体才能稳定，否则其局部阻力系数可能比正常情况大23倍。因此一般希望在两个障碍之间直管的长度l(1020)d。,例1-14某一发动机所需润滑油流量q=0.4cm3/s，油从高位油箱经直径d=6mm，长L=5m的输油管供给，输油管终端为大气压，油的运动粘度=1.5cm2/s。求：1、管路中的沿程损失h和总阻力损失hw2、油箱液面高度h已知：进=0.5，弯=0.3，出=1,四、液压系统管路总的压力损失,1.4管道流动,1.5孔口流动,在液压元件特别是液压控制阀中，对液流压力、流量及方向的控制通常是通过特定的孔口来实现的，它们对液流形成阻力，使其产生压力降，其作用类似电阻，称其为液阻。“孔口流动”主要介绍孔口的流量公式及液阻特性。液体流经小孔的情况可以根据孔长l与孔径d的比值分为：薄壁小孔、短孔和细长孔,一、薄壁小孔,1.5孔口流动,薄壁小孔一般是指小孔的长度l与直径d之比l/d0.5，液体流经薄壁小孔时，只有局部能量损失而不产生沿程能量损失。,液流由小孔流出时由于惯性作用形成收缩断面c-c然后再扩散，产生很大的能量损失。,完全收缩,不完全收缩,一、薄壁小孔,1.5孔口流动,列11与22截面的伯努利方程，以中心为基准，设则：,一、薄壁小孔,1.5孔口流动,注：从公式可以看出，流量与小孔面积成正比，与压差平方根成正比。薄壁小孔流程短，沿程阻力损失非常小，通过小孔的流量与粘度无关，即对油温的变化不敏感，因此薄壁小孔多被用作调节流量的节流器使用。,例1-15有一薄壁小孔，通过流量q=25L/min时，孔前后的压力损失为p=0.3MPa,设流量系数Cd=0.62，油的密度=900kg/m3。试求节流阀孔的通流面积。,一、薄壁小孔,1.5孔口流动,解：根据薄壁小孔的流量公式则有,二、短孔和细长孔,1.5孔口流动,总结：薄壁小孔和短孔流量与压差平方根及小孔面积成正比，与粘度无关。压力损失小，对介质温度不敏感。因为加工容易适合于作固定节流器用。细长孔的流量与压差成正比，与粘度成反比，受介质温度变化影响大。（如当温度升高时，粘度下降，则流经细长孔的流量增多）；此外，细长小孔较易堵塞。一般用于阻尼孔。,三、液阻,1.5孔口流动,薄壁小孔流量公式：短孔流量公式：,细长孔流量公式：,定义孔口前后压力降与稳态流量的比值为液阻，即在稳态下，液阻与流量变化所需要的压差变化成正比。,三、液阻,1.5孔口流动,液阻与通流面积A成反比，A=0，R为无限大；A足够大时，R0。p一定，调节A，可以改变R，从而调节流经孔口的流量。A一定，改变q，p随之改变，这种液阻的阻力特性用于压力控制阀的内部控制。,多个孔口串联或并联，总液阻类似电阻的计算。,串联时，总液阻：,并联时，总液阻：,在液压传动的元件中，适当的缝隙(间隙)是零件间正常相对运动所必需的。但间隙对液压元件的性能影响极大，液压系统的泄漏主要是由间隙和压力差决定的，泄漏的增加使系统油温升高，效率降低，系统性能受影响。,1.6缝隙流动,1.6缝隙流动,一、液压冲击,1.7液压冲击和气穴现象,液压系统管道中的液体突然变速或换向时，引起液体压力突然急剧增高的现象液压冲击。瞬间压力冲击不仅引起振动和噪声，而且会损坏密封装置、管道、元件，造成设备事故。,液压冲击的类型:,阀门突然打开或关闭，系统中某些元件反映的滞后，使液流突然停止运动而产生的液压冲击；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，产生液压冲击。,一、液压冲击,1.7液压冲击和气穴现象,减少液压冲击的措施：,1、延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间。2、限制管道流速及运动部件的速度。3、适当增大管径，以减小冲击波的传播速度。,4、尽量缩短管道长度，减小压力波的传播时间。5、用橡胶软管或设置蓄能器吸收冲击的能量。6、在易引起冲击的装置前加设安全阀或缓冲装置。,二、气穴现象,在流动的液体中，因流速变化引起压降而产生气泡的现象。,空气分离压：在一定温度下，当液压油压力低于某值时，溶解在油中的过饱和的空气将会突然地迅速从油中分离出来，产生大量气泡，这个压力称为液压油在该温度下的空气分离压。,饱和蒸气压：当液压油在某温度下的压力低于一定数值时，油液本身将迅速汽化，产生大量蒸气气泡，使气穴现象更为严重。,一般说来，饱和蒸气压远低于空气分离压。,1.7液压冲击和气穴现象,管道中发生空穴现象时，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