液压传动第二章.ppt

1、第2章液压传动基础知识,主讲教师：张 萌,2,主要内容,2.1 液压传动的工作介质 2.2液体静力学基本规律 2.3液体动力学基本规律 2.4流体流动时的能量损失 2.5流体流经孔口及缝隙的力学特性 2.6液压冲击及气蚀现象,3,2.1液压传动的工作介质,液压传动中的工作介质起着重要的作用，是能量传 递的中间媒介。因此了解液体的基本性质，掌握液体在 平衡和运动状态下的力学规律，有助于正确理解液压传 动原理，也是合理地设计和使用液压系统的理论基础。,4,2.1.1液压油的物理特性,液压油的物理特性主要包括：密度和重度、质量和重量等、其中最重要的物理特性为黏度。 液压油的其它一些特性还包括：流动点

2、、凝固点、闪点、燃点及热膨胀系数等。,5,1.粘性,附着力 液体与固体表面 内聚力 液体分子与分子之间,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，它使液体各层间的运动速度不等，这种现象叫做液体的粘性。,图2-1 液体流动的速度分布,粘性表征了流体抵抗剪切变形的能力，粘性所起的作用为阻滞流体内 部的相互滑动。,6,1.粘性(续）,根据实际测定的数据所知，流体层间的内摩擦力F与流体层的接触面积A及流体层的相对流速du成正比，而与此二流体间的距离dz成反比,下板固定 上板以u0运动 附着力 A点：u = 0 B点：u = u0 内摩擦力 两板之间液

3、流速度逐渐小。,7,2.牛顿内摩擦力,式中：粘度系数 A 液层接触面积 du /dz速度梯度, 牛顿内摩擦定律,两液层的速度差,两液层间的距离,切应力:,dz,du,A,Ff,m,t,=,=,当速度梯度变化时，为不变常数的流体称为牛顿流体，为变数的流体称为非牛顿流体。,8,3.粘度的表示方法,（2) 运动粘度：由于在理论分析和计算中常常碰到绝对粘度与密度的比值 。,单位：Pa.S（帕秒）,单位：m2/s,（1) 动力粘度:动力粘度在物理意义上讲，是当速度梯度du/dz=1时，单位面积上的内摩擦力的大小。,t,9,3.粘度的表示方法(续）,（3)相对粘度：以相对于蒸馏水的粘性的大小来表示该液体

4、的粘性的,式中：t1 油流出的时间 t220OC蒸馏水流出时间（平均51秒）,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：,10,4.粘度与压力的关系,当压力低于5MPa时，粘度值的变化很小，可以不考虑。当液体所受的压力加大时，分子之间的距离缩小，内聚力增大，其粘度也随之增大。在压力很高以及压力变化很大的情况下，粘度值的变化就不能忽视。在工程实际应用中，当液体压力在低于50MPa的情况下，可用下式计算其粘度：,p=0(1+p),式中：p为压力在p(Pa)时的运动粘度；0为绝对压力为1个大气压时的运动粘度；p为压力(Pa)；为决定于油的粘度及油温的系数。,

5、11,5.粘度与温度的关系,液压油粘度对温度的变化是十分敏感的，当温度升高时，其分子之间的内聚力减小，粘度就随之降低。不同种类的液压油，它的粘度随温度变化的规律也不同。,12,2.1.2液压油的作用,作为液压传动介质的液压油主要有以下功能： 传动：把由泵产生的压力能传递给执行部件 润滑：对泵、阀、执行元件等运动部件进行润滑 密封：保持由泵所产生的压力 冷却：吸收并带出液压装置所产生的热量 防锈：防止液压系统中所用的各种金属部件锈蚀 传递信号：传递信号元件或控制元件发出的信号 吸收冲击：吸收液压回路中产生的压力冲击,13,2.1.3对液压油的要求,1.合适的粘度，粘温性好 2.润滑性能好 3.杂

6、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,14,2.1.4液压油液的种类和选择,石油型,难燃型,机械油 汽轮机油 液压油,水-乙二醇液 磷酸酯液,水包油 油包水,乳化液,合成型,1.液压油的种类,15,2.1.4液压油液的种类和选择（续）,2.液压油的选择,工作条件,工作环境,油液质量,经济性,1.优先考虑粘性 =11.5 41.3 cSt 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 （污染、抗燃、毒

7、性） （相容性、稳定性、防锈抗腐） （价格、使用寿命、更换）,16,2.1.5液压油液的使用,1.控制油温 2.防止污染 3.定期抽检、定期更换 4.油箱储油充分 5.确保密封 6.防止空气进入,17,2.2液体静力学基本规律,2.2.1静压力及其特性,1.液体的静压力,静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力。 p=limF/A （A0） 若在液体的面积A上所受的作用力F为均匀分布时，静压力可表示为 p = F / A 液体静压力在物理学上称为压强，工程实际应用中习惯称为压力 式中：A为液体有效作用面积；F为液体有效作用面积A上所受的法向力。,18,2.压力的表示方法及单位,液压系统中的压

8、力就是指压强，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。压力单位为帕斯卡，简称帕，符号为Pa，1Pa1N/m2,19,3.液体静压力的特性,如果液体中某一点所受到的各个方向的压力不相等，那么在不平衡力作用下，液体就要流动，这样就破坏了液体静止的条件，因此在静止液体中作用于任一点的各个方向压力必然相等。,（1）液体静压力的方向总是沿着作用面的法线方向。,这一特性可直接用液体的性质来说明。液体只能保持一定的体积，不能保持固定的方向，不能承受拉力和剪切力。所以只能承受法向压力。,（2）静止液体中任何一点所受到各个方向压力都相等。,20,1.静压力基本方程,2.2.2重力作用下静

9、力学基本规律,p=p0+h=p0+gh,g=9.81m/s2,(1)静止液体中任一点的压力均由两部分组成，即液面上的表面压力p0和液体自重而引起的对该点的压力h。 (2)静止液体内的压力随液体距液面的深度变化呈线性规律分布，且在同一深度上各点的压力相等。,21,2.帕斯卡原理,2.2.2重力作用下静力学基本规律(续1）,根据帕斯卡原理和静压力的特性，液压传动不仅可以进行力的传递，而且还能将力放大和改变力的方向。只要A1/A2足够大，用很小的力F1就可产生很大的力F2。,22,3.静压力对固体壁面的总作用力,2.2.2重力作用下静力学基本规律(续2）,F=pA,（1）当承受压力的表面为平面时，液

10、体对该平面的总作用力F为液体的 压力p与受压面积A的乘积，其方向与该平面相垂直。,（2）当承受压力的表面为曲面时，由于压力总是垂直于承受压力的表面，所以作用在曲面上各点的力不平行但相等。要计算曲面上的总作用力，必须明确要计算哪个方向上的力。,Fx=2rlp,23,2.3液体动力学基本规律,2.3.1液体动力学基本概念,通流截面 垂直于流动方向的截面，也称为过流截面。 流量 单位时间内流过某一通流截面的液体体积，流量以q表示，单位为 m3 / s 或 L/min。 平均流速 在实际液体流动中，由于粘性摩擦力的作用，通流截面上流速u的分布规律难以确定，因此引入平均流速的概念，即认为通流截面上各点的

11、流速均为平均流速 ，平均流速为v=q/A。,24,2.3.1液体动力学基本概念,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而变化的流动，亦称为定常流动或非时变流动。,当液体流动时，可以将流动液体中空间任一点上质点的运动参数，例如压力p、流速v及密度g表示为空间坐标和时间的函数，例如： 压力p=p（x，y，z，t) 速度v=v（x，y，z，t) 密度=（x，y，z，t）,=,理想液体 假设的既无粘性又不可压缩的流体称为理想流体。,25,2.3.2流量连续性方程,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，在单位时间内流过两个截面的液体流量相等，即： 1v

12、1 A1 = 2v2 A2 不考虑液体的压缩性则得 q = v A = 常量,流量连续性方程说明了恒定流动中流过各截面的不可压缩流体的流量是不变的。因而流速与通流截面的面积成反比。,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。,26,2.3.3伯努利方程,（1)理想液体微小流束的伯努利方程,为研究的方便，一般将液体作为没有粘性摩擦力的理想液体来处理。,式中p/r（r=g）为单位重量液体所具有的压力能，称为比压能，也叫作压力水头。Z为单位重量液体所具有的势能，称为比位能，也叫作位置水头。（u2/2g）为单位重量液体所具有的动能，称为比动能，也叫作速度水头，它们的量纲都为长度。,P1/g

13、+Z1 +u12/2g = P2/g+ Z2 + u22 /2g,能量守恒是自然界的客观规律，流动液体也遵守能量守恒律， 这个规律是用伯努利方程的数学形式来表达的。,27,2.3.3伯努利方程（续）,（2)实际液体微小流束的伯努利方程,实际流体存在粘性，流动时存在能量损失，hw 为单位质量液体在两截面之 间流动的能量损失。,(3)实际液体总流的伯努利方程,用平均流速替代实际流速， 为动能修正系数。,伯努利方程的物理意义：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。,28,2.3.4动量方程,动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用

14、，用来计算流动液体作用在限制其流动的固体壁面上的总作用力。,动量定理（刚体）：作用在物体上的全部外力矢量和等于物体在力作用方向上的动量变化率。,F = （m u）/t = q（u2 - u1）,F = （m u）/t,推论：作用在液体控制体积上的外力总和等于单位时间内流出控制表面与流入控制表面的液体的动量之差。,29,2.4流动液体的能量损失,2.4.1流态及雷诺判据,实际液体具有粘性，是产生流动阻力的根本原因。然而流动状态不同， 则阻力大小也是不同的。液体在管道中流动时存在两种不同状态，,30,2.4.1流态及雷诺判据,液体在管道中流动时存在两种不同状态，可以通过雷诺实验验证。,31,2.4

15、.2能量损失类型,沿程压力损失：是指油液沿等直径管流动时所产生的压力损失。这类压 力损失是由于液体流动时各质点间运动速度不同，液体分子间及与管壁 间存在内外摩擦力导致液体流动必须消耗一部分能量来克服这部分阻力 而造成的。,圆管中的层流,在一般可以将液压系统中的压力损失分为沿程压力损失和局部压力损失 两大类。,32,2.4.2能量损失类型（续）,局部压力损失：是油液流动时经过局部障碍（如弯管、分支或管路截面 突然变化）时，由于液体的流向和速度的突然变化，在局部形成涡流， 引起油液质点间以及质点与固体壁面间相互碰撞和剧烈磨擦而产生的压 力损失 。,突然扩大处的局部损失,33,2.5流体流经孔口及缝

16、隙的力学特性,2.5.1流经孔口的力学特性,液体在薄壁小孔中的流动,液体流经小孔的情况可以根据孔长l与孔径d的比值分为三种情况：l/d0.5时， 称为薄壁小孔；0.5l/d4时，称为短孔；l/d4时，称为细长孔。,34,2.5.1流经孔口的力学特性,通过薄壁小孔的流量与液体粘度无关，因而流量受液体温度影响较小. 但流量与孔口前后压差的关系是非线性的。,Cd称为小孔流量系数，流量系数一般由实验确定 。p为小孔前后压差。,(1) 流经薄壁小孔的流量,35,2.5.1流经孔口的力学特性(续1）,液体流经细长小孔的流量将随液体温度的变化而变化。 但细长小孔的流量与孔前后的压差关系是线性的。,A是细长小

17、孔的通流截面积,(2)流经细长孔的流量,36,2.5.1流经孔口的力学特性(续2）,液流流经短孔的流量仍可用薄壁小孔的流量计算式，但其中的 流量系数不同 。,式中 A:孔的通流截面积，p:孔前后压差， m:由孔结构形式决定的指数,0.5m1 k:由孔口形式有关的系数 当孔为薄壁小孔时，m=0.5, 为细长小孔时m=1，,(3)统一的经过小孔的流量公式,37,2.5.2流经缝隙的力学特性,间隙中的流动一般为层流，一种是压差造成的流动称压差流动，另一 种是相对运动造成的流动称剪切流动，还有一种是在压差与剪切同时 作用下的流动其速度和流量是以上两种情况的线性叠加，其公式如下：,（a)上下两平板均固定

18、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。,（b)两平行平板有相对运动，速度为u0，但无 压差，这种流动称为纯剪切流动。,(1)平行平板间隙的平行流动,38,2.5.2流经缝隙的力学特性（续）,环形间隙间的平行流动包括圆柱环形间隙流动、圆锥状环形间隙的 流动以及圆环平面间隙的流动几种形式。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 。,(2) 环形间隙间的平行流动,39,2.6液压冲击及气蚀现象,2.6.1液压冲击现象,理想情况下冲击压力的变化规律,实际情况下冲击压力的变化规律,在液压系统中，当极快地换向或关闭液压回路时，致使液流速度急速地 改变(变向或停止)，由于流动液体的惯性或运动部件的惯性，会使系统 内的压力发生突然升高或降低，这种现象称为液压冲击(水力学中称为水 锤现象)。,40,2.6.1液压冲击现象,液压冲击引起的结果,减小液压冲击的措施,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速度 v管 5m/s ， v缸 10m/min。,3）加大管道直径，尽量缩短管路长度。,4）采用软管，以增加系统的弹性。,液压冲击峰值压力工作压力。