液压与气压传动案例教程项目1液压系统基本知识认知.ppt

1、,模块1.1 基本液压系统分析 模块1.2 液压系统工作介质选择 模块1.3 液体静力学分析 模块1.4 液体动力学分析 模块1.5 管道内压力损失的计算 模块1.6 液压冲击及空穴现象分析,项目1 液压系统基本知识认知,模块1.1 基本液压系统分析任务1.1.1 液压千斤顶工作状态分析液压传动的工作原理可以用一个液压千斤顶的工作原理来说明。图1-1-1是液压千斤顶的工作原理图。,图1-1-1 液压千斤顶的工作原理图,任务1.1.2 液压工作台工作状态分析1. 典型液压系统分析图1-1-2(a)所示的是一种半结构式的液压系统工作原理图。机床工作台的液压系统由油箱、滤油器、液压泵、溢流阀、开停阀

2、、节流阀、换向阀、液压缸以及连接这些元件的油管、接头组成。,图1-1-2 半结构式液压系统,从机床工作台液压系统的工作过程可以看出，一个完整的、能够正常工作的液压系统，应该由以下五个主要部分来组成：(1) 能源装置。 (2) 执行装置。 (3) 控制调节装置。 (4) 辅助装置。 (5) 工作介质。,2. 液压传动系统图的图形符号半结构式的液压系统具有直观性强、容易理解的优点。当液压系统发生故障时，检查十分方便， 但图形比较复杂，绘制比较麻烦。,图1-1-3所示为图1-1-2(a)系统采用液压系统图图形符号(GB786.11993)绘制的工作原理图。使用这些图形符号可使液压系统图简单明了，且便

3、于绘图。,图1-1-3 机床工作台液压系统的图形符号图,3. 液压传动的优缺点1) 液压传动的优点(1) 由于液压传动是油管连接，所以借助油管的连接可以方便灵活地布置传动机构，这是比机械传动优越的地方。 (2) 液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小。 (3) 液压传动可在大范围内实现无级调速。 (4) 液压传动均匀平稳，负载变化时速度较稳定。 (5) 液压装置易于实现过载保护。 (6) 液压传动容易实现自动化。 (7) 液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广使用。,液压传动的缺点主要体现在以下几个方面：(1) 液压系统中的漏油等因素，影响运动的平稳性和正确性，使得液压传

4、动不能保证严格的传动比。(2) 液压传动对油温的变化比较敏感，温度变化时，液体黏性变化，引起运动特性的变化，使得工作的稳定性受到影响，所以它不宜在温度变化很大的环境条件下工作。(3) 为了减少泄漏，以及为了满足某些性能上的要求，液压元件的配合件制造精度要求较高，加工工艺较复杂。(4) 液压传动要求有单独的能源，不像电源那样使用方便。(5) 液压系统发生故障不易检查和排除。,4. 液压传动在机械中的应用驱动机械运动的机构以及各种传动和操纵装置有多种形式。根据所用的部件和零件，可分为机械的、电气的、气动的、液压的传动装置，实际中经常还将不同的形式组合起来运用四位一体。由于具有很多优点，液压传动技术

5、发展得很快。,模块1.2 液压系统工作介质选择任务1.2.1 液压系统工作介质性质分析液压油是液压传动系统中的传动介质，还对液压装置的机构、零件起着润滑、冷却和防锈作用。由于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。合理的选用液压油是很重要的。,1. 黏性1) 动力黏度液体的黏度用来表示，是指液压在单位速度梯度下流动时单位面积上产生的内摩擦力。由于与力有关，所以又称动力黏度，或绝对黏度。它的法定计量单位为Pas，以前沿用的单位为P(泊，dyns/cm2，1 Pas=10 P=103cP(厘泊)。,2) 运动黏度动力黏度与液体密度的比值，称

6、为液体的运动黏度，以表示，即 (1-2-1),3) 相对黏度相对黏度又称条件黏度，它是按一定的测量条件制定的，然后再根据关系式换算出动力黏度或运动黏度。各国采用的测量条件是不同的，中国、德国等国采用恩氏黏度(E)，美国用赛氏黏度(SSU)，英国用雷氏黏度(R)等。,2. 液压油的分类1) 石油型液压油石油型液压油是以石油的精炼物为基础，加入抗氧化或抗磨剂等混合而成的液压油，不同性能、不同品种、不同精度则加入不同的添加剂。具体又分为普通液压油、专用液压油、抗磨液压油、高黏度指数液压油几类。2) 难燃液压油难燃液压油可分为合成液压油和含水液压油两类。合成液压油也称磷酸酯液压油；含水液压油包括两种，

7、即水乙二醇液压油与乳化液(包括油包水乳化液和水包油乳化液)。,3. 液压系统对液压油的要求(1) 适宜的黏度和良好的粘温性能。(2) 润滑性能好。 (3) 良好的化学稳定性，即对热、氧化、水解、相容都具有良好的稳定性。(4) 对液压装置及相对运动的元件具有良好的润滑性。(5) 对金属材料具有防锈性和防腐性。(6) 比热、热传导率大，热膨胀系数小。(7) 抗泡沫性好，抗乳化性好。(8) 油液纯净，含杂质量少。(9) 流动点和凝固点低，闪点(明火能使油面上油蒸气内燃，但油本身不燃烧的温度)和燃点高。,任务1.2.2 液压油的选用1. 液压油的选用正确而合理地选用液压油，是保证液压设备高效率正常运转

8、的前提。常见液压油系列品种见表1-2-1，液压油的牌号(即数字)表示在40下油液运动黏度的平均值(单位为cSt)。原名内为过去的牌号，其中的数字表示在50时油液运动黏度的平均值。,2. 液压油的污染与防护1) 液压油被污染的原因(1) 液压系统的管道及液压元件内的型砂、切屑、磨料、焊渣、锈片、灰尘等污垢在系统使用前冲洗时未被洗干净，在液压系统工作时，这些污垢就进入到液压油里。(2) 外界的灰尘、砂粒等。在液压系统工作过程中通过往复伸缩的活塞杆，流回油箱的漏油等进入液压油里。另外，在检修时，稍不注意也会使灰尘、棉绒等进入液压油里。(3) 液压系统本身也不断地产生污垢，而直接进入液压油里。如金属和

9、密封材料的磨损颗粒，过滤材料脱落的颗粒或纤维及油液因油温升高氧化变质而生成的胶状物等。,2) 油液污染的危害液压油污染严重时，直接影响液压系统的工作性能，不仅使液压系统经常发生故障，还会使液压元件寿命缩短。造成这些危害的原因主要是污垢中的颗粒。对于液压元件来说，由于这些固体颗粒进入到元件里，会使元件的滑动部分磨损加剧，并可能堵塞液压元件里的节流孔、阻尼孔，或使阀芯卡死，从而造成液压系统的故障。水分和空气的混入使液压油的润滑能力降低并使它加速氧化变质，产生气蚀，使液压元件加速腐蚀，使液压系统出现振动、爬行等。,3) 防止污染的措施(1) 使液压油在使用前保持清洁。 (2) 使液压系统在装配后、运

10、转前保持清洁。 (3) 使液压油在工作中保持清洁。 (4) 采用合适的滤油器，是控制液压油污染的重要手段。 (5) 定期更换液压油。 (6) 控制液压油的工作温度。,图1-2-1 蛇形管冷却器,图1-2-2 多管式冷却器,图1-2-3 翅片管式冷却器,模块1.3 液体静力学分析液压传动是以液体作为工作介质进行能量传递的，因此要研究液体处于相对平衡状态下的力学规律及其实际应用。所谓相对平衡，是指液体内部各质点间没有相对运动，液体本身完全可以和容器一起如同刚体一样做各种运动。因此，液体在相对平衡状态下不呈现黏性，不存在切应力，只有法向的压应力，即静压力。,任务1.3.1 液体静压力分析1. 液体静

11、压力的产生作用在液体上的力有两种类型：一种是质量力，另一种是表面力。质量力作用在液体所有质点上，它的大小与质量成正比，属于这种力的有重力、惯性力等。单位质量液体受到的质量力称为单位质量力，在数值上等于重力加速度。,所谓静压力，是指静止液体单位面积上所受的法向力，用p表示。液体内某质点处的法向力F对其微小面积A的极限称为压力p，即 (1-3-1)静压力具有下述两个重要特征：(1) 液体静压力垂直于作用面，其方向与该面的内法线方向一致。(2) 静止液体中，任何一点所受到的各方向的静压力都相等。,2. 液体静压力的分析静止液体内部受力情况可用图1-3-1(a)来说明。设容器中装满液体，在任意一点A处

12、取一微小面积dA，该点距液面深度为h，距坐标原点高度为Z，容器液平面距坐标原点为Z0。为了求得任意一点A的压力，可取dAh这个液柱为分离体(如图1-3-1(b)所示)。根据静压力的特性，作用于这个液柱上的力在各方向上都呈平衡，现求各作用力在Z方向上的平衡方程。,图1-3-1 静止液体的压力分布,微小液柱顶面上的作用力为p0dA(方向向下)，液柱本身的重力G=hdA(方向向下)，液柱底面对液柱的作用力为pdA(方向向上)，则平衡方程为 (1-3-2),由式(1-3-2)可知：(1) 静止液体内任一点处的压力由两部分组成：一部分是液面上的压力p0，另一部分是自重产生的压力gh。当液面上只受大气压力

13、p0作用时，则液体内任意一点处的静压力为 (1-3-3) (2) 静止液体内的压力随液体深度呈线性分布。(3) 在液面深度相同处各点的压力相等。压力相等的所有点组成的面叫做等压面。因此，在重力作用下静止液体中的等压面是水平面。,可通过下述三种方式使液面产生压力：(1) 通过固体壁面(如活塞)使液面产生压力。(2) 通过气体使液面产生压力。(3) 通过不同质的液体使液面产生压力。,3. 液体压力的表示方法液压系统中的压力就是指压强，液体压力通常有绝对压力、相对压力(也称表压力)、真空度三种表示方法。 根据上述归纳如下： (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)

14、 真空度大气压力绝对压力。,图1-3-2 绝对压力与表压力的关系,图1-3-3 真空,任务1.3.2 液体静力学计算1. 帕斯卡原理及应用密封容器内的静止液体，当边界上的压力p0发生变化时，例如增加p，则容器内任意一点的压力将增加同一数值，即p。也就是说，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。这就是帕斯卡原理或静压传递原理。,图1-3-4是应用帕斯卡原理的实例。图中垂直液压缸(负载缸)的截面积为A1，水平液压缸截面积为A2，两个活塞上的外作用力分别为F1、F2，则缸内压力分别为p1=F1/A1、p2=F2/A2。由于两缸充满液体且互相连接，根据帕斯卡原理有p1=p2，因此

15、有：(1-3-4),2. 帕斯卡原理的几点说明(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。(2) 如果垂直液压缸的活塞上没有负载，即F1=0，则当略去活塞重量及其他阻力时，不论怎样推动水平液压缸的活塞也不能在液体中形成压力。这说明液压系统中的压力是由外界负载决定的，这是液压传动的一个基本概念。,(3) 在液压传动中，略去液体自重产生的压力，液体中各点的静压力是均匀分布的，且垂直作用于受压表面。因此，当承受压力的表面为平面时，液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。如果压力油作用在直径为D的柱塞上，则

16、有F=pA=pD2/4。(4) 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。由数学可以证明：液体作用于曲面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，如图1-3-5所示。(5) 静止液体和固体壁面接触时，固体壁面上各点在某一方向上所受静压力的总和就是液体在这一方向上作用于固体壁面上的总压力。,图1-3-5 承受压力的表面为曲面时面积计算,模块1.4 液体动力学分析在液压传动系统中，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和作用在流体上的力以及这些力和流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

17、作用力和运动之间的关系。,任务1.4.1 液体动力学基础1. 液体流动分析参数选择1) 模型建立当液体流动时，可以将流动液体中空间任一点上质点的运动参数，压力p、流速v及密度表示为空间坐标和时间的函数，例如：,如果空间上的运动参数p、v及在不同的时间内都有确定的值(如图1-4-1(a)所示)，即它们只随空间点坐标的变化而变化，不随时间t变化，对液体的这种运动称为定常流动或恒定流动，可表示为,图1-4-1 定常流动与非定常流动,2) 迹线、流线、流管、流束和通流截面(1) 迹线：迹线是流场中液体质点在一段时间内运动的轨迹线。(2) 流线：流线是流场中液体质点在某一瞬间运动状态的一条空间曲线。在该

18、线上各点的液体质点的速度方向与曲线在该点的切线方向重合。 (3) 流管：某一瞬时t在流场中画一封闭曲线，经过曲线的每一点作流线，由这些流线组成的表面称流管。(4) 流束：充满在流管内的流线的总体，称为流束，如图1-4-2(b)所示。(5) 通流截面：垂直于流束的截面称为通流截面。,图1-4-2 流线和流束,3) 流量和平均流速(1) 流量：单位时间内通过通流截面液体的体积称为流量，用q表示，流量的常用单位为升/分(L/min)。对微小流束，通过dA上的流量为dq，其表达式为 (1-4-1) 当已知通流截面上的流速u的变化规律时，可以由上式求出实际流量。,(2) 平均流速：在实际液体流动中，由于

19、黏性摩擦力的作用，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流速均为平均流速，用v来表示，则通过通流截面的流量就等于平均流速乘以通流截面积。令此流量与上述实际流量相等，得(1-4-2),2. 液体流动状态分析实际液体具有黏性，是产生流动阻力的根本原因。然而流动状态不同，阻力大小也是不同的。所以先研究两种不同的流动状态层流和紊流。,图1-4-3 雷诺试验,实验证明，液体在圆管中的流动状态不仅与管内的平均流速v有关，还和管径d、液体的运动黏度有关。但是，真正决定液流状态的，却是这三个参数所组成的一个称为雷诺数Re的无量纲纯数: (1-4-3),对于非阀截面的

20、管道来说，Re可用下式计算 (1-4-4)式中：r为流截面的水力半径，它等于液流的有效截面积A和它的湿周(有效截面的周界长度)x之比，即 (1-4-5),任务1.4.2 液体动力学计算1. 连续性方程的计算质量守恒是自然界的客观规律，不可压缩液体的流动过程也遵守能量守恒定律。在流体力学中这个规律用称为连续性方程的数学形式来表示。任取一段流管，如图1-4-4所示，其中不可压缩流体作定常流动的连续性方程为 (1-4-6),式(1-4-6)表明通过流管内任一通流截面上的流量相等。则有任一通流断面上的平均流速为 (1-4-7),图1-4-4 液体的微小流束连续性流动示意图,2. 伯努利方程的计算1)

21、理想液体微小流束的伯努利方程由图1-4-5可得，理想液体微小流束的伯努利方程为 (1-4-8),图1-4-5 液流能量方程关系转换图,2) 实际液体微小流束的伯努利方程由于液体存在着黏性，其黏性力在起作用，并表示为对液体流动的阻力，实际液体的流动要克服这些阻力，表示为机械能的消耗和损失，因此，当液体流动时，液流的总能量或总比能在不断地减少。所以，实际液体微小流束的伯努力方程为 (1-4-9),3) 实际液体的伯努利方程 (1-4-10),实际液体伯努利方程的适用条件为(1) 稳定流动的不可压缩液体，即密度为常数。(2) 液体所受质量力只有重力，忽略惯性力的影响。(3) 所选择的两个通流截面必须

22、在同一个连续流动的流场中是渐变流(即流线近于平行线，有效截面近于平面)，而不考虑两截面间的流动状况。,3. 动量方程的计算由图1-4-6得出流动液体的动量方程为 (1-4-11),图1-4-6 动量变化,模块1.5 管道内压力损失的计算实际黏性液体在流动时存在阻力，为了克服阻力就要消耗一部分能量，这样就存在着能量损失。在液压传动中，能量损失主要表现为压力损失(hw)。液压系统中的压力损失分为两类：一类是沿程压力损失，另一类是局部压力损失。,1. 沿程压力损失1) 层流时的压力损失(1) 液体在流通截面上的速度分布规律。图1-5-1所示为液体在半径为R的水平圆管中作稳定层流时的情况。在图中的管内

23、取出一段半径为r，长度为l，与管轴相重合的微小圆柱体，作用在其两端面上的压力为p1和p2，作用在侧面上的内摩擦力为 (1-5-1)由数学工具可以求得速度分布表达式为 (1-5-2),图1-5-1 圆管中的层流,由式(1-5-2)可以看出，液体在管中作层流流动时，速度对称于管路轴线，并按抛物线规律分布。最大速度发生在轴线上，即r=0处速度最大，有 (1-5-3),(2) 通过管道的流量。在半径r处取一厚度为dr的微小圆环面积，则通过圆管的流量为 (1-5-4),(3) 管道内的平均流速。管道内的平均流速可表示为 (1-5-5) 由式(1-5-5)可知，平均流速为管子中心线上最大流速的一半。,(4

24、) 沿程压力损失。若管中是层流流动，由式(1-5-4)和式(1-5-5)可得到 (1-5-6) 将式(1-5-6)经适当变换可得到 (1-5-7),2) 紊流时的压力损失紊流的重要特性之一是液体各质点不再是有规则的轴向运动，而是在运动过程中互相渗混和脉动。这种极不规则的运动，引起质点间的碰撞，并形成旋涡，使紊流能量损失比层流大得多。,2. 局部压力损失局部压力损失是液体流经阀口、弯管、通流截面变化等所引起的压力损失。液流通过这些地方时，由于液流方向和速度均发生变化，形成旋涡(如图1-5-2)，使液体的质点间相互撞击，从而产生较大的能量损耗。,图1-5-2 突然扩大处的局部损失,局部压力损失的计算如下： (1-5-8),3. 管路系统中的总压力损失管路系统的总压力损失等于所有沿程压力损失和所有局部压力损失之和，即 (1-5-9),模块1.6 液压冲击及空穴现象分析1. 液压冲击现象分析在液压系统中，当快速地换向或关闭液压回路时，会使液流速度急速地改变(