液压传动的基础知识.ppt

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1、第一章第一章 液压传动的基础知识液压传动的基础知识 n液压油的基本性质液压油的基本性质n静止液体的力学规律静止液体的力学规律n流动液体的力学规律流动液体的力学规律n管路系统流动分析管路系统流动分析n液压系统的气穴与液压冲击现象液压系统的气穴与液压冲击现象1.1 液压油的液压油的基本性基本性质质 n液压油的分类液压油的分类n液压油的主要物理性质液压油的主要物理性质 n液压油的选择液压油的选择 液压油的分类：液压油的分类：1、液压油的作用、液压油的作用:传动、润滑、冷却和防锈传动、润滑、冷却和防锈 2、分类：、分类：石油基液压油石油基液压油 合成液压油合成液压油磷酸酯液压油磷酸酯液压油 难燃液压油

2、难燃液压油 水水乙二醇液压油乙二醇液压油 含水液压油含水液压油 油包税乳化液油包税乳化液 乳化液乳化液 水包油乳化油水包油乳化油1.1.2 液压油的主要物理性质液压油的主要物理性质一、密度一、密度：单位体积液体的质量单位体积液体的质量 式中式中 m m：液体的质量：液体的质量(kg)(kg)；V V：液体的体积（：液体的体积（m m3 3）；）；=900 kg/m =900 kg/m3 3 n可压缩性：可压缩性：液体受压力作用而发生体积变化的性质。液体受压力作用而发生体积变化的性质。可用体积压缩系数可用体积压缩系数或体积弹性模量或体积弹性模量K K表示表示 n体积压缩系数体积压缩系数：单位压力

3、变化所引起的体积相对单位压力变化所引起的体积相对变化量，变化量，（m m2 2/N/N）式中式中 V V：液体加压前的体积（：液体加压前的体积（m m3 3）；）；V V：加压后液体体积变化量（：加压后液体体积变化量（m m3 3）；）；p p：液体压力变化量（：液体压力变化量（N/mN/m2 2）；）；n体体积积弹弹性性模模量量K K（N/N/m m2 2）：液液体体体体积积压压缩缩系系数数的倒数的倒数 计算时常取计算时常取K=710K=7108 8 N/m N/m2 2 二、可压缩性：二、可压缩性：三、粘度三、粘度n液体的液体的粘性粘性：液体在流动时产生内摩擦力的特性液体在流动时产生内摩擦

4、力的特性 静止液体则不显示粘性静止液体则不显示粘性 n液体的液体的粘度粘度：液体粘性的大小可用粘度来衡量。液体粘性的大小可用粘度来衡量。粘度是液体的根本特性，也是选择液压油的最重要指粘度是液体的根本特性，也是选择液压油的最重要指标标 常用的粘度有三种不同单位：即动力粘度、运动粘度常用的粘度有三种不同单位：即动力粘度、运动粘度和相对粘度和相对粘度 动力粘度（绝对粘度）动力粘度（绝对粘度）n牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 式中 :称为动力粘度系数（Pas）:单位面积上的摩擦力（即剪切应力）:速度梯度，即液层间速度对液层距离的变化率n物物理理意意义义 ：当当速速度度梯梯度度为为1 1时时接接触触液液层

5、层间间单单位位面面积积上的内摩擦力上的内摩擦力 n法定计量单位法定计量单位：帕帕秒（秒（PasPas）图1-4 液体粘性示意图运动粘度运动粘度 n定义：定义：动力粘度动力粘度与密度与密度之比之比 n法定计量单位：m2/s 由于的单位中只有运动学要素，故称为运动粘度。液压油的粘度等级就是以其40C时运动粘度的某一平均值来表示，如L-HM32液压油的粘度等级为32，则40C时其运动粘度的平均值为32mm2/s 粘温特性 n定义：粘度随温度变化的特性 图1-5 几种国产油液粘温图1.1.3 液压油的选择液压油的选择n液压油的要求液压油的要求 n液压油的选择液压油的选择：1、优先考虑粘性优先考虑粘性

6、=11.5 41.3 即即 20、30、40号液压油号液压油2.2.按工作压力按工作压力 p 高，选高，选大；大；p 低，选低，选小小3.3.按环境温度按环境温度 T 高，选高，选大；大；T 低，选低，选小小4.4.按运动速度按运动速度 v 高，选高，选小；小；v 低，选低，选大大5.5.其他其他 环境环境 （污染、抗燃）（污染、抗燃）经济（价格、使用寿命）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）特殊要求（精密机床、野外工作的工程机械）1.2 静止液体的力学规律静止液体的力学规律n液体的静压力液体的静压力n静压力基本方程静压力基本方程n静压力基本方程的物理意义静压力基本方

7、程的物理意义n压力的计量单位压力的计量单位n压力的传递压力的传递n液体静压力对固体壁面的作用力液体静压力对固体壁面的作用力1.2.1 液体的静压力液体的静压力n静压力静压力:是指液体处于静止状态时是指液体处于静止状态时,其单位面其单位面积上所受的法向作用力积上所受的法向作用力n若包含液体某点的微小面积若包含液体某点的微小面积AA上所作用的法向力为上所作用的法向力为FF，则该点的静压力，则该点的静压力p p定义为：定义为：n若法向力若法向力F F均匀地作用在面积均匀地作用在面积A A上，则压力可表示为上，则压力可表示为:n静压力的特性静压力的特性:n液体的静压力的方向总是沿着作用面的内法线液体的

8、静压力的方向总是沿着作用面的内法线方向方向n静止液体中任何一点所受到各个方向的压力都静止液体中任何一点所受到各个方向的压力都相等相等1.2.2 液体静压力的基本方程液体静压力的基本方程n液体静压力基本方程液体静压力基本方程:反映了在重力作用下静止液体中的压反映了在重力作用下静止液体中的压力分布规律力分布规律 p=po+ghnp p是静止液体中深度为是静止液体中深度为h h处的任意点上的处的任意点上的 压力压力,p,p0 0 为液面上的压力，若液面为与为液面上的压力，若液面为与 大气接触的表面，则大气接触的表面，则p p0 0等于大气压等于大气压p p。n同一容器同一液体中的静压力随着深度同一容

9、器同一液体中的静压力随着深度 h h的增加线性地增加的增加线性地增加 n同一液体中深度同一液体中深度h h相同的各点压力都相等相同的各点压力都相等.在重力作用下静止液体中的等压面是深度（与液面的距离）相同的水平在重力作用下静止液体中的等压面是深度（与液面的距离）相同的水平面面 图21重心作用下的静止液体2.2.3 静压力基本方程物理意义静压力基本方程物理意义np=p0+g(z0-z)n +z=+z0=C Z:单位重量液体的位能,称位置水头 :单位重量液体的压力能,称压力水头n物理意义物理意义:静止液体具有两种能量形式，即压力能与位能。静止液体具有两种能量形式，即压力能与位能。这两种能量形式可以

10、相互转换，但其总和对液体中的每一这两种能量形式可以相互转换，但其总和对液体中的每一点都保持不变为恒值，因此静压力基本方程从本质上反映点都保持不变为恒值，因此静压力基本方程从本质上反映了静止液体中的能量守恒关系了静止液体中的能量守恒关系.1.2.4 压力的计量单位压力的计量单位n法定单位法定单位:牛顿/米2(N/m2)即帕（Pa）1 MPa=106Pan单位换算单位换算:1工程大气压（at）=1公斤力/厘米2（kgf/m2）105帕=0.1 MPa 1米水柱（mH20）=9.8103Pa 1毫米汞柱（mmHg）=1.33102Pa n相对压力（表压力）相对压力（表压力）:以大气压力为基准，测量所

11、得的压力是高于大气压的部分 n绝对压力绝对压力:以绝对零压为基准测得的压力 绝对压力绝对压力=相对压力相对压力+大气压力大气压力 n真空度真空度:如果液体中某点的绝对压力小于大气压力，则称该点出现真空。此时相对压力为负值，常将这一负相对压力的绝对值称为该点的真空度 真空度真空度=|=|负的相对压力负的相对压力|=|=|绝对压力绝对压力-大气压力大气压力|图22 绝对压力、相对压力和真空度1.2.5 压力的传递压力的传递n帕斯卡原理帕斯卡原理:若在处于密封容器中静止液体的部分边界面若在处于密封容器中静止液体的部分边界面上施加外力使其压力发生变化，只要液体仍保持其原来的静止状上施加外力使其压力发生

12、变化，只要液体仍保持其原来的静止状态不变，则液体中任一点的压力均将发生同样大小的变化态不变，则液体中任一点的压力均将发生同样大小的变化n液压传动是依据帕斯卡原理液压传动是依据帕斯卡原理 实现力的传递、放大和方向实现力的传递、放大和方向 变换的变换的 n液压系统的压力完全决定于液压系统的压力完全决定于 外负载外负载 图2-4帕斯卡原理应用1.2.6 液体静压力对固体壁面的作用力液体静压力对固体壁面的作用力n当承受压力的固体壁面为平面时当承受压力的固体壁面为平面时:则作用在其上的总作用力等于压力与该壁面面积之积 n如果承受压力的固体壁面是曲面时如果承受压力的固体壁面是曲面时:曲面上总作用力在某一方

13、向上的分力等于曲面在与该方向垂直平面内的投影面积与静压力的乘积。一、力的放大一、力的放大二、压力的放大二、压力的放大1.2.7 流体静力学在液压技术中的应用流体静力学在液压技术中的应用1.3 流动液体的力学规律流动液体的力学规律n基本概念基本概念n连续性方程连续性方程n伯努利方程伯努利方程1.3.1 基本概念基本概念n理想液体理想液体:既不可压缩又无粘性的液体n实际液体实际液体:既可以可压缩又具有粘性的液体n一维定常流动一维定常流动:即流场中速度与压力只是空间点的位置的函数而与时间无关，则称流场中的流动为定常流动。迹线、流线、流束迹线、流线、流束、流管、流管 n迹线：迹线：迹线是流场中液体质点

14、在一段时间内运动的轨迹线。n流线流线：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。(a)流线 (b)流束 n 流管：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。n流束：流束：充满在流管内的流线的总体，称为流束。n通流截面通流截面:在流场中作一面。若该面与通过面上的每一条流线都垂直，则称该面为通流截面 n流量流量:单位时间内流过某通流截面的流体体积 法定单位:米3/秒(m3/s)工程中常用升/分（L/min）n通流截面上的平均流速:图27 流线、流束与通流截面n流动液体中的压力和能量流动液体中的压力和能量:由于存在运动，所以理想流体流动时除

15、了具有压力能与位能外，还具有动能。即流动理想流体具有压力能，位能和动能三种能量形式n单位重量的压力能单位重量的压力能:n单位重量的位能单位重量的位能:Z Zn单位重量的动能单位重量的动能:1.3.2 连续性方程连续性方程:质量守恒定律在流动液体情况下的具体应用nq=q=A=A=常数常数 n不可压缩流体作定常流动时，通过流束（或管道）的任一通流截面的流量相等n通过通流截面的流速则与通流截面的面积成反比 1.3.3 伯努利方程伯努利方程(能量方程):能量守恒定律在流动液体中的表达形式n理想液体的伯努利方程n实际液体的伯努利方程n伯努利方程应用实例理想液体的伯努利方程理想液体的伯努利方程图2-8 伯

16、努利方程推导简图n理想液体定常流动时，液体的任一 通流截面上的总比能（单位重量液 体的总能量）保持为定值。总比能由比压能（）、比位能（Z）和比动能（）组成，可以相互转化。实际液体的伯努利方程实际液体的伯努利方程n:动能修正系数,为截面上单位时间内流过液体所具有的实际动能，与按截面上平均流速计算的动能之比（层流时=2，紊流时=1）n :单位重量液体所消耗的能量 伯努利方程应用实例伯努利方程应用实例n液压泵吸油口处的真空度是油箱 液面压力与吸油口处压力p2之差。n液压泵吸油口处的真空度却不能 太大.实践中一般要求液压泵的 吸油口的高度h不超过米.图2-10 液压泵从油箱吸油1.4 管路系统流动分析

17、管路系统流动分析n两种流动状态两种流动状态n定常管流的压力损失定常管流的压力损失n通过小孔的流动通过小孔的流动n通过间隙的流动通过间隙的流动1.4.1 两种流动状态两种流动状态n层流层流 n紊流紊流 n雷诺数雷诺数:液体在圆管中的流动状态决定于由管道中流体的液体在圆管中的流动状态决定于由管道中流体的平均流速平均流速、管道直径、管道直径d d和液体运动粘度这三个参数所组成和液体运动粘度这三个参数所组成的无量纲数的大小的无量纲数的大小:n流动液体的雷诺数低于临界雷诺数(由紊流转变为层流)时，流动状态为层流，反之液流的状态为紊流n雷诺数的物理意义雷诺数的物理意义:流动液体的惯性力与粘性力之比流动液体

18、的惯性力与粘性力之比 层流：层流：在液体运动时，如果质点没有横向脉动，不引起在液体运动时，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，这种流动称为层流流束状态，这种流动称为层流 紊流：紊流：如果液体流动时质点具有脉动速度，引起流层间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，这种流动称为紊流质点相互错杂交换，这种流动称为紊流 。1.4.2 沿程压力损失沿程压力损失层流时层流时管截面上的速度分布 1.4.2.2 流量流量 式中 d:管道内径（m）；l:管道长度（m）；:流体的动力粘度（NS/m2）

19、；=p1-p2:管道两端的压力差（N/m2）；:沿程压力损失系数,其理论值为 .当流动液体为液压油时，1.4.2.3 层流是时层流是时沿程压力损失沿程压力损失:沿程压力损失系数与Re有关还与管壁Ra有关 1.4.2.4 紊流是时紊流是时沿程压力损失沿程压力损失n局部压力损失局部压力损失pp:在流经阀口、管道截面变化、在流经阀口、管道截面变化、弯曲等处时，由于流动方向和速度变化及复杂的流动现象弯曲等处时，由于流动方向和速度变化及复杂的流动现象(旋涡，二次流等旋涡，二次流等)而造成局部能量损失而造成局部能量损失 称为局部压力损失系数称为局部压力损失系数 1.4.3 局部压力损失局部压力损失1.4.

20、定常管流的压力损失定常管流的压力损失n管路系统的压力损失和压力效率管路系统的压力损失和压力效率:整个管路系统的总压力损失是系统中所有直管的沿程压力损失和所有局部压力损失之和n使用条件:管路系统中两相邻局部压力损失之间距离足够大（相连管径的10-20倍）n系统动力元件所供的工作压力:n管路系统的压力效率 1.1.通过小孔的流动通过小孔的流动 在液压与气压传动中常用通过改变阀口通流截面积或通过通流通道的长短来控制流量的节流装置节流装置来实现流量控制。这种节流装置的通流截面一般为不同形式的小孔。n通过薄壁小孔通过薄壁小孔(孔的通流长度孔的通流长度l l与孔径与孔径d d之比之比l/d0.5)l/d0

21、.5)n通过短孔通过短孔n通通过细长过细长小孔小孔(小孔的长径比小孔的长径比l/d4)l/d4)1.5.1 1.5.1 通过通过薄壁小孔薄壁小孔的流动的流动 称为小孔流量系数 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 图2-15 液体在薄壁小孔中的流动图2-15 液体在薄壁小孔中的流动1.5.2 1.5.2 通通过过细长细长小孔小孔的流的流动动 是细长小孔的通流截面积n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1.5.3 通过小孔的流动通过小孔的流动n统一的经过小孔的流量公式统一的经过小孔

22、的流量公式 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，当孔为薄壁小孔时，m=0.5,m=0.5,为细长小孔时为细长小孔时m=1m=1，1.6 通过间隙的流动通过间隙的流动n配合间隙配合间隙n泄漏泄漏:当流体流经这些间隙时就会发生从压力高处经过间当流体流经这些间隙时就会发生从压力高处经过间隙流到系统中压力低处或直接进入大气的现象隙流到系统中压力低处或直接进入大气的现象(前者称为内前者称为内泄漏，后者称为外泄漏泄漏，后者称为外泄漏)n泄漏主要是由压力差与间隙造成的泄漏主要是由压力差与间隙造成的n油液在间隙中的流动状态一般是层流油液在间隙中的流动状态一般是层流 液压系统的气穴与液压冲击现象液压系统的气穴与液压冲击现象n气穴气穴(空穴空穴):在流动液体中，由于某点处的压力在流动液体中，由于某点处的压力低于空气分离压而产生汽泡的现象低于空气分离压而产生汽泡的现象n液压冲击液压冲击:在液压系统中由于某种原因，液体压在液压系统中由于某种原因，液体压力在一瞬间会突然升高力在一瞬间会突然升高,产生很高的压力峰值产生很高的压力峰值,这这种现象称为液压冲击种现象称为液压冲击