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1、液气压传动与控制技术主讲：南安市工业学校主讲：南安市工业学校 齐秀丽齐秀丽第二章第二章 液压传动力学基础液压传动力学基础v2.1 2.1 液压油液压油v2.2 2.2 液体静力学液体静力学v2.3 2.3 液体动力学液体动力学v2.4 2.4 液体流动时的压力损失液体流动时的压力损失v2.5 2.5 液体流经小孔及缝隙的流量液体流经小孔及缝隙的流量v2.6 2.6 液压冲击及空穴现象液压冲击及空穴现象目的任务目的任务了解油液性质、静压特性、方程、传递规律了解油液性质、静压特性、方程、传递规律 掌握静力学基本方程、压力表达式和结论掌握静力学基本方程、压力表达式和结论重点难点重点难点液压油的粘性和
2、粘度液压油的粘性和粘度粘温特性粘温特性静压特性静压特性压力形成压力形成静力学基本方程静力学基本方程提问作业提问作业1、什么叫液压传动？液压传动的特点是什么？、什么叫液压传动？液压传动的特点是什么？2、液压传动系统的组成和作用各是什么？、液压传动系统的组成和作用各是什么？2.1 液压油2.1.1液压油的物理性质液压油的物理性质2.1.2对液压油的要求及选用对液压油的要求及选用2.1.12.1.1 液压油的物理性质1液体的密度液体的密度2液体的粘性液体的粘性3液体的可压缩液体的可压缩4其他性质其他性质液体的密度密度单位体积液体的质量 =m/v kg/m3 密度随着温度或压力的变化而变化，但 变 化
3、 不 大，通 常 忽 略，一 般 取=900kg/m3的大小。粘性的物理本质 液体在外力作用下流动时,由于液体分子间的内聚力和液体分子与壁面间的附着力,导致液体分子间相对运动而产生的内摩擦力,这种特性称为粘性.或:流动液体流层之间产生内部摩擦阻力的性质.粘性的物理本质内摩擦力表达式内摩擦力表达式F=Adu/dy液体静止时液体静止时du/dy=0静止液体不呈现粘性静止液体不呈现粘性牛顿液体内摩擦定律液层间的内摩擦力与液层接触面积及液层之间液层间的内摩擦力与液层接触面积及液层之间的速度成正比。的速度成正比。动力粘度动力粘度运动粘度运动粘度相对粘度相对粘度0E 粘 度衡量粘性大小的物理量衡量粘性大小
4、的物理量动力粘度公式公式:=F/A=du/dy（N/m2）=dy/du（Ns/m2）动力粘度物理意义液体在单位速度梯度下流动时，液体在单位速度梯度下流动时，接触液层间单位面积上内摩擦力接触液层间单位面积上内摩擦力。动力粘度单位国际单位（国际单位（SI制）中：制）中：帕帕秒（秒（PaS）或牛顿或牛顿秒秒/米米2（NS/m2）；）；以前沿用单位（以前沿用单位（CGS制）中：制）中：泊（泊（P）或厘泊（或厘泊（CP）达因）达因秒秒/2dynS/cm2）换算关系：换算关系：1PaS=10P=103CP运动粘度动力粘度与液体密度之比值动力粘度与液体密度之比值运动粘度公式=/（m2/S）相对粘度0E 、不
5、易直接测量，只用于理论计算不易直接测量，只用于理论计算 常用相对粘度常用相对粘度换算关系恩氏粘度与运动粘度之间的换算关系恩氏粘度与运动粘度之间的换算关系=（7.310E-6.31/0E）10-6液体的体积压缩系数定义定义：定义：体积为体积为v的液体的液体,当压力增大当压力增大 p时时,体积减小体积减小v,液体在单位压力变化液体在单位压力变化下体积的相对变化量即为下体积的相对变化量即为体积压缩系数体积压缩系数。液体的体积压缩系数公式=-v/p v=（5-7）x10-10 m2/N液体的体积压缩系数物理意义 单位压力所引起液体体积的变化单位压力所引起液体体积的变化pv为保证为保证为正值，式中须加负
6、号为正值，式中须加负号液体的体积弹性模数公式 k=1/=-p v/v液体的体积弹性模数定义液体压缩系数的倒数液体压缩系数的倒数液体的体积弹性模数物理意义 表示单位体积相对变化量所需要的压力增量，也即液体抵抗压缩能力的大小。一般认为油液不可压缩（因压缩性很小），计算时取：k=（1.4-1.9）109 N/m2 若分析动态特性或p变化很大的高压系统,则必须考虑。液体的其它性质1、粘度和压力的关系粘度和压力的关系P，F，随随p而而，压压力力较较小小时时忽忽略略，32Mpa以上才考虑以上才考虑2、粘度和温度的关系、粘度和温度的关系 温度温度，内聚力，内聚力，粘粘 度度 随随 温温 度度 变变 化化 的
7、的 关关 系系 叫叫 粘粘 温温特特性性，粘粘度度随随温温度度的的变变化化较较小小，即即粘粘温特性较好。温特性较好。2.1.2对液压油的要求及选用1.对液压油的要求对液压油的要求2.液压油的选择液压油的选择液压油的任务：工作介质工作介质传递运动和动力传递运动和动力润滑剂润滑剂润滑运动部件润滑运动部件对液压油的要求（1）具有合适的粘度和良好的粘温特性；）具有合适的粘度和良好的粘温特性；（2）具有良好的热稳定性和氧化稳定性；）具有良好的热稳定性和氧化稳定性；（3）具有良好的抗泡沫性和空气释放性；）具有良好的抗泡沫性和空气释放性；（4）高高温温下下有有较较高高的的闪闪点点，防防火火，低低温温下下具具
8、有有较较低低的的凝凝点；点；（5）具有良好的防腐性，抗磨性和防锈性；）具有良好的防腐性，抗磨性和防锈性；（6）具有良好的抗乳化性；）具有良好的抗乳化性；（7）质质量量纯纯净净，不不含含或或含含有有极极少少量量的的杂杂质质，水水分分和和水水溶溶性酸碱等。性酸碱等。液压油的选择1选择液压油品种选择液压油品种2选择液压油粘度选择液压油粘度液压油的类型机械油机械油精密机床液压油精密机床液压油气轮机油气轮机油变压器油等变压器油等 液压油选择首先根据工作条件首先根据工作条件（v、p、T）和元件类型选择和元件类型选择油液品种，然后根据粘度选择牌号油液品种，然后根据粘度选择牌号慢速、高压、高温：慢速、高压、高
9、温：大（以大（以q）通常通常快速、低压、低温：快速、低压、低温：小（以小（以P）液压油的污染和维护2.2 液体静力学研究内容研究内容：研究液体处于静止状态的力学规律：研究液体处于静止状态的力学规律和这些规律的实际应用。和这些规律的实际应用。静静止止液液体体指指液液体体内内部部质质点点之之间间没没有有相相对对运运动动，至至于液体整体完全可以象刚体一样做各种运动。于液体整体完全可以象刚体一样做各种运动。2.2.1液体的静压力及特性液体的静压力及特性2.2.2液体静力学基本方程式液体静力学基本方程式2.2.3压力的表示方法及单位压力的表示方法及单位2.2.4静压传递原理静压传递原理2.2.5液体对固
10、体壁面的作用力液体对固体壁面的作用力 液体的静压力及特性作用于液体上的力：作用于液体上的力：质量力（重力、惯性力）质量力（重力、惯性力）作用于液体的所有质作用于液体的所有质点；点；表表面面力力（法法向向力力、切切向向力力、其其它它物物体体或或容容器器对对液液体体、一一部部分分液液体体作作用用于于令令一一部部分分液液体体等等）作作用用于于液液体体的的表表面；面；液体的静压力定义液体单位面积上所受的法向力，物理学中液体单位面积上所受的法向力，物理学中称压强，液压传动中习惯称压力。称压强，液压传动中习惯称压力。液体静压力特性（1）垂直并指向于承压表面）垂直并指向于承压表面液体在静止状态下不呈现粘性液
11、体在静止状态下不呈现粘性内部不存在切向剪应力而只有内部不存在切向剪应力而只有法向应力法向应力（2）各向压力相等）各向压力相等有一向压力不等，液体就会流动有一向压力不等，液体就会流动各向压力必须相等各向压力必须相等 液体静力学基本方程例：计算静止液体内任意点例：计算静止液体内任意点A处的压力处的压力p pdA=p0dA+G=p0dA+ghdA p=p0+gh hGPP0AdA重力作用下静止液体压力分布特征(1)静止液体中任一点处的压力由两部分静止液体中任一点处的压力由两部分液面压力液面压力p0液体自重所形成的压力液体自重所形成的压力gh(2)静止液体内压力沿液深呈线性规律分布静止液体内压力沿液深
12、呈线性规律分布(3)离液面深度相同处各点的压力均相等，离液面深度相同处各点的压力均相等，压力相等的点组成的面叫等压面压力相等的点组成的面叫等压面.测压两基准绝对压力绝对压力以绝对零压为基准所测以绝对零压为基准所测相对压力相对压力*以大气压力为基准所测以大气压力为基准所测 2.2.3 压力的表示方法及单位关系绝对压力绝对压力=大气压力大气压力+相对压力相对压力或或相对压力（表压）相对压力（表压）=绝对压力绝对压力大气压力大气压力注：液压传动系统中所测压力均为相对压力即表压力注：液压传动系统中所测压力均为相对压力即表压力真空度真空度=大气压力大气压力绝对压力绝对压力ppap=pappap=0 帕斯
13、卡原理（静压传递原理）帕斯卡原理（静压传递原理）在密闭容器内，液体表面的压力可等值传递到液体内部所有各点。根据帕斯卡原理：p=F/A 2.2.4 静压传递原理液压系统压力形成液压系统压力形成p=F/AF=0p=0FpFp结论：液压系统的工作压力结论：液压系统的工作压力取决于负载，并且取决于负载，并且随着负随着负载的变化而变化。载的变化而变化。FA2.2.5 液体对固体壁面的作用力 作用在平面上的总作用力作用在平面上的总作用力作用在平面上的总作用力F=pA 如：液压缸，若设活塞直径为D,则F=pA=pD2/4 作用在曲面上的总作用力作用在曲面上的总作用力 作用在曲面上的总作用力Fx=pAx结论：
14、曲面在某一方向上所受的 作用力，等于液体压力与 曲面在该方向的垂直投影 面积之乘积。2.3 液体动力学目的任务：目的任务：了解流动液体特性、传递规律掌握动力学了解流动液体特性、传递规律掌握动力学三大方程、流量和结论三大方程、流量和结论重点难点：重点难点：流量与流速关系及结论三大方程及结论、流量与流速关系及结论三大方程及结论、物理意义物理意义研究内容研究内容:研究液体运动和引起运动的原因，即研研究液体运动和引起运动的原因，即研究液体流动时流速和压力之间的关系（或液压传动究液体流动时流速和压力之间的关系（或液压传动两个基本参数的变化规律）两个基本参数的变化规律）主要讨论主要讨论:动力学三个基本方程
15、动力学三个基本方程2.3.1 基本概念理想液体、恒定流动1，理想液体：理想液体：既无粘性又不可压缩的液体既无粘性又不可压缩的液体2，恒定流动（稳定流动、定常流动）：恒定流动（稳定流动、定常流动）：流动液体中任一点的流动液体中任一点的p、u和和都不随时间而变化流动都不随时间而变化流动.基本概念v流线、流管和流束流线、流管和流束v1 流线：某一瞬时液流中各处质点运动状态的一条条曲线v2 流束：通过某截面上所有各点作出的流线集合构成流束v3 通流截面：流束中所有与流线正交的截面（垂直于液体流动方向的截面）2.3.1 基本概念流量和平均流速流量：流量：单位时间内流过某通流截面液体体积单位时间内流过某通
16、流截面液体体积qdq=v/t=udA整个过流断面的流量：整个过流断面的流量：q=AudA平均流速：平均流速：通流截面上各点均匀分布假想流速通流截面上各点均匀分布假想流速q=vA=AudAv=q/A液压缸的运动速度 A vv=q/Aq=0v=0qqvqv结论：结论：液压缸的运动速度取决于进入液压液压缸的运动速度取决于进入液压缸的流量，并且随着流量的变化而变化。缸的流量，并且随着流量的变化而变化。2.3.2 连续性方程质量守恒定律在流体力学中的应用质量守恒定律在流体力学中的应用 1连续性原理连续性原理:理想液体在管道中恒定流动时，根据理想液体在管道中恒定流动时，根据质量守恒定律，液体在管道内既不能
17、增多，也不能质量守恒定律，液体在管道内既不能增多，也不能减少，因此单位时间内流入液体的质量应恒等于流减少，因此单位时间内流入液体的质量应恒等于流出液体的质量。出液体的质量。连续性方程2连续性方程连续性方程:m1=m21u1dA1dt=2u2dA2dt若忽略液体可压缩性若忽略液体可压缩性1=2=u1dA1=u2dA2Au1dA1=Au2dA2则则v1A1=v2A2或或q=vA=常数常数结论：结论：液体在管道中流动时，流过各个断面的流量液体在管道中流动时，流过各个断面的流量是相等的，因而流速和过流断面成反比。是相等的，因而流速和过流断面成反比。2、3、3 伯努利方程能量守恒定律在流体力学中的应用能
18、量守恒定律在流体力学中的应用 能量守恒定律：能量守恒定律：理想液体在管道中稳定流理想液体在管道中稳定流动时，根动时，根据能量守恒定律，同一管道内任一截面上的总能据能量守恒定律，同一管道内任一截面上的总能量应该相等。量应该相等。或：或：外力对物体所做的功应该等于该物体机械能的外力对物体所做的功应该等于该物体机械能的变化量。变化量。理想液体伯努利方程 p1+gh1+v12/2=p2+gh2+v22/2或或p/g+h+v2/2g=C（c为常数）为常数）理想液体伯努利方程的物理意义在密闭管道内作恒定流动的理想液体具有三在密闭管道内作恒定流动的理想液体具有三种形式的能量，即压力能、位能和动能。在流动种形
19、式的能量，即压力能、位能和动能。在流动过程中，三种能量之间可以互相转化，但各个过过程中，三种能量之间可以互相转化，但各个过流断面上三种能量之和恒为定值。流断面上三种能量之和恒为定值。实际液体伯努利方程 实际液体具有粘性实际液体具有粘性液体流动时会产生内摩擦力，从而损耗能量液体流动时会产生内摩擦力，从而损耗能量故故应考虑能量损失应考虑能量损失hw，并考虑动能修正系数并考虑动能修正系数则则实际液体伯努利方程实际液体伯努利方程为为：p1/g+h1+1v12/2g=p2/g+h2+2v22/2g+hw层流层流=2紊流紊流=1p1-p2=p=ghw应用伯努利方程时必须注意的问题（1）断面断面1、2需顺流
20、向选取（否则需顺流向选取（否则hw为负为负值），且应选在缓变的过流断面上。值），且应选在缓变的过流断面上。（2）断面中心在基准面以上时，断面中心在基准面以上时，z取正值；取正值；反之取负值。通常选取特殊位置的水平面作反之取负值。通常选取特殊位置的水平面作为基准面为基准面。2.4 管路中液体的压力损失目的任务：目的任务：了解损失的类型、原因掌握损失定义减了解损失的类型、原因掌握损失定义减小措施小措施重点难点：重点难点：两种损失减小措施两种损失减小措施管路中液体的压力损失管路中液体的压力损失实际液体具有粘性实际液体具有粘性流动中必有阻力，为克服阻力，须消耗能量，流动中必有阻力，为克服阻力，须消耗能
21、量，造成能造成能量损失量损失(即压力损失）即压力损失）分类：分类：程压力损失、局部压力损失程压力损失、局部压力损失2、4、1 液体的流动状态层流和紊流层层流：流：液体的流动是分层的，层与层之间液体的流动是分层的，层与层之间互不干扰互不干扰。紊流（湍流）：紊流（湍流）：液体流动不分层，做混杂紊液体流动不分层，做混杂紊乱流动。乱流动。雷诺数圆形管道雷诺数：圆形管道雷诺数：Re=dv/非圆管道截面雷诺数：非圆管道截面雷诺数：Re=dHv/过流断面水力直径：过流断面水力直径：dH=4A/水力直径大，液流阻力小，通流能力大。水力直径大，液流阻力小，通流能力大。ReRec为层流为层流临界雷诺数：判断液体流
22、态依据临界雷诺数：判断液体流态依据Rec为紊流为紊流雷诺数物理意义：雷诺数物理意义：液流的惯性力对粘性力的比液流的惯性力对粘性力的比2.4.2 沿程压力损失（粘性损失）定定义义:液体沿等径直管流动时，由于液体的液体沿等径直管流动时，由于液体的粘性粘性摩擦和质摩擦和质点的相互扰动作用，而产生的压力损失。点的相互扰动作用，而产生的压力损失。沿程压力损失产生原因 内摩擦内摩擦因粘性，液体分子间摩擦因粘性，液体分子间摩擦摩擦摩擦外摩擦外摩擦液体与管壁间液体与管壁间流速分布规律结论：结论：液体在圆管中作层流运动时，液体在圆管中作层流运动时，速度对称速度对称于圆管中心线并按抛物线规律分布。于圆管中心线并按
23、抛物线规律分布。u=p(R2-r2)/4l圆管层流的流量q=pd4/128l 圆管湍流的压力损失p=ldv22=0.3164Re-0.25（105Re4000）=0.032+0.221Re-0.237（3106Re105）=1、74+2lg（d）-2（Re3106或或Re900d/紊流运动时，紊流运动时，p比层流大比层流大液压系统中液体在管道内应尽量作层流运动液压系统中液体在管道内应尽量作层流运动圆管层流的压力损失p=32lvd2对金属管：对金属管：=75Re对橡胶软管：对橡胶软管：=80Re2.4.3 局部压力损失定义定义:液体流经管道的弯头、接头、突变截面以及液体流经管道的弯头、接头、突变
24、截面以及阀口阀口、滤网等局部装置时，液流会产生旋涡滤网等局部装置时，液流会产生旋涡、气气穴，并发生强烈的紊动现象，由此而产生的损失穴，并发生强烈的紊动现象，由此而产生的损失称为局部损失。称为局部损失。产生原因：产生原因：碰撞、旋涡（突变管、弯管碰撞、旋涡（突变管、弯管)产生附加摩擦产生附加摩擦附加摩擦：附加摩擦：只有紊流时才有，是由于分子作横向运动时产生只有紊流时才有，是由于分子作横向运动时产生的摩擦，即速度分布规律改变，造成液体的附加摩擦。的摩擦，即速度分布规律改变，造成液体的附加摩擦。局部压力损失公式pv=v2/2 标准阀类元件局部压力损失pr=pn(qqn)2 qn公称流量pn压力损失2
25、、6 液压冲击和气穴现象液压冲击（水锤、水击）液压冲击：液压冲击：液压系统中，由于某种原因（如速度急剧液压系统中，由于某种原因（如速度急剧变化），变化），引起压力突然急剧上升，形成很高压力峰值的现象。引起压力突然急剧上升，形成很高压力峰值的现象。如：急速关闭自来水管可能使水管发生振动，同时发如：急速关闭自来水管可能使水管发生振动，同时发出噪声。出噪声。液压冲击产生的原因1）迅速使油液换向或突然关闭油路，使液体受阻，动能迅速使油液换向或突然关闭油路，使液体受阻，动能转换为压力能，使压力升高。转换为压力能，使压力升高。2）运动部件突然制动或换向，使压力）运动部件突然制动或换向，使压力升高。升高。液
26、压冲击引起的结果液压冲击引起的结果液压冲击峰值压力液压冲击峰值压力工作压力工作压力引起振动、噪声导致某些元件如密封装置、管路等引起振动、噪声导致某些元件如密封装置、管路等损坏；损坏；使某些元件（如压力继电器、顺序阀等）产生误动作，影响使某些元件（如压力继电器、顺序阀等）产生误动作，影响系统正常工作。系统正常工作。减小液压冲击的措施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。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限制管道流速及运动部件速度v管管5m/s，v缸缸10m/min。3）加大管道直径，尽量缩短管路长度。加大管道直径，尽量缩短管路长度。4）采
27、用软管，以增加系统的弹性。采用软管，以增加系统的弹性。气穴（空穴）现象气穴现象：气穴现象：液压系统中，由于某种原（如速度突变），液压系统中，由于某种原（如速度突变），使使压力降低而使气泡产生的现象。压力降低而使气泡产生的现象。气穴现象产生原因 压力油流过节流口、阀口或管道狭缝时，速度压力油流过节流口、阀口或管道狭缝时，速度升高，压力降低；液压泵吸油管道较小，吸油高度过升高，压力降低；液压泵吸油管道较小，吸油高度过大，阻力增大，压力降低；液压泵转速过高，吸油不大，阻力增大，压力降低；液压泵转速过高，吸油不充分，压力降低（如高空观缆）。充分，压力降低（如高空观缆）。气体来源 混入混入气泡气泡轻微气
28、轻微气穴穴空气空气溶入溶入气体分子气体分子严重气穴严重气穴蒸汽蒸汽汽泡汽泡强烈气强烈气穴穴气穴现象引起的结果1液流不连续，流量、压力脉动液流不连续，流量、压力脉动2系统发生强烈的振动和噪声系统发生强烈的振动和噪声3发生气蚀发生气蚀减小气空穴的措施1减小小孔和缝隙前后压力降，希望减小小孔和缝隙前后压力降，希望p1/p23.5。2增大直径、降低高度、限制流速。增大直径、降低高度、限制流速。3管路要有良好密封性防止空气进入。管路要有良好密封性防止空气进入。4提高零件抗腐蚀能力，采用抗腐蚀能力强的金提高零件抗腐蚀能力，采用抗腐蚀能力强的金属材料，减小表面粗糙度。属材料，减小表面粗糙度。5整个管路尽可能平直，避免急转弯缝隙，合理整个管路尽可能平直，避免急转弯缝隙，合理配置。配置。