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1、液压与气动液压与气动电子教案电子教案丛书主编丛书主编 李乃夫李乃夫主主 编编 孙名楷孙名楷副副 主主 编编 王永润王永润中等职业教育机电技术专业规划教材中等职业教育机电技术专业规划教材第一单元 液压传动原理、力学基础及基本元器件 第2章 液压传动力学基础 2.1 液体静力学基础 2.2 液体动力学基础 2.3 液压冲击和气穴现象 2.1.1 液体静力学 2.1.2 液体静力学基本方程2.2.1 基本概念 2.2.2 液体的流态和雷诺数 2.2.3 液体流动的连续性方程质量方程 2.3.1 液压冲击 2.3.2 气穴现象*2.2.4 液体流动的伯努利方程能量方程 2.2.5 压力损失 2.1.3
2、 静压力的传递 2.1.4 绝对压力、相对压力和真空度 2.1.5 液体对固体壁面的作用力 2.1 液体静力学基础2.1.1 液体静力学液压传动是依靠液体静压力来传递力的。液压传动是依靠液体静压力来传递力的。液体静压力是指液体处于静止状态时，液体单位面积上所受的法向作用力。这一定义在物理学中称为压强，在液压传动中简称压力压力。其中F指法向作用力，A指作用面积 压力的法定单位为牛顿/米2（N/m2），称为帕斯卡，简称帕（Pa），在工程上还经常用到兆帕（MPa）和巴（bar）这两个单位 液体静压力有如下特性：（1）沿着内法线垂直作用于作用面。（2）静止液体内，任一点所受各个方向的压力都相等。从上述
3、结论可以推出：静止液体总是处于受压状态。静止液体总是处于受压状态。2.1 液体静力学基础2.1.2 液体静力学基本方程 如图2.1所示，已知容器内液体密度为，且液体处于静止状态，液面上承受压力为p0。由静压力基本方程，可以知道 1静止液体内任一点处的压力是液面上的压力p0和液体自重所产生的压力gh之和。当液面只受大气压力pa作用时，则液体内任一点处的压力为：2静止液体内的压力随着液体深度h的增加线性地增加；3深度相同的各点压力相等，这些压力相等的点组成了等压面，很显然，在重力作用下，静止液体的等压面为一水平面。2.1 液体静力学基础2.1.3 静压力传递 在密闭容器中，由外力产生的压力将等值地
4、传递到液体内部各点，这就是帕斯卡原理，也称静压力传递原理。液压系统中静止液体内的压力处处相等。也可以做这样的结论：液体内的压液压系统中静止液体内的压力处处相等。也可以做这样的结论：液体内的压力是由外界负载作用形成的，即力是由外界负载作用形成的，即液压系统的工作压力取决于负载液压系统的工作压力取决于负载。例：如图2.2所示为两个相互连通的液压缸，已知大缸内径D=100mm，小缸内径d=20mm，大活塞上所放置物体质量5000kg。问在小活塞上施加的力F为多大时，才能够使大活塞顶起重物？解：根据帕斯卡定理，两缸中由外力产生的压力相等，即P左=P右 即力比等于直径平方比（或引申为面积比）。由此，我们
5、可以这么认为，只要大、即力比等于直径平方比（或引申为面积比）。由此，我们可以这么认为，只要大、小缸活塞面积比越大，就越省力。小缸活塞面积比越大，就越省力。2.1 液体静力学基础2.1.4 绝对压力、相对压力和真空度液体压力通常有绝对压力、相对压力和真空度三种表示方法：以绝对真空作为基准所表示的压力称为绝对压力。以大气压力作为基准所表示的压力称为相对压力。当绝对压力小于大气压时，比大气压力小的那部分数值称为真空度。从图2.3可知，绝对压力、相对压力和真空度三者之间的关系为：相对压力=绝对压力-大气压力绝对压力=相对压力+大气压力真空度=绝对压力-大气压力 结论：结论：绝对压力总是正值，而表压力则
6、可正可负亦可为零。当表压力为正时，表绝对压力总是正值，而表压力则可正可负亦可为零。当表压力为正时，表示所测压力比大气压大，为负时，表示所测压力比大气压小。示所测压力比大气压大，为负时，表示所测压力比大气压小。2.1 液体静力学基础2.1.5 液体对固体壁面的作用力 液体和固定表面相接触时，固体表面将受到液压力的作用。液体和固定表面相接触时，固体表面将受到液压力的作用。当固体表面为一平面时，液体在该表面上的总作用力F等于液体的压力P与承受面积A的乘积，即 如图2.4所示，要计算球面和圆锥面在垂直方向的总作用力F，只需要先计算出两个面在该方向上的投影面积大小，再与压力相乘即可。图2.4液压力作用在
7、曲面上的力 两个曲面在该方向上的投影面积为一直径为d的圆，故其总作用力F为：结论：结论：只要投影面积不变，不管曲面如何变化，则其计算结果将是一致的。只要投影面积不变，不管曲面如何变化，则其计算结果将是一致的。2.2 液压动力学基础2.2.1 基本概念1理想液体和稳定流动（1）把既无黏性又不可压缩的假想液体称为理想液体，而把事实上存在的具有黏性又可压缩的液体称为实际液体。（2）液体流动时，若液体中任一点处的压力、速度和密度都不随时间变化，这种流动称为稳定流动（亦称恒定流动或定常流动）。反之，若任一点处的压力、速度或密度中有一个或多个随时间变化，则称为非稳定流动。2通流截面、流量和平均流速（1）通
8、流截面。液体在管道中流动时，将垂直于液体流动方向的截面称为通流截面或过流截面。通常用A表示，单位为m2。（2）流量。单位时间内流过某一通流截面的液体体积成为流量，用q表示，单位为m3/s、L/min和ml/min。（3）平均流速。液体在管道中流动时，由于具有黏性，在同一截面上各点的流动速度是不相同的。根据平均流速的定义，可以推导出其计算公式为：活塞的运动速度取决于输入液压缸的流量。活塞的运动速度取决于输入液压缸的流量。2.2 液压动力学基础2.2.2 液体的流态和雷诺数 实验表明，在液体流动的过程中，存在着多种不同的流动状态。经过大量的实验表明，基本上可以把液体的流动状态分为三类。层流：液体流
9、动时是分层的，层与层之间的流动互不干扰，只有横向运动，没有纵向交错。紊流：液体流动时液流完全紊乱，既有横向运动，也有纵向交错。过渡流态：处于层流和紊流之间的一种中间状态。2.2 液压动力学基础2.2.2 液体的流态和雷诺数 实验证明，液体流动状态不仅仅和平均流速v有关，还和管道水力直径dH和液体的运动黏度有关，而这三个要素所组成的一个无量纲数就是雷诺数，用Re表示，即 式中，水力直径dH为 其中：A通流截面面积 x湿周周长，指通流截面处与液体相接触的壁面的周长 所以，圆形管道的水力直径为其直径所以，圆形管道的水力直径为其直径d。2.2 液压动力学基础2.2.2 液体的流态和雷诺数实验证明，上临
10、界雷诺数要比下临界雷诺数大，工程上以下临界雷诺数作为液体流动状态判别的依据，并称其为临界雷诺数Rec。当ReRec时，为层流；当ReRec时，为紊流。常见管道的临界雷诺数见表2.1。2.2 液压动力学基础2.2.3 液体流动的连续性方程质量方程 如图2.8所示，设液体在管道中作稳定流动。根据质量守恒定律，在单位时间内通过两个截面的液体质量应相等，即 忽略液体的可压缩性，有1=2，则 液体流动的连续性方程，表明了液体流经各个通流截面时，其流量是相等的，也说明液体流动的连续性方程，表明了液体流经各个通流截面时，其流量是相等的，也说明了流速和面积成反比例关系。了流速和面积成反比例关系。2.2 液压动
11、力学基础*2.2.4 液体流动的伯努利方程能量方程 伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的一种表达形式。伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的一种表达形式。1理想液体的伯努利方程 如图2.9所示，设管内为理想液体，在不等截面的管路中作稳定流动。理想液体的伯努利方程：通流面积越小处，流速越大，也就是说其动通流面积越小处，流速越大，也就是说其动能越大，那么其压力（或者说压力能）越小，反能越大，那么其压力（或者说压力能）越小，反之，通流面积越大处，流速越小，则其压力（压之，通流面积越大处，流速越小，则其压力（压力能）越大。力能）越大。2实际液体的伯努利方程 实际液体具有黏性，在流动过程中会因为摩擦的
12、存在而消耗掉一定的能量。实际液体的伯努利方程为：2.2 液压动力学基础2.2.5 压力损失 液体因为摩擦和其他一些原因造成能量的损失。液体因为摩擦和其他一些原因造成能量的损失。一般表现为压力损失，具体可分为两种：1沿程压力损失 液体在等直径直管中流动时，由于黏性摩擦产生的压力损失，主要取决于液体的流动速度、黏性和管路的长度、管径等。2局部压力损失 液体流经阀口、管道转弯、突变截面、接头等处，由于流动速度和方向发生剧烈变化而造成的损失。系统中总的压力损失等于所有沿程压力损失之和所有局部压力损失之和。系统中总的压力损失等于所有沿程压力损失之和所有局部压力损失之和。为了减少压力损失，通常采取下列措施
13、：（1）控制好油液流动速度，过高压力损失严重，过低则会增大管路直径和各种元器件的尺寸。（2）管道内部应尽量光滑，降低各种元器件表面粗糙度。（3）密封元件的性能良好。（4）油液黏度适当。过高会增加摩擦，过低则会加大泄露。（5）尽量减少管道长度，尽量避免弯道和管路直径的急剧变化。2.3 液压冲击和气穴现象2.3.1 液压冲击 在液压系统中，由于某种原因造成液体压力在某一瞬间急剧上升，形成很高的压力在液压系统中，由于某种原因造成液体压力在某一瞬间急剧上升，形成很高的压力峰值，这种现象称为峰值，这种现象称为液压冲击液压冲击。1产生液压冲击的原因（1）在液流突然停止运动的时候；（2）急速改变运动部件的速
14、度；（3）由于液压系统中某些元件反应动作不够灵敏，也会造成液压冲击。2液压冲击的危害 引起设备振动和噪声；损坏液压元件、密封装置，甚至使油管破裂；系统中的某些元件也可能产生误动作，造成事故。3减少液压冲击的措施（1）延长阀门开、关和运动部件制动、换向的时间。（2）限制管道流速及运动部件速度。（3）安装管道时，需要转弯时应尽量增大弯道半径，一般应是管道直径的三倍以上。（4）适当加大管道直径，尽量缩短管路长度。必要时可在冲击区附近安装蓄能器等缓冲装置来达到此目的。（5）采用软管，以增加系统的弹性。2.3 液压冲击和气穴现象2.3.2 气穴现象 在液压系统中，如果某处的压力值低于空气分离压时，原先溶
15、解在液体中的空气在液压系统中，如果某处的压力值低于空气分离压时，原先溶解在液体中的空气就会分离出来，导致液体中出现大量气泡，这种现象称为就会分离出来，导致液体中出现大量气泡，这种现象称为气穴现象气穴现象。1 气穴现象的危害：出现爬行现象；局部液压冲击，发出噪声并引起振动；气蚀；2 产生气穴现象的原因：气穴现象多发生在阀口和液压泵的入口处。由于阀口的通道狭窄，液流速度增大，造成压力大大下降，以致产生气穴。当泵的安装高度过大，吸油管直径太小，吸油阻力太大，或泵的转速过高，造成入口处真空度过大，亦会产生气穴。3 减少气穴现象，通常采取下列措施：（1）液压泵的吸油管管径不能过小，并应限制液压泵吸油管中油液的流速，降低吸油高度。（2）液压泵转速不能过高，以防吸油不充分。（3）管路尽量平直，避免出现急转弯及狭窄处。（4）节流口压力降要小，一般控制节流口前后压力比不大于3.5。（5）管路密封要好，防止空气渗入。（6）为了提高零件的抗气蚀能力，可采用抗气蚀能力强的金属材料（如青铜抗气蚀能力强，而铸铁比较弱），并降低零件表面粗糙度。