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1、Y CF(中职）设备控制基础第二章教学课件第二章液压与气压传动基本知识 第一节液压与气压传动的组成及工作原理 第二节流体静力学基础 第三节流体动力学基础 第四节孔口和缝隙流动 第五节液压冲击与气蚀现象第一节液压与气压传动的组成及工作原理 一、液压与气压传动系统的组成 液压与气压传动系统除工作介质(液压油与空气)外，一般由以下五部分组成:1.动力元件 它们是为液压与气动系统提供一定流量与压力的流体装置，它将原动机输人的机械能转换为流体的压力能，主要有液压泵、空气压缩机等。2.执行元件 它们是将流体压力能转换为机械能的装置。主要有:实现直线运动的执行元件液压缸或气缸，它输出力和速度;实现旋转运动的
2、液压电动机或气电动机，它输出转矩和转速。下一页 返回第一节液压与气压传动的组成及工作原理 3.控制元件 即各种液压控制阀。它们是对液压、气压系统中流体的压力、流量和方向进行控制的装置，如溢流阀、节流阀、换向阀和逻辑元件等。4.辅助装置 它们是起连接、储油、过滤、密封等作用的装置或部件，主要包括各种管件、油箱、过滤器、蓄能器、仪表和密封装置等。5.工作介质 如液压油。其作用是实现运动和动力的传递。上一页 下一页 返回第一节液压与气压传动的组成及工作原理 二、液压与气压传动的工作原理 为了对液压与气压传动有一个初步了解，下面以液压千斤顶为例，介绍其工作原理与组成。图2-1 所示为液压千斤顶工作原理
3、图，首先关闭截止阀11，上提手柄1，小活塞3被带动上升使小活塞3下腔的容积增大，此时单向阀7因受上腔油液压力作用而关闭，使小活塞3下腔形成局部真空，油箱12中的油液在大气压力的作用下，推开吸油阀4进人小活塞3的下腔。当下压手柄1时，小活塞3下移，小活塞3下腔的容积减小，油液受外力挤压作用而产生压力，迫使吸油阀4关闭，液体通过管道6打开单向阀7，进人液压缸9的下腔，推动大活塞8连同重物W一起向上移动。上一页 下一页 返回第一节液压与气压传动的组成及工作原理 如果反复上提、下压手柄1，液体就会不断地被送入大活塞下腔，推动大活塞及负载(重物)上升。如果打开截止阀11，可以控制液压缸9下腔的油液通过管
4、道10流回油箱，大活塞8在重物的作用下向下移动并回到原始位置。由此可见液压传动是依靠密封容积的变化来传递运动、依靠油液的压力来传递动力的。气压传动与液压传动的工作原理极为相似，只不过液压系统是以液体作为其工作介质，而气动系统是以气体作为其工作介质的，两种工作介质的不同之处在于:液体几乎是不可压缩的，而气体却具有较大的可压缩性。上一页 下一页 返回第一节液压与气压传动的组成及工作原理 图2-1 中所示的液压传动系统是用结构示意图来表示的，它直观性强，容易理解，但绘制较复杂、无规范，为此，目前国内外都广泛采用元件的图形符号来绘制液压与气压的系统图。我国根据国际标准化组织(ISO)制定的液压与气动图
5、形符号标准，也制定了相应的标准GB/T 768.1 一1993。液压与气压图形符号脱离元件的具体结构，只表示元件的功能，使系统简化，原理简单明了，便于阅读、分析、设计和绘制。上一页 返回第二节流体静力学基础 一、流体的物理性质 1.流体的可压缩性和膨胀性 流体体积随压力变化而变化。在一定温度下，液体体积相对压力变化的属性，称为液体的可压缩性。流体的体积也随温度的变化而变化，通常温度升高，流体的体积增大，流体的这种属性称为膨胀性。对于液压系统用矿物油，在一般使用温度与压力范围内，其体积随压力和温度的变化小，但对气体的影响极大。气体体积随温度和压力的变化规律遵循气体状态方程。下一页 返回第二节流体
6、静力学基础 2.流体的密度 单位体积中流体的质量称为流体的密度，用 表示:=m/V m 流体的质量(kg);V 一流体的体积(m3)。流体的密度是随温度和压力而变化的，对于液压系统用矿物油，在一般使用与压力范围内，其密度变化小，可近似认为不变。其密度900kg/m3，空气的密度在标准状态下为12.93kg/m3。上一页 下一页 返回第二节流体静力学基础 3.流体的砧性 流体在外力的作用下流动时，分子间的内聚力阻止其相对运动而产生内摩擦力的性质称为瓤性。摩擦阻力是流体瓤性的表现形式，只有在运动时才呈现出瓤性，静止时不呈现瓤性。黏性是流体的基本属性，对元件的性能和系统的工作特性有极大影响。流体瓤性
7、的大小用瓤度来表示，它是选择工作介质的重要依据。常用的瓤度有运动瓤度、动力瓤度和相对瓤度。上一页 下一页 返回第二节流体静力学基础(1)运动瓤度动力瓤度与其密度P 的比值，即=/，单位为m2/s。运动瓤度没有明确的物理意义，因为在其单位中只有长度和时间量纲，所以称为运动瓤度。在工程上习惯用运动瓤度来标志液体瓤度。液压油的牌号就是采用温度为40时运动瓤度(单位为mm2/s)的平均值来表示的。例如L H32 号液压油，是指这种油在40时的运动瓤度的平均值为32mm2/s。(2)动力瓤度表征液体瓤性的内摩擦系数(又称绝对瓤度)，用拜表示，其单位为Ns/m2或Pas(帕 秒)。上一页 下一页 返回第二
8、节流体静力学基础(3)相对瓤度(又称条件瓤度)相对瓤度是使用特定的瓤度计在规定条件下直接测量的瓤度。我国常用的相对瓤度为恩氏瓤度oE。即将200 mL的液体从恩氏瓤度计流出所需时间t1与同体积20下的蒸馏水从该恩氏瓤度计中流出所需时间t2之比称为恩氏瓤度。即 oE=t1/t2 液压油瓤性对温度变化十分敏感。当温度升高时，黏性下降，这种影响在低温时尤为突出。在气压传动中，空气的瓤度随温度的升高而增大，这是由于温度升高后，空气内分子运动加剧，使分子之间碰撞增多的缘故。上一页 下一页 返回第二节流体静力学基础 二、流体静力学基础 讨论静止流体的平衡规律以及这些规律的应用是流体力学的基础。静止系指流体
9、之间没有相对运动，对于液体而言一般可视为不可压缩，静止液体不呈现黏性。1.流体静压力 作用在流体上的力可归纳为两类:质量力和表面力。作用在流体内部所有质点上的力，其大小与受作用的流体质量成正比，这种力称为质量力;作用在所研究的流体外表面上并与流体表面积成正比的力称为表面力。静止流体中所受表面力只有法向力而无切向力，流体单位面积上所受的法向力，即流体静压力，以D 表示。上一页 下一页 返回第二节流体静力学基础 D=F/A D 流体静压力(Pa);A 作用的面积(m2);F 面积A 上所受的法向力(N)。2.压力表示法 压力的表示方法有两种，即绝对压力和相对压力。以绝对零值为基准测得的压力称为绝对
10、压力，以当地大气压为基准测得的压力称为相对压力。如果流体的绝对压力低于大气压，则习惯上称为真空，并以真空度来表示。绝对压力、相对压力和真空度的关系见图2-2 所示。由常用液压测试仪表所测得的压力均为相对压力，又称表压力。上一页 下一页 返回第二节流体静力学基础 压力单位常采用下面三种形式:单位面积上的作用力，采用国际单位:帕(Pa=N/m2)，千帕(kPa)或兆帕(MPa)，它们的换算关系为 1 MPa=106Pa=103 kPa 工程大气压(at);液柱高，如米水柱(mH2O)、毫米汞柱(mmHg)等。以上三种形式的压力单位换算关系为 1 at=105 Pa=0.1 MPa=10 mH2O=
11、735.5 mmHg上一页 下一页 返回第二节流体静力学基础 3.压力的传递帕斯卡原理 在流体传动中，由外力所引起的压力要比重力引起的压力大很多，因此后者可略去不计。这就是说，在密封容器内，施加在静止液体边界上的压力可以等值地向液体内所有方向传递，这就是帕斯卡原理。依据此原理，结合静压力特征，可以得出液体不仅能传力，而且还能放大或缩小力，并能获得任意方向的力。如图2-1 所示的液压千斤顶就是帕斯卡原理的具体应用。设其大、小活塞的面积为A2、A1，当作用在大活塞上负载和作用的小活塞上的作用力分别为G 和F1时，由帕斯卡原理可知，大、小腔以及连接导管构成的密封容积内的油液具有相等的压力值，设为D，
12、如忽略活塞运动时的摩擦阻力，则有:上一页 下一页 返回第二节流体静力学基础 或 式中F2油液作用在大活塞上的作用力(Pa),F2=G。由式可以看出，只要负载 增大，油液的工作压力D2也会增大，也即系统的工作压力取决于负载的大小。由式可以看出，当A2A11 时，作用在小活塞上一个很小的力F1，便可在大活塞上产生一个很大的力F2，以举起重物G，这就是液压千斤顶的工作原理。上一页 返回第三节流体动力学基础 流体动力学是研究流体在流动状态下的力学规律及其应用，流体运动的连续性方程、伯努利方程、动量方程是描述流体流动力学规律的三个基本方程，这些内容不仅构成了流体动力学的基础，而且还是液压与气压传动中分析
13、问题和设计计算的理论依据。一、流体动力学常用概念 1.理想液体与气体 既无瓤性又不可压缩的液体称为理想液体。不计瓤度，并将气体分子仅看做质点的气体，称为理想气体。下一页 返回第三节流体动力学基础 2.定常流动 流体流动时，若流体中任一点的压力、速度和密度都不随时间而变化，就称为定常流动，又称稳定流动。如果流动的参数随时间发生非常缓慢的变化，那么在较短的时间间隔内，可近似将其视为定常流动。3.流量(1)过流断面与流体流动方向相垂直的流体横截面称为过流断面。它可能是平面或曲面。(2)流量单位时间内流过过流断面的液体体积称为流量，用q表示，单位为m3/s(米3/秒)，其计算公式如下:q=V/t上一页
14、 下一页 返回第三节流体动力学基础 式中V 一流过过流断面流体的体积(m3),t 流过体积V 所用的时间(s)。(3)平均流速由于液体具有瓤性过流断面上流体速度不尽相同，通常以断面的平均速度:来代替实际的流速，单位为m/s(米/秒)，其计算公式为:v=q/A v流体的平均流速(m/s);q 流体的流量(m3/s);A 过流断面的面积(m2)上一页 下一页 返回第三节流体动力学基础 二、伯努利方程 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。1.理想液体的伯努利方程 设密度为 的理想液体在如图2-3所示的管道内作定常流动，因为没有能量损失，所以在管道内任一通流截面上液体的总能量是相等的。
15、如任意两个截面的面积为A1和A2，其中心距基准水平面的距离分别为h1和h2，平均流速为v1和v2，压力为P1和P2。则根据能量守恒定律有:上一页 下一页 返回第三节流体动力学基础 式中各项分别表示单位体积液体的压力能、位能和动能。因此，理想液体的伯努利方程的物理意义是在密闭管道内作定常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。在任一截面上这三种形式的能量可以相互转化且其和恒为定值，即能量守恒。在液压传动中，由于液压力往往远大于流体的质量力，故压力能远大于位能和动能，此时位能和动能的变化可以忽略不计。上一页 下一页 返回第三节流体动力学基础 2.可压缩气体的伯努利方程 由于气体具有
16、可压缩性，密度可变，因此可运用气体状态方程推出密度与压力的关系，引人上述伯努利方程，即可得到可压缩气体的伯努利方程。在气压传动中，由于气体的瓤度和密度小，故可在伯努利方程中忽略位能的变化。三、连续性方程 流体连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的一种表达形式。上一页 下一页 返回第三节流体动力学基础 设不可压缩流体在非等截面管中作定常流动。如图2-4 所示，过流断面1和2的面积分别为A1和A2,平均流速分别为v1和v2，对于理想不可压缩流体，根据质量守恒定律，单位时间内流体流过断面1的质量一定等于流过断面2的质量。即 1v1A1=2v2A2=常数 两边除以密度 得 v1A1=v2A2=常数 这
17、就是流体的连续性方程。它表明在定常流动的 情况下，当不考虑流体的可压缩性时，流过管道各个通流截面的流量相等，流体的平均速度与通流截面面积成反比。上一页 下一页 返回第三节流体动力学基础 在气压系统中，因为气体是可压缩性流体，其 也是变化的，故连续性方程为 1v1A1=2v2A2=常数 四、流体流动时的压力损失 实际流体是具有瓤性的，因此流动时会产生阻力，为了克服阻力，流体就会损耗一部分能量，这种能量的损失由于具有同压力相同的量纲，通常被称为压力损失。主要包括沿程压力损失和局部压力损失。上一页 下一页 返回第三节流体动力学基础 1.沿程压力损失 液体在等径直管中流动时因外摩擦而产生的压力损失，称
18、为沿程压力损失。它主要决定于液体的流速、黏性和管的长度及管的内径等。设液体流经等径为d 的直管，在管长1段上的压力损失()计算公式为 式中 液体的动力瓤度;通过等径直管的液体的实际流量。上一页 下一页 返回第三节流体动力学基础 2.局部压力损失 液体流经管道的弯头、突变截面以及阀口滤网等局部装置时，由于流速和方向的改变，液体会发生撞击、分离、脱流、旋涡等现象，由此造成能量的损失，称为局部压力损失。流体流经各种阀时的局部压力损失，常用下面经验公式计算 qn一阀的额定流量;pn一阀在额定流量下的压力损失(查阀的样本手册)。上一页 下一页 返回第三节流体动力学基础 另外，由于空气的可压缩性、黏性、管
19、内表面粗糙度及管道截面形状等因素，使压缩空气在管道和气动元件中的流动产生摩擦、旋涡，故使气体的压力能转化为热能而消耗掉。系统的压力损失也包括沿程压力损失和局部压力损失两部分。在实际应用中，为了避免过大的压力损失，保证系统的正常运行，一般限制压缩空气在管道内的流速不得超过30m/s。上一页 返回第四节孔口和缝隙流动 液压与气压传动中常利用液(气)体流经阀的孔口来控制流量和压力，以达到调速和调压的目的，与此同时，液压元件构成运动副的一些运行件与固定件之间存在一定的缝隙，当缝隙两端的液体存在压力差时，势必形成缝隙流动，即泄漏。泄漏得过大会影响液压元件和系统的正常工作。本节将介绍液压传动中液体流经孔口
20、和缝隙的流量及其影响因素。一、孔口的流量 1.流经薄壁孔口的流量 如图2-5 所示，当孔口的壁厚L 和孔径d 之比L/d0.5,巨孔口边缘是无侄角的锐缘，则该孔口称为薄壁孔口;L/d 4 时的孔口称为细长孔口;0.5 L/d,4 的孔口称为厚壁孔口(或短孔)。下一页 返回第四节孔口和缝隙流动 当液体从左向右流动时，由于惯性的作用，液流通过小孔时要发生收缩现象，然后再开始扩散。这一收缩和扩散过程，会造成一定能量的损失。如果液流的收缩作用不受管道内孔侧壁的影响，这时的收缩称为完全收缩;反之，称为不完全收缩。流体通过薄壁孔口的流量计算公式为:上一页 下一页 返回第四节孔口和缝隙流动 cq一流量系数，
21、当液流完全收缩时，cq=0.60-0.62 一流体的密度;A 一孔口面积(m2);p 一小孔前后压力差(Pa)，p=p1-p2。2.流经细长孔口的流量 液流通过细长孔口的流量可用沿程压力公式推得，即上一页 下一页 返回第四节孔口和缝隙流动 二、液体流经圆柱环状缝隙的流量 图2-6 所示由内外圆柱面围成的缝隙，称为圆柱环状缝隙。在液压技术中，缸体与活塞、圆柱滑阀芯与阀孔均属于此类缝隙。当缝隙高度 与内柱直径d 之比为一微量，即/d1，液体做纯剪切流动时，流量计算公式为:作纯压差流动时，流量计算公式为:上一页 返回第五节液压冲击与气蚀现象 在液压传动中，液压冲击和气蚀现象都会给液压系统的正常工作带
22、来不利影响，因此了解这些现象产生的原因，并采取相应的措施是很有必要的。一、液压冲击 在液压系统中，由于换向阀的迅速换向、液压油路突然关闭、液压缸或电动机运动方向突然改变等原因引起油压瞬时急剧上升，产生很高的压力峰值而出现冲击，这种现象称为液压冲击。下一页 返回第五节液压冲击与气蚀现象 液压冲击会使系统产生振动、噪声，使管接头松动，密封装置受到破坏，甚至会使某些液压元件(如压力继电器、顺序阀等)产生误动作，造成设备事故。因此，必须采取有效措施来减轻或防止液压冲击。二、气穴和气蚀现象 在液压系统中，如果某点处的压力低于油液所在温度下的空气分离压时，原来溶解在液体中的空气就会分离出来，使液压油中出现
23、大量气泡，这种现象叫做气穴现象。上一页 下一页 返回第五节液压冲击与气蚀现象 当气泡随着流动的液体被带到高压区时，气泡体积急剧缩小或溃灭，并又重新混人或溶于油液中凝成液体。在气泡凝结处瞬间局部压力和温度急剧上升，产生液压冲击，还伴随着噪声与振动。如果在反复的液压冲击和高温作用下，从油液中游离出来的氧气会使管壁或液压元件表面受到严重的剥落破坏，这种因气穴现象而产生的零件剥蚀称为气蚀现象。液压的气穴现象会使管路油流不畅，甚至堵塞，降低了液压系统的容积效率，使系统的性能变坏。气蚀现象会使元件的材料遭到破坏，降低液压元件的性能与使用寿命。上一页 返回图2-1 液压千斤顶工作原理图返回图2-2 绝对压力、相对压力与真空度之间的关系返回图2-3 理想液体伯努利方程的推导返回图2-4 流体流动的连续性返回图2-5 液体流经孔口的流量返回图2-6 流经圆柱环状缝隙的流量返回