液压与气压传动1 液压传动基础

第一篇 液压传动 第一章 液压传动基础知识 一般要求一般要求 1 液压传动的工作介质 2 液压冲击 重点要求重点要求 1 液体的静力学 2 液体的动力学 3 定常管流的压力损失计算 4 孔口和缝隙流动 具体要求具体要求 掌握液压传动的相关基础理论 理解并掌握液体的静力学 动力学及压力损失计算 液压冲击等 1 1 液压传动工作介质 一 液压油一 液压油 二 二 液压油的性质液压油的性质 1 1 密度密度 约为约为900kg m900kg m 3 3 1 2 1 1 液压油的密度随温度的上升而减小 随压力的提高而稍微有 增加 但变动不大 可认为是常数 我国采用20 时的密度为 液压油的标准密度 以 20 表示 见表1 1 2 2 可压缩性可压缩性 压力p0 体积为V0的液体 当压力增大 p时 由于液体的 可压缩性 体积减小 V 用体积压缩系数 k 衡量 即 在单位 压力变化下的体积相对变化量来表示 液体体积压缩系数 k 的倒数 称之为液体的体积弹性模量K K 1 k K与温度 压力有关 温度 K 反之 温度 K 压力 K 反之 压力 K 液压油的可压缩性使它在压力变动下象一个弹簧 液压油的可压缩性使它在压力变动下象一个弹簧 p p V V 类似于弹簧的性质 称 液压弹簧液压弹簧 由于 p F A V A l 经推导有 液压弹簧刚度系数刚度系数k k h h 为 式中 l 液柱长度变化液压油的可压缩性 注意 液压油的可压缩性对于动态工作的液压系统影响极 大 但在静态 稳态 下 一般不考虑 但在静态 稳态 下 一般不考虑 3 3 粘性粘性 液体在外力作用下流动时 分子间 的内聚力要阻止其相对运动而产生的内 摩擦力 称为液体的粘性 流动时有粘 性 静止时无粘性 内摩擦力产生原因 内摩擦力产生原因 1 分子不规则运动的动量交换形成的阻力 2 分子间吸引力形成的阻力 不运动时则平衡 液体流动时相邻液层间的内磨擦力Ft与液层接触面积A 液 层间的速度梯度du dy成正比 即 比例常数 粘性系数或粘度或动力粘度粘性系数或粘度或动力粘度 难测量难测量 衡量 液体粘性的指标 单位为P P a a s s 帕帕 秒 秒 以 表示切应力 单位面积A上的内摩擦力 则 1 5 公式 1 5 为牛顿的液体内摩擦定律 运动粘度运动粘度v v 机油牌号 机油牌号 液体的动力粘度与其密度的比值 v 单位 mm 2 2 s s 1m2 s 104St 斯 106cSt 厘斯 106mm2 s 相对粘度相对粘度 易测量 易测量 恩氏粘度 恩格勒Engler 0E t 1 t2 无量纲 t1 恩氏粘度计测量被测液体流完时间 t2 测蒸馏水200C 200cm3流出时间 t2 51s 恩氏粘度0E与运动粘度v关系 单位 单位 mm 2 2 s s 4 4 其他性质其他性质 稳定性 热稳定性 氧化稳定性 水解稳定性 剪切稳定性 等 抗泡沫性 抗乳化性 防锈性 润滑性以及相容性 二 对液压传动工作介质的要求二 对液压传动工作介质的要求 液压传动的工作介质应具备的性能 1 合适的粘度 v40 15 68 10 6m2 s 较好的粘温性能 2 润滑性能好 3 质地纯洁 杂质少 4 对金属和密封件有良好的相容性 无化学反应 5 对热 氧化 水解 剪切等有良好的稳定性 6 抗泡沫性 抗乳化性 防锈性好 腐蚀小 7 体积膨胀系数小 比热容大 8 流动点 凝固点低 闪点 燃点高 9 对人体无害处 成本低 夏冬季选择不 同 牌号 夏季高些68 冬季低些32 长年46 三 工作介质的分类和选择 一般选通用液压油通用液压油 环境温度较低或温度变化较大 选用粘温特性好的低温液压 油 使用温度较高且有防火要求 选用抗燃液压油 设备长期在重载下工作 选用抗磨液压油 减少磨损 选择依据选择依据 是否液压专用 是否有起火危险 工作压力 温 度 泵类型等 油品已定下 最先考虑最先考虑 油液粘度 粘度的合适与否 将 直接影响到油液的泄漏和液压系统的功率损失 选择应注意注意 1 液压系统的工作压力 压力大时 可选v40高些 减漏 2 运动速度 v v40 粘度 可提高效率 3 液压泵的类型 选择推荐见表1 4 1 2液体静力学 讨论液体静止时的平衡规律讨论液体静止时的平衡规律 一 液体静压力及其特性一 液体静压力及其特性 液体静止时 液体质点之间无相对运动 不存在摩擦力 没有切向力 只有法向力 液体内某点处单位面积 A上所受的法 向力 F之比 称压力 p 静压力 即 若法向力 F 均匀作用于面积 A 上 则压力为 因液体质点间凝聚力小 液体不能受拉 只能受压 不能受拉 只能受压 液体的静压力具有两个重要性质液体的静压力具有两个重要性质 1 液体静压力的方向总是作用面的内法线方向 2 静止液体内的任一点的液体静压力在各个方向上都相等 二 液体静压力基本方程二 液体静压力基本方程 1 1 静压力基本方程静压力基本方程 如图 小液柱的上顶与液面 重合 这个小液柱在重力及周围 液体的压力作用下 处于平衡状 态 于是有 FG 液柱的重力 FG gh A 静压力基本方程 结论 结论 1 1 静止液体内的任一点的液体静压力由两部分组成 静止液体内的任一点的液体静压力由两部分组成 液面上的压力p0和离液面距离h处的液体重力 gh 当液面受大气压力 pa 作用时 2 2 同一容器 同一液体中的静压 同一容器 同一液体中的静压力随力随h h增大而增大 增大而增大 3 3 同一深度处压力相等 同一深度处压力相等 2 2 静压力的基本方程的物理意义 能量守恒 静压力的基本方程的物理意义 能量守恒 图示盛有液体的密闭容器 液面压力为p0 选择一基准平面OX 根 据静压力基本方程可以确定距液面深度距液面深度 h h 处的处的 A A 点的压力点的压力 p p 即 压力能压力能 位能 势能 位能 势能 常数常数 上式为液体静压力基本方程的另一种形式 其中zg A点的单位质量液体的位能 p A点的单位质量液体的压力能 z0 液面与基准面的距离 z A点与基准面间的距离 整理得 若A点等高的容器壁上 接一根上端封闭并抽去空气的 玻璃管 可以看到在静压力作用下 液体将沿玻璃管上升至高 度 hp 根据上式得 则有 点A处的液体质点由 于受到静压力的作用而具受到静压力的作用而具 有有mghmgh p p 的势能的势能 单位质量液体具有ghp的 位能 势能 所以 结论 结论 静止液体中 单位质量液体的压力能和位能可以相互转压力能和位能可以相互转 换 换 但各点的总能量却保持不变 即能量守恒能量守恒 静压力基本方程 的物理意义 三 压力的表示方法及单位三 压力的表示方法及单位 1 绝对压力 以绝对真空作为基准 2 相对压力 表压力 表压力 以大气压力作为基准 绝对压力绝对压力 相对压力相对压力 大气压力大气压力 真空度 真空度 绝对压力比大气压小的 那部分数值 即 真空度真空度 大气压大气压 绝对压力绝对压力 法定压力单位 法定压力单位 帕斯卡 帕 Pa 例题例题1 11 1 如图1 7所示 容器内充满液压油 活塞上作用 F 1000N 活塞面积A 1 10 3 m2 问活塞下深度h 0 5m处的压 力是多少 油液密度 900kg m3 注意单位换算 解 p p0 gh p0 F A 106N m2 则 p p0 gh 106N m2 1 0MPa 四 帕斯卡原理 略 四 帕斯卡原理 略 盛放在密闭容器内的液体 其外加压力p0发生变化时 只要液体仍保持原来的静止状态不变 液体中任一点的压力均 将发生同样大小的变化 这就是静压传递原理或称帕斯卡原理 五 液体静压力对固体壁面的作用力五 液体静压力对固体壁面的作用力 1 对平面的作用力 2 对曲面的作用力 FX p AX AX 曲面投影面积 如图1 9b 作用力为 1 3 1 3液体动力学液体动力学 三个方程 三个方程 流量连续性方程 质量守恒 伯努利方程 能量守恒 动量方程 动量守恒 前两个前两个解决压力 流 速 流量的关系 后一后一解决液体与固体壁摩擦关系 一 基本概念一 基本概念 1 1 理想液体 定常流动和一维流动 理想液体 定常流动和一维流动 理想液体 既无粘性又无可压缩性的液体 假想 假想 定常流动 液体在流动时 若液体中任何一点的压力 速 度和密度都不随时间而变化的流动 反之 不定常流动 一维流动 液体整个地作线形流动 当做平面或空间流动 时称二维或三维流动 一维流动最简单 一般把在封闭容器内 的流动按此处理 再修正 迹线迹线 流动液体的某一质点在某一时间间隔内在空间的运动轨迹 流线流线 表示某一瞬间时液流中各处质点运动状态的一条条曲线 在此 瞬时 流线上各质点速度方向与该线相切 在液体的流动空间中任意画一不属于流线的封闭曲线 沿经此曲线上 的每一点作流线 由这些流线组合的表面称为流管 流管内的流线群称为流 束 通流截面通流截面 流束中与所有流线正交的截面 2 2 迹线 流线 流束和通流截面 迹线 流线 流束和通流截面 3 3 流量和平均流速 流量和平均流速 流量流量 单位时间内通过某通流截面的液体的体积 单位 单位 mm 3 3 s s 常用单位 常用单位 L sL s mL smL s 直接求流量很困难 为了便于计算 引入平均流速v的概念 平均流速平均流速 假想在通流截面上流速均布 则流量等于平均 流速乘以通流截面面积 质量流量质量流量q qm m 通过某通流截面的液体的质量 则 4 4 流动液体的压力 流动液体的压力 理想液体压力各方向相等 静止液体内任意点处的压力在各个方向上都是相等的 可是在流动液体内 由于惯性力和粘性力的影响 任意点处在 各个方向上的压力并不相等 但数值相差甚微 当惯性力很小时 且把液体当作理想液体时 流动液体 内任意点处的压力在各个方向上的数值可以看作是相等的 二 连续性方程 质量守恒 二 连续性方程 质量守恒 连续性方程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 根据质量守恒定律 在 dt 时间内流入此微小流束 截面A1 的质量应等于从此微小流束流出 截面A2 的质量 则 由质由质 量流量相等量流量相等得 即 u1 dA1 u2 dA2 积分得 q1 q2 流量不变 流量不变 用平均速度平均速度表示 有 v1A1 v2A2 u 流速 由于两通流截面是任意取的 有 q vA 常数 上式为不可压缩液体作定量流动时的连续性方程 结论 结论 1 通过流管任一流通截面的流量相等流量相等 2 流量一定时 流速与流通截面成反比流速与流通截面成反比 它是能量守恒定律在流动液体中的表现形式 三 三 伯努利方程 伯努利方程 能量守恒 能量守恒 1 14 也可以写成 1 15 1 1 理想流体流速的伯努利方程 理想流体流速的伯努利方程 伯努利方程的意义 伯努利方程的意义 1 在密闭管道内作定常流动的液体具有三种型式的能 量 其在流动的过程中可以相互转化 但各个通流截面上三种 能量之和为定值 即为能量守恒定律能量守恒定律 2 理想液体 定常流动时 任意截面处液体的总能量总能量 由由压力能压力能 p p 位能 位能 gz gz 动能 动能 v v 2 2 2 2组成 总和为定值定值 如果 z 的变化忽略不计 则 1 15 式写成 表明 沿流线压力越低 速度越高 2 2 实际流体流速的伯努利方程 实际流体流速的伯努利方程 实际上 液体流动还要克服由于粘性引起的摩擦力 要 消耗能量 另一方面 由于实际液体在管道通流截面间的流速 分布是不均匀的 在用平均流速代替实际流速计算动能时 必 然会产生误差 为修正此误差 引入动能修正系数 因此 实实 际流体流速的伯努利方程 际流体流速的伯努利方程 1 16 一般 1 与流速分布有关 流速分布越不均匀 值越大 层流时不均匀不均匀 修正系数 2 紊流时均匀 均匀修正系数 1 例例1 21 2 如图1 13 已知p1 p2 h 其基本不变 求小孔流 速 解 以小孔中心线为基准 根据伯努利 方程的应用条件有 1 1处 z1 h p1