液压与气压传动课件.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,普通高等教育“十一五”国家级重点教材普通高等工科教育机电类规划教材,液压与气压传动,(,第,4,版,),左健民 主编,主讲,陈 水 胜,湖北工业大学机械电子工程系,2011,年,2,月,液压传动,与,气压传动,(,第三版,),(,杨曙东 何存兴主编,),课件编制：,湖北工业大学陈水胜 李奕,前 言,一、课程的性质和任务,二、课程的基本要求,三、课程内容（理论教学,+,实验教学,=56,学时）,四、教学大纲执行说明,五、学时分配,六、教材及参考书,总目录,绪论,第一章 流体力学基础,第二章 液压动力元件,第三章 液压执行元件,第四章 液压控制元件,第五章 液压辅助元件,第六章 液压基本回路,第七章 典型液压传动系统,第八章 液压伺服和电液比例控制技术,第九章 液压系统的设计与计算,绪 论,一,.,液压与气压传动的研究对象,二,.,液压与气压传动的工作原理,三,.,液压与气压传动系统的组成,四,.,液压与气压传动的优缺点,五,.,液压与气压传动的应用及发展,一,.,液压与气压传动的研究对象,液压与气压传动是研究以有压流体（压力油或压缩空气 ）为能源介,质，来实现各种机械的传动和自动控制的学科。液压与气压传动实现传动,和控制的方法是基本相同的，它们都是利用各种元件组成所需要的各种控,制回路，再由若干回路有机组合成能完成一定控制功能的传动系统来进行,能量的传递、转换与控制。,液压传动所用的工作介质为液压油或其它合成液体，气压传动所用的,工作介质为空气，由于这两种流体的性质不同，所以液压传动和气压传动,又各有其特点。液压传动传递动力大，运动平稳，但由于液体粘性大，在,流动过程中阻力损失大，因而不宜作远距离传动和控制；而气压传动由于,空气的可压缩性大，且工作压力低（通常在,1.0MPa,以下），所以传递动,力不大，运动也不如液压传动平稳，但空气粘性小，传递过程中阻力小、,速度快、反应灵敏，因而气压传动能用于远距离的传动和控制。,二,.,液压与气压传动的工作原理,液压与气压传动的基本工,作原理是相似的，现以图,0,1,所示的液压千斤顶来简述液压,传动的工作原理。由图,0,1 a,可知，大缸体,9,和大活塞,8,组,成举升液压缸。杠杆手柄,1,、,小缸体,2,、小活塞,3,、单向阀,4,和,7,组成手动液压泵。如提,起手柄使小活塞向上移动，小,活塞下端油腔容积增大，形成,局部真空，这时单向阀,4,打开,通过吸油管,5,从油箱,12,中吸油；,用力压下手柄，小活塞下移，,小活塞下腔压力升高，单向阀,4,关闭，单向阀,7,打开，下腔的油,液经管道,6,输入大缸体,9,的下腔，,迫使大活塞,8,向上移动，顶起重,物。再次提起手柄吸油时，举升缸下腔的压力油将力图倒流入手动泵内，但此时单向阀,7,自动关闭，使油液不,能倒流，从而 保证了重物不会自行下落。不断地往复扳动手柄，就能不断地把 油液压入举升缸下腔，使重物,逐渐地升起。如果打开截止阀,11,，举升缸下腔的油液通过管道,10,、阀,11,流回油箱，大活塞在重物和自重作用,下向下移动，回到原始位置。,1.,力比例关系,图,0,1b,为液压千斤顶的简化模型，据此可分析两活塞之间的,力比例关系,、,运动关系,和,功率关系,。,当大活塞上有重物负载,W,时，,大活塞下腔的油液就将产生一定的,压力,p,，,p,=,W,/,A,2,。,根据帕斯卡原,理“,在密闭容腔内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到液压各点,”。,因而要顶起大活塞及其重物负载,W,，,在小活塞下腔就必须要产生一个等值的,压力,p,，也就是说小活塞上必须施加力,F,1,F,1,=pA,1,因而有,p,F,1,/A,1,=W/A,2,或,W/F,1,=A,2,/A,1,（,0,1,）,由 式（,0,1,）可知，当负载,W,增大时，流体工作压力,p,也要随之增大，,亦即,F,1,要随之增大；反之，若负载,W,很小，流体压力就很低，,F,1,也就很小。,由此建立了一个很重要的基本概念，即,在,液压和气压传动中工作压力取决于,负载，而与流入的流体多少无关,。,2.,运动关系,如果不考虑液体的可压缩性、漏损和缸体、油管的变形，从图,0,1,b,可,以看出，被小活塞压出的油液的体积必然等于大活塞向上升起后大缸扩大的,体积。即,A,1,h,1,=A,2,h,2,或,h,2,/h,1,=A,1,/A,2,（,0,2,）,从式（,0,2,）可知，两活塞的位移和两活塞的面积成反比，,将,A,1,h,1,A,2,h,2,两端同除以活塞移动的时间,t,得,A,1,h,1,/t=A,2,h,2,/t,即,v,2,/v,1,=A,1,/A,2,（,0,3,）,式中,v,1,、,v,2,分别为小活塞和大活塞的运动速度。,从式（,0,3,）可以看出，活塞的运动速度和活塞的作用面积成反比。,Ah/t,的物理意义是单位时间内液体流过截面积为,A,的某一截面的体积，称,为流量,q,，,即,q=Av,因此，,A,1,v,1,=A,2,v,2,（,0,4,）,如果已知进入缸体的流量,q,，,则活塞的运动速度为,v=q/A,（,0,5,）,调节进入缸体的流量,q,，,即可调节活塞的运动速度,v,，这就是液压与,气压传动能实现无级调速的基本原理。从式（,0,5,）可得到另一个重要,的基本概念。即,活塞的运动速度取决于进入液压（气压）缸（马达）的,流量，而与流体压力大小无关。,3.,功率关系,由式（,0,1,）和式（,0,3,）可得,F,1,v,1,=Wv,2,（,0,6,）,式（,0,6,）左端为输入功率，右端为输出功率，这说明在不计损失的情况,下输入功率等于输出功率，由式（,0,6,）还可得出,P=pA,1,v,1,=pA,2,v,2,=,pq,（,0,7,）,由式（,0,7,）可以看出，液压与气压传动中的功率,P,可以用压力,p,和流量,q,的乘积来表示，,压力,p,和流量,q,式流体传动中最基本、最重要的两个参数,，,它们相当于机械传动中的力和速度，它们的乘积即为功率。,从以上分析可知，液压传动和气压传动是以流体的压力能来传递动,力的。,三,.,液压与气压传动系统的组成,左图（动画）所示为机床工作台液压,系统的工作原理图（慢速左移）。,活塞的移动速度 由节流阀 来调节。节,流阀口开大，进入液压缸的油液增多，活,塞的移动速度增大；节流阀口关小时，进,入液压缸的油液减小，活塞的移动速度减小。液压泵输出的多余油液需经溢流阀和,回油管排回油箱，这只有在压力支管中的,油液压力对 溢流阀钢球的作用力等于或略,大于溢流阀中弹簧的预紧力时，油液才能,顶开溢流阀中的钢球流回油箱。,为克服活塞所受到的各种阻力，液压,缸必须产生一个足够大的推力，这个推力,是由液压缸中的油液压力产生的。要克服,的阻力越大，液压缸中的油液压力越高；,反之压力就越低。,右图所示,为一可完成某,程序动作的气,压系统的组成,原理图，其中,的控制装置是,由若干气动元,件组成的气动,逻辑回路。它,可以根据气缸,活塞杆的始末,位置，由行程开关等传递信号，再作出下一步的动作，从而实,现规定的自动工作循环。,由上面的例子可以看出，液压与气压传动系统主要由以下几个部分,组成：,（,1,）能源装置,把机械能转换成流体的压力能的装置，一般最常见的是,液压泵或空气压缩机。,（,2,）执行装置,把流体的压力能转换成机械能的装置，一般指液（气）,压缸或液（气）压马达。,（,3,）控制调节装置,对液（气）压系统中流体的压力、流量和流动方向,进行控制和调节的装置。如溢流阀、节流阀、换向阀等。,（,4,）辅助装置,指除以上三种以外的装置，如油箱、过滤器、分水滤气,器、油雾器、蓄能器等，它们对保证液（气）压系统可靠和稳定地工作,有重大作用。,（,5,）传动介质,传递能量的流体，即液压油或压缩空气。,四,.,液压与气压传动的优缺点,液 压 与 气 压 传 动 的 优 点,液压与气压传动元件的布置不受严格的空间位置限制，系统中各部分用管道连接，布局安装有很大的灵活性，能构成用其他方法难以组成的复杂系统。,在同等体积下，液压装置能产生出更大的动力，也就是说，在同等功率下，液压装置的体积小、重量轻、结构紧凑，即：它具有大的功率密度或力密度，力密度在这里指工作压力。,液压装置容易做到对速度的无级调节，而且调速范围大，可以达到,2000,：,1,，对速度的调节还可以在工作过程中进行。,液压传动和液气联动传递运动均匀平稳，换向冲击小，易于实现快速启动、制动和频繁换向。,液压装置易于实现过载保护，能实现自润滑，使用寿命长。,液压装置易于实现自动化，可以很方便地对液体的流动方向、压力和流量进行调节和控制，并能很容易地和电气、电子控制或气压传动控制结合起来，实现复杂的运动和操作。,液压与启动元件属于机械工业基础件，系列化、标准化和通用化程度较高，有利于缩短机器的设计、制造周期和降低制造成本。,气 压 传 动 的 优 点,气压传动系统的介质是空气，它取之不尽用之不竭，成本较低，用后的空气可以排到大气中去，不会污染环境。,气压传动的工作介质粘度很小，所以流动阻力很小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送，便于使用。,气压传动工作环境适应性好。可以根据不同场合，采用相应材料，使元件能够在恶劣的环境（强振动、强冲击、强腐蚀和强辐射等）下进行正常工作。,气压传动有较好的自保持能力。即使气源停止工作，或气阀关闭，气压传动系统仍可维持一个稳定压力。,气压传动在一定的超负载工况下运行也能保证系统安全工作，并不易发生过热现象。,无油的气动控制系统特别适用于无线电元器件的生产过程，也适用于食品及医药的生产过程。,液 压 与 气 压 传 动 的 缺 点,在传动过程中，能量需经两次转换，传动效率偏低。,由于传动介质的可压缩性和泄露等因素的影响，不能严格保证定比传动。,液压与气动元件制造精度高，系统工作过程中发生故障不易诊断。,液压传动性能对温度比较敏感，不能在高温下工作，采用石油基液压油作传动介质时，还需注意防火问题。,气 压 传 动 的 缺 点,气压传动系统的工作压力低，因此气压传动装置的推力一般不宜大于,10,40kN,，,仅适用于小功率场合，在相同输出力的情况下，气压传动装置比液压传动装置尺寸大。,由于空气的可压缩性大，气压传动系统的速度稳定性差，位置和速度控制精度不高。,气压传动系统的噪声大。,气压传动工作介质本身没有润滑性。,气压传动装置的信号传递速度限制在声速（约,340m/s,）范围内，所以它的工作频率和响应速度不如电子装置，并且信号要产生较大的失真和延滞，也不便于构成较复杂的回路，但这个缺点对工业生产过程不会造成困难。,五,.,液压与气压传动的应用及发展,一般,工业用液压系统,塑料加工机械（注塑机）、压力机械（锻压机）、重型机械（废钢压块机）、机床（全自动转塔车床、平面磨床）等。,例图,行走机械用液压系统,工程机械（挖掘机）、起重机械（汽车吊）、建筑机械（打桩机）、农业机械（联合收割机）、汽车（转向器、减振器）等。,例图,钢铁工业用液压系统,冶金机械（轧钢机）、提升装置（电极升降机）、轧辊调整装置等。,土木工程用液压系统,防洪闸门及堤坝装置（浪潮防护挡板）、河床升降装置、桥梁操纵机构和矿山机械（凿岩机）等。,例图,发电厂用液压系统,涡轮机（调速装置）、核发电厂等。,特殊技术用液压系统,巨型天线控制装置、测量浮标、飞行器仿真台、升降旋转舞台等。,例图,船舶用液压系统,甲板起重机械（绞车）、船头门、舱壁阀、船尾推进器等。,例图,军事工业用液压系统,火炮操纵装置、舰船减摇装置、飞机起落架的收放装置及方向舵控制装置等。,注 塑 机 械,机 床 （全 自 动 六 角 车 床）,桥 梁 检 修 机 械,防 洪 闸 门 及 堤 坝 装 置,巨 型 天 线,甲 板 起 重 机 械,气压传动的应用,气压传动的应用也相当普遍，许多机器设备中都装有气压传动系统，在工业各领域，如机械、电子、钢铁、运行车辆及制造、橡胶、纺织、化工、食品、包装、印刷和烟草机械等，气压传动技术不但在各工业领域应用广泛，而且，在尖端技术领域如核工业和宇航中，气压传动技术也占据着重要的地位。,例图,自 动 水 果 分 类 机,汽 车 组 装 线,自动激光唱片拾放装置,自 动 糖 果 包 装 机,自 动 汽 车 清 洗 机,自动空气喷射织布机,压 烫 机,液压与气压传动发展,如果从,17,世纪帕斯卡提出静压传递原理、,18,世纪英国制成世界第一,台水压机算起，液压传动,已有二百多年的历史。但,是由于当时没有成熟的液,压传动技术和液压元件，,因此它没有得到普遍的应,用。随着科学技术的不断,发展，各行各业对传动技,术有了进一步的需求。特,别是在第二次世界大战期,间，由于军事上迫切地需,要反应快、重量轻、功率,大的各种武器装备，而液压传动技术正好具有这方面的优势，所以获得,了较快的发展。在战后的,50,年中，液压传动技术迅速地扩展到其他各个,部门，并得到了广泛的应用。,目前，液压与气压传动分别在实现高压、高速、,大功率、高效率、低噪声、长寿命、高度集成化、小,型化与轻量化、一体化、执行件柔性化等方面取得了,很大的进展。同时，由于它与微电子技术密切配合，能在尽可能小的空间内传递出尽可能大的功率并加以,准确地控制，从而更使得它在各行各业中发挥出了巨,大作用。,第一章 流体力学基础,第一节 液压传动的工作介质,第二节 液体静力学,第三节 液体动力学,第四节,定常管流的压力损失计算,第五节 孔口和缝隙流量,第六节 空穴现象和液压冲击,第一节 液压传动的工作介质,液压传动最常用的工作介质是液压油，此外，还有乳化型传动液和合成型传动液等，此处仅介绍几个常用的液压传动工作介质的性质。,一、液压传动工作介质的性质,1,密度单位体积液体的质量称为液体的密度。体积为,，质量为,的液体的密度为,m,V,矿物油型液压油的密度随温度的上升而有所减小，随压力的提高而稍有增加，但变动值很小，可以认为是常值。我国采用摄氏,20,度时的密度作为油液的标准密度,以,表示常用液压油和传统的密度如下：,以液体的静压能传递动力的液体传动是以油液作为工作介质的，为此必须了解油液的种类,物理性质，研究油液的静力学,运动学和动力学规律，本章主要介绍这方面的内容。,常用工作介质的密度,种类,20,种类,20,石油基液压油,850900,增粘高水基液,1003,水包油乳化,998,水,乙二醇液,1060,油包水乳化液,932,磷酸酯液,1150,(,kg/m,),3,压力为,0,、体积为,0,的液体，如压力增大,p,时，体积减小,V,，则此液体的可压缩性可用体积压缩系数,，即单位压力变化下的体积相对变化量来表示,p,V,V,0,由于压力增大时液体的体积减小，因此上式右边须加一负号，以使 成为正值。液体体积压缩系数的倒数，称为体积弹性模量,，简称体积模量。即,=,。,2,可压缩性,封闭在容器内的液体在外力作用下的情况就如一弹簧：外力增大，体积减小；外力减小，体积增大。其弹簧刚度,h,，在液体承压面积,A,不变时，可以通过压力变化,P=F/A,和体积变化,V=AL,求出，即,h,=,F,l,=,A,K,V,2,液压传动工作介质的可压缩性对动态工作的液压系统来说影响极大；但当液压系统在静态下（稳态）工作时，一般可以不予考虑。,液压传动工作介质种类,K/,（,N m,）,石油型,水包油乳化液（,W/O,型）,水,乙二醇液,磷酸酯液,10,9,10,9,10,9,10,9,.,3,（,1.42.0,）,3.15,2.65,各种液压传动工作介质的体积模量（,20 C,，大气压）,0,1.95,3.,粘性,液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产生的一种内摩擦力，这种现象就叫粘性。静止液体是不会有粘性的。,液体流动时相邻液层间的内摩擦力,F,t,与液层接触面积,A,液层间的速度梯度,du/,dy,成正比即,F,t,=,A,d,u,dy,式中,为比例常数，称为粘性系数或粘度。粘度是衡量液体粘性的标准。粘度,称动力粘度，单位,Pa s,（,帕 秒）。以前沿用的单位为,P,（,泊，,dyne s/cm,）,.,液体的动力粘度与其密度的比值，成为运动粘度,，即,，,单位,m/s,。,以前沿用的单位为,St,（,斯）,2,.,1Pa s=10,cP,（,厘泊）,.,3,2,1m/s=10 St=10,cSt,（,厘斯）,=10 mm/s,2,4,6,6,2,即,=,dy,d,u,F,t,/,A,=,dy,d,u,/,为切应力,就物理意义而言，,不是一个粘度的量，但习惯上常用它来标志液体粘度，液压传动工作介质的粘度是以,40,摄氏度时的运动粘度（以,mm/s,）,的中心值来划分的，如某一种牌号,L-HL22,普通液压油在,40,摄氏度时运动粘度的中心值为,22mm/s,2,2,液体的粘度随液体的压力和温度而变，对液压传动工作介质来说，压力增大时，粘度增大。在一般液压系统使用的压力范围内，增大的数值很小，可以忽略不计。,右图所示，温度升高，粘度下降。这个变化率的大小直接影响液压传动工作介质的使用，其重要性不亚于粘度本身。,4.,其它性质,液压传动工作介质还有其它的一些性质，如稳定性（热稳定性,氧化稳定性,水解稳定性,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（对所接触的金属,密封材料涂料等作用程度,）、导热性等，都对它的选择和使用有重要影响，这些性质需要在精炼的矿物油中加入各种添加剂来获得，其含义较为明显。,2),润滑性能好。即油液润滑时产生的油膜强度高，以免产生干摩擦。,3),质地纯净，杂质少。不应含有杂质，以免刮伤表面。,4),对金属和密封件有良好的相容性。不应含有腐蚀性物质，以免侵蚀机件和密封元件。,5),对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性。防止油液氧化后变酸性腐蚀金属表面。,6),抗泡沫好，抗乳化性好，腐蚀性小，防锈性好。,7),体积膨胀系数小，比热容大。,8),流动点和凝固点低，闪点,(,明火能使油面上油蒸气闪燃，但油本身不燃烧时的温度,),和燃点高。,9),对人体无害，成本低。对轧钢机、压铸机、挤压机和飞机等液压系统则须突出耐高温、热稳定、不腐蚀、无毒、不挥发、防火等项要求。,二、对液压传动工作介质的要求 不同的工作机械、不同的使用情况对液压传动工作介质的要求有很大的不同；为了很好地传递运动和动力，液压传动工作介质应具备如下性能：,1),合适的粘度，较好的粘温特性。粘度随温度变化越小越好。,1.,分类液压系统工作介质的品种以其代号和后面的数字组成，代号为,L,是石油产品的总分类号，,H,表示液压系统用的工作介质，数字表示该工作介质的粘度等级。,（表,1.1,所示）,2,工作介质的选用原则选择液压系统的工作介质一般需考虑以下几点：,三、工作介质的分类和选择,液压系统温度,540 C,液压系统温度,4080 C,30 70,65165,3050,4075,5070,5590,3080,65240,4075,70150,（,1,）液压系统的工作条件 （,2,）液压系统的工作环境 （,3,）综合经济分析,o,o,工作介质粘度,v,40,/,（,mm s,）,2,.,-1,P7.0MPa,P7.0MPa,齿轮泵,叶片泵,径向柱塞泵,轴向柱塞泵,液压泵类型,按液压泵类型推荐用工作介质的粘度,名称,代号,组成和特性,应用,精制矿物油,LHH,无抗氧性,循环润滑油，低压液压系统,普通液压油,LHL,HH,油，并改善,其防锈和抗氧性,一般液压系统,抗磨液压油,LHM,HL,油，并改善,其抗磨性,低,中,高液压系统，特别适用有防磨要求带叶片泵的液压系统,低温液压油,LHV,HL,油，并改善其粘温特性,能在,-20-40 C,的低温环境中工作用与户外工作的工程机械和船用设备液压系统,高粘度指数,液压油,LHR,HL,油，并改善其粘温特性,粘温特性优于,LHV,油，用于数控机床液压系统和伺服系统,液压导轨油,LHG,HM,油，并具有,粘,滑特性,适用于导轨和液压系统共用一种油品的机床，对导轨有良好的润滑性和防爬性,其它液压油,加入多种添加剂,用于高品质的专用液压系统,o,水包油乳化液,LHFAE,油包水乳化液,LHFB,水,乙二醇液,LHFC,磷酸酯液,LHFDR,需要难燃料的场合,表,1-1,液压系统工作介质分类（,GB1111889,）,四、液压系统的污染控制工作介质的污染是液压系统发生故障的主要原因。它严重影响液压系统的可靠性及液压元件的寿命，因此工作介质的正确使用、管理以及污染控制，是提高液压系统的可靠性及延长液压元件使用寿命的重要手段。,1,污染的根源进入工作介质的固体污染物有四个根源：已被污染的新油、残留污染、侵入污染和内部生成污染。,2,污染的的危害液压系统的故障,75,以上是由工作介质污染物造成的。,3,污染的测定污染度测定方法有测重法和颗粒计数法两种。,4,污染度的等级我国制定的国家标准,GB,T14039-93,液压系统工作介质固体颗粒污染等级代号,和目前仍被采用的美国,NASl638,油液污染度等级。,5,工作介质的污染控制工作介质污染的原因很复杂，工作介质自身又在不断产生污染物，因此要彻底解决工作介质的污染问题是很困难的。为了延长液压元件的寿命，保证液压系统可靠地工作，将工作介质的污染度控制在某一限度内是较为切实可行的办法,.,为了减少工作介质的污染，应采取如下一些措施：,(1),对元件和系统进行清洗，才能正式运转。,(2),防止污染物从外界侵入。,(3),在液压系统合适部位设置合适的过滤器。,(4),控制工作介质的温度，工作介质温度过高会加速其氧化变质，产生各种生成物，缩短它的使用期限。,(5),定期检查和更换工作介质，定期对液压系统的工作介质进行抽样检查，分析其污染度，如已不合要求，必须立即更换。更换新的工作介质前，必须对整个液压系统彻底清洗一遍。,第二节,液体静力学,一、液体静压力及其特性,二、液体静压力基本方程,三、压力的表示方法及单位,四、帕斯卡原理,五、液体静压力对固体壁面的作用力,1-2.1,液体静压力及其特性,（一）液体的静压力作用在液体上的力有两种类型：质量力和表面力。前者作用在液体的所有质点上，如重力、惯性力等,数值上等于加速度；后者作用在液体的表面上，如切向力和法向力。表面力可能是容器作用在液体上的外力，也可能是来自另一部分液体的内力。静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力。如果在液体内部某点处微小面积,A,上作用有法向力,F,，则,F/A,的极限定义为该点处的静压力，用,p,表示，即,(1.1),若在液体的面积,A,上受均匀分布的作用力,F,，则静压力可表示为,(1.2),液体静压力在物理学上称为压强，在工程应用中习惯称为压力。,（二）液体静压力的特性,1),液体静压力垂直于作用表面，其方向和该面的内法线方向一致；,2),静止液体内任一点所受的静压力在各个方向上都相等。液体静压力特性表明：静止液体内部的任何质点都受平衡压力的作用。,1-2.2,静力学基本方程,（,1,）静压力基本方程式,在重力作用下的静止液体，其受力情况如图,1-1,所示,图,1-1,重力作用下的静止液体,则点所受的压力为,式中，,g,为重力加速度，此表达式即为液体静压力的基本方程，由此式可知：,(1),静止液体内任一点处的压力由两部分组成，一部分是液面上的压力,p,0,另一部分是,g,与该点离液面深度,h,的乘积。,(2),同一容器中同一液体内的静压力随液体深度,h,的增加而线性地增加。,(3),连通器内同一液体中深度,h,相同的各点压力都相等。由压力相等的点组成的面称为等压面。重力作用下静止液体中的等压面是一个水平面。在液压传动中，液体重力引起的压力通常很小，可以忽略不计。液体静压力取决于外加压力。,（,2,）,.,静压力基本方程式的物理意义,图,1-2,静压力基本方程式的物理意义,图,1-2,为盛有液体的密闭容器，液面压力为,p,0,，选则一基本水平面,ox,，根据静压力基本方程式可以确定距液面深度处点的压力，即,这是液体静压力基本方程式的另一种形式。其中,z,0,g,表示,A,点的单位质量液体的位能；表示,A,点,的单位质量液体的压力能。,上述表达式说明了静止液体中单位质量液体的压力能和位能可以互相转换，但各点的总能量却保持不变，即能量守恒，这就是静压力基本方程式中包含的物理意义。,1-2.3,压力的表示方法及单位,压力的表示方法压力的表示方法有两种：一种是以绝对真空作为基准所表示的压力，称为绝对压力；另一种是以大气压力作为基准所表示的压力，称为相对压力。由于大多数测压仪表所测得的压力都是相对压力，,故相对压力也称表压力。绝对压力与相对压力的关系为：,绝对压力,=,相对压力,+,大气压力,绝对压力小于大气压时,负相对压力数值部分,叫做真空度。即,真空度,=,大气压,-,绝对压力,=-(,绝对压力,-,大气压,),由此可知，当以大气压为基准计算压力时，基准以上的正值是表压力，基准以下的负值就是真空度。绝对压力、相对压力和真空度的相互关系如图,1-3,图,1-3,绝对压力相对压力和真空度,压力的单位,:,法定压力,(ISO),单位称为帕斯卡,(,帕,),，符号为,Pa,，工程上常用兆帕这个单位来表示压力，,在工程上采用工程大气压，也采用水柱高或汞柱高度等，在液压技术中，目前还采用的压力单位有巴，符号为,bar,1bar,压力的单位及其它非法定计量单位的换算关系为：,1at(,工程大气压,),(,米水柱,)(,毫米汞柱,),压力单位,1-2.4,帕斯卡原理,在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到各点。这就是静压传递原理或称帕斯卡原理。液压系统中的压力是由外界负载决定的。,在左图中，,F,是外加负载，,A,是活塞面积。根据帕斯卡原理，缸筒内的压力将随外加负载的变化而变化，并且各点的压力变化值相等。如果不考虑活塞和液体重力引起的压力，则液体中的压力为,由此可见，缸筒内的液体压力是由外界负载决定的，这是液压传动中的一个基本概念。,图,1-4,p=,F,A,帕斯卡原理的应用,液压千斤顶是,帕斯卡原理,在工程中的应用实例。按帕斯卡原理应有,p,1,=p,2,，或,F,2,A,1,=F,1,A,2,1-2.5,液体静压力对固体壁面的作用力,静止液体和固体壁面相接触时，固体壁面上各点在某一方向上所受静压作用力的总和，便是液体在该方向上作用于固体壁面上的力。在液压传动计算中质量力可以忽略，静压力处处相等，所以可认为作用于固体壁面上的压力是均匀分布的。,当固体壁面是曲面时，作用在曲面各点的液体静压力是不平行的，曲面上液压作用力在某一方向上的分力等于液体静压力和曲面在该方向的垂直面内投影面积的乘积。,上图,a,所示，则压力,P,作用在活塞上的力,F,为,F=PA=,D,2,4,p,图,b,和图,c,作用力为,F=PA=,p,2,4,d,d,为承受部分曲面投影圆的直径,第三节 液体动力学,基本概念,液体流动基本方程,理想液体,既无粘性又不可压缩的假想液体称为理想液体,定常流动,如果液体中任一点的压力、速度和密度都不随时间变化，称这种流动为定常流动（也称为稳定流动或恒定流动）。反之，则为非定常流动。,一维流动,当液体整个作线形流动时称为一维流动，此时要求液流截面上各点的速度矢量完全相同。,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,流线是流场中这样一些空间曲线，它表示同一瞬时流场中各质点的运动状态。流线上每一质点的速度矢量与流线相切。在定常流动时，流线的形状不随时间变化；在非定常流动时，流线形状是随时间变化的。显然，流线之间不能相交。,流管,在流场中给出一条非流线的封闭曲线，沿该封闭曲线上的每一点做流线，由这些流线组成的表面称为流管。,流束,流管中的流线群称为流束。根据流线不会相交的性质，流管内外的流线均不会穿越流管。,通流截面,在流束中与所有流线正交的截面称为通流截面。,流量,单位时间内流过某一通流截面的液体的体积称为流量。流量的单位是,m,3,/s,或,L/min,。,平均流速,平均流速是通过整个通流截面的流量,q,与通流截面积,A,的比值。平均流速在工程中有实际应用价值。,1-3.1,基本概念,流线如图,a,所示,流束如图,b,所示，定常流动时，流管和流束形状不变。,通流截面,如图,c,的,A,面和,B,面，截面上的每点处的流动速度都垂直于这个面。,1-3.2,液体流动基本方程,一,.,流量连续性方程,图,1-5,连续性方 程推导简图,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，如果液体作定常流动，且不可压缩，那么任取一流管,(,图,1-5),，两端通流截面面积为,A,1,和,A,2,，在流管中取一微小流束，流束两端的截面积分别为,dA,1,和,dA,2,，在微小截面上各点的速度可以认为是相等的，且分别为,u,1,和,u,2,。根据质量守恒定律，在,dt,时间内流人此微小流束的质量应等于从此微小流束流出的质量，故有,即,对整个流管，显然是微小流束的集合，由上式积分得,即,如用平均速度表示，得,由于两通流截面是任意取的，故有,上式称为不可压缩液体作定常流动时的连续性方程。它说明通过流管任一通流截面的流量相等。此外还说明当流量一定时，流速和通流截面面积成反比。,二,.,伯努利方程,伯努利方程就是能量守恒定律在流动液体中的表现形式。要说明流动液体的能量问题，必须先讲述液流的受力平衡方程，亦即它的运动微分方程。,1,.,理想液体的运动微分方程,这就是重力场中，理想液体沿流线作定常流动时的运动方程，即欧拉运动方程。它表示了单位质量液体的力平衡方程。,2.,理想液体的伯努利方程,理想液体微小流束的伯努利方程,p,+,gz,+,u,2,2,=,常数,3,实际液体总流的伯努利方程,把理想液体的伯努利方程修正成实际液体的伯努利方程，修正过程考虑了两点：,1,）液体在流动过程中的能量损失；,2,）用通流截面的平均流速,v,取代微元体的流速,u,。,或对流线上任意两点且两边除以,g,可得,p,1,g,+,z,1,+,u,1,2,2g,=,p,2,g,+,z,2,+,2,2g,u,2,上式表明理想液体作定常流动时，液流中任意截面处液体的总比能由比压能（,p/g,）,比位能（,z,）与比动能（,u /2g,）组成（且均为长度纲量，因此从几何意义上讲可分别称为压力水头,位置水头和速度水头），三者之间可互相转化，但总和为一定值。,2,实际液体是有粘性的，因此流动中粘性摩擦力会消耗一部分能量。同时，管道形状的变化会使液体产生扰动，也要消耗能量。这些能量最终变成热量损失掉了。考虑到这部分能量损失，应该在伯努利方程中加入修正项,hw,。,用通流截面的平均流速,v,取代微元体的流速,u,也有个修正问题。为此引进动能修正系数,，它等于单位时间内某截面处的实际动能与按平均流速计算的动能之比，即,引入能量损失,hw,和动能修正系数,后，,实际液体的伯努利方程,为,式中，,1,、,2,分别为截面,A1,、,A2,上的动能修正系数，是液体从截面,1,流到截面,2,损耗的能量。它们可由实验求出。,上式就是仅受重力作用的实际液体在管流中作平行,(,或缓变,),流动截面上的伯努利方程。它的物理意义是单位质量液体的能量守恒。其中,h,w,g,为单位质量液体从截面,1,流到截面,2,过程中的能量损耗。,（,1,）和是指截面的同一点上的两个参数，至于,1,、,2,上的点倒不一定都要取在同一条流线上，但一般对管流而言，计算点都取在轴心线上。把这两个点都取在两截面的轴心处，不过是为了方便。（,2,）液流是恒定流。如不是恒定流，要加入惯性项。（,3,）两个计算通流截面应取在平行流动或缓变流动处，但两截面之间的流动不受此限制。至于两截面间是什么流，是没有关系的，这最多影响能量损失的大小。,应用伯努利方程时，应注意的几点,（,4,）液流仅受重力作用，亦即盛液的容器没有牵连加速度的情况。（,5,）液体不可压缩，密度在运动中保持不变。（,6,）流量沿程不变，即没有分流。（,7,）适当地选取基准面，一般取液平面，这时一般等于,a,，。（,8,）截面上的压力应取同一种表示法，都取相对压力，或都取绝对压力。压力小于大气压时，则表压力为负值，但用真空度表示时要写正值。如绝对压力为,0.03MPa,，则表压力为,-0.07MPa,，真空度为,0.07MPa,。（,9,）不要忘记动能修正系数，,=2,层流时，,1,紊流时。,因为在推导伯努利方程过程中逐次加入了限制条件。因此,三、动量方程,液体作用在固体壁面上的力，用动量定理来求解比较方便。动量定理指出：作用在物体上的力的大小等于物体在力作用方向上的动量的变化率，即,根据上式进行推导（详细推导过程请参阅参考书）可得流动液体的动量方程。,方程左边为作用于控制体积内液体上的所有外力的总和，而等式右边第一项表示液体流量变化所引起的力，称为瞬态力；第二、三项表示流出控制表面柑流人控制表面时的动量变化率，称为稳态力。如果控制体中的液体在所研究的方向上不受其它外力，只有液体与固体壁面的相互作用力，则该二力的作用力与反作用力大小相等，方向相反。液体作用在固体壁面的作用力分别称为瞬态液动力和稳态液动力。,定常流动时，故上式中只有稳态液动力，即,上述公式均为矢量表达式，在应用时可根据问题的具体要求向指定方向投影，列出该指定方向的动量方程，从而可求出作用力在该方向上的分量，然后加以合成。动量修正系数，为液体流过某截面,A,的实际动量与以平均流速流过截面的动量之比，当液流流速较大且分布较均,(,紊流,),时，,=1,，液流流速较低且分布不均匀,(,层流,),时，,=1.33,第四节,定常管流的压力损失计算,实际液体具有粘性，在流动时就有阻力，为了克服阻力，就必然要消耗能量，这样就有能量损失。在液压传动中，能量损失主要表现为压力损失，这就是实际液体流动的伯努利方程式项的含义。液压系统中的压力损失分为两类，一类是油液沿等直径直管流动时所产生的压力损失，称之为沿程压力损失。这类压力损失是由液体流动时的内、外摩擦力所引起的。另一类是油液流经局部障碍,(,如弯管、接头、管道截面突然扩大或收缩,),时，由于液流的方向和速度的突然变化，在局部形成旋涡引起油液质点间以及质点与固体壁面间相互碰撞和剧烈摩擦而产生的压力损失称之为局部压力损失。,一、流态、雷诺数,1,层流和紊流,流体在流动时，通过雷诺实验，可以看到左图,1-6,所示的几种流动状态，一般将其定义为层流和紊流。在低速流动时，液体质点互不干扰，液体的流动呈线性或层状，且平行于管道轴线，如图,1-6a,所示，此种流动状态称为在层流时；当流速大时，液体质点的运动杂乱无章，,除了平行于管道轴线的运动外，还存在着剧烈的横向运动，此种流动状态称为紊流，如图,1-6d,所示；图,1-6b,中色线开始折断，表明层流开始破坏，图,1-6c,中色线上下波动，并出现断裂，表现液体流动已趋于,紊流,.,英国物理学家雷诺通过大量实验，发现了液体在管路中流动时存在的两种流动状态,-,层流和紊流。雷诺实验表明，层流时液体质点互不干扰，液体沿管路轴线作线性或层状流动；紊流时液体质点相互干扰，运动杂乱无章，除了沿管路轴线运动以外还有剧烈的横向运动。实验分析表明，层流发生在液体流速较低的场合，粘性力起主导作用，压力损失主要是液体的粘性摩擦损失；紊流发生在液体流速较高的场合，惯性力起主导作用，压力损失主要是液体的动能损失。,2,雷诺数实验表明，液体在圆管中的流动状态不仅与管内的平均流速有关，还和管径、液体的运动粘度,有关，但是真正决定液流流动状态的是用这三个数所组成的一个称为雷诺数,Re,的无量纲数，即,液体流动时的雷诺数若相同，则它的流动状态也相同。另一方面液流由层流转变为紊流时的雷诺数和由紊流转变为层流的雷诺数是不同的，前者称为上临界雷诺数，后者为下临界雷诺数，后者数值小，所以一般都用后者作为判别液流状态的依据，简称临界雷诺数,Rec,（见表,1-8,），当液流的