《液压与气压传动》PPT课件.ppt

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1、,液压与气压传动,安徽工程大学 机械与汽车学院,主讲：阚宏林,2013年01月,目 录,第 一 章 绪论第 二 章 液压传动的流体力学基础第 三 章 液压泵第 四 章 液压缸和液压马达 第 五 章 液压阀第 六 章 液压辅件(自学)第 七 章 液压基本回路 第 八 章 典型液压系统第 九 章 气动技术基础知识第 十 章 气源系统及气动辅件第十一章 气动执行元件第十二章 气动控制元件第十三章 气动控制回路与系统,第一章,绪 论,本章重点和难点：,重点：1、液压（气压）传动工作原理；2、液压（气动）系统组成及各部分作用；难点：1、液压（气压）传动工作原理,一、研究对象及学习方法,研究对象：,研究的

2、是以有压流体（液压液或压缩空气）作为传动介质来实现机械传动和自动控制的一门学科。其实质研究的是能量转换。,即：机械能-压力能-机械能。,学习方法：,家用电器,（系统 电路 电子元件）,机械设备,（系统 回路 液压和气动元件）,二、车辆及其制造设备的传动方式,一切设备都有其相应的传动机构,借助于传动方式达到对动力的传递和控制的目的。,1、机械传动 通过齿轮、齿条、蜗轮、蜗杆等机件直接把动力传送到执行机构的传递方式。,2、电气传动利用电力设备，通过调节电参数来传递或控制动力的传动方式。,液体传动,气压传动,3、流体传动,气力传动,气体传动,液力传动利用液体流动动能传递动力。,液压传动利用液体静压力

3、传递动力。,三、工作原理,以液压千斤顶为例进行说明:,设施力F，重物G，小活塞面积A1，大活塞面积A2。,1、力比关系,或：,讨论:（不考虑活塞自重及摩擦阻力）,（1）当G=0时，,p=0，,F=0；,（2）当G 时，,p，,F。,结论：,A、系统的工作压力取决于负载，而与流量大小无关。,B、当A2 A1，只要施加很小的力F，就可举起很重的物体，这就是液压千斤顶的原理。,2、运动关系,若不考虑泄漏、油液的可压缩性及缸体、管道的变形等,由于体积相等：,A1 h1=A2 h2；,又由于活塞移动的时间相同，均为t，,则：,即：,或：A1v1=A2v2=q,(单位时间内流过某一截面的液体体积，称为流量

4、，用q表示),结论：,A、活塞的运动速度与进入缸的流量成正比，与活塞的截面积成反比，而与流体压力大小无关；,B、调节q即可改变运动速度，所以，液压和气压传动能实现无级调速；,3、功率关系,和,在不计损失时，输入功率等于输出功率。,即：,Fv1=Gv2,即：,P=pA1v1=pA2v2=p q,结论：压力和流量是流体传动中最基本、最重要的两个参数，它们的乘积表示功率。,工作原理：以有压流体作为传动介质（或工作介质、能源介质），依靠密封容积的变化来传递运动，依靠流体内部的压力来传递动力。,利用了帕斯卡原理,利用了质量守恒定律,四、液压和气动系统组成,以生产中的机床工作台为例进行进一步说明,能源装置

5、：为系统提供有压流体（压力油或压缩空气），将机械能转换成压力能，是系统的第一能量转换装置。如液压泵、气源装置（空压机、后冷却器、干燥器、空气净化装置、储气罐、输送管道等）。,执行元件：把流体的压力能转换成机械能，是系统的第二能量转换装置。如液压缸、液压马达、气缸、气动马达等。,控制元件：对系统中流体的压力、流量及流体的流动方向进行控制或调节的元件。如溢流阀、单向阀、换向阀等。,工作介质：传递能量的流体，即液压油、压缩空气等。,辅助元件：保证系统正常工作的其它元件。如油箱、管道、管接头、过滤器等。,机床工作台液压系统,1工作台 2液压缸 3活塞 4换向手柄 5换向阀 6.8.16回油管 7节流阀

6、 9开停手柄 10开停阀 11压力管 12压力支管 13溢流阀 14钢球 15弹簧 17液压泵 18滤油器 19油箱,机床工作台液压系统,五、系统表示方法,1、用结构原理图表示：具有直观性强、容易理解的优点，但图形比较复杂，绘制比较麻烦。,2、用液压与气动系统图形符号表示（GB78676,GB786.1-93),基本规定：,(1)符号只表示元件的职能，连接系统的通路，不表示元件的具体结构和参数，也不表示元件在机器中的实际安装位置。,(2)主油（气）路用标准实线表示，控制油（气）路用虚线表示。元件符号内的流体流动方向用“”表示，“”指向不一定是油流方向。,(3)符号均以元件的零位置表示，当系统的

7、动作另有说明时，可作例外。,采用职能符号表示的原理图：具有图形简单，易绘制等优点，但直观性差，难理解。,六、液压与气动系统的特点,1、液压传动特点,优点：（1）传动平稳、重量轻、体积小、承载能力大；（2）易实现无级调速；（3）易实现过载保护和自动润滑；（4）能实现各种机械运动、易于自动控制；（5）由于元件已实现标准化、系列化、通用化，便于设计制造。,缺点：（1）元件本身制造精度要求高；（2）实现定比传动难，且不宜在高、低温及易燃易爆等场合下使用；（3）不宜远距离输送动力，发生故障不易查除，油液易污染，对油液的质量要求高。,2、气压传动的特点,优点：来源广泛，成本低廉，系统简单；空气粘度小，输送

8、时压力损失小，便于集中供应（空压站）和远距离输送；维护简单，管道不易堵塞，无须更换介质；易于实现过载自动保护，使用安全，适合在高、低温及易燃易爆等恶劣环境下使用；由于工作压力低（小于0.8MPa），对元件材料及加工精度要求低。,缺点：传递的功率小；传递运动的速度稳定性差；传动效率较低。,七、液压与气压传动的应用及发展概况,18世纪末 万吨水压机,20世纪30年代 起重机、机床及工程机械,二战期间 各种军事武器,二战结束后 各种自动化设备及自动生产线,20世纪80年代现在：高速、高压、大功率、低噪声、长寿命、高度集成化方向发展,节能化、微型化、轻量化、位置控制高精度化,气动技术,初级阶段,计算机

9、液压伺服时期,电气液压技术时期,20世纪50年代70年代 黄金时代迅猛发展期,表1-1 在各类机械行业中的应用实例,近年应用,太阳跟踪系统、海浪模拟装置、船舶驾驶模拟器、地震再现、火箭助飞发射系统、宇航环境模拟、高层建筑减震、紧急刹车装置等,应用一：高压造型生产线,应用二：真空静压造型生产线,应用三：工程机械领域,压路机,挖掘机,铲运车,应用四：机械加工行业,应用五：航天工业,应用六：军事、雷达等,台湾“纪德舰”,第一篇 液压传动,第二章,液压传动的流体力学基础,流体力学是研究流体平衡和运动规律的一门科学。,本章重点：,1、液压油的粘度及其物理意义、粘性的力学本质；,2、液体静压力基本方程、连

10、续性方程、伯努利方程；,3、压力损失、小孔流量的计算。,本章难点：,1、实际液体伯努利方程及压力损失的计算；,2、绝对压力、相对压力、真空度的概念。,2-1 液压油,一、液压油的物理性质,（一）密度,单位体积液体的质量称为液体的密度。,矿物型液压油的密度随温度和压力而变化的，但其变动值很小，可认为其为常数。一般矿物油系液压油在20时密度约为850900 kg/m3 左右。,单位：kg/m3,(二)可压缩性,液体受压力作用而发生体积变化的性质称为液体的可压缩性。液体的压缩性可用体积压缩系数表示。,液体体积压缩系数的倒数，称为液体的体积弹性模量，以或K 表示。即 1/。,封闭在容器内的液体在外力作

11、用下的情况极像一个弹簧（称为液压弹簧）：外力增大，体积减小；外力减小，体积增大。液体的可压缩性很小，在一般情况下当液压系统在稳态下工作时可以不考虑可压缩的影响。但在高压下或受压体积较大以及对液压系统进行动态分析时，就需要考虑液体可压缩性的影响。,(三)粘性,1、粘性的力学本质,粘性是液压油的根本特性，粘度是度量粘性的物理量，是选择液压油的主要性能指标。,液体的粘性：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间的相对运动而产生一种内摩擦力。,粘性的力学本质：,为比例系数称为动力粘度，单位为Pa S（帕秒）,（牛顿内摩擦阻力定律）,油液在流动时，相邻两层液体内部所产生的摩擦阻

12、力F与接触面积A成正比与速度梯度成正比。,若：,结论：液体只有在流动（或有流动趋势）时才会呈现出粘性，处于静止状态的液体不呈现粘性。,则单位面积上的内摩擦力：,例1：如一瓶水和一瓶菜油，放在形状完全相同的两只棕色瓶中，怎样鉴别？（不准用嗅觉和味觉）,2、粘度,液体的粘性大小可用粘度来表示。,相对粘度：用各种粘度计测量。,粘度,动力粘度：单位：PaS（帕秒）,运动粘度：单位：m2/s。与动力粘度换算公式：=/,（1）动力粘度,流动液体在一定剪切力作用下内摩擦阻力的度量。具有明确的物理意义。单位：PaS（帕秒），可用旋转粘度计测量，但计算较复杂。,物理意义：液体在单位速度梯度下流动时，单位面积上产

13、生的内摩擦力。,没有明确的物理意义。只是动力粘度与液体密度的比值。,（2）运动粘度,即：,单位：m2/s,国产油液牌号是以40时的平均运动粘度来表示。1 cSt(厘斯)=10-2 St(斯)=1 mm2/s,单位换算：1 m2/s=104 St（斯）=106 cSt（厘斯）,例1：普通液压油YA-N32，N32表示该油在40时平均运动粘度为,mm2/s，,即 32 106,32,m2/s。,例2：20 时 水=10-6 m2/s，水=103 kg/m3;空气=15 10-6 m2/s，空气=1.2 kg/m3。试比较哪种介质粘性大？,解：水=水 水=10-3 PaS,空气=空气 空气=1.8

14、10-5PaS 水的粘性大,结论：若要比较两种不同介质流体的粘性大小，只能用动力粘度来比较。,（3）相对粘度（条件粘度）：,将200ml 温度为t 的被测液体装入恩氏粘度计中，由其底部 2.8mm的小孔流出，测出液体流尽所需的时间 液，与同体积蒸馏水在20 时流过同一粘度计所需时间 水之比。用0Et表示。0Et=液/水，无量纲。,60ml，单位：秒。故又称国际赛氏秒。用”S表示。,恩氏粘度0E（中、德、前苏联）：,赛氏粘度SUS（美国）：,换算关系：,单位：均为 m2/s,60ml，单位：秒。故又称商用雷氏秒。用”R 表示。,雷氏粘度R1S（英国、美国）：,3、影响油液粘度的因素,温度：,温度

15、 分子间内聚力 油液粘度压力损失。,并且变化十分敏感，说明温度对粘度的影响很大。,油液的粘温特性：,油液粘度随温度变化的特性称为油的粘温特性。用粘度指数VI表示。,温度,分子间内聚力,油液粘度,系统泄漏,传动精度,；,粘度指数（VI）：粘度指数越高，则粘温曲线越平坦，油液的粘温性能好，表示温度变化对该油的粘度影响较小。压力变化对粘度影响较小，一般不考虑。一般要求工作介质的粘度指数VI 90。,压力 分子间距 分子间内聚力 油液粘度有所。,压力：,a.当压力较低时，压力变化对粘度影响较小，一般不考虑。,b.当压力很高时，压力变化对粘度影响较大。,式中0压力为105Pa时的运动粘度(m2/s)p压

16、力为 p Pa时的运动粘度(m2/s),(四)其它物理性质,比热容（单位质量的物质作单位温度变化时所需要的热量）、导热系数、流动点（比凝固点低2.5的温度叫做流动点）与凝固点、闪点（明火能使油面上油蒸气闪燃，但油本身不燃烧的温度）与燃点（使油液能自行燃烧的温度）、润滑性（在金属摩擦表面形成牢固油膜的能力）等。,二、液压油的化学性质,1、酸值：中和1克油液所需 KOH 的毫克数。,2、热稳定性：自身裂化、聚合。,3、氧化稳定性：与空气及其它氧化物进行化学反应的能力,4、相容性：油液与系统中各种密封材料、涂料等非金属材料相互接触时抵抗化学反应的能力。如不起作用或很少起作用则相容性好。,5、抗乳化性

17、：油液中混入水并搅动成乳化液后，水从其中分离出来的能力。,6、抗泡沫性：油液中混入空气并搅动成乳化液后，空气从其中分离出来的能力。,三、对液压油的性能要求,(1)适宜的粘度及良好的粘温特性；(2)良好的润滑性及高的油膜强度；(3)良好的热稳定性及化学稳定性；,(4)良好的热稳定性及化学稳定性；(5)良好的相容性；(6)良好的抗燃性、抗泡性及抗乳化性；(7)高的闪点、低的凝固点、高纯度、无毒且成本低等。,四、液压油液的类型和选用,按抗燃特性分为两大类,矿物基型液压液（石油基型）,难燃液压液,普通型：机械油、变压器油、汽轮机油等；,专用型：精密机床液压油、数控机床液压油、低凝液压油、抗磨液压油、抗

18、燃液压油等；,乳化型（水基如o/w、w/o、水-乙二醇）：特点：价廉、难燃、润滑性较差。,特点：价高、凝固点低、有毒。,磷酸酯基、氯化烃等；,合成型：,1、类型：,2、液压油的选用原则,c、运动速度高，流量大时，泄漏相对值小。此时，压力损失为主要矛盾，粘度取小值。,1）确定液压油类型：根据系统工作条件、工作环境、传动精度等；,2）根据液压泵的类型选定油液粘度范围；,3）选具体牌号:,a、环境温度高时，泄漏为主要矛盾，选粘度高的油；反之则相反。,b、工作压力高、功率大时，压力损失相对值小。此时，泄漏为主要矛盾，粘度取大值；,常用泵的用油粘度,如运动部件速度很快,如系统工作环境温度很高,2-2 液

19、体静力学基础,液体静力学主要是研究液体静止时的平衡规律以及这些规律的应用。,“静止液体”指的是液体内部质点间没有相对运动，不呈现粘性而言，至于盛装液体的容器，不论它是静止的还是匀速、匀加速运动都没有关系。,一、液体静压力及其特性,静压力：液体处于静止状态时，单位面积上所受的法向作用力。,若F均匀作用于面积A上,单位：N/m2 即 Pa（帕斯卡）,静压力三个重要特性：,液体静压力总是垂直于其承压表面。,静止液体中任意点所受静压力在各个方向上均相等。若不相等将会运动，破坏静止的条件。,在密闭容器中的静止液体，当一处受压时，这个压力将等值传递到任意点。（帕斯卡原理）,二、液体静压力基本方程,静压力基

20、本方程,液体静压力,自重（很小，在液压技术中可忽略不计）,外力,欲求深度为h处压力，取一垂直小液柱A,此小液柱处于平衡状态，列受力平衡方程：,P 0.A+G=P.A,式中 G=mg=.v.g=g.A.h,P=P0+g h,=P0+h,由方程可知：,静止液体中任一点压力由两部分组成：作用在液面上的压力P0和由液柱本身重力所产生的压力mgh。若 P0=Pa（大气压作用）则：P=Pa+g h,P 随 h 呈线性增加。,同一液体中，深度相同的各点压力相等。由压力相等的点组成的 面称等压面，显然在重力场中静止液体的等压面为水平面。,静压力基本方程的物理意义,P=P0+g h,P0+g z0=P+g z,

21、=P0+g z0g z,=P0+g(z0 z),P/g：单位重量液体的压力能，称比压能（压力水头）,或,Z:单位重量液体相对于基准平面的位能，,Z 称为比位能（位置水头）,结论：,静止液体中任意一点总能量为单位重量液体的压力能和位能之和。压力能和位能可以相互转化，但总能量不变。即能量守恒。,（1）绝对压力 P绝：,以当地大气压为基准所表示的压力，又称表压力。,3.压力的表示方法,以绝对零压力为基准所表示的压力。,（2）相对压力 P相：,P绝=P相+Pa 或 P相=P绝Pa,P相0 称为真空度,P真=Pa P绝 P真0,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。,P相0

22、表压力,注意：在分析问题上，前面的静压力基本方程中P、P0可用绝对压力，亦可用相对压力，但在同一计算式中必须一致。,（3）相互关系,4.压力的单位,1 Pa（帕）=1 N/m2,1MPa（兆帕）=106 Pa,压力单位及其它非法定计量单位的换算关系：,1at（工程大气压）=1kgf/cm2=9.8104 Pa,1mH2O(米水柱)=9.8103 Pa,1mmHg(毫米汞柱)=1.33102 Pa,1bar(巴)=105 Pa1.02kgf/cm2,例：容器内充满油液，活塞上作用 F=1000 N，活塞面积 A=10-3 m2，问活塞下方深度 h=0.5 m 处的压力等于多少？,解：,根据 P=

23、P0+g h,活塞与液面接触处压力为：,P0=F/A=1000/10-3=106 Pa=1 MPa,深度为h 处的液体压力为：,P=P0+g h,=106+9009.8 0.5,=1.0044 106 Pa,=1.0044 MPa,1.0 MPa,由式可见，由于液柱重量所引起的 压力与外力所产生的压力相比，可以忽略不计。对液体传动来说，可以认为静止液体内各处的压力均是相等的。,三、液体对固体壁面的作用力,1.液压力作用在平面上的作用力,由于是平面，所以作用力方向相互平行,公式 F=P*A 不能用 计算作用于曲面在某一指定方向的分力,2.液体作用在曲面上的作用力,例题：求液压力作用在半圆筒内壁沿

24、 x 方向作用力。,解：,过取d的一段微弧，沿圆筒长度方向 则可认为是矩形：,d A=L.rd,d F=P.d A,=P rLd,沿 x 方向力为：,d Fx=d F COS,Fx=d Fx,=,=,=P.2rL,（半圆筒内壁在X方向上投影面积）,结论：曲面在某一方向上所受的液 压作用力等于曲面在该方向的投影面积和液压力的乘积。,液体作用在阀芯上的力（竖直向上）,2-3 液体动力学基础,研究液体流动时流速和压力的变化规律，具体讨论三大方程 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）。,一、液体运动的基本概念,1.理想液体：,既无粘性又不可压缩的液体。否则称为实际液体。

25、,2.稳定流动：,液体流动时，若液体中任何一点的压力、流速和密度均不随时间而变化，这种流动称为稳定流动。否则，只要压力、速度和密度有一个量随时间变化，则这种流动就称为非稳定流动。,定常流动,非定常流动,3.迹线、流线、流束、通流截面,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。,迹线：,某一瞬时，表示液流中各处质点运动状态的一条条曲线。,流线：,（1）该瞬时，流线上各质点速度方向与流线相切。（2）在稳定流动时，流线不随时间而变化，流线与迹线重合。（3）由于流动液体中任一质点在某一瞬时只能有一个速度，所以流线之间不可能相交，也不可能突然转折。,特点：,在流场中任取一封闭曲线，沿此封闭曲线

26、每一点作流线，由这些流线所形成的管状曲面称为流管。流管内这些流线的集合称为流束。,流束：,（1）对非稳定流动，流管形状随时间而变；,特点：,（2）对稳定流动，流管形状不变，且管内流线不能穿越流管，此时，流管与真实管道一样。,流束中与所有流线正交的截面称为通流截面。截面上每点处的流动速度都垂直于这个面。,通流截面：,4.流量与平均流速,单位时间内流过某通流截面的液体体积。用q 表示，单位为 m3/s 或 L/min。,流量：,3.平均流速v,q=V/t=(lA)/t=A(l/t)=Av,二、连续性方程,单位：m/s,假设液体作稳定流动，且不可压缩（密度相等）。任取一流管，两端通流截面面积为A1、

27、A2，在流管中取一微小流束，流束两端的截面积分别为dA1和dA2，在微小截面上各点的速度可以认为是相等的，且分别为u1和u2。,u1dA1dtu2dA2dt,根据质量守恒定律，在dt时间内流入此微小流束的质量应等于此微小流束流出的质量。,u1dA1u2dA2,对整个流管：,q1q2,如用平均流速表示：,v1A1v2A2,上述两通流截面是任意取的，所以有,qvA常数,不可压缩液体作稳定流动时的连续性方程,结论:,（1）通过流管任一通流截面的流量相等。,（2）液体的流速与管道通流截面积成反比。,（3）在具有分支的管路中具有q1=q2+q3 的关系。,例:,如图所示，进入液压缸的流量Q1是否等于缸排

28、出的流量Q2？,油液是不连续的，不可用连续性方程。,解:,Q1 Q2,三、伯努利方程（能量方程）,伯努利方程就是能量守恒定律在流动液体中的表现形式。(动能定理),1、理想液体微小流束的伯努利方程,假设为理想液体且作稳定流动，密度为常数。,A1处断面为dA1，断面上所受的压力为p1，流速u1；,A2处断面为dA2，断面上所受的压力为p2，流速u2；,假设在无限短的时间dt内，A1处断面液体到达A11，A2处断面液体到达A22。现分析表面力、重力所做的功及其动能变化（功能关系）。,（1）表面力所做的功，dW表,理想液体，无内阻，流束侧面表面力与液流位移方向垂直，故不做功。仅有作用于dA1、dA2两

29、端上的力做功，其值为：,dW表,（2）重力所做的功，dW重,在流束中，当A1A2段的液体运动到A11A22时，由于属稳定流动，故在dt时间内，A11A2段液体所有的参数（p、v、等）均未变化，这段液体能量没有变化。此时重力做功就等于将A1A11段液体A2A22段时所做的功。设A1A11段、A2A22段高度分别为h1、h2，则重力所做的功为：,dW重,（3）动能变化，dE,同样，在dt时间内，A11A2段液体所有的参数（p、v、等）均未变化，故动能变化应等于A1A11段和A2A22段微小流束的动能差，即,dEdW表dW重,即：,伯努利方程物理意义：,第一项为单位重量液体的压力能称为比压能（p/g

30、）；,第二项为单位重量液体的动能称为比动能（u2/2g）；,第三项为单位重量液体的位能称为比位能（h）。,由于上述三种能量都具有长度单位，故又分别称为压力水头、速度水头和位置水头。,比压能+比位能+比动能=常量,物理意义：在管内作稳定流动的理想液体具有压力能、位能和动能三种形式的能量，在任一截面上三者可以相互转换，但其总和保持不变。,静压力基本方程则是伯努利方程（流速为0）的特例。,即：,2实际液体微小流束的伯努利方程,实际液体都具有粘性，因此液体在流动时能量消耗，设因粘性而消耗的能量为hw，则实际液体微小流束的伯努利方程为：,hw：以水头高度表示的能量损失（即阻力水头）,P=hW.g P:压

31、力损失。,3实际液体总流的伯努利方程,若用平均流速代替，则必然引起动能偏差，故必须引入动能修正系数。于是实际液体总流的伯努利方程为：,式中 hw-由液体粘性引起的能量损失；,1，2-动能修正系数，一般在紊流时取1，层流时取2。,例：如图所示为文氏流量计原理图。已知D1200mm，D2100mm。当有一定流量的水通过流量计时，水银柱压力计读数h45mm水银柱，Hg/H2O=13.6。不计能量损失，求通过流量计的流量。,解：,取D1处断面，D2处断面，并以中心线为基准，列出伯努利方程：,根据题设：z1z20；,因为不计压力损失，所以hw=0，,q,动能修正系数取：121；,则上述方程简化为：,由连

32、续性方程,代入上式后得：,由静压力基本方程：,分析变截面水平管道各处的压力情况,泵吸油口真空度,伯努利方程应用举例,管中流量达多少时才能抽吸？,求水银柱高度？,判断管中液体流动方向和流量？,如图示，已知一流量q=16L/min 的液压泵，安装在油面以下，油液运动粘度为20106 m2/s，900kg/m3，其它尺寸如图所示，仅考虑吸液管沿程压力损失，试求液压泵入口处的绝对压力。（1.026105Pa）,4、应用伯努利方程解题的一般步骤,（1）选取两个计算截面：一个设在所求参数的截面上，另一个设在已知参数的截面上；,（2）选取适当的基准水平面；,（3）按照液体流动方向列出伯努利方程的一般形式；,

33、（4）忽略影响较小的次要参数，以简化方程；,（5）若未知数的数量多于方程数，则必须列出其它辅助方程，如连续性方程、静压力方程等联立求解。,2-4 液体流动时的压力损失,一、压力损失的基本概念,3、局部压力损失：油液流经局部障碍时，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。,沿程压力损失和局部压力损失。,2、沿程压力损失：油液沿等径直管流动时所产生的压力损失，这类压力损失是由液体流动时的内、外摩擦力所引起的。,1、类型:,二、层流、紊（湍）流、雷诺数,1、层流和紊流,层流：液体质点互不干扰，液体的流动呈线性或层状，且平行

34、于管道轴线；,液流状态：,层流、紊流演示图,b）层流开始破坏,a）层流,紊流：液体质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴线的运动以外，还存在着剧烈的横向运动。,c）流动趋于紊流,d）紊流,层流时，液体流速较低，质点受粘性制约，不能随意运动，粘性力起主导作用；,层流和紊流是两种不同性质的流态。,紊流时，液体流速较高，粘性的制约作用减弱，惯性力起主导作用。,液体流动时，究竟是层流还是紊流，要用雷诺数来判定。,雷诺实验装置原理图,阀门,阀门,阀门,2雷诺数,临界雷诺数：,对于非圆截面管道来说，Re可用下式来计算：,当液流实际流动时的雷诺数小于临界雷诺数时，液流为层流，反之液流则为紊流。对金属圆管Re临

35、 2000。,层流紊流 Re上紊流层流Re下且Re下 Re上,Re临 Re下,dH为通流截面的水力直径。,A通流截面积 湿周,水力直径计算：,例：试直观判断下列两种流体的流态,层流,紊流,直径d,外径D,内径d,边长a,水力直径对管道通流能力影响很大，水力直径大，表明液流与管壁接触少，通流能力大，不易堵塞；反之，通流能力小，易堵塞。,结论：,为什么管道都用圆形截面？,以面积均为单位1的圆形和方形截面管道为例说明：,因为A=1,因为A=1,三、沿程压力损失,（一）圆管中流量的计算,1、圆管中流速分布规律,作用在小圆柱体上的轴向力有两端的压力(p1，p2)和圆柱侧面的剪切应力所产生的力，其力的平衡

36、方程为,假设：,管道直径为d，自左向右作层流运动。,在液流中取一轴线与管道轴线重合的小圆柱体，其直径为2r，长为l。,由牛顿内摩擦阻力定律可知,将此式代入，积分得,确定积分常数C,当rd/2时，u=0,圆管中的流速分布表达式,【结论】液体在圆管中作层流运动时，其速度分布是一个对称于管道轴线、纵截面为抛物线(见图)的锥体(以下简称抛物线体)。,圆管中心的最大流速,当r=0 时，流速最大，u=umax,上式中令,在单位时间内，流经直管液体的流量q就是该抛物线体的体积。,2、流经圆管的流量,在半径为r处取一厚度为dr的微小圆环，通过此环形面积的流量为dq。,流经圆管的流量（对dq积分）：,哈根泊肃叶

37、流量公式,(见课本),圆管通流截面上的平均流速,液体在圆管中作层流流动时，其中心处的最大流速正好等于其平均流速的两倍，即umax2v,结论：,（二）沿程压力损失计算,由哈根泊肃叶流量公式，可知,整理得,沿程阻力系数的确定：,80/Re，液压油在橡胶管中,64/Re（理论值，计算时一般不用）,75/Re，液压油在金属圆管中作层流流动时；,层流时：,紊流时：,不仅与雷诺数Re有关，而且与管壁表面粗糙度有关。阻力系数只能由实验确定，对于光滑管。,当2.3103Re105时，,见课本P43页,四、局部压力损失,液体流经如阀口、弯管、通流截面突然变化等局部阻力处所引起的压力损失。局部压力损失的计算公式为

38、,式中为局部阻力损失系数，大多通过实验求得。,注意：对于液流通过各种标准液压元件的局部损失，一般可从产品技术规格中查到，但所查到的数据是在额定流量qn时的压力损失pn，若实际通过流量与其不一样时，可按下式计算，即,见课本P44页,五、管路系统中的总压力损失,管路系统中的总的压力损失等于所有直管中的沿程压力损失和局部压力损失之和，即,由于存在压力损失，一般液压系统中液压泵的压力pp应比执行元件的工作压力p1高p，即,2-5 液体流过小孔的流量,小孔的类型：,当孔的长度 l 与孔径 d 之比（长径比）l/d0.5时的小孔称为薄壁小孔。,薄壁小孔：,细长小孔：,当孔的长度l与孔径d 之比l/d 4时

39、的小孔称为细长小孔。,短 孔：,当孔的长度l与孔径d 之比0.5l/d 4 时的小孔称为短孔。,一、液经薄壁小孔的流量计算,A.因惯性力作用，液体质点突然加速；,分析与假设：,B.先收缩，截面2-2，然后再扩散；,C.造成能量损失，并使油液发热;,D.收缩截面面积A22和孔口截面积A的比值称为收缩系数Cc，即 Cc=A22/A,E.完全收缩：当管道直径D与小孔直径d的比值Dd7时，收缩作用不再受大孔侧壁的影响。,取断面11，22，并以管道中心线为基准，并设动能修正系数为 1。列伯努利方程,因为以管道中心线为基准，故Z1=Z2=0,又因为 Dd，故v1 0,式中CdCvCc为小孔流量系数。Cd和

40、Cc一般由实验确定。,完全收缩时，Cd 0.610.62,不完全收缩时，Cd 0.70.8,二、液经细长小孔的流量计算,将细长小孔当作管道考虑，应用哈根泊肃叶流量公式，有,比较前述薄壁小孔流量公式,三、液经短孔的流量计算,按薄壁小孔流量公式计算,注意：Cd=0.82,四、液经任意孔口的流量公式,A为孔口通流截面面积,p为孔口前后的压力差,m为由孔口形状决定的指数：当孔口为薄壁小孔时，m0.5，当孔口为细长孔时，m1；,K为孔口的形状系数：,当孔口为薄壁小孔时,当孔口为细长孔时，,结论：,（1）对薄壁小孔，流过小孔流量与小孔前后压差的平方根成正比，与油液粘度无关。,（2）对细长小孔，流过小孔流量

41、与小孔前后压差成正比，与油液粘度成反比。,2-5 液压冲击和空穴现象,在流动的液体中，因某点处的压力低于空气分离压或油液的饱和蒸汽压时而产生大量气泡的现象。,液压冲击：,在液压系统中，由于某种原因，液体压力在一瞬间会突然升高，产生很高的压力峰值的现象。,空穴现象：,一、液压冲击,（一）液压冲击产生的原因,1、管内液流速度突然变化，由液流惯性力引起的液压冲击。,液体动能 弹性挤压能,式中：,K 为液体的体积弹性模量；d为管道内径；为管道壁厚；E为管道材料的弹性模量；冲击波在管道中的液压油内的传播速度c 一般约为8901420m/s,当阀门不是完全关闭，流速从v 降到v,完全冲击：,当阀门关闭时间

42、t小于压力波来回一次所需的时间tc（临界关闭时间），即t tc（tc=2l/c），称为完全冲击（直接液压冲击）。上述两公式适用。,非完全冲击：,当阀门关闭时间t大于压力波来回一次所需的时间tc（临界关闭时间），即t tc（tc=2l/c），称为非完全冲击（又称间接液压冲击）。,2、由于运动部件制动时引起的液压冲击。,设总质量为M的运动部件在制动时的减速时间为t，速度的减小值为v，液压缸的有效工作面积为A，则根据动量定理可近似地求得系统中的冲击压力p。,（二）减小液压冲击的措施,使直接冲击变为间接冲击，这可用减慢阀的关闭速度和减小冲击波传递距离来达到。,限制管道中油液的流速v。,用橡胶软管或在冲

43、击源处设置蓄能器，以吸收液压冲击的能量。,在容易出现液压冲击的地方，安装限制压力升高的安全阀。,二、空穴现象,（一）油液的空气分离压和饱和蒸汽压,空气分离压：,1、过饱和状态,在一定的温度下，如压力降低到某一值时，过饱和的空气将从油液中分离出来形成气泡，这一压力值称为该温度下的空气分离压。,通常液压油中都溶解有一定的空气，常温时在一个大气压下溶解量约为612(体积)。在大气压下溶解于油液中的空气，当压力低于大气压时，就成为过饱和状态。,一般来说，液压油的饱和蒸汽压相当小,比空气分离压小得多，因此，要使液压油不产生大量气泡，它的压力最低不得低于液压油所在温度下的空气分离压。,当液压油在某温度下的压力低于某一数值时，油液本身迅速汽化，产生大量蒸汽气泡，这时的压力称为液压油在该温度下的饱和蒸汽压。,饱和蒸汽压：,2、空穴现象举例,1）节流口处的空穴现象,2）液压泵的空穴现象,1、引起振动、噪声；2、使金属零件表面剥落、腐蚀，使表面粗糙，或出现海绵状的小洞穴，即气蚀现象。,（二）空穴现象的危害,（三）减小空穴现象的措施,（1）减小流经节流小孔前后的压力差，一般希望小孔前后压力比小于3.5。,（2）正确设计液压泵的结构参数，适当加大吸油管内径。,（3）提高零件的抗气蚀能力，增加零件的机械强度，采用抗腐蚀能力强的金属材料，减小零件表面粗糙度等。,