液压与气压传动基础.

液压和气压传动液压与气压传动是以流体为工作介质进行能量传递和控制的一种传动形式，流体传动研究的是流体的机械特性：液压系统是以液体为工作介质来传递力和运动，并对其进行调节和控制的；气动系统是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递或信号传递的。液压与气动技术都是实现现代化生产控制和自动控制的重要手段。课程内容液压传动流体力学基础液压元件及辅件基本回路绪论目录液压流体力学基础液压泵及马达液压缸1.1液压传动的工作原理1.2液压传动的组成1.3液压传动的优缺点1.4液压传动的应用及发展第1章绪论第1章绪论1.1液压传动的工作原理1.液压泵2.排液泵阀3.吸液泵阀4.储液箱5.保压阀6.负载液缸由帕斯卡原理可知，受力平衡时：PAFAF2211P——液压系统的压力分析：当两液压缸活塞的面积不变时，负载F2变化，将引起压力P变化，即液压系统的压力取决于外负载。●第一个特征：液压系统的压力取决于外负载。1．力的传递设：大、小液压缸活塞面积分别为A2和A1，大液压缸所受负载为F2，作用于小液压缸上的力为F1。第1章绪论2．运动的传递—设大、小液压缸活塞位移平均速度分别为υ2和υ1。由于从小液压缸排出液体的体积和时间等于进入大液压缸液体的体积和时间，即V1=V2，t1=t2；同样，相同体积的液体流经不同管径的管道所经历的时间相等。则有：υ1A1=υ2A2=Q●第二个特征：液压传动的速度大小取决于流量。Q—流量第1章绪论分析：液压传动是靠密闭工作容积变化相等的原则实现运动传递的，改变进入大液压缸的流量Q，即可改变其活塞的运动速度υ2。通过液压传动的工作原理可知：压力和流量是液压系统中两个最基本的参数。第1章绪论1.2液压与气压传动的组成（以图示磨床工作台为例）第1章绪论符号图显然液压与气压传动系统由以下四部分组成：能源装置—机械能转换成液压能（液压泵或空气压缩机）.执行元件—压力能转换成机械能输出（液压缸、马达）.控制元件—对流体的压力、流量和流动方向进行控制和调节(各种的阀).辅助元件—如油箱、管件等.第1章绪论液压系统的图形符号“气动与液压”图形符号标准已制定国家标准GB/T786-93.第1章绪论1.3液压与气压传动的优缺点优点：1）体积小、重量轻、结构紧凑（指液压传动）。2）冲击小。3）实现大范围无级调速。4）操纵方便、省力。5)易实现过载保护。6）自润滑，寿命长。7）易实现标准化、系列化、通用化。第1章绪论第1章绪论缺点：1）不能保证准确的传动比(泄漏和可压缩性引起）。2）传动效率低，不适合远距离传动。3）对温度敏感。4）制造精度高，价格贵。5)要有单独的能源。6）易泄漏污染（指液压系统）。7）故障不易排除。第1章绪论历史：1650年的帕斯卡原理1795年第一台水压机（英国）发展：第二次世界大战及战后目前：液压技术与传感技术、微电子技术的结合，出现诸如电液比例阀、数字阀、电液伺服液压缸等机（液）电一体化的元器件，从而使液压与气压传动在众多工业领域广泛应用，例如发达国家95％的工程机械、90％的数控加工中心、95％以上的自动线。未来：液压与计算机的结合，如CAD、CAT和计算机实时控制等。1.4应用及发展2.1工作介质2.2液体静力学2.3液体动力学2.4液体流动中的压力损失2.5液体流经小孔及缝隙的流量2.6液压冲击及气穴现象第2章液压流体力学基础本章介绍有关液压传动的流体力学基础.本章重点：流体粘性的意义与度量、帕斯卡原理、连续性方程意义与应用、薄壁孔口流量压力关系。第2章液压流体力学基础1.密度ρ—单位体积流体的质量ρ=m/V[kg/m3]一般矿物油的密度为850～950kg/m32.重度γ—单位体积流体的重量（不推荐使用）γ=G/V[N/m3]一般矿物油的重度为8400~9500N/m33.ρ与γ的换算关系为：γ=G/V=ρg2.1工作介质：在液压系统中，液压流体的主要作用是传递力和运动。液体受压力的作用而体积减小的特性称为液体的可压缩性。用液体压缩系数k表示:VVpk1第2章液压流体力学基础•常用液压油的压缩系数k=(5～7)×1010m2/N•对于矿物油，压缩系数的理论参考值为每10MPa压缩0.7～0.8%，水的压缩系数为每10MPa压缩0.45%。4.液体的可压缩性液体体积弹性模量K=压缩系数k的倒数，即一般常用K值表示液体抵抗压缩变形的能力。K值越大，流体越不易被压缩。油液K值很大，一般可认为油液不可压缩，但若油液中混入空气，这一性能将严重下降。第2章液压流体力学基础VVpkK1常用液压油的弹性模量K=(1.2～2)×103MPa第2章液压流体力学基础粘性液体的重要物理性质选用液压油的重要依据静止液体无粘性5.液体的粘性液体在外力作用下流动时，由于液体分子间的内聚力而产生的一种阻碍液体分子之间进行相对运动的内摩擦力，液体的这种产生内摩擦力的性质称为液体的粘性第2章液压流体力学基础图2-1液体的粘性示意图粘性的大小可用粘度来表示dydAFfdydAFf上式即牛顿液体内摩擦定律式中μ－动力粘度注意：液体在静止状态下是不呈现粘性的。第2章液压流体力学基础几种粘性的表示方法2）运动粘度νν=μ/ρ无明确物理意义，工程中常用来表示液体的粘度的参数。单位：SI制中－m2/s1）动力粘度μ表征液体粘度的内摩擦系数，又称绝对粘度，是工程实际计算时常用的参数。单位：SI制中－Pa·s或N·s/m2第2章液压流体力学基础3）相对粘度：相对粘度是以相对于蒸馏水的粘性的大小来表示该液体的粘性的。相对粘度又称条件粘度，我国采用恩氏粘度。恩氏粘度的测定液体在某温度下的恩氏粘度值°Et为：°Et=t1/t2恩氏粘度和运动粘度换算公式：ν=(7.31°E-6.31/°E)×10-6(m2/s)第2章液压流体力学基础粘度和温度的关系－又称粘温特性•温度升高，粘度下降，反之亦然。在双对数曲线图中，粘度和温度关系曲线为一条直线(粘温曲线)•油液粘度随温度变化小，称该油液粘温特性好。粘度和压力的关系－又称粘压特性•当液体所受的压力加大时，分子之间的距离缩小，内聚力增大，其粘度也随之增大，在压力超过20Mpa时粘度影响液压系统明显，在压力约40Mpa时，粘度达到标准的2倍。•在一般情况下，压力对粘度的影响比较小，在工程中当压力低于5MPa时，粘度值的变化很小，可以不考虑。第2章液压流体力学基础6.对液压油液的要求和分类对液压油液的要求：粘温特性好；有良好的润滑性；成分要纯净；有良好的化学稳定性；抗泡沫性和抗乳化性；材料相容性好；无毒，价格便宜。液压油液分类矿物性液压油：按照ISO规定，采用40℃时油液的运动粘度（mm2/s)作为油液粘度牌号，共分为10、15、22、32、46、68、100、150等8个等级。第2章液压流体力学基础7.液压油液的选用选用液压油液首先考虑的是粘度选择时要注意：液压系统的工作压力:压力高时要选择粘度较大的液压油液。环境温度温度高时选用粘度较大的液压油液。运动速度速度高时选用粘度较低的液压油液。液压泵的类型各类泵适用的粘度范围见下表。各类液压泵适用的粘度范围液压泵类型工作介质粘度ν4010-6m2.s-1环境温度5～40℃环境温度40～80℃齿轮泵30～7095～165叶片泵p＜7.0Mpa30～5040～75p≥7.0Mpa50～7055～90径向柱塞泵30～8065～240轴向柱塞泵40～7570～150第2章液压流体力学基础第2章液压流体力学基础2.2液体静力学主要内容：静压力及其特性静压力基本方程式帕斯卡原理压力的传递静压力对固体壁面的作用力第2章液压流体力学基础1静压力及其特性1)液体的静压力静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力。p=limΔF/ΔA（ΔA→0）若在液体的面积A上所受的作用力F为均匀分布时，静压力可表示为:p=F/A液体静压力在物理学上称为压强，工程实际应用中习惯称为压力。2)液体静压力的特性液体静压力垂直于承压面，方向为该面内法线方向。液体内任一点所受的静压力在各个方向上都相等。第2章液压流体力学基础第2章液压流体力学基础2.静压力基本方程式图2-2静压力的分布规律pdA=p0dA+ρghdA1.液体中任一点的压力p=p0+ρgh2.液体中任何两点的压力差△p=p2-p1=ρg△h3.能量守恒公式p1/(ρg)+z1=p2/(ρg)+z2重力作用下静止液体压力分布特点：静止液体中任一质点的总能量p/ρg+h保持不变，即能量守恒。任意一点压力由两部分组成：液面压力p0，自重形成的压力ρgh。离液面深度相同处各点的压力相等，压力相等的所有点组成等压面，重力作用下静止液体的等压面为水平面。液体内的压力与液体深度h成正比。第2章液压流体力学基础3.压力的表示法及单位绝对压力：以绝对真空为基准进行度量。相对压力或表压力：以大气压为基准进行度量。真空度：绝对压力不足于大气压力的压力值。绝对压力＝大气压力+表压力表压力＝绝对压力-大气压力真空度＝大气压力-绝对压力压力的单位：帕Pa(N/m2)，兆帕MPa第2章液压流体力学基础图示是应用帕斯卡原理的实例：作用在大活塞上的负载F1形成液体压力：p=F1/A1为防止大活塞下降，在小活塞上应施加的力：F2=pA2=F1A2/A1“作用于静止流体中的作用力，在流体中会沿各个方向传递。流体产生的压力，数值上等于单位面积上的作用力大小。压力总是作用在容器的约束面上，并沿其法线方向。”施加于静止液体压力可以等值地传递到液体各点，达到力的传递。由此可得知：静液压传动可使力放大，可使力缩小，也可以改变力的方向。液体内的压力是由负载决定的。4.帕斯卡定律和力的传递第2章液压流体力学基础第2章液压流体力学基础两个不同面积的活塞通过一连杆相连。如果面积A1上的压力为p1，则在活塞(1)上产生作用力F1。力Fl通过连杆作用于活塞(2)，并产生压力p2F1=F2；p1A1=p2A2由压力传递的这一实例可知，压力与作用面积成反比。5.压力的传递第2章液压流体力学基础当固体壁面为平面时，液体压力在该平面的总作F=pA当固体壁面为曲面时，液体压力在曲面某方向上的总作用力：F=pAx6.静压力对固体壁面的作用力第2章液压流体力学基础基本概念流量连续性方程伯努利方程动量方程研究液体流动时流速和压力的变化规律。2.3液体动力学第2章液压流体力学基础恒定流动：液体流动时，液体中任一点处的压力、速度和密度都不随时间而变化的流动，称为恒定流动。亦称为定常流动或非时变流动。平均流速：假设通流截面上各点的流速均匀分布，则平均流速为υ=Q/A。理想液体:假设的既无粘性又不可压缩的流体称为理想液体。通流截面：垂直于流动方向的截面，也称为过流截面。流量：单位时间内流过某一通流截面的液体体积。流量以Q表示，单位为m3/s或L/min。1.液体动力学基本概念2.流量连续性方程流量连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表达方式。任取1、2两个通流截面，根据质量守恒定律有：ρ1υ1A1=ρ2υ2A2不考虑液体的压缩性，则：ρ1=ρ2故得：Q=υA=常量流量连续性方程说明了恒定流动中，流过各截面的不可压缩流体的流量是不变的。因而流速与通流截面的面积成反比。假设：液体在管内作恒定流动第2章液压流体力学基础第2章液压流体力学基础1)理想流体的伯努利方程ghgpghgp2222221121伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表达方式。3.伯努利方程说明压力能，势能和动能可以互相转换，但其总和不变，即能量守恒。第2章液压流体力学基础whghgpghgp2222222111212)实际流体的伯努利方程实际流体存在粘性，流动时存在能量损失hw;用平均流速替代实际流速，α为动能修正系数，在紊流时取α=1.1，在层流时取α=2。实际计算时常取α=1。第2章液压流体力学基础例1.如图示简易热水器，左端接冷水管，