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液压与气压传动,机械工程学院,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,第二章 液压传动基础,机械工程学院,第三章 液压动力元件,机械工程学院,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,第二章 液压传动基础,机械工程学院,第三章 液压动力元件,机械工程学院,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,*,*,第四章 液压执行元件,机械工程学院,第五章 液压控制元件,机械工程学院,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,*,*,第六章 液压辅助元件,机械工程学院,第七章 液压基本回路,机械工程学院,*,*,*,*,*,*,*,*,*,*,第八章 典型液压系统,机械工程学院,第九章 液压系计算统设计,机械工程学院,第十章 气压传动基础,机械工程学院,第十一章 气源装置及气动辅件,机械工程学院,第十二章 气动执行元件,机械工程学院,第十三章 气动控制元件,机械工程学院,第十四章 气动回路与气压传动系统,机械工程学院,第十五章 非时序气动逻辑控制系统设计,机械工程学院,1,第一章 绪 论,第一节 液压与气压传动的工作原理及工作特征,是以流体作为工作介质进行能量传递和控制的一种传动形式。,（元件组成功能不同的回路 回路组成功能不同的系统）,2,、工作原理,以液压千斤顶来简述液压传动的工作原理,1,、定义,小液压缸,3,与单向阀,1,、,7,一起完成吸油与排油，将杠杆的机械能转换为油液的压力能输出；大液压缸,5,将油液的压力能转换为机械能输出，抬起重物。,图,1.1,液压千斤顶工作原理,1-,进油单向阀；,2-,小活塞；,3-,小缸体；,4-,手动杠杆；,5-,大缸体；,6-,大活塞；,7-,排油单向阀；,8-,截止阀；,9-,油箱,2,3,、液压传动的工作特性,1,）力的传递遵循帕斯卡原理,何谓帕斯卡原理？,在密闭容器内，施加于静止液体的压力可以等值地传递到液体各点。也称为静压传递原理。,p,2,=,F,2,/,A,2,F,1,=,p,1,A,1,=,p,2,A,1,=,pA,1,（,p,1,=,p,2,=,p,）,液压传动系统的工作压力取决于外负载。,2,）运动的传递遵照容积变化相等的原则,s,1,A,1,=,s,2,A,2,（,s,为位移，两边再除以运动时间,t,后）,q,1,=,v,1,A,1,=,v,2,A,2,=,q,2,液压传动系统中执行元件的运动速度取决于流量。,与外负载相对应的流体参数是流体压力，与运动速度相对应的流体参数是流体流量。因此，,压力和流量是液压与气压传动中的两个最基本的参数。,3,4,、气压传动的工作原理,气压传动与液压传动的基本工作原理是相似的，它是利用空气压缩机将电动机、内燃机或其它原动机输出的机械能转变为空气的压力能，然后在控制元件的控制及辅助元件的配合下，利用执行元件把空气的压力能转变为机械能，从而完成直线或回转运动并对外作功。,下面以剪切机的工作过程来说明其工作原理。,下,图,1.2,所示是剪切机剪切前的工况。当工料,11,由上料装置（图中未画）送入剪切机的规定位置时，将行程阀,8,顶开，换向阀,9,的下腔通过行程阀,8,与大气相通，使换向阀,9,的阀芯在弹簧力的作用下向下移动。由空气压缩机,1,产生的压缩空气，经过初次净化处理后储藏在储气罐,4,中，经过分水滤气器,5,、减压阀,6,和油雾器,7,和换向阀,9,，进入汽缸,10,的下腔。汽缸,10,上腔的压缩空气通过换向阀,9,排入大气。此时，汽缸活塞在气压力的作用下向上运动，带动剪刀将工料,11,剪断。工料剪下后，马上与行程阀,8,脱开，行程阀复位，阀芯将排气通道堵死，换向阀,9,下腔的气压升高，迫使换向阀,9,的阀芯上移，气路换向。压缩空气进入汽缸,10,的上腔，汽缸,10,的下腔排气，汽缸活塞下移，带动剪刀复位，准备第二次下料。,图,1.2,气动剪切机工作原理图,1-,空气压缩机；,2-,冷却器；,3-,油水分离器；,4-,储气罐；,5-,分水滤气器；,6-,减压阀；,7-,油雾器；,8-,行程阀；,9-,换向阀；,10-,气缸；,11-,工料,5,第二节 液压与气压传动系统的组成和图形符号,一、液压与气压系统的组成,动力元件,将机械能转换为流体压力能的装置。液压泵 或空气压缩机。,执行元件,将流体的压力能转换为机械能的元件。液压 缸或气缸、液压马达或气马达。,控制元件,控制系统压力、流量、方 向的元件以及进行 信号转换、逻辑运算和放大等功能的信号控 制元件。如溢流阀、节流阀、方向阀等。,辅助元件,保证系统正常工作除上述三种元件外的装置。如油箱、过滤器、蓄能器、油雾器、消声器、管件等。,工作介质,传递能量和信号。液压油、压缩空气。,图,1.3,机床工作台液压传动系,统,1-,油箱；,2-,过滤器；,3-,液压泵；,4-,溢流阀；,5-,节流阀；,6-,换向阀；,7-,液压缸；,8-,工作台,6,二、液压与气压系统的图形符号,为简化液压与气压系统原理图的绘制，我国制订了一套液压与气压传动的图形符号（,GB/T786.11993,）。将各液压与气压元件用相应的符号表示。这些符号只表示相应元件的静止位置或零位置，称为图形符号（或职能符号）。,详见附录,图,1.4,机床工作台液压传动系统工作原理图,1-,油箱；,2-,过滤器；,3-,液压泵；,4-,溢流阀；,5-,节流阀；,6-,换向阀；,7-,液压缸；,8-,工作台,7,第三节 液压与气压传动的特点,优点：,1,、布置方便灵活。,2,、无级调速，调速范围可达,2000,：,1,。,3,、传动平稳，易于实现快速启动、制动和频繁换向。,4,、操作控制方便，易于实现自动控制、中远距离控制和过载保护。,5,、标准化、系列化、通用化程度高，有利于缩短设计周期、制造周,期和降低成本。,6,、同等输出功率下具有体积小、质量小、运动惯性小、动态性能好,的特点。,缺点：,1,、传动效率不高。,2,、可压缩性及泄露造成不能严格定比传动。,3,、对温度比较敏感，不能在高温下工作。,4,、元件制造精度高、维护要求较高。,8,第四节 液压与气压传动的应用及发展,应用：,液压与气动技术应用在机床、工程机械、冶金机械、塑料机械、农,林机械、汽车、船舶、航天航空等国民经济各行各业，是自动化技术不,可缺少的手段。,(,如：火炮跟踪、飞机和导弹的飞行、炮塔稳定、海底石,油探测平台固定、煤矿矿井支承、矿山用的风钻、火车的刹车装置、液,压装载、起重、挖掘机、轧钢机组、数控机床、多工位组合机床、全自,动液压车床、液压机械手等。,),发展趋势：,元件小型化、系统集成化、机电液（气）一体化是液压与气动技术的必然发展趋势；元件与系统的,CAD/CAT(,计算机辅助试验）与计算机实时控制是当前的发展方向。,9,1,、液压与气压传动的定义,2,、液压与气压传动工作原理与工作特征,3,、液压与气压传动系统的组成及其作用，液压与气压元件的图形符号,本章小结,10,第一节 液压油,一、液压油的性质,密度,=m/V,一般认为液压油的密度为,900kg,/,m,3,可压缩性,k=-1/p,V/V,对于一般液压系统，可认为油液是不可压缩的。,粘性,粘性是液体流动时分子之间产生的一种内摩擦力。它是液体的重要物理特,性，也是液压用油的依据。粘性的大小用粘度表示，其类型有用动力粘度，运动,粘度，相对粘度。,图,2.1,液体黏性示意图,11,动力粘度,表征液体粘性的内摩擦系数,物理意义：当速度梯度等于,1,时，接触液体液层间单位面积上的内摩擦力。,即为动力粘度又称绝对粘度。,运动粘度,没有明确的物理意义,但是工程实际中常用的物理量。,相对粘度,又称条件粘度，它是采用特定的粘度计在规定的条件下测出来的液体粘度。我国采用恩氏粘度（,E,）。,恩氏粘度与运动粘度的换算关系,12,调和油的粘度,把两种不同粘度的油液混合起来使用，称为调和油。,粘度和温度的关系,粘度随着温度升高而显著下降（粘温特性）。,粘度和压力的关系,粘度随压力升高而变大（粘压特性）。,13,二、对液压油液的要求和分类,1,、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好；,材料相容性好；,无毒，价格便宜,2,、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（,mm,2,/,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。,难燃液压油液：,包括,含水型,（,高水机液、油包水乳化液等）,和,无水型,（无水型合成液）,两大类。,14,三、液压油液的选用,选用液压油液首先考虑的是粘度,具体选用时要根据具体情况或系统的要求，一般应考虑以下几个方面：,液压系统的工作压力,压力高，要选择粘度较大的液压油液。,环境温度,温度高，选用粘度较大的液压油液,运动速度,速度高，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书中表,2,3,。,四、液压油的污染及控制,1,、污染物的种类及危害,2,、液压油污染原因,3,、控制液压油污染的措施,15,液压流体力学,是研究液体平衡和运动的力学规律的一门学科。,液体静力学,研究液体在静止状态下的力学规律及其应用,液体动力学,研究液体流动时流速和压力的变化规律,管道中液流的特性,用于计算液体在管路中流动时的压力损失,孔口及缝隙的压力流量特性,是分析节流调速回路性能和计算,元件泄漏量的理论依据,液压冲击和气穴现象,液压流体力学概 述,16,第二节 液体静力学基础,液体的静压力,定义：静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力。,表达式：,（,A,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,:,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。,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。,一、静压力及其特性,17,二、液体静力学的基本方程,静压力基本方程式,表达式及其推导：,p,=,p,0,+,gh,重力作用下静止液体压力分布特征：,1,）压力由两部分组成：液面压力,p,0,，自重形成的压力,gh,。,2,）液体内的压力与液体深度成正比。,3,）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。,4,）静止液体中任一质点的总能量保持不变，即能量守恒。,5,）一般外加压力,P,0,gh,，因此分析计算时可忽略,gh,项,18,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（,P-,P,0,）,真空度,绝对压力不足于大气压力的那部分压力值。此时相对压力为负值，又称负压。,法定单位,帕,Pa,(,N,/,m,2,),图,2.2,绝对压力、相对压力和真空度的相对关系,19,静压力基本方程式的应用,例题：如下图,2.3,所示，容器内充满油液。已知油的密度,=900kg/m,3,，活塞上的作用力,F=1000N,，活塞面积,A=1x10,-3,m,2,，忽略活塞的质量。问活塞下方深度为,h=0.5m,处的静压力等于多少？,活塞与油液接触面上的压力,则深度为,h,处的液体压力为,解：根据公式,图,2.3,例题图,20,三、压力的传递,在密闭容器内，施加于静止液体的压力可以等值地传递到液体各点，这就是帕斯卡原理。也称为静压传递原理。,图,2.4,所示是应用帕斯卡原理的实例,作用在大活塞上的负载,F,1,形成液体压力,p,=,F,1,/,A,1,为防止大活塞下降，在小活塞上应施,加的力,F,2,=,pA,2,=,F,1,A,2,/,A,1,由此可得：液压传动可使力放大，可使力缩,小，也可以改变力的方向。（千斤顶放大力）,液体内的压力是由负载决定的,。,图,2.4,帕斯卡,原理实例图,21,四、静压力对固体壁面的作用力,液体和固体壁面接触时，固体壁面将受到液体静压力的作用,1,）当固体壁面为平面时，液体压力在该平面的总作用力,F,=,p A,，方向垂直于该平面。,2,）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,=,p A,x,，,A,x,为曲面在该方向的投影面积（适用于任何曲面）。,22,第三节 液体动力学方程,主要是研究液体流动时流速和压力的变化规律。流动液体的连续性方程、伯努利方程、动量方程是描述流动液体力学规律的三个基本方程式。前两个方程反映了液体的压力、流速与流量之间的关系，动量方程用来解决流动液体与固体壁面间的作用力问题。,基本概念,流量连续性方程,伯努利方程,动量方程,23,一、基本概念,理想液体,假设的既无粘性又不可压缩,的液体称为理想液体。（相对为实际液体）,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，亦称为定常流动或非时变流动。,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,m,3,/,s,或,L/min,。,平均流速,实际流体流动时，速度的分布规律很复杂。假设通流截面上各点的流速均匀分布，平均流速为,v,=,q/A,。,图,2.5,恒定流动和非恒定流动,24,二、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。,液体在管内作恒定流动，任取,1,、,2,两个通流截面，根据质量守恒定律，在单位时间内流过两个截面的液体流量相等，即：,1,v,1,A,1,=,2,v,2,A,2,不考虑液体的压缩性（,1,=,2,）,则得,q,=,v A,=,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。,图,2.6,液流连续性方程推导用图,25,三、伯努利方程,伯努利方程,是能量守恒定律在流体力学中的表达方式。,液体在管内作恒定流动，任取两个截面,1,、,2,有：,1,、理想流体的伯努利方程（由静压方程扩展）,p,1,/,g,+,Z,1,+,v,1,2,/,2g,=,p,2,/,g,+,Z,2,+,v,2,2,/,2g,另一种形式：,p,1,/,+,Z,1,g,+,v,1,2,/,2,=,p,2,/,+,Z,2,g,+,v,2,2,/,2,在管内作稳定流动的理想流体具有压力能，势能（位能）和动能三种,形式的能量，它们可以互相转换，但其总和不变，即能量守恒。,图,2.7,伯努利方程推导用图,26,2,、实际流体的伯努利方程,（按,1 2,的流向）,实际流体存在粘性，流动时存在能量损失，,h,w,为单位质量液体在两截面之间流动的能量损失。用平均流速替代实际流速，,为动能修正系数。,p,1,/,g,+,Z,1,+,1,v,1,2,/,2g,=,p,2,/,g,+,Z,2,+,2,v,2,2,/,2g,+,h,w,27,如图示简易热水器，左端接冷水管，右端接淋浴莲蓬头。,已知,A,1,=,A,2,/4,和,A,1,、,h,值，问冷水管内流量达到多少时才能抽吸热水？,3,、伯努利方程应用举例,解：沿冷水流动方向列,A,1,、,A,2,截面的伯努利方程,p,1,/,g,+,v,1,2,/,2g,=,p,2,/,g,+,v,2,2,/,2g,（,A,1,、,A,2,在同一平面）,补充辅助方程,p,1,=,p,a,gh,p,2,=,p,a,v,1,A,1,=,v,2,A,2,代入得 ,h,+,v,1,2,/,2g,=(,v,1,/,4,),2,/,2g,v,1,=(,32gh,/,15,),1/2,q,=,v,1,A,1,=(,32gh/15,),1/2,A,1,图,2.8,简易热水器接水图,28,四、动量方程,动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用，用来计算流动液体作用在限制其流动的固体壁面上的总作用力。,F,=,（,m u,）,/,t,=,q,（,u,2,-,u,1,）,作用在液体控制体积上的外力总和等于单位时间内流出控制表面与流入控制表面的液体的动量之差。,应用动量方程注意：,F,、,u,是矢量；流动液体作用在固体壁面上的力与作用在液体上的力大小相等、方向相反。（此作用力又称稳态液动力，简称液动力。）,动量方程的应用,计算液流通过阀口时对阀芯的轴向力大小,例题：,P23,例,2-2,29,第四节 液体流动时的压力损失,由于流动液体具有粘性，以及流动时突然转弯或通过阀口会产生撞击和旋涡，因此液体流动时必然会产生阻力。为了克服阻力，流动液体会损耗一部分能量，这种能量损失可用液体的压力损失来表示。压力损失即是伯努利方程中的,h,w,项。,压力损失由沿程压力损失和局部压力损失两部分组成。,液流在管道中流动时的压力损失和液流运动状态有关。,流态、雷诺数,沿程压力损失,局部压力损失,30,一、流态与雷诺数,图,2.9,雷诺实验装置,31,通过实验发现液体在管道中流动时存在两种流动状态。,层流,粘性力起主导作用,紊流,惯性力起主导作用,液体的流动状态用雷诺数来判断。,雷诺数,Re,=,v d/,(,惯性力和粘性力之比）,v,为管内的平均流速,d,为管道内径,为液体的运动粘度,对于非圆管,Re,=,v 4R/,，式中水力半径,R=A/x,（,A,为有效截面，,X,为湿周）,雷诺数为无量纲数。,如果液流的雷诺数相同，它的流动状态亦相同。,一般以液体由紊流转变为层流的雷诺数作为判断液体流态的依据，称为临界雷诺数，记为,Re,cr,。,当,Re,Re,cr,，为层流；当,Re,Re,cr,，为紊流。,常见液流管道的临界雷诺数,可以查有关表格,32,二、管道流动的沿程压力损失,液体在等直径管中流动时因摩擦而产生的损失，称为沿程压力损失。,因液体的流动状态不同沿程压力损失的计算有所区别。,层流时的沿程压力损失：,通流截面上的流速在半径方向按抛物线规律分布。,通过管道的流量,q,=,（,d,4,/,128l,）,p,管道内的平均流速,v,=(,d,2,/,32l,),p,沿程压力损失,p,=,（,64,/,Re,)(,l,/,d,),v,2,/,2,=,（,l,/,d,）,v,2,/,2,为沿程阻力系数，实际计算时对金属管取,=,75/Re,。,紊流时的沿程压力损失：,p,=,（,l,/,d,）,v,2,/,2,除了与雷诺数有关外，还与管道的粗糙度有关。,=,f,（,Re,，,/,d,），,为管壁的绝对粗糙度，,/,d,为相对粗糙度。,33,三、管道流动的局部压力损失,液体流经管道的弯头、接头、阀口等处时，液体流速的大小和方向发生变化，会产生漩涡并发生紊动现象，由此造成的压力损失称为局部压力损失。,p,=,v,2,/,2,为局部阻力系数，具体数值可查有关手册。,液流流过各种阀的局部压力损失可由阀在额定压力下的压力损失,p,s,来换算：,p,=,p,s,（,q,/,q,s,）,2,整个液压系统的总压力损失应为所有沿程压力损失和所有的局部压力损失之和。,p,=,p,+,p,34,第五节 液体流经小孔或缝隙的流量计算,在液压元件特别是液压控制阀中，对液流压力、流量及方向的控制通常是通过特定的孔口来实现的，它们对液流形成阻力，使其产生压力降，其作用类似电阻，称其为液阻。,“,孔口流动,”,主要介绍孔口的流量公式及液阻特性。,薄壁小孔,当长径比,l,/,d,0.5,时称为薄壁小孔，一般孔口边缘都做成刃口形式。,当液流经过管道由小孔流出时，由于液体惯性作用，使通过小孔后的液流形成一个收缩断面，然后再扩散，这一收缩和扩散过程产生很大的能量损失。对孔前、孔后通道断面,1,1,、,2,2,列伯努利方程，其中的压力损失包括突然收缩和突然扩大两项损失。,薄壁小孔液流,35,经整理得到流经薄壁小孔流量,q,=,C,d,A,o,（,2p,/,）,1/2,A,0,小孔截面积；,C,d,流量系数，,C,d,=,C,v,C,c,C,v,称为速度系数；,C,c,称为截面收缩系数。流量系数,C,d,的大小一般由实验确定，在液流完全收缩的情况下，当,Re,10,5,时，可以认为是不变的常数，计算时按,C,d,=,0.60-0.61,选取,薄壁小孔因沿程阻力损失小，,q,对油温变化不敏感，因此多被用作调节流量的节流器。,36,滑阀阀口,滑阀阀口可视为薄壁小孔，流经阀口的流量为,q,C,d,Dx,v,(2,p,/,),1/2,式中,C,d,流量系数，根据雷诺数查右图,D,滑阀阀芯台肩直径,x,v,阀口开度，,x,v,2,4,mm,图,2.10,圆柱滑阀阀口,37,锥阀阀口,锥阀阀口与薄壁小孔类似，流经阀口的流量为,q,C,d,d,m,x,v,sin,(2,p,/,),1/2,式中,C,d,流量系数，根据雷诺数查右图,d,m,阀座孔直径,x,v,阀芯抬起高度,阀芯半锥角,图,2.11,锥阀阀口,38,短孔和细长孔,当长径比,0.5,l,/,d,4,时，称为短孔。,流经短孔的流量,q,=,C,d,A,0,(,2,p,/,),1/2,C,d,应按曲线查得，雷诺数较大时，,C,d,基本稳定在,0.8,左右。短管常用作固定节流器。,当长径比,l,/,d,4,时，称为细长孔。,流经细长孔的流量,q,=,（,d,4,/128,l,）,p,液流经过细长孔的流量和孔前后压差成正比，和液体粘度成反比。,流量受液体温度影响较大。,39,液阻,孔口流量通式：,m=0.5,或,1,液阻的定义,孔口前后压力降与稳态流量的比值为液阻，即在稳态下，它与流量变化所需要的压差变化成正比。,液阻的特性：,R,与通流面积,A,成反比，,A,=0,，,R,为无限大；,A,足够大时，,R,0,。,p,一,定，调节,A,，可以改变,R,，从而调节流经孔口的流量。,A,一定，改变,q,，,p,随之改变，这种液阻的阻力特性用于压力控制阀的内部控制。,多个孔口串联或并联，总液阻类似电阻的计算。,40,1,、平板缝隙,两平行平板缝隙间充满液体时，压差作用会使液体产生流动（压差流动）；两平板相对运动也会使液体产生流动（剪切流动）。,通过平板缝隙的流量,在压差作用下，流量,q,与 缝隙值,h,的,三次方成正比，这说明液压元件内缝,隙的大小对泄漏量的影响非常大。,缝隙（间隙）流动,图,2.12,平行平板缝隙间的液流,41,通过同心圆柱环形缝隙的流量公式：,当圆柱体移动方向和压差方向相同时取正号，方向相反时取负号。,图,2.13,同心环形缝隙流动,2,、圆柱环形缝隙,相对运动的圆柱体与孔之间的间隙为圆柱环形间隙。根据两者是否同心又分为同心圆柱环形间隙和偏心环形间隙。通过其间的流量也包括压差流动流量和剪切流动流量。设圆柱体直径为,d,，缝隙值为,h,，缝隙长度为,l,。,42,设内外圆的偏心量为,e,，流经偏心圆柱环形缝隙的流量公式：,式中,h,o,为内外圆同心时半径方向的缝隙值,为相对偏心率，,e,/,h,o,当偏心量,e,=,h,o,，即,1,时（最大偏心状态），其通过的流量是同心环形间隙流量的,2.5,倍。因此在液压元件中应尽量使配合零件同心。,图,2.14,偏心环形缝隙流动,43,3,、圆锥环形缝隙,当柱塞或柱塞孔，阀芯或阀体孔带,有一定锥度时，两相对运动零件之间,的间隙为圆锥环形间隙，间隙大小沿,轴线方向变化。,阀芯大端为高压，液流由大端流向,小端，称为倒锥，阀芯小端为高压，,液流由小端流向大端，称为顺锥。,阀芯存在锥度不仅影响流经间隙的流量，而且影响缝隙中的压力分布。,如果阀芯在阀体孔内出现偏心，作用在阀芯一侧的压力将大于另一侧的压力，使阀芯受到一个液压侧向力的作用。,圆锥环形缝隙流量公式：,图,2.15,环形圆锥缝隙流动,44,液压卡紧现象,倒锥的液压侧向力使偏心距加大，当液压侧向力足,够大时，阀芯将紧贴孔的壁面，产生所谓液压卡紧现象；,而顺锥的液压侧向力则力图使偏心距减小，不会出现液压,卡紧现象。,为减少液压侧向力，一般在阀芯或柱塞的圆柱面开径,向均压槽，使槽内液体压力在圆周方向处处相等，槽深和,宽为,0.3,1.0mm,。,45,第六节 液压冲击与空穴现象,液压冲击,因某些原因液体压力在一瞬间会突然升高，产生很高的压力峰值，这种现象称为液压冲击。瞬间压力冲击不仅引起振动和噪声，而且会损坏密封装置、管道、元件，造成设备事故。,液压冲击的类型,管道阀门突然关闭时的液压冲击,运动部件制动时产生的液压冲击,一、液压冲击,减少液压冲击的措施,延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间。,限制管道流速及运动部件的速度。,适当增大管径，以减小冲击波的传播速度。,尽量缩短管道长度，减小压力波的传播时间。,用橡胶软管或设置蓄能器吸收冲击的能量。,46,减少液压冲击的措施：,延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间。,限制管道流速及运动部件的速度。,适当增大管径，以减小冲击波的传播速度。,尽量缩短管道长度，减小压力波的传播时间。,用橡胶软管或设置蓄能器吸收冲击的能量。,47,空穴现象,液压系统中，某点压力低于液压油液所在温度下的空气分离压时，原先溶于液体中的空气会分离出来，使液体产生大量的气泡，这种现象称为空穴现象。当压力进一步减小低于液体的饱和蒸汽压时，液体将迅速汽化，产生大量蒸汽气泡使气穴现象更加严重。气穴现象多发生在阀口和泵的吸油口。,空穴现象的危害,大量气泡使液流的流动特性变坏，造成流量和压力不稳定；气泡进入高压区，高压会使气泡迅速崩溃，使局部产生非常高的温度和冲击压力，引起振动和噪声；当附着在金属表面的气泡破灭时，局部产生的高温和高压会使金属表面疲劳，时间一长会造成金属表面的侵蚀、剥落，甚至出现海绵状的小洞穴，这种气蚀作用会缩短元件的使用寿命，严重时会造成故障。,二、空穴现象,48,减少空穴现象的措施,1,、减小阀孔前后的压力降，一般使压力比,p,1/,p,2,3.5,。,2,、尽量降低泵的吸油高度，减少吸油管道阻力。,3,、各元件联接处要密封可靠，防止空气进入。,4,、增强容易产生气蚀的元件的机械强度。,49,本章小结,1,、黏性、理想液体、实际液体、帕斯卡原理等基本概念与理论；,2,、静压力基本方程及其应用；,3,、流量连续性方程、伯努利方程、动量方程及它们的应用,;,4,、液体的流态及其判断，掌握液体流动时的损失分析与计算；,5,、液态流体的各种流动特征；,6,、液压冲击与空穴产生的原因、危害及预防措施,50,第一节 液压油,一、液压油的性质,密度,=m/V,一般认为液压油的密度为,900kg,/,m,3,可压缩性,k=-1/p,V/V,对于一般液压系统，可认为油液是不可压缩的。,粘性,粘性是液体流动时分子之间产生的一种内摩擦力。它是液体的重要物理特,性，也是液压用油的依据。粘性的大小用粘度表示，其类型有用动力粘度，运动,粘度，相对粘度。,图,2.1,液体黏性示意图,51,动力粘度,表征液体粘性的内摩擦系数,物理意义：当速度梯度等于,1,时，接触液体液层间单位面积上的内摩擦力。,即为动力粘度又称绝对粘度。,运动粘度,没有明确的物理意义,但是工程实际中常用的物理量。,相对粘度,又称条件粘度，它是采用特定的粘度计在规定的条件下测出来的液体粘度。我国采用恩氏粘度（,E,）。,恩氏粘度与运动粘度的换算关系,52,调和油的粘度,把两种不同粘度的油液混合起来使用，称为调和油。,粘度和温度的关系,粘度随着温度升高而显著下降（粘温特性）。,粘度和压力的关系,粘度随压力升高而变大（粘压特性）。,53,二、对液压油液的要求和分类,1,、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好；,材料相容性好；,无毒，价格便宜,2,、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（,mm,2,/,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。,难燃液压油液：,包括,含水型,（,高水机液、油包水乳化液等）,和,无水型,（无水型合成液）,两大类。,54,三、液压油液的选用,选用液压油液首先考虑的是粘度,具体选用时要根据具体情况或系统的要求，一般应考虑以下几个方面：,液压系统的工作压力,压力高，要选择粘度较大的液压油液。,环境温度,温度高，选用粘度较大的液压油液,运动速度,速度高，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书中表,2,3,。,四、液压油的污染及控制,1,、污染物的种类及危害,2,、液压油污染原因,3,、控制液压油污染的措施,55,液压流体力学,是研究液体平衡和运动的力学规律的一门学科。,液体静力学,研究液体在静止状态下的力学规律及其应用,液体动力学,研究液体流动时流速和压力的变化规律,管道中液流的特性,用于计算液体在管路中流动时的压力损失,孔口及缝隙的压力流量特性,是分析节流调速回路性能和计算,元件泄漏量的理论依据,液压冲击和气穴现象,液压流体力学概 述,56,第二节 液体静力学基础,液体的静压力,定义：静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力。,表达式：,（,A,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,:,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。,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。,一、静压力及其特性,57,二、液体静力学的基本方程,静压力基本方程式,表达式及其推导：,p,=,p,0,+,gh,重力作用下静止液体压力分布特征：,1,）压力由两部分组成：液面压力,p,0,，自重形成的压力,gh,。,2,）液体内的压力与液体深度成正比。,3,）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。,4,）静止液体中任一质点的总能量保持不变，即能量守恒。,5,）一般外加压力,P,0,gh,，因此分析计算时可忽略,gh,项,58,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（,P-,P,0,）,真空度,绝对压力不足于大气压力的那部分压力值。此时相对压力为负值，又称负压。,法定单位,帕,Pa,(,N,/,m,2,),图,2.2,绝对压力、相对压力和真空度的相对关系,59,静压力基本方程式的应用,例题：如下图,2.3,所示，容器内充满油液。已知油的密度,=900kg/m,3,，活塞上的作用力,F=1000N,，活塞面积,A=1x10,-3,m,2,，忽略活塞的质量。问活塞下方深度为,h=0.5m,处的静压力等于多少？,活塞与油液接触面上的压力,则深度为,h,处的液体压力为,解：根据公式,图,2.3,例题图,60,三、压力的传递,在密闭容器内，施加于静止液体的压力可以等值地传递到液体各点，这就是帕斯卡原理。也称为静压传递原理。,图,2.4,所示是应用帕斯卡原理的实例,作用在大活塞上的负载,F,1,形成液体压力,p,=,F,1,/,A,1,为防止大活塞下降，在小活塞上应施,加的力,F,2,=,pA,2,=,F,1,A,2,/,A,1,由此可得：液压传动可使力放大，可使力缩,小，也可以改变力的方向。（千斤顶放大力）,液体内的压力是由负载决定的,。,图,2.4,帕斯卡,原理实例图,61,四、静压力对固体壁面的作用力,液体和固体壁面接触时，固体壁面将受到液体静压力的作用,1,）当固体壁面为平面时，液体压力在该平面的总作用力,F,=,p A,，方向垂直于该平面。,2,）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,=,p A,x,，,A,x,为曲面在该方向的投影面积（适用于任何曲面）。,62,第三节 液体动力学方程,主要是研究液体流动时流速和压力的变化规律。流动液体的连续性方程、伯努利方程、动量方程是描述流动液体力学规律的三个基本方程式。前两个方程反映了液体的压力、流速与流量之间的关系，动量方程用来解决流动液体与固体壁面间的作用力问题。,基本概念,流量连续性方程,伯努利方程,动量方程,63,一、基本概念,理想液体,假设的既无粘性又不可压缩,的液体称为理想液体。（相对为实际液体）,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，亦称为定常流动或非时变流动。,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,m,3,/,s,或,L/min,。,平均流速,实际流体流动时，速度的分布规律很复杂。假设通流截面上各点的流速均匀分布，平均流速为,v,=,q/A,。,图,2.5,恒定流动和非恒定流动,64,二、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。,液体在管内作恒定流动，任取,1,、,2,两个通流截面，根据质量守恒定律，在单位时间内流过两个截面的液体流量相等，即：,1,v,1,A,1,=,2,v,2,A,2,不考虑液体的压缩性（,1,=,2,）,则得,q,=,v A,=,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。,图,2.6,液流连续性方程推导用图,65,三、伯努利方程,伯努利方程,是能量守恒定律在流体力学中的表达方式。,液体在管内作恒定流动，任取两个截面,1,、,2,有：,1,、理想流体的伯努利方程（由静压方程扩展）,p,1,/,g,+,Z,1,+,v,1,2,/,2g,=,p,2,/,g,+,Z,2,+,v,2,2,/,2g,另一种形式：,p,1,/,+,Z,1,g,+,v,1,2,/,2,=,p,2,/,+,Z,2,g,+,v,2,2,/,2,在管内作稳定流动的理想流体具有压力能，势能（位能）和动能三种,形式的能量，它们可以互相转换，但其总和不变，即能量守恒。,图,2.7,伯努利方程推导用图,66,2,、实际流体的伯努利方程,（按,1 2,的流向）,实际流体存在粘性，流动时存在能量损失，,h,w,为单位质量液体在两截面之间流动的能量损失。用平均流速替代实际流速，,为动能修正系数。,p,1,/,g,+,Z,1,+,1,v,1,2,/,2g,=,p,2,/,g,+,Z,2,+,2,v,2,2,/,2g,+,h,w,67,如图示简易热水器，左端接冷水管，右端接淋浴莲蓬头。,已知,A,1,=,A,2,/4,和,A,1,、,h,值，问冷水管内流量达到多少时才能抽吸热水？,3,、伯努利方程应用举例,解：沿冷水流动方向列,A,1,、,A,2,截面的伯努利方程,p,1,/,g,+,v,1,2,/,2g,=,p,2,/,g,+,v,2,2,/,2g,（,A,1,、,A,2,在同一平面）,补充辅助方程,p,1,=,p,a,gh,p,2,=,p,a,v,1,A,1,=,v,2,A,2,代入得 ,h,+,v,1,2,/,2g,=(,v,1,/,4,),2,/,2g,v,1,=(,32gh,/,15,),1/2,q,=,v,1,A,1,=(,32gh/15,),1/2,A,1,图,2.8,简易热水器接水图,68,四、动量方程,动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用，用来计算流动液体作用在限制其流动的固体壁面上的总作用力。,F,=,（,m u,）,/,t,=,q,（,u,2,-,u,1,）,作用在液体控制体积上的外力总和等于单位时间内流出控制表面与流入控制表面的液体的动量之差。,应用动量方程注意：,F,、,u,是矢量；流动液体作用在固体壁面上的力与作用在液体上的力大小相等、方向相反。（此作用力又称稳态液动力，简称液动力。）,动量方程的应用,计算液流通过阀口时对阀芯的轴向力大小,例题：,P23,例,2-2,69,第四节 液体流动时的压力损失,由于流动液体具有粘性，以及流动时突然转弯或通过阀口会产
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