液壓與氣壓傳動基本知識課件

1、第二章液壓與氣壓傳動基本知識第一節(jié)液壓與氣壓傳動的組成及工作原理第二節(jié)流體靜力學基礎(chǔ)第三節(jié)流體動力學基礎(chǔ)第四節(jié)孔口和縫隙流動第五節(jié)液壓沖擊與氣蝕現(xiàn)象第一節(jié)液壓與氣壓傳動的組成及工作原理一、液壓與氣壓傳動系統(tǒng)的組成 液壓與氣壓傳動系統(tǒng)除工作介質(zhì)(液壓油與空氣)外，一般由以下五部分組成: 1.動力元件 它們是為液壓與氣動系統(tǒng)提供一定流量與壓力的流體裝置，它將原動機輸人的機械能轉(zhuǎn)換為流體的壓力能，主要有液壓泵、空氣壓縮機等。 2.執(zhí)行元件 它們是將流體壓力能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置。主要有:實現(xiàn)直線運動的執(zhí)行元件液壓缸或氣缸，它輸出力和速度;實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動的液壓電動機或氣電動機，它輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。 下一頁返

2、回第一節(jié)液壓與氣壓傳動的組成及工作原理3.控制元件 即各種液壓控制閥。它們是對液壓、氣壓系統(tǒng)中流體的壓力、流量和方向進行控制的裝置，如溢流閥、節(jié)流閥、換向閥和邏輯元件等。 4.輔助裝置 它們是起連接、儲油、過濾、密封等作用的裝置或部件，主要包括各種管件、油箱、過濾器、蓄能器、儀表和密封裝置等。 5.工作介質(zhì) 如液壓油。其作用是實現(xiàn)運動和動力的傳遞。上一頁下一頁返回第一節(jié)液壓與氣壓傳動的組成及工作原理二、液壓與氣壓傳動的工作原理 為了對液壓與氣壓傳動有一個初步了解，下面以液壓千斤頂為例，介紹其工作原理與組成。 圖2-1所示為液壓千斤頂工作原理圖，首先關(guān)閉截止閥11，上提手柄1，小活塞3被帶動上升

3、使小活塞3下腔的容積增大，此時單向閥7因受上腔油液壓力作用而關(guān)閉，使小活塞3下腔形成局部真空，油箱12中的油液在大氣壓力的作用下，推開吸油閥4進人小活塞3的下腔。當下壓手柄1時，小活塞3下移，小活塞3下腔的容積減小，油液受外力擠壓作用而產(chǎn)生壓力，迫使吸油閥4關(guān)閉，液體通過管道6打開單向閥7，進人液壓缸9的下腔，推動大活塞8連同重物W一起向上移動。上一頁下一頁返回第一節(jié)液壓與氣壓傳動的組成及工作原理如果反復上提、下壓手柄1，液體就會不斷地被送入大活塞下腔，推動大活塞及負載(重物)上升。如果打開截止閥11，可以控制液壓缸9下腔的油液通過管道10流回油箱，大活塞8在重物的作用下向下移動并回到原始位置

4、。 由此可見液壓傳動是依靠密封容積的變化來傳遞運動、依靠油液的壓力來傳遞動力的。 氣壓傳動與液壓傳動的工作原理極為相似，只不過液壓系統(tǒng)是以液體作為其工作介質(zhì)，而氣動系統(tǒng)是以氣體作為其工作介質(zhì)的，兩種工作介質(zhì)的不同之處在于:液體幾乎是不可壓縮的，而氣體卻具有較大的可壓縮性。 上一頁下一頁返回第一節(jié)液壓與氣壓傳動的組成及工作原理圖2-1中所示的液壓傳動系統(tǒng)是用結(jié)構(gòu)示意圖來表示的，它直觀性強，容易理解，但繪制較復雜、無規(guī)范，為此，目前國內(nèi)外都廣泛采用元件的圖形符號來繪制液壓與氣壓的系統(tǒng)圖。我國根據(jù)國際標準化組織(ISO)制定的液壓與氣動圖形符號標準，也制定了相應的標準GB/T 768. 1一1993

5、。 液壓與氣壓圖形符號脫離元件的具體結(jié)構(gòu)，只表示元件的功能，使系統(tǒng)簡化，原理簡單明了，便于閱讀、分析、設(shè)計和繪制。上一頁返回第二節(jié)流體靜力學基礎(chǔ)一、流體的物理性質(zhì) 1.流體的可壓縮性和膨脹性 流體體積隨壓力變化而變化。在一定溫度下，液體體積相對壓力變化的屬性，稱為液體的可壓縮性。 流體的體積也隨溫度的變化而變化，通常溫度升高，流體的體積增大，流體的這種屬性稱為膨脹性。 對于液壓系統(tǒng)用礦物油，在一般使用溫度與壓力范圍內(nèi)，其體積隨壓力和溫度的變化小，但對氣體的影響極大。氣體體積隨溫度和壓力的變化規(guī)律遵循氣體狀態(tài)方程。 下一頁返回第二節(jié)流體靜力學基礎(chǔ)2.流體的密度 單位體積中流體的質(zhì)量稱為流體的密度

6、，用表示: =m/Vm流體的質(zhì)量(kg);V一流體的體積(m3)。 流體的密度是隨溫度和壓力而變化的，對于液壓系統(tǒng)用礦物油，在一般使用與壓力范圍內(nèi)，其密度變化小，可近似認為不變。其密度900kg/m3，空氣的密度在標準狀態(tài)下為12. 93kg/m3 。上一頁下一頁返回第二節(jié)流體靜力學基礎(chǔ)3.流體的砧性 流體在外力的作用下流動時，分子間的內(nèi)聚力阻止其相對運動而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)稱為瓤性。摩擦阻力是流體瓤性的表現(xiàn)形式，只有在運動時才呈現(xiàn)出瓤性，靜止時不呈現(xiàn)瓤性。黏性是流體的基本屬性，對元件的性能和系統(tǒng)的工作特性有極大影響。流體瓤性的大小用瓤度來表示，它是選擇工作介質(zhì)的重要依據(jù)。 常用的瓤度有運動瓤

7、度、動力瓤度和相對瓤度。 上一頁下一頁返回第二節(jié)流體靜力學基礎(chǔ)(1)運動瓤度動力瓤度與其密度P的比值，即=/，單位為m2 /s。運動瓤度沒有明確的物理意義，因為在其單位中只有長度和時間量綱，所以稱為運動瓤度。在工程上習慣用運動瓤度來標志液體瓤度。液壓油的牌號就是采用溫度為40時運動瓤度(單位為mm2/s)的平均值來表示的。例如L H32號液壓油，是指這種油在40時的運動瓤度的平均值為32mm2/s。 (2)動力瓤度表征液體瓤性的內(nèi)摩擦系數(shù)(又稱絕對瓤度)，用拜表示，其單位為Ns/ m2或Pas(帕秒)。 上一頁下一頁返回第二節(jié)流體靜力學基礎(chǔ)(3)相對瓤度(又稱條件瓤度)相對瓤度是使用特定的瓤度

8、計在規(guī)定條件下直接測量的瓤度。我國常用的相對瓤度為恩氏瓤度oE。即將200 mL的液體從恩氏瓤度計流出所需時間t1與同體積20下的蒸餾水從該恩氏瓤度計中流出所需時間t2之比稱為恩氏瓤度。即 oE=t1/t2 液壓油瓤性對溫度變化十分敏感。當溫度升高時，黏性下降，這種影響在低溫時尤為突出。 在氣壓傳動中，空氣的瓤度隨溫度的升高而增大，這是由于溫度升高后，空氣內(nèi)分子運動加劇，使分子之間碰撞增多的緣故。上一頁下一頁返回第二節(jié)流體靜力學基礎(chǔ)二、流體靜力學基礎(chǔ) 討論靜止流體的平衡規(guī)律以及這些規(guī)律的應用是流體力學的基礎(chǔ)。 靜止系指流體之間沒有相對運動，對于液體而言一般可視為不可壓縮，靜止液體不呈現(xiàn)黏性。

9、1.流體靜壓力 作用在流體上的力可歸納為兩類:質(zhì)量力和表面力。作用在流體內(nèi)部所有質(zhì)點上的力，其大小與受作用的流體質(zhì)量成正比，這種力稱為質(zhì)量力;作用在所研究的流體外表面上并與流體表面積成正比的力稱為表面力。靜止流體中所受表面力只有法向力而無切向力，流體單位面積上所受的法向力，即流體靜壓力，以D表示。上一頁下一頁返回第二節(jié)流體靜力學基礎(chǔ) D=F/AD流體靜壓力(Pa);A作用的面積(m2);F面積A上所受的法向力(N)。 2.壓力表示法 壓力的表示方法有兩種，即絕對壓力和相對壓力。以絕對零值為基準測得的壓力稱為絕對壓力，以當?shù)卮髿鈮簽榛鶞蕼y得的壓力稱為相對壓力。如果流體的絕對壓力低于大氣壓，則習慣

10、上稱為真空，并以真空度來表示。絕對壓力、相對壓力和真空度的關(guān)系見圖2-2所示。由常用液壓測試儀表所測得的壓力均為相對壓力，又稱表壓力。上一頁下一頁返回第二節(jié)流體靜力學基礎(chǔ)壓力單位常采用下面三種形式:單位面積上的作用力，采用國際單位:帕(Pa = N/m2)，千帕(kPa)或兆帕(MPa)，它們的換算關(guān)系為1 MPa=106Pa=103 kPa工程大氣壓(at ) ;液柱高，如米水柱(mH2O)、毫米汞柱(mmHg)等。以上三種形式的壓力單位換算關(guān)系為1 at=105 Pa=0. 1 MPa=10 mH2O=735. 5 mmHg上一頁下一頁返回第二節(jié)流體靜力學基礎(chǔ)3.壓力的傳遞帕斯卡原理 在流

11、體傳動中，由外力所引起的壓力要比重力引起的壓力大很多，因此后者可略去不計。這就是說，在密封容器內(nèi)，施加在靜止液體邊界上的壓力可以等值地向液體內(nèi)所有方向傳遞，這就是帕斯卡原理。依據(jù)此原理，結(jié)合靜壓力特征，可以得出液體不僅能傳力，而且還能放大或縮小力，并能獲得任意方向的力。 如圖2-1所示的液壓千斤頂就是帕斯卡原理的具體應用。 設(shè)其大、小活塞的面積為A2、A1，當作用在大活塞上負載和作用的小活塞上的作用力分別為G和F1時，由帕斯卡原理可知，大、小腔以及連接導管構(gòu)成的密封容積內(nèi)的油液具有相等的壓力值，設(shè)為D，如忽略活塞運動時的摩擦阻力，則有:上一頁下一頁返回第二節(jié)流體靜力學基礎(chǔ) 或 式中F2油液作用

12、在大活塞上的作用力(Pa) , F2=G。 由式可以看出，只要負載增大，油液的工作壓力D2也會增大，也即系統(tǒng)的工作壓力取決于負載的大小。 由式可以看出，當A2A11時，作用在小活塞上一個很小的力F1，便可在大活塞上產(chǎn)生一個很大的力F2，以舉起重物G，這就是液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟?。上一頁返回第三?jié)流體動力學基礎(chǔ) 流體動力學是研究流體在流動狀態(tài)下的力學規(guī)律及其應用，流體運動的連續(xù)性方程、伯努利方程、動量方程是描述流體流動力學規(guī)律的三個基本方程，這些內(nèi)容不僅構(gòu)成了流體動力學的基礎(chǔ)，而且還是液壓與氣壓傳動中分析問題和設(shè)計計算的理論依據(jù)。一、流體動力學常用概念 1.理想液體與氣體 既無瓤性又不可壓縮的液體

13、稱為理想液體。不計瓤度，并將氣體分子僅看做質(zhì)點的氣體，稱為理想氣體。 下一頁返回第三節(jié)流體動力學基礎(chǔ)2.定常流動 流體流動時，若流體中任一點的壓力、速度和密度都不隨時間而變化，就稱為定常流動，又稱穩(wěn)定流動。如果流動的參數(shù)隨時間發(fā)生非常緩慢的變化，那么在較短的時間間隔內(nèi)，可近似將其視為定常流動。 3.流量 (1)過流斷面與流體流動方向相垂直的流體橫截面稱為過流斷面。它可能是平面或曲面。 (2)流量單位時間內(nèi)流過過流斷面的液體體積稱為流量，用q表示，單位為m3 /s(米3/秒)，其計算公式如下: q =V/t上一頁下一頁返回第三節(jié)流體動力學基礎(chǔ)式中V一流過過流斷面流體的體積(m3) , t流過體積

14、V所用的時間(s)。(3)平均流速由于液體具有瓤性過流斷面上流體速度不盡相同，通常以斷面的平均速度:來代替實際的流速，單位為m/ s(米/秒)，其計算公式為:v=q/Av流體的平均流速(m/ s);q流體的流量(m3 /s);A過流斷面的面積(m2)上一頁下一頁返回第三節(jié)流體動力學基礎(chǔ)二、伯努利方程 伯努利方程是能量守恒定律在流體力學中的一種表達形式。 1.理想液體的伯努利方程 設(shè)密度為的理想液體在如圖2-3所示的管道內(nèi)作定常流動，因為沒有能量損失，所以在管道內(nèi)任一通流截面上液體的總能量是相等的。如任意兩個截面的面積為A1和A2，其中心距基準水平面的距離分別為h1和h2，平均流速為v1和v2，

15、壓力為P1和P2。則根據(jù)能量守恒定律有: 上一頁下一頁返回第三節(jié)流體動力學基礎(chǔ)式中各項分別表示單位體積液體的壓力能、位能和動能。因此，理想液體的伯努利方程的物理意義是在密閉管道內(nèi)作定常流動的理想液體具有三種形式的能量:即壓力能、位能和動能。在任一截面上這三種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化且其和恒為定值，即能量守恒。 在液壓傳動中，由于液壓力往往遠大于流體的質(zhì)量力，故壓力能遠大于位能和動能，此時位能和動能的變化可以忽略不計。 上一頁下一頁返回第三節(jié)流體動力學基礎(chǔ)2.可壓縮氣體的伯努利方程 由于氣體具有可壓縮性，密度可變，因此可運用氣體狀態(tài)方程推出密度與壓力的關(guān)系，引人上述伯努利方程，即可得到可壓縮氣體的

16、伯努利方程。 在氣壓傳動中，由于氣體的瓤度和密度小，故可在伯努利方程中忽略位能的變化。三、連續(xù)性方程流體連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學中的一種表達形式。上一頁下一頁返回第三節(jié)流體動力學基礎(chǔ)設(shè)不可壓縮流體在非等截面管中作定常流動。如圖2-4所示，過流斷面1和2的面積分別為A1和A2,平均流速分別為v1和v2，對于理想不可壓縮流體，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，單位時間內(nèi)流體流過斷面1的質(zhì)量一定等于流過斷面2的質(zhì)量。即1v1A1=2v2A2=常數(shù)兩邊除以密度得v1A1=v2A2=常數(shù)這就是流體的連續(xù)性方程。它表明在定常流動的情況下，當不考慮流體的可壓縮性時，流過管道各個通流截面的流量相等，流體的平均速度與

17、通流截面面積成反比。上一頁下一頁返回第三節(jié)流體動力學基礎(chǔ)在氣壓系統(tǒng)中，因為氣體是可壓縮性流體，其也是變化的，故連續(xù)性方程為 1v1A1=2v2A2=常數(shù)四、流體流動時的壓力損失 實際流體是具有瓤性的，因此流動時會產(chǎn)生阻力，為了克服阻力，流體就會損耗一部分能量，這種能量的損失由于具有同壓力相同的量綱，通常被稱為壓力損失。主要包括沿程壓力損失和局部壓力損失。 上一頁下一頁返回第三節(jié)流體動力學基礎(chǔ)1.沿程壓力損失 液體在等徑直管中流動時因外摩擦而產(chǎn)生的壓力損失，稱為沿程壓力損失。它主要決定于液體的流速、黏性和管的長度及管的內(nèi)徑等。設(shè)液體流經(jīng)等徑為d的直管，在管長1段上的壓力損失()計算公式為式中液體

18、的動力瓤度; 通過等徑直管的液體的實際流量。上一頁下一頁返回第三節(jié)流體動力學基礎(chǔ) 2.局部壓力損失 液體流經(jīng)管道的彎頭、突變截面以及閥口濾網(wǎng)等局部裝置時，由于流速和方向的改變，液體會發(fā)生撞擊、分離、脫流、旋渦等現(xiàn)象，由此造成能量的損失，稱為局部壓力損失。流體流經(jīng)各種閥時的局部壓力損失，常用下面經(jīng)驗公式計算qn一閥的額定流量;pn一閥在額定流量下的壓力損失(查閥的樣本手冊)。上一頁下一頁返回第三節(jié)流體動力學基礎(chǔ)另外，由于空氣的可壓縮性、黏性、管內(nèi)表面粗糙度及管道截面形狀等因素，使壓縮空氣在管道和氣動元件中的流動產(chǎn)生摩擦、旋渦，故使氣體的壓力能轉(zhuǎn)化為熱能而消耗掉。系統(tǒng)的壓力損失也包括沿程壓力損失和

19、局部壓力損失兩部分。 在實際應用中，為了避免過大的壓力損失，保證系統(tǒng)的正常運行，一般限制壓縮空氣在管道內(nèi)的流速不得超過30m/s。上一頁返回第四節(jié)孔口和縫隙流動 液壓與氣壓傳動中常利用液(氣)體流經(jīng)閥的孔口來控制流量和壓力，以達到調(diào)速和調(diào)壓的目的，與此同時，液壓元件構(gòu)成運動副的一些運行件與固定件之間存在一定的縫隙，當縫隙兩端的液體存在壓力差時，勢必形成縫隙流動，即泄漏。泄漏得過大會影響液壓元件和系統(tǒng)的正常工作。本節(jié)將介紹液壓傳動中液體流經(jīng)孔口和縫隙的流量及其影響因素。一、孔口的流量 1.流經(jīng)薄壁孔口的流量 如圖2-5所示，當孔口的壁厚L和孔徑d之比L/d0. 5,巨孔口邊緣是無侄角的銳緣，則該

20、孔口稱為薄壁孔口;L/d 4時的孔口稱為細長孔口;0. 5 L/d ,4的孔口稱為厚壁孔口(或短孔)。 下一頁返回第四節(jié)孔口和縫隙流動當液體從左向右流動時，由于慣性的作用，液流通過小孔時要發(fā)生收縮現(xiàn)象，然后再開始擴散。這一收縮和擴散過程，會造成一定能量的損失。如果液流的收縮作用不受管道內(nèi)孔側(cè)壁的影響，這時的收縮稱為完全收縮;反之，稱為不完全收縮。 流體通過薄壁孔口的流量計算公式為:上一頁下一頁返回第四節(jié)孔口和縫隙流動cq一流量系數(shù)，當液流完全收縮時，cq = 0. 60-0. 62一流體的密度;A一孔口面積(m2);p一小孔前后壓力差(Pa)，p=p1-p2。2.流經(jīng)細長孔口的流量液流通過細長孔口的流量可用沿程壓力公式推得，即上一頁下一頁返回第四節(jié)孔口和縫隙流動二、液體流經(jīng)圓柱環(huán)狀縫隙的流量 圖2-6所示由內(nèi)外圓柱面圍成的縫隙，稱為圓柱環(huán)狀縫隙。在液壓技術(shù)中，缸體與活塞、圓柱滑閥芯與閥孔均屬于此類縫隙。當縫隙高度與內(nèi)柱直徑d之比為一微量，即/d1，液體做純剪切流動時，流量計算公式為:作純壓差流動時，流量計算公式為:上一頁返回第五節(jié)液壓沖擊與氣蝕現(xiàn)象 在液壓傳動中，液壓沖擊和氣蝕