项目1 任务2 液压传动基本理论的认识

1、任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 主要内容主要内容任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 液体静力学液体静力学 研究静止液体的力学规律和这些规律的实际应用。这里所说的静力液体是指液体处于内部质点间无相对运动的状态，因此液体不显示粘性，液体内部无剪切应力，只有法向应力即压力。1.1.压力的定义压力的定义 是指液体单位面积上所受的法向作用力是指液体单位面积上所受的法向作用力。一、液体的压力一、液体的压力可表示为：可表示为：FpA 任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 如果液体中某一点所受到的各个方向的压力不相等，如果液体中某一点所受到的

2、各个方向的压力不相等，那么在不平衡力作用下，液体就要流动，这样就破坏了液那么在不平衡力作用下，液体就要流动，这样就破坏了液体静止的条件。体静止的条件。2.2.液体压力的两个特性液体压力的两个特性 液体只能保持一定的体积，不能保持固定的形状，液体只能保持一定的体积，不能保持固定的形状，几乎不能承受拉力和剪切力。所以只能承受法向压力。几乎不能承受拉力和剪切力。所以只能承受法向压力。（1 1）液体的压力的方向总是沿着作用面的内法）液体的压力的方向总是沿着作用面的内法线方向线方向（2)2)静止液体中任何一点所受到各个方向的压力静止液体中任何一点所受到各个方向的压力都相等都相等任务任务2 液压传动基本理

3、论的认识液压传动基本理论的认识 相对压力：相对压力：以当地大气压力为基准所表示的压力，以当地大气压力为基准所表示的压力，相对压力相对压力也称表压力也称表压力。3. 压力的表示方法压力的表示方法绝对压力：绝对压力：以绝对零压力作为基准所表示的压力。以绝对零压力作为基准所表示的压力。真空度：真空度：相对压力为负数时，以此负数的绝对相对压力为负数时，以此负数的绝对值表示真空度。值表示真空度。根据度量基准不同有三种表示方法：根据度量基准不同有三种表示方法：任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 相对压力（表压力）绝对压力大气压相对压力（表压力）绝对压力大气压力力绝对压力绝对压力大气压

4、力相对压力（表压大气压力相对压力（表压力）力）真空度真空度大气压力绝对压力大气压力绝对压力任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 表压力指的是相对压力表压力越大，压力越大真空度越大，压力越小我国采用法定计量单位我国采用法定计量单位PaPa（帕，（帕，N/mN/m2 2） 1 Pa=1 N/m2 液压技术中习惯用MPa（N/mm2） 企业中习惯使用bar（kgf/cm2）各单位关系为1MPa=106 Pa10 bar任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 二、重力作用下静止液体中的压力分布二、重力作用下静止液体中的压力分布 1. .静压力基本方程静压力基本方程

5、pApA=p0AA+ghAghAp=p0+ghgh （1 1）静止液体中任意点的）静止液体中任意点的压力是液体表面上的压力与液柱自重所形成的压力之和。压力是液体表面上的压力与液柱自重所形成的压力之和。（2 2）静止液体中的压力随液体深度的增加线性地增加。）静止液体中的压力随液体深度的增加线性地增加。（3 3）液体中深度相同的各点压力都相等。）液体中深度相同的各点压力都相等。 2. .基本特征基本特征任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 【例】 如下图所示，容器内盛有油液。已知油的密度=900kg/m3，活塞上的作用力F=1000N，活塞的面积 A=110-3m2，假设活塞的

6、重量忽略不计。问活塞下方深度为h=0.5 m处的压力等于多少？phAFn解解 ： 活塞与液体接触面上的压力均匀分布，活塞与液体接触面上的压力均匀分布， 有有nn n 根据静压力的基本方程式，深度为根据静压力的基本方程式，深度为h处的液体压力为处的液体压力为nn n 从本例可以看出：从本例可以看出：液体在受外界压力作用的情况下，液体在受外界压力作用的情况下，液体自重所形成的那部分压力液体自重所形成的那部分压力gh相对甚小，在液压相对甚小，在液压系统中常可忽略不计，系统中常可忽略不计，因而可近似认为整个液体内部因而可近似认为整个液体内部的压力是相等的。以的压力是相等的。以后我们在分析液压系统的压力

7、时，后我们在分析液压系统的压力时，一般都采用这一结论。一般都采用这一结论。 26230/101011000mNmNAFp)(10)/(100044. 15 . 08 . 9900106266PamNghppA任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 三三、静止液体内的压力传递、静止液体内的压力传递帕斯卡原理（静压传递原理）：帕斯卡原理（静压传递原理）：密闭容器密闭容器中，施加于静止液体中任何一点的压力都将等中，施加于静止液体中任何一点的压力都将等值的传递到液体内所有的地方。值的传递到液体内所有的地方。P=F/A A压力和负载的关系压力和负载的关系 液体中的压力是由外界负载作液体

8、中的压力是由外界负载作用所形成的，即用所形成的，即压力决定于负载。压力决定于负载。任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 FW液压缸2液压缸1大活塞面积A2小活塞面积A112AFAWp任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 四、液体压力对固体壁面的作用力四、液体压力对固体壁面的作用力1.1.平面承压面平面承压面作用力作用力F F等于油液压力等于油液压力p p与承压面积与承压面积A A的乘积。的乘积。即即 F=pF=p. .A AF=pF=p. .A=pA=p. . D D2 2/4/4右图所示液压缸中，油右图所示液压缸中，油液压力作用在活塞上的液压力作用在活

9、塞上的作用力为：作用力为：任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 2.2.曲面承压面曲面承压面2222cosxxFdFplrd 22sin2xplrplrpA 结论结论: 作用在曲面上的液压力在某一方向上的分力作用在曲面上的液压力在某一方向上的分力等于静压力与曲面在等于静压力与曲面在该方向投影面积该方向投影面积的乘积。的乘积。 这一结论对任意曲面都适用。这一结论对任意曲面都适用。 任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 一、基本概念1.1.理想液体和稳定流动理想液体和稳定流动理想液体：理想液体： 无粘性且不可压缩的液体。无粘性且不可压缩的液体。稳定流动：稳定

10、流动：（空间某一固定点的）压力、速度、密度不随（空间某一固定点的）压力、速度、密度不随时间而变化的流动。时间而变化的流动。任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 平均流速：平均流速：2.2.过流断面、流量、平均流速过流断面、流量、平均流速 过流断面：过流断面：即垂直于液体流动方向的管道截面。即垂直于液体流动方向的管道截面。 流量：流量：单位时间通过某一过流断面的液体体积。单位时间通过某一过流断面的液体体积。任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 Aqu d Av A Au d AqVAA 平均流速平均流速v v 在液压传动中，常采用一个在液压传动中，常采用一

11、个假想假想的平均流速的平均流速v v来求流量，因为这样做更为方便，来求流量，因为这样做更为方便，只要使按平均流速流动通过截面的流量等于实只要使按平均流速流动通过截面的流量等于实际通过的流量就可以了。际通过的流量就可以了。由此可知：由此可知：平均流速平均流速任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 3.3.层流、紊流、雷诺数层流、紊流、雷诺数层流层流 液体液体质点沿管道作质点沿管道作直线顺序流动，直线顺序流动，没有横向运动，没有横向运动，呈现线状或层呈现线状或层状。状。紊流紊流 与层与层流相反。流相反。任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 雷诺数雷诺数edR

12、液体流动时的流态（层流还是紊流）需液体流动时的流态（层流还是紊流）需用雷诺数来判别。用雷诺数来判别。 液体在圆管中的流动状态不仅与管内的平均流速V有关，还和管径d，液体的运动黏度v有关。 决定液体状态的是三个参数组成的雷诺数Re。任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 常见液流管道的临界雷诺数常见液流管道的临界雷诺数任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 液体由层流转变到紊流时的雷诺数和由液体由层流转变到紊流时的雷诺数和由紊流转变到层流时的雷诺数是不同的。紊流转变到层流时的雷诺数是不同的。 后者数值小后者数值小, ,所以所以, ,一般用后者作为判别液一般用后

13、者作为判别液流状态的依据流状态的依据, ,称为称为临界雷诺数临界雷诺数, ,记为记为ReRec1c1。临界雷诺数流态的判据 当液流的雷诺数当液流的雷诺数ReRe小于临界雷诺数小于临界雷诺数ReRec1c1, ,液液流为层流流为层流, ,反之液流为紊流。反之液流为紊流。 雷诺数的实质：雷诺数的实质：当雷诺数较大时，惯性当雷诺数较大时，惯性力起作用，处于紊流状态；当雷诺数较小时，力起作用，处于紊流状态；当雷诺数较小时，粘性力起作用，处于层流状态。粘性力起作用，处于层流状态。任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 HdRe 对于非圆截面的管道来说Re：式中式中d dH H：为通流截

14、面的水利直径为通流截面的水利直径, ,它等于液它等于液流的有效截面流的有效截面A A和它的湿周和它的湿周( (有效截面的周有效截面的周界长度界长度) )之比之比H4dA 任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 二、连续性方程二、连续性方程 对于稳流液体，由于单位时间内流过两个截面的液体质量相同111222AA 可可得得：当忽略液体的可压缩性时，1122AA 得得：常数从而得出：Aqv是物质不灭定律的应用是物质不灭定律的应用即：通过任意截面的流量相等即：通过任意截面的流量相等任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 连续性方程的物理意义连续性方程的物理意义vqA

15、说说 明明 1.液体在流动中，流过各截面的液体的流量是相等的。 2.液流的流速和管道通流截面的大小成反比。n【例】 下图所示为相互连通的两个液压缸， n已知大缸内径D=100 mm，小缸内径d=20 mm，大活塞上放一质量为5000 kg的物体G。 问:n(1) 在小活塞上所加的力F有多大才能使大活塞顶起重物？n(2) 若小活塞下压速度为0.2 m/s，大活塞上升速度是多少? GFDdn解： n (1) 物体的重力为nG=mg=5000kg9.8 m/s2n =49 000kgm/s2=49 000N n根据帕斯卡原理， 因为外力产生的压力在两缸中均相等，即NNmmmmGDdF19604900

16、010020222222n(2) 由连续定理nQ=Av=常数n得n n 故大活塞上升速度为)/008. 02 . 01002044222222smvDdvvDvd（小大大小任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 三、三、 伯努利方程伯努利方程（一）理想液体的伯努利方程 对于静止液体来说，任意一点液体的总能量为对于静止液体来说，任意一点液体的总能量为单位重量液体的单位重量液体的压力能压力能和和位能位能之和。之和。 对于流动液体，总能量出以上两项以外，还有对于流动液体，总能量出以上两项以外，还有单位重量液体的单位重量液体的动能动能。任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理

17、论的认识 根据能量守恒定律根据能量守恒定律21111111222222221mm ghp Al21mm ghp Al2()1t121122mmAlAlV211122221VVghpV21VVghpV2有：2211122211ghpghp22可得出：常数常数hgvgp22任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 实际液体有粘度，在管中流动时，为克服粘性阻力，需实际液体有粘度，在管中流动时，为克服粘性阻力，需要消耗能量，所以实际液体的伯努利方程为：要消耗能量，所以实际液体的伯努利方程为：（二）实际液体的式中：式中：H表示因粘性而产生的能量损失（表示因粘性而产生的能量损失（m）。）。

18、vHhgvgphgvgp2222121122p1v1p2v2h2h1图中点和点截面的能量相等任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 1.1.物理意义物理意义* *选基准选基准基准面以上基准面以上h h取正值。取正值。* *选取截面选取截面断面断面1 1、2 2顺流向选取，且选在缓顺流向选取，且选在缓变的过流断面。变的过流断面。2.2.应用注意应用注意 三种能量形式：动能、位三种能量形式：动能、位能、压力能能、压力能 相互转换，总和不变相互转换，总和不变任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 四、动量方程四、动量方程 动量定理：作用在物体上的外力等于物体单位时

19、间动量定理：作用在物体上的外力等于物体单位时间内动量的变化量。内动量的变化量。21mmF=tt考虑动量修正问题，则有：考虑动量修正问题，则有： : 层流层流 =1.33 ; 紊流紊流 = 1 () v2211F= q任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 结论：作用在滑阀阀芯上的稳态液动力结论：作用在滑阀阀芯上的稳态液动力, 总是力图使阀口关闭。总是力图使阀口关闭。() v2211F= qX方向动量方程：方向动量方程：X方向方向稳态液动力稳态液动力（是指液（是指液体对固体壁面的作用力）体对固体壁面的作用力） ：() xv22x11xF = q() xxv11x22xF =-

20、Fqcoscoosc s 0 xv1112v21qF = q90任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 实际液体具有粘性实际液体具有粘性 流动中必有阻力，为克服阻力，须消流动中必有阻力，为克服阻力，须消耗能量，造成能量损失耗能量，造成能量损失( (即压力损失）即压力损失）压力损失的分类：压力损失的分类： 一、沿程压力损失一、沿程压力损失 二、局部压力损失二、局部压力损失任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 液体沿液体沿等径直管等径直管流动时，由于液体的粘性摩擦和质点流动时，由于液体的粘性摩擦和质点的相互扰动作用，而产生的压力损失的相互扰动作用，而产生的压力

21、损失。一、沿程压力损失一、沿程压力损失（一）层流时的沿程压力损失（一）层流时的沿程压力损失1.过流断面上的流速分布规律任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 p1p2因为液流受力平衡因为液流受力平衡212 du (F=-2(pp ) rFrld )r pdu=rdr2-l2ppu=-rdrCr2 l4 l 求积分22pu=R -r4 l故而：（）2C=pRr=Ru=04 l当时，任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 p1p22.通过管道的流量3.管道内的的平均流速22vpdqudA=2 urdr=2(Rr )rdr4 l44R22v0pRddq =2(Rr

22、 )rdr=p=p4 l8 l128 l积分可得：积分可得：42v2q1dd=p=pA128 l32 ld4任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 4.沿程压力损失2232 lpp=dd=p32 l 222ld64l64 lpdd2Re d22（ ： ）沿程阻力系数层流层流 压力损失的影响因素：压力损失的影响因素：管长L 流速V 管径d密度 沿程阻力系数任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 22lpd（二）紊流时的沿程压力损失（二）紊流时的沿程压力损失fRed（，/ ）紊流紊流 压力损失的影响因素：压力损失的影响因素：管长L 流速V 管径d密度 沿程阻力系

23、数任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 尼古拉兹曲线尼古拉兹曲线层流区层流区过渡区过渡区紊流光滑区紊流光滑区紊流（粗糙）区紊流（粗糙）区任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 为局部阻力系数为局部阻力系数, ,v v为液体的平均流速为液体的平均流速2vvnnqppq 22p 二、局部压力损失二、局部压力损失阀类的局部损失任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 压力损失分析压力损失分析 1.流动越快损失越大限制流速。2.管道越长、管径越细（或缝隙小）沿程损失越大。3.沿程损失与流态有关。 4.总的压力损失为各项压力损失之和。5.由于压力损失

24、的必然存在性，因此，泵的额定压力要略大于系统工作时所需的最大工作压力。一般可将系统工作所需的最大工作压力乘以一个1.31.5的系数来估算。任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 一、小孔的流量一、小孔的流量薄壁孔 短 孔细长孔 5 .0dl45 .0dl4dl 液流收缩的程度取决于液流收缩的程度取决于ReRe、孔口及边缘形状、孔口及边缘形状、孔口离管道内壁的距离等。对于圆形小孔，当管道直孔口离管道内壁的距离等。对于圆形小孔，当管道直径径D D与小孔直径与小孔直径d d之比之比D/d7D/d7时，流速的收缩作用不受时，流速的收缩作用不受管壁的影响，称为完全收缩。反之，管壁对收缩

25、程度管壁的影响，称为完全收缩。反之，管壁对收缩程度有影响时，则称为不完全收缩。有影响时，则称为不完全收缩。 任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 21111222221212wpghpghp 212122()1vppCp 收缩断面处的速度收缩断面处的速度式中式中：h1=h2; v1忽略不计忽略不计222wp 收缩断面处流速均匀，收缩断面处流速均匀，a2=1；任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 222222VVCTVqTppqAApCCC A CA 通过小孔的流量通过小孔的流量短孔短孔薄壁孔薄壁孔Cq0.600.62 Cq0.82 41 2 8Vdpql

26、 细长孔细长孔vTqCAp 薄壁孔：短孔:2;132dCl 2 /qCC 细长孔:小孔的流量通式：小孔的流量通式：)5 . 0(任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 小孔流量的分析小孔流量的分析) 1()5 . 0(1.流量与压差：有流量就有压差（或压差使得液体流动）2.压差的变化，对细长孔的流量影响大 ，对薄壁孔的影响小3.细长孔与粘度有关、受温度影响大；薄壁孔与粘度无关、受温度影响小。因此，薄壁孔是理想的节流器。4.细长孔一般用作阻尼孔。) 1()5 . 0(vTqCAp 任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 二、缝隙流量二、缝隙流量dxdpdyud

27、.12221212dpuyC yCdx (1) 固定平行平板缝隙流动固定平行平板缝隙流动(压差流动压差流动) 1. 平行平板的缝隙平行平板的缝隙p dy(d ) dx( pdp) dydxbbbb任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 由边界条件：当由边界条件：当y0时，时，u0；当当y时，时，u0。代入上式，得：代入上式，得：12,02dpCCdx 因此可得：因此可得：()2puy yl 从而推出流量公式：从而推出流量公式： 300()212pbqubdyby ydypll 任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 两平行平板有相对运动，速度为两平行平板有相

28、对运动，速度为u0，但无压差，这，但无压差，这种流动称为纯剪切流动种流动称为纯剪切流动 02vuqAb 30122vubqpbl (2) 两平行平板有相对运动时的缝隙两平行平板有相对运动时的缝隙两平行平板既有相对运动，两端又存在压差时的两平行平板既有相对运动，两端又存在压差时的流动，这是一种普遍情况，其速度和流量是以上两流动，这是一种普遍情况，其速度和流量是以上两种情况的线性叠加，即：种情况的线性叠加，即：*正负号的确定：正负号的确定：当长平板相对于短平板的运动方当长平板相对于短平板的运动方向和压差流动方向一致时，取向和压差流动方向一致时，取“+”号；反之取号；反之取“-”号号 任务任务2 液

29、压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 2.圆柱环形缝隙圆柱环形缝隙（1）同心环形间隙）同心环形间隙在压差作用下的流动在压差作用下的流动 30122vuqplbb 平行平板平行平板缝隙流动缝隙流动30122uqpldd 环形缝隙环形缝隙流动流动任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 （2）偏心环形间隙在压差作用下的流动）偏心环形间隙在压差作用下的流动 32011.5122d udqpl 任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 缝隙的流量分析1.与 （缝隙的大小或高度）三次方成正比，必须严格控制缝隙精度高2.偏心圆环的泄露比同心圆环要大，最大是2.5倍尽量

30、控制偏心3.流量损失影响运动速度，而泄漏又难以避免，所以在液压系统中泵的额定流量要略大于系统工作时所需的最大流量。通常也可以用系统工作所需的最大流量乘以一个1.11.3的系数来估算。 任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 一、液压冲击现象一、液压冲击现象 液压系统中，由于某种原因（如速度急剧变化），引液压系统中，由于某种原因（如速度急剧变化），引起压力突然急剧上升，形成很高压力峰值的现象。起压力突然急剧上升，形成很高压力峰值的现象。 1. 液压冲击产生的原因液压冲击产生的原因 （1）迅速使油液换向或突然）迅速使油液换向或突然关闭油路，使液体受阻，动能关闭油路，使液体受阻，动

31、能转换为压力能，使压力升高。转换为压力能，使压力升高。（2）运动部件突然制动或换）运动部件突然制动或换向，使压力升高。向，使压力升高。任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 在理想情况下冲击压力的变化规律在理想情况下冲击压力的变化规律 实际情况下冲击压力的变化规律实际情况下冲击压力的变化规律 mpA t 引起机械振动，产生噪声，使管接头松动。引起机械振动，产生噪声，使管接头松动。有时会造成某些液压元件的误动作，降低系统的工作性能。有时会造成某些液压元件的误动作，降低系统的工作性能。严重时，会造成油管、密封装置及液压元件的损坏。严重时，会造成油管、密封装置及液压元件的损坏。2.液压冲击的危害液压冲击的危害任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 （1）缓慢关闭阀门，削减冲击波的强度。）缓慢关闭阀门，削减冲击波的强度。（2）在阀门前设置蓄能器，以减小冲击波传）在阀门前设置蓄能器，以减小冲击波传播的距离。播的距离。（3）应将管中流速限制在适当范围内，或采）应将管中流速限制在适当范围内，或采用橡胶软管，也可减小冲击。用橡胶软管，也可减小冲击。（4）在系统中装置安全阀，可起卸载作用。）在系统中装置安全阀，可起卸载作用。3.减少液压冲击的措施减少液压冲击的措施任务任务2 液压传动基本理论的认识液压传动基本理论的认识 1.空穴现象空穴现象 液压系统中，由于某种