液压系统物理学基础

液压系统物理学基础第一页，共二十八页，编辑于2023年，星期三液体的压力压力：液体的压力是指液体在单位面积上所受的作用力，用p表示。P=FAp=液体的压力（Pa）F=力（N）A=面积（m2）单位：工业中常用的单位为巴（bar）。1bar=1×105Pa(N/m2)=0.1MPa1MPa=1×106Pa1bar=14.5磅/英寸2液体静压力的特性：1、液体静压力垂直于作用面，其方向与该面的内法线方向一致。2、静止液体内，任意点处的静压力在各个方向上都相等。第二页，共二十八页，编辑于2023年，星期三已知：力F=100kN，工作压力p=350bar求：活塞的直径d。解：查表得：d=60mm利用图表计算液体的压力第三页，共二十八页，编辑于2023年，星期三液体静力学的基本方程p=p0+ρgh静止液体中任一点处的静压力是作用液面上的压力p0和液体重力所产生的压力ρgh之和。当液面与大气接触时，p0为大气压力p大气压，故p=p大气压+ρgh液体静压力随液深呈线性规律分布。离液面深度相同的各点组成了等压面，此等压面为一水平面。p0phhGpp0ΔAhAAh0hMMp0第四页，共二十八页，编辑于2023年，星期三压力的表示方法绝对压力：以绝对真空为基准进行度量而得到的压力值（pa）。相对压力：以大气压为基准进行度量而得到的压力值（pg）。真空度：绝对压力不足大气压的那部分压力值。大气压0%真空绝对真空100%真空真空度绝对压力相对压力（表压力）大气压=1.013bar第五页，共二十八页，编辑于2023年，星期三F1100barA1A2A3A4A5F3F2F4F5帕斯卡原理帕斯卡原理：在密闭的容器内，由外力施加于静止液体表面所产生的压力，将等值且同时地传递到液体内部各点（静压传递原理）。第六页，共二十八页，编辑于2023年，星期三力的倍增从这个等式中可以导出某个量F1、F2、A1或A2的大小。在活塞上施加一个较小的力，通过工作活塞表面积的扩大，便能得到较大的力。F2F1A1P1A2P2=A2F2A1F1第七页，共二十八页，编辑于2023年，星期三因为面积A1小于A2，故行程s1必大于s2。活塞的行程与它的面积成反比。S1·A1=S2·A2F2F1S1A1活塞1A2活塞2S2行程的倍增第八页，共二十八页，编辑于2023年，星期三因活塞面积A2小于A1，故压力p2大于p1。p1·A1=p2·A2A1F1p1A2F2p2压力的倍增第九页，共二十八页，编辑于2023年，星期三液体的流量流量：单位时间流过某一通流截面的流体的容量（体积）。Q=VtQ=流量（m3/s）V=容量（m3）t=时间（s）液压缸工作时，活塞运动的速度就等于缸内液体的平均流速。活塞运动速度的大小由输入液压缸的流量来决定：v=QAQ=进入液压缸的流量A=液压缸活塞的有效作用面积v=液压缸活塞的运动速度第十页，共二十八页，编辑于2023年，星期三层流和紊流层流紊流

层流，即压力流体在管子中有规则地圆筒状地成层流动。这时内部流体内层的速度大于外层的速度。当压力流体的流速增加时，小部分流体从一定的速度起（称为临界速度）不再成为一个有规则的层，管子中间的小部分流体趋向管壁。小部分流体互相影响和干扰，形成了旋涡，流动就变为旋涡式的紊流，结果主流的能量被分散。（Re<2300层流；Re>2300紊流）第十一页，共二十八页，编辑于2023年，星期三液流连续性方程上式表明流体在管中流动时流过各个通流截面的流量是相等的，因而流速和通流面积成反比，管粗流速低，管细流速快。1A1V1A2V22Q=V·A=常量第十二页，共二十八页，编辑于2023年，星期三伯努利方程V12/2V22/2p1/ρp2/ρgh1gh2在密闭管道内作稳定流动的理想液体具有三种形式的能量（压力能、位能、动能），在沿管道流动过程中三种能量之间可以互相转化，但在任一截面处，三种能量的总和为一常数。p2ρ+gh2+v222+gh1+p1ρv122=理想液体伯努利方程实际液体伯努利方程p2ρ+gh2+a2v222+gh1+p1ρa1v122=+ghW第十三页，共二十八页，编辑于2023年，星期三液压传动的能量损失-压力损失●沿程压力损失指液体在等径直管中流动时由于摩擦阻力而产生的压力损失。它主要决定于液体的流速、粘性和管路的长度以及油管的内径等。ρv22ΔPλ=λldV=液流的平均流速ρ=液体的密度λ=沿程阻力系数，适用于层流和紊流。圆管层流：金属管λ=75/Re，橡胶管λ=80/Re紊流：当2.3×103<Re<105时，可取λ≈0.3146Re-0.25第十四页，共二十八页，编辑于2023年，星期三液压传动的能量损失-压力损失●局部压力损失局部压力损失指的是液体流经管道的弯头、接头、突变截面以及阀口，致使液流的方向和大小发生剧烈变化，发生撞击、旋涡等现象所造成的能量损失。ρv22ΔPζ=ζ·对于层流ρv22ΔPζ=ζ·b·校正因子bReb30157.531.51.251.151.02300150010005002501005025形状系数ζζ1.30.50.5-121.25…15第十五页，共二十八页，编辑于2023年，星期三液压传动的能量损失-总压力损失利用上式计算时，只有在产生各局部阻力处之间有足够的距离时才是正确的。因为当液流经过一个局部阻力处后，要在直管中流过一段距离，液流才能稳定。否则，如液流尚未稳定就又经过第二个局部阻力处，将使情况复杂化，有时阻力系数可能比正常情况下大2-3倍。一般希望在两个局部阻力处之间的直管长度l＞（10-20）d，d为管道内径。

ΣΔP

=ΣΔPλ＋ΣΔPζ

ρv22=Σλ＋ζρv22ld第十六页，共二十八页，编辑于2023年，星期三液压传动的能量损失-流量损失●内泄漏油液由高压腔向低压腔的泄漏。●外泄漏油液由元件内部向外部的泄漏。主要泄漏部位：元件和集成块之间的固定联接面；管接头的螺纹联接处；液压缸的滑动面；轴伸的转动部位；阀孔和阀芯的间隙等。第十七页，共二十八页，编辑于2023年，星期三位能位能（也称势能）是一种能量，当一物体被举高h时，物体（或流体）中就具有这种能量，这是人为克服重力而做了功。W=m·g·hm=流体的质量(kg)g=重力加速度(m/s2)(g=9.81≈10m/s2)h=流体高度(m)单位：焦耳J(Joule)ABX第十八页，共二十八页，编辑于2023年，星期三压力能当流体受压力冲击时，因为内部空气消失流体的体积变小，可压缩的范围合计是输出容量的1-3%。因为液压油的可压缩性小，即ΔV相对小些。在100bar压力时ΔV约是输出容量的1%。压力能来自压缩流体反作用所产生的力。W=p·ΔVp=流体的压力(Pa)ΔV=流体的容量(m3)单位：焦耳J(Joule)弹性模数EoelK=V0·ΔpΔV(N/m2或N/cm2)V0=输出容量ΔV=容量的减少量p第十九页，共二十八页，编辑于2023年，星期三动能动能（也称运动的能量）是这样一种能量，当一物体（或液体）以一定的速度移动时，物体所具有的能量。这种能是由作用在物体（或液体）上的力F所产生的加速度作了功而产生的。W=12m·v2m=流体的质量(kg)v=速度(m/s)单位：焦耳J(Joule)V1V2Fp第二十页，共二十八页，编辑于2023年，星期三热能热能是一种为加热一个物体（或流体）到一定的温度所需要的能量。在液压设备中由于摩擦，有一部分能量被转换成为热能。它导致了液压油和结构元件变热。还有一部分热能被排到外部，这样保留的能量减少。其结果是压力能减少。W=Δp·VΔp=摩擦造成的压力损耗(Pa)V=容量(m3)单位：焦耳J(Joule)p1p2Δp=p1-p2第二十一页，共二十八页，编辑于2023年，星期三功率负载BADF1PTDD1PBATDW5abPSM机械功率P=F·VM=转矩Nm液压功率P=p·Q机械功率P=2πn·M电功率单位：瓦特P=p·QP=功率(W)p=压力(Pa)Q=流量(m3/s)通常功率被定义为每个单位时间内所做的功或能。第二十二页，共二十八页，编辑于2023年，星期三效率输出功率与输入功率之比为效率（η）效率=输出功率输入功率容积效率（ηv）：它涉及到泵、马达和阀的内部和外部的泄漏引起的损耗。是泵的实际流量与理论流量的比值。液压－机械效率（ηhm）：它涉及到泵、马达和油缸内的摩擦所造成的损耗。是泵的理论驱动转矩与实际驱动转矩之比。在泵、马达和油缸中，由于能量转换所造成的总损耗可以从给定的总效率（ηges）并以下式来计算：ηges=ηv•ηhm第二十三页，共二十八页，编辑于2023年，星期三输入功率与输出功率负载BADF1PTDD1PBATDW5abPSMP=p·Q液压功率

PE=2πnE·ME电机向泵提供的输入功率PA=2πnA·MAPA=F·V油缸或马达5%10%阀管道10%泵10%电动机5%液压功率损耗25%/30%输出功率PA70%/75%EI电功率stung第二十四页，共二十八页，编辑于2023年，星期三液压冲击和气穴现象●液压冲击在液压系统中，由于某种原因而引起油液的压力在瞬间急剧上升，这种现象称为液压冲击。1，当管道内的液体运动时，在某一瞬时将液流通路迅速切断（如阀门迅速关闭），则液体的流速将突然将为0。2，液压系统中的高速运动部件突然制动时。如液压缸运动到底时。3，当液压系统中的某些元件反应不灵敏时第二十五页，共二十八页，编辑于2023年，星期三●气穴现象

在液压系统中，如果某处的压力迅速下降至低于空气分离压时，溶于油液中的空气游离出来形成气泡，这些气泡夹杂在油液中形成气穴，这种现象称为气穴现象。为了避免气穴现象的产生，我们可以减小阀口的压降，希望阀口前