液压与气动知识

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1、液压与气动技术 绪论 何谓传动 机器的种类很多 其用途和性能也差别很大 但从组成上看大致有三种结构 其基本组成部分是 动力机 工作机 也称工作机构 执行机 执行机构等 和传动装置 所谓传动 是指将动力和运动从动力机传递到工作机的工作过程 动力机 传动装置 工作机 传动的分类 传动的分类 1 机械传动利用机械的方式 在主动轴和从动轴间传递运动和动力 或同时实现某些其他作用的装置 如摩擦传动 啮合传动等 2 电气传动直流电气传动 以直流电动机来带动工作机 并按给定的规律运动的传动方式 交流电气传动 以交流电动机来带动工作机 并按给定的规律运动的传动方式 3 磁力传动利用磁力作用来传递运动和机械能的

2、传动方式4 流体传动工作介质为流体进行能量和运动的传递 流体传动的分类 1 气压传动以压缩空气为动力源来驱动和控制各种机械设备以实现生产过程机械化 自动化的一种传动方式 2 液压传动以液体压力能来转换或传递机械能的传动方式 3 液力传动以液体为工作介质 在两个或两个以上的叶轮组成的工作腔内 通过液体动量矩的变化来传递能量的传动 4 液体粘性传动与多片摩擦离合器相似 利用改变摩擦片间的油膜的剪切力 作无级变速的传动 液压与气压传动的基本原理 以液压千斤顶为例 液压与气压传动的基本组成 1 能源装置将机械能转换成流体的压力能的装置 一般最常见的是液压泵或空气压缩机 2 执行装置把流体的压力能转换为

3、机械能的装置 一般是指作往复直线运动的油缸 气缸 作回转运动的液压马达 气压马达 3 控制调节装置对液 气 压系统中流体的压力 流量和流动方向进行控制和调节的装置 各种控制阀件 4 辅助装置在传动系统中起辅助作用的元件和装置 如油箱 滤油器 分水滤气器 油雾器 蓄能器等 5 传动介质传递能量的流体 指液压油和压缩空气 液压与气压传动的优缺点 1 功率 质量比大发电机和电动机的功率 质量比为165瓦 公斤液压泵和液压马达的功率 质量比为1650瓦 公斤是机电元件的10倍2 能方便的实现无级调速 且调速范围大 易于实现自动化 3 工作平稳 冲击小 便于频繁换向 流体能吸收冲击和振动 4 液压传动适

4、用于近距离传递 气压传动适用于远距离传递5 泄漏 对温度敏感 液压与气压传动的应用及发展 1 回顾1795年世界上第一台水压机诞生算起至今有200多年的历史 真正的发展从二次大战由于军事的刺激 发展至今只有50多年的历史 相对机械传动来说是一门新的技术 2 应用冶金 轻纺 石油 机床 工程机械 农业机械 汽车制造 造船 军事 航空等领域均得到广泛的应用 3 发展方向高压 高速 大功率 高效 低噪声 经久耐用 高度集成化的方向发展 第一章流体力学基础 第一节液压油的物理性质一 密度和重度1 密度 液体中某点处微小质量 m与其微小体积 V之比的极限值 对于均质流体 质量分布均匀 来说 m V kg

5、 m 2 重度 液体中某点处微小重量 W与其微小体积 V之比的极限值 同样对于均质流体来说 r W V N m 3 重度与密度的关系为 r g 二 液体的可压缩性 液体受到压力的作用后 分子间的距离会减小 即液体的体积会减小 为表达这样的特性 引入体积压缩系数的概念 1 体积压缩系数 液体的体积在单位压力作用下体积的相对变化量 N 2 弹性模量 EE 1 N 对于液压油来说 E 1 4 2 0GPa对于金属钢来说 E 206GPa可见 液压油的可缩性是钢的100 150倍 通常情况下 当液体的压力大于3MPa时 将液压油的弹性模量视为常数 三 液体的粘性 液体在外力的作用下流动时 液体分子间的

6、内聚力阻碍其分子间的相对运动而产生的一种内摩擦力 为衡量粘性的大小常用粘度 来度量 例 平行平板实验确定 绝对粘度动力粘度 Pa S 运动粘度 s 四 两个概念 1 空气分离压 在一定温度下 液体压力低于某一值时 溶解在液体中的过饱和空气将迅速从液体中分离出来 产生大量的气泡 此压力便称为液体在该温度下的空气分离压 2 饱和蒸汽压 在一定温度下 液体压力低于某一值时 溶解在液体中的过饱和空气将迅速从液体中分离出来 液体自身汽化 产生大量的气泡 此压力便称为液体在该温度下的饱和蒸汽压 第二节流动流体力学 一 压力的表示方法及单位 由示意图可知 绝对压力 大气压力 相对压力真空度 大气压力 绝对压

7、力压力的常用单位 Pabarkgf cm MpaPSI关系 1Mpa 10bar 10kgf cm 1PSI 0 0067Mpa 二 理想流体 恒定流动 1 理想流体没有粘性 不可压缩的流体2 恒定流动液体流动过程中 液体中任何点处的压力 速度 密度等参数都不随时间变化的流动被称为恒定流动 为研究问题的方便 一般首先假设所研究的对象是理想流体并作恒定流动 然后再对所得到的结论进行修正 三 流动液体的质量守恒定律 连续性方程 体积流量 单位时间内通过某截面的体积 m s 质量流量 单位时间内通过某截面的质量 Kg s 质量守恒定律 取一控制体为研究对象 Qm1 Qm2 dm dtQm1 1Q1式

8、中 Qm2 2Q2m V所以 1Q1 2Q2 d V dt Vd dt dv dt对于恒定流动来说 1Q1 2Q2 0Q1 Q2 C所以有 A1V1 A2V2 四 流动液体的能量守恒定律 伯努力方程 接上页 1 1 段的机械能为 2 2 段的机械能为 由能量守恒定律可知 外力对物体所作的功等于机械能的增量 所以有 W E1 E2即 P1 P2 mg r mv1 2 mgh1 mv2 2 mgh2 整理后 P1 r v1 2g h1 P2 r v2 2g h2 理想流体的伯努力方程式中 P r 压力能v 2g 动能h 势能 接下页 接上页 以上所得到的结果的前提为 理想流体 并且作恒定流动的微小

9、流束 而实际流体是有粘性 可压缩 有一定的实际尺寸的 因此 必须对上述结果进行修正 修正后的结果如下 P1 r 1v1 2g h1 P2 r 2v2 2g h2 hw 实际流体的伯努力方程式中 动能修正系数 的取值与流态有关 层流时 2 紊流时 1hw 液体从截面1流至截面2过程中的能量损失hw h h h 沿程损失h 局部损失 五 流动液体的动量定律 动量方程 在液压传动中 经常要计算流动的液体与包容它的固体壁面之间的相互作用力 要解决此类问题 可用动量定律来计算 动量定律指出 作用在物体上力的大小等于物体在力作用方向上动量的变化率 Fi mVi t取一段流动的微小流束作为研究对象 1 1

10、2 2 经过时间间隔 t后 流动到1 1 2 2 接下页 接上页 动量有变化的只有1 1 段和2 2 段 在 t时间段内 动量的变化量为 代入上式则有 理想流体作恒定流动时的动量方程对于实际流体来说 式中 动量修正系数其取值与流态有关 层流时 1 33紊流时 1 第三节管路系统的压力损失计算 一 液体的流动状态1 层流和紊流 雷诺实验 2 雷诺数 由实验可知 液体的流动状态与以下三个方面的参数有关1 液体的流动速度V m s 2 管道直径D m 3 液体的运动粘度 s 流动状态的判据 雷诺数Re 当Re 2320时 流动状态为紊流当Re 2320时 流动状态为层流在应用伯努力方程以及动量方程时

11、 动能修正系数 动量修正系数 的取值 要根据具体的流动状态 层流时 2 1 33紊流时 1 1 二 液体在直管中流动时的压力损失 1 通流面积上流速的分布规律 取一微小圆柱体作为研究对象 在X轴上作受力分析由 F ma可知 p1 p2 y Ft mgcos90 y ldv dt对于恒定流动 另外由牛顿摩擦定律 所以有 接下页 接上页 将上式在0 d 2之间积分可得 呈抛物线型分布v a 当y 0时 vmax pd 16 lb 当y d 2时 vmin 02 流量 可得 接下页 接上页 3 平均速度 V平 vmax 2得 平均速度为最大速度的一半4 压力损失 由 有 改写后 式中 局部损失 局部

12、损失表达式 式中 局部损失系数一般由实验确定总损失 由沿程损失和局部损失两部分组成 第四节液体流经小孔及缝隙时的流量计算 一 液体流经小孔时的流量计算 1 薄壁小孔 l d 0 5 引入一概念 收缩系数 Cc A2 A1 d2 d1 取1 1 2 2断面为研究对象 列伯努力方程 P1 r 1v1 2g h1 P2 r 2v2 2g h2 hw得 P1 r 1v1 2g P2 r 2v2 2g v2 2g由于 v1 v2 由于速度较快 处于紊流取 1 故 v2 接上页 令 Cv 速度系数 一般取0 97 流量 Q A2v2 CcA1v2式中 Cd CcCv 流量系数 0 61 0 62 2 厚壁

13、小孔 1 2 l d 4 对于厚壁小孔 分析方法与前面相同 但要考虑沿程损失 其流量计算表达式为 Q 注意 流量系数Cq取0 823 细长孔 l d 4 相当于直管中液体的流动其流量计算表达式为 通式 式中 0 5 m 1 节流指数 二 流经缝隙时的流量计算 一 平行缝隙 1 在压差作用下的流动取一微小控制体作为研究对象 宽度为单位长度 作受力分析由力的平衡可得 整理得 因为 所以有 对此式积分二次 接下页 接上页 积分结果为 利用边界条件 y 0时 v 0 y h时 v 0 求得两个积分常数 带入上式后得到速度分布为 对于规则的平行平板 带入上式得到 平行平板的流量的计算 接下页 接上页 压

14、差作用下的流量 可得 可知 流量与h的三次方成正比 2 在相对运动作用下的流动3 在压差和相对运动的共同作用下的合成 二 环形缝隙 1 同心时的流量 将平行平板中的b用 d替代即可2 偏心时的流量 式中 e h 偏心率e 偏心距h D d 2 例题一 P62题1 4 图示一液压缸 其缸筒内径D 12cm 活塞直径d 11 96cm 活塞长度L 14cm 若油的粘度 0 065Pa s 活塞回程要求的稳定速度为v 0 5m s 试求不计油液压力时拉回活塞所需的力F等于多少 解 力F为活塞运动时的粘性摩擦阻力 由由于间隙很小 所以速度梯度将所有数据带入求得 另外有 例题二 P63题1 12 泵从一

15、个大的油池吸油液 流量为q 150L min 油的运动粘度 34m s 油液密度 900 m 吸油管直径d 60mm 并设泵的吸油管弯头处局部阻力系数 0 2 吸油口粗滤网的压力损失 p 0 0178MPa 如希望泵入口处的真空度Pb不大于0 04MPa 求泵的吸油高度H 液面到滤网之间的管路沿程损失可忽略不计 解 取1 1和2 2截面作为研究对象 列伯努利方程 第二章动力元件 作用 动力元件起着向系统提供动力源的作用 是系统不可缺少的核心元件 液压系统 各种液压泵 齿轮泵 叶片泵 柱塞泵等 气压系统 空气压缩机 气泵 能量转换 将原动机 电机或发动机 的机械能通过液压泵或气泵转换成系统所需的

16、具有一定流量 一定压力的流体的压力能 第一节液压泵概述 一 液压泵的工作原理注意 液压系统中采用的液压泵均为容积式泵 液压泵工作时是利用密闭容积的变化来完成吸压油的 泵的工作特点和性能参数 二 容积式泵的工作特点 1 具有单个或多个容积大小能发生变化的密封空间 2 有一个将流体从低压向高压转移的过渡过程 3 高低压腔必须始终隔开 三 泵的主要性能参数 1 工作压力 P F S取决于负载 与流量无关2 排量 V S h一个工作循环排出流体的体积3 流量 q V n仅取决于结构尺寸和工作频率4 功率 N q P5 效率 容积效率 机械效率 总效率 第二节齿轮泵 一 齿轮泵的结构和工作原理 如图所示 1 组成 主要由一对相互啮合的齿轮 壳体以及端盖等组成 2 工作原理 齿轮的旋转方向如图所示 下侧 由于齿轮逐渐退出啮合 密闭容积增大 形成局部真空 液压油在大气压力的作用下 产生流动 从而完成吸油过程 液压油将齿间槽充满 并随着齿轮的旋转 将液压油带到齿轮泵的上侧 完成过渡过程 下侧 由于齿轮逐渐进入啮合 密闭容积减小 压力升高 液压油被挤出 从而完成压油过程 关于泄漏问题 参照结构图 二 齿