第一章液压传动基础知识

液压传动基础知识包含液压传动的工作介质，液体静力学，液体动力学，定常管流的压力损失计算，孔口和缝隙流动，空穴现象，液压冲击等。

液压传动基础知识

• 液压传动的工作介质
  • 液压传动工作介质的性质
    • 密度
      • 单位体积液体的质量
      • 矿物油型液压油的密度随温度的上升而减小
      • 我国采用20摄氏度时的密度作为油液的标准密度
    • 可压缩性
      • 体积弹性模量K
        • 液体体积压缩系数的倒数
        • K=
        • 温度增加，K值减小；压力增大，K值增大
      • 弹簧刚度kh
        • 液体承压面积A不变，通过压力变化、体积变化求出
    • 黏性
      • 液体在外力作用下流动时，分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产生的一种内摩擦力
      • 液体流动时相邻层间的内摩擦力Ft与液层接触面积A、液层间的速度梯度du/dy成正比
        • 称为黏性系数或黏度
      • 单位P，泊
        • 1Pa*s=10P
      • 压力增大，黏度增大；温度提升，黏度下降
  • 对液压传动工作介质的要求
    • 合适的黏度
    • 润滑性能好
    • 质地纯净，杂质少
    • 对金属和密封件有良好的相容性
    • 对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性
    • 抗泡沫性、抗乳化性、防锈性好，腐蚀性小
    • 体积膨胀系数小，比热容大
    • 流动点和凝固点低，闪点和燃点高
    • 对人体无害，成本低
    • 与产品和环境相容
  • 工作介质的分类和选用
    • 分类
      • 代号L是石油产品的总分类号
      • 代号H表示液压系统用的工作介质
      • 数字表示该工作介质的某个黏度等级
      • 乳化型工作介质简称乳化液
        • 水包油乳化液
        • 油包水乳化液
    • 选用原则
      • 液压系统的工作条件
      • 液压系统的工作环境
• 液体静力学
  • 液体静压力及其特性
    • 静压力
      • 质量力
        • 单位质量液体受到的质量力称为单位质量力，在数值上等于加速度
      • 表面力
        • 由与液体相接触的其他物体作用在液体上的力，也可以是一部分液体作用在另一部分液体上的力
        • 静止液体表面只有法向力
        • 液体内某点处单位面积上所受到的法向力
        • 法向力F均匀地作用在面积A上p=F/A
        • 液压力作用在曲面
          • Fx=pAx
          • Fy=pAy
    • 液体静压力的特性
      • 方向总是作用面的内法线方向
      • 任一点的静压力在各个方向上都相等
  • 液体静压力基本方程
    • p0为液面上的压力，通常是大气压
  • 压力的表示方法及单位
    • 绝对压力
      • 以绝对真空作为基准所表示的压力
      • 绝对压力=相对压力+大气压力
    • 相对压力
      • 以大气压力作为基准所表示的压力
    • 真空度
      • 液体中某点处的绝对压力比大气压力小的数值
      • 真空度=大气压力-绝对压力
    • 压力单位
      • 帕斯卡Pa
        • 1Pa=1N/m²
      • 巴bar
        • 1bar=10^5N/m²
  • 帕斯卡原理
    • 在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到各点
    • p1»p2，F1/A1=F2/A2
    • 液压系统中的压力是由外界负载决定的
  • 液体静压力对固体壁面的作用力
    • 静止液体和固体壁面相接触时，固体壁面上各点在某一方向上所受静压作用力的总和便是液体在该方向上作用于固体壁面上的力
    • • d为承压部分曲面投影圆的直径
    • 曲面上液压作用力在某一方向上的分力等于液体静压力和曲面在该方向的垂直面内投影面积的乘积
• 液体动力学
  • 基本概念
    • 理想液体：既无黏性又不可压缩的液体
    • 定常流动：液体流动时，液体中任何一点的压力，速度和密度都不随时间而变化
    • 一维流动：液体整体做线形流动
    • 迹线：流动液体的某一质点在某一时间间隔内在空间的运动轨迹
    • 流线：某一瞬时液流中各处质点运动状态的一条条曲线
    • 通流截面：流束中与所有流线正交的截面
    • 流量：单位时间内通过某通流截面的液体的体积
    • 平均流速v=q/A
  • 连续性方程
    • 连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的一种表达形式
    • q1=q2，v1A1=v2A2
    • 不可压缩液体做定常流动时的连续方程：q=vA=常数
  • 伯努利方程
    • 伯努利方程就是能量守恒定律在流动液体中的表现形式
    • 理想液体微小流束的伯努利方程
    • 实际液体的伯努利方程
  • 动量方程
    • 作用在物体上的力的大小等于物体在力作用方向上的动量的变化率
    • 液体作用在固体壁面的作用力分别称为瞬态液动力和稳态液动力
    • 定常流动时
• 定常管流的压力损失计算
  • 流态
    • 层流
      • 液体质点互不干扰，液体的流动成线性或层状，且平行于管道轴线
      • 液体流速较低，质点受黏性制约，不能随意运动，黏性力起主导作用
    • 湍流
      • 又称紊流
      • 液体质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴线的运动外，还存在着剧烈的横向运动
      • 液体流速较高，黏性的制约作用减弱，惯性力起主导作用
  • 雷诺数
    • 决定在圆管中液流流动状态
    • 当液流实际流动时的雷诺数小于临界雷诺数时，液流为层流，反之为湍流
    • 非圆截面管道
    • 水力半径大，表明液流与管壁接触少，通流能力大；水力半径小，表明液流与管壁接触多，通流能力小，容易堵塞
  • 液体在直管中流动时的压力损失
    • 液体在直管中流动时的压力损失称为沿程压力损失
    • 层流时的压力损失
      • 在轴线方向上的受力平衡方程
      • 在通流截面上的速度分布规律呈旋转抛物体状，且当r=0处（即管中心）流速最大
      • 圆管中的流量
      • 圆管通流截面上的平均流速
      • 沿程压力损失
    • 湍流时的压力损失
      • 湍流流动现象很复杂，完全用理论方法加以研究，至今未获得令人满意的结果
  • 局部压力损失
    • 液体流经如阀口、弯管、通流截面变化等局部阻力处损引起的压力损失
    • 阀类元件局部压力损失
  • 管路系统中的总压力损失与压力效率
    • 总压力损失等于所有直管中的沿程压力损失和局部压力损失之和
    • 压力效率
• 孔口和缝隙流动
  • 孔口液流特性
    • 截流装置：在液压系统的管路中，装有截面突然收缩的装置
    • 节流：突然收缩处的流动，一般均采用各种形式的孔口来实现节流
    • 孔口
      • 薄壁小孔
        • 流量
      • 短孔
      • 细长孔
        • 流量计算公式
      • 流液特性
• 空穴现象
  • 空穴现象：在流动液体中，由于某点处的压力低于空气分离压而产生气泡的现象
  • 空气分离压：油液中溶解一定量空气，当压力低于大气压时，就成为过饱和状态，在一定温度下，当压力降低于某一值，过饱和的空气将从油液中分离出来形成气泡，这一压力值为该温度下的空气分离压
  • 饱和蒸汽压：当液压油在某温度下的压力低于某一数值时，油液本身迅速气化，产生大量蒸汽气泡，这一压力值为该温度下的饱和蒸汽压
  • 节流口处的空穴现象
    • 产生原因
      • 节流口处速度升高，压力降低
      • 液压泵吸油管直径太小，吸油高度过大，阻力增大，压力降低
      • 液压泵转速过高，吸油不充分，压力降低
    • 后果
      • 液流不连续，流量、压力脉动
      • 系统发生强烈的振动和噪声
      • 发生气蚀
    • 减小措施
      • 减小孔口或缝隙前后的压力降。一般希望相应的压力比p1/p2<3.5
      • 正确设计液压泵的结构参数，适当加大吸油管直径，降低液压泵的吸油高度，限制流速
      • 管路要有良好的密封，防止空气进入
      • 提高零件抗气蚀能力，采用抗气蚀能力强的金属材料，提高零件的表面加工质量等
• 液压冲击
  • 液压冲击：在液压系统中，由于某种原因，液体压力在一瞬间会突然升高，产生很高的压力峰值
  • 产生原因
    • 当阀门瞬时关闭时，管道中的液体因突然停止运动而导致动能向压力能的瞬时转变，压力升高
    • 运动部件突然制动或换向，使压力升高
  • 后果（液压冲击峰值压力>>工作压力）
    • 巨大的瞬时压力峰值会使液压元件，尤其是液压密封件遭到破坏
    • 系统产生强烈振动及噪声，并使油温升高
    • 使压力控制元件(如压力继电器、液压控制阀等）产生误动作，造成设备损坏
  • 减小措施
    • 使直接冲击改变为间接冲击，这可用减慢阀的关闭速度和减小冲击波传递距离来达到
    • 限制管中油液的流速v
    • 用橡胶软管或在冲击源处设置蓄能器，以吸收液压冲击的能量
    • 在容易出现液压冲击的地方，安装限制压力升高的安全阀