機械設(shè)備控制技術(shù)電子教案第5章

第5章液壓傳動基礎(chǔ)知識

液壓傳動是利用密閉系統(tǒng)中的受壓液體來傳遞運動和動力的一種傳動方式。液壓控制技術(shù)是研究以液體作為工作介質(zhì)，利用液體壓力進行能量傳遞和自動控制的一門技術(shù)。液壓控制技術(shù)具有許多優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用于機械制造、工程建筑等各個領(lǐng)域。特別盡近年來，隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展，與微電子、計算機技術(shù)互相結(jié)合，液壓控制技術(shù)的發(fā)展進入了一個嶄新的階段。5.1概述5.1.1液壓傳動工作原理圖5-1a所示為液壓傳動工作原理、液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟韴D，圖5-1b是其簡化模型圖。液壓千斤頂由液壓泵和液壓缸兩部分構(gòu)成。液壓泵（手動柱塞泵）由杠桿1、泵體2、小活塞3及單向閥5和7組成。液壓缸由缸體10和大活塞9組成，為確保液壓千斤頂正常工作活塞與缸體、活塞與泵體接觸面之間的配合既要使活塞在缸體和泵體中移動，又要形成可靠的密封。5.1.2液壓系統(tǒng)的組成圖5-2所示為一個能實現(xiàn)工作臺往復(fù)運動的典型液壓控制系統(tǒng)。圖5-2a為結(jié)構(gòu)圖，液壓泵3由電動機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，從油箱1經(jīng)過濾油器2吸油。當(dāng)換向閥5的閥芯處于圖示位置時，壓力油經(jīng)閥4、閥5和管道9進入液壓缸7的左腔，推動活塞向右運動。液壓缸右腔的油液經(jīng)管道6、閥5和管道10流回油箱。液壓控制系統(tǒng)由以下五部分組成：（1）動力元件---液壓泵是將電動機輸入的機械能轉(zhuǎn)化為液壓能，為系統(tǒng)提供壓力油，是一種能量轉(zhuǎn)化裝置。（2）執(zhí)行元件---液壓缸或液壓馬達是將液體的液壓能轉(zhuǎn)化為機械能做功，也是一種能量轉(zhuǎn)化裝置。（3）控制元件---液壓控制閥是控制系統(tǒng)中的壓力、流量和液流方向，以保證執(zhí)行元件完成預(yù)期的工作運動。（4）輔助裝置---油箱、油管、管接頭、濾油器、壓力表等分別起儲油、連接、過濾、測量壓力等作用。（5）工作介質(zhì)---液壓油是實現(xiàn)運動和動力的傳遞。

5.1概述

5.1.3液壓傳動系統(tǒng)的優(yōu)缺點1．液壓傳動系統(tǒng)的優(yōu)點1）易于獲得很大的力或力矩，并易于控制；2）易于在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速；3）傳動平穩(wěn)，便于實現(xiàn)頻繁換向和自動防止過載；4）便于采用電液聯(lián)合控制以實現(xiàn)自動化；5）各液壓元件在油中工作，潤滑性好，使用壽命長；6）液壓元件易于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化。2.液壓控制系統(tǒng)的缺點1）由于泄漏及液體的可壓縮性，無法保證嚴(yán)格的傳動比，影響執(zhí)行元件運動的準(zhǔn)確性；2）液壓油對溫度的變化比較敏感，不宜在很高或很低的溫度條件下工作；3）由于不可避免的泄漏及能量損失，因而效率較低，不宜作遠距離傳動；4）液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，不易查找原因。綜上所述，液壓控制技術(shù)的優(yōu)點是十分突出的，它的缺點隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)水平的提高正在逐步克服，因而它在現(xiàn)代生產(chǎn)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

5.1概述

5.2液壓油的選用液壓油在液壓傳動中不僅起傳遞能量的作用，而且還對液壓傳動中液壓元件起潤滑、冷卻和防銹的作用。液壓油的選擇主要是根據(jù)工作條件選用適宜的黏度。1.環(huán)境溫度環(huán)境溫度較高時，宜選用黏度較大的液壓油。2.液壓系統(tǒng)的工作壓力系統(tǒng)工作壓力較高時，宜選用黏度較大的液壓油，以減少泄漏。3.運動速度執(zhí)行元件運動速度較高時，宜選用黏度較小的液壓油。4.液壓泵的類型液壓泵對液壓油的性能最為敏感。因此常根據(jù)液壓泵的類型及要求來選擇液壓油的黏度。液壓油的產(chǎn)品牌號由類別、品種和數(shù)字三部分組成。類別代號中的L表示潤滑油、H表示液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)，數(shù)字表示工作介質(zhì)黏度等級，用溫度為40℃時的運動黏度平均值（mm2/s）表示。例如L-HL46號液壓油，是指這種油在40℃時的運動黏度平均值為46mm2/s。

5.2液壓油的選用

5.3液體力學(xué)液體靜力學(xué)是研究液體處于相對平衡狀態(tài)下的力學(xué)規(guī)律和這些規(guī)律的實際應(yīng)用。所謂“相對平衡”，是指液體內(nèi)部各質(zhì)點間沒有相對運動，即不呈現(xiàn)黏性。5.3.1液體的靜壓力1.靜壓力當(dāng)液體處于相對靜止時，液體單位面積上所受的法向力稱為壓力，則壓力的計算公式為（牛頓/米2Pa）

由于Pa單位太小，工程上常用千帕（Kpa）、兆帕MPa表示。1MPa＝103KPa＝106Pa液體靜壓力具有下列兩個特性：1）液體靜壓力垂直于其受壓平面，且方向與該面的內(nèi)法線方向一致。2）靜止液體內(nèi)任意點處所受到的靜壓力在各個方向上都相等。2.壓力的表示方法即絕對壓力和相對壓力。當(dāng)絕對壓力低于大氣壓時，比大氣壓小的那部分數(shù)值稱為真空度。即真空度＝大氣壓力一絕對壓力絕對壓力、相對壓力和真空度的相對關(guān)系如圖5-3。

5.3液體力學(xué)

3.壓力的傳遞一帕斯卡原理在密閉容器中的靜止液體，由外力作用在液面上的壓力能等值地傳遞到液體內(nèi)部的所有各點，這就是帕斯卡原理或稱為靜壓傳遞原理。

例5-1圖5-4所示為相互連通的兩個液壓缸，已知大缸直徑D＝100mm，小缸直徑d＝20mm，大活塞上放一重物W＝20000N，問在小活塞上加多大的力才能使大活塞頂起重物？解：作用在小活塞液壓缸內(nèi)的壓力

作用在大活塞液壓缸內(nèi)的壓力

根據(jù)帕斯卡原理，由外力產(chǎn)生的壓力在兩缸中相等，即

故頂起重物時小活塞上應(yīng)加的力為由例5-1可知，液壓裝置具有力的放大作用。液壓壓力機和液壓千斤頂就是利用這個原理工作的。

5.3液體力學(xué)

4.液體作用在固體壁面的力靜止液體和固體壁面相接觸時，固體壁面上各點在某一方向上所受靜壓力作用力總和，便是液體在該方向上作用于固體壁面上的力。在液壓傳動計算中質(zhì)量力（）可以忽略，靜壓力處處相等，所以可認為作用于固體壁面上的壓力是均勻分布的。當(dāng)固體壁面是一個平面時，面積A為平面上的承壓面積；當(dāng)固體壁面為曲面時，面積A為在這個作用力方向上的投影面積。即

5.3液體力學(xué)

5.3.2流體動力學(xué)1.基本概念（1）理想液體和穩(wěn)定流動理想液體是一種假想的無黏性、不可壓縮的液體。而把既有黏性又可壓縮的液體稱為實際液體。液體流動時，若其任一點處的壓力、速度和密度都不隨時間而變化，就稱為穩(wěn)定流動；反之就稱為非穩(wěn)定流動。（2）流量和平均流速液體在管道中流動時，通常將垂直于液體流動方向的截面，稱為通流截面或過流斷面。流量：流量是指單位時間內(nèi)流過某通流截面的液體的體積。計算公式為

m3／s（米3／秒）

流量的單位在SI制中為m3／s（米3／秒），工程上也常采用L／min（升／分鐘），它們之間的換算關(guān)系是1m3／min＝6×104L／min。平均流速：流速是指液流質(zhì)點在單位時間內(nèi)流過的距離。在SI制中的單位為m／s。計算公式為（m／s）由此可得出另一個重要結(jié)論：活塞運動速度取決于輸入液壓缸（馬達）的流量，而與液體壓力大小無關(guān)。

5.3液體力學(xué)

（3）層流和紊流科學(xué)家雷諾通過觀察水在圓管內(nèi)的流動情況實驗，發(fā)現(xiàn)液體有兩種流動狀態(tài)：層流（圖5-5a）和紊流（圖5-5c）。實驗結(jié)果表明，在層流時，液體質(zhì)點互不干擾，液體的流動呈線性或?qū)訝?，且平行于管道軸線；而在紊流時，液體質(zhì)點的運動雜亂無章，除了平行于管道軸線的運動外，還存在著劇烈的橫向運動。圖5-5b所示為層流和紊流的過渡狀態(tài)。層流和紊流是兩種不同性質(zhì)的流態(tài)。層流時，液體流速較低，質(zhì)點受黏性制約，不能隨意運動，黏性力起主導(dǎo)作用；紊流時，液體流速較高，黏性的制約作用減弱，慣性力起主要作用。液體流動呈現(xiàn)出的流態(tài)，可利用雷諾數(shù)來判別。液流由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鲿r的雷諾數(shù)與紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r的雷諾是不相同的，后者較前者數(shù)值小，故將后者作為判別液流狀態(tài)的依據(jù)，稱為臨界雷諾數(shù)Rec。當(dāng)Re＜Rec時，液流為層流；當(dāng)Re≥Rec時，液流為紊流。

5.3液體力學(xué)

2.連續(xù)性方程

液體流動的連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的應(yīng)用。即液體在密封管道內(nèi)作穩(wěn)定流動時，單位時間內(nèi)流經(jīng)管道任一通流截面的流量應(yīng)相等，如圖5-6所示。即常量式中，、分別為通流截面Ⅰ、Ⅱ的平均流速；、分別為通流截面Ⅰ、Ⅱ的面積。此式稱為流量連續(xù)性方程，它表明液體在管道中流動時流速和通流面積成反比，通流面積大則流速低，通流面積小則流速快。

5.3液體力學(xué)3.伯努利方程（1）理想液體伯努利方程理想液體在管道中作穩(wěn)定流動，其能量的表現(xiàn)形式有三種，即壓力能、動能和勢能。如圖5-7所示，根據(jù)能量守恒定律，在任一截面這三種能量可以相互轉(zhuǎn)化，但其總和保持不變，即此式稱為理想液體的伯努利方程

式中，、、分別為通流截面Ⅰ的壓力、平均流速、與基準(zhǔn)線的距離；、、分別為通流截面Ⅱ的壓力、平均流速、與基準(zhǔn)線的距離。

為壓力水頭或比壓能；為速度水頭或比動能；

為位置水頭或比勢能。

。

5.3液體力學(xué)

（2）實際液體的伯努利方程由于實際流動的液體具有黏性，且實際流速分布不均勻，從而造成能量損失。因此實際液體的伯努利方程為

式中，為從通流截面Ⅰ到通流截面Ⅱ過程中的能量損失；、分別為通流截面Ⅰ、Ⅱ的動能修正系數(shù)，與液體流動狀態(tài)即截面上流速分布有關(guān)，層流時＝2，紊流時≈1。例5-2如圖5-8所示，油管水平放置，截面Ⅰ、Ⅱ處的直徑分別為、，液體在管內(nèi)作連續(xù)流動，如不計管內(nèi)的能量損失，試問：（1）截面Ⅰ、Ⅱ的流量是否一樣？為什么？（2）截面Ⅰ、Ⅱ的壓力是否相同？為什么？解：（1）根據(jù)流量連續(xù)性方程，在同一管道中通過任意兩個橫截面的流量相等，因此截面Ⅰ、Ⅱ的流量是一樣的。（2）以管道中心線為基準(zhǔn)，列出伯努利方程

列出連續(xù)性方程

因為截面Ⅰ的面積＜截面Ⅱ的面積，所以＞，因此＜，即截面Ⅰ的壓力小于截面Ⅱ的壓力。

5.3液體力學(xué)4.液體流動中的壓力損失包括沿程壓力損失和局部壓力損失兩種。（1）沿程壓力損失液體在等徑直管中流動，因內(nèi)、外摩擦力而產(chǎn)生的壓力損失稱為沿程壓力損失。計算公式為

式中，為沿程壓力損失（Pa）；為液體的動力黏度（N·s/m2）；為通過管路液體的實際流量（m3/s）。上式表明：管路越長，流速越快，則沿程壓力損失越大；管徑增大，沿程壓力損失減小。（2）局部壓力損失由于管道截面形狀的突然變化（如突然擴大、收縮、分流、集流）和液流方向突然改變引起的壓力損失，稱為局部壓力損失。在液壓系統(tǒng)中，由于各種元件的結(jié)構(gòu)形狀、布局等原因，這種損失是主要的。液體流經(jīng)各種閥時的局部壓力損失，查閥的樣本手冊即可得到。壓力損失實際上就是能量的損失并轉(zhuǎn)化為熱能，使油溫升高，進而帶來泄漏增多，傳動效率降低，影響液壓系統(tǒng)的工作性能。因此，應(yīng)盡量采用光滑內(nèi)壁的管道，盡量縮短管路長度，減少截面突變及管道彎曲。

5.3液體力學(xué)

5.液壓沖擊和空穴現(xiàn)象

（1）液壓沖擊在系統(tǒng)中，由于某種原因引起油液的壓力在瞬間急劇上升，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊。液壓沖擊產(chǎn)生的原因液流速度突變（如關(guān)閉閥）；突然改變液流力向（換向）等。液壓沖擊產(chǎn)生危害引走振動和噪聲，導(dǎo)致密封裝置、管路及液壓元件的損失，有時還會使某些元件，如壓力繼電器、順序閥產(chǎn)生誤動作，影響系統(tǒng)的正常工作。避免液壓沖擊的基本措施是盡量避免液流速度發(fā)生急劇變化，延緩速度變化的時間，其具體辦法是：1）緩慢開關(guān)閥門；2）限制管路中液流的速度；3）系統(tǒng)中設(shè)置蓄能器和安全閥；4）在液壓元件中設(shè)置緩沖裝置（如節(jié)流孔）。（2）空穴現(xiàn)象在系統(tǒng)中，由于流速突然變大，供油不足等因素，壓力迅速下降至低于空氣分離壓時，溶解于油液中的空氣游離出來形成氣泡，這些氣泡夾雜在油液中形成氣穴，這種現(xiàn)象稱為空穴現(xiàn)象?？昭ìF(xiàn)象產(chǎn)生的危害造成流量和壓力脈動，引起局部液壓沖擊，產(chǎn)生強烈的噪聲、振動和氣蝕，導(dǎo)致元件壽命的縮短。采取下列措施：1）減少液流在閥口處的壓力降，一般希望