工学系统建模与动力学分析液压系统.pptx
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1、n n液压缸液压缸:将液压能转变为机械能的、做直线往复运动(或:将液压能转变为机械能的、做直线往复运动(或摆动运动)的液压执行元件。根据常用液压缸的结构形式,摆动运动)的液压执行元件。根据常用液压缸的结构形式,可将其分为四种类型:可将其分为四种类型:n n1.1.活塞式活塞式:其两端进出口油口:其两端进出口油口A A和和B B都可通压力油或回油,都可通压力油或回油,以实现活塞的双向运动,故又称为以实现活塞的双向运动,故又称为双作用缸双作用缸。n n单活塞杆液压缸(左图)单活塞杆液压缸(左图)只有一端有活塞杆。活塞左边面只有一端有活塞杆。活塞左边面积较大,当流体压力作用在左边时,提供一慢速的,更
2、大积较大,当流体压力作用在左边时,提供一慢速的,更大作用力的工作行程;而活塞右边面积较小,返回行程较快。作用力的工作行程;而活塞右边面积较小,返回行程较快。n n双活塞杆液压缸(右图)双活塞杆液压缸(右图)在两个方向上具有相等的作用力。在两个方向上具有相等的作用力。n n2.2.柱塞式:柱塞式:是一种单作用式液压缸,靠液压力只能实现一是一种单作用式液压缸,靠液压力只能实现一个方向的运动,柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重。个方向的运动,柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重。n n3.3.伸缩式:伸缩式:伸缩式液压缸具有二级或多级活塞,伸缩式液伸缩式液压缸具有二级或多级活塞,伸缩式液压缸中活塞伸出的顺
3、序式从大到小,而空载缩回的顺序则压缸中活塞伸出的顺序式从大到小,而空载缩回的顺序则一般是从小到大。伸缩缸可实现较长的行程,而缩回时长一般是从小到大。伸缩缸可实现较长的行程,而缩回时长度较短,结构较为紧凑。此种液压缸常用于工程机械和农度较短,结构较为紧凑。此种液压缸常用于工程机械和农业机械上。业机械上。n n4.4.摆动式:摆动式:摆动式液压缸是输出扭矩并实现往复运动的执摆动式液压缸是输出扭矩并实现往复运动的执行元件,也称摆动式液压马达。有行元件,也称摆动式液压马达。有单叶片和双叶片单叶片和双叶片两种形两种形式。定子块固定在缸体上,而叶片和转子连接在一起。根式。定子块固定在缸体上,而叶片和转子连
4、接在一起。根据进油方向,据进油方向,叶片将带动转子作往复摆动。叶片将带动转子作往复摆动。n n结构:叶片、缸体、输出轴结构:叶片、缸体、输出轴n单叶片式n双叶片式n n旋转式液压马达旋转式液压马达:又包括柱塞马达、叶片马达和齿轮马达。:又包括柱塞马达、叶片马达和齿轮马达。许多液压泵只要作小量的改变或根本不需要改变就可以用许多液压泵只要作小量的改变或根本不需要改变就可以用作马达。作马达。n n1.1.轴向柱塞马达轴向柱塞马达n n结构结构2.2.工作原理工作原理 输入的高压油通过柱塞作用在斜盘上。斜盘给柱塞的输入的高压油通过柱塞作用在斜盘上。斜盘给柱塞的反作用力的径向分力,使缸体产生转矩。通过输
5、出轴反作用力的径向分力,使缸体产生转矩。通过输出轴带动负载做功。带动负载做功。平行于圆盘的力平行于圆盘的力 作用在轴上的扭矩作用在轴上的扭矩n n改变供油方向改变供油方向马达反转。双向马达马达反转。双向马达n n改变斜盘倾角改变斜盘倾角排量变,转速变。变量马达排量变,转速变。变量马达3.3.应用:高转速、较大扭矩的场合。应用:高转速、较大扭矩的场合。n n2.2.径向柱塞马达径向柱塞马达n n结构结构n n2.2.径向柱塞马达径向柱塞马达n n工作原理工作原理n n在径向柱塞马达中,压力液体进入缸体中的一半,沿在径向柱塞马达中,压力液体进入缸体中的一半,沿液压缸体的轴线推动每个柱塞。液压缸体的
6、轴线推动每个柱塞。n n这些柱塞的径向移动,这些柱塞的径向移动,一直到旋转至定子轮一直到旋转至定子轮 廓距配油轴最远的点廓距配油轴最远的点 为止。为止。n n这样,径向推动柱塞这样,径向推动柱塞 而产生缸体和柱塞旋而产生缸体和柱塞旋 转。转。n n2.2.齿轮马达齿轮马达n n工作原理(与齿轮泵正好相反)工作原理(与齿轮泵正好相反)n n两个齿轮都是被动的,但只有一个是与输出轴相连接两个齿轮都是被动的,但只有一个是与输出轴相连接的。的。n n液压流体从泵进入工作腔液压流体从泵进入工作腔A A,并在两个方向上沿壳体,并在两个方向上沿壳体内表面流到工作腔内表面流到工作腔B B,迫使齿轮旋转。,迫使
7、齿轮旋转。n n通过这种旋转运动通过这种旋转运动 可得到对输出轴作功。可得到对输出轴作功。n n液压控制阀液压控制阀:是用机械运动来控制液压马达液流的方向。:是用机械运动来控制液压马达液流的方向。可分为如下四种类型:可分为如下四种类型:n n1.1.滑阀滑阀:一般根据流入和流出此阀的通道数来分类。:一般根据流入和流出此阀的通道数来分类。n n例如:例如:四通柱塞阀四通柱塞阀的工作原理的工作原理n n阀芯可以在两个方向移动阀芯可以在两个方向移动n n如果阀芯移动到右边,如果阀芯移动到右边,B B口与压力口口与压力口P P接通,接通,A A口口与回油口接通,动与回油口接通,动 力(或力(或马达)活
8、塞移向左。马达)活塞移向左。n n如果阀芯移动到左边,如果阀芯移动到左边,A A口与压力口口与压力口P P接通,接通,B B口与回油口接通,动口与回油口接通,动 力力(或马达)活塞移向右。(或马达)活塞移向右。n n三通阀:三通阀:用改变作用在不等面积动力活塞一边的压力,用改变作用在不等面积动力活塞一边的压力,来达到改变运动方向的目的。来达到改变运动方向的目的。n n2.2.挡板阀:挡板阀:也称喷嘴也称喷嘴挡板阀。一个挡板放在两个相挡板阀。一个挡板放在两个相对的喷嘴之间。如果挡板向右微小移动,在喷嘴中产对的喷嘴之间。如果挡板向右微小移动,在喷嘴中产生压力不平衡,动力活塞移向左,等等。生压力不平
9、衡,动力活塞移向左,等等。n n挡板阀常在液压伺服系统中作为两级伺服阀中的第一挡板阀常在液压伺服系统中作为两级伺服阀中的第一级使用,目的是以提供必要的相对较大的力以移动第级使用,目的是以提供必要的相对较大的力以移动第二级滑阀。二级滑阀。n n3.3.射流管阀:射流管阀:液压流体自射流管喷射出来,如果射流液压流体自射流管喷射出来,如果射流管自中间位置移动到右边,动力活塞移向左。(图管自中间位置移动到右边,动力活塞移向左。(图4-4-1515)n n射流管阀由于零位泄漏量大,射流管阀由于零位泄漏量大,响应慢和特性无法预测,因响应慢和特性无法预测,因 此不像挡板阀用的多,主要此不像挡板阀用的多,主要
10、 优点是对脏的流体不敏感。优点是对脏的流体不敏感。n n提升阀提升阀:基本上是二通阀。:基本上是二通阀。典型的提升阀可以在单向典型的提升阀可以在单向 阀和溢流阀中找到。阀和溢流阀中找到。n n单向阀单向阀:一个单通道方向阀,允许液体在一个方向上:一个单通道方向阀,允许液体在一个方向上流动且能控制液体流量的大小。而在反方向上的流动流动且能控制液体流量的大小。而在反方向上的流动是受到阻碍的。是受到阻碍的。n n单向阀工作原理单向阀工作原理:n n溢流阀:溢流阀:作用是保护装置,作用是保护装置,防止回路元件过载或限制防止回路元件过载或限制 液压马达的作用力。液压马达的作用力。n n溢流阀的工作原理溢
11、流阀的工作原理:n n当进口压力超过弹簧力时,阀被推离阀当进口压力超过弹簧力时,阀被推离阀 座,座,流体从压力管道通过阀而流回油箱。流体从压力管道通过阀而流回油箱。n n当压力下降到低于弹簧力时,阀恢复原当压力下降到低于弹簧力时,阀恢复原 位,位,流动停止。流动停止。n n当阀强迫离开阀座,并且流体开始流动当阀强迫离开阀座,并且流体开始流动 时的压力称为时的压力称为开启压力开启压力。n n全流量时的压力比开启压力大。压力增全流量时的压力比开启压力大。压力增 大导致通过溢流阀的流量增大,称此为大导致通过溢流阀的流量增大,称此为 压力增量压力增量。n n液压系统的优缺点液压系统的优缺点n n优点优
12、点n n1.1.液压流体具有润滑剂的作用,还能够进行热量传递。液压流体具有润滑剂的作用,还能够进行热量传递。n n2.2.尺寸较小的液压马达能够产生出大的力和力矩。尺寸较小的液压马达能够产生出大的力和力矩。n n3.3.液压马达对于启动、停止和转速转换具有高的速度响液压马达对于启动、停止和转速转换具有高的速度响应。应。n n4.4.液压马达可在连续的、间断的、倒转和停车的情况下液压马达可在连续的、间断的、倒转和停车的情况下操作而不致损坏。操作而不致损坏。n n5.5.直线和旋转式液压马达可以设计成柔性的。直线和旋转式液压马达可以设计成柔性的。n n6.6.液压马达泄漏小,载荷作用时的速度降落小
13、。液压马达泄漏小,载荷作用时的速度降落小。n n缺点(缺点(pp176pp176)n n油击现象(油击现象(pp176pp176)n n由于瞬时关闭管路一端的阀,而使油或水在管路中的流由于瞬时关闭管路一端的阀,而使油或水在管路中的流动突然停止,由此肯能引起一间断的压力脉冲,从而引动突然停止,由此肯能引起一间断的压力脉冲,从而引起一系列的冲击,其声音好像是锤击一样,它与流体介起一系列的冲击,其声音好像是锤击一样,它与流体介质有关。质有关。n n例如:自来水管系统。例如:自来水管系统。n n空穴现象(空穴现象(pp177pp177)n n在流体的快速流动中汽化和气泡随即破灭的过程称为空在流体的快速
14、流动中汽化和气泡随即破灭的过程称为空穴现象。它会产生噪音和振动,降低效率,损坏流道等。穴现象。它会产生噪音和振动,降低效率,损坏流道等。n n例如:离心式泵。例如:离心式泵。液压流体的性质n n密度密度:物质的质量密度是单位体积的质量。单位是物质的质量密度是单位体积的质量。单位是kg/mkg/m3 3。n n比容比容:比容是密度的倒数。它是流体单位质量所占的:比容是密度的倒数。它是流体单位质量所占的容积。容积。n n比重和比重力比重和比重力:物质的比重力物质的比重力是其单位体积的重量。是其单位体积的重量。单位是单位是N/mN/m3 3。n n比重力和质量密度的关系是:比重力和质量密度的关系是:
15、n n物质的比重物质的比重是它的重量与在标准大气压力和温度下相是它的重量与在标准大气压力和温度下相等体积的水的重量之比。等体积的水的重量之比。液压流体的性质n n流体的密度是压力和温度的函数。它可以写成:流体的密度是压力和温度的函数。它可以写成:n n其中其中 分别是密度、压力和温度。假定当压力是分别是密度、压力和温度。假定当压力是 ,温度是,温度是 时的流体密度是时的流体密度是 。n na a和和b b的值是正的。因此流体质量密度随压力增大而增的值是正的。因此流体质量密度随压力增大而增大,随温度增大而减小。大,随温度增大而减小。n n系数系数a a和和b b分别称为是分别称为是可压缩性模量可
16、压缩性模量和和体积的膨胀系数体积的膨胀系数。液压流体的性质n n可压缩性和体积模量可压缩性和体积模量n n流体的可压缩性是由其体积模量来表示。流体的可压缩性是由其体积模量来表示。n n流体的体积模量和可压缩性模量是互为倒数的。流体的体积模量和可压缩性模量是互为倒数的。n n如果体积为如果体积为V V的流体增加压力的流体增加压力dpdp,它将引起体积下降,它将引起体积下降dVdV。其体积模量的定义为。其体积模量的定义为n n注意是注意是dVdV负的,所以负的,所以-dV-dV是正的。由于所有液压流体是正的。由于所有液压流体将与空气在一定的范围内混合,所以用实验测定体积将与空气在一定的范围内混合,
17、所以用实验测定体积模量时,任何给定流体的体积模量的值是与流体中所模量时,任何给定流体的体积模量的值是与流体中所含有的空气量有关。含有的空气量有关。n n粘度粘度:粘度是液压流体最重要的性质,是流体在流动:粘度是液压流体最重要的性质,是流体在流动中的内摩擦或阻力的一种度量。粘度的物理本质是分中的内摩擦或阻力的一种度量。粘度的物理本质是分子间的引力和分子热运动、碰撞。子间的引力和分子热运动、碰撞。n n低粘度表示泄漏损失增大,而高粘度意味着低灵敏度低粘度表示泄漏损失增大,而高粘度意味着低灵敏度的操作。的操作。n n在液压系统中可容许的粘度是由泵、马达、和阀以及在液压系统中可容许的粘度是由泵、马达、
18、和阀以及周围的和操作温度的工作特性所限制。流体的粘度随周围的和操作温度的工作特性所限制。流体的粘度随温度升高而减小。温度升高而减小。n n粘度是用观察一定体积粘度是用观察一定体积 的流体在一定的水头下的流体在一定的水头下 通过有相同孔径的短管通过有相同孔径的短管 所需要的时间来测定。所需要的时间来测定。例如一个例如一个毛细管式粘度计毛细管式粘度计。n n由流体中的各部分相对运动而产生的阻力称为由流体中的各部分相对运动而产生的阻力称为动力粘度动力粘度或绝对粘度或绝对粘度。它是流体的剪切应力与剪切变形之比。它是流体的剪切应力与剪切变形之比。n n动力粘度或绝对粘度系数动力粘度或绝对粘度系数 是流体
19、薄层在平行于薄是流体薄层在平行于薄层方向运动,对另一距它为单位距离的流体薄层,具有层方向运动,对另一距它为单位距离的流体薄层,具有单位相对速度时所产生的阻力。单位相对速度时所产生的阻力。n n动力粘度的单位动力粘度的单位:(SI(SI制制)N*s/m N*s/m2 2 或或kg/m*skg/m*sn n(cgscgs制)制)dyn*s/cmdyn*s/cm2 2 或或g/cm*s g/cm*s 泊(泊(p p)n n运动粘度运动粘度是动力粘度除以质量密度,是动力粘度除以质量密度,n n运动粘度的单位运动粘度的单位:(SI(SI制制)m m2 2/s/sn n(cgscgs制)制)cmcm2 2
20、/s /s 沲(沲(StSt)n n关于液压流体的几个要点关于液压流体的几个要点n n1 1)水、天然油和植物或动物油不用作液压流体,因为它)水、天然油和植物或动物油不用作液压流体,因为它们缺乏适当的润滑和抗氧化能力,并会引起腐蚀,起泡沫们缺乏适当的润滑和抗氧化能力,并会引起腐蚀,起泡沫等等。等等。n n2 2)液压流体的工作寿命与它抗氧化能力有关,由于任何)液压流体的工作寿命与它抗氧化能力有关,由于任何流体都与空气有一定量的混合,当温度在流体都与空气有一定量的混合,当温度在7070度以上,氧化度以上,氧化加速。因此高质量的流体一般含有抗氧化剂以减慢氧化。加速。因此高质量的流体一般含有抗氧化剂
21、以减慢氧化。n n3 3)当在高温工作时,流体重要的性质是润滑性、粘性、)当在高温工作时,流体重要的性质是润滑性、粘性、热稳定性、重量和体积模量。热稳定性、重量和体积模量。n n4 4)对于安排在高温源的液压系统,将使用耐火的流体。)对于安排在高温源的液压系统,将使用耐火的流体。流体流动的基本定律n n雷诺数雷诺数n n作用在流动流体上的力是由重力、浮力、流体惯性、作用在流动流体上的力是由重力、浮力、流体惯性、粘性、表面张力及其他类似的因素所产生。粘性、表面张力及其他类似的因素所产生。n n在多数的流动情况中,由流体惯性和粘性所引起的力在多数的流动情况中,由流体惯性和粘性所引起的力最重要,它基
22、本支配了流体的流动。最重要,它基本支配了流体的流动。n n惯性力与粘性力的无量纲之比称为惯性力与粘性力的无量纲之比称为雷诺数雷诺数。n n大的雷诺数表示由惯性力支配,而小的雷诺数是由粘大的雷诺数表示由惯性力支配,而小的雷诺数是由粘性所支配。性所支配。流体流动的基本定律n n雷诺数雷诺数R R由下式给出:由下式给出:n n其中:其中:流体质量密度流体质量密度n n 动力粘度动力粘度n n 流动的平均速度流动的平均速度n n 特征长度特征长度n n对于在管中的流动,特征长度是管子的内径。平均流对于在管中的流动,特征长度是管子的内径。平均流动速度是动速度是n n Q Q体积流量体积流量n n A A
23、管子截面积管子截面积n n D D管子内径管子内径流体流动的基本定律n n最终,在管子中流动的雷诺数由下式给出最终,在管子中流动的雷诺数由下式给出n n小结:雷诺数是一个表征流体的粘性特性的一个参数,小结:雷诺数是一个表征流体的粘性特性的一个参数,雷诺数越大,该流体的粘质性就越小,粘质性越小的雷诺数越大,该流体的粘质性就越小,粘质性越小的流体就越容易流动,没有粘质性流体就越容易流动,没有粘质性 的流的流体就是所谓的超流(它的雷诺数体就是所谓的超流(它的雷诺数 趋于趋于无穷大)。无穷大)。n n超流现象举例:当液氦(指超流现象举例:当液氦(指4He4He)的)的 温度降到温度降到2.17K2.1
24、7K时,液氦从原来的正时,液氦从原来的正 常流体突然转变为常流体突然转变为 “超流体超流体”。流体流动的基本定律n n层流和紊流层流和紊流n n由粘性力决定的流动称为由粘性力决定的流动称为层流层流。其特征是光滑、平行。其特征是光滑、平行的流体直线运动。的流体直线运动。n n当由惯性力支配时,流动称为当由惯性力支配时,流动称为紊流(或涡流),紊流(或涡流),其特其特征是不规则的类似漩涡的流体运动。征是不规则的类似漩涡的流体运动。n n雷诺数低于雷诺数低于20002000,流动总是层流;雷诺数大于,流动总是层流;雷诺数大于40004000,流动除特殊情况外一般是紊流。,流动除特殊情况外一般是紊流。
25、n n一般,如果管路横截面积比较小和(或)管道长度比一般,如果管路横截面积比较小和(或)管道长度比较长,则流动是层流,否则就产生紊流。较长,则流动是层流,否则就产生紊流。n n层流对温度是敏感的,因为它与粘性有关。层流对温度是敏感的,因为它与粘性有关。流体流动的基本定律n n层流层流是一种缓慢流动的流体,流体质点作有条不紊的是一种缓慢流动的流体,流体质点作有条不紊的平行的线状运动,彼此不相掺混。对于层流,在管中平行的线状运动,彼此不相掺混。对于层流,在管中速度分布为抛物线形。速度分布为抛物线形。n n紊流紊流是一种充满了漩涡的急湍流动的流体,流体质点是一种充满了漩涡的急湍流动的流体,流体质点的
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