液压系统物理学基础

gh2 gh1
实际液体伯努利方程
a1v12 2 a2v22 2
p1 ρ
+gh1+
p2
=
ρ
+gh2+
+ghW
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。
V=液流的平均流速 ΔPλ=λ
l
ρv2
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。
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）
m=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)
A
X
B
W=m· h g·
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。
液压冲击和气穴现象
●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，希望阀口前后的压力比P1 ：P2小于3.5。整个系统的管道应尽可能做到平直，避免急弯 和局部窄缝，密封要好，配置合理。
F1 A1 F2 A2 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）。
A5
100 bar
F5
A3
F3
A4 F4
力的倍增
F F = A A
1 1
2
F1
2
F2
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。
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。
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。
ρ=液体的密度 λ=沿程阻力系数，适用于层流和紊流。
d
2
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
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。
气蚀
所谓气蚀就是工件材料表面上最小颗粒的丢失。它发生在液压器件 （泵和阀）的控制边缘。
压力 (bar)
3 2
压力降 压力中断
相对 真空
1 0.7 0
-0.3 bar
狭窄部位的压力降
V3
V4
V3<V4
W=
1
m· 2 v
F p
2
m=流体的质量(kg)
v=速度 (m/s) 单位：焦耳J (Joule) V1
V2
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。
液压系统的物理学基础
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。
F P= A
p=液体的压力（Pa） F=力（N） A=面积（m2）
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。
校正因子b
ρv2 ΔPζ=ζ· 2
对于层流
Re b
25 30
50 15
100 7.5
250 3
500 1.5
1000 1500 2300 1.25 1.15 1.0
形状系数ζ
ρv2 ΔPζ=ζ·b · 2
ζ
0.5
1.3
0.5-1
2
1.2
5…15
液压传动的能量损失-总压力损失 ΣΔP =Σ ΔPλ ＋ Σ ΔPζ =Σλ l d ρv2 ρv2 ＋ζ 2 2
A1
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）。
V Q= t
Q=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： Q=进入液压缸的流量
Q v= A
A=液压缸活塞的有效作用面积
v=液压缸活塞的运动速度
W=Δp·V
Δp=摩擦造成的压力损耗(Pa) V=容量(m3) 单位：焦耳J (Joule)
p1
p2
Δp=p1-p2
功率
通常功率被定 义为每个单位 时间内所做的 功或能。
负载 B DF1 A A B b P P PS T DW5
机械功率 P=F· V
P=p· Q
DD1
a
液压功率 P=p· Q 机械功率 P=2πn·M
p
W=p·ΔV
弹性模数 Eoel
p=流体的压力(Pa)
单位：焦耳J (Joule)
ΔV=流体的容量(m3)
K=V0·
Δp
ΔV
(N/m2或N/cm2)
V0=输出容量
ΔV=容量的减少量
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。
输入功率与输出功率
70%/75%
负载
B DF1 A A a DD1 T P P PS T B b DW5
PA=2πnA· A M PA=F· V
25%/30% 液压功率损耗 输出功率PA
5% 油缸或 10% 马达
液压功率
P=p· Q
10% 阀 10% 泵
管道
PE=2πnE· E M
M
5% 电动机
EI 电功率 stung
液流连续性方程1Leabharlann 2Q= V· A=常量
A1
V1
A2
V2
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。
伯努利方程
V12/2
V22/2
理想液体伯努利方程
p1 ρ +gh1+ v12 2
p2/ρ
=
p2 ρ
+gh2+
v22 2
p1/ρ
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。
电机向泵提供 的输入功率
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
p
M
M
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。
真空度
绝对压力 绝对真空 100%真空
大气压=1.013bar 相对压力（表压力）
大气压 0%真空
帕斯卡原理
单位：工业中常用的单位为巴（bar）。
1bar=1×105 Pa(N/m2)= 0.1 MPa
1MPa= 1×106 Pa 1bar= 14.5 磅/英寸2
液体静力学的基本方程
p0
p0 h G
ΔA h
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。 hA h0 h A p p0
P1
A1 A2
P2
行程的倍增 F2 S1· 1= S2· 2 A A
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。