Hydraulic and Pneumatic - APS

五维生物

2015-12-01

APS, ME

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1. 概述

1.1 压力取决于负载，速度取决于流量

1.2 工作介质：液体

1.3 传递动力：压力能

1.4 液压系统组成Composition

能源Power：液压泵Hydraulic pump
执行Execute：液压缸hydraulic cylinder、液压马达hydraulic motor
控制调节Control：P、Q、Direction
辅助装置Auxiliary：油箱fuel tank、滤油器、油管

1.5 液压图像符号

1.6 液压传动的特点

优点

同功率下体积小、重量轻
工作平稳
调速方便、无级调速
易于自动化【控制调节装置】
过载保护比较好

缺点

无严格传动比【压缩泄露】
较多能量损失
受温度影响大
精度要求高
有故障难找

1.7 液压传动装置

动力元件dynamic
执行元件executing
控制元件control
辅助元件auxiliary

2. 液压油力学性质

2.1 特点

连续介质：连绵不断、物理量连续
只有压力、无拉力
易于流动、不抗剪力

2.2 受力

质量力：$mg$
惯性力：$m\ddot{y}$
表面力：

2.3 物理性质

2.3.1 惯性Inertance

$\rho=\frac{m}{V}$，[850-900]kg/m3

$T\uparrow\rho \quad bissl \downarrow\P\uparrow, \rho\quad bissl \uparrow$，几乎不变

2.3.2 粘性Stickness

定义：液体内部摩擦力,阻止相对滑动、抗拒变形

粘性指标

dynamic动力粘度$\mu$：单位速度梯度下，单位面积产生的摩擦力，$Pa\cdot s(N\cdot s/m^2)$
kinetic 粘度$v=\dfrac{\mu}{\rho}, m^2/s$

$St=cm^2/s, cSt=10^{-2}St=10^{-6}m$
相对粘度/恩式粘度$^\circ Et=\dfrac{t_1(200ml 液)}{t_2(200ml 水)}\quad ^\circ E_{20},^\circ E_{50}$

$v=(7.31^\circ E-\dfrac{6.31}{^\circ E})\times 10^{-6}$

2.3.3 可压缩性compressibility

定义：V体积增加$\Delta p$，体积小$\Delta V$

$\beta=-\dfrac{1}{\Delta p}\dfrac{\Delta V}{V}=\dfrac{1}{dp}\dfrac{d\rho}{\rho}\quad \dfrac{1}{Pa}$

体积弹性模量$E=\frac{1}{\beta}=-V\dfrac{\Delta p}{\Delta V},\quad [纯液压油680MPa]$

液压弹簧效应：液压传动装置产生低速爬行
加入气体：$k\downarrow\downarrow\rightarrow$平稳性、连续性$\downarrow$，噪声、振动

2.3.4 热膨胀性thermal expansion

定义：压力不变，单位温度变化，体积的变化率

$\alpha_t=\dfrac{1}{\Delta t}\dfrac{\Delta V}{V}=-\dfrac{1}{\rho}\dfrac{d\rho}{dT},\quad (K^{-1}/^\circ C^{-1})$

$[6.4\sim 7.2\times 10^{-4} K^{-1}]$

2.4 液压油的选择

主要考虑粘度，以泵确定

2.5 污染测定

称重法
颗粒计数
- 显微镜
- 自动颗粒计算

3. 力学

3.1 小孔

$V=C_v\sqrt{\dfrac{2\Delta p}{\rho}}$

$C_v=\dfrac{1}{\sqrt{\zeta+1}}$：速度系数

$q=A_ev_e=C_dA_0\sqrt{\dfrac{2\Delta p}{\rho}}$

$C_d =C_cC_v\流量系数=收缩系数\cdot速度系数$
$A_0$：小孔截面

3.2 流体力学

静力：$p=p_0+\rho g h$
连续性：$\rho_1q_1-\rho_2q_2=V\dfrac{d\rho}{dt}+\rho\dfrac{dV}{dt}$
能量方程
- 理想：$z_1+\dfrac{P_1}{\rho g}+\dfrac{u_1^2}{2g}=z_2+\dfrac{P_2}{\rho g}+\dfrac{u_2^2}{2g}$
- 实际：$z_1+\dfrac{P_1}{\rho g}+\dfrac{U_1^2}{2g}=z_2+\dfrac{P_2}{\rho g}+\dfrac{u_2^2}{2g}+h_w$
  - $h_w=(\alpha \frac{l}{d}+\zeta_{1}+\zeta_{2})\dfrac{v^2}{2g}$
动量

4. 泵、马达

4.1 概念

泵：机械能$\rightarrow$压力能，动力元件
马达：压力能$\rightarrow$旋转机械能，执行元件

密封的体积变化

4.2 泵

4.2.1 分类

齿轮泵gear pump：小Q，中低P（内/外啮合）
叶片泵vane pump：大Q，中低P（单/双作用）
柱塞泵plunger pump：Q范围大，高超高P（斜盘/斜轴）（轴向/径向）

4.2.2 泵性能performance

压力$\leftarrow$负载
- 额定压力$\rightarrow$寿命、效率
- 最大压力$\rightarrow$安全阀
流量$q_t=Vn,\quad L/min$

泄露$q=q_t\eta_v$
- 容积效率：$P\uparrow, \eta_v\downarrow\\eta_v=1-\dfrac{\Delta Q}{Q_0}$
转速$n$
- 额定$\rightarrow$自吸，X（空气、气蚀）
- 最高$\rightarrow$气蚀$\Rightarrow$噪声损坏
扭矩、功率

$M_0=\dfrac{PQ}{2\pi n}=\dfrac{pnV}{2\pi n}=\dfrac{pV}{2\pi}$

机械效率：$\eta_m=\dfrac{M_0}{M}$，压力损失+摩擦损失
效率

$\eta=\eta_m\eta_v=\dfrac{PQ}{MW}$，先机后容

4.3 马达

4.3.1 分类

常速
- 定量：叶齿柱
- 变量：叶齿柱
低速
- 单作用：柱塞
- 多作用：传力

4.3.2 马达性能

排量$V$：可变/不可变
转速$n=\dfrac{q\eta_v}{V}$
扭矩$T=\dfrac{\Delta pV}{2\pi}\eta_m$
效率

$\eta_v=\dfrac{q_t}{q}$，制动性能

$\eta_m=\dfrac{T}{T_t}$，起动性能

$\eta=\eta_v\eta_m$，先容后机