流体动力工程外文翻译资料

 2022-03-29 21:58:49

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流体动力工程

第1章 液压动力系统介绍

1.1引言

上帝创造了第一个也是最棒的液压系统。它包括一个双泵，在0.16bar的最大压力下提供约10L/min的流体流量。这个泵供应着超过10万公里的管网。这是地球周长的近两倍半。它连续运行很长时间，大部分免维护。它是人体血液循环系统。到50岁的时候，10个人的心脏应该抽出相当于伟大的埃及金字塔（2600000立方米）的血量。

至于人类开发的液压系统，他们的历史大概是在350年前开始的。1647年，布莱斯·帕斯卡尔发表了流体静力学的基本定律：“静止时的流体压力向四面八方传播”。1738年，伯努利出版了他的书《水动力学》，其中包括他的气体动力学分子理论，喷射推进原理以及能量守恒定律。到了十九世纪中叶，流体动力开始在工业和民用领域发挥重要作用。例如在英国，许多城市都有中央工业液压配送网络，由蒸汽机驱动的泵供应。

在普遍采用电力之前，水力发电是伦敦其他能源的重要竞争对手。伦敦液压动力公司为从肯尼迪和梅费尔的私人家庭的码头起重机和桥梁到升降机等各种设备提供液压动力。在20世纪30年代，在水力发电的辉煌时代，伦敦街道下方的平均水流量为12立方米/分钟，几乎可以升降任何需要上下移动的物体。作为动力源，液压动力装置价格便宜，高效，可通过300公里的地下铸铁管道轻松地传输。

然而，随着电力变得更便宜，电子设备越来越复杂，工业和民间公民开始放弃液压能源。

1925年，当Harry Vickers开发平衡叶片泵时，高压流体动力系统投入实际应用。今天，液力传动系统部分或全部占据了大部分工程领域。

1.2动力系统分类

动力系统用于传输和控制动力。该功能如图1.1所示。以下是动力系统的基本部分。

1.能量来源，提供旋转运动的机械动力。电动机和内燃机（ICE）是最常用的动力源。对于特殊应用，使用蒸汽轮机，燃气轮机或水轮机。

2.能量传输，转换和控制元件

3.负载需要旋转或直线运动的机械动力。

在工程应用中，存在不同类型的动力系统：机械，电气和流体。图1.2显示了动力系统的分类。

1.2.1机械动力系统

机械动力系统使用机械元件来传输和控制机械动力。小型车的传动系是机械动力系统的典型例子（见图1.3）。变速箱（3）通过离合器（2）连接到发动机（1）齿轮箱的输入轴以与发动机相同的速度转动。其输出轴（4）以不同的速度转动，具体取决于所选的齿轮传动比。动力通过万向节（5），传动轴（6）和差速器（7）传递到车轮（8）。

与其他动力系统相比，机械动力系统具有结构，维护，操作相对简单，成本较低等优点。但是，它们的功率-功率比最小，功率传输距离太有限，灵活性和可控性差。

图1.1动力系统的功能

图1.2动力系统的分类

图1.3汽车传动系

1.2.2电力系统

电力系统解决了电力传输距离和灵活性问题，提高了可控性。图1.4说明了电力系统的运行原理。这些系统具有诸如高灵活性和很长输电距离等优点，但它们主要产生旋转运动。通过使用适当的齿轮系统或通过使用适当的齿轮系统将旋转运动转换成直线运动可以获得高功率的直线运动。但是，保持负载位置需要特殊的制动系统。

图1.4动力系统中的电力传输

1.2.3气压传动系统

气动系统是使用压缩空气作为动力传输的工作介质的动力系统。他们的工作原理与电力系统相似。空气压缩机将原动机的机械能转换成压缩空气的压力能。这种转变有利于电力的传输和控制。压缩空气在使用之前需要经过处理。处理过程包括过滤，干燥和添加润滑油雾。压缩空气储存在储气罐中并通过刚性或柔性管线传输。气动动力由一组压力，流量和方向控制阀控制。然后，通过气缸和气马达转换成所需要的机械能。图1.5显示了气动系统中的动力传输过程。

图1.5气动动力系统中的动力传输

1.2.4液力传动系统

液力传动系统通过增加液压液体的能量来传递机械动力。液体传动有两种方式：液力传动和液压传动。

液力传动主要通过增加液体的动能来传输动力。通常，这些系统包括一个泵轮，一个涡轮和附加的控制元件。流体动力系统的应用仅限于旋转运动。这些系统取代了发电站和车辆中经典的机械传动装置，因为它们具有高功率比和更好的可控性。

有两种主要类型的液力传动系统：液力偶合器和变矩器。

液力耦合器（见图1.6）是一种基于流体的离合器。它由一个由输入轴（1）驱动的泵（2）和一个与输出轴（4）连接的涡轮（3）组成。当泵轮旋转时，油以高速流向涡轮。然后油会冲击涡轮叶片，在这里它会损失泵的大部分动能。机油在耦合器内部的闭合路径中循环并且动力从输入轴传递到输出轴。输入转矩实际上等于输出转矩。

变矩器是一个液压耦合器，带有一个额外的部件：定子，也称为导轮（5）（见图1.7）。定子由连接到外壳的一系列导向叶片组成。扭矩转换器用于需要控制输出扭矩并形成一个非单位传动比的传动比，以保持可接受的传动效率。

图1.6液压联轴器

图1.7液力变矩器。

1.2.5液压传动系统

在静液压动力系统中，主要通过增加液体的压力能量来传递动力。这些系统广泛用于工业，移动设备，飞机，船舶控制等。本文涉及通常称为静压传动即液压传动。图1.8显示了这些系统的工作原理。

图1.8液压动力系统中的动力传输

图1.9由叉车提升负载

液压能量，功率和功率转换的概念可以简单地解释如下：考虑在时间段Delta;t内将负载垂直提升y距离的叉车（见图1.9）。为了实现此功能，叉车通过垂直力F作用于载荷。如果摩擦可以忽略不计，那么在稳定状态下，该力等于移位部分的总重量（F=mg）。叉车完成的工作是

（1.1）

到时间结束时，Delta;t，提升体的势能增加E，其中

（1.2）

其中E=获得的势能，J；

F=垂直作用力，N；

g=重力系数，m/s2；

m=被举起的身体质量，kg；

W=功，J；

y=垂直位移，m。

这段能量（E）是在时间段Delta;t内获得的。每单位时间传送到被举起的身体的能量是传递的功率N，其中

（1.3）

其中，N=输送到负载的机械功率W；

v=提升速度，m/s。

负载由液压缸提升。油缸通过力F作用在被升降的物体上，并以速度v驱动它。图1.10显示了液压缸的作用。它是一个单作用油缸，通过压力延伸并通过体重缩回。压力油以流量Q（体积流量，m3/s）流向液压缸，压力为p。忽略油缸内的摩擦力，驱动活塞在延伸方向上的压力由F=pAp给出。

图1.10通过液压缸垂直吊起车身

在这段时间Delta;t内，活塞垂直运行一段距离y。在此期间进入油缸的油量为V=Apy。

然后，进入油缸的油流量是

（1.4）

假设一个理想的油缸，那么油缸的液压动力入口是

（1.5）

其中Ap=活塞面积，m2

p=进油压力，Pa

Q=流量，m3/s

V=活塞扫气量，m3

输送到负载的机械功率等于输送到油缸的液压功率。这种相等性是基于油缸内部零泄漏和零摩擦力的假设。对于正常情况，内部零泄漏的假设是实用的。然而，对于老化的密封件，可能存在不可忽略的内部泄漏。一部分入口流量泄漏并且速度v变得小于（Q/Ap）。而且，压力的一部分克服了摩擦力。因此，从液压缸输出的机械动力实际上小于输入液压动力（Fvlt;Qp）。

1.3基本液压动力系统

图1.11显示了一个简单液压系统的回路，用功能剖面图和标准液压符号绘制。该系统的功能总结如下：

1.原动机为系统提供所需的机械动力。泵将输入的机械动力转换为液压动力。

2.载能液体通过液压输送管道传输：管道和软管。液压系统由不同类型的阀控制。该回路包括三种不同类型的阀：压力控制阀，方向控制阀和流量控制阀（节流阀）。3.液压能通过液压缸转换为所需的机械能。液压动力系统一般提供旋转运动和直线运动。

图1.11液压系统回路，原理图和符号图

1.4液压系统的优点和缺点

液压动力系统的主要优点如下:

1.高功率重量比。

2.自我润滑。

3.液压系统中没有饱和现象，与电机中的饱和现象相比。电动机的最大转矩与电流成正比，但受到磁饱和的限制。

4.较高的力-质量比和扭矩-惯量比，这导致了高加速能力和液压马达的快速响应。

5.液压缸的高刚度，可在任何中间位置停止载荷。

6.防止过载的简单保护。

7.液压蓄能器储能的可能性。

8.与机械系统相比，传动的灵活性。

9.旋转和直线运动的可用性。

10.有关爆炸危险的安全。

液压动力系统有以下缺点：

1.与电气不同，液压动力不容易获得。因此需要水力发电机。

2.由于小间隙和高精度生产工艺的要求，生产成本高。

3.传输线高惯性，增加响应时间。

4.限制最高和最低工作温度。

5.使用矿物油时有火灾危险。

6.油过滤问题。

1.5比较电力系统

表1.1列出了不同电力系统的简要比较，表1.2列出了机械，电气和液压系统中的功率变量。

表1.1电力系统的比较

表1.2不同电源系统的功率，流量和功率变量

1.6练习

略

1.7命名法

Ap=活塞面积，m2；

E=获得的势能，J；

F=垂直作用力，N；

g=重力系数，m/s2；

m=被举起的身体质量，kg；

N=输送到负载的机械功率，W；

p=压力，Pa；

Q=流量，m3/s；

v=提升速度，m/s；

V=活塞扫气量，m3；

W=工作，J；

y=垂直位移，m。

第二章 液压油和理论背景

2.1简介

液压液用于液压系统以传输动力。动力传递主要通过增加流体的压力能量来进行。除了动力传输之外，液压液还可用于润滑接触表面，冷却不同的元件并清洁系统。水是用于输送流体动力的首选流体。水作为液压流体的主要优点是其可用性，低成本和耐火性。另一方面，水润滑性差，工作温度范围窄，并且具有低防锈性。这些缺点限制了它用于非常特殊的系统。

尽管矿物油在二十世纪初已经很容易得到，但直到20世纪20年代才开始用于液压系统。在20世纪40年代，添加剂首先用于改善液压矿物油的物理和化学性质。第一种添加剂的开发是为了防止生锈和氧化。然而，矿物油是高度易燃的，并且在高温下操作时火灾风险增加。这导致了开发主要以水为基础的耐火流体，并限制了运行条件。工作温度和压力极端的需要导致合成液体的开发。

本章致力于研究液压油的性能及其对系统性能的影响。它还探讨了研究本文主题所需的理论背景。

2.2液压油的基本性能

2.2.1粘度

定义和公式

粘度是流体固有的性质，并描述了对两个相邻流体层相对于彼此的层流运动的阻力。简而言之，粘度是流动的阻力。它来自分子之间的内聚力和相互作用。考虑两块无限板之间的流体（见图2.1）。下板是固定的，而上板以稳定的速度v运动。上板受到左侧的摩擦力，因为它正在努力将流体拖动到右侧。通道顶部的流体将承受相等且相反的力。类似地，由于流体试图将板沿着它向右拉，所以下板将受到右侧的摩擦力。流体受到由牛顿粘度定律给出的剪应力tau;。

（2.1）

动力粘度mu;是在流体中引起单位流速梯度所需的剪应力。在实际测量中，流体的粘度系数是从剪切应力与剪切速率的比值中获得的。

（2.2）

其中，tau;=剪切应力，N/m2；

du/dy=速度梯度，s-1

u=流体速度，m/s；

y=垂直于速度矢量的位移，m；

mu;=动力粘度，Ns/m2；

mu;通常是以泊（P）表示，其中1P=0.1Ns/m2。

图2.1两个近平行板之间流体的速度变化

对于牛顿流体，动力粘度系数mu;与du/dy无关。但它随温度和压力而变化。运动粘度nu;定义为动态粘度与密度之比。

（2.3）

其中nu;=运动粘度，m2/s；

rho;=油密度，kg/m3；

运动粘度nu;通常以斯托克斯（St）表示，其中St=10-4m2/s或厘泊（cSt），其中1cSt=10-6m2/s=1mm2/s。

根据测量方法，粘度单位可以以Redwood或Saybolt秒或Engler度数给出。这些单位不再使用，但可用转换表进行转换。

油的粘度受其温度影响，如图2.2所示。随着温度的升高而降低。因此，粘度在标准温度下（ISO规范为40°C）。称为VG32的

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