液压与气压技术讲义完整版

1、液压与气压技术课程简介 液压与气压技术是利用有压流体（压力油或压缩空气）为能源介质来实现各种机械的传动和自动控制，它在工业生产的各个领域均有广泛的应用；在机械类高等教育的课程中，它已成为一门重要的技术基础课。本课程主要教授液压与气压系统的基本元件的结构、工作原理、工作性能及其应用，还介绍了液压与气动的基本回路及其控制系统的设计方法。第一章 绪 论1.1 液压与气压传动的研究对象  液压与气压传动是研究利用有压流体(压力油或压缩空气)作为传动介质来实现各种机械的传动和自动控制的学科。液压传动与气压传动实现传动和控制的方法基本相同，它们都是利用各种元件组成需要的控制回路，再由若干回路组成

2、能够完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换与控制。       液压传动所采用的工作介质为液压油或其它合成液体，气压传动所采用的工作介质为压缩空气。1.2 液压与气压传动的工作原理 根据液压千斤顶的工作原理即可了解液压传动的工作原理。从图01可以看出，当向上提手柄使小缸活塞上移时，小液压缸因容积增大而产生真空，油液从油箱12通过阀4被吸入至小液压缸中，当按压手柄使小缸活塞下移时，则油液通过阀输入到大液压缸的下油腔，当油液压力升高到能够克服重物时，即可举起重物。彩图液压搬运车的工作原理即如前面所述。图01 液压千斤顶

3、原理图液压搬运车将上面液压千斤顶工作原理图（图01）简化成如下图形（图02），并对其进行公式推导：图02液压千斤顶简化模型图（1）力的传递关系 根据帕斯卡原理："在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到液体各点"，并根据图0-2的受力情况可推导出或式中A1和A2分别为图2中小活塞和大活塞的作用面积；F1为杠杆手柄作用在小活塞上的力；W为被举起的负载。由此建立了一个很重要的基本概念，即在液压和气压传动中，系统的工作压力取决于负载，而与流人的流体多少无关。 （2）运动的传递关系由图2可以看出，当不考虑液体得可压缩性、泄漏的等因素时，依据液体体积不变，可得出A1h1=

4、A2h2或式中，h1和h2分别为小活塞和大活塞的位移，将其两端分别除以活塞移动的时间t，则得即由此可见，活塞的运动速度与活塞的面积成反比。进一步推导可得q=Av及 q=A1v1=A2v2及 据此可得，活塞的运动速度取决于进入液压(气)缸(马达)的流量，而与流体压力大小无关。（3）功率关系当不计功率损失的情况下，假设输入功率等于输出功率，由图0-2可得F1v1=Wv2还可以推导出P=pA1v1=pA2v2=pq由以上分析可得，液压传动和气压传动是以流体的压力能来传递动力的。1.3 液压与气压传动系统的组成（1）液压传动系统的组成下图（图03）为一驱动机床工作台的液压传动系统，该系统的工作原理为：

5、在图示位置，液压泵3由电动机带动旋转后，从油箱1中吸油，油液经滤油器2进入液压泵3的吸油腔，并经液压泵3、节流阀4、换向阀5进入液压缸7左腔，液压缸7右腔的油液经换向阀5流回油箱，液压缸活塞在压力油的作用下驱动工作台右移。反之，通过换向阀5换向（阀心左移），压力油进入液压缸的右腔，液压缸7左腔的油液经换向阀5流回油箱，液压缸活塞在压力油的作用下驱动工作台左移。图03 机床工作台液压系统工作原理图1-油箱 2-过滤器 3-液压泵 4-节流阀 5-换向阀 7-液压缸 8-工作台（2）气压传动系统的组成下图为一气动系统的组成原理图，由空气压缩机经贮气罐，再经气动三联件进入气动控制回路，控制气缸活塞杆

6、左移和右移。图0-4 气动系统的组成原理图（3）液压与气压传动系统的组成由上面的例子可以看出，液压与气压传动：系统主要由以下几个部分组成：1)能源装置：把机械能转换成流体的压力能的装置,一般最常见的是液压泵或空气压缩机。 2)执行装置：把流体的压力能转换成机械能的装置，一般指作直线运动的液(气)压缸、作回转运动的液(气)压马达等。3)控制调节装置：对液(气)压系统中流体的压力、流量和流动方向进行控制和调节的装置。例如溢流阀、节流阀、换向阀等。这些元件的不同组合组成了能完成不同功能的液(气)压系统。4)辅助装置：指除以上三种以外的其它装置，如油箱、过滤器、分水滤气器、油雾器、能器等，它们对保证液

7、(气)压系统可靠和稳定地工作有重大作用。5)传动介质：系统中传递能量'的流体，即液压油或压缩空气。（4）液压与气压传动系统的图形符号上面的图为液压系统原理图，也可以将其用液压图形符号表示，如图0-3所示，详细的液压与气动元件图形符号在后面的课程中有详细介绍。1.4 液压与气压传动的优缺点 （1）液压传动的优点1）在同等的体积下，液压装置能比电气装置产生出更多的动力。在同等的功率下，液压装置的体积小，重量轻， 功率密度大，结构紧凑。液压马达的体积和重量只有同等功率电动机的12左右。2）液压装置工作比较平稳。由于重量轻、惯性小、反应快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁的换向。3）液压装

8、置能在大范围内实现无级调速（调速范围可达2000），它还可以在运行的过程中进行调速。 4）液压传动易于自动化，它对液体压力、流量或流动方向易于进行调节或控制。当将液压控制和电气控制、电子控制或气动控制结合起来使用时，整个传动装置能实现很复杂的顺序动作，也能方便地实现远程控制。5）液压装置易于实现过载保护。液压缸和液压马达都能长期在堵转状态下工作而不会过热，这是电气传动装置和机械传动装置无法办到的。6）由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造和使用都比较方便。7）用液压传动实现直线运动远比用机械传动简单。（2）液压传动的缺点1）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失（摩擦

9、损失、泄漏损失等），长距离传动时更是如此。2）液压传动对油温变化比较敏感，它的工作稳定性很易受到温度的影响，因此它不宜在很高或很低的温度条件下工作。3）为了减少泄漏，液压元件在制造精度上的要求较高，因此它的造价较贵，而且对工作介质的污染比较敏感。4）液压传动出现故障时不易找出原因。（3）气压传动的优点与液压传动相比，气压传动具有一些独特的优点：1）空气可以从大气中取得，同时，用过的空气可直接排放到大气中去，处理方便，万一空气管路有泄漏，除引起部分功率损失外，不致产生不利于工作的严重影响，也不会污染环境。 2）空气的粘度很小，在管道中的压力损失较小，因此压缩空气便于集中供应(空压站)和远距离输送

10、。3）因压缩空气的工作压力较低（一般为0.30.8MPa），因此，对气动元件的材料和制造精度上的要求较低。4）气动系统维护简单，管道不易堵塞，也不存在介质变质、补充、更换等问题。5）使用安全，没有防爆的问题，并且便于实现过载自动保护。（4）气压传动的优点气压传动与电气、液压传动相比有以下缺点： 1）气压传动装置。的信号传递速度限制在声速（约340ms）范围内，所以它的工作频率和响应速度远不如电子装置，并且信号要产生较大的失真和延滞，也不便于构成较复杂的回路，但这个缺点对工业生产过程不会造成困难。 2）空气的压缩性远大于液压油的压缩性，因此在动作的响应能力、工作速度的平稳性方面不如液压传动。3）

11、气压传动系统出力较小，且传动效率低。1.5 液压与气压传动的应用及发展（1）液压与气压传动技术的应用在工业生产的各个部门都应用液压与气压传动技术。例如，工程机械（挖掘机）、矿山机械、压力机械（压力机）和航空工业中采用液压传动，机床上的传动系统也采用液压传动；而在在电子工业、包装机械、印染机械、食品机械等方面应用较多的气压传动等。（2）液压与气动技术的发展液压技术正向高压、高速、大功率、高效、低噪声、高性能、高度集成化、模块化、智能化的方向发展。同时，新型液压元件和液压系统的计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助测试(CAT)、计算机直接控制(DDC)、计算机实时控制技术、机电一体化技术、计算机仿

12、真和优化设计技术、可靠性技术，以及污染控制技术等方面也是当前液压传动及控制技术发展和研究的方向；气压传动技术在科技飞速发展的当今世界发展将更加迅速。随着工业的发展，气动技术的应用领域已从汽车、采矿、钢铁、机械工业等行业迅速扩展到化工、轻工、食品、军事工业等各行各业。气动技术已发展成包含传动、控制与检测在内的自动化技术。由于工业自动化技术的发展，气动控制技术以提高系统可靠性，降低总成本为目标。研究和开发系统控制技术和机、电、液、气综合技术。显然，气动元件当前发展的特点和研究方向主要是节能化、小型化、轻量化、位置控制的高精度化，以及与电子学相结合的综合控制技术。第二章 液压传动基础流体传动包括液体

13、传动和气体传动，本章仅介绍液体传动的基本知识。为了分析液体的静力学、运动学和动力学规律，需了解液体的以下特性： 连续性假设：流体是一种连续介质，这样就可以把油液的运动参数看作是时间和空间的连续函数，并有可能利用解析数学来描述它的运动规律。不抗拉：由于油液分子与分子间的内聚力极小，几乎不能抵抗任何拉力而只能承受较大的压应力，不能抵抗剪切变形而只能对变形速度呈现阻力。易流性：不管作用的剪力怎样微小，油液总会发生连续的变形，这就是油液的易流性，它使得油液本身不能保持一定的形状，只能呈现所处容器的形状。均质性：其密度是均匀的，物理特性是相同的。2.1 液压传动工作介质液压传动最常用的工作介质是液压油，

14、此外，还有乳化型传动液和合成型传动液等，此处仅介绍几个常用的液压传动工作介质的性质。2.1.1 液压传动工作介质的性质 （1）密度单位体积液体的质量称为液体的密度。体积为，质量为的液体的密度为 矿物油型液压油的密度随温度的上升而有所减小，随压力的提高而稍有增加，但变动值很小，可以认为是常值。我国采用摄氏20度时的密度作为油液的标准密度。（2）可压缩性压力为0、体积为0的液体，如压力增大时，体积减小，则此液体的可压缩性可用体积压缩系数 ，即单位压力变化下的体积相对变化量来表示由于压力增大时液体的体积减小，因此上式右边须加一负号，以使成为正值。液体体积压缩系数的倒数，称为体积弹性模量，简称体积模量

15、。即= 。（3）粘性1）粘性的定义液体在外力作用下流动(或有流动趋势)时，分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产生的一种内摩擦力，这种现象叫做液体的粘性。液体只有在流动(或有流动趋势)时才会呈现出粘性，静止液体是不呈现粘性的。粘性使流动液体内部各处的速度不相等，以图1-2为例，若两平行平板间充满液体，下平板不动，而上平板以速度向右平动。由于液体的粘性作用，紧靠下平板和上平板的液体层速度分别为零和。通过实验测定得出，液体流动时相邻液层间的内摩擦力Ft，与液层接触面积、液层间的速度梯度成正比，即 式中：为比例常数，称为粘性系数或粘度。如以表示切应力，即单位面积上的内摩擦力，则 这就是牛顿的液体内摩擦

16、定律。2）粘性的度量(a)动力粘度：又称绝对粘度，单位为Pa·s(帕·秒)，以前沿用的单位为P(泊，dyne·s )，1Pa·s=10P=cP(厘泊)。 (b)运动粘度：液体的动力粘度与其密度的比值，称为液体的运动粘度；即 单位为。以前沿用的单位为St(斯)， = St cSt(厘斯)。液压传动工作介质的粘度等级是以40时运动粘度(以 计)的中心值来划分的，如某一种牌号L-HL22普通液压油在40 时运动粘度的中心值为22。液体的粘度随液体的压力和温度而变。对液压传动工作介质来说，压力增大时，粘度增大。在一般液压系统使用的压力范围内，增大的数值很小，可以

17、忽略不计。但液压传动工作介质的粘度对温度的变化十分敏感，温度升高，粘度下降。这个变化率的大小直接影响液压传动工作介质的使用，其重要性不亚于粘度本身。（4）其它性质液压传动工作介质还有其它些性质，如稳定性(热稳定性、氧化稳定性、水解稳定性、剪切稳定性等)、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、润滑性以及相容性(对所接触的金属、密封材料、涂料等作用程度)等，它们对工作介质的选择和使用有重要影响。这些性质需要在精炼的矿物油中加入各种添加剂来获得，其含义较为明显，不多作解释，可参阅有关资料。2.1.2 对液压传动工作介质的要求 不同的工作机械、不同的使用情况对液压传动工作介质的要求有很大的不同；为了很好地传递运

18、动和动力，液压传动工作介质应具备如下性能：1)合适的粘度，较好的粘温特性。 2)润滑性能好。3)质地纯净，杂质少。4)对金属和密封件有良好的相容性。5)对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性。6)抗泡沫好，抗乳化性好，腐蚀性小，防锈性好。7)体积膨胀系数小，比热容大。8)流动点和凝固点低，闪点(明火能使油面上油蒸气闪燃，但油本身不燃烧时的温度)和燃点高。9)对人体无害，成本低。对轧钢机、压铸机、挤压机和飞机等液压系统则须突出耐高温、热稳定、不腐蚀、无毒、 不挥发、防火等项要求。2.1.3 工作介质的分类和选择（1）分类液压系统工作介质的品种以其代号和后面的数字组成，代号为L是石油产品的总分类号

19、，H表示液压系统用的工作介质，数字表示该工作介质的粘度等级。（2）工作介质的选用原则选择液压系统的工作介质一般需考虑以下几点：1）液压系统的工作条件 2）液压系统的工作环境3）综合经济分析2.1.4 液压系统的污染控制工作介质的污染是液压系统发生故障的主要原因。它严重影响液压系统的可靠性及液压元件的寿命，因此工作介质的正确使用、管理以及污染控制，是提高液压系统的可靠性及延长液压元件使用寿命的重要手段。（1）污染的根源进入工作介质的固体污染物有四个根源：已被污染的新油、残留污染、侵入污染和内部生成污染。（2）污染的的危害液压系统的故障75以上是由工作介质污染物造成的。（3）污染的测定污染度测定方

20、法有测重法和颗粒计数法两种。（4）污染度的等级我国制定的国家标准GBT14039-93液压系统工作介质固体颗粒污染等级代号和目前仍被采用的美国NASl638油液污染度等级。（5）工作介质的污染控制工作介质污染的原因很复杂，工作介质自身又在不断产生污染物，因此要彻底解决工作介质的污染问题是很困难的。为了延长液压元件的寿命，保证液压系统可靠地工作，将工作介质的污染度控制在某一限度内是较为切实可行的办法. 为了减少工作介质的污染，应采取如下一些措施：1)对元件和系统进行清洗，才能正式运转。2)防止污染物从外界侵入。3)在液压系统合适部位设置合适的过滤器。4)控制工作介质的温度，工作介质温度过高会加速

21、其氧化变质，产生各种生成物，缩短它的使用期限。5)定期检查和更换工作介质，定期对液压系统的工作介质进行抽样检查，分析其污染度，如已不合要求，必须立即更换。更换新的工作介质前，必须对整个液压系统彻底清洗一遍。2.2 液体静力学液体静力学主要是讨论液体静止时的平衡规律以及这些规律的应用。"液体静止"指的是液体内部质点间没有相对运动，不呈现粘性而言，至于盛装液体的容器，不论它是静止的或是匀速、匀加速运动都没有关系。2.2.1 液体静压力及其特性作用在液体上的力有两种，即质量力和表面力。单位质量液体受到的质量力称为单位质量力，在数值上就等于加速度。表面力是由与流体相接触的其它物体(

22、如容器或其它液体)作用在液体上的力，这是外力；"液体静止"指的是液体内部质点间没有相对运动，不呈现粘性而言，至于盛装液体的容器，不论它是静止的或是匀速、匀加速运动都没有关系。也可以是一部分液体作用在另一部分液体上的力，这是内力。单位面积上作用的表面力称为应力，它有法向应力和切向应力之分。当液体静止时，液体质点间没有相对运动，不存在摩擦力，所以静止液体的表面力只有法向力。液体内某点处单位面积 上所受到的法向力之比，叫做压力 (静压力)，即 如果法向力F，均匀地作用于面积A上，则压力可表示为液体的静压力具有两个重要特性：1)液体静压力的方向总是作用面的内法线方向。2)静止液体内

23、任一点的液体静压力在各个方向上都相等。2.2.2 液体静压力基本方程（1）静压力基本方程式在重力作用下的静止液体，其受力情况如图1-4a所示图1-4 重力作用下的静止液体则点所受的压力为式中，g为重力加速度，此表达式即为液体静压力的基本方程，由此式可知：1)静止液体内任一点处的压力由两部分组成，一部分是液面上的压力，另一部分是与该点离液面深度 的乘积。2)同一容器中同一液体内的静压力随液体深度的增加而线性地增加。3)连通器内同一液体中深度相同的各点压力都相等。由压力相等的点组成的面称为等压面。 重力作用下静止液体中的等压面是一个水平面。（2）静压力基本方程式的物理意义图1-5为盛有液体的密闭容

24、器，液面压力为，选则一基本水平面ox，根据静压力基本方程式可以确定距液面深度处点的压力，即这是液体静压力基本方程式的另一种形式。其中表示A点的单位质量液体的位能；表示A点的单位质量液体的压力能。上述表达式说明了静止液体中单位质量液体的压力能和位能可以互相转换，但各点的总能量却保持不变，即能量守恒，这就是静压力基本方程式中包含的物理意义。2.2.3 压力的表示方法及单位（）压力的表示方法压力的表示方法有两种：一种是以绝对真空作为基准所表示的压力，称为绝对压力；另一种是以大气压力作为基准所表示的压力，称为相对压力。由于大多数测压仪表所测得的压力都是相对压力，故相对压力也称表压力。绝对压力与相对压力

25、的关系为：绝对压力=相对压力+大气压力绝对压力小于大气压时, 负相对压力数值部分叫做真空度。即真空度=大气压-绝对压力=-(绝对压力-大气压)由此可知，当以大气压为基准计算压力时，基准以上的正值是表压力，基准以下的负值就是真空度。绝对压力、相对压力和真空度的相互关系如图1-6所示。（）压力的单位: 法定压力(ISO)单位称为帕斯卡(帕)，符号为，工程上常用兆帕这个单位来表示压力，在工程上采用工程大气压，也采用水柱高或汞柱高度等，在液压技术中，目前还采用的压力单位有巴，符号为压力的单位及其它非法定计量单位的换算关系为：1at(工程大气压)(米水柱) (毫米汞柱) 2.2.4 帕斯卡原理在密闭容器

26、内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到各点。这就是静压传递原理或称帕斯卡原理。液压系统中的压力是由外界负载决定的。2.2.5 液体静压力对固体壁面的作用力静止液体和固体壁面相接触时，固体壁面上各点在某一方向上所受静压作用力的总和，便是液体在该方向上作用于固体壁面上的力。在液压传动计算中质量力可以忽略，静压力处处相等，所以可认为作用于固体壁面上的压力是均匀分布的。当固体壁面是曲面时，作用在曲面各点的液体静压力是不平行的，曲面上液压作用力在某一方向上的分力等于液体静压力和曲面在该方向的垂直面内投影面积的乘积。2.3 液体动力学本节主要讲授三个基本方程：流量连续性方程、伯努利方程和动量方程2.3

27、.1 基本概念（l）理想液体、定常流动和一维流动 理想液体：既无粘性又不可压缩的液体。定常流动：液体流动时，若液体中任何一点的压力、速度和密度都不随时间而变化，则这种流动就称为定常流动(恒定流动或非时变流动)。非定常流动：只要压力、速度和密度中有一个随时间而变化，液体就是作非定常流动(非恒定流动或时变流动)。一维流动：当液体整个地作线形流动时，称为一维流动，当作平面或空间流动时，称为二维或三维流动。（2）迹线、流线、流束和通流截面迹线：是流动液体的某一质点在某一时间间隔内在空间的运动轨迹。流线：是表示某一瞬时液流中各处质点运动状态的一条条曲线，在此瞬时，流线上各质点速度方向与该线相切。 在非定

28、常流动时，由于各点速度可能随时间变化，因此流线形状也可能随时间而变化。在定常流动时，流线不随时间而变化，这样流线就与迹线重合。由于流动液体中任一质点在其一瞬时只能有一个速度，所以流线之间不可能相交，也不可能突然转折，流线只能是一条光滑的曲线。流管：在液体的流动空间中任意画一不属流线的封闭曲线，沿经过此封闭曲线上的每一点作流线，由这些流线组合的表面称为流管。流束：流管内的流线群称为流束定常流动时。流管和流束形状不变。且流线不能穿越流管，故流管与真实管流相似，将流管断面无限缩小趋近于零，就获得了微小流管或微小流束。微小流束实质上与流线一致，可以认为运动的液体是由无数微小流束所组成的。通流截面：流束

29、中与所有流线正交的截面称为通流截面，截面上每点处的流动速度都垂直于这个面。平行流动：流线彼此平行的流动称为平行流动。缓变流动：流线夹角很小或流线曲率半径很大的流动称为缓变流动。平行流动和缓变流动都可算是一维流动。（3）流量和平均流速流量：单位时间内通过某通流截面的液体的体积称为流量。在法定计量单位制(或SI单位制)中流量的单位为(秒)，常用单位为Lmin(升分)或mLs(毫升秒)。对于微小流速，由于通流截面积很小，可似认为通流截面上各点的流速u是相等的，所以通过该截面积 的流量为，对此式进行积分，可得到整个通流截面面积A上的流量为在工程实际中，通流截面上的流速分布规律很难真正知道，故直接从上式

30、来求流量是困难的，为了便于计算，引入平均流速的概念，假想在通流截面上流速是均匀分布的，则流量等于平均流速乘以通流截面面积。令此流量与实际的不均匀流速通过的流量相等，即故平均流速流量也可以用流过其截面的液体质量来表示，即质量流量（4）流动液体的压力静止液体内任意点处的压力在各个方向上都是相等的，可是在流动液体内，由于惯性力和粘性力的影响，任意点处在各个方向上的压力并不相等，但数值相差甚微。当惯性力很小，且把液体当作理想液体时，流动液体内任意点处的压力在各个方向上的数值可以看作是相等的。2.3.2 连续性方程连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的一种表达形式，如果液体作定常流动，且不可压缩，那么任

31、取一流管(图1-11)，两端通流截面面积为和，在流管中取一微小流束，流束两端的截面积分别为和，在微小截面上各点的速度可以认为是相等的，且分别为和。根据质量守恒定律，在dt时间内流人此微小流束的质量应等于从此微小流束流出的质量，故有即 对整个流管，显然是微小流束的集合，由上式积分得即 如用平均速度表示，得由于两通流截面是任意取的，故有 上式称为不可压缩液体作定常流动时的连续性方程。它说明通过流管任一通流截面的流量相等。此外还说明当流量一定时，流速和通流截面面积成反比。2.3.3 伯努利方程 伯努利方程就是能量守恒定律在流动液体中的表现形式。要说明流动液体的能量问题，必须先讲述液流的受力平衡方程，

32、亦即它的运动微分方程。（l）理想液体的运动微分方程 这就是重力场中，理想液体沿流线作定常流动时的运动方程，即欧拉运动方程。它表示了单位质量液体的力平衡方程。（2）理想液体的伯努利方程将上式沿流线积分，便可得到理想液体微小流束的伯努利方程或对流线上任意两点且两边同除以g可得上式即为理想液体作定常流动的伯努利方程。上述两式表明理想液体作定常流动时，沿同一流线对运动微分方程的积分为常数，沿不同的流线积分则为另一常数。这就是能量守恒规律在流体力学中的体现；理想液体作定常流动时，液流中任意截面处液体的总比能(即单位重量液体的总能量)由比压能()、比位能(z)，与比动能()组成(均为长度量纲，因此从几何意

33、义上讲可分别称为压力水头、位置水头和速度水头)，三者之间可互相转化，但总和为一定值。如果流动是在同一水平面内，或者流场中坐标z的变化与其它流动参数相比可以忽略不计，则上式可写成该式表明，沿流线压力越低，速度越高。（3）实际液体流束的伯努利方程实际液体具有粘性，因此液体在流动时还需克服由于粘性所引起的摩擦阻力，这必然要消耗能量，设因粘性而消耗的能量为 ，则实际液体微小流束的伯努利方程为（4）实际液体总流的伯努利方程用平均流速代替管流截面积A1或A2上各点处不等的流速，且令单位时间内截面A处液流的实际动能和按平均流速计算出的动能之比为动能修正系数，即由上式可知>1，与液体流动状态即截面上流速

34、分布有关，流速分布越不均匀，值越大，流速分布较均匀时值接近于1(层流时，紊流时)。此外，对液体在管流中流动时因粘性摩擦而产生的能量损耗，也用平均能量损耗的概念来处理，即令则伯努利方程可以写成上式就是仅受重力作用的实际液体在管流中作平行(或缓变)流动截面上的伯努利方程。它的物理意义是单位质量液体的能量守恒。其中为单位质量液体从截面1流到截面2过程中的能量损耗。应用伯努利方程时，应注意下述各点。这是因为在推导伯努利方程过程中逐次加入了限制条件。1）和是指截面的同一点上的两个参数，至于1、2上的点倒不一定都要取在同一条流线上，但一般对管流而言，计算点都取在轴心线上。把这两个点都取在两截面的轴心处，不

35、过是为了方便。 2）液流是恒定流。如不是恒定流，要加入惯性项。3）两个计算通流截面应取在平行流动或缓变流动动处，但两截面之间的流动不受此限制。至于两截面间是什么流，是没有关系的，这最多影响能量损失的大小。4）液流仅受重力作用，亦即盛液的容器没有牵连加速度的情况。5）液体不可压缩，密度在运动中保持不变。6）流量沿程不变，即没有分流。7）适当地选取基准面，一般取液平面，这时一般等于a ，。8）截面上的压力应取同一种表示法，都取相对压力，或都取绝对压力。压力小于大气压时，则表压力为负值，但用真空度表示时要写正值。如绝对压力为0.03MPa，则表压力为-0.07MPa，真空度为0.07MPa。9）不要

36、忘记动能修正系数，层流时，紊流时。2.3.4 动量方程液体作用在固体壁面上的力，用动量定理来求解比较方便。动量定理指出：作用在物体上的力的大小等于物体在力作用方向上的动量的变化率，即根据上式进行推导（详细推导过程请参阅参考书）可得流动液体的动量方程。方程左边为作用于控制体积内液体上的所有外力的总和，而等式右边第一项表示液体流量变化所引起的力，称为瞬态力；第二、三项表示流出控制表面柑流人控制表面时的动量变化率，称为稳态力。如果控制体中的液体在所研究的方向上不受其它外力，只有液体与固体壁面的相互作用力，则该二力的作用力与反作用力大小相等，方向相反。液体作用在固体壁面的作用力分别称为瞬态液动力和稳态

37、液动力。定常流动时，故上式中只有稳态液动力，即上述公式均为矢量表达式，在应用时可根据问题的具体要求向指定方向投影，列出该指定方向的动量方程，从而可求出作用力在该方向上的分量，然后加以合成。动量修正系数，为液体流过某截面A的实际动量与以平均流速流过截面的动量之比，当液流流速较大且分布较均(紊流)时，液流流速较低且分布不均匀(层流)时， 第三章 液压动力元件 动力元件起着向系统提供动力源的作用，是系统不可缺少的核心元件。液压系统是以液压作为向系统提供一定的流量和压力的动力元件，液压泵将原动机输出的机械能转换为工作液体的压力能，是一种能量转换装置。3.1 液压泵概述3.1.1 泵的工作原理和分类（1

38、）液压泵的工作原理 泵是一种能量转换装置，把电动机的旋转机械能转换为液压能输出。液压泵都是依靠密封容积变化的原理来进行工作的，故一般称为容积式液压泵，图2l所示的是一单柱塞液压泵的工作原理图图中柱塞2装在缸体3中形成一个密封容积a，柱塞在弹簧4的作用下始终压紧在偏心轮1上。原动机驱动偏心轮1旋转使柱塞2作往复运动，使密封容积a的大小发生周期性的交替变化。当a由小变大时就形成部分真空，使油箱中油液在大气压作用下，经吸油管顶开单向阀6进入油腔a而实现吸油；反之，当a由大变小 时，a腔中吸满的油液将顶开单向阀5流入系统而实现压油。这样液压泵就将原动机输入的机械能转换成液体的压力能，原动机驱动偏心轮不

39、断旋转，液压泵就不断地吸油和压油。 非容积式泵主要是指离心泵，产生的压力一般不高。（2）液压泵的特点 1） 具有若干个密封且又可以周期性变化的空间。泵的输出流量与此空间的容积变化量和单位时间内的变化次数成正比，与其他因素无关。 2） 油箱内液体的绝对压力必须恒等于或大于大气压力。这是容积式液压泵能吸入油液的外部条件。因此为保证液压泵能正常吸油，油箱必须与大气相通，或采用密闭的充亚油箱。 3） 具有相应的配流机构。将吸液箱和排液箱隔开，保证液压泵有规律地连续吸排液体。吸油时，阀5关闭，6开启；压油时，阀5开启，6关闭。常用的容积式泵有：齿轮泵、叶片泵、柱塞泵（径向，轴向）、螺杆泵等。液

40、压泵的基础标准：压力分级：0-25（低） 25-80（中） 80-160（中高）160-320（高压） >320(超高压)流量分级：4 6 10 16 25 40 63 100 250 3.1.2 液压泵的主要性能参数（1）压力 1）工作压力液压泵实际工作时的输出压力称为工作压力。工作压力取决于外负载的大小和排油管路上的压力损失，而与液压泵的流量无关。 2）额定压力液压泵在正常工作条件下，按试验标准规定连续运转的最高压力称为液压泵的额定压力。 3）最高允许压力在超过额定压力的条件下，根据试验标准规定，允许液压泵短暂运行的最高压力植，称为液压泵的最高允许压力。（2）排量和流量 1）排量V液

41、压泵每转一周，由其密封容积几何尺寸变化计算而得的排出液体的体积叫液压泵的排量。排量可以调节的液压泵称为变量泵；排量不可以调节的液压泵则称为定量泵 2）理论流量理论流量是指在不考虑液压泵的泄漏流量的条件下，在单位时间内所排出的液体体积。如果液压泵的排量为V，其主轴转速为n，则该液压泵的理论流量qt为t=式中V为液压泵的排量（m3/r），n为主轴转速（r/s）3）实际流量t液压泵在某一具体工况下，单位时间内所排出的液体体积称为实际流量，它等于理论流量qt减去泄漏和压缩损失后的流量ql,即q=qt一ql4）额定流量qn 在正常工作条件下，该试验标准规定（如在额定压力和额定转速下）必须保证的流量。3.

42、1.3 功率和效率（1）液压泵的功率损失 液压泵的功率损失有容积损失和机械损失两部分： l）容积损失 容积损失是指液压泵在流量上的损失，液压泵的实际输出流量总是小于其理论流量，其主要原因是由于液压泵内部高压腔的泄漏、油液的压缩以及在吸油过程中由于吸油阻力太大、油液粘度大以及液压泵的转速高等原因而导致油液不能全部充满密封工作腔。液压泵的容积损失用容积效率来表示，它等于液压泵的实际输出流量q与其理论流量qt之比，即液压泵的实际输出流量q为：2）机械损失 机械损失是指液压泵在转矩上的损失。它大等于液压泵的理论转矩Tt与实际输入转矩T之比，设转矩损失为Tl，则液压泵的机械效率为（2）液压泵的功率1）

43、输入功率输入功率指作用在液压泵主轴上的机械功率，当输入转矩为Ti，角速度为时：=Ti2） 输出功率P 输出功率指液压泵在工作过程中的实际吸、压油口间的压差p和输出流量q的乘积，即：P=pq3）液压泵的总效率 液压泵的总效率是实际输出功率与其输入功率的比值，即还可以写成： 3.2 齿轮泵 齿轮泵是液压系统中广泛采用的一种液压泵，一般做成定量泵，可分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵，其中以外啮合齿轮泵应用最广。 3.2.1 外啮合齿轮泵的工作原理 图图上图为外啮合齿轮泵的工作原理图，它由装在壳体内的一对齿轮所组成，齿轮两侧有端盖（图中未示出），壳体、端盖和齿轮的各个齿间槽组成了许多密封工作腔。当齿轮按

44、图示方向旋转时，右侧吸油腔由于相互啮合的轮齿逐渐脱开，密封工作容积逐渐增大，形成部分真空，因此油箱中的油液在外界大气压力的作用下，经吸油管进入吸油腔，将齿间槽充满，并随着齿轮旋转，把油液带到左侧压油腔内。在压油区一侧，由于轮齿在这里逐渐进入啮合，密封工作腔容积不断减小，油液便被挤出去，从压油腔输送到压力管路中去。在齿轮泵的工作过程中，只要两齿轮的旋转方向不变，其吸、排油腔的位置也就确定不变。这里啮合点处的齿面接触线一直分隔高、低压两腔起着配油作用，因此在齿轮泵中不需要设置专门的配流机构，这是它和其它类型容积式液压泵的不同之处。3.2.2 外啮合齿轮泵的流量与排量计算齿轮泵的排量可以近似地等于其

45、中一个齿轮的所有轮齿体积与齿间槽容积之和。即以齿顶圆为外圆、直径为(z-2)m的圆为内圆的圆环为底，以齿宽为高所形成的环形筒的体积，当齿轮的模数为m,齿宽为B, 齿数为z时的排量为实际上齿间槽的容积比轮齿的体积稍大，故通常取V= 当驱动齿轮泵的原动机转速为n时，外啮合齿轮泵的理论流量和实际流量分别为3.2.3 外啮合齿轮泵的结构特点（1） 困油齿轮泵要平稳工作，齿轮啮合的重叠系数必须大于1，也就是要求在一对齿轮即将脱开啮合前，后面的一对齿轮就要开始啮合。就在两对轮齿同时啮合的这一小段时间内，留在齿间的油液困在两对轮齿和前后泵盖所形成的一个密闭空间中，如图2-4a所示，当齿轮继续旋转时，这个空间

46、的容积就逐渐减小，直到两个啮合点A,B处于节点两侧的对称位置时，如图2-4b所示，这时封闭容积减至最小。由于油液的可压缩性很小，当封闭空间的容积减少时，被困的油受挤压，压力急剧上升，油液从零件结合面的缝隙中强行挤出，使齿轮和轴承受到很大的径向力；当齿轮继续旋转，这个封闭容积又逐渐增大到如图2-4c所示的最大位置，容积增大时又会造成局部真空，使油液中溶解的气体分离，产生空穴现象，这些都将使齿轮泵产生强烈的噪声。这就是困油现象。 解决方法：在齿轮泵的两侧端盖上开卸荷槽 （2）径向不平衡力在齿轮泵中，作用在齿轮外圆上的压力是不相等的，在压油腔和吸油腔处齿轮外圆和齿廓表面承受着工作压力和吸油腔压力，在

47、齿轮和壳体内孔的径向间隙中，可以认为压力由压油腔压力逐渐分级下降至吸油腔压力，这些液体压力综合作用的结果，相当于给齿轮一个径向的作用力（即不平衡力），使齿轮和轴承受载，这就是径向不平衡力，工作压力越大，径向不平衡力也越大，甚至可以使轴发生弯曲，使齿顶和壳体发生接触，同时加速轴承的磨损，降低轴承的寿命。解决方法：缩小压油口（3）泄漏有三个可能泄漏的部位：齿轮端面和端盖间；齿轮外圆和壳体内孔间；两个齿轮的齿轮啮合处。其中齿轮端面和端盖间的轴向间隙泄漏占总泄漏量的75%-80%。3.2.4 提高压力措施要提高齿轮泵的压力，必须减少端面的泄漏，一般采用齿轮端面间隙自动补偿的办法。图示采用浮动轴套，增大

48、轴、轴承的刚度。3.3 叶片泵 叶片泵的结构较齿轮泵复杂，但其工作压力较高，且流量脉动小，工作平稳，噪声较小，寿命较长，所以被广泛应用于专业机床、自动线等中低压液压系统中。叶片泵分单作用叶片泵（变量泵，最大工作压力为7.0Mpa）和双作用叶片泵(定量泵，最大工作压力为7.0Mpa)。3.3.1 单作用叶片泵（1）结构和原理定子具有圆柱形内表面，定子和转子间有偏心距e，叶片装在转子槽中，并可在槽内动，当转子回转时，由于离心力的作用，使叶片紧靠在定子内壁，这样在定子、转子、叶片和两侧配油盘间就形成若干个密封的工作区间，当转子按图示的方向回转时，在图的右部，叶片逐渐伸出，叶片间的工作空间逐渐增大，从

49、吸油口吸油，这就是吸油腔。在图的左部，叶片被定子内壁逐渐压进槽内，工作空间逐渐减小，将油液从压油口压出，这就是压油腔。在吸油腔和压油腔间有一段封油区，把吸油腔和压油腔隔开，叶片泵转子每转一周，每个工作空间完成一次吸油和压油，故称单作用叶片泵。（2）排量和流量的计算式中，R为定子的内半径，e为定子和转子间的偏心距，B为定子宽度，为相邻两叶片间的夹角，=2/z，z为叶片的个数。所以单作用叶片泵排量为 当叶片泵的转速为n,泵的容积效率为v时，理论流量和实际流量分别为qt=Vn=4ReBnq= qtv=4ReBnv（3）结构特点1) 叶片后倾2) 转子上受有不平衡径向力，压力增大，不平衡力增

50、大，不宜用于高压3) 均为变量泵结构单作用叶片泵的流量是有脉动的，理论分析表明，泵内叶片数越多，流量脉动率越小，奇数叶片泵的脉动率比偶数叶片泵的脉动率小，所以单作用的叶片数均为奇数，一般为13或15片。3.3.2 双作用叶片泵（1）结构和原理双作用叶片泵的工作原理如图211所示，它是由定子1、转子2、叶片3和配油盘（图中未画出）等组成。转子和定子中心重合，定子内表面近似为椭圆柱形，该椭圆形由两段长半径圆弧、两段短半径圆弧和四段过渡曲线所组成。当转子转动时，叶片在离心力和（建压后）根部压力油的作用下，在转子槽内向外移动而压向定子内表面，由叶片、定子的内表面、转子的外表面和两侧配油盘间就形成若干个

51、密封空间，当转子按图示方向顺时针旋转时，处在小圆弧上的密封空间经过渡曲线而运动到大圆弧的过程中，叶片外伸，密封空间的容积增大，要吸入油液；再从大圆弧经过渡曲线运动到小圆弧的过程中，叶片被定于内壁逐渐压过槽内，密封空间容积变小，将油液从压油口压出。因而，转子每转一周，每个工作空间要完成两次吸油和压油，称之为双作用叶片泵。这种叶片泵由于有两个吸油腔和两个压油腔，并且各自的中心夹角是对称的，作用在转子上的油液压力相互平衡因此双作用叶片泵又称为卸荷式叶片泵，为了要使径向力完全平衡，密封空间数（即叶片数）应当是双数。 （2） 排量和流量由于转子在转一周的过程中，每个密封空间完成两次吸油和压油，当定子的大

52、圆弧半径为R，小圆弧半径为r，定子宽度为B，两叶片间的夹角为弧度=2/z时，每个密封容积排出的油液体积为半径为R和r、扇形角为、厚度为B的两扇形体积之差的两倍，在不考虑叶片的厚度和倾角影响时双作用叶片泵的排量为转速为n,容积效率为v时，双作用叶片泵的理论流量和实际流量分别为q= qtv双作用叶片泵的叶片数为12或16片。（3）结构特点 1） 叶片倾角。沿旋转方向前倾10-14度，以减小压力角。 2） 叶片底部通以压力油，防止压油区叶片内滑。 3） 转子上的径向负荷平衡-称卸荷式。 4） 防止压力跳变，配油盘上开有三角槽（眉毛槽），同时避免困油。 5）双作用泵不能改变排量，只作定量泵用。3.3.

53、3 限压式变量叶片泵（1）结构和工作原理限压式变量叶片泵是单作用叶片泵。根据前面介绍的单作用叶片泵的工作原理，改变定子和转子间的偏心距e，就能改变泵的输出流量，限压式变量叶片泵能借助输出压力大小自动改变偏心距e的大小来改变输出流量。当压力低于某一可调节的限定压力时，泵的输出流量最大；当压力高于限定压力时，随着压力的增加，泵的输出流量线性地减少，其工作原理如图2-19所示。图中，1为转子，在转子槽中装有叶片，2为定子，3为配油盘上的吸油窗口，8为压油窗口，9为调压弹簧，10为调压螺钉，4为柱塞，5为调节流量螺钉。泵的出口经通道7与柱塞缸6相通。在泵未运转时，定子在弹簧9的作用下，紧靠柱塞4，并使

54、柱塞4靠在螺钉5上。这时，定子和转子有一偏心量e0。调节螺钉5的位置，便可改变e0。当泵的出口压力p较低时，则作用在柱塞4上的液压力也较小，若此液压力小于上端的弹簧作用力，当柱塞的面积为A，调压弹簧的刚度为ks,预压缩量为x0时，有：pA<ksx0此时，定子相对于转子的偏心量最大，输出流量最大。随着外负载的增大，液压泵的出口压力p也将随之提高，当压力升至与弹簧力相平衡的控制压力pB时，有pBA = ks x0当压力进一步升高，就有pAks x0，这时若不考虑定子移动时的摩擦力，液压作用力就要克服弹簧力推动定子向上移动，随之泵的偏心量减小，泵的输出流量也减小。 pB称为泵的限定压力，即泵处

55、于最大流量时所能达到的最高限定压力，调节调压螺钉10，可改变弹簧的预压缩量 x0，即可改变pB的大小。设定子的最大偏心量为e0，偏心量减小时，弹簧的附加压缩量为x，则定子移动后的偏心量e为e= e0-x。定子的受力平衡方程式为pA= ks( x0+x)可以看出，泵的工作压力愈高，偏心量愈小，泵的输出流量也愈小。（3）特性曲线图2-20为限压式变量叶片泵的特性曲线。AB段：工作压力p< pB ,输出流量qA不变，但供油压力增大，泄漏流量ql也增加，故实际流量q减少C段：工作压力p> pB ,弹簧压缩量增大，偏心量减少，泵的输出流量减少。当定子的偏心量e=0,则pc = pmax ,此时的压力为截止压力。调节弹簧的刚度ks，可改变BC段的斜率。3.4 柱塞泵3.4.1 径向柱塞泵径向柱塞泵是将柱塞径向排列在缸体内，缸体由原动机带动连同柱塞一起转动，周期性改变密闭容积的大小，达到吸、排油的目的。3.4.2 轴向柱塞泵（1）结构和原理轴向柱塞泵是将多个柱塞轴向配置在一个共同缸体的圆周上，并使柱塞中心线和缸体中心线平行的一种泵，轴向柱塞泵有两种形式，直轴式（斜盘式）和斜轴式（摆缸式），如图222a所示的为直轴式轴向柱塞泵的工作原理，这种泵主要由缸体1、配油盘2、柱塞3和斜盘4组成。柱塞沿圆周均匀分布在缸体内。斜盘与缸体轴线倾斜一角度，柱塞靠机