液压与气压传动

1、总目录第一章 绪论第二章 流体力学基础(jch)第三章 液压动力元件 第四章 液压执行元件第五章 液压控制元件第六章 液压辅助元件第七章 液压基本回路第八章 典型液压传动系统第九章 液压伺服和电液比例控制技术第十章 液压系统的设计与计算共一百五十九页第一章 绪 论 一.液压与气压传动的研究对象 二.液压与气压传动的工作原理(yunl) 三.液压与气压传动系统的组成 四.液压与气压传动的优缺点 五.液压与气压传动的应用及发展 共一百五十九页 一.液压与气压传动的研究(ynji)对象 液压与气压传动是研究以有压流体（ 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的学科。液压与气

2、压传动实现传动 和控制的方法是基本相同的，它们都是利用各种元件组成所需要的各种控 制回路，再由若干回路有机组合成能完成一定控制功能的传动系统来进行 能量的传递、转换与控制。 液压传动所用的工作介质为液压油或其它合成液体，气压传动所用的 工作介质为空气，由于这两种流体的性质不同，所以液压传动和气压传动 又各有其特点。液压传动传递动力大，运动平稳，但由于液体粘性大，在 流动过程中阻力损失大，因而不宜作远距离传动和控制；而气压传动由于 空气的可压缩性大，且工作压力低（ 通常在 1.0MPa以下 ），所以传递动 力不大，运动也不如(br)液压传动平稳，但空气粘性小，传递过程中阻力小、 速度快、反应灵敏

3、，因而气压传动能用于远距离的传动和控制。 共一百五十九页二.液压与气压(qy)传动的工作原理 液压与气压传动的基本工 作原理是相似的，现以图 01 所示的液压千斤顶来简述液压 传动的工作原理。由图 01 a 可知，大缸体 9和大活塞 8组 成举升液压缸 。杠杆手柄 1 、 小缸体 2 、小活塞 3 、单向阀 4 和 7 组成手动液压泵。如提 起手柄使小活塞向上移动，小 活塞下端油腔容积增大(zn d)，形成 局部真空，这时单向阀 4 打开 通过吸油管 5从油箱 12中吸油； 用力压下手柄 ，小活塞下移 ， 小活塞下腔压力升高，单向阀4 关闭，单向阀7打开，下腔的油 液经管道6输入大缸体9的下腔

4、， 迫使大活塞 8向上移动，顶起重 物。再次提起手柄吸油时，举升缸下腔的压力油将力图倒流入手动泵内，但此时单向阀 7 自动关闭，使油液不 能倒流，从而 保证了重物不会自行下落 。不断地往复扳动手柄 ，就能不断地把 油液压入举升缸下腔，使重物 逐渐地升起。如果打开截止阀 11，举升缸下腔的油液通过管道 10 、阀 11流回油箱，大活塞在重物和自重作用 下向下移动，回到原始位置。共一百五十九页1.力比例(bl)关系 图01b为液压千斤顶的简化模型，据此可分析两活塞(husi)之间的力比例关系、 运动关系和功率关系。 当大活塞上有重物负载 W 时， 大活塞下腔的油液就将产生一定的 压力 p ，p =

5、 W/A2 。根据帕斯卡原 理“在密闭容腔内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到液压各点”。 因而要顶起大活塞及其重物负载W，在小活塞下腔就必须要产生一个等值的 压力p，也就是说小活塞上必须施加力F1,F1=pA1,因而有 p F1/A1=W/A2 或 W/F1=A2/A1 （01） 由 式（01）可知，当负载 W 增大时，流体工作压力p也要随之增大， 亦即 F1 要随之增大；反之，若负载W很小，流体压力就很低，F1 也就很小。 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工作压力取决于 负载，而与流入的流体多少无关。共一百五十九页2.运动(yndng)关系 如果不考虑液体的可压缩

6、性、漏损和缸体、油管的变形，从图01b可以看出，被小活塞压出的油液的体积必然等于大活塞向上升起后大缸扩大的体积。即 A1h1=A2h2 或 h2/h1=A1/A2 （02）从式（02）可知，两活塞的位移和两活塞的面积成反比，将A1h1 A2h2 两端同除以活塞移动的时间t得 A1h1/t=A2h2/t 即 v2/v1=A1/A2 （03） 式中v1 、 v2分别(fnbi)为小活塞和大活塞的运动速度。共一百五十九页 从式（03）可以看出，活塞的运动速度和活塞的作用面积成反比。Ah/t的物理意义是单位时间内液体流过截面积为A的某一截面的体积，称为流量q，即 q = Av因此(ync)， A1v1

7、=A2v2 （04） 如果已知进入缸体的流量q，则活塞的运动速度为 v=q/A （05） 调节进入缸体的流量 q，即可调节活塞的运动速度v，这就是液压与气压传动能实现无级调速的基本原理。从式（ 05 ）可得到另一个重要的基本概念。即活塞的运动速度取决于进入液压（气压）缸（马达）的流量，而与流体压力大小无关。共一百五十九页3.功率(gngl)关系 由式（01）和式（03）可得 F1v1= Wv2 （06） 式（06）左端为输入功率，右端为输出功率，这说明在不计损失的情况(qngkung)下输入功率等于输出功率，由式（06）还可得出 P=pA1v1=pA2v2=pq （07）由式（07）可以看出，

8、液压与气压传动中的功率P可以用压力p和流量q的乘积来表示，压力p和流量q式流体传动中最基本、最重要的两个参数，它们相当于机械传动中的力和速度，它们的乘积即为功率。 从以上分析可知，液压传动和气压传动是以流体的压力能来传递动力的。共一百五十九页三.液压与气压(qy)传动系统的组成 左图（ 动画 ）所示为机床工作台液压系统的工作原理图 （ 慢速左移 ）。 活塞的移动速度 由节流阀 来调节。节流阀口开大 ，进入液压缸的油液增多，活塞的移动速度增大 ；节流阀口关小时，进入液压缸的油液减小 ，活塞的移动速度减小 。液压泵输出的多余油液需经溢流阀和回油管排回油箱 ，这只有在压力支管中的油液压力对 溢流阀钢

9、球的作用力等于或略大于溢流阀中弹簧的预紧力时 ，油液才能顶开溢流阀中的钢球流回油箱。 为克服活塞所受到的各种阻力 ，液压缸必须产生一个足够大的推力 ，这个(zh ge)推力是由液压缸中的油液压力产生的 。要克服的阻力越大 ，液压缸中的油液压力越高；反之压力就越低。共一百五十九页 右图所示 为一可完成某 程序动作的气 压系统的组成 原理图，其中 的控制装置是 由若干气动元 件组成的气动 逻辑回路。它 可以根据气缸 活塞杆的始末 位置，由行程开关等传递信号(xnho)，再作出下一步的动作，从而实 现规定的自动工作循环。共一百五十九页 由上面的例子可以看出，液压与气压传动系统主要由以下(yxi)几个

10、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，一般指液（气） 压缸或液（气）压马达。 （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。如溢流阀、节流阀、换向阀等。 （4）辅助装置 指除以上三种以外的装置，如油箱、过滤器、分水滤气 器、油雾器、蓄能器等，它们对保证液（ 气 ）压系统可靠和稳定地工作 有重大作用。 （5）传动介质 传递能量的流体，即液压油或压缩空气。 共一百五十九页四.液压与气压(qy)传动的优缺点液 压 与 气 压 传 动 的 优 点液

11、压与气压传动元件的布置不受严格的空间位置限制，系统中各部分用管道连接，布局安装有很大的灵活性，能构成用其他方法难以组成的复杂系统。在同等体积下，液压装置能产生出更大的动力，也就是说，在同等功率下，液压装置的体积小、重量轻、结构紧凑，即：它具有大的功率密度或力密度，力密度在这里指工作压力。 液压装置容易做到对速度的无级调节，而且调速范围大，可以达到2000：1，对速度的调节还可以在工作过程中进行。 液压传动和液气联动传递运动均匀平稳，换向冲击小，易于实现快速启动、制动和频繁换向。 液压装置易于实现过载保护，能实现自润滑，使用寿命长。 液压装置易于实现自动化，可以很方便地对液体的流动方向、压力和流

12、量进行调节和控制，并能很容易地和电气、电子控制或气压传动控制结合起来，实现复杂的运动和操作。 液压与启动元件属于机械工业基础件，系列化、标准化和通用化程度较高，有利于缩短机器的设计、制造周期和降低制造成本。 共一百五十九页 气 压 传 动 的 优 点气压传动系统的介质是空气，它取之不尽用之不竭，成本较低，用后的空气可以排到大气中去，不会污染环境。气压传动的工作介质粘度很小，所以流动阻力很小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送，便于使用。 气压传动工作环境适应性好。可以根据不同场合，采用相应材料，使元件能够在恶劣的环境（强振动、强冲击、强腐蚀和强辐射等）下进行正常工作。气压传动有较好的自保持能

13、力。即使气源停止工作，或气阀关闭，气压传动系统仍可维持一个稳定压力。气压传动在一定的超负载工况下运行也能保证系统安全工作，并不易发生过热现象。无油的气动控制系统特别适用于无线电元器件的生产过程，也适用于食品及医药的生产过程。共一百五十九页液 压 与 气 压 传 动 的 缺 点在传动过程中，能量需经两次转换，传动效率偏低。由于传动介质的可压缩性和泄露等因素的影响，不能严格保证定比传动。液压与气动元件制造精度高，系统工作过程中发生故障不易诊断。液压传动性能对温度比较敏感，不能在高温下工作，采用石油基液压油作传动介质时，还需注意防火问题。共一百五十九页 气 压 传 动 的 缺 点气压传动系统的工作压

14、力低，因此气压传动装置的推力一般不宜大于1040kN，仅适用于小功率场合，在相同输出力的情况下，气压传动装置比液压传动装置尺寸大。 由于空气的可压缩性大，气压传动系统的速度稳定性差，位置和速度控制精度不高。 气压传动系统的噪声大。 气压传动工作介质本身没有润滑性。 气压传动装置的信号传递速度限制在声速（约340m/s）范围内，所以它的工作频率和响应速度不如电子装置，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。共一百五十九页五.液压与气压传动的应用(yngyng)及发展一般工业用液压系统塑料加工机械（注塑机）、压力机械（锻压机）、重型机械（废钢

15、压块机）、机床（全自动转塔车床、平面磨床）等。 例图行走机械用液压系统工程机械（挖掘机）、起重机械（汽车吊）、建筑机械（打桩机）、农业机械（联合收割机）、汽车（转向器、减振器）等。 例图钢铁工业用液压系统冶金机械（轧钢机）、提升装置（电极升降机）、轧辊调整装置等。 土木工程用液压系统防洪闸门及堤坝装置（浪潮防护挡板）、河床升降装置、桥梁操纵机构和矿山机械（凿岩机）等。 例图发电厂用液压系统涡轮机（调速装置）、核发电厂等。特殊技术用液压系统巨型天线控制装置、测量浮标、飞行器仿真台、升降旋转舞台等。 例图船舶用液压系统甲板起重机械（绞车）、船头门、舱壁阀、船尾推进器等。 例图军事工业用液压系统火炮

16、操纵装置、舰船减摇装置、飞机起落架的收放装置及方向舵控制装置等。 共一百五十九页注 塑 机 械机 床 （全 自 动 六 角 车 床） 共一百五十九页桥 梁 检 修 机 械 共一百五十九页防 洪 闸 门 及 堤 坝 装 置 共一百五十九页巨 型 天 线 共一百五十九页甲 板 起 重 机 械 共一百五十九页 目前，液压与气压传动分别在实现高压、高速、 大功率、高效率、低噪声、长寿命、高度(god)集成化、小 型化与轻量化、一体化、执行件柔性化等方面取得了 很大的进展 。同时，由于它与微电子技术密切配合，能在尽可能小的空间内传递出尽可能大的功率并加以 准确地控制，从而更使得它在各行各业中发挥出了巨

17、大作用。 共一百五十九页第二章 流体力学(li t l xu)基础第一节 液压传动的工作介质(jizh)第二节 液体静力学 第三节 液体动力学 第四节 定常管流的压力损失计算 第五节 孔口和缝隙流量 第六节 空穴现象和液压冲击 共一百五十九页第一节 液压传动(chundng)的工作介质 液压传动最常用(chn yn)的工作介质是液压油，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(chn yn)的液压传动工作介质的性质。一、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 mV 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

18、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,以表示常用液压油和传统的密度如下： 以液体的静压能传递动力的液体传动是以油液作为工作介质的，为此必须了解油液的种类物理性质，研究油液的静力学运动学和动力学规律，本章主要介绍这方面的内容。共一百五十九页常用(chn yn)工作介质的密度种类 20种类20石油基液压油 850900增粘高水基液1003水包油乳化 998水乙二醇液1060油包水乳化液 932磷酸酯液1150( kg/m )3压力为0、体积为0的液体，如压力增大(zn d)p 时，体积减小V ，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

19、体积相对变化量来表示 pVV0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。即= 。 2可压缩性共一百五十九页封闭(fngb)在容器内的液体在外力作用下的情况就如一弹簧：外力增大，体积减小；外力减小，体积增大。其弹簧刚度 h，在液体承压面积A 不变时，可以通过压力变化P=F/A和体积(tj)变化V=AL求出，即h=Fl=A KV2液压传动工作介质的可压缩性对动态工作的液压系统来说影响极大；但当液压系统在静态下（稳态）工作时，一般可以不予考虑。液压传动工作介质种类 K/（ N m ）石油型水包油乳化液（W/O型）水乙

20、二醇液磷酸酯液109109109109.3（1.42.0）3.152.65各种液压传动工作介质的体积模量（20 C，大气压）01.95共一百五十九页3. 粘性(zhn xn)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，这种现象就叫粘性。静止液体是不会有粘性的。液体流动时相邻液层间的内摩擦力Ft 与液层接触(jich)面积A液层间的速度梯度du/dy成正比即Ft = Adudy式中 为比例常数，称为粘性系数或粘度。粘度是衡量液体粘性的标准。粘度称动力粘度，单位Pa s（帕 秒）。以前沿用的单位为P（泊，dyne s/cm ）.液体的动力粘度与其密

21、度的比值，成为运动粘度，即，单位m /s。以前沿用的单位为St（斯）2. 1Pa s=10 cP（厘泊）.321m /s = 10 St = 10 cSt（厘斯）= 10 mm /s24662即=dyduFt/A=dydu/为切应力共一百五十九页就物理意义而言， 不是一个粘度的量，但习惯上常用它来标志液体粘度，液压传动工作介质的粘度是以40摄氏度时的运动粘度（以mm /s）的中心值来划分(hu fn)的，如某一种牌号L-HL22 普通液压油在40摄氏度时运动粘度的中心值为22mm /s22 液体的粘度(zhn d)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(zhn d)增

22、大。在一般液压系统使用的压力范围内，增大的数值很小，可以忽略不计。右图所示，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的一些性质，如稳定性（热稳定性氧化稳定性水解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）、导热性等，都对它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。共一百五十九页2)润滑性能好。即油液润滑时产生的油膜强度高，以免产生干摩擦。3)质地纯净，杂质少。不应含有杂质，以免刮伤表面。4)对金

23、属和密封(mfng)件有良好的相容性。不应含有腐蚀性物质，以免侵蚀机件和密封(mfng)元件。5)对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性。防止油液氧化后变酸性腐蚀金属表面。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。二、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；为了很好地传递运动(yndng)和动力，

24、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。粘度随温度变化越小越好。 共一百五十九页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(chnpn)的总分类号，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。（表2.1所示）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：三、工作(gngzu)介质的分类和选择液压系统温度540 C液压系统温度4080 C 30 70 65165 3050 4075 5070 5590 3080 65240 4075 70150（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

25、析 oo工作介质粘度v40/（mm s ）2.-1P7.0MPaP7.0MPa齿轮泵叶片泵径向柱塞泵轴向柱塞泵液压泵类型按液压泵类型推荐用工作介质的粘度共一百五十九页 名称代号组成和特性应用精制矿物油LHH无抗氧性循环润滑油，低压液压系统普通液压油LHLHH油，并改善其防锈和抗氧性一般液压系统抗磨液压油LHMHL油，并改善其抗磨性低中高液压系统，特别适用有防磨要求带叶片泵的液压系统低温液压油LHVHL油，并改善其粘温特性能在-20 -40 C的低温环境中工作用与户外工作的工程机械和船用设备液压系统高粘度指数液压油LHRHL油，并改善其粘温特性粘温特性优于LHV油，用于数控机床液压系统和伺服系统

26、液压导轨油LHGHM油，并具有粘滑特性适用于导轨和液压系统共用一种油品的机床，对导轨有良好的润滑性和防爬性其它液压油加入多种添加剂用于高品质的专用液压系统o水包油乳化液LHFAE油包水乳化液LHFB水乙二醇液LHFC 磷酸酯液LHFDR需要难燃料(rnlio)的场合表2-1 液压系统工作介质(jizh)分类（GB1111889）共一百五十九页四、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(gzhng)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

27、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。共一百五十九页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

28、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(yoqi)，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。 共一百五十九页第二节 液体(yt)静力学 一、液体静压力及其特性二、液体静压力基本(jbn)方程 三、压力的表示方法及单位四、帕斯卡原理 五、液体静压力对固体壁面的作用力 共一百五十九页 2-2.1 液体(yt)静

29、压力及其特性 （一） 液体的静压力作用在液体上的力有两种类型：质量力和表面力。前者作用在液体的所有质点上，如重力、惯性力等,数值上等于加速度；后者作用在液体的表面上，如切向力和法向力。表面力可能是容器作用在液体上的外力，也可能是来自另一部分液体的内力。静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力。如果在液体内部某点处微小面积A上作用有法向力F，则F/A的极限定义为该点处的静压力，用p表示，即 (1.1)若在液体的面积A上受均匀分布的作用力F，则静压力可表示为 (1.2) 液体静压力在物理学上称为压强(yqing)，在工程应用中习惯称为压力。（二） 液体静压力的特性 1)液体静压力垂直于作用表面，

30、其方向和该面的内法线方向一致； 2)静止液体内任一点所受的静压力在各个方向上都相等。 液体静压力特性表明：静止液体内部的任何质点都受平衡压力的作用。 共一百五十九页 2-2.2 静力学基本(jbn)方程（1）静压力基本方程式 在重力(zhngl)作用下的静止液体，其受力情况如图1-1所示 图1-1 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 p0,另一部分是 g与该点离液面深度 h 的乘积。 (2)同一容器中同一液体内的静压力随液体深度h 的增加而线性地增加。 (3

31、)连通器内同一液体中深度 h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。 在液压传动中，液体重力引起的压力通常很小，可以忽略不计。液体静压力取决于外加压力。 共一百五十九页 （2）. 静压力基本方程式的物理(wl)意义 图1-2 静压力(yl)基本方程式的物理意义 图1-2为盛有液体的密闭容器，液面压力为p0 ，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 z0g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

32、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。 共一百五十九页 2-2.3 压力的表示(biosh)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(xingdu)压力。由于大多数测压仪表所测得的压力都是相对(xingdu)压力，故相对压力也称表压力。绝对压力与相对压力的关系为： 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

33、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1-3图1-3 绝对压力相对压力和真空度共一百五十九页压力的单位: 法定压力(ISO)单位称为帕斯卡(帕)，符号为 Pa，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(jsh)中，目前还采用的压力单位有巴，符号为 bar 1bar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(shu zh) (毫米汞柱) 压力单位共一百五十九页 2-2.4 帕斯卡原理(yunl) 在密闭容器内，施加于静止液体(yt)上的压力将

34、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。 在左图中，F是外加负载，A是活塞面积。根据帕斯卡原理，缸筒内的压力将随外加负载的变化而变化，并且各点的压力变化值相等。如果不考虑活塞和液体重力引起的压力，则液体中的压力为 由此可见，缸筒内的液体压力是由外界负载决定的，这是液压传动中的一个基本概念。 图1-4p=FA共一百五十九页 2-2.5 液体静压力(yl)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(suy

35、)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。 共一百五十九页第三节 液体(yt)动力学基本概念液体流动基本(jbn)方程共一百五十九页理想液体既无粘性又不可压缩的假想液体称为理想液体稳定流动如果液体中任一点的压力、速度和密度都不随时间变化，称这种流动为稳定流动（也称为定常流动或恒定流动）。反之，则为非稳定流动。一维流动当液体整个作线形流动时称为一维流动，此时要求液流截面上各点的速度矢量完全相同。迹线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

36、。流线流线是流场中这样一些空间曲线，它表示同一瞬时流场中各质点的运动状态。流线上每一质点的速度矢量与流线相切。在定常流动时，流线的形状不随时间变化；在非定常流动时，流线形状是随时间变化的。显然，流线之间不能相交。 流管在流场中给出一条非流线的封闭曲线，沿该封闭曲线上的每一点做流线，由这些流线组成的表面称为流管。 流束流管中的流线群称为流束。根据流线不会相交的性质，流管内外的流线均不会穿越流管。通流截面在流束中与所有流线正交的截面称为通流截面。流量单位时间内流过某一通流截面的液体的体积称为流量。流量的单位是m3/s或L/min。平均流速平均流速是通过整个通流截面的流量q与通流截面积A的比值。平均

37、流速在工程中有实际应用价值。 2-3.1 基本概念共一百五十九页 2-3.2 液体流动基本(jbn)方程一. 流量(liling)连续性方程 图1-5 连续性方 程推导简图 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，那么任取一流管(图1-5)，两端通流截面面积为A1 和 A2，在流管中取一微小流束，流束两端的截面积分别为dA1和dA2，在微小截面上各点的速度可以认为是相等的，且分别为 u1和u2 。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 共一百五十九页即如用

38、平均速度(pn jn s d)表示，得 由于两通流截面(jimin)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。共一百五十九页二. 伯努利方程(fngchng) 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(wnt)，必须先讲述液流的受力平衡方程，亦即它的运动微分方程。 1 . 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理想液体微小流束的伯努利方程

39、p+gz+u22=常数共一百五十九页3实际(shj)液体总流的伯努利方程把理想液体的伯努利方程(fngchng)修正成实际液体的伯努利方程(fngchng)，修正过程考虑了两点：1） 液体在流动过程中的能量损失；2）用通流截面的平均流速v取代微元体的流速u。或对流线上任意两点且两边除以g 可得p1g+z1+u122g=p2g+z2+22gu2上式表明理想液体作定常流动时，液流中任意截面处液体的总比能由比压能（p/g）比位能（z）与比动能（u /2g ）组成（且均为长度纲量，因此从几何意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。2 实际液体是有粘性的，因此

40、流动中粘性摩擦力会消耗一部分能量。同时，管道形状的变化会使液体产生扰动，也要消耗能量。这些能量最终变成热量损失掉了。考虑到这部分能量损失，应该在伯努利方程中加入修正项hw。共一百五十九页 用通流截面的平均流速v取代微元体的流速u也有个修正问题。为此引进动能修正系数，它等于(dngy)单位时间内某截面处的实际动能与按平均流速计算的动能之比，即 引入能量损失hw和动能修正系数(xsh)后，实际液体的伯努利方程为 式中，1、2分别为截面A1、A2上的动能修正系数， 是液体从截面1流到截面2损耗的能量。它们可由实验求出。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

41、物理意义是单位质量液体的能量守恒。其中 hwg为单位质量液体从截面1流到截面2过程中的能量损耗。 共一百五十九页 （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(yngxing)能量损失的大小。应用伯努利方程(fngchng)时，应注意的几点 （4）液流仅受重力作用，亦即盛液的容器没有牵连加速度

42、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）不要忘记动能修正系数，=2层流时 ，1紊流时 。 因为在推导伯努利方程过程中逐次加入了限制条件。因此共一百五十九页三、动量(dngling)方程 液体作用在固体壁面上的力，用动量定理来求解比较(bjio)方便。动量定理指出：作用在物体上的

43、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液动力。 共一百五十九页定常流动时， ，故上式中只有(zhyu)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

44、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(pngjn)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， =1，液流流速较低且分布不均匀(层流) 时， =1.33共一百五十九页第四节 定常管流的压力损失(snsh)计算 实际液体具有粘性，在流动时就有阻力，为了克服阻力，就必然要消耗能量，这样就有能量损失。在液压传动中，能量损失主要表现为压力损失，这就是实际液体流动的伯努利方程式项的含义。液压系统中的压力损失分为两类，一类是油液沿等直径直管流动时所产生的压力损失，称之为沿程压力损失。这

45、类压力损失是由液体流动时的内、外摩擦力所引起的。另一类是油液流经局部障碍(如弯管、接头、管道截面突然(trn)扩大或收缩)时，由于液流的方向和速度的突然变化，在局部形成旋涡引起油液质点间以及质点与固体壁面间相互碰撞和剧烈摩擦而产生的压力损失称之为局部压力损失。 一、流态、雷诺数1层流和紊流共一百五十九页流体在流动(lidng)时，通过雷诺实验，可以看到左图1-6所示的几种流动状态，一般将其定义为层流和紊流。在低速流动时，液体质点互不干扰，液体的流动呈线性或层状，且平行于管道轴线，如图1-6a所示，此种流动状态称为在层流时；当流速大时，液体质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴线的运动外，还存在着

46、剧烈的横向运动，此种流动状态称为紊流，如图1-6d所示；图1-6b中色线开始折断，表明层流开始破坏，图1-6c中色线上下波动，并出现断裂，表现液体流动已趋于紊流. 英国物理学家雷诺通过大量(dling)实验，发现了液体在管路中流动时存在的两种流动状态-层流和紊流。雷诺实验表明，层流时液体质点互不干扰，液体沿管路轴线作线性或层状流动；紊流时液体质点相互干扰，运动杂乱无章，除了沿管路轴线运动以外还有剧烈的横向运动。实验分析表明，层流发生在液体流速较低的场合，粘性力起主导作用，压力损失主要是液体的粘性摩擦损失；紊流发生在液体流速较高的场合，惯性力起主导作用，压力损失主要是液体的动能损失。 共一百五十

47、九页2雷诺数实验表明，液体在圆管中的流动状态不仅与管内的平均流速有关，还和管径、液体的运动粘度 有关，但是真正(zhnzhng)决定液流流动状态的是用这三个数所组成的一个称为雷诺数Re的无量纲数，即 液体流动时的雷诺数若相同，则它的流动状态也相同。另一方面液流由层流转变为紊流时的雷诺数和由紊流转变为层流的雷诺数是不同的，前者称为上临界雷诺数，后者为下临界雷诺数，后者数值小，所以一般都用后者作为判别液流状态的依据，简称临界雷诺数Rec（见表1-8），当液流的实际流动时的雷诺数小于临界雷诺数时，液流为层流，反之液流则为紊流，常见的液流管道的临界雷诺数可由实验求得。 对于非圆截面管道来说，Re可用下

48、式来计算 共一百五十九页式中，R为通流截面的水力半径。它等于液流的有效截面积A和它的湿周(通流截面上与液体(yt)接触的固体壁面的周长) 之比，即 水力半径大小对管道通流能力影响很大。水力半径大，表明(biomng)液流与管壁接触少，通流能力大；水力半径小，表明(biomng)液流与管壁接触多，通流能力小，容易堵塞。 面积相等但形状不同的通流截面，其水力直径是不同的。计算表明，圆形的水力直径最大，同心圆环的水力直径最小。水力直径大则通流能力强，对液体的流动阻力小。因此管路多是圆形截面。一切流动都有层流和紊流两种流动状态及相应临界雷诺数，临界雷诺数的数值由实验测定。雷诺数的物理意义是：液流的惯性

49、作用和粘性作用之比。另外，前面提到的动能修正系数和动量修正系数也与液体的流动状态有关。层流时，=2，=4/3；紊流时，=1。共一百五十九页二、沿程压力(yl)损失 液体(yt)在等径直管中流动时产生的压力损失称为沿程压力损失，该损失与液体(yt)的流动状态有关。 （一） 层流时的沿程压力损失 图1-8 圆管层流运动分析液体在等径水平直管中的层流流动如图2-8所示。取一段与管轴重合的微小圆柱体作为研究对象。液体作匀速运动时该微元体处于受力平衡状态，即 式中，Ff是液体内摩擦力。这里用到了牛顿液体内摩擦定律。整理上式可得 对上式进行积分，并代入边界条件，得可见，流速在半径方向上是按抛物线规律分布的

50、，在管道轴线上流速取最大值。 4lp( R r )22u = 共一百五十九页通过(tnggu)微元体的流量微元为 因此(ync)，圆管通流截面上的平均流速为 积分上式可得 由此可见，液体在圆管中作层流流动时，其中心处的最大流速为平均流速的两倍。即umax=2v。3. 沿程压力损失2. 圆管中的流量由上式q 可得其沿程压力损失为所以共一百五十九页 雷诺数 Re值计算公式 3000Re10=0.3164/Re 10 Re10=0.308/(0.842- lgRe) 5580.252d22( )87Re595( )=0.11( )d98Re4时的情况，其流量公式为 孔口的长径比0.5l/d4时为短孔

51、。短孔的流量公式仍为薄壁小孔公式，只是流量系数Cq应从图2.15中查出。当dRe/l10000时，可取Cq=0.82。短孔的工艺性好，在固定(gdng)节流器中常用。孔口的长径比l/d4时为细长孔。细长孔中多为层流，流量公式可用前面推出的圆管流量公式，即 细长孔的流量总是与液体粘度有关的。 共一百五十九页二、缝隙液流特性液压系统是由一些元件、管接头和管道组成的，每一部分都是由一些零件组成的，在这 些零件之间，通常需要有一定的配合间隙，由此带来了泄漏现象，同时液压油也总是从压力， 较高处流向系统中压力较低处或大气中，前者称为内泄漏，后者称为外泄漏。(一)平行平板(pngbn)的间隙流动如图1-1

52、2所示，平板长为l ，宽为，两平行平板间的间隙为，且 l ，。液体不可压缩，质量力可忽略不计，粘度为常数，则在流动液体中取一微小单元体dxdy，作用在它与液流相垂直的两个表面上的压力为p和p+dp，作用在它与液流相平行的图1-12 平板缝隙(fngx)间的液体流动两个表面上的单位面积摩擦力为和+d，因此它受力平衡方程为pdy+（+d ）dx=（p+dp）dy+ dx经整理并将=du/dy代入后得d udy22=1dpdx共一百五十九页1.固定平行平板间隙流动(压差(y ch)流动)上、下两平板均固定不动，液体在间隙两端的压差作用下而在间隙中流动，称为压差流动。当y=0时，u=0；当y=h时，u

53、=0，将此边界条件代入上式可得对上式两次积分(jfn)可得21dpdxy2u=+ C1y +C2式中C1C2为边界条件所确定的积分常数。下面分两种情况讨论2-hC1=dpdxC2=0所以于是有u=-21（h-y）ydpdx共一百五十九页因为(yn wi)dpdx=p2-p1p1-p2l=l-=-pl代入流速(li s)及流量公式得从以上两式可以看出，在间隙中的速度分布规律呈抛物线状，通过间隙的流量与间隙的三次方成正比，因此必须严格控制间隙量，以减少泄露。2两平行平板有相对运动时的间隙流动(1)两平行平板有相对运动速度u，但无压差 这种流动称为纯剪切流动。 共一百五十九页(2)两平行平板既有相对

54、运动(xin du yn dn)，两端又存在压差时的流动 这是一种普遍情况，其速度和流量是以上两种情况的线性叠加，即 其边界条件为：当y=0时，u=0；当y=h时，u=v，且dp/dx=0。由C1=v/h；C2=0所以(suy)有共一百五十九页（二）圆环缝隙流量(liling) 在液压缸的活塞和缸筒之间，在液压阀的阀心和阀套之间都存在圆环缝隙，下面分两种情况讨论。 图1-13 同心圆环缝隙(fngx)液流1.同心圆环缝隙流量 同心圆环缝隙的结构和液体流动情况如图1-13所示。如果将圆环缝隙沿圆周方向展开，就相当于一个平行平板缝隙。 2.偏心圆环缝隙流量 偏心圆环缝隙的结构如图2-14所示。此时

55、的流量公式为 图1-14 偏心圆环缝隙液流式中，h内外圆同心时的缝隙值；相对偏心率，=e/h，e为偏心距。由此可见，当=0时，它就是同心圆环缝隙的流量公式；当=1时，偏心圆环缝隙的流量比同心圆环缝隙流量大了许多。可见，较高的同心度可以减小泄漏量。 共一百五十九页（三） 圆环平面(pngmin)缝隙流量 图1-15 园环平面(pngmin)缝隙间液流 圆环平面缝隙结构和液体的流动情况如图1-15所示。圆环与平面缝隙之间没有相对运动。 令uo=0，在半径为r、距离下平面z处的径向速度为 通过的流量 上式对r积分，并代入边界条件，得圆环平面缝隙的流量公式为 共一百五十九页第六节 空穴(kn xu)现

56、象和液压冲击 在液压系统中，空穴现象(xinxing)和液压冲击给系统带来诸多不利影响，因此需要了解这些现象(xinxing)产生的原因，并采取措施加以防治。 流动的液体，如果压力低于其空气分离压时，原先溶解在液体中的空气就会分离出来，从而导致液体中充满大量的气泡，这种现象称为空穴现象。如果液体的压力进一步降低，低到饱和蒸气压时，液体本身将汽化，产生更多的蒸气泡，空穴现象将更加严重。空穴多发生在阀口和液压泵的入口处。因为阀口处液体的流速增大，压力将降低。如果液压泵吸油管太细，也会造成真空度过大，发生空穴现象。 空穴现象会引起流量的不连续和压力波动，空气中的游离氧对液压元件有很大的腐蚀（气蚀）作

57、用。 为减少空穴现象带来的危害，通常采取下列措施：1 减小孔口或缝隙前后的压力降。一般希望相应的压力比p1/p23.5；2 降低液压泵的吸油高度，适当加大吸油管直径。对于自吸能力差的液压泵要安装辅助泵供油； 3 管路要有良好的密封，防止空气进入。 空穴现象共一百五十九页 液压冲击(chngj) 在液压系统中，由于某种原因使液体压力突然产生很高的峰值，这种现象称为液压冲击。发生液压冲击时，由于瞬间的压力峰值比正常的工作压力大好几倍，因此对密封元件、管道和液压元件都有损坏作用，还会引起设备振动，产生很大的噪声。液压冲击经常使压力继电器、顺序阀等元件产生误动作。液压冲击的产生多发生在阀门突然关闭或运

58、动(yndng)部件快速制动的场合。这时液体的流动突然受阻，液体的动量发生了变化，从而产生了压力冲击波。这种冲击波迅速往复传播，最后由于液体受到摩擦力作用而衰减。如动画所示为液压缸制动时由于惯性而产生的冲击。现将减小压力冲击的措施归纳如下： 尽量延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间； 在冲击区附近安装卸荷阀、蓄能器等缓冲装置 正确设计阀口，限制管道流速及运动部件速度， 使运动部件制动时速度变化比较平稳； 如果换向精度要求不高，可使液压缸两腔油路在换向阀回到中位时瞬时互通。 压力冲击值的近似计算共一百五十九页 如果系统的正常工作压力为p，发生液压冲击时产生的压力冲击值为p，那么此时系统中的压力p

59、max=p+p。由于液压冲击是一种非定常流动，动态过程非常复杂，精确计算压力冲击值是困难的。下面给出两种压力冲击值的近似计算公式。1. 管道阀门关闭(gunb)时的压力冲击值 设产生压力冲击的管道长度为l，压力冲击波第一波在l长度内的传播时间为t1，液体的密度为，管道中液体的流速为v，阀门关闭后的流速为v1，根据动量方程有 式中，c=l/t1，是压力波在管中的传播速度，其值在9001400m/s之间。 2. 运动部件制动时的压力冲击值 设总质量为m的运动部件在制动时的减速时间为t，速度减小值为v，液压缸有效面积为A，根据动量定理有 上式忽略了阻尼和泄漏等因素的影响，计算结果偏大，比较安全。共一

60、百五十九页第三章 液压动力(dngl)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。液压系统是以液压泵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（电动机或内燃机）输出的机械能转换为工作(gngzu)液体的压力能,是一种能量转换装置。共一百五十九页 第一节 液压泵概述(i sh) 第二节 齿轮泵 第三节 叶片泵 第四节 柱塞泵 第五节 液压泵的噪声 第六节 液压泵的选用 共一百五十九页第一节 液压泵概述(i sh) 一.液压泵的工作原理及特点 1. 液压泵的工作原理 液压泵是靠密封容腔容积的变化 来工作的。当凸轮1由原动机带动旋转 时，柱塞2便在凸轮 1和弹簧