液压与气压传动技术课件

液壓與氣壓傳動技術液壓與氣壓傳動基礎液壓與氣壓傳動技術是以流體—液壓油液(或壓縮空氣)為工作介質進行能量傳遞和控制的一種傳動形式。雖然液壓與氣壓傳動已有較長的歷史，但相對機械傳動而言仍是一門較新的技術。在近代工業領域中，液壓與氣壓傳動技術得到了廣泛應用。微電子技術的迅速發展及其與液壓和氣壓技術的結合，使液壓與氣壓傳動技術的應用領域更加廣闊，幾乎遍及各個工業部門，是提高生產率、實現自動化的重要技術手段。本項目主要介紹了液壓與氣壓傳動的工作原理、組成、特點、應用及發展趨勢。知識目標專案導讀專案要點1.液壓傳動的工作原理及其優缺點。2.液壓傳動的組成及圖形符號。3.液體靜力學和動力學的基礎。4.液壓油的性質與選用。5.氣壓傳動的工作原理及其優缺點。6.氣壓傳動的組成及圖形符號。能力目標1.掌握液壓傳動的工作原理。2.掌握氣壓傳動的工作原理。3.掌握液壓傳動系統的組成。4.瞭解氣壓傳動系統的組成。5.瞭解液壓與氣壓傳動的優點。6.瞭解並對比液壓與氣壓傳動的缺點。7.瞭解液壓與氣壓傳動的應用與發展狀況。8.掌握液壓油的有關物理性質和選用方法。9.瞭解液體靜力學基礎內容。10.瞭解液體動力學基礎內容。11.瞭解實際管路中的液體流動。12.掌握氣源裝置的組成和工作原理。13.瞭解後冷卻器的工作原理。14.掌握空氣淨化處理裝置的組成和作用。任務一液壓與氣壓傳動的工作原理一、概述液壓與氣壓傳動技術是機械設備中發展速度最快的技術之一，特別是近年來，隨著機電一體化技術的發展，與微電子、電腦技術相結合，液壓與氣壓傳動進入了一個新的發展階段，廣泛地應用於機械製造業、起重設備、礦山機械、工程機械、農業機械、化工機械及軍事行業中。特別是在機床行業中應用液壓與氣壓傳動技術實現機床往復、機床回轉、機床進給、機床仿行及各種輔助運動。液壓與氣壓傳動技術是以流體—液壓油液(或壓縮空氣)為工作介質進行能量傳遞和控制的一種傳動形式，它們的工作原理基本相同。任務一液壓與氣壓傳動的工作原理二、液壓傳動工作原理圖1-1液壓千斤頂（a）千斤頂的工作原理圖；（b）簡化模型圖1-杠杆；2-泵體；3-小活塞；4、8-油腔；5、7-單向閥；6-油管；9-大活塞；10-缸體；11-放油閥；12-油箱要點講解液壓千斤頂由液壓泵和液壓缸兩部分構成。液壓泵(手動柱塞泵)由杠杆1、泵體2、小活塞3及單向閥5和7組成，液壓缸由缸體10和大活塞9組成。為確保液壓千斤頂正常工作，活塞與缸體、活塞與泵體接觸面之間的配合既要使活塞在缸體和泵體中移動，又要形成可靠的密封。結論：液壓傳動是依靠密封容積的變化來傳遞運動、依靠油液內部的壓力來傳遞動力的。液壓傳動裝置實質上就是一種能量轉換裝置，它先將機械能轉換為便於輸送的液壓能，然後再將液壓能轉換為機械能，以驅動工作機構完成各種要求動作。任務一液壓與氣壓傳動的工作原理三、氣壓傳動工作原理要點講解圖1-2氣動剪切機的工作原理（a）工作原理圖；（b）職能符號1-空氣壓縮機；2-水冷卻器；3-分水排水器；4-儲氣罐；5-空氣篩檢程式；6-減壓閥；7-油霧器；8-行程閥；9-換向閥；10-氣缸；11-工料氣壓傳動工作原理和液壓傳動工作原理基本相同，也是能量轉換的過程，只是工作介質是空氣，不是液壓油。圖1-2是氣動剪切機的工作原理圖。從上例證明，其工作原理就是能量轉換。即氣動剪切機是利用空氣壓縮機將原動機提供的機械能轉換為空氣的壓力能，再經過管道及控制元件進入氣缸，然後再將壓力能轉換為機械能做功而切斷工料。圖1-2(b)是用職能符號表示的氣動剪切機的工作原理圖，是一種常用的表達形式。任務二液壓與氣壓傳動的組成一、液壓傳動的組成要點講解圖13簡化的組合機床液壓傳動系統(a)半結構式的工作原理；(b)液壓傳動系統1-油箱；2-濾油器；3-定量液壓泵；4-流量控制閥；5-換向閥；7-液壓缸；8-工作臺；6、9、10、12-管道；11-溢流閥如圖1-3所示為一簡化的組合機床液壓傳動系統，其工作原理如下。從上述例子可以看出，液壓傳動系統除工作介質外，主要由動力元件、執行元件、控制調節元件和輔助元件四部分組成。各部分的名稱和所包含的主要液壓元件及作用如表1-1所示。任務一液壓與氣壓傳動的工作原理二、氣壓傳動的組成

將氣體的壓力能轉換為機械能的能量裝置，包括氣缸(直線運動)和氣壓馬達(回轉運動)。執行元件

獲得壓縮空氣的設備與裝置。包括空氣壓縮機、儲氣罐、空氣淨化裝置等。其主體部分是空氣壓縮機，它將原動機提供的機械能轉變為氣體的壓力能。應用氣動設備較多的廠礦，集中建立壓縮空氣站，再由壓縮站統一向各用氣點分配輸送壓縮空氣。

氣源裝置

用來控制壓縮空氣的壓力、流量、方向，以便使執行元件完成預定運動的元件，主要包括壓力閥、流量閥、方向閥、邏輯元件和行程閥等。控制元件

將壓縮空氣淨化、潤滑、消聲及元件間連接等不可缺少的元件裝置，包括篩檢程式、油霧器、消聲器及管件等。輔助元件任務三液壓與氣壓傳動的優缺點及應用一、液壓傳動的優缺點（1）在傳遞同等功率的情況下，液壓傳動裝置的體積小、重量輕、結構緊湊。據統計，液壓馬達的重量只有同功率電動機重量的10%～20%，而且液壓元件可在很高的壓力下工作，因此液壓傳動能夠傳遞較大的力或力矩。（2）液壓裝置由於重量輕、慣性小、工作平穩、換向衝擊小，易實現快速啟動，制動和換向頻率高。對於回轉運動每分鐘可達500次，直線往復運動每分鐘可達400～1000次，這是其他傳動控制方式無法比擬的。（3）液壓傳動裝置易實現超載保護，安全性好，不會有超載的危險。1.液壓傳動的優點（與機械傳動、電氣傳動相比）（4）液壓傳動裝置能在運動過程中實現無級調速，調速範圍大（可達1∶2000），速度調整容易，而且調速性能好。（5）液壓傳動裝置調節簡單、操縱方便，易於自動化，如與電氣控制相配合，可方便地實現複雜的程式動作和遠程控制。（6）工作介質採用油液，元件能自行潤滑，故使用壽命較長。（7）元件已標準化、系列化和通用化，便於設計、製造、維修和推廣使用。（8）液壓裝置比機械裝置更容易實現直線運動。任務三液壓與氣壓傳動的優缺點及應用二、氣壓傳動的優缺點（1）採用空氣作為傳動介質，來源方便，取之不盡，用後直接排入大氣而不污染環境，且不需回氣管路。（2）氣動系統結構較簡單，安裝自由度大，使用、維護方便，使用成本低。（3）空氣對環境的適應性強，特別是在高溫、易燃、易爆、高塵埃、強磁、輻射及振動等惡劣環境中，比液壓、電氣及電子控制優越。（4）空氣的黏度很小，在管路中流動時的壓力損失小，管道不易堵塞，空氣也沒有變質問題，所以節能、高效，適用於集中供氣和遠距離輸送。（5）與液壓傳動相比，氣壓傳動反應快，動作迅速，一般只需0.020.03s就可建立起需要的壓力和速度。因此，它特別適用於實現系統的自動控制。（6）調節控制方便，既可組成全氣動控制回路，也可與電氣、液壓結合實現混合控制。1.氣壓傳動的優點~任務三液壓與氣壓傳動的優缺點及應用三、液壓與氣動技術的應用與發展概況氣動技術液壓技術液壓技術向更廣闊的領域滲透，發展成為包括傳動、控制和檢測在內的一門完整的自動化技術。如今，採用液壓傳動的程度已成為衡量一個國家工業化發展水準的重要標誌之一。液壓元件應用數量急劇增加，元件小型化、系統集成化是發展的必然趨勢。液壓元件和液壓系統的電腦輔助設計(CAD)、電腦輔助試驗(CAT)和電腦即時控制也是當前液壓技術的發展方向。氣動技術的應用領域已迅速擴展到各行各業。氣動技術發展成為柔性製造系統(FMS)在包裝設備、自動生產線和機器人等方面不可缺少的重要手段。要求氣動技術以提高系統可靠性、降低總成本與電子工業相適應為目標，進行系統控制技術和機電液氣綜合技術的研究和開發。顯然氣動元件的微型化、節能化、無油化是當前的發展特點，與電子技術相結合產生的自適應元件，使氣動系統從開關控制進入回饋控制。電腦的應用為氣動技術的發展提供了廣闊的前景。任務四液壓技術的基本理論一、液壓油的有關物理性質1.密度單位體積液體的品質稱為該液體的密度，用ρ表示。即式中,m—液體的品質，千克(kg)；V—液體的體積，米3(m3)。2.可壓縮性液體受壓力作用後其體積減小的性質稱為液體的可壓縮性。液體的可壓縮性很小，一般情況下可以忽略不計。但在高壓下或受壓體積較大以及對液壓系統進行動態分析時，要考慮液體的可壓縮性。任務四液壓技術的基本理論一、液壓油的有關物理性質3.黏性和黏度液體在外力作用下流動時，液體分子間的內聚力阻礙其分子間的相對運動而產生一種內摩擦力，這種特性稱作液體的黏性。液體流動時，由於液體和固體壁面間的附著力以及液體本身的黏性，會使液體內部各液層間的速度大小不等。如圖1-4所示，兩個平行板之間充滿液體，下平板固定不動，上平板以速度u0向右平移。在附著力的作用下，緊貼於上平板的極薄一層液體隨著上平板一起以u0的速度向右移動，緊貼著下平板的極薄一層液體和下平板一起保持不動，而中間各層液體則從上到下按遞減的速度向右移動。這是相鄰兩薄層液體間的分子內聚力對上層液體起阻滯作用，而對下層液體起拖曳作用的緣故。當兩平行板間的距離較小時，各液層的速度按線性規律分佈。由實驗測定，液體流動時，相鄰液層間的內摩擦力F與液層的接觸面積A、液層相對速度du成正比，而與液層間的距離dy成反比，即式中,μ—比例係數，稱為黏性係數或黏度；du/dy—速度梯度，即液層相對速度對液層距離的變化率。在靜止液體中，由於速度梯度du/dy=0，內摩擦力F為零，因此靜止液體不呈現黏性，只有流動(或有流動趨勢)的液體才呈現黏性。上式稱為牛頓的液體內摩擦定律。若用單位面積上的內摩擦力τ(即應力)來表示，則上式為任務四液壓技術的基本理論一、液壓油的有關物理性質式中,μ—比例係數，稱為黏性係數或黏度；du/dy—速度梯度，即液層相對速度對液層距離的變化率。在靜止液體中，由於速度梯度du/dy=0，內摩擦力F為零，因此靜止液體不呈現黏性，只有流動(或有流動趨勢)的液體才呈現黏性。上式稱為牛頓的液體內摩擦定律。若用單位面積上的內摩擦力τ(即應力)來表示，則上式為(接上)式中,μ—比例係數，稱為黏性係數或黏度；du/dy—速度梯度，即液層相對速度對液層距離的變化率。在靜止液體中，由於速度梯度du/dy=0，內摩擦力F為零，因此靜止液體不呈現黏性，只有流動(或有流動趨勢)的液體才呈現黏性。上式稱為牛頓的液體內摩擦定律。若用單位面積上的內摩擦力τ(即應力)來表示，則上式為液體黏性的大小用黏度來表示。常用的液體黏度有動力黏度、運動黏度和相對黏度。（1）動力黏度。動力黏度μ又稱絕對黏度，由式(13)得由此可知動力黏度μ的物理意義是：液體在單位速度梯度下流動時，單位面積上產生的內摩擦力。動力黏度的單位為帕•秒(Pa•s,N•s/m2)，以前沿用的單位為泊(P，dyne•s/cm2)，它們之間的換算關係為1Pa•s=10P=103cP(厘泊)。（2）運動黏度。動力黏度μ和液體密度ρ之比值稱為運動黏度。即運動黏度ν沒有明確的物理意義，只是在液壓系統分析和計算時常用到這個量。運動黏度的單位為米2/秒(m2/s)，以前沿用的單位為斯(St=cm2/s)和厘斯(cSt=mm2/s)，它們之間的換算關係為1m2/s=104St=106cSt。任務四液壓技術的基本理論一、液壓油的有關物理性質式中,μ—比例係數，稱為黏性係數或黏度；du/dy—速度梯度，即液層相對速度對液層距離的變化率。在靜止液體中，由於速度梯度du/dy=0，內摩擦力F為零，因此靜止液體不呈現黏性，只有流動(或有流動趨勢)的液體才呈現黏性。上式稱為牛頓的液體內摩擦定律。若用單位面積上的內摩擦力τ(即應力)來表示，則上式為(接上)一般來說，某一牌號的液壓油是指這種油液在40℃時運動黏度ν(mm2/s)的平均值。(如牌號為L-HL22的普通液壓油，是指該油液在40℃時的運動黏度ν的平均值為22mm2/s。)(3)恩氏黏度。恩氏黏度由恩氏黏度計測定，即將200cm3的被測液體裝入底部有直徑2.8mm小孔的恩氏黏度計的容器中，在某一特定溫度t℃時，測定其液體在自重下流過小孔所需的時間t1和同體積蒸餾水在20℃時流過同一小孔所需的時間t2的比值，便是該液體在t℃時的恩氏黏度。恩氏黏度（0Et）表示為任務四液壓技術的基本理論一、液壓油的有關物理性質4.黏度與溫度、壓力的關係溫度對油液的黏度影響較大，隨著溫度升高，油液的黏度將下降。當液體所受的壓力增加時，其分子間的距離減小，內聚力增大，黏度也隨之增大。對一般液壓系統，當壓力在20MPa以下時，壓力對黏度的影響不大，通常忽略不計。液壓油的黏度對溫度的變化極為敏感，溫度升高，油的黏度降低。油的黏度隨溫度變化的性質稱為液壓油的黏溫特性。不同種類的液壓油有不同的黏溫特性。圖1-5為幾種典型液壓油的黏溫特性曲線圖。黏溫特性較好的液壓油，黏度隨溫度的變化較小，因而油溫變化對液壓系統性能的影響較小。液體的黏溫特性採用黏度指數值來衡量，黏度指數值較大，表示油液黏度隨溫度的變化率較小，即黏溫特性較好。一般液壓油的黏度指數值要求在90以上，優異的在100以上。幾種常見工作介質的黏度指數見表1-2。黏度和壓力的關係是液體所受的壓力增大時，其分子間的距離減小，內聚力增大，黏度也隨之增大。但對於一般的液壓系統，當壓力在32MPa以下時，壓力對黏度的影響不大，可以忽略不計。任務四液壓技術的基本理論一、液壓油的有關物理性質5.液體的可壓縮性液體受壓力增大而發生體積縮小的性質稱為液體的可壓縮性。假設壓力為P時，液體的體積為V，當壓力增大時，液體的體積減小，液體在單位壓力變化下的體積相對變化量為式中，κ—液體壓縮係數。由於壓力增大時液體的體積減小（ΔV＜0），因此式（17）的右邊需加一負號，使κ為正值。液體壓縮係數κ的倒數K，稱為液體的體積模量，可表示為K表示產生單位體積相對變化量所需要的壓力增量。在實際應用中，常用Ｋ值說明液體抵抗壓縮能力的大小。在常溫下，純淨油液的體積模量數值很大，故一般認為油液是不可壓縮的。值得注意的是，當液壓油中混有空氣時，其抗壓縮能力將顯著降低，會嚴重影響液壓系統的工作性能。因此，應力求減少油液中混入的氣體及其他易揮發物質（如汽油、煤油、乙醇和苯等）的含量。由於油液中的氣體難以完全排除，實際計算中常取液壓油的體積模量。任務四液壓技術的基本理論一、液壓油的有關物理性質6.液壓油的品種液壓油的品種主要分為礦油型、乳化型和合成型三大類。主要品種及其特性和用途見表1-3。類型名稱ISO代號特性和用途礦油型普通液壓油L-HL精製礦物油添加劑，提高抗氧化和防銹性能，適用於室內一般設備中低壓系統抗磨液壓油L-HM普通液壓油添加劑，改善抗磨性能，適用於工程機械、車輛液壓系統低溫液壓油L-HV抗磨液壓油添加劑，改善黏溫特性，可用於環境溫度在-40~-20℃的高壓系統高黏度指數液壓油L-HR普通液壓油添加劑，改善黏溫特性，VI值達175以上，適用於對黏溫特性有特殊要求的低溫系統，如數控機床液壓系統以及青銅或銀部件的液壓系統液壓導軌油L-HG抗磨液壓油添加劑，改善黏滑特性，適用於機床中液壓和導軌潤滑合用系統全損耗系統用油L-HH淺度精製礦物質，抗氧化、抗泡沫性能較差，主要用於機械潤滑，可以作為液壓代用油，一般用於要求不高的低壓系統汽輪機油L-TSA深度精製礦物油添加劑，改善抗氧化、抗泡沫等性能，為汽輪機專用油，可以作為液壓代用油，適用於一般的液壓系統任務四液壓技術的基本理論一、液壓油的有關物理性質續表類型名稱ISO代號特性和用途乳化型水包油乳化液L-HFA高水基液，特點是難燃、黏溫特性好，有一定的防銹能力，潤滑性能差，易洩漏。適用於對抗燃有要求，油液用量大且洩漏嚴重的系統油包水乳化液L-HFC既具有礦物型液壓油的抗磨、防銹性能，又具有抗燃性，適用於有抗燃要求的中壓系統合成型水-乙二醇液L-HFC淺度精製礦物質，抗氧化、抗泡沫性能較差，主要用於機械潤滑，可以作難燃、黏溫特性和抗蝕性能好，能在-20~50℃下使用，適用於有抗燃要求的中低系統磷酸酯液L-HFDR難燃、潤滑、抗磨性能和抗氧化性能良好，能在-20~100℃下使用，缺點是有毒。適用於有抗燃要求的高壓精密液壓系統任務四液壓技術的基本理論二、液壓油的選用液壓油在液壓傳動中不僅起傳遞能量的作用，而且對液壓傳動中液壓元件起潤滑、冷卻和防銹的作用。液壓油的選擇主要是根據工作條件選用適宜的黏度。(1)環境溫度。環境溫度較高時，宜選用黏度較大的液壓油。(2)液壓系統的工作壓力。系統工作壓力較高時，宜選用黏度較大的液壓油，以減少洩漏。(3)運動速度。執行元件運動速度較高時，宜選用黏度較小的液壓油，以減少由於液體摩擦而造成的損失。(4)液壓泵的類型。在液壓系統的所有元件中，以液壓泵對液壓油的性能最為敏感。因此,常根據液壓泵的類型及要求來選擇液壓油的黏度。液壓油的產品牌號由類別、品種和數字三部分組成。類別代號中的L表示潤滑油、H表示液壓系統的工作介質，數字表示工作介質黏度等級，用溫度為40℃時的運動黏度平均值(mm2/s)表示。如L-HL46號液壓油，是指這種油在40℃時的運動黏度平均值為46mm2/s。L-HL型常用液壓油的代號及運動黏度見表1-4。(5)表1-5為按液壓泵類型推薦用油表，可供選取油液時參考。任務四液壓技術的基本理論三、液體靜力學當液體處於相對靜止時，液體單位面積上所受的法向力稱為壓力，在物理學中稱為壓強，通常用p表示。若在面積為A的液體上作用力為F，則壓力的計算公式為在SI制中壓力的單位為Pa(N/m2)。由於Pa單位太小，工程上常用kPa、MPa表示。液體靜壓力具有下列兩個特性：（1）液體靜壓力垂直於其受壓平面，且方向與該面的內法線方向一致。（2）靜止液體內任一點處所受到的靜壓力在各個方向上都相等。1.靜壓力壓力的表示方法有兩種，即絕對壓力和相對壓力。絕對壓力是以零壓力為基準的壓力，相對壓力是以大氣壓力為基準的壓力。絕大多數測壓儀錶所測得的壓力都是相對壓力，所以相對壓力也稱為表壓力。相對壓力與絕對壓力的關係為相對壓力=絕對壓力-大氣壓力當絕對壓力低於大氣壓力時，比大氣壓力小的那部分數值稱為真空度。即真空度=大氣壓力-絕對壓力絕對壓力、相對壓力和真空度的相對關係如圖1-5所示。2.壓力的表示方法任務四液壓技術的基本理論四、液體動力學（1）理想液體。既無黏性又不可壓縮的假想液體稱為理想液體；既有黏性又可壓縮的液體稱為實際液體。（2）穩定流動。液體流動時，液體中任一點處的壓力、速度和密度都不隨時間而變化的流動稱為穩定流動(或稱定常流動、恒定流動)。反之，只要壓力、速度和密度中有一個隨時間而變化的流動，就稱為非穩定流動(或稱非定常流動、非恒定流動)。1.基本概念（3）過流斷面、流量和平均流速。過流斷面：液體流動時，垂直於液體流動方向的截面稱為過流斷面(或稱通流截面)，常用A表示。流量：單位時間內流過某過流斷面液體的體積稱為流量，用q表示。即式中，A—過流斷面面積，單位：米2(m2)；v—流速，單位：米/秒(m/s)；q—通過通流截面的液體流量，單位：立方米/秒（m3/s）、升/分（L/min）。平均流速：在實際流動中，通流截面上各點的流速是不同的。距通流截面中心越近，點的流速越大，平均流速是通流截面上各點流速的平均值，用v表示，可用下式計算：以後所指的流速(除特別指出外)均為平均流速。中的流速逐漸增大至某一值時，可看到紅線開始抖動而呈波紋狀，如圖1-6（c）所示，這表明層流狀態受到破壞，液流開始紊亂。若使管中流速進一步加大，紅色水流便和清水完全混合，紅線便完全消失，如圖1-6（d）所示，表明管中液流完全紊亂，這時的流動狀態稱為紊流。如果將閥門7逐漸關小，就會看到相反的過程。實驗證明，液體在圓管中的流動狀態不僅與液體在管內的平均流速v有關，還與管徑d和液體的運動黏度ν有關。以上三個參數組成的一個無量綱數，被稱為雷諾數。即式中,v—液體在管道中的平均流速（m/s）；d—管道的內徑（m）；ν—液體的運動黏度（m2/s）。任務四液壓技術的基本理論四、液體動力學（接上）（4）層流、紊流和雷諾數。液體流動有兩種基本狀態：層流和紊流。19世紀末，雷諾（Reynolds）首先通過實驗觀察了水在圓管內的流動情況，兩種流動狀態的物理現象可以通過雷諾實驗觀察出來，實驗裝置如圖1-6所示。水箱4由進水管不斷供水，並由溢流管保持水箱水面高度恒定。水杯2內盛有紅顏色的水，將開關3打開後，紅色水經細導管5流入水準玻璃管6中。當調節閥門7的開度使玻璃管中流速較小時，紅色水在管6中呈一條明顯的直線，這條紅線和清水不相混雜，如圖1-6（b）所示，這表明管中的水流是分層的，層與層之間互不干擾，液體的這種流動狀態稱為層流。當調節閥門7使玻璃管任務四液壓技術的基本理論四、液體動力學雷諾數的物理意義：雷諾數是液流的慣性力對黏性力的無因次比。當雷諾數較大時，說明慣性力起主導作用，這時液體處於紊流狀態；當雷諾數較小時，說明黏性力起主導作用，這時液體處於層流狀態。液體在管道中流動時，層流狀態能量損失小，紊流狀態能量損失大。因此，在液壓系統設計過程中，應儘量使液體在管道中的流動狀態為層流。層流和紊流是兩種不同性質的流動狀態。層流時，液體流速較低，質點受到黏性制約，不能隨意運動，黏性力起主導作用；但在紊流時，因液體流速較高，黏性的制約作用減弱，因而慣性力起主導作用。液體流動時須用雷諾數來判別是層流還是紊流。管道中液體的流態隨雷諾數的不同而改變，並且液體從層流變為紊流的雷諾數和從紊流變為層流的雷諾數是不相同的，後一種情況雷諾數較小，一般以其作為判斷液體流態的依據，稱其為臨界雷諾數，用Rec表示。當液體的實際雷諾數小於臨界雷諾數Rec時，流態為層流；反之，為紊流。各種管道的臨界雷諾數可以由實驗測出。常見液流管道的臨界雷諾數見表1-6。任務四液壓技術的基本理論四、液體動力學連續性方程是品質守恆定律在流體力學中的一種表達形式。如圖1-7所示，液體在一不等截面的圓管中做穩定流動，且不可壓縮，若兩個過流斷面的面積分別為A1和A2，平均流速和密度分別為v1、ρ1和v2、ρ2。根據品質守恆定律，在單位時間內，流入與流出此圓管的液體品質應相等。即上式即為理想液體的連續性方程式。這個方程表明:(1)同一管路中無論過流斷面A和流速v怎樣變化，液體流過任一截面的流量都相同。(2)過流斷面A與流速v成反比關係，即管徑大的地方流速小，管徑小的地方流速大。2.連續性方程將式(1-14)各項分別除以該段液體的體積ΔV(或重量mg)，經整理後得因A1和A2兩過流斷面是任意取的，所以上式對管道內任意兩斷面都適用。式(1-15)即為理想液體的能量方程，也稱伯努利方程。伯努利方程的物理意義是：在密閉管道內做穩定流動的理想液體，在任意斷面處都具有三種形式的能量，即壓力能、勢能和動能；在沿管道流動的過程中，三種能量之間可以互相轉換，但三種能量的總和是一常數。任務四液壓技術的基本理論四、液體動力學伯努利方程是能量守恆定律在流體力學中的一種表達形式。（1）理想液體的伯努利方程。流動的液體不僅有壓力能、位能，而且由於有一定的流速而具有動能。如圖1-8所示，假定液體為理想液體，且做穩定流動，品質為m的液體流經該管的任意兩個斷面A1、A2，設兩斷面處的流速分別為v1和v2，壓力為p1和p2，高度為h1和h2。若在很短的時間內，液體通過兩過流斷面的距離為Δl1和Δl2，根據能量守恆定律可以得到式中，ΔV1、ΔV2—分別為通過過流斷面A1、A2的液體微小體積(ΔV)。根據液流的連續性原理可知：ΔV1=ΔV2=ΔV。3.伯努利方程任務四液壓技術的基本理論四、液體動力學（接上）（2）實際液體的伯努利方程。實際液體在管道中流動時，由於液體具有黏性，液體各質點之間以及液體與管壁之間會產生摩擦，另外液體在通過變截面管路及各種閥孔時，會產生撞擊、分離、脫流、旋渦等現象，這些都會引起能量損失。現設hw為單位體積(或重量)液體的能量損失。由於實際流速u在過流斷面上的分佈是個變數，若用平均流速v來代替實際流速u計算動能時，必然會產生偏差，為了補償這個偏差，需引入動能修正係數α。因此，實際流體的伯努利方程為式中，α1、α2—動能修正係數，在同一液壓系統中，一般α1=α2；hw—油液從一斷面到另一斷面單位體積(或重量)液體的能量損失。動量方程是剛體力學中的動量定理在流體力學中的具體應用。動量方程是用來分析流動液體與限制其流動的固體壁面間相互作用力的大小及方向的。動量定理指出：作用在物體上的力式中，ρ—流動液體的密度；q—液體的流量；β—動量修正係數，為簡化計算，β值常取1。上式即為流動液體的動量方程。方程的左邊F為所有作用在液體上的外力總和，而等式右邊表示流出控制表面和流入控制表面液體動量變化率之差。4.動量方程由於液體具有黏性，在管路中流動時又不可避免地存在著摩擦力，所以液體在流動過程中必然要損耗一部分能量，這部分能量損耗主要表現為壓力損失。壓力損失有沿程損失和局部損失兩種。沿程損失是當液體在直徑不變的直管中流過一段距離摩擦而產生的壓力損失，在圖1-9所示圓管中沿程損失為式中,A—沿程阻力係數；l—液流管道長度；v—液體在管道中的平均流速；d—管道直徑；ρ—液體密度。式(1-19)適用於層流和紊流狀態的沿程壓力損失計算，只是λ取值不同。層流時，λ的理論值為64/Re，但由於油液黏度較大及管道進口起始段流動的影響，實際值更大些，如油液在金屬管路中流動時取λ=75/Re，如是橡膠軟管則取λ=80/Re。紊流是一種很複雜的流動，λ值需按具體情況來確定。根據Re的取值範圍，λ值可用下列經驗公式計算：管壁粗糙度Δ值與製造工藝有關。計算時可考慮下列Δ取值：鑄鐵管取0.25mm，無縫鋼管取0.04mm，冷拔銅管取0.0015～0.01mm，鋁管取0.0015～0.06mm，橡膠軟管取0.03mm。任務四液壓技術的基本理論五、液體在實際管路系統中的流動1.壓力損失任務四液壓技術的基本理論五、液體在實際管路系統中的流動（接上）局部損失是由於管子截面形狀突然變化、液流方向改變或其他形式的液流阻力而引起的壓力損失；液體流經各種閥的局部壓力損失由閥的產品技術規格中查得。式中,ξ—局部阻尼係數(由實驗確定，具體數據查閱有關手冊)。總的壓力損失等於沿程損失∑Δpλ和局部損失∑Δpξ之和，即(1)液體流經薄壁小孔的流量。圖1-10所示為液體流經薄壁小孔的情況。當液流流經薄壁小孔時，左邊通流截面11處的液體均向小孔彙集，通流截面11處的流速較低，流經小孔時液體質點突然加速，在慣性力作用下，使通過小孔後的液流形成一個收縮截面c-c，然後再擴散。這一收縮和擴散的過程，會造成很大的能量損失，即壓力損失。液流收縮的程度取決於雷諾數、孔口及其邊緣的形狀、孔口離管路側壁的距離等因素。圖1-10中，由伯努利方程推導出液體通過薄壁孔的流量公式為任務四液壓技術的基本理論五、液體在實際管路系統中的流動式中，Cq—收縮係數，一般由實驗確定，其大小取決於液流收縮的程度；Δp—小孔前後的壓力差，Δp=p1-p2。由式(1-17)可知，流經薄壁小孔的流量不受黏度變化的影響，而只與小孔前後的壓差Δp的平方根以及小孔面積A有關。因此，流量控制閥的節流孔常加工成薄壁小孔，使流量不受黏度變化的影響。(2)液體流經短孔的流量。液體流經短孔的流量計算可使用薄壁小孔的流量公式，但Cq不同。短孔比薄壁小孔加工容易，適用於要求不高的節流元件。(3)液體流經細長孔的流量。液體流經細長孔時，由於液體內摩擦力的作用較突出，故多為層流。細長孔的流量計算公式為由上式可知，液體流經細長孔的流量會隨液體黏度變化(油溫變化和油液氧化等都會引起其黏度變化)而變化，故流量受油溫影響較大。細長孔可用來作控制閥中的阻尼孔。2.液體在小孔中的流動(1)平行平板的間隙流動。平行平板的間隙流動包括壓差流動和剪切流動，如圖1-11、1-12所示。在壓差作用下，液體流經相對的兩運動平行平板縫隙的流量為壓差流動和剪切流動兩種流量的疊加，即式中，b—平板的寬度。(2)液體流經環形縫隙的流量。如圖1-13所示，環形縫隙的流量公式為式中,D—大圓直徑，D=2R；

δ—無偏心時環形縫隙值。由上式可以看出，當兩圓環同心e=0時，ε=0，可得到同心環縫隙的流量公式；當ε=1時，可得到完全偏心時的縫隙流量公式。因此，偏心愈大，洩漏量愈大，完全偏心時的洩漏量為同心時的2.5倍，故在液壓元件中柱塞式閥芯上都開有平衡槽，使其在工作時靠液壓力自動對中，以保持同心，減少洩漏。(3)流量損失。在液(氣)壓系統中，各液(氣)壓元件都有相對運動的表面，如液壓缸內表面和活塞外表面，因為要有相對運動，所以它們之間都有一定的間隙，如果間隙的一邊為高壓油，另一邊為低壓油，則高壓油就會經間隙流向低壓區，從而造成洩漏。同時由於液(氣)壓元件密封不完善，一部分流體也會向外部洩漏。這種洩漏造成實際流量有所減少，這就是通常所說的流量損失，如液壓泵、液壓缸、油箱、控制閥及管道、接頭連接處元件之間的洩漏。任務四液壓技術的基本理論五、液體在實際管路系統中的流動3.縫隙液流特性任務四液壓技術的基本理論五、液體在實際管路系統中的流動在液壓傳動中，液壓衝擊和氣穴現象都會給液壓系統的正常工作帶來不利的影響，因此需要瞭解這些現象產生的原因，並採取相應的措施以減小其危害。（1）液壓衝擊。在液壓系統中，因某種原因引起液體壓力在一瞬間突然升高，產生很高的壓力峰值，這種現象稱為液壓衝擊。產生液壓衝擊的原因主要有以下幾個方面：①液壓衝擊多發生在液流突然停止運動的時候。液流通路（如閥門）迅速關閉使液體的流動速度突然降為零，這時液體受到擠壓，使液體的動能轉變為液體的壓力能，於是液體的壓力急劇升高，從而引起液壓衝擊。②在液壓系統中，高速運動的工作部件突然制動或換向時，因工作部件的慣性也會引起液壓衝擊。如液壓缸做高速運動突然被制動，油液被封閉在兩腔中，由於慣性力的作用，液壓缸仍繼續向前運動，因而壓縮回油腔的液體，油液受到擠壓，暫態壓力急劇升高，從而引起液壓衝擊。③由於液壓系統中某些元件反應動作不夠靈敏，也會引起液壓衝擊。如溢流閥在超壓下不能迅速打開，形成壓力的超調量；限壓式變數液壓泵在油溫升高時不能及時減少輸油量等，都會引起液壓衝擊。液壓衝擊時產生的壓力峰值往往比正常工作壓力高好幾倍，這種瞬間壓力衝擊不僅引起振動和雜訊，使液壓系統產生溫升，有時會損壞密封裝置、管路和液壓元件，並使某些液壓元件(如順序閥、壓力繼電器等)產生錯誤動作，造成設備損壞。4.液壓衝擊和氣穴現象任務四液壓技術的基本理論五、液體在實際管路系統中的流動（接上）減少液壓衝擊的措施如下：①延長閥門開閉和運動部件制動換向的時間，可採用換向時間可調的換向閥。②限制管路流速及運動部件的速度，一般將管路流速控制在4.5m/s以內。③正確設計閥門或設置緩衝裝置（如阻尼孔），使運動部件制動時速度變化比較均勻。④適當增大管徑，不僅可以降低流速，而且可以減小壓力傳播速度。⑤儘量縮短管道長度，可以減少壓力波的傳播時間。⑥在容易發生液壓衝擊的地方採用橡膠軟管或設置蓄能器，以吸收衝擊的能量；也可以在容易出現液壓衝擊的地方，安裝限制壓力升高的安全閥。（2）氣穴現象。在液壓系統中，如果某點處的壓力低於液壓油的空氣分離壓力，原先溶解在液體中的空氣就會分離出來。如果液體的壓力進一步降低到液體的飽和蒸氣壓，液體將迅速汽化，產生大量蒸汽氣泡，這些氣泡混雜在油液中，產生空穴,使原來充滿管道或液壓元件中的油液成為不連續的狀態，這種現象稱為氣穴現象。氣穴現象多發生在閥口和液壓泵的吸油口處。在閥口處，一般由於通流截面較小使液流的速度增大，根據伯努利方程，該處的壓力會大大降低，以致產生氣穴。在液壓泵的吸油過程中，吸油口絕對壓力會低於大氣壓力，如果泵的安裝高度過大，吸油口處篩檢程式的阻力和管路阻力太大，油液黏度過高或泵的轉速過高，造成泵入口處的真空度過大，也會產生氣穴。任務四液壓技術的基本理論五、液體在實際管路系統中的流動（接上）當液壓系統中出現氣穴現象時，大量的氣泡破壞了液流的連續性，造成流量和壓力的脈動，當帶有氣泡的液流進入高壓區時，周圍的高壓會使氣泡迅速破滅，使局部產生非常高的溫度和衝擊壓力，引起振動和雜訊。當附著在金屬表面上的氣泡破滅時，局部產生的高溫和高壓會使金屬表面疲勞，時間長了就會造成金屬表面的剝蝕。這種由於氣穴造成金屬表面腐蝕的作用稱為氣蝕。氣蝕會使液壓元件的工作性能變壞，並大大縮短液壓元件的使用壽命。在液壓系統中，只要液體壓力低於空氣分離壓力，就會產生氣穴現象。如想完全消除是十分困難的。為減少氣穴和氣蝕的危害，通常採取下列措施：①減小閥孔或其他元件通道前後的壓力降。一般希望小孔和間隙前後的壓力比為p1：p2<3.5。②保持液壓系統中的油壓高於空氣分離壓力。如儘量降低液壓泵的吸油高度，採用內徑較大的吸油管並少用彎頭，吸油管的篩檢程式容量要大，以減小管路阻力，液壓泵轉速不能過高以防吸油不充分，必要時對高壓泵採用輔助泵供油。③降低液體中氣體的含量。如各元件的連接處要密封可靠，以防止空氣進入。④對容易產生氣蝕的元件，採用抗腐蝕能力強的金屬材料，增強元件的機械強度，減小表面粗糙度值，提高液壓元件的抗氣蝕能力。任務五氣動技術的基本理論一、氣壓技術的應用及歷史發展氣動技術歷史悠久，19世紀中葉，空氣壓縮機在英國問世，19世紀70年代開始在採礦業使用風鎬，19世紀80年代美國研製了火車的氣動刹車。第二次世界大戰以後，各國生產的迅速發展和經濟繁榮，氣動技術應運而生，20世紀60年代以來，氣動元件的發展速度已超過了液壓元件。氣動技術已發展成包括傳動、檢測與控制在內的自動化技術。氣動技術作為柔性製造系統在自動生產線、機器人、自動包裝流水線、半導體電子行業等方面成為不可缺少的重要手段。氣動技術的微型化、節能化、無油化、位置控制的高精度化及與電子技術、PLC技術與氣動技術的結合，是當前氣動技術的發展特點和方向。任務五氣動技術的基本理論二、氣壓傳動的工作原理液壓傳動與氣壓傳動的工作原理是基本相似的，現以圖1-14所示的氣動剪板機為例來簡要說明氣壓傳動的工作原理。當工料送入剪板機並到達預定位置時，工料將料切斷，並隨之鬆開行程閥8的閥芯使之複位，將排氣口封死，換向閥的A腔壓力上升，閥芯上移，使氣路換向。氣缸上腔進壓縮空氣，下腔排氣，活塞帶動剪刀向下運動，剪板機再次處於預備工作狀態。任務五氣動技術的基本理論三、氣壓傳動的組成及圖形符號由氣動剪板機實例可以看出，氣壓傳動系統主要是由以下幾部分組成：能源裝置：氣源裝置，其功用是將原動機輸出的機械能轉換成氣體的壓力能，為系統提供動力。執行機構：將氣體的壓力能轉化為機械能。實現這種轉化的裝置是氣缸（氣動馬達），它們的功用是將氣體的壓力能轉換成機械能，輸出力和速度（轉矩和轉速），驅動工作機構做功，實現直線運動或旋轉運動。控制元件：包括各種閥類元件，其功用是控制和調節系統中氣體的壓力、流量、流動方向及系統執行機構的動作程式，以保證執行機構按要求工作。輔助元件：保證系統正常工作所需的各種輔助裝置，如管路、管接頭、儲氣罐、篩檢程式、冷卻器、消聲器、壓力錶等。工作介質：傳遞能量的氣體，即壓縮空氣。液壓與氣壓傳動系統在工作中的能量轉換和傳遞過程是：機械能（電動機）流體壓力能（空氣壓縮機）機械能（氣缸、氣壓馬達）。圖1-14（b）所示為該氣壓系統的圖形符號圖。任務五氣動技術的基本理論四、氣壓傳動的優缺點由氣動剪板機實例可以看出，氣壓傳動系統主要是由以下幾部分組成：能源裝置：氣源裝置，其功用是將原動機輸出的機械能轉換成氣體的壓力能，為系統提供動力。執行機構：將氣體的壓力能轉化為機械能。實現這種轉化的裝置是氣缸（氣動馬達），它們的功用是將氣體的壓力能轉換成機械能，輸出力和速度（轉矩和轉速），驅動工作機構做功，實現直線運動或旋轉運動。控制元件：包括各種閥類元件，其功用是控制和調節系統中氣體的壓力、流量、流動方向及系統執行機構的動作程式，以保證執行機構按要求工作。輔助元件：保證系統正常工作所需的各種輔助裝置，如管路、管接頭、儲氣罐、篩檢程式、冷卻器、消聲器、壓力錶等。工作介質：傳遞能量的氣體，即壓縮空氣。液壓與氣壓傳動系統在工作中的能量轉換和傳遞過程是：機械能（電動機）流體壓力能（空氣壓縮機）機械能（氣缸、氣壓馬達）。圖1-14（b）所示為該氣壓系統的圖形符號圖。任務三液壓與氣壓傳動的優缺點及應用四、氣壓傳動的優缺點缺點優點（1）空氣可以從大氣中直接取得，同時用過的空氣也可直接排放到大氣中去，處理方便，不需要專門的回氣裝置，也沒有污染。（2）空氣的黏度很小，在管路中的壓力損失也小，因此便於集中供氣和遠距離輸送。（3）氣動動作迅速，反應快，維護簡單，調節方便，適合一般設備的控制。（4）壓縮空氣的工作壓力較低，因此對氣動元件的材質要求較低。（5）工作環境適應性好，能夠在惡劣的環境下進行正常的工作。（6）使用安全，沒有防爆的問題，並且便於實現超載保護。（1）空氣具有很大的可壓縮性，不易實現準確的速度控制和很高的定位精度，負載變化時對系統的穩定性影響較大。（2）氣動裝置中的信號傳遞速度較慢，僅限於聲速的範圍內。所以氣動技術不宜用於信號傳遞速度要求較高的複雜線路中。（3）氣動系統工作壓力較低，只適用於壓力較小的場合。（4）排氣雜訊大，高速排氣時要用消聲器。4.連續性方程是品質守恆定律在流體力學中的表現形式，它說明理想液體在通道中穩定流動時，流過各截面的流量相等；伯努利方程是能量守恆定律在流動力學中的表現形式。它反映了動能、勢能、壓力能三種能量之間的轉換。動量方程是動量定理在流體力學中的表現形式，用它可以計算流動液體作用在固體壁面上的力。5.在液壓傳動系統中，能量損失主要表現為壓力損失，有沿程壓力損失和局部壓力損失兩種。液體流經小孔、縫隙的流量特性是節流調速、液壓伺服系統工作原理的基礎，縫隙的流量特性是計算分析液壓系統洩漏的根據。6.在液壓傳動系統中，液壓衝擊和空穴現象的出現將會嚴重影響系統的工作性能，應針對產生原因積極採取預防措施。專案小結專案要點1.液壓泵的結構組成及工作原理。2.氣源裝置的組成和工作原理。3.液壓泵的選用與安裝要點。能力目標1.掌握液壓泵的結構組成和工作原理。2.掌握液壓泵的分類及工作過程。3.瞭解液壓泵的雜訊原因。4.熟悉液壓泵的選用方法。5.掌握氣源裝置的組成和工作原理。6.瞭解後冷卻器的工作原理。7.掌握空氣淨化處理裝置的組成和作用。任務一液壓泵的選用概述液壓泵是將電動機(或其他原動機)輸出的機械能轉換為液體壓力能的能量轉換裝置。在液壓傳動系統中，液壓泵是動力元件，是液壓系統的重要組成部分。液壓泵按結構可分為齒輪泵、葉片泵和柱塞泵。任務一液壓泵的選用概述圖2-1液壓壓力機液壓泵是液壓系統的核心元件，它的合理選用，對提高系統的效率、保證系統可靠工作、降低能耗、減少雜訊十分重要。如圖2-1所示為液壓壓力機，它是利用液壓系統進行工作的，液壓壓力機的工作壓力為10MPa，進入液壓缸的流量為6L/min，該液壓系統的動力元件是液壓泵，如何為設備選擇合適的液壓泵，是本節內容要解決的問題。一、容積式液壓泵的工作原理圖2-2液壓泵的工作原理

1-偏心輪；2-柱塞；3-缸體；4-彈簧；

5、6-單向閥要點講解任務一液壓泵的選用以圖2-2所示的單柱塞泵為例來介紹容積式液壓泵的工作原理。圖中柱塞2裝在缸體3中形成一個密封容積，柱塞在彈簧4的作用下始終壓緊在偏心輪1上。原動機驅動偏心輪1旋轉，柱塞2就在缸孔中做往復運動，從而使密封容積a的大小發生週期性的交替變化。當a由小變大時就形成部分真空，使油箱中油液在大氣壓作用下，經吸油管頂開單向閥6進入油腔而實現吸油；反之，當a由大變小時，a腔中吸滿的油液將頂開單向閥5流入系統而實現壓油。這樣液壓泵就將原動機輸入的機械能轉換成液體的壓力能，原動機驅動偏心輪不斷旋轉，液壓泵就不斷地吸油和壓油。液壓傳動系統中使用的液壓泵都是容積式液壓泵，它是借助配流裝置，依靠密閉容積的週期性變化來工作的。一、容積式液壓泵的工作原理任務一液壓泵的選用由以上所述可看出，容積式液壓泵工作必須具備如下基本條件：(1)結構上具有一個或多個密封且又可以週期性變化的工作空間。密封容積增大時與吸液口相通，減小時與排液口相通。液壓泵的輸出流量與此空間的容積變化量和單位時間內的變化次數成正比，與其他因素無關。(2)具有相應的配流裝置。通過配流裝置將吸液腔和排液腔隔開，保證液壓泵有規律地連續吸排液體。液壓泵的結構原理不同，其配流機構也不相同。如圖2-2所示的單柱塞泵的配流裝置採用的是單向閥5和6。(3)油箱內液體的絕對壓力必須恒等於或大於大氣壓力。這是容積式液壓泵能夠吸入油液的外部條件。因此，為保證液壓泵正常吸油，油箱必須與大氣相通，或採用密閉的充壓油箱。二、液壓泵的種類和圖形符號液壓泵的種類很多，按其結構不同可分為柱塞泵、齒輪泵、葉片泵等；按其輸油方向能否改變可分為單向泵和雙向泵；按額定壓力的高低可分為低壓泵、中壓泵和高壓泵。各種類型液壓泵的圖形符號見表2-1。任務一液壓泵的選用三、液壓泵的主要性能參數1.壓力①額定壓力：液壓泵在正常工作條件下，按試驗標準規定連續運轉允許達到的最高壓力，一般標注在液壓泵標牌上。②工作壓力：液壓泵實際工作時輸出油液的壓力。工作壓力取決於系統負載的大小和系統管路上的壓力損失，與液壓泵的流量無關。2.排量和流量①排量：液壓泵的排量是指泵每轉一圈所排出液體的幾何體積，用符號V表示，其單位為m3/r，工程上通常用mL/r。任務一液壓泵的選用三、液壓泵的主要性能參數任務一液壓泵的選用③實際流量:實際流量是指泵在實際工作壓力下，單位時間內輸出液體的體積，用符號q表示。實際流量與壓力有關，壓力越高，洩漏越大。實際流量、理論流量和洩漏量的關係為

式中，Δq—泵的洩漏量。④額定流量:額定流量是指泵在額定壓力下輸出的流量，其值標在液壓泵銘牌上。②理論流量：在不考慮液壓泵洩漏的條件下，在單位時間內輸出液體的幾何體積為理論流量，用符號qt表示，大小等於泵的排量V與其輸入轉速n的乘積，即三、液壓泵的主要性能參數任務一液壓泵的選用3.功率液壓泵輸入的是轉矩和轉速，輸出的是油液的壓力和流量。輸入功率為式中，Pi—液壓泵的實際輸入功率(電機輸出功率)；T—液壓泵的實際輸入轉矩；ω—液壓泵的角速度ω=2πn；n為液壓泵的轉速。輸出功率：

式中，P0—液壓泵的實際輸出功率；p—液壓泵的出口工作壓力；

q—液壓泵的實際輸出流量。三、液壓泵的主要性能參數任務一液壓泵的選用4.效率液壓泵在能量轉換過程中是有損失的，輸出功率總是小於輸入功率，兩者之差為功率損失。功率損失分為洩漏造成的容積損失和摩擦造成的機械損失。容積損失主要是液壓泵洩漏造成的。通常把液壓泵的實際流量q與理論流量qt的比值稱為容積效率，用符號ηV表示為

三、液壓泵的主要性能參數任務一液壓泵的選用機械損失是由於零件之間摩擦以及流動液體內摩擦造成的，主要表現為摩擦轉矩損失，因此泵的實際輸入轉矩大於理論轉矩。通常把驅動液壓泵的理論轉矩Tt與實際轉矩T的比值稱為機械效率，用符號ηm表示為

衡量功率損失的指標是泵的總效率。總效率是輸出功率與輸入功率的比值。根據能量守恆定律，若不計泵的能量損失，則泵的理論輸入功率與理論輸出功率應相等，即2πnTt=pqt，可得理論轉矩為

三、液壓泵的主要性能參數任務一液壓泵的選用機械效率為

總效率η為

式中，ηV為容積效率，ηm為機械效率。三、液壓泵的主要性能參數③實際流量：實際流量是指泵在實際工作壓力下，單位時間內輸出液體的體積，用符號q表示。實際流量與壓力有關，壓力越高，洩漏越大。實際流量、理論流量和洩漏量的關係為

q=qt－Δq

(2-2)式中，Δq—泵的洩漏量。④額定流量：額定流量是指泵在額定壓力下輸出的流量，其值標在液壓泵銘牌上。3.功率液壓泵輸入的是轉矩和轉速，輸出的是油液的壓力和流量。輸入功率為

Pi=Tω

(2-3)式中，Pi—液壓泵的實際輸入功率(電機輸出功率)；T—液壓泵的實際輸入轉矩；ω—液壓泵的角速度ω=2πn；n為液壓泵的轉速。任務一液壓泵的選用三、液壓泵的主要性能參數輸出功率：

P0=pq

(2-4)式中，P0—液壓泵的實際輸出功率；

p—液壓泵的出口工作壓力；

q—液壓泵的實際輸出流量。4.效率液壓泵在能量轉換過程中是有損失的，輸出功率總是小於輸入功率，兩者之差為功率損失。功率損失分為洩漏造成的容積損失和摩擦造成的機械損失。容積損失主要是液壓泵洩漏造成的。通常把液壓泵的實際流量q與理論流量qt的比值稱為容積效率，用符號ηV表示為

ηV

=

q/qt

=(qt－Δq)/qt

=1－Δq/qt

=

1－Δq/Vn

(2-5)任務一液壓泵的選用三、液壓泵的主要性能參數要點講解機械損失是由於零件之間摩擦以及流動液體內摩擦造成的，主要表現為摩擦轉矩損失，因此泵的實際輸入轉矩大於理論轉矩。通常把驅動液壓泵的理論轉矩Tt與實際轉矩T的比值稱為機械效率，用符號ηm表示為

ηm=Tt

/T

(2-6)衡量功率損失的指標是泵的總效率。總效率是輸出功率與輸入功率的比值。根據能量守恆定律，若不計泵的能量損失，則泵的理論輸入功率與理論輸出功率應相等，即2πnTt=pqt，可得理論轉矩為

Tt=

pqt/2πn

=

pV/2π機械效率為

ηm

=(pV/2π)/T總效率η為

η=

P0/Pi

=

pq/2πnT

=(q/qt)×(pV/2πT)=

ηVηm

(2-7)式中，ηV為容積效率，ηm為機械效率。任務一液壓泵的選用四、齒輪泵齒輪泵是一種應用比較廣泛的液壓泵。它的主要優點是：結構簡單，工作可靠，自吸能力強，對油液的污染不敏感。其缺點是：流量和壓力的脈動大，雜訊大，排量不可變。因為齒輪是對稱的旋轉體，所以齒輪泵的允許轉速較高，最高轉速可達3000r/min左右。根據工作壓力，齒輪泵分為三大類：額定壓力為2.5MPa,稱為低壓齒輪泵；額定壓力為16～20MPa，稱為中高壓齒輪泵；額定壓力達32MPa為高壓齒輪泵。按照齒輪嚙合形式，齒輪泵分為兩大類：外嚙合齒輪泵和內嚙合齒輪泵。任務一液壓泵的選用四、齒輪泵外嚙合齒輪泵由兩個參數相同的漸開線齒輪、泵體、端蓋、傳動軸等零件組成。如圖2-3所示為外嚙合齒輪泵的工作原理。泵體和前後端蓋以及齒輪之間形成了密封工作腔，圖2-3外嚙合齒輪泵的工作原理任務一液壓泵的選用1.外嚙合齒輪泵的結構和工作原理並由兩個齒輪的齒面接觸線將左右兩腔隔開，形成了吸排油腔。當齒輪按照圖示方向旋轉時，右側的輪齒逐漸退出嚙合，即主從動齒輪的輪齒各自從對方的齒穀中退出，密封工作容積增大，形成局部真空，因此油箱裏的液體在大氣壓力的推動下進入吸油腔；同時排油腔輪齒依次進入嚙合，密封工作容積減小，於是左側油液被擠出，輸送到壓力管路中去。當齒輪連續旋轉時，連續不斷地有輪齒在右側退出嚙合和在左側進入嚙合，因此齒輪泵也就能連續地吸油和排油。四、齒輪泵外嚙合齒輪泵的洩漏、困油和徑向液壓力不平衡是影響齒輪泵性能指標和壽命的三大問題。各種不同齒輪泵的結構特點之所以不同，是因為採用了不同結構措施來解決這三大問題所致。(1)洩漏。外嚙合齒輪泵存在三個可能產生洩漏的部位：齒輪端面和端蓋間；齒輪齒頂和殼體內孔間以及兩個齒輪的齒面嚙合處。其中，對洩漏影響最大的是齒輪端面和端蓋間的軸向間隙，通過軸向間隙洩漏的量可占總洩漏量的75％~80％，因為這裏洩漏途徑短，洩漏面積大。軸向間隙過大，洩漏量多，會使容積效率降低；但間隙過小，齒輪端面和端蓋之間的機械摩擦損失增加，會使泵的機械效率降低。因此設計和製造時必須嚴格控制泵的軸向間隙。2.外嚙合齒輪泵存在的主要問題任務一液壓泵的選用齒輪泵要平穩工作，齒輪嚙合的重疊係數必須大於1，也就是說要求在一對輪齒即將脫開嚙合前，後面的一對輪齒就要開始嚙合。就在兩對輪齒同時嚙合的這一小段的時間內，留在齒間的油液困在兩對輪齒和前後泵蓋所形成的一個密閉空間中，如圖2-4(a)所示。當齒輪繼續旋轉時，這個空間的容積逐漸減小，直到兩個嚙合點A、B處於節點兩側的對稱位置時，如圖2-4(b)所示，其封閉容積減至最小。由於油液的可壓縮性很小，當封閉空間的容積減小時，被困的油液受到擠壓，壓力急劇上升，四、齒輪泵任務一液壓泵的選用(2)困油現象油液從零件接合面的縫隙中強行擠出，使齒輪和軸承受到很大的徑向力；當齒輪繼續旋轉，這個封閉容積又逐漸增大到如圖2-4(c)所示的最大位置，容積增大時又會造成局部真空，使油液中溶解的氣體分離，產生氣穴現象，這些都將使齒輪泵產生強烈的雜訊，這就是齒輪泵的困油現象。(a) (b) (c)圖2-4

困油現象四、齒輪泵(a) (b) (c)圖2-4

困油現象任務一液壓泵的選用消除困油現象的方法，通常在齒輪泵的兩側端蓋上銑兩條卸荷槽(見圖2-4中虛線)，當封閉容積減小時，使其與壓油腔相通，如圖2-4(a)所示；而當封閉容積增大時，使其與吸油腔相通，如圖2-4(c)所示。四、齒輪泵任務一液壓泵的選用圖2-5

非對稱卸荷槽尺寸一般的齒輪泵兩卸荷槽是非對稱開設的。往往向吸油腔偏移，兩槽間的距離必須保證在任何時候都不能使吸油腔和壓油腔相互串通。如對於分度圓壓力角為20°，模數為m的標準漸開線齒輪a＝2.78mm，當卸荷槽為非對稱時，在壓油腔一側必須保證卸荷槽與兩齒輪中心連線間的距離b＝0.8mm，另一方面為保證卸荷槽暢通，須保證槽寬c>2.5mm，槽深h≥0.8mm，如圖2-5所示。要點講解四、齒輪泵齒輪泵運轉經驗表明，軸承承受不平衡的徑向力是造成軸承磨損，影響齒輪泵壽命的主要原因。齒輪泵工作時，因排液腔的壓力大於吸液腔的壓力，從排液腔到吸液腔，齒輪頂圓圓周徑向液壓力是線性階梯式變化的，徑向液壓力分佈如圖2-6所示。

圖2-6

齒輪徑向液壓力分佈及齒輪受力分析從圖中可看出，由於從動齒輪所受嚙合力與主動齒輪的嚙合力相反，且與徑向液壓力方向大體一致，所以從動齒輪軸承所受徑向力的合力要比主動齒輪所受合力F大得多，這就是在使用中從動齒輪較主動齒輪軸承磨損快的原因。對於中高壓齒輪泵，其軸承負載是非常大的。因而，齒輪泵的使用期限幾乎取決於軸承的使用期限。任務一液壓泵的選用(3)徑向液壓力不平衡問題要延長齒輪泵的壽命、減少機械磨損，必須減小徑向不平衡力的影響，為此，在結構上可採取如下措施：(1)縮小排液口尺寸，使高壓油液作用在齒輪上的面積縮小，從而減小齒輪上的徑向液壓力。(2)適當增大徑向間隙，增大齒頂圓與泵體內孔的間隙(0.13~0.16)，即使齒輪在壓力作用下，只有靠近吸液腔的1~2個齒範圍內的泵殼與齒頂保持較小的間隙，而其餘大部分區間齒頂與泵殼保持較大間隙，使該區間內的液壓力基本上等於液壓泵出口壓力值，從而使大部分徑向液壓力得到平衡。(3)理論研究表明，外嚙合齒輪泵齒數愈少，脈動率就愈大，其值最高可達20％以上，內嚙合齒輪泵的流量脈動率要小得多。四、齒輪泵任務一液壓泵的選用四、齒輪泵3.高壓齒輪泵的特點

圖2-7

端面間隙的補償原理任務一液壓泵的選用高壓齒輪泵與低壓齒輪泵的工作原理是相同的，但為了使其具有較高的工作壓力，一般在結構上都採用端面間隙自動補償裝置減小端面洩漏，從而保證泵在較大範圍內有較高的效率，其補償原理如圖2-7所示，泵內壓油腔的壓力油經專門的通道引到浮動軸套的外側，產生液壓作用力，這個力須稍大於齒輪端面作用在軸套內側的力，使軸套始終自動貼緊齒輪端面，從而減小了泵內通過端面的洩漏，提高了壓力。並在結構上採取一定措施使軸承有較高的壽命。要點講解四、齒輪泵

（a) (b)

圖2-8

內嚙合齒輪泵任務一液壓泵的選用4.內嚙合齒輪泵的簡介內嚙合齒輪泵有漸開線齒輪泵和擺線齒輪泵(又名轉子泵)兩種，如圖2-8所示，其工作原理和主要特點與外嚙合齒輪泵基本相同。在漸開線齒形的內嚙合齒輪泵中，小齒輪和內齒輪之間要裝一塊月牙形的隔板，以便把吸油腔和壓油腔隔開，如圖2-8(a)所示。在擺線齒形的內嚙合齒輪泵中，小齒輪和內齒輪只相差一個齒，因而不須設置隔板，如圖2-8(b)所示。內嚙合齒輪泵中的小齒輪為主動輪。內嚙合齒輪泵結構緊湊，尺寸小，品質輕，由於齒輪轉向相同，相對滑動速度小，磨損小，使用壽命長，流量脈動遠小於外嚙合齒輪泵，因而壓力脈動和雜訊都較小；內嚙合齒輪泵允許使用高轉速，因為高轉速下的離心力能使油液更好地充入密封工作腔，可獲得較高的容積效率。擺線內嚙合齒輪泵排量大，結構簡單，而且由於嚙合的重疊係數大，傳動平穩，吸油條件更好。內嚙合齒輪泵的缺點是齒形複雜，加工精度要求高，需要專門的製造設備，造價較貴，隨著工業技術的發展，它的應用將會越來越廣泛。五、葉片泵葉片泵的結構較齒輪泵複雜，其工作壓力較大，流量脈動小，工作平穩，雜訊較小，壽命較長，所以被廣泛應用於機械製造中的專用機床、自動線等中低壓液壓系統中。但其結構複雜，吸油特性不太好，對油液的污染也比較敏感。根據各密封工作容積在轉子旋轉一周吸排液次數的不同，葉片泵分為兩類，即完成一次吸排油液的單作用葉片泵和完成兩次吸排油液的雙作用葉片泵。單作用葉片泵多用於變數泵，工作壓力最大為7.0Mpa；雙作用葉片泵均為定量泵，一般最大工作壓力為7.0MPa，結構經改進的高壓葉片泵最大工作壓力可達16.0～21.0MPa。任務一液壓泵的選用1.單作用葉片泵的工作原理任務一液壓泵的選用五、葉片泵(一)單作用葉片泵如圖2-9所示，定子具有圓柱形內表面，定子和轉子間有偏心距e，葉片裝在轉子槽中，並可在槽內滑動，當轉子回轉時，由於離心力的作用，使葉片緊靠在定子內壁，這樣在定子、轉子、葉片和兩側配油盤間形成若干個密封的工作空間。當轉子按圖示的方向回轉時，在圖的右部，葉片逐漸伸出，葉片間的工作空間逐漸增大，從吸油口吸油，這是吸油腔。在圖的左部，葉片被定子內壁逐漸壓進葉片槽內，工作空間逐漸縮小，將油液從壓油口壓出就是壓油腔。在吸油腔和壓油油腔之間，有一段封油區，把吸油腔和壓油腔隔開。這種葉片泵轉子每轉一周，每個工作空間完成一次吸油和壓油，因此稱為單作用葉片泵。轉子不停地旋轉，泵就不斷地吸液和排液。

圖2-9單作用葉片泵的工作原理1-轉子；2-定子；3-葉片轉子中心與定子中心存在偏心距e，改變定子和轉子之間的偏心便可改變流量。偏心反向時，吸油與壓油方向也相反，存在困油現象。(1)為了防止吸排油腔的溝通，配流盤的吸排油窗口間密封角略大於兩相鄰葉片間的夾角。當上述被封閉的容積發生變化時，會產生困油現象。單作用葉片泵的困油現象不十分嚴重，通過在配流盤排油窗口邊緣開三角槽的方法可以消除困油現象。(2)處在壓油腔的葉片頂部受壓力油的作用，要把葉片推入轉子槽內。為了使葉片頂部可靠地和定子內表面相接觸，壓油腔一側的葉片底部要通過特殊的溝槽和壓油腔相通。吸油腔一側的葉片底部要和吸油腔相通，葉片僅靠離心力的作用頂在定子內表面上。任務一液壓泵的選用五、葉片泵2.單作用葉片泵的結構特點(3)葉片沿著旋轉方向後傾安裝，由上述可知葉片僅靠離心力即可緊貼定子表面。考慮到葉片上所受的哥氏慣性力、葉片與定子間的摩擦力及葉片的離心力的合力儘量與槽的傾斜方向一致，以免側向分力影響葉片的伸出，所以轉子槽是後傾的，通常後傾角為24°。(4)轉子承受徑向力，單作用葉片泵轉子上的徑向液壓力不平衡，軸承負荷較大，泵的工作壓力的提高受到限制。任務一液壓泵的選用五、葉片泵要點講解任務一液壓泵的選用五、葉片泵如圖2-10所示。雙作用葉片泵由轉子、定子、葉片和配油盤等組成。轉子和定子中心重合，定子內表面近似為橢圓柱形，該橢圓形由兩段大圓弧、兩段小圓弧和四段過渡曲線組成。

圖2-10

雙作用時片泵的工作原理1-轉子；2-定子；3-葉片1.雙作用葉片泵的工作原理(二)雙作用葉片泵當轉子轉動時,葉片在離心力和根部壓力油(建壓後)的作用下,在轉子槽內向外移動而壓向定子內表面,由葉片、定子的內表面、轉子的外表面和兩側配油盤形成若干個密封空間，當轉子按圖示方向逆時針旋轉時，處在小圓弧上的密封空間經過渡曲線而運動到大圓弧的過程中，葉片外伸，密封空間的容積增大，吸入油液；在從大圓弧經過渡曲線運動到小圓弧的過程中，葉片被定子內壁逐漸壓進葉片槽內，密封空間容積變小，將油液從壓油口壓出。因而，轉子每轉一周，每個工作空間要完成兩次吸油和壓油，所以稱之為雙作用葉片泵。這種葉片泵由於有兩個吸油腔和兩個壓油腔，並且各自的中心夾角是對稱的，作用在轉子上的油液壓力相互平衡，因此雙作用葉片泵又稱為卸荷式葉片泵。為了使徑向力完全平衡，密封空間數(即葉片數)應當是偶數。任務一液壓泵的選用五、葉片泵2.雙作用葉片泵的結構特點圖2-11配油盤1、3-壓油窗口；2、4-吸油窗口要點講解(1)配油盤：雙作用葉片泵的配油盤，如圖2-11所示。盤上有兩個吸油窗口2、4和兩個壓油窗口1、3，窗口之間為封油區，通常應使封油區對應的中心角稍大於或等於兩個葉片之間的夾角β，否則會使吸油腔和壓油腔連通，造成洩漏。當兩個葉片間的密封油液從吸油區過渡到封油區(大圓弧處)時，其壓力基本上與吸油壓力相同，但當轉子再繼續旋轉一個微小角度時，該密封腔突然與壓油腔相通，使其中油液壓力突然升高，油液的體積突然收縮，壓油腔中的油液倒流進該腔，使液壓泵的暫態流量突然減小，引起液壓泵的流量脈動、壓力脈動和雜訊。因此，在配油盤的壓油窗口靠葉片從封油區進入壓油區的一邊開有一個截面形狀為三角形的三角槽(又稱眉毛槽)，使兩葉片之間的封閉油液在未進入壓油區之前就通過該三角槽與壓力油相通，使其壓力逐漸上升，因而緩解了流量和壓力脈動並降低了噪音。槽c與壓油腔相通並轉子葉片槽底部相通，使葉片的底部作用有壓力油。(2)定子曲線：由四段圓弧和四段過渡曲線組成。過渡曲線應保證葉片貼緊在定子內表面上，保證葉片在轉子槽中徑向運動時速度和加速度變化均勻，使葉片對定子的內表面的衝擊盡可能小。定子過渡曲線主要有以下幾種：修正的阿基米德螺線、正弦加速曲線、等加速-等減速曲線、高次曲線。在較為新型的泵中多採用等加速-等減速曲線。(3)葉片的傾角：葉片在工作過程中，受離心力和葉片根部壓力油的作用，使葉片和定子緊密接觸。當葉片轉至壓油區時，定子內壁迫使葉片縮向轉子中心。研究表明，在雙作用葉片泵中，將葉片順著轉子回轉方向前傾一個角度(向前傾斜13°)，可減小定子內壁對葉片作用的側向力，使葉片在槽中移動靈活，並可減少磨損。但近年的研究表明，某些高壓雙作用葉片泵的轉子槽是徑向的，且使用情況良好。任務一液壓泵的選用五、葉片泵任務一液壓泵的選用五、葉片泵單作用葉片泵的變數方法有手調和自動調節兩種。自調變數泵又根據其工作特性的不同分為限壓式、恒壓式和恒流量式三類，其中以限壓式應用較多。限壓式變數葉片泵是利用泵排油壓力的回饋作用實現變數的，它有外回饋和內回饋兩種形式，下麵主要介紹外回饋的工作原理和特性。(三)限壓式變數葉片泵任務一液壓泵的選用五、葉片泵1.外回饋式變數葉片泵的工作原理

圖2-12

外回饋式變數葉片泵的工作原理1、4-調節螺釘；2-轉子；3-定子；5-限壓彈簧；6