天理工液压传动讲义

PAGE1PAGE1第一章液压传动概述液压传动相对机械传动，是一门新兴的技术，具有许多突出的优点，广泛用于机械、工程、冶金、航空、运输等领域。作为机制专业的一门技术基础课，要求通过学习掌握液压传动的基本工作原理、能分析阅读现有设备中中等复杂程度的液压系统原理图、能根据要求初步设计液压传动系统，正确选用标准元件。一、液压传动的研究对象液压传动：以液压油作为工作介质，利用液体的压力能实现能量传递。它基于流体力学的帕斯卡原理，也称静液传动或容积式传动。如液压泵。液力传动：利用液体的动能实现能量传递，它基于流体力学动量矩定理，也称动液传动。如水轮机，液力变矩器。这里仅讨论液压传动。二、液压传动的基本工作原理以液压千斤顶为例来说明。液压千斤顶由大、小两个液压缸，油箱，两个单向阀，阀门以及它们之间的连接管道，构成封闭的油路装置，其内充满液体。1．阀门关闭时提起手柄，小液压缸活塞向上移动，其工作容积增加，形成真空，油箱里面的油液在大气压力的作用下，顶开单向阀进入小液压缸；压下手柄，小液压缸的活塞向下移动，挤压下面的液体，单向阀自行关闭，（单向阀的作用正如图形符号所示，只能使油液单方向通过）这部分油液压力升高，顶开另一个单向阀，油液进入大液压缸，推动大活塞，从而顶起重物；再提起手柄，单向阀反向不通，阻止大液压缸内的压力油倒流入小液压缸，以保证重物不致自动落下。2．阀门打开时大液压缸腔内的油液流回油箱，重物作用于大活塞，使其下移，千斤顶处于复位状态。反复打开、关闭阀门，上、下提压手柄，可以实现重物的上升和下降。三、液压传动的工作特性将千斤顶的工作原理图用图示的简化模型来代替，可以看出：1．力的传递按照帕斯卡原理进行。根据流体力学中的帕斯卡原理，平衡液体内某一点的压力等值地传递到液体各点，因此有====2．液压传动中压力取决于负载。只有大活塞上有了重物W（负载），小活塞上才能施加上作用力F，并使液体受到压力，所以负载是第一性的，压力是第二性的。即有了负载，并且作用力足够大，液体才受到压力，压力的大小取决于负载。3．负载的运动速度取决于流量。液压传动中传递运动时，速度传递按照容积变化相等的原则进行。A1L1＝A2L2v1=L1/t，v2=L2/t上式可以写成：A1v1=A2v2＝Q此式即为流体力学中的连续性方程，Q为流量，所以负载（重物W）的运动速度v2取决于进入大液压缸的流量Q。压力和流量是液压传动中最重要的参数。四、液压传动的组成任何一个液压系统都是由以下几个部分组成的：动力元件：把原动机的机械能转换成液体压力能的转换元件。最常见的形式是液压泵，它是液压系统的能源。执行元件：把液体的液压能转换成机械能的转换元件。它可以是液压缸（实现直线运动），也可以是液压马达（实现回转运动）。控制元件：对液压系统中油液的压力、流量或流动方向进行控制或调节的元件。例如各种液压阀。辅助元件：指油箱、管道、滤油器、压力表等元件，在系统中起储存油液、连接、滤油、测量等作用，它们对保证系统正常工作也具有重要作用。五、液压传动的优缺点优点：1．在同等输出功率下，液压传动装置的体积小，重量轻，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。液压装置由于重量轻，惯性小，反应快，易于实现快速启动、制动和频繁换向。换向频率，在实现往复回转运动时可达500次/分钟，实现往复直线运动时可达1000次/分钟。3．液压装置能在大范围内实现无级调速（调速范围可达1：2000），且调速性能好。4．液压传动容易实现自动化。液压控制和电气控制结合起来使用时，能实现复杂的顺序动作和远程控制。5．液压装置易于实现过载保护。液压元件能自行润滑，寿命较长。6．液压元件已实现标准化、系列化和通用化，所以液压系统的设计、制造和使用都比较方便。缺点：1．液压传动不能保证严格的传动比。这是由于液压油的可压缩性和泄漏等因素造成的。2．液压传动中，能量经过二次变换，能量损失较多，系统效率较低。3．液压传动对油温的变化比较敏感（主要是粘性），系统的性能随温度的变化而改变。4．液压元件要求有较高的加工精度，以减少泄漏，从而成本较高。5．液压传动出现故障时不易找出。六、液压传动的应用（见课件）

第二章液压流体力学§2－1液压油的主要物理性质在液压系统中，液压油是传递动力和信号的工作介质。同时，它还起到润滑、冷却和防锈的作用。液压系统能否可靠有效地工作，在很大程度上取决于系统中所使用的液压油。一、液压油主要特性1．粘性1）定义：液体在外力作用下流动时，分子间的内聚力要阻止分子的相对运动而产生一种内摩擦力，这种形象叫做液体的粘性。液体只有在相对运动时才会出现粘性，静止液体不显示粘性。2）牛顿内摩擦定律为了掌握液体粘性的本质，下面观察一种现象。设两个平行平板，其间充满液体，下平板固定不动，上平板以速度U向右移动，附着在平板表面液体层的速度与平板速度相同。现在其间任取一薄层dz，速度近似按线性规律分布，下层液体速度设为u，上层液体速度设为u＋du，由于液体层间产生相对运动，因此液体层间产生内摩擦力F。实验测定指出，液体流动时相邻液体层间的内摩擦力F与接触面积A成正比速度梯度du/dz成正比液体的种类及温度有关接触面上的压力无关它们之间的关系可用牛顿内摩擦定律表示：或μ－液体动力粘度，与液体的种类和温度有关；τ－内摩擦切应力（单位面积上的内摩擦力）；－速度梯度，即液体层间相对速度对液层距离的变化率。3）动力粘度μ：是表征液体粘性大小的物理量。它的物理意义是：当速度梯度等于1时，液体层间单位面积上的内摩擦力。它的单位是：Pa·S（帕·秒)。动力粘度μ与密度ρ的比值称为运动粘度，用ν表示，ν=μ/ρ。运动粘度的单位为m2/s，工程中还使用cSt（厘沲），1m2/s＝106cSt＝106mm2/s。ISO（国际标准组织）规定统一采用运动粘度来表示油的粘度。我国生产的机械油和液压油采用40°C时的运动粘度（mm2/s）为其标号。例如YA－N32中YA是普通液压油，N32表示40°C时油的平均运动粘度为32mm2/s。4）影响粘度的因素：温度：液体的粘度随温度的升高而下降。液体粘度对温度很敏感，温度略有升高，其粘度明显下降。这是由于温度升高时，分子间距增大，分子间内聚力减小的缘故。液体粘度随温度变化的关系可以用粘－温曲线表示。油液粘－温特性的好坏国际和国内均采用粘度指数（VI）来衡量。压力：压力增加时，粘度略有增加。这是因为压力增加时，分子间距缩小，内聚力增加。压力对粘度的影响不大，一般情况下，特别是压力较低时，可不考虑。2．可压缩性在温度不变的条件下，液体受压时，体积要缩小，这一性质称为可压缩性。假设液体压力为p0时体积为V0，当压力增加Δp时，体积减小ΔV。液体的可压缩性用体积压缩系数β或其倒数体积弹性模量K表示。,油液的可压缩性比钢大得多，约为钢的100～150倍。液压油的体积弹性模量和温度、压力有关，温度增大时，K减小；压力增大时，K增大。一般情况下，在对中、低压系统进行静态特性分析、计算时，油的可压缩性对系统性能影响不大，可以忽略，认为液体是不可压缩的。但在高压下或研究系统动态性能时，必须予以考虑。二、液压油的选择和使用1．液压油的种类液压系统使用的工作介质有以下几种类型：石油型液压油：普通液压油（YA）、液压－导轨油、抗磨液压油（YB）、低温液压油（YC）、高粘度指数液压油（YD）、机械油、汽轮机油乳化型液压液：水包油乳化液（YRA）、油包水乳化液（YRB）合成型液压液：水－乙二醇液（YRC）、磷酸酯液（YRD）2．对液压油的要求为了很好地传递动力和运动，液压油应具有如下性能：良好的化学稳定性；良好的润滑性能，以减小元件中相对运动表面的磨损；质地纯净，不含或含有极少量的杂质、水分和水溶性酸碱等；适当的粘度和良好的粘温特性；凝固点较低，以保证油液能在较低温度下正常使用；自燃点和闪点要高；抗泡沫性和抗乳化性要好腐蚀性小，防锈性好；对人体无害，成本低。3．液压油的选用目前，90％以上的液压系统采用石油型液压油。合成型液压液价格贵，只有在某些特殊设备中，其抗燃要求高、使用压力高、温度范围大等情况下采用。工作压力不高时，高水基乳化液也是一种良好的抗燃液。选用液压油时，最先考虑的是油液的粘度（粘度既影响泄漏，又影响功率损失），其次还应考虑系统的工作压力、环境温度、运动速度、液压泵的类型等因素。§2－2液体静力学一、静压力及其性质静力学研究液体处于相对平衡状态下的力学规律和应用。相对平衡是指液体内部各质点之间没有相对运动，此时液体不显示粘性。液体内部无剪切应力，而只有法向应力，即静压力。静压力（简称压力）：指液体处于相对静止时，单位面积上所受的法向作用力。如果静止液体中某一微小面积ΔA上作用有法向力ΔF，则该点的压力定义为二、静压力的两个重要性质：1）液体静压力垂直于作用面，其方向和该面的内法线方向一致。这是因为液体只能受压，而不能受拉。2）静止液体中任意点受到各个方向的压力都相等。如果液体中某点受到的压力不相等，那么液体就要运动，静止条件就要破坏。三、液体静力学基本方程在重力作用下的静止液体，其受力情况如图所示。作用在液面上的压力为p0，现要求得液面下深h处A点的压力。可以从液体内取出一个包含A点的垂直小液柱，其上顶与液面重合，设小液柱底面积为ΔA，高为h。这个小液柱在重力及周围液体压力作用下，处于平衡状态。垂直方向的力平衡方程为pΔA=p0ΔA＋ρghΔA即p=p0＋ρgh上式为静力学基本方程。它说明了：1）静止液体内任一点处的压力为液面压力和液柱重力所产生的压力之和。2）静止液体内的压力随着深度h呈直线规律分布。3）深度相同处各点的压力都相等。压力相等的所有点组成的面叫做等压面。在重力作用下静止液体中的等压面是水平面。四、帕斯卡原理在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以相等的数值传递到液体各点，这就是静压传递原理，即帕斯卡原理。帕斯卡原理可以用静力学基本方程解释。五、压力的表示方法及单位绝对压力：以绝对真空为基准进行度量；相对压力：以大气压力为基准进行度量。绝大多数测压仪表所测得的压力都是相对压力，也称表压力。当液体中某点绝对压力小于大气压时，就会产生真空，压力的大小可用真空度表示。真空度：大气压力与真空区的绝对压力之差。相对压力＝绝对压力－大气压力真空度＝大气压力－真空区绝对压力绝对压力、相对压力、真空度之间的相互关系如图所示。压力的法定计量单位为Pa（N/m2，帕）或MPa（兆帕），与工程大气压的换算关系为1atm1atm＝101325Pa六、静压力对固体壁面的总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总作用力。如果忽略液体自重所产生的压力，则认为静止液体内各处的压力大小相等。1．固体壁面为平面作用在平面上压力的方向互相平行，总作用力F等于静压力p与承压面积A的乘积。即F＝pA2．固体壁面为曲面作用在曲面上的压力的方向均垂直于曲面，将曲面分成若干微小面积dA，作用在微小面积上的力为dF＝pdA，如图所示，将dF分解为x、y两个方向的力，即dFx＝pdAsinθ＝pdAxdFy＝pdAcosθ＝pdAy积分后得，总作用力F为结论：静压力作用在曲面上的力在某一方向上的分力等于压力与曲面在该方向投影面积的乘积。举例：见附页§2－3液体动力学液体动力学研究液体在外力作用下的运动规律，即研究作用于液体上的力与液体运动间的关系。由于液体具有粘性，液体流动时有内摩擦力。因此，研究液体流动时必须考虑粘性的影响。一、基本概念1．理想液体和实际液体理想液体：既无粘性，又无压缩性的假想液体。实际液体：既有粘性，又有压缩性的真实液体。2．稳定流动和非稳定流动在流场中，由于液体是连续介质，所以液体质点的运动参数（如速度、压力等）可以看成是空间坐标和时间的连续函数。稳定流动：液体的运动参数只随位置变化，与时间无关。也称恒定流动。非稳定流动：液体的运动参数不仅随位置变化，而且与时间有关。也称非恒定流动。3．流线、流束、通流截面流线：某一瞬时液流中标志其各处质点运动状态的曲线，在流线上各点的瞬时速度方向与该点的切线方向重合。流线的性质：1)稳定流动时，流线形状不随时间变化。2)流线不能相交，也不能转折。3)流线是连续光滑的曲线。流束：面积A上所有各点的流线的集合。1)流束内外流线均不能穿越流束表面。2)面积A无限小时的流束，称为微小流束。通流截面：流束中与所有流线正交的截面。1)流线彼此平行的流动称为平行流动；2)流线间的夹角很小，或流线的曲率半径很大的流动称为缓变流动（相反情况便是急变流动）。3)二者的通流截面均认为是平面，急变流动的通流截面是曲面。4．流量和平均流速流量：单位时间内通过流束通流截面的液体体积。设液流中某一微小流束通流截面dA上的流速为u，则通过dA的微小流量为dQ＝udA，积分后，可得流经通流截面A的流量Q平均流速：流量与通流截面之比。由于液体具有粘性，所以在通流截面上流速分布不均匀。在液压传动中，常用一个假想的平均流速v代替真实流速u，使得以平均流速流经通流截面的流量与实际通过的流量相等。二、液体流动的连续性方程连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的应用。在流动的液体中取一控制体积V，其内部质量为m。单位时间内流入控制体积的流量Qm1＝ρ1Q1单位时间内流出控制体积的流量Qm2＝ρ2Q2根据质量守恒定律，Qm1－Qm2应等于该时间内体积V中液体质量的变化率dm/dt，又由于m＝ρV，因此假设液体沿轴向运动（一维流动），如图所示。取截面1和截面2之间的管道为控制体，通流截面积为A1、A2，平均流速分别为v1、v2。对于稳定流动，不可压缩液体，V＝常数，ρ＝常数，上式变为Q＝v1A1＝v2A2说明：在稳定流动中，流过各截面的不可压缩液体的流量是相等的，而且液体的平均流速与管道的通流截面积成反比。举例（见附页）三、液体流动的伯努利方程伯努利方程是流动液体的能量守恒定律。1．理想液体的运动微分方程某一瞬时t，在液流的微小流束中取一微元体积dV（dV=dAds），dA－微元体积的通流截面，ds－微元体积的长度），如图所示。在一维流动的情况下，u＝f（s，t），p＝g（s，t），对理想液体，作用在微元体积上的外力有：1)压力产生的作用力2)质量力j－单位质量力，质量力仅有重力时，j=-g；θ－单位质量力与流线s间的夹角，。3)惯性力根据牛顿第二定律，可得液体运动的微分方程式-=整理得上式为理想液体的运动微分方程，也叫欧拉方程。2．理想液体的伯努利方程将欧拉方程两边同乘以ds，并从截面1积分到截面2两边同除以g，移项整理得对于稳定流动，，故上式变为上式为理想液体微小流束的伯努利方程。方程的物理（能量）意义：Z:单位重量液体所具有的位能，称为比位能(位置水头)。:单位重量液体所具有的压力能，称为比压能（压力水头）。:单位重量液体所具有的动能，称为比动能（速度水头）。Z++:单位重量液体所具有的总能量，称为总比能（总水头）。管内作稳定流动的理想液体，在任意截面上，液体的总比能保持不变，但比位能、比压能、比动能可以相互转换。3．实际液体的伯努利方程实际液体具有粘性，在流动时会产生摩擦损失。如果单位重量实际液体在微小流束中从截面1流到截面2，因粘性而损耗的能量为，则实际液体微小流束的伯努利方程为为了求得实际液体流束的伯努利方程，取一段流束，两端通流截面分别为A1、A2。将上式两端乘以微小流量dQ（dQ＝u1dA1＝u2dA2），然后各自对流束的通流截面A1、A2进行积分，得若所选截面为缓变流截面，可以证明在该面上各点处的压力符合静压力分布规律，即。以平均流速v代替实际流速u，所产生的误差用动能修正系数α进行修正。α＝实际动能/平均动能，即用平均能量损失代替实际能量损失，即令由此可得实际液体流束的伯努利方程方程的适用条件：1)稳定流动，不可压缩液体；2)质量力只有重力；3)所取截面为缓变流截面；4)流量沿流程保持不变；5)层流时α＝2，紊流时α＝1。解题步骤：1．选水平基准面（管子轴心、已知数多、未知数少）。2．选缓变流断面（直管段、大容器液面、较小截面出口的管嘴）。3．在缓变流断面上选点。4．按照液体流动方向列写伯努利方程（方程两边压力基准要统一）。5．未知数多于方程个数时，应列其他辅助方程（如连续性方程）求解。举例（见附页）四、动量方程液流作用在固体壁面上的作用力，可以用动量方程求解。动量定律：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变化率，即把动量定律应用到液体上时，在任意时刻t从流束中取出一控制体积进行分析，如图所示。假定液体经过dt时间后运动到虚线所示位置，则在dt时间内控制体积中液体质量的动量变化为d(Σudm)=[(IⅢt+dt+IⅡt+dt)-(IⅠt+IⅢt)]将动量代入上式，并考虑到当dt→0时，体积VⅡ近似地等于V，得到第一项：瞬态液动力，使控制体内液体加（减）速所需的力。第二项：稳态液动力，液体在不同位置上具有不同速度所引起的力。若取管道内两截面之间为控制体，则控制体的位置没有变化，液体流进和流出控制体积时，流量Q相等，单位时间内的实际动量为，un=u。用平均流速代替实际流速，所产生的误差用动量修正系数β修正。β＝平均动量/实际动量，即层流时β＝4/3，紊流时β＝1。对于稳定流动，由此得到动量方程F＝ρQ(β2v2－β1v1)写成分量形式Fx＝ρQ(β2v2x－β1v1x)液体对壁面作用力的大小与F相同，但方向与F相反。举例（见附页）§2－4管道中液流的特性实际液体具有粘性，流动时产生阻力，造成能量损失，下面将讨论产生能量损失的物理本质和计算方法。一、液体的流态1．雷诺实验19世纪末，雷诺首先通过实验观察了管内水的流动情况，发现液体有两种流动状态：层流和紊流。雷诺实验装置如图所示。两个容器中分别装有无色和有色的水，调节水平管的阀门K可以改变液体在管中的流速。1)微微打开阀门K，使之有液体通过，并打开有色水阀门，此时有色液体流动是一条水平直线，与无色液体互不混杂，保持各自的流线，这种流态称为层流。2)开大阀门K，管内液体流速增大，有色液体开始波动，当流速达到一定值时，有色液体流线出现分散、中断，直至被混杂在无色液体中，这种流态称为紊流运动。3)重新关小阀门K，有色液体又会逐渐形成一条稳定的流线，液体流动状态从紊流又变到层流。2．流态层流：液体质点互不干扰，流动呈线性或层状，平行于管道轴线，没有横向运动。层流运动时，液体流速较低，粘性力起主导作用。紊流：液体质点的运动杂乱无章，除沿管道轴线运动外，还有剧烈的横向运动。紊流运动时，液体流速较高，惯性力起主导作用。3．雷诺数：实验证明，液体在圆管中的流动状态与管内平均流速v、管径d及液体的运动粘度ν有关。决定液体流态的是这三个参数组成的一个无量纲量Re，称为雷诺数，即液流由层流转变为紊流的雷诺数称为临界雷诺数ReK：ReK＝2320Re<ReK层流Re>ReK紊流4．非圆形截面的管道的雷诺数R－通流截面的水力半径，，A－通流截面积，－湿周。面积相等但形状不同的通流截面，其水力半径不同，圆形的最大。水力半径大，液流和管壁接触少，阻力小，通流能力大，不容易堵塞。二、圆管层流液体在圆管中的层流运动是液压传动中最常见的现象。1．通流截面上流速的分布规律液体在等截面水平管道中作稳定层流运动，如图所示。在管子轴心取一段小圆柱体，其半径为r，长度为，作用在两端面上的压力分别为p1、p2，作用在侧面上的内摩擦力为F，根据牛顿第二定律其中F=-μ2πrdu/dr，令Δp＝p1－p2，上式变为对上式积分，当r＝R，u=0，得到截面上流速的分布规律管内流速在半径方向上按抛物线规律分布，最大流速umax发生在轴心上，2．流量在半径r处，取环形微小面积2πrdr，其上通过的流量dQ=u2πrdr，积分得到流量Q为上式为泊肃叶公式。流量与管径的四次方成正比，压差与管径的四次方成反比。3．平均流速，三、圆管紊流1．紊流的脉动现象紊流运动质点之间有掺混，质点运动的大小、方向都随时间变化，因此是非稳定流动。雷诺实验发现，流场中某一点运动的变化始终围绕一个平均值上下波动，这种现象称为紊流的脉动现象。如图所示。2．时均化原则研究紊流运动时，引入时均化的概念。如果在某一时间间隔T内，以平均值的流速流经微小流束通流截面dA的液体量等于在同一时间内以真实的脉动速度u流经同一截面的液体量，则称为时均流速同理，压力也采用时均压力。采用时均化以后，紊流运动可视为稳定流动。3．通流截面上速度分布规律紊流在通流截面上的结构分为三个区：层流边界层：靠近管壁极薄的一层，液体作层流运动。过渡层：层流到紊流的过渡区。紊流核心区：液体作紊流运动。在通流截面上，速度分布规律如图所示。速度分布比较均匀，最大流速umax＝（1～1.3）v。四、压力损失实际液体具有粘性，流动时要产生能量损失，这种能量损失表现为压力损失，单位重量液体的压力损失即为伯努利方程中的hw项。压力损失分为两种：沿程压力损失：液体在等径直管中流动时，因摩擦而产生的损失。局部压力损失：由于管道的截面突然变化，液流方向改变或其它形式的液流阻力而引起的损失。1．沿程压力损失经理论推导和实验证明，液体流经等径d的直管时，在管长上的压力损失为或λ－沿程阻力系数，其大小与流态等因素有关，可根据实验确定：层流时理论值，λ＝64/Re；层流时液压油在金属管道中流动，λ＝75/Re；紊流时，4000<Re<105，λ＝0.3164Re-0.25。2．局部压力损失局部压力损失一般用实验求得，可按下式计算或ζ－局部阻力系数，一般由实验测定。五、管路总能量损失管路系统中总能量损失等于系统中所有沿程能量损失之和与所有局部能量损失之和的叠加，即或举例（见附页）§2－5孔口及缝隙液流特性一、孔口液流特性1．薄壁小孔薄壁小孔：小孔的长度和小孔直径d之比/d≤0.5的孔。流经薄壁小孔的流量为Cd－流量系数，由实验确定；A0－小孔的通流截面积；Δp－小孔前后压差，Δp＝p1－p2ρ－液体的密度。小孔的壁很薄时，其沿程阻力损失非常小，通过小孔的流量对油液温度的变化不敏感，因此薄壁小孔常作为液压系统的节流器使用。2．细长孔细长孔：小孔的长度和小孔直径d之比/d>4的孔。流经细长孔的液流一般都是层流，所以可使用泊肃叶公式计算流量μ－液体的动力粘度；d－小孔的内径；－小孔的长度；Δp－小孔前后压差，Δp＝p1－p2由此可见，液体流经细长小孔的流量与小孔前后压差Δp成正比，而与液体动力粘度成反比。油温变化时，液体的粘度变化使流经细长小孔的流量发生变化。这一点与薄壁小孔的特性不同。二、缝隙液流特性液压元件各零件间如有相对运动，就必须有一定的配合间隙。液压油通过间隙的流量即为泄漏量。常见的缝隙有两种。1．平行平板缝隙液体通过平行平板缝隙时，既受到压差的作用，又受到平行平板间相对运动的作用，h、b、分别为缝隙高度、宽度和长度，b>>h，>>h。在液流中取一微元体积，分析受力，得到它的平衡方程pdy+(τ+dτ)dx=(p+dp)dy+τdx整理并积分得通过平行平板缝隙的流量得到压差流动：平行平板间没有相对运动时，通过的液流纯由压差引起，其流量为剪切流动：平行平板两端不存在压差时，通过的液流纯由平板运动引起，其流量为通过平行平板缝隙的流量由压差流动和剪切流动组成2．同心环形缝隙当h/r<<1时（相当于液压元件内配合间隙的情况），可以将环形缝隙间的流动近似地看作是平行平板缝隙间的流动，只要将b替换成πd，可得到流量§2－6液压冲击和气穴现象一、液压冲击在液压系统中，由于某种原因，液体压力在一瞬间突然升高，产生很高的压力峰值，这种现象称为液压冲击。产生液压冲击的原因很多，例如：1）突然关闭或打开阀门，液体的流速突然降低；2）某些液压元件动作不灵敏；3）高速运动工作部件的惯性力。液压冲击产生的压力峰值往往比正常工作压力高得多，且常伴有噪声和振动，严重时会损坏液压元件、密封装置和管件，有时还会引起某些液压元件的误动作。在实际系统中应减小或防止。减小液压冲击的措施：1）尽可能延长执行元件的换向时间；2）正确设计阀口，使运动部件制动时速度变化比较均匀；3）适当加大管径，使液流速度小于或等于推荐流速值；4）在容易发生液压冲击的地方，设置卸荷阀或蓄能器。二、气穴现象在流动的液体中，因某点处的压力低于空气分离压而使液体产生气泡的现象，称为气穴现象。液压油中总是含有一定量的空气。空气可溶解在液压油中，也可以气泡的形式混合在液压油中。空气在液压油中的溶解量和液压油的绝对压力成正比。石油型液压油，常温时在一个大气压下约含有6％～12％的溶解空气。溶解空气对液压油的体积模量没有影响，含有气泡的液压油的体积模量将减小。空气分离压：在一定温度下，当液压油压力低于某值时，溶解在油液中的过饱和空气将大量迅速地分离出来，产生大量气泡，这个压力称为液压油在该温度下的空气分离压。饱和蒸气压：当液压油在某温度下的压力低于一定数值时，油液本身将迅速汽化，产生大量蒸气气泡，这时的压力称为液压油在该温度下的饱和蒸气压。一般来说，液压油的饱和蒸气压相当小，比空气分离压小得多，所以，要使液压油不产生大量气泡，它的最低压力不得低于液压油所在温度下的空气分离压。液压系统中产生气穴后，气泡随油液流至高压区，在高压作用下迅速破裂。于是产生局部液压冲击，压力和温度均急剧升高，出现强烈的噪声和振动。当附着在金属表面上的气泡破裂时，所产生的局部高温和高压会使金属剥落、表面粗糙、元件的工作寿命降低，这一现象称为气蚀。减小气穴现象的措施：1）减小阀孔前后的压差，一般希望阀孔前后的压力比p1/p2<3.5；2）正确设计和使用液压泵；3）提高零件的抗气蚀能力；4）降低液体中气体的含量；5）保持液压系统压力高于空气分离压。

第三章液压泵§3－1概述液压泵是动力元件：将驱动电机的机械能转换成液体的压力能，供液压系统使用，它是液压系统的能源。一、基本工作原理缸体的内孔和柱塞形成一个密封工作容积V，柱塞在弹簧的作用下，紧贴在偏心轮的外圆表面上。当偏心轮旋转时，柱塞在缸体内往复运动。吸油：密封容积增大，形成局部真空；压油：密封容积减小，压力增加。偏心轮连续旋转，柱塞周期性地往复移动，泵不断地吸油和压油。由于这种泵是依靠密封容积的变化来吸油、压油的，所以称为容积式泵，它具有两个特征：1．有周期性的密封容积变化。密封容积由小变大时吸油；由大变小时压油。2．有配油机构。保证密封容积由小变大时，只与吸油管相通；密封容积由大变小时，只与压油管相通（如两个单向阀）。二、类型1．按结构可分为：齿轮泵（外啮合、内啮合）、叶片泵（单作用、双作用）、柱塞泵（径向、轴向）、螺杆泵等。2．按排量是否可调分为：定量泵：泵的排量不可改变。变量泵：泵的排量可以改变。变量泵又分为：单向（只调节排量大小）和双向（可调节排量大小及方向）。变量方式分为手动和自动两种。自动方式有限压式、恒功率式、恒压式及稳流量式。职能符号:三、性能参数1．压力工作压力：液压泵工作时实际输出压力，取决于外负载的大小。额定压力：在正常工作条件下，按试验标准规定的连续运转的最高压力，超过此值即为过载，它取决于泵的结构强度和密封条件。2．排量、流量排量q：在无泄漏的情况下，泵轴每转一转排出的液体体积，它取决于泵的几何尺寸，又称几何排量，单位是m3/r。理论流量Qt：在无泄漏的情况下，单位时间内输出液体的体积，它取决于几何排量，也称几何流量，单位是m3/min。Qt=qn实际流量Q：泵在单位时间内实际输出液体的体积。由于存在内、外泄漏ΔQ，所以Q小于Qt，即Qt＝Q＋ΔQ容积效率ηv：泵实际流量和理论流量之比，即ηv＝Q/Qt。容积效率是描述泵性能好坏的重要指标。在一定范围内，泵的泄漏随泵的工作压力增高而线性增大，所以容积效率随泵工作压力的增高而降低。额定流量：泵在额定压力、额定转速下必须保证的实际流量。3．功率和效率输入功率Pi：为电机输出的功率，即：Pi＝Mω理论功率Pt：不考虑泄漏和摩擦损失时，机械能全部转变为液压能，即：Mtω＝pQt由于泵体内有液压和机械摩擦损失ΔM，所以泵的实际输入转矩M应大于理论转矩Mt，即M＝Mt＋ΔM。机械效率：泵的理论转矩与实际转矩之比，即ηm＝Mt/M。输出功率Po：泵实际输出的液压功率，即Po＝pQ总效率η：泵输出功率于输入功率之比，即η＝pQ/Mω=ηmηv§3－2齿轮泵齿轮泵是液压传动系统中常用的液压泵，在结构上可分为外啮合式和内啮合式两种。一、外啮合齿轮泵的工作原理及典型结构1．工作原理泵体内有一对外啮合齿轮，齿轮两侧靠端盖封闭。体、端盖和齿轮的各个齿间槽组成了若干个密封工作容积。当齿轮按图示方向旋转时，啮合线把密封容积隔成两部分。啮合点下侧的轮齿脱开啮合，密封容积由小变大，形成部分真空，油箱里的油液在大气压力的作用下，通过吸油口被吸入，将齿间槽充满，随着齿轮的旋转，吸入的油液被齿间槽带入啮合点上侧的压油腔。在压油腔，轮齿进入啮合，密封容积由大变小，油液受到挤压，从压油口压到系统中。齿轮啮合线将吸油区和压油区隔开，起配流作用。2．典型结构由前、后端盖，泵体，互相啮合的齿轮，转动轴等组成。二、外啮合齿轮泵的结构特点1．困油现象齿轮泵为了运转平稳，连续均匀供油，齿轮的重叠系数必须大于1。于是总有一段时间有两对轮齿同时啮合，在两对轮齿的啮合点之间形成一个闭死的容积。闭死容积随着齿轮的旋转先由大变小，以后又逐渐加大。由于这个容积既不与压油腔相通，也不与吸油腔相通，所以在闭死容积由大到小时，油液受到挤压，并从缝隙中挤出而产生很高的压力，油液发热；而容积由小变大时，又会造成局部真空，产生空穴。这些都将使泵产生强烈的振动和噪声，这种现象称为困油现象。消除困油的方法：通常是在齿轮泵两侧端盖上各铣两个卸荷槽，使闭死容积减小时，通过左边的卸荷槽与压油腔相通；闭死容积增大时，通过右边的卸荷槽与吸油腔相通。2．径向不平衡力齿轮泵一侧吸油，另一侧压油。压油腔的油液经径向间隙逐渐渗漏到吸油腔，压力逐渐减小，所以作用在齿轮外圆上的压力是逐级降低的。这些液体压力综合作用的合力，相当于给齿轮一个径向的作用力，使齿轮和轴承上都受到一个径向不平衡力。工作压力越高，径向不平衡力越大，这将加速轴承的磨损，降低轴承的寿命。减小径向不平衡力的方法：缩小压油口直径，使高压油仅作用在一到两个齿的范围内，这样压力油作用于齿轮上的面积减小了，径向不平衡力也相应减小。3．泄漏齿轮泵存在三条泄漏途径：1）径向泄漏：齿轮外圆与泵体配合处间隙的泄漏，占15～20％；2）啮合线泄漏：齿轮啮合处的间隙泄漏，占5％；3）轴向泄漏：齿轮两侧面和侧盖板间的轴向间隙泄漏，占75～80％。轴向泄漏是影响齿轮泵容积效率的主要因素。通常高压齿轮泵采用轴向间隙自动补偿装置，以减小轴向泄漏，提高容积效率。轴向间隙自动补偿的方法是采用浮动轴套或弹性侧板。三、优缺点优点：结构简单，尺寸小，重量轻，制造方便，自吸能力强，对油液污染不敏感，工作可靠，价格低，维护容易。缺点：流量脉动大，泄漏大，径向不平衡力限制工作压力的提高。四、内啮合齿轮泵内啮合齿轮泵有渐开线和摆线齿轮泵两种。工作原理和主要特点与外啮合齿轮泵相同。（内齿轮泵动画图）图示为内啮合渐开线齿轮泵，大小齿轮间有一月牙形的隔板，将泵的吸油腔和压油腔隔开。§3－3叶片泵按照工作原理叶片泵可分为双作用和单作用。一、双作用叶片泵1．工作原理及典型结构定子内表面为腰形，中心固定不动，转子外表面为圆柱形，其上均匀开有狭槽，中心固定不动，但可以转动，与定子中心重合，矩形叶片安放在狭槽内，在离心力的作用下向外伸出，配油盘上的吸、压油窗口分别与泵体上的吸、压油口相通。定子内表面，转子外表面，相邻叶片和前后配油盘组成若干个密封容积。当转子顺时针方向旋转时，密封容积在左上角和右下角逐渐增大，为吸油区；在左下角和右上角逐渐减小，为压油区，吸油区和压油区之间有一段封油区把它们隔开。（双叶片泵动画图）转子每转一转，泵吸、压各两次，故称双作用。由于吸、压油区径向对置，作用在转子上的液压径向力平衡，所以又称为平衡式。2．结构特点定子内表面曲线形状及要求定子内表面曲线由两段大圆弧、两段小圆弧和四段过渡曲线组成。过渡曲线应保证：叶片始终紧贴在定子内表面上；叶片在槽内径向运动时，速度和加速度变化均匀；叶片经过圆弧与过渡曲线的连接部分时，不产生刚性冲击。常用的过渡曲线有：阿基米德螺线：有刚性冲击。等加速等减速：有柔性冲击，较常用。叶片倾角由受力分析可知，叶片在转子中沿旋转方向前倾（13º），有利于叶片向外伸出。配油盘上的三角槽相邻叶片从吸油窗口吸满油，进入高压区时，由于压力突变并引起流量脉动，为此在开始进入压油区一侧开一个三角槽，避免压力冲击，减小流量脉动。叶片数实验表明，采用偶数叶片比采用奇数叶片流量脉动小，且叶片数为4的整数倍时，流量脉动最小。3．提高压力的途径为了保证叶片紧贴定子内表面，叶片底部都通压油腔。当叶片处在吸油腔时，叶片以很大的力压向定子内表面，加速定子内表面磨损，限制了压力的提高。采取下述方法可以提高压力：减小作用在叶片底部的油液压力。可在压油腔内装减压阀。减小叶片底部承受压力油作用的宽度。可采用阶梯叶片或子母叶片。4．优缺点输出流量均匀，噪声小，容积效率较高，但结构复杂，对油液污染敏感。二、单作用叶片泵1．工作原理定子、转子均采用圆形表面，中心偏心放置。相邻叶片、定子内表面、转子外表面、前、后配油盘组成若干个密封容积。转子转动时，叶片在离心力和叶片底部压力油的作用下，紧贴定子内表面。转子逆时针旋转时，右侧密封容积逐渐增大，产生真空，通过配油盘上的吸油窗口吸油；左侧密封容积逐渐减小，通过压油窗口压油。（单叶片泵动画图）转子每转一转，吸、压油各一次，故称单作用。由于转子上受有单方向的液压不平衡作用力，所以又称非平衡式叶片泵。改变定子与转子间偏心距的大小，可以改变泵的排量，故可做成变量泵。变量方式可分为人工调节和自动调节。自动调节又分为限压式和稳流量式。2．限压式变量叶片泵1）结构及工作原理转子中心固定不动，定子可以左右移动；在限压弹簧的作用下，定子被推向右端，出现偏心距е；压力油的合力把定子向上压在滑块滚针支承上；定子右边有一反馈柱塞，它的油腔与泵的压油腔相通。设反馈柱塞受压面积为A，作用在定子上的反馈力为pA，左侧弹簧预紧力为Fs，Fs＝Ksx0。当pA<Fs时，е＝еmax，Q＝Qmax；当pA＝Fs时，p=pc，称为限定压力；当pA>Fs时，定子开始左移，偏心距е减小，输出流量减小，当流量降为零时，不管外载再怎样加大，泵的输出压力不会再升高。（变叶片泵动画图）2）p-Q特性根据定子的受力平衡，可求出泵在不同压力下的流量，画出相应的曲线。调节右端流量调节螺钉，可改变еmax从而改变流量的大小，此时AB段上下平移；调节Fs的大小，可改变pc和pmax的值，此时BC段左右平移；更换弹簧刚度Ks，可改变BC段的斜率，弹簧越软（Ks值越小），BC段越陡，pmax值越小。限压式变量叶片泵适用于有快速运动和工作进给要求的场合。3）结构及特点通过受力分析可知，单作用叶片泵叶片沿旋转方向后倾（24°），有利于叶片伸出，采用奇数叶片可减小流量脉动。3．优缺点功率使用较为合理，可减小油液发热。轴上受有不平衡的径向液压力，噪声较大，容积效率没有双作用叶片泵高。§3－4柱塞泵柱塞泵是依靠柱塞在其缸体内往复运动时，密封容积的变化来实现吸油和压油的。由于柱塞与缸体内孔均为圆柱表面，容易得到高精度的配合，所以这类泵的特点是泄漏小，容积效率高，可以在高压下工作。一、径向柱塞泵1．工作原理径向柱塞泵由定子，转子（缸体），配油轴，衬套和柱塞等主要零件组成。衬套紧配在转子孔内，随转子一起旋转，而配油轴固定不动。转子旋转时，柱塞随之旋转，并靠离心力甩出，紧压在定子内表面上。柱塞内端面和转子径向孔组成若干个密封工作容积。转子与定子间存在偏心距e，当转子顺时针旋转时，处于上半圈的柱塞向外伸出，密封容积逐渐增大，产生局部真空，油箱中的油液经配油轴的上腔进入，完成吸油；而处于下半圈的柱塞向里推入，密封容积逐渐减小，将油液从配油轴的下腔压出，完成压油。（径柱塞泵图）转子每转一转，柱塞在每个径向孔内吸油、压油各一次，移动定子可改变偏心距e，可以改变泵的排量。2．特点径向柱塞泵径向尺寸大，结构较复杂，自吸能力差，配油轴受到径向不平衡液压力的作用，易于磨损，限制了转速和压力的提高。二、轴向柱塞泵1．工作原理轴向柱塞泵由斜盘、柱塞、缸体、配油盘等主要零件组成，斜盘和配油盘固定不动，传动轴带动缸体、柱塞一起转动。柱塞底部装有弹簧，以保证柱塞始终紧贴在斜盘的端面上。柱塞端面、缸体内孔、配油盘组成若干个密封容积。传动轴按图示方向旋转时，柱塞在其自下而上回转的半周内，逐渐向外伸出，密封容积不断增大，产生局部真空，油液经配油盘上的吸油窗口吸入；柱塞在其自上而下回转的半周内，又逐渐向里推入，密封容积不断减小，将油液从配油盘上的压油窗口向外压出。（轴柱塞泵三维动画图）缸体每转一转，每个柱塞往复运动一次，完成一次吸油、压油。改变斜盘角度，可以改变柱塞往复行程的长度，因此，可以改变泵的排量。2．典型结构轴向柱塞泵可分为主体部分和变量部分。1）主体部分：由泵体、斜盘、回程盘、柱塞、缸体、配油盘、传动轴、中心弹簧、内套、外套等零件组成。中心弹簧通过内套及钢球，使套在柱塞头部滑靴上的回程盘紧贴在斜盘表面上，使泵具有自吸能力；同时，中心弹簧通过外套作用在缸体上，使缸体紧贴配油盘表面，以减小缸体与配油盘之间的端面泄漏。2）变量部分：可采用手动变量和自动变量。自动变量中又有限压式，恒功率式，恒压式和恒流量式等。变量机构通过改变斜盘与缸体轴线间的夹角γ，使流量改变。改变夹角γ大小：只改变流量大小，可做成单向变量泵。方向：既改变流量单向又改变方向，可做成双向变量泵。变量泵的职能符号如图所示。§3－6液压泵的选用一、液压泵的选用液压泵的选用应包括额定压力、流量和结构类型的确定等。液压泵的额定压力和流量经计算后，按系统的实际需要选取。这里主要讨论泵类型的选择。负载小，功率小的机械设备，可采用齿轮泵、叶片泵；精度较高的机械设备（如磨床），可采用螺杆泵、双作用叶片泵；负载较大并有快速和慢速工作行程的机械设备（如组合机床），可使用限压式变量叶片泵；负载大，功率大的机械设备（如龙门刨床，拉床），可使用柱塞泵；送料、加紧等不重要的地方，可使用价廉的齿轮泵。液压系统常用液压泵的性能比较（见65页表4-1）二、液压马达的选用由于液压马达和液压泵在结构上类似，所以选择原则与泵相同。齿轮马达：结构简单，价格便宜，常用于高转速、低转矩和运动平稳性要求不高的场合；叶片马达：转动惯量小，动作灵敏，但容积效率不高，机械特性软，适用于中速以上，转矩不大，要求启动、换向频繁的场合。轴向柱塞马达：容积效率高，调速范围大，且低速稳定性好，但耐冲击性能稍差，常用于要求较高的高压系统。径向柱塞马达：采用低速大转矩时，不再需要减速箱。

第四章液压执行元件液压缸和液压马达是液压系统中的执行元件，它是一种把液体的压力能转换成机械能以实现旋转或往复运动的能量转换装置。§4－1液压马达液压马达是执行元件，它把液体的压力能转换为机械能。一、工作原理以轴向柱塞马达为例。（图aP63，B6－17）轴向柱塞马达由斜盘、缸体、柱塞、配油盘等零件组成。斜盘、配油盘固定不动，斜盘中心线与缸体轴线呈δ角，柱塞轴向放置在缸体里。当压力油输入时，处在高压腔中的柱塞被顶出，压在斜盘上。设斜盘作用在柱塞上的反力为N，它可分解为两个分力：轴向分力F：与作用在柱塞上的液压作用力相平衡；垂直分力T：使缸体对转子中心产生转矩，即马达输出转矩。改变马达压力油输入方向，可以改变马达旋转方向；改变斜盘倾角，可改变马达排量。二、分类按照结构分为：齿轮马达、叶片马达和柱塞马达等。按排量是否可调分为：定量马达、变量马达。三、性能参数1．压力工作压力：马达实际工作时的输入压力，由外负载决定。额定压力：在使用中允许达到的最高工作压力，取决于马达的结构强度和密封条件。2．排量和流量排量q：在无泄漏情况下，马达每转所需输入的油液体积。单位：m3/r。理论流量Qt：在无泄漏情况下，单位时间内输入马达的油液体积。单位：m3/min。实际流量Q：单位时间内实际输入马达的油液体积。由于存在内、外泄漏，所以实际需要的流量大于理论流量，即Q＝Qt＋Q。3．功率和效率输入功率：Pi＝pQ，p－马达入口、出口的压力差。理论功率：不考虑损失时，液压能全部转换成机械能，Pt＝pQt=Mt。容积效率：v＝Qt/Q输出功率：Po＝M由于马达存在机械摩擦损失，实际输出转矩M比理论转矩Mt要小。机械效率：m＝M/Mt总效率：＝M/pQ=mv4．马达输出转矩和转速转矩M＝Mtm＝pm/2π转速n=Qv/q马达的能量关系可用图表示。（图3－26，3－27）四、液压马达的典型结构轴向柱塞马达、叶片马达的结构图。§4－2液压缸概述一、液压缸的类型按照结构：活塞式（单活塞杆、双活塞杆）、柱塞式、伸缩式。按照作用方式：单作用和双作用。二、单活塞杆式液压缸的结构及工作原理1．结构由活塞、活塞杆、缸筒、导向套、防尘圈、缸盖、耳环等零件组成。液压缸在结构上应满足：密封和防尘性能好液压缸是依靠密封容积的变化来传递力和速度的，因此，为了防止泄漏，在零件与零件配合的地方，用密封圈密封，以提高缸的性能和效率。活塞和缸筒内壁、活塞与活塞杆、活塞杆与导向套、缸筒与缸盖、缸盖与导向套等部位都设有密封圈。为了防止灰尘等物进入缸内，提高寿命，在缸的头部设有防尘圈。设置导向套保证活塞只受中心拉力或压力，不受偏心载荷。设置排气装置保证及时排除缸内空气，在缸的最上部设置排气装置。设置缓冲装置对高速液压缸，为避免行程终点产生冲击，应设置缓冲装置。2．工作原理利用液体的压力克服外界负载阻力，利用液体的流量维持运动速度。液压缸的外形图。（图aP71,aP72）§4－3液压缸的静态特性液压缸的静态特性是指它在稳态下工作时，各参数间的关系。这里主要讨论推力和速度。一、单杆活塞缸1．活塞向右运动液压缸左腔进油，压力为p1，流量为Q；右腔回油压力为p2。A1、A2分别为液压缸无杆腔和有杆腔的有效工作面积。（图4－2）活塞产生向左推力为F1＝p1A1－p2A2若回油压力为零，即p2＝0时，F1＝p1A1＝p1D2活塞向右移动速度为v1＝2．活塞向左运动液压缸右腔进油，压力为p1，流量为Q，左腔回油压力为p2。（图4－3）活塞产生向左推力为F2＝p1A2－p2A1当p2＝0时，F2＝p1A2＝p1（D2－d2）活塞向左运动速度为v2＝由于A1>A2，所以F1>F2，v1<v2。速度比λv：活塞往返速度之比。3．差动连接差动连接：单杆活塞缸左右两腔都接通高压油。（图4－4）差动连接时，活塞（或缸筒）只能向一个方向运动，推力F3＝p1(A1-A2)速度v3＝反向运动时，推力和速度同F2及v2。如果要求v2=v3，可得D＝d。二、双杆活塞缸双杆活塞缸两活塞杆直径通常相等，活塞有效面积相同，如果供油压力和流量不变，那么活塞往复运动时，两个方向的作用力和速度均相等。F＝pA＝p（D2－d2）v＝三、柱塞式液压缸柱塞式液压缸的特点是：柱塞式液压缸是单作用的，一个方向运动靠液压力，回程靠自重（垂直放置时）或其它外力，通常成对使用。柱塞与缸筒内壁不接触，缸筒内孔只需粗加工，更适合于长行程。柱塞上有效作用力为F＝pA＝pd2运动速度为v＝三、液压缸的效率1．容积效率ηv：液压缸实际速度与理想速度之比。ηv＝V/Vt=（Q—Ql）/Q2．机械效率ηm：液压缸实际推力与理想推力之比。ηm=1-Δp/p3．总效率η：容积效率与机械效率之积。η=ηvηm§4－4液压缸的设计与计算液压缸的设计是在对整个液压系统进行了工况分析、编制负载图，选定了工作压力的基础上进行的，因此要根据使用确定类型结构，按照要求进行结构设计。一、缸筒直径D、活塞杆直径d、缸筒长度L的确定D，d的值可以按照以下三种方式确定：1．F，v，p已知，计算D，d，再按照JB选出适当的值。2．按照速度比λv，为减小冲击，λv≤1.61，一般推荐λv=1.33。3．按照受力分析，见Table5-2。二、校核缸筒壁厚中、低压系统中，缸筒壁厚往往由工艺要求决定，强度是次要的，一般不需验算。在高压系统中，可以按薄壁筒进行校核。δ≥PyD/2[σ]δ-缸筒壁厚；D-缸筒直径；Py-缸筒试验压力。油缸额定压力Pn≤16MPa，Py=1.5Pn，Pn>16MPa，Py=1.25Pn[σ]-缸筒材料许用应力。[σ]=σb/n，σb-抗拉强度，n-安全系数，n=5。当D/δ≤10时，应按厚壁筒的计算公式进行计算。δ>3mm，满足工艺要求。三、验算活塞杆1．强度计算活塞杆工作时受拉、压力，强度可以按照直杆的拉、压考虑。[σ]-活塞杆材料许用应力。[σ]=σb/n，σb-抗拉强度，n-安全系数，n=5。2．稳定性验算L/d≥10时，必须把油缸整体作为细长杆件处理，进行稳定性校核。活塞承受负载F应小于使其保持工作稳定的临界负载Fk，即：nk-安全系数，nk=2~4；Fk-临界负载（不产生纵向弯曲）细长比且举例见附页

第五章液压阀§5-1概述液压阀是用来控制和调节液压系统中油液流动方向、压力及流量的控制元件，以满足工作要求。一、液压阀的分类及作用1．根据用途：方向控制阀：控制液流方向，如单向阀、换向阀。压力控制阀：控制液流压力，如溢流阀、减压阀。流量控制阀：控制流量大小，如节流阀、调速阀。2．根据安装方式：管式（螺纹L）、板式（B）、法兰（F）3．根据压力等级：低压、中压、中高压、高压。二、对液压阀的基本要求1）动作灵敏，使用可靠，工作时冲击和振动小；2）油液流过时的压力损失小；3）密封性能好；4）结构紧凑，安装、调整、使用、维护方便，通用性强。三、滑阀上的液动力液压阀通常采用滑阀结构。滑阀靠阀芯的移动来改变阀口的启闭或开口的大小，从而控制液流。液流流经阀口时，阀芯所产生的液动力，对阀的性能有重大的影响。由液流的动量定理可知，作用在阀芯上的液动力有两种：1．稳态液动力：阀芯移动完毕，开口固定之后，液流流经阀口时，因动量变化而作用在阀芯上的力。稳态液动力可分解为轴向和径向。径向分力可以互相抵消。轴向稳态液动力又，稳态液动力对滑阀性能的影响是加大了操纵滑阀所需的力。在高压大流量场合，这个力将会很大，使阀芯的操纵成为突出的问题。应设法采取措施补偿或消除这个力。消除稳态液动力的方法：研制特种形状的阀腔，（图Z6－1a）阀套上开径向小孔，（图Z6－1b）改变阀芯某些区段的颈部尺寸。（图Z6－1c）2．瞬态液动力：阀芯移动过程中（即开口大小发生变化时），阀腔中液流因加速或减速而作用在阀芯上的力。瞬态液动力只与阀芯移动速度有关，即与阀口开度的变化率有关，而与阀口开度本身无关。四﹑滑阀上的液压卡紧力由于阀芯与阀孔的制造误差，引起几何形状不正确以及它们之间在工作中不正确的相对位置，当液流流经阀芯凸台与阀孔间隙时，压力在间隙中分布不均匀，而产生径向不平衡力，使阀芯在移动时阻力增加，这种现象称为液压卡紧现象。产生液压卡紧现象的主要原因：滑阀副几何形状误差和同心度变化(偏心倒锥)所引起的径向不平衡液压力,即液压卡紧力。消除液压卡紧力的措施:在滑阀的阀芯上开几条环形均压槽。一般均压槽的尺寸是：宽0.3～0.5mm，深0.5～0.8mm，槽距1～5mm。开七条均压槽效果最佳。为减小径向不平衡力，应严格控制阀芯和阀孔的制造精度。§5-2方向控制阀方向控制阀是利用阀体与阀芯的相对运来改变油液的方向，接通或关闭油路，控制执行元件的运动方向，启动和停止。一、单向阀1．普通单向阀：作用：使油液只能一个方向流动，反向流动阻止作用。结构：由阀体、阀芯、弹簧等组成。阀芯的形状可为：球形：密封性能差，用于低压、小流量场合。锥形：密封性能好，应用较广。工作原理：正向：压力油从阀体左端的通口流入，克服弹簧作用在阀芯上的力，使阀芯右移，阀口打开，压力油从右端通口流出。（单向阀动画图）反向：压力油从阀体右端通口流入，油液压力和弹簧力使阀芯锥面压紧在阀孔上，阀口关闭，油液不能通过。单向阀的开启压力一般为0.035～0.05MPa，如换上刚度较大的弹簧，使开压力达到0.2～0.6MPa，便可当背压阀使用。（图B7－2，B7－3）2．液控单向阀结构：比普通单向阀多了一个控制油口K，控制活塞及推杆。（图aP83）工作原理：当控制口k处无压力油输入时，此阀的作用与普通单向阀相同，压力油只能从P1流向P2，不能反向倒流；当控制口k有压力时，且作用在活塞上的液压力足以克服锥阀上的弹簧力，P2腔的油压作用在阀芯上的液压力及背压力时，控制活塞通过推杆顶开阀芯，使通口P1和P2接通，油液便可在两个方向自由通流。K处通入的控制压力最小为主压力的30～50%。（液控单向阀动画图）3．双向液压锁双液控单向阀通常称为双向液压锁。两个液控单向阀共用一个阀体和控制活塞，两个锥阀芯分别置于控制活塞的两侧。P1腔通压力油时，液压力推动左面锥阀芯左移，使P1腔与P2腔相通；同时，液压力作用于控制活塞，使其右移，顶开右面的锥阀芯，P4腔与P3腔也相通。反之，P3腔通压力油时，也可使两个锥阀同时打开。若P1、P3腔都不通压力油时，P2、P4腔被两个单向阀封闭。（双向液压锁动画图）二、换向阀1．作用及要求：作用：利用阀芯在阀体内的相对运动改变油液流动方向，接通或关闭油路，从而使液压执行元件启动、停止或变换运动方向。要求：油液流经阀时的压力损失要小；互不相通油口间的泄漏要小；换向要平稳、迅速且可靠。2．分类：1）根据阀芯的结构方式：滑阀式：阀芯在阀体内作直线运动，控制方式多，高、低压均适用。转阀式：阀芯在阀体内作回转运动，密封性能差，限低压场合。2）根据控制方式：手动、机动、电磁、液动、电液动。3）根据阀的工作位数和通路数：二位三通、二位四通、三位四通、三位五通等。3．滑阀式换向阀工作原理：这种换向阀由主体部分和控制部分组成，其工作原理是通过外力（机械力、电磁力、液压力等）使阀芯在阀体内作相对运动，从而使油路换向。主体部分结构及工作原理主要由阀芯和阀体及弹簧组成，阀体上开有多个沉割槽，阀芯是一个具有多段台肩的圆柱体，阀芯在阀体内移动。位：指阀芯在阀体中工作状态数目，用方块表示。通：指阀体所接油路的数目，↑表示接通，⊥表示截止。二位二通阀：A、B为工作油口。复位状态，A与B截止；阀芯右移时，A与B接通。（二位二通阀动画图）二位三通阀：P为压力油口，A、B为工作油口。（二位三通阀动画图）复位状态，P、A接通，B截止；阀芯右移时，P、B接通，A截止。二位四通阀：P为压力油口，A、B为工作油口，O为油箱口。（阀动画图）复位状态，P、A接通，B、O接通；阀芯右移时，P、B接通，A、O接通。三位四通阀：P为压力油口，A、B为工作油口，O为油箱口。（O型阀动画图）阀芯在中间位置时，P、A、B、O、均不通；阀芯左移时，P、A接通；B、O接通；阀芯右移时，P、B接通；A、O接通。控制部分工作原理：1）手动控制：可采用弹簧自动复位或钢球定位式。左、右推动手柄，可使阀芯在阀体内移动；中位时，P、A、B、O均不通。（手动阀动画图）弹簧自动复位式适用于动作频繁，工作持续时间短的场合，操作比较安全，常用于工程机械；钢球定位式利用定位机构，在松开手柄后，阀仍能保持在所需的工作位置上，用于机床、液压机、船舶等需保持工作状态较长的情况。（图B7－16A）2）机动控制：又称行程控制，利用行程挡块或凸轮推动阀芯实现换向。机动阀动作可靠，改变挡块斜面角度便可改变换向时阀芯的移动速度，故可调节换向过程的快慢。（机动阀动画图，B7－17）3）电磁控制：借助于电磁铁吸力推动阀芯动作以实现液流通、断或改变流向。电磁阀操纵方便，布置灵活，易于实现动作转换的自动化，应用最为广泛。电磁阀可分为交流电磁铁和直流电磁铁式；电磁铁又可分为湿式和干式两种。交流电磁铁电源简单方便，启动力大，但启动电流大，阀芯被卡住时易使电磁铁线圈烧坏。交流电磁铁动作快，换向冲击大，换向频率不能太高，一般为30次/秒左右。直流电磁铁具有恒电流特性，电磁铁不能正常吸合时，线圈不会被烧坏，工作可靠性好，寿命长，换向冲击小，换向频率高，一般可允许120次/分，高的可达240次/分，一般采用低电压，使用时较为安全，但电源系统要有一套降压和整流装置，费用较高。（图aP99）4）液动控制：利用控制油路的压力油来推动阀芯实现换向，适用于流量较大的阀。当控制油口K1、K2不通压力油时，阀芯在对中弹簧作用下处于中位，P截止，A、B、O通；（液动阀动画图，B7－27）当K1通压力油，K2通回油时，阀芯右移，P、A接通，B、O接通；当K2通压力油，K1通回油时，P、B接通，A、O接通。5）电液动控制：当通过阀的流量很大时，为使压力损失不至过大，就必须增大阀芯直径，这样会使阀芯运动需要克服的阻力增大，若采用电磁铁直接推动不经济，此时可采用电液换向阀，它由电磁阀和液动阀两部分组成：（电液阀动画图，B7－28）电磁阀：作为先导阀，流量较小，电磁铁控制换向，从而控制大流量液动阀换向。液动阀：作为主换向阀，控制主油路换向，流量较大，阀芯位置的改变靠液压力来实现。主阀两端的阻尼器，用以调节液动阀阀芯的移动速度。两个电磁铁都不通电时，电磁阀阀芯处于中位，控制压力油进油口关闭，主阀芯在对中弹簧作用下处于中位，P、A、B、O均不通；当左电磁铁通电时，电磁阀阀芯向右移动，控制压力油经左单向阀接通主阀芯左端，右端油经右节流阀及电磁阀接通油箱，主阀芯右移，移动速度由右节流阀的开口大小决定。主阀芯切换到左位，主油路P、A接通，B、O接通。当右电磁铁通电时，电磁阀阀芯左移，主阀芯也左移，移动速度由左节流阀的开口大小决定。主阀芯切换到右位，主油路P、B接通，A、O接通。电液换向阀主阀芯移动的速度可由节流阀来调节，使系统中执行元件能够得到平稳无冲击的换向，换向性能较好，适用于高压、大流量场合。4．中位机能换向阀未受到外部操纵力时所处的状态称为常态位置，其上各油口的连通方式称为滑阀机能。滑阀机能不同时，会影响到阀在常态位时执行元件的工作状态。P口截止时，可实现泵的保压；P口接通时，整个系统卸荷；A、B口各自堵塞时，液压缸充满油，从静止到启动平稳；制动时，运动惯性引起液压冲击较大，但换向位置精度高。A、B口均与O口接通，由于无油液起缓冲作用，从静止到启动有冲击；制动时，由于油口沟通，故较平稳，但换向位置精度低。A、B口接通时，卧式油缸处于浮动状态；A、B口均与P口接通时，除差动联接外，均能在任意位置上停留。下面介绍几种常见的中位机能的特点和作用：O型：各油口全部封闭，缸两腔封闭，系统不卸荷。液压缸充满油，从静止到启动平稳；制动时运动惯性引起的液压冲击较大，但换向位置精度高。（O型阀动画）H型：各油口全部连通，系统卸荷，缸处于浮动状态。液压缸两腔接油箱，从静止到启动有冲击；制动时油口互通，故制动较O型平稳；但换向位置变动大。（H型阀动画）P型：压力油与缸两腔连通，可形成差动回路，回油口封闭。从静止到启动较平稳；制动时，缸两腔均通压力油，故制动平稳；换向位置变动比H型的小，应用广泛。（P型阀动画）M型：液压泵卸荷，缸两腔封闭。从静止到启动较平稳；制动性能与O型相同；可用于液压泵卸荷、液压缸锁紧的回路中。Y型：液压泵不卸荷，缸两腔通回油，缸处于浮动状态。从静止到启动有冲击，制动性能介于O型与H型之间。（Y型阀动画）K型：液压泵卸荷，液压缸一腔封闭，一腔接回油。两个方向换向性能不同。（K型阀动画）5．转阀转阀由阀芯、阀体和使阀芯转动的操纵手柄组成。（转阀动画）手柄在“左”位时，通口P、A相通，B、O相通；手柄转到“止”位时，通口P、A、B、O均关闭；手柄转到“右”位时，通口P、B相通，A、O相通。转阀结构简单、紧凑，但密封性差，设计不好时，所需的操纵转矩很大，故一般只用在中低压、小流量的场合，作为先导阀和小型换向阀使用。§5-4压力控制阀压力控制阀是利用阀芯上的液压作用力和弹簧力保持平衡来进行工作的。按照阀在系统中的作用不同，可分为溢流阀、减压阀、顺停阀、压力继电器等。一、溢流阀1．典型结构及工作原理：作用：保持系统压力恒定，即溢流定压；防止系统过载，即安全保护。类型：直动式溢流阀，先导式溢流阀。职能符号：1）直动式溢流阀结构：由阀体、阀芯、上盖、弹簧、调节手柄等组成。工作原理：P为进油口，O为回油口，压力油自通口P进入溢流阀，经阀芯上的“T”型阻尼孔作用在阀芯的底面上。（直动溢流阀动画图）进油压力较低时，阀芯在弹簧力作用下处于最下端位置，将P口和O口隔断，阀处于关闭状态，没有溢流；进油压力升高至作用在阀芯底面上的液压力大于弹簧力时，阀芯上升，阀口打开，油液由P口经O口排回油箱。当通过溢流阀的流量改变时，阀口开度也改变，但阀芯的移动量很小，作用在阀芯上的弹簧力变化甚微，因此可认为：阀芯在液压力和弹簧力的平衡下，当有油液流过溢流阀阀口时，溢流阀进口处的压力基本保持恒定。转动调节手柄，可调节弹簧预紧力，从而调节溢流阀的溢流压力。阀芯上的阻尼孔对阀芯的运动形成阻尼，可避免阀芯振动，提高阀的工作平稳性。随着工作压力的提高，直动式溢流阀上的弹簧力要增加，弹簧刚度要相应增大，这使溢流量变化时溢流压力的波动加大，所以这种型式的溢流阀只宜用在低压系统。2）先导式溢流阀结构：由先导部分和主阀部分组成。（图aP116）先导部分：阀簧、锥阀（先导阀）、锥阀座、调压弹簧、调节手柄等。主阀部分：阀体、主阀芯、阀座、主阀弹簧等。工作原理：P为进油口，O为回油口，压力油由进油口进入后作用于主阀芯活塞下腔，并经主阀芯上的阻尼孔进入主阀芯活塞上腔，然后由阀盖上的通道和经锥阀座上的小孔，作用于锥阀上。（先导溢流阀动画图）当进口油压较低时，锥阀上的液压作用力不足以克服锥阀弹簧预紧力时，锥阀关闭，主阀阻尼孔中没有油液流动，主阀上、下两腔压力相等，主阀芯在主阀弹簧的作用下处于最下端，进、回油口被主阀芯切断，溢流阀不溢流；当进口油压升高，作用在锥阀上的压力大于弹簧力时，锥阀打开，压力油经阻尼孔、阀盖上的通道、锥阀阀口、主阀中心孔及回油口流回油箱。由于油液流过阻尼孔时要产生压力降，使主阀上腔压力低于下腔压力，当这个压差所形成的液压力超过主阀弹簧预紧力、主阀芯与阀体的摩擦力和主阀芯自重等力的总和时，主阀芯向上移动，进油口与回油口相通，压力油经主阀口流回油箱，实现溢流作用。主阀芯上的全部作用力处于某一平衡状态时，溢流口保持一定的开度，溢流压力也保持某一定值。调节先导阀弹簧的预紧力，即可调节溢流压力。主阀弹簧只用于克服主阀芯的摩擦力，因此弹簧很软，主阀溢流量变化引起主阀开口量的变化对溢流压力的影响很小；先导阀的承压面积和开口量均很小，调压弹簧刚度不必很大便能得到较高的溢流压力，故先导式溢流阀一般用于高压、大流量场合。先导式溢流阀有一个与主阀上腔相通的遥控口，如果将此口用管接至另一个远程调压阀上，若远程调压阀的调节压力低于先导式溢流阀的调节压力时，可通过它调节先导式溢流阀的溢流压力，起远程调压作用。通过遥控口还可以实现多级调压及系统卸荷等。（图aP117，aP118，B9－2）3）结构特点：主阀口常闭；控制阀口打开的油液来自进油口；泄油采用内泄方式。2．静态特性1）溢流特性：当溢流阀的溢流量变化时，阀口开度将相应地变化，其溢流压力也有改变，此即溢流特性。开启压力Pk：溢流阀开始溢流时，进口处的压力。调定压力（全流压力）Pn：溢流阀通过额定流量Qn时，进口处的压力。静态调压偏差：全流压力与开启压力之差。开启比n：开启压力与全流压力之比。根据阀芯受力平衡及通过阀口的流量，可以得到相应的溢流特性曲线，如图所示（图7－6）。由溢流特性可知：不同的开启压力Pk对应着不同的曲线。静态调压偏差（Pn－Pk）的大小反映了调压精度的高低。弹簧刚度K越小，曲线越陡，调压精度越高。先导式溢流阀主阀弹簧刚度较直动式溢流阀小得多，所以调压精度比直动式溢流阀高得多。开启比n越高，调压偏差越小，调压精度越高。2）粘滞特性溢流阀的阀芯在工作中受到摩擦力的作用，阀口开大和关小时的摩擦力方向刚好相反，因此阀在工作时，不可避免地会出现粘滞现象，使溢流阀的开启压力与闭合压力不等。开启压力大于闭合压力，且开启过程与闭合过程的溢流曲线不重合。3）调压稳定性溢流阀在某个调定压力下长期工作时，它的压力会发生不规则的变化，这个变化与阀芯摩擦力、油温变化、油液清洁度等静态特性有关，同时还与泵源的流量脉动以及阀、管路的动态特性有关。4）压力损失将调压弹簧全部放松，当阀通过额定流量时，进油腔与回油腔的压力之差为压力损失。5）卸荷压力将先导式溢流阀遥控口直接接油箱，当阀通过额定流量时，阀的进油腔与回油腔的压力之差为卸荷压力。3．在系统中的应用1）溢流定压在定量泵进口节流调速系统中，液压泵输出的压力油只有一部分进入液压缸，多余的部分须经溢流阀流回油箱，保证泵的工作压力基本不变。2）防止系统过载在变量泵调速系统中，系统过载时，压力超过溢流阀调定值，溢流阀即打开，油液回油箱，保障系统安全。3）造成背压在液压系统的回油路上接一溢流阀，造成一定的回油阻力，可改善执行元件的运动平稳性。4）实现远程调压或系统卸荷二、减压阀1．典型结构和工作原理作用：利用液流流经缝隙产生压降的原理，使出口压力低于进口压力。类型：按照结构分为：直动式减压阀和先导式减压阀。按照调压要求分为：定值减压阀：保证减压阀出口压力恒定，简称减压阀。定差减压阀：保证减压阀进出口压力差恒定。定比减压阀：保证减压阀进出口压力比值恒定。职能符号：先导式减压阀性能较好，最为常用，以此为例作介绍。结构：由先导阀和主阀两部分组成。先导阀部分：调压弹簧、锥阀、锥阀座、阀盖、调节手柄等。主阀部分：主阀弹簧、主阀芯、端盖、阀体等。工作原理：P1为进油口，P2为出油口，L为泄油口。压力油由进油口进入，经主阀芯和阀体所形成的减压口后从出油口流出。由于油液流经减压口缝隙时有压力损失，所以入口压力为P1，出口压力为P2。出口压力油一方面送往执行元件，另一方面经阀体下部和端盖上通道至主阀芯下腔，再经主阀芯上的阻尼孔引入主阀芯上腔和先导阀右腔，通过锥阀座的阻尼孔作用在锥阀上。（先导减压阀动画图）当负载较小，出口压力低于调压弹簧所调定的压力时，先导阀关闭。主阀芯阻尼孔内无油液流动，主阀芯上下两腔油压均等于出口油压，主阀芯在较软的弹簧作用下处于最下端位置，减压口全开，不起减压作用；当出口压力上升至超过先导阀弹簧调定的压力时，先导阀阀口打开，油液经先导阀和泄油口L流回油箱。由于阻尼孔的作用，主阀芯上腔压力将低于下腔的压力，此压差所产生的作用力大于主阀弹簧预紧力时，主阀芯上移使减压口缝隙减小，减压作用增强，P2又下降，直到主阀芯处于平衡状态。此时减压阀保持一定开度，出口压力稳定在调定的压力值上。如果外来干扰使进口压力升高，则出口压力也升高，主阀芯上移，减压口减小，出口压力又降低，在新的位置上取得平衡，而出口压力基本维持不变。反之亦然。这样减压阀的减压口能随进口压力的变化自动调节，从而使得出口压力保持恒定。P2<P调，主阀口全开，先导阀关闭，阀不工作；P2>P调，先导阀打开，产生ΔP，节流口关小，ΔP↑，P2↓。结构特点：主阀口常开；控制阀芯移动的油液来自出油口；泄油采用外泄方式。2．在系统中的应用减压阀在系统中用于夹紧、控制、润滑等回路中，构成减压回路。利用先导式减压阀的遥控口，可以得到两种（及以上）减压后的压力，形成多级减压回路。3．减压阀与溢流阀的比较减压阀溢流阀阀口常开阀口常闭出油压力控制阀芯移动进油压