液壓傳動原理(共147頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上第一章 緒論一、學習要點液壓傳動都是以流體為工作介質進行能量傳遞和控制的一種傳動形式，統(tǒng)稱為流體傳動與控制，與機械傳動、電氣傳動組成三大傳動形式，各具特色，優(yōu)缺點互為補充。1.液壓傳動的工作原理液壓傳動通過各種元件組成不同功能的基本回路，再由若干基本回路組成一個完整的傳動系統(tǒng)。其力的傳遞遵循帕斯卡原理：在密閉容器內(nèi)，施加于靜止液體上的力以等值傳到液體各點；運動的傳遞則遵循密閉工作容積變化相等的原則。系統(tǒng)工作壓力取決于外負載，執(zhí)行元件的運動速度取決于輸入流量的大小。因此，壓力和流量是液壓與氣壓傳動的兩個最基本、最重要的參數(shù)。2.液壓傳動系統(tǒng)的組成液壓傳動系統(tǒng)的工作介質為

2、液壓油液，其裝置主要由以下四部分組成：提供液壓油液能源裝置；輸出機械能的執(zhí)行元件；控制和調節(jié)流體的壓力、流 量 和 流 向 的 控 制 元 件； 保 證 系 統(tǒng) 正 常 工 作 除 上 述 三 種 元 件 以 外 的 輔 助元件。要熟悉各種元件的圖形符號。3.液壓傳動的優(yōu)缺點液壓傳動的最大優(yōu)點是能實現(xiàn) “力的放大”及在大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調速，最大的缺點是傳動效率偏低及元件制造精度較高，系統(tǒng)出現(xiàn)故障后不易診斷。   §1-1 液壓傳動的工作原理一、 簡化的模型 二、 力比和速比（1） 作用在大活塞上的負載F1形成液體壓力 p= F1/A1 （2） 為防止大活

3、塞下降，在小活塞上應施加的力 F2= pA2= F1A2/A1 由此可得：n 液壓傳動可使力放大，可使力縮小，也可以改變力的方向。n 液體內(nèi)的壓力是由負載決定的。三、 兩個重要的概念   力的傳遞遵循帕斯卡原理     p2=F2/A2 F1=p1A1=p2A1=pA1    液壓與氣動系統(tǒng)的工作壓力取決于外負載。     運動的傳遞遵照容積變化相等的原則    s1A1=s2A2 q1=v1A1=v2A2=q2 執(zhí)行元件的運動速度取決于流量。  

4、;壓力和流量是液壓傳動中的兩個最基本的參數(shù)。§1-2 液壓傳動的工作原理及其組成一、液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟硪簤簜鲃拥墓ぷ髟?，可以用一個液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟韥碚f明。圖1-1液壓千斤頂工作原理圖1杠桿手柄2小油缸3小活塞4，7單向閥5吸油管6，10管道8大活塞9大油缸11截止閥12油箱圖1-1是液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟韴D。大油缸9和大活塞8組成舉升液壓缸。杠桿手柄1、小油缸2、小活塞3、單向閥4和7組成手動液壓泵。如提起手柄使小活塞向上移動，小活塞下端油腔容積增大，形成局部真空，這時單向閥4打開，通過吸油管5從油箱12中吸油；用力壓下手柄，小活塞下移，小活塞下腔壓力升高，單向閥4關閉，單向閥

5、7打開，下腔的油液經(jīng)管道6輸入舉升油缸9的下腔，迫使大活塞8向上移動，頂起重物。再次提起手柄吸油時，單向閥7自動關閉，使油液不能倒流，從而保證了重物不會自行下落。不斷地往復扳動手柄，就能不斷地把油液壓入舉升缸下腔，使重物逐漸地升起。如果打開截止閥11，舉升缸下腔的油液通過管道10、截止閥11流回油箱，重物就向下移動。這就是液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟怼Ｍㄟ^對上面液壓千斤頂工作過程的分析，可以初步了解到液壓傳動的基本工作原理。液壓傳動是利用有壓力的油液作為傳遞動力的工作介質。壓下杠桿時，小油缸2輸出壓力油，是將機械能轉換成油液的壓力能，壓力油經(jīng)過管道6及單向閥7，推動大活塞8舉起重物，是將油液的壓力能又

6、轉換成機械能。大活塞8舉升的速度取決于單位時間內(nèi)流入大油缸9中油容積的多少。由此可見，液壓傳動是一個不同能量的轉換過程。二、液壓傳動系統(tǒng)的組成液壓千斤頂是一種簡單的液壓傳動裝置。下面分析一種驅動工作臺的液壓傳動系統(tǒng)。如圖1-2所示，它由油箱、濾油器、液壓泵、溢流閥、開停閥、節(jié)流閥、圖1-2機床工作臺液壓系統(tǒng)工作原理圖1工作臺2液壓缸3活塞4換向手柄5換向閥6，8，16回油管7節(jié)流閥9開停手柄10開停閥11壓力管12壓力支管13溢流閥14鋼球15彈簧17液壓泵18濾油器19油箱 換向閥、液壓缸以及連接這些元件的油管、接頭組成。其工作原理如下：液壓泵由電動機驅動后，從油箱中吸油。油液經(jīng)濾

7、油器進入液壓泵，油液在泵腔中從入口低壓到泵出口高壓，在圖1-2(a)所示狀態(tài)下，通過開停閥、節(jié)流閥、換向閥進入液壓缸左腔，推動活塞使工作臺向右移動。這時，液壓缸右腔的油經(jīng)換向閥和回油管6排回油箱。如果將換向閥手柄轉換成圖1-2(b)所示狀態(tài)，則壓力管中的油將經(jīng)過開停閥、節(jié)流閥和換向閥進入液壓缸右腔、推動活塞使工作臺向左移動，并使液壓缸左腔的油經(jīng)換向閥和回油管6排回油箱。工作臺的移動速度是通過節(jié)流閥來調節(jié)的。當節(jié)流閥開大時，進入液壓缸的油量增多，工作臺的移動速度增大；當節(jié)流閥關小時，進入液壓缸的油量減小，工作臺的移動速度減小。為了克服移動工作臺時所受到的各種阻力，液壓缸必須產(chǎn)生一個足夠大的推力，

8、這個推力是由液壓缸中的油液壓力所產(chǎn)生的。要克服的阻力越大，缸中的油液壓力越高；反之壓力就越低。這種現(xiàn)象正說明了液壓傳動的一個基本原理壓力決定于負載。三、液壓傳動系統(tǒng)的組成圖1-3機床工作臺液壓系統(tǒng)的圖形符號圖1工作臺2液壓缸3油塞4換向閥5節(jié)流閥6開停閥7溢流閥8液壓泵9濾油器10油箱 圖1-2所示的液壓系統(tǒng)是一種半結構式的工作原理圖它有直觀性強、容易理解的優(yōu)點，當液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時，根據(jù)原理圖檢查十分方便，但圖形比較復雜，繪制比較麻煩。從機床工作臺液壓系統(tǒng)的工作過程可以看出，一個完整的、能夠正常工作的液壓系統(tǒng)，應該由以下五個主要部分來組成：1.動力元件它是供給液壓系統(tǒng)壓力油，把機械

9、能轉換成液壓能的裝置。最常見的形式是液壓泵。2.執(zhí)行元件它是把液壓能轉換成機械能的裝置。其形式有作直線運動的液壓缸，有作回轉運動的液壓馬達，它們又稱為液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件。3.控制元件它是對系統(tǒng)中的壓力、流量或流動方向進行控制或調節(jié)的裝置。如溢流閥、節(jié)流閥、換向閥、開停閥等。4.輔助元件上述三部分之外的其他裝置，例如油箱，濾油器，油管等。它們對保證系統(tǒng)正常工作是必不可少的。5.傳動介質傳遞能量的流體，即液壓油等。 §1-3 液壓傳動的優(yōu)缺點液壓傳動之所以能得到廣泛的應用，是由于它具有以下的主要優(yōu)點：(1) 可在大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調速。借助閥或變量泵、變量馬達，可以實現(xiàn)無級調速，

10、調速范圍可達12000，并可在液壓裝置運行的過程中進行調速。 (2)液壓傳動裝置的重量輕、結構緊湊、慣性小。例如，相同功率液壓馬達的體積為電動機的12%13%。液壓泵和液壓馬達單位功率的重量指標，目前是發(fā)電機和電動機的十分之一，液壓泵和液壓馬達可小至0.0025N/W(牛/瓦),發(fā)電機和電動機則約為0.03N/W。(3) 傳遞運動均勻平穩(wěn)，負載變化時速度較穩(wěn)定。正因為此特點，金屬切削機床中的磨床傳動現(xiàn)在幾乎都采用液壓傳動。(4) )液壓傳動容易實現(xiàn)自動化、易于實現(xiàn)過載保護借助于設置溢流閥等。（5）同時液壓件能自行潤滑，因此使用壽命長。(6)液壓元件已實現(xiàn)了標準化、系列化和通用化，便于設計、制造

11、和推廣使用。（7）傳動簡化。液壓傳動的缺點是：(1)液壓系統(tǒng)中的漏油等因素，影響運動的平穩(wěn)性和正確性，使得液壓傳動不能保證嚴格的傳動比。(2)液壓傳動對油溫的變化比較敏感，溫度變化時，液體粘性變化，引起運動特性的變化，使得工作的穩(wěn)定性受到影響，所以它不宜在溫度變化很大的環(huán)境條件下工作。(3)為了減少泄漏，以及為了滿足某些性能上的要求，液壓元件的配合件制造精度要求較高，加工工藝較復雜。(4)液壓傳動要求有單獨的能源，不像電源那樣使用方便。(5)液壓系統(tǒng)發(fā)生故障不易檢查和排除?？傊?，液壓傳動的優(yōu)點是主要的，隨著設計制造和使用水平的不斷提高，有些缺點正在逐步加以克服。液壓傳動有著廣泛的發(fā)展前景。&#

12、167;1-4 液壓油的主要性能與選用一、粘性 液體在外力作用下流動時，由于液體分子間的內(nèi)聚力而產(chǎn)生一種阻礙液體分子之間進行相對運動的內(nèi)摩擦力，液體的這種產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質稱為液體的粘性。由于液體具有粘性，當流體發(fā)生剪切變形時，流體內(nèi)就產(chǎn)生阻滯變形的內(nèi)摩擦力，由此可見，粘性表征了流體抵抗剪切變形的能力。處于相對靜止狀態(tài)的流體中不存在剪切變形，因而也不存在變形的抵抗，只有當運動流體流層間發(fā)生相對運動時，流體對剪切變形的抵抗，也就是粘性才表現(xiàn)出來。粘性所起的作用為阻滯流體內(nèi)部的相互滑動，在任何情況下它都只能延緩滑動的過程而不能消除這種滑動。粘性的大小可用粘度來衡量，粘度是選擇液壓用流體的主要指標，

13、是影響流動流體的重要物理性質。 圖2-2液體的粘性示意圖 當液體流動時，由于液體與固體壁面的附著力及流體本身的粘性使流體內(nèi)各處的速度大小不等，以流體沿如圖2-2所示的平行平板間的流動情況為例，設上平板以速度u0向右運動，下平板固定不動。緊貼于上平板上的流體粘附于上平板上，其速度與上平板相同。緊貼于下平板上的流體粘附于下平板圖2-2液體的粘性示意圖上，其速度為零。中間流體的速度按線性分布。我們把這種流動看成是許多無限薄的流體層在運動，當運動較快的流體層在運動較慢的流體層上滑過時，兩層間由于粘性就產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的作用。根據(jù)實際測定的數(shù)據(jù)所知，流體層間的內(nèi)摩擦力F與流體層的接觸面積

14、A及流體層的相對流速du成正比，而與此二流體層間的距離dz成反比，即：F=Adu/dz以=F/A表示切應力，則有：du/dz (2-6)式中：為衡量流體粘性的比例系數(shù)，稱為絕對粘度或動力粘度；du/dz表示流體層間速度差異的程度，稱為速度梯度。上式是液體內(nèi)摩擦定律的數(shù)學表達式。當速度梯度變化時，為不變常數(shù)的流體稱為牛頓流體，為變數(shù)的流體稱為非牛頓流體。除高粘性或含有大量特種添加劑的液體外，一般的液壓用流體均可看作是牛頓流體。流體的粘度通常有三種不同的測試單位。(1)絕對粘度。絕對粘度又稱動力粘度，它直接表示流體的粘性即內(nèi)摩擦力的大小。動力粘度在物理意義上講，是當速度梯度du/dz=1時，單位面

15、積上的內(nèi)摩擦力的大小，即： (2-7)動力粘度的國際(SI)計量單位為牛頓·秒/米2，符號為N·s/m2，或為帕·秒，符號為Pa·s。(2)運動粘度。運動粘度是絕對粘度與密度的比值：=/ (2-8)式中：為液體的動力粘度，m2/s；為液體的密度，kg/m3。運動粘度的SI單位為米2/秒，m2/s。還可用CGS制單位：斯(托克斯)，St斯的單位太大， (3)相對粘度。相對粘度是以相對于蒸餾水的粘性的大小來表示該液體的粘性的。相對粘度又稱條件粘度。各國采用的相對粘度單位有所不同。有的用賽氏粘度，有的用雷氏粘度，我國采用恩氏粘度。 (4)壓力對粘度的影響。在一

16、般情況下，壓力對粘度的影響比較小，在工程中當壓力低于5MPa時，粘度值的變化很小，可以不考慮。當液體所受的壓力加大時，分子之間的距離縮小，內(nèi)聚力增大，其粘度也隨之增大。因此，在壓力很高以及壓力變化很大的情況下，粘度值的變化就不能忽視。在工程實際應用中，當液體壓力在低于50MPa的情況下，可用下式計算其粘度：p=0(1+p) (2-12)式中：p為壓力在p(Pa)時的運動粘度；0為絕對壓力為1個大氣壓時的運動粘度；p為壓力(Pa)；為決定于油的粘度及油溫的系數(shù)，一般取=(0.0020.004)×10-5，1/Pa。(5)溫度對粘度的影響。液壓油粘度對溫度的變化是十分敏感的，當溫度升高時

17、，其分子之間的內(nèi)聚力減小，粘度就隨之降低。不同種類的液壓油，它的粘度隨溫度變化的規(guī)律也不同。我國常用粘溫圖表示油液粘度隨溫度變化的關系。對于一般常用的液壓油，當運動粘度不超過76mm2/s，溫度在30150范圍內(nèi)時，可用下述近似公式計算其溫度為t的運動粘度：t=50(50/t)n (2-13)式中：t為溫度在t時油的運動粘度；50為溫度為50時油的運動粘度；n為粘溫指數(shù)。粘溫指數(shù)n隨油的粘度而變化，其值可參考表2-2。表2-2粘溫指數(shù)50/mm2·s-12.56.59.512213038455260n1.391.591.721.791.992.132.242.322.422.49二、

18、液壓油的物理特性1、   密度 = m/V kg/ m3一般礦物油的密度為850950kg/m32、重度 = G/V N/ m3 一般礦物油的重度為84009500N/m3 因G = mg 所以 = G/V=g  3、液體的可壓縮性 當液體受壓力作用二體積減小的特性稱為液體的可壓縮性。 體積壓縮系數(shù) = - V/pV0體積彈性模量K = 1 / 三、液壓油的選用1、液壓油是液壓傳動系統(tǒng)的重要組成部分，是用來傳遞能量的工作介質。除了傳遞能量外，它還起著潤滑運動部件和保護金屬不被銹蝕的作用。液壓油的質量及其各種性能將直接影響液壓系統(tǒng)的工作。從液壓系統(tǒng)使用油液的要求來看

19、，有下面幾點： 1.）適宜的粘度和良好的粘溫性能一般液壓系統(tǒng)所用的液壓油其粘度范圍為：=11.5×10-635.3×10-6m2/s(25°E50)2.）潤滑性能好在液壓傳動機械設備中，除液壓元件外，其他一些有相對滑動的零件也要用液壓油來潤滑，因此，液壓油應具有良好的潤滑性能。為了改善液壓油的潤滑性能，可加入添加劑以增加其潤滑性能。3.）良好的化學穩(wěn)定性即對熱、氧化、水解、相容都具有良好的穩(wěn)定性。4.）對液壓裝置及相對運動的元件具有良好的潤滑性5.）對金屬材料具有防銹性和防腐性6.）比熱、熱傳導率大，熱膨脹系數(shù)小7.）抗泡沫性好，抗乳化性好8.）油液純凈，含雜質量

20、少9.）流動點和凝固點低，閃點(明火能使油面上油蒸氣內(nèi)燃，但油本身不燃燒的溫度)和燃點高此外，對油液的無毒性、價格便宜等，也應根據(jù)不同的情況有所要求。2、正確而合理地選用液壓油，乃是保證液壓設備高效率正常運轉的前提。選用液壓油時，可根據(jù)液壓元件生產(chǎn)廠樣本和說明書所推薦的品種號數(shù)來選用液壓油，或者根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作壓力、工作溫度、液壓元件種類及經(jīng)濟性等因素全面考慮，一般是先確定適用的粘度范圍，再選擇合適的液壓油品種。同時還要考慮液壓系統(tǒng)工作條件的特殊要求，如在寒冷地區(qū)工作的系統(tǒng)則要求油的粘度指數(shù)高、低溫流動性好、凝固點低；伺服系統(tǒng)則要求油質純、壓縮性??；高壓系統(tǒng)則要求油液抗磨性好。在選用液壓油時

21、，粘度是一個重要的參數(shù)。粘度的高低將影響運動部件的潤滑、縫隙的泄漏以及流動時的壓力損失、系統(tǒng)的發(fā)熱溫升等。所以，在環(huán)境溫度較高，工作壓力高或運動速度較低時，為減少泄漏，應選用粘度較高的液壓油，否則相反。液壓油的牌號(即數(shù)字)表示在40下油液運動粘度的平均值(單位為cSt)。原名內(nèi)為過去的牌號，其中的數(shù)字表示在50時油液運動粘度的平均值。但是總的來說，應盡量選用較好的液壓油，雖然初始成本要高些，但由于優(yōu)質油使用壽命長，對元件損害小，所以從整個使用周期看，其經(jīng)濟性要比選用劣質油好些。 實際上，系統(tǒng)中使用的泵對液壓油粘度的選用往往起決定性的作用。第二章 液壓傳動基礎知識本章介紹有關液壓傳動的流體力學

22、基礎，重點為液體靜壓方程、連續(xù)性方程、伯努力方程的應用，壓力損失、小孔流量的計算。要求學生理解基本概念、牢記公式并會應用。 §2-1 液體靜力學基礎液壓傳動是以液體作為工作介質進行能量傳遞的，因此要研究液體處于相對平衡狀態(tài)下的力學規(guī)律及其實際應用。所謂相對平衡是指液體內(nèi)部各質點間沒有相對運動，至于液體本身完全可以和容器一起如同剛體一樣做各種運動。因此，液體在相對平衡狀態(tài)下不呈現(xiàn)粘性，不存在切應力，只有法向的壓應力，即靜壓力。本節(jié)主要討論液體的平衡規(guī)律和壓強分布規(guī)律以及液體對物體壁面的作用力。一、液體靜壓力及其特性作用在液體上的力有兩種類型：一種是質量力，另一種是表面力。 質

23、量力作用在液體所有質點上，它的大小與質量成正比，屬于這種力的有重力、慣性力等。單位質量液體受到的質量力稱為單位質量力，在數(shù)值上等于重力加速度。表面力作用于所研究液體的表面上，如法向力、切向力。表面力可以是其他物體(例如活塞、大氣層)作用在液體上的力；也可以是一部分液體間作用在另一部分液體上的力。對于液體整體來說，其他物體作用在液體上的力屬于外力，而液體間作用力屬于內(nèi)力。由于理想液體質點間的內(nèi)聚力很小，液體不能抵抗拉力或切向力，即使是微小的拉力或切向力都會使液體發(fā)生流動。因為靜止液體不存在質點間的相對運動，也就不存在拉力或切向力，所以靜止液體只能承受壓力。所謂靜壓力是指靜止液體單位面積上所受的法

24、向力，用p表示。液體內(nèi)某質點處的法向力F對其微小面積A的極限稱為壓力p，即：plimF/A (2-14)A0若法向力均勻地作用在面積A上，則壓力表示為：pF/A (2-15)式中：A為液體有效作用面積；F為液體有效作用面積A上所受的法向力。靜壓力具有下述兩個重要特征：(1)液體靜壓力垂直于作用面，其方向與該面的內(nèi)法線方向一致。(2)靜止液體中，任何一點所受到的各方向的靜壓力都相等。二、液體靜力學方程圖2-3靜壓力的分布規(guī)律 靜止液體內(nèi)部受力情況可用圖2-3來說明。設容器中裝滿液體，在任意一點A處取一微小面積dA，該點距液面深度為h，距坐標原點高度為Z，容器液平面距坐標原點為Z0。為了

25、求得任意一點A的壓力，可取dA·h這個液柱為分離體見圖(b)。根據(jù)靜壓力的特性，作用于這個液柱上的力在各方向都呈平衡，現(xiàn)求各作用力在方向的平衡方程。微小液柱頂面上的作用力為p0dA(方向向下)，液柱本身的重力hdA(方向向下)，液柱底面對液柱的作用力為pdA(方向向上)，則平衡方程為： pdA=p0dA+hdA故p= p0+h (2-16)為了更清晰地說明靜壓力的分布規(guī)律，將(2-16)式按坐標變換一下，即以：h=Z0-Z代入上式整理后得：p+Z= p0+Z0=常量 (2-17)上式是液體靜力學基本方程的另一種形式。其中Z實質上表示A點的單位質量液體的位能。設A點液體質點的質量為m，

26、重力為mg，如果質點從A點下降到基準水平面，它的重力所做的功為mgz。因此A處的液體質點具有位置勢能mgz，單位質量液體的位能就是mgz/mgZ，Z又常稱作位置水頭。而p/g表示A點單位質量液體的壓力能，常稱為壓力水頭。由以上分析及式(2-1)可知，靜止液體中任一點都有單位質量液體的位能和壓力能，即具有兩部分能量，而且各點的總能量之和為一常量。分析式(2-16)可知：(1)靜止液體中任一點的壓力均由兩部分組成，即液面上的表面壓力p0和液體自重而引起的對該點的壓力h。(2)靜止液體內(nèi)的壓力隨液體距液面的深度變化呈線性規(guī)律分布，且在同一深度上各點的壓力相等，壓力相等的所有點組成的面為等壓面，很顯然

27、，在重力作用下靜止液體的等壓面為一個平面。(3)可通過下述三種方式使液面產(chǎn)生壓力p0：通過固體壁面(如活塞)使液面產(chǎn)生壓力；通過氣體使液面產(chǎn)生壓力；通過不同質的液體使液面產(chǎn)生壓力。三、壓力的表示方法及單位液壓系統(tǒng)中的壓力就是指壓強，液體壓力通常有絕對壓力、相對壓力(表壓力)、真空度三種表示方法。因為在地球表面上，一切物體都受大氣壓力的作用，而且是自成平衡的，即大多數(shù)測壓儀表在大氣壓下并不動作，這時它所表示的壓力值為零，因此，它們測出的壓力是高于大氣壓力的那部分壓力。也就是說，它是相對于大氣壓(即以大氣壓為基準零值時)所測量到的一種壓力，因此稱它為相對壓力或表壓力。另一種是以絕對真空為基準零值時

28、所測得的壓力，我們稱它為絕對壓力。當絕對壓力低于大氣壓時，習慣上稱為出現(xiàn)真空。因此，某點的絕對壓力比大氣壓小的那部分數(shù)值叫作該點的真空度。如某點的絕對壓力為4.052×104Pa(0.4大氣壓)，則該點的真空度為0.6078×104Pa(0.6大氣壓)。絕對壓力、相對壓力(表壓力)和真空度的關系如圖2-4所示。  圖2-4絕對壓力與表壓力的關系 圖2-5真空 由圖2-4可知，絕對壓力總是正值，表壓力則可正可負，負的表壓力就是真空度，如真空度為4.052×104Pa(0.4大氣壓)，其表壓力為-4.052×104Pa(-0.4

29、大氣壓)。我們把下端開口，上端具有閥門的玻璃管插入密度為的液體中，如圖2-5所示。如果在上端抽出一部分封入的空氣，使管內(nèi)壓力低于大氣壓力，則在外界的大氣壓力pa的作用下，管內(nèi)液體將上升至h0，這時管內(nèi)液面壓力為p0，由流體靜力學基本公式可知：pa=p0+gh0。顯然，gh0就是管內(nèi)液面壓力p0不足大氣壓力的部分，因此它就是管內(nèi)液面上的真空度。由此可見，真空度的大小往往可以用液柱高度h0=(pa- p0)/g來表示。在理論上，當p0等于零時，即管中呈絕對真空時，h0達到最大值，設為(h0max)r，在標準大氣壓下，(h0max)rpatm/g=10.1325/(9.8066)=1.033/水的密

30、度=10-3kg/cm3，汞的密度為13.6×10-3kg/cm3。所以(h0max)r1.033×10-3=1033cmH2O=10.33mH2O或(h0max)r1.03313.6×10-3=76cmHg=760mmHg即理論上在標準大氣壓下的最大真空度可達10.33米水柱或760毫米汞柱。根據(jù)上述歸納如下：(1)絕對壓力大氣壓力+表壓力(2)表壓力絕對壓力-大氣壓力(3)真空度大氣壓力-絕對壓力壓力單位為帕斯卡，簡稱帕，符號為Pa，1Pa1N/m2。由于此單位很小，工程上使用不便，因此常采用它的倍單位兆帕，符號MPa。1Mpa=105Pa四、液壓靜壓力對固體

31、壁面的作用力在液壓傳動中，略去液體自重產(chǎn)生的壓力，液體中各點的靜壓力是均勻分布的，且垂直作用于受壓表面。因此，當承受壓力的表面為平面時，液體對該平面的總作用力F為液體的壓力p與受壓面積A的乘積，其方向與該平面相垂直。如壓力油作用在直徑為D的柱塞上，則有F=pA=pD2/4。當承受壓力的表面為曲面時，由于壓力總是垂直于承受壓力的表面，所以作用在曲面上各點的力不平行但相等。要計算曲面上的總作用力，必須明確要計算哪個方向上的力。圖2-7所示為液壓缸筒受力分析圖。設缸筒半徑為r，長度為l，求液壓力作用在右壁部x方向的力Fx。在缸筒上取一微小窄條，其面積為dA=lds=lrd，壓力油作用在這微小面積上的

32、力dF在x方向的投影為：dFx=dFcos=pdAcos=plrcosd在液壓缸筒右半壁上x方向的總作用力為：Fx=plrcosd=2lrp (2-19)式中，2lr為曲面在x方向的投影面積。由此可得出結論，作用在曲面上的液壓力在某一方向上的分力等于靜壓力與曲面在該方向投影面積的乘積。這一結論圖2-7液體對固體壁面的作用力 對任意曲面都適用。圖2-8為球面和錐面所受液壓力分析圖。要計算出球面和錐面在垂直方向受力F，只要先計算出曲面在垂直方向的投影面積A，然后再與壓力p相乘，即：F=pA=pd2/4 (2-20)式中：d為承壓部分曲面投影圓的直徑。 圖2-8液壓力作用在曲面上的力

33、60;§2-2 液體動力學基礎 在液壓傳動系統(tǒng)中，液壓油總是在不斷的流動中，因此要研究液體在外力作用下的運動規(guī)律及作用在流體上的力及這些力和流體運動特性之間的關系。對液壓流體力學我們只關心和研究平均作用力和運動之間的關系。本節(jié)主要討論三個基本方程式，即液流的連續(xù)性方程、柏努力方程和動量方程。它們是剛體力學中的質量守恒、質量守恒及動量守恒原理在流體力學中的具體應用。前兩個方程描述了壓力、流速與流量之間的關系，以及液體能量相互間的變換關系，后者描述了流動液體與固體壁面之間作用里的情況。液體是有粘性的，并在流動中表現(xiàn)出來，因此，在研究液體運動規(guī)律時，不但要考慮質量力和壓力，還要考

34、慮粘性摩擦力的影響。此外，液體的流動狀態(tài)還與溫度、密度、壓力等參數(shù)有關。為了分析，可以簡化條件，從理想液體著手，所謂理想液體是指沒有粘性的液體，同時，一般都視為在等溫的條件下把粘度、密度視作常量來討論液體的運動規(guī)律。然后在通過實驗對產(chǎn)生的偏差加以補充和修正，使之符合實際情況。一、基本概念 1)理想液體與定常流動 液體具有粘性，并在流動時表現(xiàn)出來，因此研究流動液體時就要考慮其粘性，而液體的粘性阻力是一個很復雜的問題，這就使我們對流動液體的研究變得復雜。因此，我們引入理想液體的概念，理想液體就是指沒有粘性、不可壓縮的液體。首先對理想液體進行研究，然后再通過實驗驗證的方法對所得的結論進行補充和修正。

35、這樣，不僅使問題簡單化，而且得到的結論在實際應用中扔具有足夠的精確性。我們把既具有粘性又可壓縮的液體稱為實際液體。當液體流動時，可以將流動液體中空間任一點上質點的運動參數(shù)，例如壓力p、流速v及密度g表示為空間坐標和時間的函數(shù)，例如： 壓力p=p（x，y，z，t) 速度v=v（x，y，z，t) 密度=（x，y，z，t）如果空間上的運動參數(shù)p、v及在不同的時間內(nèi)都有確定的值，即它們只隨空間點坐標的變化而變化，不隨時間t變化，對液體的這種運動稱為定常流動或恒定流動。但只要有一個運動參數(shù)隨時間而變化，則就是非定常流動或非恒定流動。如果空間點上的運動參數(shù)p、及在不同的時間內(nèi)都有確定的值，即它們只隨空間點

36、坐標的變化而變化，不隨時間t變化，對液體的這種運動稱為定常流動或恒定流動。定常流動時， , 在流體的運動參數(shù)中，只要有一個運動參數(shù)隨時間而變化，液體的運動就是非定常流動或非恒定流動。圖2-9恒定出流與非恒定出流 (a)恒定出流(b)非恒定出流在圖2-9(a)中，我們對容器出流的流量給予補償，使其液面高度不變，這樣，容器中各點的液體運動參數(shù)p、都不隨時間而變，這就是定常流動。在圖2-9(b)中，我們不對容器的出流給予流量補償，則容器中各點的液體運動參數(shù)將隨時間而改變，例如隨著時間的消逝，液面高度逐漸減低，因此，這種流動為非定常流動。 3)流量和平均流速流量：單位時間內(nèi)通過通流截面的液體的體積稱為

37、流量，用q表示，流量的常用單位為升/分，L/min。對微小流束，通過dA上的流量為dq,其表達式為：dq=udA (2-21) q= 當已知通流截面上的流速u的變化規(guī)律時，可以由上式求出實際流量。 平均流速：在實際液體流動中，由于粘性摩擦力的作用，通流截面上流速u的分布規(guī)律難以確定，因此引入平均流速的概念，即認為通流截面上各點的流速均為平均流速，用v來表示，則通過通流截面的流量就等于平均流速乘以通流截面積。令此流量與上述實際流量相等，得： q= vA (2-22) 則平均流速為： v = q/A (2-23) 又如正方形的管道，邊長為b,則濕周為4b，因而水力半徑為R=b/4。水力半徑的大小，

38、對管道的通流能力影響很大。水力半徑大，表明流體與管壁的接觸少，同流能力強；水力半徑小，表明流體與管壁的接觸多，同流能力差，容易堵塞。  3.2連續(xù)性方程 質量守恒是自然界的客觀規(guī)律，不可壓縮液體的流動過程也遵守能量守恒定律。在流體力學中這個規(guī)律用稱為連續(xù)性方程的數(shù)學形式來表達的。 其中不可壓縮流體作定常流動的連續(xù)性方程為： 圖2-11液體的微小流束連續(xù)性流動示意圖 v1A1=v2A2 （2-27） 由于通流截面是任意取的，則有： q =v1A1=v2A2=v3A3= =vnAn=常數(shù) （2-28） 式中：v1，v2分別是流管通流截面A1及A2上的平均流速。式（2-26）表明

39、通過流管內(nèi)任一通流截面上的流量相等，當流量一定時，任一通流截面上的通流面積與流速成反比。則有任一通流斷面上的平均流速為： vi=q/Ai 3.3伯努利方程 能量守恒是自然界的客觀規(guī)律，流動液體也遵守能量守恒定律，這個規(guī)律是用伯努利方程的數(shù)學形式來表達的。伯努利方程是一個能量方程，掌握這一物理意義是十分重要的。1) 1)    1)    理想液體微小流束的伯努利方程 為研究的方便，一般將液體作為沒有粘性摩擦力的理想液體來處理。 P1/g +Z1 +u12/2g = P2/g+ Z2 + u22 /2g （2-29） 式中p/r為單位重

40、量液體所具有的壓力能，稱為比壓能，也叫作壓力水頭。Z為單位重量液體所具有的勢能，稱為比位能，也叫作位置水頭。（u2/2g）為單位重量液體所具有的動能，稱為比動能，也叫作速度水頭，它們的量綱都為長度。  圖212液流能量方程關系轉換圖對伯努利方程可作如下的理解：伯努利方程式是一個能量方程式，它表明在空間各相應通流斷面處流通液體的能量守恒規(guī)律。理想液體的伯努利方程只適用于重力作用下的理想液體作定?；顒拥那闆r。任一微小流束都對應一個確定的伯努利方程式，即對于不同的微小流束，它們的常量值不同。 伯努利方程的物理意義為：在密封管道內(nèi)作定常流動的理想液體在任意一個通流斷面上具有三種形成的能量，即

41、壓力能、勢能和動能。三種能量的總合是一個恒定的常量，而且三種能量之間是可以相互轉換的，即在不同的通流斷面上，同一種能量的值會是不同的，但各斷面上的總能量值都是相同的。2)    實際液體微小流束的伯努利方程 由于液體存在著粘性，其粘性力在起作用，并表示為對液體流動的阻力，實際液體的流動要克服這些阻力，表示為機械能的消耗和損失，因此，當液體流動時，液流的總能量或總比能在不斷地減少。所以，實際液體微小流束的伯努力方程為   （2-30） 3)實際液體總流的伯努利方程 （2-31） 伯努利方程的適用條件為： 穩(wěn)定流動的不可壓縮液體，即密度為常數(shù)。 液體所受質量

42、力只有重力，忽略慣性力的影響。 所選擇的兩個通流截面必須在同一個連續(xù)流動的流場中是漸變流（即流線近于平行線，有效截面近于平面）。而不考慮兩截面間的流動狀況。      §2-3 管道內(nèi)壓力損失的計算 實際粘性液體在流動時存在阻力，為了克服阻力就要消耗一部分能量，這樣就有能量損失。在液壓傳動中，能量損失主要表現(xiàn)為壓力損失，這就是實際液體流動的伯努利方程式中的hw項的含義。液壓系統(tǒng)中的壓力損失分為兩類，一類是油液沿等直徑直管流動時所產(chǎn)生的壓力損失，稱之為沿程壓力損失。這類壓力損失是由液體流動時的內(nèi)、外摩擦力所引起的。另一類是油液

43、流經(jīng)局部障礙（如彎頭、接頭、管道截面突然擴大或收縮）時，由于液流的方向和速度的突然變化，在局部形成旋渦引起油液質點間，以及質點與固體壁面間相互碰撞和劇烈摩擦而產(chǎn)生的壓力損失稱之為局部壓力損失。 壓力損失過大也就是液壓系統(tǒng)中功率損耗的增加，這將導致油液發(fā)熱加劇，泄漏量增加，效率下降和液壓系統(tǒng)性能變壞。 在液壓技術中，研究阻力的目的是：為了正確計算液壓系統(tǒng)中的阻力；為了找出減少流動阻力的途徑；為了利用阻力所形成的壓差p來控制某些液壓元件的動作。 4）流動狀態(tài)、雷諾數(shù)實際液體具有粘性，是產(chǎn)生流動阻力的根本原因。然而流動狀態(tài)不同，則阻力大小也是不同的。所以先研究兩種不同的流動狀態(tài)。  

44、60;        流動狀態(tài)層流和紊流 液體在管道中流動時存在兩種不同狀態(tài)，它們的阻力性質也不相同。雖然這是在管道液流中發(fā)生的現(xiàn)象，卻對氣流和潛體也同樣適用。 試驗裝置如圖2-20所示，試驗時保持水箱中水位恒定和可能平靜，然后將閥門A微微開啟，使少量水流流經(jīng)玻璃管，即玻璃管內(nèi)平均流速V很小。這時，如將顏色水容器的閥門B也微微開啟，使顏色水也流入玻璃管內(nèi)，我們可以在玻璃管內(nèi)看到一條細直而鮮明的顏色流束，而且不論顏色水放在玻璃管內(nèi)的任何位置，它都能呈直線狀，這說明管中水流都是安定地沿軸向運動，液體質點沒有垂直于主流方向的橫向運動，所以顏

45、色水和周圍的液體沒有混雜。如果把A閥緩慢開大，管中流量和它的平均流速V也將逐漸增大，直至平均流速增加至某一數(shù)值，顏色流束開始彎曲顫動，這說明玻璃管內(nèi)液體質點不再保持安定，開始發(fā)生脈動，不僅具有橫向的脈動速度，而且也具有縱向脈動速度。如果A閥繼續(xù)開大，脈動加劇，顏色水就完全與周圍液體混雜而不再維持流束狀態(tài)。圖2-20 雷諾試驗 層流：在液體運動時，如果質點沒有橫向脈動，不引起液體質點混雜，而是層次分明，能夠維持安定的流束狀態(tài)，這種流動稱為層流 紊流：如果液體流動時質點具有脈動速度，引起流層間質點相互錯雜交換，這種流動稱為紊流或湍流。       

46、    雷諾數(shù) 液體流動時究竟是層流還是紊流，須用雷諾數(shù)來判別。 實驗證明，液體在圓管中的流動狀態(tài)不僅與管內(nèi)的平均流速v有關，還和管徑d、液體的運動粘度有關。但是，真正決定液流狀態(tài)的，卻是這三個參數(shù)所組成的一個稱為雷諾數(shù)Re的無量綱純數(shù)：Re=vd/ （224） 由式（241）可知，液流的雷諾數(shù)如相同，它的流動狀態(tài)也相同。當液流的雷諾數(shù)Re小于臨界雷諾數(shù)時，液流為層流；反之，液流大多為紊流。常見的液流管道的臨界雷諾數(shù)由實驗求得。示于表2-4中。表2-4 常見液流管道的臨界雷諾數(shù)管道的材料與形狀Recr管道的材料與形狀Recr光滑的金屬圓管2000-2320帶槽裝的

47、同心環(huán)狀縫隙700橡膠軟管1600-2000帶槽裝的偏心環(huán)狀縫隙400光滑的同心環(huán)狀縫隙1100圓柱形滑閥閥口260光滑的偏心環(huán)狀縫隙1000錐狀閥口20-100對于非閥截面的管道來說，Re可用下式計算： (2-25)式中：Re為流截面的水力半徑，它等于也流的有效截面積A和它的濕周（有效截面的周界長度）x之比，即: （2-26） 直徑為D的圓柱截面管道的水力半徑為R=A/x=d/4 .將此式代入（2-25），可得式（2-24）。一、液體在直管中流動時的壓力損失液體在直管中流動時的壓力損失是由液體流動時的摩擦引起的，稱之為沿程壓力損失，它主要取決于管路的長度、內(nèi)徑、液體的流速和粘度等。液體的流態(tài)

48、不同，沿程壓力損失也不同。液體在圓管中層流流動在液壓傳動中最為常見，因此，在設計液壓系統(tǒng)時，常希望管道中的液流保持層流流動的狀態(tài)。1.層流時的壓力損失在液壓傳動中，液體的流動狀態(tài)多數(shù)是層流流動，在這種狀態(tài)下液體流經(jīng)直管的壓力損失可以通過理論計算求得。圖221圓管中的層流 (1)液體在流通截面上的速度分布規(guī)律。如圖2-21(a)所示，液體在直徑d的圓管中作層流運動，圓管水平放置，在管內(nèi)取一段與管軸線重合的小圓柱體，設其半徑為r，長度為l。在這一小圓柱體上沿管軸方向的作用力有：左端壓力p1，右端壓力p2，圓柱面上的摩擦力為Ff，則其受力平衡方程式為： (2-44)由式(2-6)可知： (2-45)

49、式中：為動力粘度。因為速度增量du與半徑增量dr符號相反，則在式中加一負號。另外，pp1- p2把p、式(2-45)代入式(2-44)，則得: (2-46)對式(2-46)積分得： (2-47)當rR時，u0，代入(2-47)式得：則 (2-48)由式(2-48)可知管內(nèi)流速u沿半徑方向按拋物線規(guī)律分布，最大流速在軸線上，其值為： (2-49)(1) (2)  (1)  管路中的流量。圖2-21(b)所示拋物體體積，是液體單位時間內(nèi)流過通流截面的體積即流量。為計算其體積，可在半徑為r處取一層厚度為dr的微小圓環(huán)面積，通過此環(huán)形面積的流量為： (2-50)對式(2-50)積分

50、，即可得流量q： (2-51)(2) (3)  (2)  平均流速。設管內(nèi)平均流速為， (2-52)把式(2-52)與式(2-49)對比可得平均流速與最大流速的關系：= (2-53)(4)沿程壓力損失。層流狀態(tài)時，液體流經(jīng)直管的沿程壓力損失可從式(2-52)求得： (2-54)由式(2-54)可看出，層流狀態(tài)時，液體流經(jīng)直管的壓力損失與動力粘度、管長、流速成正比，與管徑平方成反比。在實際計算壓力損失時，為了簡化計算，由式(2-8)和式(2-41)得=d/Re，并把=d/Re代入式(2-54)，且分子分母同乘以2g得: (2-55)式中：為沿程阻力系數(shù)。它的理論值為64/Re

51、，而實際由于各種因素的影響，對光滑金屬管取75/Re，對橡膠管取80/Re。2.紊流時的壓力損失層流流動中各質點有沿軸向的規(guī)則運動。而無橫向運動。紊流的重要特性之一是液體各質點不再是有規(guī)則的軸向運動，而是在運動過程中互相滲混和脈動。這種極不規(guī)則的運動，引起質點間的碰撞，并形成旋渦，使紊流能量損失比層流大得多。由于紊流流動現(xiàn)象的復雜性，完全用理論方法加以研究至今，尚未獲得令人滿意的成果，故仍用實驗的方法加以研究，再輔以理論解釋，因而紊流狀態(tài)下液體流動的壓力損失仍用式(2-55)來計算，式中的值不僅與雷諾數(shù)Re有關，而且與管壁表面粗糙度有關，具體的值見表2-5。表2-5圓管紊流時的值2.局部壓力損

52、失局部壓力損失是液體流經(jīng)閥口、彎管、通流截面變化等所引起的壓力損失。液流通過這些地方時，由于液流方向和速度均發(fā)生變化，形成旋渦（如圖2-22），使液體的質點間相互撞擊，從而產(chǎn)生較大的能量損耗。圖2-22 突然擴大處的局部損失局部壓力損失的計算式可以表達成如下算式： =2 /2 （256）式中：為局部阻力系數(shù)，其值僅在液流流經(jīng)突然擴大的截面時可以用理論推導方法求得，其他情況均須通過實驗來確定；為液體的平均流速，一般情況下指局部阻力下游處的流速。 3.管路系統(tǒng)中的總壓力損失與效率管路系統(tǒng)的總壓力損失等于所有沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和，即： =+=+ （258）  

53、60;           §2-4 液體流經(jīng)孔口幾縫隙的特性在液壓傳動系統(tǒng)中常遇到油液流經(jīng)小孔或間隙的情況，例如節(jié)流調速中的節(jié)流小孔，液壓元件相對運動表面間的各種間隙。研究液體流經(jīng)這些小孔和間隙的流量壓力特性，對于研究節(jié)流調速性能，計算泄漏都是很重要的。一、小孔流動液體流經(jīng)小孔的情況可以根據(jù)孔長l與孔徑d的比值分為三種情況：l/d0.5時，稱為薄壁小孔；0.5l/d4時，稱為短孔；l/d4時，稱為細長孔。圖2-23液體在薄壁小孔中的流動 1. 1. &#

54、160;  1.    液流流經(jīng)薄壁小孔的流量 液體流經(jīng)薄壁小孔的情況如圖2-23所示。液流在小孔上游大約d/2處開始加速并從四周流向小孔。由于流線不能突然轉折到與管軸線平行，在液體慣性的作用下，外層流線逐漸向管軸方向收縮，逐漸過渡到與管軸線方向平行，從而形成收縮截面Ac。對于圓孔，約在小孔下游d/2處完成收縮。通常把最小收縮面積Ac與孔口截面積之比值稱為收縮系數(shù)Cc，即CcAc/A。其中A為小孔的通流截面積。液流收縮的程度取決于Re、孔口及邊緣形狀、孔口離管道內(nèi)壁的距離等因素。對于圓形小孔，當管道直徑D與小孔直徑d之比D/d7時，流速的收縮作用不受管壁的影響，稱為完全收縮。反之，管壁對收縮程度有影響時，則稱為不完全收縮。對于圖2-23所示的通過薄壁小孔的液流，取截面11和22為計算截面，設截面11處的壓力和