液壓傳動與液壓密封

1、!第一篇液壓傳動與液壓密封概論 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

2、! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ;touq& 第一章第一章液壓傳動工作原理與液壓流體力學液壓傳動工作原理與液壓流體力學第一節(jié)液壓傳動工作原理與系統(tǒng)組成一、液壓傳動的工作原理用液體作為工作介質來實現(xiàn)能量傳遞的傳動方式稱為液體傳動。液體傳動按其工作原理的不同分為兩類：主要以液體動能進行工作的稱為液力傳動（如離心泵、液力變矩器等）；主要以液體壓力能進行工作的稱為液壓傳動，即是本書所要討論的內容。下面以一個簡單的例子來說

3、明液壓傳動的工作原理。圖 ! ! ! 為液壓千斤頂?shù)脑硎疽鈭D，圖中大小兩個液壓缸 # 和 $ 的內部分別裝有活塞 % 和 &，活塞和缸體之間保持一種良好的配合關系，不僅活塞能在缸內滑動，而且配合面之間又能實現(xiàn)可靠的密封。當用手向上提起杠桿 ! 時，小活塞 & 被帶動上升，于是小液壓缸 $ 的下腔密封容積增大，腔內壓力下降，形成部分真空，這時鋼球 將進入大液壓缸 # 的通路關閉，油池 !( 中的油液就在大氣壓力的作用下推開鋼球 ) 沿吸油孔道進入小液壓缸的下腔，完成一次吸油動作；接著，壓下杠桿 !，小活塞下移，小液壓缸下腔的密封容積減小，腔內壓力升高，這時鋼球 ) 自動關閉了油液流回油池的通路

4、，小液壓缸下腔的壓力油就推開鋼球 擠入大液壓缸 # 的下腔，推動大活塞將重物 * 向上頂起一段距離。如此反復地提壓杠桿 !，就可以使重物（質量為! ）不斷升起，達到起重的目的。若將放油閥 + 旋轉 +(,，則在重物 * 的自重作用下，大液壓缸中的油液流回油池，活塞下降到原位。 $ 第一篇液壓傳動與液壓密封概論圖 ! ! !液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟?杠桿；#小活塞；$、%液壓缸；&、鋼球；(大活塞；)重物；*放油閥；!+油池從此例可以看出，液壓千斤頂是一個簡單的液壓傳動裝置。分析液壓千斤頂?shù)墓ぷ鬟^程，可知液壓傳動是依靠液體在可變化的密封容積中的壓力能實現(xiàn)運動和動力傳遞的。液壓傳動裝置本質上是一種能量

5、轉換裝置，它先將機械能轉換為便于輸送的液壓能，然后又將液壓能轉換為機械能做功。二、液壓傳動系統(tǒng)的組成及圖形符號（一）液壓傳動系統(tǒng)的組成圖 ! ! # 為某專用機床液壓系統(tǒng)的結構原理圖。液壓缸 & 固定在床身上，活塞桿( 和工作臺 % 剛性連接。圖示位置電磁鐵 # 通電，將換向閥 $ 的閥芯 !+ 推向右邊。液壓泵 !# 把油箱 !& 中的油液經濾油器 !$ 吸入液壓泵內，然后通過管道經換向閥進入液壓缸左腔，推動活塞 和工作臺 % 向右運動，液壓缸右腔油液經節(jié)流閥 ) 和換向閥流回油箱。在此情況下，如果調節(jié)節(jié)流閥 ) 的開口大小，即可改變工作臺向右運動的速度。當電磁鐵 # 斷電電磁鐵 ! 通電時

6、，換向閥的閥芯 !+ 被推向左邊，使進入液壓缸的油液換向，液壓泵排出的油液經換向閥和單向閥 * 進入液壓缸右腔，推動活塞和工作臺向左運動，液壓缸左腔油液經換向閥流回油箱。當兩個電磁鐵都斷電時，閥芯 !+ 位于中位將進回油口堵死，工作臺停止運動。此時，液壓泵排出油液的壓力將高于溢流閥 ! 所調定的壓力，于是，油液便經溢流閥和回油管流回油箱。溢流閥起調壓或限壓作用。從上述專用機床工作臺的工作情況可以看出，一個液壓系統(tǒng)通常由以下幾部分組成：（!）動力元件，即圖 ! ! # 中的液壓泵 !#，它使動力部分（電機或其他原動機）所輸出的機械能轉換成液壓能，給液壓系統(tǒng)提供壓力油。 & 第一章液壓傳動工作原理

7、與液壓流體力學圖 ! ! #專用機床液壓系統(tǒng)結構原理圖!溢流閥；#、!電磁鐵；$換向閥；%液壓缸；&活塞；工作臺；(活塞桿；)節(jié)流閥；*單向閥，!+閥芯；!#液壓泵；!$濾油器；!%油箱（#）執(zhí)行元件，即圖 ! ! # 中的液壓缸 %（或是作回轉運動的液壓馬達），它使液壓能轉換成機械能。（$）控制元件，即圖 ! ! # 中所示的換向閥 $、節(jié)流閥 )、溢流閥 ! 等。通過這些閥可以控制和調節(jié)液流的方向、流量和壓力，從而改變執(zhí)行元件的運動方向、運動速度和作用力（或轉矩）大小。（%）輔助元件，即圖 ! ! # 中的油管、油箱和濾油器等。輔助元件是組成液壓系統(tǒng)必不可少的元件，對保證液壓系統(tǒng)可靠地工作

8、起重要作用。（&）工作介質，即液壓油。機床液壓系統(tǒng)多數(shù)采用礦物油作為工作介質。（二）液壓系統(tǒng)圖的圖形符號在圖 ! ! # 中，組成液壓系統(tǒng)的各個元件是用半結構式圖形畫出來的，這種圖形直觀性強，較易理解，但難于繪制，系統(tǒng)中元件數(shù)量多時更是如此。在工程實際中，除某些特殊情況外，一般都用簡單的圖形符號來繪制液壓系統(tǒng)原理圖。對于圖 ! ! # 所示的液壓系統(tǒng)，若用國家標準 ,- ()( 規(guī)定的液壓圖形符號繪制時，其系統(tǒng)原理圖如圖! ! $ 所示。圖中的符號只表示元件的職能和連接通路，并不表示各元件的具體結構和參數(shù)，不表示系統(tǒng)管路具體位置和元件安裝位置。圖中序號的意義與圖 ! ! # 相 & 第一篇液壓

9、傳動與液壓密封概論同。圖 ! ! #專用機床液壓系統(tǒng)職能符號三、液壓傳動的優(yōu)缺點液壓傳動與機械傳動、電氣傳動相比，有以下一些優(yōu)點：（!）能在較大的范圍內比較方便地實現(xiàn)無級調速。調速范圍一般可達 !$ % ! 至 &$ %!。（&）在相同功率情況下，液壓傳動能量轉換元件的體積較小，質量較輕。（#）工作平穩(wěn)，換向沖擊小，便于實現(xiàn)頻繁換向。（）便于實現(xiàn)過載保護，而且工作油液能使傳動零件實現(xiàn)自潤滑，故使用壽命較長。（(）操縱簡單，便于實現(xiàn)自動化。特別是和電氣控制聯(lián)合使用時，易于實現(xiàn)復雜的自動工作循環(huán)。（)）液壓元件易于實現(xiàn)系列化、標準化和通用化，便于設計、制造和推廣使用。液壓傳動的主要缺點有：（!）液

10、壓傳動中的泄漏和液體的可壓縮性使傳動無法保證嚴格的傳動比。（&）液壓傳動有較多的能量損失（泄漏損失、摩擦損失），故傳動效率不高，不宜作遠距離傳動。（#）液壓傳動對油溫的變化比較敏感，不宜在很高和很低的溫度條件下工作。（）液壓傳動出現(xiàn)故障時不易找出原因?？偟貋砜?，液壓傳動的優(yōu)點很多，隨著科學技術的不斷發(fā)展，有些缺點會逐步被克 ) 服。第一章液壓傳動工作原理與液壓流體力學液壓傳動由于具有上述一系列長處，因此，在國民經濟各個部門中獲得了廣泛的應用。如在航海機械、航空機械、工程機械、農業(yè)機械、輕工機械等多方面都廣泛地使用了液壓傳動。在機床上的應用主要有以下幾個方面：（!）進給運動，如車床、自動車床刀架

11、的進給，組合機床動力頭、動力滑臺的進給等。液壓傳動能滿足所要求的調速范圍，并能實現(xiàn)無級調速。（）主體運動，如牛頭刨床或插床的滑枕，采用液壓傳動可實現(xiàn)滑枕的往復運動；也可用于自動車床、數(shù)控機床等的主軸旋轉運動。（#）仿形裝置，如車床、銑床上的仿形加工，可以采用液壓伺服系統(tǒng)來實現(xiàn)。（$）數(shù)控機床。該機床上工作臺的直線或回轉步進運動，可以用電液脈沖馬達及電液伺服閥等電液伺服裝置實現(xiàn)。（%）靜壓支承。靜壓支承已應用于重型機床和高速機床的軸承、導軌和絲桿上，以獲得平穩(wěn)工作和較高的運動精度。液壓傳動與電氣控制相結合，是目前實現(xiàn)各種機械自動化的主要手段，也是機、電、液一體化技術的發(fā)展方向，因而具有更加廣闊的

12、應用前景。第二節(jié)液壓流體力學一、液壓油液壓油是液壓傳動的工作介質，液壓油的性質與流體力學的特性關系密切，因而對液壓傳動的性能影響很大。本節(jié)主要介紹液壓油的主要物理性質。（一）液壓油的性質! & 密度單位體積液體的質量稱為液體的密度，用 ! 表示，液壓油的密度! () * +),- . /#。密度是液體的一個重要的物理參數(shù)。液體的密度隨壓力和溫度的變化而變化，壓力增高，密度增大；溫度升高，密度減小。在一般工作條件下，這種變化很小，可以忽略不計。 & 可壓縮性液體分子間有一定間隙，液體受壓后體積會減小。液體受壓力作用而發(fā)生體積減小 0 第一篇液壓傳動與液壓密封概論的性質稱為液體的可壓縮性。表征液體

13、可壓縮性的是壓縮系數(shù)!。當液體的體積為 、壓力增大 !# 時，體積減小 ! ，則液體在單位壓力變化下的體積相對變化量即為!，其大小為：! ! #!（# #）!#由于壓力增大時，液體的體積減小，為使 ! 為正值，故而式 # # 中出現(xiàn)一負號。液體壓縮系數(shù) ! 的倒數(shù)稱為液體的體積模量，以$ 表示，即$ !#!#（# $）! !$ 表示產生單位體積相對變化量所需的壓力增量，$ 的大小說明了液體抵抗壓縮能力的大小。在常溫、常壓下，純凈油液的體積模量$!（# % & $）( #)*+ ,-，數(shù)值很大，液體的壓縮性很小，可認為不可壓縮，所以一般情況下，把液體看成“柔軟剛體”。但在高壓及研究液壓系統(tǒng)的動態(tài)

14、性能時，則不能忽略液體的可壓縮性。當液壓油中混入空氣時，液體的抗壓縮能力將顯著降低，所以在實際使用時，應力求減少油液中混入的氣體及其他易揮發(fā)物質。在進行液壓系統(tǒng)的動態(tài)計算時，由于液壓系統(tǒng)中不可避免地存在一定量的氣體，所以液壓油的體積模量$ 取 ) % . ( #)*+ ,-。* %粘性（#）粘性液體在外力作用下流動時，液體分子間的內聚力要產生一種阻礙液體分子間相對運動的內摩擦力，液體流動時所具有的這種性質稱為液體的粘性（圖 # # &）。圖 # # &液體的粘性如圖 # # &，設距離很近的兩平行平板間充滿液體，上平板以速度%)向右平移，下平板不動。液體的內摩擦力及液體和固體壁面間的附著力，會

15、使液體內部各層間的速度大小不等。緊貼于上平板的液體層速度為%) ，緊貼下平板的液體層速度為零，而中間各層液體的速度則如圖 # # & 中所示按線性規(guī)律分布。據研究，液體流動時，相鄰兩液層間的內摩擦力& 與液層的接觸面積 和液層間的 / 速度梯度!成正比，即!#或第一章液壓傳動工作原理與液壓流體力學$ !%!#（ # $）$!%! !#（ # %）式中!比例常數(shù)，又稱為動力粘度，也可稱為液體內摩擦系數(shù)；單位面積上的內摩擦切應力，式 # % 又稱為牛頓內摩擦定律。由上式可知，液體為靜止液體時，速度梯度!內摩擦力為零，即靜止液體無粘性。，（）粘度!#! &用以表示液體粘性大小的物理量稱為粘度。常用的

16、粘度有三種，即動力粘度、運動粘度和相對粘度。動力粘度即液體內摩擦系數(shù)，又稱絕對粘度。由式 # % 知動力粘度實際上是液體在單位速度梯度下流動時，接觸液層間單位面積上的內摩擦力。在我國，動力粘度!的法定計量單位是帕斯卡秒（()*）。液體動力粘度與液體密度之比稱為運動粘度，即# !（ # +）$運動粘度單位中只含運動參數(shù)，# 無物理意義，其法定計量單位為二次方米每秒（,- *）。./0 規(guī)定統(tǒng)一采用某一溫度下的運動粘度表示油液的粘度。我國生產的機械油和液壓油新的標準采用 %&1時的運動粘度為其牌號（如 2$ 號液壓油，是指這種油在%&1 時的運動粘度平均值為 $,- *）。相對粘度又稱條件粘度，它

17、是采用特定的粘度計在規(guī)定的條件下測量出來的粘度。由于測量條件的差異，各國采用的條件粘度也不同。我國、前蘇聯(lián)、德國采用的是恩氏粘度（34），美國采用賽氏粘度（/5），英國采用雷氏粘度（6）。各種相對粘度和運動粘度間有相應的換算關系，具體內容可參閱有關資料。（$）粘度和溫度的關系油液對溫度的變化極為敏感，溫度升高，使液體內聚力減小，油液的粘度會顯著降低。油的粘度隨溫度變化的性質稱粘溫特性。不同種類的液壓油有不同的粘溫特性。液壓油粘度與溫度的關系可用圖 # # + 所示的粘溫曲線表示，其變化可直接在圖 # # + 中查找。粘溫特性好的油液，粘度隨溫度的變化較小。使用這種油液的系統(tǒng)，其性能受溫度的影響

18、也較小。 7 第一篇液壓傳動與液壓密封概論圖 ! ! #幾種國產油液粘溫圖液壓油的粘溫特性除了用粘溫曲線表示外，還可以用粘度指數(shù)! 來衡量。粘度指數(shù)! 值越大，則表示油液粘溫特性越好，粘溫曲線越平緩。一般液壓油的粘度指數(shù)要求在 $% 以上，優(yōu)異的在 !% 以上。& 其他性質液壓油還有其他一些物理化學性質，如抗燃性、抗凝性、抗氧化性、抗泡沫性、抗乳化性、防銹性、導熱性、相容性以及純凈性等。對于不同品種的液壓油，其各種性質的指標也不相同，具體可見油類產品手冊。（二）液壓油的種類及選用! 液壓油的種類液壓油主要可分為三大類：石油型、合成型和乳化型。液壓油的主要品種及其主要性質見表 ! ! !。表 !

19、 ! !液壓油的主要品種及其性質性能可燃性液壓油石油型合成型抗燃性液壓油乳化型密度( )*+ ,通用液壓油抗磨液壓油-#% . $%低溫液壓油磷酸脂液!% .!#%水 乙二醇液!%&% .!%油包水液$/% .$&%水包油液!%粘度粘度指數(shù)小 . 大小 . 大小 . 大小 . 大小 . 大!,% .!&% .小!,% .小! ( 不小于 !% -$#!,%!-%!0%!#%極高第一章液壓傳動工作原理與液壓流體力學性能可燃性液壓油石油型合成型抗燃性液壓油乳化型潤滑性防銹性閃點（不低于） #凝點（不高于） #通用液壓油優(yōu)優(yōu)$%& (&! $&抗磨液壓油優(yōu)優(yōu)$%&! ()低溫液壓油優(yōu)優(yōu)$)& $%&

20、! *) ! +)磷酸脂液優(yōu)良難燃! (& ! )&水 ! 乙二醇液良良難燃! )&油包水液良良難燃! ()水包油液可可不燃! )石油型液壓油包括普通液壓油（,- 類）、液壓 ! 導軌油、抗磨液壓油（,.）、低溫液壓油（,/）、高粘度指數(shù)液壓油（,0）、機械油以及各種專用液壓油等。這類液壓油潤滑性好，但抗燃性差，不宜在高溫、易燃、易爆場合使用。合成型液壓油包括水 ! 乙二醇液（ ,1/）、磷酸脂液（,10）等。這類油液價格高、燃點高、粘溫特性好，只用在特殊設備中。乳化型液壓油包括水包油乳化液（,1-）和油包水乳化液（,1.）。這類油液抗燃性好，但潤滑性、防銹性和穩(wěn)定性較差，維護難。( 2 液壓

21、油的選用選擇液壓油時，首先應選用合適的液壓油類型，然后選擇合適的液壓油粘度。油液粘度選擇的一般原則是：運動速度高或配合間隙小時宜采用粘度較低的液壓油以減小摩擦損失，工作壓力高或溫度高時宜采用粘度較高的油液以減少泄漏。在實際使用中，以液壓泵對液壓油的性能最為敏感，因為泵內零件的運動速度最高，承受的壓力最大，且承壓時間長、溫升高，因而常據泵的類型來選擇液壓油的粘度。常用泵的用油粘度推薦值見表 $ ! $ ! (。表 $ ! $ ! (常用泵適用的粘度（33( 4）工作溫度 #泵類型齒輪泵! 7 % 8 9:葉片泵! % 8 9:軸向柱塞泵徑向柱塞泵) +&$% +&$% (;*$ +&() +$%

22、 6(+& 5&6* 55() +*% )+& ;5*% $)+ $ 第一篇液壓傳動與液壓密封概論二、液體靜力學基礎液體靜力學研究的是靜止液體的力學性質。靜止液體是指液體內部質點間沒有相對運動，液體整體則可以像剛體一樣作各種運動。（一）液體的靜壓力及其特性靜壓力是指液體處于靜止狀態(tài)時，單位面積上所受的法向力，用! 表示為：! ! #$!#!%!靜壓力在液壓傳動中簡稱壓力，在物理學中稱壓強。我國法定的壓力單位的名稱為帕斯卡，簡稱帕（&）。在液壓技術中，常用壓力單位為兆帕（ ( &），其關系為：)( & ! )%*&液體靜壓力有如下特性：（)）液體靜壓力沿著內法線方向作用于承壓面。這是因為液體只能

23、承受壓力，而不能承受剪切力和拉力。（+）靜止液體內任一點的壓力在各個方向上都相等。如果在液體中某點受到的各個方向的壓力不等，那么液體就會產生運動，這樣就破壞了靜止的條件。由此可知，靜止液體總是處于受壓狀態(tài)，并且其內部的任何質點都受平衡壓力的作用。（二）液體靜力學基本方程在重力場中討論靜止液體內的壓力分布規(guī)律具有普遍意義。如圖 ) , ) , * 所示，在一密閉容器內，靜止液體所受的力有液體的重力、液面上的外加力以及容器壁面作用于液體表面上的反壓力。若求在液面下深$ 處 點的壓力 !，可以從液體內部取出一個底面包含 點的豎直小液柱，其上頂與液面重合。設小液柱底面積為 ! ，高為 $，液體的密度為

24、，則這個小液柱在重力及周圍液體的壓力作用下，處于平衡狀態(tài)，其平衡式為：圖 ) , ) , *重力作用下的靜止液體! !%! -%$!即 )+ ! ! ! %-%$（) , *）第一章液壓傳動工作原理與液壓流體力學上式即為液體靜力學基本方程。重力作用下的靜止液體內壓力分布有如下特征：（!）靜止液體中任一點的壓力由液面上的壓力!和液柱自身重力所產生的壓力!# 兩部分構成。（#）靜止液體內的壓力隨深度 # 的增加而線性增加。（$）同一液體中，離液面深度相同處各點的壓力均相等。由壓力相等的點組成的面稱為等壓面。顯而易見，重力場下靜止液體的等壓面是水平面。（三）壓力的表示方法在壓力測試中，根據度量基準的

25、不同，液體壓力分為絕對壓力和相對壓力兩種。以絕對零壓為基準測得的壓力稱為絕對壓力。以大氣壓力! %為基準測得的高于大氣壓力的那部分壓力稱為相對壓力。在地球表面上，一切物體都受到大氣壓的作用，大氣壓力的作用都是自相平衡的，因此一般壓力儀表在大氣中的讀數(shù)為零。由測壓儀表所測得的壓力就是高于大氣壓的那部分壓力，所以相對壓力也稱為表壓力。在液壓技術中，如不特別指明，壓力均指相對壓力。當絕對壓力低于大氣壓時，比大氣壓小的那部分壓力稱為真空度。絕對壓力、相對壓力和真空度間的關系如圖 ! & ! & 所示。在圖中，以大氣壓力為基準計算壓力時，基準以上的正值是表壓力，基準以下的負值就是真空度。圖 ! & !

26、& 絕對壓力、相對壓力和真空度用來衡量壓力大小的單位為法定單位帕（(%），已廢除的壓力單位巴（)%*）、標準大氣壓（%+,）、工程大氣壓（%+）與帕的換算關系見表 ! & ! & $。表 ! & ! & $各種壓力單位間的換算關系帕(%巴)%*公斤力 - 厘米#./0 - 1,#工程大氣壓%+標準大氣壓%+,毫米汞柱,2/毫米水柱 ,2#3! 4 !5! 6 !7#! 6 !7#7 6 897#$ 4 !& ! 6 59# 4 !#! 6 !7# 4 !:通常液體在受外界壓力作用的情況下，由液體自重所形成的那部分壓力!# 相對很小，因此，在液壓系統(tǒng)中，可略去由液體自重所產生的壓力，近似認為整個

27、液體內部的壓力是相等的。 !$ 第一篇液壓傳動與液壓密封概論（四）靜壓力的傳遞由靜力學基本方程可知，靜止液體中任意一點處的壓力都包含了液面上的壓力! ! 。這也就是說，在密封容器內，由外力作用所產生的壓力可以等值傳遞到液體內部的所有各點。這就是帕斯卡原理，也稱靜壓傳遞原理。圖 # # $ 所示的密閉容器，活塞面積為 ，活塞上作用的外載為#，則容器內液體的壓力為：! %#（ # &）圖 # # $靜止液體內的壓力由此可見，液體內的壓力是由外負載所形成的，即壓力取決于負載。這是液壓系統(tǒng)中一個很重要的概念。（五）靜壓力作用在固體壁面上的力在液壓傳動中，如忽略液體自重所產生的壓力，則靜止液體中各處的壓

28、力大小均相等，且垂直作用于承壓表面上。液體壓力作用于固體表面上的總壓力分為液體壓力作用于平面上的總作用力及液體壓力作用于曲面上的總作用力。 液體壓力作用于平面上的總作用力當承受壓力作用的面是平面時，作用在該面上壓力方向是平行的，且大小相等。所以總作用力# 的大小等于液體壓力 ! 與承壓面積 的乘積，即# %!( 液體壓力作用于曲面上的總作用力（ # $）當承受壓力作用的面是曲面時，作用在該面上的壓力方向均垂直于曲面，大小相等，曲面上各點處的壓力互不平行，要計算曲面上的總作用力就必須明確要計算哪一方向上的力。如圖 # # ) 為液皮缸的受力情況，現(xiàn)計算靜壓力作用在液壓缸筒右半壁上 $ 方向的力。

29、設%為液壓缸內半徑，&為液壓缸有效長度，在液壓缸上取一微小窄條面積 ， %&( %&%!。靜壓力作用在這一微小面積上的力 *# 在 ) 方向的分力為： + 第一章液壓傳動工作原理與液壓流體力學!# ! ! $%&! # ! # $%&! #$%$%&!圖 ( ( )液體壓力作用在缸筒內壁上的力液壓缸右半壁上 &方向的總作用力為：*!#!(*!#!(*$%$%&! # * $% 由此可以看出，液體靜壓力作用在曲面上的力在某一方向上的分力等于油液壓力與曲面在該方向上投影面積的乘積。該結論在使用時可直接引用。三、液體動力學基礎液體動力學主要研究液體運動和引起運動的原因。本節(jié)主要介紹液體動力學基本內容

30、中液體的流動狀態(tài)、運動規(guī)律、能量轉換以及流動液體與固體壁面的相互作用力等問題。這些基礎內容是液壓技術中分析問題和設計計算的理論依據。（一）流動液體的基本概念 + 理想液體和穩(wěn)定流動流動液體具有粘性，在研究流動液體時必須考慮粘性的影響，但粘性阻力的有關規(guī)律非常復雜，所以在開始進行分析時，往往先假設液體無粘性，在此基礎上推導出理論方程，然后再考慮粘性的作用，并通過實驗驗證的方法對理想結論進行補充和修正。同樣，這種方法也用于處理液體的可壓縮性問題。通常把既無粘性也不可壓縮的液體稱為理想液體，而把實際上既有粘性又可壓縮的液體稱為實際液體。液體流動時，液體中任何一點的壓力、流速和密度都不隨時間而變化的流

31、動稱為穩(wěn)定流動（也稱定常流動、恒定流動），如圖 ( ( ,- 所示；而將流動時壓力、流速和密度中任何一個參數(shù)隨時間變化的流動稱為非穩(wěn)定流動，如圖 ( ( ,. 所示。 / 第一篇液壓傳動與液壓密封概論圖 ! ! !#穩(wěn)定流動和非穩(wěn)定流動$ %通流截面、流量和平均流速液流流動時，垂直于流動方向的截面稱為通流截面，也稱過流斷面。單位時間內流過某通流截面的液體體積稱為流量，用!表示。流量的法定計量單位為米& 秒（ (&)*），常用單位為升 分鐘（ + (,-）。當液流通過微小的通流截面 . 時，可以認為在 . 截面上的液流流速 # 是均勻的，則通過 . 的流量為：.! / # . 液流通過通流截面

32、的流量為：!/!0#. 對于實際液體，由于粘性的作用，油液在通流截面上的流速分布規(guī)律很復雜，# 很難求得。在液壓傳動中，常假想液流流過截面上各點的流速均勻分布，液體以這種速度$流過通流截面的流量等于以實際流速流過的流量，即!/!0#. /$ 由此可得液體流過通流截面的平均流速為：1 /!（! 2）在工程實際中，液壓缸工作時，活塞運動速度等于缸內液體的平均速度。由式 ! 2知，當液壓缸有效面積一定時，活塞運動速度取決于液體輸入液壓缸的流量。& %液流的流動狀態(tài)、雷諾數(shù)實際液體流動時存在粘性，所以液體流動時存在兩種狀態(tài)，即層流和紊流。層流和紊流的物理現(xiàn)象可以通過雷諾實驗觀察出來。雷諾實驗裝置如圖

33、! ! ! 所示，水箱 3 由進水管 $ 不斷供水，多余的水從隔板 !上部流出，以使實驗過程保持恒定的水位。在水箱下部裝有玻璃管 4 和開關 5，在玻璃管進口處放置與有色水箱 & 相連的小導管 6。實驗時，首先將開關 5 打開，然后打開有色水箱的開關，并用開關 5 來調節(jié)玻璃管 4 中無色水的流速。當流速較低時，有色水的流動 !4 第一章液壓傳動工作原理與液壓流體力學是一條與管軸平行的清晰的線狀流，有色水和玻璃管中的無色水互不混雜。這說明大玻璃管中的水流是分層的，層與層之間互不干擾，液流的這種流動狀態(tài)稱為層流。此時液體分子間主要受到與軸線平行的粘性力的作用，如 ! ! !# 所示。逐漸開大開關

34、 $，當玻璃管中的液流速度增大至某一值時，有色水便開始抖動而呈現(xiàn)波紋狀態(tài)，如圖 ! ! !% 所示，這說明層流開始被破壞。再進一步增大水的流速，色流使完全消失，這表明管內液流的流動完全紊亂，液流分子間所受的橫向慣性力較大，液流的這種流動狀態(tài)稱為紊流，如圖 ! ! !& 所示。圖 ! ! !雷諾實驗裝置!隔板；進水管；(有色水箱；)水箱；*小導管；+玻璃管；$開關如果將開關 $ 逐漸關小，則玻璃管中液流的流動狀態(tài)會從紊流向層流轉變，只是其轉變時的流速大小不同而已。由層流轉變?yōu)槲闪鲿r的流速稱為上臨界速度! 上 ，由紊流轉變?yōu)閷恿鲿r的流速稱為下臨界速度! 下 ，而! 上大于 ! 下 。在層流和紊流之

35、間的過渡狀態(tài)稱為變流，變流一般按紊流處理。實驗表明，液體在圓管中的流動狀態(tài)不僅與管內的平均流速!有關，還和管道內徑的大小及液體的運動粘度! 有關。實際上，判定液流狀態(tài)的是上述三個系數(shù)所組成的一個無量綱數(shù)雷諾數(shù)，即# ,!$!（! !-）液流由層流轉變?yōu)槲闪鲿r的 # 稱為上臨界雷諾數(shù)；由紊流轉變?yōu)閷恿鲿r的 # 稱為下臨界雷諾數(shù)，記為#&，工程上常用該雷諾數(shù)來判斷液流的流動狀態(tài)。當實際# .#&時，液流狀態(tài)為層流，反之為紊流。常見液流管道的下臨界雷諾數(shù)#&見表 ! ! )。表 ! ! )常見液流管道的下臨界雷諾數(shù)管道光滑金屬圓管橡膠軟管#&(-!+- / -管道帶環(huán)槽的同心環(huán)狀縫隙帶環(huán)槽的偏心環(huán)狀

36、縫隙#&$-)- !$ ! ! ! ! ! ! ! ! !第一篇液壓傳動與液壓密封概論管道!管道!光滑的同心環(huán)狀縫隙光滑的偏心環(huán)狀縫隙#圓柱形滑閥閥口錐閥閥口$%#$# & #對于非圓截面的管道半徑，! 可用下式計算：#($! !式中#(過流截面的水力直徑，由下式決定：#(*%（ ) ）（ ) $）式中%過流截面面積；& 過流截面上與液體相接觸的管壁周長，即濕周。由式 ) 知，通流截面相同的管道，其水力直徑與管道形狀有關。圓形管道水力直徑最大，同心圓環(huán)截面的水力直徑最小。水力直徑大小對管道通流能力影響很大，水力直徑大，表明液流與管道壁面接觸少，通流能力大，不易堵塞；反之，通流能力小，通流截面易

37、堵塞。一般液壓傳動系統(tǒng)所用的液體為礦物油，粘度較大，且管中流速不大，所以多屬層流，只有當液流流經閥口或彎頭等處時才會形成紊流。（二）流量連續(xù)性方程流量連續(xù)性方程是質量守恒定律在流體力學中的表達形式。假設液體不可壓縮，而且作穩(wěn)定流動。如 ) ) $ 所示，液體在管內流動，任取兩通流截面%及% $ ，液流在兩截面上的流速分別為$及$ $ 。由假設條件可知，液體密度不變，液流在單位時間內流過截面%及%$的液體質量相等，即圖 ) ) $液流的連續(xù)性原理%$ %$整理后有： + ! ! ! ! ! ! ! ! !由于所選截面是任意的，因而有：第一章液壓傳動工作原理與液壓流體力學!# 常數(shù)# #!#! 常

38、數(shù)（! $ !%）式 ! $ ! $ !% 即為流量連續(xù)性方程，它說明液體在管道中流動時，流過各個斷面的流量是相等的，流過通流截面的流速和過流截面的面積成反比。圖 ! $ ! $ !%理想液體伯努利方程的推導（三）伯努利方程伯努利方程是能量守恒定律在流體力學中的一種表達方式。流動液體的能量方程可由能量守恒定律推導得出。由于實際液體和理想液體在流動時的受力不同，故而有理想液體的伯努利方程和實際液體的伯努利方程。! & 理想液體的伯努利方程如圖 ! $ ! $ !% 所示，設一段理想液體!$在管內作穩(wěn)定流動，流量為# ，管道各部分截面大小和高低位置均不相同。設在很短時間%內，液體在管道中從!$位置

39、流動到! $ 位置，由于! ! 及 $ 兩段距離很小，故而這兩段距離內的截面大小、壓力、流速和高度均可認為是不變的。在這兩段處的截面面積、壓力、平均流速及高度分別是!、!#、&! 、& # 、!、#、!和 #。因此，外力對!$ 段液體所做的功及 !$ 段液體的動能變化情況如下：（!）壓力所做的功。由于!$ 段側面上壓力與液流方向垂直，所以側面上的壓力不做功，只有作用于!$ 段液體兩端通流截面上的壓力 & !和&#做功。如圖 ! $ ! $ !% 所示，& !方向與其相應位置的運動方向一致時做正功，& #方向與其相應位置的運動方向相反時做負功。當!$ 段液體經過時間 %后，壓力所做的功為：& !

40、%$ & #!#%&#%$ (#)* （ &!$&# ）#%（#）重力所做的功。因為液流為理想液體的穩(wěn)定流動，所以液體的密度!不變，液體從!$ 位置流動到 ! $ 位置，! $ 公有段在時間 %內位置無任何變化，位置發(fā)生變化的 !+ 第一篇液壓傳動與液壓密封概論是! ! 段液體流動到 ! 位置，所以重力所做的功為：!#!$%&#!$#$!$%&$%（ &# &$）!%$（&）動能的變化。由假設條件可知，! 段液流的各項參數(shù)不會因時間 $ 的變化而變化，所以動能的變化只能是! ! 段和 ! 段液體的動能之差，即$（#$#$ ）!$ $!#$#$!#%$根據力學中的能量定律，外力對液體所做的功應等

41、于這段液體動能的增量，于是有：（ (#($ ）$ （ &#&$ ）!%$ %$（ #$#$ ）!$將上式整理以后有：( !%&$!#$%( $!%&$!#$（ # (）成：由于通流截面! 、是任意選取的，故式 # ( 所示的關系具有普遍意義，也可寫( !%& $!#$% 常數(shù)（ # )）式 # ) 稱為理想液體的伯努利方程，也稱理想液體的能量方程。式 # ) 中各項分別為單位體積液體的壓力能、勢能和動能，因此，理想液體的伯努利方程的物理意義為：在密閉管道內作穩(wěn)定流動的理想液體具有三種形式的能量，即壓力能、勢能和動能。這三種能量的總和是一常數(shù)。液體在流動過程中，這三種能量可以互相轉化，但三者之總

42、和保持不變。由此可知水平放置的管道，液體的流速越高，壓力越低；反之，壓力會越高。$ * 實際液體的伯努利方程實際液體在流動時，由于粘性而產生摩擦阻力，因而，液體沿流程流動時，要消耗掉一部分能量 ( 損 。同時，由于動能是按平均流速考慮的，因而動能也存在有一定的誤差，實際使用時應加一修正系數(shù)# 加以修正?？紤]實際因素后，實際液體的伯努利方程為：( !%&$#!#$%( $!%&$#$!#$ (損式中)動能修正系數(shù)，紊流時# % ，層流時# % $。（ # +）伯努利方程揭示了液體流動過程中的能量變化規(guī)律，因此它是流體力學中的一個特別重要的基本方程。伯努利方程不僅是進行液壓系統(tǒng)分析的理論基礎，而且

43、還可以用來對多種液壓問題進行研究和計算。（四）動量方程流動液體的動量方程是液體力學基本方程之一，它是研究液體運動時動量變化與作 $, 第一章液壓傳動工作原理與液壓流體力學用在液體上的外力之間關系的。在液壓傳動中，經常要計算液體作用在固體表面上的力，應用動量方程解決非常方便。剛體力學中的動量定理同樣適用于液體。在單位時間內，液體沿某方向動量的增量，等于該液體在同一方向上所受外力的和，也即作用在液體上力的大小等于液體在力作用方向上的動量變化率，即!（ #!）! ! !$（#!#$# !% ）!$（% $ %&）對于作穩(wěn)定流動的理想液體，將 !%!（代入式$% $ %&，并考慮以平均速度代替實際速度

44、的影響，因此有：! !%（#!#$%#!% ）（% $ %）式 % $ % 用于計算作用于液體某一方向上的外力之和，為動量系數(shù)，由該式也可求出液體對固體壁面在某一方向上的作用力大小，即! ! !的反作用力。四、液體流動時的壓力損失實際液體具有粘性，流動時會有阻力產生。為了克服阻力，就要消耗一部分能量，這種能量損失可由液體的壓力損失表示。液體在管道內流動時，產生的壓力損失可分為兩大類：一類是沿程壓力損失，另一類是局部壓力損失。（一）沿程壓力損失液體沿等徑直管流動時，由粘性摩擦而產生的壓力損失稱沿程壓力損失。液體流動狀態(tài)不同，沿程壓力損失的大小也不同。% ( 層流狀態(tài)下的沿程壓力損失當液體流動狀態(tài)

45、為層流時，液流流過等徑直管的壓力損失可以通過理論計算求出。如動力粘度為#的層流液體流過水平放置的直徑為 &、長度為 的等徑直管時，由理論分析計算可知液體作層流時沿程壓力損失為：)#!(&#（% $ %*）式 % $ %* 中# 為液流在直管中的流速。由該式可知，液體作層流時的沿程壓力損失與管長、管道內液流的平均流速、液體的動力粘度成正比，與管徑的平方成反比。將式 % $ %*適當變換后，有如下形式：+,$#!$+,#!$!(&#-&-#%!#)*-&-#（% $ #.）式中%沿程阻力系數(shù)。&-# #% 第一篇液壓傳動與液壓密封概論對于圓管內作層流的液體，沿程阻力系數(shù)的理論值! ! # $ !，

46、實際! 值要大些。對金屬管取! ! %& $!，橡膠軟管取! ! ( $ !。在液壓系統(tǒng)中，由于液體自重和位置變化的影響很小，故而式 ) * )+ 式 ) * ,( 也適用于非水平放置的管道。, - 紊流狀態(tài)下的沿程壓力損失層流流動中各質點只有沿軸向的規(guī)則運動，紊流流動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，使紊流的能量損失比層流更大。由于紊流機理比較復雜，實驗表明，紊流時計算沿程壓力損失的公式在形式上與層流的相同，即,$&!#!%.,但式中又除與 ! 有關外，還與管壁的粗糙度有關。對于光滑管，! ! ( - /)#

47、! * ( - ,& ；對于粗糙管，! 的值可以根據 ! 以及管壁的相對粗糙度 !$ %（!為管壁的絕對粗糙度）從有關曲線中查找。/ - 層流起始段流動當液體從一個大容器流入進口圓滑的管道時，液流并非一入管口就形成層流狀態(tài)。液流入口時，液體每個質點在相同的壓差作用下流動，因而進口處截面上的速度分布是均勻的。然而由于管壁及液體質點間摩擦力的作用，層流邊界隨進入管道距離的加大而逐漸加厚。為保持管內各截面上流量相同，在中心處的液流勢必加大，直到截面上流速的分布曲線完全為拋物線形狀為止。液流經過的這一段距離稱層流起始段，如圖 ) * ) *)# 所示。當管道進口圓滑時，層流起始段的長度由下式決定：$ ! ( - (,%& %!圖 ) *