液壓課件-第二章-液壓油的性質(zhì)

第二章流體力學(xué)概述（IntroductionofFluidMechanics）§2.1液壓油的性質(zhì)（PropertiesofHydraulicFluids）

在液壓系統(tǒng)中唯一最重要的材料是工作流體本身。液壓油的性質(zhì)對(duì)設(shè)備的正常工作和使用壽命有著決定性的影響。為了液壓系統(tǒng)能夠高效地完成其工作使用清潔、高質(zhì)量的液壓油是非常重要的（Thesinglemostimportantmaterialinahydraulicsystemisthefluiditself.Hydraulicfluidcharacteristicshaveacrucialeffectonequipmentperformanceandlife.Itisimportanttouseaclean,high-qualityfluidinordertoachieveefficienthydraulicsystemoperation）。

為了滿足工作要求現(xiàn)代大多數(shù)液壓油都是經(jīng)過特殊合成的化合物。除了有一種基本的流體，液壓油還包含一些添加物來得到所希望的性質(zhì)第二章流體力學(xué)概述（IntroductionofFl1（Mostmodernhydraulicfluidsarecomplexcompoundswhichhavebeencarefullypreparedtomeettheirdemandingtasks.Inadditiontohavingabasefluid,hydraulicfluidcontainspecialadditivestoprovidedesiredcharacteristics）。

1.液壓油的主要功能（Theprimaryfunctionofhydraulicfluid）

實(shí)質(zhì)上，液壓油有四個(gè)主要功能（Essentiallyahydraulicfluidhasfourprimaryfunctions）：

?傳遞動(dòng)力（Totransmitpower）；

?潤滑運(yùn)動(dòng)部件（Tolubricatemovingparts）；

?密封兩部件之間的配合間隙（Tosealclearancesbetweenmatingparts）；

?散熱（Todissipateheat）。

2.液壓油的特性（Thepropertiesofhydraulicfluid）

為真正地實(shí)現(xiàn)上述這些主要功能并從安全和成本上考慮，液壓油應(yīng)（Mostmodernhydraulicfluids2具有以下特性（Toproperlyaccomplishtheseprimaryfunctionsandbepracticalfromasafetyandcostpointofview,ahydraulicfluidshouldhavethefollowingproperties）：

?良好的潤滑性（Goodlubricity）；

?理想的黏度（Idealviscosity）；

?化學(xué)和環(huán)保穩(wěn)定性（Chemicalandenvironmentalstability）；

?與系統(tǒng)其它材料的相容性（Compatibilitywithsystemmaterials）；

?較大的體積模量（Largebulkmodulus）；

?耐火性（Fireresistance）；

?良好的傳熱能力（Goodheattransfercapability）；

?低密度（Lowdensity）；

?抗泡性（Foamresistance）；

?無毒（Nontoxic）；

?低揮發(fā)性（Lowvolatility）；具有以下特性（Toproperlyaccomplish3

?低成本（Inexpensive）；

?容易得到（Readilyavailable）。

單一的液壓油不具有所有這些希望的性質(zhì)。為了實(shí)際使用，流體傳動(dòng)設(shè)計(jì)者必須選擇最接近所有這些理想性質(zhì)的流體（Thisisachallenginglist,andnosinglehydraulicfluidpossessesallofthesedesirablecharacteristics.Thefluidpowerdesignermustselectthefluidwhichcomestheclosesttobeingidealoverallforaparticularapplication）。

液壓油必須定期更換，其周期不僅取決于流體本身還與其使用環(huán)境有關(guān)。實(shí)驗(yàn)室分析是確定液壓油更換周期的最好方法。通常說，由于油液分解或被污染而導(dǎo)致其黏度和酸度增大時(shí)，它就應(yīng)被更換。更好地是當(dāng)系統(tǒng)處于工作溫度時(shí)更換油液。用這種方法，大多數(shù)雜質(zhì)都處于懸浮狀態(tài)并且容易排除（Hydraulicfluidsmustalsobechangedperiodically,thefrequencydependingnotonlyonthefluidbutalsoontheoperating?低成本（Inexpensive）；4conditions.Laboratoryanalysisisthebestmethodfordeterminingwhenafluidbechanged.Generallyspeaking,afluidshouldbechangedwhenitsviscosityandacidityincreaseduetofluidbreakdownorcontamination.Preferably,thefluidshouldbechangedwhilethesystemisatoperatingtemperature.Inthisway,mostoftheimpuritiesareinsuspensionandwillbedrainedoff）。conditions.Laboratoryanalysi5§2.2流體：液體（Fluids:Liquids）

“流體”一詞是液體和氣體的總稱。液體是這樣一種流體，具有已知的質(zhì)量，它具有明確的、與它的容器形狀無關(guān)的體積，這個(gè)意思是即使液體呈現(xiàn)其容器的形狀，容器中充滿液體部分的體積等于液體的體積（Thetermfluidreferstobothgasesandliquids.Aliquidisafluidwhich,foragivenmass,willhaveadefinitevolumeindependentoftheshapeofitscontainer,itwillfillonlythatpartofthecontainerwhosevolumeequalsthevolumeofquantityoftheliquid）。

液體被認(rèn)為是不可壓縮的以致于壓力變化時(shí)，液體的體積不會(huì)變化。這并不絕對(duì)準(zhǔn)確，但是由于壓力變化引起的體積變化是很小的，在大多數(shù)工程應(yīng)用中可忽略不計(jì)（Liquidsareconsideredtobeincompressiblesothattheirvolumedosenotchangewithpressure

changes.Thisisnotexactlytrue,butthechangeinvolumeduetopressure§2.2流體：液體（Fluids:Liquids）6changesissosmallthatitisignoredformostengineeringapplications）。changesissosmallthatitis7§2.3基本參數(shù)（TheBasicParameters）

1.重量（Weight）

所有物質(zhì)，不論固體或流體，都受到地心引力的作用。這個(gè)力稱為物體的重力，并與物體的質(zhì)量成正比，定義為（Allobjects,whethersolidsorfluids,arepulledtowardthecenteroftheearthbyaforceofattraction.Thisforceiscalledtheweightoftheobjectandisproportionaltotheobject’smass,asdefinedby）：

F=W=mg

（2-1）式中（where）：F-力（N）；

W-流體的重量（weight）（N）；

m-流體的質(zhì)量（mass）（kg）；

g-重力加速度（accelerationofgravity）（9.81m/s2）?！?.3基本參數(shù)（TheBasicParameter8

2.重度（Weightdensity）

重度被定義為單位體積流體的重量（Weightdensityisdefinedasweightperunitvolume）。即（wehave）：

（2-2）式中（where）：g-重度（weightdensity）（N/m3）；

W-重量（weight）（N）；

V-體積（volume）（m3）。

利用式（2-2）我們能夠計(jì)算出水的重度（WecannowcalculatetheweightdensityofwaterusingEq.（2-2））：

大多數(shù)油液的重度大約為8792N/m3

。然而，根據(jù)油液種類的不同，2.重度（Weightdensity）9其重度在8635N/m3和9106N/m3之間變化（Mostoilshaveaweightdensityofabout8792N/m3.However,dependingonthetypeofoil,thedensitycanvaryfromalowof8635N/m3toahighof9106N/m3）。

3.比重（Specificgravity）

給定流體的比重（Sg）是流體的重度與4℃純水的重度之比，即油液的比重（Thespecificgravity（Sg）ofagivenfluidisdefinedastheweightdensityofthefluiddividedbytheweightdensityofwater）：

（2-3）

代入已知數(shù)值得（Substitutingknownvalues,wehave）：

注：比重是無量綱（無單位）參數(shù)（Notethatspecificgravityisadimensionlessparameter）。其重度在8635N/m3和9106N/m3之間變化（Mo10

4.密度（Massdensity）

其定義是單位體積的質(zhì)量（Wecanalsotalkaboutmassdensity,whichisdefinedasmassperunitvolume）：

（2-4）式中（where）：r-密度（massdensity）（kg/m3）；

m-質(zhì)量（mass）（kg）；

V-體積（volume）（m3）。

由于質(zhì)量與重量成正比，密度也等于給定流體的密度除以水的密度（Sincemassisproportionaltoweight,itfollowsthatspecificgravitycanalsobedefinedasthemassdensityofgivenfluiddividedbythemassdensityofwater）。

密度與重度有如下關(guān)系（Massdensityisrelatedtoweightdensityasfollows）：4.密度（Massdensity）11

（2-5）

那么水的密度為（Thusthemassdensityofwatercanbefound）：5.壓力（pressure）

⑴流體壓力（Fluidpressure）

在流體傳動(dòng)系統(tǒng)中壓力或者說得更確切些是力以相等的數(shù)值向各個(gè)方向傳遞。壓力用單位面積上所受的力來表示。因此，壓力是單位面積上作用的力的總和，即（Influidpowersystemsitispressureratherthanforcethatistransmittedequallyinalldirections.Pressureisdefinedasforceperunitarea.Hence,pressureistheamountofforceactingoveraunitarea,asindicatedby）：液壓課件-第二章-液壓油的性質(zhì)12

（2-6）式中（where）：p-壓力（pressure）；

F-力（force）；

A-面積（area）。

如果F和A的單位分別是N和m2，那么p的單位就是Pa。

靜止流體中的壓力稱為流體靜壓力，它有兩個(gè)重要性質(zhì)（Thepressureinstaticfluidcalledfluidstaticpressure,ithastwoimportantproperties）：

?靜止流體中任一點(diǎn)上壓力大小與所受力面的方位無關(guān)，即靜止流體中任一點(diǎn)的壓力在各個(gè)方向相等（Staticfluidaspointpressurewiththeazimuthforcesizehasnothingtodo,thatisstillinabitofpressureofthefluidineachdirectionareequal）。液壓課件-第二章-液壓油的性質(zhì)13

?靜止流體中壓力作用方向是垂直于表面并指向該表面，即沿表面內(nèi)法線方向（Staticpressureintheflowdirectionisperpendiculartothesurfaceandpointtothesurface,thatisinthesurfacenormal

direction）。

⑵靜壓力的基本方程（Thebasicequationsofstaticpressure）

如圖所示，從流體中劃出一個(gè)底面積為DA的液柱，在流體表面上，外力產(chǎn)生的壓力pe=Fe/A，液柱所受質(zhì)量力為ghDA，設(shè)液柱下表面上作用的壓力為p，其方向向上，則沿垂直方向的力平衡方程為（Asshowninfigure,fluidfromthescribeabottomareaofDAfluidcolumn,inthefluidonthesurface,thepressuregeneratedoutsideforcepe=

Fe/A,fluidcolumnbyqualityforceforghDA,fluidcolumnonthesurfaceofaunderthepressureoftheroleforp,itsupwarddirection,thenalongvertical?靜止流體中壓力作用方向是垂直于表面并指向該表面，即14directionofforcebalanceequationfor）：

peDA+ghDA=pDA，由此得：

p=pe+gh

（2-7）

式中，p是離液面h深處的壓力（pisfromliquidsurfacepressuredeeph）。

由式（2-7）可知：

?靜壓力是外力產(chǎn)生的壓力pe和自重產(chǎn)生的壓力gh之和（Thestaticpressureisoutsideforceproducespressurepeandpressurefromdeadweightghthesum）；

?靜止流體壓力隨深度線性地增加（Staticfluidpressurewithdepthinlinearincrease）；

?靜壓力相等的各點(diǎn)組成的面稱為等壓面，在靜止流體中等壓面是水平面（Thestaticpressureequalateverypointofthefaceofpressuresurfaceiscalled,instaticfluidmediumpressuresurfaceishorizontaldirectionofforcebalanceequ15plane）；

?在一般液壓系統(tǒng)中工作壓力（

pe）比自重產(chǎn)生的壓力gh大得多，故在液壓系統(tǒng)中g(shù)h可忽略，即p=pe（Ingeneralinhydraulicsystemworkpressure（pe）thanthepressuregeneratedweightgh,sointhehydraulicsystemtheghnegligible,namelyp=pe）。

⑵壓力的單位（Pressureunits）

壓力有多種單位。在SI制中，壓力的單位是Pa，1Pa=1N/m2，由于Pa太小，工程上常用MPa，目前也可用bar。1MPa=106Pa，1bar=105Pa。

在工程上還有以下壓力單位被應(yīng)用

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm），工程大氣壓（at），mH2O（米水柱高），mmHg（毫米汞柱高），kgf/cm2。1atm=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=760mmHg=1.013×105Pa。plane）；16

1at=1kgf/cm2=10mH2O=735.5mmHg=

9.8×104Pa。6.體積彈性模量（BulkModulus）

具有較高功率-重量比和剛度的液壓系統(tǒng)經(jīng)常被用于大功率的場(chǎng)所。液壓系統(tǒng)的剛度與油液的不可壓縮性有直接關(guān)系。體積彈性模量是不可壓縮性的度量值。體積彈性模量越高，流體的壓縮性越小或流體的剛性越大。體積彈性模量的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（2-7），負(fù)號(hào)說明隨著壓力的增加，體積減?。═hehighlyfavorablehorsepower-to-weightratioandthestiffnessofhydraulicsystemsmakethemthefrequentchoiceformosthigh-powerapplications.Thestiffnessofahydraulicsystemisdirectlyrelatedtotheincompressibilityoftheoil.Bulkmodulusisameasureofthisincompressibility.Thehigherthebulkmodulus,thelesscompressibleorstifferthefluid.MathematicallythebulkmodulusisdefinedbyEq.（2-7）,wheretheminussignaccountsforthefactthatasthepressureincreases,thevolumedecreases）：1at=1kgf/cm2=10mH2O=717

（2-7）式中（where）：b-體積彈性模量（bulkmodulus）（MPa）；

V-初始體積（originalvolume）（m3）；

Dp-壓力變化值（changeinpressure）（MPa）；

DV-體積變化值（changeinvolume）（m3）。

油液的體積彈性模量隨其壓力和溫度的變化而變化，但是，在大多數(shù)流體傳動(dòng)系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)，這些變化因素均可忽略不計(jì)（Thebulkmodulusofanoilchangessomewhatwithpressureandtemperature,butwithintheoperatingrangesinmostfluidpowersystems,thisfactorcanbeneglected）。

7.黏性（Viscosity）

黏性或許是液壓油最重要的特性。它是運(yùn)動(dòng)流體流動(dòng)性的度量值。當(dāng)黏性小時(shí)，流體容易流動(dòng)因?yàn)樗窍〉囊约梆ざ鹊?。高黏性的流體因液壓課件-第二章-液壓油的性質(zhì)18具有高黏度而看起來很濃，所以流動(dòng)困難（Viscosityisprobablythesinglemostimportantpropertyofahydraulicfluid.Itisameasureofthesluggishnesswithwhichafluidmoves.Whentheviscosityislow,thefluidflowseasilybecauseitisthinandhasalowbody.Afluidthatflowswithdifficultyhasahighviscosityandisthickinappearancewithahighbody）。

事實(shí)上，一個(gè)液壓系統(tǒng)的理論黏度是適中的。過高的黏度會(huì)導(dǎo)致（Inreality,theidealviscosityforagivenhydraulicsystemisacompromise.Toohighaviscosityresultsin）：

?流動(dòng)阻尼高，導(dǎo)致黏滯出現(xiàn)（Highresistancetoflow,whichcausessluggishoperation）；

?由于摩擦損失，增大功率消耗（Increasedpowerconsumptionduetofrictionallosses）；

?通過液壓閥及管路的壓降增加（Increasedpressuredropthrough具有高黏度而看起來很濃，所以流動(dòng)困難（Viscosityi19valvesandlines）；

?摩擦使油溫升高（Hightemperaturescausedbyfriction）。

另一方面，黏度太低，又會(huì)導(dǎo)致（Ontheotherhand,iftheviscosityistoolow,theresultis）：

?泄漏增加（Increasedleakagelossespastseals）；

?由于兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件間的油膜被破壞而導(dǎo)致過度磨損（Excessivewearduetobreakdownoftheoilfilmbetweenmovingparts）。valvesandlines）；20§2.5帕斯卡原理（Pascal’sLawandApplications）

1.帕斯卡原理（Pascal’slaw）

帕斯卡原理揭示了流體傳動(dòng)的基本原理。它表明了作用在密閉流體上的壓力等值地向各個(gè)方向傳遞（Pascal’slawrevealstheunderlyingprincipleofhowfluidstransmitpower.Itstatesthatpressureappliedtoaconfinedfluidistransmittedundiminishedinalldirections）。

右圖顯示了帕斯卡原理如何能被用來在一臺(tái)液壓機(jī)中產(chǎn)生一個(gè)實(shí)用并放大的輸出力（RightfigureshowshowPascal’slawCanbeappliedtoproduceausefulamplifiedoutputforcesuchasinahydraulicpress）?！?.5帕斯卡原理（Pascal’sLawandA21

在小活塞上施加力F1時(shí)，在整個(gè)容器中將產(chǎn)生壓力p=F1/A1，它以相同大小傳向液體各部分，p作用在大活塞上將產(chǎn)生力F2=pA2。它們的關(guān)系是F1/F2=A1/A2或F2=（A2/A1）F1，由此可看出，由于A2＞A1，故F2＞F1，即進(jìn)行了力的放大，放大比為A2/A1（AninputforceofF1isappliedtoasmallpiston,thisdevelopsap=F1/A1pressurethroughoutthecontainer,itissamesizepasstovariouspartsofthefluid,thisppressureactsonalargepiston.TheirrelationshipisF1/F2=A1/A2orF2=（A2/A1）F1,whichcanbeenseen,A2＞A1,thereforetheF2＞F1,theamplificationoftheforce,amplificationratioA2/A1）。

在圖中，如果大活塞上無重物，那么在液體中不會(huì)產(chǎn)生壓力由此可知，在密閉容器流體系統(tǒng)中的壓力是由外界負(fù)載決定的（Inthefigure,在小活塞上施加力F1時(shí)，在整個(gè)22ifthepistonweights,doesnotproducepressureintheliquid.Therefore,thepressureinthefluidsystemintheairtightcontainerisadecisionbyanexternalload）。

2.帕斯卡原理的應(yīng)用（Applicationsofpascal’slaw）

我們將探討一個(gè)帕斯卡原理的基本應(yīng)用：液壓千斤頂（WeshellexaminethebasicapplicationofPascal’slaw:thehydraulicjack）。

這個(gè)系統(tǒng)使用一個(gè)活塞式手動(dòng)泵來驅(qū)動(dòng)一個(gè)單作用液壓缸，如圖。其工作原理如下（Thesystemusesapiston-typehandpumptopowerasingle-actinghydrauliccylinder,asillustratedinFig.Theoperationisasfollows）。

一手動(dòng)力作用在手柄ABC的A點(diǎn)，手柄可繞C點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。手動(dòng)泵的活塞桿與手柄的B點(diǎn)鉸接。手動(dòng)泵實(shí)際上是一個(gè)內(nèi)有可自由上下運(yùn)動(dòng)活塞ifthepistonweights,doesno23的液壓缸。活塞和活塞桿是固連在一起的（AhandforceisappliedatpointAofhandleABC,whichpivotsaboutpointC.ThepistonrodofhandpumpispinnedtotheinputhandleatpointB.Thehandpumpessentiallyconsistsofacylindercontainingapistonwhichisfreetomoveupanddown.Thepistonandrodarerigidlyconnectedtogether）。

當(dāng)用手提起手柄時(shí)，活塞上升并在其下腔產(chǎn)生真空。其結(jié)果是，油箱中的油液在大氣壓的作用下經(jīng)過單向閥1流入手動(dòng)泵的下腔。這是吸油過程。單向閥是僅允許油液?jiǎn)蜗蛲ㄟ^的元件，用箭頭表示（Whenthehandleispulledup,thepistonrisesandcreatesavacuuminthespacebelowitAsaresult,atmosphericpressureforcesoiltoleavetheoiltankandflowthroughcheckvalve1.Thisisthe的液壓缸?；钊突钊麠U是固連在一起的（A24suctionprocess.Acheckvalveisacomponentwhichallowsflowtopassinonlyonedirection,asindicatedbythearrow）。

當(dāng)用手壓下手柄時(shí)，油液被從手動(dòng)泵中擠出并通過單向閥2進(jìn)入負(fù)載缸的下腔。負(fù)載缸在結(jié)構(gòu)上與手動(dòng)泵相似，也是內(nèi)有一個(gè)活塞和活塞桿的液壓缸。當(dāng)油液被擠出油泵并在流入下腔時(shí)受到阻力，在負(fù)載活塞下就產(chǎn)生壓力。由帕斯卡原理我們可知作用在負(fù)載活塞上的壓力等于油泵下腔產(chǎn)生的壓力。因此，手柄的每一次上下循環(huán)，一定體積的油液就從油泵中被擠出從而克服負(fù)載阻力使負(fù)載缸升高一定距離。放油閥是一個(gè)手動(dòng)閥，當(dāng)它打開時(shí)，從負(fù)載缸放油回油箱使負(fù)載下行。應(yīng)該注意油液從每一個(gè)液壓缸里流入和流出都僅在其一端。這樣的液壓缸稱為‘單作用’，因?yàn)橐簤候?qū)動(dòng)僅向一個(gè)方向。在圖中的液壓千斤頂中，當(dāng)放油閥打開時(shí)活塞的縮回是靠負(fù)

suctionprocess.Acheckvalve25載的自重（Whenthehandleisthenpusheddown,oilisejectedfromthehandpumpandflowsthroughcheckvalve2andentersthebottomendofloadcylinder.Theloadcylinderissimilarinconstructiontothepumpcylinderandcontainsapistonandrod.Pressurebuildsupbelowtheloadpistonasoilisejectedfromthepumpandmeetsresistanceinfindingaplacetogo.FromPascal’s

lawweknowthatthepressureactingontheloadpistonequalsthepressuregeneratedbythepumpbelowitspiston.Thus,eachtimetheinputhandleiscycledupanddown,aspecifiedvolumeofoilisejectedfromthepumptoraisetheloadcylinderagivendistanceagainstitsloadresistance.Thebleedvalveisahand-operatedvalvewhich,whenopened,allowstheloadtobeloweredbybleedingoilfromtheload載的自重（Whenthehandleisthenp26cylinderbacktotheoiltank.Itshouldbenotedthatoilentersandexitsfromeachcylinderatonlyoneend.Suchacylinderiscalledthe‘singleacting’,becauseitishydraulicallypoweredinonlyonedirection.Inthehydraulicjackapplicationoffiguretheretractionoftheloadpistonisaccomplishedbytheloaditselfwhenthebleedvalveisopened）。cylinderbacktotheoiltank.272.6液壓系統(tǒng)的能量和功率（EnergyandPowerinHydraulicSystems）

1.概述（Introduction）

在液壓系統(tǒng)中，油液在大氣壓下進(jìn)入油泵，這個(gè)壓力稱為吸油壓力。當(dāng)油液通過油泵時(shí)，油液壓力的增加使其勢(shì)能顯著增加。當(dāng)油液流過管道、閥和管接頭時(shí)，因摩擦作用引起這些能量損失。摩擦能量的損失表現(xiàn)為熱能。在輸出裝置（液壓執(zhí)行元件）上剩余的能量傳遞給負(fù)載完成有用的工作。這實(shí)質(zhì)上是能量傳遞在液壓系統(tǒng)中的循環(huán)。油泵將能量加入系統(tǒng)并傳遞到系統(tǒng)執(zhí)行元件用來驅(qū)動(dòng)外負(fù)載（Inhydraulicsystems,fluidentersthepumpatbelowatmosphericpressure,calledthesuctionpressure.Asthefluidpassesthroughthepump,itspotentialenergyincreasesasevidencedbyanincreaseinfluidpressure.Someofthisenergyislostduetofrictionasthefluidflowsthroughpipes,valves,2.6液壓系統(tǒng)的能量和功率（EnergyandPow28andfittings.Thesefrictionalenergylossesshowupasheatenergyandthereforeareaccountedfor.Attheoutputdevice（hydraulicactuator）theremainingenergyistransferredtotheloadtoperformusefulwork.Thisisessentiallythecycleofenergytransferinafluidpowersystem.Energyisaddedtothesystembythepumpandremovedfromthesystemviatheactuatorasitdrivestheoutputload）。

一個(gè)液壓系統(tǒng)本身是沒有能源的。這個(gè)能源是驅(qū)動(dòng)油泵的原動(dòng)機(jī)（如電機(jī)或一種內(nèi)燃機(jī)）。事實(shí)上，一個(gè)液壓系統(tǒng)僅僅是一個(gè)能量傳遞系統(tǒng)。為什么不取消液壓傳動(dòng)而直接將原動(dòng)機(jī)與機(jī)械設(shè)備連接起來？回答是在傳遞功率方面液壓系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)非常強(qiáng)。這些優(yōu)點(diǎn)包括調(diào)速方便、變向容易、易于過載保護(hù)、功率-單位重量比高以及發(fā)生故障的情況下危險(xiǎn)性?。ˋhydraulicsystemisnotasourceofenergy.Theenergysourceistheprimemover（suchasanelectricmotororaninternalcombustionengine）whichdrivesthepump.Thus,inreality,ahydraulicsystemisandfittings.Thesefrictional29merelyanenergytransfersystem.Whynot,then,eliminatehydraulicandsimplycouplethemechanicalequipmentdirectlytotheprimemover.Theansweristhatahydraulicsystemismuchmoreversatileinitsabilitytotransmitpower.Thisversatilityincludesadvantagesofvariablespeed,reversibility,overloadprotection,highhorsepowerperweightratio,andimmunitytodamageunderstalledconditions）。

能量守恒定律表明能量既不產(chǎn)生也不消失。這就意味著系統(tǒng)中任何部位能量的總和保持恒定。這就意味著系統(tǒng)中任何部位能量的總和保持恒定。能量總和包含因高度和壓力而表現(xiàn)出的勢(shì)能與因速度而表現(xiàn)出的動(dòng)能。如果所有的能量改變了，那么真正說明液壓系統(tǒng)總是能量守衡的。這將用伯努利原理來完成，當(dāng)油液經(jīng)過液壓系統(tǒng)時(shí)注意這些變化表現(xiàn)在勢(shì)能和動(dòng)能的變化。由于摩擦產(chǎn)生的能量損失變成熱能，由油泵輸入機(jī)械能，負(fù)載執(zhí)行元件輸出機(jī)械能（Thelawofconservationofenergystatesthatenergycanneitherbecreatednordestroyed.Thismeansthatmerelyanenergytransfersyst30thetotalenergyatanylocationofthesystemremainsconstant.Thetotalenergyincludespotentialenergyduetoelevationandpressureandalsokineticenergyduetovelocity.Ifalltheenergychangesareproperlyaccountedfor,thehydraulicsystemwillalwayshaveanenergybalance.ThiswillbeaccomplishedbyusingBernoulli’stheorem,whichkeepstrackofthechangeswhichoccurtothepotentialandkineticenergyofthefluidasitpassesthroughthehydraulicsystem.

Alsoincludedareenergylossesduetofrictionwhichtransfersintoheat,mechanicalenergyaddedbythepump,andmechanicalenergyremovedbytheloadactuators）。

2.能量守恒（Conservatingofenergy）

能量守恒定律表明了能量既不能產(chǎn)生也不能消失。其意味著系統(tǒng)的能量總和在任何情況下都是恒定的。總能量包括因高度和壓力而表現(xiàn)出的勢(shì)能和因速度而表現(xiàn)出的動(dòng)能。我們來探討這三種能量（Theconservationofenergylawstatesthatenergycanneitherbecreatednor

thetotalenergyatanylocati31destroyed.Thismeansthatthetotalenergyofsystematanylocationremainsconstant.Thetotalenergyincludespotentialenergyduetoelevationandpressureandalsokineticenergyduetovelocity.Let’sexamineeachofthethreetypesofenergy）。

⑴勢(shì)能（EPE）（Potentialenergyduetoelevation）：如圖所示為一距離基準(zhǔn)面高度為Z（m）、重量為W（N）的流體。相對(duì)于基準(zhǔn)面這個(gè)重量的流體具有相應(yīng)的勢(shì)能因?yàn)橐呀?jīng)對(duì)流體作了功使其離開基準(zhǔn)面一個(gè)距離Z（ThefigureshowsachunkoffluidofweightWatanelevationZwithrespecttoareferenceplane.Theweighthaspotentialenergy（EPE）relativetothereferenceplanebecauseworkwouldhavetobedoneonthefluidtoliftitthroughadistanceZ）：

EPE=WZ（2-8）

注意EPE的單位是N·m。destroyed.Thismeansthatthe32

⑵壓力能（PPE）（Potentialenergyduetopressure）：如果圖中重量為W（N）的流體具有壓力p（N/m2），它就包含了壓力能（IftheWoffluidinfigurepossessesapressurep,itcontainspressureenergyasrepresentedby）：（2-9）

其中：g為流體的重度（whereg

istheweightdensity）。PPE的單位是N·m。

⑶動(dòng)能（KE）（Kineticenergy）：如果圖中重量為W（N）的流體以速度v運(yùn)動(dòng)，它就包含了動(dòng)能，能夠用下式計(jì)算（IftheWoffluidinfigureismovingwithavelocityv,itcontainskineticenergy,whichcanbefoundusing）：⑵壓力能（PPE）（Potentialenergy33

（2-10）

其中：g=9.81m/s2；

KE的單位是N·m。

重量為W（N）的流體所具有的能量總和既不會(huì)生也不會(huì)滅。能量的代數(shù)和ET是常數(shù)（ThetotalenergypossessedbytheWchunkoffluidcanneitherbecreatednordestroyed.MathematicallythetotalenergyETremainsconstant）：

（2-11）

當(dāng)然，能量可以從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。例如，流體可以損失高度而減小勢(shì)能。但是，將導(dǎo)致壓力能或動(dòng)能的增加（Of液壓課件-第二章-液壓油的性質(zhì)34course,energycanchangefromoneformtoanother.Forexample,thechunkoffluidmayloseelevationandthushavelesspotentialenergy.This,however,wouldresultinanequalincreaseineitherpressureenergyorkineticenergy）。

3.連續(xù)方程（Thecontinuityequation）

管道中穩(wěn)定流動(dòng)的連續(xù)狀態(tài)方程表明經(jīng)過管道所有截面的重量流量是相等的（Thecontinuityequationstatesthatforsteadyflowinapipelinetheweightflowrateisthesameforallcrosssectionsofthepipe）。

為了說明連續(xù)方程的重要性，參見圖，它表明了流體以重量流量W（單位時(shí)間流過的流體重量）在管道中流動(dòng)。這個(gè)管道有兩個(gè)不同直徑的截面1和2。如果在管道的任何部位流course,energycanchangefrom35體無增加或減少，那么流過截面1和2的重量流量必然相等（Toillustratethesignificanceofthecontinuityequation,refertothefigure,whichshowsapipeinwhichfluidisflowingataweight

flowratewwhichhasunitsofweightperunittime.Thepipehastwodifferent-sizedcross-sectionalareasidentifiedbystations1and2.Ifnofluidisaddedorwithdrawnatanylocation,thentheweightflowrateatstations1and2mustbeequal）：或（or）

g1A1v1=g2A2v2式中（where）：g-重度（weightdensityoffluid）（N/m3）；

A-管道截面積（cross-sectionalareaofpipe）（m2）；

v-流速（velocityoffluid）（m/s）。體無增加或減少，那么流過截面1和2的重量流量必然相等（To36

設(shè)一不可壓縮流體，由于g1=g2我們可約去前面方程中的重度項(xiàng)。液體流動(dòng)的連續(xù)方程可簡(jiǎn)化為（Assuminganincompressiblefluid,wecancancelouttheweightdensitytermsfromtheprecedingequationsinceg1=g2.Thisproducesthecontinuityequationforhydraulicfluidswhicharenearlyincompressible）：

A1v1=A2v2（2-12）

因此，對(duì)于不可壓縮流體，管道中的體積流量（單位時(shí)間體積）總是恒定的。體積流量用符合Q表示，我們有（Hence,foranincompressiblefluid,thevolumetricflowrate（volumeperunittime）isalsoconstantinapipeline.UsingthesymbolQforvolumetricflowrate,wehave）：

Q=Av=A1v1=Q1=A2v2=Q2

（2-13）

連續(xù)方程我們能夠?qū)懗扇缦滦问剑═hecontinuityequationcanberewrittenasfollows）：設(shè)一不可壓縮流體，由于g1=g2我們可約去前37

其中：D1和D2分別為管道截面1和2的直徑。最終的結(jié)果為（WhereD1andD2arethepipediametersatstations1and2,respectively.Thefinalresultis）：

（2-14）

方程（2-14）表明了這樣一個(gè)事實(shí)管徑越小，流速越高，反之亦然。應(yīng)當(dāng)注意直徑和面積均為管內(nèi)尺寸并不含管道壁厚（Equation（2-14）bringsoutthefactthatthesmallerthepipesize,thegreaterthevelocityandviceversa.Itshouldbenotedthatthepipediametersandareasareinsidevaluesanddonotincludethepipewallthickness）。

4.液壓傳動(dòng)的功率（Hydraulichorsepower）

現(xiàn)在我們來確立流量和壓力的概念，我們能夠發(fā)現(xiàn)在泵油的過程中液壓課件-第二章-液壓油的性質(zhì)38作了功而由執(zhí)行元件輸出功率。我們來分析圖中的液壓缸，由公式推導(dǎo)我們可以解決下面三個(gè)問題（Nowthatwehaveestablishedtheconceptsofflowrateandpressure,wecanfindtheworkdoneinpumpingafluidandthusthehorsepowerproducedbyahydraulicactuator.Let’sanalyzethehydrauliccylinderofthefigurebydevelopingequationswhichwillallowustoanswerthefollowingthreequestions）：

?怎樣確定活塞直徑的大?。℉owdowedeterminehowbigapistondiameterisrequired）？

?為了驅(qū)動(dòng)液壓缸在所需的時(shí)間內(nèi)走完其行程油泵需輸出多大的流量（Whatistherequiredpumpflowratenecessarytodrivethecylinderthroughitsstrokeintherequiredtime）？

?液壓缸輸出功率的大?。℉owmuchhorsepowerdoesthehydrauliccylinderdeliver）？作了功而由執(zhí)行元件輸出功率。我們來分析圖中的液壓缸，由公式推39

注意油泵提供的功率必須是液壓缸的輸出功率與油泵到液壓缸之間由于摩擦產(chǎn)生的功率損失之和（Notethatthecylinderhorsepowerplusanyhorsepowerlossesduetofrictionbetweenthepumpandcylindermustbehydraulicallyproducedbythepump）。

問題1（Answertoquestion1）：從油泵進(jìn)油口進(jìn)入油泵的油液壓力接近一個(gè)大氣壓（相對(duì)壓力為0）并且油泵在其出油口輸出足夠高的壓力p用來克服負(fù)載。壓力作用在活塞面積A上產(chǎn)生必需的力推動(dòng)負(fù)載（Apumpreceivesfluidonitsinletsideatapressureapproximatingatmospheric（0psig）anddischargesthefluidontheoutletsideatsomeelevatedpressurepsufficientlyhightoovercometheload.ThispressurepactsontheareaofthepistonAtoproducethenecessaryforcetoovercometheload）：

pA=F負(fù)載（load）注意油泵提供的功率必須是液壓缸的輸出功率與油40

求活塞面積A，我們可得（SolvingforthepistonareaA,weobtain）：

（2-15）

當(dāng)負(fù)載和油泵設(shè)計(jì)所確定最大允許壓力已知時(shí)，根據(jù)式（2-15）我們可以計(jì)算出所需的活塞面積（Sincetheloadisknownfromtheapplicationandmaximumallowablepressureisestablishedbasedonthepumpdesign,Eq.（2-15）allowsustocalculatetherequiredpistonarea）。

問題2（Answertoquestion2）：液壓缸的排量VD等于活塞走完其行程S所輸出的液體體積（ThevolumetricdisplacementVDofthehydrauliccylinderequalsthefluidvolumesweptoutbythepistontravelingthroughitsstroke）：

VD（dm3）=A（dm2）·S（dm）求活塞面積A，我們可得（Solvingfo41

所需的油泵流量等于液壓缸的排量除以活塞走完其行程所需的時(shí)間t（Therequiredpumpflowrateequalsthevolumetric

displacementofthecylinderdividedbythetimet