第一篇 液壓傳動

第一篇液壓傳動第一章液壓傳動的基礎(chǔ)知識1、液壓傳動工作介質(zhì)：物理性質(zhì)、分類、選用原則污染控制等；2、液體靜力學(xué)：特性、靜力學(xué)方程、壓力單位、帕斯卡原理3、液體動力學(xué)：連續(xù)性方程、貝努利方程、動量方程；4、定常管流的壓力損失計算：流態(tài)、沿程壓力損失、局部壓力損失5、孔口和縫隙流動：孔口液流特性、縫隙液流特性6、空穴現(xiàn)象7、液壓沖擊一、液壓傳動工作介質(zhì)的性質(zhì)1、密度ρ：單位體積液體的質(zhì)量

式中m：液體的質(zhì)量(kg)；

V：液體的體積（m3）；

ρ=900kg/m3

由于油液的體積隨著溫度的上升而增加，隨著壓力的提高而減少，故礦物油型液壓油的密度隨著溫度的上升而有所減小，隨著壓力的提高而稍有增加，但其變動值很小，可認(rèn)為其為常數(shù)，一般礦物油系液壓油在15℃時密度約為900kg／m3左右。第一節(jié)液壓傳動工作介質(zhì)2、可壓縮性：液體受壓力作用而發(fā)生體積變化的性質(zhì)?？捎皿w積壓縮系數(shù)κ（卡帕）或體積彈性模量K表示體積壓縮系數(shù)κ：單位壓力變化所引起的體積相對變化量，（m2/N）

式中V：液體加壓前的體積（m3）；△V：加壓后液體體積變化量（m3）；△p：液體壓力變化量（N/m2）；體積彈性模量K（N/m2）：液體體積壓縮系數(shù)κ的倒數(shù)

計算時常取K=7×108N/m2

液體彈簧的剛度計算教材P12,式1-33、粘度液體的粘性：

液體在流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的特性液體只有流動或有流動趨勢時才呈現(xiàn)粘性，靜止液體則不顯示粘性

液體的粘度：

液體粘性的大小可用粘度來衡量。

粘度是液體的根本特性，也是選擇液壓油的最重要指標(biāo)常用的粘度有三種不同單位：即動力粘度、運(yùn)動粘度和相對粘度（相對粘度不常有）動力粘度（絕對粘度）μ

牛頓內(nèi)摩擦定律式中μ:稱為動力粘度系數(shù)（Pa·s）

τ:單位面積上的摩擦力（即剪切應(yīng)力）

:速度梯度，即液層間速度對液層距離的變化率物理意義：當(dāng)速度梯度為1時接觸液層間單位面積上的內(nèi)摩擦力

法定計量單位：帕·秒（Pa·s）圖1-4液體粘性示意圖運(yùn)動粘度ν

定義：動力粘度μ與密度ρ之比

法定計量單位：m2/s

由于ν（紐）的單位中只有運(yùn)動學(xué)要素，故稱為運(yùn)動粘度。液壓油的粘度等級就是以其40oC時運(yùn)動粘度的某一平均值來表示，如L-HM32液壓油的粘度等級為32，則40oC時其運(yùn)動粘度的平均值為32mm2/s粘溫特性

定義：粘度隨溫度變化的特性

圖1-5幾種國產(chǎn)油液粘溫圖粘壓特性壓力小于20MPa時，油液的粘度隨壓力變化很??；壓力很高時，粘度將急劇增大；

二、對液壓傳動工作介質(zhì)的要求(I)合適的粘度和良好的粘度-溫度特性，一般液壓系統(tǒng)所選用的液壓油，其運(yùn)動粘度大多為(13-68)×10-6m2／s(40℃)。(2)良好的化學(xué)穩(wěn)定性，這里主要指在高溫下(抗熱)與空氣長期接觸(抗氧化)以及在高速通過縫隙或小孔(抗機(jī)械剪切)后仍能保持其原有化學(xué)成分不變的性質(zhì)。(3)良好的潤滑性能，以減小元件中相對運(yùn)動表面的磨損。(4)質(zhì)地純凈，不含或含有極少量的雜質(zhì)、水分和水溶性酸堿等。(5)對金屬密封件有良好的相容性。(6)抗抱沫性好，抗乳化性好，腐蝕性小，抗銹性好。

(7)體積膨脹系數(shù)低，比熱容高。(8)流動點(diǎn)和凝固點(diǎn)低，閃點(diǎn)(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(diǎn)高。（9）對人體無害，成本低。

三、工作介質(zhì)的分類和選用1、分類石油型：精致礦物油普通液壓油L-HL,常用液壓油抗磨液壓油低溫液壓油；戶外工程機(jī)械高粘度指數(shù)液壓油液壓導(dǎo)軌油90%以上的液壓系統(tǒng)用礦物油，但可燃，不宜用于易燃、易爆等場合；乳化型：水包油乳化液；油包水乳化液

抗燃，用于壓力不高的場合；合成型：水-乙二醇液、磷酸脂液現(xiàn)代大型飛機(jī)使用的“紫油”屬于一種磷酸酯合成液壓油，它為阻燃型，耐熱性好，使用溫度可達(dá)100℃以上，即使燃燒也不擴(kuò)散。缺點(diǎn)是易被水污染、對密封要求嚴(yán)格。

合成油價格高，用于高壓、高溫等特殊場合。2、工作介質(zhì)的選用原則(1)液壓系統(tǒng)的工作壓力工作壓力較高的系統(tǒng)宜選用粘度較高的液壓油，以減少泄漏；反之便選用粘度較低的油。例如，當(dāng)壓力p＝7.0-20MPa時宜選用N46-N100的液壓油；當(dāng)壓力p＜7.0MPa時宜選用N32-H68的液壓油。

(2)運(yùn)動速度執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動速度較高時，為了減小液流的功率損失，宜選用粘度較低的液壓油。

(3)液壓泵的類型在液壓系統(tǒng)中，液壓泵的潤滑要求很苛刻，選擇液壓油粘度時應(yīng)考慮液壓泵的類型及其工作環(huán)境，如表教材表1-2（P16).四、液壓系統(tǒng)的污染控制1、污染的根源1）、已被污染的新油；2）、殘留污染：毛刺、切屑等；3）、侵入污染：灰塵、砂土等；4）、生成污染：老化，磨損磨粒等2、污染的危害80%的液壓故障與污染相關(guān)，大顆?？赡軐?dǎo)致泵或閥卡死，小顆粒導(dǎo)致磨損加劇，油液老化加快、阻塞等。3、污染的測定1）、稱重法；每100毫升液體中污染物的毫克數(shù)（重量）定級；2）、顆粒計數(shù)法；每100毫升液體中不同直徑污染物的顆數(shù)4、污染的等級GB/T14039-93,如18/15代表1ml液體中大于5微米的顆粒不多于18個，大于15微米的顆粒不多于15個；美國標(biāo)準(zhǔn)NAS16385、工作介質(zhì)的污染控制

(1)使液壓油在使用前保持清潔液壓油在運(yùn)輸和保管過程中都會受到外界污染，新買來的液壓油看上去很清潔，其實(shí)很“臟’，必須將其靜放數(shù)天后經(jīng)過濾加入液壓系統(tǒng)中使用。

(2)使液壓系統(tǒng)在裝配后、運(yùn)轉(zhuǎn)前保持清潔液壓元件在加工和裝配過程中必須清洗干凈，液壓系統(tǒng)在裝配后、運(yùn)轉(zhuǎn)前應(yīng)徹底進(jìn)行清洗，最好就用系統(tǒng)工作中使用的油液清洗，清洗時油箱除通氣孔(加防塵罩)外須全部密封，密封件不可有飛邊、毛刺。

(3)使液壓油在工作中保持清潔液壓油在工作過程中會受到環(huán)境污染，因此應(yīng)盡量防止工作中空氣、水分的侵入，為完全消除水、氣和污染物的侵入，采用密封油箱，通氣孔上加空氣油清器，防止塵土、磨料和冷卻核侵入，經(jīng)常檢查并定期更換密封件和蓄能器中的膠囊。

(4)采用合適的濾油器這是控制液壓油污染的重要手段，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的要求使用場合在液壓系統(tǒng)中選用不同的過濾方式、不同的精度和不同結(jié)構(gòu)的濾油器，并要定期檢查和清洗濾油器和油箱。（5)定期更換液壓油更換新油前，油箱必須先清洗一次，系統(tǒng)較臟時，可用煤油清洗，排盡后注入新油。

(6)控制液壓油的工作溫度液壓油的工作溫度過高對液壓裝置不利，液壓油本身也會加速氧化變質(zhì)，產(chǎn)生各種生成物．縮短它的使用期限，一般液壓系統(tǒng)的工作溫度最好控制在65℃以下，機(jī)床液壓系統(tǒng)則應(yīng)控制在55℃以下。第二節(jié)液體靜力學(xué)

液體的靜壓力靜壓力基本方程靜壓力基本方程的物理意義壓力的計量單位壓力的傳遞液體靜壓力對固體壁面的作用力一、液體的靜壓力及其特性靜壓力:是指液體處于靜止?fàn)顟B(tài)時,其單位面積上所受的法向作用力靜壓力的特性:液體的靜壓力的方向總是沿著作用面的內(nèi)法線方向靜止液體中任何一點(diǎn)所受到各個方向的壓力都相等二、液體靜壓力的基本方程1、液體靜壓力基本方程:反映了在重力作用下靜止液體中的壓力分布規(guī)律圖2—1重心作用下的靜止液體物理意義:靜止液體具有兩種能量形式，即壓力能與位能。這兩種能量形式可以相互轉(zhuǎn)換，但其總和對液體中的每一點(diǎn)都保持不變?yōu)楹阒?，因此靜壓力基本方程從本質(zhì)上反映了靜止液體中的能量守恒關(guān)系.

Z:單位重量液體的位能,稱位置水頭

:單位重量液體的壓力能,稱壓力水頭靜止流體的等壓面為水平面。三、壓力的計量單位法定單位

:牛頓/米2(N/m2)即帕（Pa）

1MPa=106Pa單位換算:1工程大氣壓（at）=1公斤力/厘米2（kgf/m2）≈105帕

=0.1MPa=1bar1米水柱（mH20）=9.8×103Pa1毫米汞柱（mmHg）=1.33×102Pa

相對壓力（表壓力）:

以大氣壓力為基準(zhǔn)，測量所得的壓力是高于大氣壓的部分

絕對壓力:

以絕對零壓為基準(zhǔn)測得的壓力絕對壓力=相對壓力+大氣壓力真空度:如果液體中某點(diǎn)的絕對壓力小于大氣壓力，則稱該點(diǎn)出現(xiàn)真空。此時相對壓力為負(fù)值，常將這一負(fù)相對壓力的絕對值稱為該點(diǎn)的真空度

真空度=|負(fù)的相對壓力|=|絕對壓力-大氣壓力|圖2—2絕對壓力、相對壓力和真空度四、帕斯卡原理帕斯卡原理（靜壓傳遞原理）:若在處于密封容器中靜止液體的部分邊界面上施加外力使其壓力發(fā)生變化，只要液體仍保持其原來的靜止?fàn)顟B(tài)不變，則液體中任一點(diǎn)的壓力均將發(fā)生同樣大小的變化液壓傳動是依據(jù)帕斯卡原理實(shí)現(xiàn)力的傳遞、放大和方向變換的液壓系統(tǒng)的壓力完全決定于外負(fù)載圖2-4帕斯卡原理應(yīng)用五、液體靜壓力對固體壁面的作用力當(dāng)承受壓力的固體壁面為平面時:則作用在其上的總作用力等于壓力與該壁面面積之積

如果承受壓力的固體壁面是曲面時:曲面上總作用力在某一方向上的分力等于曲面在與該方向垂直平面內(nèi)的投影面積與靜壓力的乘積。若已知曲面上總作用力在三個坐標(biāo)軸方向的分量分別為Fx、Fy和Fz時，總作用力的大小為：第三節(jié)液體動力學(xué)流量連續(xù)性方程：質(zhì)量守恒伯努利方程：能量守恒動量方程：動量守恒一、連續(xù)性方程:質(zhì)量守恒定律在流動液體情況下的具體應(yīng)用連續(xù)性方程推導(dǎo)簡圖連續(xù)性方程說明：不可壓縮流體作定常流動時，通過管道任一通流截面的流量相等通過通流截面的流速則與通流截面的面積成反比

二、伯努利方程(能量方程):能量守恒定律在流動液體中的表達(dá)形式理想液體的伯努利方程實(shí)際液體的伯努利方程伯努利方程應(yīng)用實(shí)例理想液體定常流動時，液體的任一通流截面上的總比能（單位重量液體的總能量）保持為定值?？偙饶苡杀葔耗埽ǎ?、比位能（Z）和比動能（）組成，可以相互轉(zhuǎn)化。

靜壓力基本方程是伯努利方程的特例理想流體伯努利方程為：1、理想液體的伯努利方程則實(shí)際伯努利方程為：α:動能修正系數(shù),為截面上單位時間內(nèi)流過液體所具有的實(shí)際動能，與按截面上平均流速計算的動能之比（層流時α=2，紊流時α=1）

:單位重量液體所消耗的能量2、實(shí)際液體的伯努利方程例一，文丘里流量計求解已知A1,A2,被測液體密度，水銀密度，水銀高度差h，即可求出通流體積3、伯努利方程應(yīng)用實(shí)例1、油液提升一定高度所需要的壓力；2、油液產(chǎn)生一定速度所需要的壓力；3、吸油管內(nèi)壓力損失。液壓泵吸油口處的真空度卻不能太大.實(shí)踐中一般要求液壓泵的吸油口的高度h不超過0.5米.圖2-10液壓泵從油箱吸油教材：例1-1，求泵吸油腔的真空度Z1=0，z2=h，p1=pa，V1<<V2，取v1=0，v2=4q/(πd2)液壓泵吸油口處的真空度是油箱液面壓力與吸油口處壓力p2之差。泵吸油口真空度為三、動量方程取管道中一段控制體積A-B，流出控制體積速度為V2，流入控制體積速度為V1，則控制體積的動量方程為動量方程物理意義：作用于控制體積上的外合力等于單位時間內(nèi)流出與流入的動量之差。

例題：1-5αθ教材：例1-2作業(yè)：P381-31-41-6第四節(jié)定常管流的壓力損失計算

沿程壓力損失：液體沿等徑直管流動時，由于液體的粘性摩擦和質(zhì)點(diǎn)的相互擾動作用，而產(chǎn)生的壓力損失。局部壓力損失：液體流經(jīng)管道的彎頭、接頭、突變截面以及閥口濾網(wǎng)等局部裝置時，液流會產(chǎn)生旋渦，并發(fā)生強(qiáng)烈的紊動現(xiàn)象，由此而產(chǎn)生的損失稱為局部損失。

一、兩種流動狀態(tài)1、層流、紊流（P27,圖1-13）層流和紊流是兩種不同性質(zhì)的流態(tài)。層流時，液體流速較低，質(zhì)點(diǎn)受粘性制約，不能隨意運(yùn)動，粘性力起主導(dǎo)作用；紊流時，因液體流速較高，粘性的制約作用減弱，因而慣性力起主導(dǎo)作用。液體流動時究竟是層流還紊流，須用雷諾數(shù)來判別。2、雷諾數(shù):液體在圓管中的流動狀態(tài)決定于由管道中流體的平均流速v、管道直徑d和液體運(yùn)動粘度υ這三個參數(shù)所組成的無量綱數(shù)的大小:流動液體的雷諾數(shù)低于臨界雷諾數(shù)(由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿?時，流動狀態(tài)為層流，反之液流的狀態(tài)為紊流教材表1-3常見液流管道的臨界雷諾數(shù)雷諾數(shù)物理意義：液流的慣性力對粘性力的無因次比二、液體在直管中流動的壓力損失（一）、層流時的壓力損失1、層流時管截面上的速度分布

取一微小圓柱體，列寫力平衡方程有：圖2-14圓管中的層流2、圓管中的流量

式中d:管道內(nèi)徑（m）；

l:管道長度（m）；

:流體的動力粘度（N·S/m2）；

=p1-p2:管道兩端的壓力差（N/m2）；

3、沿程壓力損失:這種沿等直徑管流動時的壓力損失

λ:沿程壓力損失系數(shù),其理論值為.

當(dāng)流動液體為液壓油時，（二）紊流時的壓力損失特點(diǎn)：紊流的沿程壓力損失比層流大，既要克服流動的液層摩擦力，還要克服橫向脈動摩擦；流動情況復(fù)雜，沿程阻力系數(shù)與雷諾數(shù)和管道表面粗糙度等有關(guān)；沿程阻力系數(shù)見表1-4（P30）三、局部壓力損失Δpξ

在流經(jīng)閥口、管道截面變化、彎曲等處時，由于流動方向和速度變化及復(fù)雜的流動現(xiàn)象(旋渦，二次流等)而造成局部能量損失

ξ稱為局部壓力損失系數(shù)，一般用實(shí)驗的方法進(jìn)行確定；例四、管路系統(tǒng)中的總壓力損失和壓力效率管路系統(tǒng)的壓力損失和壓力效率

:整個管路系統(tǒng)的總壓力損失是系統(tǒng)中所有直管的沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和使用條件:管路系統(tǒng)中兩相鄰局部壓力損失之間距離足夠大（相連管徑的10-20倍）

系統(tǒng)動力元件所供的工作壓力:

管路系統(tǒng)的壓力效率

第五節(jié)孔口和縫隙流動一、孔口液流特性在液壓與氣壓傳動中常用通過改變閥口通流截面積或通過通流通道的長短來控制流量的節(jié)流裝置來實(shí)現(xiàn)流量控制。這種節(jié)流裝置的通流截面一般為不同形式的小孔。通過薄壁小孔(孔的通流長度l與孔徑d之比L/d≤0.5)的流動通過細(xì)長小孔(小孔的長徑比l/d>4)的流動

1、通過薄壁小孔的流動圖2-15液體在薄壁小孔中的流動L／d<0.5時稱之為薄壁小孔；液體流經(jīng)薄壁小孔時，因D》d，通流截面1-1的流速較低，流過小孔時液體質(zhì)點(diǎn)突然加速，在慣性力作用下，通過小孔后的液流形成一個收縮截面2-2，對圓形小孔，此收縮截面離孔口的距離約為d／2：然后再擴(kuò)散，這一過程，造成能量損失，并使油液發(fā)熱，收縮截面面積A0和孔口截面積A的比值稱為收縮系數(shù)。即如果D/d>7時，稱為完全收縮；其伯努利方程為：因為D>>d，v1<<v2，忽略v1，有：

所以通過薄壁小孔的流量為：

稱為小孔流量系數(shù)結(jié)論：通過薄壁小孔的流量與液體粘度無關(guān)，因而流量受液體溫度影響較小.但流量與孔口前后壓差的關(guān)系是非線性的

完全收縮時Cd=0.61-0.62，不完全收縮時Cd=0.7-0.82、通過細(xì)長小孔的流動如果L/d>4,稱為細(xì)長孔，一般為層流狀態(tài)，由前面公式可直接得出：

是細(xì)長小孔的通流截面積液體流經(jīng)細(xì)長小孔的流量將隨液體溫度的變化而變化。但細(xì)長小孔的流量與孔前后的壓差關(guān)系是線性的統(tǒng)一的經(jīng)過小孔的流量公式

式中A:孔的通流截面積，Δp:孔前后壓差，

m:由孔結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定的指數(shù),0.5≤m≤1k:由孔口形式有關(guān)的系數(shù)

當(dāng)孔為薄壁小孔時，m=0.5,

為細(xì)長小孔時m=1，

二、通過間隙的流動內(nèi)泄漏外泄漏泄漏原因泄漏的影響間隙流動一般假設(shè)為層流（一）平行平板的間隙流動假設(shè)：1、液體不可壓縮2、質(zhì)量力不計3、黏度為常數(shù)xdx1、固定平行平板間隙流動（壓差流動）

邊界條件：y=0,u=0;y=h,u=0.代入后得：２、平行平板有相對運(yùn)動間隙流動

（１）兩平行平板有相對運(yùn)動速度ｖ，無壓差

邊界條件：y=0,u=0;y=h,u=v.dp/dx=0則積分常數(shù)為：C1=v/h;C2=0;（２）兩平行平板既有相對運(yùn)動，同時存在壓差的流動，是以上兩種情況的疊加結(jié)論：縫隙小，泄漏少；但功率損耗大．（二）、圓柱環(huán)形間隙流動

１、同心環(huán)形間隙在壓差作用下流動展開成平行平板流動情況：2、偏心環(huán)在壓差作用下的流動oo1AB3、內(nèi)外圓柱表面有相對運(yùn)動且又存在壓差的流動關(guān)正負(fù)的規(guī)定：當(dāng)長圓柱相對短圓柱表面運(yùn)動方向與壓差流動方向一致時，取+；反之取-。（三）、流經(jīng)平行圓盤間隙徑向流動的流量（自學(xué)）間隙為h，油由中心流入，在壓差作用下向四周放射流出。靜壓支撐。平板流動（四）、圓錐環(huán)狀間隙流動（自學(xué)）將環(huán)形間隙展開后成為一個扇形平面，相當(dāng)于平行圓盤的一個部分。半錐角為α的扇形中心角為平行圓盤的中心角為2π，扇形中心角為2πsinα,用πsinα代替圓盤流量公式中的π，得例：己知液壓缸中活塞直徑d＝100mm，長l＝100mm，活塞與液壓缸同心時的間隙為h=0.1mm,Δp=2MPa,油液的動力粘度為μ＝0.1Pa·s。求：①同心時的泄漏量：②完全偏心時的泄漏量；③當(dāng)活塞以6m／min速度與壓力差同向運(yùn)動且液壓位完全偏心時的泄漏量。解(1)同心時泄漏量第六節(jié)空穴現(xiàn)象

在流動的液體中，因某點(diǎn)處的壓力低于空氣分離壓而產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，稱之為空穴現(xiàn)象?？昭ìF(xiàn)象使液壓裝置產(chǎn)生噪聲和振動，使金屬表面受到腐蝕。

一、油液的空氣分離壓和飽和蒸汽壓一般油液中含有一定的空氣，油液能溶解的空氣的量與絕對壓力成正比，在大氣壓下正常溶解于油液中的空氣，當(dāng)壓力低于大氣壓時，就成為過飽和狀態(tài)，在一定的溫度下，如壓力降低到某一值時，過飽和的空氣將從油液中分離出來形成氣泡，這一