液壓與氣動技術(shù)PPT完整版全套教學(xué)課件

液壓與氣動技術(shù)第1章緒論第2章液壓油與液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)第3章液壓泵第4章液壓執(zhí)行元件第5章液壓控制閥第6章液壓系統(tǒng)的輔助裝置第7章液壓基本回路第8章典型液壓系統(tǒng)與設(shè)計計算第9章液壓系統(tǒng)故障分析與診斷第10章氣動工作介質(zhì)與氣體力學(xué)基礎(chǔ)第11章氣源裝置與氣動元件第12章氣動基本回路與氣動系統(tǒng)設(shè)計第13章典型氣動系統(tǒng)模擬實驗全套PPT課件2第1章緒論液壓傳動與氣壓傳動的工作原理液壓傳動與氣壓傳動系統(tǒng)的組成液壓傳動與氣壓傳動的優(yōu)缺點液壓傳動與氣壓傳動的應(yīng)用與發(fā)展1.11.21.31.43液壓與氣動技術(shù)是機械設(shè)備中發(fā)展最快的技術(shù)之一，隨著機電一體化技術(shù)發(fā)展，液壓與氣動技術(shù)與微電子技術(shù)、計算機技術(shù)相結(jié)合，進入了高端應(yīng)用和發(fā)展階段，成為智能制造的重要手段。應(yīng)達成的能力要求：掌握液壓傳動與氣壓傳動的基本原理和系統(tǒng)組成了解液壓傳動與氣壓傳動的優(yōu)缺點及其應(yīng)用與發(fā)展1.1液壓傳動與氣壓傳動的工作原理4液壓與氣動技術(shù)又稱液壓與氣壓傳動，是以流體(液壓油液或壓縮空氣)為工作介質(zhì)進行能量傳遞和控制的一種傳動形式，是通過液壓與氣動元件組成不同功能的基本回路，再由若干基本回路組合成具有一定控制功能的傳動系統(tǒng)。液壓傳動與氣壓傳動的工作原理相似，液壓傳動的工作介質(zhì)為液壓油液，氣壓傳動的工作介質(zhì)壓縮空氣，兩種介質(zhì)的主要區(qū)別是液體幾乎不可壓縮，氣體有較大的可壓縮性。51.1液壓傳動與氣壓傳動的工作原理圖1-1液壓千斤頂工作原理圖1-杠桿；2-小液壓缸；3-吸油單向閥；4-吸油管；5-油箱；6-排油管；7-排油單向閥；8-重物；9-大液壓缸；10-泄油管；11-截止閥小液壓缸2與吸油單向閥3、排油單向閥7一起完成吸油與排油，將杠桿1的機械能轉(zhuǎn)換為液壓油的壓力能輸出，稱為(手動)液壓泵。大液壓缸9將液壓油的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能輸出，抬起重物8，稱為液壓缸。大液壓缸9和小液壓缸2組成最簡單的液壓傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)力和運動的傳遞。液壓千斤頂原理動畫1.1液壓傳動與氣壓傳動的工作原理61）力的傳遞負載力為F2在液壓缸中產(chǎn)生的液壓力為p2=F2/A2。根據(jù)帕斯卡原理，p1=p2=p，液壓泵的排油壓力又稱為系統(tǒng)壓力。為克服負載力F2使液壓缸活塞運動，作用在液壓泵活塞上的作用力F1應(yīng)為負載力F2越大，系統(tǒng)中的壓力p越高，所需的作用力F1越大，即系統(tǒng)壓力與外負載密切相關(guān)。這是液壓傳動與氣壓傳動工作原理的第一個特征，即液壓與氣壓傳動中工作壓力取決于外負載。1.1液壓傳動與氣壓傳動的工作原理72）運動的傳遞不考慮液體的可壓縮性、漏損和缸體、管路的變形，液壓泵排出的液體體積等于進入液壓缸的液體體積。液壓泵活塞位移為s1，液壓缸活塞位移為s2，則上式兩邊同除以運動時間t，得式中，v1、v2為液壓泵活塞與液壓缸活塞的平均運動速度；q1、q2為液壓泵輸出的平均流量和液壓缸輸入出的平均流量。液壓傳動與氣壓傳動是靠密閉工作容積變化相等的原則實現(xiàn)運動(速度和位移)傳遞的。調(diào)節(jié)進入液壓缸的流量q，即可調(diào)節(jié)活塞的運動速度v，這是液壓傳動與氣壓傳動工作原理的第二個特征，即活塞的運動速度只取決于輸入流量，而與外負載無關(guān)。

1.1液壓傳動與氣壓傳動的工作原理8可以看出：與外負載相對應(yīng)的流體參數(shù)是流體壓力p，與速度相對應(yīng)的流體參數(shù)是流體流量q。壓力p與流量q是液壓與氣壓傳動中兩個最基本的參數(shù)。1.2液壓傳動與氣壓傳動系統(tǒng)的組成9

工程實際中的液壓傳動系統(tǒng)，在液壓泵-液壓缸的基礎(chǔ)上設(shè)置控制液壓缸運動方向、運動速度和最大推力的裝置。(1)能源裝置將機械能轉(zhuǎn)換成流體壓力能的裝置。液壓系統(tǒng)是液壓泵，氣壓系統(tǒng)是空氣壓縮機。(2)執(zhí)行元件將流體壓力能轉(zhuǎn)換成機械能輸出的裝置。如作直線運動的液壓缸和氣缸，作回轉(zhuǎn)運動的液壓馬達、氣壓馬達和擺動缸。(3)控制元件對流體的壓力、流量及流動方向進行控制和調(diào)節(jié)的元件，及進行信號轉(zhuǎn)換、邏輯運算和放大的信號控制元件。(4)輔助元件保證系統(tǒng)正常工作所需的上述三種以外的元件。(5)工作介質(zhì)用于傳遞能量和信號。液壓系統(tǒng)為液壓油，氣壓系統(tǒng)為壓縮空氣。圖1-2典型液壓系統(tǒng)原理圖1-油箱；2-過濾器；3-液壓泵；4-節(jié)流閥；5-換向閥；6、9、10、12-油管；7-液壓缸；8-工作臺；11—溢流閥1.2液壓傳動與氣壓傳動系統(tǒng)的組成10組成示意圖圖形符號圖圖1-3氣壓傳動及控制系統(tǒng)原理圖1-電機；2-空氣壓縮機；3-氣罐；4-減壓閥；5-邏輯元件組；6-換向閥；7-流量閥；8-行程閥；9-氣缸；10-消聲器；11-油霧器；12-分水濾氣器1.3液壓傳動與氣壓傳動的優(yōu)缺點11

與機械傳動和電力拖動相比，液壓與氣壓傳動的優(yōu)點：

(1)元件布置不受空間位置限制，系統(tǒng)中各部分用管道連接，布局安裝靈活性大；

(2)運行過程中可大范圍無極調(diào)速，調(diào)速范圍達2000：1；

(3)液壓傳動與液氣聯(lián)動運動平穩(wěn)，易實現(xiàn)快速啟動、快速制動和頻繁換向；

(4)操作方便省力，易實現(xiàn)自動控制、中遠程控制、過載保護，與電氣電子控制結(jié)合，易實現(xiàn)自動工作循環(huán)和自動過載保護；

(5)液壓與氣壓元件屬機械工業(yè)的基礎(chǔ)件，標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化程度較高，有利于縮短設(shè)計和制造周期、降低制造成本。與機械傳動和電力拖動相比，液壓與氣壓傳動的缺點：(1)在傳動過程中能量經(jīng)機械能-壓力能-機械能兩次轉(zhuǎn)換，傳動效率低；(2)由于傳動介質(zhì)的可壓縮性和泄露等影響，不能嚴(yán)格保證定比傳動；(3)液壓傳動性能對溫度比較敏感，不能在高溫下工作，采用石油基液壓油作傳動介質(zhì)時要注意防火；(4)液壓元件與氣壓元件制造精度高，系統(tǒng)工作中發(fā)生故障不易診斷。1.3液壓傳動與氣壓傳動的優(yōu)缺點12液壓與氣壓傳動的突出優(yōu)點：(1)液壓傳動單位質(zhì)量輸出的功率大，動力元件可采用很高的壓力，一般可達32MPa，個別場合更高，因此，在同等輸出功率下具有體積小、質(zhì)量小、運動慣性小、動態(tài)性能好的特點。(2)氣壓傳動空氣為工作介質(zhì)，處理方便，無介質(zhì)費用、泄漏污染、介質(zhì)變質(zhì)等問題。

液壓與氣壓傳動的優(yōu)點是主要的，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展其缺點將不斷被克服，將液壓傳動與氣壓傳動、電力傳動、機械傳動聯(lián)合使用，構(gòu)成氣液、電液(氣)、機液(氣)等聯(lián)合傳動，發(fā)揮各自優(yōu)點，相互補充，彌補不足。1.4液壓傳動與氣壓傳動的應(yīng)用與發(fā)展13液壓與氣動技術(shù)(液壓與氣壓傳動)相對于機械傳動是新興技術(shù)。從17世紀(jì)中葉提出靜壓傳遞原理、18世紀(jì)末英國制造第一臺水壓機，已有近三百年，但直到20世紀(jì)中葉才在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用并有較大發(fā)展。近代液壓傳動是由19世紀(jì)崛起并發(fā)展的石油工業(yè)推動的，最早的液壓裝置是艦艇炮塔轉(zhuǎn)位器，之后在機床上應(yīng)用。二戰(zhàn)期間軍事工業(yè)和軍事裝備需要反應(yīng)迅速、動作準(zhǔn)確、輸出功率大的傳動及控制裝備，促進了液壓技術(shù)發(fā)展。戰(zhàn)后轉(zhuǎn)入民用工業(yè)，在機床、工程機械、冶金機械、塑料機械、農(nóng)林機械、汽車、船舶等行業(yè)大幅應(yīng)用和發(fā)展。20世紀(jì)60年代隨著原子能、空間技術(shù)、電子技術(shù)等發(fā)展，液壓技術(shù)向更廣領(lǐng)域滲透，發(fā)展成為傳動、控制和檢測在內(nèi)的完整自動化技術(shù)。如今采用液壓傳動的程度是衡量國家工業(yè)水平的重要標(biāo)志，發(fā)達國家95%的工程機械、90%的數(shù)控加工中心、95%的自動線都采用液壓傳動。隨著液壓機械自動化程度提高，液壓元件應(yīng)用急劇增加，元件小型化、系統(tǒng)集成化是發(fā)展趨勢。液壓技術(shù)與傳感技術(shù)、微電子技術(shù)結(jié)合，出現(xiàn)了電液比例閥、數(shù)字閥、電液伺服液壓缸等一體化元件，使液壓技術(shù)在高壓、高速、大功率、節(jié)能高效、低噪聲、使用壽命長、高度集成化等方面取得重大進展。液壓元件和液壓系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計(CAD)、計算機輔助試驗(CAT)和計算機實時控制也是的發(fā)展方向。1.4液壓傳動與氣壓傳動的應(yīng)用與發(fā)展14人們很早就用空氣作介質(zhì)傳遞動力做功，利用自然風(fēng)推動風(fēng)車、帶動水車提水灌田，近代用于汽車自動開關(guān)門、火車自動抱閘、采礦用風(fēng)鉆等?？諝饨橘|(zhì)具有防火、防爆、防電磁干擾、抗振動、抗沖擊、抗輻射等優(yōu)點，氣動技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域已從汽車、采礦、鋼鐵、機械等重工業(yè)擴展到化工、輕工、食品、軍事等各行各業(yè)。氣動技術(shù)也發(fā)展成傳動、控制和檢測在內(nèi)的完整自動化技術(shù)。作為柔性制造系統(tǒng)（FMS)在包裝設(shè)備、自動線和機器人等方面成為重要手段。由于工業(yè)自動化及FMS的發(fā)展，要求氣動技術(shù)以提高系統(tǒng)可靠性、降低總成本、與電子工業(yè)相適應(yīng)為目標(biāo)，進行系統(tǒng)控制技術(shù)和機電液氣綜合技術(shù)研究開發(fā)。氣動元件的微型化、節(jié)能化、無油化是發(fā)展特點，與電子技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生比例閥和電氣伺服閥等自適應(yīng)元件，使氣動系統(tǒng)從開關(guān)控制進入反饋控制。計算機的普及和應(yīng)用為氣動技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊前景。目前，液壓與氣動技術(shù)進入了高端應(yīng)用和發(fā)展階段，成為智能制造的重要手段。液壓與氣動技術(shù)16第2章液壓油與液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)液壓油液體靜力學(xué)基礎(chǔ)液體動力學(xué)基礎(chǔ)液體流動時的壓力損失2.12.22.32.4液體流經(jīng)小孔的流量2.5液體流經(jīng)縫隙的流量2.6液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象2.717液壓油是液壓傳動的工作介質(zhì)，了解液壓油的基本性質(zhì)，掌握液體平衡和運動的主要力學(xué)規(guī)律，對正確理解液壓傳動原理及合理設(shè)計和使用液壓系統(tǒng)十分重要。應(yīng)達成的能力要求：了解液壓油的基本性質(zhì)；掌握流體靜力學(xué)、流體動力學(xué)、管道液流、孔口液流、縫隙液流、液壓沖擊等基本知識。2.1液壓油182.1.1液壓油的物理性質(zhì)2.1.1.1密度

單位體積液體的質(zhì)量，，式中，V為液體體積；m為體積為V的液體的質(zhì)量。密度是液體的重要物理參數(shù)，隨溫度和壓力變化密度變化量很小，可忽略。液壓油密度一般為900kg/m3。2.1.1.2可壓縮性

液體受壓力作用體積減小的性質(zhì)。體積為V的液體，當(dāng)壓力增加Δp時，體積減小ΔV，則液體在單位壓力變化下的體積相對變化量為，式中，k為液體壓縮系數(shù)。

壓力增大，液體體積減小，所以加一負號，以使k為正值。

k的倒數(shù)稱為液體的體積彈性模量，，式中，K為產(chǎn)生單位體積相對變化量所需要的壓力增量，實際應(yīng)用中用K值說明液體抵抗壓縮的能力。液壓油的體積彈性模量K=(1.2～2)×103MPa，數(shù)值很大，一般認為液體不可壓縮。液壓油混入空氣，可壓縮性顯著增加，影響工作性能，盡量減少油液中空氣含量。2.1液壓油192.1.1液壓油的物理性質(zhì)2.1.1.3粘性1）粘性的意義液體在外力作用下流動時液體分子間內(nèi)聚力會阻礙分子相對運動，即分子間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，這一特性稱為液體的粘性。粘性是液體的重要物理特性，是選擇液壓用油的依據(jù)。液體流動時，由于液體和固體壁面間的附著力及液體的粘性，使液體內(nèi)各液層間的速度不等。圖2-1液體粘性示意圖液體流動時相鄰液層間的內(nèi)摩擦力式中，μ為比例系數(shù)，又稱粘度系數(shù)或動力粘度。液層間單位面積上的內(nèi)摩擦力即為牛頓液體內(nèi)摩擦定律。在靜止液體中速度梯度du/dy=0，內(nèi)摩擦力τ=0，即液體在靜止?fàn)顟B(tài)下不呈現(xiàn)粘性。2.1液壓油202.1.1液壓油的物理性質(zhì)2.1.1.3粘性2）液體的粘度液體粘性的大小用粘度表示，常用有動力粘度、運動粘度和相對粘度。動力粘度μ，表征液體粘度的內(nèi)摩擦系數(shù)物理意義：當(dāng)du/dy=1時，液體層間單位面積上的內(nèi)摩擦力τ為動力粘度又稱絕對粘度。我國法定計量單位制及SI制中，單位Pa·s(帕·秒)或N·s/m2；在CGS制中，單位dgn·s/cm2

(達因·秒/厘米2)，又稱P(泊)，1P=100cP(厘泊)。兩種單位制的換算關(guān)系為1Pa·s=10P=103cP。運動粘度υ，液體的動力粘度μ與密度ρ的比值，，沒有物理意義，其單位中只有長度和時間的量綱，稱為運動粘度；在工程實際中用來標(biāo)志液體的粘度。

我國法定計量單位制及SI制中，單位m2/s(米2/秒)。

在CGS制中，單位cm2/s(厘米2/秒)，通常稱St(沲)，1St(沲)=100cSt(厘沲)。

兩種單位制的換算關(guān)系為1m2/s=104St=106cSt。

液壓油的牌號是其在40℃時運動粘度υ的平均值，如L-AN32液壓油的運動粘度32mm2/s。2.1液壓油212.1.1液壓油的物理性質(zhì)2.1.1.3粘性2）液體的粘度

相對粘度又稱條件粘度(°E)，采用特定粘度計在規(guī)定條件下測出來的液體粘度。測量條件不同，相對粘度單位也不同。我國采用恩氏粘度20℃、50℃、100℃為測定恩氏粘度的標(biāo)準(zhǔn)溫度，用°E20、°E50和°E100表示。

恩氏粘度和運動粘度的換算2.1液壓油222.1.1液壓油的物理性質(zhì)2.1.1.3粘性3）調(diào)和油的粘度合適粘度的液壓油對液壓系統(tǒng)工作性能十分重要，兩種不同粘度的液壓油混合稱為調(diào)合油,調(diào)合油的粘度與兩種油所占比例有關(guān)，一般用經(jīng)驗公式計算。式中，°E1、°E2為混合前兩種油液的粘度，

°E1>°E2；°E為混合后的調(diào)合油的粘度；a、b為參與調(diào)合的兩種油液的百分?jǐn)?shù)(a%+b%=100%)；c為實驗系數(shù)。表2-1調(diào)和油粘度實驗系數(shù)c的數(shù)值abcabcabc10906.7406022.1703028.2208013.1505025.5802025307017.9604027.99010172.1液壓油232.1.1液壓油的物理性質(zhì)2.1.1.3粘性4）粘度和溫度的關(guān)系溫度對油液粘度影響很大，油液溫度升高，其粘度顯著下降。油液粘度變化直接影響系統(tǒng)性能和泄漏，希望粘度隨溫度變化越小越好。油液粘度隨溫度變化的性質(zhì)稱為粘溫特性。粘度不超過15°E的液壓油，在(30～150)℃范圍內(nèi)時，式中，υt為t℃時液壓油的運動粘度(10-6m2/s)；υ50為50℃時液壓油的運動粘度(10-6m2/s)；n為與液壓油粘度有關(guān)的特性指數(shù)。圖2-2常用國產(chǎn)液壓油粘溫特性圖2.1液壓油242.1.1液壓油的物理性質(zhì)2.1.1.3粘性5）粘度和壓力的關(guān)系壓力對油液的粘度也有影響，壓力愈大，分子間距離愈小，粘度變大。油液粘度隨壓力變化的性質(zhì)稱為粘壓特性。式中，νp為壓力為p時的運動粘度(10-6m2/s)；

ν0為一個大氣壓下的運動粘度(0-6m2/s)；b為粘度壓力系數(shù)，一般b=0.002～0.003。實際應(yīng)用中液壓系統(tǒng)中礦物油在(0～500)×106Pa時，液壓系統(tǒng)中若壓力不高，壓力對粘度影響較小，可忽略；

當(dāng)壓力較高或壓力變化較大時，壓力對粘度的影響必須考慮。2.1.1.4其他特性抗燃性、抗氧化性、抗凝性、抗泡沫性、抗乳化性、防銹性、潤滑性、導(dǎo)熱性、穩(wěn)定性、相容性(指對密封材料、軟管等不侵蝕、不溶脹)等；這些性質(zhì)對系統(tǒng)的工作性能有重要影響，應(yīng)用時查油類產(chǎn)品手冊。2.1液壓油252.1.2對液壓油的要求與液壓油的選用1）對液壓油的要求液壓油有雙重作用：傳遞能量、潤滑運動零件工作表面，液壓油的性能直接影響工作的可靠性和靈敏性、工況的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的效率、零件的壽命等。液壓油應(yīng)滿足以下要求：粘溫特性好，在使用溫度范圍內(nèi)，液壓油粘度隨溫度變化愈小愈好；良好的潤滑性，潤滑時產(chǎn)生的油膜強度高，以免干摩擦；成分純凈，不含腐蝕性物質(zhì)，以免侵蝕機械零件件和密封元件；良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不易氧化，不易變質(zhì)，防粘質(zhì)沉淀物影響系統(tǒng)工作，防止氧化后液壓油變?yōu)樗嵝?，腐蝕金屬表面；抗泡沫性好，抗乳化性好，對金屬和密封件有良好相容性；體積膨脹系數(shù)低，比熱容和傳熱系數(shù)高，流動點和凝固點低，閃點和燃點高；無毒性，價格便宜。隨著液壓技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域擴大和對液壓系統(tǒng)性能要求提高，其工作介質(zhì)品種越來越多，常用國產(chǎn)液壓油的主要質(zhì)量指標(biāo)如表2-3所示。262.1.2對液壓油的要求與液壓油的選用2）液壓油的選用選擇液壓用油首先考慮粘度，粘度太高或太低都影響系統(tǒng)正常工作。粘度高的液壓油流動時阻力大、克服阻力所消耗的功率大，功率損耗又轉(zhuǎn)換成熱量使油溫上升；液壓油粘度太低會增加泄漏，系統(tǒng)容積效率降低。一般液壓系統(tǒng)液壓油粘度υ40=(10～60)10-6m2/s，更高粘度的液壓油應(yīng)用較少。選擇液壓油時考慮以下方面：液壓系統(tǒng)的工作壓力，工作壓力較高宜用粘度較大的液壓油，以減少系統(tǒng)泄露；環(huán)境溫度，環(huán)境溫度較高時宜用粘度較大的液壓油；運動速度，執(zhí)行元件運動速度較高時，為減小液流功率損失，宜用粘度較低的液壓油；液壓泵類型，液壓泵內(nèi)零件的運動速度高，承受壓力大，潤滑要求苛刻，溫升高，對液壓油性能最敏感。常根據(jù)液壓泵類型及要求選擇液壓油的粘度。液壓泵類型環(huán)境溫度（℃）葉片泵齒輪泵軸向柱塞泵徑向柱塞泵p<7×106Pap≥7×106Pa5～4030～5050～7030～7040～7530～8040～8040～7555～9095～16570～15065～240表2-4各類液壓泵適用的粘度ν40

(10-6m2/s)2.1液壓油27液體靜力學(xué)研究液體處于靜止?fàn)顟B(tài)下的力學(xué)規(guī)律及這些規(guī)律的應(yīng)用。靜止是指液體內(nèi)部質(zhì)點之間沒有相對運動，液體整體可以象剛體一樣運動。2.2液體靜力學(xué)基礎(chǔ)2.2.1靜壓力及其特性1）液體的靜壓力靜止液體單位面積上所受的法向力為靜壓力；液體內(nèi)某點處微小面積ΔA上作用法向力ΔF，則ΔF/ΔA的極限為該點處的靜壓力液體面積A上受的為均勻分布的作用力F，則靜壓力液體靜壓力在物理學(xué)中稱為壓強，在工程應(yīng)用中稱為壓力。2）液體靜壓力的特性液體靜壓力垂直于其承壓面，靜壓力方向與該面的內(nèi)法線方向一致。靜止液體內(nèi)任一點所受的靜壓力在各個方向上都相等。(a)重力作用下靜止的液體(b)微元研究對象圖2-3靜止液體內(nèi)壓力分布規(guī)律282.2液體靜力學(xué)基礎(chǔ)2.2.2靜壓力的基本方程重力作用下的靜止液體所受的力，除液體重力還有液面上作用的外加壓力。計算距液面深度為h的某點壓力，取一底面通過該點的垂直小液柱為研究體。液柱底面積為ΔA，高為h，體積為hΔA，則液柱重力為ρghΔA，作用于液柱的重心。液柱垂直方向的力平衡方程為(a)重力作用下靜止的液體(b)微元研究對象圖2-3靜止液體內(nèi)壓力分布規(guī)律液體靜壓力的基本方程292.2液體靜力學(xué)基礎(chǔ)2.2.2靜壓力的基本方程液體靜壓力的基本方程靜壓力的基本方程具有以下特征：靜止液體內(nèi)任一點的壓力有兩部分：液面上的外加壓力p0，該點以上液體自重形成的壓力ρgh；液面上只受大氣壓力pa，液體內(nèi)任一點處的壓力為靜止液體內(nèi)任一點壓力隨該點距液面的深度線性遞增。距液面深度相同處各點壓力相等，由壓力相等的所有點組成的面稱為等壓面；重力作用下靜止液體中等壓面為水平面，與大氣接觸的自由表面也是等壓面。靜止液體液面外加壓力為p0，液面與基準(zhǔn)水平面距離為h0，液體內(nèi)任一點的壓力為p，與基準(zhǔn)水平面距離為h，由液體靜壓力基本方程式得上式的物理意義：重力作用下的靜止液體具有壓力能和勢能，在任一質(zhì)點處壓力能和勢能互相轉(zhuǎn)換，但總能量不變即能量守恒。常用液壓裝置中，一般外加壓力p0遠大于液體自重所形成的壓力ρgh，分析計算時ρgh可忽略，認為液壓裝置中靜止液體內(nèi)部的壓力近似相等。302.2液體靜力學(xué)基礎(chǔ)2.2.3壓力的表示方法及單位1）壓力的表示方法圖2-4絕對壓力、相對壓力和真空度度量基準(zhǔn)不同，液體壓力分為絕對壓力和相對壓力。以絕對真空為度量基準(zhǔn)稱為絕對壓力，p=pa+ρgh；

以大氣壓為度量基準(zhǔn)稱為相對壓力或表壓力，p-pa=ρgh。大氣中物體受大氣壓作用自相平衡，壓力表測得的壓力是相對壓力。液壓技術(shù)中如不特別指明均為相對壓力。絕對壓力低于大氣壓時，絕對壓力不足于大氣壓力的部分稱為真空度，此時相對壓力為負值，又稱負壓。以大氣壓為基準(zhǔn)度量壓力時，基準(zhǔn)以上的正值為表壓力，基準(zhǔn)以下的負值為真空度。2）壓力的單位法定計量單位Pa(帕，N/m2)，也用bar(巴)和工程大氣壓at、水(H2O)柱高、汞(Hg)柱高等。1Pa=1N/m2，1bar=1×105Pa=1×105N/m2，1at=1kgf/cm2=9.8×104N/m2；1mH2O=9.8×103N/m2，1mmHg=1.33×102N/m2。例1-1312.2液體靜力學(xué)基礎(chǔ)2.2.4帕斯卡原理在密閉容器內(nèi)施加于靜止液體的壓力等值傳遞到液體各點。圖2-6帕斯卡原理應(yīng)用實例由于A2/A1<1，用很小的推力F2即可推動比較大的負載F1。液壓千斤頂是依據(jù)這一原理制做的。當(dāng)大活塞上的負載F1=0時，不考慮活塞自重和其他阻力，不論怎樣推動小活塞也不能在液體中形成壓力，說明液體內(nèi)的壓力由外負載決定。這是液壓傳動中的一個重要概念。12322.2液體靜力學(xué)基礎(chǔ)2.2.5靜壓力對固體壁面的作用力液體和固體壁面接觸時，固體壁面受到液體靜壓力的作用。當(dāng)固體壁面為平面時，液體壓力p在該平面上的總作用力式中，A為該平面的面積；F的作用方向與該平面垂直。當(dāng)固體壁面為曲面時，液體壓力p在該曲面某x方向上的總作用力式中，Ax為曲面在x方向投影的面積。圖1-7

液壓油作用在缸筒內(nèi)壁面上的力例2-2332.3液體動力學(xué)基礎(chǔ)2.3.1基本概念液體動力學(xué)研究液體流動時流速和壓力的變化規(guī)律。流動液體的流量連續(xù)性方程、伯努利方程、動量方程是描述流動液體力學(xué)規(guī)律的三個基本方程，也是液壓技術(shù)中分析和設(shè)計的理論依據(jù)。流量連續(xù)性方程和伯努利方程反映壓力、流速與流量之間的關(guān)系，動量方程解決流動液體與固體壁面間的作用力問題。1）理想液體和恒定流動液體具有粘性，粘性只在液體運動時體現(xiàn)出來，因此，研究流動液體必須考慮粘性的影響。液體粘性問題非常復(fù)雜，為方便分析計算，開始分析時假設(shè)液體沒有粘性，之后再考慮粘性的影響，并通過實驗等補充或修正得出的結(jié)果。對液體的可壓縮也同樣方法處理。342.3液體動力學(xué)基礎(chǔ)2.3.1基本概念1）理想液體和恒定流動理想液體和實際液體：研究流動液體時，假設(shè)既無粘性又不可壓縮的液體稱為理想液體，實際既有粘性又可壓縮的液體稱為實際液體。恒定流動和非恒定流動：液體流動時，液體中任一點處的壓力、速度和密度都不隨時間變化，稱為恒定流動也稱定常流動或非時變流動；液體中任一點處的壓力、速度和密度中有一個隨時間變化，稱為非恒定流動也稱非定常流動或時變流動。非恒定流動情況復(fù)雜，本節(jié)介紹恒定流動時的基本方程。圖2-8恒定流動和非恒定流動示意圖（a）恒定流動（b）非恒定流動動畫352.3液體動力學(xué)基礎(chǔ)2.3.1基本概念2）通流截面、流量和平均流速通流截面：液體在管道中流動，垂直于流動方向的截面稱為通流截面或過流截面。流量：單位時間流過某一通流截面的液體體積稱為流量，以q表示，單位m3/s或L/min。圖2-9流量和平均流速示意圖由于粘性，通流截面上各點流速u不相等。流過微小斷面的流量流過整個流通截面A的流量平均流速：實際液體流動速度u分布復(fù)雜，按上式很難計算，因此，提出平均流速概念，即假設(shè)通流截面上各點的流速均勻分布，液體以均布流速v流過通流截面的流量等于以實際流速流過的流量，即

，

實際工程中平均流速具有應(yīng)用價值。液壓缸工作時，活塞的運動速度等于缸內(nèi)液體的平均流速，液壓缸有效面積一定時，活塞的運動速度由輸入液壓缸的流量決定。362.3液體動力學(xué)基礎(chǔ)2.3.2流量連續(xù)性方程質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的一種表達形式。圖2-10流量連續(xù)性方程推導(dǎo)用圖根據(jù)質(zhì)量守恒定律，單位時間內(nèi)流過兩個截面的液體質(zhì)量相等即不考慮液體的壓縮性

ρ1=ρ2，液流的流量連續(xù)性方程流量連續(xù)性方程說明，恒定流動中流過各截面的不可壓縮流體的流量是不變的，流速和通流截面面積成反比。372.3液體動力學(xué)基礎(chǔ)2.3.3伯努利方程能量守恒定律在流體力學(xué)中的一種表達形式。1）理想液體的伯努利方程圖2-11伯努利方程推導(dǎo)用圖理想液體無粘性又不可壓縮，在管內(nèi)恒定流動時沒有能量損失。根據(jù)能量守恒定律，同一管道每一截面的總能量相等。物理意義：管內(nèi)恒定流動的理想流體具有壓力能、勢能和動能，在任一截面上三種能量可以互相轉(zhuǎn)換，但總能量不變，即能量守恒。382.3液體動力學(xué)基礎(chǔ)2.3.3伯努利方程2）實際流體的伯努利方程實際液體在管道內(nèi)流動時：由于粘性產(chǎn)生內(nèi)摩擦力消耗能量，由于管道形狀和尺寸變化產(chǎn)生擾動消耗能量。實際液體流動時有能量損失，設(shè)兩截面間的能量損失為ρghw。實際流速u在管道通流截面上不均勻分布，為方便計算用平均流速替代實際流速，為此引進動能修正系數(shù)α，單位時間內(nèi)某截面實際動能與按平均流速計算動能之比。紊流時α=1.1，層流時α=2。實際計算時常取α=1。實際液體的伯努利方程注意：截面1、截面2順流向選取，且選在流動平穩(wěn)的通流截面上；

h和p為通流截面同一點的參數(shù)，一般在通流截面的軸心處。例2-3392.3液體動力學(xué)基礎(chǔ)2.3.4動量方程動量定理在流體力學(xué)中的應(yīng)用。計算流動液體作用在限制其流動的固體壁面上的總作用力。根據(jù)剛體力學(xué)動量定理：作用在物體上全部外力的矢量和等于物體在力作用方向上的動量變化率。圖2-13動量方程推導(dǎo)用圖動量方程表明：作用在液體控制表面上的外力總和ΣF等于單位時間內(nèi)流出控制表面與流入控制表面的液體動量之差。動量方程式為矢量式。根據(jù)作用力與反作用力原理，液體以同樣的力作用在使其流速發(fā)生變化的物體上?？砂磩恿糠匠糖蟮昧鲃右后w作用在固體壁面上的液動力。液體恒定流動時的動量方程402.3液體動力學(xué)基礎(chǔ)2.3.4動量方程θ1=69°、θ2=90°θ1=90°、θ2=α412.4液體流動時的壓力損失2.4.1流態(tài)與雷諾數(shù)由于流動液體具有粘性，以及液體流動時突然轉(zhuǎn)彎或通過閥口會產(chǎn)生撞擊、漩渦等，液體在管道中流動產(chǎn)生阻力。為克服阻力，液體流動時損耗一部分能量。這種能量損失用液體的壓力損失表示，即伯努利方程中的ρghw，由沿程壓力損失和局部壓力損失組成。液體在管道中流動的壓力損失與液體流動狀態(tài)有關(guān)。1）流態(tài)

英國物理學(xué)家雷諾發(fā)現(xiàn)，液體在管道中流動時存在層流和紊流兩種流動狀態(tài)。層流時液體流速較低，液體質(zhì)點間的粘性力起主導(dǎo)作用，液體質(zhì)點受粘性約束，不能隨意運動；紊流時液體流速較高，液體質(zhì)點間粘性制約作用減弱，慣性力起主導(dǎo)作用。圖2-16雷諾實驗雷諾實驗動畫422.4液體流動時的壓力損失2.4.1流態(tài)與雷諾數(shù)2）雷諾數(shù)液體的流動狀態(tài)用雷諾數(shù)判斷。，v為平均流速，d為管道內(nèi)徑，υ為運動粘度。物理意義：表示液體流動時慣性力與粘性力之比。液體雷諾數(shù)相同，其流動狀態(tài)相同。由層流變?yōu)槲闪鲿r和由紊流變?yōu)閷恿鲿r雷諾數(shù)不相同，由紊流變?yōu)閷恿鲿r雷諾數(shù)小，此作為判別液流狀態(tài)的依據(jù)，稱為臨界雷諾數(shù)Recr。當(dāng)液流的雷諾數(shù)Re<Recr時，為層流；Re≥Recr時為紊流。管道Recr管道Recr光滑金屬圓管2320帶環(huán)槽同心環(huán)狀縫隙700橡膠軟管1600～2000帶環(huán)槽偏心環(huán)狀縫隙400光滑同心環(huán)狀縫隙1100圓柱滑閥閥口260光滑偏心環(huán)狀縫隙1000錐閥閥口20～100表2-5常見液流管道的臨界雷諾數(shù)非圓截面管道的雷諾數(shù)，，R為通流截面的水力半徑，A為通流截面面積；x為通流截面的周界長度即濕周。432.4液體流動時的壓力損失2.4.2圓管流動的沿程壓力損失液體在等直徑圓管中流動時因粘性摩擦產(chǎn)生的壓力損失稱為沿程壓力損失。沿程壓力損失取決于管道長度、管道直徑、液體粘度和流體流態(tài)。2.4.2.1層流時的沿程壓力損失1）通流截面上的流速分布圖2-17圓管中的層流運動Ff=μAdu/dr=-2πrlμdu/dr(r增大，u減小)，Δp=p1-p2

代入上式得，液體均勻運動的力平衡方程為，上式積分并r=R時u=0得，最小流速在管壁

r=R處，umin=0；最大流速在軸線

r=0處，umax=ΔpR2/4μl。r增大，u減小，du/dr為負值。442.4液體流動時的壓力損失2.4.2圓管流動的沿程壓力損失2.4.2.1層流時的沿程壓力損失2）通過管道的流量圖2-17圓管中的層流運動微小環(huán)形通流截面面積

dA=2πrdr所通過的流量，對上式積分得，3）管道內(nèi)液體的平均流速根據(jù)平均流速的定義，管道內(nèi)液體的平均流速

v是其最大流速

umax

的1/2。452.4液體流動時的壓力損失2.4.2圓管流動的沿程壓力損失2.4.2.1層流時的沿程壓力損失4）沿程壓力損失圖2-17圓管中的層流運動由平均流速，得液體在直管中層流流動時，其沿程壓力損失Δpλ與管長l、流速v、粘度μ成正比，

與管徑的平方d2成反比。變換上式并代入得λ為沿程阻力系數(shù)，理論值λ=64/Re。實際中考慮油溫變化不均勻等，金屬管λ=75/Re、橡膠軟管λ=80/Re。在液壓傳動中，液體自重和位置變化對壓力影響很小，可以忽略(例2-1)，水平管的條件下推導(dǎo)的上式適用于非水平管。462.4液體流動時的壓力損失2.4.2圓管流動的沿程壓力損失2.4.2.2紊流時的沿程壓力損失液體在等直徑圓管中紊流運動時的沿程壓力損失比層流時大很多，因為要克服液層間的內(nèi)摩擦和液體橫向脈動引起的紊流摩擦。實驗證明，紊流時的沿程壓力損失可用層流時的公式計算，

式中沿程阻力系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re、管壁粗糙度Δ有關(guān)，λ=f(Re,Δ/d)，

Δ為管壁絕對粗糙度，Δ/d為管壁相對粗糙度

Re范圍λ的計算公式2320<Re<105λ=0.3164Re-0.25105<Re<3×106λ=0.032+0.221Re-0.237Re>900d/Δλ=(21gd/2Δ+1.74)-2表2-6圓管紊流流動時的沿程阻力系數(shù)λ的計算公式472.4液體流動時的壓力損失2.4.3管道流動的局部壓力損失液體流經(jīng)管道的彎頭、接頭、突然變化的截面及閥口等時，流速大小和方向急劇變化、產(chǎn)生旋渦、發(fā)生強烈紊動，產(chǎn)生流動阻力，造成的壓力損失稱為局部壓力損失。液流流過上述局部裝置時流動狀態(tài)復(fù)雜，影響因素多，局部壓力損失除少數(shù)能從理論上分析計算外，一般依靠實驗測得局部障礙阻力系數(shù)，然后計算。局部壓力損失，，ξ為局部阻力系數(shù)，其值查相關(guān)手冊；ρ為液體密度(kg/m3)；v為液體的平均流速(m/s)。閥芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，局部壓力損失按上式計算困難，在產(chǎn)品目錄中查出閥在額定流量

qs

下的

壓力損失

Δps

，當(dāng)流經(jīng)閥的實際流量為

q時，通過該閥的壓力損失為

。液壓系統(tǒng)總壓力損失為，。上式適用于兩相鄰局部障礙之間的距離大于管道內(nèi)徑10～20倍的場合，否則計算出的壓力損失比實際小。因為局部障礙距離太小，通過前一個局部障礙后的流體尚未穩(wěn)定就進入后二個局部障礙，使液流擾動更強烈，阻力系數(shù)高于正常值的2～3倍。482.5液體流經(jīng)小孔的流量2.5.1液體流經(jīng)薄壁小孔的流量當(dāng)小孔的通流長度l與孔徑d之比

l/d≤0.5時為薄壁小孔，薄壁小孔的孔口邊緣做成刃口形式。由于慣性作用通過小孔的液流形成收縮面C-C，然后擴散，收縮和擴散產(chǎn)生很大能量損失。液壓元件特別是控制閥對液流壓力、流量和方向的控制通過特定的孔口實現(xiàn)；孔口對流過的液體形成阻力，使其產(chǎn)生壓力降，孔口的作用類似電阻，被稱為液阻。圖2-18液流流經(jīng)薄壁小孔當(dāng)D/d≥7時：液流收縮不受孔前通道內(nèi)壁影響，為完全收縮；當(dāng)D/d<7時，孔前通道對液流起導(dǎo)向作用，為不完全收縮。流經(jīng)薄壁小孔動畫492.5液體流經(jīng)小孔的流量2.5.1液體流經(jīng)薄壁小孔的流量對小孔前后通道斷面1-1和2-2列伯努利方程，并動能修正系數(shù)α=1，則有圖2-18液流流經(jīng)薄壁小孔Σpω為局部能量損失，包括:突然縮小時，pξ1=ξρvc2/2;突然擴大時，pξ2=(1-Ac/A2)ρvc2/2=ρvc2/2。Σpω=pξ1+pξ2=(1+ξ)ρvc2/2。因為A1=A2，所以v1=v2。Cv=1/(ξ+1)1/2為速度系數(shù)，反映局部阻力對速度的影響。A0為薄壁小孔截面積；Cc=Ac/A0，為截面收縮系數(shù)；Cd=CcCv，為流量系數(shù)。液流完全收縮情況下：

當(dāng)Re≤105時，Cd=0.964Re-0.05；

當(dāng)Re>105時，Cd=0.60~0.61。液流不完全收縮情況下，Cd=0.7~0.8。

查表2-7。薄壁小孔沿程損失小，通過其的流量與液體粘度無關(guān)，對溫度不敏感，多用作調(diào)節(jié)流量的節(jié)流器。502.5液體流經(jīng)小孔的流量2.5.2液體流經(jīng)滑閥閥口和錐閥閥口的流量1）液體流經(jīng)滑閥閥口的流量圖2-19圓柱滑閥閥口閥口圓周長度w=πD，稱為面積梯度，閥芯與閥套孔間的半徑間隙

Cr=0.01~0.02mm。閥芯相對閥套向左移動

xυ=2~4mm時，

有效寬度為(Cr2+xυ2)1/2，xυ稱為閥口開度。閥口通流截面面積A0=w(Cr2+xυ2)1/2=

πD(Cr2+xυ2)1/2。Cr<<xυ，(Cr2+xυ2)1/2=xυ，A0=

πDxυ；xυ<<πD，圓柱滑閥閥口視為薄壁小孔，液體流經(jīng)滑閥閥口的流量為流量系數(shù)Cd由圖査出，査圖時先計算雷諾數(shù)圖2-20滑閥閥口的流量系數(shù)Re≥103時Cd=0.67~0.74，

閥口棱邊圓滑或有很小倒角時Cd=0.8～0.9。512.5液體流經(jīng)小孔的流量2.5.2液體流經(jīng)滑閥閥口和錐閥閥口的流量2）液體流經(jīng)錐閥閥口的流量圖2-21錐閥閥口閥芯抬起高度xυ為閥口開度，閥口通流面積A0=πdmxυsinα，dm=(d1+d2)/2，無倒角時dm=d1。流經(jīng)錐閥閥口的流量圖2-22錐閥的流量系數(shù)522.5液體流經(jīng)小孔的流量2.5.3液體流經(jīng)短孔和細長孔的流量1）液體流經(jīng)短孔的流量圖2-22短孔的流量系數(shù)長徑比0.5<l/d<<4時為短孔，短孔的流量同薄壁小孔Cd由圖，雷諾數(shù)Re較大時，Cd穩(wěn)定在0.8左右。短孔比薄壁孔容易加工，常用作固定節(jié)流器。2）液體流經(jīng)細長孔的流量長徑比l/d>4時為細長孔，由于粘性流經(jīng)細長孔的液流一般為層流，細長孔的流量同液體流經(jīng)圓管的流量液流經(jīng)過細長孔的流量與孔前后壓差?p成正比、與液體粘度μ成反比，流量受液體溫度影響較大，與薄壁小孔不同。(2-34)532.5液體流經(jīng)小孔的流量2.5.4液阻孔口、閥口流量的通用表達式

，

又稱孔口壓力流量方程。薄壁小孔、滑閥閥口、錐閥閥口、短孔：m=0.5、KL=Cd(2/p)1/2；細長孔：m=1、KL=d2/32μl。孔口壓力流量方程描述了孔口結(jié)構(gòu)及尺寸確定后，流經(jīng)孔口的壓力降Δp及孔口通流面積A間的關(guān)系。類似電工學(xué)中的電阻。定義：孔口前后壓力降Δp與穩(wěn)態(tài)流量q的比值為液阻，即穩(wěn)態(tài)下，液阻R與流量變化dp所需的壓差變化d(Δp)成正比。液阻的特性：液阻R與孔口通流面積A成反比，A=0時R=∽，A足夠大時R=0?？卓谇昂髩毫郸一定時，調(diào)節(jié)孔口通流面積A可以改變液阻R，從而調(diào)節(jié)流經(jīng)孔口的流量q，稱為液壓系統(tǒng)的節(jié)流調(diào)節(jié)特性?？卓谕髅娣eA一定時，改變流經(jīng)孔口的流量q，孔口壓力降Δp隨之變化。即為液阻的阻力特性，用于壓力控制閥的內(nèi)部控制。多個孔口串聯(lián)時，總液阻R=∑R；多個液阻并聯(lián)時，總液阻R=(1/R1+1/R2+…)-1。542.6液體流經(jīng)縫隙的流量液壓元件運動件與固定件間存在縫隙，縫隙兩端存在壓力差時形成縫隙流動即泄漏。泄漏嚴(yán)重影響液壓元件特別是液壓泵和液壓馬達的工作性能。圓柱體存在錐度時，縫隙流動可能導(dǎo)致卡緊現(xiàn)象，需要引起注意。2.6.1液體流經(jīng)平板縫隙的流量圖2-24平行平板縫隙間的液流液體受壓差Δp=p1-p2作用產(chǎn)生壓差流動，受平行平板相對運動u0(與壓差Δp同向)作用產(chǎn)生剪切流動。通常存在兩種流動。h、l、b為縫隙高度、長度和寬度，b>>h、l>>h。對微元體dxdy.1建立力平衡方程整理得τ=μdu/dy、dτ/dy=μd2u/d2y代入得對y積分兩次得y=0處，u=0；y=h處，u=u0；層流運動dp/dx=(p2-p1)/l=-Δp/l。代入u得壓差作用下縫隙流量與縫隙三次方成正比，液壓元件縫隙大小對泄漏量影響非常大。552.6液體流經(jīng)縫隙的流量2.6.2液體流經(jīng)圓柱環(huán)形間隙的流量

液壓元件中相對運動零件如柱塞與柱塞孔、圓柱滑閥閥芯與閥體孔之間的間隙為圓柱環(huán)形間隙，分為同心圓柱環(huán)形間隙和偏心圓柱環(huán)形間隙。1）液體流經(jīng)同心圓柱環(huán)形間隙的流量間隙h，間隙長l，環(huán)形間隙沿圓周方向展開相當(dāng)于平行平板縫隙，b=πd代入平板間隙流量得圖2-25同心圓柱環(huán)形間隙流動圓柱移動方向與壓差方向：相同取“+”號，相反取“-”號。無相對運動時u0=0，同心圓柱環(huán)形間隙流量為562.6液體流經(jīng)縫隙的流量2.6.2液體流經(jīng)圓柱環(huán)形間隙的流量2）液體流經(jīng)偏心圓柱環(huán)形間隙的流量

內(nèi)外圓偏心量e，任意角θ處間隙h，間隙很小，r1≈r2≈d/2，微小圓弧db對應(yīng)的環(huán)形間隙看成平板縫隙，db=rdθ

代入平板間隙流量的b得圖2-26偏心圓柱環(huán)形間隙由幾何關(guān)系h0內(nèi)外圓同心時半徑方向間隙ε=e/h0

相對偏心率代入dq并積分圓柱移動方向與壓差方向：相同取“+”號，相反取“-”號。內(nèi)外圓間沒有移動時u0=0，偏心圓柱環(huán)形間隙流量為e=h0即ε=1時為最大偏心，通過的流量是同心圓柱環(huán)形間隙流量的2.5倍。液壓元件中有配合的零件應(yīng)盡量同心，以減少間隙泄漏。572.6液體流經(jīng)縫隙的流量2.6.3液體流經(jīng)圓錐環(huán)形間隙的流量柱塞或柱塞孔、閥芯或閥體孔因加工誤差有錐度時，相對運動零件間的間隙為圓錐環(huán)形間隙，沿軸線間隙大小變化。閥芯存在錐度，影響流經(jīng)間隙的流量和間隙中的壓力分布。圓錐半角θ，閥芯以速度u0向右移動，進出口處間隙h1和h2、壓力p1和p2，距左端面x處間隙h、壓力p，微小單元dx很小，認為在dx段內(nèi)間隙寬度不變。對倒錐流動，-Δp/l=dp/dx代入同心圓柱環(huán)形間隙流量得

(a)倒錐(b)順錐圖2-27圓錐環(huán)形間隙的液流倒錐：閥芯大端為高壓，液流由大端流向小端。順錐：閥芯小端為高壓，液流由小端流向大端。h=h1+xtanθ，dx=dh/tanθ

代入得積分并

tgθ=(h2-h1)/l代入得閥芯沒有運動u0=0時，圓錐環(huán)形間隙流量582.6液體流經(jīng)縫隙的流量2.6.4液壓卡緊現(xiàn)象對

積分并將

h=h1、p=p1代入得圓錐環(huán)形間隙的壓力分布、tgθ=(h-h1)/x代入得閥芯沒有運動

u0=0時順錐情況，u0=0時的壓力分布(a)倒錐(b)順錐592.6液體流經(jīng)縫隙的流量2.6.4液壓卡緊現(xiàn)象

閥芯在閥體孔內(nèi)偏心，作用在閥芯一側(cè)的壓力大于另一側(cè)的壓力，閥芯受液壓側(cè)向力作用。(a)倒錐(b)順錐圖2-28液壓卡緊力倒錐：液壓側(cè)向力使偏心加大，足夠大時閥芯緊貼在閥體孔內(nèi)壁，產(chǎn)生液壓卡緊現(xiàn)象；順錐：液壓側(cè)向力使偏心減小，閥芯自動定心，不出現(xiàn)液壓卡緊現(xiàn)象，順錐是有利的。為減少液壓側(cè)向力，在閥芯或柱塞的圓柱面開徑向均壓槽，槽內(nèi)液體壓力在圓周方向處處相等。均壓槽深度和寬度0.3~1.0mm，7個均壓槽時液壓側(cè)向力減少到2.7%，閥芯與閥體孔基本同心。開徑向均壓槽后環(huán)形縫隙長度

l減小，閥芯與閥體孔間的偏心減小，槽不會使縫隙泄漏增大。液壓卡緊動畫602.7液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象

液壓傳動中液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象都給液壓系統(tǒng)帶來不利影響。2.7.1液壓沖擊在液壓系統(tǒng)中，液體壓力瞬間突然升高，產(chǎn)生很高壓力峰值，稱為液壓沖擊。液壓沖擊峰值比正常壓力高幾倍，引起振動和噪聲，損壞密封裝置、管道和液壓元件，使壓力繼電器、順序閥等誤動作，造成設(shè)備事故。2.7.1.1液壓沖擊的類型液壓沖擊按產(chǎn)生原因分為：通道迅速關(guān)閉或液流迅速換向時，液流慣性導(dǎo)致液壓沖擊；

運動部件突然制動或換向時，運動部件慣性引起液壓沖擊。612.7液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象

2.7.1液壓沖擊2.7.1.1液壓沖擊的類型1）管道閥門突然關(guān)閉時的液壓沖擊容器中的液體沿管道經(jīng)閥B以速度v0流出，閥B突然關(guān)閉，靠近閥B的液體立即停止運動，液體的動能轉(zhuǎn)換為壓力能，B點壓力升高

Δp，閥B后的液體依次停止運動，動能依次轉(zhuǎn)換為壓力能，形成壓力波，并以速度

c由B向A傳播，到A點后，反向由A向B傳播。壓力波以速度

c在管道A、B兩點間往復(fù)傳播，在系統(tǒng)內(nèi)形成壓力振蕩。由于管道變形和液體粘性消耗能量，振蕩逐漸衰減，最后趨于穩(wěn)定。圖2-29管道中的液壓沖擊閥門B關(guān)閉后流速為零，由動量方程得A管道截面面積，t壓力波從B傳到A的時間，ρ液體密度。c=l/t壓力波在管道中的傳播速度。K液體體積彈性模量、E管道材料彈性模量、d管道內(nèi)徑、δ管道厚度。液壓波在管道油液中傳播速度c=900~1400m/s。622.7液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象

2.7.1液壓沖擊2.7.1.1液壓沖擊的類型1）管道閥門突然關(guān)閉時的液壓沖擊圖2-29管道中的液壓沖擊如果閥門不完全關(guān)閉，液流速度從

v0降到

v1，閥門關(guān)閉時間

t<T=2l/c時為完全沖擊或直接液壓沖擊，上述推導(dǎo)適用。閥門關(guān)閉時間

t>T=2l/c時為不完全沖擊或間接液壓沖擊，壓力峰值比完全沖擊低，壓力升高值為液壓沖擊時管道中的最大壓力

p為正常工作壓力。估算閥門關(guān)閉引起液壓沖擊時，假設(shè)閥門瞬間關(guān)閉即完全液壓沖擊，計算結(jié)果偏于安全。632.7液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象

2.7.1液壓沖擊2.7.1.1液壓沖擊的類型2）運動部件制動時產(chǎn)生的液壓沖擊

總質(zhì)量為∑m的運動部件制動時的減速時間為

Δt

，速度減小值為

Δv

，液壓缸有效工作面積為

A，根據(jù)動量定理沖擊壓力為忽略了阻尼和泄漏等，比實際值大，偏于安全，具有實用價值。2.7.1.2減小液壓沖擊的措施延長閥門關(guān)閉時間

t和運動部件制動換向時間

Δt

，采用換向時間可調(diào)的換向閥。限制管道流速v和運動部件速度v，流速v≤4.5m/s，運動質(zhì)量大時更應(yīng)控制其運動速度。適當(dāng)增大管徑

d，以降低流速

v和減小壓力波的傳播速度c。盡量縮短管道長度

l，以減小壓力波傳播時間

T，使完全沖擊變?yōu)椴煌耆珱_擊。用橡膠軟管或在沖擊源處設(shè)置蓄能器，吸收沖擊能量；在出現(xiàn)液壓沖擊的處安裝限制壓力升高的安全閥。642.7液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象

2.7.2氣穴現(xiàn)象1）氣穴現(xiàn)象的機理液壓系統(tǒng)中某處壓力低于液壓油所在溫度下的空氣分離壓時，溶解在液體中的空氣會分離出來，使液體迅速出現(xiàn)大量氣泡，稱為氣穴現(xiàn)象或空穴現(xiàn)象。

當(dāng)壓力進一步減小、低于液體的飽和蒸汽壓時，液體迅速氣化，產(chǎn)生大量蒸汽氣泡，氣穴現(xiàn)象嚴(yán)重。氣穴現(xiàn)象多發(fā)生在閥門和液壓泵的吸油口。

在閥口處通流截面小、流速高，根據(jù)伯努利方程該處壓力很低，以致產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象；

液壓泵吸油過程中吸油口的壓力低于大氣壓，如果液壓泵安裝太高，再加上吸油口處過濾器、管道阻力、油液粘度等影響，液壓泵入口處真空度很大，產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。P18例2-3652.7液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象

2.7.2氣穴現(xiàn)象2）氣穴現(xiàn)象的危害液壓系統(tǒng)出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象時，大量氣泡使液流的流動特性變壞，造成流量和壓力不穩(wěn)定；帶有氣泡的液流進入高壓區(qū)時，周圍的高壓使氣泡迅速崩潰，局部產(chǎn)生非常高的溫度和沖擊壓力，引起振動和噪聲。附著在金屬表面的氣泡破滅時，局部產(chǎn)生高溫高壓使金屬表面疲勞，造成表面侵蝕、剝落，甚至出現(xiàn)海綿狀小洞穴，稱為氣蝕，縮短元件的使用壽命，嚴(yán)重時造成故障。3）減少氣穴現(xiàn)象的措施減少閥孔或其他元件通道前后的壓力降，壓力比

p1/p2<3.5。盡量降低液壓泵的吸油高度，采用內(nèi)徑較大的吸油管并少用彎頭，吸油管端的過濾器容量大，以減小管道阻力，對大流量泵采用輔助泵供油。元件聯(lián)接處密封可靠，防止空氣進入。對容易氣蝕的元件如泵的配油盤等，采用抗腐蝕能力強的金屬，增強元件的機械強度。66第3章液壓泵液壓泵概述齒輪泵葉片泵柱塞泵3.13.23.33.4其他液壓泵簡介3.5液壓泵的選用3.667液壓泵是液壓系統(tǒng)的動力源，是將原動機輸入的旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)化為液壓油的壓力能輸出的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。液壓泵性能的優(yōu)劣直接影響到液壓系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性，因此在整體的液壓設(shè)備中占有極其重要的地位。應(yīng)達成的能力要求：掌握容積式液壓泵的工作原理、基本分類及符號掌握液壓泵壓力、流量、功率、效率等參數(shù)的概念掌握常見液壓泵的結(jié)構(gòu)與工作原理了解液壓泵的應(yīng)用及其選用原則3.1

液壓泵概述68

泵是一種廣泛應(yīng)用于流體介質(zhì)傳輸?shù)耐ㄓ眯蜋C械，按照基本的工作原理可分為容積式和速度式兩大類。容積式泵

利用泵內(nèi)密封容積的變化實現(xiàn)介質(zhì)輸送。特點：輸出壓力高，但流量相對較小，甚至不連續(xù)。應(yīng)用：各類液壓泵、空壓機等速度式泵

利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將介質(zhì)吸入，并形成一定的壓力向外輸出。特點：輸出流量大且連續(xù)，但介質(zhì)壓力相對較低。應(yīng)用：離心泵、軸流泵等3.1.1

容積式液壓泵的工作原理69

液壓泵均為容積式泵，是依據(jù)密封容積變化的原理進行工作的。單柱塞式液壓泵1-偏心輪

2-柱塞

3-泵體

4-彈簧5-壓油閥

6-吸油閥m-密封工作容積O1-偏心輪圓心O2-偏心輪回轉(zhuǎn)中心

偏心輪轉(zhuǎn)動時，泵內(nèi)密封容積m發(fā)生周期性變化3.1.1

容積式液壓泵的工作原理70容積式液壓泵的吸油過程：起止條件：

偏心輪圓心從其回轉(zhuǎn)中心的左側(cè)水平位置轉(zhuǎn)動至右側(cè)水平位置的半周。工作原理：柱塞右移→密封容積增大

→泵內(nèi)局部真空→油箱內(nèi)油液經(jīng)吸油閥吸入泵內(nèi)。3.1.1

容積式液壓泵的工作原理71容積式液壓泵的排油過程：起止條件：

偏心輪圓心從其回轉(zhuǎn)中心的右側(cè)水平位置轉(zhuǎn)動至左側(cè)水平位置的半周。工作原理：柱塞左移→密封容積減小

→泵內(nèi)油液受到壓縮而使壓力升高→油液經(jīng)壓油閥向系統(tǒng)輸出。3.1.1

容積式液壓泵的工作原理72容積式液壓泵的工作特點：(1)需具備若干個容積可周期性變化的密封工作腔，液壓泵輸出流量的大小理論上僅取決于密封腔容積隨時間的變化率。(2)油箱內(nèi)油液的絕對壓力必須恒等于或大于大氣壓力→油箱通大氣或采用密閉充壓油箱(3)必須具有一定的配流機構(gòu)，以有效的將吸油口和壓油口分隔開。原理演示3.1.2

液壓泵的分類73進、出口是否可互換流量是否可調(diào)雙向泵單向泵變量泵定量泵按結(jié)構(gòu)形式齒輪泵葉片泵柱塞泵螺桿泵凸輪轉(zhuǎn)子泵3.1.3

液壓泵的圖形符號74單向定量單向變量雙向定量雙向變量

大多數(shù)液壓泵吸油口的口徑要大于壓油口，從而為非對稱結(jié)構(gòu)，因此都屬于單向泵，這也對泵的轉(zhuǎn)向有了唯一性的要求。3.1.4

液壓泵的主要性能參數(shù)751)壓力(均以相對壓力計量)(1)工作壓力

p：液壓泵實際工作時的輸出壓力

☆確切定義應(yīng)為泵從進口到出口的壓力升高值☆泵的工作壓力受外負載影響而非是恒定的(2)額定壓力

pn：正常工作條件下，按試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的液壓泵連續(xù)運轉(zhuǎn)的最高壓力

☆應(yīng)使泵的工作壓力盡可能接近額定壓力(3)最高允許壓力

pmax：正常在超過額定壓力的條件下，根據(jù)試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，允許液壓泵短暫運行的最高壓力值3.1.4

液壓泵的主要性能參數(shù)761)壓力(均以相對壓力計量)(4)吸入壓力：液壓泵工作時其進口處的壓力

☆自吸泵的吸入壓力為負值液壓傳動系統(tǒng)的壓力等級壓力等級低壓中壓中高壓高壓超高壓壓力(MPa)≤2.5>2.5～8>8～16>16～32>323.1.4

液壓泵的主要性能參數(shù)772)轉(zhuǎn)速(單位：r/min，r/s)(1)額定轉(zhuǎn)速

nn：額定壓力下，液壓泵能連續(xù)長時間正常運轉(zhuǎn)的最高轉(zhuǎn)速。(2)最高轉(zhuǎn)速

nmax：額定壓力下，液壓泵超過額定轉(zhuǎn)速時允許短暫運行的最高轉(zhuǎn)速。(3)最低轉(zhuǎn)速

nmin：液壓泵正常運轉(zhuǎn)所允許的最低轉(zhuǎn)速。(3)轉(zhuǎn)速范圍：液壓泵最低和最高轉(zhuǎn)速之間的范圍。液壓泵的轉(zhuǎn)速是依據(jù)其吸油能力來確定的，既要保證足夠的真空度和容積效率，又要防止產(chǎn)生空穴現(xiàn)象。3.1.4

液壓泵的主要性能參數(shù)783)排量和流量(1)排量

V：液壓泵轉(zhuǎn)動一周，根據(jù)其密封容積的幾何尺寸變化計算而得的泵排出油液的體積。法定計量單位：m3/r;常用單位：mL/r(2)理論流量

qt：在不考慮油液泄漏的條件下，液壓泵單位時間內(nèi)所排出油液的體積。法定計量單位：m3/s;常用單位：L/min液壓泵的理論流量僅取決于密封容積的變化率：qt＝V·n3.1.4

液壓泵的主要性能參數(shù)793)排量和流量(3)實際流量

q：液壓泵在某一工況下，單位時間內(nèi)實際排出的油液體積。q＝qt－?q(?q:液壓泵的泄漏量)泄漏量為零時，泵的實際流量即為其理論流量。(4)額定流量

qn：液壓泵按試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件(在額定壓力和額定轉(zhuǎn)速下)連續(xù)運行所必須保證的流量。

若非特別注明，液壓泵的流量均是指其平均流量(以一轉(zhuǎn)為周期)而非瞬時流量。3.1.4

液壓泵的主要性能參數(shù)804)功率(1)輸入功率

Pi：液壓泵驅(qū)動軸提供的旋轉(zhuǎn)機械能的功率(法定計量單位：W)理論值：Pit＝T

t·ω;實際值：Pi＝T·ωT

t

－理論輸入轉(zhuǎn)矩(N·m);

T

－實際輸入轉(zhuǎn)矩;

ω－驅(qū)動軸角速度(rad/s)

→

ω=2π·n

或ω=2π·n/60n－驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速(計量單位：r/s，r/min)3.1.4

液壓泵的主要性能參數(shù)814)功率(1)輸出功率

Po：液壓泵輸出的油液所具有的壓力能功率(法定計量單位：W)理論值：Pot＝?p·q

t

;實際值：Po＝?p·q?p－液壓泵進口到出口的壓升(Pa);q

t－理論流量(m3/s);q－實際流量根據(jù)能量守恒的規(guī)律Pit＝Pot

→

T

t·ω＝?p·q

t3.1.4

液壓泵的主要性能參數(shù)824)能量損失與效率☆機械損失液壓泵在輸入端，即機械能一側(cè)的功率損失，主要表現(xiàn)為由于摩擦引起的輸入轉(zhuǎn)矩的損失。

T

t<T

→Pit<Pi☆容積損失液壓泵在輸出端，即壓力能一側(cè)的功率損失，主要表現(xiàn)為由于泄漏和油液體積壓縮所引起的輸出流量的損失。

q

t>q

→Pot>Po液壓泵總的功率損失為容積損失和機械損失之和。3.1.4

液壓泵的主要性能參數(shù)834)能量損失與效率(1)機械效率ηm

:液壓泵理論輸入轉(zhuǎn)矩和實際輸入轉(zhuǎn)矩之比，亦即是其輸入功率的理論值和實際值之比。(2)容積效率ηV

:液壓泵實際流量和理論流量之比，亦即是其輸出功率的實際值和理論值之比。液壓泵的效率并不恒定，而是由其工況所決定。3.1.4

液壓泵的主要性能參數(shù)844)能量損失與效率(3)總效率η

:液壓泵輸出功率與輸入功率的實際值之比，亦即是其容積效率和機械效率之積。液壓泵的輸入功率和輸出功率的理論值相等

總效率是反映液壓泵性能的綜合性指標(biāo)，其值與泵的類型以及工況條件有關(guān)。3.1.4

液壓泵的性能曲線液壓泵的性能曲線在一定介質(zhì)、轉(zhuǎn)速和溫度下，通過試驗得到的液壓泵的工作壓力p與其容積效率ηV(或?qū)嶋H流量q)、總效率η以及輸入功率Pi之間的關(guān)系曲線。液壓泵的容積效率隨工作壓力的升高而降低，工作壓力為零時則容積效率為100%；總效率隨工作壓力的變化不唯一，有一個最高值。853.1.4

液壓泵的性能曲線液壓泵的通用特性曲線針對工作轉(zhuǎn)速可在一定范圍內(nèi)變化或排量可變的液壓泵，揭示其在整個工作范圍內(nèi)的各項性能。Pi1、Pi2、Pi3－等功率曲線η1、η2、η3－等效率曲線863.2

齒輪泵87齒輪泵外嚙合齒輪泵內(nèi)嚙合齒輪泵定量泵特點：結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，環(huán)境適應(yīng)能力強；但流量及壓力脈動較大，泄漏量大，承壓能力差，工作壽命相對較低。3.2.1

外嚙合齒輪泵的結(jié)構(gòu)與工作原理88外嚙合齒輪泵內(nèi)部是由一對幾何參數(shù)相同并處于外嚙合狀態(tài)的齒輪組成，其中一個為主動齒輪，另一個為從動齒輪。1-主動齒輪；2-從動齒輪；3-驅(qū)動主軸；4-從動軸；5-后端蓋；6-泵體；7-前端蓋；8-密封座；9-密封圈；10-軸承；11-油口3.2.1

外嚙合齒輪泵的結(jié)構(gòu)與工作原理89兩嚙合齒輪與泵體內(nèi)壁及前、后端蓋(垂直于頁面方向)形成了一系列的密封工作腔。吸油過程：

右側(cè)輪齒脫離嚙合,該側(cè)輪齒與泵體內(nèi)壁所形成的密封容積增大，油液經(jīng)右側(cè)通油口吸入泵內(nèi)。壓油過程：

右側(cè)輪齒脫離嚙合,該側(cè)輪齒與泵體內(nèi)壁所形成的密封容積增大，油液經(jīng)右側(cè)通油口吸入泵內(nèi)。3.2.1

外嚙合齒輪泵的結(jié)構(gòu)與工作原理90外嚙合齒輪泵的工