1、1第一章 緒 論第一節 液壓與氣壓傳動的工作原理及工作特征是以流體作為工作介質進行能量傳遞和控制的一種傳動形式。（元件組成功能不同的回路 回路組成功能不同的系統）2、工作原理以液壓千斤頂來簡述液壓傳動的工作原理1、定義 小液壓缸3與單向閥1、7一起完成吸油與排油，將杠桿的機械能轉換為油液的壓力能輸出；大液壓缸5將油液的壓力能轉換為機械能輸出，抬起重物。 圖1.1 液壓千斤頂工作原理1-進油單向閥；2-小活塞；3-小缸體；4-手動杠桿；5-大缸體；6-大活塞；7-排油單向閥；8-截止閥；9-油箱23、液壓傳動的工作特性 1）力的傳遞遵循帕斯卡原理 何謂帕斯卡原理？ 在密閉容器內，施加于靜止液體的

2、壓力可以等值地傳遞到液體各點。也稱為靜壓傳遞原理。 p2=F2/A2 F1=p1A1=p2A1=pA1 （p1 =p2 =p ） 液壓傳動系統的工作壓力取決于外負載。 2）運動的傳遞遵照容積變化相等的原則 s1A1=s2A2 （s為位移，兩邊再除以運動時間t后） q1=v1A1=v2A2=q2 液壓傳動系統中執行元件的運動速度取決于流量。 與外負載相對應的流體參數是流體壓力，與運動速度相對應的流體參數是流體流量。因此，壓力和流量是液壓與氣壓傳動中的兩個最基本的參數。34、氣壓傳動的工作原理 氣壓傳動與液壓傳動的基本工作原理是相似的，它是利用空氣壓縮機將電動機、內燃機或其它原動機輸出的機械能轉變

3、為空氣的壓力能，然后在控制元件的控制及輔助元件的配合下，利用執行元件把空氣的壓力能轉變為機械能，從而完成直線或回轉運動并對外作功。 下面以剪切機的工作過程來說明其工作原理。下圖1.2所示是剪切機剪切前的工況。當工料11由上料裝置（圖中未畫）送入剪切機的規定位置時，將行程閥8頂開，換向閥9的下腔通過行程閥8與大氣相通，使換向閥9的閥芯在彈簧力的作用下向下移動。由空氣壓縮機1產生的壓縮空氣，經過初次凈化處理后儲藏在儲氣罐4中，經過分水濾氣器5、減壓閥6和油霧器7和換向閥9，進入汽缸10的下腔。汽缸10上腔的壓縮空氣通過換向閥9排入大氣。此時，汽缸活塞在氣壓力的作用下向上運動，帶動剪刀將工料11剪斷

4、。工料剪下后，馬上與行程閥8脫開，行程閥復位，閥芯將排氣通道堵死，換向閥9下腔的氣壓升高，迫使換向閥9的閥芯上移，氣路換向。壓縮空氣進入汽缸10的上腔，汽缸10的下腔排氣，汽缸活塞下移，帶動剪刀復位，準備第二次下料。圖1.2 氣動剪切機工作原理圖1-空氣壓縮機；2-冷卻器；3-油水分離器；4-儲氣罐；5-分水濾氣器；6-減壓閥；7-油霧器；8-行程閥；9-換向閥；10-氣缸；11-工料5第二節 液壓與氣壓傳動系統的組成和圖形符號一、液壓與氣壓系統的組成動力元件將機械能轉換為流體壓力能的裝置。液壓泵 或空氣壓縮機。 執行元件將流體的壓力能轉換為機械能的元件。液壓 缸或氣缸、液壓馬達或氣馬達。控制

5、元件控制系統壓力、流量、方 向的元件以及進行 信號轉換、邏輯運算和放大等功能的信號控 制元件。如溢流閥、節流閥、方向閥等。輔助元件保證系統正常工作除上述三種元件外的裝置。如油箱、過濾器、蓄能器、油霧器、消聲器、 管件等。工作介質傳遞能量和信號。液壓油、壓縮空氣。 圖1.3 機床工作臺液壓傳動系統1-油箱；2-過濾器；3-液壓泵；4-溢流閥；5-節流閥；6-換向閥；7-液壓缸；8-工作臺6二、液壓與氣壓系統的圖形符號 為簡化液壓與氣壓系統原理圖的繪制，我國制訂了一套液壓與氣壓傳動的圖形符號（GB/T786.11993）。將各液壓與氣壓元件用相應的符號表示。這些符號只表示相應元件的靜止位置或零位置

6、，稱為圖形符號（或職能符號）。詳見附錄圖1.4 機床工作臺液壓傳動系統工作原理圖1-油箱；2-過濾器；3-液壓泵；4-溢流閥；5-節流閥；6-換向閥；7-液壓缸；8-工作臺7第三節 液壓與氣壓傳動的特點 優點： 1、布置方便靈活。 2、無級調速，調速范圍可達2000：1。 3、傳動平穩，易于實現快速啟動、制動和頻繁換向。 4、操作控制方便，易于實現自動控制、中遠距離控制和過載保護。 5、標準化、系列化、通用化程度高，有利于縮短設計周期、制造周 期和降低成本。 6、同等輸出功率下具有體積小、質量小、運動慣性小、動態性能好 的特點。 缺點： 1、傳動效率不高。 2、可壓縮性及泄露造成不能嚴格定比傳

7、動。 3、對溫度比較敏感，不能在高溫下工作。 4、元件制造精度高、維護要求較高。8第四節 液壓與氣壓傳動的應用及發展應用： 液壓與氣動技術應用在機床、工程機械、冶金機械、塑料機械、農林機械、汽車、船舶、航天航空等國民經濟各行各業，是自動化技術不可缺少的手段。(如：火炮跟蹤、飛機和導彈的飛行、炮塔穩定、海底石油探測平臺固定、煤礦礦井支承、礦山用的風鉆、火車的剎車裝置、液壓裝載、起重、挖掘機、軋鋼機組、數控機床、多工位組合機床、全自動液壓車床、液壓機械手等。) 發展趨勢： 元件小型化、系統集成化、機電液（氣）一體化是液壓與氣動技術的必然發展趨勢；元件與系統的CAD/CAT(計算機輔助試驗）與計算機

8、實時控制是當前的發展方向。9 1、液壓與氣壓傳動的定義 2、液壓與氣壓傳動工作原理與工作特征 3、液壓與氣壓傳動系統的組成及其作用，液壓與氣壓元件的圖形符號本章小結10第一節 液壓油一、液壓油的性質密度 =m/V 一般認為液壓油的密度為900kg/m3可壓縮性 k=-1/p V/V 對于一般液壓系統，可認為油液是不可壓縮的。 粘性 粘性是液體流動時分子之間產生的一種內摩擦力 。它是液體的重要物理特性，也是液壓用油的依據。粘性的大小用粘度表示，其類型有用動力粘度，運動粘度，相對粘度。圖2.1 液體黏性示意圖11動力粘度 表征液體粘性的內摩擦系數物理意義：當速度梯度等于1時，接觸液體液層間單位面積

9、上的內摩擦力。 即為動力粘度又稱絕對粘度。運動粘度沒有明確的物理意義,但是工程實際中常用的物理量。相對粘度又稱條件粘度，它是采用特定的粘度計在規定的條件下測出來的液體粘度。我國采用恩氏粘度（E）。恩氏粘度與運動粘度的換算關系12調和油的粘度把兩種不同粘度的油液混合起來使用，稱為調和油。粘度和溫度的關系粘度隨著溫度升高而顯著下降（粘溫特性）。粘度和壓力的關系粘度隨壓力升高而變大（粘壓特性）。13二、對液壓油液的要求和分類1、對液壓油液的要求 粘溫特性好； 有良好的潤滑性； 成分要純凈； 有良好的化學穩定性； 抗泡沫性和抗乳化性好； 材料相容性好； 無毒，價格便宜2、液壓油液分類 礦物性液壓油：按

10、照ISO規定，采用40時油液的運動粘度（mm2/s)作為油液粘度牌號，共分為10、15、22、32、46、68、100、150等8個等級。難燃液壓油液：包括含水型（高水機液、油包水乳化液等）和無水型（無水型合成液）兩大類。14三、液壓油液的選用 選用液壓油液首先考慮的是粘度 具體選用時要根據具體情況或系統的要求，一般應考慮以下幾個方面： 液壓系統的工作壓力 壓力高，要選擇粘度較大的液壓油液。 環境溫度 溫度高，選用粘度較大的液壓油液 運動速度 速度高，選用粘度較低的液壓油液 液壓泵的類型 各類泵適用的粘度范圍見書中表23。四、液壓油的污染及控制1、污染物的種類及危害2、液壓油污染原因3、控制液

11、壓油污染的措施15 液壓流體力學是研究液體平衡和運動的力學規律的一門學科。液體靜力學 研究液體在靜止狀態下的力學規律及其應用液體動力學 研究液體流動時流速和壓力的變化規律管道中液流的特性 用于計算液體在管路中流動時的壓力損失孔口及縫隙的壓力流量特性 是分析節流調速回路性能和計算 元件泄漏量的理論依據 液壓沖擊和氣穴現象液壓流體力學概 述16第二節 液體靜力學基礎液體的靜壓力 定義：靜止液體在單位面積上所受的法向力稱為靜壓力。 表達式： （A0） 若在液體的面積A上所受的作用力F為均勻分布時，靜壓力可表示為: 液體靜壓力在物理學上稱為壓強，工程實際應用中習慣稱為壓力。液體靜壓力的特性液體靜壓力垂

12、直于承壓面，方向為該面內法線方向。液體內任一點所受的靜壓力在各個方向上都相等。一、靜壓力及其特性17二、液體靜力學的基本方程靜壓力基本方程式 表達式及其推導：p=p0+gh 重力作用下靜止液體壓力分布特征：1）壓力由兩部分組成：液面壓力p0，自重形成的壓力gh。2）液體內的壓力與液體深度成正比。3）離液面深度相同處各點的壓力相等，壓力相等的所有點組成等壓面，重力作用下靜止液體的等壓面為水平面。4）靜止液體中任一質點的總能量保持不變，即能量守恒。5）一般外加壓力P0 gh ，因此分析計算時可忽略 gh 項18壓力的表示法及單位 絕對壓力 以絕對真空為基準進行度量 相對壓力或表壓力 以大氣壓為基準

13、進行度量（P-P0） 真空度 絕對壓力不足于大氣壓力的那部分壓力值。此時相對壓力為負值，又稱負壓。 法定單位 帕 Pa ( N / m2) 圖2.2 絕對壓力、相對壓力和真空度的相對關系19靜壓力基本方程式的應用 例題：如下圖2.3所示，容器內充滿油液。已知油的密度=900kg/m3，活塞上的作用力F=1000N，活塞面積A=1x10-3m2，忽略活塞的質量。問活塞下方深度為h=0.5m處的靜壓力等于多少？活塞與油液接觸面上的壓力則深度為h處的液體壓力為解：根據公式圖2.3 例題圖20三、壓力的傳遞 在密閉容器內，施加于靜止液體的壓力可以等值地傳遞到液體各點，這就是帕斯卡原理。也稱為靜壓傳遞原

14、理。 圖2.4所示是應用帕斯卡原理的實例 作用在大活塞上的負載F1形成液體壓力 p= F1/A1 為防止大活塞下降，在小活塞上應施加的力 F2= pA2= F1A2/A1 由此可得：液壓傳動可使力放大，可使力縮小，也可以改變力的方向。（千斤頂放大力）液體內的壓力是由負載決定的。圖2.4 帕斯卡原理實例圖21四、靜壓力對固體壁面的作用力 液體和固體壁面接觸時，固體壁面將受到液體靜壓力的作用 1）當固體壁面為平面時，液體壓力在該平面的總作用力 F = p A ，方向垂直于該平面。 2）當固體壁面為曲面時，液體壓力在曲面某方向上的總作用力 F = p Ax ， Ax 為曲面在該方向的投影面積（適用于

15、任何曲面）。22第三節 液體動力學方程 主要是研究液體流動時流速和壓力的變化規律。流動液體的連續性方程、伯努利方程、動量方程是描述流動液體力學規律的三個基本方程式。前兩個方程反映了液體的壓力、流速與流量之間的關系，動量方程用來解決流動液體與固體壁面間的作用力問題。 基本概念 流量連續性方程 伯努利方程 動量方程23一、基本概念 理想液體 假設的既無粘性又不可壓縮的液體稱為理想液體。（相對為實際液體） 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而變化的流動，亦稱為定常流動或非時變流動。 通流截面 垂直于流動方向的截面，也稱為過流截面。 流量 單位時間內流過某一通流截面的液體

16、體積，流量以q表示，單位為 m3 / s 或 L/min。 平均流速 實際流體流動時，速度的分布規律很復雜。假設通流截面上各點的流速均勻分布，平均流速為v=q/A。圖2.5 恒定流動和非恒定流動24二、流量連續性方程流量連續性方程是質量守恒定律在流體力學中的表達方式。 液體在管內作恒定流動，任取1、2兩個通流截面，根據質量守恒定律，在單位時間內流過兩個截面的液體流量相等，即： 1v1 A1 = 2v2 A2 不考慮液體的壓縮性（ 1=2）則得 q = v A = 常量 流量連續性方程說明了恒定流動中流過各截面的不可壓縮流體的流量是不變的。因而流速與通流截面的面積成反比。圖2.6 液流連續性方程

17、推導用圖25三、伯努利方程 伯努利方程 是能量守恒定律在流體力學中的表達方式。 液體在管內作恒定流動，任取兩個截面1、2有：1、理想流體的伯努利方程（由靜壓方程擴展） p1 /g + Z1 + v12 / 2g = p2 /g + Z2 + v22 / 2g另一種形式： p1 / + Z1 g + v12 / 2 = p2 / + Z2 g + v22 / 2在管內作穩定流動的理想流體具有壓力能，勢能（位能）和動能三種形式的能量，它們可以互相轉換，但其總和不變，即能量守恒。圖2.7 伯努利方程推導用圖262、實際流體的伯努利方程 （按1 2的流向）實際流體存在粘性，流動時存在能量損失，hw 為

18、單位質量液體在兩截面之間流動的能量損失。用平均流速替代實際流速，為動能修正系數。 p1/g + Z1+1v12/ 2g = p2 /g+ Z2+2 v22/ 2g + hw27 如圖示簡易熱水器，左端接冷水管，右端接淋浴蓮蓬頭。已知A1=A2/4和A1、h值，問冷水管內流量達到多少時才能抽吸熱水？3、伯努利方程應用舉例解：沿冷水流動方向列A1、A2截面的伯努利方程 p1/g + v12/2g = p2/g + v22/2g（ A1、A2在同一平面）補充輔助方程 p1 = pagh p2=pa v1A1=v2A2代入得 h+v12/2g = (v1/4)2/2g v1 = (32gh/15)1/

19、2 q = v1A1= (32gh/15)1/2 A1圖2.8 簡易熱水器接水圖28四、動量方程 動量方程是動量定理在流體力學中的具體應用，用來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。F = （m u）/t = q（u2 - u1） 作用在液體控制體積上的外力總和等于單位時間內流出控制表面與流入控制表面的液體的動量之差。應用動量方程注意：F、u是矢量；流動液體作用在固體壁面上的力與作用在液體上的力大小相等、方向相反。（此作用力又稱穩態液動力，簡稱液動力。）動量方程的應用 計算液流通過閥口時對閥芯的軸向力大小 例題：P23 例2-229第四節 液體流動時的壓力損失 由于流動液體具有粘

20、性，以及流動時突然轉彎或通過閥口會產生撞擊和旋渦，因此液體流動時必然會產生阻力。為了克服阻力，流動液體會損耗一部分能量，這種能量損失可用液體的壓力損失來表示。壓力損失即是伯努利方程中的hw項。 壓力損失由沿程壓力損失和局部壓力損失兩部分組成。 液流在管道中流動時的壓力損失和液流運動狀態有關。流態、雷諾數沿程壓力損失局部壓力損失30一、流態與雷諾數圖2.9 雷諾實驗裝置31通過實驗發現液體在管道中流動時存在兩種流動狀態。層流粘性力起主導作用紊流慣性力起主導作用液體的流動狀態用雷諾數來判斷。雷諾數Re = v d / (慣性力和粘性力之比）v 為管內的平均流速d 為管道內徑為液體的運動粘度對于非圓

21、管Re = v 4R/ ，式中水力半徑R=A/x（A為有效截面，X為濕周）雷諾數為無量綱數。 如果液流的雷諾數相同，它的流動狀態亦相同。一般以液體由紊流轉變為層流的雷諾數作為判斷液體流態的依據，稱為臨界雷諾數，記為Recr。 當ReRecr，為層流；當ReRecr，為紊流。常見液流管道的臨界雷諾數 可以查有關表格32二、管道流動的沿程壓力損失 液體在等直徑管中流動時因摩擦而產生的損失，稱為沿程壓力損失。因液體的流動狀態不同沿程壓力損失的計算有所區別。層流時的沿程壓力損失 ：通流截面上的流速在半徑方向按拋物線規律分布 。通過管道的流量 q =（d 4/128l ）p管道內的平均流速 v = (d

22、 2/32l )p 沿程壓力損失 p =（64/Re)( l /d ) v 2 /2 =（l /d ）v 2 /2 為沿程阻力系數，實際計算時對金屬管取= 75 / Re。紊流時的沿程壓力損失 ： p =（l /d）v 2 /2除了與雷諾數有關外，還與管道的粗糙度有關。 = f（Re，/ d ），為管壁的絕對粗糙度，/d 為相對粗糙度。33三、管道流動的局部壓力損失液體流經管道的彎頭、接頭、閥口等處時，液體流速的大小和方向發生變化，會產生漩渦并發生紊動現象，由此造成的壓力損失稱為局部壓力損失。p= v 2 / 2為局部阻力系數，具體數值可查有關手冊。液流流過各種閥的局部壓力損失可由閥在額定壓力

23、下的壓力損失ps來換算：p= ps（q / qs ）2整個液壓系統的總壓力損失應為所有沿程壓力損失和所有的局部壓力損失之和。p = p + p34第五節 液體流經小孔或縫隙的流量計算在液壓元件特別是液壓控制閥中，對液流壓力、流量及方向的控制通常是通過特定的孔口來實現的，它們對液流形成阻力，使其產生壓力降，其作用類似電阻，稱其為液阻。“孔口流動”主要介紹孔口的流量公式及液阻特性。薄壁小孔 當長徑比 l / d 0.5 時稱為薄壁小孔，一般孔口邊緣都做成刃口形式。 當液流經過管道由小孔流出時，由于液體慣性作用，使通過小孔后的液流形成一個收縮斷面，然后再擴散，這一收縮和擴散過程產生很大的能量損失。

24、對孔前、孔后通道斷面11、22列伯努利方程，其中的壓力損失包括突然收縮和突然擴大兩項損失。 薄壁小孔液流 35 經整理得到流經薄壁小孔流量 q = CdAo（2p /）1/2 A0小孔截面積；Cd流量系數，Cd=CvCc Cv稱為速度系數 ；Cc稱為截面收縮系數。流量系數Cd的大小一般由實驗確定，在液流完全收縮的情況下，當Re10 5時，可以認為是不變的常數，計算時按Cd=0.60-0.61 選取 薄壁小孔因沿程阻力損失小，q 對油溫變化不敏感，因此多被用作調節流量的節流器。36滑閥閥口滑閥閥口可視為薄壁小孔，流經閥口的流量為 qCdDxv(2p/)1/2式中 Cd流量系數，根據雷諾數查右圖

25、D滑閥閥芯臺肩直徑 xv閥口開度， xv24mm圖2.10 圓柱滑閥閥口37錐閥閥口 錐閥閥口與薄壁小孔類似，流經閥口的流量為 qCddmxvsin(2p/)1/2 式中Cd流量系數，根據雷諾數查右圖 dm閥座孔直徑 xv閥芯抬起高度 閥芯半錐角圖2.11 錐閥閥口38短孔和細長孔當長徑比 0.5 l / d 4 時，稱為短孔。流經短孔的流量 q = CdA0(2p/)1/2Cd 應按曲線查得，雷諾數較大時，Cd基本穩定在0.8 左右。短管常用作固定節流器。當長徑比 l / d 4 時，稱為細長孔。流經細長孔的流量 q =（d 4 / 128l ）p 液流經過細長孔的流量和孔前后壓差成正比，和

26、液體粘度成反比。流量受液體溫度影響較大。39液阻孔口流量通式： m=0.5 或1液阻的定義 孔口前后壓力降與穩態流量的比值為液阻，即在穩態下，它與流量變化所需要的壓差變化成正比。液阻的特性：R與通流面積A成反比，A=0，R為無限大；A足夠大時，R0。p一定，調節A，可以改變R，從而調節流經孔口的流量。A一定，改變q， p 隨之改變，這種液阻的阻力特性用于壓力控制閥的內部控制。多個孔口串聯或并聯，總液阻類似電阻的計算。401、平板縫隙 兩平行平板縫隙間充滿液體時，壓差作用會使液體產生流動（壓差流動）；兩平板相對運動也會使液體產生流動（剪切流動）。通過平板縫隙的流量在壓差作用下，流量q 與 縫隙值

27、h 的三次方成正比，這說明液壓元件內縫隙的大小對泄漏量的影響非常大。縫隙（間隙）流動圖2.12 平行平板縫隙間的液流41 通過同心圓柱環形縫隙的流量公式： 當圓柱體移動方向和壓差方向相同時取正號，方向相反時取負號。圖2.13 同心環形縫隙流動2、圓柱環形縫隙 相對運動的圓柱體與孔之間的間隙為圓柱環形間隙。根據兩者是否同心又分為同心圓柱環形間隙和偏心環形間隙。通過其間的流量也包括壓差流動流量和剪切流動流量。設圓柱體直徑為d，縫隙值為h，縫隙長度為 l 。42設內外圓的偏心量為 e，流經偏心圓柱環形縫隙的流量公式： 式中 ho為內外圓同心時半徑方向的縫隙值 為相對偏心率， e / ho 當偏心量e

28、 = ho， 即1 時（最大偏心狀態），其通過的流量是同心環形間隙流量的2.5 倍。 因此在液壓元件中應盡量使配合零件同心。圖2.14 偏心環形縫隙流動433、圓錐環形縫隙 當柱塞或柱塞孔，閥芯或閥體孔帶有一定錐度時，兩相對運動零件之間的間隙為圓錐環形間隙，間隙大小沿軸線方向變化。 閥芯大端為高壓，液流由大端流向小端，稱為倒錐，閥芯小端為高壓，液流由小端流向大端，稱為順錐。 閥芯存在錐度不僅影響流經間隙的流量，而且影響縫隙中的壓力分布。 如果閥芯在閥體孔內出現偏心，作用在閥芯一側的壓力將大于另一側的壓力，使閥芯受到一個液壓側向力的作用。圓錐環形縫隙流量公式：圖2.15 環形圓錐縫隙流動44液壓

29、卡緊現象 倒錐的液壓側向力使偏心距加大，當液壓側向力足夠大時，閥芯將緊貼孔的壁面，產生所謂液壓卡緊現象；而順錐的液壓側向力則力圖使偏心距減小，不會出現液壓卡緊現象。 為減少液壓側向力，一般在閥芯或柱塞的圓柱面開徑向均壓槽，使槽內液體壓力在圓周方向處處相等，槽深和寬為0.31.0mm。45第六節 液壓沖擊與空穴現象液壓沖擊因某些原因液體壓力在一瞬間會突然升高，產生很高的壓力峰值 ，這種現象稱為液壓沖擊。瞬間壓力沖擊不僅引起振動和噪聲，而且會損壞密封裝置、管道、元件，造成設備事故。液壓沖擊的類型 管道閥門突然關閉時的液壓沖擊運動部件制動時產生的液壓沖擊一、液壓沖擊減少液壓沖擊的措施延長閥門關閉和運

30、動部件制動換向的時間。限制管道流速及運動部件的速度。適當增大管徑，以減小沖擊波的傳播速度。盡量縮短管道長度，減小壓力波的傳播時間。用橡膠軟管或設置蓄能器吸收沖擊的能量。46減少液壓沖擊的措施：延長閥門關閉和運動部件制動換向的時間。限制管道流速及運動部件的速度。適當增大管徑，以減小沖擊波的傳播速度。盡量縮短管道長度，減小壓力波的傳播時間。用橡膠軟管或設置蓄能器吸收沖擊的能量。47 空穴現象液壓系統中，某點壓力低于液壓油液所在溫度下的空氣分離壓時，原先溶于液體中的空氣會分離出來，使液體產生大量的氣泡，這種現象稱為空穴現象。當壓力進一步減小低于液體的飽和蒸汽壓時，液體將迅速汽化，產生大量蒸汽氣泡使氣

31、穴現象更加嚴重。氣穴現象多發生在閥口和泵的吸油口。 空穴現象的危害 大量氣泡使液流的流動特性變壞，造成流量和壓力不穩定；氣泡進入高壓區，高壓會使氣泡迅速崩潰，使局部產生非常高的溫度和沖擊壓力，引起振動和噪聲；當附著在金屬表面的氣泡破滅時，局部產生的高溫和高壓會使金屬表面疲勞，時間一長會造成金屬表面的侵蝕、剝落，甚至出現海綿狀的小洞穴，這種氣蝕作用會縮短元件的使用壽命，嚴重時會造成故障。二、空穴現象48減少空穴現象的措施 1、減小閥孔前后的壓力降，一般使壓力比p1/p23.5。 2、盡量降低泵的吸油高度，減少吸油管道阻力。 3、各元件聯接處要密封可靠，防止空氣進入。 4、增強容易產生氣蝕的元件的

32、機械強度。49本章小結1、黏性、理想液體、實際液體、帕斯卡原理等基本概念與理論；2、靜壓力基本方程及其應用；3、流量連續性方程、伯努利方程、動量方程及它們的應用;4、液體的流態及其判斷，掌握液體流動時的損失分析與計算；5、液態流體的各種流動特征；6、液壓沖擊與空穴產生的原因、危害及預防措施50第一節 液壓油一、液壓油的性質密度 =m/V 一般認為液壓油的密度為900kg/m3可壓縮性 k=-1/p V/V 對于一般液壓系統，可認為油液是不可壓縮的。 粘性 粘性是液體流動時分子之間產生的一種內摩擦力 。它是液體的重要物理特性，也是液壓用油的依據。粘性的大小用粘度表示，其類型有用動力粘度，運動粘度

33、，相對粘度。圖2.1 液體黏性示意圖51動力粘度 表征液體粘性的內摩擦系數物理意義：當速度梯度等于1時，接觸液體液層間單位面積上的內摩擦力。 即為動力粘度又稱絕對粘度。運動粘度沒有明確的物理意義,但是工程實際中常用的物理量。相對粘度又稱條件粘度，它是采用特定的粘度計在規定的條件下測出來的液體粘度。我國采用恩氏粘度（E）。恩氏粘度與運動粘度的換算關系52調和油的粘度把兩種不同粘度的油液混合起來使用，稱為調和油。粘度和溫度的關系粘度隨著溫度升高而顯著下降（粘溫特性）。粘度和壓力的關系粘度隨壓力升高而變大（粘壓特性）。53二、對液壓油液的要求和分類1、對液壓油液的要求 粘溫特性好； 有良好的潤滑性；

34、 成分要純凈； 有良好的化學穩定性； 抗泡沫性和抗乳化性好； 材料相容性好； 無毒，價格便宜2、液壓油液分類 礦物性液壓油：按照ISO規定，采用40時油液的運動粘度（mm2/s)作為油液粘度牌號，共分為10、15、22、32、46、68、100、150等8個等級。難燃液壓油液：包括含水型（高水機液、油包水乳化液等）和無水型（無水型合成液）兩大類。54三、液壓油液的選用 選用液壓油液首先考慮的是粘度 具體選用時要根據具體情況或系統的要求，一般應考慮以下幾個方面： 液壓系統的工作壓力 壓力高，要選擇粘度較大的液壓油液。 環境溫度 溫度高，選用粘度較大的液壓油液 運動速度 速度高，選用粘度較低的液壓

35、油液 液壓泵的類型 各類泵適用的粘度范圍見書中表23。四、液壓油的污染及控制1、污染物的種類及危害2、液壓油污染原因3、控制液壓油污染的措施55 液壓流體力學是研究液體平衡和運動的力學規律的一門學科。液體靜力學 研究液體在靜止狀態下的力學規律及其應用液體動力學 研究液體流動時流速和壓力的變化規律管道中液流的特性 用于計算液體在管路中流動時的壓力損失孔口及縫隙的壓力流量特性 是分析節流調速回路性能和計算 元件泄漏量的理論依據 液壓沖擊和氣穴現象液壓流體力學概 述56第二節 液體靜力學基礎液體的靜壓力 定義：靜止液體在單位面積上所受的法向力稱為靜壓力。 表達式： （A0） 若在液體的面積A上所受的

36、作用力F為均勻分布時，靜壓力可表示為: 液體靜壓力在物理學上稱為壓強，工程實際應用中習慣稱為壓力。液體靜壓力的特性液體靜壓力垂直于承壓面，方向為該面內法線方向。液體內任一點所受的靜壓力在各個方向上都相等。一、靜壓力及其特性57二、液體靜力學的基本方程靜壓力基本方程式 表達式及其推導：p=p0+gh 重力作用下靜止液體壓力分布特征：1）壓力由兩部分組成：液面壓力p0，自重形成的壓力gh。2）液體內的壓力與液體深度成正比。3）離液面深度相同處各點的壓力相等，壓力相等的所有點組成等壓面，重力作用下靜止液體的等壓面為水平面。4）靜止液體中任一質點的總能量保持不變，即能量守恒。5）一般外加壓力P0 gh

37、 ，因此分析計算時可忽略 gh 項58壓力的表示法及單位 絕對壓力 以絕對真空為基準進行度量 相對壓力或表壓力 以大氣壓為基準進行度量（P-P0） 真空度 絕對壓力不足于大氣壓力的那部分壓力值。此時相對壓力為負值，又稱負壓。 法定單位 帕 Pa ( N / m2) 圖2.2 絕對壓力、相對壓力和真空度的相對關系59靜壓力基本方程式的應用 例題：如下圖2.3所示，容器內充滿油液。已知油的密度=900kg/m3，活塞上的作用力F=1000N，活塞面積A=1x10-3m2，忽略活塞的質量。問活塞下方深度為h=0.5m處的靜壓力等于多少？活塞與油液接觸面上的壓力則深度為h處的液體壓力為解：根據公式圖2

38、.3 例題圖60三、壓力的傳遞 在密閉容器內，施加于靜止液體的壓力可以等值地傳遞到液體各點，這就是帕斯卡原理。也稱為靜壓傳遞原理。 圖2.4所示是應用帕斯卡原理的實例 作用在大活塞上的負載F1形成液體壓力 p= F1/A1 為防止大活塞下降，在小活塞上應施加的力 F2= pA2= F1A2/A1 由此可得：液壓傳動可使力放大，可使力縮小，也可以改變力的方向。（千斤頂放大力）液體內的壓力是由負載決定的。圖2.4 帕斯卡原理實例圖61四、靜壓力對固體壁面的作用力 液體和固體壁面接觸時，固體壁面將受到液體靜壓力的作用 1）當固體壁面為平面時，液體壓力在該平面的總作用力 F = p A ，方向垂直于該

39、平面。 2）當固體壁面為曲面時，液體壓力在曲面某方向上的總作用力 F = p Ax ， Ax 為曲面在該方向的投影面積（適用于任何曲面）。62第三節 液體動力學方程 主要是研究液體流動時流速和壓力的變化規律。流動液體的連續性方程、伯努利方程、動量方程是描述流動液體力學規律的三個基本方程式。前兩個方程反映了液體的壓力、流速與流量之間的關系，動量方程用來解決流動液體與固體壁面間的作用力問題。 基本概念 流量連續性方程 伯努利方程 動量方程63一、基本概念 理想液體 假設的既無粘性又不可壓縮的液體稱為理想液體。（相對為實際液體） 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而變化

40、的流動，亦稱為定常流動或非時變流動。 通流截面 垂直于流動方向的截面，也稱為過流截面。 流量 單位時間內流過某一通流截面的液體體積，流量以q表示，單位為 m3 / s 或 L/min。 平均流速 實際流體流動時，速度的分布規律很復雜。假設通流截面上各點的流速均勻分布，平均流速為v=q/A。圖2.5 恒定流動和非恒定流動64二、流量連續性方程流量連續性方程是質量守恒定律在流體力學中的表達方式。 液體在管內作恒定流動，任取1、2兩個通流截面，根據質量守恒定律，在單位時間內流過兩個截面的液體流量相等，即： 1v1 A1 = 2v2 A2 不考慮液體的壓縮性（ 1=2）則得 q = v A = 常量

41、流量連續性方程說明了恒定流動中流過各截面的不可壓縮流體的流量是不變的。因而流速與通流截面的面積成反比。圖2.6 液流連續性方程推導用圖65三、伯努利方程 伯努利方程 是能量守恒定律在流體力學中的表達方式。 液體在管內作恒定流動，任取兩個截面1、2有：1、理想流體的伯努利方程（由靜壓方程擴展） p1 /g + Z1 + v12 / 2g = p2 /g + Z2 + v22 / 2g另一種形式： p1 / + Z1 g + v12 / 2 = p2 / + Z2 g + v22 / 2在管內作穩定流動的理想流體具有壓力能，勢能（位能）和動能三種形式的能量，它們可以互相轉換，但其總和不變，即能量守

42、恒。圖2.7 伯努利方程推導用圖662、實際流體的伯努利方程 （按1 2的流向）實際流體存在粘性，流動時存在能量損失，hw 為單位質量液體在兩截面之間流動的能量損失。用平均流速替代實際流速，為動能修正系數。 p1/g + Z1+1v12/ 2g = p2 /g+ Z2+2 v22/ 2g + hw67 如圖示簡易熱水器，左端接冷水管，右端接淋浴蓮蓬頭。已知A1=A2/4和A1、h值，問冷水管內流量達到多少時才能抽吸熱水？3、伯努利方程應用舉例解：沿冷水流動方向列A1、A2截面的伯努利方程 p1/g + v12/2g = p2/g + v22/2g（ A1、A2在同一平面）補充輔助方程 p1 =

43、 pagh p2=pa v1A1=v2A2代入得 h+v12/2g = (v1/4)2/2g v1 = (32gh/15)1/2 q = v1A1= (32gh/15)1/2 A1圖2.8 簡易熱水器接水圖68四、動量方程 動量方程是動量定理在流體力學中的具體應用，用來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。F = （m u）/t = q（u2 - u1） 作用在液體控制體積上的外力總和等于單位時間內流出控制表面與流入控制表面的液體的動量之差。應用動量方程注意：F、u是矢量；流動液體作用在固體壁面上的力與作用在液體上的力大小相等、方向相反。（此作用力又稱穩態液動力，簡稱液動力。）動

44、量方程的應用 計算液流通過閥口時對閥芯的軸向力大小 例題：P23 例2-269第四節 液體流動時的壓力損失 由于流動液體具有粘性，以及流動時突然轉彎或通過閥口會產生撞擊和旋渦，因此液體流動時必然會產生阻力。為了克服阻力，流動液體會損耗一部分能量，這種能量損失可用液體的壓力損失來表示。壓力損失即是伯努利方程中的hw項。 壓力損失由沿程壓力損失和局部壓力損失兩部分組成。 液流在管道中流動時的壓力損失和液流運動狀態有關。流態、雷諾數沿程壓力損失局部壓力損失70一、流態與雷諾數圖2.9 雷諾實驗裝置71通過實驗發現液體在管道中流動時存在兩種流動狀態。層流粘性力起主導作用紊流慣性力起主導作用液體的流動狀

45、態用雷諾數來判斷。雷諾數Re = v d / (慣性力和粘性力之比）v 為管內的平均流速d 為管道內徑為液體的運動粘度對于非圓管Re = v 4R/ ，式中水力半徑R=A/x（A為有效截面，X為濕周）雷諾數為無量綱數。 如果液流的雷諾數相同，它的流動狀態亦相同。一般以液體由紊流轉變為層流的雷諾數作為判斷液體流態的依據，稱為臨界雷諾數，記為Recr。 當ReRecr，為層流；當ReRecr，為紊流。常見液流管道的臨界雷諾數 可以查有關表格72二、管道流動的沿程壓力損失 液體在等直徑管中流動時因摩擦而產生的損失，稱為沿程壓力損失。因液體的流動狀態不同沿程壓力損失的計算有所區別。層流時的沿程壓力損失

46、 ：通流截面上的流速在半徑方向按拋物線規律分布 。通過管道的流量 q =（d 4/128l ）p管道內的平均流速 v = (d 2/32l )p 沿程壓力損失 p =（64/Re)( l /d ) v 2 /2 =（l /d ）v 2 /2 為沿程阻力系數，實際計算時對金屬管取= 75 / Re。紊流時的沿程壓力損失 ： p =（l /d）v 2 /2除了與雷諾數有關外，還與管道的粗糙度有關。 = f（Re，/ d ），為管壁的絕對粗糙度，/d 為相對粗糙度。73三、管道流動的局部壓力損失液體流經管道的彎頭、接頭、閥口等處時，液體流速的大小和方向發生變化，會產生漩渦并發生紊動現象，由此造成的壓

47、力損失稱為局部壓力損失。p= v 2 / 2為局部阻力系數，具體數值可查有關手冊。液流流過各種閥的局部壓力損失可由閥在額定壓力下的壓力損失ps來換算：p= ps（q / qs ）2整個液壓系統的總壓力損失應為所有沿程壓力損失和所有的局部壓力損失之和。p = p + p74第五節 液體流經小孔或縫隙的流量計算在液壓元件特別是液壓控制閥中，對液流壓力、流量及方向的控制通常是通過特定的孔口來實現的，它們對液流形成阻力，使其產生壓力降，其作用類似電阻，稱其為液阻。“孔口流動”主要介紹孔口的流量公式及液阻特性。薄壁小孔 當長徑比 l / d 0.5 時稱為薄壁小孔，一般孔口邊緣都做成刃口形式。 當液流經

48、過管道由小孔流出時，由于液體慣性作用，使通過小孔后的液流形成一個收縮斷面，然后再擴散，這一收縮和擴散過程產生很大的能量損失。 對孔前、孔后通道斷面11、22列伯努利方程，其中的壓力損失包括突然收縮和突然擴大兩項損失。 薄壁小孔液流 75 經整理得到流經薄壁小孔流量 q = CdAo（2p /）1/2 A0小孔截面積；Cd流量系數，Cd=CvCc Cv稱為速度系數 ；Cc稱為截面收縮系數。流量系數Cd的大小一般由實驗確定，在液流完全收縮的情況下，當Re10 5時，可以認為是不變的常數，計算時按Cd=0.60-0.61 選取 薄壁小孔因沿程阻力損失小，q 對油溫變化不敏感，因此多被用作調節流量的節

49、流器。76滑閥閥口滑閥閥口可視為薄壁小孔，流經閥口的流量為 qCdDxv(2p/)1/2式中 Cd流量系數，根據雷諾數查右圖 D滑閥閥芯臺肩直徑 xv閥口開度， xv24mm圖2.10 圓柱滑閥閥口77錐閥閥口 錐閥閥口與薄壁小孔類似，流經閥口的流量為 qCddmxvsin(2p/)1/2 式中Cd流量系數，根據雷諾數查右圖 dm閥座孔直徑 xv閥芯抬起高度 閥芯半錐角圖2.11 錐閥閥口78短孔和細長孔當長徑比 0.5 l / d 4 時，稱為短孔。流經短孔的流量 q = CdA0(2p/)1/2Cd 應按曲線查得，雷諾數較大時，Cd基本穩定在0.8 左右。短管常用作固定節流器。當長徑比 l

50、 / d 4 時，稱為細長孔。流經細長孔的流量 q =（d 4 / 128l ）p 液流經過細長孔的流量和孔前后壓差成正比，和液體粘度成反比。流量受液體溫度影響較大。79液阻孔口流量通式： m=0.5 或1液阻的定義 孔口前后壓力降與穩態流量的比值為液阻，即在穩態下，它與流量變化所需要的壓差變化成正比。液阻的特性：R與通流面積A成反比，A=0，R為無限大；A足夠大時，R0。p一定，調節A，可以改變R，從而調節流經孔口的流量。A一定，改變q， p 隨之改變，這種液阻的阻力特性用于壓力控制閥的內部控制。多個孔口串聯或并聯，總液阻類似電阻的計算。801、平板縫隙 兩平行平板縫隙間充滿液體時，壓差作用

51、會使液體產生流動（壓差流動）；兩平板相對運動也會使液體產生流動（剪切流動）。通過平板縫隙的流量在壓差作用下，流量q 與 縫隙值h 的三次方成正比，這說明液壓元件內縫隙的大小對泄漏量的影響非常大。縫隙（間隙）流動圖2.12 平行平板縫隙間的液流81 通過同心圓柱環形縫隙的流量公式： 當圓柱體移動方向和壓差方向相同時取正號，方向相反時取負號。圖2.13 同心環形縫隙流動2、圓柱環形縫隙 相對運動的圓柱體與孔之間的間隙為圓柱環形間隙。根據兩者是否同心又分為同心圓柱環形間隙和偏心環形間隙。通過其間的流量也包括壓差流動流量和剪切流動流量。設圓柱體直徑為d，縫隙值為h，縫隙長度為 l 。82設內外圓的偏心

52、量為 e，流經偏心圓柱環形縫隙的流量公式： 式中 ho為內外圓同心時半徑方向的縫隙值 為相對偏心率， e / ho 當偏心量e = ho， 即1 時（最大偏心狀態），其通過的流量是同心環形間隙流量的2.5 倍。 因此在液壓元件中應盡量使配合零件同心。圖2.14 偏心環形縫隙流動833、圓錐環形縫隙 當柱塞或柱塞孔，閥芯或閥體孔帶有一定錐度時，兩相對運動零件之間的間隙為圓錐環形間隙，間隙大小沿軸線方向變化。 閥芯大端為高壓，液流由大端流向小端，稱為倒錐，閥芯小端為高壓，液流由小端流向大端，稱為順錐。 閥芯存在錐度不僅影響流經間隙的流量，而且影響縫隙中的壓力分布。 如果閥芯在閥體孔內出現偏心，作用

53、在閥芯一側的壓力將大于另一側的壓力，使閥芯受到一個液壓側向力的作用。圓錐環形縫隙流量公式：圖2.15 環形圓錐縫隙流動84液壓卡緊現象 倒錐的液壓側向力使偏心距加大，當液壓側向力足夠大時，閥芯將緊貼孔的壁面，產生所謂液壓卡緊現象；而順錐的液壓側向力則力圖使偏心距減小，不會出現液壓卡緊現象。 為減少液壓側向力，一般在閥芯或柱塞的圓柱面開徑向均壓槽，使槽內液體壓力在圓周方向處處相等，槽深和寬為0.31.0mm。85第六節 液壓沖擊與空穴現象液壓沖擊因某些原因液體壓力在一瞬間會突然升高，產生很高的壓力峰值 ，這種現象稱為液壓沖擊。瞬間壓力沖擊不僅引起振動和噪聲，而且會損壞密封裝置、管道、元件，造成設

54、備事故。液壓沖擊的類型 管道閥門突然關閉時的液壓沖擊運動部件制動時產生的液壓沖擊一、液壓沖擊減少液壓沖擊的措施延長閥門關閉和運動部件制動換向的時間。限制管道流速及運動部件的速度。適當增大管徑，以減小沖擊波的傳播速度。盡量縮短管道長度，減小壓力波的傳播時間。用橡膠軟管或設置蓄能器吸收沖擊的能量。86減少液壓沖擊的措施：延長閥門關閉和運動部件制動換向的時間。限制管道流速及運動部件的速度。適當增大管徑，以減小沖擊波的傳播速度。盡量縮短管道長度，減小壓力波的傳播時間。用橡膠軟管或設置蓄能器吸收沖擊的能量。87 空穴現象液壓系統中，某點壓力低于液壓油液所在溫度下的空氣分離壓時，原先溶于液體中的空氣會分離

55、出來，使液體產生大量的氣泡，這種現象稱為空穴現象。當壓力進一步減小低于液體的飽和蒸汽壓時，液體將迅速汽化，產生大量蒸汽氣泡使氣穴現象更加嚴重。氣穴現象多發生在閥口和泵的吸油口。 空穴現象的危害 大量氣泡使液流的流動特性變壞，造成流量和壓力不穩定；氣泡進入高壓區，高壓會使氣泡迅速崩潰，使局部產生非常高的溫度和沖擊壓力，引起振動和噪聲；當附著在金屬表面的氣泡破滅時，局部產生的高溫和高壓會使金屬表面疲勞，時間一長會造成金屬表面的侵蝕、剝落，甚至出現海綿狀的小洞穴，這種氣蝕作用會縮短元件的使用壽命，嚴重時會造成故障。二、空穴現象88減少空穴現象的措施 1、減小閥孔前后的壓力降，一般使壓力比p1/p23

56、.5。 2、盡量降低泵的吸油高度，減少吸油管道阻力。 3、各元件聯接處要密封可靠，防止空氣進入。 4、增強容易產生氣蝕的元件的機械強度。89本章小結1、黏性、理想液體、實際液體、帕斯卡原理等基本概念與理論；2、靜壓力基本方程及其應用；3、流量連續性方程、伯努利方程、動量方程及它們的應用;4、液體的流態及其判斷，掌握液體流動時的損失分析與計算；5、液態流體的各種流動特征；6、液壓沖擊與空穴產生的原因、危害及預防措施90液壓泵是液壓系統的動力元件，將原動機輸入的機械能轉換為壓力能輸出，為執行元件提供壓力油。液壓泵的性能好壞直接影響到液壓系統的工作性能和可靠性。液壓泵的基本工作原理液壓泵的主要性能參

57、數液壓泵的分類和選用液壓泵的圖形符號第一節 概 述91一、液壓泵的結構和工作原理以單柱塞泵為例組成：偏心輪、柱塞、彈簧、缸體、兩個單向閥。柱塞與缸體孔之間形成密閉容積。柱塞直徑為d，偏心輪偏心距為e。偏心輪旋轉一轉，柱塞上下往復運動一次，向下運動吸油，向上運動排油。 泵每轉一轉排出的油液體積稱為排量，排量只與泵的結構參數有關。 V=Sd 2/4=ed 2/2圖3.1 單柱塞泵工作原理1-偏心輪；2-柱塞；3-彈簧；4-缸體；5，6-單向閥；7-油箱92液壓泵正常工作的三個必備條件 1、必須具有一個由運動件和非運動件所構成的密閉容積； 2、密閉容積的大小隨運動件的運動作周期性的變化，容積由小變大

58、吸油，由大變小壓油； 3、密閉容積增大到極限時，先要與吸油腔隔開，然后才轉為排油；密閉容積減小到極限時，先要與排油腔隔開，然后才轉為吸油。單柱塞泵是通過兩個單向閥來實現這一要求的。93二、液壓泵的主要性能參數液壓泵的壓力工作壓力 p ：泵工作時的出口壓力，大小取決于負載。額定壓力 ps ：正常工作條件下按實驗標準連續運轉的最高壓力。吸入壓力：泵的進口處的壓力。液壓泵的排量、流量和容積效率排量V：液壓泵每轉一轉理論上應排除的油液體積，又稱為理論排量或幾何排量。常用單位為cm3/r。排量的大小僅與泵的幾何尺寸有關。94平均理論流量 q t：泵在單位時間內理論上排出的油液體積，q t= n v ，單

59、位為 m3/s 或 L/min 。實際流量 q ：泵在單位時間內實際排出的油液體積。在泵的出口壓力 0 時，因存在泄漏流量q，因此q = q t- q 。瞬時理論流量 qsh ：任一瞬時理論輸出的流量，一般泵的瞬時理論流量是脈動的，即qshq t。額定流量 q s ：泵在額定壓力，額定轉速下允許連續運轉的流量。容積效率v：v= q /q t =（q t - q）/ q t =1-q /qt=1-kp /nV 式中 k 為泄漏系數。95泵的功率和效率輸入功率 P r： 驅動泵軸的機械功率為泵的輸入功率，P r= T輸出功率 P：泵輸出液壓功率， P = p q總效率p ：p = P / P r=

60、 p q / T=vm式中m為機械效率。泵的轉速額定轉速 n s：額定壓力下能連續長時間正常運轉的最高轉速。最高轉速 n max：額定壓力下允許短時間運行的最高轉速。最低轉速n min：正常運轉允許的最低轉速。轉速范圍：最低轉速和最高轉速之間的轉速。96三、液壓泵的特性曲線 橫坐標為液壓泵的工作壓力P，縱坐標為液壓泵的容積效率v（或實際流量q），總效率，輸入功率Pr。 液壓泵的容積效率（或實際流量）隨泵的工作壓力升高而降低，壓力為零時容積效率為100%，實際流量等于理論流量。液壓泵的總效率隨泵的工作壓力升高而升高，接近液壓泵的額定壓力時總效率最高。圖3.2 液壓泵特性曲線圖97四、液壓泵的分類