上海師范大學

《液壓與氣壓傳動》教案

教師姓名李光布授課班級08機械授課形式講授

授課日期年月曰第周授課時數2

授課章節(jié)名稱緒論

1、掌握液壓與氣壓傳動系統(tǒng)的工作原理與組成

教學目標

2、理解壓力和流量的概念

1、液壓與氣壓傳動系統(tǒng)的工作原理

教學重點難點

2、力比例關系、運動關系、功率關系

教學媒體選擇多媒體課件

作業(yè)布置復習和預習

學時分配

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緒論

一、液壓與氣壓傳動的研究對象

液壓與氣壓傳動是研究利用有壓流體（壓力油或壓縮空氣）作為傳動介質來

實現各種機械的傳動和自動控制的學科。液壓傳動與氣壓傳動實現傳動和控制的

方法基本相同，它們都是利用各種元件組成需要的控制回路，再由若干回路組成

能夠完成一定控制功能的傳動系統(tǒng)來完成能量的傳遞、轉換與控制。

液壓傳動所采用的工作介質為液壓油或其它合成液體，氣壓傳動所采用的工作

介質為壓縮空氣。

二、液壓與氣壓傳動的工作原理根據液壓千斤頂的工作原理即可了解液壓傳動

的工作原理。從圖0—1可以

看出，當向上提手柄1使小缸活塞3上移時，小液壓缸2因容積增大而產生真空，

油液從油箱12通過閥4被吸入至小液壓缸2中，當按壓手柄1使小缸活塞3下

移時，則油液通過閥7輸入到大液壓缸9的下油腔，當油液壓力升高到能夠克服重

物W時，即可舉起重物。彩圖液壓搬運車的工作原理即如前面所述。

圖液壓千斤頂原理圖

有關的具體公式推導請見下一頁.

將上一頁液壓千斤頂工作原理圖（圖。-1）簡化成如下圖形（圖。一2）,

并對其進行公式推導：

圖0—2液壓千斤頂簡化模型圖

1?力的傳遞關系根據帕斯卡原理：”在密閉容器內，施加于靜止液體上的壓力

將以等值同時

傳到液體各點”，并根據圖0-2的受力情況可推導出

式中A1和A2分別為圖2中小活塞和大活塞的作用面積；F1為杠桿手柄作用在小活

塞上的力；W為被舉起的負載。由此建立了一個很重要的基本概念，即在液壓和氣壓傳動

中，系統(tǒng)的工作壓力取決于負載，而與流入的流體多少無關。

2.運動的傳遞關系

由圖2可以看出，當不考慮液體得可壓縮性、泄漏的等因素時，依據液體體

積不變，可得出

式中，hl和h2分別為小活塞和大活塞的位移，將其兩端分別除以活塞移動的時

間t,則得

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由此可見，活塞的運動速度與活塞的面積成反比。進一步推導可得

據此可得，活塞的運動速度取決于進入液壓（氣）缸（馬達）的流量，而與流體壓

力大小無關。

3.功率關系

當不計功率損失的情況下，假設輸入功率等于輸出功率，由圖0-2可得

還可以推導出由以上分析可得，液壓傳動和氣壓傳動是以流體的壓力能來

傳遞動力的。三、液壓與氣壓傳動系統(tǒng)的組成

1.液壓傳動系統(tǒng)的組成

下圖（圖0—3）為一驅動機床工作臺的液壓傳動系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工作原理

為：在圖示位置，液壓泵3由電動機帶動旋轉后，從油箱1中吸油，油液經濾油

器2進入液壓泵3的吸油腔，并經液壓泵3、節(jié)流閥4、換向閥5進入液壓缸7

左腔，液壓缸7右腔的油液經換向閥5流回油箱，液壓缸活塞在壓力油的作用下

驅動工作臺右移。反之，通過換向閥5換向（閥心左移），壓力油進入液壓缸的

右腔，液壓缸7左腔的油液經換向閥5流回油箱，液壓缸活塞在壓力油的作用下

驅動工作臺左移。

圖0—3機床工作臺液壓系統(tǒng)工作原理圖

1-油箱2-過濾器3-液壓泵4-節(jié)流閥5-換向閥7-液壓缸8-工作臺

2.氣壓傳動系統(tǒng)的組成下圖為一氣動系統(tǒng)的組成原理圖，由空氣壓縮機經貯氣罐，

再經氣動三聯件

進入氣動控制回路，控制氣缸活塞桿左移和右移。

3.液壓與氣壓傳動系統(tǒng)的組成由上面的例子可以看出，液壓與氣壓傳動：系統(tǒng)主

要由以下幾個部分組成：

⑴能源裝置：把機械能轉換成流體的壓力能的裝置,一般最常見的是液壓泵或空氣

壓縮機。

⑵執(zhí)行裝置：把流體的壓力能轉換成機械能的裝置，一般指作直線運動的液（氣）壓

缸、作回轉運動的液（氣）壓馬達等。

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(3)控制調節(jié)裝置：對液(氣)壓系統(tǒng)中流體的壓力、流量和流動方向進行控制和調

節(jié)的裝置。例如溢流閥、節(jié)流閥、換向閥等。這些元件的不同組合組成了能完成

不同功能的液(氣)壓系統(tǒng)。

(4)輔助裝置：指除以上三種以外的其它裝置，如油箱、過濾器、分水濾氣器、油

霧器、能器等，它們對保證液(氣)壓系統(tǒng)可靠和穩(wěn)定地工作有重大作用。

⑸傳動介質：系統(tǒng)中傳遞能量'的流體，即液壓油或壓縮空氣。4.液壓與氣壓傳動

系統(tǒng)的圖形符號

上面的圖為液壓系統(tǒng)原理圖，也可以將其用液壓圖形符號表示，如圖0-3所

示，詳細的液壓與氣動元件圖形符號在后面的課程中有詳細介紹。

四、液壓與氣壓傳動的優(yōu)缺點

1.液壓傳動的優(yōu)點

(1)在同等的體積下，液壓裝置能比電氣裝置產生出更多的動力。在同等的功率

下，液壓裝置的體積小，重量輕，功率密度大，結構緊湊。液壓馬達的體積

和重量只有同等功率電動機的12%左右。

(2)液壓裝置工作比較平穩(wěn)。由于重量輕、慣性小、反應快，液壓裝置易于實現

快速啟動、制動和頻繁的換向。

(3)液壓裝置能在大范圍內實現無級調速(調速范圍可達2000),它還可以在運

行的過程中進行調速。

(4)液壓傳動易于自動化，它對液體壓力、流量或流動方向易于進行調節(jié)或控

制。當將液壓控制和電氣控制、電子控制或氣動控制結合起來使用時，整個傳動裝

置能實現很復雜的順序動作，也能方便地實現遠程控制。

(5)液壓裝置易于實現過載保護。液壓缸和液壓馬達都能長期在堵轉狀態(tài)下工作

而不會過熱，這是電氣傳動裝置和機械傳動裝置無法辦到的。

(6)由于液壓元件已實現了標準化、系列化和通用化，液壓系統(tǒng)的設計、制造和

使用都比較方便。

(7)用液壓傳動實現直線運動遠比用機械傳動簡單。

2.液壓傳動的缺點

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(1)液壓傳動在工作過程中常有較多的能量損失(摩擦損失、泄漏損失等)，長

距離傳動時更是如此。

(2)液壓傳動對油溫變化比較敏感，它的工作穩(wěn)定性很易受到溫度的影響，因此

它不宜在很高或很低的溫度條件下工作。

(3)為了減少泄漏，液壓元件在制造精度上的要求較高，因此它的造價較貴，而

且對工作介質的污染比較敏感C

(4)液壓傳動出現故障時不易找出原因。

3.氣壓傳動的優(yōu)點與液壓傳動相比，氣壓傳動具有一些獨特的

優(yōu)點：

(1)空氣可以從大氣中取得，同時，用過的空氣可直接排放到大氣中去，處理方

便，萬一空氣管路有泄漏，除引起部分功率損失外，不致產生不利于工作的嚴重影

響，也不會污染環(huán)境。

(2)空氣的粘度很小，在管道中的壓力損失較小，因此壓縮空氣便于集中供應(空

壓站)和遠距離輸送。

(3)因壓縮空氣的工作壓力較低(一般為0.3—0.8Mpa),因此，對氣動元件

的材料和制造精度上的要求較低。

(4)氣動系統(tǒng)維護簡單，管道不易堵塞，也不存在介質變質、補充、更換等問

題。

(5)使用安全，沒有防爆的問題，并且便于實現過載自動保護。

4.氣壓傳動的缺點氣壓傳動與電氣、液壓傳動相比有以下缺

點：

(1)氣壓傳動裝置。的信號傳遞速度限制在聲速(約340m/s)范圍內，所以

它的工作頻率和響應速度遠不如電子裝置，并且信號要產生較大的失真和延滯，

也不便于構成較復雜的回路，但這個缺點對工業(yè)生產過程不會造成困難。

(2)空氣的壓縮性遠大于液壓油的壓縮性，因此在動作的響應能力、工作速度的

平穩(wěn)性方面不如液壓傳動。

(3)氣壓傳動系統(tǒng)出力較小，且傳動效率低。

五、液壓與氣壓傳動的應用及發(fā)展

(一)液壓與氣壓傳動技術的應用在工業(yè)生產的各個部門都應用液壓與氣壓傳動

技術。例如，工程機械(挖掘

機)、礦山機械、壓力機械(壓力機)和航空工業(yè)中采用液壓傳動，機床上的傳

動系統(tǒng)也采用液壓傳動，上海音樂廳整體搬遷;而在在電子工業(yè)、包裝機械、印染

機械、食品機械等方面應用較多的氣壓傳動等。

(二)液壓與氣動技術的發(fā)展

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液壓技術正向高壓、高速、大功率、高效、低噪聲、高性能、高度集成化、

模塊化、智能化的方向發(fā)展。同時，新型液壓元件和液壓系統(tǒng)的計算機輔助設計

（3、計算機輔助測試（CAT）、計算機直接控制（I必、計算機實時控制技術、

機電一體化技術、計算機仿真和優(yōu)化設計技術、可靠性技術，以及污染控制技術

等方面也是當前液壓傳動及控制技術發(fā)展和研究的方向；氣壓傳動技術在科技飛

速發(fā)展的當今世界發(fā)展將更加迅速。隨著工業(yè)的發(fā)展，氣動技術的應用領域已從

汽車、采礦、鋼鐵、機械工業(yè)等行業(yè)迅速擴展到化工、輕工、食品、軍事工業(yè)等

各行各業(yè)。氣動技術已發(fā)展成包含傳動、控制與檢測在內的自動化技術。由于工業(yè)

自動化技術的發(fā)展，氣動控制技術以提高系統(tǒng)可靠性，降低總成本為目標。研究

和開發(fā)系統(tǒng)控制技術和機、電、液、氣綜合技術。顯然，氣動兀件當前發(fā)展的特點

和研究方向主要是節(jié)能化、小型化、輕量化、位置控制的高精度化，以及與電

子學相結合的綜合控制技術。

http://xyl.usst.cdu.cn/jixic/courscwarc/Fcsto/chpl/pl-5/pl-5-2.htm

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教師姓名李光布授課班級08機械授課形式講授

授課日期年月曰第周授課時數6

授課章節(jié)名稱第一章液壓傳動基礎知識

1、掌握液壓與氣壓傳動系統(tǒng)的工作原理與組成

教學目標2、掌握液體靜力學、液體動力學、定常管流的壓力損失、孔口及

縫隙流動

教學重點難點流體靜壓力基本方程、伯努利方程、定常管流的壓力損失等

教學媒體選擇多媒體課件

作業(yè)布置1-5,1-7,1-9,1-13

教學學時分配：1、液壓油、液

體靜力學：2學時

2、液體動力學：2學時

3、定常管流的壓力損失、孔口及健隙流動：2學

時另外，安排液阻特性實驗：2學時

學時分配

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第一章液壓傳動基礎

流體傳動包括液體傳動和氣體傳動，本章僅介紹液體傳動的基本知識。為了分

析液體的靜力學、運動學和動力學規(guī)律，需了解液體的以下特性：

連續(xù)性假設：流體是一種連續(xù)介質，這樣就可以把油液的運動參數看作是時間和

空間的連續(xù)函數，并有可能利用解析數學來描述它的運動規(guī)律。

不抗拉：由于油液分子與分子間的內聚力極小，幾乎不能抵抗任何拉力而只能承受

較大的壓應力，不能抵抗剪切變形而只能對變形速度呈現阻力。

易流性：不管作用的剪力怎樣微小，油液總會發(fā)生連續(xù)的變形，這就是油液的易流

性，它使得油液本身不能保持一定的形狀，只能呈現所處容器的形狀。

均質性：其密度是均勻的，物理特性是相同的。

第一節(jié)液壓傳動工作介質

液壓傳動最常用的工作介質是液壓汕，此外，還有乳化型傳動液和合成型傳動

液等，此處僅介紹幾個常用的液壓傳動工作介質的性質。

一、液壓傳動工作介質的性質

1.密度

單位體積液體的質量稱為液體的密度。體積為V,質量為m的液體的密度為

礦物油型液壓油的密度隨溫度的上升而有所減小，隨壓力的提高而稍有增

加，但變動值很小，可以認為是常值。我國采用攝氏20度時的密度作為油液的

標準密度。

2.可壓縮性

壓力為P。、體積為V0的液體，如壓力增大如時，體積減小AV,則此液體

的可壓縮性可用體積壓縮系數即單位壓力變化下的體積用對變化量來表示

1AK

r------

加匕

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由于壓力增大時液體的體積減小，因此上式右邊須加一負號，以使K成為

正值。液體體積壓縮系數的倒數，稱為體積彈性模量K,簡稱體積模量。即長二

1/K。

3.粘性

1）粘性的定義

液體在外力作用下流動（或有流動趨勢）時，分了間的內聚力要阻止分了相對

運動而產生的一種內摩擦力，這種現象叫做液體的粘性。液體只有在流動（或有

流動趨勢）時才會呈現出粘性，靜止液體是不呈現粘性的。

粘性使流動液體內部各處的速度不相等，以圖1-2為例，若兩平行平板間充

滿液體，下平板不動，而上平板以速度以0向右平動。由于液體的粘性作用，緊

靠卜.平板和上平板的液體層速度分別為零和T。通過實驗測定得出，液體流動

時相鄰液層間的內摩擦力Ft,與液層接觸面積A、液層間的速度梯度出/為成

正比，即

々■〃礙

力

式中：〃為比例常數，稱為粘性系數或粘度。如以「表示切應力，即單位面積上

的內摩擦力，則

Rdu

Acfy

這就是牛頓的液體內摩擦定律。

2）粘性的度量

（1）動力粘度：又稱絕對粘度，單位為Pa?s（帕?秒），以前沿用的單位為P（泊，

dyne-s/C/W,），IPa-s=10P=10，cP（厘泊）。

（2）運動粘度：液體的動力粘度與其密度的比值，稱為液體的運動粘度V；即

y"Q,

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單位為切2/臬以前沿用的單位為St（斯），Im2/J=104St=idcSt（厘斯）。

液壓傳動工作介質的粘度等級是以40。C時運動粘度（以加桁'/$計）的中心值

來劃分的，如某一種牌號HI22普通液壓油在40℃時運動粘度的中心值為22

mm"

液體的粘度隨液體的壓力和溫度而變。對液壓傳動工作介質來說，壓力增大

時，粘度增大。在一般液壓系統(tǒng)使用的壓力范圍內，增大的數值很小，可以忽略

不計。但液壓傳動工作介質的粘度對溫度的變化十分敏感，溫度升高，粘度下降。這

個變化率的大小直接影響液壓傳動工作介質的使用，其重要性不亞于粘度本

身。

4.其它性質

液壓傳動工作介質還有其它些性質，如穩(wěn)定性（熱穩(wěn)定性、氧化穩(wěn)定性、水

解穩(wěn)定性、剪切穩(wěn)定性等）、抗泡沐性、抗乳化性、防銹性、潤滑性以及相容性（對

所接觸的金屬、密封材料、涂料等作用程度）等，它們對工作介質的選擇和使用有

重要影響。這些性質需要在精煉的礦物油中加入各種添加劑來獲得，其含義較為明

顯，不多作解釋，可參閱有關資料。

二、對液壓傳動工作介質的要求不同的工作機械、不同的使用情況對液壓傳動工

作介質的要求有很大的不

同；為了很好地傳遞運動和動力，液壓傳動工作介質應具備如下性能：

1）合適的粘度，較好的粘溫特性。

2）潤滑性能好。

3）質地純凈，雜質少。

4）對金屬和密封件有良好的相容性。

5）對熱、氧化、水解和剪切都有良好的穩(wěn)定性。

6）抗泡沫好，抗乳化性好，腐蝕性小，防銹性好。

7）體積膨脹系數小，比熱容大。

8）流動點和凝固點低，閃點（明火能使油面上油蒸氣閃燃，但油本身不燃燒時的

溫度）和燃點高。

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9)對人體無害，成本低。

對軋鋼機、壓鑄機、擠壓機和飛機等液壓系統(tǒng)則須突出耐高溫、熱穩(wěn)定、不腐

蝕、無毒、不揮發(fā)、防火等項要求。

三、工作介質的分類和選擇

1.分類

液壓系統(tǒng)工作介質的品種以其代號和后面的數字組成，代號為L是石油產品

的總分類號，H表示液壓系統(tǒng)用的工作介質，數字表示該工作個質的粘度等級。

2.工作介質的選用原則選擇液壓系統(tǒng)的工作介質一般需考慮

以下幾點：

(1)液壓系統(tǒng)的工作條件

(2)液壓系統(tǒng)的JJ乍環(huán)境

(3)綜合經濟分析四、液

壓系統(tǒng)的污染控制

工作介質的污染是液壓系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因。它嚴重影響液壓系統(tǒng)的可

靠性及液壓元件的壽命，因此二作介質的正確使用、管理以及污染控制，是提高液

壓系統(tǒng)的可靠性及延長液壓元件使用壽命的重要手段。

1.污染的根源

進入工作介質的固體污染物有四個根源：已被污染的新油、殘留污染、侵入污

染和內部生成污染。

2.污染的的危害

液壓系統(tǒng)的故障75%以上是由工作介質污染物造成的。

3.污染的測定

污染度測定方法有測重法用顆粒計數法兩種。4.污染度

的等級

我國制定的國家標準GB/T14039-93《液壓系統(tǒng)工作介質固體顆粒污染等級

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代號》和目前仍被采用的美國NAS1638油液污染度等級。

5.工作介質的污染控制

工作介質污染的原因很復雜，工作介質自身又在不斷產生污染物，因此要徹底

解決工作介質的污染問題是很困難的。為了延長液壓元件的壽命，保證液壓系統(tǒng)可

靠地工作，將工作介質的污染度控制在某一限度內是較為切實可行的辦法.為了減

少工作介質的污染，應采取如下一些措施：

(1)對元件和系統(tǒng)進行清洗，才能正式運轉。

(2)防止污染物從外界侵入。

(3)在液壓系統(tǒng)合適部位設置合適的過濾器。

(4)控制工作介質的溫度，工作介質溫度過高會加速其氧化變質，產生各種生成

物，縮短它的使用期限。

(5)定期檢查和更換工作介質，定期對液壓系統(tǒng)的工作介質行抽樣檢查，分析

其污染度，如已不合要求，必須立即更換。更換新的工作介質前，必須對整個液壓

系統(tǒng)徹底清洗一遍。

第二節(jié)液體靜力學

液體靜力學主要是討論液體靜止時的平衡規(guī)律以及這些規(guī)律的應用。”液體

靜止”指的是液體內部質點間沒有相對運動，不呈現粘性而言，至于盛裝液體的容

器，不論它是靜止的或是勻速、勻加速運動都沒有關系。

一、液體靜壓力及其特性作用在液體上的力有兩種，即質量力和表面力。單位質量

液體受到的質量力

稱為單位質量力，在數值上就等于加速度。表面力是由與流體相接觸的其它物體

(如容器或其它液體)作用在液體上的力，這是外力；“液體靜上”指的是液體內部

質點間沒有相對運動，不呈現粘性而言，至于盛裝液體的容器，不論它是靜止的或

是勻速、勻加速運動都沒有關系。也可以是一部分液體作用在另一部分液體上的

力，這是內力。單位面積上作用的表面力稱為應力，它有法向應力和切向應力之

分。當液體靜止時，液體質點間沒有相對運動，不存在摩擦力，所以靜止液體

的表面力只有法向力。液體內某點處單位面積&4匕所受到的法向力超之

比，叫做壓力,(靜壓力)，即

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如果法向力F,均勻地作用于面積A上，則壓力可表示為

液體的靜壓力具有兩個重要特性：

1)液體靜壓力的方向總是作用面的內法線方向。

2)靜止液體內任一點的液體靜壓力在各個方向上都相等。

二、液體靜壓力基本方程1.

靜壓力基本方程式

在重力作用下的靜止液體，其受力情況如圖l-4a所示

圖1-4重力作用下的靜止液體

則A點所受的壓力為

「%+Pgh

式中，g為重力加速度，此表達式即為液體靜壓力的基本方程，由此式可知：

(1)靜止液體內任一點處的壓力由兩部分組成，一部分是液面上的壓力P。，另

一部分是必與該點離液面深度卜的乘積。

(2)同一容器中同一液體內的靜壓力隨液體深度力的增加而線性地增加。

(3)連通器內同一液體中深度內相同的各點壓力都相等。由壓力相等的點組成的

面稱為等壓面。重力作用下靜止液體中的等壓面是一個水平面。

2.靜壓力基本方程式的物理意義

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圖1-5為盛有液體的密閉容器，液面壓力為P。，選則一基本水平面OX,根

據靜壓力基本方程式可以確定距液面深度h處A點的壓力p,即

這是液體靜壓力基本方程式的另一種形式。其中NoS表示A點的單位質

￡

量液體的位能；夕表示A點的單位質量液體的壓力能。

上述表達式說明了靜止液體中單位質量液體的壓力能和位能可以互相轉換，

但各點的總能量卻保持不變，即能量守恒，這就是靜壓力基本方程式中包含的物

理意義。

三、壓力的表示方法及單位1.

壓力的表示方法

壓力的表示方法有兩種：一種是以絕對真空作為基準所表示的壓力，稱為絕對

壓力；另一種是以大氣壓力作為基準所表示的壓力，稱為相對壓力。由于大多

數測壓儀表所測得的壓力都是相對壓力，故相對壓力也稱表壓力。

絕對壓力與相對壓力的關系為：

絕對壓力:相對壓力+大氣壓力絕對壓

力小于大氣壓時，負相對壓力數值部分叫做真空度。即

真空度二大氣玉-絕對壓力二?（絕對壓力?大氣壓）

由此可知，當以大氣壓為基準計算壓力時，基準以上的正值是表壓力，基準

以下的負值就是真空度。絕對壓力、相對壓力和真空度的相互關系如圖1-6所示。

2.壓力的單位：

法定壓力（ISO）單位稱為帕斯卡（帕），符號為Pa,工程上常用兆帕這個單

位來表示壓力，

^MPa^Pa

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在工程上采用工程大氣壓，也采用水柱高或汞柱高度等，在液壓技術中，目

前還采用的壓力單位有巴，符號為bar

壓力的單位及其它非法定計量單位的換算關系為：

1抵（工程大氣壓）

1叫。（米水柱）

bnm/fg（毫米汞柱）

四、帕斯卡原理

在密閉容器內，施加于靜止液體上的壓力將以等值同時傳到各點。這就是靜

壓傳遞原理或稱帕斯卡原理。液壓系統(tǒng)中的壓力是由外界負載決定的。

五、液體靜壓力對固體壁面的作用力靜止液體和固體壁面相接觸時，固體壁面上

各點在某一方向上所受靜壓作用力

的總和，便是液體在該方向上作用于固體壁面上的力。在液JE傳動計算中質量力

可以忽略，靜壓力處處相等，所以可認為作用于固體壁面上的壓力是均勻分布的。

當固體壁面是曲面時，作用在曲面各點的液體靜壓力是不平行的，曲面上液

壓作用力在某一方向上的分力等于液體靜壓力和曲面在該方向的垂直面內投影

面積的乘積。

第三節(jié)液體動力學

本節(jié)主要講授三個基本方程：流量連續(xù)性方程、伯努利方程和動量方程一、基本概

念

1.理想液體、定常流動和一維流動理想液體：既無粘性

又不可壓縮的液體。

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定常流動：液體流動時，若液體中任何一點的壓力、速度和密度都不隨時間而變

化，則這種流動就稱為定常流動（恒定流動或非時變流動）。

非定常流動：只要壓力、速度和密度中有一個隨時間而變化，液體就是作非定常

流動（非恒定流動或時變流動:。

一維流動：當液體整個地作線形流動時，稱為一維流動，當作平面或空間流動時，

稱為二維或三維

流動。

2.跡線、流線、流束和通流截面跡線：是流動液體的某一質點在某一時間間

隔內在空間的運動軌跡。

流線：是表示某一瞬時液流中各處質點運動狀態(tài)的一條條曲線，在此瞬時，流線

上各質點速度方向與該線相切。

在非定常流動時，由于各點速度可能隨時間變化，因此流線形狀也可能隨時間

而變化。在定常流動時，流線不隨時間而變化，這樣流線就與跡線重合。由于流

動液體中任一質點在其一瞬時只能有一個速度，所以流線之間不可能相交，也不可

能突然轉折，流線只能是一條光滑的曲線。

流管：在液體的流動空間中任意畫一不屬流線的封閉曲線，沿經過此封閉曲線上

的每一點作流線，由這些流線組合的表面稱為流管。

流束：流管內的流線群稱為流束定常流動時。流管和流束形狀不變。且流線不能

穿越流管，故流管與真實管流相似，將流

管斷面無限縮小趨近于零，就獲得了微小流管或微小流束。微小流束實質上與流線

一致，可以認為運動的液體是由無數微小流束所組成的。

通流截面：流束中與所有流線正交的截面稱為通流截面，截面上每點處的流動速

度都垂直于這個面。

平行流動：流線彼此平行的流動稱為平行流動。

緩變流動：流線夾角很小或流線曲率半徑很大的流動稱為緩變流動。平行流動和緩

變流動都可算是一維流動。

3.流量和平均流速流量：單位時間內通過某通流截面的液體的

體積稱為流量。

在法定計量單位制（或si單位制）中流量的單位為m3/J（米3/秒），常用單

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位為L/min（升/分）或mL/s（毫升/秒）。對于微小流速，由于通流截面積很小,

可似認為通流截面上各點的流速u是相等的，所以通過該截囪積"的流量為

對此式進行積分，可得到整個通流截面面積A二的流量為

q=必

在工程實際中，通流截面上的流速分布規(guī)律很難真正知道，故直接從上式來求

流量是困難的，為了便于計算，引入平均流速的概念，假想在通流截面上流速是均

勻分布的，則流量等于平均流速乘以通流截面面積。令此流量與實際的不均勻流

速通過的流量相等，即

q=IudA

J/=vA

故平均流速

流量也可以用流過其截面的液體質量來表示，即質量流量或

4.流動液體的壓力

靜止液體內任意點處的壓力在各個方向上都是相等的，可是在流動液體內，由

于慣性力和粘性力的影響，任意點處在各個方向上的壓力并不相等，但數值相差甚

微。當慣性力很小，且把液體當作理想液體時，流動液體內任意點處的壓力在各

個方向上的數值可以看作是相等的。

二、連續(xù)性方程連續(xù)性方程是質量守恒定律在流體力學中的一種表達形式，如果

液體作定常

流動，且不可壓縮，那么任取一流管（圖1-11）,兩端通流截面面積為4和4,

在流管中取一微小流束，流束兩端的截面積分別為44和M,在微小截面上各

點的速度可以認為是相等的，且分別為“A和”九根據質量守恒定律，在小時

間內流人此微小流束的質量應等于從此微小流束流出的質量，故有

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即u1M-/eKj

對整個流管，顯然是微小流束的集合，由上式積分得

即/=<71

如用平均速度表示，得

nA-匕4

由于兩通流截面是任意取的，故有

4-?-COMt

上式稱為不可壓縮液體作定常流動時的連續(xù)性方程。它說明通過流管任一通

流截面的流量相等。此外還說明當流量一定時，流速和通流截面面積成反比。

三、伯努利方程伯努利方程就是能量守恒定律在流動液體中的表現形式。要說明

流動液體的

能量問題，必須先講述液流的受力平衡方程，亦即它的運動微分方程。

1.理想液體的運動微分方程

這就是重力場中，理想液體沿流線作定常流動時的運動方程，即歐拉運動方

程。它表示了單位質量液體的力平衡方程。

2.理想液體的伯努利方程將上式沿流線積分，便可得到理想液體微小流束的伯

努利方程

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或對流線上任意兩點且兩邊同除以g可得

上式即為理想液體作定常流動的伯努利方程。上述兩式表明理想液體作定常

流動時，沿同一流線對運動微分方程的積分為常數，沿不同的流線積分則為另一常

數。這就是能量守恒規(guī)律在流體力學中的體現；理想液體作定常流動時，液流

P

中任意截面處液體的總比能（即單位重量液體的總能量）由比壓能（有）、比位能

（Z）,與比動能（石）組成（均為長度量綱，因此從幾何意義上講可分別稱為壓力

水頭、位置水頭和速度水頭），三者之間可互相轉化，但總和為一定值。

如果流動是在同一水平面內，或者流場中坐標Z的變化與其它流動參數相比

可以忽略不計，則上式可寫成

該式表明，沿流線壓力越低，速度越高。3.實際

液體流束的伯努利方程

實際液體具有粘性，因此液體在流動時還需克服由于粘性所引起的摩擦阻

力，這必然要消耗能量，設因粘性而消耗的能量為，則實際液體微小流束的伯努

利方程為

4.實際液體總流的伯努利方程

用平均流速v代替管流截面積A1或A2上各點處不等的流速u,且令單位時

間內截面A處液流的實際動能和按平均流速計算出的動能之比為動能修正系數

a,即

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由上式可知a〉i,與液體流動狀態(tài)即截面上流速分布有關，流速分布越不

均勻，a值越大，流速分布較均勻時a值接近于i(層流時a=2,紊流時

a?l)o

此外，對液體在管流中流動時因粘性摩擦而產生的能量損耗，也用平均能量損

耗的概念來處理，即令

則伯努利方程可以寫成

上式就是僅受重力作用的實際液體在管流中作平行(或緩變)流動截面上的

伯努利方程。它的物理意義是單位質量液體的能量守恒。其中為單位質

量液體從截面A1流到截面A2過程中的能量損耗。

應用伯努利方程時，應注意下述各點。這是因為在推導伯努利方程過程中逐

次加入了限制條件。

(1)z和p是指截面的同一點上的兩個參數，至于Al、A2上的點倒不一定都要

取在同一條流線上，但一般對管流而言，計算點都取在軸心線上。把這兩個點都

取在兩截面的軸心處，不過是為了方便。

(2)液流是恒定流。如不是恒定流，要加入慣性項。

(3)兩個計算通流截面應取在平行流動或緩變流動動處，但兩截面之間的流動不

受此限制。至于兩截面間是什么流，是沒有關系的，這最多影響能量損失的大

小。

(4)液流僅受重力作用，亦即盛液的容器沒有牽連加速度的情況。

(5)液體不可壓縮，密度在運動中保持不變。

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(6)流量沿程不變，即沒有分流。

(7)適當地選取基準面，一般取液平面，這時P一般等于pa,v=0o

(8)截面上的壓力應取同一種表示法，都取相對壓力，或都取絕對壓力。壓力小

于大氣壓時，則表壓力為負值，但用真空度表示時要寫正值。如絕對壓力為0.

03MPa,則表壓力為-0.07MPa,真空度為0.07MPa。

(9)不要忘記動能修正系數，層流時a=2,紊流時aal。

四、動量方程

液體作用在固體壁面上的力，用動量定理來求解比較方便。動量定理指出：作

用在物體上的力的大小等于物體在力作用方向上的動量的變化率，即

根據卜.式進行推導(詳細推導過程請參閱參考書)可得流動液體的動最方程。

方程左邊為作用于控制體積內液體上的所有外力的總和，而等式右邊第一項

表示液體流量變化所引起的力，稱為瞬態(tài)力；第二、三項表示流出控制表面柑流人

控制表面時的動量變化率，稱為穩(wěn)態(tài)力。如果控制體中的液體在所研究的方向上不

受其它外力，只有液體與固體壁面的相互作用力，則該二力的作用力與反作用力

大小相等，方向相反。液體作用在固體壁面的作用力分別稱為瞬態(tài)液動力和穩(wěn)態(tài)

液動力。

定常流動時，力,故上式中只有穩(wěn)態(tài)液動力，即

上述公式均為矢量表達式，在應用時可根據問題的具體要求向指定方向投

影，列出該指定方向的動量方程，從而可求出作用力在該方向上的分量，然后加

以合成。

動最修正系數，為液體流過某截面A的實際動量與以平均流速流過截面的動

量之比，當液流流速較大且分布較均(紊流)時，6?1,液流流速較低且分布不

均勻(層流)時，/=1?33。

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第四個定常管流的壓力損失計算

實際液體具有粘性，在流動時就有阻力，為了克服阻力，就必然要消耗能量，這

樣就有能量損失。在液壓傳動中，能量損失主要表現為壓力損失，這就是實際液

體流動的伯努利方程式（1-24）中項的含義。液壓系統(tǒng)中的壓力損失分為兩類，

類是油液沿等直徑直管流動時所產生的壓力損失，稱之為沿程壓力損失。這類壓力

損失是由液體流動時的內、外摩擦力所引起的。另一類是油液流經局部障礙

（如彎管、接頭、管道截面突然擴大或收縮）時，由于液流的方向和速度的突然變

化，在局部形成旋渦引起油液質點間以及質點與固體壁面間相互碰撞和劇烈摩擦

而產生的壓力損失稱之為局部壓力損失。

一、流態(tài)、雷諾數1.層流和紊

流

流體在流動時，通過雷諾實驗，可以看到下圖（圖1—21）所示的幾種流動狀

態(tài)，一般將其定義為層流和紊流。在低速流動時，液體質點互不干擾，液體的流動

呈線性或層狀，且平行于管道軸線，如圖121a所示，此種流動狀態(tài)稱為在層流

時；當流速大時，液體質點的運動雜亂無章，除了平行于管道軸線的運動外，還存在

著劇烈的橫向運動，此種流動狀態(tài)稱為紊流，如圖l-21d所示；圖l-21b中色線

開始折斷，表明層流開始破壞，圖1-21c中色線上下波動，并出現斷裂，表現液體

流動已趨于，此兩種狀態(tài)稱為變流，一般也將其看成紊流。

層流和紊流是兩種不同性質的流態(tài)。層流時，液體流速較低，質點受粘性制

約，不能隨意運動，粘性力起主導作用；但在紊流時，因液體流速較高，粘性的

制約作用減弱，因而慣性力起主導作用。液體流動時究竟是層流還紊流，須用雷

諾數來判別。

2.雷諾數

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V有關，還和管

徑d、液體的運動粘度V有關，但是真正決定液流流動狀態(tài)的是用這三個數所組

成的一個稱為雷諾數Re的無員綱數，即

液體流動時的雷諾數若相同，則它的流動狀態(tài)也相同。另一方面液流由層流轉

變?yōu)槲闪鲿r的雷諾數和由紊流轉變?yōu)閷恿鞯睦字Z數是不同的，前者稱為上臨界雷

諾數，后者為下臨界雷諾數，后者數值小，所以一般都用后者作為判別液流狀態(tài)

的依據，簡稱臨界雷諾數，當液流的實際流動時的雷諾數小于臨界雷諾數時，液流

為層流，反之液流則為紊流，常見的液流管道的臨界雷諾數可由實驗求得。

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對于非圓截面管道來說，Re可用下式來計算

Re■處

v

式中，R為通流截面的水力半徑。它等于液流的有效截面積A和它的濕周（通

流截面上與液體接觸的固體壁面的周長）%之比，即

/?—一

X

水力半徑大小對管道通流能力影響很大。水力半徑大，表明液流與管壁接觸

少，通流能力大；水力半徑小，表明液流與管壁接觸多，通流能力小，容易堵塞。

第五節(jié)孔口和縫隙流動

、孔口液流特性

在液壓系統(tǒng)的管路中，裝有截面突然收縮的裝置，稱為節(jié)流裝置（如節(jié)流閥）。

突然收縮處的流動叫節(jié)流，一般均采用各種形式的孔口來實現節(jié)流，由前述內容

可知，液體流經孔口時要產生局部壓力損失，使系統(tǒng)發(fā)熱，油液粘度下降，系統(tǒng)

的泄漏增加，這是不利的一方面。在液壓傳動及控制中要人為地制造這種節(jié)流裝置

來實現對流量和壓力的控制。

1.流經薄壁小孔的流量

當小孔的通流長度與孔徑之比"d<0.5時稱之為薄壁小孔，如圖1-24所

示。

其流經小孔的流量公式為

流量公式為

q=-----

32H

2.流經細長小孔的流量計算

所謂細長小孔，一般指小孔的長徑比l/d>4時的情況，其流量公式為

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二、縫隙液流特性

液壓系統(tǒng)是由一些元件、管接頭和管道組成的，每一部分都是由一些零件組成

的，在這些零件之間，通常需要有一定的配合間隙，由此帶來了泄漏現象，同時

液壓油也總是從壓力，較高處流向系統(tǒng)中壓力較低處或大氣中，前者稱為內泄

漏，后者稱為外泄漏。

(一)平行平板的間隙流動

如圖所示，平板長為1,寬為b,兩平行平板間的間隙為h,且1>>h,b?

ho

1.固定平行平板間隙流動(壓差流動)

上、下兩平板均固定不動：液體在間隙兩端的壓差作用下而在間隙中流動，

稱為壓差流動。

rp1dpbh3df>

q=udA(A—yyy——My=二一

JAJoda-12〃di

△力

2pd

bh)

q=-1---2--Rr△介”

2.兩平行平板有相對運動時的間隙流動

(1)兩平行平板有相對運動速度u,但無壓差這種流動稱為純剪切流動。

V

**vbh

—yoy=-v

q=J=oh2

(2)兩平行平板既有相對運動，兩端又存在壓差時的流動這是一種普遍情況，其

速度和流用是以上兩種情況的線性疊加，即

△/>v

^=~T-T^—y)y±--y

乙an

姆bh

q-----T△2土--v

12Wr2

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bh3bh

Pi=&pq=bp△/>4一v

12M2

（二）圓柱環(huán)形間隙流動

液壓元件中液壓缸缸體與活塞之間的間隙，閥體與滑閥閥芯之間的間隙中的

流動均屬這種情況。

1.同心環(huán)形間隙在壓差作用下的流動

wdA3ndh

a=----------v

12R2

2.偏心環(huán)形間隙在壓差作用下的流動

f2?A/>寅d/i；,

q=dq=——^（1—ecosPAdp=——△/>（1+b5、）

JJo12/x/12M

is石嚴

由此式可見完全偏心時的流量為同心時的2.5倍。

3.內外圓柱表面有相對運動且又存在壓差的流動

立娼.穴dho

（三）流經平行圓盤間隙徑向流動的流量

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教師姓名李光布授課班級08機械授課形式講授

授課日期年月日第周授課時數6

授課章節(jié)名稱第二章液壓動力元件

1、了解液壓泵的分類，理解液壓泵的基本性質和基本參數；

教學目標

2、掌握軸向柱塞泵，齒輪泵，葉片式泵的工作原理和特性。

教學重點難點液壓泵性能參數計算，液壓泵結構特點

教學媒體選擇多媒體課件

作業(yè)布置2-1,2-2,2-3

教學學時分配：1、液壓泵主要

性能參數：2學時

2、齒輪泵：2學時

3、葉片泵、柱塞泵：2學時另

外，安排油泵性能實驗：1.5學時

學時分配

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第二章液壓動力元件

動力元件起著向系統(tǒng)提供動力源的作用，是系統(tǒng)不可缺少的核心元件。液壓系

統(tǒng)是以液壓作為向系統(tǒng)提供一定的流量和壓力的動力元件，液壓泵將原動機輸出

的機械能轉換為工作液體的壓力能，是一種能量轉換裝置。

第一節(jié)液壓泵概述

一、泵的工作原理和分類

1.液壓泵的工作原理

泵是一種能量轉換裝置，把電動機的旋轉機械能轉換為液壓能輸出。液壓泵都

是依靠密封容積變化的原理來進行工作的，故一般稱為容積式液壓泵，圖2-1

所示的是一單柱塞液壓泵的工作原理圖.圖中柱塞2裝在缸體3中形成一個密

封容積a,柱塞在彈簧4的作用下始終壓緊在偏心輪1上。原動機驅動偏心輪1

旋轉使柱塞2作往復運動，使密封容積a的大小發(fā)生周期性的交替變化。當a由小

變大時就形成部分真空，使油箱中油液在大氣壓作用下，經吸油管頂開單向閥6

進入油腔a而實現吸油；反之，當a由大變小時，a腔中吸滿的油液將頂開單向

閥5流入系統(tǒng)而實現壓油。這樣液壓泵就將原動機輸入的機械能轉換成液體的

壓力能，原動機驅動偏心輪不斷旋轉，液壓泵就不斷地吸油和壓油。

非容積式泵主要是指離心泵，產生的壓力一般不高。

2.液壓泵的特點

(1)具有若干個密封且又可以周期性變化的空間。泵的輸出流量與此空間的容積

變化量和單位時間內的變化次數成正比，與其他因素無關。

(2)油箱內液體的絕對壓力必須恒等于或大于大氣壓力。這是容積式液壓泵能吸

入油液的外部條件。因此為保證液壓泵能正常吸油，油箱必須與大氣相通，或采用

密閉的充亞汕箱u

(3)具有相應的配流機構。格吸液箱和排液箱隔開，保證液壓泵有規(guī)律地連續(xù)

吸排液體。

吸油時，閥5關閉，6開啟；壓油時，閥5開啟，6關閉。

常用的容積式泵有：齒輪泵、葉片泵、柱塞泵(徑向，軸向)、螺桿泵等。

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液壓泵的基礎標準:

壓力分級：0-25（低）25-80（中）80-160（中高）160-320（高壓）＞320（超

高壓）

流量分級：461016254063100250

二、液壓泵的主要性能參數

1、壓力

（1）工作壓力液壓泵實際工作時的輸出壓力稱為工作壓力。工作壓力取決于

外負載的大小和排油管路上的壓力損失，而與液壓泵的流量無關。

（2）額定壓力液壓泵在正常工作條件下，按試驗標準規(guī)定連續(xù)運轉的最高壓

力稱為液壓泵的額定壓力。

（3）最高允許壓力在超過額定壓力的條件下，根據試驗標準規(guī)定，允許液壓

泵短暫運行的最高壓力植，稱為液壓泵的最高允許壓力。

2、排量和流量

（1）排量V液壓泵每轉一周，由其密封容積幾何尺寸變化計算而得的排出液

體的體積叫液壓泵的排量。排量可以調節(jié)的液壓泵稱為變量泵；排量不可以調節(jié)的

液壓泵則稱為定量泵.

（2）理論流量理論流量是指在不考慮液壓泵的泄漏流量的條件下，在單位時間

內所排出的液體體積。如果液壓泵的排量為V,其主軸轉速為n,則該液壓泵

的理論流量qt為

qt=Vn

式中V為液壓泵的排量（m3/r）,n為主軸轉速（r/s）

（3）實際流量qt液壓泵在某一具體工況下，單位時間內所排出的液體體積稱

為實際流量，它等于理論流量qt減去泄漏和壓縮損失后的流量ql,即

q=qtql

（4）額定流量qn在正常工作條件下，該試驗標準規(guī)定（如在額定壓力和額定

轉速下）必須保證的流量。

3、功率和效率

（1）液壓泵的功率損失液壓泵的功率損失有容積損失和機械損失兩部分：

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I)容積損失容積損失是指液壓泵在流量上的損失，液壓泵的實際輸出流量總是

小于其理論流量，其主要原因是由于液壓泵內部高壓腔的泄漏、油液的壓縮以及

在吸油過程中由于吸油阻力太大、油液粘度大以及液壓泵的轉速高等原因而導致

油液不能全部充滿密封工作腔。液壓泵的容積損失用容積效率來表示，它等于液

壓泵的實際輸出流量q與其理論流量qt之比，即

液壓泵的實際輸出流量q為

q■%外■

2)機械損失機械損失是指液壓泵在轉矩上的損失。它大等于液壓泵的理論轉矩

Tt與實際輸入轉矩T之比，設轉矩損失為II,則液壓泵的機械效率為

?T1+汽

Tt

(2)液壓泵的功率

1)輸入功率輸入功率指作用在液壓泵主軸上的機械功率，當輸入轉矩為

”,角速度為3時

I=113

2)輸出功率P輸出功率指液壓泵在工作過程中的實際吸、壓油口間的壓差Ap

和輸出流量q的乘積，即

P=Apq

(3)液壓泵的總效率液壓泵的總效率是實際輸出功率與其輸入功率的比值，即

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還可以寫成