第1章液压传动基础知识教学课件

参考资料和推荐网站1，期刊杂志n液压与气动n液压气动与密封n机床与液压n工程机械nHydraulics&Pneumaticsn油空压技术n油压与空气压12，有关网站 中国液压气动网（中国液压气动网（yeyanet)yeyanet)浙江大学国家电液控制工程技术研究中心浙江大学国家电液控制工程技术研究中心(cnehc)(cnehc)流体传动控制学术研究（流体传动控制学术研究（fluid.power)fluid.power)美国国家流体动力协会（美国国家流体动力协会（nfpanfpa）美国流体动力教育基金会（美国流体动力教育基金会（fpef.org)fpef.org)国际流体动力协会（国际流体动力协会（ifps.org)ifps.org)美国液压气动网站美国液压气动网站 (hydraulicspneumatics)(hydraulicspneumatics)英国流体动力协会英国流体动力协会 （bfpa.co.uk)bfpa.co.uk)德国博士力士乐德国博士力士乐 （boschrexroth)boschrexroth)美国派克汉尼芬美国派克汉尼芬 (parker)(parker)德国德国festo(festo)festo(festo)日本日本SMC(smcworld)SMC(smcworld)英国偌冠英国偌冠 （norgren)norgren)2总目录总目录n n绪论绪论n n第一章第一章 流体力学基础流体力学基础n n第二章第二章 液压动力元件液压动力元件 n n第三章第三章 液压执行元件液压执行元件n n第四章第四章 液压控制元件液压控制元件n n第五章第五章 液压辅助元件液压辅助元件n n第六章第六章 液压基本回路液压基本回路n n第七章第七章 典型液压传动系统典型液压传动系统n n第八章第八章 液压伺服和电液比例控制技术液压伺服和电液比例控制技术n n第九章第九章 液压系统的设计与计算液压系统的设计与计算3绪绪 论论一.液压与气压传动的研究对象二.液压与气压传动的工作原理三.液压与气压传动系统的组成四.液压与气压传动的优缺点五.液压与气压传动的应用及发展4一一一一.液压与气压传动的研究对象液压与气压传动的研究对象液压与气压传动的研究对象液压与气压传动的研究对象液压与气压传动是研究以液压与气压传动是研究以有压流体有压流体（压力油或压缩空气压力油或压缩空气）为能源介）为能源介质，来实现各种机械的传动和自动控制的学科。液压与气压传动实现传动质，来实现各种机械的传动和自动控制的学科。液压与气压传动实现传动和控制的方法是基本相同的，它们都是利用各种元件组成所需要的各种控和控制的方法是基本相同的，它们都是利用各种元件组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成能完成一定控制功能的传动系统来进行制回路，再由若干回路有机组合成能完成一定控制功能的传动系统来进行能量的传递、转换与控制。能量的传递、转换与控制。液压传动所用的工作介质为液压传动所用的工作介质为液压油液压油或其它合成液体，气压传动所用的或其它合成液体，气压传动所用的工作介质为工作介质为空气空气，由于这两种流体的性质不同，所以液压传动和气压传动，由于这两种流体的性质不同，所以液压传动和气压传动又各有其特点。液压传动传递又各有其特点。液压传动传递动力大动力大，运动平稳，但由于液体粘性大，在，运动平稳，但由于液体粘性大，在流动过程中流动过程中阻力损失大阻力损失大，因而不宜作远距离传动和控制；而气压传动由于，因而不宜作远距离传动和控制；而气压传动由于空气的可压缩性大，且工作压力低（空气的可压缩性大，且工作压力低（通常在通常在1.0MPa1.0MPa以下以下），所以传递），所以传递动动力不大力不大，运动也不如液压传动平稳，但空气粘性小，传递过程中，运动也不如液压传动平稳，但空气粘性小，传递过程中阻力小阻力小、速度快、反应灵敏，因而气压传动能用于速度快、反应灵敏，因而气压传动能用于远距离远距离的传动和控制。的传动和控制。5二二二二.液压与气压传动的工作原理液压与气压传动的工作原理液压与气压传动的工作原理液压与气压传动的工作原理 液压与气压传动的基本工液压与气压传动的基本工作原理是相似的，现以图作原理是相似的，现以图0 01 1所示的液压千斤顶来简述液压所示的液压千斤顶来简述液压传动的工作原理。由图传动的工作原理。由图001a1a可知，大缸体可知，大缸体99和大活塞和大活塞88组组成举升液压缸成举升液压缸。杠杆手柄。杠杆手柄11、小缸体小缸体22、小活塞、小活塞33、单向阀、单向阀 44和和77组成手动液压泵。如提组成手动液压泵。如提起手柄使小活塞向上移动，小起手柄使小活塞向上移动，小活塞下端油腔容积增大，形成活塞下端油腔容积增大，形成局部真空，这时单向阀局部真空，这时单向阀44打开打开通过吸油管通过吸油管5 5从油箱从油箱1212中吸油；中吸油；用力压下手柄用力压下手柄，小活塞下移，小活塞下移，小活塞下腔压力升高，单向阀小活塞下腔压力升高，单向阀4 4关闭，单向阀关闭，单向阀7 7打开，下腔的油打开，下腔的油液经管道液经管道6 6输入大缸体输入大缸体9 9的下腔，的下腔，迫使大活塞迫使大活塞8 8向上移动，顶起重向上移动，顶起重物。再次提起手柄吸油时，举升缸下腔的压力油将力图倒流入手动泵内，但此时单向阀物。再次提起手柄吸油时，举升缸下腔的压力油将力图倒流入手动泵内，但此时单向阀77自动关闭，使油液不自动关闭，使油液不能倒流，从而能倒流，从而 保证了重物不会自行下落保证了重物不会自行下落。不断地往复扳动手柄。不断地往复扳动手柄，就能不断地把，就能不断地把 油液压入举升缸下腔，使重物油液压入举升缸下腔，使重物逐渐地升起。如果打开截止阀逐渐地升起。如果打开截止阀1111，举升缸下腔的油液通过管道，举升缸下腔的油液通过管道1010、阀、阀1111流回油箱，大活塞在重物和自重作用流回油箱，大活塞在重物和自重作用下向下移动，回到原始位置。下向下移动，回到原始位置。61.1.力比例关系力比例关系图图0 01b1b为液压千斤顶的简化模型，据此可分析两活塞之间的为液压千斤顶的简化模型，据此可分析两活塞之间的力比例关系力比例关系、运动关系运动关系和和功率关系功率关系。当大活塞上有重物负载当大活塞上有重物负载WW时，时，大活塞下腔的油液就将产生一定的大活塞下腔的油液就将产生一定的压力压力 p p，p p=WW/A A2 2。根据帕斯卡原。根据帕斯卡原理理“在密闭容腔内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到液压各点在密闭容腔内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到液压各点”。因而要顶起大活塞及其重物负载因而要顶起大活塞及其重物负载WW，在小活塞下腔就必须要产生一个等值的，在小活塞下腔就必须要产生一个等值的压力压力p p，也就是说小活塞上必须施加力，也就是说小活塞上必须施加力F F1 1,F F1 1=pA=pA1 1,因而有因而有ppF F1 1/A/A1 1=W/A=W/A2 2或或 W/FW/F1 1=A=A2 2/A/A1 1（0 01 1）由由 式（式（0 01 1）可知，当负载）可知，当负载 WW增大时，流体工作压力增大时，流体工作压力p p也要随之增大，也要随之增大，亦即亦即 F F1 1要随之增大；反之，若负载要随之增大；反之，若负载WW很小，流体压力就很低，很小，流体压力就很低，F F1 1也就很小。也就很小。由此建立了一个很重要的基本概念，即在液压和气压传动中工作压力取决于由此建立了一个很重要的基本概念，即在液压和气压传动中工作压力取决于负载，而与流入的流体多少无关。负载，而与流入的流体多少无关。72.2.运动关系运动关系如果不考虑液体的可压缩性、漏损和缸体、油管的变形，从图如果不考虑液体的可压缩性、漏损和缸体、油管的变形，从图0 01 1b b可可以看出，被小活塞压出的油液的体积必然等于大活塞向上升起后大缸扩大的以看出，被小活塞压出的油液的体积必然等于大活塞向上升起后大缸扩大的体积。即体积。即A A1 1h h1 1=A=A2 2h h2 2 或或h h2 2/h/h1 1=A=A1 1/A/A2 2（0 02 2）从式（从式（0 02 2）可知，两活塞的位移和两活塞的面积成反比，）可知，两活塞的位移和两活塞的面积成反比，将将A A1 1h h1 1 A A2 2h h2 2 两端同除以活塞移动的时间两端同除以活塞移动的时间t t得得A A1 1h h1 1/t=A/t=A2 2h h2 2/t/t即即v v2 2/v/v1 1=A=A1 1/A/A2 2（0 03 3）式中式中v v1 1、v v2 2分别为小活塞和大活塞的运动速度。分别为小活塞和大活塞的运动速度。8从式（从式（0 03 3）可以看出，活塞的运动速度和活塞的作用面积成反比。）可以看出，活塞的运动速度和活塞的作用面积成反比。Ah/tAh/t的物理意义是单位时间内液体流过截面积为的物理意义是单位时间内液体流过截面积为A A的某一截面的体积，称的某一截面的体积，称为流量为流量q q，即，即q=Avq=Av因此，因此，A A1 1v v1 1=A=A2 2v v2 2（0 04 4）如果已知进入缸体的流量如果已知进入缸体的流量q q，则活塞的运动速度为，则活塞的运动速度为v=q/Av=q/A（0 05 5）调节进入缸体的流量调节进入缸体的流量 q q，即可调节活塞的运动速度，即可调节活塞的运动速度v v，这就是液压与，这就是液压与气压传动能实现无级调速的基本原理。从式（气压传动能实现无级调速的基本原理。从式（0 05 5）可得到另一个重要）可得到另一个重要的基本概念。即活塞的运动速度取决于进入液压（气压）缸（马达）的的基本概念。即活塞的运动速度取决于进入液压（气压）缸（马达）的流量，而与流体压力大小无关。流量，而与流体压力大小无关。93.3.功率关系功率关系由式（由式（0 01 1）和式（）和式（0 03 3）可得）可得F F1 1v v1 1=Wv=Wv2 2（0 06 6）式（式（0 06 6）左端为输入功率，右端为输出功率，这说明在不计损失的情况）左端为输入功率，右端为输出功率，这说明在不计损失的情况下输入功率等于输出功率，由式（下输入功率等于输出功率，由式（0 06 6）还可得出）还可得出P=pAP=pA1 1v v1 1=pA=pA2 2v v2 2=pq=pq（0 07 7）由式（由式（0 07 7）可以看出，液压与气压传动中的功率）可以看出，液压与气压传动中的功率P P可以用压力可以用压力p p和流量和流量q q的乘积来表示，压力的乘积来表示，压力p p和流量和流量q q式流体传动中最基本、最重要的两个参数，式流体传动中最基本、最重要的两个参数，它们相当于机械传动中的力和速度，它们的乘积即为功率。它们相当于机械传动中的力和速度，它们的乘积即为功率。从以上分析可知，液压传动和气压传动是以流体的压力能来传递动从以上分析可知，液压传动和气压传动是以流体的压力能来传递动力的。力的。10三三三三.液压与气压传动系统的组成液压与气压传动系统的组成液压与气压传动系统的组成液压与气压传动系统的组成左图（动画）所示为机床工作台液压系统的工作原理图（慢速左移）。活塞的移动速度由节流阀来调节。节流阀口开大，进入液压缸的油液增多，活塞的移动速度增大；节流阀口关小时，进入液压缸的油液减小，活塞的移动速度减小。液压泵输出的多余油液需经溢流阀和回油管排回油，这只有在压力支管中的油液压力对溢流阀钢球的作用力等于或略大于溢流阀中弹簧的预紧力时，油液才能顶开溢流阀中的钢球流回油箱。为克服活塞所受到的各种阻力，液压缸必须产生一个足够大的推力，这个推力是由液压缸中的油液压力产生的。要克服的阻力越大，液压缸中的油液压力越高；反之压力就越低。图1-2机床工作台液压传动系统11 右图所示右图所示为一可完成某为一可完成某程序动作的气程序动作的气压系统的组成压系统的组成原理图，其中原理图，其中的控制装置是的控制装置是由若干气动元由若干气动元件组成的气动件组成的气动逻辑回路。它逻辑回路。它可以根据气缸可以根据气缸活塞杆的始末活塞杆的始末位置，由行程开关等传递信号，在作出下一步的动作，从而实位置，由行程开关等传递信号，在作出下一步的动作，从而实现规定的自动工作循环。现规定的自动工作循环。12 由上面的例子可以看出，液压与气压传动系统主要由以下几个部分由上面的例子可以看出，液压与气压传动系统主要由以下几个部分组成：组成：（1 1）能源装置）能源装置把机械能转换成流体的压力能的装置，一般最常见的是把机械能转换成流体的压力能的装置，一般最常见的是液压泵或空气压缩机。液压泵或空气压缩机。（2 2）执行装置）执行装置把流体的压力能转换成机械能的装置，一般指液（气）把流体的压力能转换成机械能的装置，一般指液（气）压缸或液（气）压马达。压缸或液（气）压马达。（3 3）控制调节装置）控制调节装置对液（气）压系统中流体的压力、流量和流动方向对液（气）压系统中流体的压力、流量和流动方向进行控制和调节的装置。如溢流阀、节流阀、换向阀等。进行控制和调节的装置。如溢流阀、节流阀、换向阀等。（4 4）辅助装置）辅助装置指除以上三种以外的装置，如油箱、过滤器、分水滤气指除以上三种以外的装置，如油箱、过滤器、分水滤气 器、油雾器、蓄能器等，它们对保证液（器、油雾器、蓄能器等，它们对保证液（气气）压系统可靠和稳定地工作）压系统可靠和稳定地工作有重大作用。有重大作用。（5 5）传动介质）传动介质传递能量的流体，即液压油或压缩空气。传递能量的流体，即液压油或压缩空气。13流体传动流体传动体体现机电液一体化现机电液一体化电子是神经，液压是肌肉，机械是骨头。14四四.液压与气压传动的优缺液压与气压传动的优缺点点15161718五五.液压与气压传动的应用及发液压与气压传动的应用及发展展19液压与气动电子课件液压与气动电子课件第一章第一章 绪论绪论20液压与气动电子课件液压与气动电子课件第一章第一章 绪论绪论液压挖掘机液压挖掘机21液压与气动电子课件液压与气动电子课件第一章第一章 绪论绪论22液压与气动电子课件液压与气动电子课件第一章第一章 绪论绪论23液压与气动电子课件液压与气动电子课件第一章第一章 绪论绪论24液压与气动电子课件液压与气动电子课件第一章第一章 绪论绪论25液压与气动电子课件液压与气动电子课件第一章第一章 绪论绪论26液压与气动电子课件液压与气动电子课件第一章第一章 绪论绪论27液压与气动电子课件液压与气动电子课件第一章第一章 绪论绪论28注塑机械机床（全自动六角车床）29桥 梁 检 修 机 械 30防 洪 闸 门 及 堤 坝 装 置 31巨 型 天 线 32甲 板 起 重 机 械 33气压传动的应用气压传动的应用34自 动 水 果 分 类 机 35汽车组装线自动激光唱片拾放装置自动糖果包装机36自 动 汽 车 清 洗 机 自动空气喷射织布机 压 烫 机 37 液压与气压传动发展液压与气压传动发展液压与气压传动发展液压与气压传动发展如果从如果从1717世纪帕斯卡提出静压传递原理、世纪帕斯卡提出静压传递原理、1818世纪英国制成世界第一世纪英国制成世界第一台水压机算起，液压传动台水压机算起，液压传动已有二百多年的历史。但已有二百多年的历史。但是由于当时没有成熟的液是由于当时没有成熟的液压传动技术和液压元件，压传动技术和液压元件，因此它没有得到普遍的应因此它没有得到普遍的应用。随着科学技术的不断用。随着科学技术的不断发展，各行各业对传动技发展，各行各业对传动技术有了进一步的需求。特术有了进一步的需求。特别是在第二次世界大战期别是在第二次世界大战期间，由于军事上迫切地需间，由于军事上迫切地需要反应快、重量轻、功率要反应快、重量轻、功率大的各种武器装备，而液压传动技术正好具有这方面的优势，所以获得大的各种武器装备，而液压传动技术正好具有这方面的优势，所以获得了较快的发展。在战后的了较快的发展。在战后的5050年中，液压传动技术迅速地扩展到其他各个年中，液压传动技术迅速地扩展到其他各个部门，并得到了广泛的应用。部门，并得到了广泛的应用。38School of Mechanical Engineering 液压与气动技术液压与气动技术的进展的进展19191919世纪世纪世纪世纪 由于要使用原油炼制品来作为传动介质，近代液压传动是由由于要使用原油炼制品来作为传动介质，近代液压传动是由1919世纪崛起并蓬勃发展的石油工世纪崛起并蓬勃发展的石油工业推动起来的。业推动起来的。二战期间二战期间二战期间二战期间最早实践成功的液压传动装置是第二次世界大战期间舰艇上的炮塔转位器，在一些兵器上用最早实践成功的液压传动装置是第二次世界大战期间舰艇上的炮塔转位器，在一些兵器上用上了功率大、反应快、动作准的液压传动和控制装置，大大提高了兵器的性能，也大大促进上了功率大、反应快、动作准的液压传动和控制装置，大大提高了兵器的性能，也大大促进了液压技术的发展。了液压技术的发展。二战之后二战之后二战之后二战之后液压技术迅速转向民用，并随着各种标准的不断制订和完善，各类元件的标准化、规格化、液压技术迅速转向民用，并随着各种标准的不断制订和完善，各类元件的标准化、规格化、系列化而在机械制造、工程机械、农业机械、汽车制造等行业中推广开来。系列化而在机械制造、工程机械、农业机械、汽车制造等行业中推广开来。20202020世纪世纪世纪世纪60606060年代后年代后年代后年代后原子能技术、空间技术、计算机技术（微电子技术）等的发展再次将液压技术推向前进，使原子能技术、空间技术、计算机技术（微电子技术）等的发展再次将液压技术推向前进，使它在国民经济的各方面都得到了应用。液压传动在某些领域内甚至已占有压倒性的优势。它在国民经济的各方面都得到了应用。液压传动在某些领域内甚至已占有压倒性的优势。湖北工业大学机械工程学院湖北工业大学机械工程学院School of Mechanical Engineering 绪论绪论绪论绪论液压与气压传动液压与气压传动我国的液压工业我国的液压工业开始于上世纪开始于上世纪开始于上世纪开始于上世纪50505050年代年代年代年代，其产品最初只用于机床和锻压设备，后来才，其产品最初只用于机床和锻压设备，后来才用到拖拉机和工程机械上。用到拖拉机和工程机械上。自从自从1964196419641964年年年年从国外引进一些液压元件生产技术，同时进行自行设计液压产品以来，从国外引进一些液压元件生产技术，同时进行自行设计液压产品以来，我国的液压件生产已从低压到高压形成系列，并在各种机械设备上得到了广泛的使我国的液压件生产已从低压到高压形成系列，并在各种机械设备上得到了广泛的使用。用。20202020世纪世纪世纪世纪80808080年代起年代起年代起年代起更加速了对国外先进液压产品和技术的有计划引进、消化、吸收和更加速了对国外先进液压产品和技术的有计划引进、消化、吸收和国产化工作，确保了我国的液压技术能在产品质量、经济效益、研究开发等各个方国产化工作，确保了我国的液压技术能在产品质量、经济效益、研究开发等各个方面全方位地赶上世界水平。面全方位地赶上世界水平。当前，液压技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声、经久耐用、高度集当前，液压技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声、经久耐用、高度集成化等各项要求方面都取得了重大的进展，在完善成化等各项要求方面都取得了重大的进展，在完善比例控制比例控制比例控制比例控制、伺服控制伺服控制伺服控制伺服控制、数字控制数字控制数字控制数字控制等技术上也有许多新成就。此外，在液压元件和液压系统的等技术上也有许多新成就。此外，在液压元件和液压系统的计算机辅助设计计算机辅助设计计算机辅助设计计算机辅助设计、计算计算计算计算机仿真和优化机仿真和优化机仿真和优化机仿真和优化以及以及微机控制微机控制微机控制微机控制等开发性工作方面，日益显示出显著的成绩。等开发性工作方面，日益显示出显著的成绩。湖北工业大学机械工程学院湖北工业大学机械工程学院 目前，液压与气压传动分别在实现高压、高速、目前，液压与气压传动分别在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声、长寿命、高度集成化、小大功率、高效率、低噪声、长寿命、高度集成化、小 型化与轻量化、一体化、执行件柔性化等方面取得了型化与轻量化、一体化、执行件柔性化等方面取得了 很大的进展很大的进展 。同时，由于它与微电子技术密切配合，能在尽可能小。同时，由于它与微电子技术密切配合，能在尽可能小的空间内传递出尽可能大的功率并加以的空间内传递出尽可能大的功率并加以 准确地控制，从而更使得它在各行各业中发挥出了巨准确地控制，从而更使得它在各行各业中发挥出了巨 大作用。大作用。41液压与气压传动液压与气压传动第第1 1章章 液压传动基础知识液压传动基础知识 第第1 1章章 液压传动基础知识液压传动基础知识 1.1 液压传动工作介质 1.2 液体静力学 1.3 液体动力学 1.4 定常管流的压力损失计算 1.5 孔口和缝隙流动 1.6 空穴现象 1.7 液压冲击1.1 液压传动工作介质液压传动工作介质一、液压油的物理性质液压油是液压传动的工作介质，同时还起润滑、防腐、防锈及冷却作用。液压油的主要物理性质包括液压油的密度、可压缩性和粘性。1.1 液压传动工作介质液压传动工作介质1、密度v单位体积液体的质量称为液体的密度，即v液压油的密度随温度的上升有所减小，随压力的提高有所增加，但变动很小，可以认为是常值。v我国采用20时的密度，作为油液的标准密度20，如表1-1。表表1-1 1-1 常用工作介质的密度常用工作介质的密度1.1 液压传动工作介质液压传动工作介质2、可压缩性用体积压缩系数 和体积弹性模量来衡量。v体积压缩系数：单位压力变化下的体积相对变化量。v体积弹性模量：简称体积模量，其值为体积压缩系数的倒数。v压力为p0、体积为V0的液体，若压力增大p 时体积减小V，则此液体 体积压缩系数和体积模量分别为：1.1 液压传动工作介质液压传动工作介质2、可压缩性v液压油的体积模量随温度的上升而减小，随压力的增大而增大。v当液压油中混有气泡时，值将大大减小。v液压油的可压缩性对液压系统的动态性能影响较大；但对于动态性能 要求不高、仅考虑静态（稳态）下工作的液压系统，一般不予考虑。表表1-2 1-2 各种液压传动工作介质的体积模量（各种液压传动工作介质的体积模量（2020，大气压），大气压）1.1 液压传动工作介质液压传动工作介质3、粘性v1）定义v液体在外力作用下流动时，分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产生的一种内摩擦力，这种现象叫做液体的粘性。液体的粘性用粘度来衡量。v静止液体是不会有粘性的，流体才会呈现出粘性。v粘性是液压油最重要的物理性能，粘度是选择液压油时考虑的首要因素。v2）牛顿的液体内摩擦定律v实验测定指出，液体流动时相邻液层间的 内摩擦力Ft 与液层接触面积A液层间的 速度梯度du/dy成正比，还与液体种类有关。即1.1 液压传动工作介质液压传动工作介质3、粘性v3）动力粘度v指流体在单位速度梯度下流动时，单位面积上产生的内摩擦力。v它是一种绝对粘度，其值与液体种类有关，单位为Pa.s。v4）运动粘度v它是一种相对粘度，习惯上常用它来标志液体粘度。单位为m2/s。v液压传动工作介质的粘度是以40时运动粘度（以mm2/s）的中心值来划分的，如某一种牌号L-HL22 普通液压油在40时运动粘度的中心值为22mm2/s。v5）粘度随温度的上升而减小（很敏感），随压力的增大而增大（可忽略不计）。1.1 液压传动工作介质液压传动工作介质二、对液压油的要求 液压油是液压系统中十分重要的组成部分，如果说液压泵是液压系统的心脏，那么液压油就是液压系统的血液。液压油在液压系统中要完成传递能量和信号，润滑元件和轴承，减少摩擦和磨损，密封对偶摩擦副中的间隙，减少泄露、散热、防锈、传输、分离和沉淀系统中的非可溶性污染物质，为元件和系统失效提供和传递诊断信息等一系列重要功能。1.1 液压传动工作介质液压传动工作介质二、对液压油的要求1）合适的粘度，较好的粘温特性。粘度随温度变化越小越好。2）润滑性能好。即油液润滑时产生的油膜强度高，以免产生干摩擦。3）质地纯净，杂质少。不应含有杂质，以免刮伤表面。4）对金属和密封件有良好的相容性。不应含有腐蚀性物质，以免侵蚀机件和密封元件。5）对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性。防止油液氧化后变酸性腐蚀金属表面。6）抗泡沫好，抗乳化性好，腐蚀性小，防锈性好。7）体积膨胀系数小，比热容大。8）流动点和凝固点低，闪点(明火能使油面上油蒸气闪燃，但油本身不燃烧时的温度和燃点高。9）对人体无害，成本低。10）与产品和环境兼容。液压系统不可能完全避免泄露，泄露的液压油不应对产品造成严重的污 染与损坏；另一方面，目前国际上对保护人类生态环境的要求越来越高，要求液压油与环境兼 容，泄露后不会对环境造成污染。1.1 液压传动工作介质液压传动工作介质三、液压系统的污染控制1、污染的根源u已被污染的新油v新油在储存和运输过程中受到储油罐、管道和油桶的污染，其污染物为灰尘、砂土、锈垢、水分和其他液体等。u残留污染v指液压系统和液压元件在装配和清洗过程中的残留物，如毛刺、切屑、型砂、涂料、焊渣等。u侵入污染v由于油箱密封不完善以及元件密封装置损坏由系统外部侵入的污染物。u生成污染v指液压系统运行过程中系统自身所生成的污染物。既有元件磨损剥离、被冲刷和腐蚀的金属颗粒或橡胶末，又有油液老化产生的污染物。1.1 液压传动工作介质液压传动工作介质2、污染引起的危害 液压系统的故障有75%以上是由工作介质的污染引起的。u突发失效v当大颗粒进入液压泵或液压阀时，可能使液压泵或液压阀卡死，引起突发失效。u退化失效v当小颗粒与元件表面相互作用时，会产生磨粒磨损和表面疲劳。这会加速元件磨损、使内漏增加、降低液压元件的效率和精度，最终引发不可恢复的退化失效。u振动、噪声和爬行现象v当颗粒、污染物和油液氧化变质产生的粘性胶质堵塞过滤器，会使液压泵运转困难，产生噪声。v当水分和空气混入时，会使液压油的润滑性能降低，并加速其氧化变质，产生气蚀，液压系统出现振动和爬行现象。1.1 液压传动工作介质液压传动工作介质3、污染的控制u对元件和系统进行清洗，清除在加工和组装过程中残留的污染物。u防止污染物从外界侵入v油箱呼吸孔上应装设高效的空气过滤器或采用密封油箱。v液压油应通过过滤器注入系统，活塞杆端应装防尘密封。u控制液压油的温度v液压油温度过高会加速其氧化变质，产生各种污染物，缩短使用期限。u定期检查和更换工作介质1.2 液体静力学液体静力学液体静力学主要讨论液体静止时的平衡规律以及这些规律的应用。所谓“液体静止”，指的是液体内部质点间没有相对运动，不呈粘性，至于盛装液体的容器，不论是静止、匀速、匀加速运动都没关系。1.2 液体静力学液体静力学一、液体静压力及其特性1、液体静压力v当液体静止时，液体质点间没有相对运动，不存在摩擦力，所以静止液体的表面 只有法向力。2、液体静压力的特性v液体静压力垂直于作用表面，其方向和该面的内法线方向一致；v静止液体内任一点所受的静压力在各个方向上都相等。1.2 液体静力学液体静力学二、液体静压力基本方程形式一：v1)静止液体内任一点处的压力由两部分组成。v2)同一容器中同一液体内的静压力随液体深度的增加而线性增加。v3)连通器内同一液体中深度相同的各点压力都相等。由压力相等的点组成的面称为等压面。重力作用下静止液体中的等压面是一个水平面。1.2 液体静力学液体静力学二、液体静压力基本方程形式二：v静止液体中单位质量液体的压力能和位能可以互相转换，但各点的总能量却保持不变，即能量守恒。1.2 液体静力学液体静力学三、压力的表示方法及单位1、压力的表示方法v绝对压力：以绝对真空作为基准v相对压力：以大气压力作为基准v表压：是由测压仪表所测得的压力。指绝对压力比大气压大的那部分数值。v真空度：指绝对压力比大气压小的那部分数值。1.2 液体静力学液体静力学2、压力的单位vPa 1Pa=1N/m2vMPa 1MPa=106Pavat（工程大气压）1at=1kgf/cm2=9.8104N/m2vmH2O 1mH2O=9.8103N/m2vmmHg 1mmHg=13.3102N/m2vbar（巴）1bar=105N/m21.2 液体静力学液体静力学四、液体静压力对固体壁面的作用力 在液压传动计算中静压力处处相等，可认为作用于固体壁面上的压力是均匀分布的。固体壁面上各点在某一方向上所受静压作用力的总和，便是液体在该方向上作用于固体壁面的力。u当固体壁面是一个平面时，u当固体壁面是一个曲面时，1.3 液体动力学液体动力学 在液压传动中，液压油总是在不断的流动着的，因此必须研究液体运动时的现象和规律。本节主要介绍三个基本方程流量连续性方程、伯努利方程和动量方程，这三个方程是刚体力学中质量守恒、能量守恒和动量守恒在流体力学中的具体体现，前两个用来解决压力、流速和流量之间的关系，后一个则用来解决流动液体与固体壁面之间的相互作用力问题。1.3 液体动力学液体动力学一、基本概念一、基本概念流线如图流线如图a a所示。所示。流束如图流束如图b b所示，定常流动时，流管和流束形状不变。所示，定常流动时，流管和流束形状不变。通流截面通流截面,如图如图c c的的A A面和面和B B面，截面上的每点处的流动速度都垂直于这个面。面，截面上的每点处的流动速度都垂直于这个面。1.3 液体动力学液体动力学1.3 液体动力学液体动力学二、基本方程二、基本方程1、流量连续性方程v它是质量守恒定律在流动液体中的表现形式。如果液体作定常流动，且不可压缩，那么任取一流管，两端通流截面面积为A1 和 A2，在流管中取一微小流束，流束两端的截面积分别为dA1和dA2，速度分别为 u1和u2。根据质量守恒定律，在dt时间内流人此微小流束的质量应等于从此微小流束流出的质量，故有 对整个流管，显然是微小流束的集合，由上式积分得如用平均速度表示，有由于两通流截面是任意取的，故有v上式称为不可压缩液体作定常流动时的连续性方程。v它说明：通过流管任一通流截面的流量相等；当流量一定时，流速和通流截面面积成反比。1.3 液体动力学液体动力学二、基本方程二、基本方程2、伯努利方程 它是能量守恒定律在流动液体中的表现形式。uu1 1）理想液体的伯努利方程理想液体的伯努利方程 上式表明理想液体作定常流动时，液流中任意截面处单位质量液体的总能上式表明理想液体作定常流动时，液流中任意截面处单位质量液体的总能量由压力能（量由压力能（p/p/）位能（位能（gzgz）和动能（）和动能（u u2 2 /2 /2）组成，三者之间可互相转化，）组成，三者之间可互相转化，但总和为一定值。但总和为一定值。1.3 液体动力学液体动力学uu2 2）实际液体的伯努利方程实际液体的伯努利方程 理想液体的伯努利方程修正成实际液体的伯努利方程，考虑了两点：理想液体的伯努利方程修正成实际液体的伯努利方程，考虑了两点：vv1 1）液体在流动过程中存在能量损失）液体在流动过程中存在能量损失ghghw w。实际液体是有粘性的，在流动过程中粘性摩擦力会消耗一部分能量。同时，管实际液体是有粘性的，在流动过程中粘性摩擦力会消耗一部分能量。同时，管 道形状的变化会使液体产生扰动，也要消耗能量。这些能量最终变成热量损失掉了。道形状的变化会使液体产生扰动，也要消耗能量。这些能量最终变成热量损失掉了。vv2 2）用通流截面的平均流速）用通流截面的平均流速v v取代微元体的流速取代微元体的流速u u，引入动能修正系数。，引入动能修正系数。式中，式中，1 1、2 2分别为截面分别为截面A A1 1、A A2 2上的动能修正系数；上的动能修正系数；gh ghw w为单位质量液体从截面为单位质量液体从截面A A1 1流到截面流到截面A A2 2过程中的能量损耗。过程中的能量损耗。1.3 液体动力学液体动力学二、基本方程二、基本方程3、动量方程v它是动量守恒定律在流动液体中的表现形式。v液体作用在固体壁面上的力，用动量定理来求解比较方便。v方程左边为作用于控制体积内液体上的所有外力的总和，右边为流出控制表面和流入控制表面时的动量变化率，称为稳态力。v控制体积是被通流截面A-A和B-B所限制的液体体积。v式中为动量修正系数，当液流为层流时=1.33；湍流时=1。v上式为矢量表达式，在应用时可根据问题的具体要求向指定方向投影，列出该指定方向的动量方程，从而可求出作用力在该方向上的分量，然后加以合成。1.4 定常管流的压力损失计算定常管流的压力损失计算一、流态、雷诺数一、流态、雷诺数1、流态 19世纪末，英国科学家雷诺发明了流态。v层流时，液体的流动呈线性或层状，且平行于管道轴线。此时，液体流速 较低，质点受粘性制约，不能随意运动，粘性力起主导作用。v湍流时，液体的运动杂乱无章，除了平行于管道轴线，还存在剧烈的横向 运动。此时，流体流速较高，粘性的制约作用减弱，惯性力起主导作用。1.4 定常管流的压力损失计算定常管流的压力损失计算一、流态、雷诺数一、流态、雷诺数2、雷诺数雷诺通过大量实验发现，流态与平均流速、管径和运动粘度有关。u对于圆形截面管道，u对于非圆形截面管道，其中Re称为雷诺数，无量纲；R为通流截面的水力半径，R=A/,A为液流的有效截面积，为湿周，即 通流截面上与液体接触的固体壁面的周长。1.4 定常管流的压力损失计算定常管流的压力损失计算 一、流态、雷诺数一、流态、雷诺数u流态由雷诺数来判别：当液流实际流动时的Re小于临界Re时，液流为层流，反之则为紊流。1.4 定常管流的压力损失计算定常管流的压力损失计算 二、液体在直管中流动时的压力损失二、液体在直管中流动时的压力损失1、液体作层流运动时在通流截面上的速度分布规律1.4 定常管流的压力损失计算定常管流的压力损失计算 二、液体在直管中流动时的压力损失二、液体在直管中流动时的压力损失2、沿程压力损失 指液体在直管中流动时的压力损失，是由液体的粘性摩擦引起的。其中沿程阻力系数，理论值为64/Re，实际值为：层流时，金属圆管=75/Re，橡胶管=80/Re；湍流时查表1-9。1.4 定常管流的压力损失计算定常管流的压力损失计算 二、液体在直管中流动时的压力损失二、液体在直管中流动时的压力损失3、局部压力损失 指液体流经阀口、弯管、通流截面变化等局部阻力处所引起的压力损失。其中局部阻力系数，各种局部装置结构的是由实验测定的，可查液压传动手册。4、管路系统中的总压力损失 管路通常由多段内径或长度不同的管道首尾相接而成，管路上的管接头、弯管等构件也不止一个，因此，1.5 孔口和缝隙流动孔口和缝隙流动 一、孔口液流特性一、孔口液流特性 速度取决于流量，通过节流阀调节流量可以得到不同的速度。但是，要得到稳定的速度，就要得到稳定的流量。因此需要研究油液流经各种节流孔口时的流量特性。按管路的长径比l/d，小孔可分为：1）薄壁小孔 l/d0.52）短孔 0.5l/d43）细长小孔 l/d 41.5 孔口和缝隙流动孔口和缝隙流动 1、流经薄壁小孔 液体流经薄壁小孔时，液体质点突然加速，流出小孔后，在惯性力作用下，液流会先形成一个收缩截面，然后再扩散，这一过程造成能量损失。取通流截面1-1和收缩截面2-2，列伯努利方程：油液流经薄壁小孔的流量：其中，Cd为小孔流量系数，由实验确定。1.5 孔口和缝隙流动孔口和缝隙流动 2、流经细长小孔 液体流经细长小孔时，一般为层流状态，可直接用直管流量公式来计算：为了分析方便，将薄壁小孔和细长小孔的流量计算公式一并用下式表示：1.5 孔口和缝隙流动孔口和缝隙流动比较分析u液体流经薄壁小孔的流量与液体的粘度无关，而流经细长孔的流量与粘度有关，即受油温变化的影响较大。u当孔口前后的压差发生相同变化时，液体流经薄壁孔的流量变化较小。因此，在液压传动中，常以薄壁小孔作为节流孔。1.5 孔口和缝隙流动孔口和缝隙流动 二、缝隙液流特性二、缝隙液流特性 液压系统是由一些元件、管接头和管道组成的。液压元件的各零件之间要保证正常的相对运动，必须保持一定的间隙。如阀芯和阀体的配合、缸体和活塞的配合、定子和转子的配合，都是间隙配合。由于间隙两端存在压差，运动副之间有相对运动，液体在流动中就存在一定的泄露量。泄露量过大会影响液压元件和系统的正常工作，也会使系统的效率降低。因此，研究液体流经间隙的泄露规律很重要。1.5 孔口和缝隙流动孔口和缝隙流动 1、平行平板的间隙流动 设平板长l，宽b，两平行平板间的间隙h，且lh，bh，液体不可压缩。1）固定平行平板的间隙流动（压差流动）2）两平行平板有相对运动，但无压差（纯剪切流动）3）两平行平板既有相对运动，两端又存在压差可以看出，q正比于正比于h3，因此必须严格控制间隙量，以减小泄露。，因此必须严格控制间隙量，以减小泄露。1.5 孔口和缝隙流动孔口和缝隙流动 2、圆柱环形间隙流动如缸体和活塞之间的间隙、阀体和阀芯的间隙。1）同心环形间隙2）偏心环形间隙（实际间隙）其中，h0为在同心时的间隙量，h0=R-r，e为偏心量，为相对偏心量，=e/h0可以看出，q正比于正比于h3，q正比于正比于e2，因此液压系统中配合零件的尺寸精度和形状精度要求很高。因此液压系统中配合零件的尺寸精度和形状精度要求很高。1.6 空穴现象空穴现象空气分离压空气分离压v油液中都溶解有一定量的空气，油液能溶解的空气量与绝对压力成正比，与温度也有关。v在一定的温度下，当压力低于某一值时，溶解于油液中的空气就成为过饱和状态，过饱和的空气将从油液中分离出来形成气泡，这一压力值称为该温度下的空气分离压。饱和蒸汽压饱和蒸汽压v在一定的温度下，当压力低过空气分离压，并继续下降至某一值时，油液本身迅速汽化，产生大量蒸汽气泡，这一压力值称为该温度下的饱和蒸汽压。一般，饱和蒸汽压远小于空气分离压。因此，要使液压油不产生大量气泡，它的压力最低不得低于液压油所在温度下的空气分离压。1.6 空穴现象空穴现象空穴现象空穴现象v流动的液体，如果压力低于其空气分离压时，原先溶解在液体中的空气就会分离出来，从而导致液体中充满大量的气泡，这种现象称为空穴现象。v如果液体的压力进一步降低，低到饱和蒸气压时，液体本身将汽化，产生更多的蒸气气泡，空穴现象将更加严重。气蚀现象气蚀现象v当油液流经节流口时，根据伯努利方程，v而p，当p低于空气分离压时，溶解在油液中的空气将迅速分离出来变成气泡。这些气泡随着液流离开节流口后，v而p，气泡会因承受不了高压而破灭，产生局部的液压冲击，发出噪声并引起振动。同时气泡破灭产生的局部高温高压及初生态氧会使金属剥落，表面腐蚀，出现海绵状的小洞穴。v一般在节流口的下游常可发现这种腐蚀的痕迹，称为气蚀现象。1.6 空穴现象空穴现象空穴现象的产生和后果空穴现象的产生和后果v当液压泵吸油管太细，吸油管阻力太大，滤网堵塞，或液压泵转速过高时，会使吸油腔压力过低，真空度过大，发生空穴现象。因此空穴多发生在阀口和液压泵的入口处。v空穴现象会使液压泵吸油不足，流量下降，噪声激增，输出流量和压力剧烈波动，系统无法稳定的工作，严重时使泵的机件腐蚀，出现气蚀现象。减少空穴现象的措施减少空穴现象的措施v减小孔口或缝隙前后的压力降。一般p1/p23.5。v降低液压泵的吸油高度，适当加大吸油管直径。对于自吸能力差的液压泵要安装辅助泵供油。v提高零件的抗气蚀能力增加零件的机械强度，采用抗腐蚀能力强的金属材料，提高零件的表面加工质量。1.7 液压冲击液压冲击液压冲击液压冲击 在液压系统中，由于某种原因使液体压力突然产生很高的峰值，这种现象称为液压冲击。v实质是管道中的液体因突然停止运动而导致动能向压力能的瞬变。v液压冲击多发生在阀门突然关闭或运动部件快速制动的场合。液压冲击的后果液压冲击的后果 液压冲击的压力峰值比正常的工作压力高好几倍，且常伴有巨大的振动和噪声，v振动和噪声会影响工件在机床上的加工质量。v会使管道、密封装置或其他液压元件损坏v使某些液压元件（如压力继电器、顺序阀等）产生误动作，导致设备损坏。1.7 液压冲击液压冲击减少液压冲击的措施减少液压冲击的措施v尽量延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间。v在冲击源附近设置蓄能器等缓冲装置，吸收液压冲击的能量。v正确设计阀口，限制管道流速及运动部件速度，使运动部件制动时速度变化比较平稳。例题例题1、液压油的牌号（15，22，32）有什么意义？粘性是液压油最重要的物理性能，因此粘度是选择液压油时考虑的首要因素。目前我国采用液压油40时运动粘度（以mm2/s）的中心值来规定，如32号液压油，在40时运动粘度大约为32mm2/s。2、一台工程机械，夏天在高温下工作，冬天在零下几十度的严寒条件下工 作，应当怎样选择液压油？由于该工程机械工作环境温度变化很大，而液压油的粘度随温度变化，为了使液压油的粘度保持在合适的范围内，在夏季应选用粘度较高的液压油，在冬季则应选用粘度较低的液压油。例题例题例题例题例题例题例题例题例题例题例题例题例题例题1、液压油的牌号（15，22，32）有什么意义？粘性是液压油最重要的物理性能，因此粘度是选择液压油时考虑的首要因素。目前我国采用液压油40时运动粘度（以mm2/s）的中心值来规定，如32号液压油，在40时运动粘度大约为32mm2/s。2、一台工程机械，夏天在高温下工作，冬天在零下几十度的严寒条件下工 作，应当怎样选择液压油？由于该工程机械工作环境温度变化很大，而液压油的粘度随温度变化，为了使液压油的粘度保持在合适的范围内，在夏季应选用粘度较高的液压油，在冬季则应选用粘度较低的液压油。例题例题1、液压油的牌号（15，22，32）有什么意义？粘性是液压油最重要的物理性能，因此粘度是选择液压油时考虑的首要因素。目前我国采用液压油40时运动粘度（以mm2/s）的中心值来规定，如32号液压油，在40时运动粘度大约为32mm2/s。2、一台工程机械，夏天在高温下工作，冬天在零下几十度的严寒条件下工 作，应当怎样选择液压油？由于该工程机械工作环境温度变化很大，而液压油的粘度随温度变化，为了使液压油的粘度保持在合适的范围内，在夏季应选用粘度较高的液压油，在冬季则应选用粘度较低的液压油。例题例题1、液压油的牌号（15，22，32）有什么意义？粘性是液压油最重要的物理性能，因此粘度是选择液压油时考虑的首要因素。目前我国采用液压油40时运动粘度（以mm2/s）的中心值来规定，如32号液压油，在40时运动粘度大约为32mm2/s。2、一台工程机械，夏天在高温下工作，冬天在零下几十度的严寒条件下工 作，应当怎样选择液压油？由于该工程机械工作环境温度变化很大，而液压油的粘度随温度变化，为了使液压油的粘度保持在合适的范围内，在夏季应选用粘度较高的液压油，在冬季则应选用粘度较低的液压油。例题例题1、液压油的牌号（15，22，32）有什么意义？粘性是液压油最重要的物理性能，因此粘度是选择液压油时考虑的首要因素。目前我国采用液压油40时运动粘度（以mm2/s）的中心值来规定，如32号液压油，在40时运动粘度大约为32mm2/s。2、一台工程机械，夏天在高温下工作，冬天在零下几十度的严寒条件下工 作，应当怎样选择液压油？由于该工程机械工作环境温度变化很大，而液压油的粘度随温度变化，为了使液压油的粘度保持在合适的范围内，在夏季应选用粘度较高的液压油，在冬季则应选用粘度较低的液压油。例题例题1、液压油的牌号（15，22，32）有什么意义？粘性是液压油最重要的物理性能，因此粘度是选择液压油时考虑的首要因素。目前我国采用液压油40时运动粘度（以mm2/s）的中心值来规定，如32号液压油，在40时运动粘度大约为32mm2/s。2、一台工程机械，夏天在高温下工作，冬天在零下几十度的严寒条件下工 作，应当怎样选择液压油？由于该工程机械工作环境温度变化很大，而液压油的粘度随温度变化，为了使液压油的粘度保持在合适的范围内，在夏季应选用粘度较高的液压油，在冬季则应选用粘度较低的液压油。