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液压与气压传动复习资料

第一章流体力学基础

第一节：

工作介质

一、液体的粘性

（一）粘性的物理本质

（二）

液体在外力作用下流动时,由于液体分子间的内聚力和液体分子与壁面间的附着力,导致液体分子间相对运动而产生的内摩擦力,这种特性称为粘性，或流动液体流层之间产生内部摩擦阻力的性质。

内摩擦力表达式:

Ff=μAdu/dy

牛顿液体内摩擦定律:

液层间的内摩擦力与液层接触面积及液层之间的速度成正比。

du/dy变化时,μ值不变的液体液压油均可看作牛顿液体。

静止液体不呈现粘性

1、动力粘度μ：

μ=τ·dy/du（N·s/m2）

物理意义：

液体在单位速度梯度下流动时，接触液层间单位面积上内摩擦力

2、运动粘度ν：

动力粘度与液体密度之比值

公式：

ν=μ/ρ（m2/s）单位：

m2/s。

单位中只有长度和时间的量纲，类似运动学的量。

三、液体的可压缩性

1、液体的体积压缩系数（液体的压缩率）

定义：

体积为V的液体，当压力增大△p时，体积减小△V,则液体在单位压力变化下体积的相对变化量

公式:

κ=-1/△p×△V/V0

物理意义：

单位压力所引起液体体积的变化　　　　

2、液体的体积弹性模数

定义:

液体压缩系数的倒数

公式：

K=1/κ=-△pV/△V　　　　

物理意义：

表示单位体积相对变化量所需要的压力增量，也即液体抵抗压缩能力的大小。

一般认为油液不可压缩（因压缩性很小），计算时取：

K=（0.7～1.4）×103MPa。

若分析动态特性或p变化很大的高压系统，则必须考虑

1、粘度和压力的关系：

∵p↑，Ff↑，μ↑

　∴μ随p↑而↑，压力较小时忽略，50MPa以上影响趋于显著

2、粘度和温度的关系：

∵温度↑，Ff↓，μ↓　　　　

∴粘度随温度变化的关系叫粘温特性，粘度随温度的变化较小，即粘温特性较好，常用粘度指数VI来度量，VI高，说明粘—温特性好。

2、选择液压油粘度

慢速、高压、高温：

μ大（以↓△q）

快速、低压、低温：

μ小（以↓△p）

第二节液体静力学

静止液体：

指液体内部质点之间没有相对运动，以至于液体整体完全可以象刚体一样做各种运动。

液体的压力：

液体单位面积上所受的法向力，物理学中称压强，液压传动中习惯称为压力

静止液体特性：

（1）垂直并指向于承压表面

（2）各向压力相等

1、液体静力学基本方程式

物理意义：

静止液体内任何一点具有压力能和位能两种形式，且其总和保持不变，即能量守恒，但两种能量形式之间可以相互转换

绝对压力：

以绝对零压为基准所测测压两基准；相对压力：

以大气压力为基准所测

        关系：

绝对压力=大气压力+相对压力或相对压力（表压）=绝对压力-大气压力

      注  液压传动系统中所测压力均为相对压力即表压力；真空度=大气压力-绝对压力

1、帕斯卡原理（静压传递原理）

在密闭容器内，液体表面的压力可等值传递到液体内部所有各点p=F/A  。

液压系统的工作压力取决于负载，并且随着负载的变化而变化。

第三节流体动力学

第四节

（一）基本概念：

1、理想液体：

既无粘性又不可压缩的液体

定常流动（稳定流动、恒定流动）：

流动液体中任一点的p、u和ρ都不随时间而变化的流动

一维流动：

液体整个作线形流动

2、流线--流场中的曲线；流管--由任一封闭曲线上的流线所组成的表面；流束--流管内的流线群

3、通流截面：

流束中与流线正交的截面，垂直于液体流动方向的截面A

流量：

单位时间内流过某通流截面的液体的体积q

平均流速：

通流截面上各点流速均匀分布（假想）υ

∵q=V/t=Al/t=Au液压缸的运动速度取决于进入液液压缸的流量，并且随着流量的变化而变化。

（二）连续性方程--质量守恒定律在流体力学中的应用

1、连续性原理：

理想液体在管道中恒定流动时，根据质量守恒定律，液体在管道内既不能增多，也不能减少，因此在单位时间内流入液体的质量应恒等于流出液体的质量。

2、连续性方程：

ρ1υ1A1=ρ2υ2A2=q=常数

结论：

液体在管道中流动时，流过各个断面的流量是相等的，因而流速和过流断面成反比。

（三）伯努利方程--能量守恒定律在流体力学中的应用

1，能量守恒定律：

理想液体在管道中稳定流动时，根据能量守恒定律，同一管道内任一截面上的总能量应该相等。

2、理想液体伯努利方程

物理意义：

在密闭管道内作恒定流动的理想液体具有三种形式的能量，即压力能、位能和动能。

在流动过程中，三种能量可以互相转化，但各个过流断面上三种能量之和恒为定值。

3、实际液体伯努利方程

∵实际液体具有粘性

∴液体流动时会产生内摩擦力，从而损耗能量，故应考虑能量损失hw，并考虑动能修正系数α，则：

应用伯努利方程时必须注意的问题：

（1）断面1、2需顺流向选取（否则hw为负值），且应选在缓变的过流断面上。

（2）断面中心在基准面以上时，z取正值；反之取负值。

通常选取特殊位置水平面作为基准面

4，动量定理：

作用在物体上的外力等于物体单位时间内的动量变化量

即∑F=dI/dt=d（mv）/dt

考虑动量修正问题，则有：

∴∑F=ρq（β2v2-β1v1）

X向动量方程    ∑Fx=ρqv（β22x-β1v1x）

X向稳态液动力   F'x=-∑Fx=ρqv（β1v1x-β2v2x）

结论：

作用在滑阀阀芯上的稳态液动力总是力图使阀口关闭

第四节液体流动时的压力损失

∵实际液体具有粘性∴流动中必有阻力，为克服阻力，须消耗能量，造成能量损失（即压力损失）　　

分类：

沿程压力损失、局部局部损失

（一）液体的流动状态

层流：

液体的流动是分层的，层与层之间互不干扰；湍流：

液体的流动不分层，做混杂紊乱流动

判断层流和图湍流：

采用雷诺数圆形管道雷诺数：

Re=vd/

过流断面水力直径：

dH=4A/xx--湿周；水力直径大，液流阻力小，通流能力大。

ReRecr为湍流

雷诺数物理意义：

液流的惯性力对粘性力的无因次之比

（二）沿程压力损失（粘性损失）

定义：

液体沿等径直管流动时，由于液体的粘性摩擦和质点的相互扰动作用而产生的压力损失。

产生原因：

外摩擦--液体与管壁间；内摩擦--因粘性，液体分子间摩擦

1、层流时的沿程压力损失（p41，p42）

1）通流截面上的流速分布规律（p41）

结论：

液体在圆管中作层流运动时，速度对称于圆管中心线并按抛物线规律分布。

2）通过管道的流量

3）管道内的平均流速

4）沿程压力损失:

△pλ=△p=32μlυ/d2

结论：

液流沿圆管作层流运动时，其沿程压力损失与管长、流速、粘度成正比，而与管径的平方成反比。

理论值

64/Re；实际值

75/Re

2、湍流时的沿程压力损失

对于光滑管，当3000

∵湍流运动时，△pλ比层流大∴液压系统中液体在管道内应尽量作层流运动

（三）局部压力损失

定义：

液体流经管道的弯头、接头、突变截面以及阀滤网等局部装置时,液流会产生旋涡，并发生强烈紊动现象，由此而产生的损失称为局部损失。

产生原因：

碰撞、旋涡（突变管、弯管）产生附加摩擦。

附加摩擦--只有紊流时才有，是由于分子作横向运动时产生的摩擦，即速度分布规律改变，造成液体的附加摩擦。

公式：

△pξ=ξρ

/2

（四）管路系统的总压力损失

△p=∑△

+∑△

第五节孔口和缝隙流量

概述：

孔口和缝隙流量在液压技术中占有很重要的地位，它涉及液压元件的密封性，系统的容积效率，更为重要的是它是设计计算的基础，因此，小孔虽小，缝隙虽窄，但其作用却不可等闲视之，宽度一般在0.1mm以下，直径一般在1mm以内

（五）孔口流量 

孔口分类:

薄壁小孔：

； 细长小孔：

l/d>4；短孔：

0.5<

≤4

短孔、细长孔口流量计算

短孔：

        ,Cd=0.82;细长孔口：

结论：

∵q∝△p反比于μ∴流量受油温影响较大（T↑μ↓q↑）

（六）空穴现象和液压冲击

1空穴现象：

液压系统中，由于某种原因（如速度突变），使压力降低而使气泡产生的现象

2液压冲击（水锤、水击）

液压冲击：

液压系统中，由于某种原因（如速度急剧变化），引起压力突然急剧上升，形成很高压力峰值的现象。

应搞清的概念：

ρ、压缩性、测压两基准（绝对  相对）、压力表指示压力（实为表压力或相对压力）、理想液体、稳定流动、流量概念、动量方程之结论、层流、紊流概念、△p沿，△p局产生原因，小孔类型、缝隙类型。

应记住的公式、概念和结论：

粘度、粘温特性、静力学基本方程及静压两个特性、压力表达式（p=F/A）及结论、液压力公式（F=pA）曲面A受力的计算、速度公式（v=q/A）及结论、连续性方程及结论、伯努利方程及物理意义、雷诺数表达式、薄壁小孔流量公式及特点。

第二、三章液压泵及液压马达

一、液压泵概念

1、定义：

将原动机输入的机械能转换为液体的压力能向系统供油。

2、液压泵基本工作条件（必要条件）：

（1）形成密封容积  ；

（2）密封容积变化；（3）吸压油口隔开

3、液压泵按结构形式分类:

齿轮式、叶片式、柱塞式

二、液压泵性能参数

1、排量和流量

（1） 排量V——在没有泄露的情况下，泵每转一周所排出的液体体积

（2） 理论流量qt——不考虑泄露的情况下，单位时间内qt=Vn（V是排量n是转速）

（3） 实际流量q——指泵工作时实际输出的流量q=qt-Δq（Δq是泄露流量）

2、功率

理论功率——Pt=Δqpt

输入功率——即泵轴的驱动功率PI=ωT=2πnT（ω是角速度T是转矩）

输出功率——

=Δpq

结论：

液压传动系统中，液体所具有的功率，即液压功率等于压力和流量的乘积。

3、容积效率——液压泵实际流量与理论流量的比值

ηv=q/qt

机械效率——理论转矩与实际输入转矩之比值

总效率——泵的输出功率与输入功率之比值

结论：

泵的总效率等于容积效率与机械效率之乘积。

4、效率（液压泵和液压马达）

主要性能参数的计算

液压泵

液压马达

理论流量

qpt=vp*n

qmt=vm*n

实际流量

qp

qm

理论输入功率

Pip=Δp*qpt

Pim=wTmt

实际输入功率

Pip=wTp

Pim=Δp*qm

实际输出功率

Pop=qpΔp

Pom=wTm

理论转矩

Tpt

Tmt

实际转矩

Tp

Tm

理论转矩与实际转矩关系

Tpt,

Tmt>Tm

容积效率

ηvp=qp/qpt

ηvm=qmt/qm

机械效率

ηmp=Tpt/Tp

ηmm=Tm/Tmt

总效率

ηp=ηvp*ηmp

ηm=ηvm*ηm

三、齿轮泵

齿轮泵分类：

按啮合形式可分为：

外啮合、内啮合

1、外啮合齿轮泵的突出问题及解决方法（p72）

2、泄漏主要来自：

（1）径向泄漏

（2）齿侧泄漏（3）端面泄漏（占主要）

3、径向不平衡作用力（看书P72）

径向力的结果：

加速轴承磨损，降低轴承寿命，还可能使齿轮轴弯曲，导致齿顶与泵体摩擦加剧，使泵不能正常工作。

4、改善措施：

1）缩小压油口，以减小压力油作用面积。

2）扩大泵体内高压区径向间隙3）开压力平衡槽，但泄漏量增大，容积效率减小。

困油现象：

（定义p72好好看看）消除困油的方法：

在泵盖（或轴承座）上开卸荷槽为彻底消除困油。

5、内啮合齿轮泵：

渐开线齿形内啮合齿轮泵和摆线齿轮泵

四、叶片泵

1、叶片泵：

作用非卸荷式——变量泵     双作用卸荷式——定量泵

单作用叶片泵双作用叶片泵的工作原理（p76-77）

限压式变量叶片泵的工作原理和特性（p78）

三、柱塞泵

按柱塞排列方式:

直轴式、斜轴式轴向柱塞泵、径向柱塞泵

柱塞泵共有三对摩擦副：

1、柱塞与缸体2、滑履与斜盘3、缸体与配油盘

五、液压缸及液压马达

液压缸:

实现直线往复运动的执行元件

液压马达：

把液压泵供给的液压能转换为机械能而对负载作功。

液压缸按其结构可分为：

活塞式、柱塞式和伸缩缸

1、活塞式液压缸分类：

双杆活塞液压缸、单杆活塞液压缸

2、柱塞式液压缸（p109-110）定义：

在缸体内做相对往复运动的组件是柱塞的液压缸

液压缸的结构

典型结构：

缸体组件（缸筒和缸盖）、活塞组件（活塞和活塞杆）、密封件、连接件、缓冲装置、排气装置等。

注：

当两个液压马达串联时其转矩T等于单个液压马达的转矩；当两个液压马达并联时其转矩T等于单个液压马达的转矩的2倍

计算题p106页2-4，2-5，p134页3-7,8,9（参考上面的表2-1，仔细独立完成。

）

第四章

液压控制元件

1、按用途分：

１）方向控制阀２）压力控制阀　３）流量控制阀　　４）开关（定值）

2、按控制方式分：

１）比例阀２）伺服阀３）数字阀

3、按结构形式分：

１）滑阀　２）锥阀　３）球阀　４）转阀5）射流管阀

4、按安装连接形式分：

１）管式连接２）板式连接３）叠加式连接４）插装式连接

工作性能：

有压力、流量、压力损失、开启压力、允许背压、最小稳定流量等。

5、按操纵方式分：

1）手动阀2）机动阀3）液动阀4）电动阀5）电、液动阀

一、方向控制阀

功用：

用以控制油液的流动方向或液流的通断。

分类：

单向阀、换向阀

一、单向阀

1、单向阀的分类（普通单向阀、液控单向阀）

2、普通单向阀（逆止阀或止回阀）

功用：

只允许油液正向流动，不许反流。

工作原理：

液流从进油口流入时，P1→P2液流从出油口流入时，P1P2不通

开启压力：

0.04～0.1MPa做背压阀：

pk=0.2～0.6MPa

单向阀的作用：

1）安装在泵的出口，防止系统压力对泵的冲击

2）防止系统油液经泵倒流回油箱

3）分隔油路，防止干扰

4）与其它组合，构成复合阀

3、液控单向阀

功用：

正向流通，反向受控流通

结构：

普通单向阀+液控装置

普通型液控单向阀（外泄）如采用内泄，则一般适用于p1腔压力较低场合

应用：

∵液控单向阀具有良好的反密封性∴常用于保压、锁紧回路

二、换向阀

作用：

变换阀心在阀体内的相对工作位置，使阀体各油口连通或断开，从而控制执行

元件的换向或启停。

1　换向阀的要求：

压力损失小，通口间泄漏小，换向平稳、可靠　

2　滑阀式换向阀

分类：

按工作位置数分：

二位、三位、四位位：

阀心相对于阀体的工作位置数。

　用方格表示，几位即几个方格

按通路数分：

二通、三通、四通、五通通:

阀体对外连接的主要油口数（不包括控制油和泄漏油口）通——↑；不通——┴、┬箭头首尾和堵截符号与一个方格有几个交点即为几通。

按控制方式分：

电磁换向阀液动换向阀电液换向阀机动换向阀手动换向阀

油口有固定方位和含义，P——进油口（左下），T——回油口（右下）,A、B——与执行元件连接的工作油口（左、右上）。

（2）滑阀的中位机能

滑阀机能：

换向阀处于常态位置时，阀中各油口的连通方式，对三位阀即中间位置各油口的连通方式，所以称中位机能。

中位机能：

三位换向阀处于中立位置时，阀中各油口的连通方式。

（3）换向阀的主要性能：

工作可靠，压力损失小，内泄漏小，换向时间与复位时间，使用寿命长

二、压力控制阀

作用：

控制液压系统压力或利用压力作为信号来控制其它元件动作。

分类：

溢流阀、减压阀、顺序阀、压力继电器

结构：

阀体、阀心、弹簧、调节螺帽等

共同工作原理：

利用作用于阀心上的液压力与弹簧力相平衡的原理进行工作。

一、溢流阀

作用：

稳压溢流或安全保护。

 分类:

　直动式、先导式

1、溢流阀的结构和工作原理

（1）直动式溢流阀

工作原理：

当阀口处于某一开度x时：

pA=k（x0+x）

p—阀进口处压力；x0—弹簧预压缩量；k—弹簧刚度；A—阀芯受力面积。

p=k（x0+x）/A，当x远小于x0时，p基本稳定。

弹簧作用力直接与液压力pA平衡，称直动式。

 当压力较高时，需要k较大当溢流量变化较大时，x变化也会较大，这时p的波动就会较大。

主要原因：

一个弹簧承担了“调压”和“复位”两个作用另外当p高，q大，k较大

先导式溢流阀的结构和工作原理

当溢流阀稳定工作时，主阀芯开度为x，有：

pA=p1A+k（x0+x）

p—阀进口处压力；A—主阀芯受力面积；p1—导阀进口压力；x0—主阀芯复位弹簧预压缩量；k—主阀芯复位弹簧刚度；p=p1+k（x0+x）/A

因为经过导阀的溢流量很小所以p1基本稳定；当主阀的溢流量变化较大时，由于k较小，所以p的波动较小

下面两个图一定得深入理解，有助于理解溢流阀的真正工作原理

2  溢流阀的主要性能

静态特性：

元件或系统在稳定工作状态下的性能其静态特性指标很多，主要是指压力调节范围、压力--流量特性和启闭特性。

（1） 压力调节范围

定义：

调压弹簧在规定范围内调节时，系统压力平稳上升或下降最大和最小调定压力差值。

3）启闭特性

启闭特性：

溢流阀从开启到闭合全过程的p-q特性。

∵由于阀心移动存在摩擦力∴开启与闭合时的p-q曲线不重合，闭合压力指阀口完全关闭时的压力，用pk表示，在相同溢流量下，pc>pk闭合比：

pk与pT之比，

一般规定：

开启比应不小于90%，闭合比应不小于85%，其静态特性较好。

3 、溢流阀应用举例

（1） 为定量泵系统溢流稳压和定量泵、节流阀并联，阀口常开。

（2）变量泵系统提供过载保护和变量泵组合，正常工作时阀口关闭，过载时打开，起安全保护作用，故又称安全阀。

（3）实现远程调压p远程

（4）系统卸荷和多级调压和二位二通阀组合（先导式）

（5）形成背压

二、减压阀

功用：

降低系统某一支路的油液压力，使同一系统有两个或多个不同压力

分类：

直动式、先导式*、定值减压阀、定差减压阀、定比减压阀

减压原理：

利用油液在某个地方的压力损失，使出口压力低于进口压力，并保持恒定，故又称定值减压阀。

1 减压阀的结构和工作原理

（1）定值减压阀

减压原理：

利用油液在某个地方的压力损失，使出口压力低于进口压力，并保持恒定，故称定值减压阀。

直动式减压阀先导式减压阀

2） 先导式减压阀

工作原理：

p2

p2>pt时，先导阀打开，主阀两端产生压差，当△PF软t时，主阀阀心上移，q↓，p2↓；调节调压弹簧，改变硬弹簧力，即可改变出口压力。

特点：

在减压阀出口油液不再流动时，由于先导阀卸油仍未停止，减压口仍有油液流动，阀就处于工作状态，出口压力也就保持调定压力不变

减压阀与溢流阀比较

溢流阀

减压阀

保持进口压力不变

出口压力不变

内部卸油

外部卸油

阀口常闭

阀口常开

阀心二凸肩

阀心三凸肩

一般并联于系统

一般串联于系统

（2）  定差减压阀（3） 定比减压阀

三、 顺序阀

1、功用：

利用液压系统压力变化来控制油路的通断，从而实现多个液压元件按一定的顺序动作

2、分类：

　1、按结构形式 ：

 直动式、 先导式2、按控制油来源：

  内控式、外控式3、按泄漏方式：

内卸式、外卸式

3、顺序阀的结构和工作原理

（1）  直动式顺序阀

　　工作原理：

pAFt,阀口打开，AB，下一个执行元件动作。

调节调压螺钉，改变弹簧力，即可改变开启压力。

（2）  先导式顺序阀

　　   组成：

均同于先导式溢流阀，只是顺序

工作原理：

阀出口通压力油，必须专门设置一泄漏油口以使其正常工作。

4、顺序阀的应用

（1）  顺序动作回路工作原理：

压力油首先进入I缸，实现顺序动作1，到位后，压力升高，顺序阀打开，II缸动作，实现顺序动作2；

（2）卸荷阀工作原理：

快速轻载时，双泵同时向系统供油；慢速重载时，小泵供油，大泵卸荷

溢流阀、减压阀、顺序阀比较表

溢流阀

减压阀

顺序阀

控制压力

从阀的进油端引压力油去实现控制

从阀的出油端引压力油去实现控制

从进油端引或外部油源引压力油构成内控或外控式

连接方式

连接溢流阀的油路与主油路并联；阀出口直通油箱

串联在减压油路上，出口油到减压部分去工作

当作为卸荷或平衡使用时，出口通油箱；当顺序控制时，出口到工作系统。

泄漏的回油方式

泄漏由内部回油

外泄回油（设置外泄口）

外泄回油，当卸荷阀使用时内泄回油

阀芯状态

原始状态阀口关闭，当安全阀用，阀口是常闭状态；当溢流阀、背压阀用，阀口是常开状态。

原始状态阀口开启，工作过程阀口是微开状态。

原始状态阀口关闭，工作过程阀口常开。

作用

安全作用；稳压溢流作用；背压作用；卸荷作用。

减压、稳压作用

顺序控制作用；卸荷作用；平衡（限速）作用；背压作用

三、流量控制阀

功用：

通过改变阀口过流面积来调节输出流量，从而控制执行元件的运动速度。

分类：

节流阀、调速阀、温度补偿调速阀、分流集流阀

一、节流阀

1、节流阀的工作原理

结构：

　阀体、阀心、弹簧、调节手轮等。

工作原理：

调节手轮，阀心轴向移动，A变化，q变化

特点：

∵进口压力油通过弹簧腔径向小孔和阀体的斜孔同时作用在阀心的上下两端∴即使在高压下，调节阀口比较方便。

2节流阀的流量特性和影响稳定的因素

（1）节流阀的流量稳定性

稳定流量：

使节流阀能够正常工作（指无断流且流量变化率不大于10%）的最小流量限制值。

qmin轴△，qmin＝30—50mL/min薄刃孔，qmin＝10—15mL/min

（2）节流口的堵塞

堵塞：

当节流阀开度很小时，流量会出现不稳定，甚至断流的现象。

产生原因：

油液氧化生成物、胶质沥青质、原有杂质　

结果：

造成系统执行元件速度不稳定

一般：

水力直径越大，越不易阻塞；越小，越容易阻塞

防止堵塞的措施：

1、精密过滤油液2、选择适当压差，△p＝0.2——0.3Mpa　

3）压差△p

∴流经薄壁孔的流量不受油温变化与温度变化无关。

故节流孔大都采用薄壁小孔

二、调速阀　　　

∵q=CdA△pmF变化，△p变化，即使A=C，q仍变化。

∴v稳定性要求较高时，用调速阀

1、调速阀的工作原理

组成：

定差减压阀与节流阀串联而成,用来调节通过的流量自动补偿负载变化的影响，使△p节=C，消除负载变化对流量的影响。

　　　　　　　　　↓

特点：

调速阀中装有一行程限位器，其作用如下当调速阀不工作时，减压阀阀口最大，重新启动时，瞬时流量很大，出现启动冲