液压与气压传动2第一章 液压传动基础.docx
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液压与气压传动2第一章液压传动基础
第一章液压传动基础
第一节液压技术的应用和发展
液压传动是一门新的技术,从第一台水压机问世至今已有200年的历史。
发展有三个阶段：
1．20世纪30年代真正推广。
2．第二次世界大战期间。
3．20世纪60年代
目前，液压传动广泛地应用于机械制造、工程机械、建筑、汽车工业、石油化工、航天航空、军事、冶金、农机、海洋开发等领域,具体见P1表1-1。
尤其是在当今，随着微电子、计算机技术的发展，机、电、液技术的紧密结合，液压传动的发展又进入了一个崭新的阶段。
第二节液压传动的工作原理和组成
一、液压传动的工作原理
以液压千斤顶为例，来说明液压传动的工作原理，如图1-1所示，
1.组成:
手动液压泵:
由杠杆1、泵体2、活塞3、单向阀4和7组成。
举升液压缸：
活塞8、缸体9等组成。
2.工作原理:
当提起杠杆1时，活塞3上升，泵体2下腔的工作容积增大，形成局部真空，于是油箱12中的油液在大气压力的作用下，推开单向阀4进入泵体2的下腔（此时单向阀7关闭）。
→泵吸油。
当压下杠杆1时，活塞3下降，泵体2下腔的容积缩小，油液的压力升高，打开单向阀7（单向阀4关闭），泵体2下腔的油液进入缸体9的下腔（此时截止阀11关闭），使活塞8向上运动，把重物顶起。
→泵压油
若反复提压杠杆1，就可以使重物不断上升，达到起重的目的。
当打开截止阀11时，活塞8在外力和自重的作用下实现回程，缸体9下腔的油液通过管路10直接流回油箱。
由以上可见，液压传动是一种以液体为传动介质，利用液体的压力能来实现运动和力的传递的一种传动方式。
液压传动的特点:
1）以液体为传动介质来传递运动和动力。
2）由于液体只有一定的体积而没有固定的形状,所以液压传动必须在密闭的容器内进行。
3）依靠密封容积的变化传递运动。
4）依靠压力的变化传递动力。
二、液压传动系统的组成
简化了的机床工作台液压传动系统图：
图1-2所示。
1．组成:
l—油箱2—过滤器3—液压泵4-压力表5-溢流阀6-节流阀7-换向阀8-液压缸9-活塞10-工作台
2.工作原理：
液压泵3从油箱1中吸油，经节流阀6至换向阀7。
当换向阀两端的电磁铁均不通电时，阀芯处于中位，管路P、A、B、T均不相通，液压缸两腔油液均被封闭，工作台不动。
若换向阀7左端电磁铁通电，阀芯推向右侧，此时管路P→A，B→T，压力油经管路P→换向阀、管路A→液压缸8的左腔；由于液压缸的缸体固定，活塞9在压力油的推动下，通过活塞杆带动工作台向右运动，同时，液压缸8右腔的油液→管路B→换向阀→管路T→油箱1。
当换向阀7右侧电磁铁通电时，阀芯被推至左侧位置，压力油经管路P→换向阀→管路B→液压缸8的右腔，推动工作台向左移动，此时，液压缸8左腔的油液→管路A→换向阀→管路T流回油箱。
通过控制换向阀7两端电磁铁的通断电情况，使换向阀7的阀芯左、右移动，从而控制工作台的往复运动。
工作台的运动速度可调整，由节流阀6和溢流阀5的配合来实现。
节流阀就像自来水龙头一样，可以开大，也可以关小。
当开大时，经节流阀6进入系统的油液就增多，工作台的运动速度就加快，同时经溢流阀5流回油箱的油液就相应减少;当关小时，运动速度就减慢，同时经溢流阀5流回油箱的油液就相应增加，从而控制工作台的速度。
工作台运动时，还要克服一定的阻力，如切削阻力和摩擦阻力等，这些阻力由液压泵输出油液的压力来克服,因此，要求液压泵输出的油液压力应能进行调节，这个功能是由溢流阀5来完成的。
当油液压力对溢流阀阀芯的作用力略大于弹簧对阀芯的作用力时，阀芯才能移动，使阀口打开，油液经溢流阀流回油箱，压力不再升高，此时，泵出口处的油液压力是由溢流阀决定的。
由此可见，液压传动系统由以下几个部分组成，
1）动力元件液压泵，是能量的输入装置，它将原动机输入的机械能转换成液体的压力能，向系统提供压力油。
2）执行元件液压缸或液压马达，是能量的输出装置，它把液体的压力能转换为机械能，克服负载，带动机械完成所需的动作。
3）控制元件各种控制阀，如压力阀、流量阀、方向阀等，用来控制液压系统所需的压力、流量、方向和工作性能，以保证执行元件实现各种不同的工作要求。
4）辅助元件指各种管接头、油管、油箱、过滤器、蓄能器、压力表等，起连接、输油、贮油、过滤、贮存压力能、测量等作用，它们对保证液压系统可靠和稳定地工作，具有非常重要的作用。
5）工作介质液压油，是传递能量的介质，它直接影响着液压系统的性能和可靠性。
三、液压传动系统的图形符号
结构原理图：
图1-2所示的液压传动系统图，是一种半结构式的工作原理图，称为结构原理图。
这种原理图直观性强、容易理解，但绘制起来比较麻烦。
图形符号：
为了简化原理图的绘制，系统中各元件可用符号表示，这些符号只表示元件的职能和控制方式及外部连接口，不表示元件的具体结构和参数及连接口的实际位置和元件的安装位置。
我国2009年制订的国家标准GB/T786.1—2009《流体传动系统及元件图形符号和回路图第1部分：
用于常规用途和数据处理的图形符号》对元件图形符号进行了规定，就属于职能符号。
按照规定，液压元件符号均以元件的非工作状态表示，有些液压元件无法采用职能符号表示时，仍允许采用结构原理图表示。
图1-2所示的液压系统用职能符号表示时，如图1-3所示，这样绘制起来方便，可使系统图简单明了。
第三节液压传动的优缺点
液压传动与机械传动、电气传动相比，具有以下优点:
1）单位功率的重量轻。
2）传动能方便地实现无级调速，并且调速范围大。
3）工作平稳、反应快、冲击小，能快速起动、制动和频繁换向。
4）控制、调节比较简单，操纵比较方便、省力，易于实现自动化。
5）易获得很大的力和转矩，可以使传动结构简单。
6）易于实现过载保护，同时，油液作为传动介质，相对运动表面间能自行润滑，故元件的使用寿命长。
7）由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，所以液压系统的设计、制造和使用都比较方便。
液压传动的主要缺点:
1）不可避免存在泄漏，又不是绝对不可压缩的，因此不宜在传动比要求严格的场合采用。
2）在工作过程中存在能量损失，如摩擦损失、泄漏损失等，故不宜于远距离传动。
3）传动对油温的变化比较敏感，因此，不宜在低温和高温条件下工作。
4）为了减少泄漏，液压元件的制造精度要求较高，因此，液压元件的制造成本较高，而且对油液的污染比较敏感。
5）液压系统故障的诊断比较困难，因此对维修人员提出了更高的要求，既需要系统地掌握液压传动的理论知识，又要具有一定的实践经验。
第四节液压油
一、液压油的性质
（一）液体的黏度
当液体在外力作用下流动时，液体内部各流层之间产生内摩擦力的性质，就称为液体的黏性。
黏性越大,内摩擦力就越大,液体的流动性就越差。
黏性的大小可用黏度来衡量。
1．动力黏度
图1—4所示为液体黏性示意图，实验表明（牛顿内摩擦定律），液体流动时相邻液层间的内摩擦力与液层间的相对速度△V成正比，而与液层间的距离h成反比，即
=
（1-1）
式中，
为单位面积上的内摩擦力（切应力）。
为比例系数，称为动力黏度。
动力黏度的单位是Pa·S（帕·秒）。
2．运动黏度
动力黏度
和液体密度ρ的比值就称为运动黏度，即
（1-2）
运动黏度的单位是
/s（二次方米每秒）。
它没有明确的物理意义，但习惯上常用它来标志液体的黏度，例如各种矿物油的牌号就是该种油液在40℃时的运动黏度的平均值。
3．相对黏度
相对黏度又称条件黏度，它是采用特定的黏度计在规定的条件下测出的液体黏度。
我国、德国、前苏联等国家采用恩氏黏度
，美国用赛氏黏度SSU，英国则用雷氏黏度RS。
恩氏黏度用恩氏黏度计测定，是2OOmL温度为t℃的被测液体流经恩氏黏度计的时间与200mL温度为20℃的蒸馏水在同一黏度计中流经时间之比。
一般以40℃及10O℃作为测定液体黏度的标准温度，由此而得到的恩氏黏度分别用
、
标记。
液体黏度的测定可用旋转黏度计或运动黏度测定器直接测定，也可以先测出液体的相对黏度，然后再根据经验公式换算出运动黏度。
恩氏黏度与运动黏度（
/s）间的换算关系式为
（1-3）
液体的黏度随液体压力和温度的变化而变化，对液压油而言，压力增大，黏度增大，但其变化量很小，在一般的中、低压系统中可以忽略不计。
但液压油的黏度受温度变化的影响十分敏感，温度升高，黏度降低。
液压油的黏度随温度变化的关系称为液压油的黏温特性。
液压油黏度的变化直接影响液压系统的性能和泄漏量。
因此，希望黏度随温度的变化越小越好，即黏温特性要好。
黏温特性可用黏度指数V·I表示，黏度指数V·I的值越高，表示液压油黏度随温度的变化越小，即黏温特性越好。
对于普通的液压传动系统，一般要求V·I≥90。
（二）液体的可压缩性
液体受压力作用发生体积变化的性质称为液体的可压缩性。
在一般情况下，由于压力变化引起液体体积的变化很小，液压油的可压缩性对液压系统性能的影响不大，所以一般可认为液体是不可压缩的。
在压力变化较大或有动态特性要求的高压系统中，应考虑液体压缩性对系统的影响。
当液体中混入空气时，其压缩性将显著增加，并严重影响液压系统的性能，故应将液压系统中油液中的空气含量减小到最低限量。
（三）其它性质
作为传动介质的液压油还需要有其它一些性质，如热安定性、氧化安定性、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、润滑性以及相容性等，这些性质都对液压油的选择和使用有重要的影响，其含义较为明显，不再多作解释，可参阅有关资料。
二、液压油的分类
在GB498—2014中，将润滑剂和有关产品规定为L类产品，在GB7631.2一2008中，又将L类产品按应用场合分为18个组，其中H组用于液压系统，液压系统用油的分类见表1—2。
液压油的黏度等级:
表1-3
液压油的命名：
L-HM32
三、对液压油的要求和选用
1．对液压油的要求
在液压传动中，液压油既是传动介质，又兼作润滑油，因此它比一般润滑油的要求更高。
对液压油的要求为:
1）要有适宜的黏度和良好的黏温特性。
2）具有良好的润滑性，以减小液压元件中相对运动表面的磨损。
3）具有良好的热安定性和氧化安定性。
4）具有较好的相容性，即对密封件、软管、涂料等无溶解等有害的影响。
5）质量要纯净，不含或含有极少量的杂质、水分和水溶性酸碱等。
6）要具有良好的抗泡沫性，抗乳化性要好，腐蚀性要小，防锈性要好。
液压油乳化会降低其润滑性，而使酸值增加，使用寿命缩短。
液压油中产生泡沫会引起气穴现象。
7）液压油用于高温场合时，为了防火安全，闪点要求要高，在温度低的环境下工作时，凝点要求要低。
8）对人体无害，成本低。
2．液压油的选用
液压油的合理选用，实质上就是对液压油的品种和牌号的选择。
（1）液压油品种的选择石油基液压油的品种较多，由于制造容易，来源多，价格较低，故在液压设备中，几乎90%以上是使用石油基液压油。
但难燃液压油既有抗燃特性;又符合节省能源与控制污染的要求，故受到各国的普遍重视，所以应从设备中液压系统的特点、工作环境和液压油的特性等出发，来选择液压油的品种，表1-4可供选择时参考。
（2）液压油牌号的选择在液压油的品种已定的情况下选择油的牌号时，最先考虑的应是液压油的黏度。
如果黏度太低，就便泄漏增加，从而降低效率，降低润滑性，增加磨损;如果液压油的黏度太高，运动部分的阻力要增加，磨损增大，液压泵的吸油阻力增大，易产生吸空并造成噪声。
因此，要合理选择液压油的黏度。
选择液压油时要注意以下几点：
1）工作环境当液压系统工作环境温度较高时，应采用较高黏度的液压油;反之刚采用较低黏度的液压油。
2）工作压力当液压系统工作压力较高时，应采用较高黏度的液压油，以防泄漏;反之用较低黏度的液压油。
3）运动速度当液压系统工作部件运动速度高时，为了减少功率损失，应采用黏度较低的液压油。
反之采用较高黏度的液压油。
4）液压泵的类型在液压系统中，不同的液压泵对润滑的要求不同，选择液压油时应考虑液压泵的类型及其工作环境，如表1-5所示。
（3）合理使用液压油的要点
1）换油前液压系统要清洗，液压系统首次使用液压油前，必须彻底清洗干净，在更换同一品种液压油时，也要用新换的液压油冲洗1至2次。
2）液压油不能随意混用。
3）注意液压系统密封的良好，防止泄漏和外界各种尘土、杂质等混入。
4）加入新油时，必须按要求过滤。
5）根据换油指标及时更换液压油。
第五节液体静力学基础
一、液体的静压力及其特性
液体的静压力就是液体单位面积上所受到的法向作用力，在物理学中称为压强，在工程实际中习惯上称为压力。
由于液体质点间的内聚力很小，不能受拉，只能受压，所以液体的静压力具有两个重要的特性:
1）液体静压力的方向总是承压面的内法线方向。
2）静止液体内任一点的液体静压力在各个方向上都相等。
二、压力的表示方法及其单位
压力的表示方法有两种，一种是以绝对真空（零压力）为基准测量的压力，称为绝对压力;另一种是以大气压力为基准测量的压力，称为相对压力。
由于大多数测压仪表所测量的压力都是相对压力，故相对压力也称为表压力。
当绝对压力低于大气压时，习惯上称为具有真空，而绝对压力不足于大气压力的那部分压力值，称为真空度。
绝对压力、相对压力、真空度的关系如图5-5所示
压力的单位是Pa（N/m2），由于此单位太小，在工程上常用kPa、Mpa。
它们之间的关系是：
lMPa=
kPa=
Pa。
三、液体静力学基本方程式
如图5-6a所示，液体在重力作用下处于静止状态，液体所受的力有:
液体的重力、液面上的压力P、容器壁面对液体的压力。
若要计算离液面深度为h处某点A的压力时，可以在液体内取出一个底面通过该点的，底面积为
的垂直小液柱，如图5-6b所示，这个小液柱的重量为ρgh
A，由于小液柱处于平衡状态，于是有
p
A=
等式两边同除以
A，则得
p=p0+ρgh
上式即为静压力基本方程式，由此可见:
1）静止液体内任一点的压力由液体自重所引起的压力ρgh和液面上的压力
两部分组成。
2）连通容器内同一液体中，深度相同处各点的压力均相等。
由压力相等的点组成的面叫做等压面，在重力作用下静止液体的等压面是一个水平面。
四、压力的传递
由静力学基本方程可知，静止液体中任意一点的压力都包含了液面上的压力P这说明在密闭容器中，由外力作用所产生的压力可以等值地传递到液体内所有各点。
这就是帕斯卡原理，或称静压力传递原理。
在液压传动系统中，通常由外力产生的压力要比液体自重产生的压力大得多。
因此，常把液体自重产生的压力忽略式不计，则液体内部各点的压力处处相等。
我们以图5-7为例来说明液压系统压力的形成。
图中大、小活塞的面积分别为
、
，在小活塞上加一外力F,在大活塞上有重力w，则小液压缸中液体的压力为р1═F/A1;大液压缸中液体的压力为р2═w/A2。
根据帕斯卡原理,则有p1═р2，W=A2F/A1。
两活塞的面积比A2/A1越大，大活塞输出的力w越大。
由р2═W/
可知，若重力W=o，则р2=o。
根据帕斯卡原理，这时р1必须为零，F力施加不上去，即负载为零时系统建立不起压力。
这说明，液压系统中的压力取决于负载。
五、静止液体对容器壁面上的作用力
静止液体和固体壁面相接触时，固体壁面上各点在某一方向上所受液体静压作用力的总和便是液体在该方向上作用于固体壁面上的力。
其大小等于液体的静压力和承压表面在该方向的投影面积的乘积。
第六节液体动力学基础
一、基本概念
1．理想液体和稳定流动
实际液体具有黏性，也具有压缩性。
为了分析问题方便，我们把既无黏性又无压缩性的液体称为理想液体。
液体流动时，若液体中任意一点的压力、速度和密度都不随时间而变化，则这样的流动称为稳定流动，如果在压力、速度和密度中有一个量随时间而变化，则称为不稳定流动。
2．体积流量和平均流速
体积流量和平均流速是描述液体流动的两个主要参数。
液体在管道中流动时，通常将垂直于液体流动方向的截面积称为通流截面，或称过流断面。
单位时间内通过某过流断面的液体的体积，称为体积流量（简称流量）。
流量的常用代号为qv，单位为
/s，实际中常用的单位为L/min或mL/s。
在实际中，由于液体在管道中流动时的速度分布规律为抛物面,如图1-11所示，计算较为困难。
为了便于计算，假设过流断面上的流速v是均匀分布的，流过断面A的流量等于液体实际流过该断面的流量。
流速v称为过流断面上的平均流速，以后所指的流速，除特别指出外，均按平均流速来处理。
于是有qv=vA，故平均流速为：
v=
在液压缸中，液体的流速与活塞的运动速度相同，由此可见，当液压缸的有效面积一定时，活塞的运动速度取决于输入液压缸的流量。
3．流动状态
英国物理学家雷诺通过大量实验，发现了液体在管路中流动时有两种流动状态:
层流和紊流，并找到了判别这两种流动状态的方法。
如图1-11所示,在层流时，液体质点沿管路作直线运动，互不干扰，没有横向运动，即液体作分层流动，各层间的液体互不混杂。
在紊流时，液体质点除了沿管路运动外，还有横向运动，呈紊乱混杂状态。
二、连续性方程
在一般情况下，液体的可压缩性很小，可认为是不可压缩的，即密度ρ为常数。
液体又是连续的，不可能有空隙存在。
因此，液体在管路中作稳定流动时，根据质量守恒定律可知，管内流动液体的质量不会增多也不会减少，故在单位时间内流过管路某个截面的液体质量必然相等。
如图1-12所示，管路两处的通流面积分别为
、
，液体流速分别为v1、v2，压力为p1、p2，液体的密度为
，则有液流的连续性方程为
即v1A1=v2A2
说明液体在管路中作稳定流动时，单位时间内通过任何过流断面的流量都是相等的，而液流的流速与过流断面的面积成反比。
因此，流量一定时，管路细的地方流速大，管路粗的地方流速小。
三、伯努利方程
l．理想液体的伯努利方程
伯努利方程就是能量守恒定律在流动液体中的表现形式，理想液体没有黏性，在管内作稳定流动时没有能量损失，具有位置势能、压力能和动能三种形式的能量。
如图1-12所示，根据能量守恒定律，在任一截面上的这三种能量都可以互相转换，但其和都保持不变。
即
上式为理想液体的伯努利方程,它表明了流动液体各质点的位置、压力和速度之间的关系。
2．实际液体的伯努利方程
实际液体具有黏性，在过流断面上各点的速度是不同的，另外，由于液体有黏性，会产生内摩擦力，因而造成能量损失。
若单位重量的实际液体从一个截面流到另一截面的能量损失用hw表示，则实际液体的伯努利方程为
式中，
为动能修正系数。
液体处于层流流动时取
2;液体处于紊流流动时，取
1。
上式为实际液体的伯努利方程，它表明了流动液体各质点的位置、压力和速度之间的关系。
当管道水平放置或位置高低的影响都很小时，液体的流速越高，压力就越低。
如在一一粗细不等的管道中。
过流断面小的部位液体的流速较高，液体的压力就较低；反之，过流断面大的部位液体的流速较低，液体的压力就较高。
四、动量方程（略）
第七节液体流动中的压力损失
实际液体具有黏性，在流动时就有阻力，为了克服阻力，就必须要消耗能量，这样就有能量损失。
在液压传动中，能量损失主要表现为压力损失，液压系统中的压力损失分为两类，一类是由液压油沿等径直管流动时所产生的压力损失，称为沿程压力损失。
另一类是液压油流经局部障碍（如弯管、接头、管截面突然扩大或收缩）时的压力损失，称为局部压力损失。
一、沿程压力损失
液体在直管中流动时，由于液体内部、液体和管壁间的摩擦力以及紊流流动时，质点间的互相碰撞，从而引起压力损失。
压力损失可用达西公式确定
式中，
为沿程压力损失（Pa）；L为管路长度（m）;v为液流速度（m/s）;d为管路内径（m）;
为液体的密度（
）;
为沿程阻力系数。
液体层流流动时，黏性力起主导作用，液体质点受黏性的约束，不能随意运动。
层流的压力损失
与流量qv成正比。
即
qv=
式中，
为液体的动力黏度。
液体紊流流动时，惯性力起主导作用，黏性力已不能约束它，此时的能量损失比层流流动时的能量损失大得多。
因此，在液压系统中应尽可能使液体在管路中作层流运动。
二、局部压力损失
液体经过局部障碍处，由于液流的方向和速度突然变化，在局部形成旋涡引起液压油质点间以及质点与固体壁面间互相碰撞和剧烈摩擦而产生压力损失，因为液体的流动现象是十分复杂的。
所以局部压力损失一般由试验求得，可用下式计算
式中，
为局部压力损失（Pa）;
为局部阻力系数,由试验求得,具体数据可查阅有关液压传动设计计算手册;v为液流的流速（m/s），一般情况下均指局部阻力后部的流速,
为液体密度（kg/
）。
对于液流通过各种阀时的局部压力损失，可由阀的产品目录中直接查得或查得公称流量
下的压力损失
。
若实际通过阀的流量q不是公称流量时，且压力损失又是与流量有关的阀类元件，如换向阀、过滤器等，则压力损失可按下式计算
三、管路中的总压力损失
液压系统的管路通常由若干段管道组成，其中每一段又串联诸如弯头、控制阀、管接头等形成的局部阻力装置，因此管路系统总的压力损失等于直管中的沿程压力损失
及所有局部压力损失
的总和。
即
（1-23）在液压传动中，管路一般都不长，而控制阀、弯头、管接头等的局部阻力则较大，沿程压力损失比起局部压力损失来是比较小的。
因此，大多数情况下总的压力损失只计算局部压力损失和长管的沿程损失。
压力损失过大，将使功率损耗增加，油液发热，泄漏增加，效率降低，液压系统性能变坏。
研究压力损失的目的是为了正确估算压力损失的大小和找出减少压力损失的途径。
由式（1-23）可以看出，减小流速、缩短管路长度、减少管路截面的突然变化、提高管路内壁的加工质量等，都可以减少压力损失，其中以液流速度的影响最大。
第八节液体流经小孔及缝隙的性质
在液压系统中，常会遇到液体流经小孔和缝隙的情况，前者是节流调速和液压伺服系统工作原理的的基础，后者则是分析液压元件和系统泄漏的根据。
一、液体流经小孔的特性
当小孔的通流长度与孔径d之比L/d≤0.5时，称为薄壁小孔。
当L/d＞4时称为细长孔。
当0.5＜L/d≤4时称为短孔。
1、液体流过薄壁小孔的流量
图1-14所示为液体流过薄壁小孔的情况，
当液流从过流断面从1-1处向薄壁小孔汇集时，
由于连续流动，不可能在孔口处突然改变方向，故液流经过孔口时，会产生收缩和扩散现象，造成很大的能量损失，并使油液发热。
液流收缩的程度取决于雷诺数、孔口及边缘的形状、孔口离管路内壁的距离等因素。
当管路直径D与小孔直径d的比值D/d＞7时，液流的收缩作用不受管路内壁的影响，此时称完全收缩。
反之，管路内壁对收缩的程度有影响，则称为不完全收缩。
对于图1-14所示，由伯努利方程可推导出液流通过薄壁小孔的流量公式为
式中,
为流量系数，当液流为完全收缩时，
=0.6~0.62；当液流为不完全收缩时，
=0.7~0.8；A为过流小孔的断面积；
为小孔前、后的压力差。
2、液体流过细长孔的流量
液体流经细长孔时的流动状态一般为层流，因此可用液流流经圆管的流量公式计算，即
关于液体流经短孔的流量公式可用液体流经薄壁小孔的流量公式计算，
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