液压气压传动技术 复习资料.docx

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液压气压传动技术复习资料

第一章绪论

一名词解释

传动——传递运动和动力的方式

机械

常见传动<电气

气体

流体<液力—流力（动量矩定理）

液体<

液压*—物理（帕斯卡原理）

液压传动——利用液体压力能实现运动和动力传动方式

气压传动——利用气体压力能实现运动和动力传动方式

三液压与气压传动的应用和发展

发展应用:

  1. 液压传动从17世纪帕斯卡提出静压传递原理、1795年世界上第一台水压机诞生，已有200多年的历史，但由于没有成熟的 液压传动技术和液压元件，且工艺制造水平低下，发展缓慢，几乎停滞。

   气压传动早在公元前，埃及人就开始采用风箱产生压缩空气助燃。

从18世纪产业革命开始，逐渐应用于各类行业中。

2 .   上世纪30年代，由于工艺制造水平提高，开始生产液压元件，并首先应用于机床。

3    .  上世纪50、60、70年代，工艺水平很大提高，液压与气动技术也迅速发展，渗透到国民经济的各个领域，从蓝天到水下，从军用到民用，从重工业到轻工业到处都有流体传动与控制技术。

如：

火炮跟踪、飞机和导弹的动、炮塔稳定、海底石油探测平台固定、煤矿矿井支承、矿山用的风钻、火车的刹车装置、液压装载、起重、挖掘、轧钢机组、数控机床、多工位组合机床、全自动液压车床、液压机械手等。

我国液压与气压传动技术从上世纪60年代开始发展较快，但其发展速度远远落后于同期发展的日本，主要由于工艺制造水平跟不上，新产品研制开发和先进国家不差上下，但制造比较困难，希望在坐各位能用自己所学为液压与气压传动技术作出贡献。

发展趋势：

向高压、高速、高效率、的流量、大功率、微型化、低噪声、低能耗、经久耐用、高度集成化方向发展，向用计算机控制的机电一体化方向发展。

总之：

流体技术+电气控制，

      好比老虎插上翅膀，

      它把一人一刀变为无人多刀，

      把复杂工艺变为简单工艺，

      而今同计算机控制结合，

      又将进入一个崭新的历史阶段。

因此，学好本门课，有助于大家在今后的工作中多出成果。

1、   1液压传动的工作原理系统组成及图形符号

1、1、1液压传动的工作原理

举例：

1液压千斤顶

组成

工作原理

特点:

（1）用具有一定压力的液体来传动

（2）传动中必须经过两次能量转换

        （3）传动必须在密封容器内进行，而且容积要进行变化。

2机床工作台液压传动系统举例

组成：

工作原理：

油路——图示、左位、右位

换向——换向阀

 调速——节流阀

 调压——溢流阀

                  1、1、2液压系统的组成及作用

 1      动力装置——液压泵，将原动机输入的机械能转换为液体或气体的压力能，作

     为系统供油能源或气源装置。

2      执行装置——液压缸（或马达），将流体压力能转换为机械能，而对负载作功。

3      控制调节装置——各种控制阀，用以控制流体的方向、  压力和流量，以保证执

  行元件完成预期的工作任务。

4      辅助装置——油箱、油管、滤油器、压力表、冷却器、分水滤水器、油雾器、消

 声器、管件、管接头和各种信号转换器等，创造必要条件，保证系统正常工作。

（5    工作介质——液压油或压缩空气）

1、1、3液压传动系统的图形符号 

结构或半结构式图形——表示结构原理，直观

 表示方法<性强，易理解，但结构复杂

   图形符号*——只表示元件功能，不表示元件

结构和参数，简单明了,易于绘制

（GB786——76）（GB786——93）

1、2液压传动的特点

一液压传动的优点

独特之处——力大无穷（P=32MP以上）

如：

所拿液压千斤顶，可顶起6吨重物，若每位男同

学体重为128斤，可举起25位男同学。

二液压传动的缺点

不宜远距离传递

1泄漏严重<不宜保证严格的传动比

            污染地面

  2      对T变化敏感

  3      难于检查故障

1、 1液压油

2、1、1液压油的物理性质

一液体的密度

密度——单位体积液体的质量

ρ=m/vkg/m3

密度随着温度或压力的变化而变化，但变化不大，

通常忽略，一般取ρ=900kg/m3的大小。

二液体的粘性

（一）粘性的物理本质

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:

F=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。

∵液体静止时,du/dy=0

∴静止液体不呈现粘性

（二）粘度——粘性大小的衡量

1动力粘度μ

公式∵τ=F/A=μ·du/dy（N/m2）

∴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

单位：

国际单位（SI制）中为帕·秒（Pa·S）

或牛顿·秒/米2（N·S/m2）；

以前沿用单位（CGS制）中为泊（P）、厘泊（CP）达因·秒/厘米2dyn·S/cm2）

换算关系：

1Pa·S=10P=⒑3CP

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）

物理意义：

无（只是因为μ/ρ在流体力学中经常出现

∴用ν代替（μ/ρ）

单位：

SI制：

m2/S

CGS制：

St（斯）、CSt（厘斯）

（Cm2/S）（mm2/S）

换算关系：

1m2/S=104St=106CSt

∵单位中只有长度和时间的量纲，类似运动学的量。

∴称运动粘度，常用于液压油牌号标注

老牌号——20号液压油，指这种油在50°C时的平均运

<动粘度为20cst。

新牌号——L—HL32号液压油，指这种油在40°C时的平

均运动粘度为32cst。

∵μ、ν不易直接测量，只用于理论计算

∴常用相对粘度

3相对粘度（条件粘度）

恩氏度0E——中国、德国、前苏联等用

赛氏秒SSU——美国用

雷氏秒R——英国用

巴氏度0B——法国用

恩氏粘度与运动粘度之间的换算关系：

ν=（7、310E-6、31/0E）×10-6

三液体的可压缩性

可压缩性——液体受压力作用而发生体积缩小性质

1液体的体积压缩系数

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/vκ=（5-7）*10-10m2/N

物理意义：

单位压力所引起液体体积的变化

∵p↑v↓

∴为保证κ为正值，式中须加一负号。

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=（1、4-1、9）*109N/m2N/m2

若分析动态特性或p变化很大的高压系统,则必须考虑

四其他性质

1             粘度和压力的关系

∵P↑，F↑，μ↑

∴μ随p↑而↑，压力较小时忽略，32Mpa以上才考虑

2粘度和温度的关系

∵温度↑，内聚力↓，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。

2、1、2对液压油的要求及选用

工作介质——传递运动和动力

液压油的任务<

润滑剂——润滑运动部件

一、对液压油的要求

（1）合适的粘度和良好的粘温特性；

（2）良好的润滑性；

（3）纯净度好，杂质少；

（4）对系统所用金属及密封件材料有良好的相容性。

（5）对热、氧化水解都有良好稳定性，使用寿命长；

（6）抗泡沫性、抗乳化性和防锈性好，腐蚀性小；

（7）比热和传热系数大，体积膨胀系数小，闪点和燃

点高，流动点和凝固点低。

（凝点——油液完全失去其流动性的最高温度）

（8）对人体无害，对环境污染小，成本低，价格便宜

总之：

粘度是第一位的

二液压油的选择

液压油的类型：

机械油、精密机床液压油、气轮机

油和变压器油

v

首先根据工作条件

T

然后根据粘度选择牌号

1选择液压油品种

2选择液压油粘度

慢速、高压、高温：

μ大（以↓△q）

通常<

快速、低压、低温：

μ小（以↓△P）

2、2液体静力学

研究内容：

研究液体处于静止状态的力学规律和这些

规律的实际应用。

静止液体：

指液体内部质点之间没有相对运动，至于

液体整体完全可以象刚体一样做各种运动

2、2、1液体的静压力及特性

质量力（重力、惯性力）——作用于

作用于液体上的力<液体的所有质点

表面力（法向力、切向力、或其它物

体或其它容器对液体、一部

分液体作用于令一部分液体

等）——作用于液体的表面

定义：

液体单位面积上所受的法向力，物理学中称压强，

液压传动中习称压力。

特性：

（1）垂直并指向于承压表面

∵液体在静止状态下不呈现粘性

∴内部不存在切向剪应力而只有法向应力

（2）各向压力相等

∵有一向压力不等，液体就会流动

∴各向压力必须相等

2、2、2液体静力学基本方程式

例：

计算静止液体内任意点A处的压力p

P0

G

H

P

∵pdA=p0dA+G=p0dA+ρghdA

∴p=p0+ρgh

液面压力p0

特征

（1）静止液体中任一点处的压力由两部分组成<

液体自重所形成的压力ρgh

（2）静止液体内压力沿液深呈线性规律分布

           （3）离液面深度相同处各点的压力均相等，压力相

           等的点组成的面叫等压面.

2、2、3压力的表示方法及单位

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

p>pa

p=pa

p

p=0

2、2、4静压传递原理

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。

根据帕斯卡原理：

p=F/A

2             液压系统压力形成

F

p=F/AF=0p=0

F↑p↑

F↓p↓

结论：

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。

2、2、5液体对固体壁面的作用力

1作用在平面上的总作用力

P=p·A

如：

液压缸，若设活塞直径为D,则

P=p·A=p·πD2/4

2作用在曲面上的总作用力

Fx=p·Ax

结论：

曲面在某一方向上所受的作用力，等于液体压力

与曲面在该方向的垂直投影面积之乘积。

例：

球面和锥面力计算

 2、4管路中液体的压力损失

∵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、局部压力损失

2、4、1液体的流动状态

一层流和紊流

层流：

液体的流动是分层的，层与层之间互不干扰

紊流（    紊流（湍流）：

液体流动不分层，做混杂紊乱流动

二雷诺数

圆形管道雷诺数：

Re=dv/ν

非圆管道截面雷诺数：

Re=dHv/ν

过流断面水力直径：

dH=4A/χ

水力直径大，液流阻力小，通流能力大。

Re

临界雷诺数：

判断液体流态依据<（Rec见表2~4、1）

Re>Rec为紊流

雷诺数物理意义：

液流的惯性力对粘性力的无因次比

2、4、2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。

内摩擦——因粘性，液体分子间摩擦

产生原因：

<

外摩擦——液体与管壁间

一流速分布规律

如图2、4、1：

液体在等径水平直管中作层流运动，沿管轴线取一半径为r，长度为l的小圆柱体两端面压力为p1、p2，侧面的内摩擦力为F，匀速运动时，其受力平衡方程为：

（p1-p2）πr2=F

∵F=-2πrlμdu/dr△p=p1-p2

∴du=-rdr△p/2μl

对上式积分，并应用边界条件r=R时，u=0,得

u=（R2-r2）△p/4μl

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。

umin=0（r=R）

umē=R2△p/4μl=d2△p/16μl（r=0）

二圆管层流的流量

∵dA=2πrdr

∴dq=udA=2πurdr=2π（R2-r2）rdr△p/4μl

故q=∫0R2π△p/4μl·（R2-r2）rdr=△pπR4/8μl

=△pπd4/128μl

三圆管的平均流速

v=q/A=（△pπd4/128μl）/πd2/4·

=△pd2/32μl

v=umax/2·

四圆管沿程压力损失

△pf=128μlq/πd4=8μlq/πR4

将q=πR2v，μ=ρν代入上式并简化得

△pf=△p=32μlv/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

∵μ=ρνRe=dv/νλ=64/Re

∴△pf=64ν/dv·l/d·ρv2/2=64/Re··l/d·ρv2/2

故△pf=λ·l/d·ρv2/2

理论值64/Re

λ<

实际值75/Re

五圆管紊流的压力损失

△pλ=λ·l/d·ρv2/2

λ=0.3164Re-0.25（105>Re>4000）

λ=0、032+0.221Re-0.237（3*106>Re>105）

λ=[1、74+2lg（d/△）]-2（Re>3*106或Re>900d/△）

∵紊流运动时，△pλ比层流大

∴液压系统中液体在管道内应尽量作层流运动

2、4、2局部压力损失

定义：

液体流经管道的弯头、接头、突变截面以及阀口

滤网等局部装置时，液流会产生旋涡，并发生强

烈的紊动现象，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：

△pv=ζ·ρv2/2

标准阀类元件：

△pv=△pn（qv/qvn）2

2、4、4管路系统的总压力损失

∑△p=∑△pλ+∑△pv

=∑λ·l/d·ρv/2+∑ζρv2/2

      △p→热能→T↑→△q↑→η↓

↓                       ↓

散逸污染

减小△p的措施：

          1尽量↓L，↓突变

2↑加工质量，力求光滑，ν合适

3↑A，↓v

过高△p↑∵△p∝v2

2、5、1小孔流量——压力特性

薄壁小孔l/d≤0·5

孔口分类<细长小孔l/d>4

短孔0、5

一、薄壁小孔流量压力特性

如图2、5、1：

取孔前通道断面为1——1断面，收缩

断面为Ⅱ——Ⅱ断面，管道中心为基准面，z1=z2

列伯努利方程如下：

p1+ρα1v12/2=p2+ρα2v22/2+△pw

∵v1<

α2=1；而△pw仅为局部损失即△pw=ζρv22/2

∴v2=√2/ρ·（p1-p2）/√α2+ξ=Cv√2△p/ρ

故q=A2v2=CcATv2

=CvCcAT√2/ρ△p=CqAT√2△p/ρ

Cq=CvCcCc=A2/AT=d22/d2A=πd2/4

液流完全收缩情况下（D/d≥7）：

当Re≤105Cq=0、964Re-0、05

当Re>105Cc=0.61∽0.63

Cv=0.97∽0.98

Cq=0.6∽0.62

液流不完全收缩时（D/d<7），查表2、5、1

结论：

∵q∝√△p,与μ无关

∴流过薄壁小孔的流量不受油温变化影响

二、短孔和细长孔的流量压力特性

短孔q=CqAT√2△p/ρCq可查图2、5、2

细长孔q=πd4△p/128μl=πd2△p/32μl=CA△p结论：

∵q∝△p反比于μ

∴流量受油温影响较大（T↑μ↓q↑）

三、流量通用方程

∵薄壁孔：

q=CqAT√2△p/ρ=Cq√2/ρAT√△p

短孔：

q=CqAT√2△p/ρ=Cq√2/ρAT√△p

细长孔：

q=πd4△p/128μl=1/32μl·πd4/4△p

∴流量通用方程：

q=CAT△pф

2、5、2液体流经缝隙的流量——压力特性

平面缝隙压差流动

常见缝隙<缝隙流动状况<

环状缝隙剪切流动

一、液体流经平行平板缝隙的流量压力特性

1固定平行平板缝隙

如图2、5、3：

设缝隙度高为δ，宽度为b,长度为l,两

端压力为p1、p2，其压差为ΔP，从缝隙中取一微小六面

体，左右两端所受压力为p和p+dp，上下两侧面所受摩擦切应力为τ+dτ和τ，则在水平方向受力平衡方程为：

pbdy+（τ+dτ）bdx=（p+dp）bdy+τbdx

整理后得：

dτ/dy=dp/dx

∵τ=μ·du/dy

∴d2u/dy2=1/μ·dp/dx

上式对y两次积分得：

u=dp/dx·y2/2μ+C1y+C2

由边界条件：

当y=0,u=0y=δ,u=u0

则有：

C1=-δdp/dx/2μ,C2=0

此外，在缝隙液流中，压力沿x方向的变化率dp/dx是

一常数，有:

dp/dx=p2-p1/l=-（p1-p2）/l=-△p/l

u=（δ-y）y·△p/2μl

故：

q=∫0hubdy=b∫0h△p·（δ-y）ydy/2μl

=bδ3△p/12μl

结论：

在压差作用下，通过固定平行平板缝隙的流量与

缝隙高度的三次方成正比，这说明，液压元件内

缝隙的大小对其泄漏量的影响是很大的。

1            相对运动平行平板缝隙（见图2、5、4）

剪切流动时q=vbδ/2

压差与剪切流动时q=bδ3△p/12μl±vbδ/2

剪切与压差流动方向一致时，取正号

<

剪切与压差流动方向相反时，取负号

二、液体流经环形缝隙的流量压力特性

液压缸缸筒与活塞同心

环形缝隙<分类<

阀芯与阀孔偏心

1同心环形缝隙流量

如图2、5、5：

设圆柱体直径为D，缝隙厚度为δ，缝隙

长度为l,若沿圆周展开，相当于平行平

板缝隙，b=πD

∴q=πDδ3△p/12μl±πDδv/2

当相对速度V=0时，其流量公式为：

q=πDδ3·△p/12μl

2偏心环形缝隙流量

设偏心距为e,则：

q=πDδ3△p（l+1.5ε2）/12μl±πDδv/2

ε——相对偏心率ε=e/δ

当内外圆表面没有相对运动时：

q=πDδ3△p（l+1.5ε2）/12μl

结论：

1）ε=1时q偏=2.5q同

2）ε=0时即同心圆环缝隙

3）∵q与ε2成正比，ε↑q↑

∴应尽量做成同心，以减小泄漏量

2、6        液压冲击和空穴现象

一液压冲击（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。

如：

急速关闭自来水管可能使水管发生振动，同时发出噪声。

1液压冲击产生的原因

1）迅速使油液换向或突然关闭油路，使液体受阻，动能转换

为压力能，使压力升高。

2）运动部件突然制动或换向，使压力升高。

2液压冲击引起的结果

∵液压冲击峰值压力>>工作压力

∴引起振动、噪声、导致某些元件如密封装置、管路等

损坏；使某些元件（如压力继电器、顺序阀等）产生

误动作，影响系统正常工作。

3减小液压冲击的措施

1）延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间

2）限制管道流速及运动部件速度v管<5m/sv缸<10m/min

3）加大管道直径，尽量缩短管路长度。

4）采用软管，以增加系统的弹性。

二气穴（空穴）现象

气穴现象：

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。

产生原因：

压力油流过节流口、阀口或管道狭缝时，速度

升高，压力降低；液压泵吸油管道较小，吸油

高度过大，阻力增大，压力降低；液压泵转速

过高，吸油不充分，压力降低（如高空观缆）

气体来源：

混入气泡轻微气穴

空气<溶入气体分子严重气穴

蒸汽汽泡强烈气穴

气穴现象引起的结果：

1液流不连续，流量、压力脉动

2系统发生强烈的振动和噪声

3发生气蚀

减小气空穴的措施：

1减小小孔和缝隙前后压力降，希望p1/p2<3.5

2增大直径、降低高度、限制流速

3管路要有良好密封性防止空气进入

4提高零件抗腐蚀能力，采用抗腐蚀能力强的金属材料，减

小表面粗糙度。

5）整个管路尽可能平直，避免急转弯缝隙，合理配置。

本章小结

应搞清的概念应记住的公式、概念、结论

第一节液压油（9个）（8个）（8个）

密度、压缩性粘性、粘度、粘温特性

第二节液体静力学

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