第一章(液压传动的基础知识)

1、工程机械液压与液力传动技术教师：王建莉第一章 液压传动基础知识一、液压传动概述：1.传动 定义：在工程机械上，传动是指能量（动力）由发动机向工作装置的传递。 例： 发动机曲轴的旋转运动变为车轮的转动、 发动机曲轴的旋转运动变为转向轮的转向、2.传动的形式 根据工作介质的不同，传动形式可分为：机械传动、液体传动、气体传动、电力传动等。3.液体传动 定义： 以液体为工作介质传递能量的叫液体传动。 分类：液体传动包括液压传动和液力传动。 区别：液压传动是利用液体的压力能实现能量传递。（如液压泵、油缸） 液力传动是利用液体的动能实现能量传递。（水轮机） 这里仅讨论液压传动。第一节 液压传动的基本原则一

2、、液压传动的基本原理 1.1 论述： 液压传动的基本原理是以液压油为工作介质，通过动力元件（油泵），将发动机的机械能转换为油液的压力能，通过管道、控制元件，借助执行元件，将油液的压力能转换成机械能，驱动负载，实现直线或回转运动。 机械能 压力能 机械能1.2 液压传动的工作原理（千斤顶）油压千斤顶原理1 油箱 2、4 单向阀 3小油缸 5大油缸 6开关1.3 液压传动的工作特性1.3.1、液压传动中压力取决于负载 小活塞底面单位面积上的压力： （1-1） 大活塞底面上的压力为： （1-2） 根据流体力学中的帕斯卡原理，平衡液体内某一点的压力等值地传递到液体各点，因此有: （1-3）11AFP

3、22AGP 2121AGAFppp12AAFG 由上式可得： （1-4） 由于 ,所以 ,故千斤顶有力的放大作用。12AA FG 1.3.2、负载的运动速度取决于流量 液压传动中传递运动时，速度传递按照容积变化相等的原则进行。故有： （1-5） 由于速度： （1-6） 将式（1-6）代入式（1-5），有： （1-7） 令 为流量，负载的运动速度 取决于进入大液压缸的流量 ,而与负载的大小（ ）无关。2211SASAtSV11tSV22tVAtVA2211QWQ2VQVAVA2211二 液压传动系统的组成图图 自卸车车厢举倾机构工作原理图自卸车车厢举倾机构工作原理图1 1油箱油箱 2 2滤油器滤

4、油器 3 3限压阀限压阀 4 4换向阀芯换向阀芯 5 5换向阀换向阀6 6液压缸液压缸 7 7单向阀单向阀 8 8液压泵液压泵 a a，b b油道油道1、动力元件（序号8）泵（机械能压力能） 把原动机的机械能转换成液体压力能的转换元件2、执行元件（序号6） 缸、马达（压力能机械能） 把液体的压力能转换成机械能的转换元件3、控制元件（序号3、5、7）阀（控制方向、压力及流量） 对液压系统中油液的压力、流量或流动方向进行控制或调节的元件4、辅助元件油箱、油管、滤油器 、压力表 在系统中起储存油液、连接、滤油、测量等作用（1）动力元件:液压泵能量转换，提供压力油（2）执行元件:-能量转换带动机构做功

5、（3）控制调节元件:各种控制压力、方向、流量 （4）辅助元件各种液压辅件三 液压传动系统图的图形符号图图 自卸车车厢举倾机构工作原理图自卸车车厢举倾机构工作原理图1 1油箱油箱 2 2滤油器滤油器 3 3限压阀限压阀 4 4换向阀芯换向阀芯 5 5换向阀换向阀 6 6液压缸液压缸 7 7单向阀单向阀 8 8液压泵液压泵 a a，b b油道油道1 1油箱油箱 2 2液压泵液压泵 3 3单向阀单向阀 4 4换向阀换向阀 5 5限压阀限压阀 6 6滤油器滤油器 7 7液压缸液压缸机床工作台液压系统工作原理图机床工作台液压系统工作原理图1 1工作台工作台2 2液压缸液压缸3 3活塞活塞4 4换向手柄换

6、向手柄5 5换向阀换向阀 6 6，8 8，1616回油管回油管7 7节流阀节流阀9 9开停手柄开停手柄1010开停阀开停阀1111压力管压力管1212压力支管压力支管1313溢流阀溢流阀1414钢球钢球1515弹簧弹簧1717液压泵液压泵1818滤油器滤油器1919油箱油箱机床工作台液压系统的图形符号图机床工作台液压系统的图形符号图1 1工作台工作台2 2液压缸液压缸3 3油塞油塞4 4换向阀换向阀5 5节流阀节流阀6 6开停阀开停阀7 7溢流阀溢流阀8 8液压泵液压泵 9 9滤油滤油 1010油箱油箱液压系统图图形符号(GB/T786.1-1993) 四 液压传动的优缺点4.1 液压传动的优

7、点 1.液压装置工作比较平稳。 2.液压装置能在大范围内实现无级调速（调速范围可达1：2000），且调速性能好。 3.液压装置的体积小，重量轻，功率大。且容易获得很大的力和力矩。 4.液压装置控制调节简单，容易实现自动化。 5.液压装置易于实现过载保护，且液压元件能自行润滑，寿命较长。 6.液压元件已实现标准化、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。4.2 液压传动的缺点 1.液压传动不能保证严格的传动比。这是由于液压油的可压缩性和泄漏等因素造成的。 2.液压传动中，能量经过二次变换及传动过程中压力损失，能量损失较多，系统效率较低。 3.液压传动对油温的变化比较敏感（主要是

8、粘性），系统的性能随温度的变化而改变。 4.液压元件要求有较高的加工精度，以减少泄漏，从而成本较高。 5.液压传动出现故障时不易找出。第二节 液压油石油型机械油汽轮机油液压油难燃型水-乙二醇液磷酸酯液水包油油包水乳化液合成型 油液种类19液压油合成液压液石油型液压油水基液压液价格高、密封性好润滑性、稳定性好95%的水、抗燃小绝大多数液压系统使用石油型液压油绝大多数液压系统使用石油型液压油1.1 密度 均质液体中，密度即为单位体积所具有的质量: (kg/m3) （1-8） 其中： m-液体的质量，单位：kg V -液体的体积,单位：m3 液体的密度随温度和压力的变化而变化，但影响很小，可以忽略。

9、 液压油计算时取 = 900kg/m = 900kg/m3 3 Vm一、液压油的性质1.2 重度 均质液体中,重度即为单位体积所具有的重量: 由于 ，所以密度和重度的关系是： 重度的单位为N/m3 液体的重度随温度和压力的变化而变化，但影响很小，可以忽略。 液压油计算时取 = 9 = 910103 3 N/mN/m3 3VGmgG g1.3 液体的压缩性 1.3.1 定义：液体的压缩性是指液体受压后其体积变小的性能，压缩性的大小用体积压缩系数表示。 （1）体积压缩系数 :即单位压力变化下的体积相对变化量，由于压力增大时体积减小，反之则增大，所以 为负值，故式中加一个符号。01VVp体积变化初始

10、体积压力变化 油的可压缩性很小，可以忽略，认为液体是不可压缩的。PV /二 液体的黏度2.1 定义 液体在外力作用下流动（或有流动趋势）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檫力，这种现象叫做液体的黏性。它使液体各层间的运动速度不等。 液体黏性的大小用黏度来表示，黏度大，内摩擦力大，油液就“稠”；黏度小，内摩擦力就小，油液就“稀”。常用的黏度有三种表示方法：绝对黏度（流动黏度）、运动黏度和相对黏度。粘性示意图 下板固定 上板以u0运动 A点：u = 0 B点：u = u0 两板之间液流速度逐渐减小A AB B2.2 黏度的表现实验证明，相邻液层间的内摩擦力Ff与两液层间的速度差

11、成正比，与两液层间的距离 成反比，即 式中：Ff 液体流动时，相邻液体层间的内摩擦力 粘性系数，与液体的种类和温度有关 A 液层接触面积 u /y速度梯度，即液层速度沿着平板间隔方向的变化率。 静止液体 du0 不呈现粘性 单位面积上的内摩擦力，即液层间的切应力 牛顿内摩擦定律uyyuAFf两液层的速度差两液层间的距离dyduAFf2.3 绝对黏度（动力黏度） 动力黏度是表征流体内摩擦力大小的黏性系数。其值等于液体在单位速度梯度流动时，单位面积上的内摩擦力，即: 单位:Pas(帕秒) 或用N s/m2(牛秒/米2)。 如果绝对黏度只与液体种类有关而与速度梯度无关，这种液体称牛顿液体，否则为非牛

12、顿液体，石油基液压油一般为牛顿液体。yuyuAFf2.4 运动黏度 动力黏度是液体动力黏度与其密度之比称为该液体的运动黏度。即 单位:现在为：米2 /秒(m2/s) 过去用斯（St）或里斯（cSt）表示。 1m2 2/s=104St=106cSt (=106 mm2/s) 习惯上用运动黏度来表示液体的黏度。 例如：机械油的牌号表示这种油在50时以mm2/s为单位的运动粘度的平均值。 例如YAN32中YA是普通液压油，N32表示50时油的平均运动粘度为32 mm2/s。2.5 相对黏度（条件黏度） 相对黏度是根据特定测量条件制定的，故又称条件黏度。我国采用的为恩式黏度，即采用恩氏黏度计测定。21

13、ttEt式中：t1 油流出的时间 t220OC蒸馏水流出时间1005020,EEE 恩氏粘度与运动粘度的换算关系610)31. 631. 7(ttEE 通常以20、50、100OC作为标准测定温度，记为：200ml=2. 8mm恩氏粘度计2.6.1 粘度与压力的关系 压力较低时，压力对粘度的影响不大，可不考虑。当压力大于50MPa时，其影响才趋于显著。2.6.2 粘度与温度的关系 影响：T降低 增大，阻力大，能耗增加 T增加 减小，油变稀，泄漏增加 故需限制油温：T过高，加 冷却器 T过低，加 加热器压力增大时，黏度也相应增大（p ）2.6 黏度与压力和温度的关系 温度升高时，黏度相应降低（T

14、 ）三 液压油的基本要求1.合适的粘度，粘温性好2.润滑性能好3.杂质少4.相容性好5.稳定性好6.抗泡性好、防锈性好7.凝点低,闪点、燃点高8.无公害、成本低四 液压油液的选择和使用1 1.液压油液的选择（1）优先考虑粘性 =11.5 41.3 cSt 即 20、30、40号机械油（2）按工作压力 p 高，选大； p 低，选小（3）按环境温度 T 高，选大； T 低，选小（4）按运动速度 v 高，选小； v 低，选大（5）其他 环境 （污染、抗燃） 经济（价格、使用寿命） 特殊要求（精密机床、野外工作的工程机械）第三节 液压传动的基本参数液压传动的基本参数是压力、流量和功率一 液体的压力 液

15、体在单位面积上所承受的法向作用力，称为压力，即物理学中称为的压强。 液体的压力为： 单位：N/m2(牛顿/米2)、帕（Pa）。工程中常用KPa（千帕）或MPa(兆帕)。 1MPa=1000KPa=106Pa=106N/M2二 液体的流量2.1 流量 单位时间内流过管道的液体的体积称为液体的流量。 液体的流量为： 单位：L/min(升/分),1L=10-3m3=1cm32.2 流速 液体单位时间内流过的距离称为液体的流速。 液体的流速为： 单位：m/s(米/秒)。如Q单位为L/min，A单位为cm2,则： tVQ AQv )/()(min)/(612smcmALQv 三 功和功率 3.1 功 物

16、体在力F 的作用下，沿力F 的方向移动了距离S,则力F对于这个物体做的功W 为： 3.2 功率 单位时间内做的功叫做功率P. 式中：S/t=v,为物体移动的速度。 单位：W (瓦),FSWPQAQpAFvtFStWP以油缸为例， 根据活塞的受力平衡有： 压力油对活塞做的功为： 由于 (体积),所以： 液压油做工的功率P为 若压力单位为MPa,流量单位为L/min，则功率P为： 可见：液压功由压力和流量共同传递。pASFSWPSF VASPQtpVpASWpQtpQttWP60pQP作业1. 20时。水的动力粘度1.008103 Pa.s，密度1000 kg/m3，求在该温度下水的运动粘度。2.

17、已知图中小活塞的面积A110cm 2，大活塞的面积A2=100cm2，管道的截面积A32cm2。试计算； (1)若使W10104N的重物抬起，应在小活塞上施加的力F? (2)当小活塞以v11m/min的速度向下移动时，求大活塞上升的速度v2，管道中液体的流速v3。作业第四节 流体的静力学按作用方式，平衡流体上的作用力有： 概述。 表面力按其作用方向可分为两种：沿表面内法线方沿表面内法线方向的压力、沿表面切向的摩擦力向的压力、沿表面切向的摩擦力。一 液体静压力特性 1.1 静压力静止液体：液体内质点间无相对运动、不呈现黏性的 液体。（与盛装液体的容器是否运动无关） 对于静止流体，切向摩擦力为零，

18、只有沿受压面内法线方向的流体静压力。 静压力（简称压力）：指液体处于相对静止时，单位面积上所受的法向作用力。 如果法向力均匀地作用在面积上，压力表示为： 由流体的特性知，流体在平衡状态时只要有切应力作用，流体就会变形，引起流体质点间的相对运动，破坏流体的平衡。流体还不能承受拉力。所以，流体在平衡状态下只能承受垂直并指向作用面的压力二、液体静力学基本方程 2.1 静压力基本方程 重力场中连续、均质、不可压缩流体的静压力基本方程式：ghpzzgpp000)(流体静压力基本方程式表明：（1）静止液体内任一点处的压力为液面压力和液柱重力所产生的压力之和。（2）静止液体内的压力随着深度h呈直线规律分布。

19、（3）深度相同处各点的压力都相等。等压面：压力相同点组成的面叫作等压面。在重力作用下静止液体中的等压面是水平面水平面。2.2 静压力基本方程的物理意义 静压力基本方程式：)(00zzgpp式中：Z0-液面与基准水平面之间的距离。 Z 深度为h的点与基准水平面之间的距离。 上式整理后可得 上式是静压力基本方程的另一种形式。式中 表示单位重力液体的压力能单位重力液体的压力能，故常称作压力水头，z表示单位重力液体的位能单位重力液体的位能，也常称作位置水头。因此，静压力基本方程的物理意义是：静止液体内任何一点具有压力能和位能两种能量形式，且其总和保持不变，即能量守恒。但两种能量形式之间可以互相交换。常

20、数00zgpzgpgp真空度真空度:当压力比当地大气压低时，流体压力与当地大气压的差值称为真空度。三、压力的表示方法及单位以当地大气压为计算标准表示的压力。也称为计示压力、表压力也称为计示压力、表压力相对压力：ghp绝对压力：ghpp0以绝对真空为起点表示的压力。1. 压力的表示方法p绝对压强表压强真空度ppappa 时：绝对压强绝对压强= =当地大气压当地大气压- -真空度真空度真空度真空度= =当地大气压当地大气压- -绝对压力绝对压力当ppa 时：2 2、 静压强的计量单位静压强的计量单位（1）压力单位：压力单位：Pa（N/m2）、bar 、MPa 1 bar=101 bar=105 5

21、 PaPa0.1 MPa0.1 MPa （2）液柱高单位：液柱高单位：测压计常以水或水银作为工作介质，压力常以水柱高度（mH2O），或毫米汞柱（mmHg）表示。（3）大气压单位大气压单位：以1标准大气压（1 atm）为单位表示。1 atm =1.013*105Pa=10.33 mH2O =760 mmHg1bar0.1MPa四、帕斯卡原理 在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以相等的数值传递到液体各点，这就是静压传递原理，即帕斯卡原理。五、静压力对固体壁面的总作用力5.1 压力油作用在平面上的力 作用在平面上压力的方向互相平行，总作用力F等于静压力p与承压面积A的乘积。即：FpA在液压制动装

22、置中，设总泵的直径d=25.4mm,分泵的直径D=32mm。现根据制动要求，分泵活塞杆作用在制动器上的制动力F2=3159N，踏板的传动比L1/L2=5.5，试求驾驶员需踩在踏板上的力F0。 液压制动示意图5.2 5.2 压力油作用在曲面上的力 当承压面积为曲面时，作用在曲面上的压力的方向均垂直于曲面。 图为液压受力简图，设液压缸半径为r,长度为L，在液压缸右半壁上任取一窄长条微小面积：压力在微小平面上的力为：F沿x的分力为： 压力沿x方向总作用力：LrdLds pLrddF dpLrdFdFxcoscospLrdpLrFx2cos22压力沿x方向总作用力：pLrpLrdpLrdpLrFx22

23、sin2sincoscos2222 静压力作用在曲面上的力在某一方向上的分力等于压力与曲面在该方向投影面积的乘积。 某安全阀如图，阀芯为圆锥形，阀座孔径d=10mm,阀芯最大直径D=15mm。当油液压力P1=8MPa时，压力油克服弹簧力顶开阀芯而溢油，出油腔有背压p2=0.4MPa。试求阀内弹簧的预紧力。2224pDF222121)(44pdDpdFNppdFs597)(4212解 阀芯受到的向上的作用力为： 阀芯受到的向下的作用力为： 阀芯受力平衡方程 整理得：SFFF21一、基本概念1.理想液体和实际液体理想液体：既无粘性，又无压缩性的假想液体。实际液体：既有粘性，又有压缩性的真实液体。2

24、.定常流动和非定常流动定常流动：液体的压力、速度和密度只随位置变化，与时间无关。也称恒定流动。非定常流动：液体的压力、速度和密度中有一个参数与时间有关。也称非恒定流动。第五节 液体流动的力学性质举例：定常流动非定常流动3.一维流动 一维流动：液体整个地作线形流动。 二维流动：液体整个地作平面流动。 三维流动：液体整个地作空间流动。4. 流线、流束、过流截面流线：某一瞬时液流中标志其各处质点运动状态的曲线，在流线上各点的瞬时速度方向与该点的切线方向重合。流线的性质：l 稳定流动时，流线形状不随时间变化。l 流线不能相交，也不能转折。l 流线是连续光滑的曲线。通流截面：通流截面：流束中与所有流线正

25、交的截面。 流线彼此平行的流动称为平行流动； 流线间的夹角很小，或流线的曲率半径很大的流 动称为缓变流动（相反情况便是急变流动）。 前两者的通流截面均认为是平面，急变流动的过流截面是曲面。流束：流束：面积A上所有各点的流线的集合。 流束内外流线均不能穿越流束表面。 面积A无限小时的流束，称为微小流束微小流束。单位时间内流入控制体积的质量单位时间内流入控制体积的质量 ： 单位时间内流出控制体积的质量单位时间内流出控制体积的质量 ：二、二、液体流动的连续性方程液体流动的连续性方程连续性方程是质量守恒规律在流体力学中的表现。设：不可压缩流体在非断面管中作定常流动。对于稳定流动，不可压缩液体，对于稳定

26、流动，不可压缩液体，为常数：为常数： 过流断面1和2的面积分别为A1和A2，平均流速分别为V1和V2，111111AvQm222222AvQmconstAvAvQ2211在定常流动中，流过各截面的不可压缩液体的流量是相等的，而且液体的平均流速与管道的过流截面积成反比。即：constAvAvQ2211说明：说明：上式即为液流的流量连续性方程。1221AAvv三、流动液体的能量守恒定律在液压系统中是利用具有压力的流动液体来传递能量，在流体力学中，流动液体的能量守恒方程又叫伯努利方程。如图，在管子断面处流速为 ，压力为 ,断面中心到地面的距离为Z1 。管子断面处，流速为 ，压力为 ，断面中心距地面高

27、度为Z2。1v1p2v2p在断面1处取一块重量为mg的油液，则其具有的能量为：1. 位能： 则单位重量的位能为1mgz11zmgmgz2. 动能 质量为m的油液具有的动能为 ，所以单位重量的动能为：221mvgvmgmv2221213. 压力能 由于油液具有压力，所以它具有压力能。 油液的压力能为 ，又因但时间t内其重量为 ，因此，单位重量油液的压力能为：gptgQtQp1111tQp11tgQ1 故，在断面处，单位重量油液具有的总能量为：gpgvz12112 同样,在断面处，单位重量油液具有的总能量为：gpgvz22222常数gvzgpgvzgp2222222111常数2211zgpzgp除

28、去动能，即为之前所讲理想液体静力学能量守恒方程： 根据能量守恒定律，油液流经断面、的总能量是相等的，即此式即为理想液体微小流束的能量守恒方程（伯努利方程）。能量守恒定律的意义：能量守恒定律的意义： 管内作定常流动定常流动的理想液体理想液体，在任意截面上，液体的总比能保持不变，但比位能、比压能、比动能可以相互转换。 -单位重量实际液体在微小流束中从截面1流到截面2，因粘性而损耗的能量。3. 实际流动液体的伯努利方程htgvzgpgvzgp2222222111ht 此外，液流经液流截面A1,A2上各点的流速并不相等，计算中常用平均流速 代替各点不等的流速，且令单位时间内流液的实际动能实际动能和按平

29、均流速计算出来的动能按平均流速计算出来的动能之比为动能修正系数 。v那么，实际液体总流的伯努利方程为方程的适用条件： 定常流动，不可压缩液体；l 质量力只有重力；l 所取截面为缓变流截面；l 流量沿流程保持不变；l 层流时2，紊流时1；l 没有机械能加入。htgvzgpgvzgp222222221111泵从油箱吸油，泵的输出流量Q25L/min ，吸油管直径d30mm，设滤网及管道内总的压降为0.03MPa，油液的密度880kg/m3，要保证泵的进口真空度不大于0.0336MPa，试求泵的安装高度？题：解 根据流体的能量守恒定律：htgvhzgpgvzgp2)(222212211111p因为油

30、箱液面与大气接触，故 为大气压力， 为油缸液面下降速度，由于 ，故 可近似为零；修正系数 因此上式可简化为：1v21vv 1vhtgvhgpgpa2222121整理得：htgAQghhtgvghppa.)(21.212222带入数值46234103)1015601025(880218 . 98801036. 3h解得：mh387. 0假定流量为Q的液流，则在时间 内流过的液体的质量为：四、流动液体的动量方程动量：物体质量 与速度 的乘积 称为物体的动量。mvmv动量定理：物体的动量对时间的改变率等于作用于该物体上的力，即：tmvmvF12t tQVm那么，流液的力为：)()(1212vvQtv

31、vmF这就是流体的动量方程。1雷诺实验第六节 液体流动时的压力损失一、液体的流态液体的流态2 2流态流态 液体质点互不干扰，流动呈线性或层状，液体质点互不干扰，流动呈线性或层状，平行于管道轴线，没有横向运动。平行于管道轴线，没有横向运动。 液体质点的运动杂乱无章，除沿管道液体质点的运动杂乱无章，除沿管道轴线运动外，还有剧烈的横向运动。轴线运动外，还有剧烈的横向运动。层流层流：紊流紊流： 3 3雷诺数雷诺数：式中： 液体速度，cm/s 运动粘度，cst液流由层流转变为紊流的雷诺数称为临界雷诺Rec ，光滑的金属圆管， Rec2320 Re Rec 紊流紊流v沿程压力损失沿程压力损失：液体在等径直

32、管中流动时，因摩擦而产液体在等径直管中流动时，因摩擦而产 生的损失。生的损失。局部压力损失：局部压力损失：由于管道的截面突然变化，液流方向改由于管道的截面突然变化，液流方向改 变或其它形式的液流阻力而引起的损失。变或其它形式的液流阻力而引起的损失。1 1沿程压力损失沿程压力损失 或或 沿程阻力系数沿程阻力系数二、压力损失gvdlgphll2222vdlpl沿程阻力系数的确定（与流态等因素有关）沿程阻力系数的确定（与流态等因素有关） 层流时理论值，层流时理论值，64/Re； 层流时液压油在金属管道中流动，层流时液压油在金属管道中流动，75/Re； 紊流时，紊流时， f（Re，/d)/d) 3000 Re 105，0.3164Re-0.25。2 2局部压力损失局部压