液压传动与气动技术：第1章 液压传动和流体力学基础

第1章液压传动和流体力学基础液压传动的工作原理1.1液压传动系统的组成及其元件的总体布局1.2液压传动系统的特点1.3液压油1.4第1章液压传动和流体力学基础流体静力学基础1.5流体动力学基础1.6液体在管道中的流动状态和

压力损失1.7液体流经孔口及缝隙的特性1.8液压冲击及空穴现象1.91.1液压传动的工作原理1.1.1液压传动的基本概念1.1.2液压传动的基本原理1.1.3液压与气动技术的工程应用1.1.1液压传动的基本概念

液体传动，是以液体作为工作介质进行能量（动力）传递的传动方式。1.1.2液压传动的基本原理下面以液压千斤顶的工作原理来说明液压传动的基本原理。图1-1为液压千斤顶基本原理图。图1-1液压千斤顶工作原理图液压传动是以密闭系统内液体（液压油）的压力能来传递运动和动力的一种传动形式。1.1.3液压与气动技术的工程应用①机床行业：机床是液压技术的典型应用。在现代数控机床（CNC）中，如图1-2所示，刀具和工件由液压设备夹紧，滑台进给和主轴转动也可以由液压驱动。

图1-3所示为油压机，其主要部件的驱动由液压完成。图1-2数控机床图1-3油压机②工程机械：液压技术在工程机械中的应用非常广泛。图1-4为液压挖掘机，其挖掘作业（直线驱动）和挖掘机本身运动（旋转驱动）都采用液压驱动。1.1.3液压与气动技术的工程应用图1-4液压挖掘机③汽车行业：用于橡胶轮胎钢丝分离的轮胎拉线机，如图1-5所示，其主要部件均采用液压传动装置。1.1.3液压与气动技术的工程应用图1-5轮胎拉线机④轻工、化工机械：小型棉纺厂、轧花厂常用的立式打包机，如图1-6所示，其动力系统和控制系统均采用液压传动系统。1.1.3液压与气动技术的工程应用图1-6立式打包机表1-1 液压传动在机械行业中的应用行业名称应用场合举例机床行业磨床、铣床、刨床、拉床、压力机、自动机床、组合机床、数控机床、加工中心等工程机械挖掘机、装载机、推土机等汽车工业环卫车、自卸式汽车、平板车、高空作业车等农业机械联合收割机控制系统、拖拉机悬挂装置等轻工、化工机械打包机、注塑机、校直机、橡胶硫化机、胶片冷却机、造纸机等冶金机械电炉控制系统、轧钢机控制系统等起重运输机械起重机、叉车、装卸机、液压千斤顶等矿山机械开采机、提升机、液压支架等建筑机械打桩机、平地机等船舶港口机械起货机、锚机、舵机等铸造机械砂型压实机、加料机、压铸机等1.2液压传动系统的组成及其元件的总体布局1.2.1液压传动系统的组成1.2.2液压传动系统的图形符号1.2.3液压传动系统元件的总体布局1.2.1液压传动系统的组成图1-7为一驱动机床工作台的液压传动系统。该系统的工作原理为：在图1-7所示位置。图1-7机床工作台液压系统工作原理图液压传动系统主要由以下几个部分组成。①能源装置。②执行装置。③控制调节装置。④辅助装置。⑤工作介质。1.2.2液压传动系统的图形符号图1-7（a）为液压系统半结构式原理图。

也可以将其用液压图形符号表示，如图1-7（b）所示。1.2.3液压传动系统元件的总体布局液压系统元件的总体布局分为4部

分，即执行元件、液压油箱、液压泵装置和液压控制调节装置。除执行元件外，液压系统元件的连接形式有集中式（液压站）和分散式。1．集中式（液压站）集中式（液压站）是将液压系统的供油装置、控制调节装置独立于主设备之外，单独设置一个液压站，如图1-8所示。图1-8集中式（液压站）2．分散式分散式是将液压系统的供油装置、控制调节装置分散在主设备的各处。1.3液压传动系统的特点1.3.1液压传动系统的优点1.3.2液压传动系统的缺点1.3.1液压传动系统的优点①在同等的体积下，液压装置能比电气装置产生更多的动力。在同等的功率下，液压装置的体积小，重量轻，功率密度大，结构紧凑。液压马达的体积和重量只有同等功率电动机的12%左右。②液压装置工作比较平稳。由于重量轻、惯性小、反应快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁的换向。1.3.1液压传动系统的优点③液压装置能在大范围内实现无级调速（调速范围可达2

000r/min），它还可以在运行的过程中进行调速。④液压传动易于自动化，它对液体压力、流量或流动方向易于进行调节或控制。当将液压控制和电气控制、电子控制或气动控制结合起来使用时，整个传动装置能实现很复杂的顺序动作，也能方便地实现远程控制。1.3.1液压传动系统的优点⑤液压装置易于实现过载保护。液压缸和液压马达都能长期在堵转状态下工作而不会过热，这是电气传动装置和机械传动装置无法办到的。⑥由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造和使用都比较方便。⑦用液压传动实现直线运动远比用机械传动简单。1.3.2液压传动系统的缺点①液压传动在工作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄漏损失等），长距离传动时更是如此，故不易保证严格的传动比。②液压传动对油温变化比较敏感，它的工作稳定性很容易受到温度的影响，因此它不宜在很高或很低的温度条件下工作。1.3.2液压传动系统的缺点③为了减少泄漏，液压元件在制造精度上要求较高，因此它的造价较高，而且对工作介质的污染比较敏感。④液压传动出现故障时不易找出原因。1.4液压油1.4.1液压油的作用和种类1.4.2液压油的物理性质1.4.3液压油的选用1.4.1液压油的作用和种类1．液压油的用途①传递运动与动力。②润滑。③密封。④冷却。1.4.1液压油的作用和种类2．液压油的种类①矿物油系液压油。②耐火性液压油。1.4.2液压油的物理性质1．密度单位体积液体的质量称为液体的密度，用符号ρ表示。体积为V，质量为m的液体的密度为

1.4.2液压油的物理性质2．可压缩性

1.4.2液压油的物理性质3．黏性（1）黏性的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擦力，这种现象叫做液体的黏性。黏性使流动液体内部各处的速度不相等，如图1-9所示。图1-9液体的黏性示意图1.4.2液压油的物理性质3．黏性（2）黏性的度量①动力黏度：又称绝对黏度，用符号µ表示，单位为Pa·s（帕·秒）。②运动黏度：液体的动力黏度与其密度的比值，称为液体的运动黏度，用符号

表示。即

1.4.2液压油的物理性质3．黏性（3）黏度与压力的关系压力增大时，液压油黏度增大。（4）黏度与温度的关系图1-10所示是几种国产液压油的黏度——温度曲线。

图1-10几种国产液压油的黏度—温度曲线1.4.3液压油的选用油液品种的选择：①液压系统的工作条件。②液压系统的工作环境。③综合经济分析。1.4.3液压油的选用选择油的黏度等级：①根据工作机械的不同要求选用。②根据液压泵的类型选用。③根据液压系统的工作压力选用。④根据液压系统的环境温度选用。⑤根据工作部件的运动速度选用。1.5流体静力学基础1.5.1流体静压力及其特性1.5.2流体静力学基本方程及其应用1.5.1流体静压力及其特性1．压力的定义静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力，用符号P表示。静压力在液压传动中简称压力，在物理学中则称为压强。1.5.1流体静压力及其特性2．压力的表示方法及单位（1）压力的表示方法压力的表示方法有两种，一种是以绝对真空作为基准所表示的压力，称为绝对压力；另一种是以大气压力作为基准所表示的压力，称为相对压力。绝对压力

=

相对压力

+

大气压力绝对压力小于大气压时，相对压力负值部分叫做真空度。即

真空度

=

大气压

−

绝对压力

=

−（绝对压力

−

大气压）图1-11绝对压力、表压力和真空度的关系绝对压力、相对压力（表压力）和真空度的相互关系如图1-11所示。1.5.1流体静压力及其特性3．液体的静压力特性①液体静压力的方向总是作用面的内法线方向。②静止液体内任一点的液体静压力在各个方向上都相等。1.5.2流体静力学基本方程及其应用1．流体静力学基本方程如图1-12所示。图1-12重力作用下的静止液体1.5.2流体静力学基本方程及其应用2．静力学基本方程的物理意义静止液体中单位质量液体的压力能和位能可以互相转换，但各点的总能量保持不变，即能量守恒，这就是静力学基本方程式中包含的物理意义。1.5.2流体静力学基本方程及其应用3．帕斯卡原理在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到液体内部所有各点。

这就是静压传递原理或称帕斯卡原理，如图1-14所示。图1-14帕斯卡原理1.6流体动力学基础1.6.1基本概念1.6.2连续性方程及其应用1.6.3伯努利方程及其应用1.6.1基本概念1．理想液体、定常流动①理想液体②

定常流动③非定常流动图1-16所示为定常流动和非定常流动。图1-16定常流动和非定常流动1.6.1基本概念2．流线、通流截面①流线②通流截面3．流量和平均流速①流量②平均流速：1.6.2连续性方程及其应用如图1-17所示，两端通流截面面积为A1和A2，流速分别为1和2，则通过任一截面的流量Q为Q

=

A

=

A11

=

A22

=

常数图1-17流量连续性方程1.6.3伯努利方程及其应用1．理想液体的伯努利方程如图1-19所示。依能量守恒定律图1-19伯努利方程1.6.3伯努利方程及其应用2．实际液体的伯努利方程实际液体伯努利方程为1.6.3伯努利方程及其应用3．应用伯努利方程应注意的事项

①h和P是指截面的同一点上的两个参数，至于A1、A2上的点不一定都要取在同一条流线上，但一般对管流而言，计算点都取在轴心线上。把这两个点都取在两截面的轴心处，是为了计算方便。②液流是定常流动。如不是定常流

动，要加入惯性项。1.6.3伯努利方程及其应用3．应用伯努利方程应注意的事项③两个计算通流截面应取在平行流动或缓变流动处，但两截面之间的流动不受此限制。两截面间的流动状态，并不影响计算，但影响能量损失的大小。④液流仅受重力作用，即盛液的容器没有牵连加速度的情况下。1.6.3伯努利方程及其应用3．应用伯努利方程应注意的事项⑤液体不可压缩，在运动中密度保持不变。⑥流量沿程不变，即没有分流。⑦适当地选取基准面，一般取液平面，这时p一般等于pa，

=

0。1.6.3伯努利方程及其应用3．应用伯努利方程应注意的事项⑧截面上的压力应取同一种表示方法，都取相对压力或都取绝对压力。压力小于大气压时，则表压力为负值，但用真空度表示时要写正值。如绝对压力为0.03MPa，则表压力为-0.07MPa，真空度为0.07MPa。⑨注意动能修正系数，层流时

=

2，紊流时≈1。1.7液体在管道中的流动状态和

压力损失1.7.1液体的流动状态及其判别1.7.2液体在管中流动的压力损失1.7.1液体的流动状态及其判别1．层流、紊流和雷诺数液体在管道中流动时存在两种不同状态，即层流和紊流，如图1-21所示。①层流②紊流③雷诺数图1-21层流和紊流实验1.7.1液体的流动状态及其判别临界雷诺数Rec：流动液体从层流转变成紊流或从紊流转变成层流的雷诺数称为临界雷诺数，记作Rec。

常用管道的临界雷诺数列于表1-2中。管道的形状Recr管道的形状Recr光滑的金属圆管2

000～2

320带环槽的同心环状缝隙700橡胶软管1

600～2

000带环槽的偏心环状缝隙400光滑的同心环状缝隙1

100圆柱形滑阀阀口260光滑的偏心环状缝隙1

000锥阀阀口20～100表1-2 常用管道的临界雷诺数1.7.2液体在管中流动的压力损失1．沿程压力损失沿程阻力系数

与液体在管中的流动状态、液体的黏性、流速等有关。1．沿程压力损失①层流时沿程阻力系数。②紊流时的沿程阻力系数。2．局部压力损失局部压力损失是液流流经阀口、弯管以及通流截面突然发生变化时，使液流速度的大小、方向发生变化引起的损失。3．管路系统的总压力损失1.8液体流经孔口及缝隙的特性1.8.1液体流经孔口的流量——压差特性1.8.2液体流经缝隙的流量——压差特性1.8.1液体流经孔口的流量——压差特性1．液流流经薄壁小孔的流量如图1-22所示，小孔的长度l与直径的比值小于等于0.5(l/d≤0.5)的孔称为薄壁小孔。取1-1和2-2断面，则流经小孔的流量为图1-22液体流过薄壁小孔的流动1.8.1液体流经孔口的流量——压差特性2．液流流经细长小孔的流量1.8.2液体流经缝隙的流量——压差特性1．液体流经平行平板缝隙的流量如图1-23所示。

图中h、b、l分别为缝隙高度、宽度和长度，并有b＞h，l＞h。图1-23平行平板缝隙间的流动1.8.2液体流经缝隙的流量——压差特性2．液流流过同心环状缝隙的流量图1-24所示为同心环状缝隙。图1-24同心圆环形缝隙的流量计算简图1.8.2液体流经缝隙的流量——压差特性3．液流流经偏心环状缝隙的流量图1-25所示为偏心环状缝隙。图1-25偏心环状缝隙流量计算图1.8.2液体流经缝隙的流量——压差特性4．液流流经圆环形平面缝隙的流量图1-26所示