第一篇 液压传动

第一篇液压传动第一章液压传动的基础知识1、液压传动工作介质：物理性质、分类、选用原则污染控制等；2、液体静力学：特性、静力学方程、压力单位、帕斯卡原理3、液体动力学：连续性方程、贝努利方程、动量方程；4、定常管流的压力损失计算：流态、沿程压力损失、局部压力损失5、孔口和缝隙流动：孔口液流特性、缝隙液流特性6、空穴现象7、液压冲击一、液压传动工作介质的性质1、密度ρ：单位体积液体的质量

式中m：液体的质量(kg)；

V：液体的体积（m3）；

ρ=900kg/m3

由于油液的体积随着温度的上升而增加，随着压力的提高而减少，故矿物油型液压油的密度随着温度的上升而有所减小，随着压力的提高而稍有增加，但其变动值很小，可认为其为常数，一般矿物油系液压油在15℃时密度约为900kg／m3左右。第一节液压传动工作介质2、可压缩性：液体受压力作用而发生体积变化的性质。可用体积压缩系数κ（卡帕）或体积弹性模量K表示体积压缩系数κ：单位压力变化所引起的体积相对变化量，（m2/N）

式中V：液体加压前的体积（m3）；△V：加压后液体体积变化量（m3）；△p：液体压力变化量（N/m2）；体积弹性模量K（N/m2）：液体体积压缩系数κ的倒数

计算时常取K=7×108N/m2

液体弹簧的刚度计算教材P12,式1-33、粘度液体的粘性：

液体在流动时产生内摩擦力的特性液体只有流动或有流动趋势时才呈现粘性，静止液体则不显示粘性

液体的粘度：

液体粘性的大小可用粘度来衡量。

粘度是液体的根本特性，也是选择液压油的最重要指标常用的粘度有三种不同单位：即动力粘度、运动粘度和相对粘度（相对粘度不常有）动力粘度（绝对粘度）μ

牛顿内摩擦定律式中μ:称为动力粘度系数（Pa·s）

τ:单位面积上的摩擦力（即剪切应力）

:速度梯度，即液层间速度对液层距离的变化率物理意义：当速度梯度为1时接触液层间单位面积上的内摩擦力

法定计量单位：帕·秒（Pa·s）图1-4液体粘性示意图运动粘度ν

定义：动力粘度μ与密度ρ之比

法定计量单位：m2/s

由于ν（纽）的单位中只有运动学要素，故称为运动粘度。液压油的粘度等级就是以其40ºC时运动粘度的某一平均值来表示，如L-HM32液压油的粘度等级为32，则40ºC时其运动粘度的平均值为32mm2/s粘温特性

定义：粘度随温度变化的特性

图1-5几种国产油液粘温图粘压特性压力小于20MPa时，油液的粘度随压力变化很小；压力很高时，粘度将急剧增大；

二、对液压传动工作介质的要求(I)合适的粘度和良好的粘度-温度特性，一般液压系统所选用的液压油，其运动粘度大多为(13-68)×10-6m2／s(40℃)。(2)良好的化学稳定性，这里主要指在高温下(抗热)与空气长期接触(抗氧化)以及在高速通过缝隙或小孔(抗机械剪切)后仍能保持其原有化学成分不变的性质。(3)良好的润滑性能，以减小元件中相对运动表面的磨损。(4)质地纯净，不含或含有极少量的杂质、水分和水溶性酸碱等。(5)对金属密封件有良好的相容性。(6)抗抱沫性好，抗乳化性好，腐蚀性小，抗锈性好。

(7)体积膨胀系数低，比热容高。(8)流动点和凝固点低，闪点(明火能使油面上油蒸气内燃、但油本身不燃烧的温度）和燃点高。（9）对人体无害，成本低。

三、工作介质的分类和选用1、分类石油型：精致矿物油普通液压油L-HL,常用液压油抗磨液压油低温液压油；户外工程机械高粘度指数液压油液压导轨油90%以上的液压系统用矿物油，但可燃，不宜用于易燃、易爆等场合；乳化型：水包油乳化液；油包水乳化液

抗燃，用于压力不高的场合；合成型：水-乙二醇液、磷酸脂液现代大型飞机使用的“紫油”属于一种磷酸酯合成液压油，它为阻燃型，耐热性好，使用温度可达100℃以上，即使燃烧也不扩散。缺点是易被水污染、对密封要求严格。

合成油价格高，用于高压、高温等特殊场合。2、工作介质的选用原则(1)液压系统的工作压力工作压力较高的系统宜选用粘度较高的液压油，以减少泄漏；反之便选用粘度较低的油。例如，当压力p＝7.0-20MPa时宜选用N46-N100的液压油；当压力p＜7.0MPa时宜选用N32-H68的液压油。

(2)运动速度执行机构运动速度较高时，为了减小液流的功率损失，宜选用粘度较低的液压油。

(3)液压泵的类型在液压系统中，液压泵的润滑要求很苛刻，选择液压油粘度时应考虑液压泵的类型及其工作环境，如表教材表1-2（P16).四、液压系统的污染控制1、污染的根源1）、已被污染的新油；2）、残留污染：毛刺、切屑等；3）、侵入污染：灰尘、砂土等；4）、生成污染：老化，磨损磨粒等2、污染的危害80%的液压故障与污染相关，大颗粒可能导致泵或阀卡死，小颗粒导致磨损加剧，油液老化加快、阻塞等。3、污染的测定1）、称重法；每100毫升液体中污染物的毫克数（重量）定级；2）、颗粒计数法；每100毫升液体中不同直径污染物的颗数4、污染的等级GB/T14039-93,如18/15代表1ml液体中大于5微米的颗粒不多于18个，大于15微米的颗粒不多于15个；美国标准NAS16385、工作介质的污染控制

(1)使液压油在使用前保持清洁液压油在运输和保管过程中都会受到外界污染，新买来的液压油看上去很清洁，其实很“脏’，必须将其静放数天后经过滤加入液压系统中使用。

(2)使液压系统在装配后、运转前保持清洁液压元件在加工和装配过程中必须清洗干净，液压系统在装配后、运转前应彻底进行清洗，最好就用系统工作中使用的油液清洗，清洗时油箱除通气孔(加防尘罩)外须全部密封，密封件不可有飞边、毛刺。

(3)使液压油在工作中保持清洁液压油在工作过程中会受到环境污染，因此应尽量防止工作中空气、水分的侵入，为完全消除水、气和污染物的侵入，采用密封油箱，通气孔上加空气油清器，防止尘土、磨料和冷却核侵入，经常检查并定期更换密封件和蓄能器中的胶囊。

(4)采用合适的滤油器这是控制液压油污染的重要手段，应根据设备的要求使用场合在液压系统中选用不同的过滤方式、不同的精度和不同结构的滤油器，并要定期检查和清洗滤油器和油箱。（5)定期更换液压油更换新油前，油箱必须先清洗一次，系统较脏时，可用煤油清洗，排尽后注入新油。

(6)控制液压油的工作温度液压油的工作温度过高对液压装置不利，液压油本身也会加速氧化变质，产生各种生成物．缩短它的使用期限，一般液压系统的工作温度最好控制在65℃以下，机床液压系统则应控制在55℃以下。第二节液体静力学

液体的静压力静压力基本方程静压力基本方程的物理意义压力的计量单位压力的传递液体静压力对固体壁面的作用力一、液体的静压力及其特性静压力:是指液体处于静止状态时,其单位面积上所受的法向作用力静压力的特性:液体的静压力的方向总是沿着作用面的内法线方向静止液体中任何一点所受到各个方向的压力都相等二、液体静压力的基本方程1、液体静压力基本方程:反映了在重力作用下静止液体中的压力分布规律图2—1重心作用下的静止液体物理意义:静止液体具有两种能量形式，即压力能与位能。这两种能量形式可以相互转换，但其总和对液体中的每一点都保持不变为恒值，因此静压力基本方程从本质上反映了静止液体中的能量守恒关系.

Z:单位重量液体的位能,称位置水头

:单位重量液体的压力能,称压力水头静止流体的等压面为水平面。三、压力的计量单位法定单位

:牛顿/米2(N/m2)即帕（Pa）

1MPa=106Pa单位换算:1工程大气压（at）=1公斤力/厘米2（kgf/m2）≈105帕

=0.1MPa=1bar1米水柱（mH20）=9.8×103Pa1毫米汞柱（mmHg）=1.33×102Pa

相对压力（表压力）:

以大气压力为基准，测量所得的压力是高于大气压的部分

绝对压力:

以绝对零压为基准测得的压力绝对压力=相对压力+大气压力真空度:如果液体中某点的绝对压力小于大气压力，则称该点出现真空。此时相对压力为负值，常将这一负相对压力的绝对值称为该点的真空度

真空度=|负的相对压力|=|绝对压力-大气压力|图2—2绝对压力、相对压力和真空度四、帕斯卡原理帕斯卡原理（静压传递原理）:若在处于密封容器中静止液体的部分边界面上施加外力使其压力发生变化，只要液体仍保持其原来的静止状态不变，则液体中任一点的压力均将发生同样大小的变化液压传动是依据帕斯卡原理实现力的传递、放大和方向变换的液压系统的压力完全决定于外负载图2-4帕斯卡原理应用五、液体静压力对固体壁面的作用力当承受压力的固体壁面为平面时:则作用在其上的总作用力等于压力与该壁面面积之积

如果承受压力的固体壁面是曲面时:曲面上总作用力在某一方向上的分力等于曲面在与该方向垂直平面内的投影面积与静压力的乘积。若已知曲面上总作用力在三个坐标轴方向的分量分别为Fx、Fy和Fz时，总作用力的大小为：第三节液体动力学流量连续性方程：质量守恒伯努利方程：能量守恒动量方程：动量守恒一、连续性方程:质量守恒定律在流动液体情况下的具体应用连续性方程推导简图连续性方程说明：不可压缩流体作定常流动时，通过管道任一通流截面的流量相等通过通流截面的流速则与通流截面的面积成反比

二、伯努利方程(能量方程):能量守恒定律在流动液体中的表达形式理想液体的伯努利方程实际液体的伯努利方程伯努利方程应用实例理想液体定常流动时，液体的任一通流截面上的总比能（单位重量液体的总能量）保持为定值。总比能由比压能（）、比位能（Z）和比动能（）组成，可以相互转化。

静压力基本方程是伯努利方程的特例理想流体伯努利方程为：1、理想液体的伯努利方程则实际伯努利方程为：α:动能修正系数,为截面上单位时间内流过液体所具有的实际动能，与按截面上平均流速计算的动能之比（层流时α=2，紊流时α=1）

:单位重量液体所消耗的能量2、实际液体的伯努利方程例一，文丘里流量计求解已知A1,A2,被测液体密度，水银密度，水银高度差h，即可求出通流体积3、伯努利方程应用实例1、油液提升一定高度所需要的压力；2、油液产生一定速度所需要的压力；3、吸油管内压力损失。液压泵吸油口处的真空度却不能太大.实践中一般要求液压泵的吸油口的高度h不超过0.5米.图2-10液压泵从油箱吸油教材：例1-1，求泵吸油腔的真空度Z1=0，z2=h，p1=pa，V1<<V2，取v1=0，v2=4q/(πd2)液压泵吸油口处的真空度是油箱液面压力与吸油口处压力p2之差。泵吸油口真空度为三、动量方程取管道中一段控制体积A-B，流出控制体积速度为V2，流入控制体积速度为V1，则控制体积的动量方程为动量方程物理意义：作用于控制体积上的外合力等于单位时间内流出与流入的动量之差。

例题：1-5αθ教材：例1-2作业：P381-31-41-6第四节定常管流的压力损失计算

沿程压力损失：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。局部压力损失：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。

一、两种流动状态1、层流、紊流（P27,图1-13）层流和紊流是两种不同性质的流态。层流时，液体流速较低，质点受粘性制约，不能随意运动，粘性力起主导作用；紊流时，因液体流速较高，粘性的制约作用减弱，因而惯性力起主导作用。液体流动时究竟是层流还紊流，须用雷诺数来判别。2、雷诺数:液体在圆管中的流动状态决定于由管道中流体的平均流速v、管道直径d和液体运动粘度υ这三个参数所组成的无量纲数的大小:流动液体的雷诺数低于临界雷诺数(由紊流转变为层流)时，流动状态为层流，反之液流的状态为紊流教材表1-3常见液流管道的临界雷诺数雷诺数物理意义：液流的惯性力对粘性力的无因次比二、液体在直管中流动的压力损失（一）、层流时的压力损失1、层流时管截面上的速度分布

取一微小圆柱体，列写力平衡方程有：图2-14圆管中的层流2、圆管中的流量

式中d:管道内径（m）；

l:管道长度（m）；

:流体的动力粘度（N·S/m2）；

=p1-p2:管道两端的压力差（N/m2）；

3、沿程压力损失:这种沿等直径管流动时的压力损失

λ:沿程压力损失系数,其理论值为.

当流动液体为液压油时，（二）紊流时的压力损失特点：紊流的沿程压力损失比层流大，既要克服流动的液层摩擦力，还要克服横向脉动摩擦；流动情况复杂，沿程阻力系数与雷诺数和管道表面粗糙度等有关；沿程阻力系数见表1-4（P30）三、局部压力损失Δpξ

在流经阀口、管道截面变化、弯曲等处时，由于流动方向和速度变化及复杂的流动现象(旋涡，二次流等)而造成局部能量损失

ξ称为局部压力损失系数，一般用实验的方法进行确定；例四、管路系统中的总压力损失和压力效率管路系统的压力损失和压力效率

:整个管路系统的总压力损失是系统中所有直管的沿程压力损失和所有局部压力损失之和使用条件:管路系统中两相邻局部压力损失之间距离足够大（相连管径的10-20倍）

系统动力元件所供的工作压力:

管路系统的压力效率

第五节孔口和缝隙流动一、孔口液流特性在液压与气压传动中常用通过改变阀口通流截面积或通过通流通道的长短来控制流量的节流装置来实现流量控制。这种节流装置的通流截面一般为不同形式的小孔。通过薄壁小孔(孔的通流长度l与孔径d之比L/d≤0.5)的流动通过细长小孔(小孔的长径比l/d>4)的流动

1、通过薄壁小孔的流动图2-15液体在薄壁小孔中的流动L／d<0.5时称之为薄壁小孔；液体流经薄壁小孔时，因D》d，通流截面1-1的流速较低，流过小孔时液体质点突然加速，在惯性力作用下，通过小孔后的液流形成一个收缩截面2-2，对圆形小孔，此收缩截面离孔口的距离约为d／2：然后再扩散，这一过程，造成能量损失，并使油液发热，收缩截面面积A0和孔口截面积A的比值称为收缩系数。即如果D/d>7时，称为完全收缩；其伯努利方程为：因为D>>d，v1<<v2，忽略v1，有：

所以通过薄壁小孔的流量为：

称为小孔流量系数结论：通过薄壁小孔的流量与液体粘度无关，因而流量受液体温度影响较小.但流量与孔口前后压差的关系是非线性的

完全收缩时Cd=0.61-0.62，不完全收缩时Cd=0.7-0.82、通过细长小孔的流动如果L/d>4,称为细长孔，一般为层流状态，由前面公式可直接得出：

是细长小孔的通流截面积液体流经细长小孔的流量将随液体温度的变化而变化。但细长小孔的流量与孔前后的压差关系是线性的统一的经过小孔的流量公式

式中A:孔的通流截面积，Δp:孔前后压差，

m:由孔结构形式决定的指数,0.5≤m≤1k:由孔口形式有关的系数

当孔为薄壁小孔时，m=0.5,

为细长小孔时m=1，

二、通过间隙的流动内泄漏外泄漏泄漏原因泄漏的影响间隙流动一般假设为层流（一）平行平板的间隙流动假设：1、液体不可压缩2、质量力不计3、黏度为常数xdx1、固定平行平板间隙流动（压差流动）

边界条件：y=0,u=0;y=h,u=0.代入后得：２、平行平板有相对运动间隙流动

（１）两平行平板有相对运动速度ｖ，无压差

边界条件：y=0,u=0;y=h,u=v.dp/dx=0则积分常数为：C1=v/h;C2=0;（２）两平行平板既有相对运动，同时存在压差的流动，是以上两种情况的叠加结论：缝隙小，泄漏少；但功率损耗大．（二）、圆柱环形间隙流动

１、同心环形间隙在压差作用下流动展开成平行平板流动情况：2、偏心环在压差作用下的流动oo1AB3、内外圆柱表面有相对运动且又存在压差的流动关正负的规定：当长圆柱相对短圆柱表面运动方向与压差流动方向一致时，取+；反之取-。（三）、流经平行圆盘间隙径向流动的流量（自学）间隙为h，油由中心流入，在压差作用下向四周放射流出。静压支撑。平板流动（四）、圆锥环状间隙流动（自学）将环形间隙展开后成为一个扇形平面，相当于平行圆盘的一个部分。半锥角为α的扇形中心角为平行圆盘的中心角为2π，扇形中心角为2πsinα,用πsinα代替圆盘流量公式中的π，得例：己知液压缸中活塞直径d＝100mm，长l＝100mm，活塞与液压缸同心时的间隙为h=0.1mm,Δp=2MPa,油液的动力粘度为μ＝0.1Pa·s。求：①同心时的泄漏量：②完全偏心时的泄漏量；③当活塞以6m／min速度与压力差同向运动且液压位完全偏心时的泄漏量。解(1)同心时泄漏量第六节空穴现象

在流动的液体中，因某点处的压力低于空气分离压而产生气泡的现象，称之为空穴现象。空穴现象使液压装置产生噪声和振动，使金属表面受到腐蚀。

一、油液的空气分离压和饱和蒸汽压一般油液中含有一定的空气，油液能溶解的空气的量与绝对压力成正比，在大气压下正常溶解于油液中的空气，当压力低于大气压时，就成为过饱和状态，在一定的温度下，如压力降低到某一值时，过饱和的空气将从油液中分离出来形成气泡，这一