基础液压技术

第一页，共五十页，2022年，8月28日系统工作要求：实现油缸的前进、后退运动，油缸最大推动负载力：F=150000N；前进、后退速度在0-0.15m/s范围之内连续可调（电控制）。实时检测液压泵出口压力、流量设计任务：1.设计、绘制液压系统原理图；2.系统压力、流量、液压缸尺寸设计计算；3.电动机功率、扭矩、转速计算；4.电动机、联轴器、液压元器件（泵、阀、油缸）及传感器选型课程设计第二页，共五十页，2022年，8月28日什么是液压？以液体为介质，用其产生的压力传递能量的方式称为

液压第三页，共五十页，2022年，8月28日液压传动系统的工作原理第四页，共五十页，2022年，8月28日液压传动系统中能量的传递和转换第五页，共五十页，2022年，8月28日1.动力元件液压传动系统的组成2.执行元件4.辅助元件3.控制元件5.传动介质液压泵液压马达或油缸各种阀:方向阀、压力阀、流量阀油箱、滤油器、加热器、冷却器等即液体第六页，共五十页，2022年，8月28日液压传动系统的优缺点1.实现大范围的无级调速。2.在同等输出功率下，液压传动装置的体积小、重量轻、运动惯量小、动态性能好。3.实现无间隙传动，运动平稳。4.便于实现自动工作循环和自动过载保护。5.采用油作为传动介质，因此液压元件有自我润滑作用，有较长的使用寿命。6.液压元件标准化、系列化，便于设计、制造和推广应用优点：第七页，共五十页，2022年，8月28日液压传动系统的优缺点1、损失大、效率低、发热大。2、不能得到定比传动。3、当采用油作为传动介质时还需要注意防火问题。4、液压元件加工精度要求高，造价高。5、液压系统的故障比较难查找，对操作人员的技术水平要求高。缺点：第八页，共五十页，2022年，8月28日流体传动第九页，共五十页，2022年，8月28日流体传动能量转换和传递基于“静液压”原理流体相对“静止”通过流体的压力传递动力能量转换和传递基于“动液压”原理利用流体的动能传递能量第十页，共五十页，2022年，8月28日能量转换和传递能量传递方式比较液压气动电传动机械传动能量来源(驱动)电机柴油机蓄能器电机柴油机蓄能罐电网蓄电池电机柴油机重力、拉力(弹簧)传递能量元件软管、硬管软管、硬管电缆磁场机械零件：杠杆、轴、齿轮等能量载体液体气体电子流刚性和弹性物体作用力密度(功率密度)大高压、大力、小流量相当小压力低小电功率密度与液压功率密度比为1:10大与液压相比不易实现功率流的选择和分配平稳性控制(加减速)非常好通过压力和流量调节一般通过压力和流量调节一般和非常好之间通过开环和闭环调节一般输出装置运动形式通过使用液压马达和油缸很容易实现直线运动和旋转运动通过使用气动马达和气动缸很容易实现直线运动和旋转运动原始为旋转运动直线和旋转第十一页，共五十页，2022年，8月28日实现运动控制

运动的两种方式直线运动:--液压油缸--气动油缸--丝杠+直线轴承2.旋转运动--液压马达--减速机--气动马达--伺服电机--变频调速电机第十二页，共五十页，2022年，8月28日实现运动控制

滚珠丝杠变旋转运动为直线运动旋转运动的--电机 --伺服电机驱动工作机构第十三页，共五十页，2022年，8月28日液压流体力学的理论基础液压流体静力学液压流体力学液压流体动力学液压流体运动学帕斯卡定理流量连续性定理伯努利方程第十四页，共五十页，2022年，8月28日液压传动的理论基础1.静液压理论建立在理想的介质上静液压原理是建立在理想的传递介质上的-没有质量-没有摩擦-不可压缩对高频响的系统，就要考虑介质的压缩性。即介质不是刚性的而是弹性的Hydraulics

第十五页，共五十页，2022年，8月28日液压流体静力学如果作用面积A1=A2=A3;则F1=F2=F3第十六页，共五十页，2022年，8月28日液压流体静力学2.静液压理论建立在帕斯卡定理(Pascal’slaw)上第十七页，共五十页，2022年，8月28日帕斯卡定理的要点:液压流体静力学第十八页，共五十页，2022年，8月28日力的传递:液压流体静力学第十九页，共五十页，2022年，8月28日正负载由液压系统产生动力给负载负负载（产生吸空）由负载产生动力给液压系统节流负载用节流的方式使油泵产生动力液压流体静力学第二十页，共五十页，2022年，8月28日压力传递:液压流体静力学第二十一页，共五十页，2022年，8月28日液压流体静力学第二十二页，共五十页，2022年，8月28日液压流体静力学第二十三页，共五十页，2022年，8月28日液压流体运动学液压系统中速度取决于流量

第二十四页，共五十页，2022年，8月28日液压流体运动学在变径的流道内，在任何时候，通过个节点的流量相流量连续性原理第二十五页，共五十页，2022年，8月28日液压流体动力学能量守恒定律关于运动液体的能量守恒定律指出，只要没有能量从外界补充，也没有能量传送到外界，则运动液体的总能量保持不变。这一总能量包括：势能（位能）动能（运动能）决定于流体的高度和静压力决定于流体流动速度和背压力得到伯努利方程

第二十六页，共五十页，2022年，8月28日液压流体动力学伯努利方程第二十七页，共五十页，2022年，8月28日液压流体动力学能量守恒：流速、压力第二十八页，共五十页，2022年，8月28日

液体流动时的压力损失1.液体的流动状态19世纪末，雷诺首先通过实验观察了水在圆管内的流动情况，并发现液体在管道中流动时有两种流动状态：层流和紊流（湍流）。这个实验被称为雷诺实验。实验结果表明，在层流时，液体质点互不干扰，液体的流动呈线性或层状，且平行于管道轴线；而在紊流时，液体质点的运动杂乱无章，在沿管道流动时，除平行于管道轴线的运动外，还存在着剧烈的横向运动，液体质点在流动中互相干扰。层流和紊流是两种不同的流态。层流时，液体的流速低，液体质点受粘性约束，不能随意运动，粘性力起主导作用，液体的能量主要消耗在液体之间的摩擦损失上；紊流时，液体的流速较高，粘性的制约作用减弱，惯性力起主导作用，液体的能量主要消耗在动能损失上。第二十九页，共五十页，2022年，8月28日通过雷诺实验还可以证明，液体在圆形管道中的流动状态不仅与管内的平均流速

有关，还和管道的直径d、液体的运动粘度有关。实际上，液体流动状态是由上述三个参数所确定的称为雷诺数Re的无量纲数来判定，即：

对于非圆形截面管道，雷诺数Re可用下式表示，即：

水力直径R可用下式计算：

式中：A——过流断面积；

——湿周，即有效截面的管壁周长。

液体流动时的压力损失第三十页，共五十页，2022年，8月28日

雷诺数是液体在管道中流动状态的判别数。对于不同情况下的液体流动状态，如果液体流动时的雷诺数Re相同，它的流动状态也就相同。液流由层流转变为紊流时的雷诺数和由紊流转变为层流时的雷诺数是不相同的，后者的数值要小，所以一般都用后者作为判断液流状态的依据，称为临界雷诺数，记作Recr。当液流的实际雷诺数Re小于临界雷诺数Recr时，液流为层流；反之，为紊流。雷诺数的物理意义：雷诺数是液流的惯性作用对粘性作用的比。当雷诺数较大时，说明惯性力起主导作用，这时液体处于紊流状态；当雷诺数较小时，说明粘性力起主导作用，这时液体处于层流状态。

液体流动时的压力损失第三十一页，共五十页，2022年，8月28日2.沿程压力损失(１)液体层流时的沿程压力损失层流时液体质点作有规则的流动，是液压传动中最常见的现象。在设计和使用液压传动系统时，都希望管道中的液流保持这种流动状态。下图所示为液体在等径水平直管中作层流流动的情况。

液体流动时的压力损失第三十二页，共五十页，2022年，8月28日在液流中取一段与管轴重合的微小圆柱体作为研究对象，设它的半径为r，长度为l，作用在两端面的压力分别为p1和p2，作用在侧面的内摩擦力为Ff。液流在作匀速运动时处于受力平衡状态，故有：式中Ff是液体内摩擦力，Ff=-2rlμdu/dr（其中的负号表示流速u随半径r的增大而减小），若令，并将Ff代入上式，整理可得：对上式进行积分，并代入相应的边界条件，即当r=R时，u=0，得：

可见管内液体质点的流速在半径方向上按抛物线规律分布。

液体流动时的压力损失第三十三页，共五十页，2022年，8月28日对于微小环形通流截面积dA=2rdr，所通过的流量为：

于是积分可得：

根据平均流速的定义，在管道内的平均流速是：

液体流动时的压力损失第三十四页，共五十页，2022年，8月28日整理后，得沿程压力损失为：

从上式可以看出，当直管中的液流为层流时，其沿程压力损失与液体粘度、管长、流速成正比，而与管径的平方成反比。适当变换上式沿程压力损失计算公式，可改写成如下形式：

式中为沿程阻力系数。对于圆管层流，理论值=64/Re。考虑到实际圆管截面可能有变形，以及靠近管壁处的液层可能被冷却等因素，在实际计算时，可对金属管取=75/Re，橡胶管=80/Re。

液体流动时的压力损失第三十五页，共五十页，2022年，8月28日

(2)液体紊流时的沿程压力损失紊流时计算沿程压力损失的公式在形式上同于层流，即：

但式中的阻力系数

除与雷诺数有关外，还与管壁的粗糙度有关，即=f(Re，/d)，这里的为管壁的绝对粗糙度，它与管径d的比值/d称为相对粗糙度。

液体流动时的压力损失第三十六页，共五十页，2022年，8月28日3.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，液流方向和流速发生变化，在这些地方形成旋涡、气穴，并发生强烈的撞击现象，由此而造成的压力损失称为局部压力损失。局部压力损失的阻力系数，一般要依靠实验来确定。局部压力损失的计算公式有如下形式：

液体流过各种阀类的局部压力损失亦服从上式，但因阀内的通道结构复杂，按此公式计算比较困难，故阀类元件局部压力损失的实际计算常用公式：

液体流动时的压力损失第三十七页，共五十页，2022年，8月28日4.管路系统总压力损失整个管路系统的总压力损失应为所有沿程压力损失和所有局部压力损失之和，即：

在液压传动系统中，绝大多数压力损失转变为热能，造成系统温度增高，泄漏增大，影响系统的工作性能。从计算压力损失的公式可以看出，减小流速，缩短管道长度，减少管道截面突变，提高管道内壁的加工质量等，都可使压力损失减小。其中流速的影响最大，故液体在管路中的流速不应过高。但流速太低，也会使管路和阀类元件的尺寸加大，并使成本增加，因此要综合考虑确定液体在管道中的流速。

液体流动时的压力损失第三十八页，共五十页，2022年，8月28日

液体流动时的压力损失管道流速选择第三十九页，共五十页，2022年，8月28日

孔口流量(1)薄壁孔口的流量下图所示为进口边做成刃口形的典型薄壁孔口。由于液体的惯性作用，液流通过孔口时要发生收缩现象，在靠近孔口的后方出现收缩最大的通流截面2-2。对于薄壁圆孔，当孔前通道直径与小孔直径之比d1/d≥7时，流束的收缩作用不受孔前通道内壁的影响，这时的收缩被称为完全收缩；反之，当d1/d<7时，孔前通道对液流进入小孔起导向作用，这时的收缩被称为不完全收缩。薄壁小孔液流第四十页，共五十页，2022年，8月28日现对孔前通流断面1―1和收缩断面2―2之间的液体列出伯努利方程：式中，h1=h2；因1<<2

，则1可以忽略不计，认为是零；因为收缩断面的流动是紊流，则2=1；而仅为局部损失，即，代入上式后可得：

由此可得通过薄壁孔口的流量公式为：

孔口流量第四十一页，共五十页，2022年，8月28日

(2)短孔、细长孔口的流量短孔的流量公式仍然为上式。短孔比薄壁孔口容易制作，因此特别适合于作固定节流器使用。流经细长孔的液流，由于粘性而流动不畅，流速低，故多为层流。所以其流量计算可以应用前面推出的圆管层流流量公式：

在这里，液体流经细长孔的流量q和孔前后的压差p成正比，而和液体的粘度成反比。可见细长孔的流量和液压油的粘度有关。这一点是和薄壁孔口的特性大不相同的。综合各孔口的流量公式，可以归纳出一个流量通用公式：

孔口流量第四十二页，共五十页，2022年，8月28日液压冲击和空穴现象1.液压冲击在液压传动系统中，常常由于一些原因而使液体压力突然急剧上升，形成很高的压力峰值，这种现象被称为液压冲击。(1)液压冲击产生的原因在阀门突然关闭或运动部件快速制动等情况下，液体在系统中的流动会突然受阻。这时，由于液流的惯性作用，液体就从受阻端开始，迅速将动能逐层转换为液压能，因而产生了压力冲击波；此后，这个压力波又从该端开始反向传递，将压力能逐层转化为动能，这使得液体又反向流动；然后，在另一端又再次将动能转化为压力能，如此反复地进行能量转换。由于这种压力波的迅速往复传播，便在系统内形成压力振荡。这一振荡过程，由于液体受到摩擦力以及液体和管壁的弹性作用不断地消耗能量，才使振荡过程逐渐衰减而趋向稳定，产生液压冲击的本质是动量变化。第四十三页，共五十页，2022年，8月28日(2)液压冲击的危害系统中出现液压冲击时，液体瞬时压力峰值可以比正常工作压力大好几倍。液压冲击会损坏密封装置、管道或液压元件，还会引起设备振动，产生很大噪声。有时冲击会使某些液压元件如压力继电器、顺序阀等产生误动作，影响系统正常工作。

液压冲击和空穴现象第四十四页，共五十页，2022年，8月28日

(3)冲击压力（a）管道阀门关闭时的液压冲击设管道截面积为A，产生冲击的管道长为l，压力冲击波第一波在l长度内传播的时间为t1，液体的密度为，管中液体的流速为，阀门关闭后的流速为零，则由动量方程得：整理后得

式中c=l/t，为压力冲击波在管道中的传播速度。应用式（3.45）时，需要先知道c值的大小，而c值不仅和液体的体积弹性模量K有关，而且还与管道材料的弹性模量E、管道的内径d及壁厚

有关。在液压传动中，c值一般在900～1400m/s之间。若液体流速

不是突然降为零，而是降为则上式可写成

液压冲击和空穴现象第四十五页，共五十页，2022年，8月28日设压力冲击波在管中往复一次的时间为tc，其中tc=2l/c。当阀门关闭时间t<tc时称为突然关闭，此时压力峰值很大，这时的冲击称为直接冲击，其值可按前面两式计算；当t>tc时，阀门不是突然关闭，此时压力峰值较小，这时的冲击称为间接冲击，其p值可按下式计算

（b）运动部件制动时的液压冲击设总质量为的运动部件在制动时的减速时间为t，速度减小值为，液压缸有效作用面积为A，则根据动量定理得

上式中忽略了阻尼和泄漏等因素，计算结果偏大，但比较安全。液压冲击和空穴现象第四十六页，共五十页，2022年，8月28日

(4)减小压力冲击的措施尽可能延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间。在液压传动系统中采用换向时间可调的换向阀可做到这一点。正确设计阀口，限制管道流速及运动部件速度，使运动部件制动时速度变化比较均匀。例如在机床液压传动系统中，通常将管道流速限制在4.5m/s以下，液压缸驱动的运动部件速度一般不宜超过10m/min等。