液压传动与气动技术高职全套教学课件

液压系统基础知识学习情境一液压系统基础知识液压泵的选用及故障排除液压马达和液压缸的选用及故障排除液压辅助元件的使用液压基本回路的设计与仿真复杂液压系统分析气动元件的识别和选用气动系统分析、设计与仿真全套可编辑PPT课件知识分布网络知识分部网络1+X证书的技能要求认识液压系统01任务一（1）本任务首先介绍一种典型的液压系统,通过对液压系统的功能分析,使学生了解液压系统的典型结构、常用元件的功能和图形符号;在对液压系统有初步认识的基础上进一步学习液压传动的工作原理、力学基础和流量特性的相关知识。（2）本任务将进行层流、紊流现象的观察。（1）能初步识读液压原理图;（2）能分析磨床工作台的液压传动系统原理;（3）能说明液压传动的工作原理、力学基础和流量特性;（4）能解释层流和紊流现象。认识液压系统任务描述技能目标一、磨床工作台液压传动系统分析磨床工作台液压系统工作原理图如图1-1所示。通过分析磨床工作台的动作过程,掌握液压系统的典型结构和图形符号的表示方法。一、磨床工作台液压传动系统分析1.回路分析如图1-1(a)所示,磨床工作台液压系统由油箱、过滤器、液压泵、溢流阀、开停阀、节流阀、换向阀、液压缸以及连接这些元件的油管、接头等组成,其工作原理如下:液压泵由电动机驱动后,从油箱中吸油;油液经过滤器进入液压泵,在图1-1(a)所示状态下,通过开停阀、节流阀、换向阀进入液压缸左腔,推动活塞使工作台向右移动,同时,液压缸右腔的油经换向阀和回油管排回油箱。若将换向阀手柄转换成图1-1(b)所示状态,则压力管中的油将经过开停阀、节流阀和换向阀进入液压缸右腔,推动活塞使工作台向左移动,并使液压缸左腔的油经换向阀和回油管排回油箱。一、磨床工作台液压传动系统分析

工作台的移动速度是通过节流阀来调节的。当节流阀开大时,进入液压缸的油量增多,工作台的移动速度将增大;当节流阀关小时,进入液压缸的油量减少,工作台的移动速度将减小。为了克服移动工作台时受到的各种阻力,液压缸必须产生一个足够大的推力,这个推力是由液压缸中的油液压力产生的。要克服的阻力越大,缸中的油液压力越高;反之,压力就越低。这种现象说明了液压传动的一个基本原理———压力取决于负载。一、磨床工作台液压传动系统分析

从上述例子可以看出,液压传动是以液体作为工作介质进行工作的,一个完整的液压传动系统由以下几部分组成。

(1)动力元件。动力元件是将原动机输出的机械能转换为液体压力能的元件,其作用是向液压系统提供压力油。常用的动力元件是液压泵。

(2)执行元件。执行元件是将液体压力能转换为机械能以驱动工作机构的元件。常用的执行元件有液压缸和液压马达。(3)控制元件。控制元件包括方向控制阀、压力控制阀、流量控制阀,是对系统中油液方向、压力、流量进行控制和调节的元件,如换向阀等。(4)辅助元件。辅助元件是除上述三类元件以外的其他元件,如管道、管接头、油箱、过滤器等。(5)工作介质。工作介质即液压油,是用来传递能量的媒介物质。一、磨床工作台液压传动系统分析2.液压系统的图形符号图1-1(a)所示为一种半结构式液压系统的工作原理图,虽然直观但绘制起来比较麻烦。目前我国已经制定了用规定的图形符号来表示液压原理图中各元件和连接管路的国家标准,图形符号脱离元件的具体结构,只表示元件的职能。使用这些符号可使液压系统简单明了,便于阅读、分析、设计和绘制。按照规定,液压元件的图形符号应以元件的静止位置或中间零位置来表示。当液压元件无法用图形符号表示时,仍允许采用半结构原理图表示。

对于这些图形符号有以下几条基本规定。一、磨床工作台液压传动系统分析(3)液压元件图形符号均以元件的静止位置或中间零位置表示,当系统的动作另有说明时,可例外。(1)液压元件图形符号只表示元件的职能,连接系统的通路,不表示元件的具体结构和参数,也不表示元件在机器中的实际安装位置。(2)液压元件图形符号内的油液流动方向用箭头表示,线段两端都有箭头的,表示流动方向可逆。图1-1(c)所示为磨床工作台液压系统用液压元件图形符号绘制的工作原理图。一、磨床工作台液压传动系统分析3.系统仿真

FluidSIM是由德国FESTO公司和Paderborn大学联合开发,专门用于液压、气动及电液压、电气动回路设计及仿真的软件。FluidSIM由两个软件组成,其中FluidSIM-H用于液压系统设计,FluidSIM-P用于气动系统设计。

FluidSIM软件用户界面直观,易于学习,该软件的图库中有100多种标准液压、气动、电气动元件,绘图时可以把它们直接拖到制图区,只需在两个连接点之间按住鼠标左键移动,即可自动生成所需的回路,并且可根据需要自由调节已生成回路的位置,这样可以避免回路之间的相互交叉。该软件的另一个优点是它有查错功能,在绘图过程中,软件将检查各元件之间的连接是否可行,避免回路绘制过程中出现错误。该软件的操作方法可参考软件的使用说明。

一、磨床工作台液压传动系统分析磨床工作台液压系统仿真过程如下。(1)利用FluidSIM-H搭接图1-2(a)所示的试验回路。(2)启动仿真,点击三位四通换向阀的手柄使其工作在左位,活塞向右伸出,如图1-2(b)。(3)点击三位四通换向阀的手柄使其工作在右位,活塞向左收回,如图1-2(c)所示。改变节流阀的开度可以调整活塞杆的运动速度。二、液压传动的工作介质液压传动的工作介质为液体,最常用的工作介质是液压油,此外还有乳化型传动液和合成型传动液等。本节的任务是在了解液压油的作用、性能、分类和物理性质的基础上,学会为液压系统选择合适的液压油,并了解液压油的污染原因及其控制方法。工作性质二、液压传动的工作介质1)液压油的作用作为液压传动介质的液压油主要有以下作用。(1)传动。传动是指把液压泵产生的压力能传递给执行元件。(2)润滑。润滑是指对泵、阀、执行元件等运动部件进行润滑。(3)密封。密封是指保持液压泵产生的压力。(4)冷却。冷却是指吸收并带走液压装置产生的热量。(5)防锈。防锈是指防止液压系统中各种金属部件锈蚀。(6)传递信号。传递信号是指传递控制元件发出的信号。(7)吸收冲击。吸收冲击是指吸收液压回路中产生的压力冲击。1.液压油的作用、性能和分类二、液压传动的工作介质2)液压油的性能液压油作为液压系统传动与控制中的工作介质,在一定程度上决定了液压系统的工作性能。特别是在液压元件已经定型的情况下,液压油良好的性能与正确的使用更加成为系统可靠工作的重要前提。为了保证液压设备长时间地正常工作,液压油必须与液压装置完全适应。不同的工作机械、不同的使用情况对液压油的要求也各不相同。近年来随着液压系统、液压装置性能的不断提高,对液压油的品质也提出了更高的要求。液压油主要应具有以下几个方面的性能。(1)具有合适的黏度和良好的黏温特性,在实际使用的温度范围内,油液黏度随温度的变化较小,液压油的流动点和凝固点低。(2)具有良好的润滑性,能对元件的滑动部位进行充分润滑,在零件的滑动表面形成强度较高的油膜,避免干摩擦,防止异常磨损和卡咬等现象的发生。二、液压传动的工作介质(3)具有良好的稳定性,不易因受热、氧化或水解而生成腐蚀性物质、胶质或沥青质,沉渣生成量小,使用寿命长。(4)具有良好的抗锈性和耐蚀性,不会造成金属和非金属的锈蚀和腐蚀。(5)具有良好的相容性,不会引起密封件、橡胶软管、涂料等的变质。(6)油液质地纯净,尽可能少含有污染物;当污染物从外部侵入时,能迅速分离。液压油中如含有酸、碱,会造成机件和密封件腐蚀;如含有固体杂质,会对滑动表面造成磨损,并易使油路发生堵塞;如含有挥发性物质,在长期使用后会使油液黏度变大,同时在油液中产生气泡。(7)应有良好的消泡性、脱气性。油液中的泡沫会造成系统断油或出现空穴现象,影响系统正常工作。因此油液中裹携的气泡及液面上的泡沫应比较少且容易消除。二、液压传动的工作介质(8)具有良好的抗乳化性。油液中混入水分会使油液乳化,降低油的润滑性能,增加油的酸值,缩短油液的使用寿命。(9)油液在工作中发热和体积膨胀都会造成工况的恶化,所以油液应有较低的体积膨胀系数和较高的比热容。(10)具有良好的防火性,闪点(明火能使油面上的蒸气燃烧,但油液本身不燃烧的温度)和燃点高,挥发性小。(11)压缩性尽可能小,响应性好。(12)不得有毒性和异味,适宜排放,易处理。二、液压传动的工作介质3)液压油的分类

随着液压技术的发展,液压油的使用条件日益复杂,液压油的种类也日益繁多。关于液压油的品种,国内外曾采用过许多不同的标准进行分类。我国等效采用ISO标准制定了国家标准GB/T7631.2—2003,对液压油进行了品种分类。我国液压油(液)的分类、品种符号以及随后的产品代号、名称和质量水平与世界主要国家的表示方法完全相同。

目前,我国各种液压设备所采用的液压油,按抗燃烧性可分为矿物油型液压油(石油基液压油)和不燃或难燃型液压油。

矿物油型液压油是由提炼后的石油制品加入各种添加剂精制而成的。这种液压油润滑性好,腐蚀性小,化学稳定性好,是目前最常用的液压油,几乎90%以上的液压设备中使用这种类型的液压油。为满足液压装置的特别要求,可以在基油中配合添加剂来改善性能。液压油的添加剂主要有抗氧化剂、防锈剂、抗磨剂、消泡剂等。

二、液压传动的工作介质

不燃或难燃型液压油可分为水基液压油(含水液压油)和合成液压油两种。水基液压油的主要成分是水,再加入某些具有防锈、润滑等作用的添加剂。水基液压油具有价格便宜、抗燃等优点,但润滑性能差,腐蚀性强,适用温度范围小。因此,水基液压油一般用于水压机、矿山机械和液压支架等特殊场合。合成液压油是用多种磷酸酯和添加剂经化学方法合成的,其优点是润滑性能好、凝固点低、防火性能好;缺点是黏温性能和低温性能差、价格昂贵、有毒。因此,这种合成液压油一般用于钢铁厂、压铸车间、火力发电厂和飞机等有高等级防火要求的场合。目前以水作为液压传动介质的研究,也得到了越来越多的重视。二、液压传动的工作介质液压油按ISO的分类见表1-1。

二、液压传动的工作介质

液压油的物理性质有很多项,现选择与液压传动性能密切相关的三项进行介绍。

1)密度

密度是指单位体积油液的质量,单位为kg/m3或g/mL。质量为m、体积为V的液体,密度ρ=m/V。对于常用的矿物油型液压油,它的体积随温度的上升而增大,随压力的提高而减小,所以其密度随温度的上升而减小,随压力的增大而稍有增加。但由于其密度随压力变化的程度较小,一般在中、低压系统中可以认为其密度为常数。在相同的流量下,系统的压力损失和油液的密度成正比,密度的大小对泵的自吸能力也有影响。2.液压油的物理性质二、液压传动的工作介质

2)黏度

液体受外力作用而流动时,由于液体与固体壁面之间的附着力和液体本身分子间的内聚力,液体的流动受到牵制,导致在流动截面上各点的液体分子的流速各不相同。运动快的液体分子带动运动慢的液体分子,运动慢的液体分子对运动快的液体分子起阻滞作用。这种由于流动时液体分子间的相对运动而导致相互牵制的力称为液体的内摩擦力或黏滞力,液体流动时产生内摩擦力的这种特性称为液体的黏性。从黏性的定义可以看出,液体只有在流动(或有流动趋势)时才呈现出黏性,处于静止状态时是不呈现黏性的。

黏度是表征液体流动时内摩擦力大小的系数,是衡量液体黏性大小的指标,也是液压油最重要的性质。油液黏度高可以降低泄漏,提高润滑效果,但会使压力损失增大,动作反应变慢,机械效率降低,功率损耗变大;油液黏度低可实现高效率、小阻力的动作,但会增加液压系统的磨损和泄漏,降低容积效率。12动力黏度指的是液体在单位速度梯度下流动时单位面积上产生的摩擦力大小。动力黏度的物理意义是:面积为1cm2、相距为1cm的两层液体,以1cm/s的速度相对运动时所产生的内摩擦力大小。动力黏度用μ表示。从动力黏度的物理意义中可以看出,液体黏性越大,其动力黏度也越大。动力黏度在法定计量单位中用帕·秒(Pa·s)或牛·秒/米2(N·s/m2)表示。（1）.动力黏度（2）.运动黏度二、液压传动的工作介质

通常用黏度单位来表示黏度的大小,我国常用的黏度单位有三种:动力黏度、运动黏度和相对黏度。运动黏度是指在相同温度下,液体的动力黏度μ与其密度ρ之比,用ν表示,即运动黏度的法定计量单位为m2/s,目前使用的单位还有斯(St)和厘斯(cSt),1cSt(mm2/s)=10-2St(cm2/s)=10-6m2/s。23

就物理意义而言,ν并不是一个直接反映液体黏性的量,但习惯上用它表示液体的黏度。液压传动介质的黏度等级是以40℃时的运动黏度(以mm2/s计)的中心值来划分的。如L-HL22型液压油在40℃时运动黏度的中心值为22mm2/s。（2）.运动黏度二、液压传动的工作介质

液体的黏度可以通过旋转黏度计直接测定,也可先测出液体的相对黏度,然后根据关系式算出动力黏度或运动黏度。相对黏度又称为条件黏度,是根据一定的测量条件测定的。我国采用的是恩氏黏度,它是用恩氏黏度计测量得到的。（3）.相对黏度二、液压传动的工作介质

恩氏黏度的测量方法为:将200mL的被测油液放入恩氏黏度计内,加热到温度t℃后,让油液从容器底部一个直径ϕ2.8mm的小孔中流出,测出液体全部流出所用的时间t1;然后与流出同样体积的20℃的蒸馏水所需的时间t2相比,比值即为该油液在温度t℃时的恩氏黏度,用°Et表示。一般常以20℃、50℃和100℃作为测定液体黏度的标准温度,由此得到的恩氏黏度用°E20、°E50和°E100标记。

液体的黏度是随液体的温度和压力的变化而变化的。液压油对温度的变化十分敏感,温度上升,黏度下降;温度下降,黏度上升。这主要是由于温度的升高会使油液中的分子间内聚力减小,降低了流动时液体分子间的内摩擦力。不同种类的液压油其黏度随温度变化的规律也不相同。通常用黏度指数度量黏度随温度变化的程度。液压油的黏度指数越高,其黏度随温度的变化就越小,黏温特性也越好,该液压油应用的温度范围也就越广。液压油随压力的变化相对较小。压力增大时,液体分子间的距离变小,黏度增大。在低压系统中其变化量很小,可以忽略不计;但在高压时,液压油的黏性会急剧增大。二、液压传动的工作介质

3)压缩率和体积弹性模量

液体受压力作用而发生体积变小的性质称为液体的可压缩性。在压力作用下,液压油的体积变化用压缩率β表示,即单位压力变化下的体积相对变化量。而油液的体积弹性模量K则是压缩率β的倒数。

一般情况下可以把液压油当成不可压缩的,但在需要精密控制的高压系统中,油液的压缩率与体积弹性模量就不能忽略不计。由于压缩率与压力和温度有关,所以其对带有高压泵和马达的液压系统也有着重要的影响。另外在液压设备工作过程中,液压油中总会混进一些空气,由于空气具有很强的可压缩性,这些气泡会使油液的压缩率大大提高,所以在进行液压系统设计时应考虑到这方面的因素。

二、液压传动的工作介质

温度对油液体积的影响一般也可以忽略不计,但对于容积很大的密闭液压系统,则应注意因温度升高而引起的膨胀,这种膨胀能产生很高的压力,往往会使液压系统的某些薄弱部位破裂,造成设备损坏或引发事故。

液压油除以上的几项主要性质外,还有比热容、润滑性、抗磨性、稳定性、挥发性、材料相容性、难燃性等多项其他性质。这些性质对液压油的选择和使用都有着重要影响,其中大多数性质可以通过在油液中加入各种添加剂来获得。二、液压传动的工作介质正确、合理地选择液压油是保证液压元件和液压系统正常运行的前提。合适的液压油不仅能适应液压系统各种环境条件和工作情况,对延长系统和元件的使用寿命、保证设备可靠运行、防止事故发生也有着重要作用。3.液压油的选择

1)选择液压油的基本步骤

选择液压油通常按以下三个基本步骤进行。

(1)列出液压系统对液压油各方面性能的变化范围要求:黏度、密度、温度范围、压力范围、抗燃性、润滑性、可压缩性等。

(2)能够同时满足所有性能要求的液压油是不存在的,应尽可能选出接近要求的液压油品种。我们可以从液压件生产企业及其产品样本中获得工作介质的推荐资料。

(3)综合、权衡、调整各方面的参数要求,确定所采用的液压油类型。二、液压传动的工作介质

2)液压油选用标准

对于各类液压油,需要考虑的因素很多,其中黏度的大小是液压油最重要的性能指标之一。黏度的选择合理与否,对液压系统的运动平稳性、工作可靠性与灵敏性、系统效率、功率损耗、气蚀现象、温升和磨损等都有显著影响。如果选择了黏度不符合要求的液压油,就无法保证系统正常工作,甚至可能造成系统不工作。所以若要充分发挥液压设备的作用,保证其正常良好运作,就应根据具体情况或系统要求选择合适黏度的液压油和适当的液压油种类。通常,液压油可以根据以下几方面进行选择。二、液压传动的工作介质

(1)根据环境条件选用。选用液压油时应考虑液压系统使用的环境温度和环境恶劣程度。液压油的黏度受温度的影响变化很大,因此为保证在工作温度时有较适宜的黏度,必须考虑周围环境温度的影响。当温度高时,宜选用黏度较高的液压油;当温度低时,宜选用黏度低的液压油。对于恶劣环境(潮湿、野外、温差大),应重点考虑液压油的防锈性、抗乳化性及黏度指数。油液抗燃性、环境保护的要求、毒性和气味也是应考虑的因素。

(2)根据工作压力选用。选择液压油时,应考虑液压系统工作压力的大小。通常,当工作压力较高时,宜选用黏度较高的油,以免系统泄漏过多,容积效率过低;当工作压力较低时,可以用黏度较低的油,这样可以减少压力损失。在中、高压系统中使用的液压油还应具有良好的抗磨性。二、液压传动的工作介质

(3)根据设备要求选用。

①根据液压泵的要求选择。液压油首先应满足液压泵的要求。液压泵是液压系统的重要元件,在系统中它的运动速度、压力和温升都较高,工作时间又长,因而对液压油的黏度要求较严格。一旦液压油选用不当,可能导致泵磨损快,容积效率降低,甚至泵的吸油能力也会降低。在一般情况下,可将液压泵对液压油的黏度要求作为选择液压油的基准。不同类型液压泵采用的液压油的黏度见表1-2。水解稳定性也有一定的要求。液压泵所用金属材料对液压油的抗氧化性、抗磨性、水解稳定性也有一定的要求。二、液压传动的工作介质②根据设备类型选择。精密机械设备与一般机械设备对液压油的黏度要求也是不同的。为了避免温度升高引起机件变形,影响工作精度,精密机械宜采用较低黏度的液压油。如机床液压伺服系统,为保证伺服机构动作的灵敏性,宜采用较低黏度的液压油。③根据液压系统中运动件的速度选择。当液压系统中工作部件的运动速度很高,油液的流速也高时,压力损失会随之增大,而液压油的泄漏量则相对减少,这种情况就应选用黏度较低的液压油;反之,当工作部件的运动速度较低时,所需的液压油的流量很小,这时泄漏量大,泄漏对系统的运动速度影响也较大,所以应选用黏度较高的液压油。二、液压传动的工作介质

(4)合理选用液压油品种。液压传动系统中可使用的液压油品种很多,有机械油、变压器油、汽轮机油、通用液压油、低温液压油、抗燃液压油和耐磨液压油等。机械油是最常用的机械润滑油,过去在液压设备中被广泛使用,但由于其在化学稳定性(抗氧化性、抗剪切性等)、黏温特性、抗乳化性、抗泡沫性以及防锈性能等方面均较差,大多数情况下已无法满足液压设备的要求。变压器油和汽轮机油的某些性能指标较机械油有所提高,但这些油主要是为适应变压器、汽轮机等设备的特殊需要而生产的,其性能并不符合液压传动用油的要求。

液压设备一般选用通用液压油,如果环境温度较低或温度变化较大,应选择黏温特性好的低温液压油;若环境温度较高且具有防火要求,则应选择抗燃液压油;如设备长期在重载下工作,为减少磨损,可选用抗磨液压油。选择合适的液压油品种可以保证液压系统的正常工作,减少故障的发生,还可以延长设备的使用寿命。二、液压传动的工作介质

液压油污染是液压系统发生故障的主要原因,液压系统中80%左右的故障是由液压油污染造成的。即使是新油往往也含有许多污染物颗粒,甚至可能比高性能液压系统的允许值高出10倍。因此正确使用液压油,做好液压油的管理和防污是保证液压系统工作可靠、延长液压元件使用寿命的重要手段。4.液压油的污染与控制

1)液压油污染的主要原因

液压油中污染物来源是多方面的,总体来说可分为系统内部残留、内部生成和外部侵入三种。造成油液污染的主要原因有以下几点。二、液压传动的工作介质(1)液压油虽然是在比较清洁的条件下精炼和调制的,但油液在运输和储存过程中会受到管道、油桶、油罐的污染。(2)液压系统和液压元件在加工、运输、存储、装配过程中残留的灰尘、焊渣、型砂、切屑、磨料等会造成液压油污染。(3)液压系统运行中由于油箱密封不完善以及元件密封装置损坏而由系统外部侵入的灰尘、砂土、水分等污染物会造成液压油污染。(4)液压系统运行过程中产生的污染物,如金属及密封件因磨损而产生的颗粒、油液氧化变质的生成物等会造成液压油污染。二、液压传动的工作介质

2)污染的危害

液压油污染会使液压系统性能变坏,经常出现故障,液压元件磨损加剧,寿命缩短。油液污染对液压系统的危害可大致归纳为以下几点。

(1)固体颗粒使液压元件滑动部分磨损加剧,反应变慢,甚至造成卡死,缩短其使用寿命。

(2)堵塞过滤器,使液压泵运转困难,造成吸空,产生气蚀、振动和噪声。

(3)液压元件的微小孔道和缝隙发生堵塞,使液压阀性能下降或动作失灵。

(4)加速密封件的磨损,使泄漏量增大。

(5)液压油中混入水分会使液压油的润滑能力降低并使液压油乳化变质,腐蚀金属表面,生成的锈片会进一步污染液压油。

(6)低温时,自由水会变成冰粒,堵塞元件的间隙和孔道。

(7)空气混入液压油会产生气蚀,降低元件的机械强度,造成液压系统出现振动和爬行,产生噪声。

(8)空气会加速油液氧化变质,增大液压油的可压缩性。二、液压传动的工作介质

3)污染的分析和测定

光谱分析、铁谱分析和红外光谱分析是液压油污染成分与含量分析的常用方法。光谱分析可以检测液压油中的元素及其含量;铁谱分析可以检测液压油中铁磁性颗粒污染物的成分、大小及数量;红外光谱分析可以对液压油中的化合物进行定性和定量分析。

液压油的污染程度用污染度来表示。液压油污染度是指单位体积油液中固体颗粒污染物的含量,即液压油中固体颗粒污染物的浓度。对于其他污染物,则用水含量、空气含量等来表示。

液压油污染度的表示方法有很多种,常见的有质量污染度和颗粒污染度两种。质量污染度是指单位体积液压油中固体颗粒污染物的质量,单位为mg/L。颗粒污染度是指单位体积液压油中所含各种尺寸固体颗粒污染物的数量。质量污染度一般采用称重法测量。颗粒污染度的测定有显微镜计数法、自动颗粒计数器计数法两种定量方法和显微镜比较法、滤网堵塞法两种半定量方法。二、液压传动的工作介质

4)污染的控制措施

对液压油进行良好的管理,保证液压油的清洁,对于保证设备的正常运行、延长设备使用寿命有着非常重要的意义。污染物种类不同,来源各异,治理和控制措施也有较大差别。应在充分分析污染物来源及种类的基础上,采取经济有效的措施,控制液压油污染程度,保证系统正常工作。

对液压油的污染控制概括起来有两个方面:一是防止污染物侵入液压系统;二是把已经侵入的污染物从系统中清除出去。污染控制贯穿于液压系统的设计、制造、安装、使用、维修等各个环节。在实际工作中污染控制主要有以下几种措施。二、液压传动的工作介质

(1)在使用前保持液压油清洁。液压油进厂前必须取样检验,加入油箱前应按规定进行过滤并注意加油管、加油工具及工作环境的清洁。储运液压油的容器应清洁、密封,系统中漏出来的油液未经过滤不得重新加入油箱。

(2)做好液压元件和密封元件的清洗,减少污染物侵入。所有液压元件及零件装配前应彻底清洗,特别是细管、细小盲孔及死角的铁屑、锈片和灰尘、沙砾等应清洗干净,并保持干燥。零件清洗后应立即装配,暂时不装配的则应妥善防护,防止二次污染。

(3)使液压系统在装配后、运行前保持清洁。液压元件加工和装配时要认真清洗和检验,装配后进行防锈处理。油箱、管道和接头应在去除毛刺、焊渣后进行酸洗以去除表面氧化物。液压系统装配好后应循环冲洗并进行严格检查后再投入使用。液压系统开始使用前还应将空气排尽。二、液压传动的工作介质

(4)在工作中保持液压油清洁。液压油在工作中会受到环境的污染,所以应采用密封油箱或在通气孔上加装高效能空气滤清器,避免外界杂质、水分和空气的侵入。控制液压油的工作温度,防止油温过高引起油液氧化变质。

(5)防止污染物从活塞杆伸出端侵入。液压缸活塞工作时,活塞杆在油液与大气间往返,易将大气中的污染物带入液压系统。设置防尘密封圈是防止这种污染物侵入的有效方法。

(6)合理选用过滤器。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、不同精度和结构的过滤器,并对过滤器定期检查、清洗。

(7)对液压系统中的液压油定期检查、补充、更换。三、液压传动的工作原理与力学基础本节的任务是在了解液压系统组成的基础上,掌握液压系统的工作原理和力学基础。掌握速度取决于流量、压力取决于负载的重要结论,能利用连续方程、伯努利方程分析实际问题。1.液压传动的工作原理

图1-3所示为液压千斤顶,大油缸9和大活塞8组成举升液压缸,杠杆手柄5、小油缸4、小活塞3、单向阀2和7组成手动液压泵。如提起杠杆手柄使小活塞向上移动,小活塞下端油腔容积增大,形成局部真空,这时单向阀2打开,通过吸油管1从油箱12中吸油;用力压下杠杆手柄使小活塞下移,小活塞下腔压力升高,单向阀2关闭,单向阀7打开,下腔的油液经管道6输入大油缸9的下腔,迫使大活塞8向上移动,顶起重物;再次提起杠杆手柄吸油时,单向阀7自动关闭,使油液不能倒流,从而保证重物不会自行下落。三、液压传动的工作原理与力学基础不断地往复扳动杠杆手柄,就能把油液压入举升缸下腔,便可使重物逐渐地升起。如果打开截止阀11,举升缸下腔的油液通过管道10、截止阀11流回油箱,重物就向下移动。这就是液压千斤顶的工作原理。三、液压传动的工作原理与力学基础

通过对上面液压千斤顶工作过程的分析,可以初步了解液压传动的基本工作原理。液压传动是利用有压力的液压油作为传递动力的工作介质,压下杠杆手柄时,小油缸4输出压力油,将机械能转换成液压油的压力能,压力油经过管道6、单向阀7,推动大活塞8举起重物,将液压油的压力能又转换成机械能。大活塞8举升的速度取决于单位时间内流入大油缸9下腔的液压油体积的多少。由此可见,液压传动是一个不同能量之间转换的过程。

由以上分析,可以总结出液压传动有以下几个特点。

(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,而且容积要发生变化。三、液压传动的工作原理与力学基础2.液体静力学

1)帕斯卡原理

如图1-4所示,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的各点,这就是帕斯卡原理,或称为静压传递原理,即

帕斯卡原理为封闭流体在传动和放大方面的应用开辟了道路,它也是液、气压传动最基本的原理。三、液压传动的工作原理与力学基础2)液体压力的表示方法

根据度量基准的不同,液体压力分为绝对压力和相对压力两种。绝对压力是以绝对零压力作为基准进行度量的,相对压力是以大气压力为基准进行度量的。显然

因为大气中的物体受的大气压作用是自相平衡的，所以大多数压力表测得的压力值是相对压力,故相对压力又称为表压力。在液压技术中所提到的压力,如不特别指明,均为相对压力。当绝对压力低于大气压力时,绝对压力低于大气压力的那部分压力值称为真空度。真空度就是大气压力和绝对压力之差,即三、液压传动的工作原理与力学基础

绝对压力、相对压力和真空度的关系如图1-5所示。

压力的单位为Pa(帕斯卡,简帕),1Pa=1N/m2,由于Pa的单位量值太小,在工程上常采用它的倍数单位kPa(千帕)和MPa(兆帕)。它们之间的换算关系为

1MPa=103kPa=106Pa

压力的单位还有标准大气压(atm)以及bar(巴)等,它们之间的换算关系为

1atm=1.01325×105P

1bar=105Pa三、液压传动的工作原理与力学基础

3)液体压力的测量

液压系统和各局部回路的压力值可以通过安装在系统适当位置的压力表观测。压力测量的方法有很多种,管形弹簧压力表是最常用的位置式压力测量仪表,其工作原理和结构分别如图1-6、图1-7所示。这种压力表是按波登管原理工作的,其工作原理为:弯成C形的管形弹簧一端固定,它有一个椭圆的截面,其内部是空心的。当液压油流入管形弹簧时,整个空心管内就形成了与被测部位相等的压力。油液对管形弹簧外环A有一个向外张开的力,对内环B有一个向内收缩的力。由于外环和内环存在面积差,向外张开的力大于向内收缩的力,导致管形弹簧伸张变形。这个变形通过放大机构杠杆2、扇轮3和齿轮4,使指针5发生偏转。压力越大,指针偏转越大,这样在刻度盘上就能读到相应的压力值。三、液压传动的工作原理与力学基础

为了使压力冲击不损坏弹簧,一般在连接这种压力表时必须装阻尼扼流圈。这种压力表表盘腔还会充入甘油以便在出现压力冲击时起到阻尼作用。在压力大10MPa的场合要用螺丝管状或蜗杆状弹簧代替管形弹簧,测量压力可高达100MPa。在压力稳定的系统中,压力表量程一般为最高压力的1.5倍。在压力波动大的系统中,最大量程应为最高压力的2倍,或选用带油阻尼耐振压力表。三、液压传动的工作原理与力学基础这种压力表是位置式的,即只能安装在实际需要进行压力检测的位置。如要利用测量仪表的读数进行远程监视或控制,就需要使用电子式压力传感器进行压力测量。利用电信号可以远距离传送的特点,将压力信号转换为电信号,这样就可以实现远距离的压力指示和监控。

4)液、气压传动中的力、速度与功率为了分析问题的方便,将上述液压千斤顶的传动原理简化为图1-8所示的简化模型,用以分析液、气压传动中力、运动速度与功率的关系。应当注意的是在液压传动控制系统中所用的液压油大多数情况下可以认为是刚性的,所以对输出力的大小、运动速度、功率等对象往往有着较高的控制要求,而气压传动由于传动介质为可压缩性很强的压缩空气,所以一般只考虑气动执行机构动作的实现,而对输出力的大小、运动速度、功率等没有非常严格的控制要求。三、液压传动的工作原理与力学基础

(1)力比例关系。如图1-8所示,在两个互相连通的容器中装有流体,容器的上部装有小活塞1和大活塞2,它们的面积分别为A1和A2,并于大活塞上面放一重物负载W。由于重物W的作用,大活塞下腔产生压力p,p=W/A2。根据帕斯卡原理在忽略流体和活塞重量的情况下,要顶起负载W,就必须在小活塞上施加一个向下的力F1,F1=pA1,因而有

式中,A1和A2分别为小活塞和大活塞的作用面积(m2);F1为作用在小活塞上的(N);W为负载(N)。三、液压传动的工作原理与力学基础

式(1-2)是液压传动和气压传动中力传递的基本公式,由于p=W/A2,因而当负载W增大时,流体工作压力p也要随之增大,亦即F1要随之增大;反之,若负载W减小,流体压力就降低,F1也就减小。

由此可以得到一个很重要的结论:在液压和气压传动中工作压力取决于负载,而与流入的流体多少无关。同时可以看到,只要在小活塞上施加大小为F1的力,即可在大活塞下方产生一个大小为F1A2/A1、方向向上的推力。这个力是F1的A2/A1倍,从而实现了力的放大,这是流体传动的一个重要特征。三、液压传动的工作原理与力学基础

(2)运动速度。如果不考虑液体和气体的可压缩性、泄漏和缸体的变形等方面的因素,由1-8可知，被小活塞压出的流体的体积必然等于大活塞向上升起后大缸扩大的容积。即

式中,h1和h2分别为小活塞和大活塞的位移(m)。由式(1-3)可知,两个活塞的位移和两个活塞的面积成反比,将A1h1=A2h2两端同时除以活塞移动的时间t得即

式中,v1和v2分别为小活塞和大活塞的运动速度(m/s)。三、液压传动的工作原理与力学基础

从式(1-4)可以看出,活塞的运动速度和活塞的作用面积成反比。Ah/t

的物理意义是单位时间内流体流过截面面积为A的某一截面的体积,称为流量q,即q=Av。

如图1-9所示,如果已知进入缸体的流量为q,则活塞的运动速度为

由式(1-5)可知,调节进入缸体的流体流量q,即可调节活塞的运动速度v,这就是液压传动与气压传动能实现无级调速的基本原理。

由此可以得到另一个重要的结论:活塞的运动速度取决于进入液压(气压)缸的流量,而与流体的压力大小无关。

但在气压传动系统中,因为空气具有很强的可压缩性,所以气缸活塞的运动速度并不能完全按照上面的公式进行计算。三、液压传动的工作原理与力学基础

(3)功率关系。由式(1-2)和式(1-4)可得

式(1-6)中等号左端为输入功率,右端为输出功率,这说明在不计损失的情况下,流体传动的输入功率等于输出功率。由式(1-6)还可得出式中,P为功率(W);p为流体压力(Pa);q为流体的流量(m3/s)。

由式(1-7)可知,在液压和气压传动中功率P可以用压力p和流量q的乘积来表示。压力p和流量q是流体传动中最基本、最重要的两个参数,它们的乘积即为功率。

由以上分析可以得出第三个重要结论:液压和气压传动是以流体的压力能来传递动力的。三、液压传动的工作原理与力学基础

5)流量的测量

如果需要对液压油的流量进行一次性测量,最简单的方法是借助量筒和秒表。为了调节和控制匀速运动的油缸或马达以及控制定位的精确测量,可以采用涡轮式流量仪、椭圆计数器、齿轮式测量仪、测量带或定片仪等流量仪。

涡轮式流量仪的工作原理及结构如图1-10、图1-11所示。涡轮式流量仪是通过对涡轮转速的测量间接测出流量的。从涡轮式流量仪流过的油液使涡轮旋转,涡轮是用磁性材料制成的,通过安装在涡轮上方的探头可以记录一定时间内涡轮叶片转过的次数。根据探头测得的脉冲数可以计算出涡轮的转速。由于油液的流量与涡轮转速成正比,所以测出转速也就测出了油液的流量。由于探头输出的是电信号,所以利用这种流量计可以实现远程的流量监控。三、液压传动的工作原理与力学基础三、液压传动的工作原理与力学基础3..液体动力学液体动力学主要研究液体运动时的现象和规律。在液压系统中,液压油总是在不断地流动,所以了解液体运动时的特征和规律是非常重要的。

1)理想液体液体在流动过程中,要受重力、惯性力、黏性力等多种因素的影响,其内部各处质点的运动各不相同。所以在液压系统中,主要考虑整个液体在空间某特定点或特定区域的平均运动情况。为了简化分析和研究的过程,将既无黏性又不可压缩的液体称为理想液体。这样,在研究液体流动规律时就忽略液体的黏性和可压缩性对运动的影响,可以比较容易地得到理想液体的基本运动方程。然后根据试验结果,对理想液体的基本运动方程加以修正,使之与实际液体的情况相符。三、液压传动的工作原理与力学基础

2)流量和流速

在单位时间内,流过某通流截面的液体体积称为流量。流量通常用q

表示,单位为cm3/s、m3/s或L/min。

流速是指流动液体内的质点在单位时间内流过的距离,以v

表示,单位为m/min或cm/s。由于液体具有黏性,所以在管道中流动时,在同一截面上各点的实际流速是不相等的。越接近管道中心,液体流速越高;越接近管壁,液体流速越低。一般情况下所说的液体在管道中的流速均指平均流速。

在前面的学习中已经知道,液体流量q、流速v以及液体流通截面面积A的关系为q=vA。三、液压传动的工作原理与力学基础

3)流动液体连续性原理

连续性原理是质量守恒定律在流体力学中的一种表达形式。根据质量守恒定律,如果液体在管道内的流动是连续的,没有空隙存在,那么液体在压力作用下稳定流动时,单位时间内流过管道内任一个截面的液体质量一定是相等的,不会增多,也不会减少。在不考虑液体的可压缩性的情况下,即液体密度ρ不变,那么单位时间流过管道任一截面的液体体积就是相等的,即通过流通管道任一截面的液体流量相等,这就是流动液体连续性原理。连续性方程示意图如图1-12所示,即

当忽略液体的可压缩性时,ρ1=ρ2,则得三、液压传动的工作原理与力学基础

式(1-8)称为连续性方程。

根据流动液体的连续性原理可知以下两点。

(1)液体流过一定截面时,流量越大,流速越高。

(2)液体流过不同的截面时,在流量不变的情况下,截面越大,流速越小。

4)伯努利方程

伯努利方程(流动液体能量方程)是能量守恒定律在流动液体中的具体表现。在密闭管道内做稳定流动的理想液体具有三种形式的能量,即压力能、动能和位能。在流动过程中,这三种能量之间可以互相转换,但在管道内任一截面处这三种能量的总和为一常数,如图1-13所示三、液压传动的工作原理与力学基础

理想液体的伯努利方程为

式中,g为重力加速度(N/kg);h1、h2为管道截面中心到基准面的垂直高度(m)。三、液压传动的工作原理与力学基础

实际液体由于具有黏性,在流动过程中会因为内摩擦消耗一部分能量;另外管道的局部形状尺寸的变化也会使液流的状态发生变化,消耗能量。因此实际液体流动时存在能量的损失。

实际液体的伯努利方程为

式中,α1、α2为动能修正系数(紊流时,α1=α2≈1;层流时,α1=α2≈2);hw为黏性摩擦造成的平均能量损耗(J)。

伯努利方程是流体力学中一个特别重要的基本方程,它揭示了液体流动过程中的能量变化规律,是对液压问题进行分析、计算和研究的理论基础。三、液压传动的工作原理与力学基础

综合流动液体连续性原理和伯努利方程,我们可以看出以下两点。

(1)对于水平放置的管道,液体的流速越高,它的压力就越低。

(2)在流量不变的情况下,液体流过不同截面时,截面越大,则流速越小,压力越大;截面越小,则流速越大,压力越小。

在液压传动系统中,位能和动能与压力能相比小得多,因此可以忽略不计。也就是说油液中的能量最主要是以压力能形式体现的,所以在液压系统计算时,一般只考虑压力能的作用。三、液压传动的工作原理与力学基础

5)动量方程

动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用,它是流体力学的基本方程之一,主要研究液体运动时作用在液体上的外力与其动量变化之间的关系。在液压传动中,计算液流作用在固体壁面上的力时,应用动量方程去解决就比较方便。

如图1-14所示,流动液体的动量方程为式中,β为动量修正系数(层流时,β=1.33;紊流时,β=1)。

流动液体的动量方程是一个矢量表达式,液体对固体壁面的作用力与液体所受外力大小相等,方向相反。四、压力损失及流量特性

本节的任务是了解液体的两种流态———层流和紊流,并在此基础上了解液体流动时的压力损失,掌握减少压力损失的措施,了解小孔及缝隙的压力流量特性。1.液压传动的工作原理

1)流态与雷诺数

(1)流态。一般将流体在管路中的流动状态分为层流和紊流两种。在低速流动时,液体质点受黏性力制约,互不干扰,液体的流动呈线性或层状,且平行于管道轴线,这种流态称为层流。当流速增大到一定速度(临界速度)时,液体质点的运动不再是规则的层状,流体间互相影响和干扰,液体除了平行于管道轴线的运动外,还存在着剧烈的横向运动或产生大量不规则的小漩涡,这时液体的流态称为紊流。四、压力损失及流量特性

层流和紊流是液体两种不同性质的流态,如图1-15所示。层流时,液体流速较低,质点主要受黏性力作用,不能随意运动,流动时所产生的压力损失较小;但在紊流时,液体流速较高,黏性力的制约作用相对减弱,惯性力起主导作用,能量损耗大,流动时所产生的压力损失大。四、压力损失及流量特性

(2)雷诺数。要对液压系统的压力损失进行分析和寻找降低压力损失的措施,首先应确定液体流动时的流态。试验证明,液体在圆管中的流动状态主要与管内的平均流速、管径及液体的运动黏度有关。一般采用由这三个数组成的雷诺数Re来判别液体的流态,即

式中,v为管道内流体的平均流速(m/s);d为管道内径(m);ν为液体的运动黏度(m2/s)。

由雷诺数的表达式可知,影响液体流动状态的力主要是惯性力和黏性力。雷诺数大说明惯性力起主导作用,这样的液流易出现紊流状态;雷诺数小就说明黏性力起主导作用,这时的液流易保持层流状态。四、压力损失及流量特性

液流由层流转变为紊流时的雷诺数称为上临界雷诺数;由紊流转变为层流的雷诺数称为下临界雷诺数。一般用下临界雷诺数作为判别液流状态的依据,简称为临界雷诺数。当液体实际流动时的雷诺数小于临界雷诺数时,液流为层流;反之,则为紊流。四、压力损失及流量特性

2)压力损失分类

一般可以将液压系统中的压力损失分为沿程压力损失和局部压力损失两大类。

(1)沿程压力损失。沿程压力损失是指油液沿等直径管流动时所产生的压力损失。这类压力损失是液体流动时各质点间运动速度不同,液体分子间存在的内摩擦力以及液体与管壁间存在的外摩擦力,导致液体流动必须消耗一部分能量来克服这部分阻力而造成的。其表达式为

式中,λ为沿程阻力系数,层流时,它的理论值为λ=64/Re,实际值则要大些,油液在金属管道中层流流动时,取λ=75/Re;在橡胶软管中层流流动时,取λ=80/Re,紊流时,当雷诺数Re为3×103~1×105时,取λ=0.3164Re-0.25;l

为管道的长度(m);ρ为液体的密度(kg/m3)。四、压力损失及流量特性

(2)局部压力损失。局部压力损失是油液流动经过局部障碍(如弯管、分支或管路截面突然变化)时,由于液体的流向和速度的突然变化,在局部形成涡流,引起油液质点间以及质点与固体壁面间相互碰撞和剧烈摩擦而产生的压力损失,如图1-16所示。四、压力损失及流量特性

(3)管道系统中的总压力损失。液压系统的管道通常由若干段管道和一些弯头、管接头、控制阀等组成。管道系统总的压力损失等于所有管道的沿程压力损失和所有局部压力损失之和。

通常情况下,液压系统的管路并不长,所以沿程压力损失比较小,而阀等元件的局部压力损失比较大。

压力损失造成液压系统中功率损耗增加,还会加剧油液的发热,使泄漏量增大,液压系统效率降低和性能变差。因此,在液压技术中正确估算压力损失的大小,找出减少压力损失的有效途径有着重要的意义。四、压力损失及流量特性

(3)管道系统中的总压力损失。液压系统的管道通常由若干段管道和一些弯头、管接头、控制阀等组成。管道系统总的压力损失等于所有管道的沿程压力损失和所有局部压力损失之和。

通常情况下,液压系统的管路并不长,所以沿程压力损失比较小,而阀等元件的局部压力损失比较大。

压力损失造成液压系统中功率损耗增加,还会加剧油液的发热,使泄漏量增大,液压系统效率降低和性能变差。因此,在液压技术中正确估算压力损失的大小,找出减少压力损失的有效途径有着重要的意义。四、压力损失及流量特性

3)减少压力损失的措施

减少压力损失、提高液压系统性能的措施主要有以下几点。

(1)缩短管道长度,减少管道弯曲,尽量避免管道截面的突然变化。

(2)减小管道内壁表面粗糙度,使其尽可能光滑。

(3)选用的液压油黏度应适当。液压油的黏度低可降低液流的黏性摩擦,但可能无法保证液流为层流;黏度高虽可以保证液流为层流,但黏性摩擦会大幅增加。所以,应在保证液流为层流的基础上,尽量选用黏度低的液压油。

(4)管道应有足够大的通流面积,将液流的速度限制在适当的范围内。四、压力损失及流量特性2.小孔及缝隙的压力流量特性

在液压传动系统中常遇到油液流经小孔或间隙的情况,如节流调速中的节流小孔,液压元件相对运动表面的各种间隙。研究液体流经这些小孔和间隙的流量压力特性,对于研究节流调速性能、计算泄漏都是很重要的。

1)液体流经小孔的流量计算小孔可分为三种:当小孔的长度l和直径d的比值(即长径比)l/d≤0.5时,称为薄壁小孔;当l/d>4时,称为细长小孔;当0.5<l/d≤4时,称为短孔。

(1)薄壁小孔的流量计算。如图1-17所示,当液体经管道由薄壁小孔流出时,由于液流的惯性作用,使通过小孔后的液流形成一个收缩断面C—C,然后扩散,这一收缩和扩散过程就产生了压力损失。四、压力损失及流量特性收缩断面面积AC与孔口断面面积A之比称为断面收缩系数CC,即CC=AC/A。断面收缩系数取决于雷诺数、孔口及边缘形状、孔口离管道侧壁的距离等因素。当管道直径D与小孔直径d的比值D/d≥7时,收缩作用不受管道内壁的影响,这时的收缩称为完全收缩;反之,当D/d<7时,管道内壁对液流进入小孔起导向作用,这时的收缩称为不完全收缩。四、压力损失及流量特性通过薄壁小孔的流量为

式中,Cq为流量系数,流量系数值由试验确定(完全收缩时,Cq=0.61~0.62;不完全收缩时,Cq=0.7~0.8);A为孔口断面面积(m2)。

薄壁小孔因其沿程压力损失非常小,通过小孔的流量与黏度无关,即流量对油温的变化不敏感,所以,液压系统中常采用薄壁小孔作为节流元件。四、压力损失及流量特性

(2)短孔与细长小孔的流量计算。短孔的流量公式仍为式(1-14),但流量系数不同,一般取Cq=0.82。短孔易加工,故常用作固定节流器。

液体流过细长小孔时,一般为层流状态,其流量计算公式为

由式(1-15)可知,液体流经细长小孔的流量与液体的动力黏度成反比,即流量受温度影响,并且流量与小孔前、后的压力差呈线性关系。四、压力损失及流量特性

2)液体流经缝隙的流量计算液体流经缝隙的流量计算,包括压差作用下的流动、剪切作用下的流动及压差和剪切联合作用下的流动,在此仅讨论压差作用下的流量计算。

(1)平行平板缝隙。液体在压差Δp=p1-p2作用下通过固定平行平板缝隙的流动称为压差流动。如图1-18所示,平板长l、宽b,缝隙高h,且l

≫h、b≫h,此时通常为层流。设流体不可压缩,黏度为常数,重力不计。在压差作用下通过平行平板缝隙的流量为

式(1-16)表明,通过缝隙的流量与缝隙高度的三次方成正比,可见液压元件内的间隙大小对泄漏影响很大,故要尽量提高液压元件的制造精度,以减少泄漏。四、压力损失及流量特性

(2)同心环形缝隙。如图1-19所示,当h/r≤1时(相当于液压元件配合间隙的情况),可将环形缝隙展开,看成平行平板缝隙,将b=πd

代入式(1-16),即得到压差作用下通过同心环形缝隙的流量,即

(3)偏心环形缝隙。在实际工作中,圆柱体与孔的配合很难保持同心,往往带有一定偏心距e,如图1-20所示。四、压力损失及流量特性

通过此偏心环形缝隙的流量为

式中,ε为相对偏心率,ε=e/h

;h

为同心时的缝隙量(m)。

从式(1-18)可知,通过同心环形缝隙的流量公式是通过偏心环形缝隙的流量公式在ε=0时的特例。当完全偏心时,e=h

,ε=1,此时

可见,完全偏心时的流量是同心时流量的2.5倍。故在液压元件的设计、制造和装配中,应采取适当措施,以保证较高的配合同轴度。四、压力损失及流量特性

本节的任务是了解液体的两种流态———层流和紊流,并在此基础上了解液体流动时的压力损失,掌握减少压力损失的措施,了解小孔及缝隙的压力流量特性。1.液压传动的工作原理

1)流态与雷诺数

(1)流态。一般将流体在管路中的流动状态分为层流和紊流两种。在低速流动时,液体质点受黏性力制约,互不干扰,液体的流动呈线性或层状,且平行于管道轴线,这种流态称为层流。当流速增大到一定速度(临界速度)时,液体质点的运动不再是规则的层状,流体间互相影响和干扰,液体除了平行于管道轴线的运动外,还存在着剧烈的横向运动或产生大量不规则的小漩涡,这时液体的流态称为紊流。任务实施——观察层流、紊流现象1.决策利用QCSO12流态测试仪观察层流和紊流现象。2.计划按QCSO12流态测试仪的使用手册进行试验。3.实施

1)观察流态

(1)将大、小箱装满水至水线,且水面稳定。

（2)微启控制水嘴,并将红色水箱上的小水嘴略微开启,则可观察到红色水与清水互不相混的层流流态。(3)逐渐开大控制水嘴,则可看到红色水线波动、破碎直至与清水完全掺混的紊流状态。任务实施

(4)上临界雷诺数的测定:将水嘴开口从最小逐渐地增大,直至出现红色水流呈直线并且有一点波动,即为上临界状态,并记录流量读数。

(5)下临界雷诺数的测定:当试管内达到充分紊流时,逐步将水嘴开口减小,直到其针尖出口段保持层流,试管尾端为轻度紊流时即为下临界状态,并记录流量读数。

2)观察圆管内层流流速分布先放出一部分红色水流,然后微启红色水嘴,可看到管中心处红色水流得较快,而管壁处红色水流得慢,形成明显的抛物线状。这说明在层流流态下,圆管内流速呈抛物面分布。

试验完毕,将水箱内的水液放净,并擦洗干净,做好设备的维护保养工作。4.检查、评价

求出本测试仪实测雷诺数,总结层流、紊流产生的条件,依据试验完成的质量进行评价。任务实施任务实施液压系统的清洗与过滤02任务二（1）本任务将在认识液压冲击和气蚀现象的基础上详细描述液压油的过滤和液压系统的清洗方法。（2）本任务将完成液阻特性的测定。（1）能解释液压冲击和气蚀现象;（2）能合理选用过滤器;（3）能阐述液压系统清洗与过滤的方法;（4）能测定液阻特性。液压系统的清洗与过滤任务描述技能目标一、液压冲击和气蚀现象

本任务是了解液压冲击和气蚀现象及其危害,掌握减少和防止这些现象产生的方法。1.液压冲击

液压系统在突然启动、停机、变速或换向时,阀口突然关闭或动作突然停止,由于流动液体和运动部件惯性的作用,使系统内瞬时形成很高的压力峰值,这种现象就称为液压冲击。液压冲击的出现可能对液压系统造成较大的损伤,在高压、高速及大流量的系统中其后果更严重,因此在操作时要尽力避免液压冲击。

1)液压冲击的危害

产生液压冲击时,系统的瞬时压力峰值往往比正常工作压力高好几倍,并引起设备强烈的振动和噪声;造成系统温度上升;破坏液压系统内部构件之间的相对位置,导致运动部件的运动精度降低,影响系统正常工作;造成液压元件、密封装置的损坏,甚至会使管子爆裂,缩短整个液压系统的寿命;压力的突然升高还可能使系统中的某些压力元件产生误动作,造成事故。一、液压冲击和气蚀现象

2)液压冲击的产生原因

液压冲击的产生主要有以下几方面的原因。

(1)液流突然停止运动或换向,液体流动的速度突然降为零,使液体的动能瞬间转变为压力能。

(2)运动的工作部件突然制动或换向,由于工作部件的惯性力使液压执行元件的回油腔和管路中的油液压力急剧升高,引起液压冲击。

(3)液压系统中的某些元件如溢流阀反应动作不够灵敏,在系统压力升高时不能及时开启卸压,造成系统超压,出现液压冲击。

(4)液压泵在吸油和压油的过程中,压力和流量周期性地变化形成压力脉动。

(5)刚性管路或过细的管路以及方向、截面面积变化大的管路也很容易产生液压冲击。一、液压冲击和气蚀现象

3)减少和防止液压冲击的措施

减少和防止液压冲击常用的措施有以下几个。

(1)降低开、关阀门的速度,减小冲击的强度。

(2)限制管路中液流的流速。

(3)在管路中易发生液压冲击的地方采用橡胶软管或设置蓄能器,以吸收液压冲击的能量,减少冲击传播的距离。

(4)在容易出现液压冲击的地方安装限制压力升高的安全阀。一、液压冲击和气蚀现象2.气蚀现象

1)空气分离压和饱和蒸气压

在液体中总是溶解有一定量的空气。液压油中能溶解的空气量比水中能溶解的要多,在水中溶解的空气一般占水体积的2%,油液则可达到5%~6%,而且液体中气体的溶解度与绝对压力成正比。

(1)空气分离压。大气压下正常溶解于油液的空气,当压力低于大气压时,就会过饱和。在某一温度下,当压力降低到某一值,使过饱和的空气从油液中分离出来而产生气泡,那么这一压力值就称为该温度下的空气分离压。

(2)饱和蒸气压。当油液的压力低于当时温度下的蒸气压力时,油液本身会迅速汽化,在油液中形成蒸气气泡。这时的压力值称为液压油在该温度下的饱和蒸气压。

一般来说,液压油的饱和蒸气压相对于空气分离压要小得多,因此,要使液压油不产生大量气泡,它的压力最低不得低于液压油所在温度下的空气分离压。一、液压冲击和气蚀现象

2)空穴、气蚀现象的产生原因及其危害

(1)空穴现象的产生原因。当液体中压力过分降低(低于其空气分离压)时,就会造成气泡混杂在液体中,产生气穴,使原来充满管道或元件内的油液出现不连续状态,这种现象就称为空穴现象。

(2)气蚀现象的产生原因。当液流流经图1-21所示的管道喉部的节流口时,根据伯努利方程,该处液流的流速增大,而压力降低。如压力低于该工作温度下液压油的空气分离压,溶解在油液中的空气将会迅速地分离出来,形成气泡。这些气泡随着液流流过喉部,管径变大,压力重新上升,气泡会被压缩并因承受不了高压而破裂。一、液压冲击和气蚀现象

当附着在金属表面上的气泡破裂时,周围液体的分子以极高的速度来填补原来气泡所占据的空间,液体质点间相互碰撞而产生局部高压、局部的液压冲击和高温,产生噪声并引起振动。这种压力冲击作用在零件的金属表面,就会使金属表面发生剥落,使表面粗糙或出现海绵状的小洞穴。节流口下游部位常会出现这种腐蚀的痕迹,这种现象就称为气蚀。一、液压冲击和气蚀现象

除了这种节流口外,在液压系统中只要某点的压力低于液压油所在温度下的空气分离压,就会产生空穴现象,并在压力升高时对金属件造成气蚀。

(3)空穴现象的危害。当气泡随油液的流动由低压区进入高压区时会被压缩,会使油液失去不可压缩性,并造成气蚀。空穴现象还会引起系统的温升、噪声和振动,并影响系统的性能,缩短元件的使用寿命,严重时甚至会损坏设备。尤其在液压泵部分发生空穴现象时,除会产生噪声和振动外,还会影响泵的吸油能力,造成液压系统流量和压力的波动。此外,在高温高压下,空气极易使液压油氧化变质,生成有害的酸性物质或胶状沉淀。一、液压冲击和气蚀现象

3)减少空穴、气蚀现象的措施液压油中混入的空气对液压装置的性能有着很大的危害。在液压系统中只要压力低于空气分离压,就会出现空穴现象。要想完全消除空穴、气蚀现象是非常困难的,减少空穴、气蚀现象主要就是防止液压系统中的压力过低,常用以下措施。

(1)减小流经节流小孔前、后的压力差,尽量使小孔前、后的压力比小于3.5。

(2)保持液压系统中油压高于空气分离压。

(3)液压零件应选用抗腐蚀能力强的金属材料,合理设计,增加零件的机械强度,提高零件的表面加工质量,提高零件的抗气蚀能力,减少气蚀对零件的影响。一、液压冲击和气蚀现象

(4)进行良好的密封,防止外部空气侵入液压系统,降低液体中气体的含量。

(5)对于管道来说,要求油管有足够的通径,并尽量避免狭窄处或突然的转弯。对于液压泵来说,应合理设计其安装高度,避免在油泵吸油口产生空穴。

(6)必要时可通过适当加大吸油管内径,来控制液压油在吸油管中的流速,降低沿程压力损失,这样就可以增加泵的吸油高度而不产生空穴。液压泵吸油腔的过滤器要及时清洗或更换滤芯以防堵塞。高压泵宜设置辅助泵向液压泵的吸油口提供足够的低压油。二、液压油的过滤1.过滤器的工作原理和结构

液压系统中绝大多数故障和液压油的污染有关,所以保持油液的清洁是液压系统能够可靠工作的关键。过滤器的功用在于过滤混在液压油中的杂质,使进入液压系统中的油液的污染度降低,保证系统正常工作。

1)过滤器的工作原理

如图1-22所示,油液从进油口进入过滤器,沿滤芯(见图1-23)的径向由外向内通过滤芯,油液中的颗粒被滤芯的过滤层滤除,进入滤芯内部的油液即为洁净的油液。过滤后的油液从过滤器的出油口排出。二、液压油的过滤

随着过滤器使用时间的增加,滤芯上积累的杂质颗粒越来越多,过滤器进、出油口压差也会越来越大。进、出油口压差高低通过压差指示器指示,它是用户了解滤芯堵塞情况的重要依据。若滤芯在达到极限压差时还未及时更换,旁通阀会开启,以防止滤芯破裂。

由于过滤器过滤下来的污染物积聚于进油腔一侧,所以通过过滤器的液流不得反向流动,否则会将污染物再次带入油液,造成油液污染。滤芯是过滤器的关键部件,它的材料主要有玻璃纤维纸、合成纤维纸、植物纤维纸、金属纤维毡和金属网等。二、液压油的过滤

2)不同种类过滤器的结构

按滤芯的材料和结构形式的不同,过滤器可分为网式过滤器、线隙式过滤器、纸质滤芯式过滤器、烧结式过滤器等。

(1)网式过滤器。网式过滤器如图1-24所示,其滤芯以铜丝网为过滤材料,在周围开有很多孔的塑料或金属筒形骨架上包着一层或两层铜丝网,其过滤精度取决于铜丝网层数和网孔的大小。网式过滤器一般用于液压泵的吸油口。二、液压油的过滤

网式过滤器的型号意义如下。

二、液压油的过滤

(2)线隙式过滤器。线隙式过滤器如图1-25所示,用铜线或铝线密绕在筒形骨架的外部组成滤芯,依靠铜线或铝线间的微小间隙滤除混入液体中的杂质。线隙式过滤器的结构简单,通流能力大,过滤精度比网式过滤器高,但不易清洗,多为回油过滤器。二、液压油的过滤

线隙式过滤器的型号意义如下。

二、液压油的过滤

(3)纸质滤芯式过滤器。纸质滤芯式过滤器如图1-26所示,滤芯为微孔滤纸制成的纸芯,将纸芯围绕在带孔的由镀锡铁做成的骨架上,以增大强度。为增加过滤面积,纸芯一般做成折叠形。其过滤精度较高,一般用于油液的精过滤,但堵塞后无法清洗。二、液压油的过滤

纸质滤芯式过滤器的型号意义如下。

二、液压油的过滤

(4)烧结式过滤器。烧结式过滤器如图1-27所示,滤芯用金属粉末烧结而成,利用颗粒间的微孔来滤除油液中的杂质,其滤芯能承受高压二、液压油的过滤

烧结式过滤器的型号意义如下。

二、液压油的过滤

3)过滤器的选用

过滤器的选用应该满足如下基本要求。

(1)具有足够的过滤精度。过滤精度是指过滤器能够有效滤除的最小颗粒污染物的尺寸,它是过滤器的重要性能参数之一。过滤精度可分为粗(d

≥100μm)、普通(10μm≤d<100μm)、精(5μm≤d<10μm)和特精(1μm≤d<5μm)四个等级。

(2)具有足够的过滤能力。过滤能力指一定压力降下允许通过过滤器的最大流量,一般用过滤器的有效过滤面积(滤芯上能通过油液的总面积)来表示。过滤器的过滤能力还应根据过滤器在液压系统中的安装位置来考虑,如过滤器安装在吸油管路上,其过滤能力应为泵流量的2倍以上。二、液压油的过滤

(3)滤芯要利于清洗和更换,便于拆装和维护。过滤器滤芯一般应按规定定期更换、清洗,因此,过滤器应尽量设置在便于操作的地方,避免设置在维护人员难以接近的地方。

(4)过滤器应有一定的机械强度,不能因油液压力的作用而损坏。

（5)过滤器滤芯应有良好的耐蚀性,并能在规定的温度下持久地工作。二、液压油的过滤2.过滤器的安装过滤器主要有以下几种安装位置,如图1-28所示。二、液压油的过滤

1)安装在泵的吸油管路上

安装在液压泵吸油管路上的过滤器主要是用来过滤较大的杂质微粒以保护液压泵,如图1-29