机械设备控制技术电子教案第5章

第5章液压传动基础知识

液压传动是利用密闭系统中的受压液体来传递运动和动力的一种传动方式。液压控制技术是研究以液体作为工作介质，利用液体压力进行能量传递和自动控制的一门技术。液压控制技术具有许多优点，被广泛地应用于机械制造、工程建筑等各个领域。特别尽近年来，随着机电一体化技术的发展，与微电子、计算机技术互相结合，液压控制技术的发展进入了一个崭新的阶段。5.1概述5.1.1液压传动工作原理图5-1a所示为液压传动工作原理、液压千斤顶的工作原理图，图5-1b是其简化模型图。液压千斤顶由液压泵和液压缸两部分构成。液压泵（手动柱塞泵）由杠杆1、泵体2、小活塞3及单向阀5和7组成。液压缸由缸体10和大活塞9组成，为确保液压千斤顶正常工作活塞与缸体、活塞与泵体接触面之间的配合既要使活塞在缸体和泵体中移动，又要形成可靠的密封。5.1.2液压系统的组成图5-2所示为一个能实现工作台往复运动的典型液压控制系统。图5-2a为结构图，液压泵3由电动机驱动旋转，从油箱1经过滤油器2吸油。当换向阀5的阀芯处于图示位置时，压力油经阀4、阀5和管道9进入液压缸7的左腔，推动活塞向右运动。液压缸右腔的油液经管道6、阀5和管道10流回油箱。液压控制系统由以下五部分组成：（1）动力元件---液压泵是将电动机输入的机械能转化为液压能，为系统提供压力油，是一种能量转化装置。（2）执行元件---液压缸或液压马达是将液体的液压能转化为机械能做功，也是一种能量转化装置。（3）控制元件---液压控制阀是控制系统中的压力、流量和液流方向，以保证执行元件完成预期的工作运动。（4）辅助装置---油箱、油管、管接头、滤油器、压力表等分别起储油、连接、过滤、测量压力等作用。（5）工作介质---液压油是实现运动和动力的传递。

5.1概述

5.1.3液压传动系统的优缺点1．液压传动系统的优点1）易于获得很大的力或力矩，并易于控制；2）易于在较大范围内实现无级调速；3）传动平稳，便于实现频繁换向和自动防止过载；4）便于采用电液联合控制以实现自动化；5）各液压元件在油中工作，润滑性好，使用寿命长；6）液压元件易于实现标准化、通用化、系列化。2.液压控制系统的缺点1）由于泄漏及液体的可压缩性，无法保证严格的传动比，影响执行元件运动的准确性；2）液压油对温度的变化比较敏感，不宜在很高或很低的温度条件下工作；3）由于不可避免的泄漏及能量损失，因而效率较低，不宜作远距离传动；4）液压系统出现故障时，不易查找原因。综上所述，液压控制技术的优点是十分突出的，它的缺点随着科学技术和生产水平的提高正在逐步克服，因而它在现代生产中有着广阔的应用前景。

5.1概述

5.2液压油的选用液压油在液压传动中不仅起传递能量的作用，而且还对液压传动中液压元件起润滑、冷却和防锈的作用。液压油的选择主要是根据工作条件选用适宜的黏度。1.环境温度环境温度较高时，宜选用黏度较大的液压油。2.液压系统的工作压力系统工作压力较高时，宜选用黏度较大的液压油，以减少泄漏。3.运动速度执行元件运动速度较高时，宜选用黏度较小的液压油。4.液压泵的类型液压泵对液压油的性能最为敏感。因此常根据液压泵的类型及要求来选择液压油的黏度。液压油的产品牌号由类别、品种和数字三部分组成。类别代号中的L表示润滑油、H表示液压系统的工作介质，数字表示工作介质黏度等级，用温度为40℃时的运动黏度平均值（mm2/s）表示。例如L-HL46号液压油，是指这种油在40℃时的运动黏度平均值为46mm2/s。

5.2液压油的选用

5.3液体力学液体静力学是研究液体处于相对平衡状态下的力学规律和这些规律的实际应用。所谓“相对平衡”，是指液体内部各质点间没有相对运动，即不呈现黏性。5.3.1液体的静压力1.静压力当液体处于相对静止时，液体单位面积上所受的法向力称为压力，则压力的计算公式为（牛顿/米2Pa）

由于Pa单位太小，工程上常用千帕（Kpa）、兆帕MPa表示。1MPa＝103KPa＝106Pa液体静压力具有下列两个特性：1）液体静压力垂直于其受压平面，且方向与该面的内法线方向一致。2）静止液体内任意点处所受到的静压力在各个方向上都相等。2.压力的表示方法即绝对压力和相对压力。当绝对压力低于大气压时，比大气压小的那部分数值称为真空度。即真空度＝大气压力一绝对压力绝对压力、相对压力和真空度的相对关系如图5-3。

5.3液体力学

3.压力的传递一帕斯卡原理在密闭容器中的静止液体，由外力作用在液面上的压力能等值地传递到液体内部的所有各点，这就是帕斯卡原理或称为静压传递原理。

例5-1图5-4所示为相互连通的两个液压缸，已知大缸直径D＝100mm，小缸直径d＝20mm，大活塞上放一重物W＝20000N，问在小活塞上加多大的力才能使大活塞顶起重物？解：作用在小活塞液压缸内的压力

作用在大活塞液压缸内的压力

根据帕斯卡原理，由外力产生的压力在两缸中相等，即

故顶起重物时小活塞上应加的力为由例5-1可知，液压装置具有力的放大作用。液压压力机和液压千斤顶就是利用这个原理工作的。

5.3液体力学

4.液体作用在固体壁面的力静止液体和固体壁面相接触时，固体壁面上各点在某一方向上所受静压力作用力总和，便是液体在该方向上作用于固体壁面上的力。在液压传动计算中质量力（）可以忽略，静压力处处相等，所以可认为作用于固体壁面上的压力是均匀分布的。当固体壁面是一个平面时，面积A为平面上的承压面积；当固体壁面为曲面时，面积A为在这个作用力方向上的投影面积。即

5.3液体力学

5.3.2流体动力学1.基本概念（1）理想液体和稳定流动理想液体是一种假想的无黏性、不可压缩的液体。而把既有黏性又可压缩的液体称为实际液体。液体流动时，若其任一点处的压力、速度和密度都不随时间而变化，就称为稳定流动；反之就称为非稳定流动。（2）流量和平均流速液体在管道中流动时，通常将垂直于液体流动方向的截面，称为通流截面或过流断面。流量：流量是指单位时间内流过某通流截面的液体的体积。计算公式为

m3／s（米3／秒）

流量的单位在SI制中为m3／s（米3／秒），工程上也常采用L／min（升／分钟），它们之间的换算关系是1m3／min＝6×104L／min。平均流速：流速是指液流质点在单位时间内流过的距离。在SI制中的单位为m／s。计算公式为（m／s）由此可得出另一个重要结论：活塞运动速度取决于输入液压缸（马达）的流量，而与液体压力大小无关。

5.3液体力学

（3）层流和紊流科学家雷诺通过观察水在圆管内的流动情况实验，发现液体有两种流动状态：层流（图5-5a）和紊流（图5-5c）。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，除了平行于管道轴线的运动外，还存在着剧烈的横向运动。图5-5b所示为层流和紊流的过渡状态。层流和紊流是两种不同性质的流态。层流时，液体流速较低，质点受黏性制约，不能随意运动，黏性力起主导作用；紊流时，液体流速较高，黏性的制约作用减弱，惯性力起主要作用。液体流动呈现出的流态，可利用雷诺数来判别。液流由层流转变为紊流时的雷诺数与紊流转变为层流时的雷诺是不相同的，后者较前者数值小，故将后者作为判别液流状态的依据，称为临界雷诺数Rec。当Re＜Rec时，液流为层流；当Re≥Rec时，液流为紊流。

5.3液体力学

2.连续性方程

液体流动的连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的应用。即液体在密封管道内作稳定流动时，单位时间内流经管道任一通流截面的流量应相等，如图5-6所示。即常量式中，、分别为通流截面Ⅰ、Ⅱ的平均流速；、分别为通流截面Ⅰ、Ⅱ的面积。此式称为流量连续性方程，它表明液体在管道中流动时流速和通流面积成反比，通流面积大则流速低，通流面积小则流速快。

5.3液体力学3.伯努利方程（1）理想液体伯努利方程理想液体在管道中作稳定流动，其能量的表现形式有三种，即压力能、动能和势能。如图5-7所示，根据能量守恒定律，在任一截面这三种能量可以相互转化，但其总和保持不变，即此式称为理想液体的伯努利方程

式中，、、分别为通流截面Ⅰ的压力、平均流速、与基准线的距离；、、分别为通流截面Ⅱ的压力、平均流速、与基准线的距离。

为压力水头或比压能；为速度水头或比动能；

为位置水头或比势能。

。

5.3液体力学

（2）实际液体的伯努利方程由于实际流动的液体具有黏性，且实际流速分布不均匀，从而造成能量损失。因此实际液体的伯努利方程为

式中，为从通流截面Ⅰ到通流截面Ⅱ过程中的能量损失；、分别为通流截面Ⅰ、Ⅱ的动能修正系数，与液体流动状态即截面上流速分布有关，层流时＝2，紊流时≈1。例5-2如图5-8所示，油管水平放置，截面Ⅰ、Ⅱ处的直径分别为、，液体在管内作连续流动，如不计管内的能量损失，试问：（1）截面Ⅰ、Ⅱ的流量是否一样？为什么？（2）截面Ⅰ、Ⅱ的压力是否相同？为什么？解：（1）根据流量连续性方程，在同一管道中通过任意两个横截面的流量相等，因此截面Ⅰ、Ⅱ的流量是一样的。（2）以管道中心线为基准，列出伯努利方程

列出连续性方程

因为截面Ⅰ的面积＜截面Ⅱ的面积，所以＞，因此＜，即截面Ⅰ的压力小于截面Ⅱ的压力。

5.3液体力学4.液体流动中的压力损失包括沿程压力损失和局部压力损失两种。（1）沿程压力损失液体在等径直管中流动，因内、外摩擦力而产生的压力损失称为沿程压力损失。计算公式为

式中，为沿程压力损失（Pa）；为液体的动力黏度（N·s/m2）；为通过管路液体的实际流量（m3/s）。上式表明：管路越长，流速越快，则沿程压力损失越大；管径增大，沿程压力损失减小。（2）局部压力损失由于管道截面形状的突然变化（如突然扩大、收缩、分流、集流）和液流方向突然改变引起的压力损失，称为局部压力损失。在液压系统中，由于各种元件的结构形状、布局等原因，这种损失是主要的。液体流经各种阀时的局部压力损失，查阀的样本手册即可得到。压力损失实际上就是能量的损失并转化为热能，使油温升高，进而带来泄漏增多，传动效率降低，影响液压系统的工作性能。因此，应尽量采用光滑内壁的管道，尽量缩短管路长度，减少截面突变及管道弯曲。

5.3液体力学

5.液压冲击和空穴现象

（1）液压冲击在系统中，由于某种原因引起油液的压力在瞬间急剧上升，这种现象称为液压冲击。液压冲击产生的原因液流速度突变（如关闭阀）；突然改变液流力向（换向）等。液压冲击产生危害引走振动和噪声，导致密封装置、管路及液压元件的损失，有时还会使某些元件，如压力继电器、顺序阀产生误动作，影响系统的正常工作。避免液压冲击的基本措施是尽量避免液流速度发生急剧变化，延缓速度变化的时间，其具体办法是：1）缓慢开关阀门；2）限制管路中液流的速度；3）系统中设置蓄能器和安全阀；4）在液压元件中设置缓冲装置（如节流孔）。（2）空穴现象在系统中，由于流速突然变大，供油不足等因素，压力迅速下降至低于空气分离压时，溶解于油液中的空气游离出来形成气泡，这些气泡夹杂在油液中形成气穴，这种现象称为空穴现象。空穴现象产生的危害造成流量和压力脉动，引起局部液压冲击，产生强烈的噪声、振动和气蚀，导致元件寿命的缩短。采取下列措施：1）减少液流在阀口处的压力降，一般希望