《液压与气压传动》教案

上海师范大学

《液压与气压传动》教案

教师姓名李光布授课班级08机械授课形式讲授

授课日期年月曰第周授课时数2

授课章节名称绪论

1、掌握液压与气压传动系统的工作原理与组成

教学目标

2、理解压力和流量的概念

1、液压与气压传动系统的工作原理

教学重点难点

2、力比例关系、运动关系、功率关系

教学媒体选择多媒体课件

作业布置复习和预习

学时分配

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绪论

一、液压与气压传动的研究对象

液压与气压传动是研究利用有压流体（压力油或压缩空气）作为传动介质来

实现各种机械的传动和自动控制的学科。液压传动与气压传动实现传动和控制的

方法基本相同，它们都是利用各种元件组成需要的控制回路，再由若干回路组成

能够完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换与控制。

液压传动所采用的工作介质为液压油或其它合成液体，气压传动所采用的工作

介质为压缩空气。

二、液压与气压传动的工作原理根据液压千斤顶的工作原理即可了解液压传动

的工作原理。从图0—1可以

看出，当向上提手柄1使小缸活塞3上移时，小液压缸2因容积增大而产生真空，

油液从油箱12通过阀4被吸入至小液压缸2中，当按压手柄1使小缸活塞3下

移时，则油液通过阀7输入到大液压缸9的下油腔，当油液压力升高到能够克服重

物W时，即可举起重物。彩图液压搬运车的工作原理即如前面所述。

图液压千斤顶原理图

有关的具体公式推导请见下一页.

将上一页液压千斤顶工作原理图（图。-1）简化成如下图形（图。一2）,

并对其进行公式推导：

图0—2液压千斤顶简化模型图

1•力的传递关系根据帕斯卡原理：”在密闭容器内，施加于静止液体上的压力

将以等值同时

传到液体各点”，并根据图0-2的受力情况可推导出

式中A1和A2分别为图2中小活塞和大活塞的作用面积；F1为杠杆手柄作用在小活

塞上的力；W为被举起的负载。由此建立了一个很重要的基本概念，即在液压和气压传动

中，系统的工作压力取决于负载，而与流入的流体多少无关。

2.运动的传递关系

由图2可以看出，当不考虑液体得可压缩性、泄漏的等因素时，依据液体体

积不变，可得出

式中，hl和h2分别为小活塞和大活塞的位移，将其两端分别除以活塞移动的时

间t,则得

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由此可见，活塞的运动速度与活塞的面积成反比。进一步推导可得

据此可得，活塞的运动速度取决于进入液压（气）缸（马达）的流量，而与流体压

力大小无关。

3.功率关系

当不计功率损失的情况下，假设输入功率等于输出功率，由图0-2可得

还可以推导出由以上分析可得，液压传动和气压传动是以流体的压力能来

传递动力的。三、液压与气压传动系统的组成

1.液压传动系统的组成

下图（图0—3）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：在图示位置，液压泵3由电动机带动旋转后，从油箱1中吸油，油液经滤油

器2进入液压泵3的吸油腔，并经液压泵3、节流阀4、换向阀5进入液压缸7

左腔，液压缸7右腔的油液经换向阀5流回油箱，液压缸活塞在压力油的作用下

驱动工作台右移。反之，通过换向阀5换向（阀心左移），压力油进入液压缸的

右腔，液压缸7左腔的油液经换向阀5流回油箱，液压缸活塞在压力油的作用下

驱动工作台左移。

图0—3机床工作台液压系统工作原理图

1-油箱2-过滤器3-液压泵4-节流阀5-换向阀7-液压缸8-工作台

2.气压传动系统的组成下图为一气动系统的组成原理图，由空气压缩机经贮气罐，

再经气动三联件

进入气动控制回路，控制气缸活塞杆左移和右移。

3.液压与气压传动系统的组成由上面的例子可以看出，液压与气压传动：系统主

要由以下几个部分组成：

⑴能源装置：把机械能转换成流体的压力能的装置,一般最常见的是液压泵或空气

压缩机。

⑵执行装置：把流体的压力能转换成机械能的装置，一般指作直线运动的液（气）压

缸、作回转运动的液（气）压马达等。

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(3)控制调节装置：对液(气)压系统中流体的压力、流量和流动方向进行控制和调

节的装置。例如溢流阀、节流阀、换向阀等。这些元件的不同组合组成了能完成

不同功能的液(气)压系统。

(4)辅助装置：指除以上三种以外的其它装置，如油箱、过滤器、分水滤气器、油

雾器、能器等，它们对保证液(气)压系统可靠和稳定地工作有重大作用。

⑸传动介质：系统中传递能量'的流体，即液压油或压缩空气。4.液压与气压传动

系统的图形符号

上面的图为液压系统原理图，也可以将其用液压图形符号表示，如图0-3所

示，详细的液压与气动元件图形符号在后面的课程中有详细介绍。

四、液压与气压传动的优缺点

1.液压传动的优点

(1)在同等的体积下，液压装置能比电气装置产生出更多的动力。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。

(3)液压装置能在大范围内实现无级调速(调速范围可达2000),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。

(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。

2.液压传动的缺点

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(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。

(2)液压传动对油温变化比较敏感，它的工作稳定性很易受到温度的影响，因此

它不宜在很高或很低的温度条件下工作。

(3)为了减少泄漏，液压元件在制造精度上的要求较高，因此它的造价较贵，而

且对工作介质的污染比较敏感C

(4)液压传动出现故障时不易找出原因。

3.气压传动的优点与液压传动相比，气压传动具有一些独特的

优点：

(1)空气可以从大气中取得，同时，用过的空气可直接排放到大气中去，处理方

便，万一空气管路有泄漏，除引起部分功率损失外，不致产生不利于工作的严重影

响，也不会污染环境。

(2)空气的粘度很小，在管道中的压力损失较小，因此压缩空气便于集中供应(空

压站)和远距离输送。

(3)因压缩空气的工作压力较低(一般为0.3—0.8Mpa),因此，对气动元件

的材料和制造精度上的要求较低。

(4)气动系统维护简单，管道不易堵塞，也不存在介质变质、补充、更换等问

题。

(5)使用安全，没有防爆的问题，并且便于实现过载自动保护。

4.气压传动的缺点气压传动与电气、液压传动相比有以下缺

点：

(1)气压传动装置。的信号传递速度限制在声速(约340m/s)范围内，所以

它的工作频率和响应速度远不如电子装置，并且信号要产生较大的失真和延滞，

也不便于构成较复杂的回路，但这个缺点对工业生产过程不会造成困难。

(2)空气的压缩性远大于液压油的压缩性，因此在动作的响应能力、工作速度的

平稳性方面不如液压传动。

(3)气压传动系统出力较小，且传动效率低。

五、液压与气压传动的应用及发展

(一)液压与气压传动技术的应用在工业生产的各个部门都应用液压与气压传动

技术。例如，工程机械(挖掘

机)、矿山机械、压力机械(压力机)和航空工业中采用液压传动，机床上的传

动系统也采用液压传动，上海音乐厅整体搬迁;而在在电子工业、包装机械、印染

机械、食品机械等方面应用较多的气压传动等。

(二)液压与气动技术的发展

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液压技术正向高压、高速、大功率、高效、低噪声、高性能、高度集成化、

模块化、智能化的方向发展。同时，新型液压元件和液压系统的计算机辅助设计

（3、计算机辅助测试（CAT）、计算机直接控制（I必、计算机实时控制技术、

机电一体化技术、计算机仿真和优化设计技术、可靠性技术，以及污染控制技术

等方面也是当前液压传动及控制技术发展和研究的方向；气压传动技术在科技飞

速发展的当今世界发展将更加迅速。随着工业的发展，气动技术的应用领域已从

汽车、采矿、钢铁、机械工业等行业迅速扩展到化工、轻工、食品、军事工业等

各行各业。气动技术已发展成包含传动、控制与检测在内的自动化技术。由于工业

自动化技术的发展，气动控制技术以提高系统可靠性，降低总成本为目标。研究

和开发系统控制技术和机、电、液、气综合技术。显然，气动兀件当前发展的特点

和研究方向主要是节能化、小型化、轻量化、位置控制的高精度化，以及与电

子学相结合的综合控制技术。

http://xyl.usst.cdu.cn/jixic/courscwarc/Fcsto/chpl/pl-5/pl-5-2.htm

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教师姓名李光布授课班级08机械授课形式讲授

授课日期年月曰第周授课时数6

授课章节名称第一章液压传动基础知识

1、掌握液压与气压传动系统的工作原理与组成

教学目标2、掌握液体静力学、液体动力学、定常管流的压力损失、孔口及

缝隙流动

教学重点难点流体静压力基本方程、伯努利方程、定常管流的压力损失等

教学媒体选择多媒体课件

作业布置1-5,1-7,1-9,1-13

教学学时分配：1、液压油、液

体静力学：2学时

2、液体动力学：2学时

3、定常管流的压力损失、孔口及健隙流动：2学

时另外，安排液阻特性实验：2学时

学时分配

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第一章液压传动基础

流体传动包括液体传动和气体传动，本章仅介绍液体传动的基本知识。为了分

析液体的静力学、运动学和动力学规律，需了解液体的以下特性：

连续性假设：流体是一种连续介质，这样就可以把油液的运动参数看作是时间和

空间的连续函数，并有可能利用解析数学来描述它的运动规律。

不抗拉：由于油液分子与分子间的内聚力极小，几乎不能抵抗任何拉力而只能承受

较大的压应力，不能抵抗剪切变形而只能对变形速度呈现阻力。

易流性：不管作用的剪力怎样微小，油液总会发生连续的变形，这就是油液的易流

性，它使得油液本身不能保持一定的形状，只能呈现所处容器的形状。

均质性：其密度是均匀的，物理特性是相同的。

第一节液压传动工作介质

液压传动最常用的工作介质是液压汕，此外，还有乳化型传动液和合成型传动

液等，此处仅介绍几个常用的液压传动工作介质的性质。

一、液压传动工作介质的性质

1.密度

单位体积液体的质量称为液体的密度。体积为V,质量为m的液体的密度为

矿物油型液压油的密度随温度的上升而有所减小，随压力的提高而稍有增

加，但变动值很小，可以认为是常值。我国采用摄氏20度时的密度作为油液的

标准密度。

2.可压缩性

压力为P。、体积为V0的液体，如压力增大如时，体积减小AV,则此液体

的可压缩性可用体积压缩系数即单位压力变化下的体积用对变化量来表示

1AK

r------

加匕

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由于压力增大时液体的体积减小，因此上式右边须加一负号，以使K成为

正值。液体体积压缩系数的倒数，称为体积弹性模量K,简称体积模量。即长二

1/K。

3.粘性

1）粘性的定义

液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，分了间的内聚力要阻止分了相对

运动而产生的一种内摩擦力，这种现象叫做液体的粘性。液体只有在流动（或有

流动趋势）时才会呈现出粘性，静止液体是不呈现粘性的。

粘性使流动液体内部各处的速度不相等，以图1-2为例，若两平行平板间充

满液体，下平板不动，而上平板以速度以0向右平动。由于液体的粘性作用，紧

靠卜.平板和上平板的液体层速度分别为零和T。通过实验测定得出，液体流动

时相邻液层间的内摩擦力Ft,与液层接触面积A、液层间的速度梯度出/为成

正比，即

々■〃碍

力

式中：〃为比例常数，称为粘性系数或粘度。如以「表示切应力，即单位面积上

的内摩擦力，则

Rdu

Acfy

这就是牛顿的液体内摩擦定律。

2）粘性的度量

（1）动力粘度：又称绝对粘度，单位为Pa・s（帕•秒），以前沿用的单位为P（泊，

dyne-s/C/W,），IPa-s=10P=10，cP（厘泊）。

（2）运动粘度：液体的动力粘度与其密度的比值，称为液体的运动粘度V；即

y"Q,

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单位为切2/臬以前沿用的单位为St（斯），Im2/J=104St=idcSt（厘斯）。

液压传动工作介质的粘度等级是以40。C时运动粘度（以加桁'/$计）的中心值

来划分的，如某一种牌号HI22普通液压油在40℃时运动粘度的中心值为22

mm"

液体的粘度随液体的压力和温度而变。对液压传动工作介质来说，压力增大

时，粘度增大。在一般液压系统使用的压力范围内，增大的数值很小，可以忽略

不计。但液压传动工作介质的粘度对温度的变化十分敏感，温度升高，粘度下降。这

个变化率的大小直接影响液压传动工作介质的使用，其重要性不亚于粘度本

身。

4.其它性质

液压传动工作介质还有其它些性质，如稳定性（热稳定性、氧化稳定性、水

解稳定性、剪切稳定性等）、抗泡沐性、抗乳化性、防锈性、润滑性以及相容性（对

所接触的金属、密封材料、涂料等作用程度）等，它们对工作介质的选择和使用有

重要影响。这些性质需要在精炼的矿物油中加入各种添加剂来获得，其含义较为明

显，不多作解释，可参阅有关资料。

二、对液压传动工作介质的要求不同的工作机械、不同的使用情况对液压传动工

作介质的要求有很大的不

同；为了很好地传递运动和动力，液压传动工作介质应具备如下性能：

1）合适的粘度，较好的粘温特性。

2）润滑性能好。

3）质地纯净，杂质少。

4）对金属和密封件有良好的相容性。

5）对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性。

6）抗泡沫好，抗乳化性好，腐蚀性小，防锈性好。

7）体积膨胀系数小，比热容大。

8）流动点和凝固点低，闪点（明火能使油面上油蒸气闪燃，但油本身不燃烧时的

温度）和燃点高。

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9)对人体无害，成本低。

对轧钢机、压铸机、挤压机和飞机等液压系统则须突出耐高温、热稳定、不腐

蚀、无毒、不挥发、防火等项要求。

三、工作介质的分类和选择

1.分类

液压系统工作介质的品种以其代号和后面的数字组成，代号为L是石油产品

的总分类号，H表示液压系统用的工作介质，数字表示该工作个质的粘度等级。

2.工作介质的选用原则选择液压系统的工作介质一般需考虑

以下几点：

(1)液压系统的工作条件

(2)液压系统的JJ乍环境

(3)综合经济分析四、液

压系统的污染控制

工作介质的污染是液压系统发生故障的主要原因。它严重影响液压系统的可

靠性及液压元件的寿命，因此二作介质的正确使用、管理以及污染控制，是提高液

压系统的可靠性及延长液压元件使用寿命的重要手段。

1.污染的根源

进入工作介质的固体污染物有四个根源：已被污染的新油、残留污染、侵入污

染和内部生成污染。

2.污染的的危害

液压系统的故障75%以上是由工作介质污染物造成的。

3.污染的测定

污染度测定方法有测重法用颗粒计数法两种。4.污染度

的等级

我国制定的国家标准GB/T14039-93《液压系统工作介质固体颗粒污染等级

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代号》和目前仍被采用的美国NAS1638油液污染度等级。

5.工作介质的污染控制

工作介质污染的原因很复杂，工作介质自身又在不断产生污染物，因此要彻底

解决工作介质的污染问题是很困难的。为了延长液压元件的寿命，保证液压系统可

靠地工作，将工作介质的污染度控制在某一限度内是较为切实可行的办法.为了减

少工作介质的污染，应采取如下一些措施：

(1)对元件和系统进行清洗，才能正式运转。

(2)防止污染物从外界侵入。

(3)在液压系统合适部位设置合适的过滤器。

(4)控制工作介质的温度，工作介质温度过高会加速其氧化变质，产生各种生成

物，缩短它的使用期限。

(5)定期检查和更换工作介质，定期对液压系统的工作介质行抽样检查，分析

其污染度，如已不合要求，必须立即更换。更换新的工作介质前，必须对整个液压

系统彻底清洗一遍。

第二节液体静力学

液体静力学主要是讨论液体静止时的平衡规律以及这些规律的应用。”液体

静止”指的是液体内部质点间没有相对运动，不呈现粘性而言，至于盛装液体的容

器，不论它是静止的或是匀速、匀加速运动都没有关系。

一、液体静压力及其特性作用在液体上的力有两种，即质量力和表面力。单位质量

液体受到的质量力

称为单位质量力，在数值上就等于加速度。表面力是由与流体相接触的其它物体

(如容器或其它液体)作用在液体上的力，这是外力；“液体静上”指的是液体内部

质点间没有相对运动，不呈现粘性而言，至于盛装液体的容器，不论它是静止的或

是匀速、匀加速运动都没有关系。也可以是一部分液体作用在另一部分液体上的

力，这是内力。单位面积上作用的表面力称为应力，它有法向应力和切向应力之

分。当液体静止时，液体质点间没有相对运动，不存在摩擦力，所以静止液体

的表面力只有法向力。液体内某点处单位面积&4匕所受到的法向力超之

比，叫做压力,(静压力)，即

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如果法向力F,均匀地作用于面积A上，则压力可表示为

液体的静压力具有两个重要特性：

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。

二、液体静压力基本方程1.

静压力基本方程式

在重力作用下的静止液体，其受力情况如图l-4a所示

图1-4重力作用下的静止液体

则A点所受的压力为

「%+Pgh

式中，g为重力加速度，此表达式即为液体静压力的基本方程，由此式可知：

(1)静止液体内任一点处的压力由两部分组成，一部分是液面上的压力P。，另

一部分是必与该点离液面深度卜的乘积。

(2)同一容器中同一液体内的静压力随液体深度力的增加而线性地增加。

(3)连通器内同一液体中深度内相同的各点压力都相等。由压力相等的点组成的

面称为等压面。重力作用下静止液体中的等压面是一个水平面。

2.静压力基本方程式的物理意义

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图1-5为盛有液体的密闭容器，液面压力为P。，选则一基本水平面OX,根

据静压力基本方程式可以确定距液面深度h处A点的压力p,即

这是液体静压力基本方程式的另一种形式。其中NoS表示A点的单位质

£

量液体的位能；夕表示A点的单位质量液体的压力能。

上述表达式说明了静止液体中单位质量液体的压力能和位能可以互相转换，

但各点的总能量却保持不变，即能量守恒，这就是静压力基本方程式中包含的物

理意义。

三、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。由于大多

数测压仪表所测得的压力都是相对压力，故相对压力也称表压力。

绝对压力与相对压力的关系为：

绝对压力:相对压力+大气压力绝对压

力小于大气压时，负相对压力数值部分叫做真空度。即

真空度二大气玉-绝对压力二・（绝对压力・大气压）

由此可知，当以大气压为基准计算压力时，基准以上的正值是表压力，基准

以下的负值就是真空度。绝对压力、相对压力和真空度的相互关系如图1-6所示。

2.压力的单位：

法定压力（ISO）单位称为帕斯卡（帕），符号为Pa,工程上常用兆帕这个单

位来表示压力，

^MPa^Pa

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在工程上采用工程大气压，也采用水柱高或汞柱高度等，在液压技术中，目

前还采用的压力单位有巴，符号为bar

压力的单位及其它非法定计量单位的换算关系为：

1抵（工程大气压）

1叫。（米水柱）

bnm/fg（毫米汞柱）

四、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各点。这就是静

压传递原理或称帕斯卡原理。液压系统中的压力是由外界负载决定的。

五、液体静压力对固体壁面的作用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作用力

的总和，便是液体在该方向上作用于固体壁面上的力。在液JE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。

当固体壁面是曲面时，作用在曲面各点的液体静压力是不平行的，曲面上液

压作用力在某一方向上的分力等于液体静压力和曲面在该方向的垂直面内投影

面积的乘积。

第三节液体动力学

本节主要讲授三个基本方程：流量连续性方程、伯努利方程和动量方程一、基本概

念

1.理想液体、定常流动和一维流动理想液体：既无粘性

又不可压缩的液体。

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定常流动：液体流动时，若液体中任何一点的压力、速度和密度都不随时间而变

化，则这种流动就称为定常流动（恒定流动或非时变流动）。

非定常流动：只要压力、速度和密度中有一个随时间而变化，液体就是作非定常

流动（非恒定流动或时变流动:。

一维流动：当液体整个地作线形流动时，称为一维流动，当作平面或空间流动时，

称为二维或三维

流动。

2.迹线、流线、流束和通流截面迹线：是流动液体的某一质点在某一时间间

隔内在空间的运动轨迹。

流线：是表示某一瞬时液流中各处质点运动状态的一条条曲线，在此瞬时，流线

上各质点速度方向与该线相切。

在非定常流动时，由于各点速度可能随时间变化，因此流线形状也可能随时间

而变化。在定常流动时，流线不随时间而变化，这样流线就与迹线重合。由于流

动液体中任一质点在其一瞬时只能有一个速度，所以流线之间不可能相交，也不可

能突然转折，流线只能是一条光滑的曲线。

流管：在液体的流动空间中任意画一不属流线的封闭曲线，沿经过此封闭曲线上

的每一点作流线，由这些流线组合的表面称为流管。

流束：流管内的流线群称为流束定常流动时。流管和流束形状不变。且流线不能

穿越流管，故流管与真实管流相似，将流

管断面无限缩小趋近于零，就获得了微小流管或微小流束。微小流束实质上与流线

一致，可以认为运动的液体是由无数微小流束所组成的。

通流截面：流束中与所有流线正交的截面称为通流截面，截面上每点处的流动速

度都垂直于这个面。

平行流动：流线彼此平行的流动称为平行流动。

缓变流动：流线夹角很小或流线曲率半径很大的流动称为缓变流动。平行流动和缓

变流动都可算是一维流动。

3.流量和平均流速流量：单位时间内通过某通流截面的液体的

体积称为流量。

在法定计量单位制（或si单位制）中流量的单位为m3/J（米3/秒），常用单

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位为L/min（升/分）或mL/s（毫升/秒）。对于微小流速，由于通流截面积很小,

可似认为通流截面上各点的流速u是相等的，所以通过该截囱积"的流量为

对此式进行积分，可得到整个通流截面面积A二的流量为

q=必

在工程实际中，通流截面上的流速分布规律很难真正知道，故直接从上式来求

流量是困难的，为了便于计算，引入平均流速的概念，假想在通流截面上流速是均

匀分布的，则流量等于平均流速乘以通流截面面积。令此流量与实际的不均匀流

速通过的流量相等，即

q=IudA

J/=vA

故平均流速

流量也可以用流过其截面的液体质量来表示，即质量流量或

4.流动液体的压力

静止液体内任意点处的压力在各个方向上都是相等的，可是在流动液体内，由

于惯性力和粘性力的影响，任意点处在各个方向上的压力并不相等，但数值相差甚

微。当惯性力很小，且把液体当作理想液体时，流动液体内任意点处的压力在各

个方向上的数值可以看作是相等的。

二、连续性方程连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的一种表达形式，如果

液体作定常

流动，且不可压缩，那么任取一流管（图1-11）,两端通流截面面积为4和4,

在流管中取一微小流束，流束两端的截面积分别为44和M,在微小截面上各

点的速度可以认为是相等的，且分别为“A和”九根据质量守恒定律，在小时

间内流人此微小流束的质量应等于从此微小流束流出的质量，故有

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即u1M-/eKj

对整个流管，显然是微小流束的集合，由上式积分得

即/=<71

如用平均速度表示，得

nA-匕4

由于两通流截面是任意取的，故有

4-»-COMt

上式称为不可压缩液体作定常流动时的连续性方程。它说明通过流管任一通

流截面的流量相等。此外还说明当流量一定时，流速和通流截面面积成反比。

三、伯努利方程伯努利方程就是能量守恒定律在流动液体中的表现形式。要说明

流动液体的

能量问题，必须先讲述液流的受力平衡方程，亦即它的运动微分方程。

1.理想液体的运动微分方程

这就是重力场中，理想液体沿流线作定常流动时的运动方程，即欧拉运动方

程。它表示了单位质量液体的力平衡方程。

2.理想液体的伯努利方程将上式沿流线积分，便可得到理想液体微小流束的伯

努利方程

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或对流线上任意两点且两边同除以g可得

上式即为理想液体作定常流动的伯努利方程。上述两式表明理想液体作定常

流动时，沿同一流线对运动微分方程的积分为常数，沿不同的流线积分则为另一常

数。这就是能量守恒规律在流体力学中的体现；理想液体作定常流动时，液流

P

中任意截面处液体的总比能（即单位重量液体的总能量）由比压能（有）、比位能

（Z）,与比动能（石）组成（均为长度量纲，因此从几何意义上讲可分别称为压力

水头、位置水头和速度水头），三者之间可互相转化，但总和为一定值。

如果流动是在同一水平面内，或者流场中坐标Z的变化与其它流动参数相比

可以忽略不计，则上式可写成

该式表明，沿流线压力越低，速度越高。3.实际

液体流束的伯努利方程

实际液体具有粘性，因此液体在流动时还需克服由于粘性所引起的摩擦阻

力，这必然要消耗能量，设因粘性而消耗的能量为，则实际液体微小流束的伯努

利方程为

4.实际液体总流的伯努利方程

用平均流速v代替管流截面积A1或A2上各点处不等的流速u,且令单位时

间内截面A处液流的实际动能和按平均流速计算出的动能之比为动能修正系数

a,即

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由上式可知a〉i,与液体流动状态即截面上流速分布有关，流速分布越不

均匀，a值越大，流速分布较均匀时a值接近于i(层流时a=2,紊流时

a«l)o

此外，对液体在管流中流动时因粘性摩擦而产生的能量损耗，也用平均能量损

耗的概念来处理，即令

则伯努利方程可以写成

上式就是仅受重力作用的实际液体在管流中作平行(或缓变)流动截面上的

伯努利方程。它的物理意义是单位质量液体的能量守恒。其中为单位质

量液体从截面A1流到截面A2过程中的能量损耗。

应用伯努利方程时，应注意下述各点。这是因为在推导伯努利方程过程中逐

次加入了限制条件。

(1)z和p是指截面的同一点上的两个参数，至于Al、A2上的点倒不一定都要

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，不过是为了方便。

(2)液流是恒定流。如不是恒定流，要加入惯性项。

(3)两个计算通流截面应取在平行流动或缓变流动动处，但两截面之间的流动不

受此限制。至于两截面间是什么流，是没有关系的，这最多影响能量损失的大

小。

(4)液流仅受重力作用，亦即盛液的容器没有牵连加速度的情况。

(5)液体不可压缩，密度在运动中保持不变。

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(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,v=0o

(8)截面上的压力应取同一种表示法，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)不要忘记动能修正系数，层流时a=2,紊流时aal。

四、动量方程

液体作用在固体壁面上的力，用动量定理来求解比较方便。动量定理指出：作

用在物体上的力的大小等于物体在力作用方向上的动量的变化率，即

根据卜.式进行推导(详细推导过程请参阅参考书)可得流动液体的动最方程。

方程左边为作用于控制体积内液体上的所有外力的总和，而等式右边第一项

表示液体流量变化所引起的力，称为瞬态力；第二、三项表示流出控制表面柑流人

控制表面时的动量变化率，称为稳态力。如果控制体中的液体在所研究的方向上不

受其它外力，只有液体与固体壁面的相互作用力，则该二力的作用力与反作用力

大小相等，方向相反。液体作用在固体壁面的作用力分别称为瞬态液动力和稳态

液动力。

定常流动时，力,故上式中只有稳态液动力，即

上述公式均为矢量表达式，在应用时可根据问题的具体要求向指定方向投

影，列出该指定方向的动量方程，从而可求出作用力在该方向上的分量，然后加

以合成。

动最修正系数，为液体流过某截面A的实际动量与以平均流速流过截面的动

量之比，当液流流速较大且分布较均(紊流)时，6・1,液流流速较低且分布不

均匀(层流)时，/=1・33。

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第四个定常管流的压力损失计算

实际液体具有粘性，在流动时就有阻力，为了克服阻力，就必然要消耗能量，这

样就有能量损失。在液压传动中，能量损失主要表现为压力损失，这就是实际液

体流动的伯努利方程式（1-24）中项的含义。液压系统中的压力损失分为两类，

类是油液沿等直径直管流动时所产生的压力损失，称之为沿程压力损失。这类压力

损失是由液体流动时的内、外摩擦力所引起的。另一类是油液流经局部障碍

（如弯管、接头、管道截面突然扩大或收缩）时，由于液流的方向和速度的突然变

化，在局部形成旋涡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

而产生的压力损失称之为局部压力损失。

一、流态、雷诺数1.层流和紊

流

流体在流动时，通过雷诺实验，可以看到下图（图1—21）所示的几种流动状

态，一般将其定义为层流和紊流。在低速流动时，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，如图121a所示，此种流动状态称为在层流

时；当流速大时，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，此种流动状态称为紊流，如图l-21d所示；图l-21b中色线

开始折断，表明层流开始破坏，图1-21c中色线上下波动，并出现断裂，表现液体

流动已趋于，此两种状态称为变流，一般也将其看成紊流。

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；但在紊流时，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

实验表明，液体在圆管中的流动状态不仅与管内的平均流速V有关，还和管

径d、液体的运动粘度V有关，但是真正决定液流流动状态的是用这三个数所组

成的一个称为雷诺数Re的无员纲数，即

液体流动时的雷诺数若相同，则它的流动状态也相同。另一方面液流由层流转

变为紊流时的雷诺数和由紊流转变为层流的雷诺数是不同的，前者称为上临界雷

诺数，后者为下临界雷诺数，后者数值小，所以一般都用后者作为判别液流状态

的依据，简称临界雷诺数，当液流的实际流动时的雷诺数小于临界雷诺数时，液流

为层流，反之液流则为紊流，常见的液流管道的临界雷诺数可由实验求得。

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对于非圆截面管道来说，Re可用下式来计算

Re■处

v

式中，R为通流截面的水力半径。它等于液流的有效截面积A和它的湿周（通

流截面上与液体接触的固体壁面的周长）%之比，即

/?—一

X

水力半径大小对管道通流能力影响很大。水力半径大，表明液流与管壁接触

少，通流能力大；水力半径小，表明液流与管壁接触多，通流能力小，容易堵塞。

第五节孔口和缝隙流动

、孔口液流特性

在液压系统的管路中，装有截面突然收缩的装置，称为节流装置（如节流阀）。

突然收缩处的流动叫节流，一般均采用各种形式的孔口来实现节流，由前述内容

可知，液体流经孔口时要产生局部压力损失，使系统发热，油液粘度下降，系统

的泄漏增加，这是不利的一方面。在液压传动及控制中要人为地制造这种节流装置

来实现对流量和压力的控制。

1.流经薄壁小孔的流量

当小孔的通流长度与孔径之比"d<0.5时称之为薄壁小孔，如图1-24所

示。

其流经小孔的流量公式为

流量公式为

q=-----

32H

2.流经细长小孔的流量计算

所谓细长小孔，一般指小孔的长径比l/d>4时的情况，其流量公式为

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二、缝隙液流特性

液压系统是由一些元件、管接头和管道组成的，每一部分都是由一些零件组成

的，在这些零件之间，通常需要有一定的配合间隙，由此带来了泄漏现象，同时

液压油也总是从压力，较高处流向系统中压力较低处或大气中，前者称为内泄

漏，后者称为外泄漏。

(一)平行平板的间隙流动

如图所示，平板长为1,宽为b,两平行平板间的间隙为h,且1>>h,b»

ho

1.固定平行平板间隙流动(压差流动)

上、下两平板均固定不动：液体在间隙两端的压差作用下而在间隙中流动，

称为压差流动。

rp1dpbh3df>

q=udA(A—yyy——My=二一

JAJoda-12〃di

△力

2pd

bh)

q=-1---2--Rr△介”

2.两平行平板有相对运动时的间隙流动

(1)两平行平板有相对运动速度u,但无压差这种流动称为纯剪切流动。

V

**vbh

—yoy=­v

q=J=oh2

(2)两平行平板既有相对运动，两端又存在压差时的流动这是一种普遍情况，其

速度和流用是以上两种情况的线性叠加，即

△/>v

^=~T-T^—y)y±--y

乙an

姆bh

q-----T△2土--v

12Wr2

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bh3bh

Pi=&pq=bp△/>4一v

12M2

（二）圆柱环形间隙流动

液压元件中液压缸缸体与活塞之间的间隙，阀体与滑阀阀芯之间的间隙中的

流动均属这种情况。

1.同心环形间隙在压差作用下的流动

wdA3ndh

a=----------v

12R2

2.偏心环形间隙在压差作用下的流动

f2«A/>寅d/i；,

q=dq=——^（1—ecosPAdp=——△/>（1+b5、）

JJo12/x/12M

is石严

由此式可见完全偏心时的流量为同心时的2.5倍。

3.内外圆柱表面有相对运动且又存在压差的流动

立娼.穴dho

（三）流经平行圆盘间隙径向流动的流量

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教师姓名李光布授课班级08机械授课形式讲授

授课日期年月日第周授课时数6

授课章节名称第二章液压动力元件

1、了解液压泵的分类，理解液压泵的基本性质和基本参数；

教学目标

2、掌握轴向柱塞泵，齿轮泵，叶片式泵的工作原理和特性。

教学重点难点液压泵性能参数计算，液压泵结构特点

教学媒体选择多媒体课件

作业布置2-1,2-2,2-3

教学学时分配：1、液压泵主要

性能参数：2学时

2、齿轮泵：2学时

3、叶片泵、柱塞泵：2学时另

外，安排油泵性能实验：1.5学时

学时分配

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第二章液压动力元件

动力元件起着向系统提供动力源的作用，是系统不可缺少的核心元件。液压系

统是以液压作为向系统提供一定的流量和压力的动力元件，液压泵将原动机输出

的机械能转换为工作液体的压力能，是一种能量转换装置。

第一节液压泵概述

一、泵的工作原理和分类

1.液压泵的工作原理

泵是一种能量转换装置，把电动机的旋转机械能转换为液压能输出。液压泵都

是依靠密封容积变化的原理来进行工作的，故一般称为容积式液压泵，图2-1

所示的是一单柱塞液压泵的工作原理图.图中柱塞2装在缸体3中形成一个密

封容积a,柱塞在弹簧4的作用下始终压紧在偏心轮1上。原动机驱动偏心轮1

旋转使柱塞2作往复运动，使密封容积a的大小发生周期性的交替变化。当a由小

变大时就形成部分真空，使油箱中油液在大气压作用下，经吸油管顶开单向阀6

进入油腔a而实现吸油；反之，当a由大变小时，a腔中吸满的油液将顶开单向

阀5流入系统而实现压油。这样液压泵就将原动机输入的机械能转换成液体的

压力能，原动机驱动偏心轮不断旋转，液压泵就不断地吸油和压油。

非容积式泵主要是指离心泵，产生的压力一般不高。

2.液压泵的特点

(1)具有若干个密封且又可以周期性变化的空间。泵的输出流量与此空间的容积

变化量和单位时间内的变化次数成正比，与其他因素无关。

(2)油箱内液体的绝对压力必须恒等于或大于大气压力。这是容积式液压泵能吸

入油液的外部条件。因此为保证液压泵能正常吸油，油箱必须与大气相通，或采用

密闭的充亚汕箱u

(3)具有相应的配流机构。格吸液箱和排液箱隔开，保证液压泵有规律地连续

吸排液体。

吸油时，阀5关闭，6开启；压油时，阀5开启，6关闭。

常用的容积式泵有：齿轮泵、叶片泵、柱塞泵(径向，轴向)、螺杆泵等。

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液压泵的基础标准:

压力分级：0-25（低）25-80（中）80-160（中高）160-320（高压）＞320（超

高压）

流量分级：461016254063100250

二、液压泵的主要性能参数

1、压力

（1）工作压力液压泵实际工作时的输出压力称为工作压力。工作压力取决于

外负载的大小和排油管路上的压力损失，而与液压泵的流量无关。

（2）额定压力液压泵在正常工作条件下，按试验标准规定连续运转的最高压

力称为液压泵的额定压力。

（3）最高允许压力在超过额定压力的条件下，根据试验标准规定，允许液压

泵短暂运行的最高压力植，称为液压泵的最高允许压力。

2、排量和流量

（1）排量V液压泵每转一周，由其密封容积几何尺寸变化计算而得的排出液

体的体积叫液压泵的排量。排量可以调节的液压泵称为变量泵；排量不可以调节的

液压泵则称为定量泵.

（2）理论流量理论流量是指在不考虑液压泵的泄漏流量的条件下，在单位时间

内所排出的液体体积。如果液压泵的排量为V,其主轴转速为n,则该液压泵

的理论流量qt为

qt=Vn

式中V为液压泵的排量（m3/r）,n为主轴转速（r/s）

（3）实际流量qt液压泵在某一具体工况下，单位时间内所排出的液体体积称

为实际流量，它等于理论流量qt减去泄漏和压缩损失后的流量ql,即

q=qtql

（4）额定流量qn在正常工作条件下，该试验标准规定（如在额定压力和额定

转速下）必须保证的流量。

3、功率和效率

（1）液压泵的功率损失液压泵的功率损失有容积损失和机械损失两部分：

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I)容积损失容积损失是指液压泵在流量上的损失，液压泵的实际输出流量总是

小于其理论流量，其主要原因是由于液压泵内部高压腔的泄漏、油液的压缩以及

在吸油过程中由于吸油阻力太大、油液粘度大以及液压泵的转速高等原因而导致

油液不能全部充满密封工作腔。液压泵的容积损失用容积效率来表示，它等于液

压泵的实际输出流量q与其理论流量qt之比，即

液压泵的实际输出流量q为

q■%外■

2)机械损失机械损失是指液压泵在转矩上的损失。它大等于液压泵的理论转矩

Tt与实际输入转矩T之比，设转矩损失为II,则液压泵的机械效率为

•T1+汽

Tt

(2)液压泵的功率

1)输入功率输入功率指作用在液压泵主轴上的机械功率，当输入转矩为

”,角速度为3时

I=113

2)输出功率P输出功率指液压泵在工作过程中的实际吸、压油口间的压差Ap

和输出流量q的乘积，即

P=Apq

(3)液压泵的总效率液压泵的总效率是实际输出功率与其输入功率的比值，即

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还可以写成