液压气压传动技术-复习资料.doc

第一章 绪论
一 名词解释
传动——传递运动和动力的方式
机械
常见传动 < 电气
气体
流体< 液力—流力（动量矩定理）
液体 <
液压*—物理（帕斯卡原理）
液压传动——利用液体压力能实现运动和动力传动方式
气压传动——利用气体压力能实现运动和动力传动方式
三 液压与气压传动的应用和发展
发展应用:   1.   液压传动从17世纪帕斯卡提出静压传递原理、1795年世界上第一台水压机诞生，已有200多年的历史，但由于没有成熟的  液压传动技术和液压元件，且工艺制造水平低下，发展缓慢，几乎停滞。
    气压传动早在公元前，埃及人就开始采用风箱产生压缩空气助燃。从18世纪产业革命开始，逐渐应用于各类行业中。
2 .   上世纪30年代，由于工艺制造水平提高，开始生产液压元件，并首先应用于机床。
3    .   上世纪50、60、70年代，工艺水平很大提高，液压与气动技术也迅速发展，渗透到国民经济的各个领域，从蓝天到水下，从军用到民用，从重工业到轻工业到处都有流体传动与控制技术。
如：火炮跟踪、飞机和导弹的动、炮塔稳定、海底石油探测平台固定、煤矿矿井支承、矿山用的风钻、火车的刹车装置、液压装载、起重、挖掘、轧钢机组、数控机床、多工位组合机床、全自动液压车床、液压机械手等。
我国液压与气压传动技术从上世纪60年代开始发展较快，但其发展速度远远落后于同期发展的日本，主要由于工艺制造水平跟不上，新产品研制开发和先进国家不差上下，但制造比较困难，希望在坐各位能用自己所学为液压与气压传动技术作出贡献。
发展趋势：向高压、高速、高效率、的流量、大功率、微型化、低噪声、低能耗、经久耐用、高度集成化方向发展，向用计算机控制的机电一体化方向发展。 
总之： 流体技术+电气控制，
       好比老虎插上翅膀，
       它把一人一刀变为无人多刀，
       把复杂工艺变为简单工艺，
       而今同计算机控制结合，
       又将进入一个崭新的历史阶段。
因此，学好本门课，有助于大家在今后的工作中多出成果。

1、    1 液压传动的工作原理系统组成及图形符号
1、1、1 液压传动的工作原理
举例：1 液压千斤顶
组成
工作原理
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，而且容积要进行变化。
2 机床工作台液压传动系统举例
组成：
工作原理： 油路——图示、左位、右位
换向——换向阀
 调速——节流阀
 调压——溢流阀
                   1、1、2 液压系统的组成及作用
 1       动力装置——液压泵，将原动机输入的机械能转换为液 体或气体的压力能， 作
      为系统供油能源或气源装置。
2       执行装置——液压缸（或马达），将流体压力能转换为机械能，而对负载作功。
3       控制调节装置——各种控制阀，用以控制流体的方向、   压力和流量，以保证执
   行元件完成预期的工作任务。
4       辅助装置——油箱、油管、滤油器、压力表、冷却器、分水滤水器、油雾器、消
  声器、管件、管接头和各种信号转换器等，创造必要条件，保证系统正常工作。
（5     工作介质——液压油或压缩空气 ）
1、1、3 液压传动系统的图形符号  
结构或半结构式图形——表示结构原理，直观
  表示方法 < 性强，易理解，但结构复杂
    图形符号*——只表示元件功能，不表示元件
结构和参数， 简单明了,易于绘制
(GB786——76)（GB786——93）

1、 2 液压传动的特点
一 液压传动的优点
独特之处——力大无穷（P=32MP 以上）
如：所拿液压千斤顶，可顶起6吨重物，若每位男同
学体重为128斤，可举起25位男同学。
二 液压传动的缺点
不宜远距离传递
1 泄漏严重 < 不宜保证严格的传动比
             污染地面
   2       对T变化敏感
   3       难于检查故障

1、  1液压油
2、1、1 液压油的物理性质
一 液体的密度
密度——单位体积液体的质量
ρ=m/v kg/m3
密度随着温度或压力的变化而变化，但变化不大，
通常忽略，一般取ρ=900kg/m 3的大小。
二 液体的粘性
（一）粘性的物理本质
液体在外力作用下流动时,由于液体分子间的内聚力和
液体分子与壁面间的附着力,导致液体分子间相对运动
而产生的内摩擦力,这种特性称为粘性.
或: 流动液体流层之间产生内部摩擦阻力的性质
内摩擦力表达式: F = μA du/dy
牛顿液体内摩擦定律:液层间的内摩擦力与液层
接触面积及液层之间的速度
成正比。
∵ 液体静止时,du/dy = 0
∴ 静止液体不呈现粘性
（二）粘度——粘性大小的衡量
1 动力粘度μ
公式 ∵ τ= F/A = μ·du/dy（N/m2）
∴ μ=τ·dy/du （N·s/m2）
物理意义：液体在单位速度梯度下流动时，接触液层间
单位面积上内摩擦力
单位：国际单位（SI制）中为帕·秒（Pa·S）
或牛顿·秒/米2（N·S/m2）；
以前沿用单位（CGS制）中为泊（P）、厘泊（CP）达因·秒/厘米2dyn·S/cm2）
换算关系： 1Pa·S = 10P =⒑3 CP
2 运动粘度ν——动力粘度与液体密度之比值
公式： ν= μ/ρ （m2/S）
物理意义：无（只是因为μ/ρ在流体力学中经常出现
∴ 用ν代替（μ/ρ）
单位： SI制： m2/S
CGS制： St（斯）、 CSt（厘斯）
（Cm2/S） （mm2/S）
换算关系： 1m2/S = 104St =106 CSt
∵ 单位中只有长度和时间的量纲，类似运动学的量。
∴ 称运动粘度，常用于液压油牌号标注
老牌号——20号液压油，指这种油在50°C时的平均运
< 动粘度为20 cst。
新牌号——L—HL32号液压油，指这种油在40°C时的平
均运动粘度为32cst。
∵ μ、ν不易直接测量，只用于理论计算
∴ 常用相对粘度
3 相对粘度（条件粘度）
恩氏度0E —— 中国、德国、前苏联等用
赛氏秒SSU —— 美国用
雷氏秒R —— 英国用
巴氏度0B —— 法国用
恩氏粘度与运动粘度之间的换算关系：
ν=（7、310E-6、31/0E）×10-6
三 液体的可压缩性
可压缩性——液体受压力作用而发生体积缩小性质
1 液体的体积压缩系数
定义——体积为v的液体，当压力增大△p时，体积减小
△v,则液体在单位压力变化下体积的相对变化量
公式: κ = - 1 / △p .△v/v κ=（5-7）*10-10 m2/N
物理意义：单位压力所引起液体体积的变化
∵ p↑ v↓
∴ 为保证κ为正值，式中须加一负号。
2 液体的体积弹性模数
定义——液体压缩系数的倒数
公式： k = 1/κ= - △p v /△v
物理意义：表示单位体积相对变化量所需要的压力增量，
也即液体抵抗压缩能力的大小。
一般认为油液不可压缩（因压缩性很小），计算时取：
k = （1、4-1、9）*109 N/m2N/m2
若分析动态特性或p变化很大的高压系统,则必须考虑
四 其他性质
1              粘度和压力的关系
∵ P↑，F↑，μ↑
∴μ随p↑而↑，压力较小时忽略，32Mpa以上才考虑
2 粘度和温度的关系
∵ 温度↑，内聚力↓，μ↓
∴ 粘度随温度变化的关系叫粘温特性，粘度随温度
的变化较小，即粘温特性较好。
2、1、2 对液压油的要求及选用
工作介质——传递运动和动力
液压油的任务 <
润滑剂 ——润滑运动部件
一、 对液压油的要求
（1）合适的粘度和良好的粘温特性；
（2）良好的润滑性；
（3）纯净度好，杂质少；
（4）对系统所用金属及密封件材料有良好的相容性。
（5）对热、氧化水解都有良好稳定性，使用寿命长；
（6）抗泡沫性、抗乳化性和防锈性好，腐蚀性小；
（7）比热和传热系数大，体积膨胀系数小，闪点和燃
点高，流动点和凝固点低。
（凝点—— 油液完全失去其流动性的最高温度）
（8）对人体无害，对环境污染小，成本低，价格便宜
总之：粘度是第一位的
二 液压油的选择
液压油的类型：机械油、精密机床液压油、气轮机
油和变压器油
v
首先根据工作条件 < p 和元件类型选择油液品种
T
然后根据粘度选择牌号
1 选择液压油品种
2 选择液压油粘度
慢速、高压、高温：μ大（以↓△q）
通常 <
快速、低压、低温：μ小（以 ↓△P）
2、2 液体静力学
研究内容：研究液体处于静止状态的力学规律和这些
规律的实际应用。
静止液体：指液体内部质点之间没有相对运动，至于
液体整体完全可以象刚体一样做各种运动
2、2、1 液体的静压力及特性
质量力（重力、惯性力）——作用于
作用于液体上的力 < 液体的所有质点
表面力（法向力、切向力、或其它物
体或其它容器对液体、一部
分液体作用于令一部分液体
等）——作用于液体的表面
定义：液体单位面积上所受的法向力，物理学中称压强，
液压传动中习称压力。
特性：（1）垂直并指向于承压表面
∵ 液体在静止状态下不呈现粘性
∴ 内部不存在切向剪应力而只有法向应力
（2）各向压力相等
∵ 有一向压力不等，液体就会流动
∴ 各向压力必须相等
2、2、2 液体静力学基本方程式
例：计算静止液体内任意点A处的压力p
dA

P0

G
H

P
∵ pdA = p0dA+G = p0dA+ρghdA
∴ p = p0+ρgh

液面压力p0
特征（1）静止液体中任一点处的压力由两部分组成 <
液体自重所形成的压力ρgh
（2）静止液体内压力沿液深呈线性规律分布
            （3）离液面深度相同处各点的压力均相等，压力相
            等的点组成的面叫等压面.
2、2、3 压力的表示方法及单位
绝对压力——以绝对零压为基准所测
测压两基准 <
相对压力*——以大气压力为基准所测
关系： 绝对压力 = 大气压力 + 相对压力
或 相对压力（表压）= 绝对压力 – 大气压力
注 液压传动系统中所测压力均为相对压力即表压力
真空度 = 大气压力 – 绝对压力
p > pa
p = pa
p < pa
p = 0
2、2、4 静压传递原理
1         帕斯卡原理（静压传递原理）
在密闭容器内，液体表面的压力可等值传递到液体内部所
有各点。 根据帕斯卡原理： p = F/A
2              液压系统压力形成
F

p = F/A F = 0 p = 0
F↑ p↑
F↓ p↓
结论：液压系统的工作压力取决于负载，并且随着负载的变化而变化。
2、2、5 液体对固体壁面的作用力
1 作用在平面上的总作用力
P = p·A
如： 液压缸，若设活塞直径为D,则
P = p·A = p·πD2/4
2 作用在曲面上的总作用力
Fx = p·Ax
结论：曲面在某一方向上所受的作用力，等于液体压力
与曲面在该方向的垂直投影面积之乘积。
例：球面和锥面力计算

 2、4 管路中液体的压力损失
∵ 实际液体具有粘性
∴ 流动中必有阻力，为克服阻力，须消耗能量，造成能
量损失（即压力损失）
分类：沿程压力损失、局部压力损失
2、4、1 液体的流动状态
一 层流和紊流
层流：液体的流动是分层的，层与层之间互不干扰
紊流（     紊流（湍流）：液体流动不分层，做混杂紊乱流动

二 雷诺数
圆形管道雷诺数： Re = dv/ν
非圆管道截面雷诺数： Re = dHv/ν
过流断面水力直径： dH = 4A/χ
水力直径大，液流阻力小，通流能力大。
Re<Rec为层流
临界雷诺数：判断液体流态依据 < （Rec见表2~4、1）
Re > Rec为紊流
雷诺数物理意义：液流的惯性力对粘性力的无因次比
2、4、2 沿程压力损失（粘性损失）
定义：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。
内摩擦——因粘性，液体分子间摩擦
产生原因： <
外摩擦——液体与管壁间
一 流速分布规律
如图2、4、1：液体在等径水平直管中作层流运动，沿管轴线取一半径为r，长度为l的小圆柱体两端面压力为p1、p2 ，侧面的内摩擦力为F，匀速运动时，其受力平衡方程为：
( p1-p2)πr2 = F
∵ F = -2πrlμdu/dr △p = p1-p2
∴ du = - rdr△p/2μl
对上式积分，并应用边界条件r=R时，u=0,得
u = (R2 - r2)△p/4μl
结论：液体在圆管中作层流运动时，速度对称于圆管中
心线并按抛物线规律分布。
umin = 0 (r=R)
umē = R2△p/4μl= d2 △p/16μl (r=0)
二 圆管层流的流量
∵ dA = 2πrdr
∴ dq = udA =2πurdr= 2π(R2 - r2) rdr△p/4μl
故 q =∫0R2π△p/4μl·(R2-r2)rdr=△pπR4/8μl
=△pπd4/128μl
三 圆管的平均流速
v = q /A = （△pπd4/128μl）/πd2/4·
= △p d2/32μl
v = umax /2·
四 圆管沿程压力损失
△pf = 128μl q/πd4 = 8μl q/πR4
将 q = πR2 v，μ=ρν代入上式并简化得
△pf = △p = 32μlv/d2
结论：液流沿圆管作层流运动时，其沿程压力损失与管长、流速、粘度成正比，而与管径的平方成反比
∵ μ = ρν Re = dv/ν λ = 64/Re
∴△pf = 64ν/dv·l/d·ρv2/2 = 64/Re··l/d·ρv2/2
故 △pf = λ·l/d·ρv2/2
理论值 64 / Re
λ <
实际值 75 / Re
五 圆管紊流的压力损失
△pλ = λ·l/d·ρv2/2
λ = 0.3164Re-0.25 （105 > Re > 4000）
λ = 0、032+0.221Re-0.237 （3*106 >Re >105 ）
λ = [1、74+2lg（d/△）]-2 （Re >3*106 或Re>900d/△）
∵ 紊流运动时，△pλ比层流大
∴ 液压系统中液体在管道内应尽量作层流运动
2、4、2 局部压力损失
定义：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
产生原因：碰撞、旋涡（突变管、弯管）产生附加摩擦
附加摩擦——只有紊流时才有，是由于分子
作横向运动时产生的摩擦，即
速度分布规律改变，造成液体
的附加摩擦。
公式： △pv = ζ·ρv2/2
标准阀类元件： △pv = △pn(qv/qvn)2
2、4、4 管路系统的总压力损失
∑△p = ∑△pλ +∑△pv
=∑λ·l/d·ρv/2+∑ζρv2/2
       △p→ 热能→ T↑→ △q↑→ η↓
↓                        ↓
散逸 污染
减小△p的措施： 
           1 尽量↓L，↓突变
2 ↑加工质量，力求光滑，ν合适
3 ↑A，↓v
过高 △p↑ ∵ △p∝v2
2、5、1 小孔流量——压力特性
薄壁小孔 l/d ≤ 0·5
孔口分类 < 细长小孔 l/d > 4
短孔 0、5 < l/d ≤4
一、 薄壁小孔流量压力特性
如图2、5、1：取孔前通道断面为1——1断面，收缩
断面为Ⅱ——Ⅱ断面，管道中心为基准面， z1 = z2
列伯努利方程如下：
p1+ρα1v12 /2= p2 +ρα2v22/2 +△pw
∵ v1 << v2 v1可忽略不计，收缩断面流动是紊流
α2=1；而△pw仅为局部损失 即△pw=ζρv22/2
∴ v2 =√2/ρ·(p1-p2)/√α2+ξ = Cv√2△p /ρ
故 q = A2v2 = CcATv2
= CvCcAT√2/ρ△p = CqAT√2△p/ρ
Cq = CvCc Cc = A2/AT = d 22/d2 A = πd2/4
液流完全收缩情况下（D/d ≥ 7）：
当Re≤105 Cq = 0、964Re-0、05
当Re > 105 Cc = 0.61 ∽ 0.63
Cv = 0.97 ∽ 0.98
Cq = 0.6 ∽ 0.62
液流不完全收缩时（D/d < 7），查表2、5、1
结论：∵ q ∝ √△p, 与μ无关
∴ 流过薄壁小孔的流量不受油温变化影响
二、短孔和细长孔的流量压力特性
短孔 q = CqAT √2△p /ρ Cq 可查图2、5、2
细长孔 q =πd4△p / 128μl= πd2△p/32μl=CA△p 结论：∵ q ∝ △p 反比于μ
∴ 流量受油温影响较大（T↑ μ↓ q↑）
三、流量通用方程
∵薄壁孔：q = CqAT √2△p /ρ = Cq√2/ρ AT √△p
短孔： q = CqAT √2△p /ρ = Cq√2/ρ AT √△p
细长孔：q =πd4△p / 128μl =1/32μl·πd4/4 △p
∴流量通用方程： q = C AT△pф
2、5、2 液体流经缝隙的流量——压力特性
平面缝隙 压差流动
常见缝隙 < 缝隙流动状况<
环状缝隙 剪切流动
一、液体流经平行平板缝隙的流量压力特性
1 固定平行平板缝隙
如图2、5、3：设缝隙度高为δ，宽度为b,长度为l,两
端压力为p1、p2，其压差为ΔP，从缝隙中取一微小六面
体，左右两端所受压力为p和p+dp，上下两侧面所受摩擦切应力为τ+dτ和τ，则在水平方向受力平衡方程为：
pbdy + (τ+dτ)bdx = (p+dp)bdy + τbdx
整理后得： dτ/dy = dp/dx
∵ τ = μ·du/dy
∴ d2u/dy2 = 1/μ·dp/dx
上式对y两次积分得：u = dp/dx· y 2/2μ+ C1y + C2
由边界条件： 当y = 0, u = 0 y =δ , u = u0
则有：C1 = -δdp/dx /2μ, C2 = 0
此外，在缝隙液流中，压力沿x方向的变化率dp/dx是
一常数，有:
dp/dx = p2-p1/l = -(p1-p2)/l = -△p/l
u = (δ-y)y·△p/2μl
故： q =∫0hubdy= b∫0h△p·(δ-y)ydy /2μl
= bδ3△p /12μl
结论：在压差作用下，通过固定平行平板缝隙的流量与
缝隙高度的三次方成正比，这说明，液压元件内
缝隙的大小对其泄漏量的影响是很大的。
1             相对运动平行平板缝隙（见图2、5、4）
剪切流动时 q = vbδ/2
压差与剪切流动时 q = bδ3△p /12μl ± vbδ/2
剪切与压差流动方向一致时，取正号
<
剪切与压差流动方向相反时，取负号
二、液体流经环形缝隙的流量压力特性
液压缸缸筒与活塞 同心
环形缝隙 < 分类 <
阀芯与阀孔 偏心
1 同心环形缝隙流量
如图2、5、5：设圆柱体直径为D，缝隙厚度为δ，缝隙
长度为l,若沿圆周展开，相当于平行平
板缝隙，b=πD
∴ q = πDδ3△p /12μl±πDδv/2
当相对速度V = 0时，其流量公式为：
q = πDδ3·△p /12μl
2 偏心环形缝隙流量
设偏心距为e,则：
q = πDδ3△p(l+1.5ε2)/12μl±πDδv/2
ε——相对偏心率 ε= e/δ
当内外圆表面没有相对运动时：
q = πDδ3△p(l+1.5ε2)/12μl
结论： 1） ε = 1时 q偏 = 2.5q同
2） ε = 0时 即同心圆环缝隙
3） ∵ q与ε2成正比，ε↑ q↑
∴ 应尽量做成同心，以减小泄漏量
2、6         液压冲击和空穴现象
一 液压冲击（水锤、水击）
液压冲击：液压系统中，由于某种原因（如速度急剧变
化），引起压力突然急剧上升，形成很高压力
峰值的现象。如：急速关闭自来水管可能使水管发生振动，同时发出噪声。
1 液压冲击产生的原因
1） 迅速使油液换向或突然关闭油路，使液体受阻，动能转换
为压力能，使压力升高。
2） 运动部件突然制动或换向，使压力升高。
2 液压冲击引起的结果
∵ 液压冲击峰值压力>>工作压力
∴ 引起振动、噪声、导致某些元件如密封装置、管路等
损坏；使某些元件（如压力继电器、顺序阀等）产生
误动作，影响系统正常工作。
3 减小液压冲击的措施
1） 延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间
2） 限制管道流速及运动部件速度 v管 < 5m/s v缸 < 10m/min
3） 加大管道直径，尽量缩短管路长度。
4） 采用软管，以增加系统的弹性。
二 气穴（空穴）现象
气穴现象：液压系统中，由于某种原因（如速度突变），
使压力降低而使气泡产生的现象。
产生原因：压力油流过节流口、阀口或管道狭缝时，速度
升高，压力降低；液压泵吸油管道较小，吸油
高度过大，阻力增大，压力降低；液压泵转速
过高，吸油不充分，压力降低（如高空观缆）
气体来源： 混入 气泡 轻微气穴
空气 < 溶入 气体分子 严重气穴
蒸汽 汽泡 强烈气穴
气穴现象引起的结果：
1 液流不连续，流量、压力脉动
2 系统发生强烈的振动和噪声
3 发生气蚀
减小气空穴的措施：
1 减小小孔和缝隙前后压力降，希望p1/p2 < 3.5
2 增大直径、降低高度、限制流速
3 管路要有良好密封性防止空气进入
4 提高零件抗腐蚀能力，采用抗腐蚀能力强的金属材料，减
小表面粗糙度。
5） 整个管路尽可能平直，避免急转弯缝隙，合理配置。
本章小结
应搞清的概念 应记住的公式、概念、结论
第一节 液压油 （9个）（8个）（8个）
密度、压缩性 粘性、粘度、粘温特性
第二节 液体静力学
1        压力的表示方法 静压定义和特性
压力表指示压力实为表压力 p = p0+ρgh
结论
2 液压系统压力形成原理 p = F/A
结论：液压系统的压力取
决于负载，并且随
着负载变化而变化
机械负载
F <
液压负载
3 液压力计算 P = pA
曲面：A应为垂直于总力方
向的投影面积
第三节 液体动力学
1 q、v的概念及关系 v = q/A
结论：v取决于进入液压缸
的流量，并且随着流
量的变化而变化。
2 连续性原理 方程： v1A1 = v2A2
q = v A = c
结论：同一管道中，v与A
A大，v小
成反比 <
A 小，v大
4 伯努利方程：
p1+ρgZ1+1/2ρv12=p2+ρgZ2+/2ρv22
p/ρg + Z + v2/2 g = c
物理意义：
5 动量方程之结论
第四节 管路中压力损失计算
1 层流、紊流概念 雷诺数：Re = dv/ν
2 两种损失产生原因及减小措施
第五节 液体流经缝隙的流量——压力特性
1 q = CAT√2/ρ·△p 特点：
2 q = CAT△pφ 及各项含义
3 平行平板缝隙流量公式结论
4 偏心圆环缝隙流量公式结论
第六节 液压冲击及气穴现象
两种现象产生原因及结果，
减小的措施
有关符号：
物理特性： m G g ρ μ ν 0E τ
（kg）(N) (m/s2) (kg/m3)(pas)(m2/s)(N/m2)
尺寸： b l h A v d D e ε
时间： t T
温度： T
特殊符号：Ree λ ζ Cd ψ α
液压符号：p △p q v F P
(P a、 kPa、MPa) (m3/s) (m/s) (N) (N)
1 m3 = 103 l 1 m3/s = 6*104 l /min
1 MPa = 103 kPa = 106 Pa 1bar = 105 Pa
1kgf/cm2 ≈0、1 MPa = 10 5 P a

第3章 液压泵和液压马达