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1、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
2、——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，
3、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
4、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
5、 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
6、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
7、 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
8、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
9、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
10、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）
11、 （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
12、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↓ ∴
13、 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
14、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
15、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 <
16、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。
17、 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
18、 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
19、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
20、 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
21、 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
22、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
23、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
24、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
25、 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
26、 ∵ 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=
27、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
28、/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
29、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
30、→ 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
31、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/
32、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
33、/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：
34、 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
35、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 ,
36、 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
37、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
38、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
39、 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
40、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
41、 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
42、/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
43、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
44、 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
45、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
46、 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
47、 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
48、 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
49、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
50、 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
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