液壓系統(tǒng)知識(shí)培訓(xùn)

液壓傳動(dòng)基礎(chǔ)1液壓傳動(dòng)的基本概念2液壓裝置的組成3液壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)4液壓傳動(dòng)基本理論5液壓油1液壓傳動(dòng)的基本概念所謂液壓傳動(dòng)，是指利用高壓的液體經(jīng)由一些機(jī)件控制之后來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。圖1-1(a)所示為一驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，它由油箱1、濾油器2、液壓泵3、溢流閥4、換向閥5、節(jié)流閥6、換向閥7、液壓缸8以及連接這些元件的油管、管接頭等組成圖1-1機(jī)床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)的工作原理圖2液壓裝置的組成液壓裝置一般由液壓泵、執(zhí)行元件、控制元件和一些輔助元件組成。(1)液壓泵。它由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體壓力能的裝置。(2)執(zhí)行元件。液壓系統(tǒng)最終目的是要推動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)，一般執(zhí)行元件可分為液壓缸與液壓馬達(dá)（或擺動(dòng)缸）兩類(lèi)；液壓缸使負(fù)載作直線運(yùn)動(dòng)，液壓馬達(dá)（或擺動(dòng)缸）使負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)（或擺動(dòng)）。

(3)控制元件。液壓系統(tǒng)除了讓負(fù)載運(yùn)動(dòng)以外，還要完全控制負(fù)載的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。在液壓系統(tǒng)中，用壓力閥來(lái)控制力量，流量閥來(lái)控制速度，方向閥來(lái)控制運(yùn)動(dòng)方向。(4)輔助元件。除了以上幾種元件外，還有用來(lái)儲(chǔ)存液壓油的油箱，為了增強(qiáng)液壓系統(tǒng)的功能尚需有去除油內(nèi)雜質(zhì)的過(guò)濾器，防止油溫過(guò)高的冷卻器及蓄能器等液壓元件，我們稱這些元件為輔助元件。

3液壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)液壓傳動(dòng)有如下特點(diǎn)。3.1.優(yōu)點(diǎn)(1)體積小，輸出力大。(2)不會(huì)有過(guò)負(fù)載的危險(xiǎn)。(3)輸出力調(diào)整容易(4)速度調(diào)整容易。(5)易于自動(dòng)化3.2.缺點(diǎn)

(1)接管不良造成液壓油外泄，它除了會(huì)污染工作場(chǎng)所外，還有引起火災(zāi)的危險(xiǎn)。(2)油溫上升時(shí)，粘度降低；油溫下降時(shí)，粘度升高。油的粘度發(fā)生變化時(shí)，流量也會(huì)跟著改變，造成速度不穩(wěn)定。

(3)系統(tǒng)將馬達(dá)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體壓力能，再把液體壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能來(lái)做功，能量經(jīng)兩次轉(zhuǎn)換損失較大，能源使用效率比傳統(tǒng)機(jī)械的低。(4)液壓系統(tǒng)大量使用各式控制閥、接頭及管子，為了防止泄漏損耗，元件的加工精度要求較高。

4液壓傳動(dòng)基本理論4.1液體靜壓力靜止液體在單位面積上所受的法向力稱為靜壓力。靜壓力在液壓傳動(dòng)中簡(jiǎn)稱壓力,在物理學(xué)中則稱為壓強(qiáng)。靜止液體中某點(diǎn)處微小面積ΔA上作用有法向力ΔF,則該點(diǎn)的壓力定義為P若法向作用力F均勻地作用在面積A上,則壓力可表示為

我國(guó)采用法定計(jì)量單位Pa來(lái)計(jì)量壓力1Pa=1N/m2，液壓技術(shù)中習(xí)慣用MPa（N/mm2）在企業(yè)中還習(xí)慣使用bar（kgf/cm2）作為壓力單位各單位關(guān)系為:1MPa=1×106Pa＝10bar。液體靜壓力有如下兩個(gè)重要特性:(1)液體靜壓力垂直于承壓面,其方向和該面的內(nèi)法線方向一致。這是由于液體質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)聚力很小,不能受拉只能受壓所致。

(2)靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)所受到的壓力在各個(gè)方向上都相等。如果某點(diǎn)受到的壓力在某個(gè)方向上不相等,那么液體就會(huì)流動(dòng),這就違背了液體靜止的條件。 4.2液體靜壓力的基本方程 現(xiàn)在我們想像在靜止不動(dòng)的液體中有如圖1-2所示的一個(gè)高度為h,底面積為ΔA的假想微小液柱。表面上的壓力為p0，求其在A點(diǎn)的壓力。因這個(gè)小液柱在重力及周?chē)后w的壓力作用下處于平衡狀態(tài)，現(xiàn)我們可把其在垂直方向上的力平衡關(guān)系表示為

pΔA=p0ΔA+ρghΔA式中，ρghΔA為小液柱的重力，ρ為液體的密度。 上式化簡(jiǎn)后得

p=p0+ρgh(1-3)圖1-2離液面h深處的壓力 式（1-3）為靜壓力的基本方程。此式表明：

(1)靜止液體中任何一點(diǎn)的靜壓力為作用在液面的壓力p0和液體重力所產(chǎn)生的壓力ρgh之和。

(2)液體中的靜壓力隨著深度h的增加而線性增加。(3)在連通器里，靜止液體中只要深度h相同，其壓力就相等。4.3絕對(duì)壓力、表壓力及真空度 根據(jù)度量方法的不同，有表壓力(又稱相對(duì)壓力)p（gaugepressure）和絕對(duì)壓力pabs（absolutepressure）之分。以當(dāng)?shù)卮髿鈮毫at(atomosphere)為基準(zhǔn)所表示的壓力稱為表壓力；以絕對(duì)零壓力作為基準(zhǔn)所表示的壓力稱為絕對(duì)壓力。 若液體中某點(diǎn)處的絕對(duì)壓力小于大氣壓力，則此時(shí)該點(diǎn)的絕對(duì)壓力比大氣壓力小的那部分壓力值，稱為真空度。所以有真空度=大氣壓力-絕對(duì)壓力

有關(guān)表壓力、絕對(duì)壓力和真空度的關(guān)系如圖1-4所示。

注意：如不特別指明，液、氣壓傳動(dòng)中所提到的壓力均為表壓力。圖1-4絕對(duì)壓力、表壓力和真空度的關(guān)系4.4帕斯卡原理 在密封容器內(nèi)，施加于靜止液體上的各點(diǎn)壓力將以等值同時(shí)傳遞到液體內(nèi)各點(diǎn)，容器內(nèi)壓力方向垂直于內(nèi)表面，如圖1-5所示。圖1-5帕斯卡容器內(nèi)的液體各點(diǎn)壓力為 式（1-5）建立了一個(gè)很重要的概念，即在液壓傳動(dòng)中工作的壓力取決于負(fù)載，而與流入的流體多少無(wú)關(guān)(1-5)4.5連續(xù)定理

液體在流動(dòng)時(shí)，通過(guò)任一通流橫截面的速度、壓力和密度不隨時(shí)間改變的流動(dòng)稱為穩(wěn)流；反之，速度、壓力和密度其中一項(xiàng)隨時(shí)間改變的，就稱為非穩(wěn)流。 對(duì)穩(wěn)流而言，液體以穩(wěn)流流動(dòng)通過(guò)管內(nèi)任一截面的液體質(zhì)量必然相等。如圖1-6所示管內(nèi)兩個(gè)流通截面面積為A1和A2，流速分別為v1和v2，則通過(guò)任一截面的流量Q為常數(shù)

Q=Av=A1v1=A2v2=常數(shù)(1-6）流量的單位通常用L/min表示，與m3/s換算式子如下：

1L＝1×10-3m3 1m3/s＝6×104L/min

式（1-6）即為連續(xù)定理，此式還得出另一個(gè)重要的基本概念，即運(yùn)動(dòng)速度取決于流量，而與流體的壓力無(wú)關(guān)。圖1-6管路中液體的流量對(duì)各截面而言皆相等4.6液體流動(dòng)中的壓力和流量的損失

1．壓力損失 由于液體具有粘性，在管路中流動(dòng)時(shí)又不可避免地存在著摩擦力，因此液體在流動(dòng)過(guò)程中必然要損耗一部分能量。這部分能量損耗主要表現(xiàn)為壓力損失。 壓力損失有沿程損失和局部損失兩種。沿程損失是當(dāng)液體在直徑不變的直管中流過(guò)一段距離時(shí)，因摩擦而產(chǎn)生的壓力損失。局部損失是由于管子截面形狀突然變化、液流方向改變或其他形式的液流阻力而引起的壓力損失?？偟膲毫p失等于沿程損失與局部損失之和。由于零件結(jié)構(gòu)不同(尺寸的偏差與表面粗糙度的不同)，因此，要準(zhǔn)確地計(jì)算出總的壓力損失的數(shù)值是比較困難的，但壓力損失又是液壓傳動(dòng)中一個(gè)必須考慮的因素，它關(guān)系到確定系統(tǒng)所需的供油壓力和系統(tǒng)工作時(shí)的溫升，所以，生產(chǎn)實(shí)踐中也希望壓力損失盡可能小些。 由于壓力損失的必然存在性，因此，泵的額定壓力要略大于系統(tǒng)工作時(shí)所需的最大工作壓力。一般可將系統(tǒng)工作所需的最大工作壓力乘以一個(gè)1.3～1.5的系數(shù)來(lái)估算。2．流量損失 在液壓系統(tǒng)中，各液壓元件都有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面，如液壓缸內(nèi)表面和活塞外表面。因?yàn)橐邢鄬?duì)運(yùn)動(dòng),所以它們之間都有一定的間隙，如果間隙的一邊為高壓油，另一邊為低壓油，那么高壓油就會(huì)經(jīng)間隙流向低壓區(qū)，從而造成泄漏。同時(shí)，由于液壓元件密封不完善，因此，一部分油液也會(huì)向外部泄漏。這種泄漏會(huì)造成實(shí)際流量有所減少，這就是我們所說(shuō)的流量損失。

流量損失影響運(yùn)動(dòng)速度，而泄漏又難以絕對(duì)避免，所以在液壓系統(tǒng)中泵的額定流量要略大于系統(tǒng)工作時(shí)所需的最大流量。通常也可以用系統(tǒng)工作所需的最大流量乘以一個(gè)1.1～1.3的系數(shù)來(lái)估算。4.7液壓沖擊和空穴現(xiàn)象1．液壓沖擊 在液壓系統(tǒng)中，當(dāng)油路突然關(guān)閉或換向時(shí)，會(huì)產(chǎn)生急劇的壓力升高，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊。 造成液壓沖擊的主要原因是：液壓速度的急劇變化、高速運(yùn)動(dòng)工作部件的慣性力和某些液壓元件的反應(yīng)動(dòng)作不夠靈敏。 當(dāng)導(dǎo)管內(nèi)的油液以某一速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，若在某一瞬間迅速截?cái)嘤鸵毫鲃?dòng)的通道（如關(guān)閉閥門(mén)），則油液的流速將從某一數(shù)值在某一瞬間突然降至零，此時(shí)油液流動(dòng)的動(dòng)能將轉(zhuǎn)化為油液擠壓能，從而使壓力急劇升高，造成液壓沖擊。高速運(yùn)動(dòng)的工作部件的慣性力也會(huì)引起系統(tǒng)中的壓力沖擊。 產(chǎn)生液壓沖擊時(shí)，系統(tǒng)中的壓力瞬間就要比正常壓力大好幾倍，特別是在壓力高、流量大的情況下，極易引起系統(tǒng)的振動(dòng)、噪音，甚至?xí)?dǎo)致導(dǎo)管或某些液壓元件的損壞。這樣既影響了系統(tǒng)的工作質(zhì)量，又會(huì)縮短系統(tǒng)的使用壽命。還要注意的是由于壓力沖擊產(chǎn)生的高壓力可能會(huì)使某些液壓元件（如壓力繼電器）產(chǎn)生誤動(dòng)作而損壞設(shè)備。 避免液壓沖擊的主要辦法是避免液流速度的急劇變化。延緩速度變化的時(shí)間，能有效地防止液壓沖擊，如將液動(dòng)換向閥和電磁換向閥聯(lián)用可減少液壓沖擊，這是因?yàn)橐簞?dòng)換向閥能把換向時(shí)間控制得慢一些。2．空穴現(xiàn)象 在液流中當(dāng)某點(diǎn)壓力低于液體所在溫度下的空氣分離壓力時(shí)，原來(lái)溶于液體中的氣體會(huì)分離出來(lái)而產(chǎn)生氣泡，這就叫空穴現(xiàn)象，當(dāng)壓力進(jìn)一步減小直至低于液體的飽和蒸氣壓時(shí)，液體就會(huì)迅速汽化形成大量蒸氣氣泡，使空穴現(xiàn)象更為嚴(yán)重，從而使液流呈不連續(xù)狀態(tài)。 如果液壓系統(tǒng)中發(fā)生了空穴現(xiàn)象，液體中的氣泡隨著液流運(yùn)動(dòng)到壓力較高的區(qū)域時(shí)，一方面，氣泡在較高壓力作用下將迅速破裂，從而引起局部液壓沖擊，造成噪音和振動(dòng)；另一方面，由于氣泡破壞了液流的連續(xù)性，降低了油管的通油能力，造成流量和壓力的波動(dòng)，使液壓元件承受沖擊載荷，因此影響了其使用壽命。同時(shí)，氣泡中的氧也會(huì)腐蝕金屬元件的表面，我們把這種因發(fā)生空穴現(xiàn)象而造成的腐蝕叫汽蝕在液壓傳動(dòng)裝置中，汽蝕現(xiàn)象可能發(fā)生在油泵、管路以及其他具有節(jié)流裝置的地方，特別是油泵裝置(這種現(xiàn)象最為常見(jiàn))。 為了減少汽蝕現(xiàn)象，應(yīng)使液壓系統(tǒng)內(nèi)所有點(diǎn)的壓力均高于液壓油的空氣分離壓力。例如，應(yīng)注意油泵的吸油高度不能太大，吸油管徑不能太?。ㄒ?yàn)楣軓竭^(guò)小就會(huì)使流速過(guò)快，從而造成壓力降得很低），油泵的轉(zhuǎn)速不要太高，管路應(yīng)密封良好，油管出口應(yīng)沒(méi)入油面以下等。總之，應(yīng)避免流速的劇烈變化和外界空氣的混入。汽蝕現(xiàn)象是液壓系統(tǒng)產(chǎn)生各種故障的原因之一，特別在高速、高壓的液壓設(shè)備中更應(yīng)注意這一點(diǎn)。5液壓油5.1液壓油的用途液壓油起以下幾種作用：

(1)傳遞運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力。將泵的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能并傳至各處，由于油本身具有粘度，因此，在傳遞過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的動(dòng)力損失。

(2)潤(rùn)滑。液壓元件內(nèi)各移動(dòng)部位都可受到液壓油充分潤(rùn)滑，從而降低元件磨耗。

(3)密封。油本身的粘性對(duì)細(xì)小的間隙有密封的作用。(4)冷卻。系統(tǒng)損失的能量會(huì)變成熱，被油帶出。5.2液壓油的種類(lèi) 液壓油主要有下列兩種。

1.礦物油系液壓油 礦物油系液壓油主要由石臘基（Paraffinbase）的原油精制而成，再加抗氧化劑和防銹劑，為用途最廣的一種。其缺點(diǎn)為耐火性差。

2.耐火性液壓油 耐火性液壓油是專(zhuān)用于防止有引起火災(zāi)危險(xiǎn)的乳化型液壓油，有水中油滴型（O/W）和油中水滴型（W/O）兩種。水中油滴型（O/W）的潤(rùn)滑性差，會(huì)侵蝕油封和金屬；油中水滴型（W/O）化學(xué)穩(wěn)定性很差。5.3液壓油的性質(zhì) 液壓油的主要性質(zhì)如下。

1.密度 礦物油系工業(yè)液壓油，比重約0.85～0.95，W/O型比重約0.92～0.94，O/W型比重約1.05～1.1。其比重越大，泵吸入性越差。

2.閃火點(diǎn) 油溫升高時(shí)，部分油會(huì)蒸發(fā)而與空氣混合成油氣，此油氣所能點(diǎn)火的最低溫度稱為閃火點(diǎn)，如繼續(xù)加熱，則會(huì)連續(xù)燃燒，此溫度稱為燃燒點(diǎn)。3.粘度 流體流動(dòng)時(shí)，沿其邊界面會(huì)產(chǎn)生一種阻止其運(yùn)動(dòng)的流體摩擦作用，這種產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)稱為粘性。液壓油粘性對(duì)機(jī)械效率、磨耗、壓力損失、容積效率、漏油及泵的吸入性影響很大。 粘性可分為動(dòng)力粘度和運(yùn)動(dòng)粘度兩種。動(dòng)力粘度表示如圖1-11所示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：式中，τ表示剪應(yīng)力（g/cm2）；μ表示動(dòng)力粘度運(yùn)動(dòng)粘度表示為式中，ν表示運(yùn)動(dòng)粘度（一般用St、cSt來(lái)表示，1cSt＝10-6m2/s）；ρ表示密度（g/cm2）。粘度是液壓油的性能指標(biāo)。習(xí)慣上使用運(yùn)動(dòng)粘度標(biāo)志液體的粘度，例如機(jī)械油的牌號(hào)就是用其在40℃時(shí)的平均運(yùn)動(dòng)粘度（m2/s）。圖1-11液體的粘性示意圖油的粘性易受溫度影響，溫度上升，粘度降低，造成泄漏、磨損增加、效率降低等問(wèn)題；溫度下降，粘度增加，造成流動(dòng)困難及泵轉(zhuǎn)動(dòng)不易等問(wèn)題。如運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)油液溫度超過(guò)60℃，就必須加裝冷卻器，因油溫在60℃以上，每超過(guò)10℃，油的劣化速度就會(huì)加倍。圖1-12所示是幾種國(guó)產(chǎn)液壓油的粘度—溫度曲線。圖1-12幾種國(guó)產(chǎn)液壓油的粘度—溫度曲線4.壓縮性 液壓油在低、中壓時(shí)可視為非壓縮性液體，但在高壓時(shí)壓縮性就不可忽視了，純油的可壓縮性是鋼的100～150倍。壓縮性會(huì)降低運(yùn)動(dòng)的精度，增大壓力損失而使油溫上升，壓力信號(hào)傳遞時(shí)，會(huì)有時(shí)間延遲，響應(yīng)不良的現(xiàn)象。 液壓油還有其他一些性質(zhì)，如穩(wěn)定性、抗泡沫性、抗乳化性、防銹性、潤(rùn)滑性以及相容性等。5.4液壓油的選用 液壓油有很多品種，可根據(jù)不同的使用場(chǎng)合選用合適的品種，在品種確定的情況下，最主要考慮的是油液的粘度，其選擇主要考慮如下因素。

1)液壓系統(tǒng)的工作壓力 工作壓力較高的系統(tǒng)宜選用粘度較高的液壓油，以減少泄露；反之便選用粘度較低的油。例如，當(dāng)壓力p=7.0～20.0MPa時(shí)，宜選用N46～N1