基礎(chǔ)液壓技術(shù)

第1頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一系統(tǒng)工作要求：實(shí)現(xiàn)油缸的前進(jìn)、后退運(yùn)動，油缸最大推動負(fù)載力：F=150000N；前進(jìn)、后退速度在0-0.15m/s范圍之內(nèi)連續(xù)可調(diào)（電控制）。實(shí)時檢測液壓泵出口壓力、流量設(shè)計任務(wù)：1.設(shè)計、繪制液壓系統(tǒng)原理圖；2.系統(tǒng)壓力、流量、液壓缸尺寸設(shè)計計算；3.電動機(jī)功率、扭矩、轉(zhuǎn)速計算；4.電動機(jī)、聯(lián)軸器、液壓元器件（泵、閥、油缸）及傳感器選型課程設(shè)計第2頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一什么是液壓？以液體為介質(zhì)，用其產(chǎn)生的壓力傳遞能量的方式稱為

液壓第3頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一液壓傳動系統(tǒng)的工作原理第4頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一液壓傳動系統(tǒng)中能量的傳遞和轉(zhuǎn)換第5頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一1.動力元件液壓傳動系統(tǒng)的組成2.執(zhí)行元件4.輔助元件3.控制元件5.傳動介質(zhì)液壓泵液壓馬達(dá)或油缸各種閥:方向閥、壓力閥、流量閥油箱、濾油器、加熱器、冷卻器等即液體第6頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一液壓傳動系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)1.實(shí)現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速。2.在同等輸出功率下，液壓傳動裝置的體積小、重量輕、運(yùn)動慣量小、動態(tài)性能好。3.實(shí)現(xiàn)無間隙傳動，運(yùn)動平穩(wěn)。4.便于實(shí)現(xiàn)自動工作循環(huán)和自動過載保護(hù)。5.采用油作為傳動介質(zhì)，因此液壓元件有自我潤滑作用，有較長的使用壽命。6.液壓元件標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，便于設(shè)計、制造和推廣應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：第7頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一液壓傳動系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)1、損失大、效率低、發(fā)熱大。2、不能得到定比傳動。3、當(dāng)采用油作為傳動介質(zhì)時還需要注意防火問題。4、液壓元件加工精度要求高，造價高。5、液壓系統(tǒng)的故障比較難查找，對操作人員的技術(shù)水平要求高。缺點(diǎn)：第8頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一流體傳動第9頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一流體傳動能量轉(zhuǎn)換和傳遞基于“靜液壓”原理流體相對“靜止”通過流體的壓力傳遞動力能量轉(zhuǎn)換和傳遞基于“動液壓”原理利用流體的動能傳遞能量第10頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一能量轉(zhuǎn)換和傳遞能量傳遞方式比較液壓氣動電傳動機(jī)械傳動能量來源(驅(qū)動)電機(jī)柴油機(jī)蓄能器電機(jī)柴油機(jī)蓄能罐電網(wǎng)蓄電池電機(jī)柴油機(jī)重力、拉力(彈簧)傳遞能量元件軟管、硬管軟管、硬管電纜磁場機(jī)械零件：杠桿、軸、齒輪等能量載體液體氣體電子流剛性和彈性物體作用力密度(功率密度)大高壓、大力、小流量相當(dāng)小壓力低小電功率密度與液壓功率密度比為1:10大與液壓相比不易實(shí)現(xiàn)功率流的選擇和分配平穩(wěn)性控制(加減速)非常好通過壓力和流量調(diào)節(jié)一般通過壓力和流量調(diào)節(jié)一般和非常好之間通過開環(huán)和閉環(huán)調(diào)節(jié)一般輸出裝置運(yùn)動形式通過使用液壓馬達(dá)和油缸很容易實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過使用氣動馬達(dá)和氣動缸很容易實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動原始為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動直線和旋轉(zhuǎn)第11頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制

運(yùn)動的兩種方式直線運(yùn)動:--液壓油缸--氣動油缸--絲杠+直線軸承2.旋轉(zhuǎn)運(yùn)動--液壓馬達(dá)--減速機(jī)--氣動馬達(dá)--伺服電機(jī)--變頻調(diào)速電機(jī)第12頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制

滾珠絲杠變旋轉(zhuǎn)運(yùn)動為直線運(yùn)動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的--電機(jī) --伺服電機(jī)驅(qū)動工作機(jī)構(gòu)第13頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一液壓流體力學(xué)的理論基礎(chǔ)液壓流體靜力學(xué)液壓流體力學(xué)液壓流體動力學(xué)液壓流體運(yùn)動學(xué)帕斯卡定理流量連續(xù)性定理伯努利方程第14頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一液壓傳動的理論基礎(chǔ)1.靜液壓理論建立在理想的介質(zhì)上靜液壓原理是建立在理想的傳遞介質(zhì)上的-沒有質(zhì)量-沒有摩擦-不可壓縮對高頻響的系統(tǒng)，就要考慮介質(zhì)的壓縮性。即介質(zhì)不是剛性的而是彈性的Hydraulics

第15頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一液壓流體靜力學(xué)如果作用面積A1=A2=A3;則F1=F2=F3第16頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一液壓流體靜力學(xué)2.靜液壓理論建立在帕斯卡定理(Pascal’slaw)上第17頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一帕斯卡定理的要點(diǎn):液壓流體靜力學(xué)第18頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一力的傳遞:液壓流體靜力學(xué)第19頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一正負(fù)載由液壓系統(tǒng)產(chǎn)生動力給負(fù)載負(fù)負(fù)載（產(chǎn)生吸空）由負(fù)載產(chǎn)生動力給液壓系統(tǒng)節(jié)流負(fù)載用節(jié)流的方式使油泵產(chǎn)生動力液壓流體靜力學(xué)第20頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一壓力傳遞:液壓流體靜力學(xué)第21頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一液壓流體靜力學(xué)第22頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一液壓流體靜力學(xué)第23頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一液壓流體運(yùn)動學(xué)液壓系統(tǒng)中速度取決于流量

第24頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一液壓流體運(yùn)動學(xué)在變徑的流道內(nèi)，在任何時候，通過個節(jié)點(diǎn)的流量相流量連續(xù)性原理第25頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一液壓流體動力學(xué)能量守恒定律關(guān)于運(yùn)動液體的能量守恒定律指出，只要沒有能量從外界補(bǔ)充，也沒有能量傳送到外界，則運(yùn)動液體的總能量保持不變。這一總能量包括：勢能（位能）動能（運(yùn)動能）決定于流體的高度和靜壓力決定于流體流動速度和背壓力得到伯努利方程

第26頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一液壓流體動力學(xué)伯努利方程第27頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一液壓流體動力學(xué)能量守恒：流速、壓力第28頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

液體流動時的壓力損失1.液體的流動狀態(tài)19世紀(jì)末，雷諾首先通過實(shí)驗(yàn)觀察了水在圓管內(nèi)的流動情況，并發(fā)現(xiàn)液體在管道中流動時有兩種流動狀態(tài)：層流和紊流（湍流）。這個實(shí)驗(yàn)被稱為雷諾實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在層流時，液體質(zhì)點(diǎn)互不干擾，液體的流動呈線性或?qū)訝?，且平行于管道軸線；而在紊流時，液體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動雜亂無章，在沿管道流動時，除平行于管道軸線的運(yùn)動外，還存在著劇烈的橫向運(yùn)動，液體質(zhì)點(diǎn)在流動中互相干擾。層流和紊流是兩種不同的流態(tài)。層流時，液體的流速低，液體質(zhì)點(diǎn)受粘性約束，不能隨意運(yùn)動，粘性力起主導(dǎo)作用，液體的能量主要消耗在液體之間的摩擦損失上；紊流時，液體的流速較高，粘性的制約作用減弱，慣性力起主導(dǎo)作用，液體的能量主要消耗在動能損失上。第29頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一通過雷諾實(shí)驗(yàn)還可以證明，液體在圓形管道中的流動狀態(tài)不僅與管內(nèi)的平均流速

有關(guān)，還和管道的直徑d、液體的運(yùn)動粘度有關(guān)。實(shí)際上，液體流動狀態(tài)是由上述三個參數(shù)所確定的稱為雷諾數(shù)Re的無量綱數(shù)來判定，即：

對于非圓形截面管道，雷諾數(shù)Re可用下式表示，即：

水力直徑R可用下式計算：

式中：A——過流斷面積；

——濕周，即有效截面的管壁周長。

液體流動時的壓力損失第30頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

雷諾數(shù)是液體在管道中流動狀態(tài)的判別數(shù)。對于不同情況下的液體流動狀態(tài)，如果液體流動時的雷諾數(shù)Re相同，它的流動狀態(tài)也就相同。液流由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鲿r的雷諾數(shù)和由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r的雷諾數(shù)是不相同的，后者的數(shù)值要小，所以一般都用后者作為判斷液流狀態(tài)的依據(jù)，稱為臨界雷諾數(shù)，記作Recr。當(dāng)液流的實(shí)際雷諾數(shù)Re小于臨界雷諾數(shù)Recr時，液流為層流；反之，為紊流。雷諾數(shù)的物理意義：雷諾數(shù)是液流的慣性作用對粘性作用的比。當(dāng)雷諾數(shù)較大時，說明慣性力起主導(dǎo)作用，這時液體處于紊流狀態(tài)；當(dāng)雷諾數(shù)較小時，說明粘性力起主導(dǎo)作用，這時液體處于層流狀態(tài)。

液體流動時的壓力損失第31頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一2.沿程壓力損失

(１)液體層流時的沿程壓力損失層流時液體質(zhì)點(diǎn)作有規(guī)則的流動，是液壓傳動中最常見的現(xiàn)象。在設(shè)計和使用液壓傳動系統(tǒng)時，都希望管道中的液流保持這種流動狀態(tài)。下圖所示為液體在等徑水平直管中作層流流動的情況。

液體流動時的壓力損失第32頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一在液流中取一段與管軸重合的微小圓柱體作為研究對象，設(shè)它的半徑為r，長度為l，作用在兩端面的壓力分別為p1和p2，作用在側(cè)面的內(nèi)摩擦力為Ff。液流在作勻速運(yùn)動時處于受力平衡狀態(tài)，故有：式中Ff是液體內(nèi)摩擦力，F(xiàn)f=-2rlμdu/dr（其中的負(fù)號表示流速u隨半徑r的增大而減?。袅?，并將Ff代入上式，整理可得：對上式進(jìn)行積分，并代入相應(yīng)的邊界條件，即當(dāng)r=R時，u=0，得：

可見管內(nèi)液體質(zhì)點(diǎn)的流速在半徑方向上按拋物線規(guī)律分布。

液體流動時的壓力損失第33頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一對于微小環(huán)形通流截面積dA=2rdr，所通過的流量為：

于是積分可得：

根據(jù)平均流速的定義，在管道內(nèi)的平均流速是：

液體流動時的壓力損失第34頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一整理后，得沿程壓力損失為：

從上式可以看出，當(dāng)直管中的液流為層流時，其沿程壓力損失與液體粘度、管長、流速成正比，而與管徑的平方成反比。適當(dāng)變換上式沿程壓力損失計算公式，可改寫成如下形式：

式中為沿程阻力系數(shù)。對于圓管層流，理論值=64/Re。考慮到實(shí)際圓管截面可能有變形，以及靠近管壁處的液層可能被冷卻等因素，在實(shí)際計算時，可對金屬管取=75/Re，橡膠管=80/Re。

液體流動時的壓力損失第35頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

(2)液體紊流時的沿程壓力損失紊流時計算沿程壓力損失的公式在形式上同于層流，即：

但式中的阻力系數(shù)

除與雷諾數(shù)有關(guān)外，還與管壁的粗糙度有關(guān)，即=f(Re，/d)，這里的為管壁的絕對粗糙度，它與管徑d的比值/d稱為相對粗糙度。

液體流動時的壓力損失第36頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一3.局部壓力損失液體流經(jīng)管道的彎頭、接頭、突變截面以及閥口、濾網(wǎng)等局部裝置時，液流方向和流速發(fā)生變化，在這些地方形成旋渦、氣穴，并發(fā)生強(qiáng)烈的撞擊現(xiàn)象，由此而造成的壓力損失稱為局部壓力損失。局部壓力損失的阻力系數(shù)，一般要依靠實(shí)驗(yàn)來確定。局部壓力損失的計算公式有如下形式：

液體流過各種閥類的局部壓力損失亦服從上式，但因閥內(nèi)的通道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，按此公式計算比較困難，故閥類元件局部壓力損失的實(shí)際計算常用公式：

液體流動時的壓力損失第37頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一4.管路系統(tǒng)總壓力損失整個管路系統(tǒng)的總壓力損失應(yīng)為所有沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和，即：

在液壓傳動系統(tǒng)中，絕大多數(shù)壓力損失轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，造成系統(tǒng)溫度增高，泄漏增大，影響系統(tǒng)的工作性能。從計算壓力損失的公式可以看出，減小流速，縮短管道長度，減少管道截面突變，提高管道內(nèi)壁的加工質(zhì)量等，都可使壓力損失減小。其中流速的影響最大，故液體在管路中的流速不應(yīng)過高。但流速太低，也會使管路和閥類元件的尺寸加大，并使成本增加，因此要綜合考慮確定液體在管道中的流速。

液體流動時的壓力損失第38頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

液體流動時的壓力損失管道流速選擇第39頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

孔口流量

(1)薄壁孔口的流量下圖所示為進(jìn)口邊做成刃口形的典型薄壁孔口。由于液體的慣性作用，液流通過孔口時要發(fā)生收縮現(xiàn)象，在靠近孔口的后方出現(xiàn)收縮最大的通流截面2-2。對于薄壁圓孔，當(dāng)孔前通道直徑與小孔直徑之比d1/d≥7時，流束的收縮作用不受孔前通道內(nèi)壁的影響，這時的收縮被稱為完全收縮；反之，當(dāng)d1/d<7時，孔前通道對液流進(jìn)入小孔起導(dǎo)向作用，這時的收縮被稱為不完全收縮。薄壁小孔液流第40頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一現(xiàn)對孔前通流斷面1―1和收縮斷面2―2之間的液體列出伯努利方程：式中，h1=h2；因1<<2

，則1可以忽略不計，認(rèn)為是零；因?yàn)槭湛s斷面的流動是紊流，則2=1；而僅為局部損失，即，代入上式后可得：

由此可得通過薄壁孔口的流量公式為：

孔口流量第41頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

(2)短孔、細(xì)長孔口的流量短孔的流量公式仍然為上式。短孔比薄壁孔口容易制作，因此特別適合于作固定節(jié)流器使用。流經(jīng)細(xì)長孔的液流，由于粘性而流動不暢，流速低，故多為層流。所以其流量計算可以應(yīng)用前面推出的圓管層流流量公式：

在這里，液體流經(jīng)細(xì)長孔的流量q和孔前后的壓差p成正比，而和液體的粘度成反比。可見細(xì)長孔的流量和液壓油的粘度有關(guān)。這一點(diǎn)是和薄壁孔口的特性大不相同的。綜合各孔口的流量公式，可以歸納出一個流量通用公式：

孔口流量第42頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一液壓沖擊和空穴現(xiàn)象1.液壓沖擊在液壓傳動系統(tǒng)中，常常由于一些原因而使液體壓力突然急劇上升，形成很高的壓力峰值，這種現(xiàn)象被稱為液壓沖擊。

(1)液壓沖擊產(chǎn)生的原因在閥門突然關(guān)閉或運(yùn)動部件快速制動等情況下，液體在系統(tǒng)中的流動會突然受阻。這時，由于液流的慣性作用，液體就從受阻端開始，迅速將動能逐層轉(zhuǎn)換為液壓能，因而產(chǎn)生了壓力沖擊波；此后，這個壓力波又從該端開始反向傳遞，將壓力能逐層轉(zhuǎn)化為動能，這使得液體又反向流動；然后，在另一端又再次將動能轉(zhuǎn)化為壓力能，如此反復(fù)地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。由于這種壓力波的迅速往復(fù)傳播，便在系統(tǒng)內(nèi)形成壓力振蕩。這一振蕩過程，由于液體受到摩擦力以及液體和管壁的彈性作用不斷地消耗能量，才使振蕩過程逐漸衰減而趨向穩(wěn)定，產(chǎn)生液壓沖擊的本質(zhì)是動量變化。第43頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

(2)液壓沖擊的危害系統(tǒng)中出現(xiàn)液壓沖擊時，液體瞬時壓力峰值可以比正常工作壓力大好幾倍。液壓沖擊會損壞密封裝置、管道或液壓元件，還會引起設(shè)備振動，產(chǎn)生很大噪聲。有時沖擊會使某些液壓元件如壓力繼電器、順序閥等產(chǎn)生誤動作，影響系統(tǒng)正常工作。

液壓沖擊和空穴現(xiàn)象第44頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一

(3)沖擊壓力（a）管道閥門關(guān)閉時的液壓沖擊設(shè)管道截面積為A，產(chǎn)生沖擊的管道長為l，壓力沖擊波第一波在l長度內(nèi)傳播的時間為t1，液體的密度為，管中液體的流速為，閥門關(guān)閉后的流速為零，則由動量方程得：整理后得

式中c=l/t，為壓力沖擊波在管道中的傳播速度。應(yīng)用式（3.45）時，需要先知道c值的大小，而c值不僅和液體的體積彈性模量K有關(guān)，而且還與管道材料的彈性模量E、管道的內(nèi)徑d及壁厚

有關(guān)。在液壓傳動中，c值一般在900～1400m/s之間。若液體流速

不是突然降為零，而是降為則上式可寫成

液壓沖擊和空穴現(xiàn)象第45頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一設(shè)壓力沖擊波在管中往復(fù)一次的時間為tc，其中tc=2l/c。當(dāng)閥門關(guān)閉時間t<tc時稱為突然關(guān)閉，此時壓力峰值很大，這時的沖擊稱為直接沖擊，其值可按前面兩式計算；當(dāng)t>tc時，閥門不是突然關(guān)閉，此時壓力峰值較小，這時的沖擊稱為間接沖擊，其p值可按下式計算

（b）運(yùn)動部件制動時的液壓沖擊設(shè)總質(zhì)量為的運(yùn)動部件在制動時的減速時間為t，速度減小值為，液壓缸有效作用面積為A，則根據(jù)動量定理得

上式中忽略了阻尼和泄漏等因素，計算結(jié)果偏大，但比較安全。液壓沖擊和空穴現(xiàn)象第46頁，共50頁，2023年，2月20日，星期一(4)減小壓力沖擊的措施盡可能延長閥門關(guān)閉和運(yùn)動部件制動換向的時間。在液壓傳動系統(tǒng)中采用換向時間可調(diào)的換向閥可做到這一點(diǎn)。正確設(shè)計閥口，限制管道流速及運(yùn)動部件速度，使運(yùn)動部件制動時速度變化比較均勻。例如在機(jī)床液壓傳動系統(tǒng)中，通常將管道流速限制在4.5m/s以下，液壓缸驅(qū)動的運(yùn)動部件速度一般不宜超過10m/mi