第1章 液壓與氣壓傳動基礎(chǔ)

液壓與氣動技術(shù)機電工程系第1章液壓與氣壓傳動基礎(chǔ)1.1液壓與氣壓傳動的工作原理1.2液壓與氣壓傳動的組成1.3液壓與氣壓傳動的優(yōu)、缺點及應(yīng)用1.1液壓與氣壓傳動的工作原理1.1.1液壓與氣壓傳動的概述原動機傳動機構(gòu)工作機原動機傳動機構(gòu)工作機機器一般主要由三部分組成原動機傳動機構(gòu)工作機原動機工作機傳動裝置控制部分+→→如電動機、內(nèi)燃機等完成機器工作任務(wù)的直接工作部分，如車床的刀架、汽車的車輪等由于原動機的功率和轉(zhuǎn)速變化范圍有限，為了適應(yīng)工作機的工作力和工作速度變化范圍變化較寬，以及性能的要求，在原動機和工作機之間設(shè)置了傳動機構(gòu)。原動機2023/9/21原動機電機機械傳動：通過齒輪傳動、帶傳動等機械零件直接把動力傳送到執(zhí)行機構(gòu)的傳遞方式。

傳動裝置用來傳遞運動和動力，通常分為機械傳動、電氣傳動和流體傳動。電氣傳動：利用電力設(shè)備，通過調(diào)節(jié)電參數(shù)來傳遞或控制動力的傳動方式。流體傳動：以流體為工作介質(zhì)進行能量轉(zhuǎn)換、傳遞和控制的傳動。它包括液壓傳動和氣壓傳動。傳動機構(gòu)機械傳動皮帶輪傳動杠桿傳動齒輪傳動鏈條傳動

液壓技術(shù)的發(fā)展，可追溯到17世紀(jì)帕斯卡提出了著名的帕斯卡定律，開始奠定了流體靜壓傳動的理論基礎(chǔ)。在第二次世界大戰(zhàn)后，液壓技術(shù)由軍工迅速轉(zhuǎn)向民用工業(yè)。我國液壓工業(yè)經(jīng)過40余年的發(fā)展，其生產(chǎn)的液壓產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國防等各個部門。近20年來，產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)飛快發(fā)展。設(shè)計生產(chǎn)了許多新型液壓元件。此外通過計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助測試（CAT）、污染控制、故障診斷、機電一體化等方面研究成果的應(yīng)用，液壓技術(shù)水平得到很大的提高。液壓傳動的任務(wù)：研究液壓系統(tǒng)各類元件的結(jié)構(gòu)、作用、工作原理、應(yīng)用方法，以及組成液壓系統(tǒng)的特點。掌握液壓設(shè)備的安裝、調(diào)試、維護及操作。

液壓與氣壓傳動概述

液壓與氣壓傳動相對于機械傳動來說是一門新興技術(shù)。從1795年世界上第一臺水壓機誕生起，已有幾百年的歷史，但液壓與氣壓傳動在工業(yè)上被廣泛采用和有較大幅度的發(fā)展是20世紀(jì)中期以后的事情。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，液壓與氣動技術(shù)被應(yīng)用到科學(xué)生產(chǎn)中的各個領(lǐng)域。在民用工業(yè)、在機床、工程機械、冶金機械、塑料機械、農(nóng)林機械、汽車、船舶等行業(yè)得到大幅度的應(yīng)用和發(fā)展，而且發(fā)展成為包括傳動、控制和檢測在內(nèi)的一門完整的自動化技術(shù)。如發(fā)達國家生產(chǎn)的95%的工程機械、90%的數(shù)控加工中心、95%以上的自動線都采用了液壓氣動。現(xiàn)今，采用液壓傳動的程度已成為衡量一個國家工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。液壓與氣動技術(shù)廣泛應(yīng)用了高技術(shù)成果，如自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、磨擦磨損技術(shù)、可靠性技術(shù)及新工藝和新材料，使傳統(tǒng)技術(shù)有了新的發(fā)展，也使液壓與氣動系統(tǒng)和元件的質(zhì)量、水平有一定的提高。盡管如此，走向二十一世紀(jì)的液壓技術(shù)不可能有驚人的技術(shù)突破，應(yīng)當(dāng)主要靠現(xiàn)有技術(shù)的改進和擴展，不斷擴大其應(yīng)用領(lǐng)域以滿足未來的要求。廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域95%的工程機械90%的數(shù)控加工中心95%的自動線液壓技術(shù)的應(yīng)用液壓傳動技術(shù)應(yīng)用航天飛機運送車海上石油鉆井平臺如：火炮跟蹤、飛機和導(dǎo)彈的動、炮塔穩(wěn)定、海底石油探測平臺固定、煤礦礦井支承、礦山用的風(fēng)鉆、火車的剎車裝置、液壓裝載、起重、挖掘、軋鋼機、數(shù)控機床、多工位組合機床、全自動液壓車床、液壓機械手等。發(fā)展應(yīng)用目前，流體傳動技術(shù)正在向著高壓、高速、高效率、大流量、大功率、微型化、低噪聲、低能耗、經(jīng)久耐用、高度集成化方向發(fā)展，向著用計算機控制的機電一體化方向發(fā)展。

發(fā)展趨勢

流體技術(shù)+電氣控制好比老虎插上翅膀，它把一人一刀變?yōu)闊o人多刀，把復(fù)雜工藝變?yōu)楹唵喂に?，而今同計算機控制結(jié)合，又將進入一個嶄新的歷史階段。因此，學(xué)好本門課，有助于大家在今后的工作中多出成果。發(fā)展趨勢液壓千斤頂

作用升舉重物1.1.2液壓傳動的工作原理液壓千斤頂FLASH演示液壓千斤頂組件分析工作缸

（執(zhí)行原件）放油閥

（起到了控制作用）手油泵（動力原件）液壓千斤頂擴力原理GFAB設(shè)重物的重力為G,工作活塞上的A腔的截面積為SA,手油泵B腔的

截面積為SB,由于升舉時兩腔的壓力（壓強）近似相等，則有：即ABSFSGp1==ABSSFG=而工作腔面積SB比驅(qū)動腔面積SA大得多，由此實現(xiàn)了較大的擴力，再加上杠桿的擴力作業(yè)，則用很小的力足可以升舉數(shù)噸的重物。1.2液壓與氣壓傳動的組成機床工作臺的液壓傳動機床工作臺的液壓傳動傳動控制要點轉(zhuǎn)動控制要點實現(xiàn)往復(fù)運動動作速度可調(diào)安全機床工作臺的液壓傳動液壓傳動FLASH1）油箱2）濾油器3）液壓泵4）溢流閥5）節(jié)流閥6）換向閥7）雙桿液壓缸8）工作臺機床工作臺的液壓傳動元件作用

油箱

濾油器

液壓泵

溢流閥

節(jié)流閥

換向閥

液壓缸儲油，適應(yīng)油面變化、散熱等。過濾出油液中的雜質(zhì)。液壓系統(tǒng)的動力元件，提供有一定壓力、流量的液壓油。將多余的油液溢回油箱，調(diào)定系統(tǒng)壓力。通過調(diào)節(jié)閥口過流面開度，調(diào)節(jié)進入液壓缸的流量，以實現(xiàn)調(diào)速。改變流動方向，進而起到使液壓缸（工作臺）換向的作用。執(zhí)行元件，將液壓能轉(zhuǎn)化為機械能輸出，獲得推力和速度。

氣壓傳動的基本定義氣壓傳動的基本工作過程、控制方式與液壓傳動類似，很多可以類推。但是，由于氣體的壓縮性等原因，氣壓傳動有與液壓不同的地方，二者的應(yīng)用場合可以互補。氣壓傳動的基本定義：壓縮空氣，利用被壓縮空氣所實現(xiàn)的傳動。氣動扳手氣動扒胎機液壓傳動的系統(tǒng)組成動力元件（液壓泵）將機械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能；執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達等）將液體的壓力能轉(zhuǎn)化為機械能輸出，以得到既定的運動和力的形式。兩次能量轉(zhuǎn)化液壓系統(tǒng)的基本組成動力元件：液壓泵。執(zhí)行元件：液壓缸、液壓馬達?？刂普{(diào)節(jié)元件：控制和調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的壓力、流量及液流方向的裝置，如各類液壓閥等。液壓傳動系統(tǒng)組成動力元件（液壓泵）將機械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能；執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達等）將液體的壓力能轉(zhuǎn)化為機械能輸出，以得到既定的運動和力的形式。兩次能量轉(zhuǎn)化液壓系統(tǒng)的基本組成輔助元件：如油管、管接頭、油箱、過濾器、蓄能器和壓力表等。工作介質(zhì)：通常為液壓油氣壓傳動裝置的組成氣壓傳動裝置：氣源裝置+傳動裝置氣源裝置氣源裝置：（1~6）

空氣壓縮機（組）（氣泵）+儲氣罐+油水分離器等。（由于空氣介質(zhì)的特殊性，比液壓傳動復(fù)雜）傳動裝置前端處理控制元件+傳動回路（系統(tǒng)）（前端處理控制元件一般是分水濾氣器+減壓閥+油霧器）氣壓傳動裝置的組成氣壓傳動裝置：氣源裝置+傳動裝置123456789101）空氣壓縮機2）后冷卻器3）除油器4）儲氣罐5）壓力表6）安全閥7）截止門8）空氣過濾器9）減壓閥10）油霧器

1.2液壓與氣壓傳動的優(yōu)缺點及應(yīng)用液壓傳動的基本特點

液壓傳動的基本特點結(jié)構(gòu)緊湊，可得到較大的傳動比，因此適合重載場合；調(diào)速方便、平穩(wěn)，并可以方便地實現(xiàn)無級調(diào)速；傳動的平穩(wěn)較好易操縱控制，易實現(xiàn)自動化，方便地實現(xiàn)機械、液壓、電氣控制技術(shù)“三位一體”。易于實現(xiàn)過載保護，故障較少，壽命長；液壓傳動的基本特點

液壓傳動的基本特點不能用于要求傳動比嚴格的場合；元件制造精度高，價格較貴成本高；效率往往不高；由于泄漏，傳動比不嚴格；檢修困難。氣壓傳動的特點相比之下，空氣介質(zhì)具有無成本、流動阻力小、較易壓縮、環(huán)境適應(yīng)強等特點氣壓傳動的特點為成本低。加工要求不高，元件密封方式多，無需回氣路?？梢孕纬蓺鈮壕W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，多設(shè)備共用氣源。氣流流速快，動作迅速。對環(huán)境的適應(yīng)性好。如：易燃易爆、高溫場合、食品、醫(yī)藥醫(yī)療。氣壓傳動的特點相比之下，空氣介質(zhì)具有無成本、流動阻力小、較易壓縮、環(huán)境適應(yīng)強等特點氣壓傳動的特點為壓力小，動力性能不如液壓，執(zhí)行件尺寸較大。系統(tǒng)穩(wěn)定性差、調(diào)速性能差。某些情況氣源處理裝置花費大液壓傳動的基本應(yīng)用

1工程機械2金屬切削機床、壓力機3礦山機械，如掘進機4冶金機械，如各類軋機5輕工機械，如注塑機、榨油機6工程實驗7其他：軍事、體育、交通運輸液壓傳動的基本應(yīng)用實物圖片外圓磨床液壓傳動的基本應(yīng)用實物圖片液壓傳動的基本應(yīng)用實物圖片注塑機液壓傳動的基本應(yīng)用實物圖片液壓彎管機空氣的壓縮性對氣壓傳動的影響氣體可以明細地被壓縮，這種易壓縮性將導(dǎo)致：1氣壓傳動調(diào)速較為困難。2會使執(zhí)行件驅(qū)動力、動作不穩(wěn)定。氣容

在氣壓傳動中，氣體充、放的空間被稱為氣容。氣容是不可避免的，如氣管、氣閥、氣缸的空腔都是氣容。

一方面，氣容會影響執(zhí)行件的速度控制，使氣壓傳動的速度、推力等指標(biāo)動態(tài)性變差；

另一方面，我們可以氣容構(gòu)成延時控制等。

氣壓傳動實例：立式銑鏜加工中心的換刀系統(tǒng)必要動作：插刀/拔刀、夾緊/松刀、刀盤移動送刀/撤回、刀盤轉(zhuǎn)位（數(shù)控）氣壓傳動元件實物圖片1.4液壓與氣動技術(shù)的基本理論

油液是液壓傳動與控制系統(tǒng)中用來傳遞能量的工作介質(zhì)。此外，它還起著傳遞信號、潤滑、冷卻、防銹和減振等作用。液壓傳動的基礎(chǔ)知識

1.4.1液體的性質(zhì)油液直接影響液壓系統(tǒng)的工作性能，因此必須合理的選擇和使用。1.液壓油的物理性質(zhì)（1）液體的密度密度是指單位體積內(nèi)液體所具有的質(zhì)量，用符號ρ表示，單位為kg/m3。計算式為

液壓油的密度隨壓力的升高而增大，隨著溫度的升高而減小。但在通常的使用壓力和溫度范圍內(nèi)對密度的影響都極小，一般情況下可視液壓油的密度為常數(shù)，其密度值為900kg/m3。

（2）液體的可壓縮性

液體受壓力作用其體積會減小的性質(zhì)稱為液體的可壓縮性，其定義為單位壓力變化時引起的液體單位體積的變化量，用體積壓縮率k來表示，單位為m2/N，計算式為

由于液體隨壓力的增加體積減小，故在公式前加負號，使k為正值。液體的體積壓縮系數(shù)（或體積彈性模量）說明液體抵抗壓縮能力的小，其值與壓力、溫度有關(guān)，但影響甚小。因此，在壓力、溫度變化不大的液壓系統(tǒng)中可視為常數(shù)，認為液壓油是不可壓縮的。常用油液體積彈性模量K＝（1.2～2.0）×109Pa。

體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)稱為體積彈性模量K，單位為Pa，寫成微分形式，即K

如圖2-1所示，粘性使流動液體內(nèi)部各處的速度不等。假設(shè)兩平行平板間存在著液體，當(dāng)上平板以u0速度向右運動，下平板靜止不動時，液體在附著力的作用下，緊貼上平板的一層液體以u0速度向右運動，而緊貼下平板的液體保持靜止，當(dāng)兩平板之間的距離較小時，各液層間的速度呈線性變化。圖2-1液體粘度示意圖（3）液體的粘性液體流動時分子間相互牽制的力稱為液體的內(nèi)摩擦力或粘滯力，而液體流動時呈現(xiàn)阻礙液體分子之間相對運動的這種性質(zhì)稱為液體的粘性。此式稱為牛頓液體的內(nèi)摩擦定律。

根據(jù)實驗得出，液體流動時相鄰液層間的內(nèi)摩擦力F與接觸面積A和速度變化量du成正比，與液層間距離的變化量dy成反比，其比例系數(shù)為μ，即或?qū)懗蓤D2-2液體的粘度-溫度特性曲線1—石油型普通液壓油2—石油型高粘度指數(shù)液壓油3—水包油乳化液4—水-乙二醇5—磷酸酯液（4）粘度和壓力、溫度的關(guān)系液體的粘度隨壓力變化的性質(zhì)稱為液體的粘壓特性，液體壓力增大時，其粘度增大；變化量較小，可忽略不計。

液體粘度隨溫度變化的性質(zhì)稱為液體的粘溫特性。如圖2-2所示，粘度隨溫度變化越小，其粘溫特性越好，該油適宜溫度范圍就越廣。粘度的表示方法

液體的粘度主要用動力粘度、運動粘度和相對粘度來表示。

1.動力粘度動力粘度是絕對粘度，是指液體在單位速度梯度流動時的表面切應(yīng)力。其計算式為動力粘度的單位為帕·秒（Pa·s）1Pa·s＝10P（泊）＝103cP(厘泊)

運動粘度的單位為m2/s，或斯（St）和厘斯（cSt）。

1m2/s=104St(cm2/s)=106cSt(mm2/s)。我國液壓油的牌號：指在某一溫度下運動粘度的平均厘斯（cSt）值來表示，例如N32號液壓油，就是指此種油在40℃時運動粘度的平均值為32厘斯。

2.運動粘度液體的動力粘度μ與它的密度ρ之比，用符號ν表示，即

3.相對粘度相對粘度有恩氏粘度、賽氏粘度和雷氏粘度等。

恩氏粘度的測量方法：將200mL的被測液體放入粘度計的容器內(nèi)，加熱到溫度t℃后，讓它從容器底部一個2.8mm的直徑小孔流出，測出液體全部流出所用的時間t1；然后與流出同樣體積的20℃的蒸餾水所需時間t20之比，比值即為該液體在溫度t℃時的恩氏粘度，用符號oEt表示，即

在20℃時，水值常數(shù)t20=50～52。工業(yè)上常以20℃、50℃、100℃作為測定液體粘度的標(biāo)準(zhǔn)溫度，由此得到的恩氏粘度可用0E20、0E50、0E100標(biāo)記。恩氏粘度和運動粘度可通過下列經(jīng)驗公式進行換算(m2/s)⑴粘溫特性好，壓縮性要小。⑵潤滑性能好，防銹、耐腐蝕性能好。⑶抗泡沫、抗乳化性好。⑷抗燃性能好。2.液壓油的基本要求

礦物油型液壓油是以石油的精煉物為基礎(chǔ)，加入各種添加劑調(diào)制而成。這種油液的特點是潤滑性好，腐蝕性小，化學(xué)穩(wěn)定性好，所以約90％以上的液壓系統(tǒng)采用此類液壓油。常見液壓油的代號、特性和用途見表2-1所示。3.常用液壓油的類型類別組成代號特性和用途礦物型液壓油無添加劑的石油基液壓油L—HH穩(wěn)定性差，易起泡，主要用于潤滑HH+抗氧化劑、防銹劑L—HL有抗氧化和防銹能力，常用于中低壓液壓系統(tǒng)HL+抗磨劑L—HM改善抗磨性能，適用于工程機械、車輛液壓系統(tǒng)HL+增粘劑L—HR改善溫粘特性，適用于環(huán)境溫度變化較大的低壓系統(tǒng)和輕負載機械的潤滑部位HM+增粘劑L—HV改善溫粘特性，可用于環(huán)境溫度在－40～20℃的高壓系統(tǒng)。低溫粘度小，高溫下能保持一定粘度，故適用范圍寬M+防爬劑L—HG改善粘滑性能，適用液壓及導(dǎo)軌潤滑為同一油路系統(tǒng)的精密機床抗燃液壓液含水液壓液高含水液壓液L—HFA難燃、溫粘特性好，有防銹能力，潤滑性差，易泄漏。適用于抗燃、用油量大且泄漏嚴重的系統(tǒng)油包水乳化液L—HFB有抗磨、防銹性能和抗燃性，用于有抗燃要求的中壓系統(tǒng)水-乙二醇L—HFC有溫粘特性、難燃和抗蝕性好，能在－20～50℃溫度下使用，用于有抗燃要求的中低壓系統(tǒng)合成液壓液磷酸酯氯化烴HFDR+HFDS其他合成液壓液L—HFDRL—HFDSL—HFDTL—HFDU難燃、潤滑性好，抗磨性能和抗氧化性能良好，能在較廣溫度范圍內(nèi)使用。用于有抗燃要求的高壓精密液壓系統(tǒng)表2-1常見液壓油的代號、特性和用途

液壓油對液壓系統(tǒng)的運動平穩(wěn)性、工作可靠性、靈敏性、系統(tǒng)效率、功率損耗、氣蝕和磨損等都有顯著影響，所以選用液壓油時，選擇合適的粘度和適當(dāng)?shù)挠鸵浩贩N。

⑴按工作機的類型選用；精密機械與一般機械對粘度要求不同，為了避免溫度升高而引起機件變形，影響工作精度，精密機械宜采用較低粘度的液壓油。如機床液壓伺服系統(tǒng)，為保證伺服機構(gòu)動作靈敏性，也宜采用粘度較低的油液。

⑵按液壓泵的類型選用：液壓泵是液壓系統(tǒng)的重要元件，在系統(tǒng)中它的運動速度、壓力和溫升都較高，工作時間又較長，因而對粘度要求較嚴格，所以選擇粘度時應(yīng)先考慮到液壓泵。否則，泵磨損過快，容積效率降低，甚至可能破壞泵的吸油條件。在一般情況下，可將液壓泵要求的粘度作為選擇液壓油的基準(zhǔn)，見表2-2所示。4.液壓油的選用

條件液壓泵類型運動粘度(40℃)/mm2·s-1環(huán)境溫度5～40℃時運動粘度(40℃)/mm2·s-1

環(huán)境溫度40～80℃時葉片泵7MPa以下30～5040～757MPa以上50～7055～90齒輪泵30～7095～165柱塞泵30～5065～240表2-2按液壓泵類型推薦用油粘度

⑶按液壓系統(tǒng)工作壓力選用：工作壓力較高時，宜選用粘度較高的油，以免系統(tǒng)泄漏過多，效率過低；工作壓力較低時，宜用粘度較低的油，這樣可以減少壓力損失，例如機床工作壓力一般低于6.3MPa，采用(20～60)×10-6m2／s的油液；工程機械工作壓力屬于高壓，多采用較高粘度的油液。

⑷考慮液壓系統(tǒng)的環(huán)境溫度：礦物油的粘度受溫度影響很大，為了保證在工作溫度下有較適宜的粘度，還必須考慮環(huán)境溫度的影響。當(dāng)溫度高時，宜采用粘度較高的油液；環(huán)境溫度低時，宜采用粘度較低的油液。

⑸考慮液壓系統(tǒng)的運動速度：當(dāng)液壓系統(tǒng)工作部件的運動速度很高時，油液的流速也高，液壓損失隨著增大，而泄漏相對減少，因此宜用粘度較低的油液；反之，當(dāng)工作部件運動速度較低時，每分鐘所需的油量很小，這時泄漏相對較大，對系統(tǒng)的運動速度影響也較大，所以宜選用粘度較高的油液。

⑹選擇合適的液壓油品種：液壓系統(tǒng)使用的油液品種很多，主要有機械油、變壓器油、汽輪機油、通用液壓油、低溫液壓油、抗燃液壓油和抗磨液壓油等。機械油最為廣泛采用。如果溫度較低或溫度變化較大時，應(yīng)選擇粘溫特性好的低溫液壓油；若環(huán)境溫度較高且有防火要求，則應(yīng)選擇抗燃液壓油；如果設(shè)備長期在重載下工作，為減少磨損，可選用抗磨液壓油。選擇合適的液壓油品種可以保證液壓系統(tǒng)的正常工作，減少故障發(fā)生，還可以提高設(shè)備使用壽命。

液壓油污染是液壓系統(tǒng)故障的主要原因，據(jù)統(tǒng)計液壓系統(tǒng)故障至少70％是油液污染造成的。因此液壓油的正確使用、管理和防污是保證液壓系統(tǒng)正?？煽抗ぷ鞯闹匾矫?。

1.油液污染的主要原因液壓油污染造成液壓系統(tǒng)故障。其主要原因表現(xiàn)為：

1)油液在煉制、運輸和儲存過程中受到了污染。

2)液壓系統(tǒng)在加工、裝配、存儲、運輸過程中灰塵、焊渣、型砂、切屑、磨料等殘留物造成了污染。

3)液壓系統(tǒng)運行中由于油箱密封不完善以及元件密封裝置損壞而由系統(tǒng)外部侵入污染物造成污染。

4)液壓系統(tǒng)運行中自身產(chǎn)生的污染物，如金屬及密封件因磨損而產(chǎn)生的顆粒，油液氧化變質(zhì)生成物也都會造成油液的污染。5.液壓油污染控制措施

2.油液污染的危害液壓系統(tǒng)中污染物主要有固體顆粒、水、空氣、化學(xué)物質(zhì)、微生物等雜物。其中固體顆粒性污垢是引起污染危害的主要原因。

1)固體顆粒會使泵的滑動部分(如葉片泵中的葉片和葉片槽、轉(zhuǎn)子端面和配油盤)磨損加劇，縮短泵的使用壽命；對于閥類元件，污垢顆粒會加速閥芯和閥體的磨損，甚至使閥芯卡死，把節(jié)流孔和阻尼孔堵塞，從而使閥的性能下降、變壞、甚至動作失靈；對于液壓缸，污垢顆粒會加速密封件的磨損，使泄漏增大；當(dāng)油液中的污垢堵塞過濾器的濾孔時，會使泵吸油困難、回油不暢，產(chǎn)生氣蝕、振動和噪聲。

2)水的侵入加速了液壓油的氧化，并且和添加劑起作用，產(chǎn)生粘性膠質(zhì)，使濾芯堵塞。

3)空氣的混入能降低油液的體積模量，引起氣蝕，降低其潤滑性能。

4)微生物的生成使油液變質(zhì)，降低潤滑性能，加速元件腐蝕。

3.油液污染的控制措施對液壓油進行良好的管理，保證液壓油的清潔，對于保證設(shè)備的正常運行，提高設(shè)備使用壽命有著非常重要的意義。對液壓油的污染控制工作概括起來有兩個方面：一是防止污染物侵入液壓系統(tǒng)；二是把已經(jīng)侵入的污染物從系統(tǒng)中清除出去。污染控制貫穿于液壓系統(tǒng)的設(shè)計、制造、安裝、使用、維修等各個環(huán)節(jié)。在實際工作中污染控制主要有以下措施：

1)油液使用前保持清潔。液壓油進廠前必須取樣檢驗，加入油箱前應(yīng)按規(guī)定進行過濾。貯運液壓油的容器應(yīng)清潔、密封，系統(tǒng)中漏出來的油液未經(jīng)過濾不得重新加入油箱。

2)合理選用液壓元件和密封元件，減少污染物侵入的途徑。裝配前所有液壓元件及零件應(yīng)徹底清洗，特別是細管、細小盲孔及死角的鐵屑、銹片和灰塵、沙粒等應(yīng)清洗干凈。在確保液壓傳動系統(tǒng)性能的前提下，盡量少用液壓元件，減少管路的連接和泄漏。

3)液壓系統(tǒng)在裝配后、運行前保持清潔。液壓元件加工和裝配時要認真清洗和檢驗，裝配后進行防銹處理。油箱、管道和接頭應(yīng)去除毛刺、焊渣后進行酸洗以去除表面氧化物。液壓系統(tǒng)裝配好后應(yīng)做循環(huán)沖洗并進行嚴格檢查后再投入使用。

4)注意液壓油在工作中保持清潔。液壓油在工作中會受到環(huán)境的污染，所以采用密封油箱或在通氣孔上加裝高效能空氣濾清器，可避免外界雜質(zhì)、水分的侵入。合理選用過濾器，是防止雜質(zhì)污染油液的非常重要措施。根據(jù)設(shè)備的要求、使用場合在液壓系統(tǒng)中選用不同的過濾方式、不同精度和結(jié)構(gòu)的濾油器，并對濾油器定期檢查、清洗。

5)系統(tǒng)中使用的液壓油應(yīng)定期檢查、補充、更換。

6)控制液壓油的工作溫度，防止過高油溫造成油液氧化變質(zhì)。

液體靜力學(xué)主要研究靜止液體所具有的力學(xué)規(guī)律。所謂靜止液體是指液體內(nèi)部質(zhì)點與質(zhì)點之間沒有相對運動，而液體整體則完全可以隨同容器一起作各種勻速運動。1.4.2液體靜力學(xué)基礎(chǔ)

。1.靜止液體的壓力及其性質(zhì)

(1)液體的壓力液體單位面積上所受到的法向作用力，常用p來表示。壓力的單位為Pa或MPa，1MPa=106Pa，計算公式為式中F——法向作用力（N）；

A——承壓面積（m2）。在這里壓力與壓強的概念相同，物理學(xué)中稱為壓強，工程實際中稱為壓力。靜止液體壓力具備兩個重要特性：

1)壓力的方向沿著承壓面的內(nèi)法線方向；2)流體內(nèi)任一點上各個方向的壓力相等。

在重力作用下靜止液體表面受壓力p0的作用,如圖2-3所示。如果（2）液體靜壓力液體處于靜止?fàn)顟B(tài)下的壓力稱為液體靜壓力。在液壓傳動中所指壓力都是指液體的靜壓力。圖2-3重力作用下的靜止液體求液體內(nèi)任意一點A的壓力p，可從液面向下取一微小圓柱，其高度為h，底面積為ΔA，則該圓柱除受側(cè)面力外，上表面受力為p0ΔA，下表面所受力pΔA，液體所受重力為ρghΔA，作用在圓柱的質(zhì)心上。小圓柱在這些力的作用下處于平衡狀態(tài)，于是在垂直方向上力應(yīng)平衡。平衡方程式為式中g(shù)——重力加速度；

ρ——液體的密度。

由式（2-10）簡化后，得液體靜力學(xué)基本方程式

如果液面上所受壓力為大氣壓時（p0=pa），則式中pa

——大氣壓力。由式可知：液體的靜壓力是由液體的自重和液體表面受到的外力產(chǎn)生的。

靜壓力特性：

1)靜止液體內(nèi)任意一點的壓力由液面上的壓力（p0=F/A）和液體重力引起的壓力ρgh兩部分組成；

2)靜止液體內(nèi)的壓力隨深度增加而增大；

3)液面深度相等，其靜壓力相等。壓力相等的點組成的面叫做等壓面。在重力作用下等壓面是水平面。

2.帕斯卡原理

靜止液體，當(dāng)其液面上的壓力發(fā)生變化時，液體內(nèi)部任一點的壓力均將發(fā)生相同的變化，即：在密封容器內(nèi)，靜止液體任一點的壓力將等值地傳遞到液體內(nèi)部各點。這就是靜止液體中的壓力傳遞原理，即帕斯卡原理。在液壓傳動系統(tǒng)中，通常由外力產(chǎn)生的壓力要比液體自重形成的壓力大的多，可以忽略ρgh影響，即認為靜止液體中的壓力處處相等。

液體壓力表示方法有兩種：一種是以絕對真空為基準(zhǔn)表示的絕對壓力；另一種是以大氣壓力為基準(zhǔn)表示的相對壓力。絕大多數(shù)壓力儀表所測得的壓力是相對壓力，所以也稱為表壓力。在液壓系統(tǒng)中，沒有特別說明的壓力均指相對壓力。絕對壓力和相對壓力的關(guān)系為

絕對壓力＝大氣壓力＋相對壓力當(dāng)液體中某處絕對壓力低于大氣壓力(即相對壓力為負值)時，習(xí)慣上稱該處具有真空，絕對壓力小于大氣壓力的那部分數(shù)值用普通壓力表無法測量，而要用真空計或真空表來測量，所以稱為真空度。它們的關(guān)系為

真空度＝大氣壓力—絕對壓力

絕對壓力、相對壓力和真空度的相互關(guān)系如圖2-4所示。4.壓力表示方法圖2-4絕對壓力、相對壓力和真空度的關(guān)系例1

如圖2-5所示為裝有水銀的U形管測壓計，左端與水的容器相連，右端與大氣相通。汞的密度為ρ汞=13.6×103kg／m3，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1atm=101325Pa。

1)如圖2-5a，已知h=20cm，h1=30cm，試計算A點的相對壓力和絕對壓力。

2)如圖2-5b，已知h1=15cm，h2=30cm，試計算A點的真空度和絕對壓力。圖2-5U形管測壓計上式求得是相對壓力，A點的絕對壓力是解：a）圖取B-B′面為等壓面，列靜力學(xué)方程，即b）圖取C-C′面為等壓面，pC壓力等于大氣壓pa，列靜力學(xué)方程，即上式求得是絕對壓力，A點的真空度是5.液體對固體壁面的作用力

當(dāng)固體壁面為平面時，液體對固體壁面上的作用力F等于液體壓力p與該平面面積A的乘積,即

當(dāng)固體壁面是曲面時，液體作用于曲面某x方向上的作用力等于液體壓力p與曲面在該方向投影面積Ax

的乘積，即

本節(jié)主要研究液體流動時的流動狀態(tài)、運動規(guī)律及能量轉(zhuǎn)化等問題。并介紹幾個基本方程，即連續(xù)性方程、能量方程(伯努利方程)和動量方程。它們是液體動力學(xué)基礎(chǔ)，也是液壓技術(shù)分析問題和設(shè)計計算的理論依據(jù)。1.4.3液體動力學(xué)基礎(chǔ)1.基本概念

(2)穩(wěn)定流動和非穩(wěn)定流動液體流動時，如果任意點處的壓力、流速和密度都不隨時間變化而變化，則這種流動稱作穩(wěn)定流動，否則，稱作非穩(wěn)定流動。如圖2-6a所示,由于水箱中的水位保持不變，1-1’、2-2’截面處的壓力、流速和密度都不隨時間變化而變化，故1-1＇、2-2＇截面處為穩(wěn)定流動。如圖2-6b所示

(1)理想液體和實際液體粘性對液體的流動將產(chǎn)生一定的影響，若考慮這種影響，將使問題變得復(fù)雜。為了分析問題的方便清晰，首先假設(shè)液體是沒有粘性的，然后再考慮粘性的影響并進行修正。所以把既無粘性又不可壓縮的液體叫做理想液體，而把實際上既有粘性又可壓縮的液體叫做實際液體。

由于水箱中的水位隨時間而變化，1-1‘、2-2’截面處的壓力、流速和密度都隨時間變化而變化，故1-1＇、2-2＇截面處為非穩(wěn)定流動。在液壓系統(tǒng)中液體流動通常是穩(wěn)定流動狀態(tài)。圖2-6穩(wěn)定流動和非穩(wěn)定流動a）穩(wěn)定流動b）非穩(wěn)定流動1—水箱2—進水管3—溢流口4—出水管A、B—閥門

(3)流量單位時間內(nèi)流過通流截面液體的體積，用符號q表示，單位為m3／s，在工程中常用L／min,1L/min=1/6×10-4m3/s。

(4)流速通常所說的流速均指平均流速，是假想液體經(jīng)過通流截面的流速是均勻分布的，用符號

v表示，單位為m/s。用平均流速計算流量，則有式中A——垂直于液體流動方向的通流截面的面積。(5)液體的流動狀態(tài)液體的流動狀態(tài)分為層流和紊流，這一現(xiàn)象可通過雷諾實驗觀察。

1)雷諾實驗，人們?yōu)榱颂剿髁黧w摩擦阻力的規(guī)律，研究了液體流動過程中的物理現(xiàn)象，1883年著名的雷諾(Reynoids)實驗揭示了液體流動時存在著兩種不同的流動狀態(tài)——層流和紊流。如圖2-7所示為雷諾實驗裝置示意圖。在透明水箱內(nèi)，水面下部安裝一根帶有喇叭形進口的玻璃管，管的下游裝有閥門以便調(diào)節(jié)管內(nèi)水的流速。水箱的液面始終保持不變，使液體作穩(wěn)定流動。玻璃管的喇叭形口中心有一根針形小管，紅色液體由針管流出，紅色液體的密度ρ與水的密度ρ幾乎相同。

實驗結(jié)果表明當(dāng)玻璃管內(nèi)水的流速較小時，管中心的紅色液體呈現(xiàn)一根平穩(wěn)的細線流，沿著玻璃管的軸線流過全管，如圖2-7a所示。隨著水的流速增大至某個值后，紅色液體的細線開始抖動、彎曲，呈現(xiàn)波浪形，如圖2-7b所示，速度再增大，細線被沖散、斷裂，最后使全管內(nèi)水的顏色均勻一致，如圖2-7c所示。圖2-7雷諾實驗裝置示意圖a）層流b）過度流c）紊流

雷諾實驗揭示了液體流動有兩種截然不同的狀態(tài)。一種相當(dāng)于圖2-7a的流動，稱為層流，液體流動呈現(xiàn)層狀；另一種相當(dāng)于圖2-7b、c的流動，稱為紊流，液體流動呈現(xiàn)混雜狀。層流時粘性力起主導(dǎo)地位，液體質(zhì)點受粘性的約束，流動時能量損失??；紊流時慣性力起主導(dǎo)作用，粘性力的制約作用減弱，流動時能量損失大。

2)判別液體的流態(tài)是層流或紊流，可通過雷諾數(shù)Re

來判斷。液體在圓管中流動時的雷諾數(shù)

Re與管道的直徑和液體流速成正比而與運動粘度成反比，即

式中

v——管道內(nèi)液體的流動速度；

d——圓形管道的直徑；

ν——液體的運動粘度。

液體的流動狀態(tài)是層流或紊流，由臨界雷諾數(shù)Rec決定。當(dāng)雷諾數(shù)Re＜Rec時，流動狀態(tài)為層流；當(dāng)雷諾數(shù)Re＞Rec時，流動狀態(tài)為紊流。通過實驗得出常用管道的臨界雷諾數(shù)見表2-3。管道Rec管道Rec光滑金屬圓管2320帶環(huán)槽的同心環(huán)狀縫隙700橡膠軟管1600～2000帶環(huán)槽的偏心環(huán)狀縫隙400光滑的同心環(huán)狀縫隙1100圓柱形滑閥閥口260光滑的偏心環(huán)狀縫隙1000錐閥閥口20～100表2-3常用管道的臨界雷諾數(shù)Rec

對于非圓截面的管道來說，雷諾數(shù)Re可用下式計算式中dH——為管道截面的水力直徑，其值與通流截面的有效面積A

和濕周長度x(通流截面上與液體接觸的固體壁面的周界長度)的關(guān)系式，即

水力直徑大，液體流動時與管壁接觸少，阻力小，通流能力大；水力直徑小，液體流動時與管壁接觸多，阻力大，通流能力小，容易堵塞。一般液壓傳動系統(tǒng)所用液體為礦物油，粘度較大，且管中流速不大，多屬層流。只有當(dāng)液體流經(jīng)閥口或彎頭等處時才會形成紊流。

當(dāng)液體在管道中作穩(wěn)定流動時，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，管內(nèi)液體的質(zhì)量不會增多也不會減少，因而在單位時間內(nèi)液體流經(jīng)管道任意截面的質(zhì)量相等，這就是液體的質(zhì)量守恒定律，也稱液流的連續(xù)性定律。

如圖2-8所示為液體在直徑不同的管道中流動時的情況。若在管道上取l-1′通流截面，其通流截面的面積為A1，液體的平均流速為V1；若在管道上取2-2′通流截面，其通流截面的面積為A2，液體的平均流速為V2，液體的密度為ρ。2.連續(xù)性方程

由式可知：液體在同一管道中作穩(wěn)定流動時，流量是一個常數(shù)，管道截面越大處流速越小，管道截面越小處流速越大。根據(jù)質(zhì)量守恒有常數(shù)即液體流動的連續(xù)性方程為常數(shù)圖2-9伯努利方程示意圖

設(shè)密度為ρ的液體在通道內(nèi)流動如圖2-9所示?，F(xiàn)任取兩通流截面1-1’和2-2’為研究對象，兩截面至水平參考面的距離分別為h1和h2，兩截面處液體的流速分別為vl和v2，壓力分別為p1和p2。

（1）理想液體的伯努利方程由于理想液體無粘性，在管道中作穩(wěn)定流動時就不存在能量損失，這樣同一管道中任意截面上的總能量都應(yīng)相等，這就是能量守恒定律。3.伯努利方程

根據(jù)能量守恒定律可導(dǎo)出重力作用下液體在通道內(nèi)穩(wěn)定流動時方程，即或在通道內(nèi)任意截面，則有=常數(shù)式中——單位重量液體的壓力能（壓力頭）；

上式稱為伯努利方程，其物理意義表示：理想液體在重力場作穩(wěn)定流動時，具有壓力能、位能和動能三種形式，它們之間可以互相轉(zhuǎn)化，且總和保持不變。h——單位重量液體的的位能（位置頭）；——單位重量液體的的動能（速度頭）。（2）實際液體的伯努利方程實際液體存在著粘性，流動時會產(chǎn)生能量損失，同時管道局部形狀和尺寸的變化也會引起能量損失，能量損失的大小用hw表示，故對理想液體的伯努利方程進行修正，此時伯努利方程為（2-23）式中hw——液體由截面1-1’流到截面2-2’時引起的能量損失；

α1、α2——動能修正系數(shù)，紊流時α=1，層流時α=2。例2

如圖2-10所示，液壓泵的流量q=32L／min,吸油管內(nèi)徑d=20mm,液壓泵吸油口距離液面高度h=500mm,液壓油的運動粘度為20×10-6m2／s，密度900kg／m3，不計壓力損失（hW=0），求液壓泵吸油口的真空度？解：吸油管內(nèi)油液流動的速度：=1.7m/s液壓油在吸油管中的流動狀態(tài)即真空度

由此可見，泵吸油口的真空度主要是克服位置和速度引起的壓力損失以及摩擦引起的壓力損失，因此，泵口不要離液面過高，以防產(chǎn)生吸空現(xiàn)象。

查表2-3知，光滑金屬圓管Rec=2320＞Re=1700，故流動狀態(tài)為層流，