液壓傳動基本知識

第一章

液壓傳動基本知識

§1-1液壓傳動工作介質§1-2液體靜力學§1-3液體動力學復習

一、液壓傳動概念

所謂液壓傳動，是指利用高壓的液體經由一些機件控制之后來傳遞運動和動力。二、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。它由電動機帶動，是將機械能轉換成液體壓力能的裝置。

二、液壓裝置的組成

(2)執(zhí)行元件。液壓系統(tǒng)最終目的是要推動負載運動，一般執(zhí)行元件可分為液壓缸與液壓馬達（或擺動缸）兩類；液壓缸使負載作直線運動，液壓馬達（或擺動缸）使負載轉動（或擺動）。

(3)控制元件。液壓系統(tǒng)除了讓負載運動以外，還要完全控制負載的整個運動過程。在液壓系統(tǒng)中，用壓力閥來控制力量，流量閥來控制速度，方向閥來控制運動方向。

(4)輔助元件。用來儲存液壓油的油箱，為了增強液壓系統(tǒng)的功能尚需有去除油內雜質的過濾器，防止油溫過高的冷卻器及蓄能器等液壓輔助元件。三、液壓傳動的優(yōu)缺點

液壓傳動有如下特點。

1.優(yōu)點

(1)體積小，輸出力大。

(2)不會有過負載的危險。

(3)輸出力調整容易。(4)速度調整容易。(5)易于自動化。

2.缺點

(1)接管不良造成液壓油外泄，它除了會污染工作場所外，還有引起火災的危險。

(2)油溫上升時，粘度降低；油溫下降時，粘度升高。油的粘度發(fā)生變化時，流量也會跟著改變，造成速度不穩(wěn)定。

2.缺點

(3)系統(tǒng)將馬達的機械能轉換成液體壓力能，再把液體壓力能轉換成機械能來做功，能量經兩次轉換損失較大，能源使用效率比傳統(tǒng)機械的低。

(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。

1.1流體的主要物理性質

統(tǒng)計表明，液壓系統(tǒng)發(fā)生的故障有90%是由于使用管理不善所致。液壓油過濾與處理是液壓系統(tǒng)使用管理中的重點項目之一，不僅是減少系統(tǒng)故障的重要途徑，也是提高使用管理水平的一個標志。1.1流體的主要物理性質

在液壓系統(tǒng)中，液壓油液是傳遞動力和信號的工作介質。同時，它還起著潤滑、冷卻和防銹的作用。液壓系統(tǒng)能否可靠、有效地工作，在很大程度上取決于系統(tǒng)中所用的液壓油液（如油液污染，堵塞閥口）。一、密度

密度—-單位體積液體的質量。

ρ=m/vkg/m3

密度隨著溫度或壓力的變化而變化，但變化不大，通常忽略。 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。

二、閃火點 油溫升高時，部分油會蒸發(fā)而與空氣混合成油氣，此油氣所能點火的最低溫度稱為閃火點，如繼續(xù)加熱，則會連續(xù)燃燒，此溫度稱為燃燒點。

三、粘度 流體流動時，沿其邊界面會產生一種阻止其運動的流體摩擦作用，這種產生內摩擦力的性質稱為粘性。液壓油粘性對機械效率、磨耗、壓力損失、容積效率、漏油及泵的吸入性影響很大。

三、粘度 粘性可分為動力粘度和運動粘度和相對三種。1、動力粘度式中，τ表示剪應力（g/cm2）；μ表示動力粘度，單位為帕﹒秒稱為牛頓流體內摩擦定律液體的粘性示意圖

2、運動粘度ν表示運動粘度；ρ表示密度（g/cm2）。粘度是液壓油的性能指標。習慣上使用運動粘度標志液體的粘度，例如機械油的牌號就是用其在40℃時的平均運動粘度（mm2/s）。

運動粘度單位說明：∵單位中只有長度和時間量綱類似運動學量。∴稱運動粘度，常用于液壓油牌號標注液壓油牌號標注：老牌號——20號液壓油，指這種油在50°C時的平均運動粘度為20cst。新牌號——L—HL32號液壓油，指這種油在40°C時的平均運動粘度為32cst。3、相對粘度0E∵μ、ν不易直接測量，只用于理論計算∴常用相對粘度

相對粘度又稱條件粘度，是在某一條件下測得的。這些相對粘度測試方法很簡單、方便，但精度不太高。

關系式工程上“相對粘度”μ或v

換算恩氏度0E——

中國、德國、前蘇聯(lián)等用賽氏秒SSU——

美國用雷氏秒R——

英國用口決：美塞英雷中德恩換算關系：

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、效率降低等問題；溫度下降，粘度增加，造成流動困難及泵轉動不易等問題。如運轉時油液溫度超過60℃，就必須加裝冷卻器，因油溫在60℃以上，每超過10℃，油的劣化速度就會加倍。幾種國產液壓油的粘度—溫度曲線

四、壓縮性 液壓油在低、中壓時可視為非壓縮性液體，但在高壓時壓縮性就不可忽視了，純油的可壓縮性是鋼的100～150倍。壓縮性會降低運動的精度，增大壓力損失而使油溫上升，壓力信號傳遞時，會有時間延遲，響應不良的現(xiàn)象。

五、其他性質穩(wěn)定性、抗泡沫性、抗乳化性、防銹性、潤滑性以及相容性等。1）粘度和壓力的關系∵P↑，F(xiàn)↑，μ↑∴μ隨p↑而↑，壓力較小時忽略，32Mpa以上才考慮2）粘度和溫度的關系∵溫度↑，內聚力↓，μ↓∴粘度隨溫度變化的關系叫粘溫特性，粘度隨溫度的變化較小，即粘溫特性較好。液壓油的用途

(1)傳遞運動與動力。將泵的機械能轉換成液體的壓力能并傳至各處，由于油本身具有粘度，因此，在傳遞過程中會產生一定的動力損失。(2)潤滑。液壓元件內各移動部位都可受到液壓油充分潤滑，從而降低元件磨耗。(3)密封。油本身的粘性對細小的間隙有密封的作用。(4)冷卻。系統(tǒng)損失的能量會變成熱，被油帶出。

液壓油的種類

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

2.耐火性液壓油 耐火性液壓油是專用于防止有引起火災危險的乳化型液壓油，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）的潤滑性差，會侵蝕油封和金屬；油中水滴型（W/O）化學穩(wěn)定性很差。對液壓油的要求

1、液壓油的任務工作介質—傳遞運動和動力潤滑劑—潤滑運動部件2、對液壓油的要求1）具有適當?shù)恼扯扰c良好的粘溫特性；粘度是液壓油的重要性能指標，直接影響系統(tǒng)運動部件的潤滑、油泵的吸入特性、縫隙漏泄、壓力損失以及系統(tǒng)發(fā)熱等。在使用范圍內，油液粘度隨溫度的變化愈小愈好。粘度指數(shù)一般不要低于90。對液壓油的要求

2）除具有良好的潤滑性外，還要有足夠的油膜強度，運動副在高速高壓下，避免產生干摩擦。3）對人體無害，對環(huán)境污染小，成本低，價格便宜。

液壓油的選用 液壓油有很多品種，可根據(jù)不同的使用場合選用合適的品種，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。

液壓油的選用

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，當壓力p=7.0～20.0MPa時，宜選用N46～N100的液壓油；當壓力p＜7.0MPa

時，宜選用N32～N68的液壓油。

2)運動速度 執(zhí)行機構運動速度較高時，為了減小液流的功率損失，宜選用粘度較低的液壓油。

3)液壓泵的類型 在液壓系統(tǒng)中，對液壓泵的潤滑要求苛刻，不同類型的泵對油的粘度有不同的要求，具體可參見有關資料。

液壓油的污染與保養(yǎng) 液壓油使用一段時間后會受到污染，常使閥內的閥芯卡死，并使油封加速磨耗及液壓缸內壁磨損。造成液壓油污染的原因有污染、惡化、泄漏三個方面。

1)污染 （1）外部侵入的污物：液壓設備在加工和組裝時殘留的切屑、焊渣、鐵銹等雜物混入所造成的污物，只有在組裝后立即清洗方可解決。 （2）外部生成的不純物：泵、閥、執(zhí)行元件、“O”形環(huán)長期使用后，因磨損而生成的金屬粉末和橡膠碎片在高溫、高壓下和液壓油發(fā)生化學反應所生成的膠狀污物。

2)惡化 液壓油的惡化速度與含水量、氣泡、壓力、油溫、金屬粉末等有關，其中以溫度影響為最大，故液壓設備運轉時，須特別注意油溫之變化。

3)泄漏 液壓設備配管不良、油封破損是造成泄漏的主要原因，泄漏發(fā)生時，空氣、水、塵埃便可輕易地侵入油中，故當泄漏發(fā)生時，必須立即加以排除。 液壓油經長期使用，油質必會惡化，一般采用目視法判定油質是否惡化，當油的顏色混蝕并有異味時，須立即更換。液壓油的保養(yǎng)方法有兩種：一種是定期更換（約為5000～20000小時）；另一種是使用過濾器定期過濾。

1.2流體靜力學基礎一、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。靜壓力在液壓傳動中簡稱壓力,在物理學中則稱為壓強。 靜止液體中某點處微小面積ΔA上作用有法向力ΔF,則該點的壓力定義為

若法向作用力F均勻地作用在面積A上,則壓力可表示為

我國采用法定計量單位Pa來計量壓力,1Pa=1N/m2，

液壓技術中習慣用MPa（N/mm2）,

在企業(yè)中還習慣使用bar（kgf/cm2）作為壓力單位，

各單位關系為1MPa=106Pa＝10bar。

液體靜壓力有如下兩個重要特性:(1)液體靜壓力垂直于承壓面,其方向和該面的內法線方向一致。這是由于液體質點間的內聚力很小,不能受拉只能受壓所致。(2)靜止液體內任一點所受到的壓力在各個方向上都相等。如果某點受到的壓力在某個方向上不相等,那么液體就會流動,這就違背了液體靜止的條件。

液體靜壓力的基本方程在靜止不動的液體中有如圖所示的一個高度為h,底面積為ΔA的假想微小液柱。表面上的壓力為p0，其在A點的壓力為p=p0+ρgh

離液面h深處的壓力

p=p0+ρgh為靜壓力的基本方程，此式表明：(1)靜止液體中任何一點的靜壓力為作用在液面的壓力p0和液體重力所產生的壓力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。

【例1-1】如圖所示，容器內盛有油液。已知油的密度ρ=900kg/m3，活塞上的作用力F=1000N，活塞的面積A=1×10-3m2，假設活塞的重量忽略不計。問活塞下方深度為h=0.5m處的壓力等于多少？

圖1-3靜止液體內的壓力

解：活塞與液體接觸面上的壓力均勻分布，有

根據(jù)靜壓力的基本方程式，深度為h處的液體壓力為

從本例可以看出：液體在受外界壓力作用的情況下，液體自重所形成的那部分壓力ρgh相對甚小，在液壓系統(tǒng)中常可忽略不計，因而可近似認為整個液體內部的壓力是相等的。以后我們在分析液壓系統(tǒng)的壓力時，一般都采用這一結論。

二、絕對壓力、表壓力及真空度 以當?shù)卮髿鈮毫at(atomosphere)為基準所表示的壓力稱為表壓力p(又稱相對壓力)； 以絕對零壓力作為基準所表示的壓力稱為絕對壓力pabs

。

若液體中某點處的絕對壓力小于大氣壓力，則此時該點的絕對壓力比大氣壓力小的那部分壓力值，稱為真空度。真空度=大氣壓力-絕對壓力

注意：如不特別指明，液、氣壓傳動中所提到的壓力均為表壓力。

絕對壓力、表壓力和真空度的關系真空度=大氣壓力-絕對壓力

三、帕斯卡原理 在密封容器內，施加于靜止液體上的各點壓力將以等值同時傳遞到液體內各點，容器內壓力方向垂直于內表面，

容器內的液體各點壓力為

上式建立了一個很重要的概念，即：在液壓傳動中工作的壓力取決于負載，而與流入的流體多少無關。四、連續(xù)定理

§1-3液體動力學1、理想液體：既無粘性又不可壓縮的液體。2、穩(wěn)流：液體在流動時，通過任一通流橫截面的速度、壓力和密度不隨時間改變的流動稱為穩(wěn)流；3、非穩(wěn)流：速度、壓力和密度其中一項隨時間改變的，就稱為非穩(wěn)流。

4、流量—單位時間內流過某通流截面液體體積q。5、平均流速—通流截面上各點均勻分布假想流速。6、連續(xù)定理

對穩(wěn)流而言，液體以穩(wěn)流流動通過管內任一截面的液體質量必然相等。如圖所示管內兩個流通截面面積為A1和A2，流速分別為v1和v2，則通過任一截面的流量Q為Q=Av=A1v1=A2v2=常數(shù)管路中液體的流量對各截面而言皆相等

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/minQ=Av=A1v1=A2v2=常數(shù)

稱為連續(xù)定理，此式還得出另一個重要的基本概念，即運動速度取決于流量，而與流體的壓力無關。

【例1-2】圖所示為相互連通的兩個液壓缸，已知大缸內徑D=100mm，小缸內徑d=20mm，大活塞上放一質量為5000kg的物體G。問:(1)在小活塞上所加的力F有多大才能使大活塞頂起重物？(2)若小活塞下壓速度為0.2m/s，大活塞上升速度是多少?

解(1)物體的重力為

G=mg=5000kg×9.8m/s2

=49000kg·m/s2=49000N

根據(jù)帕斯卡原理，因為外力產生的壓力在兩缸中均相等，即

解(2)由連續(xù)定理： Q=Av=常數(shù) 故大活塞上升速度為五、伯努利方程—能量守恒定律1、能量守恒定律：理想液體在管道中穩(wěn)定流動時，根據(jù)能量守恒定律，同一管道內任一截面上的總能量應該相等?；颍和饬ξ矬w所做的功應該等于該物體機械能的變化量。

2、伯努利定理（理想液體）：

在沒有粘性和不可壓縮的穩(wěn)流中，依能量守恒定律可得

上式稱為伯努利定理，式中，p表示壓力(Pa)；ρ表示密度(kg/m3)；v表示流速(m/s)；g表示重力加速度(m/s2)；h表示水位高度（m）。3、方程的物理意義：（1）在密閉管道內作恒定流動的理想液體具有三種形式的能量，即壓力能、位能和動能；（2）在流動過程中，三種能量之間可以互相轉化，但各個過流斷面上三種能量之和恒為定值。式中，∑Hν表示因粘性而產生的能量損失（m）。點①和點②截面的能量相等在有粘性和不可壓縮的穩(wěn)流中，依能量守恒定律得六、孔口與阻流管

液體流動時，改變流通截面面積可改變流體的壓力和流量，這就是節(jié)流閥的工作原理。

1、孔口：當l/d≤0.5時稱為孔口，其流量Q為

式中,α表示流量系數(shù)，通常取0.62～0.63。2、阻流管如圖所示，此時，l/d>4稱為阻流管，流量Q為

式中，ν表示運動粘度（St，cm2/s）。七、液體流動中的壓力和流量的損失

1．壓力損失

由于液體具有粘性，在管路中流動時又不可避免地存在著摩擦力，因此液體在流動過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。

沿程損失是當液體在直徑不變的直管中流過一段距離時，因摩擦而產生的壓力損失；

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。

總的壓力損失等于沿程損失與局部損失之和。

由于零件結構不同(尺寸的偏差與表面粗糙度的不同)，因此，要準確地計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中一個必須考慮的因素，它關系到確定系統(tǒng)所需的供油壓力和系統(tǒng)工作時的溫升，所以，生產實踐中也希望壓力損失盡可能小些。

注意：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1.3～1.5的系數(shù)來估算。

2．流量損失由于泄漏造成實際流量有所減少的現(xiàn)象稱為流量損失。

造成泄漏情況： （1）在液壓系統(tǒng)中，各液壓元件都有相對運動的表面（如液壓缸內表面和活塞外表面），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，那么高壓油就會經間隙流向低壓區(qū)，從而造成泄漏。

造成泄漏情況： （2）由于液壓元件密封不完善，因此，一部分油液也會向外部泄漏。

流量損失影響運動速度，而泄漏又難以絕對避免，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1.1～1.3的系數(shù)來估算。

八、液壓沖擊和空穴現(xiàn)象

1．液壓沖擊 在液壓系統(tǒng)中，當油路突然關閉或換向時，會產生急劇的壓力升高，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、高速運動工作部件的慣性力和某些液壓元件的反應動作不夠靈敏。 當導管內的油液以某一速度運動時，若在某一瞬間迅速截斷油液流動的通道（如關閉閥門），則油液的流速將從某一數(shù)值在某一瞬間突然降至零，此時油液流動的動能將轉化為油液擠壓能，從而使壓力急劇升高，造成液壓沖擊。高速運動的工作部件的慣性力也會引起系統(tǒng)中的壓力沖擊。

產生液壓沖擊的主要危害是：（1）產生液壓沖擊時，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、噪音，甚至會導致導管或某些液壓元件的損壞。這樣既影響了系統(tǒng)的工作質量，又會縮短系統(tǒng)的使用壽命。

產生液壓沖擊的主要危害是：（2））由于壓力沖擊產生的高壓力可能會使某些液壓元件（如壓力繼電器）產生誤動作而損壞設備。

避免液壓沖擊的主要辦法是：（1）避免液流速度的急劇變化。（2）延緩速度變化的時間，能有效地防止液壓沖擊，如將液動換向閥和電磁換向閥聯(lián)用可減少液壓沖擊，這是因為液動換向閥能把換向時間控制得慢一些。

2．空穴現(xiàn)象 在液流中當某點壓力低于液體所在溫度下的空氣分離壓力時，原來溶于液體中的氣體會分離出來而產生氣泡，這就叫空穴現(xiàn)象。

當壓力進一步減小直至低于液體的飽和蒸氣壓時，液體就會迅速汽化形成大量蒸氣氣泡，使空穴現(xiàn)象更為嚴重，從而使液流呈不連續(xù)狀態(tài)。

空穴現(xiàn)象的危害：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動到壓力較高的區(qū)域時，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；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，使液壓元件承受沖擊載荷，因此影響了其使用壽命。同時，氣泡中的氧也會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)。

發(fā)生空穴現(xiàn)象時產生的氣泡中的氧腐蝕金屬元件的表面的現(xiàn)象叫汽蝕。

減少汽蝕現(xiàn)象的方法：（1）應使液壓系統(tǒng)內所有點的壓力均高于液壓油的空氣分離壓力。例如，應注意油泵的吸油高度不能太大，吸油管徑不能太小（因為管徑過小就會使流速過快，從而造成壓力降得很低）；（2）油泵的轉速不要太高；（3）管路應密封良好；（4）油管出口應沒入油面以下等?？傊?，應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)產生各種故障的原因之一，特別在高速、高壓的液壓設備中更應注意這一點。練習一．判斷題1.工作機構的運動速度決定于一定時間內，進入液壓缸油液容積的多少和液壓缸推力的大小。2.液體在不等橫截面的管中流，液體流速和液體壓力與橫截面積的大小成反比。練習二.選擇題1.用來測量液壓系統(tǒng)中液體壓力的壓力表所指示的壓力為。（絕對壓力相對壓力真空度）2.通過管內不同截面的液流速度與其橫截面積的大小成。（正比