液壓與氣壓傳動(dòng)(第5版)

液壓與氣壓傳動(dòng)(第5版)緒論第一章液壓傳動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)第二章液壓動(dòng)力元件

第三章液壓執(zhí)行元件第四章液壓控制元件第五章液壓輔助元件第六章液壓基本回路第七章典型液壓傳動(dòng)系統(tǒng)第八章液壓伺服和電液比例控制技術(shù)第九章液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算總目錄第十章氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)第十一章氣源裝置及氣動(dòng)輔助元件第十二章氣動(dòng)執(zhí)行元件第十三章氣動(dòng)控制元件第十四章氣動(dòng)基本回路第十五章氣動(dòng)程序系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)第十六章氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)例總目錄一.液壓與氣壓傳動(dòng)的研究對(duì)象二.液壓與氣壓傳動(dòng)的工作原理三.液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的組成四.液壓與氣壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)五.液壓與氣壓傳動(dòng)的應(yīng)用及發(fā)展

緒論第一節(jié)液壓傳動(dòng)的工作介質(zhì)第二節(jié)液體靜力學(xué)第三節(jié)液體動(dòng)力學(xué)第四節(jié)定常管流的壓力損失計(jì)算第五節(jié)孔口和縫隙流量第六節(jié)空穴現(xiàn)象和液壓沖擊第一章液壓傳動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)第一節(jié)液壓傳動(dòng)的工作介質(zhì)

液壓傳動(dòng)最常用的工作介質(zhì)是液壓油，此外，還有乳化型傳動(dòng)液和合成型傳動(dòng)液等，此處僅介紹幾個(gè)常用的液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)的性質(zhì)。一、液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)的性質(zhì)

1．密度

單位體積液體的質(zhì)量稱(chēng)為液體的密度。體積為Ｖ，質(zhì)量為ｍ的液體的密度為

礦物油型液壓油的密度隨溫度的上升而有所減小，隨壓力的提高而稍有增加，但變動(dòng)值很小，可以認(rèn)為是常值。我國(guó)采用20攝氏度時(shí)的密度作為油液的標(biāo)準(zhǔn)密度，以ρ20表示。常用液壓油和傳統(tǒng)的密度如下：

以液體的靜壓能傳遞動(dòng)力的液體傳動(dòng)是以油液作為工作介質(zhì)的，為此必須了解油液的種類(lèi)﹑物理性質(zhì)，研究油液的靜力學(xué)﹑運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律，本章主要介紹這方面的內(nèi)容。常用工作介質(zhì)的密度種類(lèi)

ρ20種類(lèi)ρ20石油基液壓油850~900增粘高水基液1003水包油乳化998水—乙二醇液1060油包水乳化液932磷酸酯液1150(kg/m)3壓力為p0、體積為V0的液體，如壓力增大△p

時(shí)，體積減小△V

，則此液體的可壓縮性可用體積壓縮系數(shù)

κ，即單位壓力變化下的體積相對(duì)變化量來(lái)表示由于壓力增大時(shí)液體的體積減小，因此上式右邊須加一負(fù)號(hào)，以使成為正值。液體體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)，稱(chēng)為體積彈性模量Ｋ，簡(jiǎn)稱(chēng)體積模量。即Ｋ=１/

κ。2．可壓縮性封閉在容器內(nèi)的液體在外力作用下的情況就如一彈簧：外力增大，體積減?。煌饬p小，體積增大。其彈簧剛度κh，在液體承壓面積A不變時(shí)，可以通過(guò)壓力變化△P=△F/A和體積變化△V=A△L求出，即液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)的可壓縮性對(duì)動(dòng)態(tài)工作的液壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)影響極大；但當(dāng)液壓系統(tǒng)在靜態(tài)下（穩(wěn)態(tài)）工作時(shí)，一般可以不予考慮。3.粘性液體在外力作用下流動(dòng)（或有流動(dòng)趨勢(shì)）時(shí)，分子間的內(nèi)聚力要阻止分子相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的一種內(nèi)摩擦力，這種現(xiàn)象就叫粘性。靜止液體是不會(huì)有粘性的。液體流動(dòng)時(shí)相鄰液層間的內(nèi)摩擦力Ft

與液層接觸面積A﹑液層間的速度梯度du/dy成正比即式中μ為比例常數(shù)，稱(chēng)為粘性系數(shù)或粘度。粘度是衡量液體粘性的標(biāo)準(zhǔn)。粘度μ稱(chēng)動(dòng)力粘度，單位Pa

s（帕秒）。以前沿用的單位為P（泊，dynes/cm）.液體的動(dòng)力粘度與其密度的比值，成為運(yùn)動(dòng)粘度υ，即υ＝μ/ρ，單位m/s。以前沿用的單位為St（斯）2.1Pas=10cP（厘泊）.321m/s=10St=10cSt（厘斯）=10mm/s24662τ為切應(yīng)力.就物理意義而言，υ不是一個(gè)粘度的量，但習(xí)慣上常用它來(lái)標(biāo)志液體粘度，液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)的粘度是以40攝氏度時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度（以mm/s）的中心值來(lái)劃分的，如某一種牌號(hào)L-HL22普通液壓油在40攝氏度時(shí)運(yùn)動(dòng)粘度的中心值為22mm/s22

液體的粘度隨液體的壓力和溫度而變，對(duì)液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)來(lái)說(shuō)，壓力增大時(shí)，粘度增大。在一般液壓系統(tǒng)使用的壓力范圍內(nèi)，增大的數(shù)值很小，可以忽略不計(jì)。右圖所示，溫度升高，粘度下降。這個(gè)變化率的大小直接影響液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)的使用，其重要性不亞于粘度本身。4.其它性質(zhì)

液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)還有其它的一些性質(zhì)，如穩(wěn)定性（熱穩(wěn)定性﹑氧化穩(wěn)定性﹑水解穩(wěn)定性﹑水解穩(wěn)定性﹑剪切穩(wěn)定性等）﹑抗泡沫性﹑抗乳化性﹑防銹性﹑潤(rùn)滑性以及相容性（對(duì)所接觸的金屬﹑密封材料﹑涂料等作用程度）、導(dǎo)熱性等，都對(duì)它的選擇和使用有重要影響，這些性質(zhì)需要在精煉的礦物油中加入各種添加劑來(lái)獲得，其含義較為明顯。2)潤(rùn)滑性能好。即油液潤(rùn)滑時(shí)產(chǎn)生的油膜強(qiáng)度高，以免產(chǎn)生干摩擦。

3)質(zhì)地純凈，雜質(zhì)少。不應(yīng)含有雜質(zhì)，以免刮傷表面。

4)對(duì)金屬和密封件有良好的相容性。不應(yīng)含有腐蝕性物質(zhì)，以免侵蝕機(jī)件和密封元件。5)對(duì)熱、氧化、水解和剪切都有良好的穩(wěn)定性。防止油液氧化后變酸性腐蝕金屬表面。

6)抗泡沫好，抗乳化性好，腐蝕性小，防銹性好。

7)體積膨脹系數(shù)小，比熱容大。

8)流動(dòng)點(diǎn)和凝固點(diǎn)低，閃點(diǎn)(明火能使油面上油蒸氣閃燃，但油本身不燃燒時(shí)的溫度)和燃點(diǎn)高。

9)對(duì)人體無(wú)害，成本低。

對(duì)軋鋼機(jī)、壓鑄機(jī)、擠壓機(jī)和飛機(jī)等液壓系統(tǒng)則須突出耐高溫、熱穩(wěn)定、不腐蝕、無(wú)毒、不揮發(fā)、防火等項(xiàng)要求。

二、對(duì)液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)的要求

不同的工作機(jī)械、不同的使用情況對(duì)液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)的要求有很大的不同；為了很好地傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)應(yīng)具備如下性能：

1)合適的粘度，較好的粘溫特性。粘度隨溫度變化越小越好。

1.分類(lèi)

液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)的品種以其代號(hào)和后面的數(shù)字組成，代號(hào)為L(zhǎng)是石油產(chǎn)品的總分類(lèi)號(hào)，H表示液壓系統(tǒng)用的工作介質(zhì)，數(shù)字表示該工作介質(zhì)的粘度等級(jí)。

2.工作介質(zhì)的選用原則

選擇液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)一般需考慮以下幾點(diǎn)：

三、工作介質(zhì)的分類(lèi)和選擇

（1）液壓系統(tǒng)的工作條件（2）液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境（3）綜合經(jīng)濟(jì)分析

四、液壓系統(tǒng)的污染控制

工作介質(zhì)的污染是液壓系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因。它嚴(yán)重影響液壓系統(tǒng)的可靠性及液壓元件的壽命，因此工作介質(zhì)的正確使用、管理以及污染控制，是提高液壓系統(tǒng)的可靠性及延長(zhǎng)液壓元件使用壽命的重要手段。

1.污染的根源

進(jìn)入工作介質(zhì)的固體污染物有四個(gè)根源：已被污染的新油、殘留污染、侵入污染和內(nèi)部生成污染。

2.污染的的危害

液壓系統(tǒng)的故障75％以上是由工作介質(zhì)污染物造成的。

3.污染的測(cè)定

污染度測(cè)定方法有測(cè)重法和顆粒計(jì)數(shù)法兩種。

4.污染度的等級(jí)

我國(guó)制定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14039-93《液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)固體顆粒污染等級(jí)代號(hào)》和目前仍被采用的美國(guó)NASl638油液污染度等級(jí)。5.工作介質(zhì)的污染控制

工作介質(zhì)污染的原因很復(fù)雜，工作介質(zhì)自身又在不斷產(chǎn)生污染物，因此要徹底解決工作介質(zhì)的污染問(wèn)題是很困難的。為了延長(zhǎng)液壓元件的壽命，保證液壓系統(tǒng)可靠地工作，將工作介質(zhì)的污染度控制在某一限度內(nèi)是較為切實(shí)可行的辦法.為了減少工作介質(zhì)的污染，應(yīng)采取如下一些措施：

(1)對(duì)元件和系統(tǒng)進(jìn)行清洗，才能正式運(yùn)轉(zhuǎn)。

(2)防止污染物從外界侵入。

(3)在液壓系統(tǒng)合適部位設(shè)置合適的過(guò)濾器。

(4)控制工作介質(zhì)的溫度，工作介質(zhì)溫度過(guò)高會(huì)加速其氧化變質(zhì)，產(chǎn)生各種生成物，縮短它的使用期限。

(5)定期檢查和更換工作介質(zhì)，定期對(duì)液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)進(jìn)行抽樣檢查，分析其污染度，如已不合要求，必須立即更換。更換新的工作介質(zhì)前，必須對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)徹底清洗一遍。

一、液體靜壓力及其特性二、液體靜壓力基本方程三、壓力的表示方法及單位四、帕斯卡原理五、液體靜壓力對(duì)固體壁面的作用力第二節(jié)

液體靜力學(xué)一、液體靜壓力及其特性（一）液體的靜壓力

作用在液體上的力有兩種類(lèi)型：質(zhì)量力和表面力。前者作用在液體的所有質(zhì)點(diǎn)上，如重力、慣性力等,數(shù)值上等于加速度；后者作用在液體的表面上，如切向力和法向力。表面力可能是容器作用在液體上的外力，也可能是來(lái)自另一部分液體的內(nèi)力。

靜止液體在單位面積上所受的法向力稱(chēng)為靜壓力。如果在液體內(nèi)部某點(diǎn)處微小面積ΔA上作用有法向力ΔF，則ΔF/ΔA的極限定義為該點(diǎn)處的靜壓力，用p表示，即

若在液體的面積A上受均勻分布的作用力F，則靜壓力可表示為

液體靜壓力在物理學(xué)上稱(chēng)為壓強(qiáng)，在工程應(yīng)用中習(xí)慣稱(chēng)為壓力。（二）液體靜壓力的特性

1)

液體靜壓力垂直于作用表面，其方向和該面的內(nèi)法線方向一致；

2)

靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)所受的靜壓力在各個(gè)方向上都相等。

液體靜壓力特性表明：靜止液體內(nèi)部的任何質(zhì)點(diǎn)都受平衡壓力的作用。二、靜力學(xué)基本方程（1）靜壓力基本方程式

在重力作用下的靜止液體，其受力情況如圖所示則Ａ點(diǎn)所受的壓力為式中，g為重力加速度，此表達(dá)式即為液體靜壓力的基本方程，由此式可知：

(1)靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)處的壓力由兩部分組成，一部分是液面上的壓力p0，另一部分是ρg與該點(diǎn)離液面深度h的乘積。

(2)同一容器中同一液體內(nèi)的靜壓力隨液體深度h的增加而線性地增加。

(3)連通器內(nèi)同一液體中深度h相同的各點(diǎn)壓力都相等。由壓力相等的點(diǎn)組成的面稱(chēng)為等壓面。重力作用下靜止液體中的等壓面是一個(gè)水平面。

在液壓傳動(dòng)中，液體重力引起的壓力通常很小，可以忽略不計(jì)。液體靜壓力取決于外加壓力。（2）靜壓力基本方程式的物理意義

圖為盛有液體的密閉容器，液面壓力為p0

，選則一基本水平面ox，根據(jù)靜壓力基本方程式可以確定距液面深度ｈ處Ａ點(diǎn)的壓力ｐ，即這是液體靜壓力基本方程式的另一種形式。其中z0g表示A點(diǎn)的單位質(zhì)量液體的位能；表示A點(diǎn)的單位質(zhì)量液體的壓力能。

上述表達(dá)式說(shuō)明了靜止液體中單位質(zhì)量液體的壓力能和位能可以互相轉(zhuǎn)換，但各點(diǎn)的總能量卻保持不變，即能量守恒，這就是靜壓力基本方程式中包含的物理意義。三、壓力的表示方法及單位１．壓力的表示方法

壓力的表示方法有兩種：一種是以絕對(duì)真空作為基準(zhǔn)所表示的壓力，稱(chēng)為絕對(duì)壓力；另一種是以大氣壓力作為基準(zhǔn)所表示的壓力，稱(chēng)為相對(duì)壓力。由于大多數(shù)測(cè)壓儀表所測(cè)得的壓力都是相對(duì)壓力，故相對(duì)壓力也稱(chēng)表壓力。

絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力的關(guān)系為：絕對(duì)壓力=相對(duì)壓力+大氣壓力

絕對(duì)壓力小于大氣壓時(shí),負(fù)相對(duì)壓力數(shù)值部分叫做真空度。即

真空度=大氣壓-絕對(duì)壓力=-(絕對(duì)壓力-大氣壓)

由此可知，當(dāng)以大氣壓為基準(zhǔn)計(jì)算壓力時(shí)，基準(zhǔn)以上的正值是表壓力，基準(zhǔn)以下的負(fù)值就是真空度。絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力和真空度的相互關(guān)系如上圖所示。２．壓力的單位:

法定壓力(ISO)單位稱(chēng)為帕斯卡(帕)，符號(hào)為

Pa，工程上常用兆帕這個(gè)單位來(lái)表示壓力

在工程上采用工程大氣壓，也采用水柱高或汞柱高度等，在液壓技術(shù)中，目前還采用的壓力單位有巴，符號(hào)為bar1bar

壓力的單位及其它非法定計(jì)量單位的換算關(guān)系為：

四、帕斯卡原理

在密閉容器內(nèi)，施加于靜止液體上的壓力將以等值同時(shí)傳到各點(diǎn)。這就是靜壓傳遞原理或稱(chēng)帕斯卡原理。液壓系統(tǒng)中的壓力是由外界負(fù)載決定的。

圖中垂直液壓缸、水平液壓缸的截面積分別為A1、A2，活塞上作用的負(fù)載分別為F1、F2。由于兩缸互相連通，構(gòu)成一個(gè)密閉容器，因此按帕斯卡原理，缸內(nèi)壓力到處相等，即p1≈p2，于是如果垂直液壓缸的活塞上沒(méi)有負(fù)載，則當(dāng)略去活塞自重及其他阻力時(shí)，不論怎樣推動(dòng)水平液壓缸的活塞，也不能在液體中形成壓力，這說(shuō)明缸筒內(nèi)的液體壓力是由外界負(fù)載決定的，這是液壓傳動(dòng)中的一個(gè)基本概念。五、液體靜壓力對(duì)固體壁面的作用力

靜止液體和固體壁面相接觸時(shí)，固體壁面上各點(diǎn)在某一方向上所受靜壓作用力的總和，便是液體在該方向上作用于固體壁面上的力。在液壓傳動(dòng)計(jì)算中質(zhì)量力可以忽略，靜壓力處處相等，所以可認(rèn)為作用于固體壁面上的壓力是均勻分布的。

當(dāng)固體壁面是曲面時(shí)，作用在曲面各點(diǎn)的液體靜壓力是不平行的，曲面上液壓作用力在某一方向上的分力等于液體靜壓力和曲面在該方向的垂直面內(nèi)投影面積的乘積。上圖a所示，則壓力P作用在活塞上的力F為圖b和圖c作用力為d為承受部分曲面投影圓的直徑基本概念液體流動(dòng)基本方程第三節(jié)液體動(dòng)力學(xué)理想液體既無(wú)粘性又不可壓縮的假想液體稱(chēng)為理想液體定常流動(dòng)如果液體中任一點(diǎn)的壓力、速度和密度都不隨時(shí)間變化，稱(chēng)這種流動(dòng)為定常流動(dòng)（也稱(chēng)為穩(wěn)定流動(dòng)或恒定流動(dòng)）。反之，則為非定常流動(dòng)。一維流動(dòng)當(dāng)液體整個(gè)作線形流動(dòng)時(shí)稱(chēng)為一維流動(dòng)，此時(shí)要求液流截面上各點(diǎn)的速度矢量完全相同。跡線流動(dòng)液體的某一質(zhì)點(diǎn)在某一時(shí)間間隔內(nèi)在空間的運(yùn)動(dòng)軌跡。流線流線是流場(chǎng)中這樣一些空間曲線，它表示同一瞬時(shí)流場(chǎng)中各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。流線上每一質(zhì)點(diǎn)的速度矢量與流線相切。在定常流動(dòng)時(shí)，流線的形狀不隨時(shí)間變化；在非定常流動(dòng)時(shí)，流線形狀是隨時(shí)間變化的。顯然，流線之間不能相交。

流管在流場(chǎng)中給出一條非流線的封閉曲線，沿該封閉曲線上的每一點(diǎn)做流線，由這些流線組成的表面稱(chēng)為流管。

流束流管中的流線群稱(chēng)為流束。根據(jù)流線不會(huì)相交的性質(zhì)，流管內(nèi)外的流線均不會(huì)穿越流管。通流截面在流束中與所有流線正交的截面稱(chēng)為通流截面。流量單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)某一通流截面的液體的體積稱(chēng)為流量。流量的單位是m3/s或L/min。平均流速平均流速是通過(guò)整個(gè)通流截面的流量q與通流截面積A的比值。平均流速在工程中有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。一、基本概念流線如圖a所示流束如圖b所示，定常流動(dòng)時(shí)，流管和流束形狀不變。通流截面，如圖c的A面和B面，截面上的每點(diǎn)處的流動(dòng)速度都垂直于這個(gè)面。二、

流量連續(xù)性方程

連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的一種表達(dá)形式，如果液體作定常流動(dòng)，且不可壓縮，那么任取一流管(左圖)，兩端通流截面面積為A1

和A2，在流管中取一微小流束，流束兩端的截面積分別為dA1和dA2，在微小截面上各點(diǎn)的速度可以認(rèn)為是相等的，且分別為u1和u2

。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在dt時(shí)間內(nèi)流人此微小流束的質(zhì)量應(yīng)等于從此微小流束流出的質(zhì)量，故有即對(duì)整個(gè)流管，顯然是微小流束的集合，由上式積分得即如用平均速度表示，得由于兩通流截面是任意取的，故有

上式稱(chēng)為不可壓縮液體作定常流動(dòng)時(shí)的連續(xù)性方程。它說(shuō)明通過(guò)流管任一通流截面的流量相等。此外還說(shuō)明當(dāng)流量一定時(shí)，流速和通流截面面積成反比。三、伯努利方程

伯努利方程就是能量守恒定律在流動(dòng)液體中的表現(xiàn)形式。要說(shuō)明流動(dòng)液體的能量問(wèn)題，必須先講述液流的受力平衡方程，亦即它的運(yùn)動(dòng)微分方程。1.理想液體的運(yùn)動(dòng)微分方程

這就是重力場(chǎng)中，理想液體沿流線作定常流動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程，即歐拉運(yùn)動(dòng)方程。它表示了單位質(zhì)量液體的力平衡方程。

2.理想液體的伯努利方程理想液體微小流束的伯努利方程3．實(shí)際液體總流的伯努利方程把理想液體的伯努利方程修正成實(shí)際液體的伯努利方程，修正過(guò)程考慮了兩點(diǎn)：

1）液體在流動(dòng)過(guò)程中的能量損失；

2）用通流截面的平均流速v取代微元體的流速u(mài)。

或?qū)α骶€上任意兩點(diǎn)且兩邊除以g可得上式表明理想液體作定常流動(dòng)時(shí)，液流中任意截面處液體的總比能由比壓能（p/ρg）﹑比位能（z）與比動(dòng)能（u/2g）組成（且均為長(zhǎng)度綱量，因此從幾何意義上講可分別稱(chēng)為壓力水頭﹑位置水頭和速度水頭），三者之間可互相轉(zhuǎn)化，但總和為一定值。2

實(shí)際液體是有粘性的，因此流動(dòng)中粘性摩擦力會(huì)消耗一部分能量。同時(shí)，管道形狀的變化會(huì)使液體產(chǎn)生擾動(dòng)，也要消耗能量。這些能量最終變成熱量損失掉了?？紤]到這部分能量損失，應(yīng)該在伯努利方程中加入修正項(xiàng)hw。

用通流截面的平均流速v取代微元體的流速u(mài)也有個(gè)修正問(wèn)題。為此引進(jìn)動(dòng)能修正系數(shù)α，它等于單位時(shí)間內(nèi)某截面處的實(shí)際動(dòng)能與按平均流速計(jì)算的動(dòng)能之比，即引入能量損失hw和動(dòng)能修正系數(shù)α后，實(shí)際液體的伯努利方程為式中，α1、α2分別為截面A1、A2上的動(dòng)能修正系數(shù)，是液體從截面1流到截面2損耗的能量。它們可由實(shí)驗(yàn)求出。上式就是僅受重力作用的實(shí)際液體在管流中作平行(或緩變)流動(dòng)截面上的伯努利方程。它的物理意義是單位質(zhì)量液體的能量守恒。其中hwg為單位質(zhì)量液體從截面Ａ1流到截面Ａ2過(guò)程中的能量損耗。

（1）z和p是指截面的同一點(diǎn)上的兩個(gè)參數(shù)，至于Ａ1、Ａ2上的點(diǎn)倒不一定都要取在同一條流線上，但一般對(duì)管流而言，計(jì)算點(diǎn)都取在軸心線上。把這兩個(gè)點(diǎn)都取在兩截面的軸心處，不過(guò)是為了方便。

（2）液流是恒定流。如不是恒定流，要加入慣性項(xiàng)。

（3）兩個(gè)計(jì)算通流截面應(yīng)取在平行流動(dòng)或緩變流動(dòng)處，但兩截面之間的流動(dòng)不受此限制。至于兩截面間是什么流，是沒(méi)有關(guān)系的，這最多影響能量損失的大小。

應(yīng)用伯努利方程時(shí)，應(yīng)注意的幾點(diǎn)

（4）液流僅受重力作用，亦即盛液的容器沒(méi)有牽連加速度的情況。

（5）液體不可壓縮，密度在運(yùn)動(dòng)中保持不變。

（6）流量沿程不變，即沒(méi)有分流。

（7）適當(dāng)?shù)剡x取基準(zhǔn)面，一般取液平面，這時(shí)p一般等于Pa，v=0。

（8）截面上的壓力應(yīng)取同一種表示法，都取相對(duì)壓力，或都取絕對(duì)壓力。壓力小于大氣壓時(shí)，則表壓力為負(fù)值，但用真空度表示時(shí)要寫(xiě)正值。如絕對(duì)壓力為0.03MPa，則表壓力為-0.07MPa，真空度為0.07MPa。

（9）不要忘記動(dòng)能修正系數(shù)，α=2層流時(shí)，α≈1紊流時(shí)。因?yàn)樵谕茖?dǎo)伯努利方程過(guò)程中逐次加入了限制條件。因此

四、動(dòng)量方程

液體作用在固體壁面上的力，用動(dòng)量定理來(lái)求解比較方便。動(dòng)量定理指出：作用在物體上的力的大小等于物體在力作用方向上的動(dòng)量的變化率，即

根據(jù)上式進(jìn)行推導(dǎo)（詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程請(qǐng)參閱參考書(shū)）可得流動(dòng)液體的動(dòng)量方程。

方程左邊為作用于控制體積內(nèi)液體上的所有外力的總和，而等式右邊第一項(xiàng)表示液體流量變化所引起的力，稱(chēng)為瞬態(tài)力；第二、三項(xiàng)表示流出控制表面柑流人控制表面時(shí)的動(dòng)量變化率，稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)力。如果控制體中的液體在所研究的方向上不受其它外力，只有液體與固體壁面的相互作用力，則該二力的作用力與反作用力大小相等，方向相反。液體作用在固體壁面的作用力分別稱(chēng)為瞬態(tài)液動(dòng)力和穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力。定常流動(dòng)時(shí)，，故上式中只有穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，即

上述公式均為矢量表達(dá)式，在應(yīng)用時(shí)可根據(jù)問(wèn)題的具體要求向指定方向投影，列出該指定方向的動(dòng)量方程，從而可求出作用力在該方向上的分量，然后加以合成。

動(dòng)量修正系數(shù)，為液體流過(guò)某截面A的實(shí)際動(dòng)量與以平均流速流過(guò)截面的動(dòng)量之比，當(dāng)液流流速較大且分布較均(紊流)時(shí)，β=1，液流流速較低且分布不均勻(層流)時(shí)，β=1.33。第四節(jié)

定常管流的壓力損失計(jì)算

實(shí)際液體具有粘性，在流動(dòng)時(shí)就有阻力，為了克服阻力，就必然要消耗能量，這樣就有能量損失。在液壓傳動(dòng)中，能量損失主要表現(xiàn)為壓力損失，這就是實(shí)際液體流動(dòng)的伯努利方程式項(xiàng)的含義。液壓系統(tǒng)中的壓力損失分為兩類(lèi)，一類(lèi)是油液沿等直徑直管流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的壓力損失，稱(chēng)之為沿程壓力損失。這類(lèi)壓力損失是由液體流動(dòng)時(shí)的內(nèi)、外摩擦力所引起的。另一類(lèi)是油液流經(jīng)局部障礙(如彎管、接頭、管道截面突然擴(kuò)大或收縮)時(shí)，由于液流的方向和速度的突然變化，在局部形成旋渦引起油液質(zhì)點(diǎn)間以及質(zhì)點(diǎn)與固體壁面間相互碰撞和劇烈摩擦而產(chǎn)生的壓力損失稱(chēng)之為局部壓力損失。一、流態(tài)、雷諾數(shù)1．層流和湍流

流體在流動(dòng)時(shí)，通過(guò)雷諾實(shí)驗(yàn)，可以看到左圖所示的幾種流動(dòng)狀態(tài)，一般將其定義為層流和紊流。在低速流動(dòng)時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)互不干擾，液體的流動(dòng)呈線性或?qū)訝?，且平行于管道軸線，如圖a所示，此種流動(dòng)狀態(tài)稱(chēng)為在層流時(shí)；當(dāng)流速大時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)雜亂無(wú)章。除了平行于管道軸線的運(yùn)動(dòng)外，還存在著劇烈的橫向運(yùn)動(dòng)，此種流動(dòng)狀態(tài)稱(chēng)為紊流，如圖d所示；圖b中色線開(kāi)始折斷，表明層流開(kāi)始破壞，圖c中色線上下波動(dòng)，并出現(xiàn)斷裂，表現(xiàn)液體流動(dòng)已趨于紊流.

英國(guó)物理學(xué)家雷諾通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了液體在管路中流動(dòng)時(shí)存在的兩種流動(dòng)狀態(tài)--層流和紊流。雷諾實(shí)驗(yàn)表明，層流時(shí)液體質(zhì)點(diǎn)互不干擾，液體沿管路軸線作線性或?qū)訝盍鲃?dòng)；紊流時(shí)液體質(zhì)點(diǎn)相互干擾，運(yùn)動(dòng)雜亂無(wú)章，除了沿管路軸線運(yùn)動(dòng)以外還有劇烈的橫向運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)分析表明，層流發(fā)生在液體流速較低的場(chǎng)合，粘性力起主導(dǎo)作用，壓力損失主要是液體的粘性摩擦損失；紊流發(fā)生在液體流速較高的場(chǎng)合，慣性力起主導(dǎo)作用，壓力損失主要是液體的動(dòng)能損失。2．雷諾數(shù)

實(shí)驗(yàn)表明，液體在圓管中的流動(dòng)狀態(tài)不僅與管內(nèi)的平均流速v有關(guān)，還和管徑d、液體的運(yùn)動(dòng)粘度ν有關(guān)，但是真正決定液流流動(dòng)狀態(tài)的是用這三個(gè)數(shù)所組成的一個(gè)稱(chēng)為雷諾數(shù)Re的無(wú)量綱數(shù)，即液體流動(dòng)時(shí)的雷諾數(shù)若相同，則它的流動(dòng)狀態(tài)也相同。另一方面液流由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鲿r(shí)的雷諾數(shù)和由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯睦字Z數(shù)是不同的，前者稱(chēng)為上臨界雷諾數(shù)，后者為下臨界雷諾數(shù)，后者數(shù)值小，所以一般都用后者作為判別液流狀態(tài)的依據(jù)，簡(jiǎn)稱(chēng)臨界雷諾數(shù)Rec，當(dāng)液流的實(shí)際流動(dòng)時(shí)的雷諾數(shù)小于臨界雷諾數(shù)時(shí)，液流為層流，反之液流則為紊流，常見(jiàn)的液流管道的臨界雷諾數(shù)可由實(shí)驗(yàn)求得。對(duì)于非圓截面管道來(lái)說(shuō)，Re可用下式來(lái)計(jì)算式中，R為通流截面的水力半徑。它等于液流的有效截面積A和它的濕周(通流截面上與液體接觸的固體壁面的周長(zhǎng))χ之比，即

水力半徑大小對(duì)管道通流能力影響很大。水力半徑大，表明液流與管壁接觸少，通流能力大；水力半徑小，表明液流與管壁接觸多，通流能力小，容易堵塞。

面積相等但形狀不同的通流截面，其水力直徑是不同的。計(jì)算表明，圓形的水力直徑最大，同心圓環(huán)的水力直徑最小。水力直徑大則通流能力強(qiáng)，對(duì)液體的流動(dòng)阻力小。因此管路多是圓形截面。一切流動(dòng)都有層流和紊流兩種流動(dòng)狀態(tài)及相應(yīng)臨界雷諾數(shù)，臨界雷諾數(shù)的數(shù)值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。雷諾數(shù)的物理意義是：液流的慣性作用和粘性作用之比。另外，前面提到的動(dòng)能修正系數(shù)α和動(dòng)量修正系數(shù)β也與液體的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。層流時(shí)，α=2，β=4/3；紊流時(shí)，α=β=1。二、液體在直管中流動(dòng)時(shí)的壓力損失

液體在等徑直管中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓力損失稱(chēng)為沿程壓力損失，該損失與液體的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。（一）層流時(shí)的沿程壓力損失液體在等徑水平直管中的層流流動(dòng)如圖所示。

取一段與管軸重合的微小圓柱體作為研究對(duì)象。液體作勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)該微元體處于受力平衡狀態(tài)，即對(duì)上式進(jìn)行積分，并代入邊界條件，得可見(jiàn)，流速在半徑方向上是按拋物線規(guī)律分布的，在管道軸線上流速取最大值。通過(guò)微元體的流量微元為

因此，圓管通流截面上的平均流速為

積分上式可得由此可見(jiàn)，液體在圓管中作層流流動(dòng)時(shí)，其中心處的最大流速為平均流速的兩倍，即umax=2v。3.沿程壓力損失2.圓管中的流量沿程壓力損失為所以式中λ為沿程阻力系數(shù)，理論值為64/Re，液壓油在金屬管中作層流流動(dòng)時(shí)，常取75/Re，在橡膠管中取80/Re。（二）湍流時(shí)的沿程壓力損失

湍流時(shí)計(jì)算沿程壓力損失的公式在形式上與上式相同。不同的是此時(shí)的λ不僅與雷諾數(shù)有關(guān)，還與管壁的粗糙度有關(guān)，即λ=f(Re，Δ/d）。絕對(duì)粗糙度Δ與管徑d的比值Δ/d稱(chēng)為相對(duì)粗糙度。具體的λ

值見(jiàn)下表：

三、局部壓力損失

液體流經(jīng)管道的彎頭、接頭、突變截面、閥口和濾網(wǎng)等局部裝置時(shí)產(chǎn)生的壓力損失稱(chēng)為局部壓力損失。局部壓力損失的計(jì)算公式如下式中，ζ—局部阻力系數(shù)。各種局部裝置結(jié)構(gòu)的ζ是由實(shí)驗(yàn)測(cè)定的，可查手冊(cè)。

閥類(lèi)元件局部壓力損失可按下式計(jì)算式中，Δpn—閥在額定流量qn下的壓力損失；qn—閥的額定流量；q—閥的實(shí)際流量。在管路系統(tǒng)的壓力損失中，液體的流速影響最大，流速高壓力損失會(huì)增大很多。但流速太低會(huì)增加管路和閥類(lèi)元件的尺寸。合理選擇液體在管路中的流速是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要問(wèn)題。四、管路系統(tǒng)中的總壓力損失與壓力效率管路系統(tǒng)總的壓力損失為考慮存在壓力損失，一般液壓系統(tǒng)中液壓泵的工作壓力pp應(yīng)比執(zhí)行元件的工作壓p1高ΣΔp，即所以管路系統(tǒng)的壓力效率為第五節(jié)

孔口和縫隙流量一、孔口液流特性

在液壓系統(tǒng)的管路中，裝有截面突然收縮的裝置，稱(chēng)為節(jié)流裝置(如節(jié)流閥)。突然收縮處的流動(dòng)叫節(jié)流，一般均采用各種形式的孔口來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)流，由前述內(nèi)容可知，液體流經(jīng)孔口時(shí)要產(chǎn)生局部壓力損失，使系統(tǒng)發(fā)熱，油液粘度下降，系統(tǒng)的泄漏增加，這是不利的一方面。在液壓傳動(dòng)及控制中要人為地制造這種節(jié)流裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)流量和壓力的控制。

1．流經(jīng)薄壁小孔的流量

當(dāng)小孔的通流長(zhǎng)度與孔徑之比l/d≤0.5時(shí)稱(chēng)之為薄壁小孔，如圖1-24所示。對(duì)孔前通道斷面1-1和收縮斷面2-2之間的液體列出伯努力方程由于D》d，

v1《v2，故v1可以忽略不計(jì)，上式整理后得式中，為速度系數(shù)。由此可求得液流通過(guò)薄壁小孔的流量式中Cd=CvCc為小孔流量系數(shù)。Cd和Cc一般由試驗(yàn)求得，通常D/d較大，一般在7以上，液流為完全收縮，液流在小孔處呈絮流狀態(tài)，雷諾數(shù)較大，薄壁小孔的收縮系數(shù)Cc取0.61～0.63，速度系數(shù)Cv取0.97～0.98，這時(shí)Cd=0.61～0.62，當(dāng)不完全收縮時(shí)，Cd≈0.7～0.8。2．流經(jīng)細(xì)長(zhǎng)小孔的流量計(jì)算

所謂細(xì)長(zhǎng)小孔，一般指小孔的長(zhǎng)徑比l/d>4時(shí)的情況，其流量公式為

孔口的長(zhǎng)徑比0.5<l/d≤4時(shí)為短孔。短孔的流量公式仍為薄壁小孔公式。當(dāng)dRe/l>10000時(shí)，可取Cq=0.82。短孔的工藝性好，在固定節(jié)流器中常用。

孔口的長(zhǎng)徑比l/d>4時(shí)為細(xì)長(zhǎng)孔。細(xì)長(zhǎng)孔中多為層流，流量公式可用前面推出的圓管流量公式，即

細(xì)長(zhǎng)孔的流量總是與液體粘度有關(guān)的。二、縫隙液流特性

液壓系統(tǒng)是由一些元件、管接頭和管道組成的，每一部分都是由一些零件組成的，在這些零件之間，通常需要有一定的配合間隙，由此帶來(lái)了泄漏現(xiàn)象，同時(shí)液壓油也總是從壓力，較高處流向系統(tǒng)中壓力較低處或大氣中，前者稱(chēng)為內(nèi)泄漏，后者稱(chēng)為外泄漏。

(一)平行平板的間隙流動(dòng)

如圖所示，平板長(zhǎng)為l，寬為b，兩平行平板間的間隙為h，且

l>>ｈ，ｂ>>ｈ。液體不可壓縮，質(zhì)量力可忽略不計(jì)，粘度為常數(shù)，則在流動(dòng)液體中取一微小單元體dxdy，作用在它與液流相垂直的兩個(gè)表面上的壓力為p和p+dp，作用在它與液流相平行的兩個(gè)表面上的單位面積摩擦力為τ和τ+dτ，因此它受力平衡方程為經(jīng)整理并將τ=μdu/dy代入后得對(duì)上式兩次積分可得式中C1﹑C2為邊界條件所確定的積分常數(shù)。下面分兩種情況討論1.固定平行平板間隙流動(dòng)(壓差流動(dòng))上、下兩平板均固定不動(dòng)，液體在間隙兩端的壓差作用下而在間隙中流動(dòng)，稱(chēng)為壓差流動(dòng)。當(dāng)y=0時(shí)，u=0；當(dāng)y=h時(shí)，u=0，將此邊界條件代入上式可得所以于是有因?yàn)榇肓魉偌傲髁抗降脧囊陨蟽墒娇梢钥闯觯陂g隙中的速度分布規(guī)律呈拋物線狀，通過(guò)間隙的流量與間隙的三次方成正比，因此必須嚴(yán)格控制間隙量，以減少泄露。(2)兩平行平板既有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩端又存在壓差時(shí)的流動(dòng)

這是一種普遍情況，其速度和流量是以上兩種情況的線性疊加，即

其邊界條件為：當(dāng)y=0時(shí)，u=0；當(dāng)y=h時(shí)，u=v，且dp/dx=0。由C1=v/h；C2=0所以有2．兩平行平板有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的間隙流動(dòng)

(1)兩平行平板有相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度u，但無(wú)壓差這種流動(dòng)稱(chēng)為純剪切流動(dòng)。（二）圓柱環(huán)形間隙流動(dòng)

在液壓缸的活塞和缸筒之間，在液壓閥的閥心和閥套之間都存在圓環(huán)縫隙，下面分兩種情況討論。1.

同心圓環(huán)縫隙流量

同心圓環(huán)縫隙的結(jié)構(gòu)和液體流動(dòng)情況如左圖所示。如果將圓環(huán)縫隙沿圓周方向展開(kāi)，就相當(dāng)于一個(gè)平行平板縫隙。2.

偏心圓環(huán)縫隙流量

偏心圓環(huán)縫隙的結(jié)構(gòu)如左圖所示。此時(shí)的流量公式為式中，h—內(nèi)外圓同心時(shí)的縫隙值；ε—相對(duì)偏心率，ε=e/h，e為偏心距。

由此可見(jiàn)，當(dāng)ε=0時(shí)，它就是同心圓環(huán)縫隙的流量公式；當(dāng)ε=1時(shí)，偏心圓環(huán)縫隙的流量比同心圓環(huán)縫隙流量大了許多?？梢?jiàn)，較高的同心度可以減小泄漏量。（三）流經(jīng)平行圓盤(pán)間隙徑向流動(dòng)的流量

圓環(huán)平面縫隙結(jié)構(gòu)和液體的流動(dòng)情況如圖所示。圓環(huán)與平面縫隙之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。令uo=0，在半徑為r、距離下平面z處的徑向速度為通過(guò)的流量

上式對(duì)r積分，并代入邊界條件，得圓環(huán)平面縫隙的流量公式為（四）圓錐狀環(huán)形間隙流動(dòng)圖1-29

所示為圓錐狀環(huán)形間隙的流動(dòng)。若將這一間隙展開(kāi)成平面，則是一個(gè)扇形，相當(dāng)于平行圓盤(pán)間隙的一部分，所以可根據(jù)平行圓盤(pán)間隙流動(dòng)的流量公式，導(dǎo)出這種流動(dòng)情況下的流量公式。從幾何關(guān)系可以得到當(dāng)圓錐的半錐角為α?xí)r展開(kāi)的扇形中心角θ

為把通過(guò)此扇形塊的流量看作是平行圓盤(pán)間隙流量的一部分，即在平行圓盤(pán)中，中心角為２π，而現(xiàn)在扇形中心角為２πｓｉｎα，則第六節(jié)

空穴現(xiàn)象

在液壓系統(tǒng)中，空穴現(xiàn)象和液壓沖擊給系統(tǒng)帶來(lái)諸多不利影響，因此需要了解這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并采取措施加以防治。

流動(dòng)的液體，如果壓力低于其空氣分離壓時(shí)，原先溶解在液體中的空氣就會(huì)分離出來(lái)，從而導(dǎo)致液體中充滿(mǎn)大量的氣泡，這種現(xiàn)象稱(chēng)為空穴現(xiàn)象，如圖2.24(動(dòng)畫(huà))所示。如果液體的壓力進(jìn)一步降低，低到飽和蒸氣壓時(shí)，液體本身將汽化，產(chǎn)生更多的蒸氣泡，空穴現(xiàn)象將更加嚴(yán)重。

空穴多發(fā)生在閥口和液壓泵的入口處。因?yàn)殚y口處液體的流速增大，壓力將降低。如果液壓泵吸油管太細(xì)，也會(huì)造成真空度過(guò)大，發(fā)生空穴現(xiàn)象。

空穴現(xiàn)象會(huì)引起流量的不連續(xù)和壓力波動(dòng)，空氣中的游離氧對(duì)液壓元件有很大的腐蝕（氣蝕）作用。為減少空穴現(xiàn)象帶來(lái)的危害，通常采取下列措施：

1減小孔口或縫隙前后的壓力降。一般希望相應(yīng)的壓力比p1/p2<3.5；

2降低液壓泵的吸油高度，適當(dāng)加大吸油管直徑。對(duì)于自吸能力差的液壓泵要安裝輔助泵供油；3管路要有良好的密封，防止空氣進(jìn)入。第七節(jié)

液壓沖擊

在液壓系統(tǒng)中，由于某種原因使液體壓力突然產(chǎn)生很高的峰值，這種現(xiàn)象稱(chēng)為液壓沖擊。

發(fā)生液壓沖擊時(shí)，由于瞬間的壓力峰值比正常的工作壓力大好幾倍，因此對(duì)密封元件、管道和液壓元件都有損壞作用，還會(huì)引起設(shè)備振動(dòng)，產(chǎn)生很大的噪聲。液壓沖擊經(jīng)常使壓力繼電器、順序閥等元件產(chǎn)生誤動(dòng)作。

液壓沖擊的產(chǎn)生多發(fā)生在閥門(mén)突然關(guān)閉或運(yùn)動(dòng)部件快速制動(dòng)的場(chǎng)合。這時(shí)液體的流動(dòng)突然受阻，液體的動(dòng)量發(fā)生了變化，從而產(chǎn)生了壓力沖擊波。這種沖擊波迅速往復(fù)傳播，最后由于液體受到摩擦力作用而衰減。如動(dòng)畫(huà)所示為液壓缸制動(dòng)時(shí)由于慣性而產(chǎn)生的沖擊。

現(xiàn)將減小壓力沖擊的措施歸納如下：

盡量延長(zhǎng)閥門(mén)關(guān)閉和運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)換向的時(shí)間；在沖擊區(qū)附近安裝卸荷閥、蓄能器等緩沖裝置正確設(shè)計(jì)閥口，限制管道流速及運(yùn)動(dòng)部件速度，使運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)時(shí)速度變化比較平穩(wěn)；如果換向精度要求不高，可使液壓缸兩腔油路在換向閥回到中位時(shí)瞬時(shí)互通。

如果系統(tǒng)的正常工作壓力為p，發(fā)生液壓沖擊時(shí)產(chǎn)生的壓力沖擊值為Δp，那么此時(shí)系統(tǒng)中的壓力pmax=p+Δp。由于液壓沖擊是一種非定常流動(dòng)，動(dòng)態(tài)過(guò)程非常復(fù)雜，精確計(jì)算壓力沖擊值是困難的。下面給出兩種壓力沖擊值的近似計(jì)算公式。

1.管道閥門(mén)關(guān)閉時(shí)的壓力沖擊值設(shè)產(chǎn)生壓力沖擊的管道長(zhǎng)度為l，壓力沖擊波第一波在l長(zhǎng)度內(nèi)的傳播時(shí)間為t1，液體的密度為ρ，管道中液體的流速為v，閥門(mén)關(guān)閉后的流速為v1，根據(jù)動(dòng)量方程有

式中，c=l/t1，是壓力波在管中的傳播速度，其值在900~1400m/s之間。

2.運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)時(shí)的壓力沖擊值設(shè)總質(zhì)量為∑m的運(yùn)動(dòng)部件在制動(dòng)時(shí)的減速時(shí)間為Δt，速度減小值為Δv，液壓缸有效面積為A，根據(jù)動(dòng)量定理有

上式忽略了阻尼和泄漏等因素的影響，計(jì)算結(jié)果偏大，比較安全。

由以上分析可知，采取以下措施可減小液壓沖擊：１）使直接沖擊改變?yōu)殚g接沖擊，這可用減慢閥的關(guān)閉速度和減小沖擊波傳遞距離來(lái)達(dá)到。２）限制管中油液的流速v。３）用橡膠軟管或在沖擊源處設(shè)置蓄能器，以吸收液壓沖擊的能量。４）在容易出現(xiàn)液壓沖擊的地方，安裝限制壓力升高的安全閥。

液壓與氣壓傳動(dòng)是研究以有壓流體（壓力油或壓縮空氣）為能源介質(zhì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)各種機(jī)械的傳動(dòng)和自動(dòng)控制的學(xué)科。液壓與氣壓傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)和控制的方法是基本相同的，它們都是利用各種元件組成所需要的各種控制回路，再由若干回路有機(jī)組合成能完成一定控制功能的傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行能量的傳遞、轉(zhuǎn)換與控制。液壓傳動(dòng)所用的工作介質(zhì)為液壓油或其它合成液體，氣壓傳動(dòng)所用的工作介質(zhì)為空氣，由于這兩種流體的性質(zhì)不同，所以液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)又各有其特點(diǎn)。液壓傳動(dòng)傳遞動(dòng)力大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，但由于液體粘性大，在流動(dòng)過(guò)程中阻力損失大，因而不宜作遠(yuǎn)距離傳動(dòng)和控制；而氣壓傳動(dòng)由于空氣的可壓縮性大，且工作壓力低（通常在1.0MPa以下），所以傳遞動(dòng)力不大，運(yùn)動(dòng)也不如液壓傳動(dòng)平穩(wěn)，但空氣粘性小，傳遞過(guò)程中阻力小、速度快、反應(yīng)靈敏，因而氣壓傳動(dòng)能用于遠(yuǎn)距離的傳動(dòng)和控制。

一.液壓與氣壓傳動(dòng)的研究對(duì)象

液壓與氣壓傳動(dòng)的基本工作原理是相似的，以圖0-1所示的液壓千斤頂來(lái)簡(jiǎn)述液壓傳動(dòng)的工作原理。二.液壓與氣壓傳動(dòng)的工作原理

當(dāng)大活塞上有重物負(fù)載W時(shí)，大活塞下腔的油液就將產(chǎn)生一定的壓力p，p=W/A2。根據(jù)帕斯卡原理“在密閉容腔內(nèi)，施加于靜止液體上的壓力將以等值同時(shí)傳到液壓各點(diǎn)”。因而要頂起大活塞及其重物負(fù)載W，在小活塞下腔就必須要產(chǎn)生一個(gè)等值的壓力p，也就是說(shuō)小活塞上必須施加力F1,F1=pA1,因而有

p＝F1/A1=W/A2

或W/F1=A2/A1

（0-1）由式（0-1）可知，當(dāng)負(fù)載W增大時(shí)，流體工作壓力p也要隨之增大，亦即F1要隨之增大；反之，若負(fù)載W很小，流體壓力就很低，F(xiàn)1也就很小。由此建立了一個(gè)很重要的基本概念，即在液壓和氣壓傳動(dòng)中工作壓力取決于負(fù)載，而與流入的流體多少無(wú)關(guān)。1.力比例關(guān)系

如果不考慮液體的可壓縮性、漏損和缸體、油管的變形，從圖0-1b可以看出，被小活塞壓出的油液的體積必然等于大活塞向上升起后大缸擴(kuò)大的體積。即A1h1=A2h2

或h2/h1=A1/A2

（0-2）從式（0-2）可知，兩活塞的位移和兩活塞的面積成反比，將A1h1＝A2h2兩端同除以活塞移動(dòng)的時(shí)間t得

A1h1/t=A2h2/t即v2/v1=A1/A2

（0-3）式中v1、v2分別為小活塞和大活塞的運(yùn)動(dòng)速度。2.運(yùn)動(dòng)關(guān)系

從式（0-3）可以看出，活塞的運(yùn)動(dòng)速度和活塞的作用面積成反比。Ah/t的物理意義是單位時(shí)間內(nèi)液體流過(guò)截面積為A的某一截面的體積，稱(chēng)為流量q，即

q=Av因此，

A1v1=A2v2

（0-4）如果已知進(jìn)入缸體的流量q，則活塞的運(yùn)動(dòng)速度為v=q/A

（0-5）調(diào)節(jié)進(jìn)入缸體的流量q，即可調(diào)節(jié)活塞的運(yùn)動(dòng)速度v，這就是液壓與氣壓傳動(dòng)能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的基本原理。從式（0-5）可得到另一個(gè)重要的基本概念。即活塞的運(yùn)動(dòng)速度取決于進(jìn)入液壓（氣壓）缸（馬達(dá)）的流量，而與流體壓力大小無(wú)關(guān)。由式（0-1）和式（0-3）可得

F1v1=Wv2

（0-6）式（0-6）左端為輸入功率，右端為輸出功率，這說(shuō)明在不計(jì)損失的情況下輸入功率等于輸出功率，由式（0-6）還可得出

P=pA1v1=pA2v2=pq（0-7）由式（0-7）可以看出，液壓與氣壓傳動(dòng)中的功率P可以用壓力p和流量q的乘積來(lái)表示，壓力p和流量q式流體傳動(dòng)中最基本、最重要的兩個(gè)參數(shù)，它們相當(dāng)于機(jī)械傳動(dòng)中的力和速度，它們的乘積即為功率。

從以上分析可知，液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)是以流體的壓力能來(lái)傳遞動(dòng)力的。3.功率關(guān)系三.液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的組成

左圖所示為機(jī)床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)的工作原理圖（慢速左移）。活塞的移動(dòng)速度由節(jié)流閥來(lái)調(diào)節(jié)。節(jié)流閥口開(kāi)大，進(jìn)入液壓缸的油液增多，活塞的移動(dòng)速度增大；節(jié)流閥口關(guān)小時(shí)，進(jìn)入液壓缸的油液減小，活塞的移動(dòng)速度減小。液壓泵輸出的多余油液需經(jīng)溢流閥和回油管排回油箱，這只有在壓力支管中的油液壓力對(duì)溢流閥鋼球的作用力等于或略大于溢流閥中彈簧的預(yù)緊力時(shí)，油液才能頂開(kāi)溢流閥中的鋼球流回油箱。

為克服活塞所受到的各種阻力，液壓缸必須產(chǎn)生一個(gè)足夠大的推力，這個(gè)推力是由液壓缸中的油液壓力產(chǎn)生的。要克服的阻力越大，液壓缸中的油液壓力越高；反之壓力就越低。

右圖所示為一可完成某程序動(dòng)作的氣壓系統(tǒng)的組成原理圖，其中的控制裝置是由若干氣動(dòng)元件組成的氣動(dòng)邏輯回路。它可以根據(jù)氣缸活塞桿的始末位置，由行程開(kāi)關(guān)等傳遞信號(hào)，再作出下一步的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)規(guī)定的自動(dòng)工作循環(huán)。

由上面的例子可以看出，液壓與氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：（1）能源裝置把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成流體的壓力能的裝置，一般最常見(jiàn)的是液壓泵或空氣壓縮機(jī)。（2）執(zhí)行裝置把流體的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，一般指液（氣）壓缸或液（氣）壓馬達(dá)。（3）控制調(diào)節(jié)裝置對(duì)液（氣）壓系統(tǒng)中流體的壓力、流量和流動(dòng)方向進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)的裝置。如溢流閥、節(jié)流閥、換向閥等。（4）輔助裝置指除以上三種以外的裝置，如油箱、過(guò)濾器、分水濾氣器、油霧器、蓄能器等，它們對(duì)保證液（氣）壓系統(tǒng)可靠和穩(wěn)定地工作有重大作用。（5）傳動(dòng)介質(zhì)傳遞能量的流體，即液壓油或壓縮空氣。四.液壓與氣壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)液壓與氣壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)液壓與氣壓傳動(dòng)元件的布置不受?chē)?yán)格的空間位置限制，系統(tǒng)中各部分用管道連接，布局安裝有很大的靈活性，能構(gòu)成用其他方法難以組成的復(fù)雜系統(tǒng)。在同等體積下，液壓裝置能產(chǎn)生出更大的動(dòng)力，也就是說(shuō)，在同等功率下，液壓裝置的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，即：它具有大的功率密度或力密度，力密度在這里指工作壓力。液壓裝置容易做到對(duì)速度的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，而且調(diào)速范圍大，可以達(dá)到2000：1，對(duì)速度的調(diào)節(jié)還可以在工作過(guò)程中進(jìn)行。液壓傳動(dòng)和液氣聯(lián)動(dòng)傳遞運(yùn)動(dòng)均勻平穩(wěn)，換向沖擊小，易于實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和頻繁換向。液壓裝置易于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，能實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑，使用壽命長(zhǎng)。液壓裝置易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可以很方便地對(duì)液體的流動(dòng)方向、壓力和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，并能很容易地和電氣、電子控制或氣壓傳動(dòng)控制結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)和操作。液壓與啟動(dòng)元件屬于機(jī)械工業(yè)基礎(chǔ)件，系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化程度較高，有利于縮短機(jī)器的設(shè)計(jì)、制造周期和降低制造成本。氣壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的介質(zhì)是空氣，它取之不盡用之不竭，成本較低，用后的空氣可以排到大氣中去，不會(huì)污染環(huán)境。氣壓傳動(dòng)的工作介質(zhì)粘度很小，所以流動(dòng)阻力很小，壓力損失小，便于集中供氣和遠(yuǎn)距離輸送，便于使用。氣壓傳動(dòng)工作環(huán)境適應(yīng)性好?？梢愿鶕?jù)不同場(chǎng)合，采用相應(yīng)材料，使元件能夠在惡劣的環(huán)境（強(qiáng)振動(dòng)、強(qiáng)沖擊、強(qiáng)腐蝕和強(qiáng)輻射等）下進(jìn)行正常工作。氣壓傳動(dòng)有較好的自保持能力。即使氣源停止工作，或氣閥關(guān)閉，氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)仍可維持一個(gè)穩(wěn)定壓力。氣壓傳動(dòng)在一定的超負(fù)載工況下運(yùn)行也能保證系統(tǒng)安全工作，并不易發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象。無(wú)油的氣動(dòng)控制系統(tǒng)特別適用于無(wú)線電元器件的生產(chǎn)過(guò)程，也適用于食品及醫(yī)藥的生產(chǎn)過(guò)程。液壓與氣壓傳動(dòng)的缺點(diǎn)在傳動(dòng)過(guò)程中，能量需經(jīng)兩次轉(zhuǎn)換，傳動(dòng)效率偏低。由于傳動(dòng)介質(zhì)的可壓縮性和泄露等因素的影響，不能?chē)?yán)格保證定比傳動(dòng)。液壓與氣動(dòng)元件制造精度高，系統(tǒng)工作過(guò)程中發(fā)生故障不易診斷。液壓傳動(dòng)性能對(duì)溫度比較敏感，不能在高溫下工作，采用石油基液壓油作傳動(dòng)介質(zhì)時(shí)，還需注意防火問(wèn)題。氣壓傳動(dòng)的缺點(diǎn)氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的工作壓力低，因此氣壓傳動(dòng)裝置的推力一般不宜大于10～40kN，僅適用于小功率場(chǎng)合，在相同輸出力的情況下，氣壓傳動(dòng)裝置比液壓傳動(dòng)裝置尺寸大。由于空氣的可壓縮性大，氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的速度穩(wěn)定性差，位置和速度控制精度不高。氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲大。氣壓傳動(dòng)工作介質(zhì)本身沒(méi)有潤(rùn)滑性。氣壓傳動(dòng)裝置的信號(hào)傳遞速度限制在聲速（約340m/s）范圍內(nèi)，所以它的工作頻率和響應(yīng)速度不如電子裝置，并且信號(hào)要產(chǎn)生較大的失真和延滯，也不便于構(gòu)成較復(fù)雜的回路，但這個(gè)缺點(diǎn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程不會(huì)造成困難。五.液壓與氣壓傳動(dòng)的應(yīng)用及發(fā)展一般工業(yè)用液壓系統(tǒng)塑料加工機(jī)械（注塑機(jī)）、壓力機(jī)械（鍛壓機(jī)）、重型機(jī)械（廢鋼壓塊機(jī)）、機(jī)床（全自動(dòng)轉(zhuǎn)塔車(chē)床、平面磨床）等。例圖行走機(jī)械用液壓系統(tǒng)工程機(jī)械（挖掘機(jī)）、起重機(jī)械（汽車(chē)吊）、建筑機(jī)械（打樁機(jī)）、農(nóng)業(yè)機(jī)械（聯(lián)合收割機(jī)）、汽車(chē)（轉(zhuǎn)向器、減振器）等。例圖鋼鐵工業(yè)用液壓系統(tǒng)冶金機(jī)械（軋鋼機(jī)）、提升裝置（電極升降機(jī)）、軋輥調(diào)整裝置等。土木工程用液壓系統(tǒng)防洪閘門(mén)及堤壩裝置（浪潮防護(hù)擋板）、河床升降裝置、橋梁操縱機(jī)構(gòu)和礦山機(jī)械（鑿巖機(jī)）等。例圖發(fā)電廠用液壓系統(tǒng)渦輪機(jī)（調(diào)速裝置）、核發(fā)電廠等。特殊技術(shù)用液壓系統(tǒng)巨型天線控制裝置、測(cè)量浮標(biāo)、飛行器仿真臺(tái)、升降旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)等。例圖船舶用液壓系統(tǒng)甲板起重機(jī)械（絞車(chē)）、船頭門(mén)、艙壁閥、船尾推進(jìn)器等。例圖軍事工業(yè)用液壓系統(tǒng)火炮操縱裝置、艦船減搖裝置、飛機(jī)起落架的收放裝置

及方向舵控制裝置等。注塑機(jī)械機(jī)床（全自動(dòng)六角車(chē)床）

橋梁檢修機(jī)械防洪閘門(mén)及堤壩裝置巨型天線甲板起重機(jī)械氣壓傳動(dòng)的應(yīng)用氣壓傳動(dòng)的應(yīng)用也相當(dāng)普遍，許多機(jī)器設(shè)備中都裝有氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)，在工業(yè)各領(lǐng)域，如機(jī)械、電子、鋼鐵、運(yùn)行車(chē)輛及制造、橡膠、紡織、化工、食品、包裝、印刷和煙草機(jī)械等，氣壓傳動(dòng)技術(shù)不但在各工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而且，在尖端技術(shù)領(lǐng)域如核工業(yè)和宇航中，氣壓傳動(dòng)技術(shù)也占據(jù)著重要的地位。

例圖自動(dòng)水果分類(lèi)機(jī)汽車(chē)組裝線自動(dòng)激光唱片拾放裝置自動(dòng)糖果包裝機(jī)自動(dòng)汽車(chē)清洗機(jī)自動(dòng)空氣噴射織布機(jī)壓燙機(jī)

如果從17世紀(jì)帕斯卡提出靜壓傳遞原理、18世紀(jì)英國(guó)制成世界第一臺(tái)水壓機(jī)算起，液壓傳動(dòng)已有二百多年的歷史。但是由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有成熟的液壓傳動(dòng)技術(shù)和液壓元件，因此它沒(méi)有得到普遍的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)傳動(dòng)技術(shù)有了進(jìn)一步的需求。特別是在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于軍事上迫切地需要反應(yīng)快、重量輕、功率大的各種武器裝備，而液壓傳動(dòng)技術(shù)正好具有這方面的優(yōu)勢(shì)，所以獲得了較快的發(fā)展。在戰(zhàn)后的50年中，液壓傳動(dòng)技術(shù)迅速地?cái)U(kuò)展到其他各個(gè)部門(mén)，并得到了廣泛的應(yīng)用。

液壓與氣壓傳動(dòng)發(fā)展

目前，液壓與氣壓傳動(dòng)分別在實(shí)現(xiàn)高壓、高速、大功率、高效率、低噪聲、長(zhǎng)壽命、高度集成化、小型化與輕量化、一體化、執(zhí)行件柔性化等方面取得了很大的進(jìn)展。同時(shí)，由于它與微電子技術(shù)密切配合，能在盡可能小的空間內(nèi)傳遞出盡可能大的功率并加以準(zhǔn)確地控制，從而更使得它在各行各業(yè)中發(fā)揮出了巨大作用。

動(dòng)力元件起著向系統(tǒng)提供動(dòng)力源的作用，是系統(tǒng)不可缺少的核心元件。液壓系統(tǒng)是以液壓泵作為向系統(tǒng)提供一定的流量和壓力的動(dòng)力元件，液壓泵將原動(dòng)機(jī)（電動(dòng)機(jī)或內(nèi)燃機(jī)）輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為工作液體的壓力能,是一種能量轉(zhuǎn)換裝置。第二章液壓動(dòng)力元件

一.液壓泵的工作原理及特點(diǎn)

1.液壓泵的工作原理

液壓泵是靠密封容腔容積的變化來(lái)工作的。右圖是液壓泵的工作原理圖。當(dāng)凸輪1由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，柱塞2便在凸輪1和彈簧4的作用下在缸體3內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。柱塞右移時(shí)，缸體中密封工作腔a的容積變大，產(chǎn)生真空，油箱中的油液便在大氣壓力作用下通過(guò)吸油單向閥5吸入缸體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)吸油；柱塞左移時(shí),缸體中密封工作腔a的容量變小，油液受擠壓，便通過(guò)壓油單向閥6輸送到系統(tǒng)中去,實(shí)現(xiàn)壓油如果偏心輪不斷地旋轉(zhuǎn)，液壓泵就會(huì)不斷地完成吸油和壓油動(dòng)作，因此就會(huì)連續(xù)不斷地液壓系統(tǒng)供油。第一節(jié)液壓泵概述

從上述液壓泵的工作過(guò)程可以看出，其基本特點(diǎn)是：（1)具有若干密封而又可以周期性變化的的空間液壓泵的輸出流量與此空間的容積變化量和單位時(shí)間內(nèi)的變化次數(shù)成正比，與其它因素?zé)o關(guān)。（2）油箱內(nèi)液體的絕對(duì)壓力必須恒等于或大于大氣壓力這是容積式液壓泵能夠吸入油液的外部條件。因此，為保證液壓泵正常吸油，油箱必須與大氣相通，或采用封閉的充壓油箱。（3）具有相應(yīng)的配流機(jī)構(gòu)將吸液腔和排液腔隔開(kāi)，保證液壓泵有規(guī)律地連續(xù)吸排液體。液壓泵地結(jié)構(gòu)原理不同，其配流機(jī)構(gòu)也不相同。2.液壓泵的特點(diǎn)1.壓力（1）工作壓力

指液壓泵出口處的實(shí)際壓力值。工作壓力值取決于液壓泵輸出到系統(tǒng)中的液體在流動(dòng)過(guò)程中所受的阻力。（2）額定壓力指液壓泵在連續(xù)工作過(guò)程中允許達(dá)到的最高壓力。額定壓力值的大小由液壓泵零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性來(lái)決定。（3）最高允許壓力指在超過(guò)額定壓力的條件下，根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，允許液壓泵短暫運(yùn)行的最高壓力值。二.液壓泵的主要性能參數(shù)（1）

排量V

指在無(wú)泄漏情況下，液壓泵轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)所能排出的油液體積?？梢?jiàn)，排量的大小只與液壓泵中密封工作容腔的幾何尺寸和個(gè)數(shù)有關(guān)。（2）

理論流量qt

指在無(wú)泄漏情況下，液壓泵單位時(shí)間內(nèi)輸出的油液體積。其值等于泵的排量V和泵軸轉(zhuǎn)數(shù)n的乘積，即

（3）實(shí)際流量q

指單位時(shí)間內(nèi)液壓泵實(shí)際輸出油液體積。由于工作過(guò)程泵的出口壓力不等于零，因而存在內(nèi)部泄漏量q1，使得泵的實(shí)際流量小于泵的理論流量，即

（4）額定流量qn

泵在額定轉(zhuǎn)數(shù)和額定壓力下輸出的實(shí)際流量。2.排量和流量（1）液壓泵功率損失液壓泵的功率損失有容積損失和機(jī)械損失兩部分：

1）容積損失主要是液壓泵內(nèi)部泄漏造成的流量損失。容積損失的大小用容積效率表征，即

3.功率和效率式中取泄漏量Δq=klp。這是因?yàn)橐簤罕霉ぷ鳂?gòu)件之間的間隙很小，泄漏液體的流動(dòng)狀態(tài)可以看作是層流，即泄漏量和泵的工作壓力p成正比。Kl是液壓泵的泄漏系數(shù)。

2）機(jī)械損失

指液壓泵內(nèi)流體粘性和機(jī)械摩擦造成的轉(zhuǎn)矩?fù)p失。機(jī)械損失的大小用機(jī)械效率表征，即1）輸入功率Pi

驅(qū)動(dòng)液壓泵的機(jī)械功率，由電動(dòng)機(jī)或柴油機(jī)給出，即

2）輸出功率po

液壓泵輸出的液壓功率，即泵的實(shí)際流量q與泵的進(jìn)、出口壓差Δp的乘積。

（2）液壓泵的功率

在實(shí)際的計(jì)算中，若油箱通大氣，液壓泵吸、壓油口的壓力差△p往往用液壓泵出口壓力p代入。

液壓泵的總效率是泵的輸出功率與輸入功率之比，即

（3）液壓泵的總效率

液壓泵的總效率、容積效率和機(jī)械效率可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得。下圖給出了某液壓泵的性能曲線。

齒輪泵是一種常用的液壓泵，其主要特點(diǎn)是：1.抗油液污染能力強(qiáng)，體積小，價(jià)格低廉；2.內(nèi)部泄漏比較大，噪聲大，流量脈動(dòng)大，排量不能調(diào)節(jié)。

上述特點(diǎn)使得齒輪泵通常被用于工作環(huán)境比較惡劣的各種低壓、中壓系統(tǒng)中。

齒輪泵中齒輪的齒形以漸開(kāi)線為多。在結(jié)構(gòu)上可分為外嚙合齒輪泵和內(nèi)嚙合齒輪泵。外嚙合齒輪泵應(yīng)用廣泛。第二節(jié)齒輪泵（一）外嚙合齒輪泵的工作原理

右圖是外嚙合齒輪泵的工作原理圖。由于齒輪端面與殼體端蓋之間的縫隙很小，齒輪齒頂與殼體內(nèi)表面的間隙也很小，因此可以看成將齒輪泵殼體內(nèi)分隔成左、右兩個(gè)密封容腔。當(dāng)齒輪按圖示方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，右側(cè)的齒輪逐漸脫離嚙合，因此這一側(cè)的密封容腔的體積逐漸增大，形成局部真空，油箱中的油液在大氣壓力的作用下經(jīng)泵的吸油口進(jìn)入這個(gè)腔體，因此這個(gè)容腔稱(chēng)為吸油腔。隨著齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)齒間中的油液從右側(cè)被帶到了左側(cè)。在左側(cè)的密封容腔中，輪齒逐漸進(jìn)入嚙合，使左側(cè)密封容腔的體積逐漸減小，把齒間的油液從壓油口擠壓輸出的容腔稱(chēng)為壓油腔。當(dāng)齒輪泵不斷地旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪泵的吸、壓油口不斷地吸油和壓油，實(shí)現(xiàn)了向液壓系統(tǒng)輸送油液的過(guò)程。在齒輪泵中，吸油區(qū)和壓油區(qū)由相互嚙合的輪齒和泵體分隔開(kāi)來(lái)，因此沒(méi)有單獨(dú)的配油機(jī)構(gòu)。一.外嚙合齒輪泵1.排量V

排量是液壓泵每轉(zhuǎn)一周所排出的液體體積。這里近似等于兩個(gè)齒輪的齒間容積之和。設(shè)齒間容積等于齒輪體積，則有

式中，D—齒輪節(jié)圓直徑；h—齒輪齒高；B—齒輪齒寬；Z—齒輪齒數(shù)；m—齒輪模數(shù)。

由于齒間容積比輪齒的體積稍大，所以通常修正為

（二）外嚙合齒輪泵的排量和流量計(jì)算

當(dāng)驅(qū)動(dòng)齒輪泵的原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n時(shí)，齒輪泵的理論流量為齒輪泵的實(shí)際輸出流量為

2.流量q

式中，ηv—齒輪泵的容積效率。

式中的q是齒輪泵的平均流量，實(shí)際上，在齒輪嚙合過(guò)程齒輪泵的瞬時(shí)流量是脈動(dòng)變化的。設(shè)qmax和qmin分別表示齒輪泵的最大、最小瞬時(shí)流量，則流量脈動(dòng)率σ為

外嚙合齒輪泵的泄漏、困油和徑向液壓力不平衡是影響齒輪泵性能指標(biāo)和壽命的三大問(wèn)題。各種不同齒輪泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)之所以不同，都采用了不同結(jié)構(gòu)措施來(lái)解決這三大問(wèn)題所致。

（三）外嚙合齒輪泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)

這里所說(shuō)的泄漏是指液壓泵的內(nèi)部泄漏，即一部分液壓油從壓油腔流回吸油腔，沒(méi)有輸送到系統(tǒng)中去。泄漏降低了液壓泵的容積效率。

外嚙合齒輪泵的泄漏存在著三個(gè)可能產(chǎn)生泄漏的部位：齒輪端面和端蓋間；齒輪外圓和殼體內(nèi)孔間以及兩個(gè)齒輪的齒面嚙合處。其中對(duì)泄漏影響最大的是齒輪端面和端蓋間的軸向間隙，這部分泄漏量約占總泄漏量的75%－80%，因?yàn)檫@里泄漏途徑短，泄漏面積大。軸向間隙過(guò)大，泄漏量多，會(huì)使容積效率降低；但間隙過(guò)小，齒輪端面和端蓋間的機(jī)械摩擦損失增加，會(huì)使泵的機(jī)械效率降低。因此設(shè)計(jì)和制造時(shí)必須嚴(yán)格控制泵的軸向間隙。1.泄漏

為了使齒輪平穩(wěn)地嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)齒輪嚙合原理，齒輪的重疊系數(shù)應(yīng)該大于1,即存在兩對(duì)輪齒同時(shí)進(jìn)入嚙合的時(shí)候。因此，就有一部分油液困在兩對(duì)輪齒所形成的封閉容腔之內(nèi)，如圖所示。這個(gè)封閉容腔先隨齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸減小以后又逐漸增大。減小時(shí)會(huì)使被困油液受擠壓而產(chǎn)生高壓（用液體顏色變深表示高壓特點(diǎn)），并從縫隙中流出，導(dǎo)致油液發(fā)熱，同時(shí)也使軸承受到不平衡負(fù)載的作用；封閉容腔的增大會(huì)造成局部真空（用液體顏色變淺表示低壓特點(diǎn)），使溶于油液中的氣體分離出來(lái)，產(chǎn)生氣穴，這就是齒輪泵的困油現(xiàn)象。其封閉容積的變化如圖所示。困油現(xiàn)象使齒輪泵產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲和氣蝕，影響、縮短其工作的平穩(wěn)性和壽命。2.困油

消除困油的方法，通常是在兩端蓋板上開(kāi)一對(duì)矩形卸荷槽（見(jiàn)下圖中的虛線所示）。開(kāi)卸荷槽的原則是：當(dāng)封閉容腔減小時(shí)，讓卸荷槽與泵的壓油腔相通，這樣可使封閉容腔中的高壓油排到壓油腔中去；當(dāng)封閉容腔增大時(shí)，使卸荷槽與泵的吸油腔相通，使吸油腔的油及時(shí)補(bǔ)入到封閉容腔中，從而避免產(chǎn)生真空，這樣使困油現(xiàn)象得以消除。在開(kāi)卸荷槽時(shí)，必須保證齒輪泵吸、壓油腔任何時(shí)候不能通過(guò)卸荷槽直接相通，否則將使泵的容積效率降低很多。

在齒輪泵中，由于在壓油腔和吸油腔之間存在著壓差，液體壓力的合力用在齒輪和軸上，是一種徑向不平衡力。3.徑向不平衡力由此可見(jiàn)，當(dāng)泵的尺寸確定以后，油液壓力越高徑向不平衡力就越大。其結(jié)果是加速軸承的磨損，增大內(nèi)部泄漏，甚至造成齒頂與殼體內(nèi)表面的摩擦。減小徑向不平衡力的方法有：

（1）縮小壓油腔

（2）開(kāi)壓力平衡槽

外嚙合齒輪泵的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量輕，制造方便，價(jià)格低廉，工作可靠，自吸能力強(qiáng)(容許的吸油真空度大)，對(duì)油液污染不敏感，維護(hù)容易。它的缺點(diǎn)是一些機(jī)件承受徑向不平衡力，磨損嚴(yán)重，泄漏大，工作壓力的提高受到限制。此外，它的流量脈動(dòng)大，因?yàn)閴毫γ}動(dòng)和噪聲都比較大。4.優(yōu)缺點(diǎn)要提高齒輪泵的壓力，必須要減少端面的泄漏，一般采用齒輪端面間隙自動(dòng)補(bǔ)償?shù)霓k法。下圖所示為齒輪泵端面間隙的自動(dòng)補(bǔ)償原理。利用特制的通道把泵內(nèi)壓油腔的壓力油引到浮動(dòng)軸套的外側(cè)，產(chǎn)生液壓作用力，使軸套壓向齒輪端面，這個(gè)力必須大于齒輪端面作用在軸套內(nèi)側(cè)的作用力，才能保證在各種壓力下，軸套始終自動(dòng)貼緊齒輪端面，減少泵內(nèi)通過(guò)端面的泄漏，達(dá)到提高壓力的目的。（四）提高外嚙合齒輪泵壓力的措施（１）壓力齒輪泵一般用于低壓（<2.5Mpa）大流量的系統(tǒng)。（２）排量工程上使用的齒輪泵的排量范圍為0.05~800mL/r，常用的是2.5~500mL/r。（３）轉(zhuǎn)速微型齒輪泵的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20000r/min以上，常用的為1000~3000r/min，必須注意的是，其工作轉(zhuǎn)速不能小于300~500r/min。（４）效率低壓齒輪泵的效率較低（一般小于0.6），帶補(bǔ)償措施的齒輪泵的效率可達(dá)到0.8~0.9。（５）壽命低壓齒輪泵的壽命為3000~5000h，高壓外嚙合齒輪泵在額定壓力下的壽命一般只有幾百小時(shí)，高壓內(nèi)嚙合齒輪泵的壽命可達(dá)2000~3000h。（五）齒輪泵的主要性能1.螺桿泵螺桿泵實(shí)質(zhì)上是一種外嚙合的擺線齒輪泵，泵內(nèi)的螺桿可以有兩個(gè)，也可以有三個(gè)。圖2-7所示為三螺桿泵的工作原理。隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)，這些密封工作腔一個(gè)接一個(gè)地在左端形成，不斷地從左向右移動(dòng)（主動(dòng)螺桿每轉(zhuǎn)一周，每個(gè)密封工作腔移動(dòng)一個(gè)螺旋導(dǎo)程），并在右端消失。密封工作腔形成時(shí)，它的容積逐漸增大，進(jìn)行吸油；密封工作腔消失時(shí)容積逐漸縮小，將油壓出。二、螺桿泵和內(nèi)嚙合齒輪泵

內(nèi)嚙合齒輪泵有漸開(kāi)線齒輪泵和擺線齒輪泵（又名轉(zhuǎn)子泵）兩種，如圖2-8所示，它們的工作原理和主要特點(diǎn)與外嚙合齒輪泵完全相同。在漸開(kāi)線齒形的內(nèi)嚙合齒輪泵中，小齒輪和內(nèi)齒輪之間要裝一塊月牙形的隔板，以便把吸油腔和壓油腔隔開(kāi)（圖2-8a）。在擺線齒形的內(nèi)嚙合齒輪泵中，小齒輪和內(nèi)齒輪只相差一個(gè)齒，因而不需設(shè)置隔板（圖2-8b）。內(nèi)嚙合齒輪泵中的小齒輪為主動(dòng)輪。

2.內(nèi)嚙合齒輪泵

葉片泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、流量均勻、噪聲小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛用于中、低壓液壓系統(tǒng)中。但也存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜，吸油能力差，對(duì)油液污染比較敏感缺點(diǎn)。

葉片泵按結(jié)構(gòu)可分為單作用式(完成一次吸、排油液)和雙作用式（完成兩次吸、排油液）兩大類(lèi)。單作用片泵多用于變量泵，雙作用葉片泵均為定量泵。第三節(jié)葉片泵1.單作用葉片泵的工作原理一.單作用葉片泵

右圖為單作用葉片泵工作原理圖。單作用葉片泵也是由轉(zhuǎn)子l、定子2、葉片3和配油盤(pán)(圖中未畫(huà)出)等零件組成。與雙作用葉片泵明顯不同之處是，定子的內(nèi)表面是圓形的，轉(zhuǎn)子與定子之間有一偏心量e，配油盤(pán)只開(kāi)一個(gè)吸油窗口和一個(gè)壓油窗口。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于離心力作用，葉片頂部始終壓在定子內(nèi)圓表面上。這樣，兩相鄰葉片間就形成了密封容腔。顯然，當(dāng)轉(zhuǎn)子按圖示方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，圖中右側(cè)的容腔是吸油腔，左側(cè)的容腔是壓油腔，它們?nèi)莘e的變化分別對(duì)應(yīng)著吸油和壓油過(guò)程。封油區(qū)如圖中所示。由于在轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，每個(gè)密封容腔完成吸油、壓油各一次，因此也稱(chēng)為單作用式葉片泵。單作用式葉片泵的轉(zhuǎn)子受不平衡液壓力的作用,故又被稱(chēng)為非卸荷式葉片泵。

2.單作用葉片泵的排量和流量計(jì)算

右圖是單作用葉片泵排量和流量計(jì)算簡(jiǎn)