液压传动原理_.doc

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第一章绪论

一、学习要点

液压传动都是以流体为工作介质进行能量传递和控制的一种传动形式，统称为流体传动与控制，与机械传动、电气传动组成三大传动形式，各具特色，优缺点互为补充。

1.液压传动的工作原理液压传动通过各种元件组成不同功能的基本回路，再由若干基本回路组成一个完整的传动系统。

其力的传递遵循帕斯卡原理：

在密闭容器内，施加于静止液体上的力以等值传到液体各点；运动的传递则遵循密闭工作容积变化相等的原则。

系统工作压力取决于外负载，执行元件的运动速度取决于输入流量的大小。

因此，压力和流量是液压与气压传动的两个最基本、最重要的参数。

2.液压传动系统的组成液压传动系统的工作介质为液压油液，其装置主要由以下四部分组成：

①提供液压油液能源装置；②输出机械能的执行元件；③控制和调节流体的压力、流量和流向的控制元件；④保证系统正常工作除上述三种元件以外的辅助元件。

要熟悉各种元件的图形符号。

3.液压传动的优缺点液压传动的最大优点是能实现“力的放大”及在大范围内实现无级调速，最大的缺点是传动效率偏低及元件制造精度较高，系统出现故障后不易诊断。

 §1-1液压传动的工作原理

一、简化的模型

二、力比和速比

（1）作用在大活塞上的负载F1形成液体压力p=F1/A1

（2）为防止大活塞下降，在小活塞上应施加的力

F2=pA2=F1A2/A1

由此可得：

n液压传动可使力放大，可使力缩小，也可以改变力的方向。

n液体内的压力是由负载决定的。

三、两个重要的概念

 力的传递遵循帕斯卡原理

    p2=F2/A2F1=p1A1=p2A1=pA1

   液压与气动系统的工作压力取决于外负载。

    运动的传递遵照容积变化相等的原则

  s1A1=s2A2

q1=v1A1=v2A2=q2

执行元件的运动速度取决于流量。

 压力和流量是液压传动中的两个最基本的参数。

§1-2液压传动的工作原理及其组成

一、液压千斤顶的工作原理

液压传动的工作原理，可以用一个液压千斤顶的工作原理来说明。



图1-1液压千斤顶工作原理图

1—杠杆手柄2—小油缸3—小活塞4，7—单向阀5—吸油管6，10—管道

8—大活塞9—大油缸11—截止阀12—油箱

图1-1是液压千斤顶的工作原理图。

大油缸9和大活塞8组成举升液压缸。

杠杆手柄1、小油缸2、小活塞3、单向阀4和7组成手动液压泵。

如提起手柄使小活塞向上移动，小活塞下端油腔容积增大，形成局部真空，这时单向阀4打开，通过吸油管5从油箱12中吸油；用力压下手柄，小活塞下移，小活塞下腔压力升高，单向阀4关闭，单向阀7打开，下腔的油液经管道6输入举升油缸9的下腔，迫使大活塞8向上移动，顶起重物。

再次提起手柄吸油时，单向阀7自动关闭，使油液不能倒流，从而保证了重物不会自行下落。

不断地往复扳动手柄，就能不断地把油液压入举升缸下腔，使重物逐渐地升起。

如果打开截止阀11，举升缸下腔的油液通过管道10、截止阀11流回油箱，重物就向下移动。

这就是液压千斤顶的工作原理。

通过对上面液压千斤顶工作过程的分析，可以初步了解到液压传动的基本工作原理。

液压传动是利用有压力的油液作为传递动力的工作介质。

压下杠杆时，小油缸2输出压力油，是将机械能转换成油液的压力能，压力油经过管道6及单向阀7，推动大活塞8举起重物，是将油液的压力能又转换成机械能。

大活塞8举升的速度取决于单位时间内流入大油缸9中油容积的多少。

由此可见，液压传动是一个不同能量的转换过程。

二、液压传动系统的组成

液压千斤顶是一种简单的液压传动装置。

下面分析一种驱动工作台的液压传动系统。

如图1-2所示，它由油箱、滤油器、液压泵、溢流阀、开停阀、节流阀、

图1-2机床工作台液压系统工作原理图

1—工作台2—液压缸3—活塞4—换向手柄5—换向阀

6，8，16—回油管7—节流阀9—开停手柄10—开停阀

11—压力管12—压力支管13—溢流阀14—钢球15—弹簧

17—液压泵18—滤油器19—油箱

换向阀、液压缸以及连接这些元件的油管、接头组成。

其工作原理如下：

液压泵由电动机驱动后，从油箱中吸油。

油液经滤油器进入液压泵，油液在泵腔中从入口低压到泵出口高压，在图1-2（a）所示状态下，通过开停阀、节流阀、换向阀进入液压缸左腔，推动活塞使工作台向右移动。

这时，液压缸右腔的油经换向阀和回油管6排回油箱。

如果将换向阀手柄转换成图1-2（b）所示状态，则压力管中的油将经过开停阀、节流阀和换向阀进入液压缸右腔、推动活塞使工作台向左移动，并使液压缸左腔的油经换向阀和回油管6排回油箱。

工作台的移动速度是通过节流阀来调节的。

当节流阀开大时，进入液压缸的油量增多，工作台的移动速度增大；当节流阀关小时，进入液压缸的油量减小，工作台的移动速度减小。

为了克服移动工作台时所受到的各种阻力，液压缸必须产生一个足够大的推力，这个推力是由液压缸中的油液压力所产生的。

要克服的阻力越大，缸中的油液压力越高；反之压力就越低。

这种现象正说明了液压传动的一个基本原理——压力决定于负载。

三、液压传动系统的组成

图1-3机床工作台液压系统的图形符号图

1—工作台2—液压缸3—油塞4—换向阀

5—节流阀6—开停阀7—溢流阀8—液压泵9—滤油器10—油箱

图1-2所示的液压系统是一种半结构式的工作原理图它有直观性强、容易理解的优点，当液压系统发生故障时，根据原理图检查十分方便，但图形比较复杂，绘制比较麻烦。

从机床工作台液压系统的工作过程可以看出，一个完整的、能够正常工作的液压系统，应该由以下五个主要部分来组成：

1.动力元件它是供给液压系统压力油，把机械能转换成液压能的装置。

最常见的形式是液压泵。

2.执行元件它是把液压能转换成机械能的装置。

其形式有作直线运动的液压缸，有作回转运动的液压马达，它们又称为液压系统的执行元件。

3.控制元件它是对系统中的压力、流量或流动方向进行控制或调节的装置。

如溢流阀、节流阀、换向阀、开停阀等。

4.辅助元件上述三部分之外的其他装置，例如油箱，滤油器，油管等。

它们对保证系统正常工作是必不可少的。

5.传动介质传递能量的流体，即液压油等。

§1-3液压传动的优缺点

液压传动之所以能得到广泛的应用，是由于它具有以下的主要优点：

（1）可在大范围内实现无级调速。

借助阀或变量泵、变量马达，可以实现无级调速，调速范围可达1∶2000，并可在液压装置运行的过程中进行调速。

（2）液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小。

例如，相同功率液压马达的体积为电动机的12%～13%。

液压泵和液压马达单位功率的重量指标，目前是发电机和电动机的十分之一，液压泵和液压马达可小至0.0025N/W（牛/瓦）,发电机和电动机则约为0.03N/W。

（3）传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定。

正因为此特点，金属切削机床中的磨床传动现在几乎都采用液压传动。

（4））液压传动容易实现自动化、易于实现过载保护——借助于设置溢流阀等。

（5）同时液压件能自行润滑，因此使用寿命长。

（6）液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广使用。

（7）传动简化。

液压传动的缺点是：

（1）液压系统中的漏油等因素，影响运动的平稳性和正确性，使得液压传动不能保证严格的传动比。

（2）液压传动对油温的变化比较敏感，温度变化时，液体粘性变化，引起运动特性的变化，使得工作的稳定性受到影响，所以它不宜在温度变化很大的环境条件下工作。

（3）为了减少泄漏，以及为了满足某些性能上的要求，液压元件的配合件制造精度要求较高，加工工艺较复杂。

（4）液压传动要求有单独的能源，不像电源那样使用方便。

（5）液压系统发生故障不易检查和排除。

总之，液压传动的优点是主要的，随着设计制造和使用水平的不断提高，有些缺点正在逐步加以克服。

液压传动有着广泛的发展前景。

§1-4液压油的主要性能与选用

一、粘性

液体在外力作用下流动时，由于液体分子间的内聚力而产生一种阻碍液体分子之间进行相对运动的内摩擦力，液体的这种产生内摩擦力的性质称为液体的粘性。

由于液体具有粘性，当流体发生剪切变形时，流体内就产生阻滞变形的内摩擦力，由此可见，粘性表征了流体抵抗剪切变形的能力。

处于相对静止状态的流体中不存在剪切变形，因而也不存在变形的抵抗，只有当运动流体流层间发生相对运动时，流体对剪切变形的抵抗，也就是粘性才表现出来。

粘性所起的作用为阻滞流体内部的相互滑动，在任何情况下它都只能延缓滑动的过程而不能消除这种滑动。

粘性的大小可用粘度来衡量，粘度是选择液压用流体的主要指标，是影响流动流体的重要物理性质。

图2-2液体的粘性示意图

当液体流动时，由于液体与固体壁面的附着力及流体本身的粘性使流体内各处的速度大小不等，以流体沿如图2-2所示的平行平板间的流动情况为例，设上平板以速度u0向右运动，下平板固定不动。

紧贴于上平板上的流体粘附于上平板上，其速度与上平板相同。

紧贴于下平板上的流体粘附于下平板图2-2液体的粘性示意图上，其速度为零。

中间流体的速度按线性分布。

我们把这种流动看成是许多无限薄的流体层在运动，当运动较快的流体层在运动较慢的流体层上滑过时，两层间由于粘性就产生内摩擦力的作用。

根据实际测定的数据所知，流体层间的内摩擦力F与流体层的接触面积A及流体层的相对流速du成正比，而与此二流体层间的距离dz成反比，即：



F=μAdu/dz

以τ=F/A表示切应力，则有：



τ＝μdu/dz（2-6）

式中：

μ为衡量流体粘性的比例系数，称为绝对粘度或动力粘度；du/dz表示流体层间速度差异的程度，称为速度梯度。

上式是液体内摩擦定律的数学表达式。

当速度梯度变化时，μ为不变常数的流体称为牛顿流体，μ为变数的流体称为非牛顿流体。

除高粘性或含有大量特种添加剂的液体外，一般的液压用流体均可看作是牛顿流体。

流体的粘度通常有三种不同的测试单位。

（1）绝对粘度μ。

绝对粘度又称动力粘度，它直接表示流体的粘性即内摩擦力的大小。

动力粘度μ在物理意义上讲，是当速度梯度du/dz=1时，单位面积上的内摩擦力的大小，即：



（2-7）

动力粘度的国际（SI）计量单位为牛顿·秒/米2，符号为N·s/m2，或为帕·秒，符号为Pa·s。

（2）运动粘度ν。

运动粘度是绝对粘度μ与密度ρ的比值：



ν=μ/ρ（2-8）

式中：

ν为液体的动力粘度，m2/s；ρ为液体的密度，kg/m3。

运动粘度的SI单位为米2/秒，m2/s。

还可用CGS制单位：

斯（托克斯），St斯的单位太大，

（3）相对粘度。

相对粘度是以相对于蒸馏水的粘性的大小来表示该液体的粘性的。

相对粘度又称条件粘度。

各国采用的相对粘度单位有所不同。

有的用赛氏粘度，有的用雷氏粘度，我国采用恩氏粘度。

（4）压力对粘度的影响。

在一般情况下，压力对粘度的影响比较小，在工程中当压力低于5MPa时，粘度值的变化很小，可以不考虑。

当液体所受的压力加大时，分子之间的距离缩小，内聚力增大，其粘度也随之增大。

因此，在压力很高以及压力变化很大的情况下，粘度值的变化就不能忽视。

在工程实际应用中，当液体压力在低于50MPa的情况下，可用下式计算其粘度：

νp=ν0（1+αp）（2-12）

式中：

νp为压力在p（Pa）时的运动粘度；ν0为绝对压力为1个大气压时的运动粘度；p为压力（Pa）；α为决定于油的粘度及油温的系数，一般取α=（0.002～0.004）×10-5，1/Pa。

（5）温度对粘度的影响。

液压油粘度对温度的变化是十分敏感的，当温度升高时，其分子之间的内聚力减小，粘度就随之降低。

不同种类的液压油，它的粘度随温度变化的规律也不同。

我国常用粘温图表示油液粘度随温度变化的关系。

对于一般常用的液压油，当运动粘度不超过76mm2/s，温度在30～150℃范围内时，可用下述近似公式计算其温度为t℃的运动粘度：

νt=ν50（50/t）n（2-13）

式中：

νt为温度在t℃时油的运动粘度；ν50为温度为50℃时油的运动粘度；n为粘温指数。

粘温指数n随油的粘度而变化，其值可参考表2-2。

表2-2粘温指数

ν50/mm2·s-1

2.5

6.5

9.5

12

21

30

38

45

52

60

n

1.39

1.59

1.72

1.79

1.99

2.13

2.24

2.32

2.42

2.49

二、液压油的物理特性

1、 密度ρ

ρ=m/V[kg/m3]

一般矿物油的密度为850~950kg/m3

2、重度γ

γ=G/V[N/m3]

一般矿物油的重度为8400~9500N/m3

因G=mg所以γ=G/V=ρg

3、液体的可压缩性

当液体受压力作用二体积减小的特性称为液体的可压缩性。

体积压缩系数β=-▽V/▽pV0

▽体积弹性模量K=1/β

三、液压油的选用

1、液压油是液压传动系统的重要组成部分，是用来传递能量的工作介质。

除了传递能量外，它还起着润滑运动部件和保护金属不被锈蚀的作用。

液压油的质量及其各种性能将直接影响液压系统的工作。

从液压系统使用油液的要求来看，有下面几点：

1.）适宜的粘度和良好的粘温性能一般液压系统所用的液压油其粘度范围为：

ν=11.5×10-6～35.3×10-6m2/s（2～5°E50）

2.）润滑性能好在液压传动机械设备中，除液压元件外，其他一些有相对滑动的零件也要用液压油来润滑，因此，液压油应具有良好的润滑性能。

为了改善液压油的润滑性能，可加入添加剂以增加其润滑性能。

3.）良好的化学稳定性即对热、氧化、水解、相容都具有良好的稳定性。

4.）对液压装置及相对运动的元件具有良好的润滑性

5.）对金属材料具有防锈性和防腐性

6.）比热、热传导率大，热膨胀系数小

7.）抗泡沫性好，抗乳化性好

8.）油液纯净，含杂质量少

9.）流动点和凝固点低，闪点（明火能使油面上油蒸气内燃，但油本身不燃烧的温度）和燃点高

此外，对油液的无毒性、价格便宜等，也应根据不同的情况有所要求。

2、正确而合理地选用液压油，乃是保证液压设备高效率正常运转的前提。

选用液压油时，可根据液压元件生产厂样本和说明书所推荐的品种号数来选用液压油，或者根据液压系统的工作压力、工作温度、液压元件种类及经济性等因素全面考虑，一般是先确定适用的粘度范围，再选择合适的液压油品种。

同时还要考虑液压系统工作条件的特殊要求，如在寒冷地区工作的系统则要求油的粘度指数高、低温流动性好、凝固点低；伺服系统则要求油质纯、压缩性小；高压系统则要求油液抗磨性好。

在选用液压油时，粘度是一个重要的参数。

粘度的高低将影响运动部件的润滑、缝隙的泄漏以及流动时的压力损失、系统的发热温升等。

所以，在环境温度较高，工作压力高或运动速度较低时，为减少泄漏，应选用粘度较高的液压油，否则相反。

液压油的牌号（即数字）表示在40℃下油液运动粘度的平均值（单位为cSt）。

原名内为过去的牌号，其中的数字表示在50℃时油液运动粘度的平均值。

但是总的来说，应尽量选用较好的液压油，虽然初始成本要高些，但由于优质油使用寿命长，对元件损害小，所以从整个使用周期看，其经济性要比选用劣质油好些。

实际上，系统中使用的泵对液压油粘度的选用往往起决定性的作用。

第二章液压传动基础知识

本章介绍有关液压传动的流体力学基础，重点为液体静压方程、连续性方程、伯努力方程的应用，压力损失、小孔流量的计算。

要求学生理解基本概念、牢记公式并会应用。

§2-1液体静力学基础

液压传动是以液体作为工作介质进行能量传递的，因此要研究液体处于相对平衡状态下的力学规律及其实际应用。

所谓相对平衡是指液体内部各质点间没有相对运动，至于液体本身完全可以和容器一起如同刚体一样做各种运动。

因此，液体在相对平衡状态下不呈现粘性，不存在切应力，只有法向的压应力，即静压力。

本节主要讨论液体的平衡规律和压强分布规律以及液体对物体壁面的作用力。

一、液体静压力及其特性

作用在液体上的力有两种类型：

一种是质量力，另一种是表面力。

质量力作用在液体所有质点上，它的大小与质量成正比，属于这种力的有重力、惯性力等。

单位质量液体受到的质量力称为单位质量力，在数值上等于重力加速度。

表面力作用于所研究液体的表面上，如法向力、切向力。

表面力可以是其他物体（例如活塞、大气层）作用在液体上的力；也可以是一部分液体间作用在另一部分液体上的力。

对于液体整体来说，其他物体作用在液体上的力属于外力，而液体间作用力属于内力。

由于理想液体质点间的内聚力很小，液体不能抵抗拉力或切向力，即使是微小的拉力或切向力都会使液体发生流动。

因为静止液体不存在质点间的相对运动，也就不存在拉力或切向力，所以静止液体只能承受压力。

所谓静压力是指静止液体单位面积上所受的法向力，用p表示。

液体内某质点处的法向力ΔF对其微小面积ΔA的极限称为压力p，即：

p＝limΔF/ΔA（2-14）

ΔA→0

若法向力均匀地作用在面积A上，则压力表示为：

p＝F/A（2-15）

式中：

A为液体有效作用面积；F为液体有效作用面积A上所受的法向力。

静压力具有下述两个重要特征：

（1）液体静压力垂直于作用面，其方向与该面的内法线方向一致。

（2）静止液体中，任何一点所受到的各方向的静压力都相等。

二、液体静力学方程

图2-3静压力的分布规律

静止液体内部受力情况可用图2-3来说明。

设容器中装满液体，在任意一点A处取一微小面积dA，该点距液面深度为h，距坐标原点高度为Z，容器液平面距坐标原点为Z0。

为了求得任意一点A的压力，可取dA·h这个液柱为分离体〔见图（b）〕。

根据静压力的特性，作用于这个液柱上的力在各方向都呈平衡，现求各作用力在Ｚ方向的平衡方程。

微小液柱顶面上的作用力为p0dA（方向向下），液柱本身的重力Ｇ＝γhdA（方向向下），液柱底面对液柱的作用力为pdA（方向向上），则平衡方程为：

pdA=p0dA+γhdA

故p=p0+γh（2-16）

为了更清晰地说明静压力的分布规律，将（2-16）式按坐标Ｚ变换一下，即以：

h=Z0-Z

代入上式整理后得：

p+γZ=p0+γZ0=常量（2-17）

上式是液体静力学基本方程的另一种形式。

其中Z实质上表示A点的单位质量液体的位能。

设A点液体质点的质量为m，重力为mg，如果质点从A点下降到基准水平面，它的重力所做的功为mgz。

因此A处的液体质点具有位置势能mgz，单位质量液体的位能就是

mgz/mg＝Z，Z又常称作位置水头。

而p/ρg表示A点单位质量液体的压力能，常称为压力水头。

由以上分析及式（2-1）可知，静止液体中任一点都有单位质量液体的位能和压力能，即具有两部分能量，而且各点的总能量之和为一常量。

分析式（2-16）可知：

（1）静止液体中任一点的压力均由两部分组成，即液面上的表面压力p0和液体自重而引起的对该点的压力γh。

（2）静止液体内的压力随液体距液面的深度变化呈线性规律分布，且在同一深度上各点的压力相等，压力相等的所有点组成的面为等压面，很显然，在重力作用下静止液体的等压面为一个平面。

（3）可通过下述三种方式使液面产生压力p0：

①通过固体壁面（如活塞）使液面产生压力；

②通过气体使液面产生压力；

③通过不同质的液体使液面产生压力。

三、压力的表示方法及单位

液压系统中的压力就是指压强，液体压力通常有绝对压力、相对压力（表压力）、真空度三种表示方法。

因为在地球表面上，一切物体都受大气压力的作用，而且是自成平衡的，即大多数测压仪表在大气压下并不动作，这时它所表示的压力值为零，因此，它们测出的压力是高于大气压力的那部分压力。

也就是说，它是相对于大气压（即以大气压为基准零值时）所测量到的一种压力，因此称它为相对压力或表压力。

另一种是以绝对真空为基准零值时所测得的压力，我们称它为绝对压力。

当绝对压力低于大气压时，习惯上称为出现真空。

因此，某点的绝对压力比大气压小的那部分数值叫作该点的真空度。

如某点的绝对压力为4.052×104Pa（0.4大气压），则该点的真空度为0.6078×104Pa（0.6大气压）。

绝对压力、相对压力（表压力）和真空度的关系如图2-4所示。

图2-4绝对压力与表压力的关系图2-5真空

由图2-4可知，绝对压力总是正值，表压力则可正可负，负的表压力就是真空度，如真空度为4.052×104Pa（0.4大气压），其表压力为-4.052×104Pa（-0.4大气压）。

我们把下端开口，上端具有阀门的玻璃管插入密度为ρ的液体中，如图2-5所示。

如果在上端抽出一部分封入的空气，使管内压力低于大气压力，则在外界的大气压力pa的作用下，管内液体将上升至h0，这时管内液面压力为p0，由流体静力学基本公式可知：

pa=p0+ρgh0。

显然，ρgh0就是管内液面压力p0不足大气压力的部分，因此它就是管内液面上的真空度。

由此可见，真空度的大小往往可以用液柱高度h0=（pa-p0）/ρg来表示。

在理论上，当p0等于零时，即管中呈绝对真空时，h0达到最大值，设为（h0max）r，在标准大气压下，

（h0max）r＝patm/ρg=10.1325/（9.8066ρ）=1.033/ρ

水的密度ρ=10-3kg/cm3，汞的密度为13.6×10-3kg/cm3。

所以（h0max）r＝1.033×10-3=1033cmH2O=10.33mH2O

或（h0max）r＝1.03313.6×10-3=76cmHg=760mmHg

即理论上在标准大气压下的最大真空度可达10.33米水柱或760毫米汞柱。

根据上述归纳如下：

（1）绝对压力＝大气压力+表压力

（2）表压力＝绝对压力-大气压力

（3）真空度＝大气压力-绝对压力

压力单位为帕斯卡，简称帕，符号为Pa，1Pa＝1N/m2。

由于此单位很小，工程上使用不便，因此常采用它的倍单位兆帕，符号MPa。

1Mpa=105Pa

四、液压静压力对固体壁面的作用力

在液压传动中，略去液体自重产生的压力，液体中各点的静压力是均匀分布的，且垂直作用于受压表面。

因此，当承受压力的表面为平面时，液体对该平面的总作用力F为液体的压力p与受压面积A的乘积，其方向与该平面相垂直。

如压力油作用在直径为D的柱塞上，则有F=pA=pπD2/4。

当承受压力的表面为曲面时，由于压力总是垂直于承受压力的表面，所以作用在曲面上各点的力不平行但相等。

要计算曲面上的总作用力，必须明确要计算哪个方向上的力。

图2-7所示为液压缸筒受力分析图。

设缸筒半径为r，长度为l，求