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1、第第5章章 液压传动基础液压传动基础5.1 概述概述5.2 液压油液压油5.3 液体力学液体力学 5.1 概述概述本章概述本章概述液压传动是以液体作为工作介质，利用液体的压力进行能量液压传动是以液体作为工作介质，利用液体的压力进行能量的传递和控制的一门技术。液压传动具有许多优点。被广泛的传递和控制的一门技术。液压传动具有许多优点。被广泛地应用于机械制造、工程机械、建筑、汽车工业、石油化工、地应用于机械制造、工程机械、建筑、汽车工业、石油化工、航天航空、军事、冶金、农机、海洋开发等领域。尤其是在航天航空、军事、冶金、农机、海洋开发等领域。尤其是在当今，随着微电子、计算机技术的发展，机、电、液技术
2、的当今，随着微电子、计算机技术的发展，机、电、液技术的紧密结合，液压传动的发展又进入了一个崭新的阶段。紧密结合，液压传动的发展又进入了一个崭新的阶段。教学目标教学目标1.了解液压传动的工作原理和组成。了解液压传动的工作原理和组成。2.掌握液压油的性质、分类和选用要求掌握液压油的性质、分类和选用要求3.熟悉液体力学相关知识。熟悉液体力学相关知识。下一页返回5.1 概述概述一、液压传动的工作原理一、液压传动的工作原理现以液压千斤顶为例，来说明液压传动的工作原理。现以液压千斤顶为例，来说明液压传动的工作原理。图图5-1所示为液压千斤顶的工作原理图，它由杠杆所示为液压千斤顶的工作原理图，它由杠杆1、泵
3、体、泵体2、活塞、活塞3、单向阀、单向阀4和单向阀和单向阀7组成的手动液压泵和活塞组成的手动液压泵和活塞8,缸体缸体9等等组成的举升液压缸构成。当提起杠杆组成的举升液压缸构成。当提起杠杆1时，活塞时，活塞3上升，泵体上升，泵体2下腔的工作容积增大，形成局部真空，于是油箱下腔的工作容积增大，形成局部真空，于是油箱12中的油中的油液在大气压力的作用下，推开单向阀液在大气压力的作用下，推开单向阀4进入泵体进入泵体2的下腔的下腔(此此时单向阀时单向阀7关闭关闭);下一页返回上一页5.1 概述概述当压下杠杆当压下杠杆1时，活塞时，活塞3下降，泵体下降，泵体2下腔的容积缩小，油液下腔的容积缩小，油液的压力
4、升高，打开单向阀的压力升高，打开单向阀7(单向阀单向阀4关闭关闭)，泵体，泵体2下腔的油下腔的油液进入缸体液进入缸体9的下腔的下腔(此时截止阀此时截止阀11关闭关闭)，使活塞，使活塞8向上运向上运动，把重物顶起。若反复提压杠杆动，把重物顶起。若反复提压杠杆1，就可以使重物不断上升，就可以使重物不断上升，达到起重的目的。当打开截止阀达到起重的目的。当打开截止阀11时，活塞时，活塞8在外力和自重在外力和自重的作用下实现回程，缸体的作用下实现回程，缸体9下腔的油液通过管路下腔的油液通过管路10直接流回直接流回油箱。油箱。下一页返回上一页5.1 概述概述二、液压传动系统的组成二、液压传动系统的组成图图
5、5-2所示为简化了的机床工作台液压传动系统图，电动机所示为简化了的机床工作台液压传动系统图，电动机带动液压泵带动液压泵3从油箱从油箱1中吸油，并将油液送往系统，经节流阀中吸油，并将油液送往系统，经节流阀6至换向阀至换向阀7。当换向阀两端的电磁铁均不通电时，阀芯处于。当换向阀两端的电磁铁均不通电时，阀芯处于中间位置，如中间位置，如图图5-2(a)所示，管路所示，管路P,A,B,T均不相通，液压均不相通，液压缸两腔油液均被封闭，工作台不能运动。若换向阀缸两腔油液均被封闭，工作台不能运动。若换向阀7左端电磁左端电磁铁通电，将阀芯推向右侧处于铁通电，将阀芯推向右侧处于图图5-2(b)所示位置，此时管路
6、所示位置，此时管路P和和A相通，相通，B和和T相通，压力油经管路相通，压力油经管路P、换向阀、管路、换向阀、管路A流流入液压缸入液压缸8的左腔的左腔;由于液压缸的缸体固定，活塞由于液压缸的缸体固定，活塞9在压力油在压力油的推动下，通过活塞杆带动工作台向右运动，同时液压缸的推动下，通过活塞杆带动工作台向右运动，同时液压缸8右右腔的油液经管路腔的油液经管路B、换向阀、管路、换向阀、管路T流回油箱流回油箱1。上一页 下一页返回5.1 概述概述当换向阀当换向阀7右侧电磁铁通电时，阀芯被推至左侧处于右侧电磁铁通电时，阀芯被推至左侧处于图图5-2 (c)所示位置，压力油经管路所示位置，压力油经管路P、换向
7、阀、管路、换向阀、管路B流入液压缸流入液压缸8的右腔，推动工作台向左移动，此时，液压缸的右腔，推动工作台向左移动，此时，液压缸8左腔的油液左腔的油液经管路经管路A、换向阀、管路、换向阀、管路T流回油箱。可通过控制换向阀流回油箱。可通过控制换向阀7两两端电磁铁的通断电情况，使换向阀端电磁铁的通断电情况，使换向阀7的阀芯左、右移动，从而的阀芯左、右移动，从而控制工作台的往复运动。控制工作台的往复运动。上一页 下一页返回5.1 概述概述工作台的运动速度可根据需要进行调整，由节流阀工作台的运动速度可根据需要进行调整，由节流阀6和溢流阀和溢流阀5的配合来实现。节流阀就像自来水龙头一样，可以开大，也的配合
8、来实现。节流阀就像自来水龙头一样，可以开大，也可以关小。当开大时，经节流阀可以关小。当开大时，经节流阀6进入系统的油液就增多，工进入系统的油液就增多，工作台的运动速度就加快，同时经溢流阀作台的运动速度就加快，同时经溢流阀5流回油箱的油液就相流回油箱的油液就相应减少应减少;当关小时，运动速度就减慢，同时经溢流阀当关小时，运动速度就减慢，同时经溢流阀5流回油流回油箱的油液就相应增加，从而控制工作台的速度。箱的油液就相应增加，从而控制工作台的速度。工作台运动时，还要克服一定的阻力，如切削阻力和摩擦阻工作台运动时，还要克服一定的阻力，如切削阻力和摩擦阻力等，这些阻力由液压泵输出油液的压力来克服，因此，
9、要力等，这些阻力由液压泵输出油液的压力来克服，因此，要求液压泵输出的油液压力应能进行调节。求液压泵输出的油液压力应能进行调节。上一页 下一页返回5.1 概述概述这个功能是由溢流阀这个功能是由溢流阀5来完成的。当油液压力对溢流阀阀芯的来完成的。当油液压力对溢流阀阀芯的作用力略大于弹簧对阀芯的作用力时，阀芯才能移动，使阀作用力略大于弹簧对阀芯的作用力时，阀芯才能移动，使阀口打开，油液经溢流阀流回油箱，压力不再升高，此时，泵口打开，油液经溢流阀流回油箱，压力不再升高，此时，泵出口处的油液压力是由溢流阀决定的。出口处的油液压力是由溢流阀决定的。由以上例子可以看出，液压传动系统由以下几个部分组成由以上例
10、子可以看出，液压传动系统由以下几个部分组成:动力元件液压泵，是能量的输入装置，它将原动机输入的机动力元件液压泵，是能量的输入装置，它将原动机输入的机械能转换成液体的压力能，向系统提供压力油。械能转换成液体的压力能，向系统提供压力油。执行元件液压缸或液压电动机，是能量的输出装置，它把液执行元件液压缸或液压电动机，是能量的输出装置，它把液体的压力能转换为机械能，克服负载，带动机械完成所需的体的压力能转换为机械能，克服负载，带动机械完成所需的动作。动作。上一页 下一页返回5.1 概述概述控制元件各种控制阀，如压力阀、流量阀、方向阀等，用来控制元件各种控制阀，如压力阀、流量阀、方向阀等，用来控制液压系
11、统所需的压力、流量、方向和工作性能，以保证控制液压系统所需的压力、流量、方向和工作性能，以保证执行元件实现各种不同的工作要求。执行元件实现各种不同的工作要求。辅助元件指各种管接头、油管、油箱、过滤器、蓄能器、压辅助元件指各种管接头、油管、油箱、过滤器、蓄能器、压力计等，起连接、输油、储油、过滤、储存压力能、侧量等力计等，起连接、输油、储油、过滤、储存压力能、侧量等作用，它们对保证液压系统可靠和稳定地工作，具有非常重作用，它们对保证液压系统可靠和稳定地工作，具有非常重要的作用。要的作用。工作介质液压油，是传递能量的介质。它直接影响着液压系工作介质液压油，是传递能量的介质。它直接影响着液压系统的性
12、能和可靠性。统的性能和可靠性。上一页 下一页返回5.1 概述概述三、液压传动系统的图形符号三、液压传动系统的图形符号图图5-2所示的液压传动系统图，是一种半结构式的工作原理所示的液压传动系统图，是一种半结构式的工作原理图，称为结构原理图。这种原理图直观性强、容易理解，但图，称为结构原理图。这种原理图直观性强、容易理解，但绘制起来比较麻烦。为了简化原理图的绘制。系统中各元件绘制起来比较麻烦。为了简化原理图的绘制。系统中各元件可用符号表示，这些符号只表示元件的职能和控制方式及外可用符号表示，这些符号只表示元件的职能和控制方式及外部连接口。不表示元件的具体结构和参数及连接口的实际位部连接口。不表示元
13、件的具体结构和参数及连接口的实际位置和元件的安装位置。我国置和元件的安装位置。我国1993年制订的液压气动图形符年制订的液压气动图形符号号GB/T 786.1-1993(代替代替GB786-76)，就属于职能符，就属于职能符号。号。上一页 下一页返回5.1 概述概述图图5-2所示的液压系统用职能符号表示时，如所示的液压系统用职能符号表示时，如图图5-3所示，所示，这样绘制起来方便，可使系统图简单明了。按照规定，液压这样绘制起来方便，可使系统图简单明了。按照规定，液压元件符号均以元件的静止位置或零位表示，有些液压元件无元件符号均以元件的静止位置或零位表示，有些液压元件无法采用职能符号表示时，仍允
14、许采用结构原理图表示。法采用职能符号表示时，仍允许采用结构原理图表示。上一页返回5.2 液压油液压油一、液压油的性质一、液压油的性质1.液体的可压缩性液体的可压缩性 液体受压力作用发生体积变化的性质称为液体的可压缩性。液体受压力作用发生体积变化的性质称为液体的可压缩性。在一般情况下，由于压力变化引起液体体积的变化很小，液在一般情况下，由于压力变化引起液体体积的变化很小，液压油的可压缩性对液压系统性能的影响不大，所以一般可认压油的可压缩性对液压系统性能的影响不大，所以一般可认为液体是不可压缩的。在压力变化较大或有动态特性要求的为液体是不可压缩的。在压力变化较大或有动态特性要求的高压系统中，应考虑
15、液体的可压缩性对系统的影响。当液体高压系统中，应考虑液体的可压缩性对系统的影响。当液体中混入空气时，其可压缩性将显著增加，并严重影响液压系中混入空气时，其可压缩性将显著增加，并严重影响液压系统的性能，故应将液压系统中油液中的空气含量减少到最低统的性能，故应将液压系统中油液中的空气含量减少到最低限量。限量。下一页返回5.2 液压油液压油 2.液体的黏度液体的黏度 当液体在外力作用下流动时，液体内部各流层之间产生内摩当液体在外力作用下流动时，液体内部各流层之间产生内摩擦力的性质，就称为液体的黏性。黏性越大，内摩擦力就越擦力的性质，就称为液体的黏性。黏性越大，内摩擦力就越大，液体的流动性就越差。黏性
16、的大小可用黏度来衡量。大，液体的流动性就越差。黏性的大小可用黏度来衡量。(1)动力黏度动力黏度图图5-4所示为液体黏性示意图，实验表明所示为液体黏性示意图，实验表明(牛牛顿内摩擦定律顿内摩擦定律)，液体流动时相邻液层间的内摩擦力与液层间，液体流动时相邻液层间的内摩擦力与液层间的相对速度的相对速度 v成正比，而与液层间的距离成正比，而与液层间的距离h成反比，即成反比，即 (5-1)式中，式中，为单位面积上的内摩擦力为单位面积上的内摩擦力(切应力切应力)。为比例系数，为比例系数，称为动力黏度动力黏度的单位是称为动力黏度动力黏度的单位是Pas(帕帕秒秒)。上一页 下一页返回5.2 液压油液压油(2)
17、运动黏度运动黏度 动力黏度动力黏度 和液体密度和液体密度 的比值就称为运的比值就称为运动黏度，即动黏度，即 （5-2）运动黏度的单位是运动黏度的单位是m2/s(二次方米每秒二次方米每秒)。它没有明确的物。它没有明确的物理意义，但习惯上常用它来标志液体的黏度，例如各种矿物理意义，但习惯上常用它来标志液体的黏度，例如各种矿物油的牌号就是该种油液在油的牌号就是该种油液在40时的运动黏度的平均值。时的运动黏度的平均值。(3)相对黏度相对黏度又称条件黏度，它是采用特定的黏度相对黏度相对黏度又称条件黏度，它是采用特定的黏度计在规定的条件下测出的液体黏度。我国、德国、前苏联等计在规定的条件下测出的液体黏度。
18、我国、德国、前苏联等国家采用恩氏黏度国家采用恩氏黏度E,美国用赛氏黏度美国用赛氏黏度SSU，英国则用雷氏，英国则用雷氏黏度黏度RS。上一页 下一页返回5.2 液压油液压油恩氏黏度用恩氏黏度计测定，是恩氏黏度用恩氏黏度计测定，是200tnL温度为，温度为，的被测的被测液体流经恩氏黏度计的时间与液体流经恩氏黏度计的时间与200tnL温度为温度为20的蒸馏水的蒸馏水在同一黏度计中流经时间之比。一般以在同一黏度计中流经时间之比。一般以40及及100作为测作为测定液体黏度的标准温度，由此而得到的恩氏黏度分别用定液体黏度的标准温度，由此而得到的恩氏黏度分别用E40 E100标记。标记。液体黏度的测定可用旋
19、转黏度计或运动黏度测定器直接测定，液体黏度的测定可用旋转黏度计或运动黏度测定器直接测定，也可以先测出液体的相对黏度，然后再根据经验公式换算出也可以先测出液体的相对黏度，然后再根据经验公式换算出运动黏度。恩氏黏度与运动黏度运动黏度。恩氏黏度与运动黏度(m2/s)间的换算关系式为间的换算关系式为 (5-3)上一页 下一页返回5.2 液压油液压油 液体的黏度随液体压力和温度的变化而变化，对液压油而言，液体的黏度随液体压力和温度的变化而变化，对液压油而言，压力增大，黏度增大，但其变化量很小，在一般的中、低压压力增大，黏度增大，但其变化量很小，在一般的中、低压系统中可以忽略不计。但液压油的黏度受温度变化
20、的影响十系统中可以忽略不计。但液压油的黏度受温度变化的影响十分敏感，温度升高，黏度降低。液压油的黏度随温度变化的分敏感，温度升高，黏度降低。液压油的黏度随温度变化的关系称为液压油的粘温特性。液压油黏度的变化直接影响液关系称为液压油的粘温特性。液压油黏度的变化直接影响液压系统的性能和泄漏量。因此，希望黏度随温度的变化越小压系统的性能和泄漏量。因此，希望黏度随温度的变化越小越好，即粘温特性要好。粘温特性可用黏度指数越好，即粘温特性要好。粘温特性可用黏度指数VI表示，黏表示，黏度指数度指数VI的值越高，表示液压油黏度随温度的变化越小，即的值越高，表示液压油黏度随温度的变化越小，即粘温特性越好。对于普
21、通的液压传动系统，一般要求粘温特性越好。对于普通的液压传动系统，一般要求VI90。上一页 下一页返回5.2 液压油液压油3.其他性质其他性质作为传动介质的液压油还需要有其他一些性质，如热安定性、作为传动介质的液压油还需要有其他一些性质，如热安定性、氧化安定性、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、润滑性以及相氧化安定性、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、润滑性以及相容性等，这些性质都对液压油的选择和使用有重要的影响，容性等，这些性质都对液压油的选择和使用有重要的影响，其含义较为明显，不再多作解释，可参阅有关资料。其含义较为明显，不再多作解释，可参阅有关资料。上一页 下一页返回5.2 液压油液压油二、液压油的选
22、用二、液压油的选用1.对液压油的要求对液压油的要求在液压传动中，液压油既是传动介质，又兼作润滑油，因此在液压传动中，液压油既是传动介质，又兼作润滑油，因此它比一般润滑油的要求更高。对液压油的要求为它比一般润滑油的要求更高。对液压油的要求为:要有适宜的黏度和良好的粘温特性。要有适宜的黏度和良好的粘温特性。具有良好的润滑性，以减小液压元件中相对运动表面的磨损。具有良好的润滑性，以减小液压元件中相对运动表面的磨损。上一页 下一页返回5.2 液压油液压油具有良好的热安定性和氧化安定性。具有良好的热安定性和氧化安定性。具有较好的相容性，即对密封件、软管、涂料等无溶解等有害具有较好的相容性，即对密封件、软
23、管、涂料等无溶解等有害的影响。的影响。质量要纯净，不含或含有极少量的杂质、水分和水溶性酸碱等质量要纯净，不含或含有极少量的杂质、水分和水溶性酸碱等.要具有良好的抗泡沫性，抗乳化性要好，腐蚀性要小，防锈性要具有良好的抗泡沫性，抗乳化性要好，腐蚀性要小，防锈性要好。液压油乳化会降低其润滑性，而使酸值增加。使用寿命要好。液压油乳化会降低其润滑性，而使酸值增加。使用寿命缩短。液压油中产生泡沫会引起气穴现象。缩短。液压油中产生泡沫会引起气穴现象。液压油用于高温场合时，为了防火安全，闪点要求要高，在温液压油用于高温场合时，为了防火安全，闪点要求要高，在温度低的环境下工作时，凝点要求要低。对人体无害，成本低
24、。度低的环境下工作时，凝点要求要低。对人体无害，成本低。上一页 下一页返回5.2 液压油液压油2.液压油的选用液压油的选用液压油的合理选用，实质上就是对液压油的品种和牌号的选液压油的合理选用，实质上就是对液压油的品种和牌号的选择。择。(1)液压油品种的选择石油基液压油的品种较多，由于制造液压油品种的选择石油基液压油的品种较多，由于制造容易，来源多，价格较低，故在液压设备中，几乎容易，来源多，价格较低，故在液压设备中，几乎90%以上以上是使用石油基液压油。但难燃液压油既有抗燃特性，又符合是使用石油基液压油。但难燃液压油既有抗燃特性，又符合节省能源与控制污染的要求，故受到各国的普遍重视，所以节省能
25、源与控制污染的要求，故受到各国的普遍重视，所以应从设备中液压系统的特点、工作环境和液压油的特性等出应从设备中液压系统的特点、工作环境和液压油的特性等出发，来选择液压油的品种，发，来选择液压油的品种，表表5-1可供选择时参考。可供选择时参考。上一页 下一页返回5.2 液压油液压油(2)液压油牌号的选择在液压油的品种已定的情况下选择油液压油牌号的选择在液压油的品种已定的情况下选择油的牌号时，最先考虑的的牌号时，最先考虑的 应是液压油的黏度。如果黏度太低，应是液压油的黏度。如果黏度太低，就使泄漏增加，从而降低效率，降低润滑性，增加磨损就使泄漏增加，从而降低效率，降低润滑性，增加磨损;如果如果液压油的
26、黏度太高，运动部分的阻力要增加，磨损增大，液液压油的黏度太高，运动部分的阻力要增加，磨损增大，液压泵的吸油阻力增大，易产生吸空并造成噪声。因此，要合压泵的吸油阻力增大，易产生吸空并造成噪声。因此，要合理选择液压油的黏度。选择液压油时要注意以下几点理选择液压油的黏度。选择液压油时要注意以下几点:工作环境工作环境:当液压系统工作环境温度较高时，应采用较高黏度当液压系统工作环境温度较高时，应采用较高黏度的液压油的液压油;反之则采用较低黏度的液压油。反之则采用较低黏度的液压油。上一页 下一页返回5.2 液压油液压油工作压力工作压力:当液压系统工作压力较高时，应采用较高黏度的液当液压系统工作压力较高时，
27、应采用较高黏度的液压油，以防泄漏压油，以防泄漏;反之用较低黏度的液压油。反之用较低黏度的液压油。运动速度运动速度:当液压系统工作部件运动速度高时，为了减少功率当液压系统工作部件运动速度高时，为了减少功率损失，应采用黏度较低的液压油损失，应采用黏度较低的液压油;反之采用较高黏度的液压油。反之采用较高黏度的液压油。液压泵的类型液压泵的类型:在液压系统中，不同的液压泵对润滑的要求不在液压系统中，不同的液压泵对润滑的要求不同，选择液压油时应考虑液压泵的类型及其工作环境，如同，选择液压油时应考虑液压泵的类型及其工作环境，如表表5-2所示。所示。上一页 下一页返回5.2 液压油液压油(3)合理使用液压油的
28、要点合理使用液压油的要点换油前液压系统要清洗，液压系统首次使用液压油前，必须换油前液压系统要清洗，液压系统首次使用液压油前，必须彻底清洗干净，在更换同一品种液压油时，也要用新换的液彻底清洗干净，在更换同一品种液压油时，也要用新换的液压油冲洗压油冲洗1 2次液压油不能随意混用。次液压油不能随意混用。注意液压系统密封的良好，防止泄漏和外界各种尘土、杂质注意液压系统密封的良好，防止泄漏和外界各种尘土、杂质等混入。等混入。加入新油时，必须按要求过滤。加入新油时，必须按要求过滤。根据换油指标及时更换液压油。根据换油指标及时更换液压油。上一页返回5.3 液体力学液体力学一、液体的静压力一、液体的静压力1.
29、概念概念液体的静压力就是液体单位面积上所受到的法向作用力，在液体的静压力就是液体单位面积上所受到的法向作用力，在物理学中称为压强，在工程实际中习惯上称为压力。由于液物理学中称为压强，在工程实际中习惯上称为压力。由于液体质点间的内聚力很小，不能受拉，只能受压，所以液体的体质点间的内聚力很小，不能受拉，只能受压，所以液体的静压力具有向个重要的特性静压力具有向个重要的特性:液体静压力的方向总是承压面的内法线方向。液体静压力的方向总是承压面的内法线方向。静止液体内任一点的液体静压力在各个方向上都相等。静止液体内任一点的液体静压力在各个方向上都相等。下一页返回5.3 液体力学液体力学2.压力的表示压力的
30、表示压力的表示方法有两种，一种是以绝对真空压力的表示方法有两种，一种是以绝对真空(零压力零压力)为基准为基准测量的压力，称为绝对压力测量的压力，称为绝对压力;另一种是以大气压力为基准测量另一种是以大气压力为基准测量的压力，称为相对压力。的压力，称为相对压力。由于大多数测压仪表所测量的压力都是相对压力，故相对压由于大多数测压仪表所测量的压力都是相对压力，故相对压力也称为表压力。当绝对压力低于大气压时，习惯上称具有力也称为表压力。当绝对压力低于大气压时，习惯上称具有真空，而绝对压力不足于大气压力的那部分压力值，称为真真空，而绝对压力不足于大气压力的那部分压力值，称为真空度。绝对压力、相对压力、真空
31、度的关系如空度。绝对压力、相对压力、真空度的关系如图图5-5所示。所示。压力的单位是压力的单位是Pa (N/m2)，由于此单位太小，在工程上常，由于此单位太小，在工程上常用用kPa,MPa。它们之间的关系是。它们之间的关系是:1 MPa=103 kPa=106Pa下一页返回上一页5.3 液体力学液体力学3.压力的传递压力的传递由静力学基本方程可知，静止液体中任意一点的压力都包含由静力学基本方程可知，静止液体中任意一点的压力都包含厂液面上的压力厂液面上的压力P，这说明在密闭容器中，由外力作用所产生，这说明在密闭容器中，由外力作用所产生的压力可以等值地传递到液体内所有各点。这就是帕斯卡原的压力可以
32、等值地传递到液体内所有各点。这就是帕斯卡原理，或称静压力传递原理。理，或称静压力传递原理。在液压传动系统中，通常由外力产生的压力要比液体自重产在液压传动系统中，通常由外力产生的压力要比液体自重产生的压力大得多。因此，常把液体自重产生的压力忽略不计，生的压力大得多。因此，常把液体自重产生的压力忽略不计，则液体内部各点的压力处处相等。我们以则液体内部各点的压力处处相等。我们以图图5-6为例来说明为例来说明液压系统压力的形成。液压系统压力的形成。上一页 下一页返回5.3 液体力学液体力学图中小、大活塞的面积分别为图中小、大活塞的面积分别为A1,A2，在小活塞上加一外力，在小活塞上加一外力F，在大活塞
33、上有重力，在大活塞上有重力W，则小液压缸中液体的压力为，则小液压缸中液体的压力为p1=F/A,;大液压缸中液体的压力为大液压缸中液体的压力为p2=W/A2根据帕斯卡原理，则有根据帕斯卡原理，则有P1=P2,W=A2F/A1 两活塞的面两活塞的面积比积比A2/A1越大，大活塞输出的力越大，大活塞输出的力W越大。由越大。由P2=W/A2可可知，若重力知，若重力W=0，则，则P2=0。根据帕斯卡原理，这时。根据帕斯卡原理，这时P1必必须为零。须为零。F力施加不上去，即负载为零时系统建立不起压力。力施加不上去，即负载为零时系统建立不起压力。这说明，液压系统中的压力取决于负载。这说明，液压系统中的压力取
34、决于负载。上一页 下一页返回5.3 液体力学液体力学4.液体静力学基本方程式液体静力学基本方程式如图如图5-7(a)所示，液体在重力作用下处于静止状态，液体所示，液体在重力作用下处于静止状态，液体所受的力有所受的力有:液体的重力、液面上的压力液体的重力、液面上的压力P0、容器壁面对液体、容器壁面对液体的压力。若要计算离液面深度为的压力。若要计算离液面深度为h处某点处某点A的压力时，可以在的压力时，可以在液体内取出一个底面通过该点的，底面积为液体内取出一个底面通过该点的，底面积为A的垂直小液的垂直小液柱，如图柱，如图5-7(b)所示，这个小液柱的重量为所示，这个小液柱的重量为 。由。由于小液柱处
35、于平衡状态，于是有于小液柱处于平衡状态，于是有上一页 下一页返回5.3 液体力学液体力学 等式两边同除以等式两边同除以 A，则得，则得 (5-4)式式(5-4)即为静压力基本方程式，由此可见即为静压力基本方程式，由此可见:静止液体内任一点的压力由液体自重所引起的压力静止液体内任一点的压力由液体自重所引起的压力 液液面上的压力面上的压力P0两部分组成。两部分组成。连通容器内同一液体中，深度相同处各点的压力均相等。由连通容器内同一液体中，深度相同处各点的压力均相等。由压力相等的点组成的面叫做等压面。在重力作用下静止液体压力相等的点组成的面叫做等压面。在重力作用下静止液体的等压面是一个水平面。的等压
36、面是一个水平面。上一页 下一页返回5.3 液体力学液体力学5.静止液体对容器壁面上的作用力静止液体对容器壁面上的作用力静止液体和固体壁面相接触时，固体壁面上各点在某一方向静止液体和固体壁面相接触时，固体壁面上各点在某一方向上所受液体静压作用力的总和便是液体在该方向上作用于固上所受液体静压作用力的总和便是液体在该方向上作用于固体壁面上的力。其大小等于液体的静压力和承压表面在该方体壁面上的力。其大小等于液体的静压力和承压表面在该方向的投影面积的乘积。向的投影面积的乘积。上一页 下一页返回5.3 液体力学液体力学二、液体的动力学二、液体的动力学1.基本概念基本概念(1)流动状态英国物理学家雷诺通过大
37、量实验，发现了液体流动状态英国物理学家雷诺通过大量实验，发现了液体在管路中流动时有两种流动状态在管路中流动时有两种流动状态:层流和紊流，并找到了判别层流和紊流，并找到了判别这两种流动状态的方法。这两种流动状态的方法。上一页 下一页返回5.3 液体力学液体力学在层流时，液体质点沿管路做直线运动，互不干扰，没有横在层流时，液体质点沿管路做直线运动，互不干扰，没有横向运动，即液体作分层流动，各层间的液体互不混杂，如图向运动，即液体作分层流动，各层间的液体互不混杂，如图5-8(a)所示。在紊流时，液体质点除了沿管路运动外，还有所示。在紊流时，液体质点除了沿管路运动外，还有横向运动，呈紊乱混杂状态，如图
38、横向运动，呈紊乱混杂状态，如图5-8(b)所示。所示。(2)理想液体和稳定流动实际液体具有黏性，也具有压缩性。理想液体和稳定流动实际液体具有黏性，也具有压缩性。为了分析问题方便，我们把既无黏性又无压缩性的液体称为为了分析问题方便，我们把既无黏性又无压缩性的液体称为理想液体。液体流动时，若液体中任意一点的压力、速度和理想液体。液体流动时，若液体中任意一点的压力、速度和密度都不随时间而变化，则这样的流动称为稳定流动，如果密度都不随时间而变化，则这样的流动称为稳定流动，如果在压力、速度和密度中有一个量随时间而变化，则称为不稳在压力、速度和密度中有一个量随时间而变化，则称为不稳定流动。定流动。上一页
39、下一页返回5.3 液体力学液体力学(3)体积流量和平均流速体积流量和平均流速是描述液体流体积流量和平均流速体积流量和平均流速是描述液体流动的两个主要参数。液体在管道中流动时，通常将垂直于液动的两个主要参数。液体在管道中流动时，通常将垂直于液体流动方向的截面积称为通流截面，或称过流断面。体流动方向的截面积称为通流截面，或称过流断面。单位时间内通过某过流断面的液体的体积，称为体积流量单位时间内通过某过流断面的液体的体积，称为体积流量(简简称流量称流量)。流量的常用代号为。流量的常用代号为qv单位为单位为m3/s，实际中常用的，实际中常用的单位为单位为 L/min或或mL/s。在实际中，由于液体在管
40、道中流动时的速度分布规律为抛物在实际中，由于液体在管道中流动时的速度分布规律为抛物面，如图面，如图5-8(a)，计算较为困难。，计算较为困难。上一页 下一页返回5.3 液体力学液体力学为了便于计算，假设过流断面上的流速为了便于计算，假设过流断面上的流速:是均匀分布的，流过是均匀分布的，流过断面断面A的流量等于液体实际流过该断面的流量。流速的流量等于液体实际流过该断面的流量。流速:称为过称为过流断面上的平均流速，以后所指的流速，除特别指出外，均流断面上的平均流速，以后所指的流速，除特别指出外，均按平均流速来处理。于是有按平均流速来处理。于是有qv=vA，故平均流速为，故平均流速为 (5-5)在液
41、压缸中，液体的流速与活塞的运动速度相同。由此可见，在液压缸中，液体的流速与活塞的运动速度相同。由此可见，当液压缸的有效面积一定时，活塞的运动速度取决于输入液当液压缸的有效面积一定时，活塞的运动速度取决于输入液压缸的流量。压缸的流量。上一页 下一页返回5.3 液体力学液体力学2.连续性方程连续性方程液体的可压缩性很小，在一般情况下，可认为是不可压缩的，液体的可压缩性很小，在一般情况下，可认为是不可压缩的，即密度即密度P为常数。液体又是连续的，不可能有空隙存在。因此为常数。液体又是连续的，不可能有空隙存在。因此，液体在管路中作稳定流动时，根据质量守恒定律可知，管，液体在管路中作稳定流动时，根据质量
42、守恒定律可知，管内流动液体的质量不会增多也不会减少，故在单位时间内流内流动液体的质量不会增多也不会减少，故在单位时间内流过管路某个截面的液体质量必然相等。过管路某个截面的液体质量必然相等。如如图图5-9所示，管路两处的通流面积分别为所示，管路两处的通流面积分别为A1,A2，液体流速，液体流速分别为分别为:v1,v2，压力为，压力为P1,P2，液体的密度为，液体的密度为 ，则有，则有 (5-6)(5-7)上一页 下一页返回5.3 液体力学液体力学式式(5-7)称为液流的连续性方程，它说明液体在管路中作稳称为液流的连续性方程，它说明液体在管路中作稳定流动时，单位时间内通过任何过流断面的流量都是相等
43、的，定流动时，单位时间内通过任何过流断面的流量都是相等的，而液流的流速与过流断面的面积成反比，因此，流量一定时，而液流的流速与过流断面的面积成反比，因此，流量一定时，管路细的地方流速大，管路粗的地方流速小。管路细的地方流速大，管路粗的地方流速小。3.伯努利方程伯努利方程(1)理想液体的伯努利方程理想液体的伯努利方程 伯努利方程就是能量守恒定律伯努利方程就是能量守恒定律在流动液体中的表现形式。在流动液体中的表现形式。上一页 下一页返回5.3 液体力学液体力学理想液体没有黏性，在管内作稳定流动时没有能量损失，具理想液体没有黏性，在管内作稳定流动时没有能量损失，具有位置势能、压力能和动能三种形式的能
44、量。如图有位置势能、压力能和动能三种形式的能量。如图5-9所示，所示，根据能量守恒定律，在任一截面上的这三种能量都可以互相根据能量守恒定律，在任一截面上的这三种能量都可以互相转换，但其和都保持不变。即转换，但其和都保持不变。即 (5-8)式式(5-8)即为理想液体的伯努利方程，它表明了流动液体各即为理想液体的伯努利方程，它表明了流动液体各质点的位置、压力和速度之间的关系。质点的位置、压力和速度之间的关系。上一页 下一页返回5.3 液体力学液体力学(2)实际液体的伯努利方程实际液体具有黏性，在过流断面实际液体的伯努利方程实际液体具有黏性，在过流断面上各点的速度是不同的。另外，由于液体有黏性，会产
45、生内上各点的速度是不同的。另外，由于液体有黏性，会产生内摩擦力，因而造成能量损失。若单位重量的实际液体从一个摩擦力，因而造成能量损失。若单位重量的实际液体从一个截面流到另一截面的能量损失用截面流到另一截面的能量损失用h表示，则实际液体的伯努利表示，则实际液体的伯努利方程为方程为 (5-9)式中，式中，a为动能修正系数。液体处于层流流动时取为动能修正系数。液体处于层流流动时取a=2;液体液体处于紊流流动时，取处于紊流流动时，取a=1。上一页 下一页返回5.3 液体力学液体力学式式(5-9)为实际液体的伯努利方程，它表明了流动液体各质为实际液体的伯努利方程，它表明了流动液体各质点的位置、压力和速度
46、之间的关系。当管道水平放置或位置点的位置、压力和速度之间的关系。当管道水平放置或位置高低的影响都很小时，液体的流速越高，压力就越低。高低的影响都很小时，液体的流速越高，压力就越低。如在一条粗细不等的管道中，过流断面小的部位液体的流速如在一条粗细不等的管道中，过流断面小的部位液体的流速较高，液体的压力就较低较高，液体的压力就较低;反之，过流断面大的部位液体的流反之，过流断面大的部位液体的流速较低，液体的压力就较高。速较低，液体的压力就较高。上一页 下一页返回5.3 液体力学液体力学三、液体流动中的压力损失三、液体流动中的压力损失实际液体具有黏性，在流动时就有阻力。为了克服阻力，就实际液体具有黏性
47、，在流动时就有阻力。为了克服阻力，就必须要消耗能量，这样就有能量损失。在液压传动中，能量必须要消耗能量，这样就有能量损失。在液压传动中，能量损失主要表现为压力损失。液压系统中的压力损失分为两类，损失主要表现为压力损失。液压系统中的压力损失分为两类，一类是由液压油沿等径直管流动时所产生的压力损失，称为一类是由液压油沿等径直管流动时所产生的压力损失，称为沿程压力损失。另一类是液压油流经局部障碍沿程压力损失。另一类是液压油流经局部障碍(如弯管、接头、如弯管、接头、管截面突然扩大或收缩管截面突然扩大或收缩)时的压力损失。称为局部压力损失。时的压力损失。称为局部压力损失。上一页 下一页返回5.3 液体力
48、学液体力学1.沿程压力损失沿程压力损失 液体在直管中流动时，由于液体内部、液体与管壁间的摩液体在直管中流动时，由于液体内部、液体与管壁间的摩擦力以及紊流流动时，质点间的互相碰撞，从而引起压力损擦力以及紊流流动时，质点间的互相碰撞，从而引起压力损失。压力损失可用达西公式确定失。压力损失可用达西公式确定 (5-10)式中，式中，为沿程压力损失为沿程压力损失(Pa);C为管路长度为管路长度(m);v为液为液流速度流速度(m/s);d为管路内径为管路内径(m);为液体的密度为液体的密度(kg/m3);为沿程阻力系数。为沿程阻力系数。返回上一页 下一页5.3 液体力学液体力学液体层流流动时，黏性力起主导
49、作用，液体质点受黏性的约液体层流流动时，黏性力起主导作用，液体质点受黏性的约束，不能随意运动。层流的压力损失束，不能随意运动。层流的压力损失 P与流量与流量 成正比。成正比。即即 (5-11)式中，式中，为液体的动力黏度为液体的动力黏度;其他同式其他同式(5-10)。液体紊流流动时，惯性力起主导作用，黏性力已不能约束液体紊流流动时，惯性力起主导作用，黏性力已不能约束它，此时的能量损失比层流流动时的能量损失大得多。因此，它，此时的能量损失比层流流动时的能量损失大得多。因此，在液压系统中应尽可能使液体在管路中作层流运动。在液压系统中应尽可能使液体在管路中作层流运动。返回上一页 下一页5.3 液体力
50、学液体力学2.局部压力损失局部压力损失液体经过局部障碍处，由于液流的方向和速度突然变化，在液体经过局部障碍处，由于液流的方向和速度突然变化，在局部形成旋涡引起液压油质点间以及质点与固体壁面间互相局部形成旋涡引起液压油质点间以及质点与固体壁面间互相碰撞和剧烈摩擦而产生压力损失，因为液体的流动现象是十碰撞和剧烈摩擦而产生压力损失，因为液体的流动现象是十分复杂的，所以局部压力损失一般由试验求得，可用下式计分复杂的，所以局部压力损失一般由试验求得，可用下式计算算 （5-12）式中，式中，:为局部压力损失为局部压力损失(Pa);为局部阻力系数，由为局部阻力系数，由试验求得，具体数据可查阅有关液压传动设计