1、液压与气压传动,绪论：工作原理,力的传递F1=P1*A1=P2*A2 运动的传递S1*A1=S2*A2,液压系统的组成,系统组成,能源装置 执行元件 控制元件 辅助元件 工作介质,第一篇：液压传动,液压油液,液压油的选用,系统压力环境温度 运动速度 液压泵,第二节 液体静力学,液体静力学研究静止液体的力学规律和这些规律的实际应用。静力液体是指液体处于内部质点间无相对运动的状态，因此液体不显示粘性，液体内部无剪切应力，只有法向应力即压力。一、液体静压力及特性 1、静压力静压力是指液体处于静止状态时，其单位面积上所收的法向作用力。静压力在液压传动中简称为压力，而在物理学中则称为压强。 可表示为：
2、P=F/A,压力单位为牛顿/米2(N/m2),液体静压力有两个重要特性： （1）液体静压力的方向总是沿着作用面的法线方向。液体不能承受拉力和剪切力。所以只能承受法向压力。（2)静止液体中任何一点所受到各个方向压力都相等。,二、静压力基本方程,1、静压力基本方程,液面压力P0，求离液面h深处A点压力。 在A点的小液柱其底部面积为A，高为h。小液柱处于平衡状态。则在垂直方向上的力平衡方程为 P=p0+gh=p0+h 其中为液体的密度， =g为液体的重度。,液面压力为p0。选择一基准水平面(0x)，根据静压力基本方程式可确定距液面深度为h处A点的压力p，即p=p0+h=p0+(z0-z) 整理后得
3、P/+z=p0/+z0=常数 式中z实质上表示了A点单位重量 液体得位能。单位重量液体的位 能为mgz/mg=z,z又称为位置水头。,2、静压力基本方程式的物理意义,静压力基本方程式说明：静止液体中单位重量液体的压力能和位能可以相互转换，但各点的总能量保持不变，即能量守恒。,3、绝对压力、相对压力和真空度,压力的分类 绝对压力：相对于绝对真空的压力。 相对压力（表压力/真空度） 绝对压力相对压力大气压 压力的单位：Pa（N/m2),由静压力基本方程式 p=p0+h 可知，液体中任何一点的压力都包含有液面压力p0，或者说液体表面的压力p0等值的传递到液体内所有的地方。这称为帕斯卡原理或静压传递原
4、理。,4、帕斯卡原理,液压系统的压力管路和压力容器中，由外力所产生的压力p0要比液体自重所产生的压力h大许多倍。即对于液压传动来说，一般不考虑液体位置高度对于压力的影响，可以认为静止液体内各处的压力都是相等的。,帕斯卡原理应用实例,垂直、水平液压缸截面积为A1、A2；活塞上负载为F1、F2。两缸互相连通，构成一个密闭容器，则按帕斯卡原理，缸内压力到处相等，p1=p2，于是F2F1 . A2/A1，如果垂直液缸活塞上没负载，则在略去活塞重量及其它阻力时，不论怎样推动水平液压缸活塞，不能在液体中形成压力。,三、压力对固体壁面的总作用力,1、压力作用在平面上的总作用力当承受压力作用的面是平面时，作用
5、在该面上的压力的方向是互相平行的。故总作用力F等于油液压力p与承压面积A的乘积。 F=p.A 。 对于图中所示的液压缸，油液压力作用在活塞上的总作用力为：F=p.A=p.D2/4 式中 p油液的压力；D活塞的直径。,2、油液压力作用在曲面上的作用力,当承受压力作用的表面是曲面时，将曲面分成若干微小面积dA，将作用力dF分解为x、y两个方向上的分力， 即 Fxp.dAsin=p.AxFY= p.dAcos=p.Ay 式中，Ax、Ay分别是曲面在x 和y方向上的投影面积。 所以总作用力 F=(Fx2+Fy2)1/2,第三节 液体动力学,液体动力学研究液体在外力作用下运动规律，即研究作用在液体上的力
6、与液体运动之间的关系。由于液体具有粘性，流动时要产生摩擦力，因此研究液体流动问题时必须考虑粘性的影响。,1、稳定流动和非稳定流动,一、基本概念,液体流动时，若液体中任何一点的压力，流速和密度都不随时间变化，这种流动称为稳定流动。反之，压力，流速随时间而变化的流动称为非稳定流动。水箱中放水，如果水箱上方有一补充水源，使水位H保持不变，则水箱下部出水口流出的液体中各点的压力和速度均不随时间变化，故为稳定流动。反之则为非稳定流动。,概念：为了便于导出基本方程，常假定液体既无粘性油不可压缩，这样的液体称为理想液体。实际液体则既有粘性又可压缩。,2、理想液体与实际液体,3、通流截面、流量和平均流量,垂直
7、于液体流动方向的截面称为通流截面 ，也叫过流断面。单位时间t内流过某通流截面的液体体积V称为流量Q，即： Q=V/t=vA (A-通流截面面积，v平均流速）可看出，平均流量为流量与通流面积之比。实际上由于液体具有粘性，液体在管道内流动时，通流截面上各点的流速是不相等的。管道中心处流速最大；越靠近管壁流速越小；管壁处的流速为零。为方便起见，以后所指流速均为平均流速。,当液体在管道内作稳定流动时，根据质量守恒定律，管内液体的质量不会增多也不会减少，所以在单位时间内流过每一截面的液体质量必然相等。如图所示，管道的两个通流面积分别为A1、A2，液体流速分别为v1、v2，液体的密度为， 则 v1A1=v
8、2A2=常量 即: v1A1=v2A2=Q常量 或 v1/v2=A2/A,二、连续性方程,理想液体没有粘性，它在管内作稳定流动时没有能量损失。根据能量守恒定律，同一管道每一截面上的总能量都是相等的。在图中任意取两个截面A1和A2，它们距离基准水平面的坐标位置分别为Z1和Z2，流速分别为v1、v2， 压力分别为p1和p2，根据能量守恒定律有： P1/ +z1+v12/2g=P2/ +z2+v22/2g 可改写成： P/ +z+v2/2g=常量,三、伯努利方程,1、理想液体的伯努力方程,量纲都是长度单位，分别称为水头、位置水头和速度水头。伯努利方程的物理意义为：在管内作稳定流动的理想液体具有压力能
9、、位能和动能三种形式的能量。在任意截面上这三种能量都可以相互转换，但其总和保持不变。而静压力基本方程则是伯努利方程（在速度为零时）的特例。,实际液体的伯努利方程为：P1/ +Z1+V12/2g=P2/ +Z2+V22/2g+hw ( 注：hw以水头高度表示的能量损失。) 当管道水平放置时，由于z1=z2，方程可简化为： P1/ +V12/2g=P2/ +V22/2g+hw 当管道为等径直管且水平放置时，方程可简化为：P1/ = P2/r+hw,2、实际液体的泊努利方程,3.伯努利方程应用举例,计算泵吸油腔的真空度或泵允许的最大吸油高度,如图所示，设泵的吸油口比油箱液高h，取油箱液面II和泵进口
10、处截面II-II列伯努利方程，并取截面II为基准水平面。泵吸油口真空度为： P1/+v12/2g=P2/+h+v22/2g+hw P1为油箱液面压力，P2为泵吸油口的绝对压力,一般油箱液面与大气相通，故p1为大气压力，即p1=pa；v2为泵吸油口的流速，一般可取吸油管流速；v1为油箱液面流速，由于v1v2，故v1可忽略不计；p2为泵吸油口的绝对压力，hw为能量损失。据此，上式可简化成 Pa/=P2/+h+v22/2g+hw 泵吸油口真空度为 Pa-P2=h+v2/2+P,由上式可知，在泵的进油口处有一定真空度，所谓吸油，实质上是在油箱液面的大气压力作用下把油压入泵内的过程。由上式还可看出，泵吸
11、油口的真空度由三部分组成： （1）产生一定流速所需的压力； （2）把油液提升到高度h所需的压力； （3）吸油管内压力损失。泵吸油口的真空度不能太大，即泵吸油口处的绝对压力不能太低。当压力低于大气压一定数值时，溶解于油中的空气便分离出来形成气泡,这种现象称为气穴。这时的绝对压力称为空气分离压pa。气泡被带进泵内，在泵的压油区遇到负载压力，气泡便破裂，在其破裂处，压力和温度急剧升高，引起强烈的冲击和噪声。而且气泡破裂时所产生的高压高温还会腐蚀机件，缩短泵的寿命，这一现象称为气蚀。为避免产生气蚀，必须限制真空度，其方法除了加大油管直径等外，一般要限制泵的吸油高度h,允许的最大吸油高度计算式为:h（P
12、a-Pg)/-v22/2g-p/,四、液体稳定流动时的动量方程,1.动量方程,在管流中，任意取出被通流截面1、2，截面上的流速为v1、v2。该段液体在t时刻的动量为（mv)，于是有：F（mv)/tQ(v2 v1） 上式即为液体稳定流动时的动量方程。等式左边为作用于控制体积上的全部外力之和，等式右边为液体的动量变化率。上式表明：作用在液体控制体积上的外力总和等于单位时间内流出与流入控制表面的液体动量之差。,(1)求液流作用在滑阀阀芯上的稳态液动力,两图中分别为液流流经滑阀阀腔的两种流动情况,先列出图(a)的控制体积在阀芯轴线方向上的动量方程求得阀芯作用于液体的力为：F=Qv2cos90。Qv1c
13、os=-Qv1cos,A图,油液作用在阀芯上的力称作稳态液动力，其大小为： F=- F=Qv1cos， F的方向与v1cos一致。阀 芯上的稳态液动力力图使滑 阀阀口关闭。,实际液体具有粘性，在液体流动时就有力，为了克服阻力，就必然要消耗能量，这样就有能量损失。能量损失主要表现为压力损失，这就是实际液体伯努利方程中最后一项的意义。压力损失过大，将使功率消耗增加，油液发热，泄漏增加，效率降低，液压系统性能变坏。因此在液压技术中正确估算压力损失的大小，从而找到减少压力损失的途径。, 2-3 管路压力损失计算,液压系统中的压力损失分为两类：,一是油液流经直管时的压力损失，称为沿程压力损失。这类压力损
14、失是由液体流动时的内摩擦力引起的。,二是油液流经局部障碍时，由于液流的方向和速度突然变换，在局部区域形成漩涡，引起液体质点相互撞击和剧烈摩擦因而产生的压力损失，这种损失称为局部压力损失。,层流：液体中质点沿管道作直线运动而没有横向运动，既液体作分层流动，各层间的流体互不混杂。如图所示。,一、液体的流态,紊流: 液体中质点除沿管道轴线运动外，还有横向运动，呈现紊乱混杂状态。,雷诺系数 RC=V.D/,层流紊流演示实验在线播放优酷网，视频高清在线观看,油液在直管中流动的沿程压力损失可用达西公式表示：P=(l/d)(v2/2) 式中 沿程阻力系数；l直管长度；d 管道直径； v油液的平均流速； 油液
15、密度。 公式说明了压力损失P与管道长度及流速v的平方成正比，而与管子的内径成反比。至于油液的粘度，管壁粗糙度和流动状态等都包含在内。,二、沿程压力损失,1、层流时沿程阻力系数的确定,设液体在一直径为d的圆管中作层流运动，在液流中取微小圆柱体，直径为2r，长为l。作用在这小圆柱体上的两端压力（p1,p2)和圆柱两侧的剪切应力(粘性力) 可求得管中流速分布的表达式为 U=(p1-p2)/4l(d2/4-r2) 在管中心处，流速最大，其值为 Umax=(p1-p2)/16l.d2,液流在直管中流动时的速度分布规律,沿程阻力系数,层流时沿程阻力系数的理论值为： =64/Re 水的实际阻力系数和理论值很
16、接近。 液压油在金属管中流动时，常取： =75/Re 在橡皮管中流动时，取 =80/Re,在这里应注意，层流的压力损失p与流速v的一次方程成正比，因为在的分母中包含有v的因子。,2.紊流时沿程阻力系数,紊流流动时的能量损失比层流时要大，截面上速度分布也与层流时不同，除靠近管壁处速度较低外，其余地方速度接近于最大值。 其阻力系数由试验求得。当2.3x103Re105时，可用勃拉修斯公式求得：=0.3164Re-0.25,三、局部压力损失,局部压力损失是液流流经管道截面突然变化的弯管、管接头以及控制阀阀口等局部障碍处时的压力损失。计算式为： p=(v2/2) 局部阻力系数，由试验求得；V液流流速。
17、,液压系统中管路通常由若干段管道串联而成。其中每一段又串联一些诸如弯头、控制阀、管接头等形成局部阻力的装置，因此管路系统总的压力损失等于所有直管中的沿程压力损失P及所有局部压力损失P之和。即：,四、管路系统总压力损失,P=P+P =(l/d)(v2/2)+(v2/2),第六节 缝隙流动,本节主要介绍液流流经小孔及缝隙的流量公式。前者是节流调速和液压伺服系统工作原理的基础；后者则是计算和分析液压元件和系统泄漏的根据。,1、流经薄壁小孔的流量,一、孔口液流特性,当小孔的通流长度L与孔径d之比l/d小于等于0.5时称为薄壁小孔。如图所示。当管道直径D与小孔之直径的比值D/d7时，收缩作用不受大孔侧壁
18、的影响，称为完全收缩。 推导出通过薄壁小孔的流量： Q=acvc=CC avc =CCCVa(2/pc)1/2 =Cda(2/）pc1/2,必须指出，当液流通过控制阀口时，要确定其收缩断面的位置，测定收缩断面的压力pc是十分困难的，也无此必要。一般总是用阀的进、出油口两端的压力差p=p1-p2来代替， pc=p1-pc 。故上式可改写为：Q=Cq.a(2/ p)1/2由伯努利方程可知，故Cq要比Cd略大一些，一般在计算时取Cq=0.620.63，Cq称为流量系数。,2、流经细长小孔的流量,细长小孔，是指长径比l/d4的小孔。在液压技术中常作为阻尼孔。如图所示。 油液流经细长小孔时的流动状态一般
19、为层流，因此可用液流流经圆管的流量公式， 即： Q=(d4/128l)p 从上式可看出，油液流经细长小孔的流量和小孔前后压差成正比，而和动力粘度成反比，因此流量受油温影响较大，这是和薄壁小孔不同的。,液压元件各零件间如有相对运动，就必须有一定的配合间隙。液压油就会从压力较高的配合间隙流到大气中或压力较低的地方，这就是泄漏。泄漏分为内泄漏和外泄漏。泄漏主要是有压力差与间隙造成的。,二、液流流经细缝的流量,在液压系统中，由于某种原因，液体压力在一瞬间会突然升高，产生很高的压力峰值，这种现象称为液压冲击。,第七节 液压冲击,液压冲击的类型有： 1、液流通道迅速关闭或液流迅速换向使液流速度的大小或方向
20、突然变化时，由于液流的惯力引起的液压冲击。,2、运动着的工作部件突然制动或换向时，因工作部件的惯性引起的液压冲击。 3、某些液压元件动作失灵或不灵敏，使系统压力升高而引起的液压冲击。,一、液流通道迅速关闭时的液压冲击(水锤现象）,液体自一具有固定液面的压力容器沿长度为l，直径为d的管道经出口处的阀门以速度v0流出。诺将阀门突然关闭，此时紧靠阀门口B处的一层液体停止流动，压力升高p。其后液体也依次停止流动，动能形成压力波, 并以速度c向A传播。此后B处压力降低p，形成压力降波，并向A传播。而后当A处先恢复初始压力，压力波又传向B。则如此循环使液流振荡。振荡终因摩擦损失而停止。,（1）使完全冲击改
21、变为不完全冲击 （2）限制管中油液的流速 （3）用橡胶软管或在冲击源处设置蓄能器，以吸收液压冲击的能量。 （4)在容易出现液压冲击的地方，安装限制压力升高的安全阀。,可采取下列措施来减少液压冲击：,二、运动部件制动时产生的液压冲击,如图所示，活塞以速度v0向左运动，活塞和负载总质量为M。当换向阀突然关闭进出油口通道，油液被封闭在两腔之中，由于运动部件的惯性，活塞将继续运动一段距 离后才停止，使液压缸 左腔油液受到压缩，从 而引起液体压力急剧增 加。此时运动部件的动 能为回油腔中油液所形 成的液体弹簧所吸收。,第二章 液压泵,液压泵是液压系统的动力元件，其作用是把原动机输入的机械能转换为液压能，
22、向系统提供一定压力和流量的液流,容积式泵: 泵是靠密封容积的变化来实现吸油和压油的，其排油量的大小取决于密封腔的容积变化值 基本特点: 具有一个或若干个周期性变化的密封容积 具有配流装置油箱内液体的绝 对压力必须恒等于或大于大气 压力,一、工作原理,二、 主要性能参数,压力: 工作压力p额定压力pn 排量和流量:排量 V:液压泵轴转一周，由其密封容腔几何尺寸变化计算而得的排出液体的体积,单位(m3/r)或 (mL/r) 理论流量qt:单位时间内理论上可排出的液体体积. 等于排量和转速的乘积V:液压泵的排量（m3/r）；n:主轴转速（r/s）；qt:液压泵理论排量（m3/s）实际流量q额定流量q
23、n,泵和马达的能量转换关系、功率与效率,能量损失 容积损失：由于泵和马达本身的泄漏所引起的能量损失 机械损失：由于泵和马达机械副之间的磨擦所引起的能量损失,三、液压泵特性曲线,容积效率v: q=qt-q =qt-Kip机械效率m:泵的输出功率:,四、液压泵与液压马达的类型,液压泵类型: 结构形式:齿轮泵、叶片泵、柱塞泵和螺杆泵等 泵的输出流量能否调节:定量泵和变量泵 泵的额定压力的高低:低压泵、中压泵和高压泵,一、 轴向柱塞泵,斜盘式轴向柱塞泵的工作原理改变斜盘倾角的大小，就能改变柱塞的行程长度，也就改变了泵的排量。,斜轴式轴向柱塞泵的工作原理,轴向柱塞泵的排量和流量 流量脉动,当柱塞数较多并
24、为奇数时脉动较小，故柱塞泵的柱塞数一般为奇数，常取 7或9,斜盘式轴向柱塞泵的工作原理,斜轴式轴向柱塞泵的工作原理,二、 变量轴向柱塞泵,变量轴向柱塞泵:主体+变量机构 主体机构特点：滑履结构 中心弹簧机构 缸体端面间隙的自动补偿配流盘 变量机构：改变斜盘倾角的大小以调节泵的排量,SCY14-1型斜盘式轴向柱塞泵的结构,三、 径向柱塞泵,移动定子以改变偏心距的大小，便可改变柱塞的行程，从而改变排量,第三节 叶片泵,单作用式(变量泵) 双作用式(定量泵) 中低压 工作原理 双作用叶片泵的结构和特点 限压式变量叶片泵,一、单作用式叶片泵(非平衡式) 工作原理,单作用式叶片泵(非平衡式) 工作原理,
25、改变定子和转子间的偏心量e，就可改变泵的排量(变量泵) 转子受有不平衡的径向液压力,且径向不平衡力随泵的工作压力提高而提高，因此这种泵的工作压力不能太高 排量和流量: 流量脉动.理论分析表明，叶片数为奇数时脉动率较小，故一般叶片数为13或15,二、双作用式叶片泵(平衡式) 工作原理,排量和流量: 无流量脉动.理论分析可知，流量脉动率在叶片数为4的整数倍、且大于8时最小。故双作用叶片泵的叶片数通常取为12,双作用叶片泵的结构和特点,定子内曲线:等加速等减速曲线 配流盘:三角槽 叶片的倾角:前倾角 端面间隙:间隙自动补偿措施高压叶片泵的结构:为了提高压力，必须在结构上采取措施，使吸油区叶片压向定子
26、的作用力减小。可以采取的措施有多种，一般采用复合叶片结构如双叶片结构和子母叶片结构等,YB1型叶片泵的结构,配流盘,三、限压式变量叶片泵,限压式变量叶片泵的流量改变是利用压力的反馈作用实现的(外反馈和内反馈) 外反馈限压式变量叶片泵的工作原理 限压式变量叶片泵的特性曲线 限压式变量叶片泵的结构,外反馈限压式变量叶片泵的工作原理,pBA=PB)p e q 当pc=K(e0+x0)/A, e=0 q=0,限压式变量叶片泵的特性曲线,限定压力pB:泵在保持最大输出流量不变时，可达到的最高压力 极限压力pc:外载进一步加大时泵的工作压力不再升高，这时定子和转子间的偏心量为零，泵的实际输出流量为零 调整
27、: 调整螺钉1可改变原始偏心量e0，即调节泵的最大输出流量，亦即改变A点的位置，使 AB线段上下平移 调整螺钉4可改变弹簧预压缩量，即调节限定压力pB大小，亦即改变B点的位置，使BC线段左右平移 改变弹簧刚度k，则可改变BC线段的斜率，弹簧越“软”（k值越小），BC线段越陡，pc值越小；反之，弹簧越“硬”（k值越大），BC线段越平坦，pc值越大,第四节 齿轮泵,定量泵(外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵) 齿轮泵没有单独的配流装置，齿轮的啮合线起配流作用,一、齿轮泵的工作原理,排量和流量计算式中：D分度圆直径，mm；m模数(m=Dz，z为齿数)，mm；B齿宽，mm；n转速，rmin； ，K修正系数，一
28、般为105115。瞬时流量脉动,齿数愈少，脉动愈大,齿轮泵的结构,泵工作压力为2.5MPa，属于低压齿轮泵,二、 齿轮泵的特点,困油:封闭容积减小会使被困油液受挤而产生高压，并从缝隙中流出，导致油液发热，轴承等机件也受到附加的不平衡负载作用。封闭容积增大又会造成局部真空，使溶于油中的气体分离出来，产生气穴，引起噪声、振动和气蚀.消除困油的方法:通常是在两侧端盖上开卸荷槽，且偏向吸油腔,齿轮泵的困油现象及其消除方法,三、 齿轮泵的特点,泄漏:1.通过齿轮啮合处的间隙；2.通过泵体内孔和齿顶圆间的径向间隙； 3.通过齿轮两端面和端盖间的端面间隙结论: 齿轮泵由于泄漏大和存在径向不平衡力，因而限制了压力的提高。为使齿轮泵能在高压下工作，常采取的措施为：减小径向不平衡力，提高轴与轴承的刚度，同时对泄漏量最大的端面间隙采用自动补偿装置,
