液壓與氣動(dòng)一、二章

1、液壓與氣動(dòng)液壓與氣動(dòng)第一第一章章 概述概述 一部功能完整的機(jī)器設(shè)備一般由動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置、執(zhí)行裝置和控制裝置組成。傳動(dòng)裝置有機(jī)械傳動(dòng)、電力傳動(dòng)、液體傳動(dòng)(液壓傳動(dòng)和液力傳動(dòng))和氣壓傳動(dòng)等形式。液壓與氣動(dòng)是以流體(液體和氣體統(tǒng)稱為流體)作為工作介質(zhì)，利用壓力能進(jìn)行能量傳遞和控制的傳動(dòng)技術(shù)。第一節(jié)第一節(jié) 液壓與液壓與氣動(dòng)的基本原理氣動(dòng)的基本原理 液壓系統(tǒng)以液體為工作介質(zhì)，而氣動(dòng)系統(tǒng)是以氣體作為工作介質(zhì)。兩種工作介質(zhì)的不同在于液體幾乎不可壓縮，而氣體卻具有明顯的可壓縮性。液壓與氣壓傳動(dòng)在基本工作原理、元件的結(jié)構(gòu)及回路的組成等方面是極為相似的?，F(xiàn)以圖1-1所示的液壓千斤頂為例來介紹液壓傳動(dòng)的工作原理

2、。 液壓缸6和3的活塞和缸體之間保持良好的配合關(guān)系，不僅活塞能在缸內(nèi)滑動(dòng)，而且配合面之間又能實(shí)現(xiàn)可靠的密封。當(dāng)向上抬起杠桿1時(shí)，小活塞2向上運(yùn)動(dòng)，小缸3下腔容積增大，形成局部真空，此時(shí)單向閥5關(guān)閉，油箱10中的油液在大氣壓的作用下通過單向閥4進(jìn)入小液壓缸的下腔，完成一次吸油過程。接著，壓下杠桿1，小活塞2向下移動(dòng)，小缸下腔容積減小，腔內(nèi)壓力升高，這時(shí)單向閥4關(guān)閉，小缸下腔的壓力油就打開單向閥5擠入到大缸6的下腔，推動(dòng)大活塞將重物8向上頂起一段距離,如此反復(fù)地提壓杠桿1，就可以使重物不斷上升，達(dá)到起重的目的。如果打開截止閥9，大缸下腔通油箱，大活塞在自重作用下向下移動(dòng)，迅速下降到原位。 液壓泵3

3、由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，從油箱1經(jīng)過濾油器2吸油，液壓泵輸出的壓力油經(jīng)節(jié)流閥5和換向閥6(圖1-2a中換向閥手柄向右扳動(dòng))進(jìn)入液壓缸7的左腔，推動(dòng)活塞和工作臺(tái)向右運(yùn)動(dòng)，而液壓缸右腔的油液經(jīng)換向閥和回油管排回油箱。 若將換向閥6手柄扳到左邊位置，使換向閥處于圖1-2b所示的狀態(tài)，則壓力油經(jīng)換向閥進(jìn)入液壓缸的右腔，推動(dòng)活塞與工作臺(tái)反向運(yùn)動(dòng)，并使液壓缸左腔的油液經(jīng)換向閥和回油管排回油箱。 若改變節(jié)流閥5的開口大小，可以改變進(jìn)入液壓缸的流量，從而控制液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度，此時(shí)液壓泵輸出的多余油液經(jīng)溢流閥4和回油管排回油箱。系統(tǒng)工作時(shí)，液壓缸工作壓力的大小取決于磨削工件時(shí)切削阻力的大小。液壓泵的最高壓力由溢流

4、閥調(diào)定。 圖1-3所示為典型氣動(dòng)系統(tǒng)的組成。其控制裝置是由若干個(gè)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，由行程開關(guān)等傳遞信號(hào)，系統(tǒng)在進(jìn)行邏輯判斷后指示氣缸下一步的動(dòng)作，從而可實(shí)現(xiàn)規(guī)定的自動(dòng)工作循環(huán)。第二節(jié)第二節(jié) 液壓與氣動(dòng)系統(tǒng)的組液壓與氣動(dòng)系統(tǒng)的組成及圖形符號(hào)成及圖形符號(hào)一、傳動(dòng)系統(tǒng)的組成一、傳動(dòng)系統(tǒng)的組成液壓、氣動(dòng)系統(tǒng)除工作介質(zhì)(液壓油或壓縮空氣)外，主要由動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制調(diào)節(jié)元件和輔助元件四部分組成。(1)動(dòng)力元件動(dòng)力元件即將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成流體的壓力能的元件。通常指液壓泵和空氣壓縮機(jī)，其作用是向系統(tǒng)提供壓力油和壓縮空氣。(2)執(zhí)行元件執(zhí)行元件即將流體的壓力能轉(zhuǎn)換成

5、機(jī)械能的元件。它可以是作直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸或氣缸，也可以是作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液壓馬達(dá)或氣馬達(dá)。(3)控制調(diào)節(jié)元件控制調(diào)節(jié)元件即對系統(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)的元件，以及進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換、邏輯運(yùn)算和放大等功能的信號(hào)控制元件，如溢流閥、節(jié)流閥、換向閥等。(4)輔助元件輔助元件是保證系統(tǒng)正常工作所需的且上述三種以外的元件，如油箱、過濾器、蓄能器、油霧器、消聲器等。二、傳動(dòng)系統(tǒng)的圖形符號(hào)表示二、傳動(dòng)系統(tǒng)的圖形符號(hào)表示 圖1-2a所示的液壓系統(tǒng)是一種半結(jié)構(gòu)式的工作原理圖，它有直觀性強(qiáng)、容易理解的優(yōu)點(diǎn)，但圖形比較復(fù)雜，繪制比較麻煩。 圖1-2c所示是圖1-2a所示的液壓系統(tǒng)用液壓系統(tǒng)圖形符號(hào)繪制的工

6、作原理圖。使用這些圖形符號(hào)可使液壓系統(tǒng)圖簡單明了，易于繪制。第三節(jié)第三節(jié) 液壓液壓與氣動(dòng)的特點(diǎn)與氣動(dòng)的特點(diǎn)一、液壓傳動(dòng)的特點(diǎn)一、液壓傳動(dòng)的特點(diǎn)(1)液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)1)液壓傳動(dòng)能在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速(調(diào)速范圍可達(dá)2000r)。2)在同等功率下，液壓裝置體積小，質(zhì)量小。例如，液壓馬達(dá)的體積和質(zhì)量只有同等功率電動(dòng)機(jī)的12左右。3)工作平穩(wěn)，換向沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)、制動(dòng)和頻繁的換向。4)易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，安全性好，采用礦物油作為工作介質(zhì)，自潤滑性好。5)操縱控制方便，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。特別是和電氣控制結(jié)合時(shí)，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動(dòng)工作循環(huán)。6)由于液壓元件已實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，液壓系統(tǒng)的設(shè)

7、計(jì)、制造和使用都比較方便。(2)液壓傳動(dòng)的缺點(diǎn)1)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中存在的泄漏和油液的可壓縮性，影響了傳動(dòng)的準(zhǔn)確性，故不宜用于要求具有精確傳動(dòng)比的場合。2)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作過程中有較多的能量損失(如泄漏損失、摩擦損失等)，因此，液壓傳動(dòng)效率不高，不宜作遠(yuǎn)距離傳動(dòng)。3)液壓傳動(dòng)對油溫的變化比較敏感，不宜在很高和很低的溫度下工作。二、氣動(dòng)的特點(diǎn)二、氣動(dòng)的特點(diǎn)(1)氣動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)1)以空氣為工作介質(zhì)，來源方便，使用后可以直接排入大氣，處理簡單，不污染環(huán)境。2)空氣的粘度很小，在管道中的壓力損失較小，因此，壓縮空氣便于集中供應(yīng)(空壓站)和遠(yuǎn)距離輸送。3)壓縮空氣的工作壓力一般較低，因此，對氣動(dòng)元件的材料和制造

8、精度要求較低。4)工作環(huán)境適應(yīng)性好，特別是在易燃易爆、多塵埃、強(qiáng)輻射、振動(dòng)等惡劣環(huán)境下工作，比液壓、電子、電氣控制優(yōu)越。5)維護(hù)簡單，使用安全可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)過載保護(hù)。(2)氣動(dòng)的缺點(diǎn)1)由于空氣的可壓縮性大，所以氣壓傳動(dòng)工作速度的穩(wěn)定性較差，易受負(fù)載變化的影響。2)工作壓力較低(一般為0.40.8MPa)，系統(tǒng)輸出力較小，傳動(dòng)效率較低。3)排氣噪聲較大，在高速排氣時(shí)需安裝消聲器。第四節(jié)第四節(jié) 液壓與液壓與氣動(dòng)的發(fā)展及應(yīng)氣動(dòng)的發(fā)展及應(yīng)用用 氣動(dòng)技術(shù)是以壓縮空氣為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞或信號(hào)傳遞的工程技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)控制、自動(dòng)控制的重要手段之一。 1880年，人們第一次利用氣缸做成氣動(dòng)制動(dòng)裝置，

9、并將其用到火車的制動(dòng)上。20世紀(jì)30年代，氣動(dòng)技術(shù)成功用于車輛自動(dòng)門的開啟。尤其是20世紀(jì)70年代初，隨著工業(yè)機(jī)化和自動(dòng)化的發(fā)展，氣動(dòng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)自動(dòng)化的各個(gè)領(lǐng)域。近年來氣動(dòng)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域已從機(jī)械、采礦、汽車、鋼鐵等重工業(yè)迅速擴(kuò)展到化工、輕工和食品等行業(yè)。當(dāng)前，氣動(dòng)技術(shù)正向高質(zhì)量、高精度、高速度、小型化、輕量化、復(fù)合集成化及節(jié)能環(huán)保等的方向快速發(fā)展。第二章第二章 流體力學(xué)流體力學(xué)基礎(chǔ)基礎(chǔ) 工作介質(zhì)在液壓傳動(dòng)中起到傳遞能量和信號(hào)的作用，同時(shí)還起到潤滑、冷卻和防銹的作用。因此在掌握液壓系統(tǒng)之前，必須對工作介質(zhì)的物理性質(zhì)和如何選用作必要的了解。第一節(jié)第一節(jié) 工作介工作介質(zhì)質(zhì) 液體是液壓傳動(dòng)的工作

10、介質(zhì)。最常用的工作介質(zhì)是液壓油，此外還有乳化液和合成液及液態(tài)水。一、工作介質(zhì)的物理特性一、工作介質(zhì)的物理特性1.液體的密度單位體積液體的質(zhì)量稱為液體的密度，用表示，即液壓油的密度一般為900kg/m3,通常情況下，液體的密度隨溫度或壓力的變化可以忽略不計(jì)。2.液體的可壓縮性 液體在壓力作用下體積減小的現(xiàn)象稱為液體的可壓縮性。在常溫下，一般認(rèn)為油液是不可壓縮的。但當(dāng)液壓油中混有空氣時(shí)，其抗壓縮性能力顯著降低，此時(shí)其可壓縮性對液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響較大。3.液體的粘性(1)粘性的物理本質(zhì)液體在外力作用下流動(dòng)時(shí)，由于液體分子間的內(nèi)聚力而產(chǎn)生一種阻礙液體分子之間相對運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦力，液體的這種產(chǎn)生內(nèi)摩擦

11、力的性質(zhì)稱為液體的粘性。液體只有在流動(dòng)(或有流動(dòng)趨勢)時(shí)，才顯示出液體的粘性，而靜止液體是不顯示粘性的。(2)牛頓內(nèi)摩擦力定律如圖2-1所示，兩平行平板間充滿液體，上平板以速度u0向右平動(dòng)，下平板固定不動(dòng)。粘性使液體內(nèi)部各處的速度不相等，緊貼于上平板液層的速度與上平板相同，緊貼于下平板液層的速度為零，而中間各層液體的流速從上到下近似呈線性規(guī)律分布。其中速度快的液層帶動(dòng)速度慢的，而速度慢的液層對速度快的液層起阻滯作用。2)運(yùn)動(dòng)粘度。動(dòng)力粘度與該液體密度的比值稱為運(yùn)動(dòng)粘度，以表示運(yùn)動(dòng)粘度的單位為m2/s。就物理意義上講，不是一個(gè)粘度的量，但工程實(shí)際中常用它標(biāo)志液體的粘度。液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)的粘度等級(jí)

12、是以40時(shí)運(yùn)動(dòng)粘度(mm2/s)的中心值來劃分的，如牌號(hào)為L-HL32的液壓油，就是指這種油在40時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度平均值為32mm2/s。(4)粘溫特性油液的粘度隨溫度變化的性質(zhì)稱為粘溫特性。溫度對油液粘度的影響很大，溫度升高，粘度顯著下降。油液粘度變化直接影響液壓系統(tǒng)的性能和泄漏量，因此希望油液粘度隨溫度的變化越小越好。 不同種類的液壓油有不同的粘溫特性。圖2-2所示為幾種典型液壓油的粘溫特性曲線圖。二、液壓油的選用二、液壓油的選用1.液壓油的使用要求 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)用油一般應(yīng)滿足的要求有粘度適當(dāng)，粘溫特性好；潤滑性好，防銹性好；質(zhì)地純凈，雜質(zhì)少；對金屬和密封件有良好的相容性；氧化穩(wěn)定性好，不易變

13、質(zhì)；抗泡沫性和抗乳化性好；燃點(diǎn)高，凝點(diǎn)低；對人體無害，成本低等。對具體的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，則需根據(jù)情況突出某些方面的使用性能要求。2.液壓油的品種 液壓油的品種很多，主要分為三大類型，即礦油型、乳化型、合成型。礦油型液壓油潤滑性好和防銹性好，粘度等級(jí)范圍也較寬，因而在液壓系統(tǒng)中應(yīng)用很廣。礦油型液壓油具有可燃性，為了安全起見，在一些高溫、易燃、易爆的工作環(huán)境，常用水包油、油包水乳化液或水-乙二醇、磷酸脂等合成液。三、液壓油的選擇三、液壓油的選擇1.油液品種的選擇 選擇液壓油的品種，可根據(jù)是否液壓專用、有無起火危險(xiǎn)、工作壓力及工作溫度等因素綜合考慮。2.粘度等級(jí)的選擇確定好液壓油的品種后，就要選擇液壓

14、油的粘度等級(jí)。粘度對液壓系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、可靠性、效率、溫升及磨損都有顯著的影響。在選擇粘度時(shí)應(yīng)注意液壓系統(tǒng)在以下幾方面的情況：1)工作壓力。工作壓力較高的液壓系統(tǒng)宜選用粘度較大的液壓油，以減少泄漏。2)運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)液壓系統(tǒng)的工作部件運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)，宜選用粘度較小的液壓油，以減小液流的摩擦損失。3)環(huán)境溫度。環(huán)境溫度較高時(shí)宜選用粘度較大的液壓油。在液壓系統(tǒng)的所有元件中，以液壓泵對油液的性能最為敏感。因?yàn)楸脙?nèi)零件的運(yùn)動(dòng)速度最高，工作壓力也最高，且承壓時(shí)間長，溫升高。因此，常根據(jù)液壓泵的類型及其要求來選擇液壓油的粘度。各類液壓泵適用的粘度范圍見表2-1。第二節(jié)第二節(jié) 液液體靜力學(xué)基體靜力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ)

15、液體靜力學(xué)所研究的是靜止液體的力學(xué)規(guī)律以及這些規(guī)律的應(yīng)用。這里所說的靜止，是指液體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間沒有相對運(yùn)動(dòng)，至于液體整體，完全可以像剛體一樣作各種運(yùn)動(dòng)。一、液體的壓力一、液體的壓力液體單位面積上所受的法向力稱為壓力。這一定義在物理學(xué)中稱為壓強(qiáng)，但在液壓技術(shù)中習(xí)慣稱為壓力。若在液體內(nèi)某點(diǎn)處微小面積A上作用有法向力Fn，則該點(diǎn)的靜壓力p為 靜止液體只能處于受壓狀態(tài)，不能受拉，并且其內(nèi)部的任何質(zhì)點(diǎn)都承受來自各個(gè)方向的壓力而處于平衡狀態(tài)。因此液體的靜壓力有如下兩個(gè)重要特性：1)液體的靜壓力沿著內(nèi)法線方向作用于承壓面。2)靜止液體內(nèi)任意一點(diǎn)的靜壓力在各個(gè)方向上都相等。二、重力作用下靜止液體中的壓力分布二

16、、重力作用下靜止液體中的壓力分布 如圖2-3a所示，密度為的液體在容器內(nèi)處于靜止?fàn)顟B(tài)。為求任意深度h處的壓力p，可以假想從液面往下切取一個(gè)垂直小液柱作為研究對象，設(shè)液柱的底面積為A，高為h，如圖2-3b所示。由于液柱處于平衡狀態(tài)，于是有式(2-7)稱為液體靜力學(xué)基本方程式。由式(2-7)可知：1)靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)處的壓力都由兩部分組成，一部分是液面上的壓力p0，另一部分是由該點(diǎn)以上液體質(zhì)量所形成的壓力。當(dāng)液面上只受大氣壓力pa作用時(shí)(如敞口容器內(nèi)的液體)，則液體內(nèi)任一點(diǎn)的壓力為2)靜止液體內(nèi)的壓力隨液體深度呈線性規(guī)律分布。3)離液面深度相同的各點(diǎn)壓力相等，形成一個(gè)等壓面(為水平面)。需要注意的

17、是，在分析液壓系統(tǒng)的壓力時(shí)，由液體質(zhì)量所形成的那部分壓力gh相對于外界壓力非常小，因此常?？梢院雎圆挥?jì)。三、壓力的表示和單位三、壓力的表示和單位 根據(jù)度量基準(zhǔn)的不同，液體壓力分為絕對壓力和相對壓力兩種。以絕對真空為基準(zhǔn)度量的壓力，叫做絕對壓力；而以大氣壓力為基準(zhǔn)來度量的壓力則是相對壓力。在地球的表面上，一切受大氣籠罩的物體，大氣壓力的作用都是自相平衡的，一般壓力儀器在大氣中的讀數(shù)為零，因此用壓力計(jì)(又稱壓力表)測得的壓力顯然是相對壓力。相對壓力又叫表壓力，液壓技術(shù)中的壓力一般也都是相對壓力。 如果液體中某點(diǎn)的絕對壓力小于大氣壓力，這時(shí)，比大氣壓力小的那部分?jǐn)?shù)值叫做真空度。絕對壓力、相對壓力和真

18、空度之間的關(guān)系如圖2-4所示。 壓力的法定計(jì)量單位是Pa(帕)，還有沿用的一些單位，如bar(巴)、工程大氣壓at(即kgf/cm2)、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓atm、水柱高mH2O或汞柱高mmHg等。各壓力單位之間的換算關(guān)系如下：四、帕斯卡原理四、帕斯卡原理 如圖2-5所示的密封容器內(nèi)的液體，當(dāng)外力F變化引起液面壓力p0發(fā)生變化時(shí)，只要液體仍保持原來的靜止?fàn)顟B(tài)不變，則液體內(nèi)任一點(diǎn)的壓力均發(fā)生同樣大小的變化。也就是說，在密封容器內(nèi)施加于靜止液體上的壓力將以等值傳遞到液體中所有各點(diǎn)。這就是帕斯卡原理或靜壓傳遞原理。在圖2-5中，外加負(fù)載F作用在橫截面積為A的活塞上，根據(jù)帕斯卡原理，容器內(nèi)液體的壓力與負(fù)載之間總

19、是保持著正比關(guān)系為由此可見，液體內(nèi)部的壓力是由外界負(fù)載作用所形成的，即壓力取決于負(fù)載，這是液壓傳動(dòng)中一個(gè)重要的基本概念。五、液體對固體壁面的作用力五、液體對固體壁面的作用力 靜止液體與固體壁面相接觸時(shí)，固體壁面將受到液體壓力的作用。當(dāng)固體壁面為一平面時(shí)，液體壓力對該平面的總作用力F等于液體壓力p與該平面面積A的乘積，其作用方向與該平面垂直，即 對于液壓缸，如圖2-6a所示，在無桿腔活塞(活塞直徑為D，面積為A)左側(cè)所受的液體作用力F為當(dāng)固體壁面為一曲面時(shí)，液體壓力在該曲面某方向x上的總作用力Fx等于液體壓力與曲面在該方向投影面積Ax的乘積，即 圖2-6b所示的球面和圖2-6c所示的圓錐體面，要

20、計(jì)算液體沿垂直方向作用在球面和錐面上的力，就等于壓力p與該部分曲面在垂直方向的投影面積Ax乘積，其作用點(diǎn)通過投影圓的圓心，方向垂直向上，即第三節(jié)第三節(jié) 液液體動(dòng)力學(xué)基體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)礎(chǔ) 由于液壓系統(tǒng)工作時(shí)油液總是在不斷地流動(dòng)，因此必須研究液體在外力作用下流動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即研究液體流動(dòng)時(shí)的流速和壓力的變化規(guī)律。一、基本概念一、基本概念1.理想液體與恒定流動(dòng) 液體具有粘性，并在流動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出來，因此研究流動(dòng)液體時(shí)就要考慮其粘性。但液體粘性是一個(gè)很復(fù)雜的問題，所以可先假設(shè)液體沒有粘性，然后再考慮粘性的影響并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法對所得的結(jié)論進(jìn)行補(bǔ)充和修正。這種方法同樣也可以處理液體的可壓縮性問題。我們把既無

21、粘性又無可壓縮性的假想液體稱為理想液體。 液體流動(dòng)時(shí)，若液體內(nèi)部任何一點(diǎn)的壓力、速度和密度都不隨時(shí)間而變化，則稱這種流動(dòng)為恒定流動(dòng)(亦稱定常流動(dòng))；反之，只要壓力、速度和密度有一個(gè)隨時(shí)間而變化，則稱為恒定流動(dòng)(亦稱非定常流動(dòng))。圖2-7a所示的水平管內(nèi)液流為恒定流動(dòng),圖2-7b所示為非恒定流動(dòng)。2.過流斷面、流量和平均流速 液體在管道中流動(dòng)時(shí)，其垂直于流動(dòng)方向的截面稱為過流斷面(或稱為通流截面)，用A表示。單位時(shí)間內(nèi)通過某一過流斷面的液體體積稱為流量，用q表示，即單位為m3/s或l/min。 液體流動(dòng)時(shí)，由于粘性的作用，使得在同一截面上各點(diǎn)的液體流速不等，其分布規(guī)律(圖2-8)比較復(fù)雜，計(jì)算很

22、不容易?，F(xiàn)假設(shè)通流截面上各點(diǎn)的流速均勻分布，流體以此平均流速v流過通流截面的流量與以實(shí)際流速流過的流量相等，即 在工程實(shí)際中，平均流速v才具有應(yīng)用價(jià)值。液壓缸工作時(shí)，活塞的運(yùn)動(dòng)速度就等于缸內(nèi)液體的平均流速。當(dāng)液壓缸有效面積一定時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)速度決定于輸入液壓缸的流量。3.流態(tài)和雷諾數(shù)(1)流態(tài)液體在流動(dòng)時(shí)有兩種狀態(tài)，即層流和紊流。兩種流動(dòng)狀態(tài)的物理現(xiàn)象可以通過雷諾實(shí)驗(yàn)觀察出來。1)層流。液體流動(dòng)時(shí)的各質(zhì)點(diǎn)平行于管道軸線呈線狀或?qū)訝钸\(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)互不干擾，如圖2-9a所示。2)紊流。液體流動(dòng)時(shí)各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)雜亂無章，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)，如圖2-9b所示。(2)雷諾數(shù)Re液

23、體在管道中流動(dòng)時(shí)是層流還是紊流，也可以用雷諾數(shù)Re來判斷，即 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)不相等，后者的數(shù)值小，所以一般都用后者作為判斷液流狀態(tài)的依據(jù)，稱為臨界雷諾數(shù)，以Rec表示。當(dāng)液流的實(shí)際雷諾數(shù)Re小于臨界雷諾數(shù)Rec時(shí)，液流為層流；反之則為紊流。常見的液流管道的臨界雷諾數(shù)Rec可由實(shí)驗(yàn)測定，如表2-2所示。二、連續(xù)性方程二、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。設(shè)液體在圖2-10所示管道中作恒定流動(dòng)，任取1、2兩個(gè)通流截面，面積分別為A1、A2，兩個(gè)截面處液體的平均流速和密度分別為v1、1和v2、2，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在單位時(shí)間內(nèi)流

24、過兩個(gè)截面的液體質(zhì)量相等，即若不考慮液體的可壓縮性，有1=2，則有由于通流截面是任意選取的，因此有 這就是液流的連續(xù)性方程。它表明液體在管道中作恒定流動(dòng)時(shí)，流過管道各通流截面的流量是不變的，因而各截面的平均流速與其截面面積成反比。三、伯努利方程三、伯努利方程伯努利方程是能量守恒定律在流體力學(xué)中的表達(dá)形式。1.理想液體的伯努利方程 設(shè)理想液體在圖2-11所示的管道內(nèi)作恒定流動(dòng)。任取一段液流ab作為研究對象，設(shè)a、b兩通流截面中心到基準(zhǔn)面OO的高度分別為h1、h2，通流截面的面積分別為A1、A2,壓力分別為p1、p2。由于是理想液體，截面上的流速可以認(rèn)為相等，設(shè)分別為v1和v2。根據(jù)能量守恒定律，

25、有因?yàn)閮蓚€(gè)通流截面是任意取的，因此上式也可寫成 上式稱為理想液體的伯努利方程。其物理意義是，在密閉管道內(nèi)作恒定流動(dòng)的理想液體具有三種形式的能量(壓力能、勢能、動(dòng)能)，在流動(dòng)過程中，三種能量可以相互轉(zhuǎn)化，但各個(gè)通流截面上的三種能量之和恒為定值。2.實(shí)際液體的伯努利方程 實(shí)際液體在管道中流動(dòng)時(shí)，由于液體有粘性，會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力；而且管道形狀和尺寸的變化會(huì)使液體產(chǎn)生擾動(dòng)，從而造成能量損失。另外由于實(shí)際流速在管道通流截面上分布是不均勻的，用平均流速v來代替實(shí)際流速計(jì)算動(dòng)能時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生誤差，為修正這一誤差，引入了動(dòng)能修正系數(shù)。因此，實(shí)際液體的伯努利方程為應(yīng)用伯努利方程時(shí)必須注意：1)通流截面1、2需順流

26、向選取，否則式2-18中的pw為負(fù)值。2)通流截面中心在基準(zhǔn)面以上時(shí)，h取正值，反之取負(fù)值。通常選取特殊位置的水平面作為基準(zhǔn)面，如油箱液面。第四節(jié)第四節(jié) 液體流液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失動(dòng)時(shí)的壓力損失 實(shí)際液體具有粘性，流動(dòng)時(shí)會(huì)有摩擦阻力產(chǎn)生。為了克服阻力，流動(dòng)液體就要消耗一分能量，這種能量損失就是實(shí)際伯努利方程式2-18中的pw項(xiàng)，因pw具有與壓力相同的量綱，通常稱為壓力損失。液壓系統(tǒng)中的壓力損失分為兩類，即沿程壓力損失和局部壓力損失。一、沿程壓力損失一、沿程壓力損失液體沿等直徑直管流動(dòng)時(shí)因摩擦而產(chǎn)生的壓力損失，稱為沿程壓力損失。液體的流動(dòng)狀態(tài)不同，所產(chǎn)生的沿程壓力損失也有不同。1.層流時(shí)的沿程壓

27、力損失 圖2-12所示為液體在等徑水平直管中作層流運(yùn)動(dòng)。層流時(shí)液體質(zhì)點(diǎn)作有規(guī)律的流動(dòng)，因此可以用數(shù)學(xué)工具分析其流動(dòng)狀況，并可推導(dǎo)出沿程壓力損失的計(jì)算公式，即式中沿程阻力系數(shù)，理論值=64/Re，對光滑金屬圓管取=75/Re，對橡膠圓管取=80/Re；l液體流過的管道長度(m)；d管道內(nèi)徑(m)；v流體平均流速(m/s)；液體密度(kg/m3)。2.紊流時(shí)的沿程壓力損失 紊流狀態(tài)下直管內(nèi)液體流動(dòng)沿程壓力損失計(jì)算公式仍用式2-19來計(jì)算，式中的值不僅與雷諾數(shù)Re有關(guān)，而且與管壁表面粗糙度有關(guān)，即=f(Re,/d)，這里的為管壁的絕對粗糙度，它與直管內(nèi)徑d的比值/d稱為相對表面粗糙度。對于光滑管，當(dāng)

28、2.32103Re1105時(shí)，=0.3164Re-0.25；對于粗糙管，的值可以根據(jù)不同的Re和/d從有關(guān)液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊中查取。二、局部壓力損失二、局部壓力損失 液體流經(jīng)閥口、彎管、突變截面以及閥口、濾網(wǎng)等局部裝置時(shí)，由于液流方向和速度發(fā)生急劇變化，形成漩渦，并發(fā)生強(qiáng)烈的紊動(dòng)現(xiàn)象，由此而造成的壓力損失稱為局部壓力損失。局部壓力損失的計(jì)算公式為式中qn閥的額定流量(l/min)；pn閥在額定流量qn下的壓力損失(可從閥的產(chǎn)品樣本查出)；q通過閥的實(shí)際流量。式中局部阻力系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測得，也可查閱有關(guān)手冊。液體流經(jīng)各種閥的局部壓力損失亦滿足上式，但因閥內(nèi)的通道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，按此公式實(shí)際計(jì)算時(shí)比較困難，

29、因此閥類元件局部壓力損失pv的計(jì)算常采用的公式為三、管路系統(tǒng)的總壓力損失三、管路系統(tǒng)的總壓力損失 整個(gè)管路系統(tǒng)的總壓力損失應(yīng)包括所有的沿程壓力損失和所有的局部壓力損失，因此 在液壓系統(tǒng)中，絕大部分壓力損失轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑥亩斐上到y(tǒng)溫度升高，泄漏增大，以致影響系統(tǒng)的工作性能。從上式可以看出，減小流速、縮短管路長度、減小管路截面的突變、提高管路內(nèi)壁的加工質(zhì)量等都可使壓力損失減小。其中以減小流速效果最為明顯，因此液體在管路系統(tǒng)中的流速不宜過大。但流速過低，也會(huì)使管路和閥類元件的尺寸加大，并使成本增高。第五節(jié)第五節(jié) 小小孔及縫隙流孔及縫隙流量量 在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，液壓控制閥常利用液流流經(jīng)其內(nèi)部的小孔或縫

30、隙來控制流量和壓力，以實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的調(diào)速和調(diào)壓。液壓元件的泄漏也屬于縫隙流動(dòng)。一、小孔流量一、小孔流量 根據(jù)長徑比l/d的大小，小孔分為三種情況：l/d0.5時(shí)，稱為薄壁小孔；0.5l/d4時(shí)，稱為短孔；l/d4時(shí)，稱為細(xì)長孔。式中Cq流量系數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)確定；AT小孔過流斷面面積(mm2)；p小孔前后的壓力差(p=p1-p2)MPa。 圖2-13所示為進(jìn)口邊做成銳緣的典型薄壁孔。由于慣性作用，液流通過小孔時(shí)要發(fā)生收縮現(xiàn)象，在靠近孔口的后方出現(xiàn)收縮最大的過流斷面(圖2-13所示的22面)。利用伯努利方程，可以計(jì)算出通過薄壁孔的流量為 薄壁孔由于流程很短，流量對油溫的變化不敏感，因而流量較穩(wěn)定，非

31、常適宜做節(jié)流器。但薄壁孔加工難度大，實(shí)際應(yīng)用較多的是短孔。 流經(jīng)短孔的流量依然使用上式計(jì)算，但流量系數(shù)Cq不同。 流經(jīng)細(xì)長孔的液流，由于粘性而流動(dòng)不暢，故多為層流。其流量計(jì)算可以作為圓管層流流量推導(dǎo)出來，結(jié)果為式中d小孔內(nèi)徑(mm)；液體動(dòng)力粘度(Pas)；l小孔長度(mm)；p小孔前后的壓力差(p=p1-p2)(MPa)。綜合各小孔流量計(jì)算公式，可以歸納出一個(gè)通用公式，即小孔流量通用公式(式2-25)常用于分析小孔的流量壓力特性。二、縫隙流量二、縫隙流量 液壓裝置的各零件之間，特別是有相對運(yùn)動(dòng)的各零件之間存在著一定的縫隙(或稱間隙)，液流流經(jīng)縫隙就會(huì)產(chǎn)生泄漏，這就是縫隙流量。由于縫隙通道一般

32、比較狹窄，液流受壁面的影響較大，故縫隙液流的流態(tài)多表現(xiàn)為層流。圖2-14流經(jīng)固定平行平板縫隙的流量縫隙流動(dòng)有兩種情況，一種是由縫隙兩端的壓力差造成的流動(dòng)，稱為壓差流動(dòng)；另一種是形成縫隙的兩壁面作相對運(yùn)動(dòng)所造成的流動(dòng)，稱為剪切流動(dòng)。這兩種流動(dòng)經(jīng)常同時(shí)存在。1.平行平板縫隙的流量(1)流過固定平行平板縫隙的流量圖2-14所示為液體在兩固定平行平板縫隙內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，縫隙兩端有壓力差，故屬于壓差流動(dòng)。若其縫隙高度為h，寬度為b，長度為l，經(jīng)理論推導(dǎo)可得從上式可以看出，在壓差作用下，流過縫隙的流量與縫隙高度的三次方成正比，這說明液壓元件內(nèi)縫隙的大小對其泄漏量的影響是很大的。(2)流過相對運(yùn)動(dòng)平行平板縫隙的流量由于液體存在粘性，兩個(gè)相對運(yùn)動(dòng)平板中間各層體的流速呈線性分布，即液體作剪切流動(dòng)。因?yàn)橐后w的平均流速為u02，故流過縫隙的流量為在一般情況下，相對運(yùn)動(dòng)平行平板縫隙中既有壓差流動(dòng)，又有剪切流動(dòng)。因此，流過相對運(yùn)動(dòng)平板縫隙的流量為壓差流量和剪切流量的代數(shù)和，即“”號(hào)的確定方法如下：剪切流動(dòng)和壓差流動(dòng)方向相同時(shí)取“+”，相反時(shí)取“-”。2.圓環(huán)縫隙 圖2-15同心圓環(huán)縫隙的液流在液壓元件中，液壓缸的活塞和缸體內(nèi)孔之間，液壓閥的閥芯和閥孔之間，都存在圓環(huán)縫隙。圓環(huán)縫隙有同心和偏心兩種情況，它們的流量公式是有所不同的。(1)同心圓環(huán)縫隙的流量圖2-15所示為同心圓環(huán)縫隙的流動(dòng)。