液壓與氣壓傳動(第5版)

液壓與氣壓傳動(第5版)緒論第一章液壓傳動基礎知識第二章液壓動力元件

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系統(tǒng)第八章液壓伺服和電液比例控制技術第九章液壓系統(tǒng)的設計與計算總目錄第十章氣壓傳動基礎知識第十一章氣源裝置及氣動輔助元件第十二章氣動執(zhí)行元件第十三章氣動控制元件第十四章氣動基本回路第十五章氣動程序系統(tǒng)及其設計第十六章氣壓傳動系統(tǒng)實例總目錄一.液壓與氣壓傳動的研究對象二.液壓與氣壓傳動的工作原理三.液壓與氣壓傳動系統(tǒng)的組成四.液壓與氣壓傳動的優(yōu)缺點五.液壓與氣壓傳動的應用及發(fā)展

緒論第一節(jié)液壓傳動的工作介質第二節(jié)液體靜力學第三節(jié)液體動力學第四節(jié)定常管流的壓力損失計算第五節(jié)孔口和縫隙流量第六節(jié)空穴現象和液壓沖擊第一章液壓傳動基礎知識第一節(jié)液壓傳動的工作介質

液壓傳動最常用的工作介質是液壓油，此外，還有乳化型傳動液和合成型傳動液等，此處僅介紹幾個常用的液壓傳動工作介質的性質。一、液壓傳動工作介質的性質

1．密度

單位體積液體的質量稱為液體的密度。體積為Ｖ，質量為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，但變動值很小，可以認為是常值。我國采用20攝氏度時的密度作為油液的標準密度，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力的液體傳動是以油液作為工作介質的，為此必須了解油液的種類﹑物理性質，研究油液的靜力學﹑運動學和動力學規(guī)律，本章主要介紹這方面的內容。常用工作介質的密度種類

ρ20種類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，體積減小△V

，則此液體的可壓縮性可用體積壓縮系數

κ，即單位壓力變化下的體積相對變化量來表示由于壓力增大時液體的體積減小，因此上式右邊須加一負號，以使成為正值。液體體積壓縮系數的倒數，稱為體積彈性模量Ｋ，簡稱體積模量。即Ｋ=１/

κ。2．可壓縮性封閉在容器內的液體在外力作用下的情況就如一彈簧：外力增大，體積減??；外力減小，體積增大。其彈簧剛度κh，在液體承壓面積A不變時，可以通過壓力變化△P=△F/A和體積變化△V=A△L求出，即液壓傳動工作介質的可壓縮性對動態(tài)工作的液壓系統(tǒng)來說影響極大；但當液壓系統(tǒng)在靜態(tài)下（穩(wěn)態(tài)）工作時，一般可以不予考慮。3.粘性液體在外力作用下流動（或有流動趨勢）時，分子間的內聚力要阻止分子相對運動而產生的一種內摩擦力，這種現象就叫粘性。靜止液體是不會有粘性的。液體流動時相鄰液層間的內摩擦力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，稱為粘性系數或粘度。粘度是衡量液體粘性的標準。粘度μ稱動力粘度，單位Pa

s（帕秒）。以前沿用的單位為P（泊，dynes/cm）.液體的動力粘度與其密度的比值，成為運動粘度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為切應力.就物理意義而言，υ不是一個粘度的量，但習慣上常用它來標志液體粘度，液壓傳動工作介質的粘度是以40攝氏度時的運動粘度（以mm/s）的中心值來劃分的，如某一種牌號L-HL22普通液壓油在40攝氏度時運動粘度的中心值為22mm/s22

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

液壓傳動工作介質還有其它的一些性質，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﹑潤滑性以及相容性（對所接觸的金屬﹑密封材料﹑涂料等作用程度）、導熱性等，都對它的選擇和使用有重要影響，這些性質需要在精煉的礦物油中加入各種添加劑來獲得，其含義較為明顯。2)潤滑性能好。即油液潤滑時產生的油膜強度高，以免產生干摩擦。

3)質地純凈，雜質少。不應含有雜質，以免刮傷表面。

4)對金屬和密封件有良好的相容性。不應含有腐蝕性物質，以免侵蝕機件和密封元件。5)對熱、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)體積膨脹系數小，比熱容大。

8)流動點和凝固點低，閃點(明火能使油面上油蒸氣閃燃，但油本身不燃燒時的溫度)和燃點高。

9)對人體無害，成本低。

對軋鋼機、壓鑄機、擠壓機和飛機等液壓系統(tǒng)則須突出耐高溫、熱穩(wěn)定、不腐蝕、無毒、不揮發(fā)、防火等項要求。

二、對液壓傳動工作介質的要求

不同的工作機械、不同的使用情況對液壓傳動工作介質的要求有很大的不同；為了很好地傳遞運動和動力，液壓傳動工作介質應具備如下性能：

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

液壓系統(tǒng)工作介質的品種以其代號和后面的數字組成，代號為L是石油產品的總分類號，H表示液壓系統(tǒng)用的工作介質，數字表示該工作介質的粘度等級。

2.工作介質的選用原則

選擇液壓系統(tǒng)的工作介質一般需考慮以下幾點：

三、工作介質的分類和選擇

（1）液壓系統(tǒng)的工作條件（2）液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境（3）綜合經濟分析

四、液壓系統(tǒng)的污染控制

工作介質的污染是液壓系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因。它嚴重影響液壓系統(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)的可靠性及延長液壓元件使用壽命的重要手段。

1.污染的根源

進入工作介質的固體污染物有四個根源：已被污染的新油、殘留污染、侵入污染和內部生成污染。

2.污染的的危害

液壓系統(tǒng)的故障75％以上是由工作介質污染物造成的。

3.污染的測定

污染度測定方法有測重法和顆粒計數法兩種。

4.污染度的等級

我國制定的國家標準GB/T14039-93《液壓系統(tǒng)工作介質固體顆粒污染等級代號》和目前仍被采用的美國NASl638油液污染度等級。5.工作介質的污染控制

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

(1)對元件和系統(tǒng)進行清洗，才能正式運轉。

(2)防止污染物從外界侵入。

(3)在液壓系統(tǒng)合適部位設置合適的過濾器。

(4)控制工作介質的溫度，工作介質溫度過高會加速其氧化變質，產生各種生成物，縮短它的使用期限。

(5)定期檢查和更換工作介質，定期對液壓系統(tǒng)的工作介質進行抽樣檢查，分析其污染度，如已不合要求，必須立即更換。更換新的工作介質前，必須對整個液壓系統(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、液體靜壓力對固體壁面的作用力第二節(jié)

液體靜力學一、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型：質量力和表面力。前者作用在液體的所有質點上，如重力、慣性力等,數值上等于加速度；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，也可能是來自另一部分液體的內力。

靜止液體在單位面積上所受的法向力稱為靜壓力。如果在液體內部某點處微小面積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上稱為壓強，在工程應用中習慣稱為壓力。（二）液體靜壓力的特性

1)

液體靜壓力垂直于作用表面，其方向和該面的內法線方向一致；

2)

靜止液體內任一點所受的靜壓力在各個方向上都相等。

液體靜壓力特性表明：靜止液體內部的任何質點都受平衡壓力的作用。二、靜力學基本方程（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點所受的壓力為式中，g為重力加速度，此表達式即為液體靜壓力的基本方程，由此式可知：

(1)靜止液體內任一點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與該點離液面深度h的乘積。

(2)同一容器中同一液體內的靜壓力隨液體深度h的增加而線性地增加。

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

在液壓傳動中，液體重力引起的壓力通常很小，可以忽略不計。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，根據靜壓力基本方程式可以確定距液面深度ｈ處Ａ點的壓力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點的單位質量液體的位能；表示A點的單位質量液體的壓力能。

上述表達式說明了靜止液體中單位質量液體的壓力能和位能可以互相轉換，但各點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：一種是以絕對真空作為基準所表示的壓力，稱為絕對壓力；另一種是以大氣壓力作為基準所表示的壓力，稱為相對壓力。由于大多數測壓儀表所測得的壓力都是相對壓力，故相對壓力也稱表壓力。

絕對壓力與相對壓力的關系為：絕對壓力=相對壓力+大氣壓力

絕對壓力小于大氣壓時,負相對壓力數值部分叫做真空度。即

真空度=大氣壓-絕對壓力=-(絕對壓力-大氣壓)

由此可知，當以大氣壓為基準計算壓力時，基準以上的正值是表壓力，基準以下的負值就是真空度。絕對壓力、相對壓力和真空度的相互關系如上圖所示。２．壓力的單位:

法定壓力(ISO)單位稱為帕斯卡(帕)，符號為

Pa，工程上常用兆帕這個單位來表示壓力

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

壓力的單位及其它非法定計量單位的換算關系為：

四、帕斯卡原理

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

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

靜止液體和固體壁面相接觸時，固體壁面上各點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。在液壓傳動計算中質量力可以忽略，靜壓力處處相等，所以可認為作用于固體壁面上的壓力是均勻分布的。

當固體壁面是曲面時，作用在曲面各點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基本方程第三節(jié)液體動力學理想液體既無粘性又不可壓縮的假想液體稱為理想液體定常流動如果液體中任一點的壓力、速度和密度都不隨時間變化，稱這種流動為定常流動（也稱為穩(wěn)定流動或恒定流動）。反之，則為非定常流動。一維流動當液體整個作線形流動時稱為一維流動，此時要求液流截面上各點的速度矢量完全相同。跡線流動液體的某一質點在某一時間間隔內在空間的運動軌跡。流線流線是流場中這樣一些空間曲線，它表示同一瞬時流場中各質點的運動狀態(tài)。流線上每一質點的速度矢量與流線相切。在定常流動時，流線的形狀不隨時間變化；在非定常流動時，流線形狀是隨時間變化的。顯然，流線之間不能相交。

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

流束流管中的流線群稱為流束。根據流線不會相交的性質，流管內外的流線均不會穿越流管。通流截面在流束中與所有流線正交的截面稱為通流截面。流量單位時間內流過某一通流截面的液體的體積稱為流量。流量的單位是m3/s或L/min。平均流速平均流速是通過整個通流截面的流量q與通流截面積A的比值。平均流速在工程中有實際應用價值。一、基本概念流線如圖a所示流束如圖b所示，定常流動時，流管和流束形狀不變。通流截面，如圖c的A面和B面，截面上的每點處的流動速度都垂直于這個面。二、

流量連續(xù)性方程

連續(xù)性方程是質量守恒定律在流體力學中的一種表達形式，如果液體作定常流動，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，在微小截面上各點的速度可以認為是相等的，且分別為u1和u2

。根據質量守恒定律，在dt時間內流人此微小流束的質量應等于從此微小流束流出的質量，故有即對整個流管，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

上式稱為不可壓縮液體作定常流動時的連續(xù)性方程。它說明通過流管任一通流截面的流量相等。此外還說明當流量一定時，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液體中的表現形式。要說明流動液體的能量問題，必須先講述液流的受力平衡方程，亦即它的運動微分方程。1.理想液體的運動微分方程

這就是重力場中，理想液體沿流線作定常流動時的運動方程，即歐拉運動方程。它表示了單位質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際液體的伯努利方程，修正過程考慮了兩點：

1）液體在流動過程中的能量損失；

2）用通流截面的平均流速v取代微元體的流速u。

或對流線上任意兩點且兩邊除以g可得上式表明理想液體作定常流動時，液流中任意截面處液體的總比能由比壓能（p/ρg）﹑比位能（z）與比動能（u/2g）組成（且均為長度綱量，因此從幾何意義上講可分別稱為壓力水頭﹑位置水頭和速度水頭），三者之間可互相轉化，但總和為一定值。2

實際液體是有粘性的，因此流動中粘性摩擦力會消耗一部分能量。同時，管道形狀的變化會使液體產生擾動，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，應該在伯努利方程中加入修正項hw。

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

（1）z和p是指截面的同一點上的兩個參數，至于Ａ1、Ａ2上的點倒不一定都要取在同一條流線上，但一般對管流而言，計算點都取在軸心線上。把這兩個點都取在兩截面的軸心處，不過是為了方便。

（2）液流是恒定流。如不是恒定流，要加入慣性項。

（3）兩個計算通流截面應取在平行流動或緩變流動處，但兩截面之間的流動不受此限制。至于兩截面間是什么流，是沒有關系的，這最多影響能量損失的大小。

應用伯努利方程時，應注意的幾點

（4）液流僅受重力作用，亦即盛液的容器沒有牽連加速度的情況。

（5）液體不可壓縮，密度在運動中保持不變。

（6）流量沿程不變，即沒有分流。

（7）適當地選取基準面，一般取液平面，這時p一般等于Pa，v=0。

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

（9）不要忘記動能修正系數，α=2層流時，α≈1紊流時。因為在推導伯努利方程過程中逐次加入了限制條件。因此

四、動量方程

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

根據上式進行推導（詳細推導過程請參閱參考書）可得流動液體的動量方程。

方程左邊為作用于控制體積內液體上的所有外力的總和，而等式右邊第一項表示液體流量變化所引起的力，稱為瞬態(tài)力；第二、三項表示流出控制表面柑流人控制表面時的動量變化率，稱為穩(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為瞬態(tài)液動力和穩(wěn)態(tài)液動力。定常流動時，，故上式中只有穩(wěn)態(tài)液動力，即

上述公式均為矢量表達式，在應用時可根據問題的具體要求向指定方向投影，列出該指定方向的動量方程，從而可求出作用力在該方向上的分量，然后加以合成。

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

定常管流的壓力損失計算

實際液體具有粘性，在流動時就有阻力，為了克服阻力，就必然要消耗能量，這樣就有能量損失。在液壓傳動中，能量損失主要表現為壓力損失，這就是實際液體流動的伯努利方程式項的含義。液壓系統(tǒng)中的壓力損失分為兩類，一類是油液沿等直徑直管流動時所產生的壓力損失，稱之為沿程壓力損失。這類壓力損失是由液體流動時的內、外摩擦力所引起的。另一類是油液流經局部障礙(如彎管、接頭、管道截面突然擴大或收縮)時，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點間以及質點與固體壁面間相互碰撞和劇烈摩擦而產生的壓力損失稱之為局部壓力損失。一、流態(tài)、雷諾數1．層流和湍流

流體在流動時，通過雷諾實驗，可以看到左圖所示的幾種流動狀態(tài)，一般將其定義為層流和紊流。在低速流動時，液體質點互不干擾，液體的流動呈線性或層狀，且平行于管道軸線，如圖a所示，此種流動狀態(tài)稱為在層流時；當流速大時，液體質點的運動雜亂無章。除了平行于管道軸線的運動外，還存在著劇烈的橫向運動，此種流動狀態(tài)稱為紊流，如圖d所示；圖b中色線開始折斷，表明層流開始破壞，圖c中色線上下波動，并出現斷裂，表現液體流動已趨于紊流.

英國物理學家雷諾通過大量實驗，發(fā)現了液體在管路中流動時存在的兩種流動狀態(tài)--層流和紊流。雷諾實驗表明，層流時液體質點互不干擾，液體沿管路軸線作線性或層狀流動；紊流時液體質點相互干擾，運動雜亂無章，除了沿管路軸線運動以外還有劇烈的橫向運動。

實驗分析表明，層流發(fā)生在液體流速較低的場合，粘性力起主導作用，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合，慣性力起主導作用，壓力損失主要是液體的動能損失。2．雷諾數

實驗表明，液體在圓管中的流動狀態(tài)不僅與管內的平均流速v有關，還和管徑d、液體的運動粘度ν有關，但是真正決定液流流動狀態(tài)的是用這三個數所組成的一個稱為雷諾數Re的無量綱數，即液體流動時的雷諾數若相同，則它的流動狀態(tài)也相同。另一方面液流由層流轉變?yōu)槲闪鲿r的雷諾數和由紊流轉變?yōu)閷恿鞯睦字Z數是不同的，前者稱為上臨界雷諾數，后者為下臨界雷諾數，后者數值小，所以一般都用后者作為判別液流狀態(tài)的依據，簡稱臨界雷諾數Rec，當液流的實際流動時的雷諾數小于臨界雷諾數時，液流為層流，反之液流則為紊流，常見的液流管道的臨界雷諾數可由實驗求得。對于非圓截面管道來說，Re可用下式來計算式中，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)χ之比，即

水力半徑大小對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，對液體的流動阻力小。因此管路多是圓形截面。一切流動都有層流和紊流兩種流動狀態(tài)及相應臨界雷諾數，臨界雷諾數的數值由實驗測定。雷諾數的物理意義是：液流的慣性作用和粘性作用之比。另外，前面提到的動能修正系數α和動量修正系數β也與液體的流動狀態(tài)有關。層流時，α=2，β=4/3；紊流時，α=β=1。二、液體在直管中流動時的壓力損失

液體在等徑直管中流動時產生的壓力損失稱為沿程壓力損失，該損失與液體的流動狀態(tài)有關。（一）層流時的沿程壓力損失液體在等徑水平直管中的層流流動如圖所示。

取一段與管軸重合的微小圓柱體作為研究對象。液體作勻速運動時該微元體處于受力平衡狀態(tài)，即對上式進行積分，并代入邊界條件，得可見，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，液體在圓管中作層流流動時，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，理論值為64/Re，液壓油在金屬管中作層流流動時，常取75/Re，在橡膠管中取80/Re。（二）湍流時的沿程壓力損失

湍流時計算沿程壓力損失的公式在形式上與上式相同。不同的是此時的λ不僅與雷諾數有關，還與管壁的粗糙度有關，即λ=f(Re，Δ/d）。絕對粗糙度Δ與管徑d的比值Δ/d稱為相對粗糙度。具體的λ

值見下表：

三、局部壓力損失

液體流經管道的彎頭、接頭、突變截面、閥口和濾網等局部裝置時產生的壓力損失稱為局部壓力損失。局部壓力損失的計算公式如下式中，ζ—局部阻力系數。各種局部裝置結構的ζ是由實驗測定的，可查手冊。

閥類元件局部壓力損失可按下式計算式中，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，流速高壓力損失會增大很多。但流速太低會增加管路和閥類元件的尺寸。合理選擇液體在管路中的流速是液壓系統(tǒng)設計中一個重要問題。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，稱為節(jié)流裝置(如節(jié)流閥)。突然收縮處的流動叫節(jié)流，一般均采用各種形式的孔口來實現節(jié)流，由前述內容可知，液體流經孔口時要產生局部壓力損失，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。在液壓傳動及控制中要人為地制造這種節(jié)流裝置來實現對流量和壓力的控制。

1．流經薄壁小孔的流量

當小孔的通流長度與孔徑之比l/d≤0.5時稱之為薄壁小孔，如圖1-24所示。對孔前通道斷面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，上式整理后得式中，為速度系數。由此可求得液流通過薄壁小孔的流量式中Cd=CvCc為小孔流量系數。Cd和Cc一般由試驗求得，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)，雷諾數較大，薄壁小孔的收縮系數Cc取0.61～0.63，速度系數Cv取0.97～0.98，這時Cd=0.61～0.62，當不完全收縮時，Cd≈0.7～0.8。2．流經細長小孔的流量計算

所謂細長小孔，一般指小孔的長徑比l/d>4時的情況，其流量公式為

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

孔口的長徑比l/d>4時為細長孔。細長孔中多為層流，流量公式可用前面推出的圓管流量公式，即

細長孔的流量總是與液體粘度有關的。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，由此帶來了泄漏現象，同時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，前者稱為內泄漏，后者稱為外泄漏。

(一)平行平板的間隙流動

如圖所示，平板長為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，質量力可忽略不計，粘度為常數，則在流動液體中取一微小單元體dxdy，作用在它與液流相垂直的兩個表面上的壓力為p和p+dp，作用在它與液流相平行的兩個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整理并將τ=μdu/dy代入后得對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。下面分兩種情況討論1.固定平行平板間隙流動(壓差流動)上、下兩平板均固定不動，液體在間隙兩端的壓差作用下而在間隙中流動，稱為壓差流動。當y=0時，u=0；當y=h時，u=0，將此邊界條件代入上式可得所以于是有因為代入流速及流量公式得從以上兩式可以看出，在間隙中的速度分布規(guī)律呈拋物線狀，通過間隙的流量與間隙的三次方成正比，因此必須嚴格控制間隙量，以減少泄露。(2)兩平行平板既有相對運動，兩端又存在壓差時的流動

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y=0時，u=0；當y=h時，u=v，且dp/dx=0。由C1=v/h；C2=0所以有2．兩平行平板有相對運動時的間隙流動

(1)兩平行平板有相對運動速度u，但無壓差這種流動稱為純剪切流動。（二）圓柱環(huán)形間隙流動

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)縫隙的結構和液體流動情況如左圖所示。如果將圓環(huán)縫隙沿圓周方向展開，就相當于一個平行平板縫隙。2.

偏心圓環(huán)縫隙流量

偏心圓環(huán)縫隙的結構如左圖所示。此時的流量公式為式中，h—內外圓同心時的縫隙值；ε—相對偏心率，ε=e/h，e為偏心距。

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

圓環(huán)平面縫隙結構和液體的流動情況如圖所示。圓環(huán)與平面縫隙之間沒有相對運動。令uo=0，在半徑為r、距離下平面z處的徑向速度為通過的流量

上式對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)形間隙流動圖1-29

所示為圓錐狀環(huán)形間隙的流動。若將這一間隙展開成平面，則是一個扇形，相當于平行圓盤間隙的一部分，所以可根據平行圓盤間隙流動的流量公式，導出這種流動情況下的流量公式。從幾何關系可以得到當圓錐的半錐角為α時展開的扇形中心角θ

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

空穴現象

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

流動的液體，如果壓力低于其空氣分離壓時，原先溶解在液體中的空氣就會分離出來，從而導致液體中充滿大量的氣泡，這種現象稱為空穴現象，如圖2.24(動畫)所示。如果液體的壓力進一步降低，低到飽和蒸氣壓時，液體本身將汽化，產生更多的蒸氣泡，空穴現象將更加嚴重。

空穴多發(fā)生在閥口和液壓泵的入口處。因為閥口處液體的流速增大，壓力將降低。如果液壓泵吸油管太細，也會造成真空度過大，發(fā)生空穴現象。

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

1減小孔口或縫隙前后的壓力降。一般希望相應的壓力比p1/p2<3.5；

2降低液壓泵的吸油高度，適當加大吸油管直徑。對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生很高的峰值，這種現象稱為液壓沖擊。

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

液壓沖擊的產生多發(fā)生在閥門突然關閉或運動部件快速制動的場合。這時液體的流動突然受阻，液體的動量發(fā)生了變化，從而產生了壓力沖擊波。這種沖擊波迅速往復傳播，最后由于液體受到摩擦力作用而衰減。如動畫所示為液壓缸制動時由于慣性而產生的沖擊。

現將減小壓力沖擊的措施歸納如下：

盡量延長閥門關閉和運動部件制動換向的時間；在沖擊區(qū)附近安裝卸荷閥、蓄能器等緩沖裝置正確設計閥口，限制管道流速及運動部件速度，使運動部件制動時速度變化比較平穩(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瞬時互通。

如果系統(tǒng)的正常工作壓力為p，發(fā)生液壓沖擊時產生的壓力沖擊值為Δp，那么此時系統(tǒng)中的壓力pmax=p+Δp。由于液壓沖擊是一種非定常流動，動態(tài)過程非常復雜，精確計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算公式。

1.管道閥門關閉時的壓力沖擊值設產生壓力沖擊的管道長度為l，壓力沖擊波第一波在l長度內的傳播時間為t1，液體的密度為ρ，管道中液體的流速為v，閥門關閉后的流速為v1，根據動量方程有

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.運動部件制動時的壓力沖擊值設總質量為∑m的運動部件在制動時的減速時間為Δt，速度減小值為Δv，液壓缸有效面積為A，根據動量定理有

上式忽略了阻尼和泄漏等因素的影響，計算結果偏大，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，這可用減慢閥的關閉速度和減小沖擊波傳遞距離來達到。２）限制管中油液的流速v。３）用橡膠軟管或在沖擊源處設置蓄能器，以吸收液壓沖擊的能量。４）在容易出現液壓沖擊的地方，安裝限制壓力升高的安全閥。

液壓與氣壓傳動是研究以有壓流體（壓力油或壓縮空氣）為能源介質，來實現各種機械的傳動和自動控制的學科。液壓與氣壓傳動實現傳動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，再由若干回路有機組合成能完成一定控制功能的傳動系統(tǒng)來進行能量的傳遞、轉換與控制。液壓傳動所用的工作介質為液壓油或其它合成液體，氣壓傳動所用的工作介質為空氣，由于這兩種流體的性質不同，所以液壓傳動和氣壓傳動又各有其特點。液壓傳動傳遞動力大，運動平穩(wěn)，但由于液體粘性大，在流動過程中阻力損失大，因而不宜作遠距離傳動和控制；而氣壓傳動由于空氣的可壓縮性大，且工作壓力低（通常在1.0MPa以下），所以傳遞動力不大，運動也不如液壓傳動平穩(wěn)，但空氣粘性小，傳遞過程中阻力小、速度快、反應靈敏，因而氣壓傳動能用于遠距離的傳動和控制。

一.液壓與氣壓傳動的研究對象

液壓與氣壓傳動的基本工作原理是相似的，以圖0-1所示的液壓千斤頂來簡述液壓傳動的工作原理。二.液壓與氣壓傳動的工作原理

當大活塞上有重物負載W時，大活塞下腔的油液就將產生一定的壓力p，p=W/A2。根據帕斯卡原理“在密閉容腔內，施加于靜止液體上的壓力將以等值同時傳到液壓各點”。因而要頂起大活塞及其重物負載W，在小活塞下腔就必須要產生一個等值的壓力p，也就是說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，當負載W增大時，流體工作壓力p也要隨之增大，亦即F1要隨之增大；反之，若負載W很小，流體壓力就很低，F1也就很小。由此建立了一個很重要的基本概念，即在液壓和氣壓傳動中工作壓力取決于負載，而與流入的流體多少無關。1.力比例關系

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的時間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動速度。2.運動關系

從式（0-3）可以看出，活塞的運動速度和活塞的作用面積成反比。Ah/t的物理意義是單位時間內液體流過截面積為A的某一截面的體積，稱為流量q，即

q=Av因此，

A1v1=A2v2

（0-4）如果已知進入缸體的流量q，則活塞的運動速度為v=q/A

（0-5）調節(jié)進入缸體的流量q，即可調節(jié)活塞的運動速度v，這就是液壓與氣壓傳動能實現無級調速的基本原理。從式（0-5）可得到另一個重要的基本概念。即活塞的運動速度取決于進入液壓（氣壓）缸（馬達）的流量，而與流體壓力大小無關。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，這說明在不計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，液壓與氣壓傳動中的功率P可以用壓力p和流量q的乘積來表示，壓力p和流量q式流體傳動中最基本、最重要的兩個參數，它們相當于機械傳動中的力和速度，它們的乘積即為功率。

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

左圖所示為機床工作臺液壓系統(tǒng)的工作原理圖（慢速左移）。活塞的移動速度由節(jié)流閥來調節(jié)。節(jié)流閥口開大，進入液壓缸的油液增多，活塞的移動速度增大；節(jié)流閥口關小時，進入液壓缸的油液減小，活塞的移動速度減小。液壓泵輸出的多余油液需經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溢流閥鋼球的作用力等于或略大于溢流閥中彈簧的預緊力時，油液才能頂開溢流閥中的鋼球流回油箱。

為克服活塞所受到的各種阻力，液壓缸必須產生一個足夠大的推力，這個推力是由液壓缸中的油液壓力產生的。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元件組成的氣動邏輯回路。它可以根據氣缸活塞桿的始末位置，由行程開關等傳遞信號，再作出下一步的動作，從而實現規(guī)定的自動工作循環(huán)。

由上面的例子可以看出，液壓與氣壓傳動系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：（1）能源裝置把機械能轉換成流體的壓力能的裝置，一般最常見的是液壓泵或空氣壓縮機。（2）執(zhí)行裝置把流體的壓力能轉換成機械能的裝置，一般指液（氣）壓缸或液（氣）壓馬達。（3）控制調節(jié)裝置對液（氣）壓系統(tǒng)中流體的壓力、流量和流動方向進行控制和調節(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、過濾器、分水濾氣器、油霧器、蓄能器等，它們對保證液（氣）壓系統(tǒng)可靠和穩(wěn)定地工作有重大作用。（5）傳動介質傳遞能量的流體，即液壓油或壓縮空氣。四.液壓與氣壓傳動的優(yōu)缺點液壓與氣壓傳動的優(yōu)點液壓與氣壓傳動元件的布置不受嚴格的空間位置限制，系統(tǒng)中各部分用管道連接，布局安裝有很大的靈活性，能構成用其他方法難以組成的復雜系統(tǒng)。在同等體積下，液壓裝置能產生出更大的動力，也就是說，在同等功率下，液壓裝置的體積小、重量輕、結構緊湊，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速度的無級調節(jié)，而且調速范圍大，可以達到2000：1，對速度的調節(jié)還可以在工作過程中進行。液壓傳動和液氣聯動傳遞運動均勻平穩(wěn)，換向沖擊小，易于實現快速啟動、制動和頻繁換向。液壓裝置易于實現過載保護，能實現自潤滑，使用壽命長。液壓裝置易于實現自動化，可以很方便地對液體的流動方向、壓力和流量進行調節(jié)和控制，并能很容易地和電氣、電子控制或氣壓傳動控制結合起來，實現復雜的運動和操作。液壓與啟動元件屬于機械工業(yè)基礎件，系列化、標準化和通用化程度較高，有利于縮短機器的設計、制造周期和降低制造成本。氣壓傳動的優(yōu)點氣壓傳動系統(tǒng)的介質是空氣，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，不會污染環(huán)境。氣壓傳動的工作介質粘度很小，所以流動阻力很小，壓力損失小，便于集中供氣和遠距離輸送，便于使用。氣壓傳動工作環(huán)境適應性好?？梢愿鶕煌瑘龊?，采用相應材料，使元件能夠在惡劣的環(huán)境（強振動、強沖擊、強腐蝕和強輻射等）下進行正常工作。氣壓傳動有較好的自保持能力。即使氣源停止工作，或氣閥關閉，氣壓傳動系統(tǒng)仍可維持一個穩(wěn)定壓力。氣壓傳動在一定的超負載工況下運行也能保證系統(tǒng)安全工作，并不易發(fā)生過熱現象。無油的氣動控制系統(tǒng)特別適用于無線電元器件的生產過程，也適用于食品及醫(yī)藥的生產過程。液壓與氣壓傳動的缺點在傳動過程中，能量需經兩次轉換，傳動效率偏低。由于傳動介質的可壓縮性和泄露等因素的影響，不能嚴格保證定比傳動。液壓與氣動元件制造精度高，系統(tǒng)工作過程中發(fā)生故障不易診斷。液壓傳動性能對溫度比較敏感，不能在高溫下工作，采用石油基液壓油作傳動介質時，還需注意防火問題。氣壓傳動的缺點氣壓傳動系統(tǒng)的工作壓力低，因此氣壓傳動裝置的推力一般不宜大于10～40kN，僅適用于小功率場合，在相同輸出力的情況下，氣壓傳動裝置比液壓傳動裝置尺寸大。由于空氣的可壓縮性大，氣壓傳動系統(tǒng)的速度穩(wěn)定性差，位置和速度控制精度不高。氣壓傳動系統(tǒng)的噪聲大。氣壓傳動工作介質本身沒有潤滑性。氣壓傳動裝置的信號傳遞速度限制在聲速（約340m/s）范圍內，所以它的工作頻率和響應速度不如電子裝置，并且信號要產生較大的失真和延滯，也不便于構成較復雜的回路，但這個缺點對工業(yè)生產過程不會造成困難。五.液壓與氣壓傳動的應用及發(fā)展一般工業(yè)用液壓系統(tǒng)塑料加工機械（注塑機）、壓力機械（鍛壓機）、重型機械（廢鋼壓塊機）、機床（全自動轉塔車床、平面磨床）等。例圖行走機械用液壓系統(tǒng)工程機械（挖掘機）、起重機械（汽車吊）、建筑機械（打樁機）、農業(yè)機械（聯合收割機）、汽車（轉向器、減振器）等。例圖鋼鐵工業(yè)用液壓系統(tǒng)冶金機械（軋鋼機）、提升裝置（電極升降機）、軋輥調整裝置等。土木工程用液壓系統(tǒng)防洪閘門及堤壩裝置（浪潮防護擋板）、河床升降裝置、橋梁操縱機構和礦山機械（鑿巖機）等。例圖發(fā)電廠用液壓系統(tǒng)渦輪機（調速裝置）、核發(fā)電廠等。特殊技術用液壓系統(tǒng)巨型天線控制裝置、測量浮標、飛行器仿真臺、升降旋轉舞臺等。例圖船舶用液壓系統(tǒng)甲板起重機械（絞車）、船頭門、艙壁閥、船尾推進器等。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、飛機起落架的收放裝置

及方向舵控制裝置等。注塑機械機床（全自動六角車床）

橋梁檢修機械防洪閘門及堤壩裝置巨型天線甲板起重機械氣壓傳動的應用氣壓傳動的應用也相當普遍，許多機器設備中都裝有氣壓傳動系統(tǒng)，在工業(yè)各領域，如機械、電子、鋼鐵、運行車輛及制造、橡膠、紡織、化工、食品、包裝、印刷和煙草機械等，氣壓傳動技術不但在各工業(yè)領域應用廣泛，而且，在尖端技術領域如核工業(yè)和宇航中，氣壓傳動技術也占據著重要的地位。

例圖自動水果分類機汽車組裝線自動激光唱片拾放裝置自動糖果包裝機自動汽車清洗機自動空氣噴射織布機壓燙機

如果從17世紀帕斯卡提出靜壓傳遞原理、18世紀英國制成世界第一臺水壓機算起，液壓傳動已有二百多年的歷史。但是由于當時沒有成熟的液壓傳動技術和液壓元件，因此它沒有得到普遍的應用。隨著科學技術的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對傳動技術有了進一步的需求。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快、重量輕、功率大的各種武器裝備，而液壓傳動技術正好具有這方面的優(yōu)勢，所以獲得了較快的發(fā)展。在戰(zhàn)后的50年中，液壓傳動技術迅速地擴展到其他各個部門，并得到了廣泛的應用。

液壓與氣壓傳動發(fā)展

目前，液壓與氣壓傳動分別在實現高壓、高速、大功率、高效率、低噪聲、長壽命、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展。同時，由于它與微電子技術密切配合，能在盡可能小的空間內傳遞出盡可能大的功率并加以準確地控制，從而更使得它在各行各業(yè)中發(fā)揮出了巨大作用。

動力元件起著向系統(tǒng)提供動力源的作用，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力元件，液壓泵將原動機（電動機或內燃機）輸出的機械能轉換為工作液體的壓力能,是一種能量轉換裝置。第二章液壓動力元件

一.液壓泵的工作原理及特點

1.液壓泵的工作原理

液壓泵是靠密封容腔容積的變化來工作的。右圖是液壓泵的工作原理圖。當凸輪1由原動機帶動旋轉時，柱塞2便在凸輪1和彈簧4的作用下在缸體3內往復運動。柱塞右移時，缸體中密封工作腔a的容積變大，產生真空，油箱中的油液便在大氣壓力作用下通過吸油單向閥5吸入缸體內，實現吸油；柱塞左移時,缸體中密封工作腔a的容量變小，油液受擠壓，便通過壓油單向閥6輸送到系統(tǒng)中去,實現壓油如果偏心輪不斷地旋轉，液壓泵就會不斷地完成吸油和壓油動作，因此就會連續(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程可以看出，其基本特點是：（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間內的變化次數成正比，與其它因素無關。（2）油箱內液體的絕對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）具有相應的配流機構將吸液腔和排液腔隔開，保證液壓泵有規(guī)律地連續(xù)吸排液體。液壓泵地結構原理不同，其配流機構也不相同。2.液壓泵的特點1.壓力（1）工作壓力

指液壓泵出口處的實際壓力值。工作壓力值取決于液壓泵輸出到系統(tǒng)中的液體在流動過程中所受的阻力。（2）額定壓力指液壓泵在連續(xù)工作過程中允許達到的最高壓力。額定壓力值的大小由液壓泵零部件的結構強度和密封性來決定。（3）最高允許壓力指在超過額定壓力的條件下，根據試驗標準規(guī)定，允許液壓泵短暫運行的最高壓力值。二.液壓泵的主要性能參數（1）

排量V

指在無泄漏情況下，液壓泵轉一轉所能排出的油液體積?？梢?，排量的大小只與液壓泵中密封工作容腔的幾何尺寸和個數有關。（2）

理論流量qt

指在無泄漏情況下，液壓泵單位時間內輸出的油液體積。其值等于泵的排量V和泵軸轉數n的乘積，即

（3）實際流量q

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

（4）額定流量qn

泵在額定轉數和額定壓力下輸出的實際流量。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械損失兩部分：

1）容積損失主要是液壓泵內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。這是因為液壓泵工作構件之間的間隙很小，泄漏液體的流動狀態(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。

2）機械損失

指液壓泵內流體粘性和機械摩擦造成的轉矩損失。機械損失的大小用機械效率表征，即1）輸入功率Pi

驅動液壓泵的機械功率，由電動機或柴油機給出，即

2）輸出功率po

液壓泵輸出的液壓功率，即泵的實際流量q與泵的進、出口壓差Δp的乘積。

（2）液壓泵的功率

在實際的計算中，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、容積效率和機械效率可以通過實驗測得。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，其主要特點是：1.抗油液污染能力強，體積小，價格低廉；2.內部泄漏比較大，噪聲大，流量脈動大，排量不能調節(jié)。

上述特點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線為多。在結構上可分為外嚙合齒輪泵和內嚙合齒輪泵。外嚙合齒輪泵應用廣泛。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，齒輪齒頂與殼體內表面的間隙也很小，因此可以看成將齒輪泵殼體內分隔成左、右兩個密封容腔。當齒輪按圖示方向旋轉時，右側的齒輪逐漸脫離嚙合，因此這一側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泵的吸油口進入這個腔體，因此這個容腔稱為吸油腔。隨著齒輪的轉動，每個齒間中的油液從右側被帶到了左側。在左側的密封容腔中，輪齒逐漸進入嚙合，使左側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為壓油腔。當齒輪泵不斷地旋轉時，齒輪泵的吸、壓油口不斷地吸油和壓油，實現了向液壓系統(tǒng)輸送油液的過程。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來，因此沒有單獨的配油機構。一.外嚙合齒輪泵1.排量V

排量是液壓泵每轉一周所排出的液體體積。這里近似等于兩個齒輪的齒間容積之和。設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；m—齒輪模數。

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算

當驅動齒輪泵的原動機轉速為n時，齒輪泵的理論流量為齒輪泵的實際輸出流量為

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，實際上，在齒輪嚙合過程齒輪泵的瞬時流量是脈動變化的。設qmax和qmin分別表示齒輪泵的最大、最小瞬時流量，則流量脈動率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和壽命的三大問題。各種不同齒輪泵的結構特點之所以不同，都采用了不同結構措施來解決這三大問題所致。

（三）外嚙合齒輪泵的結構特點和優(yōu)缺點

這里所說的泄漏是指液壓泵的內部泄漏，即一部分液壓油從壓油腔流回吸油腔，沒有輸送到系統(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可能產生泄漏的部位：齒輪端面和端蓋間；齒輪外圓和殼體內孔間以及兩個齒輪的齒面嚙合處。其中對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%，因為這里泄漏途徑短，泄漏面積大。軸向間隙過大，泄漏量多，會使容積效率降低；但間隙過小，齒輪端面和端蓋間的機械摩擦損失增加，會使泵的機械效率降低。因此設計和制造時必須嚴格控制泵的軸向間隙。1.泄漏

為了使齒輪平穩(wěn)地嚙合運轉，根據齒輪嚙合原理，齒輪的重疊系數應該大于1,即存在兩對輪齒同時進入嚙合的時候。因此，就有一部分油液困在兩對輪齒所形成的封閉容腔之內，如圖所示。這個封閉容腔先隨齒輪轉動逐漸減小以后又逐漸增大。減小時會使被困油液受擠壓而產生高壓（用液體顏色變深表示高壓特點），并從縫隙中流出，導致油液發(fā)熱，同時也使軸承受到不平衡負載的作用；封閉容腔的增大會造成局部真空（用液體顏色變淺表示低壓特點），使溶于油液中的氣體分離出來，產生氣穴，這就是齒輪泵的困油現象。其封閉容積的變化如圖所示。困油現象使齒輪泵產生強烈的噪聲和氣蝕，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一對矩形卸荷槽（見下圖中的虛線所示）。開卸荷槽的原則是：當封閉容腔減小時，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；當封閉容腔增大時，使卸荷槽與泵的吸油腔相通，使吸油腔的油及時補入到封閉容腔中，從而避免產生真空，這樣使困油現象得以消除。在開卸荷槽時，必須保證齒輪泵吸、壓油腔任何時候不能通過卸荷槽直接相通，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，當泵的尺寸確定以后，油液壓力越高徑向不平衡力就越大。其結果是加速軸承的磨損，增大內部泄漏，甚至造成齒頂與殼體內表面的摩擦。減小徑向不平衡力的方法有：

（1）縮小壓油腔

（2）開壓力平衡槽

外嚙合齒輪泵的優(yōu)點就是結構簡單，尺寸小，重量輕，制造方便，價格低廉，工作可靠，自吸能力強(容許的吸油真空度大)，對油液污染不敏感，維護容易。它的缺點是一些機件承受徑向不平衡力，磨損嚴重，泄漏大，工作壓力的提高受到限制。此外，它的流量脈動大，因為壓力脈動和噪聲都比較大。4.優(yōu)缺點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補償的辦法。下圖所示為齒輪泵端面間隙的自動補償原理。利用特制的通道把泵內壓油腔的壓力油引到浮動軸套的外側，產生液壓作用力，使軸套壓向齒輪端面，這個力必須大于齒輪端面作用在軸套內側的作用力，才能保證在各種壓力下，軸套始終自動貼緊齒輪端面，減少泵內通過端面的泄漏，達到提高壓力的目的。（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）轉速微型齒輪泵的最高轉速可達20000r/min以上，常用的為1000~3000r/min，必須注意的是，其工作轉速不能小于300~500r/min。（４）效率低壓齒輪泵的效率較低（一般小于0.6），帶補償措施的齒輪泵的效率可達到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，高壓內嚙合齒輪泵的壽命可達2000~3000h。（五）齒輪泵的主要性能1.螺桿泵螺桿泵實質上是一種外嚙合的擺線齒輪泵，泵內的螺桿可以有兩個，也可以有三個。圖2-7所示為三螺桿泵的工作原理。隨著螺桿的旋轉，這些密封工作腔一個接一個地在左端形成，不斷地從左向右移動（主動螺桿每轉一周，每個密封工作腔移動一個螺旋導程），并在右端消失。密封工作腔形成時，它的容積逐漸增大，進行吸油；密封工作腔消失時容積逐漸縮小，將油壓出。二、螺桿泵和內嚙合齒輪泵

內嚙合齒輪泵有漸開線齒輪泵和擺線齒輪泵（又名轉子泵）兩種，如圖2-8所示，它們的工作原理和主要特點與外嚙合齒輪泵完全相同。在漸開線齒形的內嚙合齒輪泵中，小齒輪和內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（圖2-8a）。在擺線齒形的內嚙合齒輪泵中，小齒輪和內齒輪只相差一個齒，因而不需設置隔板（圖2-8b）。內嚙合齒輪泵中的小齒輪為主動輪。

2.內嚙合齒輪泵

葉片泵具有結構緊湊、流量均勻、噪聲小、運轉平穩(wěn)等優(yōu)點，因而被廣泛用于中、低壓液壓系統(tǒng)中。但也存在著結構復雜，吸油能力差，對油液污染比較敏感缺點。

葉片泵按結構可分為單作用式(完成一次吸、排油液)和雙作用式（完成兩次吸、排油液）兩大類。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子l、定子2、葉片3和配油盤(圖中未畫出)等零件組成。與雙作用葉片泵明顯不同之處是，定子的內表面是圓形的，轉子與定子之間有一偏心量e，配油盤只開一個吸油窗口和一個壓油窗口。當轉子轉動時，由于離心力作用，葉片頂部始終壓在定子內圓表面上。這樣，兩相鄰葉片間就形成了密封容腔。顯然，當轉子按圖示方向旋轉時，圖中右側的容腔是吸油腔，左側的容腔是壓油腔，它們容積的變化分別對應著吸油和壓油過程。封油區(qū)如圖中所示。由于在轉子每轉一周的過程中，每個密封容腔完成吸油、壓油各一次，因此也稱為單作用式葉片泵。單作用式葉片泵的轉子受不平衡液壓力的作用,故又被稱為非卸荷式葉片泵。

2.單作用葉片泵的排量和流量計算

右圖是單作用葉片泵排量和流量計算簡