1、液压与气压传动 绪论绪论机车车辆教研室何剑高铁学院2课程介绍课程介绍考试课考试课考核方式：期末考试考核方式：期末考试70%70% 平时作业平时作业30%30%高铁学院3轮对轴承压装机轮对轴承压装机高铁学院4高铁学院5绪绪 论论 液压与气压传动是以流体（液压油或压缩空气）为工液压与气压传动是以流体（液压油或压缩空气）为工作介质进行能量传递和控制的一种传动形式。作介质进行能量传递和控制的一种传动形式。 学习目标学习目标 1了解液压与气压传动系统的基本结构组成；了解液压与气压传动系统的基本结构组成； 2了解液压与气压传动的基本工作原理。了解液压与气压传动的基本工作原理。 利用各种液压与气动元件组成不
2、同功能的基本回路，利用各种液压与气动元件组成不同功能的基本回路，再由若干个基本回路有机地组合成能完成一定控制功能的再由若干个基本回路有机地组合成能完成一定控制功能的动系统，以满足机电设备对各种运动和动力的要求动系统，以满足机电设备对各种运动和动力的要求。 传 动 传动传递运动和动力的方式 常见传动 机械 电气 气体 流体 液力流力（动量矩定理） 液体 *液压物理（帕斯卡原理）液压和气压传动液压传动利用液体压力能实现运动和动力传动方式气压传动利用气体压力能实现运动和动力传动方式 发展应用第一阶段： 液压传动从17世纪帕斯卡提出静压传递原理、1795年世界上第一台水压机诞生，已有200多年的历史，
3、但由于没有成熟的液压传动技术和液压元件，且工艺制造水平低下，发展缓 慢，几乎停滞。 气压传动早在公元前，埃及人就开始采用风箱产生压缩空气助燃。从18 世纪产业革命开始，逐渐应用于各类行业中。 第二阶段：上世纪30年代，由于工艺制造水平提高，开始生产液压元件，并首先应用于机床。 第三阶段：上世纪50、60、70年代，工艺水平有了很大提高，液压与气动技术也迅速发展，渗透到国民经济的各个领域： 从蓝天到水下， 从军用到民用， 从重工业到轻工业， 到处都有流体传动与控制技术。应用举例如：火炮跟踪、飞机和导弹的驱动、炮塔稳定、海底石油探测平台固定、煤矿矿井支承、矿山用的风钻、火车的刹车装置、液压装载、起
4、重、挖掘、轧钢机组、数控机床、多工位组合机床、全自动液压车床、液压机械手等。 高铁学院12 一、液压与气压传动的工作原理一、液压与气压传动的工作原理（1）液压千斤顶）液压千斤顶 工作原理：工作原理：1、液压传动的工作原理、液压传动的工作原理 由液压千斤顶的工作过程可知，小液压缸与单向阀4和7一起完成吸油与压油，将杠杠的机械能转换为油液的压力能输出，称为（手动）液压泵。 大液压缸将油液的压力能转换为机械能输出，顶起重物，称为执行元件。大、小液压缸组成了最简单的液压系统，实现了运动和动力的传递。高铁学院13 由油箱1、过滤器2、液压泵3、溢流阀4、换向阀5、节流阀6、换向阀7、液压缸8以及连接这些
5、元件的油管、接头等组成。（2） 机床工作台液压系统结构原理机床工作台液压系统结构原理 工作原理：工作原理： 电动机驱动液压泵旋转，从油箱经过滤器吸油，泵输出的压力油换向阀5节流阀6换向阀7液压缸8左腔，推动活塞使工作台9向右运动。 液压缸8右腔油液换向阀7回油管油箱。高铁学院14 将换向阀手柄转换成图所示状态，压力油换向阀7液 液压缸右腔；液压缸左腔换向阀7回油管油箱。推动活塞使工作台向左运动。 工作台速度由节流阀工作台速度由节流阀6来调节。改变节流阀开口大小，可以来调节。改变节流阀开口大小，可以改变进入液压缸的流量，从而控制液压缸活塞的运动速度。改变进入液压缸的流量，从而控制液压缸活塞的运动
6、速度。 工作台受到的各种阻力越大，缸中的油液压力就越高；阻力工作台受到的各种阻力越大，缸中的油液压力就越高；阻力小，压力就低。这就说明了液压传动的一个基本原理，即压力取小，压力就低。这就说明了液压传动的一个基本原理，即压力取决于负载。决于负载。 溢流阀的作用是调节和稳定系统的最大工作压力，并溢出定溢流阀的作用是调节和稳定系统的最大工作压力，并溢出定量泵多余的油液。量泵多余的油液。 将换向阀5手柄转换成图所示状态，泵输出的压力油换向阀5回油管油箱。工作台停止运动，系统处于卸荷状态。高铁学院15 目前各国均用元件的图形符号来绘制液压和气压系统图。 这些符号只表示元件的这些符号只表示元件的职能及连接
7、通路，而不表示职能及连接通路，而不表示其结构和性能参数。其结构和性能参数。 液压系统的图形符号图液压系统的图形符号图GBT 786.1-2009 流体传动系统流体传动系统及元件图形符号和回路图及元件图形符号和回路图高铁学院16 气动剪切机的工作原理气动剪切机的工作原理 空压机1输出的压缩空气冷却器2油水分离器3（降温及初步净化）贮气罐4分水滤气器5（再次净化）减压阀6油雾器7换向阀9气缸10。此时换向阀腔压缩空气将阀心推到上位，使气缸上腔充压，活塞处于下位，剪口张开，处于预备工作状态。高铁学院17 当送料机构将工料11送入剪切机到达规定位置时，工料将阀8的阀心向右推动，阀腔经阀8与大气相通，换
8、向阀阀心在弹簧的用下移到下位，气缸上腔与大气连通，下腔与压缩空气连通。此时活塞带动剪刀快速向上运动将工料切下。 工料被切下后，即与行程阀脱开，行程阀阀心在弹簧作用下复位，将排气口封死，换向阀腔压力上升，阀心上移，气路换向。气缸上腔进压缩空气，下腔排气，活塞带动剪刀向下运动，系统又恢复到图示预备状态，待第二次进料剪切。 想一想想一想 想一想你在日常生活中见到过哪些是用液压或气压传动的机想一想你在日常生活中见到过哪些是用液压或气压传动的机械设备？试举出几个实例说明。械设备？试举出几个实例说明。高铁学院18 从上面例子可以看到：从上面例子可以看到：液压泵（空气压缩机）将电动机液压泵（空气压缩机）将电
9、动机的机械能转换为流体的压力能，然后通过液压缸或液压马达的机械能转换为流体的压力能，然后通过液压缸或液压马达（气缸或气马达）将流体的压力能再转换为机械能以推动负（气缸或气马达）将流体的压力能再转换为机械能以推动负载运动。载运动。 液压与气压传动的过程：液压与气压传动的过程： 机械能机械能（电动机）（电动机） 液体压力能液体压力能（液压泵，空压机）（液压泵，空压机） 机械能机械能（液压（气）缸（液压（气）缸 ，液（气）马达），液（气）马达） 高铁学院19 （1）能源装置：）能源装置：把机械能转换成流体的压力能装置。一般常见的是液压泵或空气压缩机。 （2）执行元件：）执行元件： 把流体的压力能转换
10、成机械能的装置。 可以是作直线运动的液压缸或气缸，也可与是作回转运动的液压马达或气压马达。 （3）控制调节元件：）控制调节元件： 对系统中流体压力、流量和流动方向进行控制和调节的装置。例如溢流阀、流量阀、换向阀等。 （4）辅助元件：）辅助元件： 保证系统正常工作所需的上述三种以外的装置。如油箱、过滤器、分水滤气器、油雾器、消声器、蓄能器、管件等。 （5）传动介质：）传动介质： 传递能量的流体，即液压油或压缩空气。高铁学院20 与机械传动和电力拖动系统相比液压与气压传动具有以下优缺点: 1. 液压与气压传动的优点液压与气压传动的优点: 2. 液压与气压传动的缺点液压与气压传动的缺点: 总的来说，
11、液压与气压传动的优点是主要的，其缺点将随着科学技术的发展不断得到克服。 例如，将液压传动、气压传动、电力传动、机械传动合理例如，将液压传动、气压传动、电力传动、机械传动合理地联合使用，构成气地联合使用，构成气液，电液，电液（气），机液（气），机液（气）等联合液（气）等联合传动，传动，以进一步发挥各自的优点，弥补某些不足，因此，在工程以进一步发挥各自的优点，弥补某些不足，因此，在工程实际中得到了广泛应用。实际中得到了广泛应用。3.液压与气压传动的各自特点：液压与气压传动的各自特点：高铁学院21 液压传动在机床、工程机械、矿山机械、压力机械和航空工业等领域得到广泛应用。 液压技术正向高压、高速、大
12、功率、节能高效、低噪声、长液压技术正向高压、高速、大功率、节能高效、低噪声、长寿命、高集成化等方面发展。同时，液压元件和液压系统的计算寿命、高集成化等方面发展。同时，液压元件和液压系统的计算机辅助设计（机辅助设计（CAD）、计算机辅助测试（）、计算机辅助测试（CAT）、计算机实时控）、计算机实时控制也是当前液压技术的发展方向。制也是当前液压技术的发展方向。 气压传动在电子工业、包装机械、印染机械、食品机械等领域应用广泛。 气动控制技术以提高系统的可靠性、降低总成本为目标，研气动控制技术以提高系统的可靠性、降低总成本为目标，研究和开发系统控制技术和机、电、液、气综合技术。显然，气动究和开发系统控
13、制技术和机、电、液、气综合技术。显然，气动元件的微型化、节能化、无油化、位置控制高精度化以及与电子元件的微型化、节能化、无油化、位置控制高精度化以及与电子相结合的应用元件是当前的发展特点和研究方向。相结合的应用元件是当前的发展特点和研究方向。 四、了解液压与气动技术的应用和发展四、了解液压与气动技术的应用和发展 高铁学院22 第一章第一章 液压液压与气压传动基本知识液压液压与气压传动基本知识 学习目标学习目标 1. 液压油的物理性质；液压油的物理性质； 2. 液压传动的基本原理，即连续性方程和伯努力方程，液压传动的基本原理，即连续性方程和伯努力方程，液体流经管路的压力损失等液体流经管路的压力损
14、失等; 3. 液压油的选用液压油的选用; 4. 空气的基本性质及气压传动对工作介质的要求。空气的基本性质及气压传动对工作介质的要求。 液压传动的工作介质是液体。液压传动的工作介质是液体。最常用的是液压油。此外还有最常用的是液压油。此外还有乳化型传动液乳化型传动液和和合成型传动液合成型传动液等。等。 气压传动的工作介质是压缩空气。气压传动的工作介质是压缩空气。高铁学院23 主主 要要 内内 容容 流体静力学基础流体静力学基础 流体的主要物理性质流体的主要物理性质 流体动力学基础流体动力学基础 流体流动时的压力损失流体流动时的压力损失 流体流经孔口和缝隙的流量流体流经孔口和缝隙的流量 液压冲击和空
15、穴现象液压冲击和空穴现象 高铁学院24 一、密度密度 式中 液体的质量（kg）； 液体的体积（m）。 mV液体的密度：液体的密度： 单位体积液体的质量，即单位体积液体的质量，即Vm（11） 第一第一 节节 液体的主要物理性质液体的主要物理性质 矿物油型液压油的密度随温度的上升而有所减小，随压力的提高而稍有增加，但变动值很小，可忽略不计。常用液压油的密度为 。3/900mKg高铁学院251. 粘性的意义粘性的意义 二、粘二、粘 性性 液体在外力作用下流动液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，（或有流动趋势）时，分子间的分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产内聚力要阻止分子相对运动而产生一种内摩擦
16、力，这种现象叫液生一种内摩擦力，这种现象叫液体的粘性。液体只有在流动（或体的粘性。液体只有在流动（或有流动趋势）时才会呈现出粘性，有流动趋势）时才会呈现出粘性，粘性使流动液体内部各处的速度粘性使流动液体内部各处的速度不相等，不相等， 静止液体不呈现粘性。静止液体不呈现粘性。 高铁学院262. 液体的粘度液体的粘度 流体粘性的大小用粘度来表示。流体粘性的大小用粘度来表示。 （1 1）动力粘度：）动力粘度： 动力粘度又称绝对粘度，它是表征流体流动动力粘度又称绝对粘度，它是表征流体流动层间单位面积上产生的层间单位面积上产生的 内摩擦力，内摩擦力，单位为单位为 N.S/mN.S/m或或PasPas（帕
17、（帕秒）。秒）。 （2）运动粘度运动粘度 是动力粘度与其密度的比值，即 ，单 位为 。(液压油牌号命名以40时的运动粘度为依据，) /sm /2(3）相对粘度）相对粘度 （又称条件粘度）（又称条件粘度） 根据测量仪器和条件美国采用赛氏粘度（SSU）；英国采用雷氏粘度（R）；我国和一些欧洲国家采用恩氏粘度E。恩氏粘度E用恩氏粘度计测定。 高铁学院273. 3. 粘度与温度的关系粘度与温度的关系 液压油粘度对温度液压油粘度对温度的变化十分敏感。的变化十分敏感。图示：图示： 温度升高，粘度下降。温度升高，粘度下降。油液粘度随温度变化的油液粘度随温度变化的质称为粘温特性。质称为粘温特性。不同种类的液压
18、油有不不同种类的液压油有不同的粘温特性。同的粘温特性。温度温度，粘度，粘度，元件，元件之间相对摩擦之间相对摩擦，密封，密封性能性能由图可见，温度对液压油粘度影响较大，必须引起重视。由图可见，温度对液压油粘度影响较大，必须引起重视。高铁学院283. 3. 粘度与温度的关系粘度与温度的关系 液压油粘温特性用粘度指数液压油粘温特性用粘度指数来表示。来表示。 粘度指数越大，粘度随温度变化率越小，粘度指数粘度指数越大，粘度随温度变化率越小，粘度指数越好，越好，介质种类介质种类粘度指数粘度指数VI介质种类介质种类粘度指数粘度指数VI石油基液压油石油基液压油LHM石油基液压油石油基液压油LHR石油琪液压油石
19、油琪液压油LHG9516090油包水乳化液油包水乳化液LHFB水乙二醇液水乙二醇液LHFC磷酸酯液磷酸酯液LHFDR13017014017031170 典型工作介质的粘度指数典型工作介质的粘度指数VIVI高铁学院29 液体受压力作用而使其体积发生变化的性质，称为液体液体受压力作用而使其体积发生变化的性质，称为液体的可压缩性。的可压缩性。 对于一般液压系统压力不高时，液体的可压缩性很小，因此可认为液体是不可压缩的， 在压力变化很大的高压系统中，以及当液体混入空气时，其可压缩将显著增加， 就必须考虑液体可压缩性的影响。 三、液体的可压缩性三、液体的可压缩性空气的空气的湿度湿度空气的可空气的可压缩性
20、压缩性气阻与气阻与气容气容高速流动高速流动及噪声及噪声 空气由78%的氮气、21%氧气、15%其他气体以及一些水蒸气组成。含水蒸气的空气称湿空气；不含水蒸气空气称干空气。空气干湿程度对系统的稳定和寿命有直接影响。 空气体积受温度压力的影响较大，有可压缩性。温度和压力越高，压缩性越大。只有在气流速度较低，温度变化不大，可将气体看作不可压缩。 体积小、阻力大的流通部件为气阻。如节流阀。传动系统中储存或放出气体的空间称为气容。如管道、气缸、气罐等。为提高气压信号传输速度应限制气容；为延时、缓冲应设置气容 气压设备在工作时，常出现气体的高速流动，而产生噪声。噪声的强弱与排气量、排气速度、排气通道的形状
21、有关。四、空气的基本性质四、空气的基本性质高铁学院31 想一想想一想 （2）液压油的粘度是否受温度的影响？如何影响？）液压油的粘度是否受温度的影响？如何影响？举例说明。举例说明。 （1）把分别盛有水和某种油液的两个容器放在桌面上，）把分别盛有水和某种油液的两个容器放在桌面上，试问这两种液体哪种粘度大？为什么？试问这两种液体哪种粘度大？为什么？高铁学院32 1）适当的粘度，较好的粘温特性。 2）润滑性能好。在工作压力和温度发生变化时，应具有较高的油膜强度。 3）成分纯，杂质少。 4）对金属和密封件有良好的相容性。 5）具有良好的化学稳定性和热安定性，油液不易氧化、不易变质。 6）抗泡沫性好，抗乳
22、化性好，腐蚀性小，防锈性好。 7）流动点和凝固点低，闪点（明火能使油面上油蒸气燃，但油本身不燃烧时的温度）和燃点高。 8）对人体无害，成本低。1. 对液压油的要求对液压油的要求 五、液压油的种类和选用五、液压油的种类和选用高铁学院332. 液压油的种类和选用液压油的种类和选用（1）液压油的种类）液压油的种类主要有石油型、合成型和乳化型三类。主要有石油型、合成型和乳化型三类。 （2）液压油的选用）液压油的选用 1）液压油的类型 应根据其工作性质和工作环境要求来选择。 2）液压油的牌号 主要是根据工作条件选用适宜的粘度。选择时应考虑液压系统在以下几方面的情况： a）工作压力 工作压力较高的系统宜选
23、用粘度较大的液压油，以减少泄漏。 b）运动速度 当液压系统的工作部件运动速度较高时，宜选用粘度较小的液压油，以减轻液流的摩擦损失。 c）环境温度 环境温度较高时宜选用粘度较大的液压油。因为环境温度高会使油的粘度下降。 另外，也可根据液压泵的类型及工作情况选择液压油的粘度。 高铁学院34第二节第二节 流体静力学基础流体静力学基础 （1）液体静压力）液体静压力 当液体相对静止时，液体单位面积上所当液体相对静止时，液体单位面积上所受的法向力称为压力，相当于物理学中的压强，受的法向力称为压力，相当于物理学中的压强，即即 p式中 液体静压力，单位为N/m2或Pa（帕斯卡）。 pAFp （18） 工程中也
24、常采用工程中也常采用 （千帕）、（千帕）、 （兆帕）、（兆帕）、 bar（巴）（巴）Kgf(千克力、公斤力千克力、公斤力)。 换算关系为：换算关系为：1MPa=103KPa=106Pa=10bar=10kgfKPaMPa高铁学院35 当液体受到外力的作用时，就形成液体的压力，如图所示。（2）液体静压力的特性）液体静压力的特性1）液体静压力的方向总是沿液体静压力的方向总是沿 作用面的作用面的内法线内法线方向。方向。2）静止液体内任一点处的静静止液体内任一点处的静 压力在各个方向上都压力在各个方向上都相等相等。高铁学院36二、液体静力学基本方程二、液体静力学基本方程 如图所示，计算距液面深度为h处
25、某点的压力 ,假想在液体内取出一个底面包含点，底面积为A的一微小液柱来研究，液柱处于平衡状态时有 pAghApAp0ghpp0（19）ghppa(110）0pgh由上式可知：由上式可知： 1）静止液体内任一点处的压力由两部）静止液体内任一点处的压力由两部分组成：分组成： 液面上的压力液面上的压力 ， 液柱的重力所产生的压力液柱的重力所产生的压力 。当液面上只受大气压力当液面上只受大气压力 时，故时，故ap高铁学院372）静压力随液体深度呈线性规律递增。）静压力随液体深度呈线性规律递增。 3）离液面深度相同处各点的压力均相等，由压力相等的点组）离液面深度相同处各点的压力均相等，由压力相等的点组
26、成的面称为等压面，此等压面为一水平面。成的面称为等压面，此等压面为一水平面。 三、压力的测量与表示方法三、压力的测量与表示方法1）绝对压力：）绝对压力：是以绝对真空作为基准所表示的压力。是以绝对真空作为基准所表示的压力。2）相对压力：）相对压力：是以大气压力作为基准所表示的压力。是以大气压力作为基准所表示的压力。绝对压力和相对压力关系如下绝对压力和相对压力关系如下 ： 绝对压力绝对压力=相对压力大气压力相对压力大气压力 当绝对压力小于大气压力时，当绝对压力小于大气压力时，比大气压力小的那部分数值称为比大气压力小的那部分数值称为真空度，真空度，真空度真空度=大气压力大气压力绝对绝对压力压力高铁学
27、院38 四、压力的形成与传递四、压力的形成与传递 在密闭容器中的静止液体，当一处受到外力作用而产生压在密闭容器中的静止液体，当一处受到外力作用而产生压力时，这个压力将通过液体等值传递到液体内部的所有各点。力时，这个压力将通过液体等值传递到液体内部的所有各点。这就是静压传递原理又称帕斯卡原理。这就是静压传递原理又称帕斯卡原理。 如图所示密闭连通器中，各容器上压力表指示的数值都相同。高铁学院39例例1-1 图示为相互连通的两个液压缸，已知大缸内径D=100mm，小缸内径d=30mm，大活塞上放一重物G=20000N。问在小活塞上应加多大的力F1，才能使大活塞顶起重物？解：解：根据帕斯卡原理，由外
28、力产生压力在两缸中相 等，即22144DGdF故顶起重物时在小活塞上应加的力为NNGDdF1800200001003022221高铁学院40 分析：分析：如果如果G=0，不论怎样推动小活塞，也不能在液体中，不论怎样推动小活塞，也不能在液体中形成压力，即形成压力，即p=0；反之，；反之，G越大，液压缸中压力也越大，推越大，液压缸中压力也越大，推力也就越大，这说明了液压系统的工作压力决定于外负载。力也就越大，这说明了液压系统的工作压力决定于外负载。 综上所述，液压传动是依靠液体内部的压力来传递动力的，在密闭容器中压力是以等值传递的。所以静压传递原理是液压传动基本原理之一。 此外，液体流动时还有动压
29、力，但在一般液压传动中动压力很小，可以不计。所以在液体流动时，主要是考虑静压力。高铁学院41pAF （111）pDpAF42 对于液压缸，在无杆腔侧活塞（活塞直径为D、面积为 ）上所受的液体作用力 为FA 以可认为作用于固体壁面上的压力是均匀分布的。当固体壁面为平面时，液压力作用平面上的总作用力 等于液体静压力p与该平面面积 的乘积，即FA 计算液体压力作用在曲面上的力时，必须首先明确要计算的是曲面上哪一个方向的力。设该力为Fx其值等于液体压力p与曲面在该方向投影面积Ax的乘机，高铁学院42xxpAF （112）24dppAFxx式中 d承压部分曲面投影圆的直径。 要求液体静压力 沿垂直方向作
30、用在球面和圆锥体面上的力 ，就等于压力作用于该部分曲面在垂直方向的投影面积 与压力 的乘积，其作用点通过投影圆的圆心，其方向向上，即xFxApp高铁学院43第三节第三节 流体动力学基础流体动力学基础 讨论液体在外力作用下流动时的运动规律，讨论液体在外力作用下流动时的运动规律，即研究液体流动时流速和压力的变化规律。即研究液体流动时流速和压力的变化规律。一、基本概念一、基本概念1. 理想液体和恒定流动理想液体和恒定流动 理想液体：假想既无粘性又不可压缩的液体。实际液体：既有粘性又可压缩的液体。 恒定流动：液体中任一点处的压力、流速和密度都不随时间变化的流动。 非恒定流动：只要压力、流速和密度中有一
31、个随时间变化，流动。 高铁学院44tVq Aq2. 流量和平均流速流量和平均流速（1）通流截面：）通流截面： 即垂直于液体流动方向的截面。即垂直于液体流动方向的截面。（2）流量）流量 ：单位时间内流过某一通流截面的液体体积，单位时间内流过某一通流截面的液体体积， q 的单位为m3/s或L/min，换算关系为换算关系为1m3/s=6104L/min。 q（3）平均流速）平均流速 ：假设通流截面上各：假设通流截面上各点的流速均匀分布，液体以此平均流点的流速均匀分布，液体以此平均流速流过通流截面的流量与以实际流速速流过通流截面的流量与以实际流速u流过的流量相等，这时流速流过的流量相等，这时流速 称为
32、平称为平均流速，即均流速，即vv高铁学院45 在液压缸中，液体的流速即为平均流速，它与活塞的运动速度相同，当缸的有效面积一定时，活塞运动速度决定于输入缸的流量。 3流态、雷诺数流态、雷诺数 1）层流：）层流：液体的各质点间互不干扰，平行于管道轴线呈线性液体的各质点间互不干扰，平行于管道轴线呈线性或层状流动。或层状流动。 2）紊流：）紊流：液体各质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴液体各质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴线的运动外，还存在着剧烈的横向运动。线的运动外，还存在着剧烈的横向运动。（1）液体的流动状态）液体的流动状态高铁学院46（2）雷诺数）雷诺数Re 液体在管道中流动时是层流还是紊
33、流，可通过雷诺数Re来判断，即对于非圆截面的管道xAR dReR4Re 式中 通流截面的水力半径。等于液流的有效面积 和它的湿周（通流截面上与液体接触的周界长度） 之比，即xAR式中 平均流速； 液体的运动粘度； 管道内径。 vd高铁学院47 根据根据质量守恒质量守恒定律，液体流动时既不能增加，也不会减少。液定律，液体流动时既不能增加，也不会减少。液体流经无分支管道时，每一通流截面上通过的质量一定是相等的。体流经无分支管道时，每一通流截面上通过的质量一定是相等的。 根据质量守恒定律，根据质量守恒定律，单位时间内流过两个截面的液体质量相等。单位时间内流过两个截面的液体质量相等。 设液体作恒定流动
34、，任取1、2两个通流截面的面积分别为 和 ，液体密度和平均流速分别为 、 和 、2A1A1122222111AA21当忽略液体的可压缩性时， 211AA由于通流截面是任意选取的，故常数 Aq 二、连续性原理二、连续性原理 高铁学院48例例2-2 如图所示液压千斤顶在压油过 程中，已知活塞1的直径d=30mm， 活塞2的直径D=100mm，管道5的 直径d1=15mm。假定活塞1的下压 速度为200mm/s，试求活塞2上升 速度和管道5内液体的平均流速。解解 1）活塞）活塞1排出的流量排出的流量smsmdAq/1013.14/20403014. 343632121112）根据连续性原理，推动活塞
35、）根据连续性原理，推动活塞2上升的流量，由上面公式可上升的流量，由上面公式可得活塞得活塞2上升速度上升速度smsmDqAq/1081/101431013144432622222高铁学院49 综上所述，液压传动是依靠密封容积的变化传递运动的，综上所述，液压传动是依靠密封容积的变化传递运动的，而密封容积的变化所引起流量变化要符合等量原则，所以液而密封容积的变化所引起流量变化要符合等量原则，所以液流连续性原理也是液压传动的基本原理之一。流连续性原理也是液压传动的基本原理之一。smsmdqAq/080/015014310131444262155553）同理，在管道）同理，在管道5内流量内流量 ，所以，
36、所以215qqq高铁学院50 三、伯努力方程三、伯努力方程 伯努力方程反映了动能、势能、压力能三种能量的转换。伯努力方程反映了动能、势能、压力能三种能量的转换。1. 理想液体的伯努力方程理想液体的伯努力方程、根据能量守恒定律，有任取两通流截面 、 其离基准线的距离分别为 、 ，平均流速分别为 、 ，压力分别为 、 。1A2A1h2h1p1p122222222111ghpghp1gh2gh1p2p式中 、 单位质量液体的压力能； 、 单位质量液体的位能； 221222 、 单位质量液体的动能。 高铁学院51两个通流截面是任意取的，上式可写成：常数221ghp 物理意义：物理意义：在密闭管道内作恒
37、定流动的理想液体具有三种形式在密闭管道内作恒定流动的理想液体具有三种形式的能量（压力能、位能、动能），在沿管道流动过程中三种能量的能量（压力能、位能、动能），在沿管道流动过程中三种能量之间可以互相转化，但在任一截面处，三种能量的总合为一常数。之间可以互相转化，但在任一截面处，三种能量的总合为一常数。2. 实际液体的伯努力方程实际液体的伯努力方程 实际液体在管道中流动时，由于液体有粘性，造成能量损失用平均流速 来代替实际流速计算动能时，必然会产生误差，为修正这一误差，必须引入动能修正系数 实际液体的伯努力方程：实际液体的伯努力方程：wghghpghp222222221111或或 WPghpghp
38、22222211112121高铁学院52wgh式中 单位体积液体在两截面间流动的能量损失； 12 、 动能修正系数，紊流时取1，层流时取2。 例13 液压泵装置如图示，油箱和大气相通。试分析泵的吸油高度 对泵工作性能的影响。h解解 设以油箱液面基准面为11截面，泵的进油口处管道截面为22截面，流速为 、压力为 、泵的吸油高度为 、按伯努力方程22phWpghpghp22222211112121式中： app 101h01h01hWapghpp222221高铁学院53 为泵的进油口处的真空度。泵吸油口处的真空度由三部分组成，即 、 和 。2ppa2/222ghWp02/22Wpgh当泵安装高度高
39、于液面时，即 、则0happ 2则 此时，泵的进口处绝对压力小于大气压力，形成真空真空，借助于大气压力将油压入泵内。 当泵的安装高度在液面之下， 当 时，泵进油口不形成真空，油自行灌入泵内。0hWpgh2/222泵的吸油高度越小，泵越易吸油，在一般泵的吸油高度越小，泵越易吸油，在一般 。mh5 . 0高铁学院54第四节第四节 流体流动时的压力损失流体流动时的压力损失 由于液体具有粘性，流动时会产生阻力，为了克服阻力，必然会造成能量损失，具体通过压力的损失来体现。 压力损失可分为两种：沿程压力损失与局部压力损失 沿程损失：当液体在直径不变的直管中流过一段距离时，因摩擦而产生的压力损失。 局部损失
40、：由于管子截面形状突然变化、液流方向改变或其它形式的液流阻力而引起的压力损失。高铁学院55第四节第四节 流体流动时的压力损失流体流动时的压力损失 一、沿程压力损失一、沿程压力损失 液体在等径直管中流动时因液体在等径直管中流动时因内外摩擦内外摩擦而产生的压力损失。而产生的压力损失。 沿程压力损失产生原因：沿程压力损失产生原因： 内摩擦内摩擦因粘性，液体分子间摩擦因粘性，液体分子间摩擦 摩擦摩擦 外摩擦外摩擦液体与管壁间液体与管壁间 沿程压力损失除与沿程压力损失除与管道的长度、内径和液体的流速、粘管道的长度、内径和液体的流速、粘度等有关外度等有关外，还与液体的还与液体的流动状态流动状态有关有关。
41、液体在圆管中的液体在圆管中的层流流动层流流动是液压传动中最常见的现象，在是液压传动中最常见的现象，在设计和使用液压系统时就设计和使用液压系统时就希望希望管道中的液流保持这种状态。管道中的液流保持这种状态。高铁学院56第四节第四节 流体流动时的压力损失流体流动时的压力损失 一、沿程压力损失一、沿程压力损失 液体在等径直管中流动时因内外摩擦而产生的压力损失。液体在等径直管中流动时因内外摩擦而产生的压力损失。它主要取决于液体的流速，粘性和管路的长度以及油管的内径等。它主要取决于液体的流速，粘性和管路的长度以及油管的内径等。 22dlp 式中 液流的平均流速； 液体的密度； 沿程阻力系数。 75=Re
42、金属管取80=Re橡胶软管取高铁学院57 液体流经管道的弯头、接头、突变截面以及阀口时，使流速液体流经管道的弯头、接头、突变截面以及阀口时，使流速的方向和大小发生剧烈变化，形成旋涡、脱流，因而使液体质点的方向和大小发生剧烈变化，形成旋涡、脱流，因而使液体质点相互撞击，产生的压力损失。相互撞击，产生的压力损失。 第四节第四节 流体流动时的压力损失流体流动时的压力损失 二、局部压力损失二、局部压力损失22p式中 局部阻力系数， 高铁学院58二、局部压力损失二、局部压力损失高铁学院59式中 阀的额定流量； 阀在额定流量下的压力损失（可查阅阀的样本手册）； 通过阀的实际流量。nqnpq2nnvqqpp
43、液体流过各种液体流过各种阀类的局部压力阀类的局部压力损失常用下列经验公式计算。损失常用下列经验公式计算。高铁学院60 三、管路系统的总压力损失三、管路系统的总压力损失 管路系统中总的压力损失等于所有沿程压力损失和所有局部压管路系统中总的压力损失等于所有沿程压力损失和所有局部压力损失之和。力损失之和。 222()22vnnlvvqpppppdq 为减少管路的压力损失，可以通过减短管路长度、加大管路直径与降低流速来实现高铁学院61课前提问1. 1.什么是流量？表达公式是什么？什么是流量？表达公式是什么？ 单位时间内流过某一通流截面的液体体积tVq 2.液体的流动状态有哪两种？判断这两种流动状态的标
44、准是什么？ 层流与紊流，以临界雷诺数Recr来判断， 3.流量连续性方程是 在流体力学中的一种表达方式，伯努利方程是 在流体力学中的一种表达形式. 质量守恒定律能量守恒定律 高铁学院62 第五节第五节 流体流经孔口和缝隙的流量流体流经孔口和缝隙的流量 液压传动中常利用液体流经阀的液压传动中常利用液体流经阀的小孔小孔或或缝隙缝隙来来控制流量控制流量和压力和压力，达到，达到调速调速和和调压调压的目的。的目的。 液体流经孔口和小孔的流量公式，是研究节流调速的理论基础。 液体流经缝隙的流量公式，是分析计算液压元件和系统的泄漏的理论依据。高铁学院63一、液体流过小孔的流量一、液体流过小孔的流量 根据长径
45、比不同，通常将小孔分为三种：当小孔的长径比 时，称为薄壁孔；当 时，称为细长孔；当 时，称为短孔。 5 . 0/dl4/dl4/5 . 0dl节流装置： 在液压系统的管路中，装有控制阀，常通过改变阀内的通流截面的面积或改变液流通道的长短，来实现对流量、压力、方向的控制。一般为不同形式的孔口或小孔装置。高铁学院64 第五节第五节 流体流经孔口和缝隙的流量流体流经孔口和缝隙的流量 1. 液体流过薄壁孔的流量液体流过薄壁孔的流量 液流通过小孔时要产生收缩和扩散现象，会造成很大的能量损失。当 时，流速的收缩作用不受孔前通道内壁的影响，这时的收缩称为完全收缩； 7/1dd 当 时，孔前通道对液流进入小孔
46、起导向作用，这时的收缩称为不完全收缩。7/1dd不同的收缩状态，液体流过薄壁孔的流量系统不同不同的收缩状态，液体流过薄壁孔的流量系统不同高铁学院65通过薄壁小孔的流量公式通过薄壁小孔的流量公式:pACqTq2 = 0.60.62qC当液流完全收缩时，qC当不完全收缩时， = 0.70.8。p 小孔前后的压力差 21pppTA 小孔通流截面面积 24dAT 液体的密度； qC流量系数，式中 高铁学院66分析：u薄壁孔流量与液体粘度无关，因而流量受液体温度影响较小。u当压差一定时，薄壁孔流量与孔口面积成正比。改变孔口面积，流量随之改变。这种特性用于流量控制阀。u当孔口面积一定时，薄壁孔流量与孔口前
47、后压差的平方根成正比。改变流量，压差随之改变。这种特性用于压力控制阀。u当流经薄壁孔的流量一定时，孔口面积与压差的平方根成反比。改变孔口面积，压差随之改变。这种特性也用于压力控制阀。pACqTq2重要！高铁学院67pACqTq2分析：分析：求节流阀开口面积，根据薄壁小孔流量公式，就必须知道以下几个参数： 流量系数，（已知） 流经节流阀的流量，（求） 节流阀两端的压差。（求） 节流阀高铁学院68pACqTq2节流阀高铁学院69pACqTq2节流阀节流阀两端的压差与油缸左腔的压力相等节流阀两端的压差与油缸左腔的压力相等高铁学院702. 液体流过细长孔的流量液体流过细长孔的流量pldq1284综合各
48、种孔口的流量压力特性，可以归纳出一个通用公式综合各种孔口的流量压力特性，可以归纳出一个通用公式mTpKAqm 由孔的长径比决定的指数，薄壁孔 5 . 0m 小孔的通流截面面积； TAp 两端压力差细长孔 1m短孔 15 . 0 m高铁学院71二、液体流过缝隙的流量二、液体流过缝隙的流量1. 平行平板缝隙的流量平行平板缝隙的流量（1）流过固定平行平板缝隙的流量间隙两端有压力差 ，属于压差流动。 21pppplbhq123（2）液体在平行平板缝隙中作剪切流动时的流量bhuAq20 在一般情况下，相对运动平行平板缝隙中既有压差流动，又有剪切流动。因此，流过相对运动平板缝隙的流量为压差流量和剪切流量二
49、者的代数和。bhuplbhq21203高铁学院722. 圆环缝隙的流量圆环缝隙的流量 在液压元件中，如液压缸活塞和缸筒之间，液压阀的阀芯和阀体之间，都存在圆环缝隙。（1）流过同心圆环缝隙的流量）流过同心圆环缝隙的流量 21203dhupldhq00u当相对运动速度 时， 即为内外表面之间无相对运动的同心圆环缝隙流量公式pldhq123高铁学院73（2）流过偏心圆环缝隙的流量）流过偏心圆环缝隙的流量 若圆环的内外圆不同心，偏心距为 ， 则形成偏心圆环缝隙。流量公式：e2)5 . 11 (12023dhulpdhqh式中 内外圆同心时的间隙； 相对偏心率，即二圆偏心距 e和同心环缝隙 h的比值：
50、he/当 时，即为同心圆环缝隙流量。0，时为最大偏心，其压差流量为同心环缝隙压差流量的2.5倍。 随偏心量的增大，通过的流量也随之增加。当 ,1he即 高铁学院74例例14 某液压缸活塞直径 ， ，活塞与缸mmd100mml50体内壁同心时的缝隙 mmh1 . 0，两端压力差是 aPp51040活塞移动的速度 min/60mm，方向与压差方向相同。油的运动粘度 smm /202，密度 ，3/900mKg试求活塞与缸体内壁处于最大偏心时的缝隙泄漏量有多大？ 解解 同心环的压差流量为smsmlpdhq/1016. 1/10509001020121040)101 . 0(10100123433653
