1、液壓基礎基礎液壓技術基礎液壓技術液壓基礎系統工作要求：實現油缸的前進、后退運動，油缸最大系統工作要求：實現油缸的前進、后退運動，油缸最大推動負載力：推動負載力：F=150000NF=150000N；前進、后退速度在；前進、后退速度在0-0.15m/s0-0.15m/s范圍之內連續可調（電控制）。實時檢測液壓泵出口壓范圍之內連續可調（電控制）。實時檢測液壓泵出口壓力、流量力、流量設計任務：設計任務：1.1.設計、繪制液壓系統原理圖；設計、繪制液壓系統原理圖；2.2.系統壓力、流量、液壓缸尺寸設計計算；系統壓力、流量、液壓缸尺寸設計計算；3.3.電動機功率、扭矩、轉速計算；電動機功率、扭矩、轉速計

2、算；4.4.電動機、聯軸器、液壓元器件（泵、閥、油缸）及傳電動機、聯軸器、液壓元器件（泵、閥、油缸）及傳感器選型感器選型液壓基礎什么是液壓？什么是液壓？以液體為介質，用其產生的壓以液體為介質，用其產生的壓 力傳遞能量的方式稱為力傳遞能量的方式稱為 液壓液壓液壓基礎液壓傳動系統的工作原理液壓傳動系統的工作原理液壓基礎液壓傳動系統中能量的傳遞和轉換液壓傳動系統中能量的傳遞和轉換液壓基礎1.動力元件液壓傳動系統的組成液壓傳動系統的組成2.執行元件4.輔助元件3.控制元件5.傳動介質液壓泵液壓泵液壓馬達或油缸液壓馬達或油缸各種閥各種閥:方向閥、壓力閥、流量閥方向閥、壓力閥、流量閥油箱、濾油器、加熱器、

3、冷卻器等油箱、濾油器、加熱器、冷卻器等即液體即液體液壓基礎液壓傳動系統的優缺點液壓傳動系統的優缺點1. 1. 實現大范圍的無級調速。實現大范圍的無級調速。2. 2. 在同等輸出功率下，液壓傳動裝置的體積在同等輸出功率下，液壓傳動裝置的體積 小、小、重量輕、運動慣量小、動態性能好。重量輕、運動慣量小、動態性能好。3. 3. 實現無間隙傳動，運動平穩。實現無間隙傳動，運動平穩。4. 4. 便于實現自動工作循環和自動過載保護。便于實現自動工作循環和自動過載保護。5. 5. 采用油作為傳動介質，因此液壓元件有自我潤滑采用油作為傳動介質，因此液壓元件有自我潤滑作用，有較長的使用壽命。作用，有較長的使用壽

4、命。6. 6. 液壓元件標準化、系列化，便于設計、制造和推液壓元件標準化、系列化，便于設計、制造和推廣應用廣應用優點：優點：液壓基礎液壓傳動系統的優缺點液壓傳動系統的優缺點1 1、損失大、效率低、發熱大。、損失大、效率低、發熱大。2 2、不能得到定比傳動。、不能得到定比傳動。3 3、當采用油作為傳動介質時還需要注意防火問題。、當采用油作為傳動介質時還需要注意防火問題。4 4、液壓元件加工精度要求高，造價高。、液壓元件加工精度要求高，造價高。5 5、液壓系統的故障比較難查找，對操作人員的技術、液壓系統的故障比較難查找，對操作人員的技術水平要求高。水平要求高。缺點：缺點：液壓基礎流體傳動流體傳動液

5、壓基礎流體傳動流體傳動能量轉換和傳遞基能量轉換和傳遞基于于“靜靜液壓液壓”原理原理流體流體相對相對“靜止靜止”通過流體的通過流體的壓力壓力傳傳遞動力遞動力能量轉換和傳遞基于能量轉換和傳遞基于“動動液壓液壓”原理原理利用流體的利用流體的動能動能傳遞傳遞能量能量液壓基礎能量轉換和傳遞能量轉換和傳遞能量傳遞方式比較能量傳遞方式比較液壓液壓氣動氣動電傳動電傳動機械傳動機械傳動能量來源能量來源(驅動驅動)電機柴油機蓄能電機柴油機蓄能器器電機柴油機蓄能電機柴油機蓄能罐罐電網蓄電池電網蓄電池電機柴油機重力、電機柴油機重力、拉力拉力(彈簧彈簧)傳遞能量元件傳遞能量元件軟管、硬管軟管、硬管軟管、硬管軟管、硬管電

6、纜磁場電纜磁場機械零件：杠桿、機械零件：杠桿、軸、齒輪等軸、齒輪等能量載體能量載體液體液體氣體氣體電子流電子流剛性和彈性物體剛性和彈性物體作用力密度作用力密度(功率密功率密度度)大高壓、大力、大高壓、大力、小流量小流量相當小壓力低相當小壓力低小電功率密度與小電功率密度與液壓功率密度比液壓功率密度比為為1:10 大與液壓相比不易大與液壓相比不易實現功率流的選擇實現功率流的選擇和分配和分配平穩性控制平穩性控制(加減速加減速)非常好通過壓力非常好通過壓力和流量調節和流量調節一般通過壓力和一般通過壓力和流量調節流量調節一般和非常好之一般和非常好之間通過開環和閉間通過開環和閉環調節環調節一般一般輸出裝置

7、運動形式輸出裝置運動形式通過使用液壓馬通過使用液壓馬達和油缸很容易達和油缸很容易實現直線運動和實現直線運動和旋轉運動旋轉運動通過使用氣動馬通過使用氣動馬達和氣動缸很容達和氣動缸很容易實現直線運動易實現直線運動和旋轉運動和旋轉運動原始為旋轉運動原始為旋轉運動直線和旋轉直線和旋轉液壓基礎實現運動控制實現運動控制 運動的兩種方式運動的兩種方式 直線運動直線運動: : - -液壓油缸液壓油缸 -氣動油缸氣動油缸 -絲杠絲杠+ +直線軸承直線軸承2. 2. 旋轉運動旋轉運動 -液壓馬達液壓馬達 -減速機減速機 -氣動馬達氣動馬達 -伺服電機伺服電機 -變頻調速電機變頻調速電機液壓基礎實現運動控制實現運動

8、控制 滾珠絲杠滾珠絲杠變旋轉運動變旋轉運動為直線運動為直線運動旋轉運動的旋轉運動的-電機電機-伺服電機伺服電機驅動工作機構驅動工作機構液壓基礎液壓流體力學的理論基礎液壓流體力學的理論基礎液壓流體靜液壓流體靜力學力學液壓流體力學液壓流體力學液壓流體動液壓流體動力學力學液壓流體液壓流體運動學運動學帕斯卡定理帕斯卡定理流量連續性流量連續性定理定理伯努利方程伯努利方程液壓基礎液壓傳動的理論基礎液壓傳動的理論基礎1. 1. 靜液壓理論建立在理想的介質上靜液壓理論建立在理想的介質上p 靜液壓原理是建立在理想的傳遞介靜液壓原理是建立在理想的傳遞介質上的質上的-沒有質量沒有質量-沒有摩擦沒有摩擦-不可壓縮不可

9、壓縮p 對高頻響的系統，就要考慮介質的對高頻響的系統，就要考慮介質的壓縮性。即介質不是剛性的而是彈性壓縮性。即介質不是剛性的而是彈性的的 Hydraulics 液壓基礎液壓流體靜力學液壓流體靜力學如果作用面積如果作用面積A1=A2=A3; 則則F1=F2=F3液壓基礎液壓流體靜力學液壓流體靜力學2. 靜液壓理論建立在帕斯卡定理靜液壓理論建立在帕斯卡定理(Pascals law)上上液壓基礎帕斯卡定理的要點帕斯卡定理的要點:液壓流體靜力學液壓流體靜力學液壓基礎力的傳遞力的傳遞:液壓流體靜力學液壓流體靜力學液壓基礎p 正負載正負載 由液壓系統產生動力給負載由液壓系統產生動力給負載p 負負載（產生吸

10、空）負負載（產生吸空） 由負載產生動力給液壓系統由負載產生動力給液壓系統p節流負載節流負載 用節流的方式使油泵產生動力用節流的方式使油泵產生動力液壓流體靜力學液壓流體靜力學液壓基礎壓力傳遞壓力傳遞:液壓流體靜力學液壓流體靜力學液壓基礎液壓流體靜力學液壓流體靜力學液壓基礎液壓流體靜力學液壓流體靜力學液壓基礎液壓流體運動學液壓流體運動學液壓系統中速度取決于流量液壓系統中速度取決于流量 液壓基礎液壓流體運動學液壓流體運動學在變徑的流道內，在任何時候，通過個節點的流量相在變徑的流道內，在任何時候，通過個節點的流量相流量連續性原理流量連續性原理液壓基礎液壓流體動力學液壓流體動力學能能守恒定守恒定關于運動

11、液體的能關于運動液體的能守恒定守恒定指出，只要沒有能指出，只要沒有能從外從外界補充，也沒有能界補充，也沒有能傳送到外界，則運動液體的總能傳送到外界，則運動液體的總能保持保持變。變。 這一總能這一總能包括：包括： 勢能（位能）勢能（位能） 動能（運動動能（運動能）能） 決定于流體的高度和決定于流體的高度和靜壓力靜壓力 決定于流體流動速度決定于流體流動速度和背壓力和背壓力得到伯努方程 液壓基礎液壓流體動力學液壓流體動力學伯努利方程伯努利方程液壓基礎液壓流體動力學液壓流體動力學能量守恒：流速、壓力能量守恒：流速、壓力液壓基礎 液體流動時的壓力損失液體流動時的壓力損失1.液體的流動狀態 19世紀末，雷

12、諾首先通過實驗觀察了水在圓管內的流動情況，并發現液體在管道中流動時有兩種流動狀態：層流和紊流（湍流）。這個實驗被稱為雷諾實驗。實驗結果表明，在層流時，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；而在紊流時，液體質點的運動雜亂無章，在沿管道流動時，除平行于管道軸線的運動外，還存在著劇烈的橫向運動，液體質點在流動中互相干擾。 層流和紊流是兩種不同的流態。層流時，液體的流速低，液體質點受粘性約束，不能隨意運動，粘性力起主導作用，液體的能量主要消耗在液體之間的摩擦損失上；紊流時，液體的流速較高，粘性的制約作用減弱，慣性力起主導作用，液體的能量主要消耗在動能損失上。 液壓基礎 通過雷諾實

13、驗還可以證明，液體在圓形管道中的流動狀態不僅與管內的平均流速 有關，還和管道的直徑d、液體的運動粘度有關。實際上，液體流動狀態是由上述三個參數所確定的稱為雷諾數Re的無量綱數來判定，即： 對于非圓形截面管道，雷諾數Re可用下式表示，即： 水力直徑R可用下式計算： 式中：A 過流斷面積； 濕周，即有效截面的管壁周長。 dRe4 RReAR 液體流動時的壓力損失液體流動時的壓力損失液壓基礎 雷諾數是液體在管道中流動狀態的判別數。對于不同情況下的液體流動狀態，如果液體流動時的雷諾數Re相同，它的流動狀態也就相同。液流由層流轉變為紊流時的雷諾數和由紊流轉變為層流時的雷諾數是不相同的，后者的數值要小，所

14、以一般都用后者作為判斷液流狀態的依據，稱為臨界雷諾數，記作Recr。當液流的實際雷諾數Re小于臨界雷諾數Recr時，液流為層流；反之，為紊流。 雷諾數的物理意義：雷諾數是液流的慣性作用對粘性作用的比。當雷諾數較大時，說明慣性力起主導作用，這時液體處于紊流狀態；當雷諾數較小時，說明粘性力起主導作用，這時液體處于層流狀態。 液體流動時的壓力損失液體流動時的壓力損失液壓基礎2.沿程壓力損失 () 液體層流時的沿程壓力損失 層流時液體質點作有規則的流動，是液壓傳動中最常見的現象。在設計和使用液壓傳動系統時，都希望管道中的液流保持這種流動狀態。 下圖所示為液體在等徑水平直管中作層流流動的情況。 液體流動

15、時的壓力損失液體流動時的壓力損失液壓基礎 在液流中取一段與管軸重合的微小圓柱體作為研究對象，設它的半徑為r，長度為l，作用在兩端面的壓力分別為p1和p2，作用在側面的內摩擦力為Ff。液流在作勻速運動時處于受力平衡狀態，故有： 式中Ff是液體內摩擦力， Ff =-2 rldu/dr（其中的負號表示流速u隨半徑r的增大而減小），若令 ，并將Ff 代入上式，整理可得： 對上式進行積分，并代入相應的邊界條件，即當r =R時，u = 0，得： 可見管內液體質點的流速在半徑方向上按拋物線規律分布。 212f)pprF（ppp122pdurdrl 22()4puRrl 液體流動時的壓力損失液體流動時的壓力損

16、失液壓基礎 對于微小環形通流截面積dA=2rdr，所通過的流量為： 于是積分可得： 根據平均流速的定義，在管道內的平均流速是： 2222()4pdqudAurdrRrrdrl442202()48128RpRdqRrrdrpplll 4221128324qddppAlld 液體流動時的壓力損失液體流動時的壓力損失液壓基礎整理后，得沿程壓力損失為： 從上式可以看出，當直管中的液流為層流時，其沿程壓力損失與液體粘度、管長、流速成正比，而與管徑的平方成反比。適當變換上式沿程壓力損失計算公式，可改寫成如下形式： 式中為沿程阻力系數。對于圓管層流，理論值 = 64/Re。考慮到實際圓管截面可能有變形，以及

17、靠近管壁處的液層可能被冷卻等因素，在實際計算時，可對金屬管取 = 75/Re，橡膠管 = 80/Re。 232 lppd pdldldld6426422222Re 液體流動時的壓力損失液體流動時的壓力損失液壓基礎 (2) 液體紊流時的沿程壓力損失 紊流時計算沿程壓力損失的公式在形式上同于層流，即： 但式中的阻力系數 除與雷諾數有關外，還與管壁的粗糙度有關，即 = f (Re，/d)，這里的為管壁的絕對粗糙度，它與管徑d 的比值/d 稱為相對粗糙度。 pld22 液體流動時的壓力損失液體流動時的壓力損失液壓基礎3.局部壓力損失 液體流經管道的彎頭、接頭、突變截面以及閥口、濾網等局部裝置時，液流方

18、向和流速發生變化，在這些地方形成旋渦、氣穴，并發生強烈的撞擊現象，由此而造成的壓力損失稱為局部壓力損失。局部壓力損失的阻力系數，一般要依靠實驗來確定。局部壓力損失的計算公式有如下形式： 液體流過各種閥類的局部壓力損失亦服從上式，但因閥內的通道結構復雜，按此公式計算比較困難，故閥類元件局部壓力損失的實際計算常用公式： 22p2Vnnqppq 液體流動時的壓力損失液體流動時的壓力損失液壓基礎4.管路系統總壓力損失 整個管路系統的總壓力損失應為所有沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和，即： 在液壓傳動系統中，絕大多數壓力損失轉變為熱能，造成系統溫度增高，泄漏增大，影響系統的工作性能。從計算壓力損失的公

19、式可以看出，減小流速，縮短管道長度，減少管道截面突變，提高管道內壁的加工質量等，都可使壓力損失減小。其中流速的影響最大，故液體在管路中的流速不應過高。但流速太低，也會使管路和閥類元件的尺寸加大，并使成本增加，因此要綜合考慮確定液體在管道中的流速。2222lpppd 液體流動時的壓力損失液體流動時的壓力損失液壓基礎 液體流動時的壓力損失液體流動時的壓力損失管道流速選擇管道流速選擇液壓基礎 孔口流量孔口流量 (1) 薄壁孔口的流量 下圖所示為進口邊做成刃口形的典型薄壁孔口。由于液體的慣性作用，液流通過孔口時要發生收縮現象，在靠近孔口的后方出現收縮最大的通流截面2-2。對于薄壁圓孔，當孔前通道直徑與

20、小孔直徑之比d1/d7時，流束的收縮作用不受孔前通道內壁的影響，這時的收縮被稱為完全收縮；反之，當d1/d7時，孔前通道對液流進入小孔起導向作用，這時的收縮被稱為不完全收縮。 薄壁小孔液流液壓基礎 現對孔前通流斷面11和收縮斷面22之間的液體列出伯努利方程： 式中，h1=h2；因1 2 ，則1可以忽略不計，認為是零；因為收縮斷面的流動是紊流，則2=1；而 僅為局部損失，即 ，代入上式后可得： 由此可得通過薄壁孔口的流量公式為： pghpghpw11112222221212 pw212122()1ppCpqAC C ApC ApcTqT22222)(22222dldlpw 孔口流量孔口流量液壓基

21、礎 (2) 短孔、細長孔口的流量 短孔的流量公式仍然為上式。短孔比薄壁孔口容易制作，因此特別適合于作固定節流器使用。 流經細長孔的液流，由于粘性而流動不暢，流速低，故多為層流。所以其流量計算可以應用前面推出的圓管層流流量公式： 在這里，液體流經細長孔的流量q和孔前后的壓差 p成正比，而和液體的粘度成反比。可見細長孔的流量和液壓油的粘度有關。這一點是和薄壁孔口的特性大不相同的。 綜合各孔口的流量公式，可以歸納出一個流量通用公式： 4128dqplqCApT 孔口流量孔口流量液壓基礎液壓沖擊和空穴現象液壓沖擊和空穴現象1.液壓沖擊 在液壓傳動系統中，常常由于一些原因而使液體壓力突然急劇上升，形成很

22、高的壓力峰值，這種現象被稱為液壓沖擊。 (1) 液壓沖擊產生的原因 在閥門突然關閉或運動部件快速制動等情況下，液體在系統中的流動會突然受阻。這時，由于液流的慣性作用，液體就從受阻端開始，迅速將動能逐層轉換為液壓能，因而產生了壓力沖擊波；此后，這個壓力波又從該端開始反向傳遞，將壓力能逐層轉化為動能，這使得液體又反向流動；然后，在另一端又再次將動能轉化為壓力能，如此反復地進行能量轉換。由于這種壓力波的迅速往復傳播，便在系統內形成壓力振蕩。這一振蕩過程，由于液體受到摩擦力以及液體和管壁的彈性作用不斷地消耗能量，才使振蕩過程逐漸衰減而趨向穩定，產生液壓沖擊的本質是動量變化。液壓基礎 (2) 液壓沖擊的

23、危害 系統中出現液壓沖擊時，液體瞬時壓力峰值可以比正常工作壓力大好幾倍。液壓沖擊會損壞密封裝置、管道或液壓元件，還會引起設備振動，產生很大噪聲。有時沖擊會使某些液壓元件如壓力繼電器、順序閥等產生誤動作，影響系統正常工作。 液壓沖擊和空穴現象液壓沖擊和空穴現象液壓基礎 (3) 沖擊壓力 （a）管道閥門關閉時的液壓沖擊 設管道截面積為A，產生沖擊的管道長為l，壓力沖擊波第一波在l長度內傳播的時間為t1，液體的密度為，管中液體的流速為，閥門關閉后的流速為零，則由動量方程得： 整理后得 式中c = l/t，為壓力沖擊波在管道中的傳播速度。 應用式（3.45）時，需要先知道c值的大小，而c值不僅和液體的

24、體積彈性模量K有關，而且還與管道材料的彈性模量E、管道的內徑d及壁厚 有關。在液壓傳動中，c值一般在9001 400 m/s之間。 若液體流速 不是突然降為零，而是降為則上式可寫成 pAAlt1ctlp1)(1cp液壓沖擊和空穴現象液壓沖擊和空穴現象液壓基礎 設壓力沖擊波在管中往復一次的時間為tc，其中tc=2l / c。當閥門關閉時間ttc時，閥門不是突然關閉，此時壓力峰值較小，這時的沖擊稱為間接沖擊，其p值可按下式計算 （b）運動部件制動時的液壓沖擊 設總質量為的運動部件在制動時的減速時間為t，速度減小值為，液壓缸有效作用面積為A，則根據動量定理得 上式中忽略了阻尼和泄漏等因素，計算結果偏大，但比較安全。ttcpc)(1pmA t液壓沖擊和空穴現象液壓沖擊和空穴現象液壓基礎 (4) 減小壓力沖擊的措施l 盡可能延長閥門關閉和運動部件制動換向的時間。在液壓傳動系統中采用換向時間可調的換向閥可做到這一點。l 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均勻。例如在機床液壓傳動系統中，通常將管道流速限制在4.5 m/s以下，液壓缸驅動的運動部件速度一般不宜超過10 m/min等。l 在某些精度要求不高的工作機械上，使液壓缸兩腔油路在換向閥回到中位時瞬時互通。l 適當加大管道直徑，