全國本科院校機械類創(chuàng)新型應用人才培養(yǎng)規(guī)劃教材液壓傳動與控制實用技術第1章液壓技術基本理論【學習目標】通過學習液壓傳動技術基本理論,會運用液壓傳動的原理，分析液壓傳動的基本組成，通過學習液體動力學和壓力損失的計算，掌握液體壓力的表示方法及力的計算方法，掌握流量、流速、壓力損失的計算，為液壓元件的結構及油路的分析提供依據。同時為學生順利學習和掌握液壓傳動與控制實用技術打下基礎?！緦W習要求】在回顧液壓傳動與控制技術的基礎上，讓學生初步理解的基礎上掌握液壓傳動與控制的概念、組成及基本原理，了解液壓技術的發(fā)展、特點及應用；掌握液壓油主要物理性質、污染原因與控制方法，了解液壓油的使用要求、選用；重點掌握流動流體三個基本方程、局部壓力損失和沿程損失；了解掌握流體流經小孔及間隙流量、液壓沖擊與空穴現象概念及防止措施；了解液壓沖擊計算。1.1歷史回顧流體液壓技術有著悠久的歷史，液壓傳動與控制是人類在生產實踐中逐步發(fā)展起來的一門實用的技術。對流體力學學科的形成做出第一個貢獻的是古希臘人阿基米德(Archimedes)，他建立了物理浮力定律和液體平衡理論。1648年法國人帕斯卡(B.Pascal)提出靜止液體中壓力傳遞的基本定律，奠定了液體靜力學基礎。17世紀，力學奠基人牛頓(Newton)研究了在流體中運動的物體所受到的阻力，針對粘性流體運動時的內摩擦力提出了牛頓粘性定律。1738年瑞土人歐拉(L.Euler)采用了連續(xù)介質的概念，把靜力學中的壓力概念推廣到運動流體中，建立了歐拉方程，正確地用微分方程組描述了無粘性流體的運動。1905年美國人詹尼(Janney)首先將礦物油引入傳動介質，并設計研制了帶軸向柱塞機械的液壓傳動裝置，并于1906年應用于軍艦的炮塔裝置上，為現代液壓技術的發(fā)展揭開了序幕。1922年瑞士人托馬(H.Thoma)發(fā)明了徑向柱塞泵。1936年美國人威克斯(H.Vickers)一改傳統(tǒng)的直動式機械控制機構，發(fā)明了先導控制式壓力控制閥；稍后電磁閥和電液換向滑閥的問世，使先導控制形式多樣化。20世紀是液壓傳動與控制技術飛速發(fā)展并日趨成熟的世紀，也是控制理論與工程實踐相互結合飛速發(fā)展的世紀，它為流體控制工程的進步提供了強有力的理論基礎和技術支持。1922年美國人米諾爾斯基(N.Minorsky)提出用于船舶駕駛伺服機構的比例、積分、微分(PID)控制方法。1932年瑞典人奈奎斯特(H．Nyquist)提出根據頻率響應判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的準則。1948年美國科學家埃文斯(W．R．Evans)提出了根軌跡分析方法，同年香農(C．E．Shannon)和維納(N.Wiener)出版《信息論》與《控制論》。1950年摩根(Moog)研制成功采用微小輸入信號的電液伺服閥后，美國麻省理工學院的布萊克本(Blackburn)、李(Lee)等人在系統(tǒng)高壓化和電液伺服機構方面進行了深入研究。二戰(zhàn)后液壓技術在航天、國防、汽車和機床工業(yè)中得到廣泛應用，并且走向產業(yè)獨立發(fā)展，西方各國相繼成立了行業(yè)協會和專業(yè)學會，液壓傳動和控制被作為新興技術得到重視。這一時期稱得上是液壓工業(yè)的黃金歲月。l960年布萊克本(Blackburn)的《液動氣動控制》和l967年梅里特(Merritt)的《液壓控制系統(tǒng)》兩部科學著作相繼問世，對液壓控制理論作出了系統(tǒng)、科學的闡述。從1962年開始制定液壓元件的標準(CETOP，ISO／TCl31)。1970年前后信號功率介于開關控制和伺服控制之間的比例閥問世。1980年前后出現了微機可直接數字控制的高速(高頻)開關閥。1990年前后可用于計算機直接控制的數字液壓元件及系統(tǒng)研制成功。1.2液壓傳動基本概念1.2.1液壓傳動的工作原理所謂液壓傳動就是以液體作為工作介質，依靠液體的壓力來傳遞動力，靠液體的體積來傳遞運動的裝置。圖1.1是一個典型的升降式工作臺液壓系統(tǒng)原理圖，其工作原理如下。如圖1.1所示，工件(未畫出)放置在工作臺1上，而工作臺1則可在主缸3的活塞桿的作用下上升或下降。輔助缸4的活塞桿上加有配重2，兩缸的無桿腔由一個管路相聯，該連接管路上裝有兩個相對設置的液控單向閥5、6，兩液控單向閥5、6的控制油路分別來自兩缸的有桿腔。這樣，兩缸反向串聯起來。1.2.2液壓系統(tǒng)基本組成液壓傳動系統(tǒng)，除以液體為傳動介質外，通常由以下四部分組成：1.動力元件將機械能轉化為液體壓力能的元件。如上述升降式工作臺液壓系統(tǒng)中的液壓泵即起此種作用，它為液壓系統(tǒng)提供壓力油。液壓泵按壓力高低的不同可以是葉片泵、齒輪泵和柱塞泵。其中葉片泵壓力最低，柱塞泵壓力最高。最常用的是齒輪泵，壓力處于中高檔。2.執(zhí)行元件將液體的壓力能轉化為機械能的液壓元件。升降式工作臺液壓系統(tǒng)的液壓缸即起此種作用。在液壓系統(tǒng)中常見的是作直線往復運動的液壓缸或作回轉運動的液壓馬達。3.控制調節(jié)元件對液壓系統(tǒng)的壓力、流量和液流方向進行控制或調節(jié)的元件。升降式工作臺液壓系統(tǒng)中的溢流閥、手動換向閥和平衡閥即屬于此類元件。液壓系統(tǒng)中的液壓控制閥均為控制調節(jié)元件。4.輔助元件上述三部分以外的其它元件。升降式工作臺液壓系統(tǒng)中的油箱、吸油濾清器、回油濾清器屬此類元件。液壓系統(tǒng)中的油箱、油管、管接頭、壓力表、濾油器和冷卻器等均為輔助元件，它們對保證系統(tǒng)的正常工作也有重要作用。1.2.3液壓傳動系統(tǒng)的優(yōu)勢與不足液壓傳動技術幾乎滲透到所有的現代工業(yè)領域，特別是近二、三十年來獲得了廣泛而迅速的應用和發(fā)展。和機械傳動、電力傳動相比，它具有獨特的優(yōu)點。概括起來，有以下幾個方面：1．在相等的體積下，液壓傳動裝置比電氣裝置產生的動力更大；在同等功率的情況下，液壓傳動裝置體積小，重量輕，結構緊湊。2．液壓傳動裝置能在很大的范圍內實現無級調速，而且工作準確平穩(wěn)；結構簡單，成本低廉。3．液壓傳動裝置易于實現自動化，可以完成各種復雜的動作，并且操作簡便。4．液壓傳動裝置容易實現過載保護。液壓元件能自行潤滑，因而磨損少，使用壽命長。5．液壓元件已實現了標準化、系列化、通用化，液壓系統(tǒng)的設計、制造和使用都非常方便。液壓元件的排列布置具有較大的柔性。液壓傳動的不足：由于存在摩擦損失和泄漏損失，液壓傳動系統(tǒng)能量損失較大。對油液的清潔度要求較高，并要求定期更換。液壓傳動系統(tǒng)對溫度的變化比較敏感，它的工作性能易受溫度的影響。液壓系統(tǒng)與元件制造維護要求較高，價格較貴，且進行故障診斷較困難。總而言之，液壓傳動系統(tǒng)由于其優(yōu)勢明顯，因而在現代工業(yè)領域得到廣泛應用，它的一些不足也將隨著科學技術的進步而逐步得到克服。1.3液壓傳動的工作介質1.3.1液壓油的類型液壓傳動是以液體作為工作介質傳遞能量的，液壓油的物理、化學特性將直接影響液壓系統(tǒng)的工作。目前液壓傳動中采用的工作介質主要有礦物油基液壓油、含水液壓油和合成型液壓油三大類，液壓油的分類如下。1.3.2液壓油的物理性質1.液體的密度單位體積液體的質量稱為液體的密度，用符號ρ表示。若液體體積為V，其質量為m，則在國際單位制(SI)中，液體的密度單位是kg/m3。2．液體的壓縮性液體的壓縮性是指液體受壓后其體積變小的性能。液體的壓縮性極小，在很多場合下，可以忽略不計。但在受壓體積較大或進行動態(tài)分析時就有必要考慮液體的可壓縮性。液體的相對壓縮量與壓力增量成正比。

式中:V-增壓前液體的體積；ΔV-壓力增量Δp時，因壓縮而減小的體積；Δp-壓力增量；β-體積壓縮率或稱壓縮系數。3．液體的粘性和粘度液體在外力作用下流動時，分子間的內聚力阻礙分子間的相對運動而產生一種內摩擦力。液體的這種性質稱為液體的粘性。內摩擦力表達式：1.3.3液壓油的要求與選用1．對液壓油的基本要求機械工程液壓系統(tǒng)使用液壓油作為工作介質，這類液壓系統(tǒng)中油液的流速不大而壓力較高，故稱為靜壓傳動。液壓油質量的優(yōu)劣將在很大程度上影響液壓系統(tǒng)的工作可靠性和使用壽命。通常對液壓油的質量要求有如下幾點：1）適宜的粘度及良好的粘溫性能，以確保在工作溫度發(fā)生變化的條件下能準確、靈敏地傳遞動力，并能保證液壓元件的正常潤滑。2）具有良好的防銹性及抗氧化安定性，在高溫高壓條件下不易氧化變質,使用壽命長。3）具有良好的抗泡沫性，使油品在受機械不斷攪拌的工作條件下，產生的泡沫易于消失，以使動力傳遞穩(wěn)定，避免液壓油的加速氧化。4）良好的抗乳化性，能與混入油中的水迅速分離，以免形成乳化液導致液壓系統(tǒng)金屬材質的銹蝕和降低使用效果。5）良好的極壓抗磨性，以保證液壓油泵、液壓馬達、控制閥和油缸中的摩擦副在高壓、高速苛刻條件下得到正常的潤滑，減少磨損。除上述基本質量要求外，對于一些特殊性能要求的液壓油尚有特殊的要求。如低溫液壓油要求具有良好的低溫使用性能；抗燃液壓油要求具有良好的抗燃性能。一般使用的油溫在40～50℃之間,當油溫超過80℃,氧化加劇,油溫低于10℃時,粘度增大,起動困難。2．液壓油的選用選擇液壓油時，首先考慮其粘度是否滿足要求，同時兼顧其它方面。常見液壓油系列品種如表1-1所示。選擇時應考慮如下因素：液壓泵的類型、液壓系統(tǒng)的工作壓力、運動速度、環(huán)境溫度、防污染的要求和綜合經濟性等?？煽偨Y以下幾點：1）簡單的就是根據液壓元件生產廠樣本和說明書所推薦的來選用液壓油。2）初步根據液壓系統(tǒng)的使用性能和工作環(huán)境確定液壓油的類型（品種）。選用品種時，一般要求不高的液壓系統(tǒng)可選用普通液壓油；系統(tǒng)條件要求高或專用的液壓設備可選用各種專用液壓油。3）根據液壓系統(tǒng)的工作壓力、環(huán)境溫度、及工作部件的運動速度確定液壓的粘度后，確定油的具體牌號。工作壓力、環(huán)境溫度高，而控制的工作部件運動速度低時，為了減少泄漏，宜采用粘度較高的液壓油，反之，則采用粘度較低的液壓油?？偟膩碚f，選擇液壓油時一是考慮液壓油的品種，二是考慮液壓油的粘度。1.4液壓傳動的基本參數1.4.1壓力與負載的關系液體在單位面積上所承受的法向作用力，通稱為壓力，在物理學中稱為壓強。設液體在面積A上所受的法向作用力為Fn,則液體的壓力p為：

在國際單位制中，壓力的單位是帕斯卡，簡稱帕（Pa），也可用牛頓/米2（N/M2）表示。實際工程中常用千帕（kPa）或兆帕（MPa）表示，1Mpa=1000kPa=106Pa。1.4.2流量與速度的關系單位時間內，流過管道的液體體積稱為液體的流量。若在時間t內，流過管道的液體體積為V，則流量Q為：

液壓系統(tǒng)中，工程制流量常以L/Min（升/分）為單位；SI制用m3/s。液體在單位時間內流過的距離稱為液體的流速。如液體通過管道的流量為Q，管道截面積為A，則液體的流速為：

由此可見，液壓系統(tǒng)流量的大小直接影響到工作機構（如液壓缸活塞桿）的運動速度。1.4.3液壓功率液壓傳動系統(tǒng)的液壓輸出功率等于系統(tǒng)輸出流量和壓力兩個基本參數的乘積，即1.5液體流動的基本規(guī)律1.5.1流動液體的連續(xù)性原理質量守恒是自然界的客觀規(guī)律，不可壓縮液體的流動過程也遵守能量守恒定律。在流體力學中這個規(guī)律用稱為連續(xù)性方程的數學形式來表達的。如圖1-3所示，其中不可壓縮流體作定常流動的連續(xù)性方程為：v1A1=v2A2

由于通流截面是任意取的，則有：

Q=v1A1=v2A2=v3A3=……=vnAn=常數式中：v1，v2分別是流管通流截面A1及A2上的平均流速。上式表明通過流管內任一通流截面上的流量相等，當流量一定時，任一通流截面上的通流面積與流速成反比。則有任一通流斷面上的平均流速為：vi=Q/Ai1.5.2伯努利方程能量守恒是自然界的客觀規(guī)律，流動液體也遵守能量守恒定律，這個規(guī)律是用伯努利方程的數學形式來表達的。伯努利方程是一個能量方程，掌握這一物理意義是十分重要的。1.理想液體微小流束的伯努利方程為研究的方便，一般將液體作為沒有粘性摩擦力的理想液體來處理，如圖1-4。2．實際液體微小流束的伯努利方程由于液體存在著粘性，其粘性力在起作用，并表示為對液體流動的阻力，實際液體的流動要克服這些阻力，表示為機械能的消耗和損失，因此，當液體流動時，液流的總能量或總比能在不斷地減少。所以，實際液體微小流束的伯努力方程為：3．實際液體總流的伯努利方程

1.5.3流動液體的動量方程動量方程是動量定理在流體力學中的具體應用。流動液體的動量方程是流體力學的基本方程之一，它是研究液體運動時作用在液體上的外力與其動量的變化之間的關系。在液壓傳動中，再計算液流作用在固體壁面上的力時，應用動量方程去解決就比較方便。如圖1-5，流動液體的動量方程為：【例題1.1】如圖1.6所示，一直徑為D=30m的油庫，底部輸油管直徑d=20mm，放油管中心至油面的高度H=20m。設油的密度ρ=918kg/m3，放油過程中H保持不變，放油過程中壓力表的讀數為0。045MPa，試按理想液體計算：（1）放油時，放油管中的平均流速；（2）盛滿容積V=10000L的油車所需的時間。解：（1）對截面Ⅰ、Ⅱ列伯努利方程，以油管水平中心線為基準水平面1.6液體在縫隙和小孔中的流動規(guī)律1.6.1液體在縫隙中的流動規(guī)律液壓元件有相對運動的配合表面必然有—定的配合間隙-縫隙。這樣液壓油就會在縫隙兩端壓差的作用下經過縫隙向低壓區(qū)流動(稱為內泄漏)或向大氣中(稱加外泄漏)，泄漏的存在不僅會造成系統(tǒng)效率和性能的降低，使傳功準確性下降，而且外泄漏還會造成環(huán)境污染。因此研究液體經縫隙的流動規(guī)律。對于提高液壓元件的性能，保證系統(tǒng)正常工作是很重要的。出于縫隙一般都很小(幾微米到幾十微米)，水力半徑也很小，液壓油又具有—定的粘度，因此油液在縫隙中的流動一般為層流。常見縫隙一般為平面縫隙和環(huán)狀縫隙，縫隙的流動狀況一般有壓差流動和剪切流動。1．平行平板縫隙的流動規(guī)律液體流經平行平板間隙的一般情況是既受壓差Δp=p1-p2的作用，同時又受到平行平板間相對運動的作用。如圖1.7所示。設平板長為l，寬為b(圖中未畫出)，兩平行平板間的間隙為h，且l>>h，b>>h，液體不可壓縮，質量力忽略不計，粘度不變。在液體中取一個微元體dx、dy(寬度方向取單位長)，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上下兩個表面上的切應力為τ和τ+dτ，因此它的受力平衡方程為：2.圓柱環(huán)形間隙流動一般情況下，液體流動的圓柱環(huán)形間隙又分為同心環(huán)形間隙和偏心環(huán)形間隙，如圖1.8所示。1)同心環(huán)形間隙在壓差作用下的流動圖1-8a所示為同心環(huán)形間隙流動，當h/r<<1時，可以將環(huán)形間隙間的流動近似地看作是平行平板間隙間的流動，就可得到這種情況下的流動規(guī)律，即：2)偏心環(huán)形間隙在壓差作用下的流動。液壓元件中經常出現偏心環(huán)狀的情況，例如活塞與油缸不同心時就形成了偏向環(huán)狀間隙。圖1.8(b)表示了偏心環(huán)狀間隙的簡圖?？装霃綖镽，其圓心為O，軸半徑為r，其圓心為O1，偏心距e，設半徑在任一角度α時，兩圓柱表面間隙為h，可得：3．流經平行圓盤間隙的徑向流動如圖1-9所示，兩平行圓盤A和B之間的間隙為h，液流由圓盤中心孔流入，在壓差的作用下向四周徑向流出。由于間隙很小，液流呈層流，因為流動是徑向的，所以對稱于中心軸線。柱塞泵的滑履與斜盤之間以及某些端面推力靜壓軸承均屬這種情況。其流量公式為：4．圓錐狀環(huán)形間隙流動圖1.10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，導出這種流動的流量公式為：1.6.2液體在小孔中的流動規(guī)律在液壓傳動系統(tǒng)中常遇到油液流經小孔的情況，例如節(jié)流調速中的節(jié)流小孔。研究液體流經這些小孔流量壓力特性，對于研究節(jié)流調速性能，計算泄漏都是很重要的。液體流經小孔的情況可以根據孔長l與孔徑d的比值分為三種情況：l/d≤0.5時，稱為薄壁小孔；0.5＜l/d≤4時，稱為短孔；l/d＞4時，稱為細長孔。1．液流流經薄壁小孔的流量液體流經薄壁小孔的情況如圖1.11所示。液流在小孔上游大約d/2處開始加速并從四周流向小孔。由于流線不能突然轉折到與管軸線平行，在液體慣性的作用下，外層流線逐漸向管軸方向收縮，逐漸過渡到與管軸線方向平行，從而形成收縮截面Ac。對于圓孔，約在小孔下游d/2處完成收縮。通常把最小收縮面積Ac與孔口截面積之比值稱為收縮系數Cc，即Cc＝Ac/A。其中A為小孔的通流截面積。液流收縮的程度取決于Re、孔口及邊緣形狀、孔口離管道內壁的距離等因素。對于圓形小孔，當管道直徑D與小孔直徑d之比D/d≥7時，流速的收縮作用不受管壁的影響，稱為完全收縮。反之，管壁對收縮程度有影響時，則稱為不完全收縮。通過薄壁小孔的流量，可對小孔前后兩個斷面列出伯努利方程求得：2.液流流經細長孔和短孔的流量液體流經細長小孔時，一般都是層流狀態(tài)，所以當孔口直徑為d，截面積為A＝πd2/4時，可寫成：【例題1.2】內徑d=1mm的阻尼管，有Q=0.3L/Min的流量流過，液壓油的密度ρ=900kg/m3，運動粘度v=20x10-6m2/s，欲使阻尼管兩端保持1MPa的壓差，試計算阻尼管的理論長度。解：1.8液體流動的壓力損失實際粘性液體在流動時存在阻力，為了克服阻力就要消耗一部分能量，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中的hw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（如彎頭、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。1.8.1層流時的壓力損失層流狀態(tài)時，液體流經直管的沿程壓力損失可求得：層流狀態(tài)時，液體流經直管的壓力損失與動力粘度、管長、流速成正比，與管徑平方成反比。1.8.2紊流時的壓力損失層流流動中各質點有沿軸向的規(guī)則運動。而無橫向運動。紊流的重要特性之一是液體各質點不再是有規(guī)則的軸向運動，而是在運動過程中互相滲混和脈動。這種極不規(guī)則的運動，引起質點間的碰撞，并形成旋渦，使紊流能量損失比層流大得多。由于紊流流動現象的復雜性，完全用理論方法加以研究至今，尚未獲得令人滿意的成果，故仍用實驗的方法加以研究，再輔以理論解釋，因而紊流狀態(tài)下液體流動的壓力損失仍用式來計算，式中的λ值不僅與雷諾數Re有關，而且與管壁表面粗糙度Δ有關，具體的λ值見表1-2。1.8.3局部壓力損失局部壓力損失是液體流經閥口、彎管、通流截面變化等所引起的壓力損失。液流通過這些地方時，由于液流方向和速度均發(fā)生變化，形成旋渦（如圖1.12），使液體的質點間相互撞擊，從而產生較大的能量損耗。局部壓力損失的計算式可以表達成如下算式：1.8.4管路系統(tǒng)中的總壓力損失與效率管路系統(tǒng)的總壓力損失等于所有沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和，即：應用上式計算系統(tǒng)壓力損失，要求兩個相鄰局部阻力區(qū)間的距離（直管長度）應大于10～20倍直管內徑。否則，液流經過一局部阻力區(qū)后，還沒穩(wěn)定下來，又要經過另一局部阻力區(qū)，將使擾動更嚴重，阻力損失將大大增加，實際壓力損失可能比用式計算出的值大好幾倍。1.9液壓沖擊和氣穴現象1.9.1液壓沖擊現象1.液壓沖擊在液壓系統(tǒng)中，當極快地換向或關閉液壓回路時，致使液流速度急速地改變(變向或停止)，由于流動液體的慣性或運動部件的慣性，會使系統(tǒng)內的壓力發(fā)生突然升高或降低，這種現象稱為液壓沖擊(水力學中稱為水錘現象)。在研究液壓沖擊時，必須把液體當作彈性物體，同時還須考慮管壁的彈性。首先討論一下水錘現象的發(fā)展過程。如圖1.13所示，為某液壓傳動油路的一部分。管路A的入口端裝有蓄能器，出口端裝有快速電磁換向閥。當換向閥打開時，管中的流速為v0壓力為p0，現在來研究當閥門突然關閉時，閥門前及管中壓力變化的規(guī)律。當閥門突然關閉時，如果認為液體是不可壓縮的，則管中整個液體將如同剛體一樣同時靜止下來。但實驗證明并非如此，事實上只有緊鄰著閥門的一層厚度為Δl的液體于Δt時間內首先停止流動。之后，液體被壓縮，壓力增高Δp，如圖1.14所示。同時管壁亦發(fā)生膨脹。在下一個無限小時間Δt段后，緊鄰著的第二層液體層又停止下來，其厚度亦為Δl，也受壓縮，同時這段管子也膨脹了些。依此類推，第三層、第四層液體逐層停止下來，并產生增壓。這樣就形成了一個高壓區(qū)和低壓區(qū)分界面(稱為增壓波面)，它以速度c從閥門處開始向蓄能器方向傳播。我們稱c為水錘波的傳播速度，它實際上等于液體中的聲速。在閥門關閉t1=l/c時刻后，如圖1.15所示，水錘壓力波面到達管路入口處。這時，在管長l中全部液體都已依次停止了流動，而且液體處在壓縮狀態(tài)下。這時來自管內方面的壓力較高，而在蓄能器內的壓力較低。顯然這種狀態(tài)是不能平衡的，可見管中緊鄰入口處第一層的液體將會以速度v0沖向蓄能器中。與此同時，第一層液體層結束了受壓狀態(tài)，水錘壓力Δp消失，恢復到正常情況下的壓力，管壁也恢復了原狀。這樣，管中的液體高壓區(qū)和低壓區(qū)的分界面即減壓波面，將以速度c自蓄能器向閥門方向傳播。在閥門關閉t2=2l/c時刻后，全管長l內的液體壓力和體積都已恢復了原狀。圖1.15表示在緊鄰閥門前的壓力隨時間變化的圖形。由圖看出，該處的壓力每經過2l/c時間段，互相變換一次。圖1.15是理想情況。實際上由于液壓阻力及管壁變形需要消耗一定的能量，因此它是一個逐漸衰減的復雜曲線，如圖1.16所示。2．液壓沖擊壓力下面定量分析閥門突然關閉時所產生的沖擊壓力的計算。見圖1-14，設當閥門突然關閉時，在某一瞬間Δt時間內，與閥緊鄰的一段液體mn先停止下來，其厚度為Δl，體積為AΔl，質量為ρAΔl，此小段液體Δt時間內受上面液層的影響而壓縮，尚在流動中的液體以速度v0流入該層壓縮后所空出的空間。若以p0代表閥前初始壓力，而以(p0+Δp)代表驟然關閉后的壓力。若mm段面上的壓力為(p0+Δp)，而nn段面上為p0，則在Δt時間內，軸線方向作用于液體外力的沖量為(-ΔρAΔt)。同時在液體層mn的動量的增量值為(-ρAΔlv0)。對此段液體運用動量定理，可得:3.液流通道關閉迅速程度與液壓沖擊設通道關閉的時間為ts，沖擊波從起始點開始再反射到起始點的時間為Ts，則Ts可用下式表示：

式中：l為沖擊波傳播的距離，它相當于從沖擊的起始點(即通道關閉的地方)到蓄能器或油箱等液體容量比較大的區(qū)域之間的導管長度。4.液體和運動件慣性聯合作用而引起的液壓沖擊設有一用換向閥控制的油缸如圖1.17所示。計算由于油液慣性在導管中產生的液壓沖擊壓而引起的液壓沖擊力為：1.9.2空穴現象一般液體中溶解有空氣，水中溶解有約2%體積的空氣，液壓油中溶解有(6%～12%)體積的空氣。成溶解狀態(tài)的氣體對油液體積彈性模量沒有影響，成游離狀態(tài)的小氣泡則對油液體積彈性模量產生顯著的影響。空氣的溶解度與壓力成正比。當壓力降低時，原先壓力較高時溶解于油液中的氣體成為過飽和狀態(tài)，于是就要分解出游離狀態(tài)微小氣泡，其速率是較低的，但當壓力低于空氣分離壓pg時，溶解的氣體就要以很高速度分解出來，成為游離微小氣泡，并聚合長大，使原來充滿油液的管道變?yōu)榛煊性S多氣泡的不連續(xù)狀態(tài)，這種現象稱為空穴現象。油液的空氣分離壓隨油溫及空氣溶解度而變化，當油溫t=50℃時，pg＜4×106Pa(0.4bar)(絕對壓力)。1.10液壓傳動在機械工程中的應用1.10.1液壓傳動在工業(yè)機床上的應用驅動機械運動的機構以及各種傳動和操縱裝置有多種形式。根據所用的部件和零件，可分為機械的、電氣的、氣動的、液壓的傳動裝置。經常還將不同的形式組合起來運用——四位一體。在機床上，液壓傳動常應用在以下的一些裝置中：1．進給運動傳動裝置磨床砂輪架和工作臺的進給運動大部分采用液壓傳動；車床、六角車床、自動車床的刀架或轉塔刀架；銑床、刨床、組合機床的工作臺等的進給運動也都采用液壓傳動。2．往復主體運動傳動裝置龍門刨床的工作臺、牛頭刨床或插床的滑枕，由于要求作高速往復直線運動，并且要求換向沖擊小、換向時間短、能耗低，因此都可以采用液壓傳動。3．仿形裝置車床、銑床、刨床上的仿形加工可以采用液壓伺服系統(tǒng)來完成。其精度可達0.01～0.02mm。此外，磨床上的成形砂輪修正裝置亦可采用這種系統(tǒng)。4．輔助裝置機床上的夾緊裝置、齒輪箱變速操縱裝置、絲桿螺母間隙消除裝置、垂直移動部件平衡裝置、分度裝置、工件和刀具裝卸裝置、工件輸送裝置等，采用液壓傳動后，有利于簡化機床結構，提高機床自動化程度。5．靜壓支承重型機床、高速機床、高精度機床上的軸承、導軌、絲杠螺母機構等處采用液體靜壓支承后，可以提高工作平穩(wěn)性和運動精度。1.10.2液壓傳動在工程機械上的應用隨著國民經濟的迅速發(fā)展，作為主要施工設備的工程機械在國家經濟建設中發(fā)揮著越來越重要的作用。由于液壓傳動裝置具有功率密度高、易于實現直線運動、速度剛度大、便于冷卻散熱、動作實現容易等突出優(yōu)點，因而在工程機械中得到了廣泛的應用。目前95%以上的工程機械都采用了液壓技術，工程機械液壓產品在整個液壓工業(yè)銷售總額中占40%以上，現在采用液壓技術的程度是衡量一個國家工業(yè)水平的重要指標。 工程機械最初采用液壓傳動技術是為了解決車輛轉向阻力問題，以減輕司機的勞動強度，在轉向系中使用了液壓助力器。1.11液壓傳動技術的發(fā)展趨勢

液壓技術是實現現代化傳動與控制的關鍵技術之一，世界各國對液壓工業(yè)的發(fā)展都給予很大重視。據2008年最新統(tǒng)計，世界液壓元件的總銷售額為400億美元。世界各主要國家液壓工業(yè)銷售額占機械工業(yè)產值的2%~3.5%，而我國只占1%左右，這充分說明我國液壓技術使用率較低，努力擴大其應用領域，將有廣闊的發(fā)展前景。1．液壓節(jié)能技術液壓技術在將機械能轉換成壓力能及反轉換過程中，總存在能量損耗。為減少能量的損失，必須解決下面幾個問題：減少元件和系統(tǒng)的內部壓力損失，以減少功率損失；減少或消除系統(tǒng)的節(jié)流損失，盡量減少非安全需要的溢流量；采用靜壓技術和新型密封材料，減少摩擦損失；改善液壓系統(tǒng)性能，采用負荷傳感系統(tǒng)、二次調節(jié)系統(tǒng)和采用蓄能器回路。2．泄漏控制技術泄漏控制包括：防止液體泄漏到外部造成環(huán)境污染和外部環(huán)境對系統(tǒng)的侵害兩個方面。今后，將發(fā)展無泄漏元件和系統(tǒng)，如發(fā)展集成化和復合化的元件和系統(tǒng)，實現無管連接，研制新型密封和無泄漏管接頭，電機油泵組合裝置等。無泄漏將是世界液壓界今后努力的重要方向之一。3．污染控制技術過去，液壓界主要致力于控制固體顆粒的污染，而對水、空氣等的污染控制往往不夠重視。今后應重視解決：嚴格控制產品生產過程中的污染，發(fā)展封閉式系統(tǒng)，防止外部污染物侵入系統(tǒng)；應改進元件和系統(tǒng)設計，使之具有更大的耐污染能力。同時開發(fā)耐污染能力強的高效濾材和過濾器。研究對污染的在線測量；開發(fā)油水分離凈化裝置和排濕元件，以及開發(fā)能清除油中的氣體、水分、化學物質和微生物的過濾元江及檢測裝置。4．主動維護技術開展液壓系統(tǒng)的故障預測，實現主動維護技術。必須使液壓系統(tǒng)故障診斷現代化，加強專家系統(tǒng)的開發(fā)研究，建立完整的、具有學習功能的專家知識庫，并利用計算機和知識庫中的知識，推算出引起故障的原因，提出維修方案和預防措施。要進一步開發(fā)液壓系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)通用工具軟件，開發(fā)液壓系統(tǒng)自補償系統(tǒng)，包括自調整、自校正，在故障發(fā)生之前進行補償，這是液壓行業(yè)努力的方向。5．機電液一體化技術機電液9一體化可實現液壓系統(tǒng)柔性化、智能化，充分發(fā)揮液壓傳動出力大、慣性小、響應快等優(yōu)點，其主要發(fā)展動向如下：液壓系統(tǒng)將有過去的電液開發(fā)系統(tǒng)和開環(huán)比例控制系統(tǒng)轉向閉環(huán)比例伺服系統(tǒng)，同時對壓力、流量、位置、溫度、速度等傳感器實現標準化；提高液壓元件性能，在性能、可靠性、智能化等方面更適應機電一體化需求，發(fā)展與計算機直接接口的高頻，低功耗的電磁電控元件；液壓系統(tǒng)的流量、壓力、溫度、油污染度等數值將實現自動測量和診斷；電子直接控制元件將得到廣泛采用，如電控液壓泵，可實現液壓泵的各種調節(jié)方式，實現軟啟動、合理分配功率、自動保護等；借助現場總線，實現高水平信息系統(tǒng)，簡化液壓系統(tǒng)的調節(jié)、爭端和維護。6．液壓CAD技術充分利用現有的液壓CAD設計軟件，進行二次開發(fā)，建立知識庫信息系統(tǒng)，它將構成設計-制造-銷售-使用-設計的閉環(huán)系統(tǒng)。將計算機防真及適時控制結合起來，在試制樣機前，便可用軟件修改其特性參數，以達到最佳設計效果。下一個目標是，利用CAD技術支持液壓產品到零不見設計的全過程，并把CAD/CAM/CAPP/CAT，以及現代管理系統(tǒng)集成在一起建立集成計算機制造系統(tǒng)（CIMS），使液壓設計與制造技術有一個突破性的發(fā)展。7．新材料、新工藝的應用新型材料的使用，如陶瓷、聚合物或涂敷料，可使液壓的發(fā)展引起新的飛躍。為了保護環(huán)境，研究采用生物降解迅速的壓力流體，如采用菜油基和合成脂基或者水及海水等介質替代礦物液壓油。鑄造工藝的發(fā)展，將促進液壓元件性能的提高，如鑄造流道在閥體和集成塊中的廣泛使用，可優(yōu)化元件內部流動，減少壓力損失和降低噪聲，實現元件小型化。思考與習題

一、選擇題1．流量連續(xù)性方程是（）在流體力學中的表達形式，而伯努力方程是（）在流體力學中的表達形式。（A）能量守恒定律（B）動量定理（C）質量守恒定律（D）其他2．液體流經薄壁小孔的流量與孔口面積的（）和小孔前后壓力差的（）成正比。（A）一次方（B）1/2次方（C）二次方（D）三次方二、簡答題1．液壓油粘度的選擇與系統(tǒng)工作壓力、環(huán)境溫度及工作部件的運動速度有何關系？2．對于層流和紊流兩種子不同的流態(tài)，其沿程壓力損失與流速的關系有何不同？3．為什么說壓力是能量的一種表現形式？4．流量閥的節(jié)流口為什么通常要采用薄壁孔而不采用細長小孔？5．為什么減緩閥門的關閉速度可以降低液壓沖擊？第2章液壓動力與執(zhí)行元件【學習目標】明確各類液壓泵、液壓馬達和液壓缸的基本結構原理和應用特點，會運用本章知識對液壓傳動與控制系統(tǒng)中各類液壓動力與執(zhí)行元件進行功能分析和參數計算，為液壓系統(tǒng)的設計計算和元件選型校核打下基礎?！緦W習要求】掌握液壓泵的基本概念、性能參數及各種液壓泵的結構、工作原理、性能特點及工程應用；掌握液壓缸與液壓馬達的類型、結構、工作原理、性能特點及應用。2.1液壓動力元件

液壓動力元件起著向液壓系統(tǒng)提供動力源的作用，是液壓系統(tǒng)不可缺少的核心元件，它的作用可以和人類的心臟相提并論。液壓泵作為液壓系統(tǒng)提供一定的流量和壓力的動力元件，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。2.1.1液壓泵概述1.液壓泵的工作原理液壓泵都是依靠密封容積變化的原理來進行工作的，故一般稱為容積式液壓泵，圖2.1所示的是一單柱塞液壓泵的工作原理圖，圖中柱塞2裝在缸體3中形成一個密封容積a，柱塞在彈簧4的作用下始終壓緊在偏心輪1上。原動機驅動偏心輪1旋轉使柱塞2作往復運動，使密封容積a的大小發(fā)生周期性的交替變化。當a有小變大時就形成部分真空，使油箱中油液在大氣壓作用下，經吸油管頂開單向閥6進入油箱a而實現吸油；反之，當a由大變小時，a腔中吸滿的油液將頂開單向閥5流入系統(tǒng)而實現壓油。這樣液壓泵就將原動機輸入的機械能轉換成液體的壓力能，原動機驅動偏心輪不斷旋轉，液壓泵就不斷地吸油和壓油。2.液壓泵的特點 容積式液壓泵的基本特點：（1)具有若干個密封且又可以周期性變化空間。液壓泵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，與其他因素無關。這是容積式液壓泵的一個重要特性。（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，或采用密閉的充壓油箱。（3)具有相應的配流機構，將吸油腔和排油腔隔開，保證液壓泵有規(guī)律地、連續(xù)地吸、排液體。液壓泵的結構原理不同，其配油機構也不相同。如圖2.1中的單向閥5、6就是配油機構。3.液壓泵的主要性能參數液壓泵的性能參數主要有壓力、流量、轉速、排量、功率和效率等。1）壓力(1)工作壓力。液壓泵實際工作時的輸出壓力稱為工作壓力，工作壓力的大小取決于外負載的大小和排油管路上的壓力損失,而與液壓泵的流量無關。(2)額定壓力。液壓泵在正常工作條件下,按試驗標準規(guī)定連續(xù)運轉的最高壓力稱為液壓泵的額定壓力。(3)最高允許壓力。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,稱為液壓泵的最高允許壓力。2）排量和流量(1)排量V。(2)理論流量qi。(3)實際流量q。(4)額定流量qn。3）功率和效率(1)液壓泵的功率損失。

(2)液壓泵的功率。

(3)液壓泵的總效率。4．液壓泵的分類液壓泵按其在單位時間內所能輸出的油液的體積是否可調節(jié)而分為定量泵和變量泵兩類，按結構形式可分為齒輪式、葉片式和柱塞式三大類；按工作壓力的高低可分為低壓泵、中壓泵和高壓泵三類。2.1.2齒輪泵齒輪泵是一種常用液壓泵,它一般做成定量泵。其主要特點是結構簡單，制造方便，價格低廉，體積小，重量輕，自吸性能好，對油液污染不敏感，工作可靠；其主要缺點是流量和壓力脈動大，噪聲大，排量不可調。齒輪泵被廣泛地應用于采礦設備，冶金設備，建筑機械，工程機械，農林機械等各個行業(yè)。齒輪泵按照其嚙合形式的不同，有外嚙合和內嚙合兩種，其中外嚙合齒輪泵應用較廣，而內嚙合齒輪泵則多為輔助泵。下面以外嚙合齒輪泵為例來剖析齒輪泵。1．齒輪泵的工作原理和結構齒輪泵的工作原理如圖2.2所示，它是分離三片式結構，三片是指泵蓋4，8和泵體7，泵體7內裝有一對齒數相同、寬度和泵體接近而又互相嚙合的齒輪6，這對齒輪與兩端蓋和泵體形成一密封腔，并由齒輪的齒頂和嚙合線把密封腔劃分為兩部分，即吸油腔和壓油腔。兩齒輪分別用鍵固定在由滾針軸承支承的主動軸12和從動軸15上，主動軸由電動機帶動旋轉。2.流量計算齒輪泵的排量V相當于一對齒輪所有齒谷容積之和，假如齒谷容積大致等于輪齒的體積，那么齒輪泵的排量等于一個齒輪的齒谷容積和輪齒容積體積的總和，即相當于以有效齒高(h=2m)和齒寬構成的平面所掃過的環(huán)形體積，即：2.1.3葉片泵葉片泵的結構較齒輪泵復雜,但其工作壓力較高,且流量脈動小,工作平穩(wěn),噪聲較小,壽命較長。所以它被廣泛應用于機械制造中的專用機床、自動線等中低液壓系統(tǒng)中，但其結構復雜，吸油特性不太好，對油液的污染也比較敏感。根據各密封工作容積在轉子旋轉一周吸、排油液次數的不同，葉片泵分為兩類，即完成一次吸、排油液的單作用葉片泵和完成兩次吸、排油液的雙作用葉片泵。單作用葉片泵多為變量泵，工作壓力最大為7.0Mpa，雙作用葉片泵均為定量泵，一般最大工作壓力亦為7.0Mpa，結構經改進的高壓葉片泵最大的工作壓力可達16.0～21.0Mpa。1．單作用葉片泵1）單作用葉片泵的工作原理單作用葉片泵的工作原理如圖2.3所示，單作用葉片泵由轉子1、定子2、葉片3和端蓋等組成。2）單作用葉片泵的排量和流量計算

單作用葉片泵的排量為各工作容積在主軸旋轉一周時所排出的液體的總和,如圖2.6所示,兩個葉片形成的一個工作容積V′近似地等于扇形體積V1和V2之差,即：3）單作用葉片泵的結構特點(1)改變定子和轉子之間的偏心便可改變流量。偏心反向時,吸油壓油方向也相反。(2)處在壓油腔的葉片頂部受到壓力油的作用,該作用要把葉片推入轉子槽內。為了使葉片頂部可靠地和定子內表面相接觸，壓油腔一側的葉片底部要通過特殊的溝槽和壓油腔相通。吸油腔一側的葉片底部要和吸油腔相通,這里的葉片僅靠離心力的作用頂在定子內表面上。(3)由于轉子受到不平衡的徑向液壓作用力,所以這種泵一般不宜用于高壓。(4)為了更有利于葉片在慣性力作用下向外伸出，而使葉片有一個與旋轉方向相反的傾斜角，稱后傾角，一般為24°。2．雙作用葉片泵1）雙作用葉片泵的工作原理

雙作用葉片泵的工作原理如圖2.4所示,泵也是由定子1、轉子2、葉片3和配油盤(圖中未畫出)等組成。2）雙作用葉片泵的排量和流量計算

雙作用葉片泵的排量計算簡圖如圖2.5所示。由于轉子在轉一周的過程中,每個密封空間完成兩次吸油和壓油,所以當定子的大圓弧半徑為R,小圓弧半徑為r、定子寬度為B,兩葉片間的夾角為β=2π/z弧度時,每個密封容積排出的油液體積為半徑為R和r、扇形角為β、厚度為B的兩扇形體積之差的兩倍,因而在不考慮葉片的厚度和傾角時雙作用葉片泵的排量為：3．雙級葉片泵和雙聯葉片泵1）雙級葉片泵

為了要得到較高的工作壓力,也可以不用高壓葉片泵,而用雙級葉片泵,雙級葉片泵是由兩個普通壓力的單級葉片泵裝在一個泵體內在油路上串接而成的,如果單級泵的壓力可達7.0MPa,雙級泵的工作壓力就可達14.0MPa。雙級葉片泵的工作原理如圖2.6所示,兩個單級葉片泵的轉子裝在同一根傳動軸上,當傳動軸回轉時就帶動兩個轉子一起轉動。第一級泵經吸油管從油箱吸油,輸出的油液就送入第二級泵的吸油口,第二級泵的輸出油液經管路送往工作系統(tǒng)。2）雙聯葉片泵雙聯葉片泵是由兩個單級葉片泵裝在一個泵體內在油路上并聯組成。兩個葉片泵的轉子由同一傳動軸帶動旋轉,有各自獨立的出油口,兩個泵可以是相等流量的,也可以是不等流量的。4．限壓式變量葉片泵1）限壓式變量葉片泵的工作原理限壓式變量葉片泵是單作用葉片泵,根據前面介紹的單作用葉片泵的工作原理,改變定子和轉子間的偏心距e,就能改變泵的輸出流量,限壓式變量葉片泵能借助輸出壓力的大小自動改變偏心距e的大小來改變輸出流量。當壓力低于某一可調節(jié)的限定壓力時,泵的輸出流量最大;壓力高于限定壓力時,隨著壓力增加,泵的輸出流量線性地減少,其工作原理如圖2.7所示。2）限壓式變量葉片泵的特性曲線限壓式變量葉片泵在工作過程中,當工作壓力p小于預先調定的限定壓力pc時,液壓作用力不能克服彈簧的預緊力,這時定子的偏心距保持最大不變,因此泵的輸出流量qA不變,但由于供油壓力增大時,泵的泄漏流量pl也增加,所以泵的實際輸出流量q也略有減少,如圖2.8限壓式變量葉片泵的特性曲線中的AB段所示。3）限壓式變量葉片泵與雙作用葉片泵的區(qū)別(1)在限壓式變量葉片泵中,當葉片處于壓油區(qū)時,葉片底部通壓力油,當葉片處于吸油區(qū)時,葉片底部通吸油腔,這樣,葉片的頂部和底部的液壓力基本平衡,這就避免了定量葉片泵在吸油區(qū)定子內表面嚴重磨損的問題。如果在吸油腔葉片底部仍通壓力油,葉片頂部就會給定子內表面以較大的摩擦力,以致減弱了壓力反饋的作用。(2)葉片也有傾角,但傾斜方向正好與雙作用葉片泵相反,這是因為限壓式變量葉片泵的葉片上下壓力是平衡的,葉片在吸油區(qū)向外運動主要依靠其旋轉時的離心慣性作用。根據力學分析,這樣的傾斜方向更有利于葉片在離心慣性作用下向外伸出。(3)限壓式變量葉片泵結構復雜,輪廓尺寸大,相對運動的機件多,泄漏較大,軸上承受不平衡的徑向液壓力,噪聲較大,容積效率和機械效率都沒有定量葉片泵高;但是,它能按負載壓力自動調節(jié)流量,在功率使用上較為合理,可減少油液發(fā)熱。2.1.4柱塞泵柱塞泵是靠柱塞在缸體中作往復運動造成密封容積的變化來實現吸油與壓油的液壓泵，與齒輪泵和葉片泵相比，這種泵有許多優(yōu)點。首先，構成密封容積的零件為圓柱形的柱塞和缸孔，加工方便，可得到較高的配合精度，密封性能好，在高壓工作仍有較高的容積效率；第二，只需改變柱塞的工作行程就能改變流量，易于實現變量；第三，柱塞泵中的主要零件均受壓應力作用，材料強度性能可得到充分利用。1．徑向柱塞泵1）徑向柱塞泵的工作原理徑向柱塞泵的工作原理如圖2.9所示，柱塞1徑向排列裝在缸體2中，缸體由原動機帶動連同柱塞1一起旋轉，所以缸體2一般稱為轉子，柱塞1在離心力的（或在低壓油）作用下抵緊定子4的內壁，當轉子按圖示方向回轉時，由于定子和轉子之間有偏心距e，柱塞繞經上半周時向外伸出，柱塞底部的容積逐漸增大，形成部分真空，因此便經過襯套3（襯套3是壓緊在轉子內，并和轉子一起回轉）上的油孔從配油孔5和吸油口b吸油；當柱塞轉到下半周時，定子內壁將柱塞向里推，柱塞底部的容積逐漸減小，向配油軸的壓油口c壓油，當轉子回轉一周時，每個柱塞底部的密封容積完成一次吸壓油，轉子連續(xù)運轉，即完成壓吸油工作。配油軸固定不動，油液從配油軸上半部的兩個孔a流入，從下半部兩個油孔d壓出，為了進行配油，配油軸在和襯套3接觸的一段加工出上下兩個缺口，形成吸油口b和壓油口c，留下的部分形成封油區(qū)。封油區(qū)的寬度應能封住襯套上的吸壓油孔，以防吸油口和壓油口相連通，但尺寸也不能大得太多，以免產生困油現象。2）徑向柱塞泵的排量和流量計算當轉子和定子之間的偏心距為e時，柱塞在缸體孔中的行程為2e，設柱塞個數為z，直徑為d時，泵的排量為：3）徑向柱塞泵的典型結構圖2.10所示為連桿型閥式徑向柱塞泵結構圖。2．軸向柱塞泵1）軸向柱塞泵的工作原理軸向柱塞泵是將多個柱塞配置在一個共同缸體的圓周上,并使柱塞中心線和缸體中心線平行的一種泵。軸向柱塞泵有兩種形式,直軸式(斜盤式)和斜軸式(擺缸式),如圖2.11所示為直軸式軸向柱塞泵的工作原理,這種泵主體由缸體1、配油盤2、柱塞3和斜盤4組成。2）軸向柱塞泵的排量和流量計算見圖2.11,柱塞的直徑為d,柱塞分布圓直徑為D,斜盤傾角為γ時,柱塞的行程為s=Dtanγ,所以當柱塞數為z時,軸向柱塞泵的排量為：3）軸向柱塞泵的典型結構圖2.12所示為一種直軸式軸向柱塞泵的結構。油泵輸入軸9由電機帶動旋轉，缸體6隨之旋轉，缸體中的柱塞7的球頭上的滑靴5被回程盤壓向斜盤，因此柱塞7隨著斜盤的斜面在缸體6中往復運動，實現油泵的吸、排油。油泵的配油由配油盤10實現。改變斜盤傾角，就改變了油泵的輸出流量。4）變量機構(1)手動變量機構如圖2.12所示,轉動手輪15,使絲杠14轉動,帶動變量活塞13作軸向移動(因導向鍵的作用,變量活塞只能作軸向移動,不能轉動)。通過軸銷12使斜盤2繞變量機構殼體上的圓弧導軌面的中心(即鋼球中心)旋轉。從而使斜盤傾角改變,達到變量的目的。當流量達到要求時,可用鎖緊螺母鎖緊。這種變量機構結構簡單,但操縱不輕便,且不能在工作過程中變量。

(2)伺服變量機構圖2.13所示為軸向柱塞泵的伺服變量機構，以此機構代替圖2.12所示軸向柱塞泵中的手動變量機構，就成為手動伺服變量泵。其工作原理為：泵輸出的壓力油由通道經單向閥α進入變量機構殼體的下腔d，液壓力作用在變量活塞4的下端?！纠?.1】某變量葉片泵的轉子徑d=83mm，定子內徑D=89mm，葉片寬度B=30mm。求：(1)當泵的排量V=16Ml/r時，定子也轉子間的偏心量有多大？(2)泵的最大排量是多少？解：（1）求偏心量以單作用式葉片泵的理論排量公式計算（忽略葉片厚度）（2）根據已知條件確定最大可能的偏心量emax

，再求出最大可能的理論排量定子與轉子之間的最小間隙選為0.5mm2.1.5液壓泵的選用 液壓泵是液壓系統(tǒng)提供一定流量和壓力的油液動力元件,它是每個液壓系統(tǒng)不可缺少的核心元件,合理的選擇液壓泵對于降低液壓系統(tǒng)的能耗、提高系統(tǒng)的效率、降低噪聲、改善工作性能和保證系統(tǒng)的可靠工作都十分重要。選擇液壓泵的原則是:根據主機工況、功率大小和系統(tǒng)對工作性能的要求,首先確定液壓泵的類型,然后按系統(tǒng)所要求的壓力、流量大小確定其規(guī)格型號。表2-1列出了液壓系統(tǒng)中常用液壓泵的主要性能。2.2液壓執(zhí)行元件2.2.1液壓缸液壓缸是液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件之一，它是一種把液體的壓力能轉換成機械能以實現直線往復運動的或往復擺動的能量轉換裝置。1．液壓缸的分類、特點和職能符號液壓缸的分類，特點及圖型符號見表2-2。2．活塞式液壓缸活塞式液壓缸根據其使用要求不同可分為雙桿式和單桿式兩種。1）雙桿式活塞缸活塞兩端都有一根直徑相等的活塞桿伸出的液壓缸稱為雙桿式活塞缸，它一般由缸體、缸蓋、活塞、活塞桿和密封件等零件構成。根據安裝方式不同可分為缸筒固定式和活塞桿固定式兩種。如圖2.14a所示的為缸筒固定式的雙桿活塞缸。2）單桿式活塞缸如圖2.15所示，活塞只有一端帶活塞桿，單桿液壓缸也有缸體固定和活塞桿固定兩種形式，但它們的工作臺移動范圍都是活塞有效行程的兩倍。由于液壓缸兩腔的有效工作面積不等，因此它在兩個方向上的輸出推力和速度也不等，其值分別為：

3）差動液壓缸單桿活塞缸在其左右兩腔都接通高壓油時稱為：“差動連接”，如圖2.16所示。3.柱塞式液壓缸如圖2.17a所示為柱塞缸，它只能實現一個方向的液壓傳動，反向運動要靠外力。若需要實現雙向運動，則必須成對使用。如圖2.17b所示，這種液壓缸中的柱塞和缸筒不接觸，運動時由缸蓋上的導向套來導向，因此缸筒的內壁不需精加工，它特別適用于行程較長的場合。4.其它液壓缸1）增壓液壓缸增壓液壓缸又稱增壓器，它利用活塞和柱塞有效面積的不同使液壓系統(tǒng)中的局部區(qū)域獲得高壓。它有單作用和雙作用兩種型式，單作用增壓缸的工作原理如圖2.18a所示，當輸入活塞缸的液體壓力為p1，活塞直徑為D，柱塞直徑為d時，柱塞缸中輸出的液體壓力為高壓，其值為：顯然增壓能力是在降低有效能量的基礎上得到的，也就是說增壓缸僅僅是增大輸出的壓力，并不能增大輸出的能量。單作用增壓缸在柱塞運動到終點時，不能再輸出高壓液體，需要將活塞退回到左端位置，再向右行時才又輸出高壓液體，為了克服這一缺點，可采用雙作用增壓缸，如圖2.18b所示，由兩個高壓端連續(xù)向系統(tǒng)供油。2）伸縮缸伸縮缸由兩個或多個活塞缸套裝而成，前一級活塞缸的活塞桿內孔是后一級活塞缸的缸筒，伸出時可獲得很長的工作行程，縮回時可保持很小的結構尺寸，伸縮缸被廣泛用于起重運輸車輛上。伸縮缸可以是如圖2.19a所示的單作用式，也可以是如圖2.19b所示的雙作用式，前者靠外力回程，后者靠液壓回程。3）齒輪傳動缸它由兩個柱塞缸和一套齒條傳動裝置組成，如圖2.20所示。柱塞的移動經齒輪齒條傳動裝置變成齒輪的傳動，用于實現工作部件的往復擺動或間歇進給運動。4）擺動式液壓缸擺動式液壓缸是輸出扭矩并實現往復運動的執(zhí)行元件，也稱擺動式液壓馬達。有單葉片和雙葉片兩種形式。圖2.24中定子塊固定在缸體上，而葉片和轉子連接在一起。根據進油方向，葉片將帶動轉子作往復擺動。5．常用液壓缸典型結構及工作原理1）液壓缸的典型結構舉例圖2.22所示的是一個較常用的雙作用單活塞桿液壓缸。它是由缸底20、缸筒10、缸蓋兼導向套9、活塞11和活塞桿18組成。由圖2.23可見，液壓缸的左右兩腔是通過油口b和d經活塞桿1和15的中心孔與左右徑向孔a和c相通的。由于活塞桿固定在床身上，缸體10固定在工作臺上，工作臺在徑向孔c接通壓力油，徑向孔a接通回油時向右移動；反之則向左移動。2）液壓缸的組成從上面所述的液壓缸典型結構中可以看到，液壓缸的結構基本上可以分為缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置和排氣裝置五個部分。2.2.2液壓馬達1.液壓馬達分類及特點液壓馬達是把液體的壓力能轉換為機械能的裝置，從原理上講，液壓泵可以作液壓馬達用，液壓馬達也可作液壓泵用。但事實上同類型的液壓泵和液壓馬達雖然在結構上相似，但由于兩者的工作情況不同，使得兩者在結構上也有某些差異。2．液壓馬達的性能參數1）排量、流量和容積效率習慣上將馬達的軸每轉一周，按幾何尺寸計算所進入的液體容積，稱為馬達的排量V，有時稱之為幾何排量、理論排量，即不考慮泄漏損失時的排量。2）液壓馬達輸出的理論轉矩根據排量的大小，可以計算在給定壓力下液壓馬達所能輸出的轉矩的大小，也可以計算在給定的負載轉矩下馬達的工作壓力的大小。當液壓馬達進、出油口之間的壓力差為ΔP，輸入液壓馬達的流量為q，液壓馬達輸出的理論轉矩為Tt，角速度為ω，如果不計損失，液壓馬達輸入的液壓功率應當全部轉化為液壓馬達輸出的機械功率，即：3）液壓馬達的機械效率由于液壓馬達內部不可避免地存在各種摩擦，實際輸出的轉矩T總要比理論轉矩Tt小些，即：4）液壓馬達的啟動機械效率ηm

液壓馬達的啟動機械效率是指液壓馬達由靜止狀態(tài)起動時，馬達實際輸出的轉矩T0與它在同一工作壓差時的理論轉矩Tt之比。即：5）液壓馬達的轉速液壓馬達的轉速取決于供液的流量和液壓馬達本身的排量V，可用下式計算：3．各類液壓馬達的工作原理常用的液壓馬達的結構與同類型的液壓泵很相似，下面對齒輪馬達、葉片馬達、軸向柱塞馬達和擺動馬達的工作原理作一介紹。1）齒輪馬達的工作原理圖2.24為外嚙合齒輪馬達的工作原理圖。2）葉片馬達的工作原理圖2.25為葉片馬達的工作原理圖。3）軸向柱塞馬達的工作原理軸向柱塞馬達包括斜盤式和斜軸式兩類。由于軸向柱塞馬達和軸向柱塞泵的結構基本相同，工作原理是可逆的，所以大部分產品既可作為泵使用。圖2.26示軸向柱塞式液壓馬達的工作原理。4）擺動馬達擺動液壓馬達的工作原理見圖2.27?！纠?】有一液壓泵，當負載p1=9MPa時，輸出流量為q1=85L/min，而負載p2=11MPa時，輸出流量為q2=82L/min。用此泵帶動一排量VM=0.07L/r的液壓馬達，當負載轉矩TM=110N·m時，液壓馬達的機械效率ηMm=0.9，轉速nM=1000r/min，求此時液壓馬達的總效率。思考與習題

一、選擇題1．對于液壓泵來說，在正常工作條件下，按實驗標準規(guī)定連續(xù)運轉的最高壓力稱之為泵的（）。A額定壓力B最高允許壓力C工作壓力2．通常齒輪泵的吸油管應比壓油管（）些。A粗B細C長D短3．為了使齒輪泵的齒輪平穩(wěn)地嚙合運轉、吸壓油腔嚴格地密封以及均勻連續(xù)地供油，必須使齒輪嚙合的重疊系數r（）。A大于B等于C小于。二、簡答題1．液壓傳動中常用的液壓泵分為哪些類型？2．如果與液壓泵吸油口相通的油箱是完全封閉的，不與大氣相通，液壓泵能否正常工作？3．為什么稱單作用葉片泵為非卸荷式葉片泵，稱雙作用葉片泵為卸荷式葉片泵？4．什么是雙聯泵？什么是雙級泵？5．液壓缸為什么要設緩沖裝置？第3章液壓控制與輔助元件【學習目標】明確各類液壓控制閥的基本結構原理和應用特點，了解液壓蓄能器等輔助元件的結構及應用，會運用本章知識對液壓傳動與控制系統(tǒng)中各類液壓控制閥進行功能分析和參數計算，為液壓系統(tǒng)的設計計算和輔助元件選型校核打下基礎?！緦W習要求】掌握液壓控制閥的基本概念、性能參數及各種液壓控制閥的結構、工作原理、性能特點；掌握蓄能器、過濾器等元件類型、結構、工作原理、性能特點及應用；重點掌握各類液壓控制閥的結構原理、工作性能及應用領域；了解液壓輔助元件的工作原理及選用依據；了解液壓集成設計原理和方法。3.1液壓控制閥3.1.1液壓閥概述1.液壓閥的作用液壓閥是用來控制液壓系統(tǒng)中油液的流動方向或調節(jié)其壓力和流量的，因此它可分為方向閥、壓力閥和流量閥三大類。一個形狀相同的閥，可以因為作用機制的不同，而具有不同的功能。壓力閥和流量閥利用通流截面的節(jié)流作用控制著系統(tǒng)的壓力和流量，而方向閥則利用通流通道的更換控制著油液的流動方向。這就是說，盡管液壓閥存在著各種各樣不同的類型，它們之間還是保持著一些基本共同之點的。例如：在結構上，所有的閥都有閥體、閥芯（轉閥或滑閥）和驅使閥芯動作的元、部件（如彈簧、電磁鐵）組成；在工作原理上，所有閥的開口大小，閥進、出口間壓差以及流過閥的流量之間的關系都符合孔口流量公式，僅是各種閥控制的參數各不相同而已。2.液壓閥的分類在液壓系統(tǒng)中，用于控制或調節(jié)液體的流動方向、壓力高低、流量大小的元件統(tǒng)稱為液壓控制閥。液壓閥性能的優(yōu)、劣、工作是否可靠，對整個液壓系統(tǒng)能否正常工作將產生直接影響。本章將重點介紹常用液壓閥的典型結構、工作原理、性能特點及應用范圍。在液壓系統(tǒng)中，用于控制系統(tǒng)中液流壓力、流量和液流方向的元件總稱為液壓控制閥。液壓控制閥的種類繁多，除了不同品種、規(guī)格的通用閥外，還有許多專用閥和復合閥。就液壓閥的基本類型來說，通常按以下方式進行分類。1）按用途分(1)壓力控制閥(2)流量控制閥(3)方向控制閥2）按控制方式(1)開關或定值控制閥(2)伺服控制閥(3)電液比例控制閥(4)數字控制閥3）根據結構形式分類

(1)滑閥類(2)提升閥類(3)噴嘴擋板閥類4）根據連接和安裝方式分類

(1)管式閥(2)板式閥(3)插裝閥(4)疊加閥4．對液壓閥的基本要求各種液壓閥，由于不是對外作功的元件，而是用來實現執(zhí)行元件(機構)所提出的力(力矩)、速度、變向的要求的，因此對液壓控制閥的共同要求是：（1）動作靈敏、性能好，工作可靠且沖擊振動?。唬?）油液通過閥時的液壓損失要小；（3）密封性能好；（4）結構簡單緊湊、體積小，安裝、調整、維護、保養(yǎng)方便，成本低廉，通用性大，壽命長。5．液壓控制閥的性能參數液壓閥的規(guī)格大小用通徑Dg（單位mm）表示。Dg是閥進、出油口的名義尺寸，它和實際尺寸不一定相等。對于不同類型的各種閥，也有使用其它參數表征其工作性能的。一般有額定壓力、流量，以及壓力損失、開啟壓力、允許背壓、最小穩(wěn)定流量等。同時在產品樣本中給出若干條特性曲線，供使用者確定不同狀態(tài)下的性能參數值。3.1.2方向控制閥方向控制閥是用來改變液壓系統(tǒng)中各油路之間液流通斷關系的閥類，如單向閥、換向閥及壓力表開關等。1．單向閥單向閥有普通單向閥和液控單向閥等。1）普通單向閥如圖3.1a和3.1b，分別是管式連接的直通式單向閥和板式連接的直角式單向閥。。圖3.1c為單向閥的圖形符號。2）液控單向閥除普通單向閥外，還有液控單向閥，它是液壓系統(tǒng)經常使用的液壓元件。如圖3.2，液控單向閥由閥體2、閥芯5、彈簧6、控制活塞3、推桿4等組成。閥芯為一般錐芯，彈簧的剛度較小。液控單向閥按控制活塞背壓腔的泄油方式不同，分為內泄式和外泄式。內泄式如圖3.2，控制活塞的背壓腔通過內泄油孔a連通單向閥的P1口；外泄式如圖3.3，控制活塞的背壓腔通過外泄油孔a直接通油箱。一般情況下在反向出油口的壓力P1較低時采用內泄式，較高時采用外泄式，以減小所需控制壓力。如圖3.4，卸載式液控單向閥帶有卸載閥，當控制活塞向右運動時首先頂開卸載閥的小閥芯，使主油路油壓P2卸壓，繼續(xù)運動再頂開單向閥芯，反向導通油路。這樣可大大減小控制壓力，實際應用這種結構的液控單向閥可以使控制壓力與工作壓力之比降低到4.5％左右，常用于高壓系統(tǒng)。如圖3.5，兩個液控單向閥共用一個閥體和控制活塞，這樣組合的結構稱為液壓鎖。當從A1通入壓力油時，在導通A1與A2油路的同時推動活塞右移，頂開右側的單向閥，解除B2到B1的反向截止作用；當B1通入壓力油時，在導通B1與B2油路的同時推動活塞左移，頂開左側的單向閥，解除A2到A1的反向截止作用；而當A1與B1口沒有壓力油作用時，兩個液控單向閥都為關閉狀態(tài)，鎖緊油路。【例3.1】圖3.6所示液壓缸，A1=30cm2，A2=12cm2，F=3*104N，液控單向閥用作閉鎖以防止液壓缸下滑，閥內控制活塞面積Ak是閥芯承壓面積A的三倍，若摩擦力、彈簧力均忽略不計，試計算需要多大的控制壓力才能開啟液控單向閥？開啟前液壓缸中最高壓力為多少？解：(1)由圖可知，液控單向閥反向流動時背壓為零，控制活塞頂開單向閥閥芯最小控制壓力2．換向閥換向閥是借助于閥芯與閥體之間的相對運動，控制與閥體相連的各油路實現通、斷或改變液流方向的元件。對換向閥的基本要求是：①液流通過閥時壓力損失?。虎诨ゲ幌嗤ǖ挠涂陂g的泄漏??；③換向可靠、迅速且平穩(wěn)無沖擊。1）換向閥的工作原理圖3.7為滑閥式三位五通換向閥的工作原理。2）換向閥的分類換向閥的應用十分廣泛，種類很多，分類方法也不同，一般可以按下表分類：3）滑閥式換向閥(1)閥體和閥芯的幾種配合型式(2)位置數、通路數及中位機能①換向閥的位置數②換向閥的通路數③換向閥的中位機能4）幾種常用的換向閥

(1)手動換向閥手動換向閥是用手動杠桿操縱閥芯換位的換向閥。按換向定位方式不同，分為彈簧復位式3.9a和鋼球定位圖3.9b。(2)電磁動換向閥電磁動換向閥簡稱電磁換向閥。是靠通電線圈對銜鐵的吸引轉化而來的推力操縱閥芯換位的換向閥。如圖3.10為閥芯為二臺肩結構的三位四通O型中位機能的電磁換向閥。(3)液動換向閥電磁換向閥動作靈敏，易于實現自動控制，但電磁鐵吸力有限。當液壓閥規(guī)格較大，通過的流量大時，產生的液動力就很大，這時電磁力很難滿足換向要求。實際上，當換向閥的通徑大于10mm時，常采用液壓力來操縱閥芯換位。采用液壓力操縱閥芯換位的液壓閥稱為液動閥，如圖3.11為三位四通液動換向閥的結構原理圖和圖形符號，K1、K2為液控口。(4)電液動換向閥 驅動液動換向閥的液壓油可以采用機動閥、手動閥或電磁換向閥來進行控制。采用電磁換向閥控制液動換向閥的組合稱為電液動換向閥，簡稱電液換向閥，它集中了電磁換向閥和液動換向閥的優(yōu)點。液動換向主閥主要采用彈簧對中方式（也有采用液壓對中方式的，應用較少，這里不介紹），如圖3.12，作為先導閥的電磁換向閥的中位需采用Y型機能，保證在電磁鐵不通電時，液動換向閥的左、右控制腔連通油箱，消除液壓力影響，保證彈簧力可靠對中。在電液換向閥的先導閥和主閥之間，常設一對阻尼調節(jié)器，它們可以是疊加式單向節(jié)流閥，如圖3.12。當控制油進入主閥芯的控制腔時經過單向閥，控制油流出時經過節(jié)流閥（出油節(jié)流調速），通過調節(jié)節(jié)流閥的開口，控制閥芯的換位速度?！纠?.2】電液動換向閥的先導閥，為何選用Y型中位機能？改用其他型中位機能是否可以？為什么？答：不行，使液控閥兩邊在先導閥斷電時無壓力處于中位狀態(tài)，改用其它中位機能不行，不能達到上述要求。這樣可以保證主閥芯在中位時，油液能回油。3.1.3壓力控制閥在液壓系統(tǒng)中控制油液壓力高低或利用壓力變化實現某種動作的閥通稱為壓力控制閥。常見的壓力控制閥按功用分為溢流閥、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等。1．溢流閥溢流閥有多種用途，主要是運用溢流的方法使液壓泵的供油壓力得到調整并保持基本恒定。溢流閥按其結構原理可分為直動型和先導型兩種。對溢流閥的要求主要是：①調壓范圍大，調壓偏差小，動作靈敏；②過流能力強；③工作時噪聲小等。1）直動式溢流閥圖3.14為錐閥式和滑閥式普通直動型溢流閥的結構原理。對于錐閥式溢流閥，圖3.14a，當進油口P的油液壓力不高時，錐閥芯2被彈簧3壓緊在閥座上，閥口關閉。當進口油壓P升高到能克服彈簧阻力時，便推開錐閥芯使閥口打開，油液就從回油口T流回油箱（溢流），進油壓力P也就不會繼續(xù)升高。對于滑閥式直動溢流閥圖3.14b，其工作原理與錐閥式類似，進口的壓力油通過閥體內的通道a引入閥芯下端，直接與上端的彈簧相互作用，彈簧腔的泄漏油與出油口相連。2）先導式溢流閥圖3.15為某先導式溢流閥的結構原理。3）溢流閥的性能溢流閥的性能包括溢流閥的靜態(tài)性能和動態(tài)性能，在此作簡單介紹。(1)靜態(tài)性能當溢流閥在溢流量發(fā)生由零至額定流量的階躍變化時，它的進口壓力，也就是