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液壓與氣動(dòng)技術(shù) 單元液壓傳動(dòng)基礎(chǔ) 2005－1－20 教學(xué)內(nèi)容： 液壓傳動(dòng)的基本概念（難點(diǎn)） 液壓裝置的組成 液壓傳動(dòng)的基本理論（重點(diǎn)） 液壓油 1.1液壓傳動(dòng)基本概念 什么是液壓傳動(dòng)呢？ 液壓傳動(dòng)是：利用有壓的液體，經(jīng)由一些機(jī)件控制之后來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。 液壓傳動(dòng)是以流體作為工作介質(zhì)對(duì)能量進(jìn)行傳動(dòng)和控制的一種傳動(dòng)形式。 下面看一個(gè)實(shí)例： 1.1液壓傳動(dòng)基本概念 如圖所示： 從圖可知：液壓傳動(dòng)系統(tǒng) 由哪些部分組成？ 1.2液壓裝置的組成 由上圖可知，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)由液壓泵、控制閥、執(zhí)行元件和油箱等一些輔助元件組成。 1．液壓泵 2．執(zhí)行元件 3．控制元件 4.輔助元件 1.4液壓傳動(dòng)基本理論 1、液體靜壓力：靜止液體在單位面積上所受的法向力稱(chēng)為靜壓力。靜壓力在液壓傳動(dòng)中簡(jiǎn)稱(chēng)壓力，在物理學(xué)中則稱(chēng)為壓強(qiáng)。如何定義液體中某點(diǎn)的壓力？ 2.液體靜壓力有兩個(gè)重要特性: （1）液體靜壓力垂直于承壓面，其方向和該面的內(nèi)法線(xiàn)方向一致。這是由于液體質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)聚力很小，不能受拉只能受壓之故。為什么？ （2）靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)所受到的壓力在各個(gè)方向上都相等。為什么？如果某點(diǎn)受到的壓力在某個(gè)方向上不相等，那么液體就會(huì)流動(dòng)，這就違背了液體靜止的條件。 1.4液壓傳動(dòng)基本理論 3、液體靜壓力基本方程 p△A=Po △A+ ρgh△A 式中，ρgh△A為小液柱的重力， ρ—液體的密度 上式化簡(jiǎn)后得：p=p0+ρgh 1.4液壓傳動(dòng)基本理論 3、液體靜壓力基本方程說(shuō)明什么問(wèn)題： （1） 靜止液體中任何一點(diǎn)的靜壓力為作用在液面的壓力Po和液體重力所產(chǎn)生的壓力ρgh之和。 （2） 液體中的靜壓力隨著深度h 而線(xiàn)性增加。 （3）在連通器里，靜止液體中只要深度h 相同其壓力都相等。 p=p0+ρgh 1.4液壓傳動(dòng)基本理論 3、應(yīng)用液體靜壓力基本方程：  例1-1 如圖1-3所示，容器內(nèi)盛油液。已知油的密度=900kg/m3，活塞上的作用力F=1000N，活塞的面積A=1×10-3m2，假設(shè)活塞的重量忽略不計(jì)。問(wèn)活塞下方深度為h=0.5m處的壓力等于多少？ 1.4液壓傳動(dòng)基本理論 解: 活塞與液體接觸面上的壓力均勻分布，有 根據(jù)靜壓力的基本方程式（1-3），深度為h處的液體壓力 =106 +900×9.8×0.5 =1.0044×106(N/m2)106(Pa) 從本例可以看出，液體在受外界壓力作用的情況下，液體自重所形成的那部分壓力gh相對(duì)甚小，在液壓系統(tǒng)中�？珊雎圆挥�(jì)，因而可近似認(rèn)為整個(gè)液體內(nèi)部的壓力是相等的。以后我們?cè)诜治鲆簤合到y(tǒng)的壓力時(shí)，一般都采用這種結(jié)論。 1.4液壓傳動(dòng)基本理論 4、 絕對(duì)壓力、表壓力及真空度   根據(jù)度量方法的不同有所謂的表壓力又稱(chēng)相對(duì)壓力（gauge pressure）和絕對(duì)壓力（absolute pressure）之分。以當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?atomosphere)為基準(zhǔn)所表示的壓力稱(chēng)為表壓力。以絕對(duì)零壓力作為基準(zhǔn)所表示的壓力稱(chēng)為絕對(duì)壓力。 如液體中某點(diǎn)處的絕對(duì)壓力小于大氣壓力，這時(shí)該點(diǎn)的絕對(duì)壓力比大氣壓力小的那部分壓力值，稱(chēng)為真空度。所以 真空度=大氣壓力-絕對(duì)壓力 1.4液壓傳動(dòng)基本理論 4、 絕對(duì)壓力、表壓力及真空度 有關(guān)表壓力、絕對(duì)壓力和真空度的關(guān)系見(jiàn)圖1-4。 1.4液壓傳動(dòng)基本理論 5、帕斯卡原理（Pascal’s Principle） 圖所示建立了一個(gè)很重要的概念，即在液壓傳動(dòng)中工作的壓力取決于負(fù)載，而與流入的流體多少無(wú)關(guān)。 1.4液壓傳動(dòng)基本理論 6、連續(xù)定理(Principle of Continuity) 液體在流動(dòng)時(shí)，通過(guò)任一通流橫截面的速度、壓力和密度不隨時(shí)間改變的流動(dòng)稱(chēng)為穩(wěn)流，反之速度、壓力和密度其中一項(xiàng)隨時(shí)間而變，就稱(chēng)為非穩(wěn)流。 對(duì)穩(wěn)流而言，液體以穩(wěn)流流動(dòng)通過(guò)管內(nèi)任一截面的液體質(zhì)量必然相等。如圖1-6所示管內(nèi)兩個(gè)流通截面面積為A1和A2，流速分別為V1和V2，則通過(guò)任一截面的流量Q如（1－6）式表示。 Q=AV=A1V1=A2V2=常量 （1－6） 式（1－6）即連續(xù)定理， 此式還得出另一個(gè)重要的基本概念， 即運(yùn)動(dòng)速度取決于流量， 而與流體的壓力無(wú)關(guān)。 1.4液壓傳動(dòng)基本理論 6、連續(xù)定理(Principle of Continuity)應(yīng)用及帕斯卡原理應(yīng)用：例1-2 圖1－7所示為相互連通的兩個(gè)液壓缸，已知大缸內(nèi)徑D=100mm， 小缸內(nèi)徑d=20mm，大活塞上放上質(zhì)量為5000kg的物體。問(wèn):1.在小活塞上所加的力F有多大才能使大活塞頂起重物？2.若小活塞下壓速度為0.2m/s，試求大活塞上升速度？ 1.4液壓傳動(dòng)基本理論 6、連續(xù)定理(Principle of Continuity)： 解：1．物體的重力為G=mg=5000kg×9.8m/s2=49000kg·m/s2=49000N 根據(jù)帕斯卡原理，由外力產(chǎn)生的壓力在兩缸中相等，即 故為了頂起重物應(yīng)在小活塞上加力為 = ×49000N=1960N 2.由連續(xù)定理：Q=AV=常數(shù)得出： 故大活塞上升速度： 本例說(shuō)明了液壓千斤頂?shù)纫簤浩鹬貦C(jī)械的工作原理，體現(xiàn)了液壓裝置的力放大作用。 1.4液壓傳動(dòng)基本理論 7、液體流動(dòng)中的壓力和流量的損失 （1）壓力損失：由于液體具有粘性，在管路中流動(dòng)時(shí)又不可避免地存在著摩擦力，所以液體在流動(dòng)過(guò)程中必然要損耗一部分能量。這部分能量損耗主要表現(xiàn)為壓力損失。 壓力損失有沿程損失和局部損失兩種。沿程損失是當(dāng)液體在直徑不變的直管中流過(guò)一段距離時(shí)，因摩擦而產(chǎn)生的壓力損失。局部損失是由于管子截面形狀突然變化、液流方向改變或其它形式的液流阻力而引起的壓力損失�？偟膲毫�損失等于沿程損失和局部損失之和。 由于壓力損失的必然存在，所以泵的額定壓力要略大于系統(tǒng)工作時(shí)所需的最大工作壓力，一般可將系統(tǒng)工作所需的最大工作壓力乘以一個(gè)1.3～1.5的系數(shù)來(lái)估算。 1.4液壓傳動(dòng)基本理論 7、液體流動(dòng)中的壓力和流量的損失 （2）流量損失 在液壓系統(tǒng)中，各被壓元件都有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面，如液壓缸內(nèi)表面和活塞外表面，因?yàn)橐�有相�?duì)運(yùn)動(dòng)，所以它們之間都有一定的間隙，如果間隙的一邊為高壓油，另一邊為低壓油，則高壓油就會(huì)經(jīng)間隙流向低壓區(qū)從而造成泄漏。同時(shí)由于液壓元件密封不完善，一部分油液也會(huì)向外部泄漏。這種泄漏造成實(shí)際流量有所減少，這就是我們所說(shuō)的流量損失。 流量損失影響運(yùn)動(dòng)速度，而泄漏又難以絕對(duì)避免，所以在液壓系統(tǒng)中泵的額定流量要略大于系統(tǒng)工作時(shí)所需的最大流量。通常也可以用系統(tǒng)工作所需的最大流量乘以一個(gè)l.1～1.3的系數(shù)來(lái)估算。 1.4液壓傳動(dòng)基本理論 8、液壓沖擊和空穴現(xiàn)象 （1）液壓沖擊：在液壓系統(tǒng)中，當(dāng)油路突然關(guān)閉或換向時(shí)，會(huì)產(chǎn)生急劇的壓力升高，這種現(xiàn)象。 造成液壓沖擊的主要原因是液壓速度的急劇變化、高速運(yùn)動(dòng)工作部件的慣性力和某些液壓元件反應(yīng)動(dòng)作不夠靈敏. 產(chǎn)生液壓沖擊時(shí)，系統(tǒng)中的壓力瞬間就要比正常壓力大好幾倍，特別是在壓力高、流量大的情況下，極易引起系統(tǒng)的振動(dòng)、噪音甚至導(dǎo)管或某些液壓元件的損壞，既影響系統(tǒng)的工作質(zhì)量又會(huì)縮短其使用壽命。還要注意的是由于壓力沖擊產(chǎn)生的高壓力可能使某些液壓元件（如壓力繼電器）產(chǎn)生誤動(dòng)作，而損壞設(shè)備。 避免液壓沖擊的主要辦法是避免液流速度的急劇變化。延緩速度變化的時(shí)間能有效地防止液壓沖擊，如將液動(dòng)換向閥和電磁換向閥聯(lián)用可減少液壓沖擊，因?yàn)橐簞?dòng)換向閥能把換向時(shí)間控制得慢一些。 1.4液壓傳動(dòng)基本理論 8、液壓沖擊和空穴現(xiàn)象 （2）空穴現(xiàn)象： 如果液壓系統(tǒng)中發(fā)生了空穴現(xiàn)象，液體中的氣泡隨著液流運(yùn)動(dòng)到壓力較高的區(qū)域時(shí)，氣泡在較高壓力作用下將迅速破裂，從而引起局部液壓沖擊，造成噪音和振動(dòng)，另一方面，由于氣泡破壞了液流的連續(xù)性，降低了油管的通油能力，造成流量和壓力的波動(dòng)，使液壓元件承受沖擊載荷，影響其使用壽命。同時(shí)氣泡中的氧也會(huì)腐蝕金屬元件的表面，我們把這種因發(fā)生空穴現(xiàn)象而造成的腐蝕叫汽蝕。 在液壓傳動(dòng)裝置中，汽蝕現(xiàn)象可能發(fā)生在油泵、管路以及其它具有節(jié)流裝置的地方，特別是油泵裝置，這種現(xiàn)象最為常見(jiàn)。 汽蝕現(xiàn)象是液壓系統(tǒng)產(chǎn)生各種故障的原因之一，特別在高速、高壓的液壓設(shè)備中更應(yīng)注意。 1.5液壓油 液壓系統(tǒng)中完全靠液壓油把能量從液壓泵經(jīng)管路、控制閥傳遞到執(zhí)行元件，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，許多液壓設(shè)備的故障，皆起因于液壓油的使用不當(dāng)，故應(yīng)對(duì)液壓油要有充分的了解。 1.5液壓油 1、液壓油的用途 （1） 傳遞運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力：將泵的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能并傳至各處，由于油本身具有粘度，在傳遞過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的動(dòng)力損失。 （2）潤(rùn)滑：液壓元件內(nèi)各移動(dòng)部位，都可受到液壓油充分潤(rùn)滑，從而減低元件磨耗。 （3）密封：油本身的粘性對(duì)細(xì)小的間隙有密封的作用。 （4）冷卻：系統(tǒng)損失的能量會(huì)變成熱，被油帶出。 1.5液壓油 2、液壓油的種類(lèi)：液壓油主要有下列二種 （1）礦物油系液壓油（可燃性）：主要由石臘基（paraffin base）的原油精制而成，再加抗氧化劑和防銹劑，為用途最多的一種；其缺點(diǎn)為耐火性差。 （2）耐火性液壓油（難燃性）：專(zhuān)用于防止有引起火災(zāi)危險(xiǎn)的乳化型液壓油。有水中油滴型（o/w）和油中水滴形（w/o）兩種，水中油滴型（o/w）的潤(rùn)滑性差，會(huì)侵蝕油封和金屬；油中水滴形（w/o）化學(xué)穩(wěn)定性很差。 （3）專(zhuān)用液壓油：航空、艦船、炮用及車(chē)輛制動(dòng)用液壓油。 1.5液壓油 3、液壓油的性質(zhì) （1）密度，比重越大，泵吸入性越差。 （2）閃火點(diǎn)：油溫升高時(shí)，部分的油會(huì)蒸發(fā)而與空氣混合成油氣，此油氣所能點(diǎn)火的最低溫度稱(chēng)為閃火點(diǎn)，如繼續(xù)加熱，則會(huì)連續(xù)燃燒，此溫度稱(chēng)為燃燒點(diǎn)。 （3）粘度：流體流動(dòng)時(shí)，沿其邊界面會(huì)產(chǎn)生一種阻止其運(yùn)動(dòng)的流體磨擦作用，這種產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)稱(chēng)為粘性。 （4）壓縮性：有體積壓縮系數(shù)β或其倒數(shù)體積彈性模數(shù)K表示。 液壓油還有其他一些性質(zhì)，如穩(wěn)定性、抗泡沫性、抗乳化性、防銹性、潤(rùn)滑性、以及相容性等。 1.5液壓油 式中：τ— 剪應(yīng)力（） μ— 動(dòng)力粘度（單位是Pa.s;1 Pa.s=10P，一般用P（泊dyn.s/cm2）；cP（厘泊）來(lái)表示，） 將液體動(dòng)力粘度與液體密度之比稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)粘度。 運(yùn)動(dòng)粘度也是絕對(duì)粘度，單位為m2/s， 1 m2/s =106 mm2/s(厘斯，cSt) 動(dòng)力粘度的物理意義：當(dāng)速度梯度為1時(shí)， 接觸液層間單位面積上的內(nèi)摩擦力。 相對(duì)粘度又稱(chēng)條件粘度。常用的有 恩氏粘度：200ml，直徑2.8mm， 同一溫度下與蒸餾水的時(shí)間比較。 中國(guó)、俄羅斯及德國(guó)采用。 美國(guó)、英國(guó)采用通用賽氏秒和商用雷氏秒。 1.5液壓油 粘性：液壓油粘性對(duì)機(jī)械效率、磨耗、壓力損失、容積效率、漏油及泵的吸入性影響很大。粘性可分為動(dòng)力粘度和運(yùn)動(dòng)粘度兩種。粘度是液壓油的性能指標(biāo)。習(xí)慣上使用運(yùn)動(dòng)粘度標(biāo)志液體的粘度，例如機(jī)械油的牌號(hào)就是用其在400C時(shí)的平均運(yùn)動(dòng)粘度（mm/s2）為其標(biāo)號(hào)。 油的粘性易受溫度影響，溫度上升，粘度降低，造成泄漏、磨損增加、效率降低等問(wèn)題，溫度下降，粘度增加，造成流動(dòng)困難及泵轉(zhuǎn)動(dòng)不易等問(wèn)題，如運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)油液溫度超過(guò)60度，就必須加裝冷卻器，因油溫在60度以上，每超過(guò)10度，油的劣化速度就會(huì)加倍 。 1.5液壓油 4、對(duì)液壓油的要求 （1） 適當(dāng)?shù)恼扯群土己玫恼硿匦裕?（2）有良好的化學(xué)穩(wěn)定性（氧化安定性，熱安定性及不易氧化、變質(zhì)） （3）良好的潤(rùn)滑性，以減少相對(duì)運(yùn)動(dòng)間的磨損 （4）良好的抗泡沫性（起泡少，消泡快） （5）體積膨脹系數(shù)低，閃點(diǎn)及燃點(diǎn)高 （6）成分純凈，不含腐蝕性物質(zhì)，具有足夠的清潔度 （7）對(duì)人體無(wú)害，對(duì)環(huán)境污染小，價(jià)格便宜 1.5液壓油 5、液壓油的選用 液壓油有很多品種，可根據(jù)不同的使用場(chǎng)合選用合適的品種，在品種確定的情況下，最主要考慮的是油液的粘度，其選擇考慮的因素如下。 （1） 液壓系統(tǒng)的工作壓力：工作壓力較高的系統(tǒng)宜選用粘度較高的液壓油，以減少泄露；反之便選用粘度較低的油。例如，當(dāng)壓力p = 7.0～20.0Mpa時(shí)，宜選用N46～N100的液壓油；當(dāng)壓力p＜7.0Mpa時(shí)宜選用N32～N68的液壓油。 （2）運(yùn)動(dòng)速度：執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)，為了減小液流的功率損失，宜選用粘度較低的液壓油。 （3）液壓泵的類(lèi)型：在液壓系統(tǒng)中，對(duì)液壓泵的潤(rùn)滑要求苛刻，不同類(lèi)型的泵對(duì)油的粘度有不同的要求，具體可參見(jiàn)有關(guān)資料。 （4）工作環(huán)境溫度高時(shí)選用粘度較高的液壓油，減少容積損失。 1.5液壓油 6、液壓油的污染與保養(yǎng) 液壓油使用一段時(shí)間后會(huì)受到污染，常使閥內(nèi)的閥芯卡死，并使油封加速磨耗及液壓缸內(nèi)壁磨損。造成液壓油污染的原因有三方面： 1）污染：（1）外部侵入的污物；（2）外部生成的不純物 2）惡化：液壓油的惡化速度與含水量、氣泡、壓力、油溫、金屬粉末等有關(guān)，其中以溫度影響最大，故液壓設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，須特別注意油溫之變化。 3）泄漏：液壓設(shè)備因配管不良，油封破損是造成泄漏的原因，泄漏發(fā)生時(shí)空氣、水、塵埃便可輕易的侵入油中，故當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)，必須立即加以排除。 液壓油經(jīng)長(zhǎng)期使用，油質(zhì)必會(huì)惡化，一般皆用目視法判定油質(zhì)是否惡化，當(dāng)油顏色混蝕并有異味時(shí)，須立即更換；保養(yǎng)方法有二種：一為定期更換（約為5000-20000小時(shí)），其次是使用過(guò)濾器定期過(guò)濾。也可采用在線(xiàn)監(jiān)控液壓油是否達(dá)到規(guī)定值，定期抽查液壓油。液壓油的粘度、酸值、水分及雜質(zhì)是確定液壓油是否更換的重要指標(biāo)。7l9紅軟基地

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