第一篇 流体力学
　　流体力学是研究流体（包括气体、液体）的平衡与运动规律的学科。物质的三种存在形态中有两种属于流体状态。人类的生存与发展离不开流体，流体力学是人类对流体的各种运动规律的总结，是人类智慧的结晶，也是技术进步的重要工具。
　　第1章 流体力学基础
　　1.1 流体的主要物理性质
　　流体具有很强的流动性，在受到拉力与剪切力作用时都会产生极大的变形，只要这种作用力存在，变形就会持续进行。
　　1.1.1 密度
　　单位容积的流体所具有的质量称为密度，以符号ρ表示。
　　（1-1）
　　式中，ρ为密度，kg/m3；M为质量，kg；V为流体的体积，m3。
　　密度的大小与该种流体的压力和温度有关，即与可压缩性和温度膨胀性有关。
　　1.1.2 液体的可压缩性
　　液体在压力作用下发生体积变化的性质称为可压缩性，常用体积压缩系数k表示。其物理意义是单位压力变化所造成的液体体积的相对变化率，即
　　（1-2）
　　式中，k为体积压缩系数，Pa-1；ΔV为液体的体积变化量，m3；V0为液体的初始体积，m3；Δp为液体的压力变化量，Pa。
　　因为压力增大，即Δp>0时，液体的体积减小，即ΔV<0，为使k取正值，故在式（1-2）右端加一负号。常用矿物油型液压油的体积压缩系数值为（5～7）×10-10Pa-1。
　　体积压缩系数k的倒数称为体积弹性模量，以βe表示，即
　　βe=k-1（1-3）
　　液压油的体积弹性模量βe=（1.4～2.0）×109Pa，为钢的体积弹性模量的0.67%～1%。当液压油中混有空气时，其体积弹性模量将显著减小。
　　1.1.3 液体的温度膨胀性
　　液体的温度膨胀性由温度膨胀系数βt表示。βt是指单位温度升高（1℃）所引起的液体体积变化率。
　　（1-4）
　　式中，Δt为温升，℃。
　　βt是压力与温度的函数，由实验确定。水和矿物油型液压油的温度膨胀系数如表1-1、表1-2所示。
　　表1-1 水的温度膨胀系数βt（单位：1/℃）
　　表1-2 矿物油型液压油的温度膨胀系数βt（单位：1/℃）
　　1.1.4 黏性
　　1.黏性的物理本质
　　液体在外力作用下流动时，由于分子间的内聚力作用，会产生阻碍其相对运动的内摩擦力，液体的这种特性称为黏性。
　　图1-1 液体的黏性示意图
　　2.流体内摩擦定理
　　如图1-1所示，两平行平板间充满液体，下平板固定，上平板以速度v0右移。由于液体的黏性，下平板表面的液体速度为零，中间各层液体的速度呈线性分布。
　　根据牛顿内摩擦定律，相邻两液层间的内摩擦力Ff与接触面积A、速度梯度dv/dy成正比，且与液体的性质有关，即
　　（1-5）
　　式中，μ为液体的动力黏度，Pa s；A为液层间的接触面积，m2；dv/dy为速度梯度，s-1。
　　将式（1-5）变换成（1-6）式中，τ为液层单位面积上的内摩擦力，Pa。
　　由式（1-6）知，液体黏度的物理意义是：液体在单位速度梯度下流动时产生的内摩擦切应力。
　　3.黏度
　　黏性的大小用黏度来衡量。工程中黏度的表示方法有以下几种。
　　1）动力黏度
　　式（1-6）中的μ称为动力黏度，其单位为Pa s。
　　2）运动黏度
　　液体的动力黏度与其密度的比值，无物理意义。因其量纲中含有运动学参数而称为运动黏度，用ν表示，即
　　ν=μ/ρ（1-7）
　　我国油的牌号均以其在40℃时运动黏度的平均值来标注。例如，N46号液压油表示其在40℃时，平均运动黏度为46mm2/s。
　　3）相对黏度
　　相对黏度是指200mL的被测液体在某一测定温度下，受重力作用从恩氏黏度计测定管中流出所需时间t1与20℃时同体积蒸馏水流出时间t2的比值，用符号°E（恩氏黏度）表示。
　　°E=t1/t2（1-8）
　　相对黏度与运动黏度的换算关系为
　　（1-9）
　　4.黏度的影响因素
　　1）温度
　　温度升高液体体积膨胀，液体质点间的间距加大，内聚力减小，在宏观上体现为液体黏度的降低。一般矿物油型液压油的黏温关系为
　　（1-10）
　　式中，ν为液压油在θ℃时的运动黏度；ν40为该液压油在40℃时的运动黏度；n为指数，如表1-3所示。
　　表1-3 矿物油型液压油指数n
　　几种国产液压油的黏温特性如图1-2所示。
　　图1-2 几种国产液压油的黏温特性
　　①普通矿物油；②高黏度指数矿物油；③水包油型乳化液；④水乙二醇液压液；⑤磷酸酯液压液与液体不同，气体的黏度随温度升高而增大。原因在于，气体的黏度是由气体分子间的动量交换产生的，温度升高时，气体分子间的碰撞加剧，动量交换增加。
　　2）压力
　　随压力升高流体的黏度增大，一般可用下式表示：
　　μ=μ0eαp（1-11）
　　式中，μ为压力为p时的动力黏度，Pa s；μ0为压力为1大气压时的动力黏度，Pa s；α为黏压指数，Pa-1。
　　一般矿物油型液压油α≈1/432Pa-1。
　　流体的黏度还与介质本身的组成成分如含气量、多种油液的混合情况有关。
　　1.1.5 液压介质中的气体
　　通常，液压介质中含有一定量的空气。其来源是多方面的，如在液压介质的生产、储存过程中与大气接触；在液压设备的安装与维护过程中，管路及元件中残留的部分空气也会进入液压介质中；在液压系统工作过程中，系统中负压管线的泄漏以及不当的回油状态等均会导致空气的进入；在液压系统中的低压区间（如液压泵的进油通道、处于负压状态的液压执行元件的工作腔室以及个别高速过流的阀口等），可能因压力过低而导致液压介质汽化等。液压介质中含气量增加会造成液压系统的爬行甚至引发空穴现象（液压系统发生振动、噪声，严重时会形成汽蚀而造成液压元件的破坏）；在液压控制系统中，液压介质的含气量增加会降低系统的控制精度甚至破坏系统的稳定性。
　　1）含气量
　　液压介质中所含空气的体积百分比称为含气量。液压介质中的空气分混入空气和溶入空气两种。溶入空气均匀地溶解于液压介质中，对体积弹性模量及黏性没有影响；而混入空气则以直径为0.25～0.5mm的气泡状态悬浮于液压介质中，对体积弹性模量及黏性有明显影响，在液压系统的使用与维护过程中应予以充分的重视。
　　2）空气分离压
　　液压介质中压力降低到一定数值时，溶解于介质中的空气将从介质中分离出来，形成气泡，此时的压力称为该温度下该介质的空气分离压pg。空气分离压pg与液压介质的种类有关，也与温度及空气溶解量与混入量有关。温度越高，空气溶解量与混入量越大，则空气分离压pg越高。一般液压介质的空气分离压为1300～6700Pa。
　　3）汽化压力与饱和蒸汽压
　　当液压介质的压力低于一定数值时，液压介质将因沸腾现象而产生大量蒸汽，此压力称为该介质于此温度下的汽化压力，汽化压力的大小与介质的种类以及介质所处的环境温度有关。汽化形成的蒸汽与尚未汽化的液体形成两相混合物，当液体的汽化速率与蒸汽的凝聚速率相等时达到动态平衡状态，此时蒸汽中的蒸汽分子密度不再增加称为饱和蒸汽（此时的液体称为饱和液体），此时的液气混合物所承受的环境压力称为饱和蒸汽压。对于同一种液体，其饱和蒸汽压随温度的升高而增加，图1-3为水的饱和蒸汽压与温度的关系曲线。
　　图1-3 水的饱和蒸汽压与温度关系
　　矿物油型液压油的饱和蒸汽压，在20℃时为2000Pa左右。乳化液的饱和蒸汽压与水相近，20℃时为2400Pa。
　　1.1.6 湿空气
　　含有水蒸气的空气称为湿空气。空气中的水蒸气在一定条件下会凝结成水滴，水滴不仅会腐蚀元件，也会对系统的稳定性带来不良影响。因此应采取措施防止水蒸气进入系统。湿空气中所含水蒸气的量用湿度和含湿量来表示。
　　1.湿度及含湿量
　　1）绝对湿度
　　在某温度下，每立方米湿空气中所含水蒸气的质量称为湿空气的绝对湿度，用χ表示，即
　　（1-12）
　　或由气体状态方程导出
　　（1-13）
　　式中，ms为水蒸气的质量，kg；V为湿空气的体积，m3；ρs为水蒸气的密度，kg/m3；ps为水蒸气的分压力，Pa；Rs为水蒸气的气体常数，Rs=462.05J/（kg K）；T为热力学温度，K。
　　2）相对湿度
　　在某温度和总压力下，湿空气的绝对湿度与饱和绝对湿度（在某温度下，单位体积空气绝对湿度的*大值，若超过此值，就会发生结露现象）之比称为该温度下的相对湿度，用φ表示，即
　　（1-14）
　　式中，X、Xb为绝对湿度与饱和绝对湿度，kg/m3。
　　3）含湿量
　　（1）质量含湿量。在含有1kg干空气的湿空气中所含水蒸气的质量，称为该湿空气的质量含湿量，用d表示，即
　　（1-15）
　　式中，mg为干空气的质量，kg；pb为饱和水蒸气的分压力，MPa；p为湿空气的全压力，MPa。
　　（2）容积含湿量。在含有1m3干空气的湿空气中所含水蒸气质量，称为该湿空气的容积含湿量，用d′表示，即
　　d′=d ρ（1-16）
　　式中，ρ为干空气的密度，kg/m3。
　　4）露点
　　湿空气的饱和绝对湿度与湿空气的温度和压力有关，饱和绝对湿度随温度的升高而增加，随压力的升高而降低。一定温度和压力下的未饱和湿空气，当其温度降低时，也会成为饱和湿空气。未饱和湿空气保持水蒸气压力不变而降低温度，达到饱和状态时的温度称为露点。湿空气降温至露点以下，便有水滴析出。
　　2.自由空气流量及析水量
　　1）自由空气流量
　　气压传动中所用的压缩空气一般是由空气压缩机提供的，经压缩后的空气称为压缩空气。未经压缩处于自由状态下（101325Pa）的空气称为自由空气。空气压缩机铭牌上注明的是自由空气流量。自由空气流量可由下式计算
　　（1-17）
　　式中，q、qz分别为压缩空气量和自由空气流量，m3/min；p、pz分别为压缩空气和自由空气的绝对压力，MPa；T、Tz分别为压缩空气和自由空气的热力学温度。
　　2）析水量
　　湿空气被压缩后，单位容积中所含水蒸气的量增加，同时温度也升高。当压缩空气冷却时，其相对湿度增加，当温度降到露点后便有水滴析出。压缩空气中析出的水量可由下式计算
　　（1-18）
　　式中，qm为每小时的析水量，kg/h；φ为空气未被压缩时的相对湿度；T1为压缩前空气的温度，K；T2为压缩后空气的温度，K；d′1b为温度为T1时饱和容积含湿量，kg/m3；d′2b为温度为

目录
第一篇 流体力学
第1章 流体力学基础 1
1.1 流体的主要物理性质 1
1.1.1 密度 1
1.1.2 液体的可压缩性 1
1.1.3 液体的温度膨胀性 2
1.1.4 黏性 2
1.1.5 液压介质中的气体 4
1.1.6 湿空气 5
1.2 流体静力学 7
1.2.1 流体静压力及其特性 7
1.2.2 流体静力学基本方程 9
1.2.3 静止流体中的压力传递（帕斯卡原理） 9
1.2.4 流体对壁面的作用力 9
1.3 流体动力学 10
1.3.1 流体运动的基本概念 10
1.3.2 连续性方程 11
1.3.3 伯努利方程及应用 11
1.3.4 动量方程 14
1.4 阻力计算 15
1.4.1 沿程阻力损失 15
1.4.2 局部损失计算 19
1.5 孔口出流及缝隙流动 20
1.5.1 孔口出流 20
1.5.2 缝隙流动 22
1.6 液压冲击及空穴现象 23
1.6.1 液压冲击 23
1.6.2 空穴现象 25
1.7 液压介质的选择与应用 25
1.7.1 液压油的种类及应用 25
1.7.2 液压介质的选用 26
1.7.3 液压介质的使用 27
思考题与习题 29
第二篇 液压传动
第2章 绪论 32
2.1 液压传动概述 32
2.1.1 液压传动系统的工作原理 32
2.1.2 液压传动的主要工作特征 32
2.2 液压传动系统的组成 34
2.3 液压传动的优缺点 35
2.4 液压系统图的图形符号 35
2.5 液压技术发展趋势 36
思考题与习题 36
第3章 液压泵和液压马达 37
3.1 概述 37
3.1.1 液压泵和液压马达的工作原理及特点 37
3.1.2 液压泵和液压马达的分类 38
3.1.3 液压泵和液压马达的主要性能参数 39
3.1.4 液压泵和液压马达的图形符号 44
3.2 齿轮泵 44
3.2.1 外啮合齿轮泵 45
3.2.2 内啮合齿轮泵 49
3.2.3 螺杆泵 50
3.2.4 斜齿轮泵 51
3.3 叶片泵 51
3.3.1 单作用叶片泵 51
3.3.2 双作用叶片泵 55
3.4 柱塞泵 59
3.4.1 轴向柱塞泵 59
3.4.2 径向柱塞泵 63
3.4.3 柱塞泵的变量机构 65
3.5 各类液压泵性能比较及应用 70
3.6 液压马达 71
3.6.1 高速液压马达 71
3.6.2 低速大转矩液压马达 73
思考题与习题 75
第4章 液压缸 76
4.1 液压缸分类与特点 76
4.1.1 液压缸的分类 76
4.1.2 几种典型的液压缸 76
4.2 液压缸的典型结构及主要零部件 81
4.2.1 液压缸的典型结构举例 81
4.2.2 液压缸的组成 82
4.3 液压缸的设计与计算 84
4.3.1 设计内容和设计步骤 84
4.3.2 基本参数确定 85
4.3.3 液压缸的结构计算和校核 86
4.3.4 液压缸设计中应注意的问题 87
4.4 数字控制液压缸 88
思考题与习题 89
第5章 液压阀 91
5.1 概述 91
5.1.1 液压阀的分类 91
5.1.2 对液压阀的基本要求 91
5.2 方向控制阀 91
5.2.1 单向阀 91
5.2.2 换向阀 94
5.3 压力控制阀 100
5.3.1 溢流阀 100
5.3.2 减压阀 104
5.3.3 顺序阀 105
5.4 流量控制阀 106
5.4.1 节流阀 107
5.4.2 调速阀 108
5.4.3 分流集流阀 109
5.5 二通盖板式插装阀 111
5.5.1 二通盖板式插装阀概述 111
5.5.2 二通盖板式插装阀的基本结构与工作原理 111
5.5.3 插装单元的结构形式 112
5.5.4 二通盖板式插装阀控制组件 114
5.6 其他安装形式液压阀 117
5.6.1 螺纹式插装阀 117
5.6.2 叠加阀 118
思考题与习题 119
第6章 液压辅助元件 122
6.1 蓄能器 122
6.1.1 蓄能器的功能 122
6.1.2 蓄能器的类型 122
6.1.3 蓄能器的应用 124
6.1.4 蓄能器的容量计算 126
6.2 过滤器 127
6.2.1 过滤器的类型和结构 127
6.2.2 过滤器的选用 129
6.2.3 过滤器的安装 131
6.3 油箱与热交换器 132
6.3.1 油箱 132
6.3.2 热交换器 134
6.4 管件 137
6.4.1 管道 137
6.4.2 管接头 138
6.4.3 集成块（油路块/阀块） 140
6.5 常用仪表 140
6.5.1 压力表 140
6.5.2 流量计 142
6.5.3 温度计 143
6.5.4 液位计 143
6.5.5 其他仪表 144
6.6 密封装置 144
6.6.1 对密封装置的要求 144
6.6.2 密封件的材料 144
6.6.3 常见的密封方法 145
6.6.4 密封件的类型 145
6.6.5 密封件的选择 149
6.7 其他辅助元件 149
6.7.1 测压排气装置 149
6.7.2 液压管夹 150
思考题与习题 150
第7章 液压基本回路 152
7.1 压力控制回路 152
7.1.1 调压回路 152
7.1.2 减压回路 153
7.1.3 增压回路 154
7.1.4 卸荷回路 155
7.1.5 保压回路 157
7.1.6 泄压回路 157
7.1.7 平衡回路 158
7.2 速度控制回路 160
7.2.1 调速回路 160
7.2.2 快速和速度换接回路 168
7.3 方向控制回路 173
7.3.1 换向回路 173
7.3.2 锁紧回路 175
7.3.3 制动回路 176
7.4 多执行元件控制回路 176
7.4.1 顺序动作回路 177
7.4.2 同步控制回路 178
7.4.3 互不干扰回路 180
7.4.4 多路换向阀控制回路 181
思考题与习题 182
第8章 典型液压系统 185
8.1 液压压力机液压系统 185
8.1.1 概述 185
8.1.2 工作原理 185
8.1.3 技术特点 188
8.2 SZ-250/160注塑机液压系统 189
8.2.1 概述 189
8.2.2 工作原理 189
8.2.3 技术特点 192
8.3 挖掘机液压系统 193
8.3.1 概述 193
8.3.2 工作原理 194
8.3.3 技术特点 196
8.4 DN4800大型蝶阀液压系统 196
8.4.1 概述 196
8.4.2 工作原理 196
8.4.3 技术特点 198
8.5 步进式加热炉液压系统 199
8.5.1 概述 199
8.5.2 工作原理 199
8.5.3 技术特点 201
思考题与习题 202
第9章 液压传动系统的设计计算 203
9.1 液压系统设计的步骤与要求 203
9.1.1 设计内容与步骤 203
9.1.2 明确液压系统的技术要求 203
9.2 液压系统的功能设计 204
9.2.1 配置液压执行元件 204
9.2.2 液压执行元件动力与运动分析 206
9.2.3 确定液压系统主要参数，绘制液压系统工况图 206
9.2.4 液压系统原理图的拟订 209
9.3 组成元件选择（设计）212
9.3.1 液压泵的确定 212
9.3.2 执行元件的确定 213
9.3.3 液压控制阀的确定 214
9.3.4 液压辅助元件的确定 215
9.4 液压系统验算 217
9.4.1 液压系统压力损失验算 217
9.4.2 液压系统总效率的验算 218
9.4.3 液压系统发热温升的计算 218
9.4.4 液压系统冲击压力估算 219
9.4.5 绘制液压系统原理图 219
9.5 液压装置的结构设计，编制技术文件 219
9.5.1 液压装置的结构类型及其适用场合 220
9.5.2 液压站的类型选择 220
9.5.3 液压控制装置的集成 221
9.5.4 绘制正式工作图，编制技术文件 222
9.6 液压系统设计计算举例 223
9.6.1 技术要求 223
9.6.2 确定主要元件参数 223
9.6.3 拟定液压系统原理图 226
9.6.4 选择液压元件和辅件 227
9.6.5 液压油的选择 228
9.6.6 验算液压系统技术性能 229
9.7 液压系统计算机辅助设计概况 231
思考题与习题 233
第10章 电液伺服与比例控制简介 234
10.1 概述 234
10.1.1 电液伺服与比例控制概念 234
10.1.2 液压伺服与比例控制系统的工作原理 234
10.1.3 电液伺服与比例系统的组成 235
10.2 电液伺服阀 235
10.2.1 力反馈喷嘴挡板式电液伺服阀 235
10.2.2 射流管式电液伺服阀 236
10.2.3 两级滑阀式电液伺服阀 237
10.2.4 伺服阀的基本特性 238
10.3 电液比例阀 239
10.3.1 比例电磁铁 240
10.3.2 电液比例压力阀 240
10.3.3 电液比例方向阀 244
10.3.4 电液比例流量阀 245
10.3.5 比例阀与伺服阀的比较 247
思考题与习题 248
第三篇 气压传动
第11章 气压传动概述 249
11.1 气压传动系统的工作原理和组成 249
11.2 气压传动的优缺点 250
11.3 气压传动技术的发展和应用 250
11.3.1 气压传动技术发展趋势 250
11.3.2 气动技术的应用 251
思考题与习题 252
第12章 气动元件 253
12.1 气源装置及气动辅件 253
12.1.1 气源装置的组成 253
12.1.2 空气压缩机 254
12.1.3 气动辅助元件 256
12.2 气动执行元件 261
12.2.1 气缸 261
12.2.2 气马达 265
12.3 气动控制元件 267
12.3.1 压力控制阀 267
12.3.2 流量控制阀 273
12.3.3 方向控制阀 275
思考题与习题 279
第13章 气动回路及系统设计 280
13.1 基本回路和常用回路 280
13.1.1 基本回路 280
13.1.2 常用回路 286
13.2 气动控制回路的设计及应用实例 291
13.2.1 气动系统的设计计算 291
13.2.2 气压传动系统实例 293
思考题与习题 296
参考文献 297
附表 部分常用流体传动系统及元件图形符号 298