第2章 水利工程液压启闭机系统设计和技术原理

2.1 液压系统基础知识及原理

液压启闭机在水利工程中多用于闸门启闭，它是指利用液体的压力能来传递能量，从而控制闸门的开启或关闭的一种启闭机。图2.1和图2.2为露顶式弧形闸门液压启闭机QHLY。液压启闭机一般由液压系统和液压缸组成。在液压系统的控制下，液压缸内的活塞沿缸体内壁做轴向往复运动，从而带动连接在活塞上的连杆和闸门做直线运动，以达到开启、关闭闸门的目的。

液压启闭机的基本工作原理是：液压泵把原动机输出的机械能变为液体压力能，经过油管道及液压阀进入液压缸，通过液压缸及活塞杆把液体的压力能转变为工作机的机械能，从而驱使闸门完成开启或关闭等动作。

2.1.1 液压技术基础知识

1.液体黏度

本质是实际流体的内摩擦力。

（1）动力黏度：工程学中，按牛顿液体内摩擦定律用式（2.1）计算，牛顿内摩擦定律又称黏性定律。

式中：τ为单位面积上的摩擦应力，也叫做剪应力或者切应力，Pa或N/m²；F为相邻流体层间内摩擦力，N；A为流体层接触面积，m²；μ为与流体性质相关的比例系数，通常称为动力黏性系数，或称动力黏度，Pa·s或kg/（m·s）；du/dy为速度梯度，1/s。

（2）运动黏度：运动黏度为动力黏度与密度的比值，在温度t℃时，运动黏度用符号υ表示，在国际单位制中，运动黏度单位为斯，即平方米每秒（m²/s），实际测定中常用厘斯，表示厘斯的单位为平方毫米每秒（即 1cst=1mm²/s）。运动黏度广泛用于测定喷气燃料油、柴油、润滑油等液体石油产品、深色石油产品、使用后的润滑油、原油等的黏度，运动黏度的测定采用逆流法。运动黏度υ用式（2.2）计算：

式中：μ为与流体性质相关的比例系数，通常称为动力黏性系数，或称动力黏度，Pa·s或kg/（m·s）；ρ为液体密度，kg/m³。

2.液压静压力学

液体静压力有两个重要特性：①液体静压力的方向总是沿着作用面的法线方向。这一特性可直接用液体的性质来说明。液体只能保持一定的体积，不能保持固定的方向，不能承受拉力和剪切力。所以只能承受法向压力。②静止液体中任何一点所受到各个方向压力都相等。如果液体中某一点所受到的各个方向的压力不相等，那么在不平衡力作用下，液体就要流动，这样就破坏了液体静止的条件，因此在静止液体中作用于任一点的各个方向压力必然相等。

液压静压力学定律，严格意义上仅适用于理想液体，即无质量和内摩擦，且不可压缩的液体。

3.压力

不同外形的容器，如表面积相同（A₁=A₂=A₃），且所盛液体的高度h相等，则作用在此表面积上的压力相等（p₁=p₂=p₃）。由于压力和面积均相等，因而作用力亦相等（F₁=F₂=F₃），见图2.3。

单位面积上所受的作用力p用式（2.3）计算：

式中：A为液体作用面积，m²；F为作用面积上的法向作用力，N；p为单位面积上所受的作用力，Pa （N/m²）、MPa （10⁶ Pa）、bar （10^-1 MPa）。

4.帕斯卡定律

在密闭容器内的平衡液体中，任意一点的压力如有变化，该压力变化值将传递给液体中的所有各点，且其值不变。液压静压力学的基本原理是帕斯卡定律，即作用于静止流体中的作用力，在流体中会沿各个方向传递。流体产生的压力，数值上等于单位面积上的重力大小。压力总是作用在容器的约束面上，并沿其法线方向。而且，压力在各个方向的作用相等。如忽略重力因素，则压力在各点上均相等，见图2.4。

注：液体不能抵抗切力，故液体的压力垂直于受压表面。

5.力的传递

由于压力沿着各个方向的作用相等，因此和容器的形状无关。下面的例子（图2.5）表明静压力是如何被利用的。

当力F₁ 作用于面积A₁ 时，产生压力p=F₁/A₁，压力p作用于系统的每一点上，也包括面积 A₂，可得到的作用力 F₂（等于需要抬升的负载）为F₂=pA₂；因此F₁/A₁=F₂/A₂，活塞1所做功 W₁等于活塞2所做功 W₂（理想状态）：W₁=F₁s₁，W₂=F₂s₂。

2.1.2 液压启闭机系统组成概述

液压系统包括动力装置、控制调节装置、辅助装置等（图2.6和图2.7）。动力装置一般为液压泵，它把机械能转化为液压能。液压泵一般采用容积式泵，如叶片泵和柱塞泵。叶片泵和柱塞泵有结构紧凑，运转平稳，噪声较小，使用寿命长等优点。柱塞泵虽然价格较高，但可以得到高压、大流量，且流量可调。近年来，国内液压启闭机普遍采用中高压，所以大多数采用柱塞泵。多套启闭机可共用一个液压系统，另外，因其重要性，液压启闭机的液压系统一般设置两套液压泵，互为备用。

控制调节装置是指液压控制阀组，包括节流阀、换向阀、溢流阀等阀组，其作用是对液压油的流量、方向、压力等方面各自起控制调节作用，以实现对液压系统的各种性能要求。启闭机上液压控制阀大多数是标准元件，并普遍采用插装技术。插装阀具有组合机能强，集成度高，噪声低，密封性好，机构紧凑等优点。选择不同结构及形式的先导控制阀、控制盖及集成块与插装件组合，便可获得具有换向、调压、调速等功能的插装阀组。双吊点的液压启闭机因不能像卷扬式启闭机一样采用机械同步，故控制阀组需考虑同步措施。

辅助装置包括油箱、油管、管接头、压力表、滤油器等（图2.8和图2.9）。油箱的用途是储油和散热，并能沉淀油中杂质，分离油中的空气和水分等。油管、管接头把动力装置、调节控制装置、液压缸连接起来，组成一个完整的液压回路，液压油中杂质会使运动零件磨损，增加泄漏和减少元件的寿命，甚至堵塞阀组等，影响液压系统的使用，设置滤油器对液压油进行过滤是十分必要的。

液压缸是液压传动中的执行元件，把液压油的液压能转化为机械能。液压缸由缸体、端盖、活塞、活塞杆、吊头等零件组成（图2.10和图2.11）。根据液压缸内压力油的作用方向可分为单作用液压缸和双作用液压缸两类。单作用液压缸常是柱塞式或者套筒，也可以是活塞式。双作用液压缸形成两个油腔，两个油腔都可以进出压力油。