液壓及氣壓傳動技術(shù)

1、 液壓與氣壓傳動液壓與氣壓傳動主講人：陶鳴緒論、第一章第一章 緒論液壓與氣壓傳動緒論本章任務1.了解液壓傳動工作原理；液壓傳動系統(tǒng)組成、特點2.液壓傳動技術(shù)的應用3.掌握液體靜力學的一些重要概念、基本參數(shù)（壓力、流量和功率）重點、難點本章重點本章重點 1.液壓傳動的工作原理 2.液壓傳動系統(tǒng)組成 3.液壓傳動基本參數(shù)本章難點本章難點 壓力與負載關系、流量與速度關系實訓案例（學時安排）液壓千斤頂 2學時緒論導入1、機器的基本組成機器由動力部分、執(zhí)行部分、傳動部分和控制部分四部分組成2、傳動的概念傳遞運動和動力的方式，將動力源的動力和運動傳遞給執(zhí)行部分。3、傳動方式機械傳動：利用齒輪、齒條、蝸輪蝸

2、桿、棘輪、槽輪、帶傳動、鏈傳動 等方式傳遞運動和動力；電氣傳動：利用電力設備，通過調(diào)節(jié)電參數(shù)來傳遞運動和動力； 流體傳動：導入緒論電路圖與液壓回路圖導入緒論 以液體為工作介質(zhì)，以液體的壓力能實現(xiàn)運動及動力傳遞的傳動方式。液體傳動包括液壓傳動和液力傳動。 流體傳動是以流體為工作介質(zhì)進行能量的轉(zhuǎn)換、傳遞和控制的傳動。包括液體和氣體的傳動。液壓傳動液力傳動以液體的動能實現(xiàn)運動和動力傳遞的傳遞方式流體傳動：本課程主要討論液壓傳動第一節(jié) 液壓傳動的工作原理和組成緒論案例案例第一節(jié)、液壓傳動的工作原理和組成一、液壓傳動的工作原理 在液壓系統(tǒng)中，液壓泵將具有一定轉(zhuǎn)矩M和轉(zhuǎn)速n的電動機的機械能，轉(zhuǎn)變成具有一定

3、壓力p和流量Q的液壓能，通過控制閥的調(diào)節(jié)，借助執(zhí)行機構(gòu)還原成所需要的移動或回轉(zhuǎn)的機械能。第一節(jié)、液壓傳動的工作原理和組成一、液壓傳動的工作原理液壓傳動系統(tǒng)特點：（1）用具有一定壓力的液體來傳動（2）傳動中必須經(jīng)過兩次能量轉(zhuǎn)換（3）傳動必須在密封容器內(nèi)進行，而且容積要進行變化。第一節(jié)、液壓傳動的工作原理和組成二、液壓系統(tǒng)的組成1動力元件液壓泵，將原動機輸入的機械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能，作為系統(tǒng)供油能源裝置。2 執(zhí)行元件液壓缸（或液壓馬達），將油液的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，而對負載作功。3控制元件各種控制閥，用以控制流體的方向、壓力和流量，以保證執(zhí)行元件完成預期的工作任務。4輔助元件油箱、油管、濾油器、

4、壓力表、冷卻器、分水濾水器、油霧器、消聲器、管件、管接頭和各種信號轉(zhuǎn)換器等，創(chuàng)造必要條件，保證系統(tǒng)正常工作。5工作介質(zhì)液壓油。三、液壓傳動的基本特征1. 壓力與負載關系法向力均勻作用于面積A時 p=F/A 第一節(jié)、液壓傳動的工作原理和組成（1）液體靜壓力及特征 液體在靜止狀態(tài)下，質(zhì)點間無相對運動，不存在內(nèi)摩擦力，但法面有法向力液體靜壓力：液體靜壓力：靜止液體在單位面積上所承受的法向力液體靜壓力在物理學上稱為壓強，液壓傳動中習慣稱為壓力特征： 液體靜壓力的方向總是在承壓面的內(nèi)法線方向上 液體內(nèi)某點處的壓力在各個方向上都相等三、液壓傳動的基本特征1. 壓力與負載關系 p = p0+gh 第一節(jié)、液

5、壓傳動的工作原理和組成（2）液體靜力學基本方程 在重力作用下，密度為的液體在容器中處于靜止狀態(tài)，其外加壓力為p0，它的受力如圖a）所示 由于液體處于平衡狀態(tài)，靜止液體內(nèi)任一點的壓力由兩部分組成：一部分是液面上的壓力p0，另一部分是該點以上液體的自重所產(chǎn)生的壓力gh。在液壓傳動中，可以近似認為整個液體內(nèi)部的壓力相等物理意義p19三、液壓傳動的基本特征第一節(jié)、液壓傳動的工作原理和組成1. 壓力與負載關系（3）液體壓力的表示方法液體壓力的表示方法有兩種絕對壓力相對壓力絕大多數(shù)儀表所測到的壓力是相對壓力，故相對壓力又稱為表壓力在液壓傳動中所提到的壓力，沒特別指明均為相對壓力壓力單位見課本表壓力真空度

6、(以絕對零壓為基準)(以大氣壓為基準)三、液壓傳動的基本特征F2 = F1A2/A1p=F1/A1= F2/A2結(jié)論：系統(tǒng)壓力取決于負載。靜止液體 壓力的變化量等值傳遞。 帕斯卡定律：由于液體的流動性，封閉容器中的靜止流體的某一部分發(fā)生的壓強變化，將大小不變地向各個方向傳遞 在密閉容器內(nèi),液體各點壓力（壓強）相等第一節(jié)、液壓傳動的工作原理和組成1. 壓力與負載關系（4）壓力的傳遞 p1 = p2 = p 由于A2/A11，因此可用一個很小的力F1，就可以推動一個較大的負載F2三、液壓傳動的基本特征第一節(jié)、液壓傳動的工作原理和組成 2. 流量與速度關系F1/F2 = A1/A2 = h2/h1

7、A1h1/t = A2h2/tA11 = A22 = q(流量）結(jié)論：液壓油流速與單位時間進入液壓缸的流量成正比；與活塞的作 用面積成反比。速度與壓力、負載無關，速度取決于進入執(zhí)行裝置的液壓油流量3. 液壓傳動功率 力和速度的乘積即為功率液壓傳動系統(tǒng)的液壓輸出功率等于系統(tǒng)輸出流量和壓力的乘積運動關系：容積變化相對原則，即 h1A1=h2A2第二節(jié) 液壓傳動的特點及應用緒論一、液壓傳動的優(yōu)點重量輕、體積小、運動慣性小、反應速度快。操縱控制方便，可實現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速(調(diào)速范圍達2000：1)液壓傳動的各種元件、可根據(jù)需要方便、靈活地來布置。與微電子技術(shù)結(jié)合，容易實現(xiàn)機器的自動化，可自動實現(xiàn)過載保

8、護。第二節(jié) 液壓傳動的特點及應用緒論二、液壓傳動的缺點泄漏不可避免。運動間隙存在，污染地面。這是最突出的缺點不宜遠距離傳遞。壓力損失大不能保證嚴格的傳動比。油液具有壓縮性對溫度變化敏感。噪聲較大。第一章 緒論液壓與氣壓傳動第一章 液壓油與液壓流體力學本章任務1.了解液壓油的物理特性及其選用 （一種介質(zhì)）2.了解液體傳動的能量損失(壓力、流量）（兩項參數(shù)）3.理解三個方程的內(nèi)涵和應用 （三個方程）4.了解液體流態(tài)；液壓沖擊、氣穴現(xiàn)象 及危害 （三種現(xiàn)象）重點、難點本章重點本章重點1.液壓油的粘性和粘度 2.液體能量損失與動態(tài)特性 3.液體流經(jīng)縫隙的流量計算（小流量分析）本章難點本章難點粘性及粘度

9、；伯努利方程含義及應用；小流量分析實訓案例（學時安排） 4學時第一章 液壓油與液壓流體力學 第一節(jié) 液壓油的特性及選用原則一、液壓油的特性導入：杯子里的水或油，哪種介質(zhì)更容易倒干凈1.粘性 是指液體流動時由于內(nèi)摩擦力而阻礙液層間相對運動的性質(zhì)。 當液體在外力作用下流動時，流動速度不相等，緊貼管壁的液體速度為零，管路中心處的速度最大。 將管中液體的流動看成是許多無限薄的同心圓筒形的液體層的運動，運動較慢的液體層阻止運動較快的液體層，而運動較快的液體層又帶動運動較慢的液體層。這種液體層間的相互作用稱為內(nèi)摩擦力 液體只有流動時才會呈現(xiàn)粘性，其大小可用粘度來衡量。液壓油粘度分為：動力粘度、運動粘度、相

10、對粘度三種第一章 液壓油與液壓流體力學 第一節(jié) 液壓油的特性及選用原則u動力粘度（又稱為絕對粘度）根據(jù)牛頓液體內(nèi)摩擦定律可得：式中 表示接觸液體層間單位面積上的內(nèi)摩擦力， 表示動力粘度 動力粘度 描述了牛頓液體的內(nèi)摩擦應力與速度梯度的關系，物理意義 明確但是難以實際測量。其法定計量單位 Pas （帕秒）非法定計量單位 Kgfs/m2 （千克力秒每平方米）第一節(jié) 液壓油的特性及選用原則第一章 液壓油與液壓流體力學 u運動粘度 運動粘度是動力粘度和液體密度的比值，用表示。即其法定計量單位是m2/s，非法定計量單位是St（斯）、cSt（厘斯）1m2/s =104St =106cSt運動粘度用來標識液

11、體粘度，國產(chǎn)油標號就是運動粘度的平均厘斯值的表達，實用性強，直接測量難。例如，L-HL-46的通用機床液壓油，其中數(shù)字46表示該液壓油在40oC時的運動粘度為46厘斯。密度 單位體積液體所具有的質(zhì)量稱為該液體的密度。第一節(jié) 液壓油的特性及選用原則第一章 液壓油與液壓流體力學 u相對粘度 相對粘度就是實測粘度。由于測量條件不同，各國所用的相對粘度也不同。 中國、德國和俄羅斯等一些國家采用恩氏粘度 0E，美國采用賽氏粘度，英國采用雷氏粘度。恩氏粘度 是用恩氏粘度計測量油液與對比液體流經(jīng)粘度計小孔時間參數(shù) 的比值，直觀性強，物理意義操作簡便。一般情況下，動力粘度用作粘度定義，運動粘度用作油品標號，相

12、對粘度用作粘度測量。三者的換算關系可用教材所提供公式解算，也可以通過相關手冊所提供的線圖查取。一般以200C、400C及1000C作為測定液體粘度的標準溫度。第一節(jié) 液壓油的特性及選用原則第一章 液壓油與液壓流體力學 u影響粘度的因素 影響粘度的因素主要有溫度和壓力。粘度與壓力關系 當壓力增大，液體分子間距離減小，內(nèi)聚力增加，其粘 度也有所增加。 一般情況下，若系統(tǒng)壓力低于10MPa，液壓油的粘度幾乎不受影響，當壓力高于50MPa時，壓力對粘度的影響較為明顯，則必須考慮壓力對其影響。粘度與溫度關系 液壓油的粘度對溫度變化十分敏感，溫度升高，粘度 顯著降低。 油液粘度變化直接影響液壓系統(tǒng)的性能和

13、泄漏量，因此，粘度隨溫度變化越小越好。油的粘度隨溫度變化的性質(zhì)稱為粘溫特性第一節(jié) 液壓油的特性及選用原則第一章 液壓油與液壓流體力學 2.可壓縮性 液體受壓力作用而發(fā)生體積減小的性質(zhì)稱為可壓縮性。 在工程實際運用中，常用體積彈性模量K來表示液體抗壓縮能力的大小。液體油的彈性模量 K = （1.22）x103 Mpa，因數(shù)值很大，所以對于一般液壓系統(tǒng)，可以認為液壓油是不可壓縮的。 液壓油的彈性模量與溫度、壓力有關。溫度升高，K值會有所下降；壓力增大，K值會增大，但不是線性關系。當壓力大于3MPa時，K值基本不再增大。 當液壓油中混入空氣，K值將大幅度下降，嚴重時破壞系統(tǒng)正常工作。因此特別注意防止

14、液壓油中產(chǎn)生氣泡。第一節(jié) 液壓油的特性及選用原則第一章 液壓油與液壓流體力學 3.其他特性 包括其他一些物理性質(zhì)，如抗燃性、抗氧化性、抗泡沫性、抗乳化性、防銹性、抗磨性等。思考：以上性質(zhì)對液壓油有何影響？二、液壓介質(zhì)的使用要求和選用1. 對液壓介質(zhì)要求2. 液壓介質(zhì)的種類3. 液壓油的選用p9 選用液壓油時，除考慮環(huán)境因素和設備載荷性質(zhì)外，主要分析元件的運動速度、精度以及溫度變化等因素。練習：1.什么叫液體粘性？常用的粘性表示方法有哪幾種？它們之間如何換算？2.什么是壓力？壓力有哪幾種表示方法？液壓系統(tǒng)的工作壓力與負載有什么關系？3.什么是液體靜壓力？4.舉例說明油溫變化對流量的影響。5.某液

15、壓油200cm3，密度為900Kg/m3，在50oc時流經(jīng)恩氏粘度計所需時間為t1=153s，而20oc時200cm3的蒸餾水流經(jīng)恩氏粘度計所需要時間為t2=51s，問該油液的恩氏粘度oE50、運動粘度及動力粘度各為多少？6.如圖示，容器內(nèi)盛滿液體，已知活塞面積A=10 x10-3m2，負載重量G=10KN，問壓力表的讀數(shù)p1，p2，p3，p4和p5各為多少？第一章 液壓油與液壓流體力學 第二節(jié) 液壓流體動力學基礎一、流動液體基本概念1. 理想液體和恒定流動l 既無粘性也無壓縮性的液體稱為理想液體。把事實上既有粘性又有壓縮性的液體稱為實際液體。l 液體流動時，若液體中任何一點壓力、流速和密度等

16、參數(shù)都不隨時間而變化，這種流動稱為恒定流動。反之，任何一個參數(shù)隨時間參數(shù)變化的的流動稱為非恒定流動。假定: 研究液壓系統(tǒng)靜態(tài)性能時，可認為液體是恒定流動的。而研究動態(tài) 時必須按非恒定流動考慮。第二節(jié) 液壓流體動力學基礎第一章 液壓油與液壓流體力學 2. 流量和平均速度流量 是指單位時間流經(jīng)某截面流體的體積，用流體的平均流速與其流管 截面面積之積計算。 q = A 實際上液體在管道中流動，由于粘性力作用，整個通流截面上各點的速度一般是不相等的。為了便于解決問題，引入平均流速的概念。在工程實際中，只有平均流速具有應用價值。 液壓缸工作時，活塞的速度就等于缸內(nèi)液體的平均速度，因此，當液壓缸的有效面積

17、一定時，活塞運動速度取決于出入液壓缸的流量。第二節(jié) 液壓流體動力學基礎第一章 液壓油與液壓流體力學 3. 層流、紊流、雷諾數(shù) 液體流態(tài)分層流和紊流。這兩種流動狀態(tài)的物理現(xiàn)象可以通過雷諾實驗觀察出來 假設管道中水流是沿軸線分層的，層與層之間互不干擾，液體的這種流動狀態(tài)稱為 層流 。 液體質(zhì)點在流動時不僅沿軸線運動，還有徑向運動，這種無規(guī)律流動狀態(tài)稱為 紊流 。 實踐證明，液體在管道中流動的狀態(tài)是層流還是紊流，不僅與管內(nèi)液體的平均速度v有關，還與管徑d、物體的運動粘度。決定液體流動狀態(tài)的是這三個參數(shù)組成的一個稱為雷諾數(shù)Re的無因次量。 第二節(jié) 液壓流體動力學基礎第一章 液壓油與液壓流體力學 層流和

18、紊流的判斷方法：通過計算流體的雷諾數(shù)與臨界雷諾數(shù)比較： 若計算雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)為紊流，小于臨界雷諾數(shù)為層流。臨界雷諾數(shù)一般可由實驗求得，常見管道臨界雷諾數(shù)可查雷諾數(shù)的物理意義是流體的液動力參數(shù)與粘滯力參數(shù)的比值。當雷諾數(shù)大時，液動力起主導作用，這時液體為紊流；當雷諾數(shù)小時，粘性力起主導作用，這時液體為層流。第二節(jié) 液壓流體動力學基礎第一章 液壓油與液壓流體力學 二、液壓傳動中的能量損失 由于油液具有粘性，在管道中流動時不可避免地存在摩擦力，因此液體在流動過程中必須要損耗一部分能量。這部分能量損耗主要表現(xiàn)為壓力損失。壓力損失分為沿程損失和局部損失1. 壓力損失沿程損失 是當液體在直徑不變的直

19、管中流經(jīng)一段距離時，因摩擦而產(chǎn)生 的壓力損失。局部損失 是由于管子截面發(fā)生突變、液流方向改變或其他形式的液流阻 力，而引起的壓力損失。 由于壓力損失的必然存在性，因此，油泵的額定壓力要略大于系統(tǒng)工作時所需的最大工作壓力，一般取1.31.5倍。 對于流動液體壓力傳遞時要考慮壓力損失考慮壓力損失的壓力稱為流動液體壓力。第二節(jié) 液壓流體動力學基礎第一章 液壓油與液壓流體力學 2. 流量損失 液壓系統(tǒng)工作時。油液流經(jīng)各液壓元件的同時，可能發(fā)生內(nèi)泄漏和外泄漏，由于泄漏導致的能量損失稱為流量損失。 流量損失影響運動速度，而泄漏又難以絕對避免，所以液壓泵的定額流量要略大于系統(tǒng)工作時所需最大工作流量的1.11

20、.3倍。 對于進出油口沒有安裝節(jié)流裝置、不考慮泄漏的執(zhí)行元件，其運動速度取決于輸入執(zhí)行元件的流量，而與負載無關。 對于進出油口設有節(jié)流裝置、且需考慮泄漏的執(zhí)行元件，其運動速度不但與流量有關而且受負載變化影響。第二節(jié) 液壓流體動力學基礎第一章 液壓油與液壓流體力學 三、液體流動的三個方程1. 流體連續(xù)方程 q = A = 常數(shù) 是質(zhì)量守恒定律在流體力學中的表現(xiàn)，主要分析在同一管道內(nèi)不同截面，流體的流速與面積間的變化關系。該方程說明：在管道中作恒定流動的不可壓縮液體，流經(jīng)各截面的流量相等。2. 伯努利方程 是能量守恒定律在流體力學的表現(xiàn)，其物理意義在于：在管道內(nèi)流動的液體存在壓力能、動能、勢能三種

21、形式的能量；液體在流動過程中，這三種能量之間可以相互轉(zhuǎn)換；在同一管道內(nèi)不同截面上，這三種能量連同流體流經(jīng)截面間所產(chǎn)生的能量損失之和保持不變。 該方程最適合解決流體內(nèi)涉及壓力、速度、位置有關的問題 流動液體的三個方程是描述流動液體力學規(guī)律的基本方程。第二節(jié) 液壓流體動力學基礎第一章 液壓油與液壓流體力學 3. 動量方程 是動量定律在流體力學中的具體應用，主要研究流體速度變化與作用力間的問題 在液壓傳動中，經(jīng)常需要計算液流作用在固體壁面上的力。這類問題用動量定律來解決比較方便。第二節(jié) 液壓流體動力學基礎第一章 液壓油與液壓流體力學 四、液體流經(jīng)小孔的流量 在液壓傳動中常利用液體流經(jīng)閥的小孔或縫隙來

22、控制壓力和流量，以此達到調(diào)壓或調(diào)速的目的。同時，液壓元件泄漏屬于縫隙流動?？卓诟鶕?jù)它們長徑比可分為3種：1. 薄壁小孔 小孔的長度l、直徑d的比值 l/d 0.5 薄壁小孔沿程阻力損失非常小，通過小孔的流量與粘度無關，即流量對油溫的變化不敏感。在液壓系統(tǒng)中常采用薄壁小孔作為節(jié)流元件。2. 短孔 0.5 4 一般為層流狀態(tài) 。液體流經(jīng)細長孔流量與小孔前后壓力 差的一次方成正比，且受溫度、孔長及孔徑的影響較大，流量不穩(wěn)定。 主要用作固定節(jié)流孔和阻尼器。第二節(jié) 液壓流體動力學基礎第一章 液壓油與液壓流體力學 五、液體流經(jīng)縫隙的流量 小孔流量公式主要建立流量與壓力(壓差）間的關系；縫隙流量公式建立泄漏量與壓差間的關系。1. 平面間隙流量 流量計算公式見教材，公式表明，通過縫隙的流量與縫隙高度的3次方成正比，可見液壓元件內(nèi)的間隙對泄漏的影響很大。故應盡量提高元件制造精度，以減少泄漏。 液體在兩固定平行平板間流動是由壓力差引起。故也稱壓差流動。第二節(jié) 液壓流體動力學基礎第一章 液壓油與液壓流體力學 2. 液體流經(jīng)環(huán)形縫隙的流量 在液壓缸的活塞和缸筒之間，液壓閥的閥芯和閥套之間都存在著環(huán)形縫隙。在實際工作中，圓柱體與孔的配合很難保持同心圓，往往帶有一定偏心。 由公式3看見，偏心e越大，泄漏量也越大，故在液壓元件設計制造和裝配中，應采取適當措施，以保證角