液压传动课程教案和单元试题相约在高校.docx
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液压传动课程教案和单元试题相约在高校
液压传动的基本概念
【教学目标】
1.掌握液压传动的原理和液压传动系统组成及功用；
2.正确理解液压传动的特点、流量、液流连续性原理和压力的建立与传递等基本概念；
3.掌握液压传动中压力、流量、速度和功率的计算。
【教学重点】
1.液压传动的原理和液压传动系统组成及功用；
2.液流连续性原理和静压传递原理以及伯努力方程；
3.液压传动中压力、流量、速度和功率的计算
【教学难点】
1．液流连续性原理和静压传递原理；
2．液压传动中压力、流量、速度和功率的计算
【教学时数】
16课时（12课时讲授/2课时作业/1课时测试/1课时教学分析）
【知识网络】
【知识精讲】
一、液压传动的原理及其系统的组成
1.液压传动原理
液压传动的工作原理是以油液作为工作介质，依靠密封容积的变化来传递运动，依靠油液内部的
压力来传递动力。
注
（1）液压传动装置实质上是一种能量转换装置，它先将机械能转换为液压能（液体的压力能），并依
靠液压能来实现能量的传递，即将液压能转换为机械能；
（2）作为工作介质的油液具有两个重要的特性：
压缩性（一般近似地视油液为不可压缩）和粘性（与
温度变化有关）。
2.液压传动系统的组成及功能
组成
主要液压元件
作用
动力部分
液压泵
将机械能转换为液压能，推动执行元件运动
执行部分
液压缸及液压马达
将液压能转换为机械能，输出直线或旋转运动
控制部分
控制阀
控制液体压力、流量和流向
辅助部分
油管、油箱等
输送、贮存油液等。
3.液压传动的特点
结构
元件单位重量传递的功率大、结构简单、布局灵活，便于和其他方式联动，易实现远距离操纵和自动控制
工作性能
速度、扭矩、功率均作无级调节，调速范围宽，动作快速性好，换向、变速迅速；但传动比不够准确，效率低
维护使用
自润滑性好，能实现过载保护与保压；寿命长；元件易实现系列化、标准化、通用化；但对油液和元件的要求较高
二、流量、流速及压力的概念
参数、名称及代号
含义
计算公式
单位
备注
流量（Q）
单位时间内流过管道或液压缸某一截面的油液体积。
Q=V/t
m3/s（l/min）
额定流量（Q额）应符合公称流量系列。
平均流速（υ）
单位面积的流量
υ=Q/A
m/s
一般以υ代替流速
压力（p）
垂直压向单位面积上的力。
p=F/A
Pa
额定压力（p额）应符合公称压力系列。
三、活塞（或缸）的运动速度与流量的关系
1.活塞（或缸）的运动速度等于液压缸内油液的平均流速。
即υ=υ=Q/A；
2.当活塞（或缸）的有效作用面积一定时，活塞（或缸）的运动速度决定于流入液压缸中的流量；
3.活塞（或缸）的运动速度仅仅和活塞（或缸）的有效作用面积及流入液压缸的流量两个因素有关。
四、液流连续性原理
1.定义：
油液流经无分支管道时，每一横截面上通过的流量一定相等。
2.表达式：
Q1=Q2=……＝Qi或A1υ1=A2υ2=……Aiυi。
注据液流连续性原理可知
（1）同一管道中任意两个截面的流量都相等；
（2）同一管道中各个截面的平均流速与截面积大小成反比。
五、压力的建立
液压系统中某处油液的压力是由于受到各种形式负载的挤压而产生的；压力的大小决定于负载，并随负载的变化而变化；当某处有几个负载并联时，则压力取决于克服负载的各个压力值中的最小值；压力建立的过程是从无到有，从小到大迅速进行的。
六、静止油液中压力的特征
1.静止油液中，任何一点所受的各个方向的压力都相等。
2.油液压力的作用方向总是垂直指向受压表面。
3.密闭容器中的静止油液，当一处受到压力作用时，这个压力将通过油液传到连通器的任意点上，而且其压力值处处相等。
注特征3又称为帕斯卡原理或静压传递原理，可用p1=p2或F1/A1=F2/A2表达式表示。
七、压力损失和流量损失
1.液阻：
流动油液各质点之间以及油液与管壁之间的摩擦与碰撞所产生的阻力。
2.泄漏：
从液压元件的密封间隙漏过少量油液的现象。
3.压力损失、流量损失的产生原因、后果及减小损失措施
名称
产生原因
类型
估算公式
后果
减小措施
压力损失△p=RyQn
液阻
沿程损失局部损失
p泵=k压p缸K压=1.3～1.5
功率浪费、油液发热、泄漏增加，元件受热膨胀“卡死”
选择粘度适当的油液，内壁光滑的管道、缩短管道长度、减小管截面变化及弯曲
流量损失（△Q）
泄漏
泄漏分为内泄漏和外泄漏
Q泵=k漏
油液漏出，系统效率降低，功率浪费
改善密封条件
八、液压传动功率的计算
1.液压传动的功率有两种表现方式：
即P=F*V=p*Q。
2.常需计算的功率
功率参数
计算公式
备注
液压缸的输出功率（P缸）
P缸=p缸·Q缸
p缸：
液压缸的最高工作压力
Q缸：
液压缸的最大的流量
液压泵的输出功率（P泵）
P泵=p泵Q泵
p泵：
液压泵的最高工作压力Q泵：
液压泵输出的最大的流量
电动机的功率
P电
P电=P泵Q泵/∩总
P电配=p额Q额/∩总
∩总：
液压泵的总效率p额：
液压泵的额定压力Q额：
液压泵的额定流量
P电配
注当液压泵为定量泵时，无论是求P电还是求P电配，流量一律代Q额。
【典型例题】
【例题1】在图简化液压千斤顶中，手掀力T=294N，大小活塞的面积分别为A2=5*10-3m2,A1=
1*10-3m2，忽略损失，试解答下列各题，并在计算末尾填入所用的原理或定义。
（1）通过杠杆机构作用在小活塞上的力F1及此时系统压力p；
（2）大活塞能顶起重物的重量G；
（3）大小活塞运动速度哪个快?
快多少倍?
（4）设需顶起的重物G=19600N时，系统压力p又为多少?
作用在小活塞上的力F1应为多少?
解题分析该题是运用液压传动基本概念进行求解的综合应用题。
学生可通过对本题的求解，进一步加深对液压传动工作原理的理解，强化液压传动的基本概念。
解：
（1）F1=540/27*T=540/27*294=5880N（杠杆原理）
p=F1A1=5880/1*10-8=58.8*1010Pa（压力定义）
（2）G=A2/A1F=5*10-3/1*10-3*5880=29400N（帕斯卡原理）
（3）V1/V2=A2/A1=5*10-3/1*10-3=5，∴V1比V2快4倍（液流连续性原理）
（4）p=G/A2=19600/5*10-3=39.2*1010Pa（压力定义）
F1=A1/A2G=1*10-3/5*10-3*19600=3920N（帕斯卡原理）
名师点拨对帕斯卡原理、液流连续性原理的正确理解是求解该题的关键。
即p1=p2（F1/A1=F2/A2）；Q1=Q2（A1υ1=A2υ2）。
【例题2】图简单液压系统，溢流阀弹簧力负载与活塞杆阻力负载F并联。
压力油顶开溢流阀溢流回油箱的压力为23.52*105Pa，油泵输出的额定流量为4.17*10-4m3/s，油缸无杆腔活塞有效作用面积A=5*10-3m2。
若不计损失，试确定下列四种情况下，泵的输出压力p及活塞运动速度υ各为多少?
（1）当阻力负载F=9800N时；
（2）当阻力负载F=14700N时；（3）当阻力负载F=0时；
（4）当阻力负载F=11760N时，并假定此时经溢流阀流走Q溢=0.833*10-4m3/s的油液回油箱。
但当活
塞杆运动到死挡铁挡死后（图中未画出），泵压p又为多少?
解题分析从题意可知，溢流阀弹簧力负载与活塞杆阻力负载并联，求阻力负载为四种不同数值时泵的输出压力p及活塞运动速度υ。
学生解题时应明确，液压系统中当有几个负载并联时，则压力取决于克服负载的各个压力值中的最小值。
解：
（1）p=F/A=9800/5*10-3=19.6*105Pa
υ=Q/A=4.17*10-4/5*10-3≈0.08m/s
（2）p=F/A=14700/5*10-3=29.4*105Pa＞23.52*105Pa
∴泵输出的压力p=23.52*105Pa。
∴活塞不能运动，υ=0
（3）p=F/A=0/5*10-3=0Pa
υ=Q/A=4.17*10-4/5*10-3≈0.08m/s
（4）p=F/A=117605*10-3=23.52*105P（溢流阀开启溢流）
υ＝Q-Q溢/A＝4.17*10-4-0.833*10-4/5*10-3≈0.07m/s
名师点拨该题中的
（2）、（4）问较难，求解这两题的关键在于学生应对液压系统中并联负载有正确的认识。
题
（2）中因推动负载所需的压力p=29.4*105Pa，大于溢流阀的开启压力，故系统压力为溢流阀的调定压力，溢流阀阀口全开，泵输出的油液全部由溢流阀流回油箱，速度为0。
题（4）中系统压力p=23.52*105Pa，已达到打开溢流阀所需的压力，溢流阀打开，从溢流阀流走的流量Q溢=0.833*10-4m3/s，流入液压缸的流量Q缸=Q泵-Q溢=3.337*10-4m3/s。
【例题3】如图13-3所示简化液压系统，要求活塞速度υ=0.05m/s，活塞杆负载F=24000N，无杆腔有效面积A1=8*10-3m2，液压泵额定流量Q额=10.5*10-4m2/s，额定压力p额=63*105Pa，泵的总效率η总=0.8。
取K压=1.4，K漏=1.2，试确定：
（1）此液压泵能否适用?
（2）计算驱动该泵的电机功率P电。
解题分析此泵能否适用应在求出缸的最高压力和最大流量的基础上，考虑压力损失和流量损失得出泵的最高压力和最大流量，并与泵的额定值相比较进行求解。
由于液压泵是定量泵，故驱动电机的功率为p电=p泵·Q额总。
解：
（1）p缸=F/A1=24000/8*10-3=30*105Pa
Q缸=A1υ=8*10-3*0.05＝4*10-4m3/s
p泵=K压*p缸=1.4*30*105＝42*105Pa
Q泵=K漏*Q缸=1.2*4*10-4＝4.8*10-4m3/s
∵p泵＜p额＝63*105Pa
Q泵＜Q额＝10.5*10-4m3/s
∴能用
（2）P电=p泵·Q额/∩总=42*105*10.5*10-4/0.8=5512.5W≈5.5KW
名师指点该题所求的是驱动该泵的电动机功率，若所求为与泵所匹配的电机功率，则计算式应为p电配
=p额Q额/∩总。
液压与气压传动单元测试试题
（液压传动的基本概念）
姓名_________________成绩__________________
一、填空题（把正确答案填写在横线上空白处）
1.__________是液压传动中常用来传递运动和动力的工作介质。
2.液压传动的工作原理是依靠___________来传递运动，依靠_____________来传递动力。
3.液压传动系统除油液外可分为_______、___________、_________、____________四个部分。
4.流量是指单位时间内流过管道或液压缸某一截面_____________，用________表示，单位___________。
5.液压传动中垂直压向单位面积上的力，称为________，用__________表示，单位_________。
6.如图所示密封连通的液压传动物理模型填空：
（1）忽略活塞自重和液阻及泄漏损失，则：
①工作过程中，Ⅰ腔密封容积变__________，Ⅱ腔密封容积变______________，即密封容积的变化传递了__________；
②容积变化时两腔流量分别为Q1=A1υ1，Q2=A2υ2，按液流连续原理A1υ1与A2υ2的数量关系写成_______，两活塞的运动速度与其面积成______比；
③两腔压力p1=F1/A1，p2=F2/A2，按静压传递原理，F1/A1与F2/A2的数量关系写成________，两活塞上的作用力与其面积成_____比，即油液内部的压力传递了___________；
④撤消F2，保留F1，两腔压力p1、p2的数值为________，由此可见：
液压系统的压力决定于_____；
⑤大活塞面积A2不变时，其上移速度υ2与流量Q2的关系为________即活塞的运动速度决定于_______。
（2）忽略活塞自重，但考虑液阻（以K压表示）和泄漏（以K漏表示）损失，则：
①两腔流量Q1与Q2的关系应写成_________________；
②两腔压力p1与p2的关系应写成_______________________；
③Ⅰ腔输出的功率P1=p1Q1，Ⅱ腔输出的功率P2=p2Q2。
若考虑总效率∩，两功率的关系应写成__________。
7.实际液压传动存在着液阻和泄漏，液阻造成____________损失，泄漏造成_____________损失。
8.液压传动中常利用改变______________的方法，来控制流量和压力。
二、选择题
1.当液压系统中有几个负载并联时，系统压力取决于克服负载的各个压力值中的（）。
A.最小值B.额定值C.最大值D.极限值
2.液压系统中的控制元件是（）。
A.电动机B.液压泵C.液压缸或液压马达D.控制阀
3.在静止的液体内部某一深度的一个点，它所受到的压力是（）。
A.向上的压力大于向下的压力B.向下的压力大于向上的压力
C.各个方向的压力都相等D.油液压力的方向不总是垂直于受压表面
4.汽车液压传动刹车装置如图13-5所示，脚踩力F，脚与踩板接触面积为A1，活塞B的面积为A2，活塞C的面积为A3，若A1＞A2＞A3，那么它们所产生的压力关系是（）
A.p1＞p2＞p3B.p1＜p2＝p3C.p1＝p2＜p3D.p1＜p2＜p3
5.图的液压传动系统中，若液压泵型号和液压缸的尺寸相同时，液压缸内油液压力的关系是（）。
A.pa＞pb＞pcB.pa＜pb＜pcC.pa＞pb＝pcD.pa＜pb＝pc
6.尺寸相同的a、b、c三个液压缸处于图13-7所示的三种回路状态。
设活塞面积为A1，活塞杆面积为A3，忽略损失，当FA＞FB＝F≠0，Fc=0时，试选择填写各缸无杆腔压力p1和有杆腔压力p2：
图（a）p1_________，p2__________；图（b）p1__________，p2__________；图（c）p1__________，p2___________。
A.F/A1B.F/A3C.F/A1-A3D.0
7.水压机的大活塞上所受的力，是小活塞受力的50倍，则小活塞对水的压力与通过水传给大活塞的压力比是（）。
A.50B.50∶1C.1∶1D.25∶1
8.水压机大小活塞直径之比是10：
1，如果大活塞上升2mm，则小活塞被压下的距离是（）mm。
A.100B.50C.10D.200
三、判断题（正确的在括号内画“√”，错误的在括号内画“×”）
1.液压传动装置实质上是一种能量转换装置。
（）
2.液压缸中的压力越大，所产生的推力也越大，活塞的运动速度也越快。
（）
3.油液流往无分支管道中，截面积越大处，通过的流量也越大。
（）
4.油液流动时的压力损失，以局部损失为主。
（）
5.液压泵输出的压力和流量应等于液压缸等执行元件的工作压力和流量。
（）
6.油液在单位时间内流动的距离，称为流速，单位是m/s。
（）
7.图所示的充满油液的固定密封装置中，甲、乙两人用大小相等的力分别从两端去推原来静止的光滑活塞，那么，两活塞将向右运动。
（）
8.液压系统的功率大小与系统的流速和压力有关。
（）
9.液压传动系统中，压力的大小取决于油液的流量大小。
（）
10.图两系统油缸尺寸相同，活塞匀速运动，不计损失，试判断下列概念：
（1）b缸活塞上的推力是a缸活塞上推力的两倍；（）
（2）b缸活塞的运动速度是a缸活塞运动速度的两倍；（）
（3）b缸输出的功率是a缸输出功率的两倍；（）
（4）若考虑损失，b缸压力油的泄漏量大于a缸压力油的泄漏量。
（）
四、计算题
1.如图所示的液压传动系统中，活塞和活塞杆直径分别为0.1m和0.07m。
输入液压缸的油液流量为8.33*10-4m3/s，问：
（1）活塞的运动速度为多少?
（2）若液压缸活塞运动速度用变量泵改变供油量，如果要求活塞以0.08m/s的速度运动，求泵的供油流量为多少?
2.图所示液压缸，无杆腔有效面积A1＝0.02m2，有杆腔有效面积A2＝0.01m2，要求活塞运动速度υ=5*10-2m/s，试计算：
（1）流入液压缸的流量Q1和流出液压缸的流量Q2。
（2）若进油和出油管的有效直径都是0.02m，求两管道中油液的平均流速υ1，和υ2（取π=3近似计算）。
3如的简单液压系统，采用额定压力p额=2.5MPa，额定流量Q额=4.166*10-4m3/s的定量泵供油，泵的总效率为0.8，液压缸的有效作用面积A=0.008m2,外界负戴F=10KN，活塞运动速度为υ=0.04m/s，试计算并回答下列问题：
（1）该泵是否适用?
（2）计算驱动该泵的电动机功率。
（3）计算与该泵匹配的电动机功率。
液压元件
【教学目标】
1.掌握泵、缸、阀的图形符号、工作原理和应用特点；
2.掌握液压辅助件的图形符号和功用；
3.能根据已知条件选择泵的型号；掌握缸的速度和推力的计算。
【教学重点】
1．液压辅助件的图形符号和功用；
2．根据已知条件选择泵的型号；掌握缸的速度和推力的计算。
【教学难点】
根据已知条件选择泵的型号；掌握缸的速度和推力的计算。
【教学时数】
12课时（8课时讲授/2课时作业/1课时测试/1课时教学分析）
【知识网络】
【知识精讲】
一、液压泵概述
1.液压泵是液压系统中的动力元件，将电机等动力装置输出的机械能转换成液压能。
2.液压泵的必备条件：
（1）密封容积；
（2）密封容积能交替变化；
（3）配流装置；
（4）吸油过程中，油箱必须和大气相通。
3.图形符号（见表）。
名称
单向定量泵
双向定量泵
单向变量泵
双向定量泵
并联单向定量泵
符号
二、液压泵的类型（见表）
类型
结构
原理
特点
备注
柱塞泵
径向柱塞泵
柱塞中心线垂直于转轴轴线，转子与定子间有偏心距（e≠0）
上半周△υ↑吸油下半周△υ↓压油
双向变量泵（改变e的大小及方向）性能稳定，耐冲击性能好，工作可靠；结构复杂，体积大，惯性大，制造困难
压力高，结构紧凑，效率高、流量调节方便，结63+构复杂，价格高，多用于高压系统中
轴向柱塞泵
柱塞中心线平行于转轴轴线，斜盘与缸体轴线有交角（γ）
0～π△υ↑吸油π～2π△υ↓压油
双向变量泵（改变γ的大小及方向）
叶片泵
单作用式（非卸荷式）
e≠0的偏心距
△υ↑吸油△υ↓压油
转子转一周完成二次吸油和压油，径向压力不平衡，双向变量泵
寿命长，噪音低，流量均匀，体积小，重量轻；对油液污染较敏感，自吸能力差。
一般用于中压系统中
双作用式（卸荷式）
e=0，定子内表面呈腰圆形（椭圆形）
△υ↑吸油△υ↓压油
转子转一周完成二次吸油和压油，径向压力平衡，定量泵
齿轮泵
吸油腔压油腔
脱离啮合△υ↑吸油进入啮合△υ↓压油
径向不平衡、自吸能力强对油液污染不敏感
噪音较大输油量不均匀。
多用于低压系统中
注1.齿轮泵径向不平衡液压力的形成：
齿轮泵中两齿轮中心线两侧的油压差较大，吸油腔油压小（一般稍低于大气压），压油腔油压高（通常为泵的工作压力）。
由于泵体内表面与齿轮齿顶圆柱面间有径向间隙，故在此间隙中从压油腔到吸油腔的油压是逐步分级降低的。
因而使齿轮轴受到单方向的压力作用。
2.改善齿轮泵径向压力不平衡的措施：
（1）使轴在有变形的情况下，适当加大径向间隙，使齿顶不会和泵体内壁接触而加剧磨损；
（2）将齿轮泵的压油口的口径缩小，使压力油作用于齿轮上的面积有所缩小，以相应地减小径向力。
三、液压泵的选择方法（见表）
选择内容
具体方法
液压泵输油量的选择（额定流量）
根据液压系统中所需的最大流量（Q缸）和系统的泄漏情况（K漏）来决定，即Q泵≥K漏·Q缸，然后再取额定流量值
液压泵工作压力的选择（额定压力）
根据液压系统所需的最高工作压力（p缸）和系统的压力损失情况（K压）来选用，即p泵≥K压·p缸，然后再取额定压力值（比P缸高25%～60%）
液压泵类型的选择
根据泵的额定压力选择泵的类型。
齿轮泵多用于低压系统（2.5MPa以下），叶片泵多用于中压系统（6.3MPa以下），柱塞泵多用于高压系统（10MP以上）
四、液压缸的概述
1.液压缸是液压系统的执行元件，它是将液压能转变为机械能的能量转换装置。
2.液压缸一般用于实现直线往复运动或摆动。
五、液压缸的类型（见表）
类型
结构性能
运动范围
计算公式
应用场合
备注
速度（υ）
推（拉）力（F）
活塞式液压缸
双出杆活塞式
实心式
缸体固定，向回油腔运动
3L
4Q/πD2
F=pA1
小型设备
活塞（或缸）左右移动或产生的推力均相等
空心式
缸体运动，向进油腔运动
2L
4Q/πD2
F=PA1
中、大型设备
单出杆活塞式液压缸
分为实心和空心两种，缸体运动，向进油腔运动
2L
4Q/π（D2-d2）4Q/πD2
F=PA2
F=PA1
快进及工进
活塞（或缸）双向运动时的速度和产生的推力不相等
差动液压缸
利用活塞两侧有效作用面积差进行工作的单出杆液压缸
2L
4Q/πd2
F=pπd2/4
快进、工进及快退
快进与快退速度相等时需D=
（2）^（1/2）d
无杆液压缸（齿条活塞缸）
往复直线运动〈==〉回转或摆动
机械手、转位机构或回转夹具等
柱塞式液压缸
内壁不需精加工，杆精加工
一般只能单方向运动双向运动时可组合使用
摆动式液压缸
摆动运动
回转夹具、专用机械手的回转等
六、液压缸的密封（见表）
密封要求
一定压力下具有良好的密封性能，随压力↑密封性↑，元件结构简单等特点
类型
间隙密封
减少接触，减少侧压造成的摩擦（作用）；应用于尺寸较小，压力较低，运动速度较高场合；间隙值可取0.02～0.05mm
密封圈密封
O形
应用较广，结构简单，密封性能好，有自动提高密封效果作用，压力较高或沟槽尺寸选择不当时，密封圈易被挤出而造成剧烈磨损
Y形
运动速度较高，用于液压缸与活塞及活塞杆密封
注意安装方向，即应使唇边对着压力油方向，使密封性能随压力升高而提高
V形
由支承环、密封环和压环组成。
移动速度不高的液压缸中应用较多
七、液压缸的缓冲及排气（见表）
液压缸的缓冲
缓冲结构：
活塞凸台和缸盖凹槽组成缓冲原理：
活塞在接近缸盖时，
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