液压教案《液压与气压传动》教案.docx

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液压教案《液压与气压传动》教案

湖北职业技术学院机电工程学院

《液压与气压传动》教案

教师姓名

桂宏凡

授课班级

15251、15252

授课形式

讲授

授课日期

月日第周

授课时数

4

授课章节名称

绪论

教学目标

1、掌握液压与气压传动系统的工作原理与组成

2、理解压力和流量的概念

教学重点难点

1、液压与气压传动系统的工作原理

2、力比例关系、运动关系、功率关系

教学媒体选择

多媒体课件

作业布置

复习和预习

学时分配

液压与气压传动系统的工作原理：

2学时

液压传动系统组成：

2学时

绪论

一、液压与气压传动的研究对象

液压与气压传动是研究利用有压流体（压力油或压缩空气）作为传动介质来实现各种机械的传动和自动控制的学科。

液压传动与气压传动实现传动和控制的方法基本相同，它们都是利用各种元件组成需要的控制回路，再由若干回路组成能够完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换与控制。

液压传动所采用的工作介质为液压油或其它合成液体，气压传动所采用的工作介质为压缩空气。

二、液压与气压传动的工作原理

根据液压千斤顶的工作原理即可了解液压传动的工作原理。

从图0－1可以看出，当向上提手柄１使小缸活塞３上移时，小液压缸２因容积增大而产生真空，油液从油箱12通过阀4被吸入至小液压缸２中，当按压手柄１使小缸活塞３下移时，则油液通过阀７输入到大液压缸９的下油腔，当油液压力升高到能够克服重物Ｗ时，即可举起重物。

彩图液压搬运车的工作原理即如前面所述。

图0－1  液压千斤顶原理图图0－2　液压千斤顶简化模型图

有关的具体公式推导请见下一页.

将上一页液压千斤顶工作原理图（图0－1）简化成如下图形（图0－2），并对其进行公式推导：

1.力的传递关系

根据帕斯卡原理：

"在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到液体各点"，并根据图0-2的受力情况可推导出

式中A1和A2分别为图2中小活塞和大活塞的作用面积；F1为杠杆手柄作用在小活塞上的力；W为被举起的负载。

由此建立了一个很重要的基本概念，即在液压和气压传动中，系统的工作压力取决于负载，而与流人的流体多少无关。

2．运动的传递关系

由图2可以看出，当不考虑液体得可压缩性、泄漏的等因素时，依据液体体积不变，可得出

式中，h1和h2分别为小活塞和大活塞的位移，将其两端分别除以活塞移动的时间t，则得

由此可见，活塞的运动速度与活塞的面积成反比。

进一步推导可得

据此可得，活塞的运动速度取决于进入液压（气）缸（马达）的流量，而与流体压力大小无关。

3．功率关系

当不计功率损失的情况下，假设输入功率等于输出功率，由图0-2可得

还可以推导出

由以上分析可得，液压传动和气压传动是以流体的压力能来传递动力的。

三、液压与气压传动系统的组成

1.液压传动系统的组成

下图（图0－3）为一驱动机床工作台的液压传动系统，该系统的工作原理为：

在图示位置，液压泵3由电动机带动旋转后，从油箱1中吸油，油液经滤油器2进入液压泵3的吸油腔，并经液压泵3、节流阀4、换向阀5进入液压缸7左腔，液压缸7右腔的油液经换向阀5流回油箱，液压缸活塞在压力油的作用下驱动工作台右移。

反之，通过换向阀5换向（阀心左移），压力油进入液压缸的右腔，液压缸7左腔的油液经换向阀5流回油箱，液压缸活塞在压力油的作用下驱动工作台左移。

图0－3　机床工作台液压系统工作原理图

1-油箱2-过滤器3-液压泵4-节流阀5-换向阀7-液压缸8-工作台

2.气压传动系统的组成

3.液压与气压传动系统的组成

由上面的例子可以看出，液压与气压传动：

系统主要由以下几个部分组成：

（1动力元件：

把机械能转换成流体的压力能的装置,一般最常见的是液压泵或空气压缩机。

（2）执行元件：

把流体的压力能转换成机械能的装置，一般指作直线运动的液（气）压缸、作回转运动的液（气）压马达等。

（3）控制元件：

对液（气）压系统中流体的压力、流量和流动方向进行控制和调节的装置。

例如溢流阀、节流阀、换向阀等。

这些元件的不同组合组成了能完成不同功能的液（气）压系统。

（4）辅助元件：

指除以上三种以外的其它装置，如油箱、过滤器、分水滤气器、油雾器、能器等，它们对保证液（气）压系统可靠和稳定地工作有重大作用。

（5）工作介质：

系统中传递能量'的流体，即液压油或压缩空气。

4.液压与气压传动系统的图形符号

上面的图为液压系统原理图，也可以将其用液压图形符号表示，如图0-3所示，详细的液压与气动元件图形符号在后面的课程中有详细介绍。

四、液压与气压传动的优缺点

1.液压传动的优点

（1）在同等的体积下，液压装置能比电气装置产生出更多的动力。

在同等的功率下，液压装置的体积小，重量轻，功率密度大，结构紧凑。

液压马达的体积和重量只有同等功率电动机的12％左右。

（2）液压装置工作比较平稳。

由于重量轻、惯性小、反应快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁的换向。

（3）液压装置能在大范围内实现无级调速（调速范围可达2000），它还可以在运行的过程中进行调速。

（4）液压传动易于自动化，它对液体压力、流量或流动方向易于进行调节或控制。

当将液压控制和电气控制、电子控制或气动控制结合起来使用时，整个传动装置能实现很复杂的顺序动作，也能方便地实现远程控制。

（5）液压装置易于实现过载保护。

液压缸和液压马达都能长期在堵转状态下工作而不会过热，这是电气传动装置和机械传动装置无法办到的。

（6）由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造和使用都比较方便。

（7）用液压传动实现直线运动远比用机械传动简单。

2.液压传动的缺点

（1）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄漏损失等），长距离传动时更是如此。

（2）液压传动对油温变化比较敏感，它的工作稳定性很易受到温度的影响，因此它不宜在很高或很低的温度条件下工作。

（3）为了减少泄漏，液压元件在制造精度上的要求较高，因此它的造价较贵，而且对工作介质的污染比较敏感。

（4）液压传动出现故障时不易找出原因。

3.气压传动的优点

与液压传动相比，气压传动具有一些独特的优点：

（1）空气可以从大气中取得，同时，用过的空气可直接排放到大气中去，处理方便，万一空气管路有泄漏，除引起部分功率损失外，不致产生不利于工作的严重影响，也不会污染环境。

（2）空气的粘度很小，在管道中的压力损失较小，因此压缩空气便于集中供应（空压站）和远距离输送。

（3）因压缩空气的工作压力较低（一般为0.3—0.8MPa），因此，对气动元件的材料和制造精度上的要求较低。

（4）气动系统维护简单，管道不易堵塞，也不存在介质变质、补充、更换等问题。

（5）使用安全，没有防爆的问题，并且便于实现过载自动保护。

4.气压传动的缺点

气压传动与电气、液压传动相比有以下缺点：

1）气压传动装置。

的信号传递速度限制在声速（约340m／s）范围内，所以它的工作频率和响应速度远不如电子装置，并且信号要产生较大的失真和延滞，也不便于构成较复杂的回路，但这个缺点对工业生产过程不会造成困难。

（2）空气的压缩性远大于液压油的压缩性，因此在动作的响应能力、工作速度的平稳性方面不如液压传动。

（3）气压传动系统出力较小，且传动效率低。

五、液压与气压传动的应用及发展

（一）液压与气压传动技术的应用

在工业生产的各个部门都应用液压与气压传动技术。

例如，工程机械（挖掘机）、矿山机械、压力机械（压力机）和航空工业中采用液压传动，机床上的传动系统也采用液压传动，上海音乐厅整体搬迁；而在在电子工业、包装机械、印染机械、食品机械等方面应用较多的气压传动等。

（二）液压与气动技术的发展

液压技术正向高压、高速、大功率、高效、低噪声、高性能、高度集成化、模块化、智能化的方向发展。

同时，新型液压元件和液压系统的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助测试（CAT）、计算机直接控制（DDC）、计算机实时控制技术、机电一体化技术、计算机仿真和优化设计技术、可靠性技术，以及污染控制技术等方面也是当前液压传动及控制技术发展和研究的方向；气压传动技术在科技飞速发展的当今世界发展将更加迅速。

随着工业的发展，气动技术的应用领域已从汽车、采矿、钢铁、机械工业等行业迅速扩展到化工、轻工、食品、军事工业等各行各业。

气动技术已发展成包含传动、控制与检测在内的自动化技术。

由于工业自动化技术的发展，气动控制技术以提高系统可靠性，降低总成本为目标。

研究和开发系统控制技术和机、电、液、气综合技术。

显然，气动元件当前发展的特点和研究方向主要是节能化、小型化、轻量化、位置控制的高精度化，以及与电子学相结合的综合控制技术。

教师姓名

桂宏凡

授课班级

15251、15252

授课形式

讲授

授课日期

年月日第周

授课时数

6

授课章节名称

第一章液压传动基础

教学目标

1、掌握液压与气压传动系统的工作原理与组成

2、掌握液体静力学﹑液体动力学﹑定常管流的压力损失﹑孔口及缝隙流动

教学重点难点

流体静压力基本方程、伯努利方程、定常管流的压力损失等

教学媒体选择

多媒体课件

作业布置

从互联网上下载一张关于液压系统的图片（例如挖掘机），分别指出液压系统的各个组成部分。

学时分配

教学学时分配：

1、液压油﹑液体静力学

2、液体动力学：

2学时

3、定常管流的压力损失﹑孔口及缝隙流动

4、液压冲击及气穴现象：

2学时

5、实验一：

液压传动工作原理及组成：

2学时

第一章液压传动基础

　　流体传动包括液体传动和气体传动，本章仅介绍液体传动的基本知识。

为了分析液体的静力学、运动学和动力学规律，需了解液体的以下特性：

连续性假设：

流体是一种连续介质，这样就可以把油液的运动参数看作是时间和空间的连续函数，并有可能利用解析数学来描述它的运动规律。

不抗拉：

由于油液分子与分子间的内聚力极小，几乎不能抵抗任何拉力而只能承受较大的压应力，不能抵抗剪切变形而只能对变形速度呈现阻力。

易流性：

不管作用的剪力怎样微小，油液总会发生连续的变形，这就是油液的易流性，它使得油液本身不能保持一定的形状，只能呈现所处容器的形状。

均质性：

其密度是均匀的，物理特性是相同的。

第一节液压传动工作介质

　　液压传动最常用的工作介质是液压油，此外，还有乳化型传动液和合成型传动液等，此处仅介绍几个常用的液压传动工作介质的性质。

一、液压传动工作介质的性质

1．密度

单位体积液体的质量称为液体的密度。

体积为Ｖ，质量为ｍ的液体的密度为

矿物油型液压油的密度随温度的上升而有所减小，随压力的提高而稍有增加，但变动值很小，可以认为是常值。

我国采用摄氏20度时的密度作为油液的标准密度。

2．可压缩性

压力为ｐ0、体积为Ｖ0的液体，如压力增大

时，体积减小

，则此液体的可压缩性可用体积压缩系数

，即单位压力变化下的体积相对变化量来表示

由于压力增大时液体的体积减小，因此上式右边须加一负号，以使

成为正值。

液体体积压缩系数的倒数，称为体积弹性模量Ｋ，简称体积模量。

即Ｋ=１／

。

3．粘性

1）粘性的定义

液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产生的一种内摩擦力，这种现象叫做液体的粘性。

液体只有在流动（或有流动趋势）时才会呈现出粘性，静止液体是不呈现粘性的。

粘性使流动液体内部各处的速度不相等，以图1-2为例，若两平行平板间充满液体，下平板不动，而上平板以速度

向右平动。

由于液体的粘性作用，紧靠下平板和上平板的液体层速度分别为零和

。

通过实验测定得出，液体流动时相邻液层间的内摩擦力Ft，与液层接触面积Ａ、液层间的速度梯度

成正比，即

式中：

为比例常数，称为粘性系数或粘度。

如以

表示切应力，即单位面积上的内摩擦力，则

这就是牛顿的液体内摩擦定律。

2）粘性的度量

（1）动力粘度：

又称绝对粘度，单位为Pa·s（帕·秒），以前沿用的单位为P（泊，dyne·s／

），1Pa·s=10P=

cP（厘泊）。

（2）运动粘度：

液体的动力粘度与其密度的比值，称为液体的运动粘度

；

液体的粘度随液体的压力和温度而变。

对液压传动工作介质来说，压力增大时，粘度增大。

在一般液压系统使用的压力范围内，增大的数值很小，可以忽略不计。

但液压传动工作介质的粘度对温度的变化十分敏感，温度升高，粘度下降。

这个变化率的大小直接影响液压传动工作介质的使用，其重要性不亚于粘度本身。

4．其它性质

液压传动工作介质还有其它些性质，如稳定性（热稳定性、氧化稳定性、水解稳定性、剪切稳定性等）、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、润滑性以及相容性（对所接触的金属、密封材料、涂料等作用程度）等，它们对工作介质的选择和使用有重要影响。

这些性质需要在精炼的矿物油中加入各种添加剂来获得，其含义较为明显，不多作解释，可参阅有关资料。

二、对液压传动工作介质的要求

不同的工作机械、不同的使用情况对液压传动工作介质的要求有很大的不同；为了很好地传递运动和动力，液压传动工作介质应具备如下性能：

1）合适的粘度，较好的粘温特性。

2）润滑性能好。

3）质地纯净，杂质少。

4）对金属和密封件有良好的相容性。

5）对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性。

6）抗泡沫好，抗乳化性好，腐蚀性小，防锈性好。

7）体积膨胀系数小，比热容大。

8）流动点和凝固点低，闪点（明火能使油面上油蒸气闪燃，但油本身不燃烧时的温度）和燃点高。

9）对人体无害，成本低。

对轧钢机、压铸机、挤压机和飞机等液压系统则须突出耐高温、热稳定、不腐蚀、无毒、不挥发、防火等项要求。

三、工作介质的分类和选择

1.分类

液压系统工作介质的品种以其代号和后面的数字组成，代号为L是石油产品的总分类号，H表示液压系统用的工作介质，数字表示该工作介质的粘度等级。

2．工作介质的选用原则

选择液压系统的工作介质一般需考虑以下几点：

（1）液压系统的工作条件

（2）液压系统的工作环境

（3）综合经济分析

第二节液体静力学

液体静力学主要是讨论液体静止时的平衡规律以及这些规律的应用。

"液体静止"指的是液体内部质点间没有相对运动，不呈现粘性而言，至于盛装液体的容器，不论它是静止的或是匀速、匀加速运动都没有关系。

一、液体静压力及其特性

作用在液体上的力有两种，即质量力和表面力。

单位质量液体受到的质量力称为单位质量力，在数值上就等于加速度。

表面力是由与流体相接触的其它物体（如容器或其它液体）作用在液体上的力，这是外力；"液体静止"指的是液体内部质点间没有相对运动，不呈现粘性而言，至于盛装液体的容器，不论它是静止的或是匀速、匀加速运动都没有关系。

也可以是一部分液体作用在另一部分液体上的力，这是内力。

单位面积上作用的表面力称为应力，它有法向应力和切向应力之分。

当液体静止时，液体质点间没有相对运动，不存在摩擦力，所以静止液体的表面力只有法向力。

液体内某点处单位面积

上所受到的法向力

之比，叫做压力

（静压力），即

如果法向力F，均匀地作用于面积A上，则压力可表示为

液体的静压力具有两个重要特性：

1）液体静压力的方向总是作用面的内法线方向。

2）静止液体内任一点的液体静压力在各个方向上都相等。

二、液体静压力基本方程

1．静压力基本方程式

式中，g为重力加速度，此表达式即为液体静压力的基本方程，由此式可知：

（1）静止液体内任一点处的压力由两部分组成，一部分是液面上的压力

，另一部分是

与该点离液面深度

的乘积。

（2）同一容器中同一液体内的静压力随液体深度

的增加而线性地增加。

（3）连通器内同一液体中深度

相同的各点压力都相等。

由压力相等的点组成的面称为等压面。

重力作用下静止液体中的等压面是一个水平面。

2．静压力基本方程式的物理意义

说明了静止液体中单位质量液体的压力能和位能可以互相转换，但各点的总能量却保持不变，即能量守恒，这就是静压力基本方程式中包含的物理意义。

三、压力的表示方法及单位

１．压力的表示方法

压力的表示方法有两种：

一种是以绝对真空作为基准所表示的压力，称为绝对压力；另一种是以大气压力作为基准所表示的压力，称为相对压力。

由于大多数测压仪表所测得的压力都是相对压力，故相对压力也称表压力。

绝对压力与相对压力的关系为：

绝对压力=相对压力+大气压力

绝对压力小于大气压时,负相对压力数值部分叫做真空度。

即

真空度=大气压-绝对压力=-（绝对压力-大气压）

　　由此可知，当以大气压为基准计算压力时，基准以上的正值是表压力，基准以下的负值就是真空度。

绝对压力、相对压力和真空度的相互关系如图1-6所示。

２．压力的单位:

法定压力（ISO）单位称为帕斯卡（帕），符号为

，工程上常用兆帕这个单位来表示压力，

在工程上采用工程大气压，也采用水柱高或汞柱高度等，在液压技术中，目前还采用的压力单位有巴，符号为

１

压力的单位及其它非法定计量单位的换算关系为：

1at（工程大气压）＝

（米水柱）

（毫米汞柱）

四、帕斯卡原理

在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到各点。

这就是静压传递原理或称帕斯卡原理。

液压系统中的压力是由外界负载决定的。

五、液体静压力对固体壁面的作用力

静止液体和固体壁面相接触时，固体壁面上各点在某一方向上所受静压作用力的总和，便是液体在该方向上作用于固体壁面上的力。

在液压传动计算中质量力可以忽略，静压力处处相等，所以可认为作用于固体壁面上的压力是均匀分布的。

当固体壁面是曲面时，作用在曲面各点的液体静压力是不平行的，曲面上液压作用力在某一方向上的分力等于液体静压力和曲面在该方向的垂直面内投影面积的乘积。

第三节液体动力学

本节主要讲授三个基本方程：

流量连续性方程、伯努利方程和动量方程

一、基本概念

l．理想液体、定常流动和一维流动

理想液体：

既无粘性又不可压缩的液体。

定常流动：

液体流动时，若液体中任何一点的压力、速度和密度都不随时间而变化，则这种流动就称为定常流动（恒定流动或非时变流动）。

非定常流动：

只要压力、速度和密度中有一个随时间而变化，液体就是作非定常流动（非恒定流动或时变流动）。

一维流动：

当液体整个地作线形流动时，称为一维流动，当作平面或空间流动时，称为二维或三维

流动。

2．迹线、流线、流束和通流截面

迹线：

是流动液体的某一质点在某一时间间隔内在空间的运动轨迹。

流线：

是表示某一瞬时液流中各处质点运动状态的一条条曲线，在此瞬时，流线上各质点速度方向与该线相切。

在非定常流动时，由于各点速度可能随时间变化，因此流线形状也可能随时间而变化。

在定常流动时，流线不随时间而变化，这样流线就与迹线重合。

由于流动液体中任一质点在其一瞬时只能有一个速度，所以流线之间不可能相交，也不可能突然转折，流线只能是一条光滑的曲线。

流管：

在液体的流动空间中任意画一不属流线的封闭曲线，沿经过此封闭曲线上的每一点作流线，由这些流线组合的表面称为流管。

流束：

流管内的流线群称为流束定常流动时。

流管和流束形状不变。

且流线不能穿越流管，故流管与真实管流相似，将流管断面无限缩小趋近于零，就获得了微小流管或微小流束。

微小流束实质上与流线一致，可以认为运动的液体是由无数微小流束所组成的。

通流截面：

流束中与所有流线正交的截面称为通流截面，截面上每点处的流动速度都垂直于这个面。

平行流动：

流线彼此平行的流动称为平行流动。

缓变流动：

流线夹角很小或流线曲率半径很大的流动称为缓变流动。

平行流动和缓变流动都可算是一维流动。

3．流量和平均流速

流量：

单位时间内通过某通流截面的液体的体积称为流量。

在法定计量单位制（或SI单位制）中流量的单位为

（

／秒），常用单位为L／min（升／分）或mL／s（毫升／秒）。

对于微小流速，由于通流截面积很小，可似认为通流截面上各点的流速u是相等的，所以通过该截面积

的流量为

，对此式进行积分，可得到整个通流截面面积A上的流量为

在工程实际中，通流截面上的流速分布规律很难真正知道，故直接从上式来求流量是困难的，为了便于计算，引入平均流速的概念，假想在通流截面上流速是均匀分布的，则流量等于平均流速乘以通流截面面积。

令此流量与实际的不均匀流速通过的流量相等，即

＝ｖＡ

故平均流速

流量也可以用流过其截面的液体质量来表示，即质量流量

4．流动液体的压力

静止液体内任意点处的压力在各个方向上都是相等的，可是在流动液体内，由于惯性力和粘性力的影响，任意点处在各个方向上的压力并不相等，但数值相差甚微。

当惯性力很小，且把液体当作理想液体时，流动液体内任意点处的压力在各个方向上的数值可以看作是相等的。

二、连续性方程

连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的一种表达形式，如果液体作定常流动，且不可压缩，那么任取一流管（图1-11），两端通流截面面积为

和

，在流管中取一微小流束，流束两端的截面积分别为

和

，在微小截面上各点的速度可以认为是相等的，且分别为

和

。

根据质量守恒定律，在dt时间内流人此微小流束的质量应等于从此微小流束流出的质量，故有

即

对整个流管，显然是微小流束的集合，由上式积分得

即

如用平均速度表示，得

由于两通流截面是任意取的，故有

上式称为不可压缩液体作定常流动时的连续性方程。

它说明通过流管任一通流截面的流量相等。

此外还说明当流量一定时，流速和通流截面面积成反比。

第四节定常管流的压力损失计算

　　实际液体具有粘性，在流动时就有阻力，为了克服阻力，就必然要消耗能量，这样就有能量损失。

在液压传动中，能量损失主要表现为压力损失，这就是实际液体流动的伯努利方程式（1-24）中项的含义。

液压系统中的压力损失分为两类，一类是油液沿等直径直管流动时所产生的压力损失，称之为沿程压力损失。

这类压力损失是由液体流动时的内、外摩擦力所引起的。

另一类是油液流经局部障碍（如弯管、接头、管道截面突然扩大或收缩）时，由于液流的方向和速度的突然变化，在局部形成旋涡引起油液质点间以及质点与固体壁面间相互碰撞和剧烈摩擦而产生的压力损失称之为局部压力损失。

一、流态、雷诺数

1．层流和紊流

流体在流动时，通过雷诺实验，可以看到下图（图1－21）所示的几种流动状态，一般将其定义为层流和紊流。

在低速流动时，液体质点互不干扰，液体的流动呈线性或层状，且平行于管道轴线，如图1-21a所示，此种流动状态称为在层流时；当流速大时，液体质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴线的运动外，还存在着剧烈的横向运动，此种流动状态称为紊流，如图1-21d所示；图1-21b中色线开始折断，表明层流开始破坏，图1-21c中色线上下波动，并出现断裂，表现液体流动已趋于，此两种状态称为变流，一般也将其看成紊流。

层流和紊流是两种不同性质的流态。

层流时，液体流速较低，质点受粘性制约，不能随意运动，粘性力起主导作用；但在紊流时，因液体流速较高，粘性的制约作用减弱，因而惯性力起主导作用。

液体流动时究竟是层流还紊流，须用雷诺数来判别。

2．雷诺数

实验表明，液体在圆管中的流动状态不仅与管内的平均流速ｖ有关，还和管径ｄ、液体的运动粘度

有关，但是真正决定液流流动状态的是用这三个数所组成的一个称为雷诺数Re的无量纲数，即

液体流动时的雷诺数若相同，则它的流动状态也相同。

另一方面液流由层流转变为紊流时的雷诺数和由紊流转变为层流的雷诺数是不同的，前者称为上临界雷