液压传动教案.docx

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液压传动教案

《液压传动》

电子教案

教学课题：

第一章液压传动概述

第一次课

教学课题：

第一章液压传动概述

教学目的：

1、液压与气压传动的工作原理

2、液压与气压传动系统的组成与实例

3、液压与气压传动的比较

教学重点：

液压与气压传动的工作原理

教学难点：

液压传动的原理

课程设置：

液压传动工作原理

液压系统的组成

液压传动的优缺点

教学过程关于《液压与气压传动》

课程性质:

专业基础课

课程特点:

理论与实践并重

评价指标:

期末60%；平时40%（出勤、作业、实验、课堂提问等）

第一章 液压与气压传动概述

   知识点：

基本原理、介质性能

液压与气压传动都是借助于密封容积的变化，利用流体的压力能与机械能之间的转换来传递能量的

压力和流量是液压与气压传动中两个最重要的参数。

压力取决于负载；流量决定执行元件的运动速度

液压与气压传动系统的基本组成

传动介质的主要性能、参数的物理意义、度量单位以及主要的影响因素

    研究对象

1、研究以有压流体（压力油和压缩空气）为传动介质来实现各种机械传动和自动控制的学科。

2、元件→回路→系统→介质

     1.1 液压与气压传动的工作原理

                     （图1-1）

          （观看动画演示）

    1.1.1 力比关系

  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”

  如图1－1b）所示。

　　（1.1）

    重要基本概念一：

“工作压力取决于负载”，而与流入的液体多少无关.

  思考：

1.若空载，即W=0，则p=？

       2.千斤顶的工作原理，液压传动和其它传动方式的比较?

      1.1.2 运动关系

  活塞的运动速度和活塞的作用面积成反比.

  流量q（Ah/t）:

单位时间内流过某一截面积为A的流体体积q=Av

      q=A1v1=A2v2  （1.4）（连续性方程）

  若已知进入缸体的流量q，则活塞运动速度为：

    （1.5）

     重要基本概念二：

  “活塞的运动速度v取决于进入液压（气压）缸（马达）的流量q，而与液体压力p大小无关”.

      1.1.3 功率关系

压力p和流量q是流体传动中最基本、最重要的两个参数，它们相当于机械传动中的力和速度，它们的乘积即为功率。

液压与气压传动是以流体的压力能来传递动力的.

      1.2 液压与气压传动系统组成与实例

    液压传动的特点：

  先通过动力元件（液压泵）将原动机（如电动机）输入的机械能转换为液体压力能，再经密封管道和控制元件等输送至执行元件（如液压缸），将液体压力能又转换为机械能以驱动工作部件。

    液压与气压传动系统组成

动力元件：

液压泵或气源装置，其功能是将原动机输入的机械能转换成流体的压力能，为系统提供动力

执行元件：

液压缸或气缸、液压马达或气马达，功能是将流体的压力能转换成机械能，输出力和速度或转矩和转速），以带动负载进行直线运动或旋转运动

控制元件：

压力、流量和方向控制阀，作用是控制和调节系统中流体的压力、流量和流动方向，以保证执行元件达到所要求的输出力（或力矩）、运动速度和运动方向

辅助元件：

保证系统正常工作所需要的辅助装置，包括管道、管接头、油箱或储气罐、过滤器和压力计

传动介质.

     1.3 液压与气压传动的发展方向

 ◇液压技术正向高压、高速、大功率、高效率、低噪声和高度集成化、数字化等方向发展。

 ◇气动技术正向节能化、小型化、轻量化、位置控制的高精度化，以及与机、电、液、气相结合的综合控制技术方向发展。

小结

总结

第二次课

教学课题：

液压油

教学目的：

了解液压油的用途，种类，性质，选用

教学重点及处理方法：

液压油的粘度与压缩性。

课堂板书或多媒体进行讲解

教学难点及处理方法：

液压油的选用。

课堂板书或多媒体进行讲解

教学方式（手段）：

板书及多媒体教学、课堂提问。

教具：

书本，教案。

时间分配：

1液压油的用途与种类30′

2液压油的性质与选取60′

一液压油的用途

传递能量和信号；

润滑液压元件；

散热；

防止锈蚀；

密封摩擦副中的间隙；

传输、分离和沉淀非可溶性污染物；

为故障提供诊断信息等。

二液压油的种类

液压油主要有下列两种。

1.矿物油系液压油：

矿物油系液压油主要由石腊基（Paraffinbase）的原油精制而成，再加抗氧化剂和防锈剂，为用途最广的一种。

其缺点为耐火性差。

2.耐火性液压油：

耐火性液压油是专用于防止有引起火灾危险的乳化型液压油，有水中油滴型（O/W）和油中水滴型（W/O）两种。

水中油滴型（O/W）的润滑性差，会侵蚀油封和金属；油中水滴型（W/O）化学稳定性很差。

三液压油的性质

1密度

单位体积V液体的质量m称为液体的密ρ度，即

ρ=m/V（kg/m3）

密度随着温度或压力的变化而变化，但变化不大，通常忽略，一般取ρ=900kg/m3的大小，水1000kg/m3。

2可压缩性  

液体受压力作用而发生体积变化的性质称为液体的可压缩性。

液压油体积弹性模量Κ＝（1.2～2）109Pa，数值很大，一般情况下，可以认为液体是不可压缩的。

液压油在低、中压时可视为非压缩性液体，但在高压时压缩性就不可忽视了，纯油的可压缩性是钢的100～150倍。

压缩性会降低运动的精度，增大压力损失而使油温上升，压力信号传递时，会有时间延迟，响应不良的现象。

液压油还有其他一些性质，如稳定性、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、润滑性以及相容性等。

3闪火点

油温升高时，部分油会蒸发而与空气混合成油气，此油气所能点火的最低温度称为闪火点，如继续加热，则会连续燃烧，此温度称为燃烧点。

4粘度

流体流动时，沿其边界面会产生一种阻止其运动的流体摩擦作用，这种产生内摩擦力的性质称为粘性。

液压油粘性对机械效率、磨耗、压力损失、容积效率、漏油及泵的吸入性影响很大。

粘性可分用动力粘度和运动粘度，相对粘度来度量。

F=μAdu/dy

τ=μdu/dy

——牛顿的液体内摩擦定律

μ为比例常数，即动力粘度

动力粘度μ即绝对粘度

表征液体粘性的内摩擦系数

μ=（F/A）/（du/dy）单位：

Pa·s1Pa·s＝10P＝1000cP

运动粘度ν=μ/ρ，没有明确的物理意义,但是工程实际中常用的物理量。

单位：

1m2/S=104St（斯）=106CSt（厘斯）

国际标准化组织ISO规定统一采用运动粘度来表示油液的粘度级。

我国的液压油以40℃时运动粘度中心值（以mm2/s计）为粘度等级标号，即牌号。

例如，牌号为L—HL22的普通液压油在40℃时运动粘度的中心值为22mm2/s

相对粘度又称条件粘度，我国采用恩氏粘（°E）。

粘度随着温度升高而显著下降（粘温特性）,参图。

粘度随压力升高而变大（粘压特性）。

几种国产液压油的粘度—温度曲线

1粘度和压力的关系

∵P↑，F↑，μ↑

∴μ随p↑而↑，压力较小时

忽略，32Mpa以上才考虑

2粘度和温度的关系

∵温度↑，内聚力↓，μ↓

∴粘度随温度变化的关系叫粘

温特性，粘度随温度的变化

较小，即粘温特性较好。

四液压油的选用

液压油有很多品种，可根据不同的使用场合选用合适的品种，在品种确定的情况下，最主要考虑的是油液的粘度，其选择主要考虑如下因素。

1）液压系统的工作压力

工作压力较高的系统宜选用粘度较高的液压油，以减少泄露；反之便选用粘度较低的油。

例如，当压力p=7.0～20.0MPa时，宜选用N46～N100的液压油；当压力p＜7.0MPa时，宜选用N32～N68的液压油。

2）运动速度

执行机构运动速度较高时，为了减小液流的功率损失，宜选用粘度较低的液压油。

3）液压泵的类型

在液压系统中，对液压泵的润滑要求苛刻，不同类型的泵对油的粘度有不同的要求，具体可参见有关资料。

对液压油液的选用和要求

⑴合适的粘度和良好的粘温特性，运动粘度大多为（13～68cSt）。

⑵良好的化学稳定性。

体积膨胀系数低，比热容高。

⑶良好的润滑性能

⑷质地纯净

⑸对金属和密封件有良好的相容性

⑹抗泡沫性好，抗乳化性好，腐蚀性小，抗锈性好

⑺流动点和凝固点低，闪点和燃点高，经济性好

五液压油的污染与保养

液压油使用一段时间后会受到污染，常使阀内的阀芯卡死，并使油封加速磨耗及液压缸内壁磨损。

造成液压油污染的原因有如下三个方面。

1）污染

液压油的污染的一般可分为外部侵入的污物和外部生成的不纯物。

（1）外部侵入的污物：

液压设备在加工和组装时残留的切屑、焊渣、铁锈等杂物混入所造成的污物，只有在组装后立即清洗方可解决。

（2）外部生成的不纯物：

泵、阀、执行元件、“O”形环长期使用后，因磨损而生成的金属粉末和橡胶碎片在高温、高压下和液压油发生化学反应所生成的胶状污物。

2）恶化

液压油的恶化速度与含水量、气泡、压力、油温、金属粉末等有关，其中以温度影响为最大，故液压设备运转时，须特别注意油温之变化。

3）泄漏

液压设备配管不良、油封破损是造成泄漏的主要原因，泄漏发生时，空气、水、尘埃便可轻易地侵入油中，故当泄漏发生时，必须立即加以排除。

液压油经长期使用，油质必会恶化，一般采用目视法判定油质是否恶化，当油的颜色混蚀并有异味时，须立即更换。

液压油的保养方法有两种：

一种是定期更换（约为5000～20000小时）；另一种是使用过滤器定期过滤。

四作业布置

2-1.2-2

五小结

六总结

第三次课

教学课题：

液体静力学基础

教学目的：

研究液体处于静止状态的力学规律和这些规律的实际应用。

教学重点及处理方法：

液体静压力基本方程，帕斯卡原理。

课堂板书或多媒体进行讲解

教学难点及处理方法：

绝对压力，压力表，真空度

课堂板书或多媒体进行讲解

教学方法：

板书讲解、课堂提问。

教具：

书本，教案。

时间分配：

1液体的静压力及特性15′

2液体静力学基本方程式25′

3压力的表示方法及单位30′

4静压传递原理，液体对固体壁面的作用力20′

静止液体

指液体内部质点之间没有相对运动，至于液体整体完全可以象刚体一样做各种运动。

一液体的静压力及特性

质量力（重力、惯性力）—作用于液体的所有质点作用于液体上的力<表面力（法向力、切向力、其它物体或容器对液体、一部分液体作用于令一部分液体等）—作用于液体的表面

液体的静压力定义

静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力。

静压力在液压传动中简称压力,在物理学中则称为压强。

静止液体中某点处微小面积ΔA上作用有法向力ΔF,则该点的压力定义为

若法向作用力F均匀地作用在面积A上,则压力可表示为

我国采用法定计量单位Pa来计量压力,1Pa=1N/m2，液压技术中习惯用MPa（N/mm2）,在企业中还习惯使用bar（kgf/cm2）作为压力单位，各单位关系为1MPa=10#+6Pa＝10bar。

液体静压力特性

液体静压力有如下两个重要特性:

（1）垂直并指向于承压表面

∵液体在静止状态下不呈现粘性

∴内部不存在切向剪应力而只有

法向应力

（2）各向压力相等

∵有一向压力不等，液体就会流动

∴各向压力必须相等

二液体静力学基本方程

现在我们想像在静止不动的液体中有如下图所示的一个高度为h,底面积为ΔA的假想微小液柱。

表面上的压力为p0，求其在A点的压力。

因这个小液柱在重力及周围液体的压力作用下处于平衡状态，现我们可把其在垂直方向上的力平衡关系表示为pΔA=p0ΔA+ρghΔA

 式中，ρghΔA为小液柱的重力，ρ为液体的密度。

上式化简后得p=p0+ρgha

a式为静压力的基本方程。

此式表明：

（1）静止液体中任何一点的静压力为作用在液面的压力p0和液体重力所产生的压力ρgh之和。

（2）液体中的静压力随着深度h的增加而线性增加。

（3）在连通器里，静止液体中只要深度h相同，其压力就相等。

离液面h深处的压力

（1）静止液体中任一点处的压力由两部分液面压力p0组成<液体自重所形成的压力ρgh

（2）静止液体内压力沿液深呈线性规律分布

（3）离液面深度相同处各点的压力均相等，相等的点组成的面叫等压面.

【例1-1】如图1-3所示，容器内盛有油液。

已知油的密度ρ=900kg/m3，活塞上的作用力F=1000N，活塞的面积A=1×10-3m2，假设活塞的重量忽略不计。

问活塞下方深度为h=0.5m处的压力等于多少？

解活塞与液体接触面上的压力均匀分布，有

根据静压力的基本方程式（1-3），深度为h处的液体压力为

静止液体内的压力

从本例可以看出，液体在受外界压力作用的情况下，液体自重所形成的那部分压力ρgh相对甚小，在液压系统中常可忽略不计，因而可近似认为整个液体内部的压力是相等的。

以后我们在分析液压系统的压力时，一般都采用这一结论。

三压力的表示方法及单位

根据度量方法的不同，有表压力（又称相对压力）p（gaugepressure）和绝对压力pabs（absolutepressure）之分。

以当地大气压力pat（atomosphere）为基准所表示的压力称为表压力；以绝对零压力作为基准所表示的压力称为绝对压力。

若液体中某点处的绝对压力小于大气压力，则此时该点的绝对压力比大气压力小的那部分压力值，称为真空度。

所以有

真空度=大气压力-绝对压力

有关表压力、绝对压力和真空度的关系如图所示。

 注意：

如不特别指明，液、气压传动中所提到的压力均为表压力。

绝对压力、表压力和真空度的关系

四静压传递原理，液体对固体壁面的作用力

帕斯卡原理（静压传递原理）

在密闭容器内，液体表面的压力可等值传递到液体内部所有各点。

根据帕斯卡原理：

p=F/A

p=F/AF=0p=0

F↑p↑

F↓p↓

结论：

液压系统的工作压力取决于负载，且随着负载的变化而变化。

液体对固体壁面的作用力

1作用在平面上的总作用力

P=p·A

如：

液压缸，若设活塞直径为D,则

P=p·A=p·πD2/4

2作用在曲面上的总作用力

Fx=p·Ax

结论：

曲面在某一方向上所受的作用力，等于液体压力与曲面在该方向的垂直投影面积之乘积。

五作业布置

2-5

六小结

七总结

第四次课

教学课题：

液体动力学基础

教学目的：

了解流动液体特性、传递规律掌握动力学三大方程、流量和结论。

教学重点及处理方法：

动力学三个基本方程。

课堂板书或多媒体进行讲解

教学难点及处理方法：

流量与流速关系及结论三大方程及结论、物理意义。

课堂板书或多媒体进行讲解

教学方法：

板书讲解、课堂提问。

教具：

书本，教案，插图。

时间分配：

1基本概念25′

2连续性方程25′

3伯努利方程25′

4动量方程25′

滁州职业技术学院教案

一基本概念

理想液体和稳定流动

1理想液体：

既无粘性又不可压缩的液体，所谓“理想液体”，是一种无粘性、不可压缩的液体。

2稳定流动（恒定流动、定常流动）：

当液体在流动时，其内部任意点处的压力、速度和密度都不随时间而变化，这种流动称为稳定流动。

流动液体中任一点的p、u和ρ都不随时间而变化流动.

流线、流管和流束

1流线—某一瞬时液流中各处质点运动状态的一条条曲线

2流束—通过某截面上所有各点作出的流线集合构成流束

3通流截面——流束中所有与流线正交的截面（垂直于液体流动方向的截面）

流量和平均流速

流量—单位时间内流过某通流截面液体体积q

dq=v/t=udA

流量的单位通常用L/min表示，与m3/s换算式子如下：

1L＝1×10-3m3

1m3/s＝6×104L/min

整个过流断面的流量：

q=∫AudA

平均流速—通流截面上各点均匀分布假想流速

q=vA=∫AudA

v=q/A

v=q/Aq=0v=0

q↑v↑

q↓v↓

结论：

液压缸的运动速度取决于进入液压缸的流量，并且随着流量的变化而变化。

二连续性方程

连续性原理—理想液体在管道中恒定流时，根据质量守恒定律，液体在管道内既不能增多，也不能减少，因此单位时间内流入液体的质量应恒等于流出液体的质量。

2连续性方程

m1=m2

ρ1u1dA1dt=ρ2u2dA2dt

若忽略液体可压缩性ρ1=ρ2=ρ

u1dA1=u2dA2

∫Au1dA1=∫Au2dA2

则v1A1=v2A2

或q=vA=常数

结论：

液体在管道中流动时，流过各个断面的流量是相等的，因而流速和过流断面成反比。

【例】图所示为相互连通的两个液压缸，

已知大缸内径D=100mm，小缸内径d=20mm，大活塞上放一质量为5000kg的物体G。

问:

（1）在小活塞上所加的力F有多大才能使大活塞顶起重物？

（2）若小活塞下压速度为0.2m/s，大活塞上升速度是多少?

解

（1）物体的重力为

G=mg=5000kg×9.8m/s2

=49000kg·m/s2=49000N

根据帕斯卡原理，因为外力产生的压力在

两缸中均相等，即

（2）由连续定理

Q=Av=常数

得

 故大活塞上升速度为

三伯努利方程

能量守恒定律：

理想液体在管道中稳定流动时，根据能量守恒定律，同一管道内任一截面上的总能量应该相等。

或：

外力对物体所做的功应该等于该物体机械能的变化量。

1外力对液体所做的功

W=p1A1v1dt-p2A2v2dt=（p1-p2）∆V

2机械能的变化量

位能的变化量：

∆Ep=mg∆h=ρg∆V（z2-z1）

动能的变化量：

∆Ek=m∆v2/2=ρ∆V（v22-v21）/2

根据能量守恒定律，则有：

W=∆Ep+∆Ek

（p1-p2）∆V=ρg∆V（z2-z1）+ρ∆V（v22-v21）/2

整理后得单位重量理想液体伯努利方程为：

p1+ρgZ1+ρv12/2=p2+ρgZ2+ρv22/2

或p/ρg+Z+v2/2g=C（c为常数）

在密闭管道内作恒定流动的理想液体具有三种形式的能量，即压力能、位能和动能。

在流动过程中，三种能量之间可以互相转化，但各个过流断面上三种能量之和恒为定值。

在没有粘性和不可压缩的稳流中，依能量守恒定律可得

式中，p表示压力（Pa）；ρ表示密度（kg/m3）；v表示流速（m/s）；g表示重力加速度（m/s2）；h表示水位高度（m）。

在有粘性和不可压缩的稳流中，依能量守恒定律得

式中，∑Hν表示因粘性而产生的能量损失（m）。

∵实际液体具有粘性

∴液体流动时会产生内摩擦力，从而损耗能量

故应考虑能量损失hw，并考虑动能修正系数

则实际液体伯努利方程为：

p1/ρg+Z1+α1v12/2g=p2/ρg+Z2+α2v22/2g+hw

层流α=2

α<

紊流α=1

p1-p2=△p=ρghw

（1）断面1、2需顺流向选取（否则hw为负值），且应选在缓变的过流断面上。

（2）断面中心在基准面以上时，z取正值；反之取负值。

通常选取特殊位置的水平面作为基准面。

四动量方程

动量定理：

作用在物体上的外力等于物体单位时

间内动量的变化量。

即∑F=d（mv）/dt

考虑动量修正问题，则有：

∴∑F=ρq（β2v2-β1v1）

层流β=1.33

β<

紊流β=1

X向动量方程：

∑Fx=ρq（β2v2x-β1v1x）

X向稳态液动力：

F'x=-∑Fx=ρq（β1v1x-β2v2x）

结论：

作用在滑阀阀芯上的稳态液动力总是力图使阀口关闭。

五作业布置

2-6

六小结

七总结

第五次课

教学课题：

液体传动压力及能量损失，液压冲击与气穴现象

教学目的：

了解损失的类型、原因掌握损失定义减小措施。

教学重点及处理方法：

两种损失减小措施。

课堂板书或多媒体进行讲解

教学难点及处理方法：

两种损失减小措施。

课堂板书或多媒体进行讲解

教学方法：

板书讲解、课堂提问。

教具：

书本，教案，插图。

时间分配：

1孔口与组流管25′

2压力损失和流量损失50′

3液压冲击和空穴25′

一孔口与组流管

液体流动时，改变流通截面面积可改变流体的压力和流量，这就是节流阀的工作原理。

小孔可分为三种：

当小孔的长径比l/d≤0.5时，称为薄壁孔；当l/d＞4时，称为细长孔；当0.5＜l/d＜4时，称为短孔。

孔口

如图所示，当l/d≤0.5时称为孔口，其流量Q为

）

式中,α表示流量系数，通常取0.62～0.63。

组流管

如图所示，此时，l/d>4称为阻流管，流量Q为

式中，ν表示运动粘度（St，cm2/s）。

二压力损失和流量损失

由于液体具有粘性，在管路中流动时又不可避免地存在着摩擦力，因此液体在流动过程中必然要损耗一部分能量。

这部分能量损耗主要表现为压力损失。

压力损失有沿程损失和局部损失两种。

沿程压力损失（粘性损失）

定义：

液体沿等径直管流动时，由于液体的粘性摩擦和质点的相互扰动作用，而产生的压力损失。

圆管层流的沿程压力损失Δpl为：

局部压力损失

定义：

液体流经管道的弯头、接头、突变截面以及阀口滤网等局部装置时，液流会产生旋涡，并发生强烈的紊动现象，由此而产生的损失称为局部损失。

产生原因：

碰撞、旋涡（突变管、弯管）产生附加摩擦附加摩擦—只有紊流时才有，是由于分子作横向运动时产生的摩擦，即速度分布规律改变，造成液体的附加摩擦。

一般用实验来得出局部阻力因数，然后按下式计算：

管路系统的总压力损失

∑△p=∑△pλ+∑△pv=∑λ·l/d·ρv/2+∑ζρv2/2

△p→热能→T↑→△q↑→η↓

↓                       ↓

散逸污染

减小△p的措施

1尽量↓L，↓突变

2↑加工质量，力求光滑，ν合适

3↑A，↓v

过高△p↑∵△p∝v2

其中v的影响最大<

过低尺寸↑成本↑

∴一般有推荐流速可供参考，见有关手册。

一般在液压传动中，可将压力损失