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