液压与气压传动课件.ppt

1、液压与气压传动,课件制作人：北京联合大学 田宏宇 刘建,液压与气压传动是以流体（液压油或气体）为工作介质进行能量传递和控制的一种传动形式。,课程内容,液压传动,流体力学基础,液压元件及辅件,基本回路,气压传动,气体基础知识,气动元件及辅件,基本回路,第一章 绪 论,目 录,第二章 液压流体力学基础,第三章 液压泵与液压马达,第四章 液压缸,第五章 液压控制阀,第六章 液压辅助装置,第七章 液压基本回路,第八章 液压系统实例,第九章 液压系统的设计计算,第十章 气动基础及元件,第十一章 气动基本回路及气动系统,1.1 液压与气压传动的应用与发展,1.2 液压与气压传动的工作原理,1.3 液压与气

2、压传动的组成,1.4 液压与气压传动的优缺点,第1章 绪论,液压与气压传动简介,第1章 绪论,研究对象：研究的是以有压流体（液压液或压缩空气）作为传动介质来实现机械传动和自动控制的一门学科。其实质研究的是能量转换。即：机械能-压力能-机械能学习方法：类比电器设备：电子元件电路系统液压系统：液压和气动元件回路系统,制造设备常见的传动方式,机械传动：通过齿轮、齿条、蜗轮、蜗杆等机件直接把动力传送到执行机构的传递方式。（最早出现在17世纪）电气传动：利用电力设备，通过调节电参数来传递或控制动力的传动方式。（出现在100年前）流体传动：（液压与气压传动大力发展于1945年，二战后期）液体传动：液压传动

3、利用液体静压力传递动力。液力传动利用液体流动动能传递动力。气体传动：气压传动、气力传动,液压传动的工作原理：利用液体压力能实现运动和动力的传动方式（动画）。,第1章 绪论,由帕斯卡原理可知，受力平衡时（动画）：,P,液压系统的压力,分析：当两液压缸活塞的面积不变时，负载F2变化，将引 起P 变化，即液压系统的压力取决于外负载。,第一个特征：液压系统的压力取决于外负载。,设：大、小液压缸活塞面积分别为A2和A1 大液压缸所受负载为F2，作用于小液压缸上的力为F1。,1动力传递,第1章 绪论,2运动的传递,若设：大、小液压缸活塞位移平均速度分别为 v2和v1。,由于从小液压缸排出液体的体积等于进入

4、大液压缸液体的体积，则有:,q,分析：液压传动是靠密闭工作容积变化相等的原则实现运 动传递的，改变进入大液压缸的流量q，即可改变 其活塞的运动速度v2。,第二个特征：液压传动的速度大小取决于流量。,流量,第1章 绪论,第1章 绪论,由上述分析可知：系统的工作压力取决于负载，而与流量大小无关。当A2 A1，只要施加很小的力F，就可举起很重的物体，这就是液压千斤顶的原理。压力和流量是液压系统中两个最基本的参数。,1.3 液压与气压传动的组成（以图示磨床工作台为例）,第1章 绪论,1.3 液压与气压系统组成,能源装置机械能转换成液压能（液压泵或空气压缩机）；执行元件压力能转换成机械能输出（液压缸、马

5、达）；控制元件对流体的压力、流量和流动方向进行控制和 调节(各种的阀)；辅助元件如油箱、管件等。,第1章 绪论,第1章 绪论,历史：1650年的帕斯卡原理 1795年第一台水压机（英国）,发展：第二次世界大战及战后,目前：液压技术与传感技术、微电子技术的结合，出现诸如电液比例 阀、数字阀、电液伺服液压缸等机（液）电一体化的元器件，从而使液压与气压传动在众多工业领域广泛应用，例如发达国 家95的工程机械、90的数控加工中心、95以上的自动 线。,未来：液压与计算机的结合，如CAD、CAT和计算机实时控制等。,液压与气压系统的应用及发展,液压系统的职能符号,“气动与液压”图形符号标准已制定国家标准

6、GB/T786-93,第1章 绪论,1.4 液压与气压传动的优缺点,优点：1）体积小、重量轻、结构紧凑（指液压传动）。2）冲击小。3）实现大范围无级调速。4）操纵方便、省力。5)易实现过载保护。6）自润滑，寿命长。7）易实现标准化、系列化、通用化。,第1章 绪论,第1章 绪论,缺点：1）不能保证准确的传动比(泄漏和可压缩性引起）。2）传动效率低，不适合远距离传动。3）对温度敏感。4）制造精度高，价格贵。5)要有单独的能源。6）易泄漏污染（指液压系统）。7）故障不易排除。,1.4 液压与气压传动的优缺点,液压气压传动的应用,工程机械,机器人,隧道工程,采矿,道路交通工程机械领域,压路机,挖掘机,

7、铲运车,液压气压传动的应用,第2章 液压流体力学基础,2.1 液压油液,本章重点：流体的粘性的意义与度量、理解帕斯卡原理、连续性方程意义与应用、薄壁孔口流量压力关系。本章难点：管路液阻特性、动量方程、孔口流动。孔口是流体控制的基本单元，为了深入理解各种孔口的流量压力关系，安排液阻特性实验。,2.2 液压静力学,2.3 液体动力学,2.4 管道流动,2.5 孔口流动,2.6 缝隙流动,2.7 液压冲击和气穴现象,第2章 液压流体力学基础,各类液压泵适用的粘度范围,第2章 液压流体力学基础,2.2 液体静力学,静压力及其特性；静压力基本方程式；帕斯卡原理；静压力对固体壁面的作用力。,主要内容,第2

8、章 液压流体力学基础,1.静压力及其特性,1)液体的静压力,静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力。（A 0）若在液体的面积A上所受的作用力F为均匀分布时，静 压力可表示为：液体静压力在物理学上称为压强，工程实际应用中习 惯称为压力。,第2章 液压流体力学基础,2)液体静压力的特性液体静压力垂直于承压面，方向为该面内法线方向。液体内任一点所受的静压力在各个方向上都相等。,第2章 液压流体力学基础,2.静压力基本方程式,图2-2 静压力的分布规律,重力作用下静止液体压力分布特点：,静止液体中任一质点的总能量 p/g+h 保持不变，即能量守恒。,任意一点压力由两部分组成：液面压力p0，自重形

9、成的压力gh。,离液面深度相同处各点的压力相等，压力相等的所 有点组成等压面，重力作用下静止液体的等压面为 水平面。,第2章 液压流体力学基础,液体内的压力与液体深度h成正比。,第2章 液压流体力学基础,3.压力的表示法及单位,绝对压力：以绝对真空为基准进行度量。相对压力或表压力：以大气压为基准进 行度量。真空度：绝对压力不足于大气压力的压 力值。绝对压力大气压力+表压力 表压力绝对压力-大气压力 真空度大气压力-绝对压力压力的单位：帕 Pa(N/m2)，兆帕 Mpa,第2章 液压流体力学基础,图示是应用帕斯卡原理的实例：作用在大活塞上的负载F1形成液体压力：p=F1/A1 为防止大活塞下降，

10、在小活塞上应施加的力：F2=pA2=F1A2/A1,在密闭容器内，施加于静止液体的压力可以等值地传递到液体各点，这就是帕斯卡原理，也称为静压传递原理。,由此可得知：液压传动可使力放大，可使力缩小，也可以改变力的方向。液体内的压力是由负载决定的。,4.帕斯卡原理,第2章 液压流体力学基础,当固体壁面为一平面时，液体压力在该平面的总作力等于液体压力与该平面面积的乘积，如液压缸受力：,5.静压力对固体壁面的作用力,液体对固体壁面的作用力,当固体壁面为一曲面时，液体压力在该曲面某方向上的总作用力等于液体压力与曲面在该方向投影面积的乘积。,例：求液压力作用在半圆筒内壁沿 x 方向作用力。解：过 取d 的

11、一段微弧，沿圆筒长度方向 则可认为是矩形：,（半圆筒内壁在 x 方向上投影面积）,沿 x 方向力为：,第2章 液压流体力学基础,基本概念流量连续性方程伯努利方程动量方程,研究液体流动时流速和压力的变化规律。,2.3 液体动力学,第2章 液压流体力学基础,恒定流动：液体流动时，液体中任一点处的压力、速度和密度 都不随时间而变化的流动，称为恒定流动。亦称为 定常流动或非时变流动。（恒定流动演示）,平均流速：假设通流截面上各点的流速均匀分布，则平均流速 为v=q/A。,理想液体:假设的既无粘性又不可压缩的流体称为理想液体。,通流截面：垂直于流动方向的截面，也称为过流截面。,流 量：单位时间内流过某一

12、通流截面的液体体积。流量以q表示，单位为：m3/s 或 L/min。,1.液体动力学基本概念,2.流量连续性方程,流量连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表达方式。,任取1、2两个通流截面，根据质量守恒定律有：1v1 A1=2v2 A2不考虑液体的压缩性，则：1=2 故得：q=v A=常量,流量连续性方程说明了恒定流动中，流过各截面的不可压缩流体的流量是不变的。因而流速与通流截面的面积成反比。,假设：液体在管内作恒定流动,第2章 液压流体力学基础,第2章 液压流体力学基础,1)理想流体的伯努利方程,伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表达方式。,3.伯努利方程,说明压力能，势能和动能可以互

13、相转换，但其总和不变，即能量守恒。,第2章 液压流体力学基础,2)实际流体的伯努利方程,实际流体存在粘性，流动时存在能量损失hw;用平均流速替代实际流速，为动能修正系数，在紊流时取=1.1，在层流时取=2。实际计算时常取=1。,第2章 液压流体力学基础,例1.如图示简易热水器，左端接冷水管，右端接淋浴莲蓬头。已知 A1=A2/4和A1、h值，问冷水管内流量达到多少时才能抽吸热水？,解：沿冷水流动方向列A1、A2截面的伯努利方程 p1/g+v12/2g=p2/g+v22/2g 欲将热水吸入则有：p1+gh=pa 又 p2=pa v1A1=v2A2 代入得 h+v12/2g=(v1/4)2/2g

14、v1=(32gh/15)1/2 q=v1A1=(32gh/15)1/2 A1,3)伯努利方程应用举例,第2章 液压流体力学基础,列出11，22面伯努利方程,式中p1为大气压pa，v1液面流速为零，v2吸油管流速，hw吸油管损失。,例2 应用伯努利方程分析油泵正常吸油条件,则：,第2章 液压流体力学基础,泵吸油口真空度由三部分组成：1）提升H高度所需压力；2）达到速度v所需压力；3）吸油管的压力损失。,为减少泵口真空度措施：1）增大吸油管径，降低v；2）缩短吸油管长度，减少弯头，降低p；3）降低安装高度，降低H。,第2章 液压流体力学基础,作用在液体控制体积上的外力总和等于单位时间内流出控制表面

15、与流入控制表面的液体的动量之差。应用动量方程注意：F、u 是矢量；流动液体作用在固体壁面上的力与作用在液体上的力大小相等、方向相反。,动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用，用来计算流动液体作用在限制其流动的固体壁面上的总作用力。,4.动量方程,F=q（v2 cos2-v1cos1）2 90 F=qv1cos1【阀芯对液体】F=-F=qv1cos1【液体对阀芯】,例：求液流通过滑阀时，对阀芯的轴向作用力的大小。,第2章 液压流体力学基础,显然，液流有一个力图使阀口关闭的力，这个力称为液动力。,第2章 液压流体力学基础,研究液体在管道流动时的能量损失问题。,主要内容：,流态与雷诺数沿程压力损失

16、局部压力损失,2.4 液体流动中的压力损失,第2章 液压流体力学基础,1.流态、雷诺数（动画）,第2章 液压流体力学基础,1)流态 通过实验发现液体在管道中流动时存在两种流动状态。层流流速较低、粘性力起主导作用紊流流速较高、惯性力起主导作用液体的流动状态用雷诺数Re来判断。,第2章 液压流体力学基础,2)雷诺数 实验表明：雷诺数为无量纲数,如果液流的雷诺数相同，它的流动状态亦相同。3)临界雷诺数 一般以液体由紊流转变为层流的雷诺数作为判断液体流态的依据，称为临界雷诺数，记为Recr。当ReRecr，为层流；当ReRecr，为紊流。4)常见液流管道的临界雷诺数（见表21）,第2章 液压流体力学基础,2.沿程压力损失p,液体在等直径管中流动时因摩擦而产生的损失，称为沿程压力损失。因液体的流动状态不同，沿程压力损失的计算有所区别。,第2章 液压流体力学基础,1)层流时的沿程压力损失,1.通流截面上的流速分布规律,第2章 液压流体力学基础,2.通过管道的流量,第2章 液压流体力学基础,3.管道内的平均流速,4.沿程压力损失,第2章 液压流体力学基础,沿程压力损失也可写成：,第2章 液压流体力学