第1章液压与气动ppt课件.ppt

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1、液压与气压 传动技术,课程的性质和任务,液压与气动课程是机电类专业及近机类专业的一门重要专业基础课和必修课。,通过本课程的学习，完成以下任务：,1、掌握液压和气压传动的基础理论知识；,2、掌握常用的液压、气动元件的工作原理，结 构特点、性能和用途；,3、熟悉液压、气动的基本回路；,液压与气动课程是机械设计制造及其自动化专业的一门重要专业基础课和必修课。,通过本课程的学习，完成以下任务：,4、通过对几种典型的液压系统、气动系统的剖析，具备阅读并分析液压、气动系统原理图的能力；,5、初步掌握设计一般液压、气动系统的能力；,课程的性质和任务,6、了解国内外先进液压与气动技术成果在机械设备中的应用。,

2、课程的考核,平时成绩和期末考试,平时成绩30：平时作业及表现20实验10,期末考试（闭卷）：70,第一阶段：液压传动从17世纪帕斯卡提出静 压传递原理、1795年世界上第一台水压机诞生，已有200多年的历史，但由于没有成熟的液压传动技术和液压元件，且工艺制造水平低下，发展缓 慢，几乎停滞。气压传动早在公元前，埃及人就开始采用风箱产生压缩空气助燃。从18 世纪产业革命开始，逐渐应用于各类行业中。,发展应用,第二阶段：上世纪30年代，由于工艺制造水平提高，开始生产液压元件，并首先应用于机床。第三阶段：上世纪50、60、70年代，工 艺水平有了很大提高，液压与气动技术也迅速发展，渗透到国民经济的各个

3、领域：从蓝天到水下，从军用到民用，从重工业到轻工业，到处都有流体传动与控制技术。,发展应用,如：火炮跟踪、飞机和导弹的动、炮塔 稳定、海底石油探测平台固定、煤 矿矿井支承、矿山用的风钻、火车 的刹车装置、液压装载、起重、挖 掘、轧钢机组、数控机床、多工位 组合机床、全自动液压车床、液压 机械手等。液压传动的工程应用实例,发展应用,液压传动的工程应用实例 图片 影片,发展应用,我国液压与气动技术从上世纪60年代开始发展较快，新产品研制开发和先进国家不差上下，但其发展速度远远落后于同期发展的日本，主要由于工艺制造水平跟不上去，制造比较困难，材料性能不能满足设计需要，影响了我国流体传动技术的发展。希

4、望在坐各位能用自己所学为我国的流体传动技术作出应有的贡献。,发展应用,发展趋势目前，流体传动技术正在向着高压、高速、高效率、大流量、大功率、微型化、低噪声、低能耗、经久耐用、高度集成化方向发展，向着用计算机控制的机电一体化方向发展。,流体技术+电气控制好比老虎插上翅膀，它把一人一刀变为无人多刀，把复杂工艺变为简单工艺，而今同计算机控制结合，又将进入一个崭新的历史阶段。因此，学好本门课，有助于大家在今后的工作中多出成果。,发展趋势,第1章 液压传动和流体力学基础,一部完整的机器由原动机部分、传动装置及控制部分、工作机部分（含辅助装置）组成。,第一节 液压传动的工作原理,原动机,工作机,如电动机、

5、内燃机等,完成机器工作任务的直接工作部分，如车床的刀架、汽车的车轮等,由于原动机的功率和转速变化范围有限，为了适应工作机的工作力和工作速度变化范围变化较宽，以及性能的要求，在原动机和工作机之间设置了传动机构。,一 液压传动的基本概念,机械传动：通过齿轮传动、带传动等机械零件直接把动力传送到执行机构的传递方式。,传动装置用来传递运动和动力，通常分为机械传动、电气传动和流体传动。,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。,流体传动：以流体为工作介质进行能量转换、传递和控制的传动。它包括液压传动和气压传动。,机械传动：通过齿轮传动、带传动等机械零件直接把动力传送到执行机构的

6、传递方式。,传动装置用来传递运动和动力，通常分为机械传动、电气传动和流体传动。,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。,流体传动：以流体为工作介质进行能量转换、传递和控制的传动。它包括液压传动和气压传动。,液体,流 体,气体,即液压液，几乎不可压缩，相应的系统称为液压系统,即压缩气体，具有较大的可压缩性，相应的系统称为气动系统,液体传动 是以液体作为工作介质进行能量（动力）传递的传动方式。液体传动分为液力传动和液压传动两种形式。液力传动主要是利用液体的动能来传递能量；而液压传动则是利用液体的压力能来传递能量。,流体传动：,二 液压传动的工作原理,气压传动和液压传动在

7、基本工作原理、元件的工作机理、回路的构成等方面都非常相似。,以液压千斤顶为例，介绍液压传动的工作原理。,二 液压传动的工作原理,特 点（1）用具有一定压力的液体来传动（2）传动过程中必须经过两次能量转换（3）传动必须在密封容器内进行，而且容积要发生变化,液压传动的工作原理,液压传动是以密闭系统内液体（液压油）的压力能来传递运动和动力的一种传动形式，其过程是先将原动机的机械能转换为便于输送的液体的压力能，再将液体的压力能转换为机械能，从而对外作功。,第二节 液压传动系统的组成 及其元件的总体布局,机床工作台液压系统,工作原理油路图示、左位、右位 换向换向阀 调速节流阀 调压溢流阀,机床工作台液压

8、系统,液压缸：带动工作台（图中未示出）左右往复运动,油箱：储存液压液,液压泵：由电动机（图中未示出）驱动,换向阀：改变工作台运动方向,过滤器：去除杂质,开停阀：起开停作用,机床工作台液压系统,换向阀：向右,开停阀：向左,机床工作台液压系统,开大节流阀，进入液压缸的油液就多，工作台的移动速度就快；反之，工作台的移动速度就慢。,节流阀：调节输入液压缸油液的流量,机床工作台液压系统,溢流阀：将多余的油液排回油箱,当油管中的油液对溢流阀钢球的作用力等于或略大于溢流阀中弹簧的预紧力时，油液就能顶开溢流阀中的钢球流回油箱。,机床工作台液压系统,泵的卸载,当开停阀推到右极限位置时，油液经开停阀和油管直接排回

9、油箱，泵出口压力降为零，工作台停止不动。,一、液压传动系统的组成,主要包括能源装置、执行元件、控制调节元件、辅助元件等四部分。,以机床工作台液压系统为例。,1.动力元件（装置）：,一、液压传动系统的组成,把机械能转换成油液液压能的装置。,如液压系统中的液压泵，向系统提供压力油。,2.执行元件：,一、系统的组成,把油液的液压能转换成机械能的元件。,如作直线运动的液压缸，作旋转运动的液压马达。,3.控制调节元件：,一、系统的组成,对系统中油液压力、流量和流动方向进行调节和控制的元件。,如溢流阀、节流阀、换向阀等。,4.辅助元件：,一、系统的组成,系统中除上述三部分以外的其它元件。,如油箱、过滤器、

10、油管等。,系统,一、系统的组成,以上这些部分的不同组合，就构成了不同功能的液压系统。,二、系统的图形符号表示,使用国家标准的“液压与气动”图形符号，简单明了，容易绘制。（见附录）,左图是一种半结构的工作原理图，直观性强，容易理解，但绘制较麻烦。,二、系统的图形符号表示,二、系统的图形符号表示,图形符号,只表示元件功能，不表示元件结构和参数，简单明 了,易于绘制。,如：,油箱（四处）,液压缸,二、系统的图形符号表示,图形符号,如：,液压泵,过滤器,（气压泵三角形不涂黑）,（形象）,二、系统的图形符号表示,图形符号,溢流阀,节流阀,（中间窄，表示节流；有箭头表示可调节，无箭头表示不可调节）,（形象

11、）,如：,二、系统的图形符号表示,图形符号,换向阀,（X位X通：方框表示位置，有二位、三位；各口表示通路，有二、三、四、五通）,如：,二、系统的图形符号表示,图形符号,学习重点，边学边记,要求,三、系统元件的总体布局,液压系统元件的总体布局分为四部分，即执行元件、液压油箱、液压泵装置和液压控制调节装置。液压油箱装有空气滤清器、过滤器、液面指示器和清洗孔等。液压泵装置包括不同类型的液压泵、驱动器及联轴器等。液压控制调节装置是指组成液压系统的各种阀类元件及其联接体。除执行元件外，液压系统元件的连接形式有集中式（液压站）和分散式。,三、系统元件的总体布局,1、集中式（液压站）,将液压系统的供油装置、

12、控制调节装置独立于主设备之外，单独设置一个液压站,2、分散式,将液压系统的供油装置、控制调节装置分散在主设备的各处。,第三节 液压传动的特点,1.在同等体积下，液压装置能产生出更大的动力，即在同等功率下，液压装置的体积小、重量轻、结构紧凑；,一、液压传动的优点,2.液压装置容易做到对速度的无级调节，而且调速范围大，对速度的调节还可以在工作过程中进行；,3.液压装置工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向；,优点,4.液压装置易于实现过载保护，能实现自润滑，使用寿命长；,一、液压传动的优点,5.液压装置易于实现自动化，可以很方便地对液体的流动方向、压力和流量进行调节和控制，并能很容易地和电气、电子

13、控制或气压传动控制结合起来，实现复杂的运动和操作；,6.液压元件易于实现系列化、标准化和通用化，便于设计、制造和推广使用。,优点,第三节 液压与气压传动的特点,1.工作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄漏损失等），不易保证严格的传动比。,二、液压传动的缺点,2.对油温变化比较敏感，工作稳定性很易受到温度的影响，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，造价较贵，对工作介质的污染比较敏感。,缺点,第三节 液压与气压传动的特点,4.液压传动出现故障时不易找出原因。,第四节 液压油,必要性：由于液压传动是以液体的工作介质来进行能量传递的，学习本节知识有

14、助于正确理解液压传动的原理、规律,掌握液压传动技术。,一、液压油的用途和种类,1、液压油的用途(1)传递运动与动力。(2)润滑。(3)密封。(4)冷却。,第四节 液压油,一、液压油的用途和种类,第四节 液压油,2、液压油的种类 主要分为二大类型：矿物油系液压油 耐火性液压油,二、液压油的主要性质,其性质包括物理和化学的二个方面，有许多种。这些性质可在有关资料中查到。液压传动中涉及到的液压油最主要的性质是粘性和可压缩性。尤其是粘性，它直接影响系统的工作性能.传动效率，可压缩性只是高压的情况下才是重要的。,二、液压油的主要性质,1、密度,单位体积液体的质量称为该液体的密度，即,矿物油系工业液压油，

15、密度约0.850.95，W/O型密度约0.920.94；O/W型密度约1.051.1。其密度越大，泵吸入性越差。,二、液压油的主要性质,2、可压缩性,液体受压力作用而发生体积减小的性质称为液体的可压缩性。对于矿物油，其可压缩性约比钢大100-150倍，对一般液压系统其可压缩性可忽略。,二、液压油的主要性质,3、粘性,1）粘性的定义 液体在外力作用下流动时，分子间的内聚力要阻止分子间的相对运动，因而产生一种内摩擦力，这一特性称为液体的粘性。,二、液压油的主要性质,2）粘性的度量,液体粘性的大小用粘度表示。常用的粘度有三种，即动力粘度、运动粘度和相对粘度。,图1-11 液体的粘性示意图,二、液压油

16、的主要性质,（）动力粘度,二、液压油的主要性质,动力粘度的物理意义是：液体在单位速度梯度下流动时，接触液层间单位面积上的内摩擦力。动力粘度的法定计量单位为Pas（帕秒，Ns/m2）。,（）动力粘度,二、液压油的主要性质,(2)运动粘度 在相同温度下，液体的动力粘度和它的密度的比值称为运动粘度,二、液压油的主要性质,(2)运动粘度,运动粘度的计量单位是m2/s，常用单位为St（斯）和 cSt（厘斯）1m2/s=106mm2/s=106cSt 液压油的牌号，采用液压油在40温度下运动粘度平均cSt(厘斯)值来标号。如某一种牌号L-HL22普通液压油，是指其在40 时运动粘度平均值为22cSt。,二

17、、液压油的主要性质,（3）相对粘度 相对粘度又称条件粘度。恩氏粘度用恩氏粘度计测定，将被测油放在一个特制的容器里（恩氏粘度计），加热至t后，由容器底部一个2.8mm的孔流出，测量出200cm3体积的油液流尽所需时间t1，与流出同样体积的20的蒸馏水所需时间t2之比值就是该油在温度t时的恩氏粘度。,二、液压油的主要性质,（3）相对粘度,二、液压油的主要性质,(4)恩氏粘度与运动粘度之间换算,经验公式为,二、液压油的主要性质,3）粘度和压力的关系,压力增大时，液压油粘度增大。在一般液压系统使用的压力范围内，液压油粘度随压力增大的数值很小，可以忽略不计。,二、液压油的主要性质,4）粘度和温度的关系

18、液压油粘度对温度的变化十分敏感，这种油的粘度随温度变化的性质，称为粘温特性。,图1-12 几种国产液压油的粘度温度曲线,粘度和温度的关系,1、对液压油的基本要求 液压传动用油一般应满足如下要求：,（1）合适的粘度和良好的粘温特性。（2）有良好的润滑性能，腐蚀性小，抗锈性好。（3）质地纯净，杂质少。（4）对金属和密封件有良好的相容性。,三、对液压油的基本要求和选用,三、对液压油的基本要求和选用,（5）氧化稳定性好，长期工作不易变质。（6）抗泡沫性和抗乳化性好。（7）体积膨胀系数小，比热容大。（8）燃点高，凝点低。（9）对人体无害，成本低。,1、对液压油的基本要求,三、对液压油的基本要求和选用,2

19、、液压油的选择 液压油的选择，首先是油液品种的选择。液压油的品种确定之后，接着就是选择油的粘度等级。,三、对液压油的基本要求和选用,在选择粘度时应注意以下几方面的情况：1）根据工作机械的不同要求选用 2）根据液压泵的类型选用 3）根据液压系统工作压力选用 4）根据液压系统的环境温度选用 5）根据工作部件的运动速度选用,2、液压油的选择,第二章 液压与气压传动的基础知识,静止液体的力学规律流动液体的力学规律管路系统流动分析液压系统的气穴与液压冲击现象,2.1 静止液体的力学规律,液体的静压力静压力基本方程静压力基本方程的物理意义压力的计量单位压力的传递液体静压力对固体壁面的作用力,2.1.1 液

20、体的静压力,静压力:是指液体处于静止状态时,其单位面积上所受的法向作用力若包含液体某点的微小面积A上所作用的法向力为F，则该点的静压力p定义为：若法向力F均匀地作用在面积A上，则压力可表示为:,2.1.1 液体的静压力,静压力的特性:液体的静压力的方向总是沿着作用面的内法线方向静止液体中任何一点所受到各个方向的压力都相等,2.1.2 液体静压力的基本方程,液体静压力基本方程:反映了在重力作用下静止液体中的压力分布规律 p=po+ghp是静止液体中深度为h处的任意点上的 压力,p0 为液面上的压力，若液面为与 大气接触的表面，则p0等于大气压p。同一容器同一液体中的静压力随着深度 h的增加线性地

21、增加 同一液体中深度h相同的各点压力都相等.在重力作用下静止液体中的等压面是深度（与液面的距离）相同的水平面,图21重心作用下的静止液体,2.1.3 静压力基本方程物理意义,p=p0+g(z0-z)+z=+z0=C Z:单位重量液体的位能,称位置水头:单位重量液体的压力能,称压力水头物理意义:静止液体具有两种能量形式，即压力能与位能。这两种能量形式可以相互转换，但其总和对液体中的每一点都保持不变为恒值，因此静压力基本方程从本质上反映了静止液体中的能量守恒关系.,2.1.4 压力的计量单位,法定单位:牛顿/米2(N/m2)即帕（Pa）1 MPa=106Pa单位换算:1工程大气压（at）=1公斤力

22、/厘米2（kgf/m2）105帕=0.1 MPa 1米水柱（mH20）=9.8103Pa 1毫米汞柱（mmHg）=1.33102Pa,2.1.4 压力的计量单位,相对压力（表压力）:以大气压力为基准，测量所得的压力 是高于大气压的部分 绝对压力:以绝对零压为基准测得的压力绝对压力=相对压力+大气压力 真空度:如果液体中某点的绝对压力小于大气压力，则称该点出现真空。此时相对压力为负值，常将这一负相对压力的绝对值称为该点的真空度 真空度=|负的相对压力|=|绝对压力-大气压力|,图22 绝对压力、相对压力和真空度,2.1.5 压力的传递,帕斯卡原理:若在处于密封容器中静止液体的部分边界面上施加外力

23、使其压力发生变化，只要液体仍保持其原来的静止状态不变，则液体中任一点的压力均将发生同样大小的变化液压传动是依据帕斯卡原理 实现力的传递、放大和方向 变换的 液压系统的压力完全决定于 外负载,图2-4帕斯卡原理应用,2.1.6 液体静压力对固体壁面的作用力,当承受压力的固体壁面为平面时:则作用在其上的总作用力等于压力与该壁面面积之积 如果承受压力的固体壁面是曲面时:曲面上总作用力在某一方向上的分力等于曲面在与该方向垂直平面内的投影面积与静压力的乘积。若已知曲面上总作用力在三个坐标轴方向的分量分别为Fx、Fy和Fz时，总作用力的大小为：,第六节 流体动力学基础,本节主要讨论液体在外力作用下流动时的

24、运动规律,即讨论作用在液体上的力与液体运动之间的关系以及能量关系。,一、基本概念,1、理想液体和定常流动1）理想液体:既不可压缩又无粘性的液体2）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)。3）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)。,图1-18 定常流动和非定常流动,一、基本概念,1、理想液体和定常流动,一、基本概念,2、流线和通流截面1）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，流线只能是一条光滑

25、的曲线。2）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。,液体在管道中流动时存在两种不同状态，即层流和紊流，可通过实验观察，如图1-19所示。,图1-19 层流和紊流实验,一、基本概念,3、层流、紊流和雷诺数,一、基本概念,1）层流：在液体运动时，如果质点没有横向脉动，不引起液体质点混杂，而是层次分明，能够维持安定的流束状态的流动。2）紊流：如果液体流动时质点具有脉动速度，引起流层间质点相互错杂交换的流动。,3、层流、紊流和雷诺数,3、层流、紊流和雷诺数,一、基本概念,3）雷诺数：由平均流速、管径d、液体的运动粘度所组成的一个无量纲纯数，用Re表示。

26、当液流的雷诺数Re小于临界雷诺数时，液流为层流；反之为紊流。,一、基本概念,4、流量和平均流速1）流量:单位时间内流过某通流截面的流体体积 单位:米3/秒(m3/s)常用单位：升/分（L/min）2）通流截面上的平均流速:,一、基本概念,4、流量和平均流速,流动液体中的压力和能量:由于存在运动，所以理想流体流动时除了具有压力能与位能外，还具有动能。即流动理想流体具有压力能，位能和动能三种能量形式 单位重量的压力能:单位重量的位能:Z 单位重量的动能:,质量守恒定律在流动液体情况下的具体应用,不可压缩流体作定常流动时，通过流管任一通流截面的流量相等，当流量一定时，流速和通流截面面积成反比。,二、

27、连续性方程,二、连续性方程,【例1-3】已知，图1-21所示中，小活塞的面积A1=10cm2，大活塞的面积A2=100cm2，管道的截面积A3=2cm2。小活塞以1=1m/min的速度向下移动时，求大活塞上升的速度2，管道中液体的流速3。,二、连续性方程,解 由连续性方程,有,图1-22 伯努利方程,三、伯努利方程(能量方程),能量守恒定律在流动液体中的表达形式,三、伯努利方程(能量方程),1、理想液体的伯努利方程,物理意义：在密闭管道内作定常流动的理想液体，具有三各形式的能量，即压力能、位能和动能，在沿管道流动的过程中，三种形式的能量可以相互转化，但在任一截面处，其能量的总和为一常数。由于方

28、程中的每一项均以长度为量纲，所以亦分别称为压力水头，位置水头和速度水头 静压力基本方程是伯努利方程的特例,2、实际液体的伯努利方程,三、伯努利方程(能量方程),:动能修正系数,为截面上单位时间内流过液体所具有的实际动能，与按截面上平均流速计算的动能之比（层流时=2，紊流时=1）,为单位质量液体从截面1流到截面2过程中的能量损耗,3、应用伯努利方程注意事项,三、伯努利方程(能量方程),（1）h和p是指截面的同一点上的两个参数，至于A1、A2上的点倒不一定都要取在同一条流线上，但一般对管流而言，计算点都取在轴心线上。把这两个点都取在两截面的轴心处，不过是为了方便。（2）液流是定常流动。如不是定常流

29、动，要加入惯性项。（3）两个计算通流截面应取在平行流动或缓变流动处，但两截面之间的流动不受此限制。至于两截面间是何流动状态，是没有关系的，这最多影响能量损失的大小。,三、伯努利方程(能量方程),3、应用伯努利方程注意事项,（4）液流仅受重力作用，亦即盛液的容器没有牵连加速度的情况。（5）液体不可压缩，密度在运动中保持不变。（6）流量沿程不变，即没有分流。（7）适当地选取基准面，一般取液平面，这时p一般等于pa，。,三、伯努利方程(能量方程),3、应用伯努利方程注意事项,（8）截面上的压力应取同一种表示法，都取相对压力，或都取绝对压力。压力小于大气压时，则表压力为负值，但用真空度表示时要写正值。

30、如绝对压力为0.03MPa，则表压力为-0.07MPa，真空度为0.07MPa。（9）不要忘记动能修正系数，层流时，紊流时。,三、伯努利方程(能量方程),【例1-4】如图1-23示，油管水平放置，截面1-1、2-2处的直径分别为d1、d2，液体在管路内作连续流动，若不计管路内能量损失，问：截面1-1、2-2处哪一点压力高？,三、伯努利方程(能量方程),解 截面2-2处压力比截面1-1处压力高。其分析如下：液体在管道内作连续流动，有流量连续性方程 即 由图可知，显然 A1 A2故 12,三、伯努利方程(能量方程),又由理想液体伯努利方程 由于油管水平放置，故可取 即有由此可知，p2 p1即 截面2-2处压力比截面1-1处压力高。,结 束,