液压与气压传动课件

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—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）：PAFAF2211P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qvAvA2211第1章绪论由上述分析可知：1.系统的工作压力取决于负载，而与流量大小无关。2.当A2A1，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。3.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液压泵类型工作介质粘度ν4010-6m2.s-1环境温度5～400C环境温度40～800C齿轮泵30～7095～165叶片泵p＜7.0Mpa30～5040～75p≥7.0Mpa50～7055～90径向柱塞泵30～8065～240轴向柱塞泵40～7570～150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。（ΔA→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。AFpA0limAFp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hphgpphAgApVgApmgApAp00000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/ρg+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，自重形成的压力ρgh。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，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：P5.静压力对固体壁面的作用力241DppAF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θ取dθ的一段微弧，沿圆筒长度方向则可认为是矩形：lrdpdApdF222coscoscoscosrlpdplrdFFdplrpdAdFdFxxx（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：ρ1v1A1=ρ2v2A2不考虑液体的压缩性，则：ρ1=ρ2故得：q=vA=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，势能和动能可以互相转换，但其总和不变，即能量守恒。gvhgpgvhgp2222221121第2章液压流体力学基础2)实际流体的伯努利方程whgvhgpgvhgp222222211121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，α为动能修正系数，在紊流时取α=1.1，在层流时取α=2。实际计算时常取α=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/ρg+v12/2g=p2/ρg+v22/2g欲将热水吸入则有：p1+ρgh=pa又∵p2=pav1A1=v2A2代入得－h+v12/2g=(v1/4)2/2gv1=(32gh/15)1/2q=v1A1=(32gh/15)1/2A13)伯努利方程应用举例第2章液压流体力学基础列出1－1，2－2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。whHgvgpgvgp22222211wahHgvgpgp2222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。waghvgHpp2221pvgH221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Δp；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)(12uuqtmuFF=ρq（v2cosθ2-v1cosθ1）∵θ2＝90°∴F=－ρqv1cosθ1【阀芯对液体】F'=-F=ρqv1cosθ1【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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