液压气压传动技术-复习资料.doc

第一章 绪论 一 名词解释 传动传递运动和动力的方式 机械 常见传动 电气 气体 流体 液力流力（动量矩定理） 液体 液压*物理（帕斯卡原理） 液压传动利用液体压力能实现运动和动力传动方式 气压传动利用气体压力能实现运动和动力传动方式 三 液压与气压传动的应用和发展 发展应用: 1. 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。 2.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。 3. 上世纪50、60、70年代，工艺水平很大提高，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。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。 我国液压与气压传动技术从上世纪60年代开始发展较快，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，新产品研制开发和先进国家不差上下，但制造比较困难，希望在坐各位能用自己所学为液压与气压传动技术作出贡献。发展趋势：向高压、高速、高效率、的流量、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，向用计算机控制的机电一体化方向发展。总之： 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。 1、 1 液压传动的工作原理系统组成及图形符号 1、1、1 液压传动的工作原理 举例：1 液压千斤顶 组成 工作原理 特点: （1）用具有一定压力的液体来传动 （2） 传动中必须经过两次能量转换 （3） 传动必须在密封容器内进行，而且容积要进行变化。 2 机床工作台液压传动系统举例 组成： 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 1、1、2 液压系统的组成及作用 1 动力装置液压泵，将原动机输入的机械能转换为液 体或气体的压力能， 作 为系统供油能源或气源装置。 2 执行装置液压缸（或马达），将流体压力能转换为机械能，而对负载作功。 3 控制调节装置各种控制阀，用以控制流体的方向、 压力和流量，以保证执 行元件完成预期的工作任务。 4 辅助装置油箱、油管、滤油器、压力表、冷却器、分水滤水器、油雾器、消 声器、管件、管接头和各种信号转换器等，创造必要条件，保证系统正常工作。 （5 工作介质液压油或压缩空气 ） 1、1、3 液压传动系统的图形符号 结构或半结构式图形表示结构原理，直观 表示方法 性强，易理解，但结构复杂 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 (GB78676)（GB78693） 1、 2 液压传动的特点 一 液压传动的优点 独特之处力大无穷（P=32MP 以上） 如：所拿液压千斤顶，可顶起6吨重物，若每位男同 学体重为128斤，可举起25位男同学。 二 液压传动的缺点 不宜远距离传递 1 泄漏严重 不宜保证严格的传动比 污染地面 2 对T变化敏感 3 难于检查故障 1、 1液压油2、1、1 液压油的物理性质一 液体的密度 密度单位体积液体的质量 =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=900kg/m 3的大小。二 液体的粘性（一）粘性的物理本质液体在外力作用下流动时,由于液体分子间的内聚力和液体分子与壁面间的附着力,导致液体分子间相对运动而产生的内摩擦力,这种特性称为粘性.或: 流动液体流层之间产生内部摩擦阻力的性质内摩擦力表达式: F = A du/dy牛顿液体内摩擦定律:液层间的内摩擦力与液层接触面积及液层之间的速度成正比。 液体静止时,du/dy = 0 静止液体不呈现粘性（二）粘度粘性大小的衡量1 动力粘度公式 = F/A = du/dy（N/m2） =dy/du （Ns/m2）物理意义：液体在单位速度梯度下流动时，接触液层间单位面积上内摩擦力 单位：国际单位（SI制）中为帕秒（PaS） 或牛顿秒/米2（NS/m2）； 以前沿用单位（CGS制）中为泊（P）、厘泊（CP）达因秒/厘米2dynS/cm2） 换算关系： 1PaS = 10P =3 CP2 运动粘度动力粘度与液体密度之比值公式： = / （m2/S）物理意义：无（只是因为/在流体力学中经常出现 用代替（/）单位： SI制： m2/SCGS制： St（斯）、 CSt（厘斯） （Cm2/S） （mm2/S）换算关系： 1m2/S = 104St =106 CSt 单位中只有长度和时间的量纲，类似运动学的量。 称运动粘度，常用于液压油牌号标注老牌号20号液压油，指这种油在50C时的平均运 动粘度为20 cst。新牌号LHL32号液压油，指这种油在40C时的平均运动粘度为32cst。 、不易直接测量，只用于理论计算 常用相对粘度3 相对粘度（条件粘度）恩氏度0E 中国、德国、前苏联等用赛氏秒SSU 美国用雷氏秒R 英国用巴氏度0B 法国用恩氏粘度与运动粘度之间的换算关系：=（7、310E-6、31/0E）10-6 三 液体的可压缩性可压缩性液体受压力作用而发生体积缩小性质1 液体的体积压缩系数定义体积为v的液体，当压力增大p时，体积减小v,则液体在单位压力变化下体积的相对变化量公式: = - 1 / p .v/v =（5-7）*10-10 m2/N 物理意义：单位压力所引起液体体积的变化 p v 为保证为正值，式中须加一负号。2 液体的体积弹性模数定义液体压缩系数的倒数公式： k = 1/= - p v /v 物理意义：表示单位体积相对变化量所需要的压力增量，也即液体抵抗压缩能力的大小。一般认为油液不可压缩（因压缩性很小），计算时取： k = （1、4-1、9）*109 N/m2N/m2 若分析动态特性或p变化很大的高压系统,则必须考虑四 其他性质1 粘度和压力的关系 P，F，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， 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。2、1、2 对液压油的要求及选用工作介质传递运动和动力 液压油的任务 润滑剂 润滑运动部件一、 对液压油的要求 （1）合适的粘度和良好的粘温特性；（2）良好的润滑性；（3）纯净度好，杂质少；（4）对系统所用金属及密封件材料有良好的相容性。（5）对热、氧化水解都有良好稳定性，使用寿命长；（6）抗泡沫性、抗乳化性和防锈性好，腐蚀性小；（7）比热和传热系数大，体积膨胀系数小，闪点和燃点高，流动点和凝固点低。（凝点 油液完全失去其流动性的最高温度）（8）对人体无害，对环境污染小，成本低，价格便宜总之：粘度是第一位的二 液压油的选择液压油的类型：机械油、精密机床液压油、气轮机油和变压器油 v首先根据工作条件 p 和元件类型选择油液品种T然后根据粘度选择牌号1 选择液压油品种2 选择液压油粘度 慢速、高压、高温：大（以q）通常 快速、低压、低温：小（以 P）2、2 液体静力学研究内容：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。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2、2、1 液体的静压力及特性质量力（重力、惯性力）作用于作用于液体上的力 液体的所有质点表面力（法向力、切向力、或其它物体或其它容器对液体、一部分液体作用于令一部分液体等）作用于液体的表面定义：液体单位面积上所受的法向力，物理学中称压强，液压传动中习称压力。 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2、2、2 液体静力学基本方程式例：计算静止液体内任意点A处的压力pdA P0 G H P pdA = p0dA+G = p0dA+ghdA p = p0+gh 液面压力p0 特征（1）静止液体中任一点处的压力由两部分组成 液体自重所形成的压力gh （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，压力相 等的点组成的面叫等压面.2、2、3 压力的表示方法及单位绝对压力以绝对零压为基准所测测压两基准 pa p = pa p pa p = 0 2、2、4 静压传递原理1 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/A2 液压系统压力形成 F p = F/A F = 0 p = 0 F p F p 结论：液压系统的工作压力取决于负载，并且随着负载的变化而变化。2、2、5 液体对固体壁面的作用力1 作用在平面上的总作用力 P = pA如： 液压缸，若设活塞直径为D,则 P = pA = pD2/4 2 作用在曲面上的总作用力 Fx = pAx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。例：球面和锥面力计算 2、4 管路中液体的压力损失 实际液体具有粘性 流动中必有阻力，为克服阻力，须消耗能量，造成能 量损失（即压力损失） 分类：沿程压力损失、局部压力损失 2、4、1 液体的流动状态 一 层流和紊流 层流：液体的流动是分层的，层与层之间互不干扰 紊流（ 紊流（湍流）：液体流动不分层，做混杂紊乱流动 二 雷诺数 圆形管道雷诺数： Re = dv/ 非圆管道截面雷诺数： Re = dHv/ 过流断面水力直径： dH = 4A/ 水力直径大，液流阻力小，通流能力大。 ReRec为层流 临界雷诺数：判断液体流态依据 Rec为紊流 雷诺数物理意义：液流的惯性力对粘性力的无因次比 2、4、2 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。 内摩擦因粘性，液体分子间摩擦 产生原因： 外摩擦液体与管壁间 一 流速分布规律 如图2、4、1：液体在等径水平直管中作层流运动，沿管轴线取一半径为r，长度为l的小圆柱体两端面压力为p1、p2 ，侧面的内摩擦力为F，匀速运动时，其受力平衡方程为： ( p1-p2)r2 = F F = -2rldu/dr p = p1-p2 du = - rdrp/2l 对上式积分，并应用边界条件r=R时，u=0,得 u = (R2 - r2)p/4l 结论：液体在圆管中作层流运动时，速度对称于圆管中 心线并按抛物线规律分布。 umin = 0 (r=R) um = R2p/4l= d2 p/16l (r=0) 二 圆管层流的流量 dA = 2rdr dq = udA =2urdr= 2(R2 - r2) rdrp/4l 故 q =0R2p/4l(R2-r2)rdr=pR4/8l =pd4/128l 三 圆管的平均流速 v = q /A = （pd4/128l）/d2/4 = p d2/32l v = umax /2 四 圆管沿程压力损失 pf = 128l q/d4 = 8l q/R4 将 q = R2 v，=代入上式并简化得 pf = p = 32lv/d2 结论：液流沿圆管作层流运动时，其沿程压力损失与管长、流速、粘度成正比，而与管径的平方成反比 = Re = dv/ = 64/Re pf = 64/dvl/dv2/2 = 64/Rel/dv2/2 故 pf = l/dv2/2 理论值 64 / Re Re 4000） = 0、032+0.221Re-0.237 （3*106 Re 105 ） = 1、74+2lg（d/）-2 （Re 3*106 或Re900d/） 紊流运动时，p比层流大 液压系统中液体在管道内应尽量作层流运动 2、4、2 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。 公式： pv = v2/2 标准阀类元件： pv = pn(qv/qvn)2 2、4、4 管路系统的总压力损失 p = p +pv =l/dv/2+v2/2 p 热能 T q 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，合适 3 A，v 过高 p pv2 2、5、1 小孔流量压力特性 薄壁小孔 l/d 05 孔口分类 4 短孔 0、5 l/d 4 一、 薄壁小孔流量压力特性 如图2、5、1：取孔前通道断面为11断面，收缩 断面为断面，管道中心为基准面， z1 = z2 列伯努利方程如下： p1+1v12 /2= p2 +2v22/2 +pw v1 105 Cc = 0.61 0.63 Cv = 0.97 0.98 Cq = 0.6 0.62 液流不完全收缩时（D/d 7），查表2、5、1 结论： q p, 与无关 流过薄壁小孔的流量不受油温变化影响 二、短孔和细长孔的流量压力特性 短孔 q = CqAT 2p / Cq 可查图2、5、2 细长孔 q =d4p / 128l= d2p/32l=CAp 结论： q p 反比于 流量受油温影响较大（T q） 三、流量通用方程 薄壁孔：q = CqAT 2p / = Cq2/ AT p 短孔： q = CqAT 2p / = Cq2/ AT p 细长孔：q =d4p / 128l =1/32ld4/4 p 流量通用方程： q = C ATp 2、5、2 液体流经缝隙的流量压力特性 平面缝隙 压差流动 常见缝隙 缝隙流动状况 环状缝隙 剪切流动 一、液体流经平行平板缝隙的流量压力特性 1 固定平行平板缝隙 如图2、5、3：设缝隙度高为，宽度为b,长度为l,两 端压力为p1、p2，其压差为P，从缝隙中取一微小六面 体，左右两端所受压力为p和p+dp，上下两侧面所受摩擦切应力为+d和，则在水平方向受力平衡方程为： pbdy + (+d)bdx = (p+dp)bdy + bdx 整理后得： d/dy = dp/dx = du/dy d2u/dy2 = 1/dp/dx 上式对y两次积分得：u = dp/dx y 2/2+ C1y + C2 由边界条件： 当y = 0, u = 0 y = , u = u0 则有：C1 = -dp/dx /2, C2 = 0 此外，在缝隙液流中，压力沿x方向的变化率dp/dx是 一常数，有: dp/dx = p2-p1/l = -(p1-p2)/l = -p/l u = (-y)yp/2l 故： q =0hubdy= b0hp(-y)ydy /2l = b3p /12l 结论：在压差作用下，通过固定平行平板缝隙的流量与 缝隙高度的三次方成正比，这说明，液压元件内 缝隙的大小对其泄漏量的影响是很大的。 1 相对运动平行平板缝隙（见图2、5、4） 剪切流动时 q = vb/2 压差与剪切流动时 q = b3p /12l vb/2 剪切与压差流动方向一致时，取正号 剪切与压差流动方向相反时，取负号 二、液体流经环形缝隙的流量压力特性 液压缸缸筒与活塞 同心 环形缝隙 分类 工作压力 引起振动、噪声、导致某些元件如密封装置、管路等 损坏；使某些元件（如压力继电器、顺序阀等）产生 误动作，影响系统正常工作。 3 减小液压冲击的措施 1） 延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间 2） 限制管道流速及运动部件速度 v管 5m/s v缸 10m/min 3） 加大管道直径，尽量缩短管路长度。 4） 采用软管，以增加系统的弹性。 二 气穴（空穴）现象 气穴现象：液压系统中，由于某种原因（如速度突变）， 使压力降低而使气泡产生的现象。 产生原因：压力油流过节流口、阀口或管道狭缝时，速度 升高，压力降低；液压泵吸油管道较小，吸油 高度过大，阻力增大，压力降低；液压泵转速 过高，吸油不充分，压力降低（如高空观缆） 气体来源： 混入 气泡 轻微气穴 空气 溶入 气体分子 严重气穴 蒸汽 汽泡 强烈气穴 气穴现象引起的结果： 1 液流不连续，流量、压力脉动 2 系统发生强烈的振动和噪声 3 发生气蚀 减小气空穴的措施： 1 减小小孔和缝隙前后压力降，希望p1/p2 3.5 2 增大直径、降低高度、限制流速 3 管路要有良好密封性防止空气进入 4 提高零件抗腐蚀能力，采用抗腐蚀能力强的金属材料，减 小表面粗糙度。 5） 整个管路尽可能平直，避免急转弯缝隙，合理配置。 本章小结 应搞清的概念 应记住的公式、概念、结论 第一节 液压油 （9个）（8个）（8个） 密度、压缩性 粘性、粘度、粘温特性 第二节 液体静力学 1 压力的表示方法 静压定义和特性 压力表指示压力实为表压力 p = p0+gh 结论 2 液压系统压力形成原理 p = F/A 结论：液压系统的压力取 决于负载，并且随 着负载变化而变化 机械负载 F 液压负载 3 液压力计算 P = pA 曲面：A应为垂直于总力方 向的投影面积 第三节 液体动力学 1 q、v的概念及关系 v = q/A 结论：v取决于进入液压缸 的流量，并且随着流 量的变化而变化。 2 连续性原理 方程： v1A1 = v2A2 q = v A = c 结论：同一管道中，v与A A大，v小 成反比 A 小，v大 4 伯努利方程： p1+gZ1+1/2v12=p2+gZ2+/2v22 p/g + Z + v2/2 g = c 物理意义： 5 动量方程之结论 第四节 管路中压力损失计算 1 层流、紊流概念 雷诺数：Re = dv/ 2 两种损失产生原因及减小措施 第五节 液体流经缝隙的流量压力特性 1 q = CAT2/p 特点： 2 q = CATp 及各项含义 3 平行平板缝隙流量公式结论 4 偏心圆环缝隙流量公式结论 第六节 液压冲击及气穴现象 两种现象产生原因及结果， 减小的措施 有关符号： 物理特性： m G g 0E （kg）(N) (m/s2) (kg/m3)(pas)(m2/s)(N/m2) 尺寸： b l h A v d D e 时间： t T 温度： T 特殊符号：Ree Cd 液压符号：p p q v F P (P a、 kPa、MPa) (m3/s) (m/s) (N) (N) 1 m3 = 103 l 1 m3/s = 6*104 l /min 1 MPa = 103 kPa = 106 Pa 1bar = 105 Pa 1kgf/cm2 0、1 MPa = 10 5 P a 第3章 液压泵和液压马达