液压与气压传动.docx

1、液压与气压传动第一章 绪 论一、主要概念1.液压传动的定义，液压传动的两个工作特性【答】液压传动的定义： 以液体为介质，依靠流动着液体的压力能来传递动力的传动称为液压传动。液压传动的两个工作特性是：液压系统的压力(简称系统压力，下同)大小(在有效承压面积一定的前提下)决定于外界负载。执行元件的速度(在有效承压面积一定的前提下)决定于系统的流量。这两个特性有时也简称为：压力决定于负载；速度决定于流量。2.液压系统的四大组成部分及其作用【答】五大组成部分为：能源装置 它是将电机输入的回转式机械能转换为油液的压力能(压力和流量)输出的能量转换装置，一般最常见的形式是液压泵。执行元件 它是将油液的压力

2、能转换成直线式或回转式机械能输出的能量转换装置，一般情况下，它可以是做直线运动的液压缸，也可以是做回转运动的液压马达。调节控制元件 它是控制液压系统中油液的流量、压力和流动方向的装置，即控制液体流量的流量阀(如节流阀等)、控制液体压力的压力阀(如溢流阀等)及控制液体流辅助元件 这是指除上述三项以外的其他装置，如油箱、滤油器、油管、管接头、热交换器、蓄能器等。这些元件对保证系统可靠、稳定、持久的工作有重大作用。 工作介质 液体、压缩空气。3.液压传动的主要优缺点【答】和机械、电力等传动相比，液压传动有如下优点：能方便地进行无级调速，且调速范围大。功率质量比大。一方面在相同的输出功率前提下，液压传

3、动设备的体积小、质量轻、惯性小、动作灵敏(这对于液压自动控制系统具有重要意义)；另一方面，在体积或质量相近的情况下，液压传动的输出功率大，能传递较大的转矩或推力(如万吨水压机等)。调节、控制简单，方便，省力，易实现自动化控制和过载保护。可实现无间隙传动，运动平稳。因传动介质为油液，故液压元件有自我润滑作用，使用寿命长。可采用大推力的液压缸和大转矩的液压马达直接带动负载，从而省去了中间的减速装置，使传动简化。液压元件实现了标准化、系列化，便于设计、制造和推广使用。液压传动的缺点是：漏。因传动介质油液是在一定的压力下，有时是在较高的压力下工作的，因此在有相对运动的表面间不可避免的要产生泄漏。同时，

4、由于油液不是绝对不可以压缩的，油管等也会产生弹性变形，这就使得液压传动不宜用在传动比要求较严格的场合。振。工作介质油液可使液压传动比机械传动平稳，但液压传动中的液压冲击和空穴现象又会产生很大的振动和噪声。热。在能量转换和传递过程中，由于存在机械摩擦、压力损失、泄漏损失，因而易使泊液发热、总效率降低。故液压传动不宜用于远距离传动。液压传动的性能对温度较敏感，故不宜在高温及低温下工作。液压传动装置对油液的污染亦较敏感，故要求有良好的过滤设施。液压元件要求的加工精度高，在一般情况下又要求有独立的能源(如液压泵站)，这些可能使产品成本提高。液压系统出现故障时不易查找原因，不易迅速排除故障。在上述的优、

5、缺点中，有代表性的，能突出液压传动特点的是前三条。4.液压系统的图形符号【答】液压系统的图形符号有两种，一种是半结构图，如教材中的图1-2。在这种图中，对每个液压元件只表示出其内部结构原理，外部形状则一律不表示，故称为半结构图。这种图的优点是：直观性强，容易理解，当液压系统发生故障时查找方便；缺点是：图形较复杂，特别是当系统元件较多时绘制更不方便，占地面积也较大。另一种是职能符号图(教材I中图1-2)。在这种图形中，每个液压元件都用国家规定的图形符号(GB/T786.1-93)来表示。这些符号只表示相应元件的职能(作用)、连接系统的通路，不表示元件的具体结构和参数，并规定各符号所表示的都是相应

6、元件的静止位置或零位置(初始位置)。这种图的特点是图面简洁，油路走向清楚，对系统的分析、设计都很方便。因此现在世界各国采用的较多(具体表示方法大同小异)。如果某些自行设计的非标准液压件无法用职能符号表示时，仍可采用半结构图。二、.重点、难点和解题要领1.重点及解题要领本章内容的重点是：液压传动的工作原理，即什么是液压传动。液压传动的两个工作特性。这两个概念，尤其是后者贯穿于液压传动课程的全过程，是本课程既重要又最基本的概念。就传动而言，有机械传动、电传动、液压传动、气压传动等不同的传动方式。其中机械传动，例如齿轮传动，力和速度从一根轴通过啮合的齿轮传到另一根轴上，比较直观、易懂；而液压传动则是

7、通过液体的压力能来传递动力的，工作介质油液在封闭的管道内流动，摸不着，看不见，直观性差，故较难理解。因此，通过平面磨床工作台往复直线运动的工作原理彻底了解、掌握液压传动的工作原理，即如何靠流动着的液体的压力能来传递动力的，这是本课程的基础。而液压系统的两个工作特性，即压力决定于负载、速度决定于流量，又是分析液压系统工作过程和设计液压系统的理论关键。因此，上述、两个概念是本章的重点内容。2.难点及解题要领液压传动的两个工作特性，尤其是压力决定于负载这一特性是本章中的难点。所谓难点是指对初学者来说，很难理解透负载同压力的主、从关系。只有通过课程的不断深入才能真正消化这一概念。事实上，要搞清压力与负

8、载的关系，首先应弄清什么是负载。从广义上讲，一切阻碍液体(油液)流动的阻力都是负载：液体在油管里流动，有管路的摩擦阻力-摩擦负载；液体流经各种液压件，要克服一定阻力，造成压力降，有液压件负载；液体进入液压缸、作用于有效承压面上，推动液压缸运动，就要克服外界施加于系统的、阻碍液压缸运动的阻力-外负载。前两种(实际上不止这两种)负载是内负载，往往都被考虑到系统的能量损失和效率中去；而后者才是系统对外做功、实实在在的、有用的、具体意义上的负载。可以设想，这种负载(即阻力)越大，使液压缸运动、作用于液压缸有效承压面积上的压力(在有效承压面积一定的前题下)也越大，反之亦然。如果施加于液压缸、阻碍其运动的

9、阻力即外负载为零，则作用于液压缸有效承压面积上、推动液压缸运动的油压力也为零或接近于-零。这就是负载为主，压力为从的主.从关系。负载与压力的上述关系还可以用“皮之不存，毛将焉附”这句话来比喻。有人错误地认为，32MPa额定压力的高压泵，只要一启动起来就会输出32MPa的高压油。这就是对压力取决于负载这一基本概念不清所致。事实上，液压泵输出油液的油压是靠阻碍油液流动的负载憋上去的，若没有负载，油压就憋不上去。因此再高额定压力的泵此时所输出的油压也是零。另外，要把压力决定于负载与压力阀对压力的控制区分开来。二者的关系，区别已在教材I中有所阐明，故此不再赘述。第二章 液压油和液压流体力学基础一、主要

10、概念1.液体的粘性及粘度，粘度的表示方法及其单位，粘度的主要选用原则，我国液压油的牌号数与运动粘度(厘斯cSt)间的关系【答】液体在外力作用下流动时，分子间的内聚力阻碍分子间的相对运动而产生一种内摩擦力，液体的这种性质叫做液体的粘性。其特点是：只有在流动时液体才表现出粘性，静止液体(液体质点间没有相对运动的液体)是不呈现粘性的。表示液体粘性大小的物理量是粘度。粘度大，液层间的内摩擦力就大，油液就稠;反之，油液就稀。粘度的表示方法有三种：绝对粘度，其单位(量纲)为帕秒Pa-s，1Pa-s=1N-SAIl20运动粘度，这是液体的绝对粘度与其密度的比值。运动粘度的单位为m/s，因该单位太大，故实际中

11、习惯用厘斯cSt(1cSt=10-2cm/，1m/s=106cSt=104St(斯，1St=1cm/s)。相对粘度(条件粘度)。我国、前苏联、德国采用的是恩氏粘度E;美国用赛氏粘度SSU；英国用雷氏粘度R(或Re1)。在不同的测量温度下，相对粘度(恩氏粘度)的数值是不同的。工业上常以20、50及100作为测量恩氏粘度的标准温度，相应粘度以符号。E20、。E50、。E100来表示。在液压传动中，一般以50作为测量的标准温度。相应的粘度以。E50表示。粘度选择的总原则是：高压、高温、低速情况下，应选用粘度较大的液压油。因为这种情况下泄漏对系统的影响较大，粘度大可适当减少这些影响;在低压、低温、高速

12、情况下，应选用较低粘度的液压油，因为这时泄漏对系统的影响相对减小，而液体的内摩擦阻力影响较大。另外，在一般环境温度t2320时，液体为紊流。 5.流动液体的三大定律及其计算公式的表达式【答】三大定律分别为：1 质量守恒定律（连续性方程），表达式为式中A为管道任意处过流断面面积，v为该断面上的液体的平均流速。该方程的物理意义是L：在稳定流动的情况下，党不考虑液体的压缩性时，通过管道个流断面的流量都相等，等于任意处的过流断面积与该面上液体平均流速的乘积。上式亦可写成式中A1、v1、A2、v2，分别为管道任意两处的过流断面面积相适应的液体平均流速。该式表明：液体的流速与其过流断面面积成反比。当流量一

13、定时，管子细的地方流速大;管子粗的地方流速小。2 能量守恒定律一一伯努利方程式，表达式为即为实际液体伯努利方程式。式中，hw为液体从断面1流向断面2所造成的总能量损失：式中hl为断面1和2间的沿程能量损失，；为断面1和2间的局部能量损失，上式中，1、2为动能修正系数，在紊流或层流粗略计算时取1=2=1;层流时取1=2=2。3 动量定律动量方程式。实际液体的动量方程式为 或由连续性原理为式中为动量修正系数，对于圆管中的层流流动，取=1.33，近似值常取=1;对于圆管中的紊流流动，取=1。值得注意的是：上式中、均为向量，在具体应用时，应将上式向某指定方向投影，列出该方向上的动量方程。式中的是液体所

14、受固体壁面的作用力，而液体反作用于固体壁面上的力则为-，即与力大小相等，方向相反(参看教材I中例题2-3)。6.伯努利方程式的物理意义理想液体的伯努利方程式为其物理意义为：在密封的管道内做稳定流动的理想液体在任意断面上都具有三种形式的能量，即压力能、动能和势能h，它们之间可以互相转化，但三种能量总和是一定的。7.小孔流量公式及其在液压元件中的应用【答】薄壁小孔流量公式为式中，p为小孔前、后压力差;为液体的质量密度;Ao为小孔的过流断面面积;Cd为流量系数(Cd =0.610.62).。在液压技术中，常以上述薄壁孔作为节流口，制成节流元件，以使控制的流量不受粘度的影响。在应用上述公式计算通过控制

15、阀口的流量时，公式的压差p是以阀进、出口两端的压力差代人的。细长孔流量公式为式中，为液体的绝对粘度以为孔的长度以为孔的内径; P为长度l上的压差=P1(上游压力)-p2(下游压力)。细长孔是指长径比l/d4的小孔，在液压技术中常作为阻尼孔(阻尼元件)。油液流过细长孔时的流态一般都是层流，因此其流量可用液体流经圆管时的上述流量公式计算。8.油液的空气分离压和饱和蒸气压，二者在数值上的差别【答】空气在液体中有两种存在形式：混合式和溶解式。空气以混合形式存在于液体中时， 以汽泡形式存在，肉眼可以看到;空气溶解于液体中时，以分子状态存在于液体内，肉眼不可见。任何液体，由于灌装、运输等原因，或多或少都含

16、有一部分气体(空气)。在一定的温度下，当液体内某点的压力低于某一数值时，溶解于液体内的空气便迅速、大量地分离出来，形成气泡，使液体的流动形成不连续状态，这一数值所表示的压力叫做这个温度下该液体的空气分离压;在一定的温度下，当液体内某点的压力低于另一数值时，不但溶解在液体中的空气大量分离出来，而且液体本身也开始沸腾、汽化，产生大量气泡，使液体流动形成不连续状态，此时数值所表示的压力叫做这个温度下该液体的饱和蒸气压。由上述定义可知饱和蒸气压的大小比空气分离压要低。如上所述，出现这两种压力都要产生大量气泡，使液体(液压油)的流动形成不连续状态，直接影响执行元件速度的稳定性。因此要尽量避免这两种压力的

17、产生。从上述两种压力可以看出，在一定的温度下，压力越低液体越容易汽化(沸腾)，亦即沸腾时液体的温度越低。例如，在一定的环境温度下，标准大气压下水沸腾时的温度是100，但在喜玛拉雅山顶上沸腾水的水温可能只有几十度、甚至十几度。这就是山顶上压力偏低的缘故。二、重点难点及解题要领1.重点本章是整个液压传动课程的理论基础，其主要内容是帕斯卡定律、流动液体的质量守恒定律(连续性方程式)、能量守恒定律(伯努利方程式)、动量定律(动量方程式)、小孔流量公式等，同时也是本章的重点。伯努利方程式则是上述内容中的重点。这是因为液压系统的能量及能量损失、效率等的计算，有关油泵、液压装置的吸油高度、安装位置等问题的设

18、计计算等，都离不开伯努利方程式，而连续性方程式只是伯努利方程式应用的一部分(计算流速)，动量方程式则在液压控制的液动力计算中应用较多，在液压传动中应用相对较少。至于液体的压力、粘性和粘度，流态(层流和紊流)、雷诺数等基本概念当然很重要，但这些量及其概念都已包含在伯努利方程式的比压能、比动能之中。从这个局部意义上讲，上述基本概念是为伯努利方程式服务的。因此，伯努利方程式(含其物理意义)是本章中重点的重点。至于帕斯卡定律，其应用的条件和对象是处于密闭容器内静止液体的压力传递问题。I中溢流阀、减压阀的工作原理)，因此帕斯卡定律是重点内容之一。对于小孔流量公式，特别是薄壁小孔流量公式，在理论推导上，集

19、伯努利方程式，局部能量损失(过流断面突然缩小、突然扩大能量损失)公式于一身;在实际应用中，几乎所有阀口流量的计算都采用此公式。因此，薄壁小孔流量公式也显得比较重要。2.难点本章的难点是油液的粘度，特别是油液的绝对粘度和真空度的概念。 油液的绝对粘度所以有点难，除了因该量是个抽象的、公式(28)(教材I)中的比例系数外，更主要是该量无法直接测量、没有实感、理解困难。在实际工作中，往往是通过试验测量出该种液体的相对粘度，利用经验公式将其换算成运动粘度，再由运动粘度与绝对粘度间的关系换算成绝对粘度。实际上，在科学研究与试验中，有许多量是无法直接得到的，通常都是通过二次仪表、传感器、模拟量等间接测得。

20、相比之下，绝对粘度的测量就见怪不怪了。对于真空度的概念，有人错误地认为就是零压，即一点压力也没有。实际上，绝对真空才是零压，而真空度只表示绝对压力不足大气压的那部分数值，也是以大气压为基准进行测量而得到的负表压力数值(取绝对值)，其最大值不超过一个大气压。亦即真空度为一个大气压时，即是绝对零压。3.解题要领对于思考题、基本概念题，只要搞清基本概念，抓住基本概念不放，这方面的问题便不难解决。对于计算题，主要是帕斯卡定律、伯努利方程式，小孔(薄壁小孔)流量公式及细长孔流量公式式(2-41)、(2-42)等方面的问题。对帕斯卡定律方面的习题，要注意定律应用的条件密闭容器内的静止液体;对小孔流量公式方

21、面的习题，一般常是阀口流量的计算，尽管公式中有开方项，给单位(量纲)计算带来一定的不便，但只要把已知条件统一按国际标准(SI)代入(或在习题的算式中都换算成相应的国际单位)，所求出的未知量的单位就是国际标准量。此时若单位太大(或太小)再做适当的单位变换。这样处理，对具有物理习题特点的液压习题的计算，特别对较复杂的单位运算不易出错。例如，面积、质量密度、压力分别以m、kg/m、N/m代人公式Q =CaAo后，求得Q =10-3 m/s。此单位对液压传动来说显然太大，故化成Q =10-3103L/s=1L/s=60L/min。应用伯努利方程式对压力、流量、流速、液压装置的安装位置、油泵的吸油高度、

22、油液的流向等问题进行计算和判断时，首先应正确选择好两个基准面(计算断面、该断面必须是缓变流动断面)：把已知条件最多的上游某断面选为I-I基准面(该面也可以兼做零势能基准面)，此面一般为油箱的液体自由表面;把所求的物理量所在的下游某断面选定为II-II断面(另一个相对基准面)。如果I-I、II-II两断面选错了，所列伯努利方程式就不能平衡，或虽然平衡却不能求解(势能基准面不受此限制)。其次，在具体计算时，应分步进行(一般应求液压泊的流速u。判断油液的流态。选择I-I、II-II两断面，列写其伯努利方程式。分别计算比压能、比动能、比势能、能量损失等各项。综合各项结果，求出所求未知量)，这样可以减少

23、出错，即使出现错误也便于查找。另外，解题时应区分开静止液体和流动液体，前者应用静压理论，后者应用动压理论。对个别题目，虽然是流动液体，但用静压理论也能解出正确答案，这纯属巧合，解题的思路是错误的。对细长孔流量公式公式(2-41)、(2-42)要注意其导出和应用条件，不能将其直接用于非水平设置的管路中。第三章 动力元件一、主要概念1. 容积式泵(液压马达)的工作原理【答】容积式泵的工作原理是：形成若干个密闭的工作腔，当密闭工作腔的容积从小向大变化时，部分形成真空、吸油；当密闭工作腔的容积从大向小变化时，进行压油(排油)。泵的输油能力(输出流量的大小)是由密闭工作腔的数目、容积变化的大小及容积变化

24、的快慢决定的。液压马达是个执行元件，是把人口输入的液体的压力能转换成回转式机械能输出的能量转换装置。从工作原理上讲，液压马达是把容积式泵倒过来使用，即向泵输入压力油，输出的是转速和转矩。对于不同类型的液压马达，其具体的工作原理有所差别。另外，从理论上讲，容积式泵和其相应的液压马达是可逆的，即向泵输入压力泊，输出的就是转速和转矩。但由于功用不同，它们(泵和相应的液压马达)的实际结构有所差别。有的泵(如齿轮泵)是可逆的(即通人压力油后就可以旋转)，有的泵是不可逆的。2.泵和液压马达的工作压力，排量，理论流量，实际流量，容积效率，输入转矩(泵)，输出转矩(液压马达)，机械效率，输入、输出功率，总效率

25、，备量的单位(量纲)，及相关量的关系【答】泵的工作压力是指液压泵所输出的油液为克服阻力所必须建立起来的压力，液压马达的工作压力是液压马达人口的输入油液的压力。工作压力的大小决定于负载(对马达来说就是输出轴上的转矩)。液压泵(或马达)的额定工作压力是指允许使用的最大工作压力，超过此值就是过载，泵(或马达)的效率就将下降，寿命就将降低。液压泵铭牌上所标定的压力就是额定压力。压力的单位(SI国际单位制)是N/m2(牛/米勺，称为帕斯卡，简称为帕(Pa)，即1Pa=1N/m2。由于此单位太小，在工程上使用很不方便，因此常采用它的倍数单位MPa(兆帕)。1MPa=106pa=106N/m。液压泵(或马达

26、)的排量是指在不考虑泄漏的情况下，泵(或马达)每转所输出(或所需输入)液体的体积。并常以qp(对泵)和Qm(对马达)来表示。其单位是m/r(米/转： 液压泵(或液压马达)的理论流量Qtp(或QtM)是指在不考虑泄漏的情况下泵(或液压马达)单位时间所输出(或所需输入)液体的体积。其单位是m/s(米/秒：国际单位)。此单位太大，因此常用L/min(升/分)表示。1L=1d m=10cm3。若设泵(或马达)的转速为np(或nm)，则有Qt=qpnp(或QtM=Qmnm)。泵(或马达)的实际流量Qp(或Qm)是指在考虑泄漏的情况下，单位时间泵(或马达)所输出(或所需输入)液体的体积。对液压泵，QpQt

27、Mo称Qtp-Qp=Qlp(或Qm-QtM=Qlm)为泵的(或马达的)容积损失。液压泵的容积效率vp是泵的实际流量Qp与泵的理论流量Qtp的比值：vp=Qp/Qtp.液压马达的容积效率vp是马达的理论流量QtM与实际流量Qm的比值； vp=QtM/Qm。亦即Qp=Qtpvp=QpNpvp： Qm=QtM/vm=QmnM/vm。泵的输入转矩是指泵所需的驱动电机的转矩，分理论转矩Ttp和实际转矩Tp。Ttp是指不考虑摩擦等损失时泵所需电机转矩；Tp则是考虑摩擦等损失时泵所需电机转矩。其值TpTtp。转矩单位是Nm(牛米)。液压马达所输出的转矩亦分为理论转矩TtM和实际转矩TM。TtM是指在不考虑摩擦等损失时所输出的转矩；TM是指在考虑摩擦等损失时所输出的转矩，其值TMTtM。泵(或马达)的机械损失TIp(或TIM)是指泵的(或马达的)实际转矩Tp(或理论转矩TtM)与泵的(或马达的)理论转矩Ttp以或实际转矩TM)的差值，即Tlp =Tp-Ttp（或Tlm=Ttm-TM)。马达转矩输出的计算公式为，式中PM为马达进、出口液压泵的机械效率MP是指泵的理论转矩Ttp与实际输入转矩Tp之比值： MP=Ttp/T；液压马达的机械效率73hzM是指液压马达的实际输出转矩