液压与气压传动.docx

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液压与气压传动

绪论

教学目的和要求：

了解液压系统的组成、工作原理、基本特征，优缺点及液压系统的应用与发展。

教学重点与难点：

液压传动的工作原理与基本特征。

教学内容：

液压传动的概况、工作原理、组成部分、图形符号及其优缺点。

一、液压传动区别于其它传动方式的基本特征

1.在液压传动中工作压力取决于负载，与流入的液体（流量）多少无关。

2.活塞移动速度正比于流入液压缸中油液流量q，与负载无关。

3.液压传动中的功率等于压力p和流量q的乘积。

二、在液压与气动系统中，要发生两次能量转变

1.把机械能转变为流体压力能的元件或装置称为泵或能源装置。

2.把流体压力能转变为机械能的元件称为执行元件。

三、液压传动的工作原理

液压传动是基于流体力学的帕斯卡定律，主要利用液体在密闭容积内发生变化时产生的压力来进行能量传递和控制。

它利用各种元件组成具有所需功能的基本回路，再由若干回路有机组合成传动和控制系统，从而实现能量的转换、传递和控制。

四、液压系统组成

一个完整的、能够正常工作的液压系统，应该由以下五个主要部分来组成：

（1）能源装置

把机械能转换成油液的压力能的装置，其作用是供给液压系统压力油，为系统提供动力，又称为系统的动力元件。

（2）执行元件

把油液的压力能转化成机械能，推动负载做功；其作用是在压力油的作用下输出力和速度。

（3）控制调节元件

控制或调节系统中油液的压力、流量或流动方向。

（4）辅助元件

上述三部分之外的其他装置，例如油箱，滤油器，油管等，主要保证系统的正常运行。

（5）工作介质

主要是传递动力与能量。

第一章流体力学基础

教学目的和要求：

了解液压油的特性、熟练掌握液压油的物理性质、会根据要求选用合适的油液。

熟练掌握流体静力学基本方程，流体动力学三个方程，管路压力损失及小孔、缝隙液流公式和基本概念，理解液压冲击与空穴现象成因，了解克服液压冲击与空穴的方法。

教学重点与难点：

1.压力传递原理及液压系统压力是由外界负载决定的概念。

2.定常流动时流体动力学方程及应用

3.压力损失公式与应用、小孔流量公式及应用。

教学内容：

1.液压油的物理性质和影响因素。

2.液体静力学基本方程及压力传递原理。

3.基本概念、动力学三个方程的推导及应用。

4.管路内压力损失分析与计算、层流、紊流、雷诺数等概念。

5.小孔流量公式与缝隙液流公式的推导和应用。

一、液压传动介质的物理性质

1密度

单位体积液体所具有的质量称为液体的密度。

体积为V、质量为m的液体的密度ρ为 

ρ＝m/V （kg/m3）

2可压缩性

（1）可压缩性

液体因所受压力增高而发生体积缩小的性质称为液体的可压缩性。

液体的压缩性可用体积压缩系数k表示。

（2）体积压缩系数k

若压力为p0时液体的体积为V0。

当压力增加△p，液体的体积减小△V,则液体在单位压力变化下的体积相对变化量。

（3）液体体积模量

液体压缩率k的倒数，称为液体体积模量，以K表示

K＝1/k（Pa）

3流体的粘性

粘性的概念

液体在外力作用下流动时，分子间的内聚力的存在而产生一种阻碍液体分子之间进行相对运动的内摩擦力，液体的这种产生内摩擦力的性质称为液体的粘性。

常用的粘度表示方法有：

（1）动力粘度μ

动力粘度又称绝对粘度，它直接表示流体的粘性即内摩擦力的大小。

动力粘度μ在物理意义上讲，是当速度梯度du/dy=1时，单位面积上的内摩擦力的大小，即：

（2）运动粘度ν

运动粘度是绝对粘度μ与密度ρ的比值：

ν=μ/ρm2/s

（3）相对粘度

相对粘度是以相对于蒸馏水的粘性的大小来表示该液体的粘性。

我国采用恩氏粘度。

温度对粘度的影响：

液压油粘度对温度的变化是十分敏感的，当温度升高时，其分子之间的内聚力减小，粘度就随之降低。

压力对粘度的影响：

液体所受的压力加大时，分子之间的距离缩小，内聚力增大，其粘度也随之增大。

二、流体静力学

1压力的表示方法

根据度量基准的不同，压力有两种表示方法：

（1）绝对压力:

以绝对零压力作为基准所表示的压力，称为绝对压力；

（2）相对压力:

以当地大气压力为基准所表示的压力，称为相对压力。

绝对压力与相对压力的关系:

 绝对压力=大气压力+相对压力

真空度：

如果液体中某点处的绝对压力小于大气压力，这时该点的绝对压力比大气压力小的那部分压力值，称为真空度。

真空度与绝对压力的关系：

真空度=大气压力-绝对压力

三、流体运动学与动力学

1理想液体：

既无粘性又不可压缩的液体称为理想液体。

2连续方程

质量守恒定律：

液体在密闭管路中做稳定流动时，单位时间流过任一过流断面的液体质量相等，这就是液流连续性原理。

液流连续方程是质量守恒定律在流体力学中的具体应用。

3能量方程

能量方程又称为伯努利方程，实际上是流动液体的能量守恒定律。

理想流体的能量方程（伯努利方程）：

伯努利方程中各项都代表一种形式的能量，而且都具有能量的意义，其单位为长度单位。

能量方程各项的名称与意义：

—压力水头，代表单位重力流体相对大气压力的压力能。

z—位置水头，代表单位重力流体相对基准面的位能。

—速度水头，代表单位重力液体所具有动能。

其物理意义是：

在密封管道内作定常流动的理想液体在任意一个通流断面上具有三种形式的能量，即压力能、势能和动能。

三种能量之间是可以相互转换，但三种能量的总和是一个恒定的常量。

即能量守恒定律。

4动量方程

动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用。

用动量方程来计算液流作用在固体壁面上的力，比较方便。

动量定理：

作用在物体上的合外力的大小等于物体在力作用方向上的动量的变化率，即

四、管道流动和压力损失

1液体在圆管中流动有两种状态：

（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，能够维持恒定的流束状态。

（2）湍流：

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。

2雷诺数：

液体流动时究竟是层流还是湍流，须用雷诺数来判别。

实验证明，液体在圆管中的流动状态不仅与管内的平均流速v有关，还和管径d、液体的运动粘度υ有关。

但是，真正决定液流状态的，却是这三个参数所组成的一个称为雷诺数Re的无量纲数：

3压力损失

实际液体有粘性，所以流动时粘性力要损耗一定能量，在液压传动中，能量损失主要表现为压力损失。

压力损失分为两类：

（1）沿程压力损失

液体在等径直管内流动时因摩擦而产生的压力损失，称为沿程压力损失。

（2）局部压力损失

液体流径管道的弯头、接头、阀口以及突然变化的截面等处时，因流速或流向发生急剧变化而在局部区域产生流动阻力所造成的压力损失，称为局部压力损失。

第二章能源装置及辅件

教学目的和要求：

熟练掌握液压泵的工作原理、结构类型、主要性能特点、主要参数计算；熟练掌握液压泵职能符号；理解各类辅助装置的作用原理、应用场合、图形符号及功用。

教学重点与难点：

1.液压泵功率与效率计算

2.限压式变量叶片泵p-q特性曲线及参数调整。

教学内容：

1.熟练掌握液压泵流量、压力、功率、效率等概念。

2.熟练掌握齿轮泵的结构特点、工作原理、性能及有关参数计算。

3.熟悉叶片泵的结构原理、性能、限压式变量叶片泵的p-q特性曲线的应用及参数调整方法，有关参数的计算。

4.柱塞泵的分类、结构原理、性能特点及参数计算。

5.各类辅助元件的结构特点、功用、选用及图形符号。

1液压泵的概念及分类

液压泵是液压传动系统的能量转换装置，在液压传动系统中属于动力元件。

它将原动机输入的机械能转换为工作液体的压力能，为液压传动系统提供具有一定压力和流量的液体。

液压泵按泵的排量是否可调，可分为定量泵和变量泵；按结构特点可分为齿轮泵、叶片泵、柱塞泵和螺杆泵。

2构成容积式液压泵的基本条件

（1）形成密封容积：

具有密封的工作腔。

（2）密封容积变化：

密封工作腔容积大小交替变化，变大时与吸油口相通，变小时与压油口相通。

（3）吸压油口隔开：

吸油口和压油口不能连通。

3液压泵的排量V（m3/r或L/r或mL/r）

在无泄漏的情况下，泵轴每转一转，由其密封容腔几何尺寸变化计算排出液体的体积。

排量只与液压泵的几何体积有关。

4流量q（m3/s或L/min）

液压泵的流量分为：

理论流量qt，实际流量q和额定流量qs

（1）理论流量qt：

指在无泄漏的情况下，液压泵在单位时间内由理论结构计算而得的排出液体的体积。

理论流量公式：

qt＝Vn

（2）实际流量q

液压泵工作时单位时间内实际输出的油液体积。

排量、理论流量和实际流量三者间的关系：

理论流量=排量*转速

实际流量=理论流量*容积效率

5液压泵效率

实际上，液压泵在能量转换过程中是有损失的，因此输出功率总是比输入功率小,两者之差值即为功率损失，分为容积损失和机械损失。

容积效率是指液压泵的实际流量与理论流量之比。

6齿轮液压泵

齿轮泵一般做成定量泵,按结构不同,齿轮泵分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵,而以外啮合齿轮泵应用最广。

外啮合齿轮泵是包括泵盖和泵体，泵体内装有一对齿数相同、宽度和泵体接近而又互相啮合的齿轮。

齿轮泵存在的三个问题：

（1）泄露：

①径向间隙，通过泵体内孔和齿顶圆间的径向间隙,20%-25%；②轴向间隙，通过齿轮端面与端盖之间的轴向间隙，75%-80%；③啮合处齿面间隙，齿轮轮齿啮合线处的接触间隙。

（2）径向不平衡力：

作用于齿轮上的径向力由两部分组成：

一是液压力，二是啮合力。

啮合力是传递扭矩而产生的，约为不平衡径向液压力的15%。

（3）齿轮泵的困油问题：

齿轮泵要能连续地供油,就要求齿轮啮合的重叠系数ε大于1（一般为1.05-1.1）,也就是当一对齿轮尚未脱开啮合时,另一对齿轮已进入啮合,这样,就出现同时有两对齿轮啮合的瞬间,在两对齿轮的齿向啮合线之间形成了一个封闭容积,称为闭死容腔，一部分油液也就被困在这一封闭容积中。

当齿轮旋转时，此封闭腔容积发生变化，使油液受到压缩或膨胀，这种现象称为困油现象。

危害：

闭死容腔的体积由大变小时，压力异常升高，形成压力冲击，造成发热和振动；闭死容腔的体积由小变大时，压力急剧易形成局部真空，产生气穴和噪声。

解决轴向泄漏的措施：

采用轴向间隙自动补偿的方法，其原理是把与齿轮端面相接触的部件制作成轴向可移动的，如浮动轴套或浮动侧板；并将压油腔的压力油引入到可动部件背面的油腔中，使该部件始终受到一个与工作压力成比例的轴向力，压向齿轮端面，从而保证轴向间隙能与工作压力自动适应长期稳定。

减少径向不平衡力的措施：

A适当缩小压油液口，使压力油仅作用一个齿到两个齿的范围内，以减少作用在轴承上的径向力

B适当加粗齿轮轴径，并采用承载能力较大的滑动轴承或滚针轴承。

C适当加大径向间隙，在压力油的作用下，齿顶不会和壳体内表面产生摩擦。

D开压力平衡槽，但泄漏量增大，容积效率减小。

消除困油现象的措施：

为了消除困油现象的危害，通常在两侧端盖或轴承端盖开设两个卸荷槽。

当闭死容积变小，卸荷槽的位置应该使困油腔由大变小时，能通过卸荷槽与压油腔相通。

当困油腔由小变大时，能通过另一卸荷槽与吸油腔相通。

7叶片液压泵

叶片液压泵有单作用式（变量泵）和双作用式（定量泵）两类。

分类：

按叶片泵输出排量是否可变，可分为定量叶片泵和变量叶片泵；

按每转吸、压油次数，可分为单作用叶片泵和双作用叶片泵。

第三章执行元件

教学目的和要求：

熟练掌握各类缸的F、V的计算方法，掌握双杆活塞缸的结构组成；熟练掌握液压马达的工作原理、结构类型、主要性能特点、主要参数计算；熟练掌握液压马达职能符号。

教学重点与难点：

1.液压缸F、v计算

2．液压马达的工作原理、转速、转矩的计算

教学内容：

1.各类液压缸的速度V、负载F的计算及缸的职能符号。

2.熟练掌握液压马达流量、压力、功率、效率等概念。

液压缸又称为油缸，它是液压系统中的一种执行元件，其功能就是将液压能转变成直线往复式的机械运动。

（一）液压缸的类型

1按运动方式分

（1）往复直线运动液压缸；

（2）往复摆动液压缸

2按液压力的作用方式分

（1）单作用液压缸：

液压力只能使液压缸单向运动，返回靠外力。

（2）双作用液压缸：

液压缸正反两个方向的运动均靠液压力。

3按结构形式分

（1）活塞缸；

（2）柱塞缸；（3）伸缩缸

（二）液压马达

液压马达是一种将液压能转换为机械能的转换装置，是实现连续旋转或摆动的执行元件。

输出的主要参数是转矩和转速。

液压马达是使负载作连续旋转的执行元件，其内部构造与液压泵类似，差别仅在于：

（1）液压泵的旋转是由电机所带动，输出的是液压油；

（2）液压马达则是输入液压油，输出的是转矩和转速。

液压马达和液压泵在细部结构上存在一定的差别。

第四章控制元件

教学目的和要求：

熟练掌握各类阀的结构特点、工作原理、主要性能及主要参数计算、图形符号，掌握各类阀的功用和安装位置，会根据要求选用合适的阀。

教学重点与难点：

重点：

1.各类阀的工作原理与主要性能特点。

2.主要参数确定及条件影响结果。

难点：

1.液控单向阀工作原理。

2.换向阀中位机能及选用。

3.压力控制阀工作原理与压力值的确定

教学内容：

1.各类阀的作用、公共特性、分类方法及基本要求。

2.单向阀、换向阀的作用、结构、工作原理、性能特点、图形符号及各类阀的正确选用。

3.压力控制阀的作用、结构原理、性能及各类阀的相同、不同点。

4.压力的调定及负载对各自压力的影响、各类阀的图形符号及应用。

5.普通节流阀、调速阀的结构、工作原理、性能、图形符号及正确选用。

1单向阀

液压系统中常见的单向阀有普通单向阀和液控单向阀两种。

普通单向阀：

普通单向阀的作用，是使油液只能沿一个方向流动，许它反向倒流。

主要参数为：

正向最小开启压力，正向流动时的压力损失，反向泄漏量。

单向阀的应用：

①用于双泵系统；②用作背压阀；

2液控单向阀

液控单向阀有普通型和带卸荷阀心型两种，每种又按其控制活塞的泄油腔的连接方式分为内泄式和外泄式。

液控单向阀在系统中主要用途有：

①对液压缸进行锁闭；②作立式液压缸的支承阀；③某些情况下起保压作用。

3换向阀

利用阀芯相对于阀体的相对运动，使液流的通路接通、关断，或变换流动的方向，从而使液压执行元件启动、停止或变换运动方向。

换向阀的功能主要由其控制的通路数及工作位置所决定。

位：

阀芯的工作位置。

通：

所控制的油口数量。

换向阀的结构主体：

阀体和滑阀阀心是滑阀式换向阀的结构主体。

换向阀符号的含义如下：

①用方框表示阀的工作位置；有几个方框就表示几“位”。

②用方框内的箭头表示该位置上油路处于接通状态。

必须指出，箭头方向不一定是油液实际流向。

③方框内符号“┯”或“┷”表示此通路被阀心封闭，即不通。

④一个方框的上、下边与外部连接的接口数有几个就表示几“通”。

⑤通常阀与系统供油路连接的油口用P表示，阀与系统回油路连接的回油口用T表示，而阀与执行元件连接的工作油口则用字母A，B表示。

⑥换向阀都有两个或两个以上的工作位置，其中一个是常位，即阀心未受外部操纵时所处的位置。

绘制液压系统图时，油路一般应连接在常位上。

滑阀的操纵方式：

①手动换向阀；②机动换向阀；③电磁换向阀；④液动换向阀；⑤电液换向阀。

换向阀的中位机能：

滑阀机能：

指阀芯处于常态位置时,换向阀各油路的通断情况。

中位机能：

位换向阀的阀芯在中间位置时，各通口间有不同的连通方式，可满足不同的使用要求。

这种连通方式称为换向阀的中位机能。

常用中位机能：

①O型机能；②M型机能；③H型机能；④P型机能；⑤Y型机能

4压力控制阀

压力控制阀：

液压系统中，用来控制油液压力的高低或利用液压力的变化实现某种动作的控制阀。

共同特点：

利用油液的压力与阀中的弹簧力相平衡的原理工作

（一）溢流阀

功能：

当系统压力超过或等于溢流阀的调定压力时，系统的油液通过阀口溢出一部分回油箱，防止系统的压力过载，起安全保护作用。

要求：

调压范围大，调压偏差小，压力振摆小，动作灵敏，过流能力大，噪声小。

按工作原理分为直动式和先导式两种。

（1）直动式溢流阀组成：

1-调节螺母2-弹簧3-上盖4-阀心5-阀体

直动式溢流阀调压原理：

调节调压螺帽改变弹簧预压缩量，便可调节溢流阀调整压力。

直动式溢流阀特点：

弹簧力直接与pA平衡，称为直动式。

手调困难，一般用于低压小流量场合。

（2）先导式溢流阀由两部分组成。

先导阀：

直动式锥阀，硬弹簧。

主阀：

滑阀，软弹簧。

工作原理：

利用主阀芯上下两部分的压力差来使主阀阀芯移动。

调压原理：

调节调压螺帽，改变硬弹簧力，即可改变压力。

溢流阀应用：

①作溢流调压；②作安全保护用；③作卸荷阀；④作背压阀用；⑤作远程多极调压。

（二）减压阀

功能：

在液压系统中起减压作用，使液压系统某一支路获得较系统压力低的稳定压力，并使进口液压力出现波动时，仍保持阀出口压力基本恒定，使系统的某一部分得到一个降低了的稳定压力。

要求：

出口压力维持恒定，不受进口压力、流量大小的影响。

按工作原理分为直动式减压阀和先导式减压阀（先导阀+主阀）。

减压阀与溢流阀比较：

①减压阀利用出油口压力与弹簧力平衡，保持出口压力基本不变；而溢流阀利用进油口压力与弹簧平衡，保持进口处压力基本不变。

②在不工作时，减压阀进、出油口互通，减压阀口常开；而溢流阀进出油口不通，溢流阀口常闭。

③减压阀的进出油口均通压力油，所以泄油口要单独外接油箱；而溢流阀的出油口是通油箱的，所以溢流阀的泄漏油可通过阀体上的通道和出油口相通，不必单独外接油箱。

减压阀的应用：

①减压回路；②液压缸夹紧。

（三）顺序阀

顺序阀是用来控制液压系统中各执行元件动作的先后顺序。

根据结构不同：

直动式和先导式。

根据控制压力来源的不同：

内控式和外控式。

根据泄油方式：

内泄式和外泄式。

顺序阀与溢流阀的比较（不同之处）:

（1）溢流阀的进口压力在通流状态下基本不变。

而顺序阀在通流状态下其进口压力由出口压力而定，如果出口压力p2比进口压力p1低的多时，p1基本不变，而当p2增大到一定程度，p1也随之增加，则p1=p2+Δp，Δp为顺序阀上的损失压力。

（2）溢流阀为内泄漏，而顺序阀需单独引出泄漏通道，为外泄漏。

（3）溢流阀的出口必须回油箱，顺序阀出口可接负载。

顺序阀的应用：

1）控制多个执行元件顺序动作;2）与单向阀组成平衡阀;3）用外控顺序阀可在双泵供油系统中，当系统所需流量较小时，使大流量泵卸荷;4）用内控顺序阀接在液压缸回油路上，产生背压，以使活塞的运动速度稳定。

5流量控制阀

流量控制阀是通过改变可变节流口面积大小，从而控制通过阀的流量，达到调节执行元件（缸或马达）运动速度的阀类。

常用的流量控制阀有节流阀和调速阀。

对流量控制阀的要求：

1）具有足够的调节范围；

2）能保证稳定的最小流量；

3）温度和压力的变化对流量的影响要小；

4）调解方便，泄漏小。

节流阀结构与工作原理：

节流阀是一个最简单又是最基本的流量控制阀,这种节流阀的节流通道呈轴向三角槽式。

其实质相当于一个可变节流口,即借助于改变阀口的过流面积改变流量。

其工作原理是通过旋转阀芯,轴向移动改变阀口的过流面积。

节流阀的应用：

节流阀在液压系统中主要与定量泵、溢流阀和执行元件等组成节

流调速系统。

调节其节流口的开度，便可调节执行元件的运动速度。

调速阀组成：

定差减压阀与节流阀串联而成。

1.调速阀入口压力恒定：

液压泵的出口（即调速阀的进口）压力由溢流阀调整基本不变，

2.调速阀出口压力决定负载：

调速阀的出口压力则由液压缸负载决定。

调速阀的主要用途：

对于执行元件负载变化大，且对速度稳定性要求高的节流调速系统。