液压与气压传动电子教案.docx
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液压与气压传动电子教案
教师第一次课时授课计划（首页）
授课对象：
机电系11级机制专业综合班科目：
液压与气压传动技术
课题
液压传动系统的工作原理与组成
授课类型
理论课□实践课□讨论课□习题课□其他□
授课学时
2学时
教学方法
讲授法+演示法+操作法
教学准备
教案、PPT
作业布置
教学目的与要求
1、掌握液压传动的工作原理
2、掌握液压传动系统的组成
教学重点难点
重点：
掌握液压传动系统的组成
教学过程
一、液压传动系统的工作原理
液压传动是以液体为工作介质，并以压力能进行动力（或能量）传递、转换与控制的液体传动。
现以以图1—1液压千斤顶为例，说明液压传动系统的工作原理。
提起杠杆1，活塞3上升，小油缸2下腔的工作容积增大，形成局部真空，于是油箱8中的油液在大气压力的作用下，推开单向阀4进入油缸2的下腔（此时单向阀7关闭）；当压下杠杆1时，活塞3下降，油缸2下腔的容积缩小，油液的压力升高，打开单向阀7（此时单向阀4关闭），油缸2下腔的油液进入工作缸12的下腔（此时截止阀9关闭），使活塞11向上运动，将重物顶起一段距离。
如此反复提压杠杆1，就可以使重物不断上升，达到顶起重物的目的。
工作完毕，打开截止阀9，使大油缸12下腔的油液通过管路直接流回油箱，活塞11在外力和自重的作用下实现回程。
这就是液压千斤顶的工作原理。
参考资料
《液压与气压传动技术》肖珑西安电子科技出版社出版社.2008.
《液压与气压传动》（第2版）万会雄高等教育出版社.2008.
教学后记
图1-1液压千斤顶工作原理图
液压传动的基本工作原理如下：
（1）液压传动的液体为传递能量的工作介质；
（2）液压传动必须在密闭的系统中进行，且密封的容积必须发生变化；
（3）液压传动系统使一种能量转换装置，而且有两次能量转换过程；
（4）工作液体只能承受压力，不能承受其它应力，所以这种传动是通过静压力进行能量传递的。
二、液压传动装置的组成
1.机床工作台液压系统的工作过程
图1—2为机床工作台液压系统示意图。
当液压泵3由电动机驱动旋转时，从油箱1经过过滤器2吸油。
经换向阀7和管路11进入液压缸9的左腔，推动活塞杆及工作台10向右运动。
液压缸9右腔的油液经管路8、阀7和管路6、4排回油箱，通过扳动换向手柄切换阀7的阀芯，使之处于左端工作位置，则液压缸活塞反向运动；切换阀7的阀芯工作位置，使其处于中间位置，则液压缸9在任意位置停止运动。
图1—2机床工作台液压系统原理结构示意图
2.液压传动装置的组成
从机床工作台液压系统的工作过程可以看出，一个完整的、能够正常工作的液压系统，应该由以下几个主要部分组成：
（1）动力元件供给液压系统压力油，把原动机的机械能转化成液压能。
常见的是液压泵。
（2）执行元件把液压能转换为机械能的装置。
其形式有做直线运动的液压缸，有做旋转运动的液压马达。
（3）控制调节元件完成对液压系统中工作液体的压力、流量和流动方向的控制和调节。
这类元件主要包括各种液压阀，如溢流阀、节流阀以及换向阀等。
（4）辅助元件辅助元件是指油箱、蓄能器、油管、管接头、滤油器、压力表以及流量计等。
这些元件分别起散热、储油、蓄能、输油、连接、过滤、测量压力和测量流量等作用，以保证系统正常工作，是液压传动系统不可缺少的组成部分。
（5）工作介质它在液压传动及控制中起传递运动、动力及信号的作用，包括液压油或其它合成液体，它直接影响液压系统的工作性能。
液压系统中各元件之间的关系如图1-3所示：
图1-3液压系统元件图
三、液压传动系统的图形符号
为了便于阅读、分析、设计和绘制液压系统，工程实际中，国内外都采用液压元件的图形符号来表示。
按照规定，这些图形符号只表示元件的功能，不表示元件的结构和参数，并以元件的静止状态或零位状态来表示。
若液压元件无法用图形符号表述时，仍允许采用半结构原理图表示。
我国制订有液压与气动元件图形符号标准GB/T786.1—1993《液压气动图形符号》，在液压系统设计中，要严格执行这一标准。
教师第二次课时授课计划（首页）
授课对象：
机电系11级机制专业综合班科目：
液压与气压传动技术
课题
液压传动的特点
授课类型
理论课□实践课□讨论课□习题课□其他□
授课学时
1学时
教学方法
讲授法+演示法+操作法
教学准备
教案、PPT
作业布置
教学目的与要求
目的：
了解液压传动的特点
教学重点难点
重点：
液压传动与机械传动、电气传动相比较的特点
教学过程
一、液压传动的优点
1.液压传动的各种元件，可根据需要方便、灵活地布置；
2.单位功率的重量轻，体积小，传动惯性小，反应速度快；
3.液压传动装置的控制调节比较简单，操纵方便、省力，可实现大范围的无级调速（调速比可达2000），当机、电、液配合使用时，易于实现自动化工作循环；
4.能比较方便地实现系统的自动过载保护；
5.一般采用矿物油为工作介质，完成相对运动部件润滑，能延长零部件使用寿命；
参考资料
《液压与气压传动技术》肖珑西安电子科技出版社出版社.2008.
《液压与气压传动》（第2版）万会雄高等教育出版社.2008.
教学后记
二、液压传动的主要缺点
1.由于液体流动的阻力损失和泄漏较大，所以效率较低。
如果处理不当，泄漏不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故；
2.工作性能易受温度变化的影响，因此不宜在很高的温度或者很低的温度条件下工作；
3.液压元件的制造精度要求很高，因而价格较贵；
4.由于液体介质的泄露及可压缩性，不能得到严格的定比传动；液压传动出故障时不易找出原因，要求具有较高的使用和维护技术水平。
5.在高压、高速、大流量的环境下，液压元件和液压系统的噪音较大。
教师第3次课时授课计划（首页）
授课对象：
机电系11级机制专业综合班科目：
液压与气压传动技术
课题
液压系统的工作介质
授课类型
理论课□实践课□讨论课□习题课□其他□
授课学时
6学时
教学方法
讲授法+演示法+操作法
教学准备
教案、PPT
作业布置
教学目的与要求
1、掌握液压油的特性
2、掌握液压油的类型、选择和使用
3、了解液压油的污染与防护
教学重点难点
重点：
掌握液压油的类型、选择和使用
教学过程
一、液压油的特性
（一）液压油液的物理特性
1．密度和重度
单位体积液体的质量称为密度，通常用符号“ρ”表示，即
ρ=m/V（2-1）
单位体积液体的重量称为重度，通常用符号“γ”表示，即
γ=G/V（2-2）
2．黏性和黏度
（1）黏性液体在外力作用下流动时，液体分子间互相吸引的内聚力阻碍其分子之间相对运动，而在液体内部产生一种内摩擦力的现象，称为液体的黏性。
但是，静止液体不呈现黏性。
黏性是液体的重要物理性质，也是选择液压油的主要依据之一。
参考资料
《液压与气压传动技术》肖珑西安电子科技出版社出版社.2008.
《液压与气压传动》（第2版）万会雄高等教育出版社.2008.
教学后记
液体流动时，由于液体的黏性以及液体和固体壁面间的附着力，会使液体内部各液层间的流动速度大小不同。
如图2-1所示，两平行平板间充满液体，下平板固定，上平板以速度u0向右平移。
由于黏性和附着力的作用，紧贴上平板表面的这层流体将与上平板以相同的速度u0向右运动，紧贴下平板表面的这层流体则保持不动，而中间各层流体的运动速度则根据它与下平板间的距离大小呈线性规律分布。
这种流动可以看成是许多无限薄的流体层在运动，当运动较快的流体层在运动较慢的流体层上滑过时，两流体层间由于黏性就产生内摩擦力的作用。
根据实际测定的数据所知，相邻两流体层间的内摩擦力Ff与流体层的接触面积A及流体层的相对流速du成正比，而与此二流体层间的距离dy成反比，
即：
（2）黏度
液体黏性的大小用黏度来衡量。
工程中黏度的表示方法有以下几种：
①.动力黏度
液体的动力黏度又称绝对黏度，它直接表示流体的黏性即内摩擦力的大小，用动符号“μ”表示。
动力黏度μ的物理意义上是：
液体在单位速度梯度下流动时，单位面积上产生的内摩擦力。
即：
②.运动黏度
液体的运动黏度是其绝对黏度μ与密度ρ的比值，用符号“v”表示。
即
③.相对黏度
相对黏度又称条件黏度。
它是以相对于蒸馏水的黏性的大小来表示某种液体的黏度，并采用特定的黏度计在规定的条件下测得。
由于测量条件不同，各国采用的相对黏度也有所不同。
美国采用赛氏黏度，英国采用雷氏黏度，我国、德国和俄罗斯均采用恩氏黏度。
恩氏黏度采用图2-2所示的恩氏黏度计测定
3．可压缩性
液体因所受压力增大而发生体积缩小的性质称为液体的可压缩性，用体积压缩系数k表示。
其物理意义是单位压力变化下的液体体积相对变化量，
液体体积压缩系数k的倒数称为体积弹性模量K，即
（二）黏度与压力的关系
液体所受的压力增加时，其分子间的距离将减小，其内聚力增加，黏度也随之增大。
液体的黏度与压力的关系可表示为
由上式可知，对于液压油，在中低压液压系统内，压力变化很小，因而对黏度影响较小，可以忽略不计；当压力较高（大于10MPa）或压力变化较大时，则需要考虑压力对黏度的影响。
三）黏度与温度的关系
黏度对温度的变化是十分敏感的，当温度升高时，液体分子间的内聚力减小，黏度就随之降低，这一特性称为黏温特性。
不同种类的液压油有不同的黏温特性，图2-3所示为几种典型液压油的黏温特性曲线图。
对于一般常用的液压油，当运动粘度不超过76mm2/s，温度在30～150℃范围内时，可用下述近似公式计算其温度为t℃的运动粘度，即
二、液压油的类型、选择与使用
1.对液压传动工作介质的要求
在液压传动系统中，液压油既是用来传递能量的工作介质，还起着润滑运动部件和保护金属不被锈蚀的作用，因此对其有较高的要求。
具体要求大致可概括如下：
（1）适宜的黏度和良好的黏温性能
（2）良好的润滑性能。
（3）良好的化学稳定性。
（4）质地纯净、不含腐蚀性物质等杂质。
（5）抗泡沫性和抗乳化性好，对金属和密封件材料具有良好的相容性。
（6）比热容和热传导率大，热膨胀系数小。
（7）流动点和凝固点低，闪点和燃点高。
（8）对人畜无害，价格低廉。
（9）可滤性好，即液压油液中的颗粒污染物容易通过滤网过滤，以保证较高的清洁度。
2.液压油的类型
液压油的品种很多，主要可分为三大类：
矿油型、合成型和乳化型液压油。
矿油型液压油是以机械油为原料，经精炼后按需要加入适当添加剂而成的液压油。
这类液压油在液压系统中最常用，各项性能都优于其他品种，润滑性能好，但抗燃性较差。
3．液压油的选择和使用
面进行选用液压油品种和黏度。
（1）根据工作机械的不同要求选用
精密机械与一般机械对黏度要求不同。
为了避免温度升高而引起机件变形，影响工作精度，精密机械宜采用较低黏度的液压油。
例如机床的液压伺服系统，为保证伺服机构动作灵敏性，宜采用黏度较低的液压油。
（2）根据液压泵的类型选用
液压泵的类型较多，如齿轮泵、叶片泵、柱塞泵等，它是液压系统的重要元件，在系统中它的运动速度、压力和温度都较高，工作时间又长，因而对黏度要求较严格，所以选择黏度时应先考虑到液压泵的类型。
在一般情况下，可将液压泵要求液压油的黏度作为选择液压油的基准，如表2-3所示。
表2-3按液压泵类型推荐选用的液压油的黏度
（3）根据液压系统的工作压力选用
通常，当工作压力较高时，宜采用黏度较高的液压油，以免系统泄漏过多，效率过低；当工作压力较低时，宜采用黏度较低的液压油，这样可以减少压力损失，如表2-4所示。
（4）根据液压系统的环境温度选用
矿物油的黏度由于温度的影响变化很大，为保证在工作温度时有较适宜的黏度，还必须考虑周围环境温度的影响。
当周围温度高时，宜采用黏度较高的液压油；当周围温度低时，宜采用黏度较低的液压油，如表2-4所示。
表2-4根据工作环境和使用工况选择液压油的品种
（5）根据工作部件的运动速度选用
当液压系统中工作部件的运动速度很高时，液压油液的流速也高，液压损失随着增大，而泄漏相对减少，因此宜用黏度较低的液压油液；反之，当液压系统中工作部件的运动速度较低时，每分钟所需的液压油量很小，泄漏相对较大，对系统的运动速度影响也较大，所以宜选用黏度较高的液压油液。
三、液压油的污染与防护
液压油是否清洁，不仅影响液压系统的工作性能和液压元件的使用寿命，而且直接关系到液压系统是否能正常工作。
液压系统多数故障与液压油受到污染有关，因此控制液压油的污染是十分重要的。
1.液压油被污染的原因
（1）液压系统的管道及液压元件内的型砂、切屑、磨料、焊渣、锈片、灰尘等污垢在系统使用前、冲洗时未被洗干净，在液压系统工作时，这些污垢就进入到液压油里。
（2）外界的灰尘、砂粒等，在液压系统工作过程中，通过往复伸缩的活塞杆、流回油箱的漏油等进入液压油里。
另外在检修时，稍不注意也会使灰尘、棉绒等进入液压油里。
（3）液压系统本身也不断地产生污垢，而直接进入液压油里，如金属和密封材料的磨损颗粒，过滤材料脱落的颗粒或纤维及油液因油温升高氧化变质而生成的胶状物等。
2.液压油污染的危害
液压油污染严重时，直接影响液压系统的工作性能，使液压系统经常发生故障，使液压元件寿命缩短。
造成这些危害的原因主要是污垢中的颗粒。
对于液压元件来说，由于这些固体颗粒进入到元件里，会使元件的滑动部分磨损加剧，并可能堵塞液压元件里的节流孔、阻尼孔，或使阀芯卡死，从而造成液压系统的故障。
水分和空气的混入使液压油的润滑能力降低并使它加速氧化变质，产生气蚀，使液压元件加速腐蚀，使液压系统出现振动、爬行等。
3.防止液压油污染的措施
（1）使液压油在使用前保持清洁。
（2）使液压系统在装配后、运转前保持清洁。
（3）使液压油在工作中保持清洁。
（4）采用合适的滤油器。
（5）定期更换液压油。
更换新油前，油箱必须先清洗一次，系统较脏时，可用煤油清洗，排尽后注入新油。
（6）控制液压油的工作温度。
教师第4次课时授课计划（首页）
授课对象：
机电系11级机制专业综合班科目：
液压与气压传动技术
课题
液压流体静力学
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教学方法
讲授法+演示法+操作法
教学准备
教案、PPT
作业布置
教学目的与要求
1、掌握液体静力学及其特征
2、掌握液体静力学的基本方程
3、掌握压力表示方法
教学重点难点
重点：
1、掌握帕斯卡原理
2、能够计算液体静力学压力对固体壁面的总作用力
教学过程
一、液体静力学及其特性
1.液体静压力
作用在液体上的力有两种类型：
一种是质量力，另一种是表面力。
质量力作用在液体所有质点上，它的大小与质量成正比，属于这种力的有重力、惯性力等。
单位质量液体受到的质量力称为单位质量力，在数值上等于重力加速度。
静止液体单位面积上所受的法向力称为液体静压力，简称压力，用符号“p”表示。
在物理学中液体静压力称为压强。
即
参考资料
《液压与气压传动技术》肖珑西安电子科技出版社出版社.2008.
《液压与气压传动》（第2版）万会雄高等教育出版社.2008.
教学后记
2.液体静压力的特性
（1）液体静压力沿着内法线方向作用于其承压面，即静止液体承受的只时是法向压力，而不承受剪切力和拉力。
（2）静止液体内任一点所受到的静压力在各个方向都相等。
二、液体静压力基本方程
如图2-5所示，密度为ρ的液体在容器内处于静止状态，作用在液体液面上的压力为p0。
为了求得液体中距离液面深度为h的任意一点A的压力p，可以假想从液面往下切取高度为h、底面积为dA的一个小液柱为研究对象。
这个液柱在重力及周围液体的作用下处于平衡状态，作用于液柱上的各作用力在各方向都呈平衡。
小液柱顶面上所受的作用力为p0dA（方向向下），小液柱本身的重力Ｇ＝ρghdA（方向向下），小液柱底面所受的作用力为pdA（方向向上），则小液柱在Z方向的平衡方程为
pdA=p0dA+ρghdA
化简后得p=p0＋ρgh
图2-5静压力的分布规律
三、压力的表示方法
液压系统中的压力就是指压强，液体压力通常有绝对压力、相对压力（表压力）、真空度三种表示方法。
绝对压力、相对压力（表压力）和真空度的关系如图2-6所示。
由图2-6可知，绝对压力总是正值，相对压力（表压力）则可正可负，负的相对压力（表压力）就是真空度，如真空度为0.4大气压，其相对压力（表压力）为-0.4大气压。
根据上述归纳如下：
（1）绝对压力＝大气压力+相对压力（表压力）
（2）相对压力（表压力）＝绝对压力-大气压力
（3）真空度＝大气压力-绝对压力
图2-6绝对压力、相对压力和真空度
四、帕斯卡原理
密封容器内的静止液体，当边界上的压力p0发生变化时，例如增加Δp，则容器内任意一点的压力将增加同一数值Δp0也就是说，在密封容器内施加于静止液体任一点的压力将以等值传递到液体各点。
这就是帕斯卡原理或静压传递原理。
五、液体静压力对固体壁面的总作用力
1.液体静压力作用在平面上的总作用力
承受压力作用的表面为平面时，液体作用于该平面上各点压力的方向是互相平行、大小相等。
所以液体对该平面的总作用力F等于液体的压力p与受压平面面积A的乘积，
即：
2.液体静压力作用在曲面上的总作用力
当承受压力作用的表面为曲面时，由于液体作用于该曲面上各点压力总是垂直于曲面，所以作用在曲面上各点的作用力不平行但大小相等。
要计算液体静压力作用在曲面上的总作用力，必须明确要计算哪个方向上的力。
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课题
液压流体动力学
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授课学时
4学时
教学方法
讲授法+演示法+操作法
教学准备
教案、PPT
作业布置
教学目的与要求
1、掌握液压流体动力学中的连续性方程
2、掌握液压流体动力学中的伯努利方程
3、掌握液压流体动力学中的动量方程
教学重点难点
重点：
会利用液压动力学解决实际问题
教学过程
一、基本概念
1．理想液体和恒定流动
由于液体实际流动时，不仅具有黏性，而且在压力变化时体积会发生变化，因此研究液体流动时的运动规律必须考虑其黏性和可压缩性，从而使我们对流动液体的研究变得非常困难。
因此，我们引入理想液体的概念。
理想液体就是指既无黏性又不可压缩的液体。
首先对理想液体进行研究，然后再通过实验验证的方法对所得的结论进行补充和修正。
这样，不仅使问题简单化，而且得到的结论在实际应用中具有足够的精确性。
我们把既具有粘性又可压缩的液体称为实际液体。
液体流动时，若液体中任一点的压力、速度及密度都不随时间而变化，则称液体的这种运动称为恒定流动或定常流动。
但只要压力、速度及密度中有一个随时间而变化，则液体流动就是非恒定流动或非定常流动。
如图2-11所示，图a为恒定流动，图b为非恒定流动。
参考资料
《液压与气压传动技术》肖珑西安电子科技出版社出版社.2008.
《液压与气压传动》（第2版）万会雄高等教育出版社.2008.
教学后记
图2-11恒定流动与非恒定流动
（a）恒定流动（b）非恒定流动
2．通流截面、平均流速和流量
①通流截面
液体流动时，垂直于液体流动方向的截面称为通流截面或过流断面。
通流截面可能是平面，也可能是曲面。
如图2-12所示，截面A－A和截面B－B均为通流截面。
图2-12流动液体的通流截面
②流量
单位时间内通过某一通流截面液体的体积称为体积流量，简称流量
③平均流速
在实际液体流动中，由于黏性内摩擦力的作用，通流截面上各点的流速并不相等，因此引入平均流速的概念。
即可认为通流截面上各点的流速均为平均流速，用v来表示
二、连续性方程
质量守恒是自然界的客观规律，不可压缩的液体在作恒定流动的过程中同样遵守质量守恒定律。
连续性方程是质量守恒定律在液压流体动力学中的一种数学表达形式。
如图2-15所示，任取一流管，两端通流截面为A1、A2，在流管中取一微小流束，流速两端的截面面积分别为dA1和dA2，在同一微小截面上各点的流速可认为是相等的且分别为u1，u2。
根据质量守恒定律，在dt时间内流入液体的质量应恒等于流出液体的质量，即
图2-15连续性方程示意图
ρu1dA1dt=ρu2dA2dt
化简得u1dA1=u2dA2
对于整个流管，则有
即q1＝q2
如用流管两通流截面A1和A2上的平均流速v1和v2表示，则有
v1A1=v2A2
由于两通流截面是任意取的，则有
q=vA=常数（2-20）
式（2-20）称液体流动的连续性方程，它表明在恒定流动的条件下，流过各个通流截面上的液体流量是相等的（即流量是连续的），它是质量守恒定律的具体体现。
三、伯努利方程
1.理想液体的伯努利方程
假定理想液体在如图2-16所示的管道中恒定流动，密度为ρ、质量为m、体积为V的液体流过该管任意两个通流截面1－1和2－2。
假设两通流截面处的中心高度分别为Z1、Z2，压力分别为p1、p2，平均流速分别为v1、v2。
若在很短的时间内，液体通过两通流截面的距离分别为dS1和dS2，则液体在两通流截面处具有的能量为
图2-16理想液体伯努利方程的推导示意图
通流截面1－1通流截面2－2
压力能
位能mgZ1mgZ2
动能
流动液体的能量因为也遵守能量守恒定律，因而有
化简后得
或
式（2-22）或（2-23）称为理想液体的伯努利方程，也称为理想液体的能量方程。
式中为单位质量液体所具有的压力能，称为比压能，也叫作压力水头；Z为单位质量液体所具有的势能，称为比位能，也叫作位置水头；为单位质量液体所具有的动能，称为比动能，也叫作速度水头，它们的单位都为长度量纲。
伯努利方程的物理意义为：
在密封管道内作恒定流动的理想液体具有三种形成的能量（即压力能、势能和动能），在沿管道流动的过程中，三种能量之间可以相互转换，但是在管道任意一个通流截面处三种能量的总和是一个恒定的常量。
2.实际液体的伯努利方程
实际液体在管道内流动时，由于液体存在着黏性，会使液体与固壁间及液体质点间产生摩擦力，从而消耗能量；同时，管道局部形状和尺寸的变化，会使液体产生扰动从而也消耗能量。
因此，实际液体流动时存在能量损失，假设图2-16中液体从通流截面1－1流到通流截面2-2的能量损失用hw表示，其单位也为长度量纲。
根据能量守恒定律，在考虑能量损失hw，并引进动能修正系数α后，实际液体的伯努利方程为
四、动量方程
动量方程可用来计算流动液体作用于限制其流动的固体壁面上的总作用力。
根据
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