液压与气压传动技术

,液压与气压传动,主讲人：陶鸣,绪论、第一章,第一章绪论,液压与气压传动,绪论,绪论,导入,1、机器的基本组成,机器由动力部分、执行部分、传动部分和控制部分四部分组成,2、传动的概念,传递运动和动力的方式，将动力源的动力和运动传递给执行部分。,3、传动方式,机械传动：利用齿轮、齿条、蜗轮蜗杆、棘轮、槽轮、带传动、链传动等方式传递运动和动力；,电气传动：利用电力设备，通过调节电参数来传递运动和动力；,流体传动：,导入,绪论,电路图与液压回路图,导入,绪论,以液体为工作介质，以液体的压力能实现运动及动力传递的传动方式。,液体传动包括液压传动和液力传动。,流体传动是以流体为工作介质进行能量的转换、传递和控制的传动。包括液体和气体的传动。,液压传动,液力传动,以液体的动能实现运动和动力传递的传递方式,流体传动：,本课程主要讨论液压传动,第一节液压传动的工作原理和组成,绪论,案例,第一节、液压传动的工作原理和组成,一、液压传动的工作原理,在液压系统中，液压泵将具有一定转矩M和转速n的电动机的机械能，转变成具有一定压力p和流量Q的液压能，通过控制阀的调节，借助执行机构还原成所需要的移动或回转的机械能。,第一节、液压传动的工作原理和组成,一、液压传动的工作原理,液压传动系统特点：,（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。,第一节、液压传动的工作原理和组成,二、液压系统的组成,1动力元件液压泵，将原动机输入的机械能转换为液体的压力能，作为系统供油能源装置。2执行元件液压缸（或液压马达），将油液的压力能转换为机械能，而对负载作功。3控制元件各种控制阀，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辅助元件油箱、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。,三、液压传动的基本特征,1.压力与负载关系,法向力均匀作用于面积A时p=F/A,第一节、液压传动的工作原理和组成,（1）液体静压力及特征,液体在静止状态下，质点间无相对运动，不存在内摩擦力，但法面有法向力,液体静压力：静止液体在单位面积上所承受的法向力,液体静压力在物理学上称为压强，液压传动中习惯称为压力,特征：,液体静压力的方向总是在承压面的内法线方向上液体内某点处的压力在各个方向上都相等,三、液压传动的基本特征,1.压力与负载关系,p=p0+gh,第一节、液压传动的工作原理和组成,（2）液体静力学基本方程,在重力作用下，密度为的液体在容器中处于静止状态，其外加压力为p0，它的受力如图a）所示,由于液体处于平衡状态，静止液体内任一点的压力由两部分组成：一部分是液面上的压力p0，另一部分是该点以上液体的自重所产生的压力gh。,在液压传动中，可以近似认为整个液体内部的压力相等,物理意义p19,三、液压传动的基本特征,第一节、液压传动的工作原理和组成,1.压力与负载关系,（3）液体压力的表示方法,液体压力的表示方法有两种,绝对压力相对压力,绝大多数仪表所测到的压力是相对压力，故相对压力又称为表压力,在液压传动中所提到的压力，没特别指明均为相对压力,压力单位见课本,表压力真空度,(以绝对零压为基准),(以大气压为基准),三、液压传动的基本特征,F2=F1A2/A1,p=F1/A1=F2/A2,结论：系统压力取决于负载。静止液体压力的变化量等值传递。,帕斯卡定律：由于液体的流动性，封闭容器中的静止流体的某一部分发生的压强变化，将大小不变地向各个方向传递,在密闭容器内,液体各点压力（压强）相等,第一节、液压传动的工作原理和组成,1.压力与负载关系,（4）压力的传递,p1=p2=p,由于A2/A11，因此可用一个很小的力F1，就可以推动一个较大的负载F2,三、液压传动的基本特征,第一节、液压传动的工作原理和组成,2.流量与速度关系,F1/F2=A1/A2=h2/h1,A1h1/t=A2h2/t,A11=A22=q(流量）,结论：液压油流速与单位时间进入液压缸的流量成正比；与活塞的作用面积成反比。,速度与压力、负载无关，速度取决于进入执行装置的液压油流量,3.液压传动功率力和速度的乘积即为功率,液压传动系统的液压输出功率等于系统输出流量和压力的乘积,运动关系：容积变化相对原则，即h1A1=h2A2,第二节液压传动的特点及应用,绪论,一、液压传动的优点,重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快。,操纵控制方便，可实现大范围的无级调速(调速范围达2000：1),液压传动的各种元件、可根据需要方便、灵活地来布置。,与微电子技术结合，容易实现机器的自动化，,可自动实现过载保护。,第二节液压传动的特点及应用,绪论,二、液压传动的缺点,泄漏不可避免。运动间隙存在，污染地面。这是最突出的缺点,不宜远距离传递。压力损失大,不能保证严格的传动比。油液具有压缩性,对温度变化敏感。噪声较大。,第一章绪论,液压与气压传动,第一章液压油与液压流体力学,第一章液压油与液压流体力学,第一节液压油的特性及选用原则,一、液压油的特性,导入：杯子里的水或油，哪种介质更容易倒干净,1.粘性是指液体流动时由于内摩擦力而阻碍液层间相对运动的性质。,当液体在外力作用下流动时，流动速度不相等，紧贴管壁的液体速度为零，管路中心处的速度最大。将管中液体的流动看成是许多无限薄的同心圆筒形的液体层的运动，运动较慢的液体层阻止运动较快的液体层，而运动较快的液体层又带动运动较慢的液体层。这种液体层间的相互作用称为内摩擦力,液体只有流动时才会呈现粘性，其大小可用粘度来衡量。,液压油粘度分为：动力粘度、运动粘度、相对粘度三种,第一章液压油与液压流体力学,第一节液压油的特性及选用原则,动力粘度（又称为绝对粘度）,根据牛顿液体内摩擦定律可得：,=,式中表示接触液体层间单位面积上的内摩擦力，,表示动力粘度,表示液层间的相对运动速度,表示液层间的距离,动力粘度描述了牛顿液体的内摩擦应力与速度梯度的关系，物理意义明确但是难以实际测量。,其法定计量单位Pas（帕秒）非法定计量单位Kgfs/m2（千克力秒每平方米）,第一节液压油的特性及选用原则,第一章液压油与液压流体力学,运动粘度,运动粘度是动力粘度和液体密度的比值，用表示。即,=,其法定计量单位是m2/s，非法定计量单位是St（斯）、cSt（厘斯）,1m2/s=104St=106cSt,运动粘度用来标识液体粘度，国产油标号就是运动粘度的平均厘斯值的表达，实用性强，直接测量难。例如，L-HL-46的通用机床液压油，其中数字46表示该液压油在40oC时的运动粘度为46厘斯。,密度单位体积液体所具有的质量称为该液体的密度。,液压油的密度常取=v=900kg/m2,第一节液压油的特性及选用原则,第一章液压油与液压流体力学,相对粘度,相对粘度就是实测粘度。由于测量条件不同，各国所用的相对粘度也不同。,中国、德国和俄罗斯等一些国家采用恩氏粘度0E，美国采用赛氏粘度，英国采用雷氏粘度。,恩氏粘度是用恩氏粘度计测量油液与对比液体流经粘度计小孔时间参数的比值，直观性强，物理意义操作简便。,一般情况下，动力粘度用作粘度定义，运动粘度用作油品标号，相对粘度用作粘度测量。三者的换算关系可用教材所提供公式解算，也可以通过相关手册所提供的线图查取。,一般以200C、400C及1000C作为测定液体粘度的标准温度。,第一节液压油的特性及选用原则,第一章液压油与液压流体力学,影响粘度的因素,影响粘度的因素主要有温度和压力。,粘度与压力关系当压力增大，液体分子间距离减小，内聚力增加，其粘度也有所增加。,一般情况下，若系统压力低于10MPa，液压油的粘度几乎不受影响，当压力高于50MPa时，压力对粘度的影响较为明显，则必须考虑压力对其影响。,粘度与温度关系液压油的粘度对温度变化十分敏感，温度升高，粘度显著降低。,油液粘度变化直接影响液压系统的性能和泄漏量，因此，粘度随温度变化越小越好。油的粘度随温度变化的性质称为粘温特性,第一节液压油的特性及选用原则,第一章液压油与液压流体力学,2.可压缩性,液体受压力作用而发生体积减小的性质称为可压缩性。,在工程实际运用中，常用体积弹性模量K来表示液体抗压缩能力的大小。液体油的弹性模量K=（1.22）x103Mpa，因数值很大，所以对于一般液压系统，可以认为液压油是不可压缩的。,液压油的弹性模量与温度、压力有关。温度升高，K值会有所下降；压力增大，K值会增大，但不是线性关系。当压力大于3MPa时，K值基本不再增大。,当液压油中混入空气，K值将大幅度下降，严重时破坏系统正常工作。因此特别注意防止液压油中产生气泡。,第一节液压油的特性及选用原则,第一章液压油与液压流体力学,3.其他特性,包括其他一些物理性质，如抗燃性、抗氧化性、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、抗磨性等。,思考：以上性质对液压油有何影响？,二、液压介质的使用要求和选用,1.对液压介质要求,2.液压介质的种类,3.液压油的选用,p9,选用液压油时，除考虑环境因素和设备载荷性质外，主要分析元件的运动速度、精度以及温度变化等因素。,练习：,什么叫液体粘性？常用的粘性表示方法有哪几种？它们之间如何换算？什么是压力？压力有哪几种表示方法？液压系统的工作压力与负载有什么关系？什么是液体静压力？举例说明油温变化对流量的影响。某液压油200cm3，密度为900Kg/m3，在50oc时流经恩氏粘度计所需时间为t1=153s，而20oc时200cm3的蒸馏水流经恩氏粘度计所需要时间为t2=51s，问该油液的恩氏粘度oE50、运动粘度及动力粘度各为多少？如图示，容器内盛满液体，已知活塞面积A=10 x10-3m2，负载重量G=10KN，问压力表的读数p1，p2，p3，p4和p5各为多少？,第一章液压油与液压流体力学,第二节液压流体动力学基础,一、流动液体基本概念,1.理想液体和恒定流动,既无粘性也无压缩性的液体称为理想液体。把事实上既有粘性又有压缩性的液体称为实际液体。液体流动时，若液体中任何一点压力、流速和密度等参数都不随时间而变化，这种流动称为恒定流动。反之，任何一个参数随时间参数变化的的流动称为非恒定流动。,假定:研究液压系统静态性能时，可认为液体是恒定流动的。而研究动态时必须按非恒定流动考虑。,第二节液压流体动力学基础,第一章液压油与液压流体力学,2.流量和平均速度,流量是指单位时间流经某截面流体的体积，用流体的平均流速与其流管截面面积之积计算。,=qA,q=A,实际上液体在管道中流动，由于粘性力作用，整个通流截面上各点的速度一般是不相等的。为了便于解决问题，引入平均流速的概念。在工程实际中，只有平均流速具有应用价值。,液压缸工作时，活塞的速度就等于缸内液体的平均速度，因此，当液压缸的有效面积一定时，活塞运动速度取决于出入液压缸的流量。,第二节液压流体动力学基础,第一章液压油与液压流体力学,3.层流、紊流、雷诺数,液体流态分层流和紊流。这两种流动状态的物理现象可以通过雷诺实验观察出来,假设管道中水流是沿轴线分层的，层与层之间互不干扰，液体的这种流动状态称为层流。,液体质点在流动时不仅沿轴线运动，还有径向运动，这种无规律流动状态称为紊流。,实践证明，液体在管道中流动的状态是层流还是紊流，不仅与管内液体的平均速度v有关，还与管径d、物体的运动粘度。决定液体流动状态的是这三个参数组成的一个称为雷诺数Re的无因次量。,第二节液压流体动力学基础,第一章液压油与液压流体力学,层流和紊流的判断方法：,通过计算流体的雷诺数与临界雷诺数比较：若计算雷诺数大于临界雷诺数为紊流，小于临界雷诺数为层流。,临界雷诺数一般可由实验求得，常见管道临界雷诺数可查,雷诺数的物理意义是流体的液动力参数与粘滞力参数的比值。当雷诺数大时，液动力起主导作用，这时液体为紊流；当雷诺数小时，粘性力起主导作用，这时液体为层流。,第二节液压流体动力学基础,第一章液压油与液压流体力学,二、液压传动中的能量损失,由于油液具有粘性，在管道中流动时不可避免地存在摩擦力，因此液体在流动过程中必须要损耗一部分能量。这部分能量损耗主要表现为压力损失。压力损失分为沿程损失和局部损失,1.压力损失,沿程损失是当液体在直径不变的直管中流经一段距离时，因摩擦而产生的压力损失。,局部损失是由于管子截面发生突变、液流方向改变或其他形式的液流阻力，而引起的压力损失。,由于压力损失的必然存在性，因此，油泵的额定压力要略大于系统工作时所需的最大工作压力，一般取1.31.5倍。,对于流动液体压力传递时要考虑压力损失,考虑压力损失的压力称为流动液体压力。,第二节液压流体动力学基础,第一章液压油与液压流体力学,2.流量损失,液压系统工作时。油液流经各液压元件的同时，可能发生内泄漏和外泄漏，由于泄漏导致的能量损失称为流量损失。,流量损失影响运动速度，而泄漏又难以绝对避免，所以液压泵的定额流量要略大于系统工作时所需最大工作流量的1.11.3倍。,对于进出油口没有安装节流装置、不考虑泄漏的执行元件，其运动速度取决于输入执行元件的流量，而与负载无关。,对于进出油口设有节流装置、且需考虑泄漏的执行元件，其运动速度不但与流量有关而且受负载变化影响。,第二节液压流体动力学基础,第一章液压油与液压流体力学,三、液体流动的三个方程,1.流体连续方程,q=A=常数,是质量守恒定律在流体力学中的表现，主要分析在同一管道内不同截面，流体的流速与面积间的变化关系。该方程说明：在管道中作恒定流动的不可压缩液体，流经各截面的流量相等。,2.伯努利方程,是能量守恒定律在流体力学的表现，其物理意义在于：在管道内流动的液体存在压力能、动能、势能三种形式的能量；液体在流动过程中，这三种能量之间可以相互转换；在同一管道内不同截面上，这三种能量连同流体流经截面间所产生的能量损失之和保持不变。,该方程最适合解决流体内涉及压力、速度、位置有关的问题,流动液体的三个方程是描述流动液体力学规律的基本方程。,第二节液压流体动力学基础,第一章液压油与液压流体力学,3.动量方程,是动量定律在流体力学中的具体应用，主要研究流体速度变化与作用力间的问题,在液压传动中，经常需要计算液流作用在固体壁面上的力。这类问题用动量定律来解决比较方便。,第二节液压流体动力学基础,第一章液压油与液压流体力学,四、液体流经小孔的流量,在液压传动中常利用液体流经阀的小孔或缝隙来控制压力和流量，以此达到调压或调速的目的。同时，液压元件泄漏属于缝隙流动。,孔口根据它们长径比可分为3种：,1.薄壁小孔小孔的长度l、直径d的比值l/d0.5,薄壁小孔沿程阻力损失非常小，通过小孔的流量与粘度无关，即流量对油温的变化不敏感。在液压系统中常采用薄壁小孔作为节流元件。,2.短孔0.54一般为层流状态。液体流经细长孔流量与小孔前后压力差的一次方成正比，且受温度、孔长及孔径的影响较大，流量不稳定。主要用作固定节流孔和阻尼器。,第二节液压流体动力学基础,第一章液压油与液压流体力学,五、液体流经缝隙的流量,小孔流量公式主要建立流量与压力(压差）间的关系；缝隙流量公式建立泄漏量与压差间的关系。,1.平面间隙流量,流量计算公式见教材，公式表明，通过缝隙的流量与缝隙高度的3次方成正比，可见液压元件内的间隙对泄漏的影响很大。故应尽量提高元件制造精度，以减少泄漏。,液体在两固定平行平板间流动是由压力差引起。故也称压差流动。,第二节液压流体动力学基础,第一章液压油与液压流体力学,2.液体流经环形缝隙的流量,在液压缸的活塞和缸筒之间，液压阀的阀芯和阀套之间都存在着环形缝隙。在实际工作中，圆柱体与孔的配合很难保持同心圆，往往带有一定偏心。,由公式3看见，偏心e越大，泄漏量也越大，故在液压元件设计制造和装配中，应采取适当措施，以保证角高的配合同轴度公差。,第二节液压流体动力学基础,第一章液压油与液压流体力