液壓與氣壓傳動(dòng) 第一章 液壓與氣壓傳動(dòng)和液力技術(shù)概述

1、液壓與氣壓傳動(dòng)揚(yáng)州大學(xué)引 言磨床工作臺(tái)縱向移動(dòng)和磨頭橫向移動(dòng)為液壓傳動(dòng) 收 割 機(jī)半喂入式全喂入式固定鉗盤式浮動(dòng)鉗盤式課 程 介 紹專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)時(shí)：32學(xué)時(shí) （6學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)），第9-16周（每周4學(xué)時(shí)）學(xué)分： 2學(xué)分教材：齊曉杰汽車液壓與氣壓傳動(dòng)雜志：機(jī)床與液壓、液壓與氣動(dòng)考核： 平時(shí)50分（考勤10分，實(shí)驗(yàn)10分，作業(yè)30分） 課程考試 50分（閉卷）課程目的與要求目的 獲得液體傳動(dòng)方面基本的專業(yè)知識(shí)和技能。要求：掌握液壓與氣壓傳動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)；掌握液壓與氣壓傳動(dòng)元件的工作原理、特點(diǎn)、應(yīng)用方法；熟悉各類液壓與氣壓基本回路的功用、組成與應(yīng)用場合；初步具備液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力；對汽車液壓傳動(dòng)部件

2、的設(shè)計(jì)與制造有一定的了解；了解國內(nèi)外液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)展與應(yīng)用。 機(jī)械傳動(dòng)（齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)等） 流體傳動(dòng)（液體傳動(dòng)、氣體傳動(dòng)） 電力傳動(dòng)（以電流、電壓借助導(dǎo)體傳遞能量） 磁力傳動(dòng)（磁場）傳動(dòng)第一章 液壓與氣壓傳動(dòng)和液力技術(shù)概述第一節(jié) 液壓與氣壓傳動(dòng)和液力傳動(dòng)工作原理及組成FAST變速箱EATON變速箱齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)液壓板料折彎機(jī)數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)流體傳動(dòng)流體傳動(dòng)液力變矩器流體傳動(dòng)輸出軸輸入軸磁力傳動(dòng)磁力傳動(dòng)液壓傳動(dòng)液壓千斤頂工作原理（1）工作介質(zhì)： 液體（2）密閉系統(tǒng)中受壓液體來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。液力傳動(dòng)（1）工作介質(zhì)： 液體（2）液體循環(huán)流動(dòng)過程中的動(dòng)能來傳遞能量。一、液壓傳動(dòng)工作原理和系

3、統(tǒng)組成及特點(diǎn)1795年，英國的J.布拉默應(yīng)用帕斯卡原理發(fā)明了水壓機(jī)。至19世紀(jì)中期，水壓機(jī)逐步取代了超大型蒸汽鍛錘。 19世紀(jì)石油工業(yè)推動(dòng)；最早成功用于船艦的炮塔轉(zhuǎn)位器；二戰(zhàn)用于軍事工業(yè)與裝備；戰(zhàn)后轉(zhuǎn)向民用（機(jī)床、工程機(jī)械、冶金機(jī)械、塑料機(jī)械、農(nóng)林機(jī)械、汽車、船舶等）；20世紀(jì)60年代后，原子能、空間技術(shù)、電子技術(shù)促進(jìn)了液壓技術(shù)的發(fā)展；95工程機(jī)械、90數(shù)控加工中心、95的自動(dòng)線都采用了液壓技術(shù)。工程機(jī)械工程機(jī)械YA32-200型四柱萬能液壓機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖機(jī)床塑料注射機(jī)開合模機(jī)構(gòu)生產(chǎn)線汽車內(nèi)飾件液壓設(shè)備上半身是人形，下半身是安裝履帶與輪胎的底盤。機(jī)器人安裝液壓設(shè)備的雙臂可以舉起180公斤重量

4、，依靠滑輪、軌道和關(guān)節(jié)系統(tǒng)，可以做出各種動(dòng)作?？梢詮澫卵郎隙盖蜕狡?，還可緊貼地面行動(dòng)?，F(xiàn)階段需遙控，它的全自動(dòng)化系統(tǒng)正在研發(fā)當(dāng)中。 美時(shí)代周刊歲末推出：2006最具創(chuàng)意新發(fā)明(圖) “變形金剛”戰(zhàn)時(shí)營救機(jī)器人 全液壓重載機(jī)器人液壓懸掛緩解振動(dòng)新型坦克采用了液壓懸掛系統(tǒng)，精巧設(shè)計(jì)的液壓裝置吸收了顛簸的能量，因此駕駛的舒適性非常理想。 SW 1炮塔在水平方向上可進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)收 割 機(jī)半喂入式全喂入式1、液壓傳動(dòng)的功能 實(shí)現(xiàn)力的傳遞 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的傳遞 本質(zhì)：實(shí)現(xiàn)能量的傳遞2、液壓傳動(dòng)的特征 工作壓力取決于外負(fù)載； 活塞的運(yùn)動(dòng)速度只取決于輸入流量的大小，而與外負(fù)載無關(guān)。 壓力、流量是液壓傳動(dòng)兩個(gè)最

5、基本的參數(shù)。1.液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的工作原理力的傳遞重要基本概念一：工作壓力取決于負(fù)載，而與流入的液體多少無關(guān)W活塞所受力與活塞面積成正比運(yùn)動(dòng)的傳遞重要基本概念二： 活塞的運(yùn)動(dòng)速度取決于進(jìn)入液壓缸的流量，而與液體壓力大小無關(guān)?；钊倪\(yùn)動(dòng)速度和活塞的作用面積成反比流量連續(xù)性方程功率關(guān)系壓力p和流量q是流體傳動(dòng)中最基本、最重要的兩個(gè)參數(shù)，它們的乘積即為功率。能量守恒也同樣適用于液壓傳動(dòng)2.液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的組成1、能源裝置 將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成液體壓力能的裝置。（液壓泵）2、執(zhí)行元件 將液壓能重新轉(zhuǎn)化成機(jī)械能輸出的裝置?？朔?fù)載，帶動(dòng)機(jī)器完成所需的運(yùn)動(dòng)。（液壓馬達(dá)）3、控制元件 對系統(tǒng)中流體壓力、流量及流動(dòng)方向進(jìn)

6、行控制和調(diào)節(jié)的裝置。（液壓控制閥）4、輔助元件 如油箱、油管、濾油器等。5、傳動(dòng)介質(zhì) 能量和信號(hào)的載體。即液體。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的組成3.液壓傳動(dòng)優(yōu)缺點(diǎn)在同等輸出功率下，液壓傳動(dòng)裝置的體積小、重量輕、運(yùn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)性能好。布置靈活方便可實(shí)現(xiàn)大范圍的無級(jí)調(diào)速可實(shí)現(xiàn)無間隙傳動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)工作循環(huán)和自動(dòng)過載保護(hù)。由于一般采用油作為傳動(dòng)介質(zhì)，因此 液壓元件有自我潤滑作用，有較長的使用壽命。液壓元件都是標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的產(chǎn)品，便于設(shè)計(jì)、制造和推廣應(yīng)用。優(yōu)點(diǎn)兩次能量轉(zhuǎn)換，功率損失大、效率低、發(fā)熱大。不能得到定比傳動(dòng)。當(dāng)采用油作介質(zhì)，需要注意防火。液壓元件加工精度要求高，造價(jià)高。液壓系統(tǒng)的故障比較難

7、查找，對操作人員的技術(shù)水平要求高。缺點(diǎn)3. 液壓傳動(dòng)優(yōu)缺點(diǎn)第二節(jié) 液壓油液的主要性能及其選用一、 液壓油的性質(zhì)（一） 密度 一般認(rèn)為液壓油的密度為 900kg/m3（二） 可壓縮性 液體的體積壓縮系數(shù) 液體的體積彈性模量 對于一般液壓系統(tǒng)，可認(rèn)為油液是不可壓縮的 。（三）牛頓（Isaac Newton，16431727）偉大的物理學(xué)家、天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家，經(jīng)典力學(xué)體系的奠基人。 1686年恩氏粘度計(jì)粘溫特性二、 液壓油要求與選用 液壓油液分類礦物性液壓油：按照ISO規(guī)定，采用40時(shí)油液的運(yùn)動(dòng)粘度（mm2/s)作為油液粘度牌號(hào)，共分為10、15、22、32、46、68、100、150等8個(gè)等級(jí)。難

8、燃液壓油：乳化液、高水基液壓油、海水或淡水 （ 一） 對液壓油液的要求粘溫特性好；有良好的潤滑性；成分要純凈；有良好的化學(xué)穩(wěn)定性；抗泡沫性和抗乳化性好；材料相容性好；無毒，價(jià)格便宜選用液壓油液首先考慮的是粘度選擇時(shí)要注意：液壓系統(tǒng)的工作壓力 壓力高，要選擇粘度較大的液壓油液。環(huán)境溫度 溫度高，選用粘度較大的液壓油液。運(yùn)動(dòng)速度 速度高，選用粘度較低的液壓油液。液壓泵的類型 各類泵適用的粘度范圍。（二）液壓油選用表1-4（P13）第二章 液壓傳動(dòng)的流體力學(xué)基礎(chǔ)液體靜力學(xué)研究靜止液體的力學(xué)規(guī)律和這些規(guī)律的實(shí)際應(yīng)用。靜止液體是指液體處于內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間無相對運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，因此靜止液體不顯示粘性，液體內(nèi)部無剪切

9、應(yīng)力，只有法向應(yīng)力即壓力。第一節(jié) 液體靜力學(xué)基礎(chǔ)靜壓力是指液體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，其單位面積上所受的法向作用力。液體靜壓力特性：（1）液體靜壓力垂直于其承壓面，其方向和該面的內(nèi)法線方向一致；（2）靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)所受到的靜壓力在各個(gè)方向上相等。一、靜壓力及其特性二、靜壓力基本方程（一）靜壓分布特征：（1）（2）同一容器同一液體中的靜壓力隨深度的增加線性地增加。（3）連通器內(nèi)，同一液體中深度相同的各點(diǎn)壓力都相等。（4）（5）（二） 壓力的表示方法絕對壓力。相對壓力也稱表壓力。相對壓力為負(fù)數(shù)時(shí)，工程上稱為真空度。絕對壓力大氣壓力相對壓力（表壓力）相對壓力（表壓力）絕對壓力大氣壓力真空度大氣壓力絕對壓力

10、三、帕斯卡原理（略） 布萊士帕斯卡于1623年6月19日出生在法國。1642年到1644年間帕斯卡發(fā)明了加法器，這是世界上最早的計(jì)算器，現(xiàn)陳列于法國博物館中。 1655年他進(jìn)入神學(xué)中心披特壘阿爾。他從懷疑論出發(fā)，認(rèn)為感性和理性知識(shí)都不可靠，從而得出信仰高于一切的結(jié)論。 1662年8月19日帕斯卡逝世，終年39歲。后人為紀(jì)念帕斯卡科學(xué)研究的貢獻(xiàn)，用他的名字來命名壓強(qiáng)的單位，簡稱帕（Pa）。四、靜壓力對固體壁面的作用力1、壓力作用在平面上的總作用力 當(dāng)承受壓力作用的面是平面時(shí)，作用在該面上的壓力的方向是互相平行的。故總作用力F等于油液壓力p與承壓面積A的乘積。即 F=p.A 。對于圖中所示的液壓缸

11、，油液壓力作用在活塞上的總作用力為： F=p.A=p.D2/4式中 p油液的壓力； D活塞的直徑。2、油液壓力作用在曲面上的總作用力 當(dāng)承受壓力作用的表面是曲面時(shí)，作用在曲面上的所有壓力的方向均垂直于曲面（如圖所示），圖中將曲面分成若干微小面積dA，將作用力dF分解為x、y兩個(gè)方向上的分力，即 Fxp.dAsin=p.Ax FY= p.dAcos=p.Ay 式中，Ax、Ay分別是曲面在x和y方向上的投影面積。所以總作用力 F=(Fx2+Fy2)1/2壓力作用在平面上的總作用力研究液體在流動(dòng)時(shí)流速與壓力的變化規(guī)律。一、幾個(gè)基本概念二、液體流動(dòng)的連續(xù)性方程三、伯努利方程四、液體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的動(dòng)量方程

12、第二節(jié) 流體動(dòng)力學(xué)概念： 為了便于導(dǎo)出基本方程，常假定液體既無粘性又不可壓縮，這樣的液體稱為理想液體。 實(shí)際液體則既有粘性又可壓縮。1、理想液體與實(shí)際液體理想液體一、幾個(gè)基本概念2、恒定流動(dòng)和非恒定流動(dòng) 液體流動(dòng)時(shí)，若液體中任何一點(diǎn)的壓力、流速、密度都不隨時(shí)間變化，這種流動(dòng)稱為穩(wěn)定流動(dòng)。 反之，密度、壓力、流速隨時(shí)間而變化的流動(dòng)稱為非穩(wěn)定流動(dòng)。3、通流截面、流量和平均流量 垂直于液體流動(dòng)方向的截面稱為通流截面 。 單位時(shí)間t內(nèi)流過某通流截面的液體體積V稱為流量q， 平均流速為流量與通流面積之比。 圓管 實(shí)際上由于液體具有粘性，液體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，通流截面上各點(diǎn)的流速是不相等的。管道中心處流速最

13、大；越靠近管壁流速越小；管壁處的流速為零。為方便起見，以后所指流速均為平均流速。二、連續(xù)性方程質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的表現(xiàn)形式液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)速度？進(jìn)油管中油液的（平均）流速？出油管中油液的（平均）流速？三、伯努利方程(1)理想液體的伯努力方程理想液體伯努利方程的物理意義：在管內(nèi)作穩(wěn)定流動(dòng)的理想液體具有壓力能、勢能和動(dòng)能三種形式的能量。在任意截面上這三種能量都可以相互轉(zhuǎn)換，但其總和保持不變，即能量守恒。而靜壓力基本方程則是伯努利方程（在速度為零時(shí)）的特例。1738年（2）實(shí)際液體的伯努利方程使用注意點(diǎn)：1）截面1、2應(yīng)順流向選取，且選在流動(dòng)平 面的通流截面上；2）z和p應(yīng)為通流截面上同一點(diǎn)的兩

14、個(gè)參數(shù)（通流截面的軸心處）。丹尼爾伯努利（Daniel Bernoulli，17001782）丹尼爾是涉及科學(xué)領(lǐng)域較多的人。他出版了經(jīng)典著作流體動(dòng)力學(xué)(1738年)；研究彈性弦的橫向振動(dòng)問題(17411743年)，提出聲音在空氣中的傳播規(guī)律(1762年)。他的論著還涉及天文學(xué)(1734年)、地球引力(1728年)、湖汐(1740年)、磁學(xué)(1743、1746年)，振動(dòng)理論(1747年)、船體航行的穩(wěn)定(1753、1757年)和生理學(xué)(1721、1728年)等。凡尼爾的博學(xué)成為伯努利家族的代表。 丹尼爾伯努利近代科學(xué)史上，瑞士的伯努利家族是最著名的科學(xué)家家族。曾產(chǎn)生過11位科學(xué)家的家族。其中著名

15、的有雅可比伯努利、雅可比的弟弟約翰伯努利、約翰的次子丹尼爾伯努利等。丹尼爾是伯努利家庭中成就最大的科學(xué)家。他在數(shù)學(xué)和物理學(xué)等多方面都做出了卓越的貢獻(xiàn)，僅在1725年到1749年間就曾10次獲得法國科學(xué)院年度資助，還被聘為圣彼得堡科學(xué)院的名譽(yù)院士。在數(shù)學(xué)方面，丹尼爾的研究涉及代數(shù)、概率論、微積分、級(jí)數(shù)理論、微分方程等多學(xué)科的內(nèi)容，取得了重大成就。在物理學(xué)方面，丹尼爾所取得的成功是驚人的。其中對流體力學(xué)和氣體動(dòng)力學(xué)的研究尤為突出。1738年出版的流體動(dòng)力學(xué)一書是他的代表著作。書中根據(jù)能量守恒定律解決了流體的流動(dòng)理論，提出了著名的伯努利定理，這是流體力學(xué)的重要基本定理之一。3.伯努利方程應(yīng)用舉例 計(jì)

16、算泵吸油腔的真空度或泵允許的最大吸油高度泵吸油口的真空度由三部分組成：（1）產(chǎn)生一定流速所需的壓力；（2）把油液提升到高度h所需的壓力；（3）吸油管內(nèi)壓力損失。 泵吸油口的真空度不能太大，即泵吸油口處的絕對壓力不能太低。以免產(chǎn)生氣蝕。（2）計(jì)算泵的出口壓力3.伯努利方程應(yīng)用舉例通過以上兩例分析，可將應(yīng)用伯努利方程解決實(shí)際問題的一般方法歸納如下：1.選取適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)水平面；2.選取兩個(gè)計(jì)算截面；一個(gè)設(shè)在已知參數(shù)的斷面上，另一個(gè)設(shè)在所求參數(shù)的斷面上；3.按照液體流動(dòng)方向列出伯努利方程；4.若未知數(shù)的數(shù)量多于方程數(shù)，則必須列出其他輔助方程，聯(lián)立求解。四、 動(dòng)量方程(1) 動(dòng)量方程動(dòng)量定理： 作用在物體

17、上的合外力的大小等于 物體在力的作用方向上動(dòng)量的變化率。(2)動(dòng)量方程的應(yīng)用 計(jì)算液體對彎管的作用力設(shè)通流面積為A，則在控制體表面上液體受到的總壓力為設(shè)彎管對控制體積的作用力F方向如圖所示，其水平和垂直方向的分力為Fx和Fy,，列出x和y方向的動(dòng)量方程：液體對彎管的作用力與此大小相等，方向相反。彎管壁面對控制體的總作用力求液流作用在滑閥閥芯上的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力AB 先列出圖(A)的控制體積在閥芯軸線方向上的動(dòng)量方程求得閥芯作用于液體的力為： F=qv2cos90。qv1cos=-qv1cos油液作用在閥芯上的力稱作穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，其大小為： F=- F=qv1cos，F(xiàn)的方向與v1cos一致。閥芯上的穩(wěn)

18、態(tài)液動(dòng)力力圖使滑閥閥口關(guān)閉。對(B)圖列出軸向動(dòng)量方程，閥芯作用于液體的力為： F=qv2cos -qv1cos90。=qv2cos作用于閥芯的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力F=-F= - qv2cos ,F與v2cos方向相反，F(xiàn)力也是力圖使閥口關(guān)閉。 式中 v滑閥閥口處液流的流速； v與閥芯軸線的夾角，稱為射流角。B圖第三節(jié) 液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失液壓系統(tǒng)中的壓力損失分為兩類：一是油液流經(jīng)直管時(shí)的壓力損失，稱為沿程壓力損失。這類壓力損失是由液體流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力引起的。二是油液流經(jīng)局部障礙時(shí)，由于液流的方向和速度突然變換，在局部區(qū)域形成漩渦，引起液體質(zhì)點(diǎn)相互撞擊和劇烈摩擦因而產(chǎn)生的壓力損失，這種損失稱為局部壓力損

19、失。層流：液體中質(zhì)點(diǎn)沿管道作直線運(yùn)動(dòng)而沒有橫向運(yùn)動(dòng)，既液體作分層流動(dòng)，各層間的流體互不混雜。如圖所示。一、兩種流態(tài)和雷諾數(shù)紊流: 液體中質(zhì)點(diǎn)除沿管道軸線運(yùn)動(dòng)外，還有橫向運(yùn)動(dòng)，呈現(xiàn)紊亂混雜狀態(tài)。雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)臨界雷諾數(shù)（表2-1）雷諾：英國科學(xué)家壓力損失p與管道長度及流速v的平方成正比，而與管子的內(nèi)徑成反比。至于油液的粘度，管壁粗糙度和流動(dòng)狀態(tài)等都包含在內(nèi)。二、沿程壓力損失油液在直管中流動(dòng)的沿程壓力損失：三、局部壓力損失 局部壓力損失是液流流經(jīng)管道截面突然變化的彎管、管接頭以及控制閥閥口等局部障礙處時(shí)的壓力損失。計(jì)算式為： 局部阻力系數(shù)，由試驗(yàn)求得；v液流流速。液體流經(jīng)液壓閥的壓力損失主要為局部損失： 液壓系統(tǒng)中管路通常由若干段管道串聯(lián)而成。其中每一段又串聯(lián)一些諸如彎頭、控制閥、管接頭等形成局部阻力的裝置，因此管路系統(tǒng)總的壓力損失等于所有直管中的沿程壓力損失及所有局部壓力損失之和。即：四、管路系統(tǒng)總壓力損失第四節(jié) 孔口和縫隙流動(dòng) 本節(jié)主要介紹液流流經(jīng)小孔及縫隙的流量公式。 前者是節(jié)流調(diào)速和液壓伺服系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)； 后者則是計(jì)算和分析液壓元件和系統(tǒng)泄漏的根據(jù)。（1）流經(jīng)薄壁小孔的流量 一、液體流經(jīng)小孔的流量 當(dāng)小孔的通流長度L與孔徑d之比l/d小于等于0.5時(shí)稱為薄壁小孔。當(dāng)管道直徑D與小孔之直徑的比值D/d7時(shí)，收縮作用