《液压与气压传动》——赵波、王宏元(第三版)习题答案

第一章：液压与气压传动概述 1何谓液压传动？液压系统是由哪几部分组成的？各部分的作用是什么？ 答： （ 1） 定义 1： 以液体作为工作介质 ,利用液体的静压能来实现功率传递 ； 定义 2：用液体压力能来转换或传递机械能的传动方式。 （ 2）液压传动系统由以下五个部分组成： 能源装置 ； 执行 装置 ；控 制调节 装置 ； 辅助 装置 ； 工作介质 。 （ 2） 能源装置 的作用 是将原动机所输出的机械能转换成液体压力能的 装置 ； 执行 装置 的作用 是 将 液体 或气体的 压力 能 转换成 机械能 的 装 置 ； 控制调节 装置 的作用 是对系统中 流体的压力、流量、 流动 方向进行控制和调节的 装置 ； 辅助 装置 是指除 上述三 个 组成部分以外 的其他 装置 。 分别起散热 、 贮油、过滤、输油、连接、测量压力和测量流量等作用，是液压系统不可缺少的组成部分 ； 工作介质 的作用是进行 能量的传递 。 2. 液压技术的主要优缺点有哪些？ 答： （ 1） 液压传动与其它传动相比有以下主要优点： 液压传动可以输出大的推力或大转矩，可实现低速大吨位运动，这是其它传动方式所不能比的突出优点。 液压传动能很方便地实现无级调速，调速范围大，且可在系统运行过程中调速。 在相同功率条件下，液压传动装置体积小、重量轻、结构紧凑。液压元件之间可 采用管道连接、或采用集成式连接，其布局、安装有很大的灵活性，可以构成用其它传动方式难以组成的复杂系统。 液压传动能使执行元件的运动十分均匀稳定，可使运动部件换向时无换向冲击。而且由于其反应速度快，故可实现频繁换向。 操作简单，调整控制方便，易于实现自动化。特别是和机、电联合使用，能方便地实现复杂的自动工作循环。 液压系统便于实现过载保护，使用安全、可靠。由于各液压元件中的运动件均在油液中工作，能自行润滑，故元件的使用寿命长。 液压元件易于实现系列化、标准化和通用化，便于设计、制造、维修和推广 使用。 （ 2） 液压传动与其它传动相比，具有以下缺点： 油的泄漏和液体的可压缩性会影响执行元件运动的准确性，故无法保证严格的传动比。 对油温的变化比较敏感，不宜在很高或很低的温度条件下工作。 能量损失 (泄漏损失、溢流损失、节流损失、摩擦损失等 )较大，传动效率较低，也不适宜作远距离传动。 系统出现故障时，不易查找原因。 3气压传动与液压传动有什么不同？ 答：液压传动的主要优点： 1） 在输出相同功率的条件下，液压转动装置体积小、重量轻、结构紧凑、惯性小、并且反应快。 2） 可在运行过程中实现大范 围的无级调速、且调节方便。调速范围一般可达 100： 1，甚至高达 2000： 1。 3） 传动无间隙，运动平稳，能快速启动、制动和频繁换向。 4） 操作简单，易于实现自动化，特别是与电子技术结合更易于实现各种自动控制和远距离操纵。 5） 不需要减速器就可实现较大推力、力矩的传动。 6） 易于实现过载保护，安全性好；采用矿物油作工作介质，滋润滑性好，故使用寿命长。 7） 液压元件已是标准化、系列化、通用化产品、便于系统的设计、制造和推广应用。 液压传动的主要缺点： 1） 油液的泄露、油液的可压缩性、油管的 弹性变形会影响运动的传递正确性，故不宜用于精确传动比的场合。 2） 由于油液的粘度随温度而变，从而影响运动的稳定性，故不宜在温度变化范围较大的场合工作。 3） 由于工作过程中有较多能量损失（如管路压力损失、泄漏等），因此，液压传动的效率还不高，不宜用于远距离传动。 4） 为了减少泄漏，液压元件配合的制造精度要求高，故制造成本较高。同时系统故障诊断困难。 气压传动的主要优点： 以空气为传动介质，取之不尽，用之不竭；用过的空气直接排到大气中，处理方便，不污染环境，符合 “ 绿色制造 ” 中清洁能源的要求。 空气的粘度很小， 因而流动时阻力损失小，便于集中供气、远距离传输和控制。 工作环境适应性好，特别是在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射及振动等恶劣环境中工作，比液压、电子、电气控制优越。 维护简单，使用安全可靠，过载能自动保护。 气压传动的主要缺点： 气压传动装置的信号传递速度限制在声速（约 340m/s）范围内，所以它的工作频率和响应速度远不如电子装置，并且信号要产生较大的失真和延滞，不宜用于对信号传递速度要求十分高的场合中，但这个缺点不影响其在工业生产过程中应用。 由于空气的可压缩性大，因而气压传动工作速度的稳定性较液压传动差 ，但采用气液联合可得到较满意的效果。 系统输出力小，气缸的输出力一般不大于 50传动效率低。 排气噪声较大，在高速排气时要加消声器。 第二章：流体力学基础 1压力有哪几种表示方法？液压系统的压力与外负载有什么关系 ? 表压力是指什么压力 ? 答：（ 1）压力有两种表示方法：绝对压力和相对压力。 （ 2） 液压系统的压力与外负载 的 关系 是： 外负载 越大， 液压系统的压力 就越高；反之，外负载 越小， 液压系统的压力 就越低。 （ 3）表压力是指相对压力。 2解释下述概念：理想液体、恒定流动 、层流、紊流和雷诺数。 答：理想液体：是为简化问题难度而假设的既无粘性，又不可压缩的液体。 恒定流动：是指液体流动时，液体中任一质点处的压力、流速和密度不随时间而变化的流动。 层流：是指液体流动时，液体质点没有横向运动，互不混杂，呈线状或层状的流动。 紊流：是指液体流动时，液体质点有横向运动（或产生小旋涡），作紊乱状态的流动。 雷诺数 : 是用来判定液体流动时呈现出的流态是层流还是紊流的一个数。 3. 理想伯努利方程的物理意义是什么？ 答： 1） 一般条件下伯努利方程在各项的意义 + 221 该方程说明理想流体在流管中作稳定流动时 ,单位体积的动能 1/2 重力势能 该点的压强 P 之和为一个常量 ， 其中 1/2 与流速有关 ,常称为动压 , P 相与流速无关 ,常称为静压 . 2） 、单位重量流体中伯努利方程各项的物理意义 g =m/u g =mg/u 表示单位体积的重力 ,以 g 除各项得 : p/ g+v 平方 /2 g+ h = 常量 该方程表示流场中一点上单位重量流体所具有的总机械能 . 其中 p/ 也就是压力对单位体积 重量流体所做的功 , v 平方 /2 g 表示单位重量流体所具有的动能 , h 就是流场中该点的高度 。 由于 v 平方 /2 g+ p/ g+ z = 常数 ,定理中每一项都具有长度的量纲 . 所以 p/ g 表示所考察点的压力潜能的同时也可表示它能将流体压升到某一高度的能力 . 3） 、单位质量流体中伯努利方程 p/ 项的物理意义 以 除各项得 :p/ +1/2 v 平方 + 常量 该方程中 :p/ 项表示流场中某一点上单位质量流体所具有的压力或弹性势能 ,从能量的角度讨论 p/ 项也可理解为单位质量流体相对于 p = 0 状态所 蕴涵的能量 . 综上所述： 通过以上的分析推导可以看出伯努利方程是能量方程式 ,尽管分析问题所用的动力学原理不同 ,但导出方程的意义是完全相同的 ,说明在管内作稳定流动的理想液体具有压力能、势能和动能三种形式的能量 ,在适合限定条件的情况下 ,流场中的三种能量都可以相互转换 ,但其总和却保持不变 ,这三种能量统称为机械能 . 由此可以得出 :伯努利方程在本质上是机械能的转换与守恒 . 4. 液压缸直径 D=150塞直径 d=100压缸中充满油液。如果在柱塞 上（如图和缸体上 （如图 的作用力 F=50000N，不急油液自重所产生的压力，求液压缸中液体的压力。 解：经分析，两图结果相同： M = 5. 如图所示，一管路输送密度 3/900 的液体， h=15测得压力如下 ： 1） 点 1、 2,两处的压力分别是 2） . 45确定在两种情况下液流的方向。 阀门关闭时压力表读数为 门打开时压力表读数为 果 d=123/900 ，不计液体流动时的能量损失，求阀门打开时的液体流量 7. 如图所示某一液压泵从邮箱中吸油，若吸油管直径 d=60量 50L/箱的运动粘度 =30s， 3/900 ，弯头处的局部损失系数 =油口粗滤器网上的压力损失 p=希望液压泵吸油口处的真空度不大于 液压泵的安装（吸油）高度（吸油管侵入油液部分的沿程损失可忽略不计）。 . 第三章：液压泵与液压马达 p=速 n=1450r/的排量 V=r，容积效率v=效率 =驱动该泵所需电机的功率 o 6 7 6 m i 5 =3626 6 0)(= 4 = 2. 液压泵工作的两个条件是什么？ 简述 外啮合 齿轮泵的工作原理。 1 泵体 2、 4 齿轮 3、 5 齿轮传动轴 作业三： 1图 外啮合齿轮泵的工作原理 答：两个条件： 1）形成密封容积且密封容积变化， 2）吸压油腔隔开（配流装置）。 外啮合齿轮泵是由两个相互啮合的齿轮、泵体、两个端盖和两根传动轴组成（如图所示），它们形成了密封的工作容积。该密封的工作容积以相互啮合齿轮的轮齿接触的啮合线为界，分隔成左右两个密封的空腔，即 a 腔和 b 腔， a 腔接吸油口， b b 腔接压油口。当主动轴带动主动齿轮 2 按图示方向旋转时，在 a 腔中，啮合的两轮齿逐渐脱开，工作容积逐渐增大，形成局部真空。油箱中的油液在大气压力作用下经吸油口进入 a 腔（ a 腔为吸油腔），流入各个齿槽中，齿槽中的油液随齿轮转动沿带尾箭头所示方向被带到右侧 b 腔。同时，在 b 腔中齿轮啮合处的轮齿逐渐啮合，使工作容积逐渐减小，油液压力增加，形成高压油液， b 腔的高压油液被挤压经压油口排出（ b 腔为压油腔）。这样，齿轮不停地转动，吸油腔不断地从油箱中吸油，压油腔就不断地排油，这就是外啮合齿轮泵的工作原理。 3. 什么是液压泵的排量？什么是实际流量，理论流量？什么是容积损失和容积效率？ 排量 在没有泄漏的情况下，泵 （或马达）每转一周所排出的液体的体积 V （ ml/r） 。 理论流量 不考虑泄露的情况 下，单位时间内所排出的液体的体积。 实际流量 指泵（或马达）工作时实际输出的流量 容积损失 泄漏导致的流量损失 容积效率 泵的实际流量与理论流量的比值 4. 齿轮泵的压力提高主要受到哪些因素的影响？可以采用哪些措施来提高齿轮泵的压力？ 答： 影响因素： 1）齿轮泵存在间隙， 2）径向不平衡力 措施： 1 ）浮动轴套补偿原理：将压力油引入轴套背面， 使之紧贴齿轮端 面，补偿磨损，减小间隙。 2）弹性侧板式补偿原理：将泵出口压力油引至侧板背面，靠侧板自身的 变形来补偿端面间隙。 0； b） F/A； c） 0； d） 0 6. 轴向柱塞泵是如何实现双向变量泵功能的？ 答： 见教材 7. 双作用叶片泵的叶片底部 为什么要通入液压油？液压油是如何引入到叶片泵叶片的底部的？ 答： 1） 由于一般双作用叶片泵的叶片底部通压力油 ,就使得处于吸油区的叶片顶部和底部的液压作用力不平衡 ,叶片顶部以很大的压紧力抵在定子吸油区的内表面上 ,使磨损加剧 ,影响叶片泵的使用寿命 ,尤其是工作压力较高时 ,磨损更严重 ,因此吸油区叶片两端压力不平衡 ,限制了双作用叶片泵工作压力的提 高。所以在高压叶片泵的结构上必须采取措施 ,使叶片压向定子的作用力减小。 2） 叶片泵转子旋转时，叶片在离心力和压力油的作用下，尖部紧贴在定子内表面上。这样两个叶片与转子和定子内表面所构成的工作容积，先由小到大吸油后再由大到小排油，叶片旋转一周时，完成两次吸油与排油 . 8. 双作用叶片泵的叶片在转子上是如何安装的？为什么要这样安装？在安装双作用叶片泵时，如果让电动机的转向与规定的方向相反，会产生什么后果？ 答 : 见教材 第四章： 液压缸 1. 活塞式液压缸有几种结构形式？各有何特点？分别用在什 么场合？ 答：答 :有双杆式和单们一式两种结构形式。双杆式特点：在活塞沁侧均设有自杆相同的活塞杆。单杆式特点：其活塞一侧有活塞杆伸出，两腔有效 _作而积不相等口一般来说，活寨或缸休在两个方向上的运动速度和推力都不相等。双杆式常用于要求往复运动速度和负载相同的场合，如各种磨床。单杆式常用于一个方向有较大负载但运行速度低的， _另一个方向为空载快速退回运动的设备，如压力机，起重机等。 2. 以单杠活塞式液压缸为例，说明液压缸的一般结构形式。 答： 根据常用 液压缸 的结构形式分为四种类型液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的 液压系统 中得到广泛应用。液压缸输出力和活塞有效面积及其两边的压差成正比；液压缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和 活塞杆 、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。 缓冲装置与排气装置视具体应用场合而定，其他装置则必不可少。 液压缸的类型： 根据常用液压缸的结构形式，可将其分为四种类型： 1） 活塞式 单活塞杆液压缸只有一端有活塞杆。如图所示是一种单活塞液压缸。其两端进出口油口A 和 B 都可通压力油或回油，以实现双向运动，故称为双作用缸。 2） （）它是一种单作用式液压缸，靠 液压力只能实现一个方向的运动，柱 塞回程要靠其它外力或柱塞的自重； （）柱塞只靠缸套 支承而不与缸套 接触，这样缸套极易加工，故适于做 长行程液压缸； （）工作时柱塞总受压，因而它必须 有足够的刚度； （）柱塞重量往往较大，水平放置时 容易因自重而下垂，造成 密封件 和导向 单边磨损，故其垂直使用更有利。 3） 伸缩式 伸缩式液压缸 具有二级或多级活塞，如图所示。伸缩式液压缸中活塞伸出的顺序式从大到小，而空载缩回的顺序则一般是从小到大。伸缩缸可实现较长的行程，而缩回时长度较短，结构较为紧凑。此种液压缸常用于 工程机械 和农业机械上。 4） 摆动式 摆动式液压缸是输出扭矩并实现往复运动的执行元件，也称摆动式 液压马达 。有单叶片和双叶片两种形式。图中定子块固定在缸体上，而叶片和转子连接在一起。根据进油方向， 叶片将 带动转 子作往 复摆动。 3. 液压缸的哪些部位需要密封，常用的密封方法有哪些？ 答： 1) 活塞与缸体 ， 2）活塞杆与缸体 ， 3）进油接口。 一般采用密封胶圈进行密封，极个别场合活塞与缸体间也会用活塞环进行密封。 一般的密封圈有许多种类，各有各的优点。有的比 较简单如： O 型胶圈。不过寿命较短。有的比较适合高压高速：如斯特封 。 4. 液压缸如何实现排气？ 答：因为系统在安装或停止工作后常会渗入空气，所以使液压缸产生爬行、振动和前冲，换向精度降低等。 故必须设置排气装置。 5. 液压缸如何实现缓冲？ 答：在质量较大、速度较高 (v12m/由于惯性力较大，活塞运动到终端时会撞击缸盖，产生冲击和噪声，严重影响加工精度，甚至使液压缸损坏。 6. 已知单活塞杆液压缸的内径 D=50mm d=35L/求： 1)液压缸差动连接时的运 动速度。 2)若缸在差动阶段所能克服的外负载为 000N (不计管路压力损失 )? 解： 1） 84 2 = 2） 22 = 7. 002=80 1输入压力 106压缸 1的输入流量 2L/： (1)两缸承受相同的负载时，球该负载的数值以及两缸的运动速度。 (2)缸 2 的输入压力是缸 1的一半 ( (3)缸 1 承受负载为 0 2能承受的负载。 解： 1） 1222211121= 以上三式联立求出： 2=50KN 0 / = 122 = （ 4） 122 （ 5） （ 4）（ 5）两式联立求出 s 2) 422= 5122 = 3) =A 求出 . 如图所示的增压缸，设活塞的直径 D=60塞缸的直径 d=20输入压力 求输出压力 解：由公式 2221 4141 = ，求出瓶 =45 9. 如图所示，三个液压缸的缸筒和活塞的直径都为 D和 d，当输入流量都为 试说明各液压缸的运动速度、移动方向和活塞杆的受力情况。 第五 章：液压控制阀 1. 分别说明 M 型、 型三位四通换向阀在中间位置时的性能特点。 2. 溢流阀、减压阀和顺序阀各有什么作用？他们在原理上、结构上和图形符号上有何异同。 答：溢流阀的作用： （ 1） 溢流作用：在定量泵节流调节系统中，定量泵提供的是恒定流量。当系统压力增大时，会使流量需求减小。此时溢流阀开启，使多余流量溢回油箱，保证溢流阀进口压力，即泵出口压力恒定（阀口常随压力波动开启）。 （ 2） 稳压作用：溢流阀串联在回油路上，溢流阀产生背压运动部件平稳性增加。 系统卸荷作用：在溢流阀的遥控口 串接溢小流量的电磁阀，当电磁铁通电时，溢流阀的遥控口通油箱，此时液压泵卸荷。溢流阀此时作为卸荷阀使用。 减压阀的作用 ： 是一个高的压力减到所需要的合适压力，保护减压阀阀后的其他元件不被高压所破坏，同时保证出口压力的稳定。 顺序阀的作用： 控制多个元件的顺序动作； 用于保压回路； 防止因自重引起油缸活塞自由下落而做平衡阀用； 用外控顺序阀做卸荷阀，使泵卸荷； 用内控顺序阀作背压阀。 相同点： 首先，这三种阀都是压力控制阀，他们的工作原理基本相同，都是以压力油的控制压力来使阀口启闭。 不同之处在于，溢流阀 是控制系统压力的大小，在液压设备中主要起定压溢流作用和安全保护作用；顺序阀是在具有二个以上分支回路的系统中，根据回路的压力等来控制执行元件动作顺序，可以控制液压元件的启动顺序（顺序阀压力调定低的液压元件首先卸荷，停止动作）；减压阀是将进口压力减至某一需要的出口压力，并依靠介质本身的能量，使出口压力自动保持稳定，避免系统中的压力过高，造成液压元件的损毁。 他们的图形符号如下： 直动式溢流阀 先导式溢流阀 先导型减压阀 直动顺序阀 3. 如图所示，两液压系统中溢流阀的调整压力分别为 系统负载为无穷大时，泵的 出口压力各为多少？ 答： a）图：泵的出口压力为阀 C 的调整压力： 3 b）图： A、 B、 C 三阀串联，泵的出口压力为三者之和，但由于阀 B 的遥控口直接接邮箱，故进出口压差为 0，因此 泵的出口压力为阀 A、 C 的 调整压力 之和 ： 74. 背压阀的作用是什么？哪些阀可以作为背压阀？ 答： 背压阀通过内置弹簧的弹力来实现动作：当系统压力比设定压力小时，膜片在弹簧弹力的作用下堵塞管路；当系统压力比设定压力大时，膜片压缩弹簧，管路接通，液体通过背压阀。背压阀结构同单向阀相似，但开启压力大于单向阀，在 帕 间。 在管路或是设备容器压力不稳的状态下，背压阀能保持管路所需压力，使泵能正常输出流量。另在泵的出端由于重力或其它作用常会出现虹吸现象，此时背压阀能消减由于虹吸产生的流量及压力的波动。而对于计量泵等容积泵在低系统压力下工作时，都会出现过量输送。为防止类似问题，必须使计量泵的出口至少有 背压，一般通过在计量泵出口安装背压阀来达到目的。 5. 一夹紧回路，如