液力传动与流体机械 第一章 绪论

1、1第一章 绪论 1.1 1.1 常见传动技术、流体机械的分类、常见传动技术、流体机械的分类、 流体机械相关定义流体机械相关定义1.2 1.2 流体机械与液力传动的发展与应用流体机械与液力传动的发展与应用1.3 1.3 流体机械和液力传动的特点流体机械和液力传动的特点1.4 1.4 流体机械所应用的液力传动与液压流体机械所应用的液力传动与液压传动的区别传动的区别 思考题思考题 21.1 1.1 常见传动技术、流体机械的分常见传动技术、流体机械的分类、流体机械的相关定义类、流体机械的相关定义 传动技术传动技术，是指能够使物体按照指定动作规律运动起来的技术。通常是通过传动装置传动装置（ Power

2、Transmission Engineering）来实现的。按照工作介质不同按照工作介质不同，传动技术种类可分为： 传动技术的定义传动技术的定义3传传 动动机械传动机械传动齿轮、齿条齿轮、齿条杠杆、连杆杠杆、连杆电气传动电气传动流体传动流体传动复合传动复合传动直流直流交流交流气体传动气体传动液体传动液体传动气压传动气压传动射流射流静压传动静压传动动力传动动力传动液粘传动液粘传动液液 压压 液压轴承液压轴承直流液压直流液压交流液压交流液压液力传动液力传动射射 流流1.1.1 1.1.1 常见传动技术的种类常见传动技术的种类41.1. 2 流体机械的分类流体机械的分类 流体机械可以分成从机械向流体

3、传递能量的流体机械可以分成从机械向流体传递能量的流流体机械体机械和将流体能量传递给机械的和将流体能量传递给机械的流体动力机械流体动力机械n根据流体是液体还是气体分为根据流体是液体还是气体分为水力机械水力机械和和气体机械气体机械；n根据能量是输出还是输入机械功可分为根据能量是输出还是输入机械功可分为动力机械动力机械( (或原或原动机动机) )和和工作机械工作机械。n按工作原理又常分为按工作原理又常分为速度式速度式、容积式容积式( (往复、回转往复、回转) )和和其其它形式它形式的流体机械的流体机械( (如射流泵等如射流泵等) )。n根据根据结构型式结构型式流体机械还可以细分流体机械还可以细分5(

4、1)轴流、轴流、 (2)径流径流(离心离心)压缩机视频压缩机视频旋转轴轴流离心6(3)混流式混流式 照照 片片子午面子午面(轴面轴面)7泵是典型的流体机械泵是典型的流体机械8柱塞泵9泵泵 实实 图图10流体机械的分类流体机械的分类11按工作方式分类按工作方式分类作为媒介的力作为媒介的力工工 作作 方方 式式 压力压力表面力表面力 剪切力剪切力容积式容积式 往复式、回转式往复式、回转式叶片式叶片式 离心式、斜流式、轴流式、横流式离心式、斜流式、轴流式、横流式其其 他他 非定常式、差压式非定常式、差压式摩擦式摩擦式湍流式湍流式 涡流式、射流式涡流式、射流式 重力重力体积力体积力 电磁力电磁力浮力式

5、浮力式电磁式、磁流体式电磁式、磁流体式12“所谓流体机械，是所谓流体机械，是指在流体和机械之指在流体和机械之间进行能量交换的间进行能量交换的机械的总称机械的总称”。什么是流体机械什么是流体机械?其实并不严密1.1 .3 流体的机械能和流体机械的分流体的机械能和流体机械的分类类13(一一)流体内部具有的能量流体内部具有的能量 流体的内部能量具有：流体的内部能量具有： 1)由分子间的由分子间的势能势能和分子不规则运动的和分子不规则运动的动能动能之和定义的内能之和定义的内能(当当其变化时常伴随着压力和温度等状态量的变化，有时也伴随其变化时常伴随着压力和温度等状态量的变化，有时也伴随着相变化着相变化)

6、。 2)构成分子构成分子的原子的的原子的结合能结合能(伴随着化学反应而放出或吸收的化伴随着化学反应而放出或吸收的化学能学能)。 3)构成构成原子核原子核的的基本粒子基本粒子的的结合结合能能(伴随着核聚变或核裂变面释伴随着核聚变或核裂变面释放出的能量放出的能量)。(二二)流体流体流动具有的动能流动具有的动能(三三)流体在有势场中具有的流体在有势场中具有的势能势能 具有的势能有：具有的势能有： 1)重力场中的重力场中的位能位能 2)导电流体在电场和磁场中具有的导电流体在电场和磁场中具有的电磁能电磁能。 在明确流体机械的定义之前，让我们先考在明确流体机械的定义之前，让我们先考虑一下流体所具有的能量。

7、流体具有的能量主虑一下流体所具有的能量。流体具有的能量主要包括以下几类要包括以下几类：14 设流体的密度为设流体的密度为 ， , 表示单位质量表示单位质量流量流体的功和热量，则流量流体的功和热量，则ttm ttqQ m 2221222111211122ttppqevgzevgz 上式的意义是，上式的意义是，对于单位质量流量的流体，有与右边第对于单位质量流量的流体，有与右边第二项相当的能量流入机械，与右边第一项相当的能量流出机二项相当的能量流入机械，与右边第一项相当的能量流出机械械。即是说，在有流体流出流人的流体机械中。即是说，在有流体流出流人的流体机械中(开口系统开口系统)，除流体本身具有的能

8、量之外，还需要加入通过流道断而传递除流体本身具有的能量之外，还需要加入通过流道断而传递的能量的能量。(1-1)15 对对普通普通的流体机械来说，相变化的的流体机械来说，相变化的 可以忽略可以忽略应用分部积分公式；应用分部积分公式；222212111()()2tfdpvvg zzq 上式表示流体机械对上式表示流体机械对单位质量流量流体单位质量流量流体所作的功，所作的功， 称为称为比功比功。在流体机械中，起主要作用的只是右边第。在流体机械中，起主要作用的只是右边第1-3项的流体机械能的变化，该项的流体机械能的变化，该3项的和特别称为项的和特别称为可逆比可逆比功功 。 即对即对单位质量流量单位质量流

9、量的流体，可逆比功指在机械所作的的流体，可逆比功指在机械所作的功与流体所具有的机械能之间功与流体所具有的机械能之间没有摩擦损失没有摩擦损失地地可逆可逆地进地进行转换的比功。行转换的比功。222212111()()2revdpvvg zz (1-2)t rev (1-3)16 我们对流体机械下这样的定义我们对流体机械下这样的定义：“所所谓流体机械，是指在流体具有的机械能和谓流体机械，是指在流体具有的机械能和机械所作的功之间进行能量转换的机械。机械所作的功之间进行能量转换的机械。”17 液力传动已有上百年的历史，1902年，德国工程师盖尔盖尔曼曼费丁格尔费丁格尔发现了液力传动的原理。1.2 1.2

10、 液力传动和流体机械的发展与应用液力传动和流体机械的发展与应用1.2.1 1.2.1 液力传动的发展历程与现状液力传动的发展历程与现状 液力传动有两种主要类型：液力偶合器传动液力偶合器传动和液力变矩液力变矩器传动器传动。 传动效率传动效率：偶合器约为偶合器约为9698.5，变矩器约为，变矩器约为8592，在额定工况附近较高，在额定工况附近较高。 从投入使用的液力元件的数目多少，液力传动装置可以分为三种型式：纯液力元件传动装置纯液力元件传动装置、单液力元件传动装置单液力元件传动装置和多液力元件传动装置多液力元件传动装置。18美国美国日本日本欧洲欧洲应用液力传动装置始于应用液力传动装置始于2020

11、世纪世纪5050年代年代2020世纪世纪7070年代年代2020世纪世纪7070年代以来年代以来1.液力传动在国际上的发展情况液力传动在国际上的发展情况2.液力传动在国内的发展情况液力传动在国内的发展情况191.2.2 1.2.2 液力传动技术的主要应用领域液力传动技术的主要应用领域1.1.内燃机车内燃机车 videovideo 2.2.各类大中型施工机械各类大中型施工机械 video 3.3.各类汽车各类汽车 video 4.4.各类转动设备各类转动设备5.5.坦克及装甲车辆坦克及装甲车辆 video 6.6.船舶驱动及相关设备船舶驱动及相关设备 video 图图1-1 液力传动应用示意图液

12、力传动应用示意图 20图图1-2 坦克液力传动系统图坦克液力传动系统图 1.2.3 1.2.3 液力传动技术的主要应用领域液力传动技术的主要应用领域211.2.4 1.2.4 流体机械的发展应用流体机械的发展应用1.电力工业核电、火电、水电目前我国热电站的厂用电占发电量的12%，而发达国家只占45%三峡大坝三峡大坝2223水轮机机组装置图水轮机机组装置图潮汐发电潮汐发电视频视频24The Solar Chimney TETT AGTrotzenburger Weg 351465 Bergisch GladbachGermanyTel: +49 2202 246751Fax: +49 2202

13、246754太阳能视频太阳能视频25风能风扇风能风扇视频视频英国风力发电视频英国风力发电视频262.水利工程水利工程273.石油工业石油工业采油泵284.钢铁、木材工业钢铁、木材工业高炉鼓风机高炉鼓风机Numerical Study of a Turbine Draft Tube Flow 木材加工机械木材加工机械视频视频29反动式反动式冲击式冲击式连续流动连续流动5.动力工程动力工程30单级单吸离心压缩机叶轮叶轮进风口进风口扩压器扩压器蜗壳蜗壳轴承轴承316.生物医学工程生物医学工程人造心脏321.3 1.3 液力传动和流体机械的特点液力传动和流体机械的特点 液力传动之所以能得到这样广泛的应

14、用，发展这样迅速，原因就是它具有以下优点优点： 1.自动适应性自动适应性 液力变矩器的输出力矩能随外载荷的增加而自动增加。 2.提高了机械的使用寿命提高了机械的使用寿命 由于液力传动的工作介质是液体，它能吸收或减少来自发动机和外载荷的振动与冲击，从而使机械启动、运转平稳柔和，加速过程均匀，改善操纵舒适性，起过载保护作用。 3.具有良好的稳定低速性能，提高了机械的通过性能具有良好的稳定低速性能，提高了机械的通过性能 装有液力传动的机械能够以任意小的速度行驶，这样就增加了车辆或履带与地面的附着力，提高机械在松软的土质、砂质路面、雪地和泥泞沼泽地带上的通过能力。 33 4.无级调速，简化了操作，提高

15、驾驶员和乘客的舒适性无级调速，简化了操作，提高驾驶员和乘客的舒适性 液力变矩器本身就是一个无级自动变速器，从而使发动机的动力范围得到扩大，变速箱的档数也可以减少。 5.便于维护保养便于维护保养 液力元件的叶轮之间无机械联系，无机械磨损，工作介质为无机矿物油，不仅可靠度高，使用寿命长，而且便于维护保养。 6.多机并车性能和限矩保护性能多机并车性能和限矩保护性能 当工作机械采用多台动力机驱动时，易于并车且能够自动协调载荷分配。 7.改善车辆的动力性能改善车辆的动力性能 液力变矩器的作用使自动变器能够轻快平稳起动且连续自动无冲击换档，故汽车的起步加速性能得到提高，同时可以带载启动。此外，由于自动换档

16、在时机控制上能保证发动机功率得以充分利用，所以大大改善了动力性能。34 8.降低排放污染降低排放污染 使用液力自动变速器时，由于采用了液力传动和自动换档技术，可以把发动机的转速限制在污染较小的范围内，加上不必频繁换档，因而可以降低对空气的污染。液力传动与电气传动和机械传动相比有其缺点缺点： 1.效率较低效率较低，液力变矩器最高效率约8592，液力偶合器最高效率约9698。 2.结构较复杂结构较复杂，制造精度要求高，成本较高。 3.液力变矩器和调速型偶合器需要一套补偿冷却系统液力变矩器和调速型偶合器需要一套补偿冷却系统，因而增加了成本。 4.不能利用发动机的惯性来制动不能利用发动机的惯性来制动，

17、也不能用牵引的办法启动发动机，需要有附加装置。 5.液力传动的某些装置维修技术较复杂液力传动的某些装置维修技术较复杂，要求有专门的维修人员，具有较高的修理水平和故障检查分析能力。351.4 1.4 流体机械所应用的液力传动与液压传动流体机械所应用的液力传动与液压传动的区别的区别 简单来说，液压传动液压传动是以液体的压力能按照容积变化相等的原理进行能量传递的，它要通过泵泵阀阀马达马达或液压缸液压缸三种主要元件一起来传递能量。液力传动液力传动与之不同，它是以动量矩方程为工作原理，靠液力偶合器液力偶合器或液力变矩器液力变矩器的叶轮来传递能量。 1.4.1 1.4.1 液压传动液压传动 液压传动的原理

18、液压传动的原理基于流体力学的帕斯卡定理帕斯卡定理，即静液压静液压传动的基本原理传动的基本原理。根据这个原理，高压液体在密闭的几何形体内被迫移动时，将传递机械能。与机械传动相比，液压传动更容易实现其运动参数（流量）和动力参数（压力）的控制，而液压传动较之液力传动具有良好的低速负荷特性。 36图图1-3 液压传动原理简图液压传动原理简图1活塞活塞 2、4容器容器 3管路管路 如图如图1-3所示所示，容器容器2用管路管路3与容器容器4连通，那么第一个容器中加在活塞活塞1上的力力F所建立的压力压力pF/A（A为活塞面积）传至第二个容器，并使容器周壁受到液压力的作用。可见，在液压传动装置中，利用容积变化

19、相等的原理，通过管路传递载荷。以此原理进行能量传递的形式称为容积式液压传动，简称液压传动液压传动。371.4.2 1.4.2 液力传动液力传动 液力传动液力传动基于流体力学的欧拉方程欧拉方程，它是利用流体的动它是利用流体的动能，即利用液力传动装置中叶轮内动量矩的变化来传递和改能，即利用液力传动装置中叶轮内动量矩的变化来传递和改变能量变能量。 图图1-4所示所示的传动系统，原动机原动机带动离心泵离心泵1高速旋转，离心泵通过吸入管路由贮液池吸进液体，液体在离心泵叶轮内加速，获得动能，离心泵是将原动机的机械能转换成液体动能的主要元件。由离心泵打出的高速液体通过管路管路3和喷喷嘴嘴进入涡轮机涡轮机2，冲击涡轮机叶片使之旋转，将液体的动能转换成机械能，通过输出轴推动工作机运动。由涡轮机涡轮机2排回的液体速度降低，动能减少，流回贮液池。液体按这样方式周而复始的循环流动，并在循环流动过程中与叶轮相互作用，完成能量的转换和传递。这种传动形式称为动力式液力传动，简称液力传动液力传动。38图图1-4 1-4 液力