液压传动与控制教材课件

液压传动与控制教材液压传动与控制教材12第一章液压传动概述§1.1液压传动的工作原理及工作特点

§1.2液压系统的主要参数

§1.3液压系统的组成

§1.4液压系统的图形符号

§1.5液压传动的主要优缺点2第一章液压传动概述§1.1液压传动的工作原理及工作特3§1.1液压传动的工作原理及工作特点一.工作原理图1－1二.工作特点3§1.1液压传动的工作原理及工作特点一.工作原理图1－4451.液压传动是以液体为介质，依靠运动液体的压力能来传递动力的传动。(液力传动则是依靠运动液体的动能来传递动力的传动。)2.液压系统工作时能量转换过程:3.液压传动系统的油液是在受控状态下工作.(液压传动与液压控制是密切相连的)4.液压传动系统必须满足其液压执行元件（液压缸或液压马达）对力和速度方面的要求电动机机械能液体压力能机械能液压泵液压缸液压马达51.液压传动是以液体为介质，依靠运动液体的压力能来传递动力6§1.2液压系统的主要参数一.压力p和负载F●活塞的平衡方程FpApA=F

当活塞有效作用面积A确定时P正比于F，压力决定于负载。负载是第一性的

●压力p单位面积上液体所受的作用力（压强）压力

p=F/A6§1.2液压系统的主要参数一.压力p和负载F●活塞的平7定义二.流量Q与速度v

活塞有效作用面积A确定时流量Q＝V/t＝AL/t＝Avt时间内行程为L时，进入油缸的油液体积为V=ALQALQ正比于v，速度决定于流量三.液压功率N＝Fv＝pAv＝pQ

v7定义二.流量Q与速度v活塞有效作用面积A确定时流量8一.能源装置（能量转换装置）将系统元件按功能分为四个组成部分二.执行元件（能量转换装置）压力和流量转矩和转速电动机机械能液体压力能能源装置（液压泵）液体压力能机械能执行装置（直线运动-液压缸）（回转运动-液压马达）压力和流量力和速度或转矩和转速§1.3液压系统的组成8一.能源装置（能量转换装置）将系统元件按功能分为四个组成9三.调节控制元件四.辅助元件控制液压系统中油液的流量、压力和流动方向主要包括各种控制阀、变量泵和变量马达保证液压系统的可靠、稳定持久的工作是除以上三项外的其它装置。如油箱、滤油器、油管、管接头、压力表等。9三.调节控制元件四.辅助元件控制液压系统中油液的流量、10以下符号摘自GB/T786.1－93参照ISO1219－1977，括号内的图形符号为本书所用符号，摘自GB786－76。定量泵变量泵双向变量泵单杆、双作用活塞油缸单杆、单作用活塞油缸双杆、双作用活塞油缸§1.4液压系统的图形符号10以下符号摘自GB/T786.1－93参照ISO121911（）节流阀（直动式）溢流阀（）换向阀1）位：阀芯相对阀套的位置一位一个方框2）通：阀对外的通路▲一个断头一通，一个箭头二通▲同一阀各位通路数相等。3）操纵方式（二位）（三位）11（）节流阀（直动式）溢流阀（）换向阀1）位：阀芯相对阀套12顶杆机械控制油箱单向阀滤油器单作用电磁控制手动控制液动控制图1－2为图1－1的职能符号图（液压系统工作原理图）12顶杆机械控制油箱单向阀滤油器单作用电磁控制手动控制液动控131314液压传动与机械、电力等传动相比，有以下优缺点§1.5液压传动的主要优缺点

优点无级调速，调速范围大体积小，质量轻、功率大，即功率质量比大易实现自动控制和过载保护可实现无间隙传动，运动平稳液压元件的自我润滑作用液压元件实现了标准化、系列化、通用化系统中间的减速装置可省，使传动简化14液压传动与机械、电力等传动相比，有以下优缺点§1.5液15

缺点液压传动系统对温度和油液污染比较敏感，使用和维护要求高，故障排除较困难；为防止漏损，元件加工精度较高，液压传动系统成本可能较高；由于油液的压缩性和泄漏等因素影响，液压传动不能保证严格的传动比；15缺点第二章液压油和液压

流体力学基础§2.1液压油的性质和选用

§2.2静止液体力学

§2.3流动液体力学

§2.4液体在管道中的流动

§2.5液流流经小孔及缝隙的流量计算

§2.6液压冲击和空穴现象

第二章液压油和液压

流体力学基础§2.1液压油的性质和1617一.

液体的密度ρ和重度γ§2.1液压油的性质和选用密度

1)定义:单位体积液体的质量对于均质液体：17一.液体的密度ρ和重度γ§2.1液压油的性质和选用182)单位国际单位制（SI）中，kg/m3182)单位193)密度与压力、温度的关系温度升高，密度减小压力增大，密度增大一般情况下，视密度ρ为常数矿物油，ρ=（850~960）kg/m3一般取ρ=900kg

/m3193)密度与压力、温度的关系温度升高，密度减小一般取ρ=20

2.液体的重度γ

1)定义重度γ

：单位体积液体的重量3)单位：N/m32)与ρ的关系202.液体的重度γ1)定义重度γ：单位体积液体21“－”使β为正值（p为正时，V/V为负）二.

液体的压缩性1.定义：液体的压缩性－液体受压后体积缩小的性质FVpF+FV－Vp+p21“－”使β为正值（p为正时，V/V为负）二.液221)压缩性系数β

物理意义：单位压力增加时引起的液体体积的相对缩小率。2.液体压缩性的表示方法222.液体压缩性的表示方法232)液体的体积（容积）弹性模量βeβe越大，压缩性越小，抗压缩性能强液压油βe油＝（1.4~2.0）109N/m2钢βe钢＝2.061011N/m2液压油的可压缩性比钢大100~150倍物理意义：液体体积的相对缩小率为1时所需的压力增加值232)液体的体积（容积）弹性模量βeβe越大，压缩性越小，24AttentionPlease!））

静态时，p/t=0（p＝常数）Q压=0可忽略油液压缩性。

动态时，p/t很大，尤其当行程L较大时，液体容积V较大，Q压不能忽略。计压缩性。24AttentionPlease!））静态时253.等效体积（容积）弹性模量βe’液体容器壁气体体积总体积气体βg＝1.4p气体体积占总体积的比例253.等效体积（容积）弹性模量βe’液体容器壁气体体积总体26例表明：1）尽管液压油混入少量空气，βe′显著下降Vg/VΣ=0.01、p＝35bar时，βe’～0.37109N/m2～0.25βe例：采用钢管Vg/VΣ=0.05、p＝35bar时，βe’～0.09109N/m2～0.06βe2）增加压力会提高βe’例：采用钢管Vg/VΣ=0.01、p＝35bar时，βe’～0.37109N/m2Vg/VΣ=0.01、p＝140bar时，βe’～0.83109N/m2}增加了124%26例表明：1）尽管液压油混入少量空气，βe′显著下降Vg/273）采用软管，将更进一步显著降低βe′例：Vg/VΣ=0.01p＝35bar采用钢管时βe’＝0.37109N/m2采用软管时βe’＝0.17109N/m2以溶解形式存在于液体中的空气对液体的压缩性无影响以混合形式存在于液体中的空气对液体的压缩性影响很大液压系统设计和使用中应尽量设法不使油液中混入空气NOTICE273）采用软管，将更进一步显著降低βe′例：Vg/VΣ28

三.液体的粘性和粘度1.粘性定义液体在外力作用下流动时，分子间的内聚力阻碍分子间的相对运动，而产生的一种内摩擦力的性质特点液体流动时才呈现粘性粘度大，液层间内摩擦力大粘度小，液层间内摩擦力小28三.液体的粘性和粘度1.粘性定义液体在外292.粘度（表示液体粘性大小的物理量）1)

绝对粘度（动力粘度）η液体粘性示意图dyyyu0xhu0uu+dudu292.粘度（表示液体粘性大小的物理量）1)绝对粘度30实验证明：液体流动时，相邻液层间的内摩擦力Ff液层的接触面积速度梯度比例系数，表征液体粘性大小的物理参量，称为粘性系数或绝对粘度30实验证明：液体流动时，相邻液层间的内摩擦力Ff液层的接触31单位面积上的内摩擦力___内摩擦应力牛顿液体内摩擦定律du/dy一定时，比例系数η大，τ大

η小，τ小单位：SI制PasC.G.S.制P（泊）1P(泊)＝1dyns/cm2＝100cP(厘泊)1Pas＝10P＝1000cP31单位面积上的内摩擦力___内摩擦应力牛顿液体内摩擦定律d322)

运动粘度υ定义单位SI制m2/sC.G.S.制1cm2/s=1St(斯)=100cSt1m2/s=104St=106cSt运动学量纲运动粘度υ动力学量纲动力粘度η！322)运动粘度υ定义单位SI制33运动粘度的使用补充理论分析和计算中常用η/ρ的组合，无特殊的物理意义液压油划分牌号的依据按GB/T1341-94(代替82)，等效采用ISO3448:1992(代替1975)液压传动用掖压油的牌号是用40°C时的平均运动粘度的厘斯值来命名的。掖压油的牌号也表示了这种油的粘度等级。例32号油粘度等级VG32，其40°C时平均粘度为32cSt82年以后开始采用国际通用的以40°C时运动粘度厘斯数的平均值来命名油牌号。牌号前冠以“N”，例N32号油91年后“N”取消过渡时期82年以前标准规定用50°C时平均运动粘度的厘斯值来命名油牌号33运动粘度的使用补充理论分析和计算中常用η/ρ的组34其它牌号对照可参考有关手册、样本示例1.34其它牌号对照可参考有关手册、样本示例1.35对于某一粘度等级，其粘度范围距中心值的允许偏差约±10%。相邻粘度等级间中心值相差约50%(去小数位)粘度等级2、3、5、7、10、15、22、

32、46、68……

常用10号至100号，主要集中在15号－68号

例32号油υmax=35.2cSt,υmin=28.8cSt35对于某一粘度等级，其粘度范围距中心值的允许偏差约±10%363）

相对粘度（恩氏粘度）定义换算关系t°C200cm3被测液流过ø2.8小孔时间t120°C200cm3蒸馏水流过ø2.8小孔时间t2被测液恩氏粘度(t°C时)υ=7.31°E-6.31/°E（cst）°Et=t1/t2363）相对粘度（恩氏粘度）定义换算关系t°C373.

混合油液的粘度为使工作油液得到所需要的粘度，可采用两种不同粘度°E1，°E2的油液按一定比例混合而得。混合油液的粘度可用下述经验公式计算°E0＝[a°E1+b°E2-c(°E1-°E2)]/100°E1、°E2油液占体积百分数与a、b有关的实验系数a(%)102030405060708090b(%)908070605040302010c6.713.117.922.125.527.928.22517系数c的数值:373.混合油液的粘度为使工作油液得到所需要的粘度，可采用384.粘度与温度的关系温度对油液粘度影响很大，油温升高，粘度显著下降粘度对系统性能(如功耗和泄漏等)影响很大，因此希望粘度随温度变化小－粘温性(图2-3)好。粘温性图中，曲线斜率越小，粘温性越好5.粘度与压力的关系压力对油液的粘度有一定影响。压力升高，分子间距离越小，粘度越大。高压时，压力升高，粘度增大迅速；一般压力范围，粘度变化可忽略。(图2－4)384.粘度与温度的关系温度对油液粘度影响很大，油温升39四.

液压油的选择1.液压油应满足的要求粘温性能好良好的润滑性良好的化学稳定性质量纯净，良好的抗泡沫性闪点要高，凝固点要低39四.液压油的选择1.液压油应满足的要求粘温性能402.液压油的选择首先考虑选择合适的粘度(根据泵的种类、工作温度、系统速度和工作压力首先确定适用粘度)，然后再选择合适的液压油品种。1)粘度选择的总原则：高压、高温、低速粘度较高减小泄漏低压、低温、高速粘度较低减小液体内摩擦阻力和系统功耗402.液压油的选择首先考虑选择合适的粘度(根据泵的种类、41(1)一般液压系统的油液粘度在υ40=15-100cst2)粘度选择的具体原则：环境温度超过40°C时，适当提高油液粘度高速液压马达和快速液压缸的液压系统，选用粘度较低的液压油液压随动系统，通常υ40<=15cSt高精度、有特殊要求的液压系统，采用专用液压油；一般液压系统，采用机械油、汽轮机油、柴油机油、变压器油等41(1)一般液压系统的油液粘度在υ40=15-100c42(2)在一般环境温度t<38°C的情况下，油液粘度可根据不同压力级别来选择。即低压0<p<25(105Pa)υ40＝15～46cSt

中压25<p<80(105Pa)υ40＝32～68cSt

中高压80<p<160(105Pa)υ40＝46～90cSt

高压160<p<320(105Pa)υ40＝68～100cSt(3)冬季选用粘度较低的油液，夏季应当提高油液粘度42(2)在一般环境温度t<38°C的情况下，油液粘度可43(4)按液压泵类型泵类型工作温度5-40°C工作温度40-80°C叶片泵工作压力<=7MPa30~5025~44工作压力>7MPa50~7035~55齿轮泵30~7058~98轴向柱塞泵4042~93径向柱塞泵30~5038~13543(4)按液压泵类型泵类型工作温度工作温度叶工作压力<=444445一.液体的压力§2.2静止液体力学｛质量力表面力｛｛切向力法向力惯性力重力作用在液体上的力1.液体的压力－液体在单位面积上所承受的法向作用力P=Fn/A液体某一点的压力

45一.液体的压力§2.2静止液体力学｛质量力表面力461)液体的压力永远指向作用面的内法线方向（因为液体受拉、受切后即流动）2.

静压力的两个性质

2)静止液体中任一点的压力沿各个方向都相等（反证法：若有一方向不相等，即会产生流动，破坏静止液体存在条件）

461)液体的压力永远指向作用面的内法线方向2.静压力471).基准3

压力的表示方法｛绝对真空---绝对压力大气压---相对压力（表压力）绝对压力、相对压力、真空度三者的关系如下页图所示471).基准3压力的表示方法｛绝对真空---绝对48pa大气压p2<paP=0p1相对压力P1绝对压力绝对真空p1>paP2绝对P2相对0pNOTICE48pa大气压p2<paP=0p1相对压力P1绝对压力绝对真49P2相对<pa时，负值

P2相对=-p2相对

=真空度

=pa-p2绝对当p2<pa时，有真空49当p2<pa时，有真空502).单位国际单位制（SI）

1N/m2=1Pa106Pa=1Mpa国际常用单位

1bar=105Pa工程单位

1at（工程大气压）=1kgf/cm2=9.8×104Pa≈1bar1mH2O（米水柱）=9.8×103Pa1mmHg（毫米汞柱）=1.33×102Pa502).单位国际单位制（SI）1N/m2=1Pa51二.

压力的产生、传递和形成p0•△A+ρg△A

h=p•△A∴

p=p0+ρgh液体静力学方程51二.压力的产生、传递和形成p0•△A+ρg△A52｛液面上作用力（外力）

液体自重

压力由两部分产生1.压力的产生p∝h压力沿淹深呈线性分布等高面即等压面在液压技术中，常常：P»ρgh

因此，P≈P0

即静压力处处相等

p=p0+ρgh52｛液面上作用力（外力）液体自重压力由两部分产生1.532.压力的传递P0P0+△pP

P

+△p

在密闭容器内的静止液体，若某点的压力发生变化，该变化将等值、同时地传到液体内所有各点(液压传动的基本原理)巴斯卡定律例：连通器-液压千斤顶∴

p=p0+ρgh532.压力的传递P0P0+△p54任意液体F1F2Pp=F1/A1F2=pA2F2=F1A2/A1∵A2/A1>1∴F2>F1A1A2P54任意液体F1F2Pp=F1/A1∵A2/A1>1∴55当F2

大→P

大，F2

小→P小，

F2=0→P=0，压力大小决定于负载阻力3.

压力的形成当F1=0（不施加推力），P=0容器不密封p=0

压力是在密闭容积中，前阻后推的情况下形成的(压力是憋出来的)55当F2大→P大，F2小→P小，3.56三.静压力作用于固体壁面上的作用力⒈平面⒉曲面F=pAp承压面积A

56三.静压力作用于固体壁面上的作用力⒈平面⒉曲面F=pAp57dθθprxydAdA=lrdθ•l57dθθprxydAdA=lrdθ•l58dF=pdA=plrdθdFx=dFcosθFx=∫dFx=∫-π/2π/2plrcosθdθFx=p2rl右半曲面在x方向投影面积液体压力作用在曲面某一方向上的力等于液体压力与曲面在该方向投影面积的乘积结论58dF=pdA=plrdθ右半曲面在x方向投影面积液59§2.3流动液体力学

重点是三个基本定律：质量守恒定律（连续性方程）能量守恒定律（伯努利方程）动量定律（动量方程）

59§2.3流动液体力学重点是三个基本定律：60一.基本概念1.理想液体

1).理想液体-无粘、不可压缩的液体2).实际液体-有粘、可压缩的液体

2.稳定流动（恒定流动）1).稳定流动（恒定流动）液体在流动时，通过空间某一固定点的所有液体质点在该处的压力、速度和密度都不随时间变化

p=p(x,y,z)

v=v(x,y,z)ρ=ρ(x,y,z)60一.基本概念1.理想液体1).理想液体-无粘、不可612).非恒定流动液体在流动时，通过空间某一固定点的所有液体质点在该处的压力、速度和密度随时间变化p=p(x,y,z,t)

v=v(x,y,z,t)ρ=ρ(x,y,z,t)612).非恒定流动液体在流动时，通过空间某一固定点的所有液623.流线1).迹线___某一液体质点在空间位移的轨迹

2).流线___某一瞬时液流中一条条标志其各处运动状态的曲线，曲线上各点的切线方向表示其各点处瞬时流动方向

性质时变性恒定流动时，流线=迹线流线不能相交、转拆，光滑曲线（一个点，瞬时只能有一个速度）

623.流线1).迹线___某一液体质点在空间位移的轨迹633).流束_____流线的集合微小流束：流束截面dA0时的流束微小流束上各截面的参数u、p

、ρ可认为相等

流束dAu633).流束_____流线的集合微小流束：流束截面dA64AAvvBB4.通流截面、平均流速、流量1).通流截面与流束中所有流线正交的截面64AAvvBB4.通流截面、平均流速、流量1).通流652).

流量单位时间流过某一通流截面的液体体积AvuuQ=∫AudA单位：m3/s、cm3/s、L/min(1L=10-3m3=103cm3)652).流量AvuuQ=∫AudA单位：m3/s、cm663).平均流速v平均流速是一个假想的流速，但便于测量

vA=∫AudA=Q∴v=∫AudA/A=Q/A663).平均流速vvA=∫AudA=Q∴v=∫Aud67二.连续性方程-流动液体质量守恒定律如下图所示，取流束断面1.2之间液体为控制体积

A1A2v1v212