液压与气压传动 第5版 课件 第0、1章 绪论、液压流体力学基础

2024/10/18前言1同

学们好！《液压与气压传动》机械学院

流体动力控制工程系2024/10/18前言3本课程使用教材：刘银水、许福玲.《液压与气压传动》第4版，机械工业出版社，20162024/10/18前言4本课程的参考书（资料）：杨曙东，何存兴.《液压传动与气压传动》（第三版），华中科技大学出版社，2008，4盛敬超，《液压流体力学》，机械工业出版社，1980何存兴，《液压元件》，机械工业出版社，1981何存兴、林建亚，《液压元件》，机械工业出版社，1995官忠范，《液压传动系统》，机械工业出版社，19812024/10/18前言5本课程共讲授44学时分液压和气动两大篇第一篇：液压传动，第一章~第九章第二篇：气压传动，第十章~第十三章2024/10/18前言6课程学习要求：1.熟悉液压传动、气压传动的基本原理和特点；2.要求掌握分析液压、气动系统工作原理的方法。绪论一、液压与气压系统应用举例飞机起落架1绪论一、液压与气压系统应用举例船闸启闭系统2绪论一、液压与气压系统应用举例汽车刹车系统3绪论一、液压与气压系统应用举例起重机4绪论一、液压与气压系统应用举例盾构机5绪论一、液压与气压系统应用举例气动机械手6绪论二、液压与气压传动定义液压与气压传动是以流体（液压油或压缩空气）为工作介质进行能量传递和控制的一种传动形式。它们通过各种元件组成不同功能的基本回路，再由若干基本回路组合成具有一定控制功能的传动系统。液压传动—利用液体压力能实现运动和动力传动方式；气压传动—利用气体压力能实现运动和动力传动方式。7绪论三、液压与气压传动的工作原理液压与气压传动的基本工作原理是相似的，以液压千斤顶为例来简述液压传动的工作原理。8绪论三、液压与气压传动的工作原理1-小液压缸活塞；2-排油单向阀；3-吸油单项阀；4-油箱；5-截止阀；6-大液压缸动画演示9大液压缸中的液体压力：p2=W/A2绪论三、液压与气压传动的工作原理1、实现力的传递小液压缸中的液体压力：p1=F1/A1帕斯卡原理：p1=p2=pF1/A1=W/A2F1=W·A1/A2

液压与气压传动系统中工作压力取决于外负载10绪论三、液压与气压传动的工作原理2、实现位移和运动的传递理想状态下：h1A1=h2A2h2=h1A1/A2v2=v1A1/A2=q1/A2

负载的运动速度只取决于输入流量的大小，而与外负载无关。除以时间t11绪论三、液压与气压传动的工作原理3、结论与负载相对应的流体参数是流体压力，与运动相对应的流体参数是流体流量。

压力与流量是液压与气动传动中两个最基本的参数。12绪论四、液压与气压传动系统的组成换向阀：改变流体流向节流阀：调节流量大小溢流阀：设定最高压力动画演示1、典型系统分析13绪论四、液压与气压传动系统的组成141-电动机；2-空气压缩机；3-气罐；4-减压阀；5-逻辑原件组；

6-换向阀；7-节流阀；8-行程阀；9-气缸；10-消声器；11-油雾罐；12-分水滤气器绪论四、液压与气压传动系统的组成2、液压与气压传动系统组成①动力能源装置：将原动机所输出的机械能转换成流体压力能的装置，其作用是向系统提供压力油或压缩空气，是液压和气压系统的心脏。最常见的动力能源装置是液压泵和空气压缩机。②执行元件：将流体的压力能转换成机械能以驱动工作机构的装置。这类装置包括作直线运动的液压缸和气缸，也包括作旋转运动的液压马达、气压马达、摆动缸等。15绪论四、液压与气压传动系统的组成2、液压与气压传动系统组成③控制元件：用来控制或调节系统中流体的压力、流量或方向的装置，以及进行信号转换、逻辑运算和放大等功能的信号控制元件，以保证执行装置完成预期工作。如溢流阀、节流阀以及换向阀、逻辑元件、机控阀等。④辅助元件：将前面三部分连接在一起，组成一个系统，起储油、过滤、测量和密封等作用。例如管路和接头、油箱、过滤器、蓄能器、密封件、消声器、油雾器、控制仪表等，是液压和气压传动系统不可缺少的组成部分。16绪论四、液压与气压传动系统的组成2、液压与气压传动系统组成⑤工作介质：用来进行能量和信号的传递。液压系统中以液压油为工作介质；气动系统中以压缩空气为工作介质。17绪论四、液压与气压传动系统的组成3、液压与气压传动系统的图形符号为了便于阅读、分析、设计和绘制液压系统图，工程实际中，国内外都采用液压元件的图形符号来表示。按照规定，这些图形符号只表示元件的功能，不表示元件的结构和参数，并以元件的静止状态或零位状态来表示。18绪论四、液压与气压传动系统的组成3、液压与气压传动系统的图形符号19绪论五、液压与气压传动系统的优缺点1、优点液压与气动的各种元件，可根据需要，方便、灵活地采用管道连接来进行布置；操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围可达2000:1），还能在运行过程中进行调速；工作比较平稳，由于工作介质重量轻，惯性小，反应快，易于实现快速启动、制动和频繁的换向。液压传动之所以能得到广泛的应用，是由于它与机械传动、电气传动等相比具有以下的主要优点：10绪论五、液压与气压传动系统的优缺点1、优点既易实现机器的自动化，又易于实现过载保护，当采用电液联合控制甚至计算机控制后，可实现大负载、高精度、远程自动控制；液压与气压元件实现了标准化、系列化、通用化，便于设计、制造和使用；在同等功率情况下，液压执行元件体积小、结构紧凑；一般采用矿物油为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长；以空气为工作介质，处理方便，无介质费用、泄漏污染环境、介质变质及补充等问题。21绪论五、液压与气压传动系统的优缺点2、缺点工作介质存在可压缩性和泄漏，传动不能保证严格的传动比；传动过程中，能量需要两次变换，传动效率偏低；工作性能易受温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作；元件制造精度高，发生故障不易诊断。22绪论六、液压与气压传动技术的发展应用概况第一阶段

液压传动从17世纪帕斯卡提出静压传递原理、1795年世界上第一台水压机诞生，已有200多年的历史，但由于没有成熟的液压传动技术和液压元件，且工艺制造水平低下，发展缓慢，几乎停滞。气压传动早在公元前，埃及人就开始采用风箱产生压缩空气助燃。从18世纪产业革命开始，逐渐应用于各类行业中。第二阶段

上世纪30年代，由于工艺制造水平提高，开始生产液压元件。23绪论六、液压与气压传动技术的发展应用概况第三阶段

上世纪50、60、70年代，工艺水平有了很大提高，液压与气动技术也迅速发展，渗透到国民经济的各个领域：从蓝天到水下，从军用到民用，从重工业到轻工业，到处都有流体传动与控制技术。现今

采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一；95%工程机械、90%数控加工中心、95%以上的自动线均采用了液压传动技术。24绪论六、液压与气压传动技术的发展应用概况

我国液压与气动技术从上世纪60年代开始发展较快，新产品研制开发和先进国家不差上下，但其发展速度远远落后于同期发展的日本，主要由于工艺制造水平跟不上，制造比较困难，材料性能不能满足设计需要，影响了我国流体传动技术的发展。

目前，流体传动技术正在向着高压、高速、高效率、大流量、大功率、微型化、低噪声、低能耗、经久耐用、高度集成化方向发展，向着用计算机控制的机电一体化方向发展。

25绪论六、液压与气压传动技术的发展应用概况工信部发布的《机械基础件、基础制造工艺和基础材料产业“十二五”发展规划》中作为发展重点的20种标志性机械基础件，液压行业就占三种，并希望2015年液压件的销售额达到700亿元人民币。

我国已是制造大国，但大而不强。

中国工程院在2013年1月启动并开展了《制造强国战略研究》重大咨询项目。研究制定了中国的制造强国发展规划和“中国制造2025”目标。

2014年1月开始，工信部和工程院开展“工业强基战略研究”项目研究。“四基”（关键基础材料、核心基础零部件、先进基础工艺、质量技术基础），明确提出发展重点包括关键液压元件。

26液压与气压传动流体动力与控制工程系讲课教师：刘银水33液压油液

液压油液是液压传动的工作介质，好比人体中的血液。对液压油液进行相关的了解，对正确理解液压传动原理、合理设计和使用液压系统十分重要。34液压油液一、液压油液的性质1、密度密度会随着温度的变化发生变化，对于液压油液来说，其随温度的变化量较小，一般可忽略不计。在实际工程中，液压油液的密度一般取900kg/m335液压油液一、液压油液的性质2、压缩性液压油液受压力作用而发生体积减小的性质称为其可压缩性。压缩系数：弹性模量：弹性模量反应了液体抵抗压缩能力的大小；液压油液弹性模量一般为K=(1.2~2)×103MPa，对于一般液压系统，可认为油液是不可压缩的。36液压油液一、液压油液的性质3、粘度①粘度的物理意义液体在外力作用下流动时，液体分子间内聚力会阻碍分子相对运动，即分子之间会产生一种内摩擦力，这种特性称为流体的粘性。37液压油液一、液压油液的性质3、粘度②粘度的分类动力粘度：运动粘度：工程上常用来标志液体的粘度。38液压油液一、液压油液的性质3、粘度②粘度的分类相对粘度：为了满足液压系统对液压油液的特别要求，将两种不同粘度的液压油液混合起来使用，称为调和油。调和粘度：39液压油液一、液压油液的性质3、粘度③粘度与温度的关系对于粘度不超过15oE的液压油液，当温度在30~150℃范围内，其运动粘度随温度变化的近似公式为：液压油液在不同温度下的粘度，还可以从相关图标中查出。40液压油液一、液压油液的性质3、粘度④粘度与压力的关系0<p<500MPa时，若系统压力不高，可不考虑压力对粘度的影响；若压力较高或压力变化较大时，压力的影响必须考虑。41液压油液一、液压油液的性质4、其它特性抗燃性、抗氧化性、抗凝性、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、润滑性、导热性、稳定性、相容性等。42液压油液二、液压油液的要求和选用1、要求粘温性好；有良好的润滑性；成分要纯净；有良好的化学稳定性；抗泡沫性和抗乳化性好；材料相容性好；弹性模量大、燃点高；无毒，价格便宜。43液压油液二、液压油液的要求和选用2、选用选择液压油液首先考虑的是粘度：液压系统的工作压力：压力高，要选择粘度较大的液压油液；环境温度：温度高，选用粘度较大的液压油液；运动速度：速度高，选用粘度较低的液压油液；液压泵的类型。44液体静力学液体静力学是研究液体处于静止状态下的力学规律及这些规律的应用。45液体静力学一、静压力及其特性1、液体的静压力静止液体在单位面积上所受的法向力：若受力均匀：※流体静压力在物理学上叫压强，在工程实际应用中称为压力。46液体静力学一、静压力及其特性2、液体静压力的特性液体静压力垂直于承压面，方向为该面内法线方向；液体内任一点所受的静压力在各个方向上都相等。47液体静力学二、静压力基本方程式1、静压力基本方程式48液体静力学二、静压力基本方程式1、静压力基本方程式压力由两部分组成：液面压力p0，自重形成的压力ρgh；液体内的压力与液体深度成线性规律递增；离液面深度相同处各点的压力相等，压力相等的所有点组成等压面，重力作用下静止液体的等压面为水平面；静止液体中任一质点的总能量p/ρg+Z保持不变，即能量守恒。49液体静力学二、静压力基本方程式2、压力的表示方法及单位绝对压力：以绝对真空为基准进行度量相对压力或表压力：以大气压为基准进行度量真空度：绝对压力不足于大气压力的那部分压力值50液体静力学二、静压力基本方程式2、压力的表示方法及单位1Pa（帕）=1N/m21bar（巴）=1×105Pa=1×105N/m21at（工程大气压）=1kgf/cm2=9.8×104N/m21mH2O（米水柱）=9.8×103N/m21mmHg（毫米汞柱）=1.33×102N/m251液体静力学三、帕斯卡原理液压传动可使力放大，可使力缩小，也可以改变力的方向；可使速度（位移）放大，使速度（位移）缩小，改变速度（位移）的方向；液体内的压力是由负载决定的。52液体静力学四、静压力对固体壁面的作用力液体和固体壁面接触时，固体壁面将受到液体静压力的作用：当固体壁面为平面时，液体压力在该平面的总作用力F=pA

，方向垂直于该平面。当固体壁面为曲面时，液体压力在曲面某方向上的总作用力F=pAx

，Ax

为曲面在该方向的投影面积。53液体动力学液体动力学力学是研究液体流动时流速和压力的变化规律。主要包括三个重要方程：连续性方程伯努利方程动量方程54液体动力学一、基本概念1、理想流体和恒定流动理想流体：假设的既无粘性又不可压缩的流体称为理想流体。恒定流动：液体流动时，液体中任一点处的压力、速度和密度都不随时间而变化的流动，亦称为定常流动或非时变流动；若其中一个参数发生变化，称为非恒定流动55液体动力学一、基本概念2、通流面积、流量和平均流速通流面积：垂直于流动方向的截面，也称为过流截面。流量：单位时间内流过某一通流截面的液体体积，流量以q表示，单位为m3/s或L/min；平均流速：实际流体流动时，速度的分布规律很复杂。假设通流截面上各点的流速均匀分布，平均流速为v=q/A。56液体动力学二、流量连续性方程流量连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的一种表达方式。动画演示恒定流动状态下：57液体动力学三、伯努利方程伯努利方程方程是能量守恒定律在流体力学中的一种表达方式，揭示了流体流动过程中的能量变化规律。58液体动力学三、伯努利方程1、理想液体的伯努利方程59液体动力学三、伯努利方程2、实际液体的伯努利方程实际流体存在粘性，流动时存在能量损失，hwg为单位质量液体在两截面之间流动的能量损失；

用平均流速替代实际流速，α为动能修正系数：60液体动力学三、伯努利方程3、例题如图示简易热水器，左端接冷水管，右端接淋浴莲蓬头。已知A1=A2/4和A1、h值，问冷水管内流量达到多少时才能抽吸热水？补充辅助方程：p1=pa－ρghp2=pa

v1A1=v2A2伯努利方程：代入计算得－h+v12/2g=(v1/4)2/2g

v1=(32gh/15)1/2

q=v1A1=(32gh/15)1/2A161液体动力学四、动量方程动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用，用来计算流动液体作用在限制其流动的固体壁面上的总作用力。作用在液体控制体积上的外力总和等于单位时间内流出控制表面与流入控制表面的液体的动量之差。62液体动力学四、动量方程当液流通过滑阀时，试求液流对阀芯的作用力？63液体动力学四、动量方程锥阀的锥角2α，液体在压力p的作用下以流量q流经锥阀，求作用在阀芯上的液动力的大小和方向？64液体动力学课后作业分析例1-5（图b）中内流式锥阀的液动力。下周四上课之前交。65液压与气压传动流体动力与控制工程系66管道流动由于流动流体具有粘性，在管道中流动时会和管壁产生摩擦力，以及在液体流动时突然转弯和通过阀口时会产生相互撞击和出现漩涡，因此流体在管道中流动时会产生阻力。流动液体在管路中流动时的压力损失和液体的流动状态有关。67管道流动一、流态与雷诺数1、流态层流：流速较低，液体质点间的粘性力起主导作用，液体质点受粘性的约束，不能随意运动。紊流：流速较高，液体质点间粘性的制约作用减弱，惯性力起主导作用。动画演示68管道流动一、流态与雷诺数2、雷诺数试验表明：流体的流动状态不仅与圆管内的流速v有关，还与管道内径d、流体的运动粘度有关。表示了惯性力与粘性力之比。非圆截面管道：69管道流动一、流态与雷诺数2、雷诺数层流紊流紊流层流临界雷诺数：70管道流动一、流态与雷诺数2、雷诺数71管道流动二、圆管流动的沿程压力损失液体在等直径圆管中流动时因粘性摩擦而产生的压力损失称为沿程压力损失。管道长度管道直径液体粘度液体流态雷诺数层流紊流72管道流动二、圆管流动的沿程压力损失1、层流时的沿程压力损失流速分布规律p273管道流动二、圆管流动的沿程压力损失1、层流时的沿程压力损失通过管道的流量管道内的平均流速74管道流动二、圆管流动的沿程压力损失1、层流时的沿程压力损失沿程压力损失75管道流动二、圆管流动的沿程压力损失2、紊流时的沿程压力损失76管道流动三、圆管流动的局部压力损失液体流经阀口、弯管、通流截面变化等这些地方时，由于液流方向和速度均发生变化，形成旋涡，使液体的质点间相互撞击，从而产生较大的能量损耗，形成了一定的压力损失。77管道流动三、圆管流动的局部压力损失78管道流动三、圆管流动的局部压力损失79管道流动三、圆管流动的局部压力损失※两相邻局部障碍之间的距离大于管道内径10~20倍的场合。80孔口流动液压控制阀对液流压力、流量和方向的控制通常通过一些特定的孔口来实现。对孔口的流量进行分析是研究液压控制阀节流调速的重要理论基础。81孔口流动一、薄壁小孔1、薄壁小孔结构及流态小孔的通流长度l与孔径d之比l/d<0.5时，称为薄壁小孔。动画演示D/d≥7，完全收缩D/d＜7，不完全收缩82孔口流动一、薄壁小孔2、通过薄壁小孔流速83孔口流动一、薄壁小孔3、通过薄壁小孔流量84缩缩孔口流动二、滑阀阀口85孔口流动三、锥阀阀口86孔口流动四、短孔和细长孔1、短孔小孔的通流长度l与孔径d之比0.5<l/d≤4时，称为短孔。87孔口流动四、短孔和细长孔2、细长孔小孔的通流长度l与孔径d之比/d>4时，称为细长孔。88缝隙流动液压元件内各零件间有相对运动，必须要有适当间隙。间隙过小，会使零件卡死；间隙过大，会造成泄漏。间隙中的流动一般为层流，一种是压差造成的流动称压差流动，另一种是相对运动造成的流动称剪切流动，还有一种是在压差与剪切同时作用下的流动。89缝隙流动一、平板缝隙压差流动剪切流动90缝隙流动二、