液压与气动技术 课件 模块1 液压传动基础知识

模块一液压传动基础知识课题1液压传动概述模块一液压传动基础知识

图1-1a所示为液压千斤顶，图1-1b为液压千斤顶工作原理图。液压千斤顶常用于重物顶升、机械拆卸等，在实际应用中，当作用较小的力时，就可以把较重的重物顶起来。液压千斤顶是如何将较小的力转化成较大的力？是如何来传递运动和动力的？图1-1液压千斤顶工作原理图【任务提出】

所谓传动，就是动力的传递，将原动机的能量按传递给工作机构，实现减速、增速、改变运动形式、改变转矩及分配动力等。目前常用的传动类型有：机械传动、电力传动、气体传动、液体传动及复合传动。在液体传动中，以液体为传动介质，利用受压液体的压力能来实现运动和能量传递的叫液压传动。液压千斤顶是一种液压传动的重物举升工具和设备。本模块中，我们将学习液压基础知识，掌握液压传动的工作原理、液压系统组成及流体力学基础知识。机械传动电力传动液体传动模块一液压传动基础知识【任务分析】一、液压传动的工作原理1、驱动机床工作台的液压传动结构组成油箱1、过滤器2、液压泵3、溢流阀4、开停阀5、节流阀6、换向阀7、液压缸8、连接这些元件的油管、接头。2、工作过程（1）油路—图示、左位（2）右位换向—换向阀（3）调速—节流阀（4）调压—溢流阀3、工作原理液压泵将电动机（或其他原动机）的机械能转换为液体的压力能，然后通过液压缸（或液压马达）将液体的压力能再转换为机械能以推动负载运动。液压传动的过程就是机械能—液压能—机械能的能量转换过程。

课题1液压传动概述模块一

液压传动工作原理图课题1液压传动概述模块一二、液压系统的组成及作用1、动力装置—液压泵。将原动机输入的机械能转换为液体或气体的压力能，作为系统供油能源或气源装置。

2、执行装置—

液压缸（或马达）。将流体压力能转换为机械能，而对负载作功。

3、控制调节装置—各种液压控制阀。用以控制流体的方向、压力和流量，以保证执行元件完成预期的工作任务。4、辅助装置—油箱、油管、滤油器、压力表、冷却器、分水滤水器、油雾器、消声器、管件、管接头和各种信号转换器等，创造必要条件，保证系统正常工作。课题1液压传动概述模块一三、液压系统的图形符号

图形符号—只表示元件功能，不表示元件结构和参数，简单明了，易于绘制。

液压系统的图形符号图课题1液压传动概述模块一

液压传动系统原理图

1—油箱2—过滤器3—液压泵4—溢流阀

5—开停阀6—节流阀7—换向阀8—液压缸四、液压传动的主要优缺点1.液压传动的主要优点（1）能方便地进行无级调速，调速范围大。（2）体积小、质量轻、功率大，即功率质量比大。（3）控制和调节简单、方便、省力，易实现自动化控制和过载保护。（4）液压系统执行机构的运动比较平稳，能在低速下稳定运动。（5）因传动介质为油液，故液压元件有自我润滑作用，使用寿命长。（6）液压元件实现了标准化、系列化、通用化，便于设计、制造和推广使用。课题1液压传动概述模块一2.液压传动的主要缺点（1）漏。液压传动不宜用在传动比要求较严格的场合。（2）振。液压传动中的“液压冲击和空穴现象”会产生很大的振动和噪声。（3）热。在能量转换和传递过程中，由于存在机械摩擦、压力损失、泄漏损失，因而易使油液发热，总效率降低，故液压传动不宜用于远距离传动。（4）液压传动性能对温度比较敏感，故不易在高温及低温下工作。液压传动装置对油液的污染较敏感，故要求有良好的过滤设施。（5）液压元件加工精度要求高，一般情况下又要求有独立的能源（如液压泵站），这些可能使产品成本提高。（6）液压系统出现故障时不易追查原因，不易迅速排除。

课题1液压传动概述模块一课后小结1、液压传动的工作原理。2、液压系统的组成及各部分作用。3、液压传动的特点。课题1液压传动概述模块一模块一液压传动基础知识课题2液压流体力学基础

（一）液压油的物理性质1、液体的密度

密度是单位体积液体的质量：ρ=m/v（kg/m3）。密度随着温度或压力的变化而变化，但变化不大，通常忽略，一般取ρ=900kg/m3。2、液体的粘性

（1）粘性的物理本质液体在外力作用下流动时，由于液体分子间的内聚力和液体分子与壁面间的附着力，导致液体分子间相对运动而产生的内摩擦力,这种特性称为粘性。或：流动液体流层之间产生内部摩擦阻力的性质。

液体静止时，液体不呈现粘性。

一、液压油课题2

液压流体力学基础模块一课题2

液压流体力学基础模块一液压油（2）粘度

粘度是衡量粘性大小的物理量。1）动力粘度μ

公式：F=μAdu/dyτ=F/A=μ·du/dy（N/m2）μ=τ·dy/du（N·s/m2）

物理意义：液体在单位速度梯度下流动时，接触液层间单位面积上内摩擦力。

单位：国际单位（SI制）中：帕·秒（Pa·s）或牛顿·秒/米2（N·s/m2）课题2

液压流体力学基础模块一

2）运动粘度ν

公式：

ν=μ/ρ（m2/S）物理意义：运动粘度没有明确的物理意义。机械油的牌号就是用机械油在40℃时的运动粘度的平均值来表示的。

单位：SI制：m2/s；CGS制：St（斯）（cm2/s）、cSt（厘斯）（mm2/s）说明：∵单位中只有长度和时间量纲类似运动学量。∴称运动粘度，常用于液压油牌号标注。

32号液压油，指这种油在400C时的平均运动粘度为32cst。课题2

液压流体力学基础模块一3）相对粘度0E（条件粘度）

相对粘度又称条件粘度。采用特定的粘度计，在规定的条件下测出的液体粘度。我国采用恩氏粘度。工程中常采用先测出液体的相对粘度，再根据关系式换算出动力粘度或运动粘度的方法。课题2

液压流体力学基础模块一（1）定义：液体受压力作用而发生体积缩小性质。即：体积为V的液体，当压力△p增大时，体积△V减小，则液体在单位压力变化下体积的相对变化量。（2）体积压缩系数：k=-△V/△pV0

常用液压油的k=（5-7）x10-10m2/N物理意义：单位压力所引起液体体积的变化。（3）体积弹性模数：Κ=1/k=-△pV0/△V物理意义：表示单位体积相对变化量所需要的压力增量，也即液体抵抗压缩能力的大小。（4）计算时取Κ=（1.4-1.9）x109N/m2

。3、液体的可压缩性课题2

液压流体力学基础模块一4、液体的其他性质（1）粘度和压力的关系∵液体分子间的距离随压力增加而减小,内聚力增大，其粘度也随之增大。∴μ随p增大而增大，压力较小时忽略，32Mpa以上才考虑。

（2）粘度和温度的关系∵温度上升，内聚力下降，μ下降。∴粘度随温度变化的关系叫粘温特性。粘度随温度的变化较小，即粘温特性较好。课题2

液压流体力学基础模块一课题2

液压流体力学基础模块一典型液压油的粘温特性（二）对液压油的要求及选用1、液压油的作用（1）作为工作介质—传递运动和动力。（2）作为润滑剂—润滑运动部件。2、对液压油的要求

（1）合适的粘度和良好的粘温特性；（2）良好的润滑性；（3）纯净度好，杂质少；（4）对系统所用金属及密封件材料有良好的相容性。（5）对热、氧化水解都有良好稳定性，使用寿命长；（6）抗泡沫性、抗乳化性和防锈性好，腐蚀性小；（7）比热和传热系数大，体积膨胀系数小，闪点和燃点高，流动点和凝固点低。（凝点——油液完全失去其流动性的最高温度）（8）对人体无害，对环境污染小，成本低，价格便宜总之：粘度是第一位的。课题2

液压流体力学基础模块一3、液压油的选用

（1）选择液压油品种

1）机械油2）精密机床液压油（抗磨）3）气轮机油4）变压器油等

（2）液压油选择

首先根据工作条件（工作部件运动速度v、工作压力p、环境温度T）和元件类型选择油液品种，然后根据粘度选择牌号。

1）工作部件运动速度慢速、工作压力高、环境温度高：选大μ（以降低泄漏△q）；

2）工作部件运动速度快速、工作压力低、环境温度低：选小μ（以降低功率损失△P）。课题2

液压流体力学基础模块一气轮机油变压器油课题2

液压流体力学基础模块一机械油精密机床液压油二、

流体静力学研究内容：研究液体处于静止状态的力学规律和这些规律的实际应用。静止液体：指液体内部质点之间没有相对运动，至于液体整体完全可以象刚体一样做各种运动。

（一）液体的静压力及特性1、液体的静压力定义液体单位面积上所受的法向力，物理学中称压强，液压传动中习惯称压力。2、液体静压力特性（1）垂直并指向于承压表面∵液体在静止状态下不呈现粘性∴内部不存在切向剪应力而只有法向应力（2）各向压力相等∵有一向压力不等，液体就会流动∴各向压力必须相等课题2

液压流体力学基础模块一（二）液体静力学基本方程式

在重力作用下静止液体的受力情况可用下图表示。平衡方程为：

∵

pdA=p0

dA+G

=p0

dA+ρghdA∴p=p0+ρgh

重力作用下静止液体压力分布特征（1）静止液体中任一点处的压力由两部分组成：液面压力p0+液体自重所形成的压力ρgh；（2）静止液体内压力沿液深呈线性规律分布；（3）离液面深度相同处各点的压力均相等，压力相等的点组成的面叫等压面。课题2

液压流体力学基础模块一重力作用下静止的液体（三）压力的表示方法及单位

1、测压两基准绝对压力：以绝对零压为基准所测。相对压力：以大气压力为基准所测。2、关系

（1）绝对压力=大气压力+相对压力

（2）相对压力（表压）=绝对压力–大气压力（注：液压传动系统中所测压力均为相对压力即表压力）

（3）真空度=大气压力–绝对压力在SI中压力的单位为N/m2，称为帕斯卡，用Pa表示。在工程上采用工程大气压。1at（工程大气压）＝1kg/cm2＝9.8×104N/m2≈105Pa＝0.1Mpa。课题2

液压流体力学基础模块一1、根据帕斯卡原理（静压传递原理）：

在密闭容器内，液体表面的压力可等值传递到液体内部所有各点。在液压传动系统中，通常是外力产生的压力要比液体自重（ρgh）所产生的压力大得多。因此可把式中的ρgh略去，而认为静止液体内部各点的压力处处相等。2、液压系统压力形成

如下图所示：p=F/A

当F=0时，p=0，当F增大时，p升高，当F减小时，

p下降。结论：液压系统的工作压力决取于负载，并且随着负载的变化而变化。

（四）静压传递原理课题2

液压流体力学基础模块一系统负载与压力的关系（五）液体对固体壁面的作用力

1、作用在平面上的总作用力

当承受压力的表面为平面时，液体对该平面的总作用力F为液体的压力与受压面积A的乘积，其方向与该平面相垂直。如：液压缸，若设活塞直径为D，则P=p·A=p·πD2/42、作用在曲面上的总作用力

Fx=p·Ax结论：曲面在某一方向上所受的作用力，等于液体压力与曲面在该方向的垂直投影面积之乘积。课题2

液压流体力学基础模块一液体对固体壁面的作用力课题2

液压流体力学基础模块一三、

流体动力学（一）基本概念1、理想液体与恒定流动

（1）理想液体通常把既无粘性又不可压缩的液体称为理想液体，而把事实上既有粘性又可压缩的液体称为实际液体。

（2）恒定流动液体流动时，若液体中任何一点的压力、流速和密度都不随时间而变化，这种流动称为定常流动。反之，则称为非定常流动。2、流线、流束和通流截面

（1）流线表示某一瞬时液流中各处质点运动状态的一条条曲线。

（2）流束通过某一截面上各点流线的集合。

（3）通流截面垂直于液体流动方向的截面称为通流截面。流线和流束（2）平均流速

A—通流截面面积；—流量，在液压传动中，流量单位为或—液体的体积；—通过体积所需要的时间，课题2

液压流体力学基础模块一3、流量和平均流速（1）流量单位时间内流过某通流截面的液体体积称为流量。液压缸的运动速度v=q/Aq=0v=0q↑v↑q↓v↓结论：液压缸的运动速度取决进入液压缸的流量，并且随着流量的变化而变化。课题2

液压流体力学基础模块一液压缸的运动速度（2）雷诺数一般用来作为判别液流状态的依据，称为临界雷诺数记作。当>为紊流，<为层流。4、层流、紊流、雷诺数（1）液体的流态层流时，液体质点沿管道作直线运动而没有横向运动，即液体作分层流动，各层间的液体互不混杂。紊流时，液体质点的运动杂乱无章，除沿管道轴线运动外，还有横向运动等复杂状态。

课题2

液压流体力学基础模块一雷诺实验装置及液体流动状态课题2

液压流体力学基础模块一1、连续性原理

在一般情况下，可认为液体是不可压缩的。当液体在管道内作稳定流动时，根据质量守恒定律，管内液体的质量不会增多也不会有减少，所以在单位时间内流过每一通流截面的液体质量必然相等。

2、连续性方程

液流的连续性原理

（二）连续性方程

课题2

液压流体力学基础模块一结论：1、在同一管路中，无论通流面积怎样变化，只要液体是连续的，即没有空隙，没有泄漏，液体通过任一截面的流量是相等的。2、同一管路中通流面积大的地方液体流速小，通流面积小的地方则液体流速大。当通流面积一定时，通过液体的流量越大，其流速也越大。课题2

液压流体力学基础模块一（三）伯努利方程(能量方程)

1、理想液体的伯努利方程

（1）能量守恒定律：理想液体在管道中稳定流动时，根据能量守恒定律，同一管道内任一截面上的总能量应该相等。或：外力对物体所做的功应该等于该物体机械能的变化量。（2）推导过程：

1）外力对液体所做的功W=p1A1v1dt-p2A2v2dt=(p1-p2)V课题2

液压流体力学基础模块一伯努利方程示意图

2）机械能的变化量位能的变化量：∆Ep=mg∆h=ρgV(z2-z1)

根据能量守恒定律，则有：W=∆Ep+∆Ek

(p1-p2)V=ρgV(z2-z1)+ρV(v22-v12)/2

整理后得：p1+ρgz1+ρv12/2=p2+ρgz2+ρv22/2

或p/ρg+z+v22/2g=C（c为常数）

（3）物理意义为：在管内作稳定流动的理想液体的压力能、位能和动能三种形式的能量，在任一截面上可以互相转换，但其总和却保持不变。

（4）应用伯努利方程时必须注意的问题

1）断面1、2需顺流向选取，且应选在缓变的过流断面上。

2）断面中心在基准面以上时，z取正值；反之取负值。通常选取特殊位置的水平面作为基准面。

课题2

液压流体力学基础模块一课题2

液压流体力学基础模块一2、实际液体的伯努利方程

实际液体具有粘性，在管中流动时，为克服粘性阻力需要消耗能量，所以实际液体的伯努利方程为：

式中

—以水头高度表示的能量损失。

—为因流速不均匀引起的动能修正系数。（层流；紊流）

课题2

液压流体力学基础模块一（四）动量方程

动量定理：作用在物体上的外力等于物体单位时间内动量的变化量。即∑F=d（mv）/dt考虑动量修正问题，则有：即∑F=ρq(β2v2-β1v1)（层流：β=1.33；紊流β=1）X向动量方程：∑Fx=ρq(β2v2x-β1v1x)X向稳态液动力：F'x=-∑Fx=ρq(β1v1x-β2v2x)结论：作用在滑阀阀芯上的稳态液动力总是力图使阀口关闭。课题2

液压流体力学基础模块一动量方程示意图四、管路中液体的压力损失

（一）沿程压力损失

1、定义:

液体沿等径直管流动时，由于液体的粘性摩擦和质点的相互扰动作用，而产生的压力损失。2、产生原因：内摩擦—因粘性，液体分子间摩擦；外摩擦—液体与管壁间。课题2

液压流体力学基础模块一圆管层流速度分布示意图3、流速分布规律

4、圆管层流的流量

液体在圆管中作层流运动时，速度对称于圆管中心线分布。在某一压力降Δp=p1-p2的作用下，液流流速沿圆管半径呈抛物线规律分布，当r＝0时，即圆管轴线上，流速最大，当r＝R时，流速为零。速度分布表达式为课题2

液压流体力学基础模块一—管道内径；

—圆管长度；5、圆管沿程压力损失

—沿程阻力系数（理论值64/Re），油液在金属管路中流动时取在橡胶软管中流动时，取—油液的平均流速；—油液密度。结论：液流沿圆管作层流运动时，其沿程压力损失与管长、流速、粘度成正比，而与管径的平方成反比。课题2

液压流体力学基础模块一（二）局部压力损失1、定义：

局部压力损失是指液流流经截面突然变化的管道、弯管、管接头以及控制阀阀口等局部障碍时引起的压力损失。

2、产生原因：碰撞、旋涡（突变管、弯管)产生附加摩擦附加摩擦：只有紊流时才有，是由于分子作横向运动时产生的摩，即速度分布规律改变，造成液体的附加摩擦。课题2

液压流体力学基础模块一3、计算

式中

—液流平均流速；—局部阻力系数，具体数据可查阅有关液压传动设计手册。

液流通过各种阀的局部压力损失，可由阀的产品目录中查到。

液压系统的管路通常由若干段管道和一些弯头、控制阀和管接头等组成，因此管路系统总的压力损失等于所有直管中的沿程压力损失及局部压力损失之总和。(三)管路系统总压力损失

即

注意：应用上式计其总压力损失时，只有在两个相邻的局部障碍之间有足够距离时才能简单相加。因为液流经过局部障碍后受到很大的扰动，要经过一段距离后才能稳定。课题2

液压流体力学基础模块一1、总压力损失△p2、减小△p的措施（1）尽量减小L，减小管路的突变。（2）提高加工质量，力求管壁光滑。（3）提高通流面积A，减小速度v，v的影响最大。

又因为△p正比于v2，v过高△p增大；而当速度v过低，尺寸会增大，成本也将提高，所以v合适，一般有推荐流速可供参考，见有关手册。五、液体流经孔口及缝隙的特性—压力特性孔口分类

薄壁小孔l/d≤0.5

细长小孔

l/d>4

短孔

0.5<l/d≤4

液体流经小孔的情况可分为薄壁小孔、短孔和细长孔。课题2

液压流体力学基础模块一L-小孔的长度D-小孔的直径(一)液体流经小孔口的特性—压力特性式中：——流量系数，1、薄壁小孔的流量压力特性列伯努利方程：选轴线为参考基准，则zl＝z2

可略而不计

故

代入，并令液体流经薄壁小孔的平均速度为课题2

液压流体力学基础模块一令为小孔流速系数，则流经小孔的流量为薄壁小孔的流量压力特性2、短孔和细长孔的流△压力特性（1）短孔的流量压力特性仍可用薄壁小孔的流量计算，但其流量系数应由图查出。短孔加工比薄壁小孔容易，故常作为固定的节流器使用。式中：A—细长孔截面积，A＝C—系数，/4；

C＝课题2

液压流体力学基础模块一（2）细长孔的流量压力特性液流在细长孔中的流动一般为层流，其流量压力特性：（2）系数C与粘度有关，流量q受液体粘度变化的影响较大，故温度变化而引起液体粘度变化时，流经细长孔的流量也发生变化。（3）细长孔较易堵塞，这些特点都与薄壁小孔不同。结论：（1）液体流经细长孔的流量q与其前后压力差的一次方成比。（二）液体流经缝隙的流量—压力特性如图所示为两固定平行平板间隙，缝隙高δ，长度为，宽度为b和一般比δ大得多。经理论推导可得出液体流经该平板缝隙的流量为

由上式可知：液体流经两固定平行平板缝隙的流量q与缝隙δ的三次方成正比。

课题2

液压流体力学基础模块一1、液体流经平行平板缝隙的流压力特性（1）固定平行平板缝隙

若一个平板以一定速度v相对另一固定平板运动，通过该缝隙的流量为

（2）相对运动平行平板缝隙流

在压差作用下，液体流经相对运动平行平板缝隙的流量应为压差流动和剪切流动两种流量的叠加，即上式中，平板运动速度与压差作用下液体流向相同时取“＋”号，反之取“-”号。课题2

液压流体力学基础模块一2、液体流经环形缝隙的流量压力特性式中：D＝2R为大圆直径；d＝2r为小圆直径；为无偏心时环形缝隙值。如果内外环间无相对运动，则课题2

液压流体力学基础模块一通过该缝隙的流量为六、液压冲击和气穴现象1、液压冲击（1）液压冲击：在液压系统中，由于某种原因，液体压力在一瞬间突然升高，产生很高的压力峰值，这种现象称为液压冲击。（2）液压冲击引起的结果∵液压冲击峰值压力>>工作压力∴引起振动、噪声、导致某些元件如密封装置、管路等损坏；使某些元件（如压力继电器、顺序阀等）产生误动作，影响系统正常工作。

课题2

液压流体力学基础模块一（3）液压冲击的类型：1）液流通道迅速关闭或液流方向突然改变使液流速度的大小或方向突然变化时，由液流的惯性力引起的液压冲击。可采取以下措施来减少