液壓與氣壓傳動技術

課程的性質和任務

《液壓與氣動》課程是機電類專業及近機類專業的一門重要專業基礎課和必修課。

通過本課程的學習，完成以下任務：1、掌握液壓傳動的基礎理論知識；2、掌握常用的液壓元件的工作原理，結構特點、性能和用途；3、熟悉液壓的基本回路；4、對幾種典型的液壓系統的剖析，具備閱讀并分析液壓系統原理圖的能力；5、初步掌握設計一般液壓系統的能力.

課程的考核平時成績30％：平時作業及表現20％＋實驗10％期末考試（閉卷）：70％

一部完整的機器由原動機部分、傳動裝置、控制部分、工作機部分（含輔助裝置）組成。第1章液壓傳動和流體力學基礎1.1.1液壓傳動的概念原動機工作機傳動裝置控制部分+→→如電動機、內燃機等完成機器工作任務的直接工作部分，如車床的刀架、汽車的車輪等由于原動機的功率和轉速變化范圍有限，為了適應工作機的工作力和工作速度變化以及性能的要求，在原動機和工作機之間設置了傳動機構。機械傳動：通過齒輪傳動、帶傳動等機械零件直接把動力傳送到執行機構。

傳動裝置用來傳遞運動和動力，通常分為機械傳動、電氣傳動和流體傳動。電氣傳動：利用電力設備，通過調節電參數來傳遞或控制動力。流體傳動：以流體為工作介質進行能量轉換、傳遞和控制的傳動。包括液壓傳動和氣壓傳動。一液壓傳動的基本概念液體流體氣體即液壓液，幾乎不可壓縮，相應的系統稱為液壓系統即壓縮氣體，具有較大的可壓縮性，相應的系統稱為氣動系統流體傳動：一液壓傳動的基本概念液力傳動：利用動能，如水利發電的蝸輪機液壓傳動：利用動能

以液壓千斤頂為例，介紹液壓傳動的工作原理。1.1.2液壓傳動的工作原理特點（1）使用具有一定壓力的液體來傳動（2）傳動過程中必須經過兩次能量轉換（3）傳動必須在密封容器內進行，而且容積要發生變化

二液壓傳動的工作原理液壓傳動的工程應用實例

炮塔穩定、海底石油探測平臺固定、礦井支承、礦山風鉆、火車剎車裝置、液壓裝載、起重、挖掘、軋鋼機、數控機床、多工位組合機床、全自動液壓車床、液壓機械手等。

第二節液壓傳動系統的組成及元件的總體布局機床工作臺液壓系統液壓缸：帶動工作臺（圖中未示出）左、右往復運動油箱：儲存液壓液液壓泵：由電動機（圖中未示出）驅動換向閥：改變工作臺運動方向過濾器：去除雜質開停閥：開停作用機床工作臺液壓系統1.動力元件（裝置）：一、液壓傳動系統的組成

把機械能轉換成油液液壓能的裝置。液壓泵，向系統提供壓力油。2.執行元件：

把油液的液壓能轉換成機械能的元件。

如作直線運動的液壓缸，作旋轉運動的液壓馬達。一、液壓傳動系統的組成3.控制調節元件：

對系統中油液壓力、流量和流動方向進行調節和控制的元件。

如溢流閥、節流閥、換向閥等。一、液壓傳動系統的組成機床工作臺液壓系統溢流閥：將多余的油液排回油箱

當管中油液對溢流閥鋼球的作用力等于或略大于溢流閥彈簧的預緊力時，油液頂開鋼球流回油箱。機床工作臺液壓系統

開大節流閥，進入液壓缸的油液增多，工作臺的移動速度變快；反之，工作臺的移動速度就慢。節流閥：調節輸入液壓缸油液的流量4.輔助元件：

系統中除上述三部分以外的其它元件。

如油箱、過濾器、油管等。一、液壓傳動系統的組成

主要包括能源裝置、執行元件、控制調節元件、輔助元件等四部分。小結：以機床工作臺液壓系統為例。一、液壓傳動系統的組成

使用國家標準的“液壓與氣動”圖形符號，簡單明了，容易繪制。（見附錄）

左圖是一種半結構的工作原理圖，直觀性強，容易理解，但繪制較麻煩。二、液壓傳動系統的圖形符號二、液壓傳動系統的圖形符號圖形符號

只表示元件功能，不表示元件結構和參數。如：油箱（四處）液壓缸二、液壓傳動系統的圖形符號圖形符號如：液壓泵過濾器（氣壓泵三角形不涂黑）（形象）二、液壓傳動系統的圖形符號圖形符號溢流閥節流閥（中間窄，表示節流；有箭頭表示可調節，無箭頭表示不可調節）如：二、液壓傳動系統的圖形符號圖形符號換向閥（X位X通：方框表示位置，有二位、三位；各口表示通路，有二、三、四、五通）如：二、液壓傳動系統的圖形符號圖形符號學習重點，邊學邊記要求二、液壓傳動系統的圖形符號三、系統元件的總體布局1、集中式（液壓站）

將液壓系統的供油裝置、控制調節裝置獨立于主設備之外，單獨設置一個液壓站2、分散式將液壓系統的供油裝置、控制調節裝置分散在主設備的各處。

四、液壓與氣壓傳動的特點1.功率-質量比大、力-質量比大：同等體積下，液壓裝置能產生更大的動力，即同等功率下，液壓裝置的體積小、重量輕、結構緊湊；一、液壓傳動的6優點2.液壓裝置易做到對速度的無級調節，而且調速范圍大，可在工作中對速度進行調節；3.液壓裝置工作平穩，換向沖擊小，便于實現頻繁換向；優點4.易于實現過載保護，能自潤滑，使用壽命長；5.易于自動化，對液體的流向、壓力和流量調節和控制很方便，并能很容易地和電氣、電子控制或氣壓傳動控制結合，實現復雜運動和操作；6.液壓元件易于實現系列化、標準化和通用化，便于設計、制造和推廣使用。優點1.工作過程中有能量損失（摩擦損失、泄漏損失等），不易保證嚴格的傳動比。液壓傳動的4缺點2.對油溫變化較敏感，工作穩定性易受到溫度的影響，不宜在很高或很低的溫度下工作。3.為減少泄漏，液壓元件的制造精度要求較高，造價較貴，對工作介質的污染較敏感。缺點4.不易找出故障原因。一、液壓油的用途和種類1、液壓油的用途

(1)傳遞運動與動力

(2)潤滑

(3)密封

(4)冷卻。第1節液壓油2、液壓油的種類

主要分為二大類型：

礦物油系液壓油耐火性液壓油二、液壓油的主要性質1、密度

單位體積液體的質量，即礦物油系工業液壓油，密度約0.85～0.95，W/O型密度約0.92～0.94；O/W型密度約1.05～1.1。2、可壓縮性

液體受壓力作用而發生體積減小的性質稱為液體的可壓縮性。

二、液壓油的主要性質3、粘性1）粘性的定義

液體在外力作用下流動時，分子間的內聚力要阻止分子間的相對運動，因而產生一種內摩擦力，稱為液體的粘性。圖1-11液體的粘性示意圖二、液壓油的主要性質二、液壓油的主要性質2）粘性的度量

粘性大小用粘度表示。常用的粘度有三種，即動力粘度、運動粘度和相對粘度。二、液壓油的主要性質

動力粘度即絕對粘度。

動力粘度的法定計量單位為Pa·s（帕·秒，N·s/m2）。（１）動力粘度二、液壓油的主要性質(2)運動粘度

在相同溫度下，液體的動力粘度和它的密度的比值稱為運動粘度二、液壓油的主要性質(2)運動粘度

運動粘度的計量單位是m2/s，常用單位為St（斯）和cSt（厘斯）

1m2/s=106mm2/s=106cSt

液壓油的牌號，采用液壓油在40℃溫度下運動粘度平均cSt(厘斯)值來標號。如某一種牌號L-HL22普通液壓油，是指其在40℃時運動粘度平均值為22cSt。

二、液壓油的主要性質3）粘度和壓力的關系

壓力增大時，液壓油粘度增大。在一般液壓系統使用的壓力范圍內，液壓油粘度隨壓力增大的數值很小，可以忽略不計。二、液壓油的主要性質4）粘度和溫度的關系

液壓油粘度對溫度的變化十分敏感，這種油的粘度隨溫度變化的性質，稱為粘溫特性。

圖1-12幾種國產液壓油的粘度—溫度曲線粘度和溫度的關系三、對液壓油的基本要求和選用在選擇粘度時應注意以下幾方面的情況：

1）根據液壓泵的類型選用（液壓系統的工作條件）

2）根據液壓系統工作壓力選用

3）根據液壓系統的環境溫度選用

4）綜合經濟分析1.4.3液壓油的選擇第五節流體靜力學基礎

流體靜力學主要是討論流體靜止時的平衡規律以及這些規律的應用。“流體靜止”指的是流體內部質點間沒有相對運動，不呈現粘性而言。第五節流體靜力學基礎一、流體靜壓力及其特性

1.壓力的定義

靜壓力:是指液體處于靜止狀態時,其單位面積上所受的法向作用力。若包含液體某點的微小面積ΔA上所作用的法向力為ΔF，則該點的靜壓力p定義為：

若法向力F均勻地作用在面積A上，則壓力可表示為:第五節流體靜力學基礎2.壓力的表示方法及單位一、流體靜壓力及其特性

相對壓力（表壓力）:

以大氣壓力為基準，測量所得的壓力.

是高于大氣壓的部分絕對壓力:

以絕對零壓為基準測得的壓力絕對壓力=相對壓力+大氣壓力第五節流體靜力學基礎2.壓力的表示方法及單位一、流體靜壓力及其特性

真空度:

絕對壓力小于大氣壓時,相對壓力負值部分叫做真空度。即真空度=大氣壓-絕對壓力=-(絕對壓力-大氣壓)第五節流體靜力學基礎2.壓力的表示方法及單位一、流體靜壓力及其特性

如左圖，當以大氣壓為基準計算壓力時，基準以上的正值是表壓力，基準以下的負值就是真空度。第五節流體靜力學基礎2.壓力的表示方法及單位一、流體靜壓力及其特性

法定單位:牛頓/米2(N/m2)即帕（Pa）

單位換算:1MPa=106Pa第五節流體靜力學基礎一、流體靜壓力及其特性

3.液體的靜壓力特性液體的靜壓力具有兩個重要特性：（1)液體靜壓力的方向總是作用面的內法線方向。（2)靜止液體內任一點的液體靜壓力在各個方向上都相等。第五節流體靜力學基礎二、流體靜力學基本方程及其應用

液體靜壓力基本方程:反映了在重力作用下靜止液體中的壓力分布規律。

p是靜止液體中深度為h處的任意點上的壓力,p0為液面上的壓力，若液面為與大氣接觸的表面，則p0等于大氣壓p。1、流體靜力學基本方程

第五節流體靜力學基礎二、流體靜力學基本方程及其應用

(1)靜止液體內任一點處的壓力由兩部分組成，一部分是液面上的壓力p0，另一部分是ρg與該點離液面深度h的乘積。

(2)同一容器中同一液體內的靜壓力隨液體深度h的增加而線性地增加。

(3)連通器內同一液體中深度h相同的各點壓力都相等。由壓力相等的點組成的面稱為等壓面。重力作用下靜止液體中的等壓面是一個水平面。1、流體靜力學基本方程

第五節流體靜力學基礎2、靜力學基本方程的物理意義二、流體靜力學基本方程及其應用

靜止液體中單位質量液體的壓力能和位能可以互相轉換，但各點的總能量保持不變，即能量守恒，這就是靜力學基本方程式中包含的物理意義。

第五節流體靜力學基礎二、流體靜力學基本方程及其應用

3、靜力學基本方程的應用【例1-1】如圖所示，容器內盛有油液。已知油的密度ρ=900kg/m3，活塞上的作用力F=1000N，活塞的面積A=1×10-3m2，假設活塞的重量忽略不計。問活塞下方深度為h=0.5m處的壓力等于多少？第五節流體靜力學基礎二、流體靜力學基本方程及其應用

3、靜力學基本方程的應用解活塞與液體接觸面上的壓力均勻分布，有

根據靜力學基本方程式，深度為h處的液體壓力為第五節流體靜力學基礎三、帕斯卡原理

在密閉容器內，施加于靜止液體上的壓力將以等值同時傳到液體內部所有各點。這就是靜壓傳遞原理或稱帕斯卡原理。即液壓系統中的壓力是由外界負載決定的，而與流入的流體多少無關。

第五節流體靜力學基礎三、帕斯卡原理【例1-2】圖1-17所示為相互連通的兩個液壓缸，已知大缸內徑D=100mm，小缸內徑d=20mm，大活塞上放一質量為5000kg的物體。問:在小活塞上所加的力F有多大才能使大活塞頂起重物？第五節流體靜力學基礎三、帕斯卡原理解物體的重力為

G=mg=5000kg×9.8m/s2

=49000kg·m/s2=49000N

根據帕斯卡原理，因為外力產生的壓力在兩缸中均相等，即第六節流體動力學基礎

本節主要討論液體在外力作用下流動時的運動規律,即討論作用在液體上的力與液體運動之間的關系以及能量關系。一、基本概念1、理想液體和定常流動1）理想液體:既不可壓縮又無粘性的液體2）定常流動：液體流動時，若液體中任何一點的壓力、速度和密度都不隨時間而變化，則這種流動就稱為定常流動(恒定流動或非時變流動)。3）非定常流動：只要壓力、速度和密度中有一個隨時間而變化，液體就是作非定常流動(非恒定流動或時變流動)。圖1-18定常流動和非定常流動

一、基本概念1、理想液體和定常流動一、基本概念2、流線和通流截面1）流線：是表示某一瞬時液流中各處質點運動狀態的一條條曲線，在此瞬時，流線上各質點速度方向與該線相切，流線只能是一條光滑的曲線。2）通流截面：流束中與所有流線正交的截面稱為通流截面，截面上每點處的流動速度都垂直于這個面。液體在管道中流動時存在兩種不同狀態，即層流和紊流，可通過實驗觀察，如圖所示。圖1-17層流和紊流實驗

一、基本概念3、層流、紊流和雷諾數雷諾實驗雷諾實驗第四節定常管流的壓力損失計算3、層流、紊流和雷諾數一、基本概念雷諾數：由平均流速、管徑d、液體的運動粘度所組成的一個無量綱純數，用Re表示。

當液流的雷諾數Re小于臨界雷諾數時，液流為層流；反之為紊流。一、基本概念4、流量和平均流速1）流量:單位時間內流過某通流截面的流體體積

單位:米3/秒(m3/s)

常用單位：升/分（L/min）2）通流截面上的平均流速:液壓缸的運動速度A

vv=q/Aq=0v=0q

q↑v↑q↓v↓

結論：液壓缸的運動速度取決于進入液壓缸的流量，并且隨著流量的變化而變化。二、連續性方程

(1-8)（質量相等）

不變（體積不變）

不變（流量不變）

二、連續性方程【例1-3】已知，圖1-21所示中，小活塞的面積A1=10cm2，大活塞的面積A2=100cm2，管道的截面積A3=2cm2。小活塞以υ1=1m/min的速度向下移動時，求大活塞上升的速度υ2，管道中液體的流速υ3。二、連續性方程解由連續性方程有

圖1-22伯努利方程

三、伯努利方程(能量方程)能量守恒定律在流動液體中的表達形式三、伯努利方程(能量方程)1、理想液體的伯努利方程物理意義：在密閉管道內作定常流動的理想液體，具有三各形式的能量，即壓力能、位能和動能，在沿管道流動的過程中，三種形式的能量可以相互轉化，但在任一截面處，其能量的總和為一常數。

2、實際液體的伯努利方程三、伯努利方程(能量方程)