第1章-液压与气压传动基本知识

液压与气压传动绪论机车车辆教研室何剑高铁学院2课程介绍考试课考核方式：期末考试70%平时作业30%高铁学院3轮对轴承压装机高铁学院4高铁学院5绪论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。学习目标1．了解液压与气压传动系统的基本结构组成；2．了解液压与气压传动的基本工作原理。利用各种液压与气动元件组成不同功能的基本回路，再由若干个基本回路有机地组合成能完成一定控制功能的动系统，以满足机电设备对各种运动和动力的要求。传动传动—传递运动和动力的方式常见传动机械电气气体流体液力—流力（动量矩定理）液体*液压—物理（帕斯卡原理）液压和气压传动液压传动—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发展应用第一阶段：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，并首先应用于机床。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。应用举例如：火炮跟踪、飞机和导弹的驱动、炮塔稳定、海底石油探测平台固定、煤矿矿井支承、矿山用的风钻、火车的刹车装置、液压装载、起重、挖掘、轧钢机组、数控机床、多工位组合机床、全自动液压车床、液压机械手等。高铁学院12一、液压与气压传动的工作原理（1）液压千斤顶工作原理：1、液压传动的工作原理由液压千斤顶的工作过程可知，小液压缸与单向阀4和7一起完成吸油与压油，将杠杠的机械能转换为油液的压力能输出，称为（手动）液压泵。大液压缸将油液的压力能转换为机械能输出，顶起重物，称为执行元件。大、小液压缸组成了最简单的液压系统，实现了运动和动力的传递。高铁学院13由油箱1、过滤器2、液压泵3、溢流阀4、换向阀5、节流阀6、换向阀7、液压缸8以及连接这些元件的油管、接头等组成。（2）机床工作台液压系统结构原理工作原理：电动机驱动液压泵旋转，从油箱经过滤器吸油，泵输出的压力油→换向阀5→节流阀6→换向阀7→液压缸8左腔，推动活塞使工作台9向右运动。液压缸8右腔油液→换向阀7→回油管①→油箱。高铁学院14将换向阀手柄转换成图ｂ所示状态，压力油→换向阀7→液液压缸右腔；液压缸左腔→换向阀7→回油管①→油箱。推动活塞使工作台向左运动。工作台速度由节流阀6来调节。改变节流阀开口大小，可以改变进入液压缸的流量，从而控制液压缸活塞的运动速度。工作台受到的各种阻力越大，缸中的油液压力就越高；阻力小，压力就低。这就说明了液压传动的一个基本原理，即压力取决于负载。溢流阀的作用是调节和稳定系统的最大工作压力，并溢出定量泵多余的油液。将换向阀5手柄转换成图ｃ所示状态，泵输出的压力油→换向阀5→回油管③→油箱。工作台停止运动，系统处于卸荷状态。高铁学院15目前各国均用元件的图形符号来绘制液压和气压系统图。这些符号只表示元件的职能及连接通路，而不表示其结构和性能参数。液压系统的图形符号图GBT786.1-2009流体传动系统及元件图形符号和回路图高铁学院162.气压传动的工作原理气动剪切机的工作原理空压机1输出的压缩空气→冷却器2→油水分离器3（降温及初步净化）→贮气罐4→分水滤气器5（再次净化）→减压阀6→油雾器7→换向阀9→气缸10。此时换向阀Ａ腔压缩空气将阀心推到上位，使气缸上腔充压，活塞处于下位，剪口张开，处于预备工作状态。高铁学院17当送料机构将工料11送入剪切机到达规定位置时，工料将阀8的阀心向右推动，阀Ａ腔经阀8与大气相通，换向阀阀心在弹簧的用下移到下位，气缸上腔与大气连通，下腔与压缩空气连通。此时活塞带动剪刀快速向上运动将工料切下。工料被切下后，即与行程阀脱开，行程阀阀心在弹簧作用下复位，将排气口封死，换向阀Ａ腔压力上升，阀心上移，气路换向。气缸上腔进压缩空气，下腔排气，活塞带动剪刀向下运动，系统又恢复到图示预备状态，待第二次进料剪切。想一想想一想你在日常生活中见到过哪些是用液压或气压传动的机械设备？试举出几个实例说明。高铁学院18从上面例子可以看到：液压泵（空气压缩机）将电动机的机械能转换为流体的压力能，然后通过液压缸或液压马达（气缸或气马达）将流体的压力能再转换为机械能以推动负载运动。液压与气压传动的过程：机械能（电动机）液体压力能（液压泵，空压机）机械能（液压（气）缸，液（气）马达）高铁学院19二、液压与气压传动系统的组成（1）能源装置：把机械能转换成流体的压力能装置。一般常见的是液压泵或空气压缩机。（2）执行元件：把流体的压力能转换成机械能的装置。可以是作直线运动的液压缸或气缸，也可与是作回转运动的液压马达或气压马达。（3）控制调节元件：对系统中流体压力、流量和流动方向进行控制和调节的装置。例如溢流阀、流量阀、换向阀等。（4）辅助元件：保证系统正常工作所需的上述三种以外的装置。如油箱、过滤器、分水滤气器、油雾器、消声器、蓄能器、管件等。（5）传动介质：传递能量的流体，即液压油或压缩空气。高铁学院20三、液压与气压传动的优缺点与机械传动和电力拖动系统相比液压与气压传动具有以下优缺点:1.液压与气压传动的优点:2.液压与气压传动的缺点:总的来说，液压与气压传动的优点是主要的，其缺点将随着科学技术的发展不断得到克服。例如，将液压传动、气压传动、电力传动、机械传动合理地联合使用，构成气—液，电—液（气），机—液（气）等联合传动，以进一步发挥各自的优点，弥补某些不足，因此，在工程实际中得到了广泛应用。3.液压与气压传动的各自特点：高铁学院21液压传动在机床、工程机械、矿山机械、压力机械和航空工业等领域得到广泛应用。液压技术正向高压、高速、大功率、节能高效、低噪声、长寿命、高集成化等方面发展。同时，液压元件和液压系统的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助测试（CAT）、计算机实时控制也是当前液压技术的发展方向。气压传动在电子工业、包装机械、印染机械、食品机械等领域应用广泛。气动控制技术以提高系统的可靠性、降低总成本为目标，研究和开发系统控制技术和机、电、液、气综合技术。显然，气动元件的微型化、节能化、无油化、位置控制高精度化以及与电子相结合的应用元件是当前的发展特点和研究方向。四、了解液压与气动技术的应用和发展高铁学院22第一章液压液压与气压传动基本知识学习目标1.液压油的物理性质；2.液压传动的基本原理，即连续性方程和伯努力方程，液体流经管路的压力损失等;3.液压油的选用;4.空气的基本性质及气压传动对工作介质的要求。液压传动的工作介质是液体。最常用的是液压油。此外还有乳化型传动液和合成型传动液等。气压传动的工作介质是压缩空气。高铁学院23主要内容流体静力学基础●流体的主要物理性质●●流体动力学基础●流体流动时的压力损失●流体流经孔口和缝隙的流量●液压冲击和空穴现象●高铁学院24一、密度式中—液体的质量（kg）；—液体的体积（m³）。mV液体的密度：单位体积液体的质量，即Vm（1—1）第一节液体的主要物理性质矿物油型液压油的密度随温度的上升而有所减小，随压力的提高而稍有增加，但变动值很小，可忽略不计。常用液压油的密度为。3/900mKg高铁学院251.粘性的意义二、粘性液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产生一种内摩擦力，这种现象叫液体的粘性。液体只有在流动（或有流动趋势）时才会呈现出粘性，粘性使流动液体内部各处的速度不相等，静止液体不呈现粘性。高铁学院262.液体的粘度流体粘性的大小用粘度来表示。（1）动力粘度：动力粘度又称绝对粘度，它是表征流体流动层间单位面积上产生的内摩擦力，单位为N.S/m²或Pa·s（帕·秒）。（2）运动粘度是动力粘度与其密度的比值，即，单位为。(液压油牌号命名以40℃时的运动粘度为依据，)/sm/2(3）相对粘度（又称条件粘度）根据测量仪器和条件美国采用赛氏粘度（SSU）；英国采用雷氏粘度（R）；我国和一些欧洲国家采用恩氏粘度ºE。恩氏粘度ºE用恩氏粘度计测定。高铁学院273.粘度与温度的关系液压油粘度对温度的变化十分敏感。图示：温度升高，粘度下降。油液粘度随温度变化的质称为粘温特性。不同种类的液压油有不同的粘温特性。温度↑，粘度↓，元件之间相对摩擦↑，密封性能↓由图可见，温度对液压油粘度影响较大，必须引起重视。高铁学院283.粘度与温度的关系液压油粘温特性用粘度指数Ⅵ来表示。粘度指数越大，粘度随温度变化率越小，粘度指数越好，介质种类粘度指数VI介质种类粘度指数VI石油基液压油L－HM石油基液压油L－HR石油琪液压油L－HG≥95≥160≥90油包水乳化液L－HFB水－乙二醇液L－HFC磷酸酯液L－HFDR130~170140~170－31~170表1-2典型工作介质的粘度指数VI高铁学院29液体受压力作用而使其体积发生变化的性质，称为液体的可压缩性。对于一般液压系统压力不高时，液体的可压缩性很小，因此可认为液体是不可压缩的，在压力变化很大的高压系统中，以及当液体混入空气时，其可压缩将显著增加，就必须考虑液体可压缩性的影响。三、液体的可压缩性空气由78%的氮气、21%氧气、15%其他气体以及一些水蒸气组成。含水蒸气的空气称湿空气；不含水蒸气空气称干空气。空气干湿程度对系统的稳定和寿命有直接影响。空气体积受温度压力的影响较大，有可压缩性。温度和压力越高，压缩性越大。只有在气流速度较低，温度变化不大，可将气体看作不可压缩。体积小、阻力大的流通部件为气阻。如节流阀。传动系统中储存或放出气体的空间称为气容。如管道、气缸、气罐等。为提高气压信号传输速度应限制气容；为延时、缓冲应设置气容气压设备在工作时，常出现气体的高速流动，而产生噪声。噪声的强弱与排气量、排气速度、排气通道的形状有关。四、空气的基本性质高铁学院31想一想（2）液压油的粘度是否受温度的影响？如何影响？举例说明。（1）把分别盛有水和某种油液的两个容器放在桌面上，试问这两种液体哪种粘度大？为什么？高铁学院321）适当的粘度，较好的粘温特性。2）润滑性能好。在工作压力和温度发生变化时，应具有较高的油膜强度。3）成分纯，杂质少。4）对金属和密封件有良好的相容性。5）具有良好的化学稳定性和热安定性，油液不易氧化、不易变质。6）抗泡沫性好，抗乳化性好，腐蚀性小，防锈性好。7）流动点和凝固点低，闪点（明火能使油面上油蒸气燃，但油本身不燃烧时的温度）和燃点高。8）对人体无害，成本低。1.对液压油的要求五、液压油的种类和选用高铁学院332.液压油的种类和选用（1）液压油的种类主要有石油型、合成型和乳化型三类。（2）液压油的选用1）液压油的类型应根据其工作性质和工作环境要求来选择。2）液压油的牌号主要是根据工作条件选用适宜的粘度。选择时应考虑液压系统在以下几方面的情况：a）工作压力工作压力较高的系统宜选用粘度较大的液压油，以减少泄漏。b）运动速度当液压系统的工作部件运动速度较高时，宜选用粘度较小的液压油，以减轻液流的摩擦损失。c）环境温度环境温度较高时宜选用粘度较大的液压油。因为环境温度高会使油的粘度下降。另外，也可根据液压泵的类型及工作情况选择液压油的粘度。高铁学院34第二节流体静力学基础一、液体静压力及其特性（1）液体静压力当液体相对静止时，液体单位面积上所受的法向力称为压力，相当于物理学中的压强，即p式中—液体静压力，单位为N/m2或Pa（帕斯卡）。pAFp（1—8）工程中也常采用（千帕）、（兆帕）、bar（巴）Kgf(千克力、公斤力)。换算关系为：1MPa=103KPa=106Pa=10bar=10kgfKPaMPa高铁学院35当液体受到外力的作用时，就形成液体的压力，如图所示。（2）液体静