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第一单元 液压传动基础


液压与气动技术 第一单元 液压传动基础

2005-1-20

教学内容: 教学内容:
液压传动的基本概念(难点) 液压装置的组成 液压传动的基本理论(重点) 液压油
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1.1液压传动基本概念 液压传动基本概念
什么是液压传

动呢? 液压传动是:利用有压的液体,经由一些机件控制之 后来传递运动和动力。 液压传动是以流体作为工作介质对能量进行传动和控 制的一种传动形式。 下面看一个实例:

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1.1液压传动基本概念 液压传动基本概念

如图所示: 从图可知:液压传动系统 由哪些部分组成?

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1.2液压装置的组成 液压装置的组成
由上图可知,液压传动系统由液压泵、控制阀、执行元件和油 箱等一些辅助元件组成。 1.液压泵 2.执行元件 3.控制元件 4.辅助元件
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1.4液压传动基本理论 液压传动基本理论
液体静压力: 1 、 液体静压力 : 静止液体在单位面积上所受的法向力称为 静压力。静压力在液压传动中简称压力,在物理学中则称 为压强。如何定义液体中某点的压力? 2.液体静压力有两个重要特性:
(1)液体静压力垂直于承压面,其方向和该面的内法线方向一致。这是由于液体 质点间的内聚力很小,不能受拉只能受压之故。为什么? (2)静止液体内任一点所受到的压力在各个方向上都相等。为什么?如果某点 受到的压力在某个方向上不相等,那么液体就会流动,这就违背了液体静止的 条件。
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1.4液压传动基本理论 液压传动基本理论
3、液体静压力基本方程 液体静压力基本方程

p△A=Po △A+ ρgh△A 式中,ρgh△A为小液柱的重力, ρ—液体的密度 上式化简后得:p=p0+ρgh

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1.4液压传动基本理论 液压传动基本理论
3、液体静压力基本方程说明什么问题: 液体静压力基本方程说明什么问题: 静压力基本方程说明什么问题 (1) 静止液体中任何一点的静压力为作用在液面的压力Po和液体重力 所产生的压力ρgh之和。 (2) 液体中的静压力随着深度h 而线性增加。 (3)在连通器里,静止液体中只要深度h 相同其压力都相等。

p=p0+ρgh

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1.4液压传动基本理论 液压传动基本理论
3、应用液体静压力基本方程: 应用液体静压力基本方程: 静压力基本方程 例1-1 如图1-3所示,容器内盛油液。已 知油的密度ρ=900kg/m3 ,活塞上的作用 力 F=1000N ,活 塞 的 面 积 A=1×10-3m2 , 假设活塞的重量忽略不计。问活塞下方 深度为h=0.5m处的压力等于多少?

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1.4液压传动基本理论 液压传动基本理论
解: 活塞与液体接触面上的压力均匀分布,有

F 1000 N p0 = = = 10 6 N / m 2 A 1 × 10 ?3 m 2
根据静压力的基本方程式(1-3),深度为h处的液体压力

p = p a + ρgh =106 +900×9.8×0.5 =1.0044×106(N/m2)≈106(Pa)
从本例可以看出,液体在受外界压力作用的情况下,液体自重所 形成的那部分压力ρgh相对甚小,在液压系统中常可忽略不计,因而 可近似认为整个液体内部的压力是相等的。以后我们在分析液压系统 的压力时,一般都采用这种结论。
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1.4液压传动基本理论 液压传动基本理论
绝对压力、 4、 绝对压力、表压力及真空度 根据度量方法的不同有所谓的表压力又称相对压力(gauge pressure) gauge pressure 和绝对压力(absolute pressure)之分。以当地大气压力(atomosphere) 为基准所表示的压力称为表压力。以绝对零压力作为基准所表示的压 力称为绝对压力。 如液体中某点处的绝对压力小于大气压力,这时该点的绝对压力 比大气压力小的那部分压力值,称为真空度。所以 真空度=大气压力-绝对压力

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1.4液压传动基本理论 液压传动基本理论
绝对压力、 4 、 绝对压力 、 表 压力及真空度 有关表压力、绝 对压力和真空度 的 关 系 见 图 1-4 。

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1.4液压传动基本理论 液压传动基本理论
5 、 帕 斯 卡 原 理 ( Pascal’s Principle) )

W F P= = A2 A1
图所示建立了一个很 重要的概念,即在液压传 动中工作的压力取决于负 载,而与流入的流体多少 无关。
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1.4液压传动基本理论 液压传动基本理论
6、连续定理(Principle of Continuity) 连续定理 液体在流动时,通过任一通流横截面的速度、压力和密度不随时间改变的 流动称为稳流,反之速度、压力和密度其中一项随时间而变,就称为非稳流。 对稳流而言,液体以稳流流动通过管内任一截面的液体质量必然相等。如 图1-6所示管内两个流通截面面积为A1和A2,流速分别为V1和V2,则通过任一截 面的流量Q如(1-6)式表示。 Q=AV=A1V1=A2V2=常量 (1-6) 式(1-6)即连续定理, 此式还得出另一个重要的基本概念, 即运动速度取决于流量, 而与流体的压力无关。
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1.4液压传动基本理论 液压传动基本理论
连续定理(Principle of Continuity)应 6、连续定理 应 用及帕斯卡原理应用: 用及帕斯卡原理应用:例1-2 图1-7 所示为相互连通的两个液压缸,已知 大缸内径D=100mm, 小缸内径d=20mm, 大活塞上放上质量为5000kg的物体。 问:1.在小活塞上所加的力F有多大才 能使大活塞顶起重物?2.若小活塞下 压速度为0.2m/s,试求大活塞上升速 度?

图1-7 帕斯卡原理应用实例

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1.4液压传动基本理论 液压传动基本理论
6、连续定理(Principle of Continuity): 连续定理 : F G = 2 解:1.物体的重力为G=mg=5000kg×9.8m/sd =49000kg·m/s2=49000N π 2 πD 2 根据帕斯卡原理,由外力产生的压力在两缸中相等,即 4 4 故为了顶起重物应在小活塞上加力为 2 2 d2 πd πD 20 2 mm 2 F= 2G v小= v大 = ×49000N=1960N D 2 2 100 mm

4

4

2.由连续定理:Q=AV=常数得出: d2 故大活塞上升速度:

20 2 v大= 2 v小= × 0.2 = 0.008(m / s ) 2 D 100

本例说明了液压千斤顶等液压起重机械的工作原理,体现了液压 装置的力放大作用。
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1.4液压传动基本理论 液压传动基本理论
7、液体流动中的压力和流量的损失 (1)压力损失:由于液体具有粘性,在管路中流动时又不可避免地 存在着摩擦力,所以液体在流动过程中必然要损耗一部分能量。 这部分能量损耗主要表现为压力损失。 压力损失有沿程损失和局部损失两种。沿程损失是当液体在 直径不变的直管中流过一段距离时,因摩擦而产生的压力损失。 局部损失是由于管子截面形状突然变化、液流方向改变或其它形 式的液流阻力而引起的压力损失。总的压力损失等于沿程损失和 局部损失之和。 由于压力损失的必然存在,所以泵的额定压力要略大于系统 工作时所需的最大工作压力,一般可将系统工作所需的最大工作 压力乘以一个1.3~1.5的系数来估算。
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1.4液压传动基本理论 液压传动基本理论
7、液体流动中的压力和流量的损失 (2)流量损失 在液压系统中,各被压元件都有相对运动的表面,如液压缸内表面和 活塞外表面,因为要有相对运动,所以它们之间都有一定的间隙,如果 间隙的一边为高压油,另一边为低压油,则高压油就会经间隙流向低压 区从而造成泄漏。同时由于液压元件密封不完善,一部分油液也会向 外部泄漏。这种泄漏造成实际流量有所减少,这就是我们所说的流量损 失。 流量损失影响运动速度,而泄漏又难以绝对避免,所以在液压系统 中泵的额定流量要略大于系统工作时所需的最大流量。通常也可以用 系统工作所需的最大流量乘以一个l.1~1.3的系数来估算。
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1.4液压传动基本理论 液压传动基本理论
8、液压冲击和空穴现象
(1)液压冲击:在液压系统中,当油路突然关闭或换向时,会产生急剧的 压力升高,这种现象。 造成液压冲击的主要原因是液压速度的急剧变化、高速运动工作部件的 惯性力和某些液压元件反应动作不够灵敏. 产生液压冲击时,系统中的压力瞬间就要比正常压力大好几倍,特别是在 压力高、流量大的情况下,极易引起系统的振动、噪音甚至导管或某些液压 元件的损坏,既影响系统的工作质量又会缩短其使用寿命。还要注意的是由 于压力冲击产生的高压力可能使某些液压元件(如压力继电器)产生误动作, 而损坏设备。 避免液压冲击的主要办法是避免液流速度的急剧变化。延缓速度变化的 时间能有效地防止液压冲击,如将液动换向阀和电磁换向阀联用可减少液压 冲击,因为液动换向阀能把换向时间控制得慢一些。
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1.4液压传动基本理论 液压传动基本理论
8、液压冲击和空穴现象
(2)空穴现象: 如果液压系统中发生了空穴现象,液体中的气泡随着液流运动到压 力较高的区域时,气泡在较高压力作用下将迅速破裂,从而引起局部液 压冲击,造成噪音和振动,另一方面,由于气泡破坏了液流的连续性,降 低了油管的通油能力,造成流量和压力的波动,使液压元件承受冲击载 荷,影响其使用寿命。同时气泡中的氧也会腐蚀金属元件的表面,我们 把这种因发生空穴现象而造成的腐蚀叫汽蚀。 在液压传动装置中,汽蚀现象可能发生在油泵、管路以及其它具有 节流装置的地方,特别是油泵装置,这种现象最为常见。 汽蚀现象是液压系统产生各种故障的原因之一,特别在高速、高压 的液压设备中更应注意。

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1.5液压油
液压系统中完全靠液压油把能量从液压泵经管路、控制阀传递到执 行元件,根据统计,许多液压设备的故障,皆起因于液压油的使用不 当,故应对液压油要有充分的了解。

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1.5液压油
1、液压油的用途 (1) 传递运动与动力:将泵的机械能转换成液体的压力能并传至各处, ) 传递运动与动力:将泵的机械能转换成液体的压力能并传至各处, 由于油本身具有粘度,在传递过程中会产生一定的动力损失 动力损失。 由于油本身具有粘度,在传递过程中会产生一定的动力损失。 (2)润滑:液压元件内各移动部位,都可受到液压油充分润滑,从而减 )润滑:液压元件内各移动部位,都可受到液压油充分润滑, 低元件磨耗。 低元件磨耗。 (3)密封:油本身的粘性对细小的间隙有密封的作用。 )密封:油本身的粘性对细小的间隙有密封的作用。 (4)冷却:系统损失的能量会变成热,被油带出。 )冷却:系统损失的能量会变成热,被油带出。
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1.5液压油
2、液压油的种类:液压油主要有下列二种 液压油的种类: ( 1 ) 矿物油系液压油 ( 可燃性 ) : 主要由石腊基 ( paraffin base ) 矿物油系液压油(可燃性) 主要由石腊基( base) 的原油精制而成,再加抗氧化剂和防锈剂,为用途最多的一种; 的原油精制而成 , 再加抗氧化剂和防锈剂, 为用途最多的一种 ; 其缺点为耐火性差。 其缺点为耐火性差。 (2)耐火性液压油(难燃性):专用于防止有引起火灾危险的乳化型 )耐火性液压油(难燃性) 液压油。有水中油滴型( 液压油 。 有水中油滴型 ( o/w)和油中水滴形 ( w/o)两种 , 水中 ) 和油中水滴形( ) 两种, 油滴型 ( o/w ) 的润滑性 差 , 会侵蚀 油封和金属 ; 油中水滴 形 (w/o)化学稳定性很差。 )化学稳定性很差。 (3)专用液压油:航空、舰船、炮用及车辆制动用液压油。 )专用液压油:航空、舰船、炮用及车辆制动用液压油。
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1.5液压油
3、液压油的性质
(1)密度,比重越大,泵吸入性越差。 (2)闪火点:油温升高时,部分的油会蒸发而与空气混合成油气,此油气所能点 火的最低温度称为闪火点,如继续加热,则会连续燃烧,此温度称为燃烧点。 (3)粘度:流体流动时,沿其边界面会产生一种阻止其运动的流体磨擦作用,这 种产生内摩擦力的性质称为粘性。 (4)压缩性:有体积压缩系数β或其倒数体积弹性模数K表示。

?V / V0 β =? ?p

K=

1

β

液压油还有其他一些性质,如稳定性、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、 润滑性、以及相容性等。
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1.5液压油

du τ =? dy

式中:τ— 剪应力() μ— 动力粘度(单位是Pa.s;1 Pa.s=10P,一般用P(泊dyn.s/cm2);cP(厘泊 )来表示,) 将液体动力粘度与液体密度之比称为运动粘度。 运动粘度也是绝对粘度,单位为m2/s, 1 m2/s =106 mm2/s(厘斯,cSt) 动力粘度的物理意义:当速度梯度为1时, 接触液层间单位面积上的内摩擦力。 相对粘度又称条件粘度。常用的有 恩氏粘度:200ml,直径2.8mm, 同一温度下与蒸馏水的时间比较。 中国、俄罗斯及德国采用。 美国、英国采用通用赛氏秒和商用雷氏秒。
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? v= ρ

1.5液压油
粘性:液压油粘性对机械效率、磨耗、压力损失、容积效率、漏油及泵的吸 入性影响很大。粘性可分为动力粘度和运动粘度两种。粘度是液压油的性能 指标。习惯上使用运动粘度标志液体的粘度,例如机械油的牌号就是用其在 400C时的平均运动粘度(mm/s2)为其标号。 油的粘性易受温度影响,温度上升,粘度降低,造成泄漏、磨损增加、 效率降低等问题,温度下降,粘度增加,造成流动困难及泵转动不易等问题 ,如运转时油液温度超过60度,就必须加装冷却器,因油温在60度以上,每 超过10度,油的劣化速度就会加倍 。

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1.5液压油
4、对液压油的要求 (1) 适当的粘度和良好的粘温性; (2)有良好的化学稳定性(氧化安定性,热安定性及不易 氧化、变质) (3)良好的润滑性,以减少相对运动间的磨损 (4)良好的抗泡沫性(起泡少,消泡快) (5)体积膨胀系数低,闪点及燃点高 (6)成分纯净,不含腐蚀性物质,具有足够的清洁度 (7)对人体无害,对环境污染小,价格便宜
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1.5液压油
5、液压油的选用
液压油有很多品种,可根据不同的使用场合选用合适的品种,在品种确定 的情况下,最主要考虑的是油液的粘度,其选择考虑的因素如下。 (1) 液压系统的工作压力:工作压力较高的系统宜选用粘度较高的液压油,以减 少泄露;反之便选用粘度较低的油。例如,当压力p = 7.0~20.0Mpa时,宜选 用N46~N100的液压油;当压力p<7.0Mpa时宜选用N32~N68的液压油。 (2)运动速度:执行机构运动速度较高时,为了减小液流的功率损失,宜选用粘 度较低的液压油。 (3)液压泵的类型:在液压系统中,对液压泵的润滑要求苛刻,不同类型的泵对 油的粘度有不同的要求,具体可参见有关资料。 (4)工作环境温度高时选用粘度较高的液压油,减少容积损失。

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1.5液压油
6、液压油的污染与保养 液压油使用一段时间后会受到污染,常使阀内的阀芯卡死,并使油封 加速磨耗及液压缸内壁磨损。造成液压油污染的原因有三方面: 1)污染:(1)外部侵入的污物;(2)外部生成的不纯物 2)恶化:液压油的恶化速度与含水量、气泡、压力、油温、金属粉末等有关, 其中以温度影响最大,故液压设备运转时,须特别注意油温之变化。 3)泄漏:液压设备因配管不良,油封破损是造成泄漏的原因,泄漏发生时空气、 水、尘埃便可轻易的侵入油中,故当泄漏发生时,必须立即加以排除。 液压油经长期使用,油质必会恶化,一般皆用目视法判定油质是否恶 化,当油颜色混蚀并有异味时,须立即更换;保养方法有二种:一为定期 更换(约为5000-20000小时),其次是使用过滤器定期过滤。也可采用在 线监控液压油是否达到规定值,定期抽查液压油。液压油的粘度、酸值、 水分及杂质是确定液压油是否更换的重要指标。
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