機(jī)械基礎(chǔ)（第2版） 課件 第十二章 液壓傳動(dòng)的基本概念

第十二章液壓傳動(dòng)的基本概念第一節(jié)液壓傳動(dòng)原理及其系統(tǒng)組成【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．掌握液壓傳動(dòng)的工作原理。2．熟悉液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的組成。3.了解液壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)。一、液壓傳動(dòng)原理

液壓傳動(dòng)是用液體作為工作介質(zhì)來傳遞能量和進(jìn)行控制的傳動(dòng)方式。動(dòng)畫演示吸油過程壓油過程二、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的組成1．動(dòng)力元件（即液壓泵）—液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源。2．執(zhí)行元件（液壓缸和液壓馬達(dá)）—驅(qū)動(dòng)工作部件。3．控制元件（閥）—控制油液流動(dòng)方向、壓力和流量。4．輔助元件（油箱、油管、濾油器、壓力繼電器...）5．工作介質(zhì)（液壓油）二、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)1.優(yōu)點(diǎn)（1）體積小、重量輕，慣性力較小。（2）在較大的范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。（3）換向容易。（4）易于獲得很大的力或力矩，因此承載能力大。（5）能自行潤滑，磨損小，使用壽命長。（6）操縱控制簡便，自動(dòng)化程度高。（7）容易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。（8）液壓元件實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化，便于設(shè)計(jì)、制造和使用。2.缺點(diǎn)（1）維護(hù)要求高，液壓油要始終保持清潔。（2）液壓元件制造精度要求高，工藝復(fù)雜，成本較高。（3）泄漏難以避免，傳動(dòng)比不準(zhǔn)確，不可用于傳動(dòng)比要求嚴(yán)格的場合。（4）液壓傳動(dòng)對油溫變化較敏感，會(huì)影響工作穩(wěn)定性。因此液壓傳動(dòng)不宜在很高或很低的溫度下工作。（5）液壓傳動(dòng)在能量轉(zhuǎn)換的過程中，特別是在節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中，其功率損失大，系統(tǒng)效率較低。（6）油液中滲入空氣時(shí)，會(huì)產(chǎn)生噪聲，容易引起振動(dòng)和爬行，影響運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。思考與練習(xí)

1．液壓傳動(dòng)的原理是什么？

2．液壓千斤頂提升重物時(shí)，重物的重量依靠什么支承？重物的上升是通過什么來實(shí)現(xiàn)？

3．液壓傳動(dòng)系統(tǒng)由哪些部分組成？各部分的作用是什么？

4．簡述液壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)。第十二章液壓傳動(dòng)的基本概念第二節(jié)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的流量和壓力【學(xué)習(xí)目標(biāo)】

1．撐握流量和壓力的概念。2．理解液流連續(xù)性原理和帕斯卡原理。3．掌握流速和液壓缸運(yùn)動(dòng)速度的計(jì)算。4．掌握壓力與負(fù)載的計(jì)算。5．理解液壓系統(tǒng)中壓力的建立過程。一、流量和液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度1．流量單位時(shí)間內(nèi)流過管路或液壓缸某一截面的油液的體積，稱為流量，用符號qv表示。流量的國際單位為m3/s（米3/秒），工程上常用單位為L/min（升/分）。換算關(guān)系為:

1m3/s=6×104L/min2．流量與速度的關(guān)系1）油液通過管路或液壓缸的平均流速—油液通過管路或液壓缸的平均流速，m/s；qv—油液的流量，m3/s；A—管路的通流面積或液壓缸的有效作用面積，m2。（2）活塞（或液壓缸）的運(yùn)動(dòng)速度活塞（或液壓缸）的運(yùn)動(dòng)速度等于液壓缸內(nèi)油液的平均流速。v—活塞（或液壓缸）的運(yùn)動(dòng)速度，m/s；qv1—流入液壓缸的流量，m3/s；qv2—流出液壓缸的流量，m3/s；A1—液壓缸無桿腔有效作用面積，m2；A2—液壓缸有桿腔有效作用面積，m2。二、液流的連續(xù)性原理理想液體（既無粘性又不可壓縮的液體）在無分支管路中作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，通過每一截面的流量相等，這稱為液流連續(xù)性原理。圖12-4液流連續(xù)性原理液流連續(xù)性原理表明：油液在同一管路中流動(dòng)，每一截面的平均流速與該截面的面積成反比，即管徑細(xì)的地方，流速大；管徑粗的地方，流速小。例12-1如圖12-5所示的液壓千斤頂簡圖中，小活塞面積A1=1.13×10-4m2,大活塞面積A2=9.62×10-4m2，油管的截面積A3=1.3×10-5m2，若小活塞下壓速度v1=0.2m/s，試求大活塞的上升速度v2和油管內(nèi)油液的平均流速v3。圖12-5液壓千斤頂簡圖解：小活塞排出的流量：qv1=A1v1=1.13×10-4×0.2=2.26×10-5（m/s）根據(jù)液流連續(xù)性原理，流入大活塞腔的流量為：qv2=qv1大活塞的上升速度為：（m/s）同理：qv3=qv1(m/s)二、壓力及其特性1．壓力油液單位面積上承受的作用力稱為壓力。圖12-6壓力的產(chǎn)生p—油液的壓力，Pa；F—作用在油液表面的外力，N；A—油液表面的承壓面積，即活塞的有效作用面積，m2。

壓力的單位為Pa（帕斯卡），常用單位還有Mpa（兆帕），1Mpa=106Pa。 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的壓力可分為低壓、中壓、中高壓、高壓和超高壓五個(gè)等級。五個(gè)等級的壓力范圍如表12-1所示。表12-1壓力等級等級低壓中壓中高壓高壓超高壓p/MPa≤2.5>2.5～8>8～16>16～32>322．靜壓傳遞原理（帕斯卡原理）及應(yīng)用靜止油液的壓力具有下列特點(diǎn)：（1）靜止油液中任意一點(diǎn)所受到的各個(gè)方向的壓力都相等，這個(gè)壓力稱為靜壓力。（2）油液的靜壓力方向總是垂直指向承壓表面。（3）在密閉容器內(nèi)，施加于靜止液體上的某點(diǎn)壓力將以等值同時(shí)傳遞到液體內(nèi)各點(diǎn)，這稱為帕斯卡原理，又稱為靜壓傳遞原理。圖12-7液壓千斤頂簡圖如圖12-7所示液壓千斤頂簡圖，按帕斯卡原理，在密閉容器內(nèi)，大、小活塞處的液體的壓力p1、p2是相等的，即W/A2=F/A1。所以，在小活塞上施以較小的力，可以推動(dòng)大活塞上較大的重物，大活塞上的重力是小活塞上力的A2/A1倍。液壓千斤頂就是利用這個(gè)原理來進(jìn)行工作的。例12-2

如圖12-7所示的液壓千斤頂簡圖中，小活塞面積A1=1.13×10-4m2,大活塞面積A2=9.62×10-4m2，若小活塞上的作用力F=5.78×103N，試問密封容積內(nèi)的壓力為多少？大活塞能頂起的重物重量W為多少？圖12-7液壓千斤頂簡圖解：密封容積內(nèi)的壓力為：5.115×107Pa（N）活塞能頂起的重物重量W為：=51.15MPa1．壓力的產(chǎn)生密閉容器內(nèi)靜止油液的壓力是受到外力擠壓作用而產(chǎn)生的。四、液壓系統(tǒng)中壓力的建立2．壓力的大小壓力的大小取決于負(fù)載，并隨負(fù)載的變化而變化。4．并聯(lián)負(fù)載的壓力值壓系統(tǒng)某處有幾個(gè)負(fù)載并聯(lián)時(shí)，系統(tǒng)壓力的大小取決于克服負(fù)載壓力值中的最小值。3．壓力的建立過程壓力的建立過程是從無到有、從小到大迅速進(jìn)行的思考與練習(xí)1．什么是液壓傳動(dòng)的流量、壓力？它們的單位分別是什么？2．什么是液流連續(xù)性原理？什么是帕斯卡原理？3．液壓系統(tǒng)中的壓力建立過程有何特點(diǎn)？4．圖12-9所示為液壓千斤頂原理圖，已知：壓動(dòng)手柄的力F=200N，作用點(diǎn)到支點(diǎn)的距離為500mm，小活塞鉸鏈到支點(diǎn)的距離為20mm，小活塞3的有效作用面積A1=1×10-3m2，大活塞8的有效作用面積A2=10×10-3m2，試求：（1）作用在小活塞上的力F1為多少？（2）系統(tǒng)中的壓力為多少？（3）頂起的重物的重量為多少？（4）若小活塞的下降速度為10m/min，則大活塞的上升速度為多少？（5）若要求提升的重物重量為10kN，那么施加在手柄的力為多少？5．如圖12-10所示液壓系統(tǒng)，兩液壓缸無桿腔的有效工作面積分別是A1=6×10-3m2,A2=12×10-3m2。兩液壓缸工作時(shí)負(fù)載分別是F1=12kN,F2=36kN。定量泵額定流量為1.8×10-3m3/s，溢流閥的開啟壓力p=5MPa，不計(jì)損失，試計(jì)算并回答下列問題：（1）當(dāng)缸1的活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度v1為多少？（2）當(dāng)缸2的活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，缸2的工作壓力p2為多少？（3）啟動(dòng)液壓泵后，哪個(gè)缸的活塞先動(dòng)作？當(dāng)系統(tǒng)壓力升到多少時(shí)，另一缸的活塞才動(dòng)作？（4）系統(tǒng)壓力升到多少時(shí)，溢流閥開啟溢流？第十二章液壓傳動(dòng)的基本概念第三節(jié)壓力、流量損失及功率計(jì)算【學(xué)習(xí)目標(biāo)】

1．了解壓力損失的產(chǎn)生、類型。2．掌握壓力損失的估算方法。3．了解流量損失的產(chǎn)生、類型。4．掌握流量損失的估算方法。5．掌握液壓傳動(dòng)的功率、效率計(jì)算方法。一、液壓傳動(dòng)的壓力損失1．液阻和壓力損失油液流動(dòng)時(shí)，油液的分子之間、油液與管壁之間的摩擦和碰撞會(huì)產(chǎn)生阻力，這種阻礙油液流動(dòng)的阻力稱為液阻。圖12-11油液的壓力損失液阻表現(xiàn)為壓力損失。2．沿程損失與局部損失（1）沿程損失油液在截面積相同的直管路中流動(dòng)產(chǎn)生的壓力損失稱為沿程損失。管路越長，沿程損失越大。（2）局部損失油液流過管路彎曲部位、管路截面積突變部位及各種控制閥等地方所產(chǎn)生的壓力損失稱為局部損失。管路越復(fù)雜，局部損失越大。局部損失是主要的壓力損失。3．液壓元件的液阻、壓差與流量的關(guān)系

當(dāng)液壓元件的兩端壓差一定時(shí)，液阻越小，則通過元件的流量越大。液壓元件的液阻一定時(shí)，元件的兩端壓差越大，則通過元件的流量越大。4．壓力損失的估算液壓泵最高工作壓力的估算式為：

p泵=p缸K壓

式中p泵—液壓泵的最高工作壓力，Pa；p缸—液壓缸的最高工作壓力，Pa；K壓—系統(tǒng)的壓力損失系數(shù)，一般K壓=1.3～1.5。系統(tǒng)復(fù)雜或管路較長取大值，反之取小值。二、液壓傳動(dòng)的流量損失1．泄漏和流量損失液壓系統(tǒng)正常工作的情況下，從液壓元件的密封間隙漏過少量油液的現(xiàn)象稱為泄漏。液壓系統(tǒng)的泄漏包括內(nèi)泄漏和外泄漏兩種。液壓元件內(nèi)部高、低壓腔間的泄漏稱為內(nèi)泄漏。液壓系統(tǒng)內(nèi)部的油液泄漏到系統(tǒng)外部的泄漏稱為外泄漏。液壓系統(tǒng)的泄漏引起流量損失。圖12-12液壓千斤頂原理圖1—低壓腔2—高壓腔3—外泄漏4—內(nèi)泄漏2．流量損失的估算液壓泵輸出流量的估算式為：

qv泵=qv缸K漏

式中qv泵—液壓泵的最大流量，m3/s；qv缸—液壓缸的最大流量，m3/s；K漏—系統(tǒng)的泄漏系數(shù)，一般K漏=1.1～1.3。 系統(tǒng)復(fù)雜或管路較長取大值，反之取小值。三、液壓傳動(dòng)的功率計(jì)算1．液壓缸的輸出功率

P缸=Fv

∵p缸=F/A，qv缸=vA∴P缸=p缸qv缸

式中P缸—液壓缸的輸出功率，W；p缸—液壓缸的工作壓力，Pa；qv缸—液壓缸的輸入流量，m3/s。2．液壓泵的功率1）液壓泵的實(shí)際輸出功率P實(shí)P實(shí)=p實(shí)qv實(shí)

式中P實(shí)—液壓泵的實(shí)際輸出功率，W；p實(shí)—液壓泵的實(shí)際輸出壓力，Pa；qv實(shí)—液壓泵的實(shí)際輸出流量，m3/s。2）液壓泵的實(shí)際輸出功率P實(shí)P額=p額qv額

式中P額—液壓泵的額定功率，W；p額—液壓泵的額定壓力，Pa；qv額—液壓泵的額定流量，m3/s。3.液壓泵的效率和驅(qū)動(dòng)液壓泵的電機(jī)功率

驅(qū)動(dòng)液壓泵的電機(jī)所需功率P電比液壓泵的輸出功率P泵要大。其值取決于液壓泵的總效率，即因此，電機(jī)的功率為例12-3如圖12-8a）所示的液壓系統(tǒng)，已知：活塞向右運(yùn)動(dòng)的速度v為0.04m/s，負(fù)載F為9720N，活塞的有效作用面積A為0.008m2，K漏=1.1，K壓=1.3，選用定量液壓泵的額定壓力為2.5MPa，額定流量為4.17×10-4m3/s。試問：此液壓泵是否適用？如果液壓泵的總效率為0.8，則驅(qū)動(dòng)液壓泵的電機(jī)的匹配功率為多少？

解：輸入液壓缸的流量為qv缸=Av=0.008×0.04=3.2×10-4（m3/s）液壓泵應(yīng)供給的油液流量為qv泵=K漏qv缸=1.1×3.2×10-4=3.52×10-4（m3/s）液壓缸的工作壓力為p缸=F/A=9720/0.008=1.215×106（Pa）液壓泵的工作壓力為p泵=K壓p缸=1.3×1.215×106=1.58×106（m3/s）因?yàn)閝v泵<qv額，p泵<p額，所以，所選液壓泵適用。驅(qū)動(dòng)液壓泵的電機(jī)的匹配功率P電