第一章-液壓傳動(dòng)概述及流體力學(xué)基礎(chǔ)1-812709280

液壓傳動(dòng)與控制

HydraulicTransmissionandControl

授課教師:機(jī)械工程系機(jī)械電子研究所

潘尚峰

辦公室:9003大樓2401乙聯(lián)系電話子郵件:pansf@液壓傳動(dòng)與控制為什么要學(xué)習(xí)液壓傳動(dòng)與控制？

液壓傳動(dòng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)被廣泛使用。流體傳動(dòng)是三大傳動(dòng)形式之一，而液壓傳動(dòng)又是流體傳動(dòng)的主要形式之一。教學(xué)目標(biāo)（1）掌握液壓傳動(dòng)的基本原理、基本概念和基礎(chǔ)知識(shí)；液壓傳動(dòng)與控制

（2）掌握液壓系統(tǒng)的基本組成；

（4）掌握液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓閥、液壓缸等液壓元件的功能、結(jié)構(gòu)與工作原理；

（5）掌握調(diào)壓、調(diào)速、減壓、順序動(dòng)作、同步動(dòng)作等液壓基本回路的工作原理；

（6）掌握部分典型機(jī)械的液壓系統(tǒng)工作原理；

（3）掌握液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域；◆讀懂液壓系統(tǒng)圖液壓傳動(dòng)與控制

（7）掌握液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算方法。

（8）初步掌握液壓系統(tǒng)故障診斷的方法?！魧W(xué)會(huì)正確選用液壓元件

重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，即應(yīng)用能力?！粽莆找簤合到y(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及注意事項(xiàng)◆會(huì)初步診斷液壓系統(tǒng)的故障◆學(xué)會(huì)根據(jù)設(shè)備功能設(shè)計(jì)相應(yīng)的液壓系統(tǒng)教材

《液壓傳動(dòng)》薛祖德主編中央廣播電視大學(xué)出版社，1995版2學(xué)分，32學(xué)時(shí)。教學(xué)進(jìn)度第一章液壓傳動(dòng)概述及流體力學(xué)基礎(chǔ)（5學(xué)時(shí)）液壓傳動(dòng)與控制參考書(shū)籍《液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)禁忌》邵俊鵬等編第二章液壓泵和液壓馬達(dá)（3學(xué)時(shí)）第三章液壓缸與液壓輔件（2學(xué)時(shí)，自學(xué)）（2學(xué)時(shí)）液壓傳動(dòng)與控制第五章壓力控制閥與壓力控制回路（4學(xué)時(shí)）第六章流量控制閥及節(jié)流調(diào)速回路（4學(xué)時(shí)）第七章容積調(diào)速回路（3學(xué)時(shí)）第八章其它回路（3學(xué)時(shí)）第九章典型液壓系統(tǒng)（2學(xué)時(shí)）第十章液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算（2學(xué)時(shí)）第十一章插裝閥和比例閥（2學(xué)時(shí)）第四章方向控制閥與方向控制回路一、液壓傳動(dòng)的研究對(duì)象機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)、流體傳動(dòng)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)最常用的幾種傳動(dòng)方式，其中機(jī)械傳動(dòng)是最基本也是最常用的傳動(dòng)方式。第一章液壓傳動(dòng)概述及流

體力學(xué)基礎(chǔ)

第一節(jié)

液壓傳動(dòng)的工作原理和主要參數(shù)一般情況下，電氣傳動(dòng)、流體傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)結(jié)合使用才可能更好地把動(dòng)力傳遞給負(fù)載，它們各有各的特點(diǎn)及運(yùn)行條件，并不是任何場(chǎng)合幾種傳動(dòng)方式都可以任意選用，設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)合及運(yùn)行條件的不同而選用最合適的傳動(dòng)方式。例如采煤機(jī)。第一章液壓傳動(dòng)概述及流

體力學(xué)基礎(chǔ)利用流體（包括液體和氣體）作為工質(zhì)實(shí)現(xiàn)的傳動(dòng)叫流體傳動(dòng)(fluidtransmissionordrive)。流體傳動(dòng)分液體傳動(dòng)和氣體傳動(dòng)(pneumatic)，液體傳動(dòng)又有兩種：液壓傳動(dòng)和液力傳動(dòng)。液壓傳動(dòng)液壓傳動(dòng)的英文名稱為hydraulictransmission或hydraulicdrive。液壓傳動(dòng)是利用液體的壓力能(pressureenergy)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量傳遞的，基于帕斯卡原理(principleofPascal)。如液壓泵、液壓缸、液壓馬達(dá)的工作原理就是利用液體的壓力能實(shí)現(xiàn)能量傳遞的。液力傳動(dòng)

液力傳動(dòng)的英文名稱為hydrodynamicdrive，它是利用液體在循環(huán)流動(dòng)過(guò)程中動(dòng)能的變化來(lái)（2）依靠液體動(dòng)能傳遞動(dòng)力，泵輪和渦輪之間不存在剛性連接，能緩沖沖擊；傳遞動(dòng)力，基于液體的動(dòng)量矩定理（momentofmomentumtheorem）。水輪機(jī)(waterturbine)、離心式水泵(centrifugalwaterpump)、液力變矩器（hydrotransmitterortransformerturbine）等的工作原理就是利用液體的動(dòng)能來(lái)傳遞能量的。第一章液壓傳動(dòng)概述及流

體力學(xué)基礎(chǔ)

利用液力傳動(dòng)基本原理的最典型的一種液力傳動(dòng)結(jié)構(gòu)就是液力變矩器。

廣泛用于現(xiàn)代車輛和工程機(jī)械中。優(yōu)點(diǎn)：（1）能自動(dòng)適應(yīng)外阻力變化，能在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)地改變輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；第一章液壓傳動(dòng)概述及流

體力學(xué)基礎(chǔ)

由于液壓傳動(dòng)的應(yīng)用范圍相對(duì)液力傳動(dòng)更廣一些，所以本課程只講授液壓傳動(dòng)知識(shí)。（3）能夠低速行使和平穩(wěn)啟動(dòng)，能避免超載時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火；在液壓傳動(dòng)和流體力學(xué)中對(duì)流體的研究?jī)?nèi)容和研究方法不同

液壓傳動(dòng)中工作液體是在高壓下處于封閉管路或封閉容器內(nèi)流動(dòng)的牛頓液體(NewtonianFluid)。（4）減少變速箱擋位，簡(jiǎn)化變速箱結(jié)構(gòu)。重力不起主要作用，可忽略不計(jì)，而在流體力學(xué)中必須考慮重力的影響；一般情況下液壓傳動(dòng)的流速不大，可近似為靜止液體。

靠密閉容積內(nèi)液體的壓力能來(lái)傳遞動(dòng)力，即帕斯卡原理——液壓傳動(dòng)的基本原理。關(guān)斷閥打開(kāi)時(shí)的工作狀況——重物下降

組成：大小液壓缸、單向閥、關(guān)斷閥、油箱、連接管道及工作介質(zhì)（油液）。

關(guān)閉關(guān)斷閥，反復(fù)提起、壓下手柄可實(shí)現(xiàn)重物的提升；打開(kāi)閥門(mén)可實(shí)現(xiàn)重物下降。關(guān)斷閥關(guān)閉時(shí)的工作狀況

提起手柄、壓下手柄、再提起手柄第一章液壓傳動(dòng)概述及流

體力學(xué)基礎(chǔ)二、液壓傳動(dòng)的工作原理液壓千斤頂是液壓傳動(dòng)最有代表性的例子，它的工作原理就是液壓傳動(dòng)的工作原理，它的組成基本上就是液壓系統(tǒng)的組成。第一章液壓傳動(dòng)概述及流

體力學(xué)基礎(chǔ)三、液壓傳動(dòng)的主要參數(shù)和兩個(gè)重要概念

兩個(gè)主要參數(shù)：壓力(pressure)p和流量(flowrate)Q兩個(gè)重要概念：壓力p取決于負(fù)載(load)；負(fù)載運(yùn)動(dòng)速度取決于流量Q。用液壓千斤頂(hydraulicjack)簡(jiǎn)化模型理解小活塞底面上受到的壓力為：

p1＝F／A1大活塞底面受到的壓力：

p2＝W／A2

壓力取決于負(fù)載的重要概念假設(shè)大活塞上沒(méi)有負(fù)載W，又忽略摩擦力等阻力，那么在小活塞上無(wú)法施加作用力F。第一章液壓傳動(dòng)概述及流

體力學(xué)基礎(chǔ)帕斯卡原理——在密閉容器內(nèi)，施加于平衡或靜止液體上的壓力將同時(shí)傳遞到液體中各處，所以有

p1＝p2＝p＝F／A1＝W／A2

或W／F＝A2／A1

輸出端力W（負(fù)載）與輸入端力F之比等于大小活塞的面積之比。所以，必須有負(fù)載W，才能在密閉空間內(nèi)建立壓力p。壓力p與作用力F無(wú)關(guān)，即使沒(méi)有力F，只要有負(fù)載W的就有壓力,壓力大小由負(fù)載W決定，即p=

W/A2。總結(jié)：在液壓傳動(dòng)中壓力取決于負(fù)載。此概念與機(jī)械傳動(dòng)中構(gòu)件受到的應(yīng)力大小取決于負(fù)載是一樣的。

忽略液壓泄漏(leakage)和液體的可壓縮性(compressibility)，則這壓下的體積和擠出的體積應(yīng)相等，即第一章液壓傳動(dòng)概述及流

體力學(xué)基礎(chǔ)速度取決于流量的重要概念液壓傳動(dòng)中傳遞運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度傳遞按照容積（體積-volume）變化相等的原則進(jìn)行。

若小活塞壓下一段距離L1，則小液壓缸中擠出的體積為A1L1，此部分體積進(jìn)入大液壓缸，使大活塞上升距離L2，而大液壓缸讓出的體積為A2L2。第一章液壓傳動(dòng)概述及流

體力學(xué)基礎(chǔ)A1L1＝A2L2

或L2／L1＝A1／A2

如果活塞運(yùn)動(dòng)是在時(shí)間t內(nèi)完成的，則大小活塞運(yùn)動(dòng)的平均速度分別為

V2＝L2／t，V1＝L1／t

用速度代替位移，則有

A1V1＝A2V2

或V2／V1＝A1／A2

說(shuō)明液壓傳動(dòng)輸出速度V2與輸入速度V1的比與相對(duì)應(yīng)的活塞面積比成反比。

面積與速度之積正是流量，即

A1V1＝A2V2＝Q

大活塞的速度V2＝Q／A2，此式說(shuō)明大活塞第一章液壓傳動(dòng)概述及流

體力學(xué)基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)速度取決于進(jìn)入液壓缸中的流量Q和其作用面積A，但面積A一般不變，所以活塞運(yùn)動(dòng)速度取決于流量。這就是液壓傳動(dòng)中利用流量進(jìn)行調(diào)速的理論基礎(chǔ)。液壓千斤頂模型相當(dāng)于機(jī)械傳動(dòng)的杠桿，面積比相當(dāng)于杠桿比（A1相當(dāng)于L1

,A2相當(dāng)于L2）。

像機(jī)械傳動(dòng)(mechanicaltransmissionordrive)一樣，液壓傳動(dòng)也能夠達(dá)到傳遞動(dòng)力(powertransfer)、增力(forceenhancement)、改變速比(speedratiochange)等目的。

液壓傳動(dòng)中的能量守恒

將W／F＝A2／A1和V2／V1＝A1／A2相乘，得

上式左邊分別表示輸出功率，右邊表示輸入功率。液壓傳動(dòng)遵循能量守恒定律。忽略了油液壓縮性和泄漏及其它功率損失。

又根據(jù)輸出功率P＝WV2

推出

P＝WV2＝pA2×Q／A2＝pQ

即輸出功率等于壓力p和流量Q的乘積。

從能量的角度看，壓力p和流量Q是液壓傳動(dòng)中兩個(gè)重要參數(shù)。第一章液壓傳動(dòng)概述及流

體力學(xué)基礎(chǔ)WV2＝FV1

1．動(dòng)力元件(powerelement)

將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體壓力能的轉(zhuǎn)換元件。為液壓系統(tǒng)提供一定流量的壓力油。一、液壓傳動(dòng)的實(shí)例

前面介紹的液壓千斤頂就是一個(gè)典型的液壓傳動(dòng)實(shí)例。小液壓缸和單向閥構(gòu)成“泵”第一章液壓傳動(dòng)概述及流

體力學(xué)基礎(chǔ)第二節(jié)

液壓系統(tǒng)的組成及圖形符號(hào)二、液壓系統(tǒng)的組成

以磨床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)說(shuō)明液壓系統(tǒng)的組成及圖形符號(hào)。

下面舉一個(gè)機(jī)床行業(yè)應(yīng)用液壓傳動(dòng)的例子——磨床工作臺(tái)液壓系統(tǒng)。第一章液壓傳動(dòng)概述及流

體力學(xué)基礎(chǔ)2．執(zhí)行元件（actuator)

把液體的液壓能重新轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的元件或裝置。實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換裝置——液壓缸(hydrauliccylinder)就是典型的執(zhí)行元件，它能輸出力和直線運(yùn)動(dòng)。3.控制元件(controlelement)最典型的動(dòng)力元件就是液壓泵(pump)。定義：對(duì)液壓系統(tǒng)中油液的壓力、流量和流動(dòng)方向進(jìn)行控制或調(diào)節(jié)的元件，如各種液壓閥

實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液動(dòng)機(jī)——液壓馬達(dá)(hydraulicmotor)也是典型的執(zhí)行元件，輸出力矩和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。4.輔助元件(auxiliaryelement)

油箱1(oiltank)、管道(pipeline)、濾油器2(oilfilter)、壓力表(pressuregaugeormeter)、蓄能器等元件，在液壓系統(tǒng)中起到儲(chǔ)存油液、連接、濾油、測(cè)量等作用。(hydraulicvalve)。磨床液壓系統(tǒng)就有改變液流方向的換向閥15(changevalve)和開(kāi)停閥11(cut-offvalve)；調(diào)節(jié)速度的流量控制閥13（節(jié)流閥(throttlevalve)；壓力控制閥8（溢流閥—reliefvalve）。這類元件的數(shù)量種類最多。第一章液壓傳動(dòng)概述及流

體力學(xué)基礎(chǔ)5.傳動(dòng)介質(zhì)(hydraulicmedium)

一般是液壓油(hydraulicoil)，也用水。