液压与气压传动教案第一章.docx

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液压与气压传动教案第一章

关于《液压与气压传动》

∙课程性质:

专业基础课

∙课程特点:

理论与实践并重

∙评价指标:

期末70%；平时30%（出勤、作业、实验、课堂提问等）

          第一章 液压与气压传动概述

 ◇液压与气压传动的工作原理

 ◇液压与气压传动系统的组成与实例

 ◇液压与气压传动的比较

 ◇流体传动介质的特性

   知识点：

基本原理、介质性能

∙液压与气压传动都是借助于密封容积的变化，利用流体的压力能与机械能之间的转换来传递能量的

∙压力和流量是液压与气压传动中两个最重要的参数。

压力取决于负载；流量决定执行元件的运动速度

∙液压与气压传动系统的基本组成

∙传动介质的主要性能、参数的物理意义、度量单位以及主要的影响因素

    研究对象

 ◇研究以有压流体（压力油和压缩空气）为传动介质来实现各种机械传动和自动控制的学科。

 ◇元件→回路→系统→介质

     1.1 液压与气压传动的工作原理

                     （图1-1）

          （观看动画演示）

    1.1.1 力比关系

  帕斯卡原理：

“在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到液体各点”

  如图1－1b）所示。

　　（1.1）

    重要基本概念一：

“工作压力取决于负载”，而与流入的液体多少无关.

  思考：

1.若空载，即W=0，则p=？

       2.千斤顶的工作原理，液压传动和其它传动方式的比较?

      1.1.2 运动关系

  活塞的运动速度和活塞的作用面积成反比.

  流量q（Ah/t）:

单位时间内流过某一截面积为A的流体体积q=Av

      q=A1v1=A2v2  （1.4）（连续性方程）

  若已知进入缸体的流量q，则活塞运动速度为：

    （1.5）

     重要基本概念二：

  “活塞的运动速度v取决于进入液压（气压）缸（马达）的流量q，而与液体压力p大小无关”.

      1.1.3 功率关系

∙压力p和流量q是流体传动中最基本、最重要的两个参数，它们相当于机械传动中的力和速度，它们的乘积即为功率。

∙液压与气压传动是以流体的压力能来传递动力的.

      1.2 液压与气压传动系统组成与实例

    液压传动的特点：

  先通过动力元件（液压泵）将原动机（如电动机）输入的机械能转换为液体压力能，再经密封管道和控制元件等输送至执行元件（如液压缸），将液体压力能又转换为机械能以驱动工作部件。

    液压与气压传动系统组成

∙动力元件：

液压泵或气源装置，其功能是将原动机输入的机械能转换成流体的压力能，为系统提供动力

∙执行元件：

液压缸或气缸、液压马达或气马达，功能是将流体的压力能转换成机械能，输出力和速度或转矩和转速），以带动负载进行直线运动或旋转运动

∙控制元件：

压力、流量和方向控制阀，作用是控制和调节系统中流体的压力、流量和流动方向，以保证执行元件达到所要求的输出力（或力矩）、运动速度和运动方向

∙辅助元件：

保证系统正常工作所需要的辅助装置，包括管道、管接头、油箱或储气罐、过滤器和压力计

∙传动介质.

     1.3 液压与气压传动的发展方向

 ◇液压技术正向高压、高速、大功率、高效率、低噪声和高度集成化、数字化等方向发展。

 ◇气动技术正向节能化、小型化、轻量化、位置控制的高精度化，以及与机、电、液、气相结合的综合控制技术方向发展。

      1.4 流体传动介质的特性

 ◇液压油的主要物理性质

 ◇液压油的选择

 ◇空气的主要物理性质

 ◇气体状态方程

 ◇气压传动系统对空气的要求

    1.4.1 液压油的主要物理性质

  密度ρ：

单位体积液体的质量

   式中,m：

液体的质量（kg）；V：

液体的体积（m3）；　　　ρ=900kg/m3

∙可压缩性：

液体受压力作用而发生体积变化的性质。

可用体积压缩系数κ或体积弹性模量K表示

∙体积压缩系数κ：

单位压力变化所引起的体积相对变化量，

　　（m2/N）

    式中V：

液体加压前的体积（m3）；　△V：

加压后液体体积变化量（m3）；

        △p：

液体压力变化量（N/m2）；

∙体积弹性模量K（N/m2）：

液体体积压缩系数κ的倒数

        计算时常取K=7×100,000,000N/m2

      粘度

∙液体的粘性：

  液体在流动时产生内摩擦力的特性，静止液体则不显示粘性.

 ◇液体的粘度：

  液体粘性的大小可用粘度来衡量。

粘度是液体的根本特性，也是选择液压油的最重要指标常用的粘度有三种不同单位：

即,动力粘度、运动粘度和相对粘度.

     动力粘度（绝对粘度）μ

∙牛顿内摩擦定律

  式中μ:

称为动力粘度系数（Pa·s）τ:

单位面积上的摩擦力（即剪切应力）

速度梯度，即液层间速度对液层距离的变化率.

∙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

∙法定计量单位：

帕·秒（Pa·s）

     运动粘度ν

∙定义：

动力粘度μ与密度ρ之比，

∙法定计量单位：

m2/s

  由于ν的单位中只有运动学要素，故称为运动粘度。

液压油的粘度等级就是以其40oC时运动粘度的某一平均值来表示，如L-HM32液压油的粘度等级为32，则40oC时其运动粘度的平均值为32mm2/s

    相对粘度（恩式粘度oΕ）

∙恩氏粘度：

它表示200mL被测液体在toC时，通过恩氏粘度计小孔（ф=2.8mm）流出所需的时间t1，与同体积20oC的蒸馏水通过同样小孔流出所需时间t2之比值.

∙工业上常用20oC、50oC和100oC作为测定恩式粘度的标准温度，分别以oΕ20、oΕ50、oΕ100表示

∙恩式粘度与运动粘度（mm2/s）的换算关系：

  当1.3≤oΕ≤3.2时，

  当oΕ＞3.2时，

     粘温特性

 ◇定义：

粘度随温度变化的特性

1.4.2 液压油的选择

 ◇液压油的要求

 ◇液压油的选择：

工作压力的高低；环境温度；工作部件运动速度的高低。

      1.4.3 空气的主要物理性质

    空气的性质

  空气的组成：

空气的成分按体积计算，大约是：

氮气78%、氧气21%、稀有气体0.94%、二氧化碳0.03%、其他气体和杂质0.03%。

稀有气体包括氦、氖、氩、氪、氙、氡等6种元素，稀有气体，又称作惰性气体或贵气体，是指元素周期表上的第18族元素（IUPAC新规定，即原来的0族），它们在常温下全部是以单原子为分子的气体。

  空气的基本性质

  湿空气:

含有水蒸气的空气

 ◇空气的基本性质

    密度和质量体积

  密度ρ:

单位体积内的空气质量。

     式中m:

空气的质量（kg）；V:

空气的体积（m3）

  质量体积（比容）υ:

单位质量空气的体积υ=1/ρ单位:

m3/kg

     空气的基本性质

∙压缩性:

一定质量的气体，由于压力改变而导致气体容积发生变化的现象。

∙粘性:

气体质点相对运动时产生阻力的性质。

      湿空气

∙绝对湿度χ:

每立方米湿空气中所含水蒸气的质量，

    式中ms:

湿空气中水蒸气的质量（kg）；　　V:

湿空气的体积（m3）

∙饱和绝对湿度:

湿空气中水蒸气的分压力达到该湿度下蒸气的饱和压力时的绝对湿度

  式中，Pb:

饱和空气中水蒸气的分压力（N/m2）；

    Rs:

水蒸气的气体常数，Rs=461（N·m/kg·K）；

    T:

热力学温度（K）,T=273.1+t（°C）

∙相对湿度φ:

在相同温度和相同压力下，绝对湿度与饱和绝对湿度之比

  式中，χ:

绝对湿度；　　　　　　　χb:

饱和绝对湿度；

     ps:

水蒸气的分压力（N/m2）；pb:

饱和水蒸气的分压力（N/m2）；

  相对湿度表示了湿空气中水蒸气含量接近饱和的程度，也称饱和度。

  它同时说明了湿空气吸收水蒸气能力的大小

∙含湿量d:

每千克质量的干空气中所含有的水蒸气的质量

  式中，ms:

水蒸气的质量（kg）；　　　mg:

干空气的质量（kg）；

     ρs:

水蒸气的密度（kg/m3）;ρg:

干空气的密度（kg/m3）；

     1.4.4 气体状态方程

 ◇理想气体（不计粘性的气体）状态方程

  在平衡状态下，气体的三个基本状态参数：

压力、温度和质量体积（比容）之间的关系为:

pv=RT或pV=mRTn

  式中，p:

绝对压力（Pa）；v:

质量体积（比容）（m3/kg）；

     R:

气体常数，对干空气，R=287.1（N·m/kg·K）；水蒸气，R=461（N·m/kg·K）；

     T:

热力学温度（K）；m:

质量（kg）；V:

体积（m3）

    对定量气体，状态方程可写成:

    理想气体状态变化过程

∙等容过程:

一定质量的气体，在状态变化过程中，若体积保持不变。

  上式表明，当体积不变时，压力的变化与温度的变化成正比，当压力上升时，气体的温度随之上升

∙等压过程:

一定质量的气体，在状态变化过程中，若压力保持不变

  上式表明，当压力不变时，温度上升，气体体积增大（气体膨胀）；当温度下降时，气体体积减小（气体被压缩）

∙等温过程:

一定质量的气体，在状态变化过程中，若温度保持不变

  上式表明，当温度不变时，气体压力上升，气体体积被压缩；压力下降时，气体体积膨胀

∙绝热过程:

一定质量的气体，在状态变化过程中，若与外界完全无热量交换

  式中，k:

等熵指数，对干空气k=1.4，对饱和水蒸气k=1.3

在绝热过程中，气体状态变化与外界无热量交换，系统依靠本身内能的消耗对外作功

∙多变过程:

一定质量的气体，若其基本状态参数都在变化（即没有任何条件限制）

  式中，n为多变指数，在一定的多变过程中，n保持不变；对于不同的多变过程，n有不同的值。

 当n=0时，pv0=p=常数，为等压过程；

 当n=1时，pv=常数，为等温过程；

 当n=k时，pvk=常数，为绝热过程；

     1.4.5 气压传动系统对空气要求

 ◇要求压缩空气具有一定的压力和足够的流量

 ◇要求压缩空气具有一定的清洁度和干燥度（指压缩空气中含水量的多少）