液压传动特性认识

《设备控制基础》课程教案

任 务 班 级 教学方法 1.1液压传动特性认识 学 时 教学设备 教学场地 4 多媒体、典型液压元件 多媒体教室、机电一体化实训中心 机电工程系各班 引导法、演示教学法 教学目的 理解液压系统传动系统的工作原理；认识液压传动的特点和特性；掌握流体传动基础知识。 重点难点 液压系统传动的工作原理，液压传动的特点和特性，液压传动的基本参数。 教 学 安 排 步 骤 授课 内容 教学过程设计 液压传动的工作原理和组成、图形符号；液压传动的优缺点；液压油(液)的主要物理性质及选用；流体传动的基本概念；流体传动基础知识； 系统地认识和掌握液压传动的工作原理，压力、流量、功率三个等重要参数和概念；分析液压系统的组成并了解液体的主要物理性质；分析液体流动时的各项物理特性；认识粘度的概念并正确选用粘度；学习压力作用在平面或曲面上的作用力的计算方法、液体流动时压力损失的计算方法以及液体流经小孔的流量计算公式，液体流经其它缝隙的流量计算方法。 认真完成本次教学任务后，学生达到以下综合能力： 专业技能和动手能力提高；具备查阅相关技术资料的能力； 团队协作能力；总结和表达能力； 组织协调能力的提高。与人交流和沟通的能力。 认真完成本次教学任务后，学生逐渐达到以下良好习惯： 安全文明操作的良好习惯； 遵守纪律的良好习惯； 爱护环境，及时整理的良好习惯; 及时总结和分析的良好习惯； 检查各项计划实施结果； 评估工作质量及实际效果。 教学 实施 能力 培养 习惯 培养 课后 总结

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学习单元1 液压传动特性认识与液压元件

学习单元1 液压传动特性认识与液压元件

1.1 液压传动特性认识

授课内容：

1. 分析液压系统传动的工作原理。 2. 认识液压传动的特点和特性。

3. 掌握压力、流量、功率等重要参数和概念。 4. 掌握液体流动时压力损失的计算方法。

5. 了解液体流经小孔及其它缝隙的流量计算公式。 6. 了解液压冲击和空穴现象。

以液体为工作介质进行能量传递和控制的传动方式称为液体传动，它包括液压传动和液力传动。液压传动主要以液体压力能来传递能量；液力传动主要以液体动能来传递能量(如离心泵、液力变矩器等)。

1 液压传动的工作原理及系统组成

引导问题：

请同学们通过查阅相关资料和教师讲解，分析以下问题： 1.液压传动的工作原理是什么？ 2.液压传动系统的组成有哪些？

3.液压传动系统的图形符号国家标准是如何规定的？ 4.液压传动的优缺点各有什么？ 1.1 液压传动的工作原理 液压传动的工作原理。

液压传动的特点是：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。

1.2 液压传动系统的组成

液压传动系统除工作介质外，应由以下四个主要部分组成：

(1)动力元件 它是将原动机输入的机械能转换为液体压力能的装置，其作用是为液压系统提供压力油，是系统的动力源。如各类液压泵。

(2)执行元件 它是将液体压力能转换为机械能的装置，其作用是在压力油的推动下输出力和速度(或转矩和转速)，以驱动工作部件。如各类液压缸和液压马达。

(3)控制调节元件 它是用以控制液压传动系统中油液的压力、流量和流动方向的装置。如溢流阀、节流阀和换向阀等。

(4)辅助元件 上述几部分以外的其它装置，分别起储油、输油、过滤和测压力等作用。如油箱、、过滤器和压力计等。

1.3 液压传动系统的图形符号

液压传动系统图中的图形符号只表示元件的功能、操作(控制)方法和外部连接口，不表示元件的具体结构和参数；液压传动系统图只表示各元件的连接关系，而不表示系统管道布置的具体位置或元件在机器中的实际安装位置；液压传动系统图中的图形符号通常以元件的静止位置或零位置来表示。当无法用图形符号表示或者有必要特别说明系统中某一重要元件的结构及动作原理时，也允许局部采用结构原理图表示。

1.4 液压传动的优缺点 1.液压传动的优点 2.液压传动的缺点

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l.5 液压传动的应用及发展概况

液压传动相对于机械传动来说，是一门新技术。

液压传动在各类机械行业中的应用 行业名称 工程机械 起重运输机械 矿山机械 建筑机械 农业机械 冶金机械 轻工机械 汽车工业 智能机械

应用场所举例 挖掘机、装载机、推土机、压路机、铲运机等 汽车吊、港口龙门吊、叉车、装卸机械、皮带运输机等 凿岩机、开掘机、开采机、破碎机、提升机、液压支架等 打桩机、液压千斤顶、平地机等 联合收割机、拖拉机、农具悬挂系统等 电炉炉顶及电极升降机、轧钢机、压力机等 打包机、注塑机、校直机、橡胶硫化机、造纸机等 自卸式汽车、平板车、高空作业车、汽车中的转向器、减振器等 折臂式小汽车装卸器、数字式体育锻炼机、模拟驾驶舱、机器人等 2 液压油(液)的主要物理性质及选用

引导问题：

请同学们通过查阅相关资料和教师讲解，分析以下问题： 1.液压油(液)的主要物理性质有哪些？ 2.液体粘性的概念和意义是什么？

3.粘度的分类有哪些，各有什么用处？ 4.如何选用液压油？

2.1 液体的粘性 1.液体粘性的意义

液体在外力作用下流动时，液体分子间的内聚力会阻碍分子间的相对运动，而产生内摩擦力，这一特性称为液体的粘性。液体流动时会呈现粘性，而静止液体不呈现粘性。粘性的大小可以用粘度表示，粘度是液体最重要的特性之一，是选择的液压油(液)的主要依据。

2.液体的粘度

常用的粘度有动力粘度、运动粘度和条件粘度三种。 (1)动力粘度



dudy由此可知动力粘度的物理意义：当速度梯度等于1时，接触液层间单位面积上的内摩擦力即为动力粘度。

动力粘度的法定计量单位为Pa·s和mPa·s。

(2)运动粘度 动力粘度与该液体密度的比值称为运动粘度，即

 运动粘度没有明确的物理意义，但它却是工程实际中经常用到的物理量，因为其单位只有长度和时间量纲，类似于运动学的量，故称为运动粘度。

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运动粘度的法定计量单位为m/s和mm/s。

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液压油(液)的粘度等级就是以其40℃时运动粘度的某一中心值来表示，如L-HM32液压油的粘度等

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级为32，则40℃时其运动粘度的中心值为32mm/s。

(3)条件粘度 它是用特定粘度计在规定条件下测出的粘度。由于测量条件不同，各国采用的条件粘度也不同。我国采用恩氏粘度Et。

液压油(液)的粘度对温度变化十分敏感，温度升高，粘度将显著降低。液压油(液)的粘度随温度变化的性质称为粘温特性。不同种类的液压油(液)具有不同的粘温特性。液压油(液)的粘温特性常用其粘温变化程度与标准油相比较的相对数值(即粘度指数VI)来表示，VI值越大，表示其粘度随温度的变化越小，粘温特性越好。

2.2 液体的可压缩性

液体受压力作用而发生体积减小的性质称为液体的可压缩性。液体的可压缩性大小一般用体积压缩率k(单位压力变化下的体积相对变化量)或体积弹性模量K(K=1/k)表示。

3 液压流体力学特性

引导问题：

下面请同学们通过查阅相关资料和教师讲解，根据引导文，分析问题：

本学习单元介绍有关液压传动的流体力学基础知识，包括液体静力学方程、连续性方程、伯努利方程、动量方程的应用，压力损失、小孔流量的计算以及压力冲击现象等。

1.液体静力学特性有哪些？

2.压力是如何表示方法的，仪表的示值压力是什么压力？ 3.液体对固体壁面的作用力大小如何计算？ 4.液体动力学特性有哪些？

5.连续性方程和伯努利方程的物理意义?如何应用? 3.1 液体静力学特性

液体静力学所研究的是液体处于静止状态下的力学规律和这些规律的实际应用。所谓“静止状态”是指液体内部质点之间没有相对运动，至于盛装液体的容器，不论它是静止的还是运动的都没有关系。

1． 液体静压力及其特性

液体静压力有一重要特性:静止液体内任一点处的压力在各个方向上都相等。 2． 液体静力学基本方程

pp0gh 由此基本方程可知，重力作用下的静止液体，其压力分布有如下特征:

①静止液体内任一点处的压力由两部分组成:一部分是液面上的压力p；另一部分是该点以上液体自重形成的压力gh。

0②静止液体内的压力随液体深度呈线性规律分布。

③离液面深度相同处各点的压力相等。压力相等的所有点组成的面称为等压面(等压面为一水平面)。

3． 液体静压力的传递

由静力学基本方程可知，静止液体内任一点处的压力都包含了液面上的压力p。这说明在密封容

0器内，施加于静止液体上的压力，能等值地传递到液体中的各点，这就是静压传递原理(又称帕斯卡原理)。

4．压力的表示方法

液体压力的表示方法有两种，一种是以绝对真空为基准表示的绝对压力；另一种是以大气压力为基准表示的相对压力。绝大多数仪表所测得的压力是相对压力。在液压技术中，如未特别说明，压力均指相对压力。绝对压力和相对压力的关系为

绝对压力=大气压力+相对压力

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真空度=大气压力-绝对压力 5．液体对固体壁面的作用力 静止液体和固体壁面接触时，固体壁面上各点在某一方向所受液体静压作用力的总和，便是液体在该方向对固体壁面的作用力。

当固体壁面为平面时，液体对该平面的作用力F等于液体压力p与该平面面积A的乘积(作用力方向与平面垂直)，即

Fp

3.2 液体动力学特性

液体动力学所研究的是液体流动时的力学规律。本节主要阐明流动液体的三个基本方程，即连续性方程、伯努利方程和动量方程。

1．基本概念

1）理想液体和稳定流动

2）通流截面、流量和平均流速 通流截面A上的平均流速为

qV

在液压缸中液流的流速可以认为是均匀分布的(液体流动速度与活塞运动速度相同)。由式(1-11)可知，当液压缸的有效工作面积A一定时，活塞运动速度便取决于输入液压缸的流量qV。

2．连续性方程

连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的一种表达形式。

由质量守恒定律可知，理想液体在通道内作稳定流动时，液体的质量既不会增多，也不会减少，因此在单位时间内流过通道任一通流截面的液体质量一定是相等的。这就是液流的连续性原理，也称为液流的质量守恒定律。

1122

3．伯努利方程

伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的一种表达形式。 1）理想液体的伯努利方程

11p1gh112p2gh222

22重力作用下，在通道内作稳定流动的理想液体具有三种形式的能量，即压力能、位能和动能。这三

种形式的能量在液体流动过程中可以相互转化，但其总和在各个截面处均为定值。

2）实际液体的伯努利方程 由于实际液体都具有粘性，所以在流动时必然要损耗一部分能量，这种能量损耗表现为液体的压力损失。压力损失可分为两类，即沿程压力损失和局部压力损失。

4． 动量方程

4 液体流动时的压力损失

引导问题：

下面请同学们通过查阅相关资料和教师讲解，分析以下问题： 1.什么是沿程压力损失,其大小由哪些因素决定? 2.如何降低沿程压力损失?

3.什么是局部压力损失,其大小有哪些因素决定? 4.如何降低局部压力损失?

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5.系统总压力损失的大小由哪些因素决定?

4.1 沿程压力损失

液体在直径不变的直通道中流动时因其内摩擦而产生的能量损失，称为沿程压力损失。它主要决定于液体平均流速、动力粘度、通道的长度l和内径d等，其计算公式为

32ll2l2l2p

d2dd2Red2d2式中：为沿程阻力系数。

4.2 局部压损失

液体流经管道的弯头、大小管的接头、突变截面、阀口和网孔等局部障碍处时，因液流方向和速度大小发生突度，使液体质点间相互撞击而造成的能量损失，称为局部压力损失。液体流过这些局部障碍处时，流动状态极为复杂，影响因素较多，除少数情况能在理论上作一定分析外，一般都依靠实验求得各种类型局部障碍的局部阻力系数，然后再计算局部压力损失p，其计算公式为

p22

式中：为局部阻力系数(具体数值可查有关手册)；为液体平均流速。 4.3 管路系统的总压力损失

管路系统的总压力损失应为所有沿程压力损失和局部压力损失之和，即

ppp

液压系统中的压力损失绝大部分将转换为热能，造成系统油温升高、泄漏增大，以致影响系统的工作性能。因此常采取减小流速，缩短管道长度，减少管道截面突变和管道弯曲，提高管道内壁加工质量及适当增大管道内径，合理选用阀类元件等措施，以使管路系统压力损失减小，保证系统正常工作。

5 液体流经小孔及间隙的流量

引导问题：

下面请同学们通过查阅相关资料和教师讲解，根据引导文，分析问题。 液压传动系统中常利用液体流经阀的小孔或缝隙来控制流量和压力，以达到调速和调压目的。液压元件的泄漏也属于间隙流动。

1.液体流动时经过的小孔是如何分类的? 2.液体流经小孔的流量大小如何计算? 3.液体流经间隙的流量大小如何计算?

5.1 液体流经小孔的流量 小孔可分为三种：当通道长度和内径之比l/d0.5时，称为薄壁孔；称为细长孔；0.5l/d4l/d4时，时，称为短孔(厚壁孔)。

这三种小孔的流量公式，可以综合地用下面通式来表达

qVpm

式中：K为由节流孔形状、尺寸和液体性质决定的系数(细长孔Κd2/32l，薄壁孔和短孔cq2/)；、p分别为小孔通流截面面积和两端压力差；m为由小孔长径比决定的指数(薄壁孔m0.5，短孔0.5m1，细长孔m1)

5.2 液体流经间隙的流量

在液压元件中常见的间隙形式有两种，即平行平板间隙和环状间隙。 1.液体流经平行平板间隙的流量

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平行平板间隙分为固定平行平板间隙和相对运动平行平板间隙两种。 (1)液体流经固定平行平板间隙的流量 (2)液体流经相对运动平行平板间隙的流量 2.液体流经环状间隙的流量

环状间隙分为同心环状间隙和偏心环状间隙两种。

(1)液体流经同心环状间隙的流量 (2)液体流经偏心环状间隙的流量。

6 液压冲击与空穴现象

引导问题：

下面请同学们通过查阅相关资料和教师讲解，分析以下问题： 1.什么是液压冲击现象?

2.产生液压冲击的原因和危害由哪些？ 3.什么是空穴现象?

4.产生空穴现象的原因和危害由哪些？

6.1 液压冲击

在液压系统中，由于某种原因引起液体压力在某一瞬间突然急剧上升，而形成很高的压力峰值，这种现象称为液压冲击。

1.产生液压冲击的原因 2.液压冲击的危害 3.减小液压冲击的措施

6.2 空穴现象 在液压系统中，如果某处压力低于油液工作温度下的空气分离压时，油液中的空气就会分离出来而形成大量气泡；当压力进一步降低到油液工作温度下的饱和蒸汽压力时，油液会迅速汽化而产生大量汽泡。这些气泡混杂在油液中，产生空穴，使原来充满管道或液压元件中的油液成为不连续状态，这种现象一般称为空穴现象。

空穴现象一般发生在阀口和液压泵的进油口处。油液流过阀口的狭窄通道时，液流速度增大，压力大幅度下降，就可能出现空穴现象。液压泵的安装高度过高，吸道内径过小，吸油阻力太大，或液压泵转速过高，吸油不充足等，均可能产生空穴现象。

液压系统中出现空穴现象后，气泡随油液流到高压区时，在高压作用下气泡会迅速破裂，周围液体质点以高速来填补这一空穴，液体质点间高速碰撞而形成局部液压冲击，使局部的压力和温度均急剧升高，产生强烈的振动和噪声。

在气泡凝聚处附近的管壁和元件表面，因长期承受液压冲击及高温作用，以及油液中逸出气体的较强腐蚀作用，使管壁和元件表面金属颗粒被剥落，这种因空穴现象而产生的表面腐蚀称为气蚀。

防止产生空穴现象和气蚀的措施。

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