液压元件第一章绪论.ppt

液压元件 Hydraulics Elements,一、课程性质和任务 液压元件是热动专业流控方向的一门专业课程。要求学生在学习本课程之后，能够掌握液压元件、液压元件变量控制的工作原理，以及各大类元件的一般性概念、结构特征和设计理论；熟悉液压元件的三个主要部分:动力部分（液压泵）、控制部分（液压阀）、执行部分（液压缸、液压马达）的基本工作原理及性能分析和实验方法。了解液压元件的控制机理和静动态特性。通过理论教学、实验、设计等环节，使学生初步具备分析和设计液压元件及解决液压元件中一般技术问题的能力。,二、课程要求：掌握液压传动的基础理论。掌握各种液压元件的工作原理、结构特点 及其在回路、系统中作用。掌握分析液压元件设计的步骤与方法。了解国内外液压元件先进技术成果在机械 设备中的应用。三、课程总学时数48学时。其中授课44学时，实验4学时。,四、主要教学内容 1绪论：液压元件发展简史，组成系统的 工作原理、优缺点及应用；液压介质概述。2液压控制阀(三大类)。3.液压泵（齿轮泵、叶片泵，柱塞泵）及液 压马达（低速大扭矩液压马达）。4液压缸及辅件简介。5.实践（实验：溢流阀起闭特性；液压泵效率实验）。,五、教材及参考书 1、何存兴.液压元件M.北京：机械工业出 版社，1982.2、李壮云.液压元件与系统第三版M.北 京：机械工业出版社，2011.六、考核方式 闭卷考试 总成绩=考试成绩+平时成绩（作业+考勤）,第1章 绪论,1.1 液压传动的工作原理和工作特征 1.2 液压传动的优缺点和应用 1.3 液压工作介质,1.1 液压传动的工作原理和特征,机器的主要组成：原动机的作用：把各种形态的能量转变为机械能，是机器的动力源。工作机：是完成工作任务的直接工作部分，即利用机械能对外做功,如剪床的剪刀、车刀、卡盘等。传动装置的作用:将原动机产生的能量(或动力)按工作机的要求进行变化和传递。,原动机,传动方式：按照所采用的机件或工作介质的不同：机械传动（齿轮、齿条、带、链条等机件）电气传动（利用电设备并调节电参数）流体传动,气压传动,液体传动,液压传动,液力传动,液压传动：(Hydraulics)以液体为传动介质，基于流体力学的帕斯卡原理，靠密闭工作腔的容积变化并利用流体的压力能来进行能量传递和控制的传动方式。故称为静液传动或容积式液体传动。,1648年法国数学家帕斯卡提出静止液体中压力传递的基本定律，奠定了液体静力学基础。帕斯卡原理内容：在密闭容器内，施加于静止液体的压力将以等值传递到液体各点。,液力传动：（hydrodynamic transmission）以液体为传动介质，基于流体力学的动量矩原理主要利用流体的动能来进行能量传递和控制的传动方式。,液压传动与液力传动的区别：（1）液力传动比液压传动的能容大的多（传动装置单位重量所传递的机械能），所以在传递同样大功率时，液力传动轻的多，体积也小的多。目前，液力传动传递的最大功率至几千千瓦，而液压传动一般只能达到200300KW左右。（2）液力传动内部没有摩擦副,所以寿命比液压传动长。液力传动内部压力不高，密封条件要求低，而且对液体介质清洁度和对液体介质粘温特性要求都远低于液压传动，因此，在运行、维护和制造成本等方面显示优越性。（3）液力传动的最高效率和高效率工作范围内的平均效率不及液压传动，而且液压传动有很强的变换功能和控制功能，这是液力传动无法比拟的。正因为如此，在大多数场合，液力传动无法取代液压传动，例如，在工程车辆上，有许多作业机构，它们对传动的要求相差悬殊，只能采用液压传动，往往只有行走机构是用液力传动的。,气压传动：（Pneumatics）以压缩空气为传动介质，主要利用气体的压力能来进行能量传递和控制的传动方式，因而它与液压传动的传动和控制的方法基本相同。,1.1.1 液压传动的工作原理（液压千斤顶为例）,液压千斤顶的工作过程，是将手动机械能转换为液体压力能，又将液体压力能转换为机械能输出的过程。手动液压千斤顶液压系统所反应关系：1.力的关系 2.运动关系 3.功率关系 手动液压千斤顶是一个组成简单的液压系统，它具有液压传动系统的共有特性。,1.1.2.液压传动系统的基本特征（1）以液体为工作介质，依靠处于密闭工作容积内的液体压力来传递能量。（2）液体压力的高低取决于负载。即“压力取决于负载”（3）执行元件运动速度的大小取决于流量。即“速度取决于流量”（4）压力和流量是液压传动中最基本、最重要的两个参数。,1.1.3.液压传动系统的组成,说明：改变流量控制阀的开口，可以改变进入液压缸的流量，从而控制液压缸活塞的运动速度。液压泵排出的多余的油液经溢流阀和管道流回油箱。液压缸的工作压力取决于负载，液压泵的最大工作压力由溢流阀调定，其调定值应为液压缸的最大工作压力及系统中油液流经阀和管道的压力损失的总和。因此，系统的工作压力不会超过溢流阀的调定值，溢流阀对系统起过载保护的作用。,由此可知，完整的液压系统包括五个基本组成部分：（1）动力元件液压泵。将原动机输入的机械 能转换为液体的压力能，作为系统供油能源装置。（2）执行元件液压缸（或马达）。将液体压力能转换为机械能，对负载作功。（3）控制元件各种液压控制阀，用以控制流体的方向、压力和流量，以保证执行元件完成预期的工作任务。（4）辅助元件油箱、油管、滤油器、密封件、压力表、冷却器、管件、管接头和各种信号转换器等。（5）工作介质传递能量和信号的流体。,1.2 液压传动的优缺点和应用,1.2.1 液压传动系统的主要优缺点 液压传动之所以能得到广泛的应用，是由于它与机械传动、电气传动相比具有以下的主要优点：(1)由于液压传动是油管连接，所以借助油管的连接可以方便灵活地布置传动机构，这是比机械传动优越的地方。例如，在井下抽取石油的泵可采用液压传动来驱动，以克服长驱动轴效率低的缺点。由于液压缸的推力很大，又加之极易布置，在挖掘机等重型工程机械上，已基本取代了老式的机械传动，不仅操作方便，而且外形美观大方。,(2)液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小。例如，相同功率液压马达的体积为电动机的12%13%。液压泵和液压马达单位功率的重量指标，目前是发电机和电动机的十分之一，液压泵和液压马达可小至0.0025N/W(牛/瓦),发电机和电动机则约为0.03N/W。(3)可在大范围内实现无级调速。借助阀或变量泵、变量马达，可以实现无级调速，调速范围可达12000，并可在液压装置运行的过程中进行调速。(4)传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定。正因为此特点，金属切削机床中的磨床传动现在几乎都采用液压传动。,(5)液压装置易于实现过载保护借助于设置溢流阀等，同时液压件能自行润滑，因此使用寿命长。(6)液压传动容易实现自动化借助于各种控制阀，特别是采用液压控制和电气控制结合使用时，能很容易地实现复杂的自动工作循环，而且可以实现遥控。(7)液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广使用。,液压传动系统的主要缺点：(1)有流动阻力和内泄露，使得传动效率不够高。(2)液压传动对油温的变化比较敏感，温度变化时，液体粘性变化，引起运动特性的变化，使得工作的稳定性受到影响，即工作特性受温度变化的影响。所以它不宜在温度变化很大的环境条件下工作。(3)为了减少泄漏，以及为了满足某些性能上的要求，液压元件的配合件制造精度要求较高，加工工艺较复杂。,(4)液压传动要求有单独的能源，不像电源那样使用方便。（5）液压系统发生故障不易检查和排除。（6）发生外泄漏时会污染环境。总之，液压传动的优点是主要的，随着设计制造和使用水平的不断提高，有些缺点正在逐步加以克服。液压传动有着广泛的发展前景。,1.2.2 液压传动的发展及应用概况,1.液压传动的发展概况1648年法国数学家帕斯卡（B.Pascal）提出静止液体中压力传递的基本定律，奠定了液体静力学基础。1795年英国人布拉默（J.Bramsh）发明了第一台水压机（水介质液压机），它的问世是流体动力应用于工业的成功典范，到1826年液压机已被广泛应用，此后还发展了许多水压传动控制回路，并且采用机能符号取代具体的设计和结构，方便了液压技术的进一步发展。,1905年美国人詹尼（Janney）首先将矿物油引入传动介质，并设计研制了带轴向柱塞机械的液压传动装置，并与1906年应用于军舰的炮塔装置上，为现代液压技术的发展揭开了序幕。1910后及1922年海勒.肖（Hele Shaw）及汉斯.托马（Hans Thomas）分别研制成功以油作工作介质的径向柱塞泵。1930年汉斯.托马（Hans Thomas）研制出斜轴式轴向柱塞泵。1936年美国人威克斯（H.Vickers）改传统的直动式机械控制机构，发明了先导控制式压力控制阀。稍后电磁阀和电液换向阀的问世，使得先导控制形式多样化。,1950年摩根（Moog）研制成功采用微小输入信号的电液伺服阀后，美国麻省理工学院的布莱克本（Blackburn）、李（Lee）等人在系统高压化和电液伺服机构方面进行了深入研究。第二次世界大战期间，各种高压元件获得了进一步的发展，出现了伺服阀。1970年前后介于开关控制和伺服控制之间的比例阀问世。1960年莱克本（Blackburn）的液动气动控制和1967年梅里特（Merritt）的液压控制系统两部科学著作相继问世，对液压控制理论作出了系统、科学的阐述。从1962年开始制定液压元件的标准。,2.液压技术的应用概况,行走机械液压工业液压,工程机械的概况种类繁多 挖掘机械、铲运机械、工程起重机械，压实机械、路面机械、桩工机械、叉车与工业搬运车辆、气动工具、凿岩机械、钢筋与与预应力机械、混凝土机械、装修机械、城市公用设施机械、军用工程机械、线路工程机械。具体如装载机、液压挖掘机、叉车、推土机、平地机等。工程机械产品需求与经济社会发展具有较强相关性。多学科知识的载体：机械学、液压、电控、材料、人机工程学等。,工业机械,作 业,1、什么叫液压传动？液压传动的特征是什么？2、液压传动系统的组成和作用各是什么？3、液压传动系统的优缺点是什么？,1.3 液压工作介质,液压工作介质就是液压系统的血液（液压泵比喻成液压系统的心脏）。液压工作介质的作用：传递能量、润滑、热传递、冷却及防锈等。液压系统的故障，约70%以上都与液压油污染有关。液压介质的性能对液压系统的工作状态有很大影响，液压传动系统的压力、温度和流速在很大的范围内变化，因此液压油的质量优劣直接影响液压系统的工作性能。故此，合理的选用液压油也是很重要的。,1.3.1 液压系统对工作介质的主要性能要求,（1）对粘度的要求：对一定的液压系统，只能选择粘度变化范围有限的工作介质才能正常工作。粘度过高，阻力增大，温升快，泵的吸入性能变差，启动困难，甚至产生汽蚀。反之，粘度过低将使泄漏增加、泵的容积效率降低；液体润滑膜变薄，甚至无法形成液体润滑而使得磨损加剧。因此，在系统运行过程中，要求工作介质有合适的粘度及良好的粘温特性。（2）良好的氧化安定性和热安定性：氧化安定性是指抵抗与含氧物质，特别是抵抗与空气起化学反应而保持其理化性能不发生永久变化的能力。热安定性是指油液在高温时抵抗化学反应和分解的能力。,工作介质与空气介质，特别在高温、高压下容易氧化、变质。氧化后酸值会增加腐蚀性，粘稠状物质会堵赛滤器。油液的氧化安定性和热安定性越好，其使用寿命就越长。（3）良好的润滑性（抗磨性）：液压元件内部摩擦副多数处于边界润滑状态，为减少各类摩擦，要求介质对元件的摩擦副有良好的润滑性。（4）良好的剪切安定性：介质通过液压元件的狭窄通道时，要经受剧烈的剪切作用，会使一些聚合物型增粘剂高分子断裂，造成粘度永久下降，在高速、高温下尤其严重。（5）良好的防锈和抗腐蚀性：溶解的空气和水分，会锈蚀金属零件的表面。锈蚀颗粒在系统内循环，会产生磨损和引起故障。,（6）抗乳化性：混入水分的工作介质在泵和其他元件的剧烈搅拌下，容易形成乳化液，降低润滑性。（7）抗泡沫性：混有气泡的介质在液压系统内循环，不仅使润滑条件恶化，还会产生异常噪声、振动和响应变慢。会加速介质的氧化。（8）对密封材料的相容性：或使密封材料溶胀软化、或使其硬化。其结果都会使密封失效。（9）良好的抗燃性：为了人身安全，液压介质不起爆、不易燃是绝对必要的。（10）其他要求：化学稳定性、比热和热传导率要大、热膨胀系数要小、足够的清洁度、无毒性、与产品的相容性、良好的过滤性等等。,1.3.2 工作介质的主要理化性能,1.液体的密度:矿物油的密度=850960(kg/m3)。物体维持原有运动（或相对静止）状态的性质叫作惯性，表征惯性的物理量是质量，液体单位体积内的质量称为密度，以 表示 式中：m 液体的质量,单位为kg；V 液体的体积，单位为m3；2.液体的压缩性 液体受压力作用而发生体积变化的性质称液体的可压缩性。液体的压缩性的大小通常以体积压缩率k 来度量。,液体的压缩性表示当温度不变时，在单位压强变化下液体体积的相对变化量，即 式中 V 液体加压前的体积,单位为m3；V 加压后液体体积变化量，单位为m3；当压强增大时，液体体积总是减小，所以上式中冠一负号以使压缩系数为正值。液体的压缩率k 的倒数称为液体的体积模量，以K表示，其值为,3.液体的粘性：液体在外力作用下流动时，由于液体分子间的内聚力而产生一种阻碍液体分子之间进行相对运动的内摩擦力，液体的这种产生内摩擦力的性质称为液体的粘性。由于液体具有粘性，当流体发生剪切变形时，流体内就产生阻滞变形的内摩擦力，由此可见，粘性表征了流体抵抗剪切变形的能力。处于相对静止状态的流体中不存在剪切变形，因而也不存在变形的抵抗，只有当运动流体流层间发生相对运动时，流体对剪切变形的抵抗，也就是粘性才表现出来。粘性所起的作用为阻滞流体内部的相互滑动，在任何情况下它都只能延缓滑动的过程而不能消除这种滑动。,粘性的大小可用粘度来衡量，粘度反应介质内摩擦力的大小，是选择液压用流体的主要指标，是影响流动流体的重要物理性质。粘度包括：动力粘度、运动粘度、相对粘度。影响粘度最主要的因素是温度，油液的粘度指数是目前国际上通用的表示油液粘度随温度变化特性的约定值。粘度指数高，表明油液的粘度随温度变化较小。4.液体的热导率 5.液体的闪点、凝点和倾点 闪点是指加热时挥发的油液与空气混合物在接触明火时突然闪火的温度。,凝点是指油液冷却到失去流动性的最高温度。倾点是指油液的规定的实验条件下，冷却到能够流动的最低温度。4.液体酸值（中和值）、腐蚀 酸值是指中和1g液压油中全部酸性物质所需氢氧化钾的毫克数。中和值大的油液容易造成液压元件和系统的腐蚀，而且还会加速油液变质，增加磨损。,1.3.3 工作介质的添加剂,工作介质的主要性能是由基础液的物理性质和化学性质决定的。目前液压系统使用的工作介质都含有各种作用的添加剂。添加剂大致分为两类：一类是改善基础液的化学性质，如抗氧化剂、防腐剂、防锈剂等；一类是改善基础液的物理性质，如增粘剂、抗泡剂、抗磨剂等。,1.3.4 液压介质的种类(液压油的分类),普通液压油 专用液压油1、石油基液压油 抗磨液压油 高粘度指数液压油 石油基液压油是以石油的精炼物为基础，加入抗氧化或抗磨剂等混合而成的液压油，不同性能、不同品种、不同精度则加入不同的添加剂。,（1）无水合成液 磷酸脂液压油是难燃液压油之一。它的使用范围宽，可达-54135。抗燃性好，氧化安定性和润滑性都很好。缺点是与多种密封材料的相容性很差，有一定的毒性。（2）乙二醇液压油 这种液体由水、乙二醇和添加剂组成，而蒸馏水占3555，因而抗燃性好。这种液体的凝固点低，达-50，粘度指数高（130170），缺点是能使油漆涂料变软。但对一般密封材料无影响。,（4）乳化液 乳化液属抗燃液压油，它由水、基础油和各种添加剂组成。分水包油乳化液和油包水乳化液，前者含水量达9095，后者含水量大40。1.3.5 液压油产品的命名 液压油产品是质量级别+粘度级别的方式命名的。如：L-HM46 表示46号抗磨液压油。其中：L-表示类别（石油产品润滑剂、工业用油产品）H-组别（液压油组）M-产品特性（质量等级表示产品具有防锈、抗氧、抗磨性能）46-产品牌号（表示40时油液的运动粘度为46mm2/s）,1.3.6 液压油的污染与防护 液压油是否清洁，不仅影响液压系统的工作性能和液压元件的使用寿命，而且直接关系到液压系统能否正常工作。液压系统75%的故障是由液压油液的污染造成的，对液压油液的污染问题必须给予足够的重视。1、污染的原因：外界侵入；内部产生 2、污染的控制：1）清洗 组装前，对元件、管道、油箱清洗 组装后，对整个系统进行循环冲洗 2）过滤 新油过滤后装入油箱 系统中设置过滤器 3）定期更换,思考题 1液压介质有哪几种主要类型？其适用范围 和性能特点有何不同？2什么是液压油的粘度？如何确定液压系统 工作介质的合适粘度？,