液压传动与液力传动 Hydraulic and Hydrodynamic Drive

1. 液压传动与液力传动Hydraulic and Hydrodynamic Drive 机电工程学院 1

2. 综述 课程简介 基本概念 参考文献 2

3. 课程简介 液压传动与液力传动是一门专业基础课，以流体力学为基础，讲述液压传动与液力传动的工作原理，液压传动与液力传动所采用元件的结构和工作原理，液压传动与液力传动的优缺点，以及液压系统如何设计和液力传动的工作原理、液力变矩器工作原理。 通过本课程的学习，掌握一定的流体力学知识；掌握有关液压泵，液压马达，油缸，各种液压阀的结构、工作原理和性能作用；了解液压传动的基本原理和基本油路，具有分析、运用、设计液压系统的基本能力；了解和掌握液力传动的基本知识，为后续专业课打下基础。 3

4. 基本概念 液体传动—以液体为工作介质传递能量和进行控制的一种传动方式，按工作原理不同又分为液压传动和液力传动。 液压传动—在密闭回路中，利用液体的压力能来传递能量的一种液体传动。因为其工作原理基于帕斯卡原理，所以又称为静液压传动。 液力传动—利用液体的动能来传递能量的一种液体传动。 其工作原理基于工程流体力学的动量矩原理。 机械传动 液压传动 电气传动 液体传动 传动 气体传动 液力传动 流体传动 液体传动 4

5. 参考文献 雷天觉主编. 新编液压工程手册[M]. 北京：北京理工大学出版社，2005 许福玲主编. 液压与气压传动[M]. 北京：机械工业出版社，2007 马文星主编. 液力传动理论与设计[M]. 北京：化学工业出版社，2004 王宝和主编. 流体传动与控制[M]. 国防科技大学出版社，2001 张磊等编. 实用液压技术300题[M]. 北京：机械工业出版社，1998 路甬祥 胡大宏编著. 电液比例控制技术[M]. 北京：机械工业出版社,1988 冯世波．A4V系列液压泵的开发和应用[J], 液压气动与密封，1999，（4）：16-18 姚怀新．行走机械液压传动理论 [J]，建筑机械，2003 黄宗益，李兴华，陈明．液压传动的负载敏感和压力补偿[J]，建筑机械，2004，（4）：52-55 5

6. 第一章 液压传动基础知识 6

7. 第一章 液压传动基础知识 机器的组成：原动机、传动装置、工作机构。 机械传动 电气传动 传动 气体传动 流体传动 液体传动 7

8. 第一章 液压传动基础知识 液体传动是以液体为工作介质传递能量和进行控制的一种传动方式，按其工作原理的不同，又分为液压传动和液力传动。 液压传动是利用液体的压力能传递能量的一种液体传动，其理论基础是帕斯卡原理。 液力传动则是利用液体的动能传递能量的一种液体传动，其理论基础是动量矩原理。 注意：液体必须在密封容积中才能起传动的作用。 8

9. 第一章 液压传动基础知识 1.1 液压传动的工作原理和组成 1.2 液压传动的特点及应用 1.3 液压传动的工作介质 1.4 流体力学基本知识 9

10. 1.1液压传动的工作原理和组成 一、液压传动的工作原理 举升机构的液压系统结构式原理图 10

11. 液压传动的工作原理 执行元件 辅助元件 动力元件 控制元件 传动介质 11

12. 1.1液压传动的工作原理和组成 二、液压传动的组成 动力元件（液压泵）：系统的能源，它是把原动机（电动机、发动机）的机械能转换成液压能的“能量转换装置”； 执行元件（液压缸、液压马达）：系统对外做功的装置，是把液压能转换成机械能的“能量转换装置”。前者实现往复运动，后者实现旋转运动； 控制元件（换向阀、溢流阀、流量阀等）：系统中的控制和调节装置。它能按设定的要求和工作循环，把液压能正确地提供给执行元件； 辅助元件（油箱、滤油器、油管、压力表、蓄能器、截止阀等）：它将使系统工作更完善，是保证系统正常工作的不可缺少的元件； 工作介质（液压油）：用以传递能量，同时还起到散热和润滑作用。 12

13. 1.1液压传动的工作原理和组成 三、图形符号和液压系统图 为了简化液压系统原理图的绘制，用一种职能符号式液压系统原理图。在这种原理图中，各液压元件都用符号表示，这些符号只表示元件的职能和连接系统的通路，并不表示元件的具体结构。我国制定的液压系统图形符号标准GB/T786.1-1993。 13

14. 1.1液压传动的工作原理和组成 1、2—单向阀；3—溢流阀； 4—节流阀；5—换向阀；6—工作机构；7—液压缸；8—液压泵；9—滤油器；10—油箱。 (a)系统原理图 (b)、 (c)换向阀 14

15. 1.2 液压传动的特点及应用 一、液压传动的优点 能获得较大的力或力矩； 同其他传动方式比较，传动功率相同，液压传动装置的重量轻，体积紧凑； 可实现无级调速，调速范围大； 易于布置，组合灵活性大； 传动工作平稳，系统容易实现缓冲吸振，并能自动防止过载； 可以简便地与电控部分结合，组成电液结合成一体的传动和控制器件，实现各种自动控制。这种电液控制即具有液压传动输出功率适应范围大的特点，又具有电子控制方便灵活的特点； 自润滑，不需要专门的润滑系统； 元件已基本上系列化、通用化和标准化，利于CAD技术的应用、提高功效，降低成本 15

16. 1.2 液压传动的特点及应用 二、液压系统的缺点 易泄漏（内泄漏、外泄漏），故效率降低，液动机位移精度降低，锁精度降低，此外外泄漏使油浪费且污染环境； 对元件的加工质量要求高，对油液的过滤要求严格； 受环境影响较大，液压传动性能对温度比较敏感； 由于能量转换次数多等原因造成系统的总效率低，目前一般效率为75－85％； 液压元件的制造和维护要求较高，价格也较贵； 故障诊断与排除要求较高技术。 16

17. 1.2 液压传动的特点及应用 三、应用 由于液压传动有其突出的优点，所以在国内外各种机械设备上得到了广泛的应用： 工程机械（各种建设机械、筑路机械、矿山机械、港口机械等） 机械制造业（各种机床） 航空航天（飞机等） 17

18. 1.3 液压传动的工作介质 一、 概述 作用：液压油是传递动力和信号的工作介质，同时也起到润滑、冷却、防锈的作用。其类型如下表 18

19. 1.3 液压传动的工作介质 二、液压油的性质 1.密度 对于均质的液体来说，单位体积所具有的质量叫做密度，其计算公式如下 式中 —液体的密度(kg/m3) m— 液体质量（kg） v— 液体体积（m3) 表示 我国采用20℃时的密度为液压油的标准密度，以 19

20. 1.3 液压传动的工作介质 2、压缩性 液体受压力的作用发生体积变化的性质叫压缩性。液体压缩性的大小可用体积压缩系数 来表示，是指液体所受的压力每增加一个单位压力时，其体积的相对变化量，即 式中负号是因为压力增大时,液体体积反而减小,反之则增大。为了使 为 正值,故加一负号。液体体积压缩系数的 倒数,即为液体体积弹性模量,用 表示, 即 热胀性：液压油受热，体积↑而密度↓。 一般来说，在实际液压系统中，可以忽略油液的压缩性和热胀性，但当压力较高或进行动态分析时就必须考虑液体的压缩性。 20

21. 1.3 液压传动的工作介质 3、液压油的粘性 粘性—液体在流动过程中，由于相互间发生相对运动而所表现出来的力的性质，叫粘性。它表现出的力是指质点之间的内摩擦力。 液体的粘性，只有在质点有相互运动时才能表现出来，静止时是不会有粘性的. （1）粘性的度量 粘性的大小用粘度表示。粘度是液体流动的缓慢程度的度量 按国标GB/T3141—1994所规定，液压油产品的牌号用粘度的等级表示，即用该液压油在40℃时的运动粘度中心值表示。 21

22. 1.3 液压传动的工作介质 图1-3 液体粘性示意图 22

23. 1.3 液压传动的工作介质 实验表明，各层间的内摩擦力与下述因素有关 (1) 与层间速度dv成正比，与层间距离dz成反比，即T与 成正比。这里 —速度梯度，即由下层向上层速度变化的快慢程度； (2)与两层液体的接触面积成正比； (3)与液体的品种有关，与压力无关。 用数学表达式为：内摩擦力 式中 —比例系数 23

24. 1.3 液压传动的工作介质 (2)粘度的表示方法 a)绝对粘度 （又叫动力粘度）动力粘度单位为帕·秒（Pa·s）, 即：N·s/ m2。 b)运动粘度单位（SI单位制）：m2/s，在工程上常用mm2/s（厘斯，cSt）或cm2/s表示（斯，St表示，其换算关系为1m2/ s=104St=106cSt 。 c)相对粘度 中国、德国和俄罗斯用恩氏粘度 ，美国用赛氏粘度SUS，英国用雷氏粘度RS。工业上常用 作为标准恩氏粘度。 24

25. 1.3 液压传动的工作介质 结论： 压力、温度对于粘滞性的影响。 压力↑粘度↑，温度↑粘度↓，在压力不高时，可以忽略其对粘度的影响 25

26. 1.3 液压传动的工作介质 三、液压油的选用 1、对液压传动工作介质的要求　 不同的工作机械、不同的使用情况对液压传动工作介质的要求有很大的不同；为了很好地传递运动和动力，液压传动工作介质应具备如下性能： 1)合适的粘度，较好的粘温特性。 2)润滑性能好。 3)质地纯净，杂质少。 4)对金属和密封件有良好的相容性。 5)对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性 26

27. 1.3 液压传动的工作介质 6)抗泡沫好，抗乳化性好，腐蚀性小，防锈性好。 7)体积膨胀系数小，比热容大。 8)流动点和凝固点低，闪点(明火能使油面上油蒸气闪燃，但油本身不燃烧时的温度)和燃点高。 9)对人体无害，成本低。 　　对轧钢机、压铸机、挤压机和飞机等液压系统则须突出耐高温、热稳定、不腐蚀、无毒、 不挥发、防火等项要求。 27

28. 1.3 液压传动的工作介质 2、液压油的选择 选择液压油首先要考虑的是粘度问题 （1）列出液压系统对液压油性能的变化范围要求 （2）尽可能选出符合或接近上述要求的工作介质品种 （3）最终综合、权衡、调整各方面的要求，决定合适的油液. 四、环保型液压油 液压油的环保性指的是液压油的生物可降解能力，生物可降解液压油是指即能满足机器液压系统的要求，其损耗产物又对环境不造成危害的液压油，又称为环境友好型液压油或绿色液压油。 28

29. 1.3 液压传动的工作介质 五、液压传动工作介质的污染及控制 概述 工作介质污染的原因 工作介质污染的危害 工作介质污染的控制 29

30. 1.3 液压传动的工作介质 概述 油液污染直接影响液压系统的工作可靠性和元件的使用寿命。国内外资料表明,液压系统的故障大约有70%是由于油液污染引起的。（特别是在新系统调试过程中） 液压系统油液污染物，按其类型可分为固体、液体和气体三种形式。固体颗粒主要由剥落物、胶质、金属粉末、空气中带来的粉尘、砂子、研磨粉、沉积物和纤维等组成。液体污染物主要指水分、清洗液及其他种类的油液。气体污染物则主要指空气。 30

31. 工作介质污染的原因 1、残留物的污染 2、侵入物的污染 3、生成物的污染 污染度等级：单位体积工作介质中固体颗粒污染物的含量。 31

32. 工作介质污染的危害 固体颗粒和胶状生成物堵塞过滤器以及阻尼孔（如先导式溢流阀的阻尼孔） 微小颗粒会加速有相对滑动零件表面的磨损（对于有特殊要求的活塞，在其表面焊上一层比较软的金属如铜合金） 水分和空气的混入会降低液压油的润滑性，并加速其氧化变质；产生气蚀，使液压件加速损坏；使液压传动系统出现振动、爬行等现象 32

33. 工作介质污染的控制 减少外来的污染 滤除系统产生的杂质 控制工作介质的温度 定期检查更换液压油液 33

34. 1.4 流体力学基本知识 一.流体静力学基础 液体静力学主要是讨论液体静止时的平衡规律以及这些规律的应用。"液体静止"指的是液体内部质点间没有相对运动，不呈现粘性而言，至于盛装液体的容器，不论它是静止的或是匀速、匀加速运动都没有关系。 34

35. 1.4 流体力学基本知识 作用在液体上的力有两种，即质量力和表面力。 质量力：单位质量液体受到的质量力称为单位质量力， 在数值上就等于加速度 表面力：表面力是由与流体相接触的其它物体(如容器 或其它液体)作用在液体上的力 单位面积上作用的表面力称为应力，它有法向应力和切向应力之分。当液体静止时，液体质点间没有相对运动，不存在摩擦力，所以静止液体的表面力只有法向力。 35

36. 1.4 流体力学基本知识 1.液体静压力及其特性 静压力是指液体处于静止状态时，单位面积上所受的法向作用力。静止液体中各点的压力不均匀，则液体中某一点的压力可写为 如法向作用力F均匀地作用在面积A上，则压力可用下式表示 （1-1） （1-2） 36

37. 1.4 流体力学基本知识 静压力有两个重要性质: 1)液体静压力的方向总是作用面的内法线方向。 2)静止液体内任一点的液体静压力在各个方向上都相等。 37

38. 1.4 流体力学基本知识 2. 静压力基本方程 （1-3） 图1-1 重力作用下的静止液体 38

39. 1.4 流体力学基本知识 化简后得： (1-4) 式中 p--静止液体中某一点的压力 p0--作用在液面上的压力 h--该点离液面的垂直距离 --液体的密度 g--重力加速度 静压力基本方程说明了 39

40. 1.4 流体力学基本知识 (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，另一部分是与该点离液面深度 的乘积。 (2)同一容器中同一液体内的静压力随液体深度的增加而线性地增加。 (3)连通器内同一液体中深度相同的各点压力都相等。由压力相等的点组成的面称为等压面。 重力作用下静止液体中的等压面是一个水平面。 40

41. 1.4 流体力学基本知识 静压力基本方程式的物理意义 （const) 上述表达式说明了静止液体中单位质量液体的压力能和位能可以互相转换，但各点的总能量却保持不变，即能量守恒，这就是静压力基本方程式中包含的物理意义 41

42. 1.4 流体力学基本知识 3. 绝对压力、相对压力和真空度 压力的表示方法有两种：一种是以绝对真空作为基准所表示的压力，称为绝对压力；另一种是以大气压力作为基准所表示的压力，称为相对压力。由于大多数测压仪表所测得的压力都是相对压力，故相对压力也称表压力。 绝对压力与相对压力的关系为： 绝对压力=相对压力+大气压力 绝对压力小于大气压时, 负相对压力数值部分叫做真空度。即 真空度=大气压-绝对压力=-(绝对压力-大气压) 　　由此可知，当以大气压为基准计算压力时，基准以上的正值是表压力，基准以下的负值就是真空度。绝对压力、相对压力和真空度的相互关系如图所示。 42

43. 1.4 流体力学基本知识 绝对压力、相对压力与真空度间的相互关系 43

44. 1.4 流体力学基本知识 压力的单位: 法定压力(ISO)单位称为帕斯卡(帕)，符号为Pa，工程上常用兆帕这个单位来表示压力： 1MPa=106Pa 在工程上采用工程大气压，也采用水柱高或汞柱高度等，在液压技术中，目前还采用的压力单位有巴，符号为bar =105Pa=1.02kgf/cm2 1bar 44

45. 1.4 流体力学基本知识 通常在液压传动系统的压力管路和压力容器中，由外力所产生的压力要比由液体自重所产生的压力大许多倍。例如液压缸、管道的配置高度一般不超过10M，如取油液的密度为900kg/m3，则由油液自重所产生的压力 ，而液压系统内部的压力通常在几到几十Mpa之间。因此，液压传动系统中，为使问题简化，由油液自重产生的压力通常忽略不计，一般认为静止液体内部各处的压力都是相等的。这种提法不严格，但解决实际工程问题很实用，以后在分析某些控制阀和液压系统的工作原理时常要用到它。 45

46. 1.4 流体力学基本知识 4 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各点。这就是静压传递原理或称帕斯卡原理。液压系统中的压力是由外界负载决定的。 46

47. 1.4 流体力学基本知识 5 液体静压力对固体壁面的作用力 静止液体和固体壁面相接触时，固体壁面上各点在某一方向上所受静压作用力的总和，便是液体在该方向上作用于固体壁面上的力。在液压传动计算中质量力可以忽略，静压力处处相等，所以可认为作用于固体壁面上的压力是均匀分布的。 当固体壁面是曲面时，作用在曲面各点的液体静压力是不平行的，曲面上液压作用力在某一方向上的分力等于液体静压力和曲面在该方向的垂直面内投影面积的乘积。 47

48. 1.4 流体力学基本知识 二、流体动力学基础 1.基本概念 理想液体：既无粘性又不可压缩的液体。 实际液体：既有粘性又可压缩的液体。 液体流动时，若液体中任何一点的压力、流速和密度都不随时间而变化，这种流动称为稳定流动（恒定流动）；反之称为非稳定流动（非恒定流动）。 通流截面：垂直于液体流动方向的截面。 单位时间内流过某通流截面的液体体积称为流量，即 （1-5） 48

49. 1.4 流体力学基本知识 2. 常数 或 液流的连续性原理 （1-6） 49

50. 1.4 流体力学基本知识 公式（1-6）被称为连续性方程，它说明了在同一管路中，无论通流面积怎样变化，只要液体是连续的，即没有空隙，没有泄露，液体通过任一截面的流量是相等的；同时还说明了同一管路中通流面积大的地方液体流速小，通流面积小的地方则液体流速大。当通流面积一定时，通过液体的流量越大，其流速也越大。 50