液压与气压传动电子教案.pdf

教师第一次课时授课计划（首页）授课对象：机电系 11 级机制 专业 综合班 科目：液压与气压传动技术 课 题 液压传动系统的工作原理与组成 授 课 类型 理论课 实践课 讨论课 习题课 其他 授 课 学时 2 学时 教学方法 讲授法+演示法+操作法 教学准备 教案、PPT 作 业 布置 教学目的与要求 1、掌握液压传动的工作原理 2、掌握液压传动系统的组成 教学重点难点 重点：掌握液压传动系统的组成 教 学 过程 一、液压传动系统的工作原理 液压传动是以液体为工作介质，并以压力能进行动力（或能量）传递、转换与控制的液体传动。现以以图 11 液压千斤顶为例，说明液压传动系统的工作原理。提起杠杆 1，活塞 3 上升，小油缸 2 下腔的工作容积增大，形成局部真空，于是油箱 8 中的油液在大气压力的作用下，推开单向阀 4 进入油缸 2 的下腔（此时单向阀 7 关闭）；当压下杠杆 1 时，活塞 3 下降，油缸 2 下腔的容积缩小，油液的压力升高，打开单向阀 7（此时单向阀 4 关闭），油缸 2 下腔的油液进入工作缸 12 的下腔（此时截止阀 9 关闭），使活塞 11 向上运动，将重物顶起一段距离。如此反复提压杠杆 1，就可以使重物不断上升，达到顶起重物的目的。工作完毕，打开截止阀 9，使大油缸 12 下腔的油液通过管路直接流回油箱，活塞 11 在外力和自重的作用下实现回程。这就是液压千斤顶的工作原理。参 考 资料 液压与气压传动技术 肖珑 西安电子科技出版社出版社.2008.液压与气压传动（第 2 版）万会雄 高等教育出版社.2008.教 学 后记 图 1-1 液压千斤顶工作原理图 液压传动的基本工作原理如下：（1）液压传动的液体为传递能量的工作介质；（2）液压传动必须在密闭的系统中进行，且密封的容积必须发生变化；（3）液压传动系统使一种能量转换装置，而且有两次能量转换过程；（4）工作液体只能承受压力，不能承受其它应力，所以这种传动是通过静压力进行能量传递的。二、液压传动装置的组成 1.机床工作台液压系统的工作过程 图 12 为机床工作台液压系统示意图。当液压泵 3 由电动机驱动旋转时，从油箱 1 经过过滤器 2吸油。经换向阀 7 和管路 11 进入液压缸 9 的左腔，推动活塞杆及工作台 10 向右运动。液压缸 9 右腔的油液经管路 8、阀 7 和管路 6、4 排回油箱，通过扳动换向手柄切换阀 7 的阀芯，使之处于左端工作位置，则液压缸活塞反向运动；切换阀 7 的阀芯工作位置，使其处于中间位置，则液压缸 9 在任意位置停止运动。图 12 机床工作台液压系统原理结构示意图 2.液压传动装置的组成 从机床工作台液压系统的工作过程可以看出，一个完整的、能够正常工作的液压系统，应该由以下几个主要部分组成：（1）动力元件 供给液压系统压力油，把原动机的机械能转化成液压能。常见的是液压泵。（2）执行元件 把液压能转换为机械能的装置。其形式有做直线运动的液压缸，有做旋转运动的液压马达。（3）控制调节元件 完成对液压系统中工作液体的压力、流量和流动方向的控制和调节。这类元件主要包括各种液压阀，如溢流阀、节流阀以及换向阀等。（4）辅助元件 辅助元件是指油箱、蓄能器、油管、管接头、滤油器、压力表以及流量计等。这些元件分别起散热、储油、蓄能、输油、连接、过滤、测量压力和测量流量等作用，以保证系统正常工作，是液压传动系统不可缺少的组成部分。（5）工作介质 它在液压传动及控制中起传递运动、动力及信号的作用，包括液压油或其它合成液体，它直接影响液压系统的工作性能。液压系统中各元件之间的关系如图 1-3 所示：图 1-3 液压系统元件图 三、液压传动系统的图形符号 为了便于阅读、分析、设计和绘制液压系统，工程实际中，国内外都采用液压元件的图形符号来表示。按照规定，这些图形符号只表示元件的功能，不表示元件的结构和参数，并以元件的静止状态或零位状态来表示。若液压元件无法用图形符号表述时，仍允许采用半结构原理图表示。我国制订有液压与气动元件图形符号标准 GB/T786.11993液压气动图形符号，在液压系统设计中，要严格执行这一标准。教师第二次课时授课计划（首页）授课对象：机电系 11 级机制 专业 综合班 科目：液压与气压传动技术 课 题 液压传动的特点 授 课 类型 理论课 实践课 讨论课 习题课 其他 授 课 学时 1 学时 教学方法 讲授法+演示法+操作法 教学准备 教案、PPT 作 业 布置 教学目的与要求 目的：了解液压传动的特点 教学重点难点 重点：液压传动与机械传动、电气传动相比较的特点 教 学 过程 一、液压传动的优点 1.液压传动的各种元件，可根据需要方便、灵活地布置；2.单位功率的重量轻，体积小，传动惯性小，反应速度快；3.液压传动装置的控制调节比较简单，操纵方便、省力，可实现大范围的无级调速（调速比可达 2000），当机、电、液配合使用时，易于实现自动化工作循环；4.能比较方便地实现系统的自动过载保护；5.一般采用矿物油为工作介质，完成相对运动部件润滑，能延长零部件使用寿命；参 考 资料 液压与气压传动技术 肖珑 西安电子科技出版社出版社.2008.液压与气压传动（第 2 版）万会雄 高等教育出版社.2008.教 学 后记 二、液压传动的主要缺点 1.由于液体流动的阻力损失和泄漏较大，所以效率较低。如果处理不当，泄漏不仅污染场地，而且还 可能引起火灾和爆炸事故；2.工作性能易受温度变化的影响，因此不宜在很高的温度或者很低的温度条件下工作；3.液压元件的制造精度要求很高，因而价格较贵；4.由于液体介质的泄露及可压缩性，不能得到严格的定比传动；液压传动出故障时不易找出原因，要求具有较高的使用和维护技术水平。5.在高压、高速、大流量的环境下，液压元件和液压系统的噪音较大。教师第 3 次课时授课计划（首页）授课对象：机电系 11 级机制 专业 综合班 科目：液压与气压传动技术 课 题 液压系统的工作介质 授 课 类型 理论课 实践课 讨论课 习题课 其他 授 课 学时 6 学时 教学方法 讲授法+演示法+操作法 教学准备 教案、PPT 作 业 布置 教学目的与要求 1、掌握液压油的特性 2、掌握液压油的类型、选择和使用 3、了解液压油的污染与防护 教学重点难点 重点：掌握液压油的类型、选择和使用 教 学 过程 一、液压油的特性（一）液压油液的物理特性 1密度和重度 单位体积液体的质量称为密度，通常用符号“”表示，即 =m/V （2-1）单位体积液体的重量称为重度，通常用符号“”表示，即 =G/V （2-2）2黏性和黏度（1）黏性 液体在外力作用下流动时，液体分子间互相吸引的内聚力阻碍其分子之间相对运动，而在液体内部产生一种内摩擦力的现象，称为液体的黏性。但是，静止液体不呈现黏性。黏性是液体的重要物理性质，也是选择液压油的主要依据之一。参 考 资料 液压与气压传动技术 肖珑 西安电子科技出版社出版社.2008.液压与气压传动（第 2 版）万会雄 高等教育出版社.2008.教 学 后记 液体流动时，由于液体的黏性以及液体和固体壁面间的附着力，会使液体内部各液层间的流动速度大小不同。如图 2-1 所示，两平行平板间充满液体，下平板固定，上平板以速度 u0 向右平移。由于黏性和 附着力的作用，紧贴上平板表面的这层流体将与上平板以相同的速度 u0 向右运动，紧贴下平板表面的这层流体则保持不动，而中间各层流体的运动速度则根据它与下平板间的距离大小呈线性规律分布。这种流动可以看成是许多无限薄的流体层在运动，当运动较快的流体层在运动较慢的流体层上滑过时，两流体层间由于黏性就产生内摩擦力的作用。根据实际测定的数据所知，相邻两流体层间的内摩擦力 Ff与流体层的接触面积 A 及流体层的相对流速 du 成正比，而与此二流体层间的距离 dy 成反比，即：（2）黏度 液体黏性的大小用黏度来衡量。工程中黏度的表示方法有以下几种：.动力黏度 液体的动力黏度又称绝对黏度，它直接表示流体的黏性即内摩擦力的大小，用动符号“”表示。动力黏度的物理意义上是：液体在单位速度梯度下流动时，单位面积上产生的内摩擦力。即：.运动黏度 液体的运动黏度是其绝对黏度与密度的比值，用符号“v”表示。即 .相对黏度 相对黏度又称条件黏度。它是以相对于蒸馏水的黏性的大小来表示某种液体的黏度，并采用特定的黏度计在规定的条件下测得。由于测量条件不同，各国采用的相对黏度也有所不同。美国采用赛氏黏度，英国采用雷氏黏度，我国、德国和俄罗斯均采用恩氏黏度。恩氏黏度采用图 2-2 所示的恩氏黏度计测定 3可压缩性 液体因所受压力增大而发生体积缩小的性质称为液体的可压缩性，用体积压缩系数 k 表示。其物理意义是单位压力变化下的液体体积相对变化量，液体体积压缩系数 k 的倒数称为体积弹性模量 K，即 dyduAFfdyduvVVPk01 VVpkK1 （二）黏度与压力的关系 液体所受的压力增加时，其分子间的距离将减小，其内聚力增加，黏度也随之增大。液体的黏度与压力的关系可表示为 由上式可知，对于液压油，在中低压液压系统内，压力变化很小，因而对黏度影响较小，可以忽略不计；当压力较高（大于 10MPa）或压力变化较大时，则需要考虑压力对黏度的影响。三）黏度与温度的关系 黏度对温度的变化是十分敏感的，当温度升高时，液体分子间的内聚力减小，黏度就随之降低，这一特性称为黏温特性。不同种类的液压油有不同的黏温特性，图 2-3 所示为几种典型液压油的黏温特性曲线图。对于一般常用的液压油，当运动粘度不超过 76mm2/s，温度在 30150范围内时，可用下述近似公式计算其温度为 t的运动粘度，即 二、液压油的类型、选择与使用 1.对液压传动工作介质的要求 在液压传动系统中，液压油既是用来传递能量的工作介质，还起着润滑运动部件和保护金属不被锈蚀的作用，因此对其有较高的要求。具体要求大致可概括如下：（1）适宜的黏度和良好的黏温性能 （2）良好的润滑性能。（3）良好的化学稳定性。（4）质地纯净、不含腐蚀性物质等杂质。（5）抗泡沫性和抗乳化性好，对金属和密封件材料具有良好的相容性。（6）比热容和热传导率大，热膨胀系数小。（7）流动点和凝固点低，闪点和燃点高。（8）对人畜无害，价格低廉。（9）可滤性好，即液压油液中的颗粒污染物容易通过滤网过滤，以保证较高的清洁度。2.液压油的类型 液压油的品种很多，主要可分为三大类：矿油型、合成型和乳化型液压油。矿油型液压油是以机械油为原料，经精炼后按需要加入适当添加剂而成的液压油。这类液压油在液压系统中最常用，各项性能都优于其他品种，润滑性能好，但抗燃性较差。pp003.01 nttvv5050 3液压油的选择和使用 面进行选用液压油品种和黏度。（1）根据工作机械的不同要求选用 精密机械与一般机械对黏度要求不同。为了避免温度升高而引起机件变形，影响工作精度，精密机械宜采用较低黏度的液压油。例如机床的液压伺服系统，为保证伺服机构动作灵敏性，宜采用黏度较低的液压油。（2）根据液压泵的类型选用 液压泵的类型较多，如齿轮泵、叶片泵、柱塞泵等，它是液压系统的重要元件，在系统中它的运动速度、压力和温度都较高，工作时间又长，因而对黏度要求较严格，所以选择黏度时应先考虑到液压泵的类型。在一般情况下，可将液压泵要求液压油的黏度作为选择液压油的基准，如表 2-3 所示。表 2-3 按液压泵类型推荐选用的液压油的黏度 （3）根据液压系统的工作压力选用 通常，当工作压力较高时，宜采用黏度较高的液压油，以免系统泄漏过多，效率过低；当工作压力较低时，宜采用黏度较低的液压油，这样可以减少压力损失，如表 2-4 所示。（4）根据液压系统的环境温度选用 矿物油的黏度由于温度的影响变化很大，为保证在工作温度时有较适宜的黏度，还必须考虑周围环境温度的影响。当周围温度高时，宜采用黏度较高的液压油；当周围温度低时，宜采用黏度较低的液压油，如表 2-4 所示。表 2-4 根据工作环境和使用工况选择液压油的品种 （5）根据工作部件的运动速度选用 当液压系统中工作部件的运动速度很高时，液压油液的流速也高，液压损失随着增大，而泄漏相对减少，因此宜用黏度较低的液压油液；反之，当液压系统中工作部件的运动速度较低时，每分钟所需的液压油量很小，泄漏相对较大，对系统的运动速度影响也较大，所以宜选用黏度较高的液压油液。三、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是否能正常工作。液压系统多数故障与液压油受到污染有关，因此控制液压油的污染是十分重要的。1.液压油被污染的原因(1)液压系统的管道及液压元件内的型砂、切屑、磨料、焊渣、锈片、灰尘等污垢在系统使用前、冲洗时未被洗干净，在液压系统工作时，这些污垢就进入到液压油里。(2)外界的灰尘、砂粒等，在液压系统工作过程中，通过往复伸缩的活塞杆、流回油箱的漏油等进入液压油里。另外在检修时，稍不注意也会使灰尘、棉绒等进入液压油里。(3)液压系统本身也不断地产生污垢，而直接进入液压油里，如金属和密封材料的磨损颗粒，过滤材料脱落的颗粒或纤维及油液因油温升高氧化变质而生成的胶状物等。2.液压油污染的危害 液压油污染严重时，直接影响液压系统的工作性能，使液压系统经常发生故障，使液压元件寿命缩短。造成这些危害的原因主要是污垢中的颗粒。对于液压元件来说，由于这些固体颗粒进入到元件里，会使元件的滑动部分磨损加剧，并可能堵塞液压元件里的节流孔、阻尼孔，或使阀芯卡死，从而造成液压系统的故障。水分和空气的混入使液压油的润滑能力降低并使它加速氧化变质，产生气蚀，使液压元件加速腐蚀，使液压系统出现振动、爬行等。3.防止液压油污染的措施(1)使液压油在使用前保持清洁。(2)使液压系统在装配后、运转前保持清洁。(3)使液压油在工作中保持清洁。(4)采用合适的滤油器。(5)定期更换液压油。更换新油前，油箱必须先清洗一次，系统较脏时，可用煤油清洗，排尽后注入新油。(6)控制液压油的工作温度。教师第 4 次课时授课计划（首页）授课对象：机电系 11 级机制 专业 综合班 科目：液压与气压传动技术 课 题 液压流体静力学 授 课 类型 理论课 实践课 讨论课 习题课 其他 授 课 学时 2 学时 教学方法 讲授法+演示法+操作法 教学准备 教案、PPT 作 业 布置 教学目的与要求 1、掌握液体静力学及其特征 2、掌握液体静力学的基本方程 3、掌握压力表示方法 教学重点难点 重点：1、掌握帕斯卡原理 2、能够计算液体静力学压力对固体壁面的总作用力 教 学 过程 一、液体静力学及其特性 1.液体静压力 作用在液体上的力有两种类型：一种是质量力，另一种是表面力。质量力作用在液体所有质点上，它的大小与质量成正比，属于这种力的有重力、惯性力等。单位质量液体受到的质量力称为单位质量力，在数值上等于重力加速度。静止液体单位面积上所受的法向力称为液体静压力，简称压力，用符号“p”表示。在物理学中液体静压力称为压强。即 参 考 资料 液压与气压传动技术 肖珑 西安电子科技出版社出版社.2008.液压与气压传动（第 2 版）万会雄 高等教育出版社.2008.教 学 后记 2.液体静压力的特性 AFp(1)液体静压力沿着内法线方向作用于其承压面，即静止液体承受的只时是法向压力，而不承受剪切力和拉力。(2)静止液体内任一点所受到的静压力在各个方向都相等。二、液体静压力基本方程 如图 2-5 所示，密度为的液体在容器内处于静止状态，作用在液体液面上的压力为 p0。为了求得液体中距离液面深度为 h 的任意一点 A 的压力 p，可以假想从液面往下切取高度为 h、底面积为 dA的一个小液柱为研究对象。这个液柱在重力及周围液体的作用下处于平衡状态，作用于液柱上的各作用力在各方向都呈平衡。小液柱顶面上所受的作用力为 p0dA(方向向下)，小液柱本身的重力ghdA(方向向下)，小液柱底面所受的作用力为 pdA(方向向上)，则小液柱在 Z 方向的平衡方程为 pdA=p0dA+ghdA 化简后得 p=p0gh 图 2-5 静压力的分布规律 三、压力的表示方法 液压系统中的压力就是指压强，液体压力通常有绝对压力、相对压力(表压力)、真空度三种表示方法。绝对压力、相对压力(表压力)和真空度的关系如图 2-6 所示。由图 2-6 可知，绝对压力总是正值，相对压力（表压力）则可正可负，负的相对压力（表压力）就是真空度，如真空度为 0.4 大气压，其相对压力（表压力）为-0.4 大气压。根据上述归纳如下：(1)绝对压力大气压力+相对压力（表压力）(2)相对压力（表压力）绝对压力-大气压力(3)真空度大气压力-绝对压力 图 2-6 绝对压力、相对压力和真空度 四、帕斯卡原理 密封容器内的静止液体，当边界上的压力 p0 发生变化时，例如增加p，则容器内任意一点的压力将增加同一数值p0 也就是说，在密封容器内施加于静止液体任一点的压力将以等值传递到液体各点。这就是帕斯卡原理或静压传递原理。五、液体静压力对固体壁面的总作用力 1.液体静压力作用在平面上的总作用力 承受压力作用的表面为平面时，液体作用于该平面上各点压力的方向是互相平行、大小相等。所以液体对该平面的总作用力 F 等于液体的压力 p 与受压平面面积 A 的乘积，即：2.液体静压力作用在曲面上的总作用力 当承受压力作用的表面为曲面时，由于液体作用于该曲面上各点压力总是垂直于曲面，所以作用在曲面上各点的作用力不平行但大小相等。要计算液体静压力作用在曲面上的总作用力，必须明确要计算哪个方向上的力。pAF 教师第 5 次课时授课计划（首页）授课对象：机电系 11 级机制 专业 综合班 科目：液压与气压传动技术 课 题 液压流体动力学 授 课 类型 理论课 实践课 讨论课 习题课 其他 授 课 学时 4 学时 教学方法 讲授法+演示法+操作法 教学准备 教案、PPT 作 业 布置 教学目的与要求 1、掌握液压流体动力学中的连续性方程 2、掌握液压流体动力学中的伯努利方程 3、掌握液压流体动力学中的动量方程 教学重点难点 重点：会利用液压动力学解决实际问题 教 学 过程 一、基本概念 1理想液体和恒定流动 由于液体实际流动时，不仅具有黏性，而且在压力变化时体积会发生变化，因此研究液体流动时的运动规律必须考虑其黏性和可压缩性，从而使我们对流动液体的研究变得非常困难。因此，我们引入理想液体的概念。理想液体就是指既无黏性又不可压缩的液体。首先对理想液体进行研究，然后再通过实验验证的方法对所得的结论进行补充和修正。这样，不仅使问题简单化，而且得到的结论在实际应用中具有足够的精确性。我们把既具有粘性又可压缩的液体称为实际液体。液体流动时，若液体中任一点的压力、速度及密度都不随时间而变化，则称液体的这种运动称为恒定流动或定常流动。但只要压力、速度及密度中有一个随时间而变化，则液体流动就是非恒定流动或非定常流动。如图 2-11 所示，图 a 为恒定流动，图 b 为非恒定流动。参 考 资料 液压与气压传动技术 肖珑 西安电子科技出版社出版社.2008.液压与气压传动（第 2 版）万会雄 高等教育出版社.2008.教 学 后记 图 2-11 恒定流动与非恒定流动 (a)恒定流动 (b)非恒定流动 2通流截面、平均流速和流量 通流截面 液体流动时，垂直于液体流动方向的截面称为通流截面或过流断面。通流截面可能是平面，也可能是曲面。如图 2-12 所示，截面 AA 和截面 BB 均为通流截面。图 2-12 流动液体的通流截面 流量 单位时间内通过某一通流截面液体的体积称为体积流量，简称流量 平均流速 在实际液体流动中，由于黏性内摩擦力的作用，通流截面上各点的流速并不相等，因此引入平均流速的概念。即可认为通流截面上各点的流速均为平均流速，用 v 来表示 二、连续性方程 质量守恒是自然界的客观规律，不可压缩的液体在作恒定流动的过程中同样遵守质量守恒定律。连续性方程是质量守恒定律在液压流体动力学中的一种数学表达形式。如图 2-15 所示，任取一流管，两端通流截面为 A1、A2，在流管中取一微小流束，流速两端的截面 面积分别为 dA1 和 dA2，在同一微小截面上各点的流速可认为是相等的且分别为 u1，u2。根据质量守恒定律，在 dt 时间内流入液体的质量应恒等于流出液体的质量，即 图 2-15 连续性方程示意图 u1dA1dt=u2dA2dt 化简得 u1dA1=u2dA2 对于整个流管，则有 即 q1q2 如用流管两通流截面 A1 和 A2 上的平均流速 v1 和 v2 表示，则有 v1A1=v2A2 由于两通流截面是任意取的，则有 q=vA=常数 （2-20）式（2-20）称液体流动的连续性方程，它表明在恒定流动的条件下，流过各个通流截面上的液体流量是相等的（即流量是连续的），它是质量守恒定律的具体体现。三、伯努利方程 1.理想液体的伯努利方程 假定理想液体在如图 2-16 所示的管道中恒定流动，密度为、质量为 m、体积为 V的液体流过该管任意两个通流截面 11 和 22。假设两通流截面处的中心高度分别为 Z1、Z2，压力分别为 p1、p2，平均流速分别为 v1、v2。若在很短的时间内，液体通过两通流截面的距离分别为 dS1 和dS2，则液体在两通流截面处具有的能量为 图 2-16 理想液体伯努利方程的推导示意图 221121dAudAuAA 通流截面 11 通流截面 22 压力能 位 能 mgZ1 mgZ2 动 能 流动液体的能量因为也遵守能量守恒定律，因而有 化简后得 或 式（2-22）或（2-23）称为理想液体的伯努利方程，也称为理想液体的能量方程。式中为单位质量液体所具有的压力能，称为比压能，也叫作压力水头；Z 为单位质量液体所具有的势能，称为比位能，也叫作位置水头；为单位质量液体所具有的动能，称为比动能，也叫作速度水头，它们的单位都为长度量纲。伯努利方程的物理意义为：在密封管道内作恒定流动的理想液体具有三种形成的能量（即压力能、势能和动能），在沿管道流动的过程中，三种能量之间可以相互转换，但是在管道任意一个通流截面处三种能量的总和是一个恒定的常量。2.实际液体的伯努利方程 实际液体在管道内流动时，由于液体存在着黏性，会使液体与固壁间及液体质点间产生摩擦力，从而消耗能量；同时，管道局部形状和尺寸的变化，会使液体产生扰动从而也消耗能量。因此，实际液体流动时存在能量损失，假设图 2-16 中液体从通流截面 11 流到通流截面 2-2 的能量损失用 hw 表示，其单位也为长度量纲。根据能量守恒定律，在考虑能量损失 hw，并引进动能修正系数后，实际液体的伯努利方程为 四、动量方程 动量方程可用来计算流动液体作用于限制其流动的固体壁面上的总作用力。根据理论力学中的动量定理：作用在物体上全部外力的矢量和应等于物体动量的变化率。即：mpVpdSAp11111mpVpdSAp22222222221112121mvmgZmpmvmgZmp2121mv2221mv2222222111vZgpgvZgp常数gvZgp22whvZgpgvZgp222222221111tvmF 流动液体的动量方程 流动液体的动量方程式（2-26）表明，作用在液体控制体积上的外力总和，等于单位时间内流出控制表面与流入控制表面的液体动量之差。该式为矢量表达式，在应用时应根据具体要求，向指定方向投影，求得该方向的分量。显然，根据牛顿第三定律，液体也以同样大小的力作用在使其流速发生变化的物体上。因而可应用动量方程计算液流作用在固体壁面上的总作用力。教师第 25 次课时授课计划（首页）12uuqtvmF 授课对象：机电系 11 级机制 专业 综合班 科目：液压与气压传动技术 课 题 液压控制阀 授 课 类型 理论课 实践课 讨论课 习题课 其他 授 课 学时 6 学时 教学方法 讲授法+演示法+操作法 教学准备 教案、PPT 作 业 布置 教学目的与要求 1、了解控制阀的作用、分类。2、掌握方向控制阀、压力控制阀、流量控制阀的工作原理。3、掌握液压控制阀的符号含义及结构形式。4、熟悉控制阀在液压系统中的应用。教学重点难点 重点：熟悉控制阀的工作原理及在系统中的应用。教 学 过程 1、控制阀的作用及分类 一、液压控制阀的作用 液压控制阀(简称液压阀)是液压系统中的控制元件，用来控制液压系统中流体的压力、流量及流动方向，以满足液压缸、液压马达等执行元件不同的动作要求，它是直接影响液压系统工作过程和工作特性的重要元器件。二、液压控制阀的分类 液压阀的分类方法很多，以至于同一种阀在不同的场合，因其着眼点不同而有不同的名称。下面介绍几种不同的分类方法。1.按机能分 压力控制阀、方向控制阀、流量控制阀 2.按操作方式分 手动阀、机动阀、电动阀 3.按连接方式分 管式连接、板式及叠加式连接、插装式连接 参 考 资料 液压与气压传动技术 肖珑 西安电子科技出版社出版社.2008.液压与气压传动（第 2 版）万会雄 高等教育出版社.2008.教 学 后记 三、液压控制阀的性能参数及对阀的要求 1.阀的性能参数是评定选用液压阀的依据。各种不同的液压阀有不同的性能参数，其共同的性能参数如下：（1）公称通径 公称通径代表阀的通流能力的大小，对应于阀的额定流量。与阀进、出油口相连接的油管规格应与阀的通径相一致。（2）额定压力 额定压力是液压阀长期工作所允许的最高工作压力。对于压力控制阀实际最高工作压力有时还与阀的调压范围有关。2.液压系统对阀的基本要求如下：（1）动作灵敏，冲击和振动小、压力损失少、密封性能好。（2）结构紧凑，安装、调整、维护方便，通用性能好。方向控制阀 方向控制阀就是用以控制液压系统中液压油流动的方向或液流的通断，从而控制执行元件的启动、停止或换向的元件。它分为单向阀和换向阀两类。一、单向阀 1.单向阀的结构及工作原理（1）普通单向阀 普通单向阀就是只允许油液朝某一方向流动，而反向截止。液压系统对单向阀的主要性能要求是：油液通过时压力损失要小，反向截止密封性要好，动作要灵敏。单向阀分为管式和板式两种连接方式。图 5-1 为一种管式直通单向阀的结构 板式连接单向阀的工作原理与管式单向阀相同，只是将进、出油口开在底平面上，用螺钉把阀体固定在连接板上。单向阀中的弹簧主要是用来克服阀芯的摩擦阻力和惯性力。为了使单向阀工作灵敏可靠，普通单向阀的弹簧刚性较小，以免油液流动时产生较大压力降。（2）液控单向阀 如图 5-2（a）所示是液控单向阀的结构。2.单向阀的应用 图 5-3 是采用液控单向阀组成的液压锁紧回路。当换向阀处于右位时，压力油经阀 1进入液压缸左腔，同时压力油亦进入单向阀 2 的控制口 K，打开阀 2，使活塞右行，液压缸右腔的压力油经阀 2 和换向阀流回油箱；反之活塞向左运动。当换向阀处于中位时，因阀的中位为 Y（H 型也行），所以阀 1 和阀 2 能立即关闭，活塞停止运动并双向锁紧。由于液控单向阀的阀芯一般为锥阀芯，密封性能好，常用于执行元件需要长时间保压、锁紧的情况下，也常用于防止立式液压缸停止运动时因自重而下滑以及速度换接回路中。单向阀安装在泵的出口，防止油液由于系统压力突然升高倒流损坏油泵；单向阀放置在回油路上时，可作背压阀使用，但要更换单向阀的弹簧，使其压力达到 0.20.6MPa。3.单向阀的常见故障及排除 单向阀的常见故障及排除间表 5-1.二、换向阀 1.换向阀的分类和图形符号 换向阀是利用阀芯相对于阀体的相对运动，使油路接通、断开或变换液压油的流动方向，从而使液压执行元件启动、停止或改变运动方向。换向阀的分类如下：按照换向阀的结构形式可分为：滑阀式、转阀式、球阀式和锥阀式。按照换向阀的操纵方式可分为：手动、机动、电磁控制、液动、电液动换向阀，其操纵符号如图54 所示。3.单向阀的常见故障及排除 单向阀的常见故障及排除间表 5-1.二、换向阀 1.换向阀的分类和图形符号 换向阀是利用阀芯相对于阀体的相对运动，使油路接通、断开或变换液压油的流动方向，从而使液压执行元件启动、停止或改变运动方向。换向阀的分类如下：按照换向阀的结构形式可分为：滑阀式、转阀式、球阀式和锥阀式。按照换向阀的操纵方式可分为：手动、机动、电磁控制、液动、电液动换向阀，其操纵符号如图 54所示。按照换向阀的阀芯在阀体中的定位方式又可分为：钢球定位、弹簧复位、弹簧对中等。2.典型换向阀 在液压系统中广泛采用滑阀式换向阀，在这里主要介绍这种换向阀的几种典型结构。(1)手动换向阀 图 5-6 如图所示为弹簧自动复位式三位四通手动换向阀的结构及图形符号。手动换向阀是利用手动杠杆等机构来改变阀芯和阀体的相对位置，从而实现阀的换向。放开手柄 1，阀芯 3 在弹簧 4 的作用下自动回复中位。阀芯定位靠钢球、弹簧，使其保持确定的位置。该阀适用于动作频繁、工作持续时间短的场合，操作比较安全，常用于工程机械的液压传动系统中。(2)机动换向阀：机动式换向阀是依靠安装在运动部件上的液压行程挡块或凸轮推动阀芯从而实现换向的阀类。常用来控制机械运动部件的行程，故又称行程换向阀。机动换向阀通常是二位的，有二通、三通、四通和五通。其中二位二通机动换向阀又分常开和常闭二种 (3)电磁换向阀 电磁换向阀又称为电动换向阀，它是利用电磁铁通电吸合后产生的吸力推动阀芯动作来改变阀的工作位置。4)液动换向阀 液动换向阀利用控制油路的压力油来推动阀芯实现换向。因此，它适用于较大流量的阀。下图是三位四通液动换向阀的结构原理图。当控制油口 K1、K2不通压力油时，阀芯在对中弹簧作用下处于中位。当 K1通压力油、K2回油时，阀芯右移，P 与 A 通、B 与 T 通；K2通压力油、当 K1回油时，阀芯左移(如图 5-10 中所示)。(5)电液动换向阀 电液动换向阀由电磁换向阀和液动换向阀组合而成。其中液动换向阀实现主油路的换向，称为主阀；电磁换向阀用于改变液动换向阀控制油路的方向，推动液动换向阀阀芯移动，称为先导阀。电液换向阀既能实现换向缓冲，又能用较小的电磁铁控制大流量的液流，故在大流量的液压系统中宜采用电液换向阀换向。3.换向阀的中位机能 对于各种操纵方式的三位四通和五通换向阀滑阀，阀芯在中间位置时，为适应各种不同的工作要求，各油口间的通路有各种不同的连接形式。这种常态位置时的内部通路形式，称为中位滑阀机能。4.换向阀的常见故障及排除方法 换向阀的常见故障及排除方法间表 5-4.压力控制阀 一、溢流阀 溢流阀是用来控制和调整液压系统的压力，以保证系统在一定压力或安全压力下工作。1.溢流阀的结构及工作原理(1)直动式溢流阀 如图 512（a）所示，P 是进油口，T 是回油口，进口压力油经阀芯中间的阻尼孔作用在阀芯底部端面上，当进口 P 从系统接入的油液压力不高时，锥阀心被弹簧压在阀座上，阀口关闭；当进口油压升高到能克服弹簧阻力时，推开锥阀，使阀口打开，油液就由进油口 P 流入，再从回油口 T 流回油箱（溢流），进油压力也就不会继续升高。阀芯上阻尼孔的作用是用来增加液阻，以减少阀芯的振动，提高阀的工作平稳性。调节螺母，改变弹簧压紧力，也就调节了溢流阀进油口处的油压。由阀芯间隙处泄漏到弹簧腔的油液，经阀体上的孔通向回油孔 T 排入油箱。当溢流阀稳定工作时，作用在阀芯上的力应是平衡的。若忽略阀芯自重、摩擦阻力和稳态轴向液动力，则阀芯的受力平衡方程为：PkA=KX0 当阀芯处于某一位置时，阀芯的受力平衡为：PA=K(X0+x)(2)先导式溢流阀 先导式溢流阀由主阀和先导阀两部分组成。先导阀的结构原理与直动式溢流阀相同，但一般采用锥阀式结构。主阀可分为：滑阀式(一级同心)结构、二级同心结构和三级同心结构。图5-13 为一级同心溢流阀的工作原理图。2.溢流阀的主要性能 溢流阀的性能包括溢流阀的静态性能和动态性能。溢流阀的静态特性指溢流阀在稳定状态下（即系统在没有突变时）的性能，其主要指标有压力流量特性、启闭特性、卸荷压力等。溢流阀的动态性能通常是指溢流阀由一个稳定工作状态过渡到另一个稳定工作状态时，溢流阀所控制的压力随时间变化的过渡过程性能。（1）压力-流量特性 当溢流量变化时,阀口开度也相应地变化，其溢流压力也有所变化,这就是溢流阀的压力-流量特性。当开启压力一定时，溢流压力随溢流量的增加而增加。当溢流量达到阀的额定流量时，与此相对应的压力值称为溢流阀的全流量溢流压力。弹簧刚度 K 越小，溢流量变化所引起的压力变化量就越小，定压性能就好。反之，调压性能就差。（2）启闭特性 启闭特性是指溢流阀在稳态情况下，从闭合到完全开启，再从全开到闭合的过程中，被控压力与通过溢流阀的溢流量之间的关系。启闭特性可分为开启特性和闭合特性，一般用溢流阀稳定工作时的压力流量特性来描述。（3）卸荷压力 将先导式溢流阀的远程控制口直接油箱，当阀通过额定流量时，阀的进油腔压力和回油腔压力的差值称为卸荷压力。显然，它和通道阻力和平衡弹簧预紧力有关 3.溢流阀的应用（1）调压溢流 （2）安全保护 （3）使泵卸荷 （4）远程调压 （5）形成背压 4.溢流阀的常见故障及排除方法 溢流阀的常见故障及排除方法见表 5-5。二、减压阀 减压阀是一种利用液流流过缝隙产生压降的原理，使出口压力低于进口压力的压力控制阀。减压阀又可分为定压减压阀、定比减压阀和定差减压阀三种。其中定压减压阀应用最广，简称为减压阀。减压阀也分为直动式和先导式两种。1.减压阀的结构和工作原理 图 5-16 为先导式减压阀，它分为两部分，先导阀调压，主阀减压。从以上工作原理可以看出先导减压阀和先导溢流阀的自动调节原理相似，不同的是：(1)溢流阀保持进口压力基本不变，而减压阀保持出口压力基本不变。(2)在不工作时溢流阀进、出口不通，而减压阀进、出油口相通。(3)溢流阀弹簧腔的油液经阀的内部通道与阀出口相通；减压阀是外部回油，内部泄油只能单独有泄油口。2.减压阀的应用 在液压系统中，一个油泵供应多个支路工作时，利用减压阀可以组成不同压力级别的液压回路。如夹紧回路、控制回路和润滑回路等。如图 5-17 所示为减压阀应用在润滑、控制系统时的减压回路。此外，减压阀还可用于稳定系统压力，减少压力波动带来的影响，改善系统控制性能等。在使用定量泵的机床油路中，去液压缸的工作压力 P1 较高，用溢流阀来调节。控制油路的工作油压 P3较低，润滑油路的工作压力 P2则更低，皆可以用减压阀来实现调节。3.减压阀的常见故障及排除方法 减压阀的常见故障及排除方法见详表 5-6.三、顺序阀 1.顺序阀的结构和原理 顺序阀是利用油液压力作为控制信号实现油路的通断，以控制执行元件顺序动作的压力阀。按控制压力来源的不同，顺序阀可分为内控式和外控(液控)式。内控式是直接利用阀进口处的油压力来控制阀口的启闭；外控式是利用外来的控制油压控制阀口的启闭。按结构的不同，顺序阀也有直动式和先导式之分。如图 5-18 所示为直动式顺序阀 顺序阀的结构及工作原理与溢流阀相似。它们的主要差别是：(1)顺序阀的出油口与负载油路相连接，而溢流阀的出油口直接接回油箱。(2)顺序阀的泄油口单独接回油箱，而溢流阀的泄油则通过阀体内部孔道与阀的出口相通流回油箱。(3)顺序阀的进口压力由液压系统工况来决定，当进口压力低于调压弹簧的调定压力时，阀口关闭；当进口压力超过弹簧的调定压力时，阀口开启，接通油路，出口压力油对下游负载做功。溢流阀的进口最高压力由调压弹簧来限定，且由于液流溢回油箱，所以损失了液体的全部能量 2.顺序阀的应用 如图 5-20 为机床夹具上用顺序阀实现工件先定位后加紧的顺序动作回路。顺序阀用来实现对工件先定位后夹紧的动作顺序。当二位四通手动阀的右位接入油路时，压力油首先进入定位缸下腔，定位缸上腔的压力油流回油箱,使定位销进入工件定位孔实现工件定位。这时由于液压压力低于顺序阀的调定压力，因而压力油不能进入夹紧缸下腔，工件不能夹紧。当定位缸活塞停止运动时，系统中压力升高，达到顺序阀的调定压力时，顺序阀被打开，压力油就经过顺序阀流入夹紧缸下腔，缸上腔回油，夹紧缸活塞抬起，实现液压夹紧。二位四通手动阀的左位接入油路时，压力油则同时进入定位缸和夹紧缸的上腔，推动活塞向下移动，拔出定位销，松开工件。此时夹紧