北理工2020-2021年第一学期《液压传动与气压传动》期末总...

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北京理工大学2020-2021年第一学期《液压传动与气压传动》期末总复习提纲
第一篇 液压传动
第一章 概述
液压传动是一门现代自动化控制技术，是基于一种整体封闭式油液系统形成的压力和流动液体的流量变化来进行的传动，它利用压力油液作为传递能量的载体实现传动与控制，是利用液体压力能进行的传动控制技术。系统输出压力取决于工作负载，流量决定执行元件的运动速度，通常将单位时间内流过通流截面的液体体积称为流量。液压系统的基本组成主要包括
能源转换装置——液压泵；
执行元件——液压马达和液压缸；
控制元件——压力、流量及方向控制的各种控制阀类；
工作介质——作为传递能量和控制信号载体的液压油；
辅助元件——各种滤油装置、油箱及连接管道等。
第二章 液压流体力学基础
期末复习重点：
(1) 流体静力学：了解油液粘性的定义及三种粘度的区别和应用场合；熟悉常用压力及真空度的测定规则；掌握帕斯卡原理的物理意义及其应用。
(2) 流体动力学：熟悉、理解并掌握连续性方程、伯努利方程、动量方程的构成、物理意义及其应用条件。
(3) 流动液体的流态及压力损失：理解并掌握液体流动状态形成及其利用雷诺数进行判定的物理意义，了解沿程压力损失和局部压力损失的形成原因及区别。
(4) 了解油液在孔口、缝隙中的流动特性和孔口的划分原则及其处理方法；熟悉什么是液压冲击和气穴、汽蚀，掌握它们的产生原因及其危害。
1. 液体静力学
液体静力学是液压流体力学的基础，它主要讨论液体在液压传动过程中所表现的主要物理性质、静止液体的平衡规律及其在工程中的应用。
油液在外力作用下，液层间相对运动时产生内摩擦力的性质称为油液黏性；表示流体黏性的物理方式主要有动力粘度、运动粘度和相对粘度，其中，动力粘度是指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。通常情况下，液压系统中油液的黏度随温度升高而降低。
液压系统中的压力，即常说的表压力，是指相对压力，即以当地大气压力为基准测得的压力；绝对压力小于大气压力的那部分压力值称为真空度。
静压力基本方程所包含的物理意义是指，在静止液体中，处于各点的单位重量液体所具有的压力能和势能的总和为一常数，两种能量可以相互转换，但各点的总能量保持不变，即能量守恒。
2. 流体动力学
流动液体任一点处的压力、速度和密度都不随时间变化的流动称为稳定流动。
连续性方程是流动液体质量守恒定律的一种具体应用形式。它的物理意义，是指在不考虑液体可压缩性的稳定流动时，同一管路中通过管道各个截面的流量相等，且平均流速与通流截面面积成反比。
伯努利方程的物理意义，在密闭管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、动能和位能，它们之间可以互相转换，并且在管道内任意截面上，这三种能量之和保持一定。
动量定理在流体力学中应用形式称为动量方程，它表明作用于物体的外力等于该物体在力的作用方向上的动量改变率。常用来计算流动液体对限制其流动的固体边界面上的作用力。
3. 液体的流态及其在管路中流动的压力损失
流动液体的自身黏性和运动惯性力是影响其流态的最主要因素。
雷诺数是应用相似定律判别液体流动状态的一个判据，它的物理意义是指液体流动时粘性作用于惯性作用之比，当雷诺数较大时，运动惯性力起主导作用，液体处于紊流状态；当雷诺数较小时，粘性力起主导作用，液体质点受到约束，液体处于层流状态。
实际液体运动时沿流动方向的总机械能是减少的。液体流经等截面直管时产生的压力损失称为沿程压力损失；在弯曲或变截面管内流动时产生局部压力损失。液体在等截面圆管中紊流运动时的沿程压力损失大于其做层流运动的沿程压力损失。
做稳定流动的液流经过薄壁孔（l/d＜0.5）时，通常为简化计算而不计其沿程压力损失。液压传动系统中，将长径比0.5＜l/d ≤4.0的孔称为短孔。
液压冲击是指管道内流动液体的压力急剧变化的现象，发生压力冲击时管道中的压力变化是
一个围绕正常压力的逐渐衰减过程。液压冲击的产生原因：1) 液流运动突然停止或改变方向时，液体原来的运动速度突然降为零，液体的运动惯性力形成冲击，即液体的运动动能向压力能转变。2) 运动着的部件突然致动或换向时，因惯性力使液压执行元件的回油腔和管路中的有液压力急剧升高，引起压力冲击。3) 系统工作时某些元件动作失灵或不灵敏，系统压力升高时不能及时启动，使系统压力突然升高而引起压力冲击。4) 流动液体的突然停止或静止液体的突然运动，都可能引起压力冲击，此外，液压泵在吸油和压油过程中，压力和流量周期性变化也会形成较大的压力脉动。危害：液压冲击所产生的压力峰值会比系统正常的工作压力高几倍，且常伴有噪声和振动，造成系统温度上升，损坏液压元件和密封元件，有时还会引起液压元件的误动作。液压冲还会破坏系统内部构件之间的相对位置，导致运动部件的运动精度降低，影响系统正常工作。系统工作精度受到影响。特别是对于高压、大流量系统，其破坏性更加严重。
液压系统中产生的气穴是指液体流动过程中由于压力降低到气泡形成的现象；汽蚀是指液体因气穴而引起液压系统中金属元件腐蚀的现象。
第三章 液压泵
液压泵是将机械能转换成液体压力能输入系统内的能量转换装置；机床液压系统使用的液压泵
基本属于容积式泵。液压泵必备的工作条件：1) 封闭容积，必须有一个或若干个密封且可周期性改变容积大小的工作腔。2) 配流机构，使泵吸油时工作腔与排油口隔断，压油时与吸油口隔断。3) 自吸能力，即将油箱中的油液吸入工作腔内的能力。（注：齿轮泵没有设置专门的配流机构）
泵的流量是指其单位时间输出的液体体积；在不考虑泄漏的情况下，单位时间内排出的液体体积称为泵的理论流量，液压泵的实际流量小于它的理论流量；实际输入扭矩大于理论上所需要的扭矩；液压泵的效率是衡量其能量损失的重要性能指标，它的实际输入功率是指其驱动泵轴的机械功率，主要是指油液粘性及运动副之间摩擦力引起的转矩损失。
泵轴每转一弧度（或每转一转）排出液体的体积称为液压泵的排量，液压泵的排量与泵工作时泵轴的转速无关，而能够改变排量的液压泵称为变量泵。单向变量泵只能改变泵的排量大小，不能改变排油方向，而双向变量泵的排量和方向均可改变。

液压泵的额定压力是其指在正常工作条件下，按试验标准规定可以连续运转的最高压力。一般液压泵的进油口直径大于出油口直径。
常用齿轮泵工作时的输出排量不可改变，由于其自身结构造成的最主要缺欠有泄漏、困油和径向力不平衡等，通常可以采用开卸荷槽的方法来减轻或缓解齿轮泵的困油现象；齿轮泵的泄漏途径通常有三种，其中泄漏量最大的是轴向泄漏，最小的是啮合点泄漏。常用齿轮泵没有设置专门的配流机构，吸、排油腔靠齿轮啮合线隔离，其工作时的输出排量不可改变。
一般，双作用叶片泵的工作排量不能改变，它具有工作时径向力基本平衡的优点，叶片泵是靠叶片的伸出或缩回而改变泵的来进行工作的。常用单作用叶片泵是变量泵，为减小流量脉动，叶片数常取奇数，它的定子横截面由多段曲线组成，具有径向力不平衡的缺点；直杆式轴向柱塞泵采用奇数柱塞的目的是为了减小流量脉动，改变斜盘式轴向柱塞泵的斜盘倾角，可以改变它的输出排量。
第四章 液压执行元件
液压执行元件主要是指液压马达和液压缸，它们都是将液体的压力能转换成机械能输出的装置。
液压马达的实际输入流量大于理论输入流量，实际输出转矩小于其理论转矩。
为实现正、反转功能，叶片马达的叶片必须径向安装。
所谓单作用液压缸是指其活塞返程时需要借助于外力的液压缸；双作用液压缸的两端进、出油口都可以通压力油或回油，实现双向运动；液压缸差动连接可以提高其活塞的运动速度，进而提高其活塞的运动速度；从某种意义上看，液压缸差动连接的效果相当于减小了活塞的有效工作面积。
单杆活塞缸的活塞返程时需要借助于外力（或弹簧反力）；活塞杆与活塞直径之比d/D越小，两个方向的运动速度之差越大。
第五章 液压控制阀及其应用
1. 压力控制阀
压力控制阀都是利用阀芯上液体压力与弹簧力的平衡进行工作的。
溢流阀的特点是靠进口压力调节阀口的闭合及开启大小，作安全阀在正常工作的回路中使用时，其阀口常闭；但在定量泵节流调速液压回路中，溢流阀工作时的阀口是常开的。溢流阀一般出油口接油箱。下图所示为a)直动式溢流阀；b)直动式减压阀；c)先导式溢流阀；d)先导式减压阀的液压符号。
                          
            a)                 b)                  c)                  d)
减压阀靠其出口压力油调节阀口的开启大小，工作时靠其出口压力调节主阀的开启大小，阀口是常开的；先导式减压阀工作时由先导阀进行调压；而主阀用于减压。
一般，顺序阀工作时的进油口与出油口压力相等，其出油口接回路。下图中，a) 为内控式顺序阀；b) 为外控式顺序阀。
                       
a)                             b)
2.流量控制阀。
主要包括节流阀、调速阀和分流集流阀等。
节流阀受阀口前后压差的影响而导致输出流量不稳定，相对而言，调速阀的工作流量受节流口前后压差的影响较小。节流阀的刚度反映了它在负载压力变动时保持流量稳定的能力，其输出流量的波动量随阀口前后压差增大而增大，则说明该阀的刚度小。
调速阀（如下图所示）由定差减压阀与节流阀串联组成，是进行了压力补偿的节流阀。节流阀用来调节通过的流量，定差减压阀可自动保持节流阀前后得压差恒定，使执行元件的运动速度不受负载变化的影响，从而提高流量稳定性。

分流集流阀是分流法、集流阀和分流-集流阀的总称，它可以使两个出流或入流流量相等，从而实现两个执行元件的速度同步，因此也称其为同步阀。
3.方向控制阀。
液压方向控制阀主要包括单向阀、液控单向阀及各类换向阀。
液控单向阀是一种通入控制压力油后可使液体双向流动的单向阀。
换向阀中的“位”代表阀芯工作位置的个数，即图形符号中的方框；“通”则代表阀外部连接的接口数。换向阀的常态位是指其阀芯在原始状态下的通路状况；所谓中位机能是指三位换向阀处于常态位时各阀口的通流状态；二位三通换向阀的常态位通常设于弹簧侧。
    为实现液压缸差动连接且制动平稳，应选用具有“P”型中位机能的a)阀；b)所示“M”型中位机能的换向阀可实现泵卸荷并锁紧液压缸；“O”型阀c) 可使缸两腔封闭，系统保持压力不卸
荷，从静止到启动平稳，换向位置精度高，但制动时运动惯性引起液压冲击较大。
                                               
               a)                       b)                     c)
第七章 液压系统基本回路
所谓液压基本回路是液压系统的基础，是指在液压系统中，利用液压元件组成能够实现一定功能的典型基本单元。任何复杂的液压系统，都是由这些常用的基本单元所组成。学习液压基本回路，是对前述课程所学内容理解和掌握程度的检验。了解和掌握这些基本回路，对于正确阅读和分析各种回路的工作原理、功用，以及正确设计复杂液压系统非常重要。因此，复习本章时，要求熟悉掌握课程中各种液压元件的职能符号，正确识别、分析主要典型基本回路的工作原理及其功用，并能够对简单回路进行优化改进。此外，在加深理解和掌握本章内容和实例的同时，能够举一反三地设计简单基本回路。复习时，应重点掌握压力控制回路、速度控制回路、方向控制回路及多执行元件控制回路等。
下图所示是减压回路在点焊机操作系统中的应用实例。三位四通换向阀处于图示中位时是工间状态，此时液压泵卸荷。点焊机工作时，换向阀切换至左位，夹紧焊件的压力由溢流阀调定压力控制。同时，点焊工作缸的工作压力则由单向减压阀控制，针对不同焊件的焊接条件，调节单向减压阀的调定压力值，可有效保证焊接质量。焊接结束后，换向阀切换至右位，点焊工作缸和夹紧缸活塞退回原位。为了减小点焊缸排油阻力，使其回油经单向阀旁路流回油箱。

第八章“典型液压系统”、第九章 气压传动基础不作为期末考试内容，请同学们自己复习
第二篇 气压传动
第十章 气源装置及辅助元件
要求了解并掌握气源装置的构成，及其组成元件的基本功能和安装位置。
气源装置是气压传动系统的核心元件，其主体是气泵即空气压缩机。与液压能源转换装置不同，由于气压传动的工作介质是空气，所以，气源装置还必须增设相关的各种净化装置。通过这些净化装置将进入空气压缩机的空气和排出的压缩气体进行净化，除去空气中的污染杂质、水分和油分等，并降低压缩空气的温度，以向系统提供具有良好传递和控制特性的压缩空气。
选定系统空压机时，首先需要考虑的最主要性能参数是系统所需的压力和排气量，另外，通常排入气缸将废气排入大气中，所以，还应计算耗气量；系统中具有不同压力需求的多执行机构时，应按其中最大压力并考虑气动元件的泄漏损失来选取空压机。
在空压机吸气口前安装简易过滤器，通常也称之为一次过滤器，用于过滤并提升进入空压机的空气质量。气源装置的辅助元件还包括气动三联件、储气罐等。
通常将分水滤气器、减压阀和油雾器组合成一体气动三联件，其中，油雾器是一种特殊的注油装置，用以润滑气动系统中金属元件的摩擦副表面，其安装位置必须位于气动三联件的末端，即安装在减压阀之后。
气源装置中设置贮气罐的作用是，消除压力（波动）、保证输出气流的（连续性）、存储一定数量的压缩空气、调节用气量或以备发生故障和临时需要应急使用，另外，在贮气罐中还可进一步分离压缩空气中的水分和油分。一次压力控制回路通常用于控制储气罐压力。
第十一章 气动元件及其应用
气动执行元件与液压执行元件的基本结构和功能基本相似，本章需要重点掌握气动控制元件的基本结构和功能特点。
1.气动执行元件
气动执行元件是将系统中压缩空气的压力能转换为机械能的能量转换装置，主要包括气缸和气动马达两大类。
与液压缸不同，气缸工作时通常将气体排出系统之外，因此需要计算其耗气量。为了防止气缸工作偏载，安装时应尽可能使负载作用力中心与活塞中心重合。
气动马达是将压缩空气的压力能转换成回转机械能的气动执行元件。气动马达工作时输出转矩和转速，以使工作机构产生相应运动。
    2.气动控制元件
根据在系统中作用和功能，气动控制元件主要可分为压力控制阀、流量控制阀及方向控制阀三大类。此外，还有一些能够实现特殊功能的组合阀类，本次期末总复习可以暂不考虑。
气压传动系统中，减压阀是必不可少的压力控制元件，它以出口压力为控制信号来进行工作；气动减压阀可分为直动式和先导式。如下图所示，直动式减压阀还可分为a)溢流减压阀和b)普通减压阀，前者减压部分气体直接从溢流口排出而称为溢流式减压阀；先导式减压阀的减压精度较高，先导式减压阀由一个小型直动式减压阀和主减压阀组成，先导阀调压，主阀减压。
                  
a) 溢流减压阀                       b) 普通减压阀
设置在气动系统中起保护作用的安全阀是指溢流阀，直动式安全阀的主要靠调节弹簧预紧力来调定压力调定值大小。
通常，排气节流阀只能安装在气动装置的排气口处，可起单向节流阀的作用，不仅能控制执行元件的运动速度，而且还可减轻排气噪音，其图形符号如下图所示。

如下图所示，气动梭阀由两个单向阀反向串联组成，只允许单口进气，其输入输出呈现逻辑“或”的关系。双压阀的两个输入口同时有压力气体输入时，输出口才会有气流输出，输入、输出呈现逻辑“与”的关系。
                     
a) 梭阀                            b) 双压阀
快速排气阀是当进口压力降到一定值时，出口的压力气体可迅速从排气口排出的方向控制阀。为获得较好的快速排气效果，快速排气阀应配置在有需求的执行元件附近，以提高执行元件的运动速度。
第十二章 气压传动基本回路
本章复习重点是首先要求熟悉并掌握各种基本回路的工作原理和组成特点及其功用，能够识别基本回路的类型和回路设计的目的；正确分析回路工作过程中各元件的动作和所能实现的功能；判断各种基本回路的工作特点及其存在的不足，并能够提出克服回路缺陷或扩展优化基本回路的具体解决方法。
下图所示为利用双压阀可以实现互锁回路。当二位三通换向阀A或B单独通气时，双压阀输出口无气流输出，三位四通气动换向阀右位接入回路，使活塞向左移动。如果二位三通阀A和B同时接通上位，气流信号通过双压阀输出口使三位四通阀阀芯左移，实现气缸活塞运动换向。该回路利用双压阀控制二位四通换向阀换向的前提，是要求A、B两换向阀必须同时发出信号，否则实现互锁。