液压与气动技术（第2版）第11次教案（液压基础知识）

第 11 次课程教学方案备课时间备课教师教学时间教学地点周次11课时数4教学内容（章、节）模块/单元液压与气动技术模块三、 液压传动技术基础学习单元一 液压传动概述1-1:液压传动的工作原理；1-2:液压传动系统实例及液压系统的组成；1-3液压传动的特点；1-4液压油的特点及选用；1-5流体静力学及动力学基础；1-6管路压力损失。教学目标和要求教学目的：使学生了解液压设备的应用和中国液压工业的发展与展望，并结合帕斯卡定律使学生掌握液压系统的工作原理，液压系统的组成，流体力学基础知识等内容。教学要求：1.知识目标（1）了解从古至今中国液压传动技术发展及液压传动工业“自强自立”历史，提升学习者中国自信；（2）了解液压传动技术的典型应用；（3）掌握液压系统的工作原理、组成以及各类液压元件在液压回路中的作用；（4）了解液压传动技术的优缺点；（5）掌握液体动力学基础知识；（6）了解液体的黏性、黏度以及影响黏度的主要因素。2.技能目标（1）具有识别液压系统并辨识系统组成类别及作用的能力；（2）具有判断液压千斤顶故障和简单维护能力；（3）具有运用液体动力学基础知识完成液压系统参数计算的能力。3.情感目标（1）良好的规范的职业意识、职业规范；（2）适用的学习方法及积极的学习态度等。教学重点1.古代对液压传动技术的应用；2.中国液压传动工业的发展历史；3.液压传动技术优缺点；4.液压油的选用；5.流体力学基础；管路压力损失的类型教学难点1.液压系统工作原理；2.流体动力学教学方法头脑风暴、互动、讲授、演示、案例、小组活动等使用媒体资源 纸质材料 多媒体课件 网络资源 其他资源： 使用教具、设备、设施等实验台、彩色图片、工业元件、投影仪、黑板等作业练习见教材本单元的思考与练习课后记教学内容教学步骤、方法时间模块三：液压传动技术基础学习单元一 液压传动概述1-1液压传动的工作原理一、液压传动利用没有固体形状但具有确定体积的液体来传递力和运动。二、液压传动技术的发展概况1.古代对液压传动技术的应用有文字记载的历史表明，早在公元前二百多年，古埃及人就使用阿基米德输水螺杆（如图3-2（a）所示）将水从低位提高到高位；在中国古代人们发明的水车（如图3-2（b）所示）同样是通过对水进行做功，将水由低位提升到高位。直到十七世纪，法国科学家帕斯卡发现外力施加在封闭液体上的压力毫无损失地沿所有方向传递，并以相等力作用在相等面积上，而且方向与作用面垂直，即著名的帕斯卡定律，使人们对液压传动有了初步的理论认识。水位从低位提升到高位的传动机械十七世纪中叶人们发明了压把式灭火器，该灭火器可以视为现代液压泵。1795年，英国人约瑟夫布拉马在伦敦制造出了世界上第一台用于牧草打包以水为工作介质的压力机。约瑟夫布拉马认为，在一个密闭容器中的小面积上施加一个小力能在一个较大面积上产生一个成比例的较大的力，这是液压千斤顶及水压机的工作原理。直到这时，液压技术才发生了划时代的变化。依此推算，液压技术发展至今已有200多年的历史了，随着生产力的不断发展，从十九世纪三十年代开始，液压系统开始应用于机床上。2.中国液压工业的发展历史（1）1963年9月派出赴日考察团（2）1965年以后组建定点生产厂（3）1996年液压工业产值世界排名已达到了第九（4）2009年液压工业产值已达249.69亿人民币，排名世界第二板书利用PPT讲解思政元素教育30min教学内容（板书）教学步骤、方法时间（5）近年我国液压工业总销售额已增加到500多亿元人民币，成为了液压产品的制造大国。我国的液压技术与世界先进水平相比，不论是设计水平、还是制造质量，都还有一定的差距。三、液压元件发展方向液压元件将向高性能、高质量、高可靠性、系统成套方向发展；向低能耗、低噪声、低振动、无泄漏以及污染控制、应用水基介质等适应环保要求方向发展；开发高集成化高功率密度、智能化、机电一体化以及轻小型微型液压元件；积极采用新工艺、新材料和电子、传感等高新技术等。四、简化模型假设：活塞能在缸内自由（无摩擦）滑动；液体不会通过配合面产生泄漏。实验结果：密封容器液体不但可以传递力，还可以传递运动。1.力比：外力F1作用于活塞1上，同时作用密封液体上，液体受到压力，液体压力等值作用于活塞2上。帕斯卡定律：密闭容器内的液体的压力是等值传递的。P= =A1F1A2WF1WA1A2从上式可以看出：力比等于面积的正比，即：在小活塞上施加一个很小的力F1，在大活塞上就可以举起一个很重的重物G。（力的放大原理）教师讲授板书，教师讲授并引导学生F1教学内容（板书）教学步骤、方法时间2速比：h1h2v1v2活塞1向下移动的距离h1,则液压缸（活塞截面积为A1）被挤出的液体体积为A1 h1，这部分液体完全进入到另一液压缸（活塞截面积为A2）。则有：V1=V2 即：h1A1= h2A2 h2h1A1A2v2v1 v1A1= h2A2（流量连续性方程）流量连续性方程:在同一管路中，无论流通截面积怎样变化，只要液体是连续的，即没有空隙，没有泄漏，液体通过任意截面积的流量是相等的。3.功率:输入功率： N1= F1v1输出功率： N2=Wv2 N1= N2（满足能量守恒定律）五、三个重要概念1. 压力P：压力取决于负载2. 流量Q：速度取决于流量3. 功率 N=PQ六、容积式液压传动靠容腔内液体体积的变化而引起的运动，叫做容积式液压传动。1-2液压传动系统实例及液压系统的组成一、液压千斤顶1.在前一节讲述的简化模型的原理图中存在以下两个问题：教师引导教师讲授师生互动45min教学内容（板书）教学步骤、方法时间1) 在小活塞上不施加外力，重物会掉下来。2) 重物不能升起一个足够的高度。2.工作原理磨床工作台液压系统从本系统工作原理图中，应掌握的内容 了解加工平面的方法和手段 说出图中各液压元件的名称 了解此液压系统的工作原理 双活塞杆液压缸在系统中的应用 由此系统图来分析液压系统的组成工作过程：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。3.液压系统的组成动力元件：液压泵提供一定压力、一定流量的液体。或者说它将机械能转换为液压能，它是液压系统的能源。执行元件：作用：将液压能转换为机械能。克服负载带动机器完成所需的动作。1) 直线运动：液压缸 输出F、v2) 回转运动：液压马达 输出M、控制元件：1) 方向控制元件：单向阀、换向阀等。2) 压力控制元件：溢流阀、减压阀等。流量控制元件：节流阀、调速阀等。依据生活和实际工作常识讲解结合实例分析讲解教学内容教学步骤、方法时间辅助元件油管、管接头、压力表、滤油器、蓄能器、油箱等。工作介质：液压油不论液压系统是简单还是复杂，必定含有这五部分，缺少任意一种，系统就不能正常工作或功能不全。1-3液压传动的特点与机械、电气传动相比，液压传动具有以下优点：1. 优点1） 可以实现无间隙传动，运动平稳。2） 在同等功率输出下，液压传动装置体积小、重量轻、惯性小、反应速度快。3） 操纵控制方便，可实现大范围无级调速。4） 自动实现过载保护。5） 寿命长。工作介质：矿物油，可实现自润滑。6） 可以采用大推力的液压缸或大扭矩的液压马达直接带动负载，从而省去中间减速装置，使传动简化。7） 液压元件系列化、标准化。2. 缺点1) 液压传动中，能量需经过二次变换，特别是在节流调速系统中，其压力和流量损失较大，故系统效率较低。2) 液体具有较钢铁大的多的可压缩性，另外配合面处不可避免地有油液泄漏。因此，一般液压传动不能得到严格的传动比。3) 液体对温度较敏感（主要是粘性），这使得液压系统的性能随着温度的改变而发生变化，不易保证在高温和低温都具有良好的性能。4) 成本高，液压元件要求较高的加工精度，另外一般情况下液压系统都要求有独立的能源。5) 液压系统的故障比较难寻找，对维修人员技术水平有较高的要求。教师引导总结15min教学内容（板书）教学步骤、方法时间1-4液压油的特点及选用最常用的工作介质有：液压油、乳化液、合成型液压液。一、 粘性1.粘度1) 粘性：液体流动时，各层液体间有相互牵制作用，这种互相牵制的力称为液体的内摩擦力或粘性力。（只有在运动时油液才出现粘性，静止油液不出现粘性）2) 粘度：度量粘性大小的物理量。i. 动力粘度：动力粘度（绝对粘度）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。单位为Pas或Ns/m2ii. 运动粘度：运动粘度动力粘度与油液密度的比值，称为运动粘度。单位为m2/s或mm2/s液压油的牌号一般以运动粘度表示机床液压系统液压油的常用牌号32、46、68；数值越大粘度越高。2.压力对粘度的影响1）油液所受压力增大，其粘度变大。（正比例关系）2）当压力增加时，液体分子间距离减小，内聚力增加，其粘度也增加。3）压力对粘度的影响不大，一般情况下，特别当压力较低时，可不考虑。但是在高压时对粘度的影响更明显。3.温度对粘度的影响1）温度升高，粘性下降。（反比例关系）结合PPT讲解45min教学内容（板书）教学步骤、方法时间2）低温时可选用航空液压油。但要注意某些航空液压油对密封件有特殊要求。3）粘温指数：表示了被测试油的粘度随温度变化程度和标准油液的粘度随温度变化程度的相对值。4）一般油液的年温指数要求在900以上，优异的在1000以上。4.油液中的气体对粘性及压缩性的影响在讨论液压传动基本原理时，可以把油液看作是不可压缩的。1）溶入的气体对油液的粘性及压缩性基本不影响。2）油液中混入气体后，将使油液粘性增加。并使油液产生可压缩性。二、 油液的物理化学性质1. 密度1）液体的密度因油的牌号而易2）随着温度的上升略有减小，随着压力的增加略有增加。3）我国采用20、大气压力下的密度20为标准密度。常用液压油的20为850-890kg/m3。2. 可压缩性1）油液具有比钢铁大得多的可压缩性。2）一般情况下，油液的可压缩性对系统的性能影响不大，但在高压下或研究系统动态性能时则必须予以考虑。3）若油液中含有少量的游离空气，由于空气的可压缩性很大，所以对起始压力的影响十分显著。4）若系统中使用的是金属管道，且管道不长，则对压缩性影响不大；如采用橡胶或尼龙管道，即使管道很短，也会对油液的压缩性影响很大。3. 膨胀性这是液压系统产生噪声、爬行等问题的重要原因。教学内容（板书）教学步骤、方法时间 油液的体积随温度的升高而增加三、 油液的选用1. 对液压传动用工作介质的要求 良好的稳定性。即油液在高温下长期与空气接触以及在高速下通过缝隙小孔（抗剪切）后，仍能保持其原有化学成分不变的性质。良好的润滑性能。以减少元件相互运动表面的磨损。 质地纯净。不含或少含极少量的杂质、水分等。 凝固点较低。以保证油液在较低温度下正常使用。 适当的粘度或良好的粘温特性。 自燃点和闪点要高。保证油液的安全储存和设备能在较高温度下使用。 抗泡沫性和抗乳化性要好 没有腐蚀性，防锈性能好2.油液的品种及选用：油液选用时涉及其类型和牌号（粘度）。油液的品种：普通液压油、液压导轨油、抗磨液压油、低温液压油、高粘度指数液压油、机械油等。油液的选用：1）液压系统的工作条件：如工作压力高，宜选用粘度较高的油液，因高压的液压系统泄漏较突出；工作压力较低时，合适的粘度；2）液压系统的环境条件：如液压系统油温高或环境温度高，宜用粘度较高的油液，反之宜用粘度较低的油液。3）液压系统中工作机构的速度（转速）：当液压系统中工作机构的速度（转速）高时，油流速度高，压力损失亦大，系统效率低，还可能导致进油不畅，甚至卡住零件。因此，宜用粘度较低的油液，反之，宜用粘度较高的油液。教学内容（板书）教学步骤、方法时间综述：在选用液压油时，有时还要考虑到一些特殊因素，如高速、高压液压系统中的元件，要求所用的油液具有较高的抗磨性或油膜强度以防止急剧的磨损。这时可选用抗磨液压油。对于环境温度在零下15以下的高压、高速液压系统，为保证在低温下有良好的启动性，可选用低凝液压油。2. 选用油液的一般原则1）运动速度高或配合间隙小时，宜采用粘度较低的液压油，减少摩擦损失。2）工作压力高或温度高时宜采用粘度较高的液压油液，减少泄漏。1-5流体静力学及动力学基础一、 流体静力学1. 液体静压力：液体处于静止状态时，单位面积上所受AFn1MPa=106Pa1bar=105Pa=0.1 MPa1kg/cm21bar的法向作用力。 P=2. 静压力的重要性质：1）液体静压力垂直于作用面，其方向和该面的内法线方向一致。这是因液体制能受压，而不能受拉之故。2）静止液体中任何一点受到各方向的压力相等。3.静压力基本方程：P=P0+gh (P0为大气压)二、 压力表示法 绝对压力：以绝对零压为基准测得的压力。 相对压力（表压力）:以大气压力为基准的压力。P相对=P绝对 - P大气压真空度: 当P绝对 P大则会出现真空。P真空度=| P绝对 - P大气压|教师引导教师总结教师在黑板上讲解30min教学内容（板书）教学步骤、方法时间三、 液体动力学基础液体动力学研究液体在外力作用下的运动规律，即研究作用于液体上的力与液体运动间的关系。由于液体具有粘性，液体流动时有内摩擦力。因此研究液体流动时必须考虑粘性的影响。流量连续方程、伯努力方程（能量方程）和动量方程是流体动力学的三个基本方程。我们只研究流量连续方程和伯努力方程。1. 几个基本概念理想液体：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。稳定流动：液体流动时，压力、速度和密度都不随时间变化而变化。流量Q：单位时间内流过通流截面积的液体的体积。Q=vA流量连续方程：在同一管道里，无论通流面积怎样变化，只要液体是连续的，即没有空隙，没有泄漏，液体通过任意截面的流量是相等。教学内容（板书）教学步骤、方法时间根据质量守恒定律 m1=m2 即：1V1=2V2 1=2（做稳定流动） V1= V2又Q= V/t V= Qt Q1=Q2 即v1A1=v2A22. 伯努力方程1）伯努力方程：理想液体作稳定流动，根据能量守恒定律，同一管道在各个截面上液体的总能量是相等的。2) 理想液体的伯努力方程gP2gv2压力水头速度水头位置水头+ Z + =常量 3）伯努力方程的物理意义：在管内作稳定流动的理想液体，具有压力能、位能和动能三种形式的能量，在任意截面上这三种能量可以相互转换，但其总和保持不变。静压力方程是伯努力方程(在速度为零时)的特例。3.实际液体的伯努力方程1）实际液体具有粘性，在管道流动中克服粘性阻力需要消耗能量。2）实际液体的伯努力方程为：注：hw以水头高度表示的能量损失，可以用压力损失P教学内容（板书）教学步骤、方法时间4伯努力方程的应用计算泵吸油腔的真空度：取泵的吸油口处截面为0-0，油箱液面为1-1，列出伯努力方程gP02gv02gP12gv12 + Z0 + = + Z1 + + hwP0=Pa；Z0=0；Z1=h；v0v1gPagP22gv12 = + + h + hw2v12泵的吸油口的真空度为Pa-P1=gh + +g hw2v12 即： Pa-P1 =g h + + P 泵吸油口的真空度由三部分组成1) 把油液提升到一定高度所需的压力2) 产生一定的流速所需一定的压力3) 吸油管内的压力损失结论：1）泵的吸油口处的真空度不能太大，即吸油口处的绝对压力不能太低。2）若泵吸油口处的压力低于液体在该温度下的分离压时，溶解在液体内部的气体就要析出，出现气穴现象，泵不能正常工作。3）泵的吸油高度受限，且希望吸油管内的速度保持较低。一般 h1m。教学内容（板书）教学步骤、方法时间1-6管路压力损失一、 液体的流态液体在管路中流动时，存在层流和紊流两种流态。1. 层流：液体质点沿管道作直线运动，各层间互不混杂。2. 紊流：液体质点的运动杂乱无章，除沿管道轴线运动外，还有横向运动，呈现紊乱混杂状态。3. 液体的流态的判定：液体的流态可通过雷诺数来判定： 当ReRe临界时，液体做紊流运动。速度高，粘性制约作用弱惯性力起主导作用。二、 压力损失液体流过一个系统，将由于摩擦而产生热，因而能量的一部分以热能形势损失掉。（决定于：管道的长度、管壁粗糙度、弯管数量、截面、流速等。）1. 沿程损失液体流经直管道时的压力损失。（流体流 动时的内摩擦力所引起的）2v2 dlP= 重点：通过压力损失实验分析影响压力损失的因素有哪些？2. 局部损失-液体流经(截面突然变化的管道、弯管、管接头以及控制阀阀口等)局部障碍时引起的压力损失。 2v2局部损失P= 利用PPT讲解15min教 案教学内容（板书）教学步骤、方法时间3. 总损失：P总=P+P 一般情况下，总损失以局部损失为主。 设计液压系统时，必须考虑压力损失，因为它关系到系统所需的供油压力、管路的设计和布置等问题。压力损失过大，不仅会降低效率，而且会使系统温度升高。 为了减少系统的压力损失，液体在管路中的流速不应过高。下面是液压系统各中管路允许流速的推荐值： 高压管路: 3 5 m/s 低压管路： 3 4 m/s 回油管路： 2.5 m/s 吸油管路： 0.5 1.5 m/s 控制油路： 2 3 m/s 局部油路： 5 7m/s作业：见本单元思考与练习