《液壓與氣壓傳動》第章課后答案全.doc

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《液壓與氣壓傳動》姜繼海 宋錦春 高常識-第1-7章課后答案1.1 液體傳動有哪兩種形式？它們的主要區(qū)別是什么？ 答：用液體作為工作介質來進行能量傳遞的傳動方式被稱之為液體傳動。按照其工作 原理的不同，液體傳動又可分為液壓傳動和液力傳動，其中液壓傳動是利用在密封容器內 液體的壓力能來傳遞動力的；而液力傳動則的利用液體的動能來傳遞動力的。 1.2 液壓傳動系統(tǒng)由哪幾部分組成？各組成部分的作用是什么？ 答：（1）動力裝置：動力裝置是指能將原動機的機械能轉換成為液壓能的裝置，它是 液壓系統(tǒng)的動力源。 （2）控制調節(jié)裝置：其作用是用來控制和調節(jié)工作介質的流動方向、壓力和流量，以 保證執(zhí)行元件和工作機構的工作要求。 （3）執(zhí)行裝置：是將液壓能轉換為機械能的裝置，其作用是在工作介質的推動下輸出 力和速度（或轉矩和轉速），輸出一定的功率以驅動工作機構做功。 （4）輔助裝置：除以上裝置外的其它元器件都被稱為輔助裝置，如油箱、過濾器、蓄 能器、冷卻器、管件、管接頭以及各種信號轉換器等。它們是一些對完成主運動起輔助作 用的元件，在系統(tǒng)中是必不可少的，對保證系統(tǒng)正常工作有著重要的作用。 （5）工作介質：工作介質指傳動液體，在液壓系統(tǒng)中通常使用液壓油液作為工作介 質。 1.3 液壓傳動的主要優(yōu)缺點是什么？ 答：優(yōu)點：（1）與電動機相比，在同等體積下，液壓裝置能產(chǎn)生出更大的動力，也就 是說，在同等功率下，液壓裝置的體積小、重量輕、結構緊湊，即：它具有大的功率密度 或力密度，力密度在這里指工作壓力。 （2）液壓傳動容易做到對速度的無級調節(jié)，而且調速范圍大，并且對速度的調節(jié)還可 以在工作過程中進行。 （3）液壓傳動工作平穩(wěn)，換向沖擊小，便于實現(xiàn)頻繁換向。 （4）液壓傳動易于實現(xiàn)過載保護，能實現(xiàn)自潤滑，使用壽命長。 （5）液壓傳動易于實現(xiàn)自動化，可以很方便地對液體的流動方向、壓力和流量進行調 節(jié)和控制，并能很容易地和電氣、電子控制或氣壓傳動控制結合起來，實現(xiàn)復雜的運動和 操作。 （6）液壓元件易于實現(xiàn)系列化、標準化和通用化，便于設計、制造和推廣使用。 答：缺點：（1）由于液壓傳動中的泄漏和液體的可壓縮性使這種傳動無法保證嚴格 的傳動比。 （2）液壓傳動中有較多的能量損失（泄漏損失、摩擦損失等），因此，傳動效率相對 低。 （3） 液壓傳動對油溫的變化比較敏感，不宜在較高或較低的溫度下工作。 （4） 液壓傳動在出現(xiàn)故障時不易找出原因。 1.6 國家新標準規(guī)定的液壓油液牌號是在多少溫度下的哪種粘度的平均值？ 答：我國液壓油的牌號是用它在溫度為40℃時的運動粘度平均值來表示的。例如32 號液壓油，就是指這種油在40℃時的運動粘度平均值為32 mm2/s。 1.7 液壓油的選用應考慮幾個方面？ 答：對液壓油液的選用，首先應根據(jù)液壓傳動系統(tǒng)的工作環(huán)境和工作條件來選擇合適 的液壓油液類型，然后再選擇液壓油液的粘度。 1.10 液壓傳動的介質污染原因主要來自哪幾個方面？應該怎樣控制介質的污染？ 答：液壓油液被污染的原因是很復雜的，但大體上有以下幾個方面： （1）殘留物的污染：這主要指液壓元件以及管道、油箱在制造、儲存、運輸、安裝、 維修過程中，帶入的砂粒、鐵屑、磨料、焊渣、銹片、棉紗和灰塵等，雖然經(jīng)過清洗，但 未清洗干凈而殘留下來的殘留物所造成的液壓油液污染。 （2）侵入物的污染：液壓傳動裝置工作環(huán)境中的污染物，例如空氣、塵埃、水滴等通 過一切可能的侵入點，如外露的活塞桿、油箱的通氣孔和注油孔等侵入系統(tǒng)所造成的液壓 油液污染。 （3）生成物的污染：這主要指液壓傳動系統(tǒng)在工作過程中所產(chǎn)生的金屬微粒、密封材 料磨損顆粒、涂料剝離片、水分、氣泡及油液變質后的膠狀物等所造成的液壓油液污染。 控制污染的方法主要有： （1）減少外來的污染：液壓傳動系統(tǒng)在裝配前后必須嚴格清洗。組成液壓系統(tǒng)的管 件，用機械的方法除去殘渣和表面氧化物，然后進行酸洗。液壓傳動系統(tǒng)在組裝后要進行 全面清洗，最好用系統(tǒng)工作時使用的油液清洗，特別是液壓伺服系統(tǒng)最好要經(jīng)過幾次清洗 來保證清潔。油箱要加空氣濾清器，給油箱加油要用濾油機，對外露件應裝防塵密封，并 經(jīng)常檢查，定期更換。液壓傳動系統(tǒng)的維修，液壓元件的更換、拆卸應在無塵區(qū)進行。 （2）濾除系統(tǒng)產(chǎn)生的雜質：應在系統(tǒng)的相應部位安裝適當精度的過濾器，并且要定期 檢查、清洗或更換濾芯。 （3）控制液壓油液的工作溫度：液壓油液的工作溫度過高會加速其氧化變質，產(chǎn)生各 種生成物，縮短它的使用期限。所以要限制油液的最高使用溫度。 （4）定期檢查更換液壓油液：應根據(jù)液壓設備使用說明書的要求和維護保養(yǎng)規(guī)程的有 關規(guī)定，定期檢查更換液壓油液。更換液壓油液時要清洗油箱，沖洗系統(tǒng)管道及液壓元 件。 2.1 什么叫壓力？壓力有哪幾種表示方法？液壓系統(tǒng)的壓力與外界負載有什么關系？ 答：液體在單位面積上所受的內法線方向的法向應力稱為壓力。壓力有絕對壓力和相 對壓力，絕對壓力是以絕對真空為基準來度量的，而相對壓力是以大氣壓為基準來進行度 量的。 由公式P=F/A可知液壓系統(tǒng)中的壓力是由外界負載決定的。 2.2 解釋下述概念：理想流體、定常流動、通流截面、流量、平均流速、層流、紊流和雷諾數(shù)。 答：理想液體：既無粘性又不可壓縮的假想液體。 定常流動：流體流動時，流體中任何點處的壓力、速度和密度都不隨時間而變化，稱 這種流動為定常流動。 通流截面：液體在管道中流動時，垂直于流動方向的截面稱為通流截面。 流量：在單位時間內流過某一通流截面的液體體積稱為體積流量，簡稱流量。 平均流速：流量與通流截面積的比值即為平均流速v=q/A 層流：液體質點互不干擾、液體的流動呈線狀或層狀、且平行于管道軸線。 紊流：液體質點的運動雜亂無章，除了平行于管道軸線的運動外，還存在劇烈的橫向 運動。 雷諾數(shù)：由平均流速υ 、管徑d 和液體的運動粘度ν 三個參數(shù)組成的無量綱數(shù)用來表 明液體的流動狀態(tài)。 2.3 說明連續(xù)性方程的本質是什么？它的物理意義是什么？ 答：連續(xù)性方程的本質是質量守恒定律。它的物理意義是單位時間流入、流出的質量 流量的差等于體積V 中液體質量的變化率。 2.4 說明伯努利方程的物理意義并指出理想液體伯努利方程和實際液體伯努利方程有什么區(qū)別？ 答：伯努利方程表明了流動液體的能量守恒定律。實際液體的伯努利方程比理想液體伯努利方程多了一項損耗的能量hw 和比動能項中的動能修正系數(shù)。 理想液體伯努利方程：const 實際液體伯努利方程： 2.5 如圖2.32所示，已知測壓計水銀面高度，計算M點處的壓力是多少？ 解：取B－C等壓面，： 因為D－B為等壓面，故 。 取M水平面為等壓面，。 題1.5圖 2.6 如題1.5圖所示的液壓千斤頂，小柱塞直徑d = 10 mm，行程S1 = 25 mm，大柱塞直徑D = 50 mm，重物產(chǎn)生的力= 50 000 N，手壓杠桿比L：l = 500：25，試求：（1）此時密封容積中的液體壓力p是多少？（2）杠桿端施加力F1為多少時，才能舉起重物？（3）在不計泄漏的情況下，杠桿上下動作一次，重物的上升高度是多少？解：（1）Pa = 25.46 MPa （2） N N （3） mm 答：密封容積中的液體壓力p= 25.46 MPa，杠桿端施加力F1 =100 N，重物的上升高度=1 mm。 2.7 一個壓力水箱與兩個U形水銀測壓計連接如圖2.33，a，b，c，d和e分別為各液面相對于某基準面的高度值，求壓力水箱上部的氣體壓力pg是多少？解：由等壓面概念： 整理： （為處大氣壓力） 2.8 如圖2.34所示的連通器，內裝兩種液體，其中已知水的密度r1= 1 000 kg/m，h1= 60 cm，h1= 75 cm，試求另一種液體的密度r是多少？ 解：取等壓面1—1列方程： 2.9 水池如圖2.35側壁排水管為0.50.5 mm的正方形斷面，已知，h = 2 m，a = 45，不計蓋板自重及鉸鏈處摩擦影響，計算打開蓋板的力Ｔ是多少？ 解：蓋板所受的總壓力， （N） 壓心位置，（m） 對鉸鏈力矩平衡， （N） 2.10 如圖2.36所示的漸擴水管，已知d = 15 cm，D = 30 cm，pA = 6.8610 4 Pa，pB = 5.8810 4 Pa，h = 1 m，uB = 1.5 m/s，求（1）uA=？（2）水流的方向，（3）壓力損失為多少？ 解：（1） （m/s） （2）A點總能頭（mH2O） B點總能頭（mH2O） 故水流方向為由A到B （3）能頭損失為 （mH2O） 壓力損失為：（Pa） 2.11 如圖2.37中，液壓缸直徑D = 150 mm，活塞直徑d = 100 mm，負載F = 5104N。若不計液壓油自重及柱塞與缸體重量，試求圖示兩種情況下液壓缸內的液體壓力是多少？ 解：（a） （Pa） （b） （Pa） 2.12 消防水龍軟管如圖2.38所示，已知水龍出口直徑d = 5 cm，水流流量q = 2.36 m3/min，水管直徑D = 10 cm，為保持消防水管不致后退，試確定消防員的握持力為多大？ 解：（N）；向左 （N）；向上 握持力：， （N） 握持力方向 ；（右下） 2.13 如圖2.39中所示的壓力閥，當p= 6 MPa時，液壓閥動作。若d= 10 mm，d= 15 mm，p= 0.5 MPa，試求：（1）彈簧的預壓力Fs；（2）當彈簧剛度k = 100 N/mm時的彈簧預壓縮量x。 解：（1）力平衡關系： （N） （2）由于 則有（mm） 2.14 虹吸管道如圖2.40所示，已知水管直徑D = 10 cm，水管總長L = 1 000 m，h0 = 3 m，求流量q是多少？（局部阻力系數(shù)：入口ζ = 0.5，出口ζ = 1.0，彎頭ζ= 0.3，沿程阻力系數(shù)λ= 0.06） 解： （m） （m/s） （m3/s） 2.15 壓力表校正裝置原理如圖2.41所示，已知活塞直徑d = 10 mm，絲杠導程S =2 mm，裝置內油液的體積彈性模量K =1.2105 MPa。當壓力為1個大氣壓 (pa 0.1 MPa) 時，裝置內油液的體積為200 mL。若要在裝置內形成21 MPa壓力，試求手輪要轉多少轉？ 解：由于 則有：（mL） 而， 故，（轉） 2.16 如圖2.42所示，液壓泵的流量q = 25 L/min，吸油管直徑d =25 mm，泵口比油箱液面高出400 mm，管長l = 600 mm。如果只考慮吸油管中的沿程壓力損失△Pλ，當用32號液壓油，并且油溫為40 ℃時，液壓油的密度r = 900kg/m3，試求油泵入口處的真空度是多少？ 解： ＝0.8488（m/s） <2320，所以液體是層流。 （Pa） 忽略液柱高影響，油泵吸油口的真空度為 （Pa） 2.17 沿直徑d = 200 mm，長度l = 3000 m的鋼管（e = 0.1 mm），輸送密度為 r = 900 kg/m3的油液，流量為q = 9104 kg/h，若其粘度為 n = 1.092 cm2/s，求沿程損失。 解：（m3/s） 流速（m/s） ，液體流動是層流 沿程損失（米油柱） （Pa） 2.18 如圖2.43所示水的管路，已知：d1 = 300 mm，l1 = 500 m；d2 = 250 mm，l2 = 300 m；d3 = 400 mm，l3 = 800 m；dAB = 500 mm，lAB = 800 m；dCD = 500 mm，lCD = 400 m。B點流量為q =300 l/s，液體粘度0.0101cm2/s，并設 ，計算全程壓力損失是多少？ 解：全程壓力損失 由于，則有 解得： ＝0.213 (m/s) ＝0.251 (m/s) ＝0.194 (m/s) 63139.6 62005 76831.7 D/d1 = 0.00033，D/d2 = 0.00025，D/d3 = 0.0004。 查表：＝0.1（mm），則＝0.02，＝0.02，＝0.02。 假設成立，故： （Pa） （m/s） >2320，液體流動是紊流。 0.025 （Pa） ，0.025 （Pa） 所以 （Pa） 2.19 如圖2.44所示，液壓泵從一個大容積的油池中抽吸潤滑油，流量為q = 1.2 L/s，油液的粘度E = 40，密度r = 900 kg/m3，假設液壓油的空氣分離壓為2.8 米水柱，吸油管長度l = 10 m，直徑d = 40 mm，如果只考慮管中的摩擦損失，求液壓泵在油箱液面以上的最大允許安裝高度是多少？ 解：油液粘度： （m2/s） 故為層流， 沿程損失 （Pa） 空氣分離壓（Pa） 最大安裝高度處 故（m） 2.20 管路系統(tǒng)如圖2.45所示，A點的標高為10 米，B點的標高為12 米，管徑d = 250 mm，管長l =1000 米，求管路中的流量q是多少?（沿程阻力系數(shù)l = 0.03，局部阻力系數(shù)：入口ζ1 = 0.5，彎管ζ2 = 0.2，出口ζ3 = 1.0）。 解：有效靜壓頭為 （m） （m/s） （m3/s） 2.21 已知容器中空氣的壓力為1.1705105 Ｐa（絕對壓力），空氣的溫度為0 ℃，經(jīng)管嘴噴入壓力為1.0136105 Pa的大氣中，計算噴嘴出口處氣流的速度是多少？ 解：空氣在0℃、Pa時的密度為1.285（kg/m3），容器中空氣的密度為： （kg/m3） （Pa） 因為 （m/s） 3.5 試說明齒輪泵的困油現(xiàn)象及解決辦法。 答：齒輪泵要正常工作，齒輪的嚙合系數(shù)必須大于1，于是總有兩對齒輪同時嚙合，并有一部分油液因困在兩對輪齒形成的封閉油腔之內。當封閉容積減小時，被困油液受擠壓而產(chǎn)生高壓，并從縫隙中流出，導致油液發(fā)熱并使軸承等機件受到附加的不平衡負載作用；當封閉容積增大時，又會造成局部真空，使溶于油液中的氣體分離出來，產(chǎn)生氣穴，這就是齒輪泵的困油現(xiàn)象。 消除困油的辦法，通常是在兩端蓋板上開卸荷槽。 3.6 齒輪泵壓力的提高主要受哪些因素的影響？可以采取哪些措施來提高齒輪泵的工作壓力？ 答：齒輪泵壓力的提高主要受壓力油的泄漏的影響。通常采用的方法是自動補償端面間隙，其裝置有浮動軸套式和彈性側板式齒輪泵。 3.9 試說明葉片泵的工作原理。并比較說明雙作用葉片泵和單作用葉片泵各有什么優(yōu)缺點。 答：葉片在轉子的槽內可靈活滑動，在轉子轉動時的離心力以及通入葉片根部壓力油的作用下，葉片頂部貼緊在定子內表面上，于是兩相鄰葉片、配油盤、定子和轉子間便形成了一個個密封的工作腔。當轉子旋轉時葉片向外伸出，密封工作腔容積逐漸增大，產(chǎn)生真空，于是通過吸油口和配油盤上窗口將油吸入。葉片往里縮進，密封腔的容積逐漸縮小，密封腔中的油液往配油盤另一窗口和壓油口被壓出而輸?shù)较到y(tǒng)中去，這就是葉片泵的工作原理。 雙作用葉片泵結構復雜，吸油特性不太好，但徑向力平衡；單作用葉片泵存在不平衡的徑向力。 3.10 限壓式變量葉片泵的限定壓力和最大流量怎樣調節(jié)？在調節(jié)時，葉片泵的壓力流量曲線將怎樣變化？ 答：調節(jié)彈簧預緊力可以調節(jié)限壓式變量葉片泵的限定壓力，這時BC 段曲線左右平移；調節(jié)流量調節(jié)螺釘可以改變流量的大小，AB 段曲線上下平移。 3.18 液壓泵的額定壓力為2.5 MPa，當轉速為1 450 r/min時，機械效率為ηm =0.9。由實驗測得，當液壓泵的出口壓力為零時，流量為106 L/min；壓力為2.5 MPa 時，流量為100.7 L/min，試求：（1）液壓泵的容積效率ηV 是多少？（2）如果液壓泵的轉速下降到500 r/min，在額定壓力下工作時，估算液壓泵的流量是多少？（3）計算在上述兩種轉速下液壓泵的驅動功率是多少？ 4.1從能量的觀點來看，液壓泵和液壓馬達有什么區(qū)別和聯(lián)系？從結構上來看，液壓泵和液壓馬達又有什么區(qū)別和聯(lián)系？ 答：從能量的觀點來看，液壓泵是將驅動電機的機械能轉換成液壓系統(tǒng)中的油液壓力能，是液壓傳動系統(tǒng)的動力元件；而液壓馬達是將輸入的壓力能轉換為機械能，輸出扭矩和轉速，是液壓傳動系統(tǒng)的執(zhí)行元件。它們都是能量轉換裝置。 從結構上來看，它們基本相同，都是靠密封容積的變化來工作的。 4.3在供油流量q不變的情況下，要使單桿活塞式液壓缸的活塞桿伸出速度相等和回程速度相等，油路應該差動連接，而且活塞桿的直徑d與活塞直徑D的關系為：D=（根號2）乘以d. 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 設計一單桿活塞液壓缸，要求快進時為差動連接，快進和快退（有桿腔進油）時的速度均為6 m/min。工進時（無桿腔進油，非差動連接）可驅動的負載為F = 25 000N，回油背壓力為0.25 MPa，采用額定壓力為6.3 MPa、額定流量為25 L/min的液壓泵，試確定：（1）缸筒內徑和活塞桿直徑各是多少？（2）缸筒壁厚（缸筒材料選用無縫鋼管）是多少？ 解：（1）活塞缸直徑： m 缸筒直徑： m 按國家標準規(guī)定，取活塞桿直徑 mm， mm。 （2）MPa MPa， MPa，，?。徊牧先∑胀ㄌ妓劁?，則： MPa mm 5.1 現(xiàn)有一個二位三通閥和一個二位四通閥，如題6.1圖所示，請通過堵塞閥口的辦法將它們改為二位二通閥。問：（1）改為常開型的如何堵？（2）改為常閉型的如何堵？請畫符號表示（應該指出：由于結構上的原因，一般二位四通閥的回油口O不可堵塞，改作二通閥后，原O口應作為泄油口單獨接管引回油箱）。 答：（1）二位四通閥；（2）改為常開（常通）型二位二通閥，堵住B口（但由于特殊結構O口不接）；（3）改為常閉（常斷）型二位二通閥，堵住A口。 （1）二位三通閥；（2）改為常開（常通）型二位二通閥，堵住B口；（3）改為常閉（常斷）型二位二通閥，堵住A口。 5.8 5.7+5.9 5.12+5.13 5.10+5.11 7.26 7.26 如題8.1圖所示，液壓泵輸出流量 L/min，液壓缸無桿腔面積 cm，液壓缸有桿腔面積 cm。溢流閥的調定壓力 MPa，負載F=10 kN。節(jié)流閥口視為薄壁孔，流量系數(shù)。油液密度 kg/m。試求：（1）節(jié)流閥口通流面積cm和cm時的液壓缸速度、液壓泵壓力、溢流閥損失和回路效率；（2）當 cm和 cm時，若負載F= 0，求液壓泵的壓力和液壓缸兩腔壓力和各為多大？（3）當F=10 kN時，若節(jié)流閥最小穩(wěn)定流量為 L/min，所對應的和液壓缸速度多大？若將回路改為進油節(jié)流調速回路，則和多大？把兩種結果相比較能說明什么問題？ 解：（1）時：如果溢流閥不溢流，則通過節(jié)流閥的流量*L/min即qT=q2=0.833*10-4m3/s 由， 有MPa， 液壓泵的壓力：MPa ，則溢流閥損失。 液壓缸兩腔壓力：P1=Pp=2.163MPa P2=△P=0.325MPa 節(jié)流損失：△PT=P2q2=0.325*106*0.833*10-4=27.0725W 液壓缸速度 m/s， 回路效率： cm2時， 同理由上述求解過程可得MPa，可知由于液壓泵的壓力Pp=54.075MPa則， 則有：液壓泵的壓力應為MPa MPa m3/s 液壓缸速度：m/s， m3/s， m3/s。 液壓缸兩腔壓力：P1=Pp=2.4MPa P2=△P=0.8MPa 溢流損失：W 節(jié)流損失：△PT=P2q2=0.8*106*2.614*10-5=20.912W 回路效率： （2）由（1）可知，假設溢流閥不工作時， cm2，MPa，因為，則有MPa，由此可知與假設矛盾，因此假設不成立。 cm2，MPa，因為，則有MPa，由此可知假設成立。 當 cm2時，MPa，MPa； 當 cm2時，MPa，MPa； （3）m/s 由（1）可知MPa cm2 若改為進口節(jié)流回路 m/s， cm2。 進口節(jié)流調速回路能獲得更低的穩(wěn)定速度。