液压传动原理_.doc

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第一章绪论

一、学习要点

液压传动都是以流体为工作介质进行能量传递和控制的一种传动形式，统称为流体传动与控制，与机械传动、电气传动组成三大传动形式，各具特色，优缺点互为补充。

1.液压传动的工作原理液压传动通过各种元件组成不同功能的基本回路，再由若干基本回路组成一个完整的传动系统。

其力的传递遵循帕斯卡原理：

在密闭容器内，施加于静止液体上的力以等值传到液体各点；运动的传递则遵循密闭工作容积变化相等的原则。

系统工作压力取决于外负载，执行元件的运动速度取决于输入流量的大小。

因此，压力和流量是液压与气压传动的两个最基本、最重要的参数。

2.液压传动系统的组成液压传动系统的工作介质为液压油液，其装置主要由以下四部分组成：

①提供液压油液能源装置；②输出机械能的执行元件；③控制和调节流体的压力、流量和流向的控制元件；④保证系统正常工作除上述三种元件以外的辅助元件。

要熟悉各种元件的图形符号。

3.液压传动的优缺点液压传动的最大优点是能实现“力的放大”及在大范围内实现无级调速，最大的缺点是传动效率偏低及元件制造精度较高，系统出现故障后不易诊断。

 §1-1液压传动的工作原理

一、简化的模型

二、力比和速比

（1）作用在大活塞上的负载F1形成液体压力p=F1/A1

（2）为防止大活塞下降，在小活塞上应施加的力

F2=pA2=F1A2/A1

由此可得：

n液压传动可使力放大，可使力缩小，也可以改变力的方向。

n液体内的压力是由负载决定的。

三、两个重要的概念

 力的传递遵循帕斯卡原理

    p2=F2/A2F1=p1A1=p2A1=pA1

   液压与气动系统的工作压力取决于外负载。

    运动的传递遵照容积变化相等的原则

  s1A1=s2A2

q1=v1A1=v2A2=q2

执行元件的运动速度取决于流量。

 压力和流量是液压传动中的两个最基本的参数。

§1-2液压传动的工作原理及其组成

一、液压千斤顶的工作原理

液压传动的工作原理，可以用一个液压千斤顶的工作原理来说明。



图1-1液压千斤顶工作原理图

1—杠杆手柄2—小油缸3—小活塞4，7—单向阀5—吸油管6，10—管道

8—大活塞9—大油缸11—截止阀12—油箱

图1-1是液压千斤顶的工作原理图。

大油缸9和大活塞8组成举升液压缸。

杠杆手柄1、小油缸2、小活塞3、单向阀4和7组成手动液压泵。

如提起手柄使小活塞向上移动，小活塞下端油腔容积增大，形成局部真空，这时单向阀4打开，通过吸油管5从油箱12中吸油；用力压下手柄，小活塞下移，小活塞下腔压力升高，单向阀4关闭，单向阀7打开，下腔的油液经管道6输入举升油缸9的下腔，迫使大活塞8向上移动，顶起重物。

再次提起手柄吸油时，单向阀7自动关闭，使油液不能倒流，从而保证了重物不会自行下落。

不断地往复扳动手柄，就能不断地把油液压入举升缸下腔，使重物逐渐地升起。

如果打开截止阀11，举升缸下腔的油液通过管道10、截止阀11流回油箱，重物就向下移动。

这就是液压千斤顶的工作原理。

通过对上面液压千斤顶工作过程的分析，可以初步了解到液压传动的基本工作原理。

液压传动是利用有压力的油液作为传递动力的工作介质。

压下杠杆时，小油缸2输出压力油，是将机械能转换成油液的压力能，压力油经过管道6及单向阀7，推动大活塞8举起重物，是将油液的压力能又转换成机械能。

大活塞8举升的速度取决于单位时间内流入大油缸9中油容积的多少。

由此可见，液压传动是一个不同能量的转换过程。

二、液压传动系统的组成

液压千斤顶是一种简单的液压传动装置。

下面分析一种驱动工作台的液压传动系统。

如图1-2所示，它由油箱、滤油器、液压泵、溢流阀、开停阀、节流阀、

图1-2机床工作台液压系统工作原理图

1—工作台2—液压缸3—活塞4—换向手柄5—换向阀

6，8，16—回油管7—节流阀9—开停手柄10—开停阀

11—压力管12—压力支管13—溢流阀14—钢球15—弹簧

17—液压泵18—滤油器19—油箱

换向阀、液压缸以及连接这些元件的油管、接头组成。

其工作原理如下：

液压泵由电动机驱动后，从油箱中吸油。

油液经滤油器进入液压泵，油液在泵腔中从入口低压到泵出口高压，在图1-2（a）所示状态下，通过开停阀、节流阀、换向阀进入液压缸左腔，推动活塞使工作台向右移动。

这时，液压缸右腔的油经换向阀和回油管6排回油箱。

如果将换向阀手柄转换成图1-2（b）所示状态，则压力管中的油将经过开停阀、节流阀和换向阀进入液压缸右腔、推动活塞使工作台向左移动，并使液压缸左腔的油经换向阀和回油管6排回油箱。

工作台的移动速度是通过节流阀来调节的。

当节流阀开大时，进入液压缸的油量增多，工作台的移动速度增大；当节流阀关小时，进入液压缸的油量减小，工作台的移动速度减小。

为了克服移动工作台时所受到的各种阻力，液压缸必须产生一个足够大的推力，这个推力是由液压缸中的油液压力所产生的。

要克服的阻力越大，缸中的油液压力越高；反之压力就越低。

这种现象正说明了液压传动的一个基本原理——压力决定于负载。

三、液压传动系统的组成

图1-3机床工作台液压系统的图形符号图

1—工作台2—液压缸3—油塞4—换向阀

5—节流阀6—开停阀7—溢流阀8—液压泵9—滤油器10—油箱

图1-2所示的液压系统是一种半结构式的工作原理图它有直观性强、容易理解的优点，当液压系统发生故障时，根据原理图检查十分方便，但图形比较复杂，绘制比较麻烦。

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，应该由以下五个主要部分来组成：

1.动力元件它是供给液压系统压力油，把机械能转换成液压能的装置。

最常见的形式是液压泵。

2.执行元件它是把液压能转换成机械能的装置。

其形式有作直线运动的液压缸，有作回转运动的液压马达，它们又称为液压系统的执行元件。

3.控制元件它是对系统中的压力、流量或流动方向进行控制或调节的装置。

如溢流阀、节流阀、换向阀、开停阀等。

4.辅助元件上述三部分之外的其他装置，例如油箱，滤油器，油管等。

它们对保证系统正常工作是必不可少的。

5.传动介质传递能量的流体，即液压油等。

§1-3液压传动的优缺点

液压传动之所以能得到广泛的应用，是由于它具有以下的主要优点：

（1）可在大范围内实现无级调速。

借助阀或变量泵、变量马达，可以实现无级调速，调速范围可达1∶2000，并可在液压装置运行的过程中进行调速。

（2）液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小。

例如，相同功率液压马达的体积为电动机的12%～13%。

液压泵和液压马达单位功率的重量指标，目前是发电机和电动机的十分之一，液压泵和液压马达可小至0.0025N/W（牛/瓦）,发电机和电动机则约为0.03N/W。

（3）传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定。

正因为此特点，金属切削机床中的磨床传动现在几乎都采用液压传动。

（4））液压传动容易实现自动化、易于实现过载保护——借助于设置溢流阀等。

（5）同时液压件能自行润滑，因此使用寿命长。

（6）液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广使用。

（7）传动简化。

液压传动的缺点是：

（1）液压系统中的漏油等因素，影响运动的平稳性和正确性，使得液压传动不能保证严格的传动比。

（2）液压传动对油温的变化比较敏感，温度变化时，液体粘性变化，引起运动特性的变化，使得工作的稳定性受到影响，所以它不宜在温度变化很大的环境条件下工作。

（3）为了减少泄漏，以及为了满足某些性能上的要求，液压元件的配合件制造精度要求较高，加工工艺较复杂。

（4）液压传动要求有单独的能源，不像电源那样使用方便。

（5）液压系统发生故障不易检查和排除。

总之，液压传动的优点是主要的，随着设计制造和使用水平的不断提高，有些缺点正在逐步加以克服。

液压传动有着广泛的发展前景。

§1-4液压油的主要性能与选用

一、粘性

液体在外力作用下流动时，由于液体分子间的内聚力而产生一种阻碍液体分子之间进行相对运动的内摩擦力，液体的这种产生内摩擦力的性质称为液体的粘性。

由于液体具有粘性，当流体发生剪切变形时，流体内就产生阻滞变形的内摩擦力，由此可见，粘性表征了流体抵抗剪切变形的能力。

处于相对静止状态的流体中不存在剪切变形，因而也不存在变形的抵抗，只有当运动流体流层间发生相对运动时，流体对剪切变形的抵抗，也就是粘性才表现出来。

粘性所起的作用为阻滞流体内部的相互滑动，在任何情况下它都只能延缓滑动的过程而不能消除这种滑动。

粘性的大小可用粘度来衡量，粘度是选择液压用流体的主要指标，是影响流动流体的重要物理性质。

图2-2液体的粘性示意图

当液体流动时，由于液体与固体壁面的附着力及流体本身的粘性使流体内各处的速度大小不等，以流体沿如图2-2所示的平行平板间的流动情况为例，设上平板以速度u0向右运动，下平板固定不动。

紧贴于上平板上的流体粘附于上平板上，其速度与上平板相同。

紧贴于下平板上的流体粘附于下平板图2-2液体的粘性示意图上，其速度为零。

中间流体的速度按线性分布。

我们把这种流动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，两层间由于粘性就产生内摩擦力的作用。

根据实际测定的数据所知，流体层间的内摩擦力F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dz成反比，即：



F=μAdu/dz

以τ=F/A表示切应力，则有：



τ＝μdu/dz（2-6）

式中：

μ为衡量流体粘性的比例系数，称为绝对粘度或动力粘度；du/dz表示流体层间速度差异的程度，称为速度梯度。

上式是液体内摩擦定律的数学表达式。

当速度梯度变化时，μ为不变常数的流体称为牛顿流体，μ为变数的流体称为非牛顿流体。

除高粘性或含有大量特种添加剂的液体外，一般的液压用流体均可看作是牛顿流体。

流体的粘度通常有三种不同的测试单位。

（1）绝对粘度μ。

绝对粘度又称动力粘度，它直接表示流体的粘性即内摩擦力的大小。

动力粘度μ在物理意义上讲，是当速度梯度du/dz=1时，单位面积上的内摩擦力的大小，即：



（2-7）

动力粘度的国际（SI）计量单位为牛顿·秒/米2，符号为N·s/m2，或为帕·秒，符号为Pa·s。

（2）运动粘度ν。

运动粘度是绝对粘度μ与密度ρ的比值：



ν=μ/ρ（2-8）

式中：

ν为液体的动力粘度，m2/s；ρ为液体的密度，kg/m3。

运动粘度的SI单位为米2/秒，m2/s。

还可用CGS制单位：

斯（托克斯），St斯的单位太大，

（3）相对粘度。

相对粘度是以相对于蒸馏水的粘性的大小来表示该液体的粘性的。

相对粘度又称条件粘度。

各国采用的相对粘度单位有所不同。

有的用赛氏粘度，有的用雷氏粘度，我国采用恩氏粘度。

（4）压力对粘度的影响。

在一般情况下，压力对粘度的影响比较小，在工程中当压力低于5MPa时，粘度值的变化很小，可以不考虑。

当液体所受的压力加大时，分子之间的距离缩小，内聚力增大，其粘度也随之增大。

因此，在压力很高以及压力变化很大的情况下，粘度值的变化就不能忽视。

在工程实际应用中，当液体压力在低于50MPa的情况下，可用下式计算其粘度：

νp=ν0（1+αp）（2-12）

式中：

νp为压力在p（Pa