液压气动绪论.docx

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液压气动绪论

液压与气压传动绪论

第一篇液压传动

第一章液压传动概述

第一节液压传动发展概况

一、液压传动的定义

一部完整的机器由原动机部分、传动机构及控制部分、工作机部分（含辅助装置）组成。

原动机包括电动机、内燃机等。

工作机即完成该机器之工作任务的直接工作部分，如剪床的剪刀、车床的刀架等。

由于原动机的功率和转速变化范围有限，为了适应工作机的工作力和工作速度变化范围变化较宽，以及性能的要求，在原动机和工作机之间设置了传动机构，其作用是把原动机输出功率经过变换后传递给工作机。

一切机械都有其相应的传动机构借助于它达到对动力的传递和控制的目的。

（举例说明机器的组成及传动机构在机器中的作用及能量在机器工作过程中输入、输出的转换形式。

）

传动机构

原动机（机械能）——————工作机构（机械能）

机械传动

电气传动

流体传动

传动机构通常分为机械传动、电气传动和流体传动机构。

机械传动是通过齿轮、齿条、蜗轮、蜗杆等机件直接把动力传送到执行机构的传递方式。

（汽车、轮船等）

电气传动是利用电力设备，通过调节电参数来传递或控制动力的传动方式。

（电车、机车、电动机等）

流体传动是以流体为工作介质进行能量转换、传递和控制的传动。

它包括液压传动、液力传动和气压传动。

液压传动和液力传动均是以液体作为工作介质进行能量传递的传动方式。

液压　传动主要是利用液体的压力能来传递能量；而液力传动则主要是利用液体的动能来传递能量。

（举例说明液压传动和液力传动的区别）

由于液压传动有许多突出的优点，因此被广泛用于机械制造、工程建筑、石油化工等各个工程技术领域。

液压传动——利用液体静压力传递动力

液体传动

液力传动——利用液体静流动动能传递动力

流体传动

气压传动

气体传动

气力传动

二、液压传动的发展概况

自18世纪末英国制成世界上第一台水压机算起，液压传动技术已有二三百年的历史。

直到20世纪30年代它才较普遍地用于起重机、机床及工程机械。

在第二次世界大战期间，由于战争需要，出现了由响应迅速、精度高的液压控制机构所装备的各种军事武器。

第二次世界大战结束后，战后液压技术迅速转向民用工业，液压技术不断应用于各种自动机及自动生产线。

本世纪60年代以后，液压技术随着原子能、空间技术、计算机技术的发展而迅速发展。

因此，液压传动真正的发展也只是近四、五十年的事。

当前液压技术正向高速、高压、大功率、高效、低噪声、经久耐用、高度集成化的方向发展。

同时，新型液压元件和液压系统的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助测试（CAT）、计算机直接控制（CDC）、机电一体化技术、可靠性技术等方面也是当前液压传动及控制技术发展和研究的方向。

我国的液压技术最初应用于机床和锻压设备上，后来又用于拖拉机和工程机械。

现在，我国的液压元件随着从国外引进一些液压元件、生产技术以及进行自行设计，现已形成了系列，并在各种机械设备上得到了广泛的使用。

第二节液压传动的工作原理及系统组成

一、液压传动系统的工作原理

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。

（引申举例）

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往复运动的液压传动系统。

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、换向阀、

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

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。

二、液压传动系统的组成

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，应该由以下五个主要部分来组成：

1.能源装置（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.执行装置（元件）：

它是把液压能转换成机械能以驱动工作机构的装置。

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.控制调节装置（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.辅助装置（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.工作介质：

传递能量的流体，即液压油等。

三、液压传动系统图的图形符号

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。

我国已经制定了一种用规定的图形符号来表示液压原理图中的各元件和连接管路的国家标准，即“液压系统图图形符号（GB786—76）”。

我国制订的液压系统图图形符号（GB786—76）中，对于这些图形符号有以下几条基本规定。

（1）符号只表示元件的职能，连接系统的通路，不表示元件的具体结构和参数，也不表示元件在机器中的实际安装位置。

（2）元件符号内的油液流动方向用箭头表示，线段两端都有箭头的，表示流动方向可逆。

（3）符号均以元件的静止位置或中间零位置表示，当系统的动作另有说明时，可作例外。

图1-3所示为图1-2（a）系统用国标《GB786—76液压系统图图形符号》绘制的工作原理图。

使用这些图形符号可使液压系统图简单明了，且便于绘图。

第三节液压传动的优缺点及应用

一、液压传动系统的主要优点

液压传动之所以能得到广泛的应用，是由于它与机械传动、电气传动相比具有以下的主要优点：

（1）由于液压传动是油管连接，所以借助油管的连接可以方便灵活地布置传动机构，这是比机械传动优越的地方。

例如，在井下抽取石油的泵可采用液压传动来驱动，以克服长驱动轴效率低的缺点。

由于液压缸的推力很大，又加之极易布置，在挖掘机等重型工程机械上，已基本取代了老式的机械传动，不仅操作方便，而且外形美观大方。

（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）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。

（4）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。

（5）液压装置易于实现过载保护——借助于设置溢流阀等，同时液压件能自行润滑，因此使用寿命长。

（6）液压传动容易实现自动化——借助于各种控制阀，特别是采用液压控制和电气控制结合使用时，能很容易地实现复杂的自动工作循环，而且可以实现遥控。

（7）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。

二、液压传动系统的主要缺点

（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。

二、液压传动系统的主要应用

驱动机械运动的机构以及各种传动和操纵装置有多种形式。

根据所用的部件和零件，可分为机械的、电气的、气动的、液压的传动装置。

经常还将不同的形式组合起来运用——四位一体。

由于液压传动具有很多优点，使这种新技术发展得很快。

液压传动应用于金属切削机床也不过四五十年的历史。

航空工业在1930年以后才开始采用。

特别是最近二三十年以来液压技术在各种工业中的应用越来越广泛。

在机床上，液压传动常应用在以下的一些装置中：

1.进给运动传动装置磨床砂轮架和工作台的进给运动大部分采用液压传动；车床、六角车床、自动车床的刀架或转塔刀架；铣床、刨床、组合机床的工作台等的进给运动也都采用液压传动。

这些部件有的要求快速移动，有的要求慢速移动。

有的则既要求快速移动，也要求慢速移动。

这些运动多半要求有较大的调速范围，要求在工作中无级调速；有的要求持续进给，有的要求间歇进给；有的要求在负载变化下速度恒定，有的要求有良好的换向性能等等。

所有这些要求都是可以用液压传动来实现的。

2.往复主体运动传动装置龙门刨床的工作台、牛头刨床或插床的滑枕，由于要求作高速往复直线运动，并且要求换向冲击小、换向时间短、能耗低，因此都可以采用液压传动。

3.仿形装置车床、铣床、刨床上的仿形加工可以采用液压伺服系统来完成。

其精度可达0.01～0.02mm。

此外，磨床上的成形砂轮修正装置亦可采用这种系统。

4.辅助装置机床上的夹紧装置、齿轮箱变速操纵装置、丝杆螺母间隙消除装置、垂直移动部件平衡装置、分度装置、工件和刀具装卸装置、工件输送装置等，采用液压传动后，有利于简化机床结构，提高机床自动化程度。

5.静压支承重型机床、高速机床、高精度机床上的轴承、导轨、丝杠螺母机构等处采用液体静压支承后，可以提高工作平稳性和运动精度。

液压传动在其他机械工业部门的应用情况见表1-1所示。

表1-1液压传动在各类机械行业中的应用实例

行业名称

应用场所举例

工程机械

挖掘机、装载机、推土机、压路机、铲运机等

起重运输机械

汽车吊、港口龙门吊、叉车、装卸机械、皮带运输机等

矿山机械

凿岩机、开掘机、开采机、破碎机、提升机、液压支架等

建筑机械

打桩机、液压千斤顶、平地机等

农业机械

联合收割机、拖拉机、农具悬挂系统等

冶金机械

电炉炉顶及电极升降机、轧钢机、压力机等

轻工机械

打包机、注塑机、校直机、橡胶硫化机、造纸机等

汽车工业

自卸式汽车、平板车、高空作业车、汽车中的转向器、减振器等

智能机械

折臂式小汽车装卸器、数字式体育锻炼机、模拟驾驶舱、机器人等

第四节液压传动的工作介质

液压油是液压传动系统中的传动介质，而且还对液压装置的机构、零件起这润滑、冷却和防锈作用。

液压介质的性能对液压系统的工作状态有很大影响，液压传动系统的压力、温度和流速在很大的范围内变化，因此液压油的质量优劣直接影响液压系统的工作性能。

故此，合理的选用液压油也是很重要的。

一、液压油的物理特性

1、密度ρ

ρ=m/V[kg/m3]

一般矿物油的密度为850~950kg/m3

2、重度γ

γ=G/V[N/m3]

一般矿物油的重度为8400~9500N/m3

因G=mg所以γ=G/V=ρg

3、液体的可压缩性

当液体受压力作用二体积减小的特性称为液体的可压缩性。

体积压缩系数β=-▽V/▽pV0

体积弹性模量K=1/β

4、流体的粘性

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1-4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1-4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1-4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（1-1）

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：

（1-2）

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（1-3）

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，应用不便，常用1%斯，即1厘斯来表示，符号为cSt，故：

1cSt=10-2St=10-6m2/s

运动粘度ν没有什么明确的物理意义，它不能像μ一样直接表示流体的粘性大小，但对ρ值相近的流体，例如各种矿物油系液压油之间，还是可用来大致比较它们的粘性。

由于在理论分析和计算中常常碰到绝对粘度与密度的比值，为方便起见才采用运动粘度这个单位来代替μ/ρ。

它之所以被称为运动粘度，是因为在它的量纲中只有运动学的要素长度和时间因次的缘故。

机械油的牌号上所标明的号数就是表明以厘斯为单位的，在温度50℃时运动粘度ν的平均值。

例如10号机械油指明该油在50℃时其运动粘度ν的平均值是10cSt。

蒸馏水在20.2℃时的运动粘度ν恰好等于1cSt，所以从机械油的牌号即可知道该油的运动粘度。

例如20号油说明该油的运动粘度约为水的运动粘度的20倍，30号油的运动粘度约为水的运动粘度的30倍，如此类推。

动力粘度和运动粘度是理论分析和推导中经常使用的粘度单位。

它们都难以直接测量，因此，工程上采用另一种可用仪器直接测量的粘度单位，即相对粘度。

（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。

恩氏粘度的测定方法如下：

测定200cm3某一温度的被测液体在自重作用下流过直径2.8mm小孔所需的时间tA，然后测出同体积的蒸馏水在20℃时流过同一孔所需时间tB（tB=50～52s），tA与tB的比值即为流体的恩氏粘度值。

恩氏粘度用符号°E表示。

被测液体温度t℃时的恩氏粘度用符号°Et表示。

°Et=tA/tB（1-4）

工业上一般以20℃、50℃和100℃作为测定恩氏粘度的标准温度，并相应地以符号

°E20、°E50和°E100来表示。

知道恩氏粘度以后，利用下列的经验公式，将恩氏粘度换算成运动粘度。

ν=7.31°E-6.31/°E×10-6（1-5）

为了使液体介质得到所需要的粘度，可以采用两种不同粘度的液体按一定比例混合，混合后

的粘度可按下列经验公式计算。

°E＝[a°E1+b°E2-c（°E1-°E2）]/100（1-6）

式中：

°E为混合液体的恩氏粘度；°E1，°E2分别为用于混合的两种油液的恩氏粘度，

°E1＞°E2；a，b分别为用于混合的两种液体°E1、°E2各占的百分数，a+b=100；c为与a、b有关的实验系数，见表1-2。

表1-2系数c的值

a/%

b/%

6.7

13.1

17.9

22.1

25.5

27.9

28.2

（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）（1-7）

式中：

νp为压力在p（Pa）时的运动粘度；ν0为绝对压力为1个大气压时的运动粘度；p为压力（Pa）；α为决定于油的粘度及油温的系数，一般取α=（0.002～0.004）×10-5，1/Pa。

（5）温度对粘度的影响。

液压油粘度对温度的变化是十分敏感的，当温度升高时，其分子之间的内聚力减小，粘度就随之降低。

不同种类的液压油，它的粘度随温度变化的规律也不同。

我国常用粘温图表示油液粘度随温度变化的关系。

对于一般常用的液压油，当运动粘度不超过76mm2/s，温度在30～150℃范围内时，可用下述近似公式计算其温度为t℃的运动粘度：

νt=ν50（50/t）n（1-8）

式中：

νt为温度在t℃时油的运动粘度；ν50为温度为50℃时油的运动粘度；n为粘温指数。

粘温指数n随油的粘度而变化，其值可参考表1-3。

表1-3粘温指数

ν50/mm2·s-1

2.5

6.5

9.5

1.39

1.59

1.72

1.79

1.99

2.13

2.24

2.32

2.42

2.49

二、液压系统对液压油的要求

液压油是液压传动系统的重要组成部分，是用来传递能量的工作介质。

除了传递能量外，它还起着润滑运动部件和保护金属不被锈蚀的作用。

液压油的质量及其各种性能将直接影响液压系统的工作。

从液压系统使用油液的要求来看，有下面几点：

1.适宜的粘度和良好的粘温性能一般液压系统所用的液压油其粘度范围为：

ν=11.5×10-6～35.3×10-6m2/s（2～5°E50）

2.润滑性能好在液压传动机械设备中，除液压元件外，其他一些有相对滑动的零件也要用液压油来润滑，因此，液压油应具有良好的润滑性能。

为了改善液压油的润滑性能，可加入添加剂以增加其润滑性能。

3.良好的化学稳定性即对热、氧化、水解、相容都具有良好的稳定性。

4.对液压装置及相对运动的元件具有良好的润滑性

5.对金属材料具有防锈性和防腐性

6.比热、热传导率大，热膨胀系数小

7.抗泡沫性好，抗乳化性好

8.油液纯净，含杂质量少

9.流动点和凝固点低，闪点（明火能使油面上油蒸气内燃，但油本身不燃烧的温度）和燃点高

此外，对油液的无毒性、价格便宜等，也应根据不同的情况有所要求。

三、液压介质的种类（液压油的分类）

普通液压油

专用液压油

1、石油基液压油

抗磨液压油

高粘度指数液压油

石油基液压油是以石油地精炼物未基础，加入抗氧化或抗磨剂等混合而成的液压油，不同性能、不同品种、不同精度则加入不同的添加剂。

合成液压油——磷酸酯液压油

2、难燃液压油水——乙二醇液压油

含水液压油油包税乳化液

乳化液

水包油乳化油

1）石油基液压油这种液压油是以石油的精炼物为基础，加入各种为改进性

能的添加剂而成。

添加剂有抗氧添加剂、油性添加剂、抗磨添加剂等。

不同工作条件要求具有不同性能的液压油，不同品种的液压油是由于精制程度不同和加入不同的添加剂而成。

2）成添加剂磷酸脂液压油是难燃液压油之一。

它的使用范围宽，可达-54~135℃。

抗燃性好，氧化安定性和润滑性都很好。

缺点是与多种密封材料的相容性很差，有一定的毒性。

3）—乙二醇液压油这种液体由水、乙二醇和添加剂组成，而蒸馏水占35％~55％，因而抗燃性好。

这种液体的凝固点低，达-50℃，粘度指数高（130~170），为牛顿流体。

缺点是能使油漆涂料变软。

但对一般密封材料无影响。

4）乳化液乳化液属抗燃液压油，它由水、基础油和各种添加剂组成。

分水包油乳化液和油包水乳化液，前者含水量达90％~95％，后者含水量大40％。

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