《液压传动概述》PPT课件.ppt

液压元件与系统,流体传动：以流体为工作介质进行能量转换、传递和控制的传动方式 液压传动 液力传动 气压传动 液压传动的定义：以液体为工作介质，利用液体的压力能来传递力和速度。,液压元件与系统,课程的性质： 机械工程各专业必修的专业或专业基础课 课程要求的基础： 机械专业基础课知识之外，还要有工程流体力学、机电控制等学科知识 课程的要求达到的目的： 1. 掌握常用的液压元件的结构原理； 2. 掌握常用的液压基本回路的工作原理； 3. 具有初步的分析和设计液压系统的能力。,液压元件与系统,本课程主要有四大部分内容 第一部分：液压元件结构与工作原理（泵、马达、缸、阀和附件） 第二部分：液压基本回路（压力控制、方向控制和速度控制回路） 第三部分：典型液压系统分析 第四部分：液压系统的设计 其中穿插液压原理课程内容,液压元件与系统,教学参考书： （1）液压传动与气压传动 何存兴主编 华中科技大学出版社 （2）液压元件与系统 李壮云主编 机械工业出版社,第一章 液压传动概述,一、 液压传动的工作原理及组成 二、 液压传动的优缺点 三、 液压传动的历史、现状及发展 四、 液压传动的工作介质,一、 液压传动的工作原理及组成,1.1.2 液压传动的工作原理 例1：液压千斤顶 例2：机床工作台液压系统,例1：液压千斤顶,例1：液压千斤顶,吸油,压油,重物回落,例1：液压千斤顶,例1：液压千斤顶,（1）力的传递（帕斯卡原理） 液压系统的工作压力取决于外负载。,条件: 无泄漏,不考虑油液的压缩性和管路的弹性, 不考虑摩擦力,例1：液压千斤顶,（2）运动的传递（容积变化相等、质量守恒）执行元件的运动速度取决于输入流量。 压力和流量是液压与气压传动中的两个最基本的参数。,条件: 无泄漏,不考虑油液的压缩性和管路的弹性, 不考虑摩擦力,例1：液压千斤顶,（3）功率的传递（能量守恒）,从例1得出的两个重要的概念,（1） 液压系统中液体的压力取决于负载 （2） 执行元件运动速度取决于输入的流量,例1：液压千斤顶,实际情况: （1）有泄漏,导致容积损失 （2）考虑摩擦力，有机械损失 （3）考虑油液的压缩性和管路的弹性, 不能保证严格的传动比,例2：机床工作台液压系统（停止工位）,液压元件,工作台快进,工作台工进,工作台快退,液压元件,图形符号,1.1.2 液压系统图的图形符号,结构图,用符号表示的液压系统原理图,（1） 动力元件（液压泵）：将机械能（转矩T，转速n）转化为液体的压力能（压力p、流量q） （2） 执行元件（液压马达、液压缸）：将液体的压力能（压力p、流量q）转化为机械能（转矩T，转速n，或直线运动速度 v ，输出力F） （3） 控制元件（液压阀）：控制液体的压力、流量和方向，从而实现控制执行元件的输出力、运动速度和方向，过载保护和程序控制 （4） 辅助元件（管道、管接头、油箱和滤油器） （5）工作介质,1.1.3 液压系统的组成,1-1-4 液压系统的组成,1. 2 液压传动的优缺点,1.2.1 液压传动的优点,与机械传动相比，液压传动具有以下优点 （1）在同等功率的条件下，体积小、重量轻、结构紧凑、运动惯性小、反应快，可以出大力或力矩。 （2）可实现大范围的无级调速（调速比可达100-2000），机械传动实现无级调速较困难，中小型直流电机的调速比一般为2-4 （3）自动实现过载保护 （4）容易实现自动控制和遥控 （5）容易实现直线运动 （6）可自行实现机件的润滑 （7）便于机器零部件的设计布局,1. 2. 1 液压传动的优点,液压传动与电气传动相比： （1）体积小、重量轻、运动惯性小、反应快，可以出大力或力矩，是液压传动的主要优点。 （2）现代电力电子技术使交流调速可实现大范围的无级变速。 （3）直线电机使实现直线运动更容易。 液压传动受到电气传动的挑战,1.2.2 液压传动的缺点,（1）液压油泄漏，污染环境和引起火灾 （2）机件之间的机械摩擦阻力和粘性摩擦阻力、流体流动阻力和泄漏，导致液压系统的总效率降低 （3）液压油工作性能受温度的影响，很高和很低温的条件下工作困难 （4）液压油的泄漏和可压缩性，得不到严格的传动比 （5）液压元件的制造精度要求高 （6）液压介质易受污染，导致机件运动易卡阻,1.3 液压传动的历史、现状及发展,1.3.1 液压技术的理论基础,帕斯卡原理（1650年） 牛顿的粘性流体内摩檫定律（1686年） 流体力学的连续性方程和伯努利能量方程（18世纪）,静压传递原理,流量连续性原理与伯努利方程,理想,实际,什么是“牛顿的粘性流体内摩檫定律”？,粘性是液体分子内聚力的一种宏观表现，分子内聚力使液体有相对运动的流层之间存在内摩擦力,粘性流体内摩檫定律,1.3.2 液压技术的发展历程,先行者：水压技术： 1795年英国人布拉默（J。Bramah）发明了第一台水压机（锈蚀、磨损和密封）,1.3.2 液压技术的发展历程,早期的油压技术（20世纪早期） ： 矿物油和橡胶密封件的使用 19051908年威廉斯（H。Williams）和詹尼（R。Janny）发明的用油作工作介质的轴向柱塞式液压传动装置。 1910年肖（H。Shaw）研制出用油的径向柱塞泵 1936年威克斯（H。Vickers）发明了先导式溢流阀 20世纪30年代丁晴橡胶耐油密封件,1.3.2 液压技术的发展历程,二战期间（20世纪40年代）和战后快速发展 1、 武器工业促使液压伺服技术的发展（自动化技术） 2、 液压技术大量应用（机床、矿山机械等） 20世纪60年代末： 电液比例技术（价廉，易维服，具有一定的精度）使油压技术达到了一新高度。 21世纪环保的需求和新材料应用导致水压技术卷土重来。,1.3.3 液压技术的应用,产业机械：锻压机械、冶金机械、矿山机械、起重机械和机床等 行走机械：工程机械、建筑机械、农机、汽车等 航天和航空：飞机、导弹和航天器 舰船：潜艇、水面舰艇和各种船舶 海洋开发：海洋开发平台、海底钻探和水下作业工具,我国的液压技术,起步晚， 产品的质量技术性能差 自主品牌少，品种规格少，产品的开发和成套能力差,1.3.4 液压技术的发展方向,高压、高速、大功率、高效率、低噪声、高可靠性和高集成度 （1）提高效率 （2）机电液一体化 （3）集成、复合、小型轻量化 （4）加强安全性和与环境的相容性 （5）元件及系统的工作可靠性 （6）标准化、通用化和系列化 （7）新的系统设计理论和性能分析研究,1.4 液压传动的工作介质,液压介质的使用功能 1 传递能量的介质 2 润滑液压元件，减少摩擦和磨损 3 散热 4 防止锈蚀 5 分离和沉淀非可溶性污染物,1.4.1工作液体的基本物理性质,（1）粘性：粘性用粘度来表示 a、 动力粘度（绝对粘度） 单位: Pa .s 可由粘性流体的内摩擦定律导出,b、 运动粘度 (动力粘度与液体密度的比值) 单位 : m2 /s 常用单位: 斯(St)和厘斯(1cSt= 1mm2 /s) 1 m2 /s=10000 St=1000000 cSt 我国国标规定:液压油的牌号代表该油在40c时的运动粘度值,c、 条件粘度（相对粘度）我国用恩氏粘度 将200mL被测液体从恩氏粘度计中流出所需要的时间t1与同体积的20下的蒸馏水从该恩氏粘度计中流出所需要的时间t2之比称为恩氏粘度,(2)液体的粘温特性和粘压特性 粘度指数 越大,表明液体的粘度受温度的影响越小 液压油的粘度与压力、温度的关系：,（3）液体的可压缩性 压缩系数 ： 体积弹性系数K：,（4）饱和蒸汽压力（汽化压力 ） 给定温度下，密闭容器中通过减压使油液挥发成蒸汽时的压力。,1.4.2工作液体的使用性能要求,工作介质的功用： 1）有效地传递能量和信号； 2）润滑运动零件，减少摩擦和磨损； 3）在对偶运动副中提供支承； 4）吸收、运送和传递系统所产生的热量； 5）防止锈蚀； 6）传输、分离和沉淀系统中的非可溶性污染物质； 7）为元件和系统的失效提供和传递诊断信息。,1.4.2工作液体的使用性能要求,对工作介质（主要针对矿物油）的要求： （1）适当的粘度和良好的粘温特性： 粘度主要影响：粘度过大导致机械效率降低、泵的吸入性能降低；粘度过低容积效率降低、油膜变薄不利于机件的润滑。 粘温特性用粘度指数表示。粘度指数越高表示油液受温度的影响越小，液压油可以通过添加粘度指数添加剂来改善粘温特性。如聚异丁烯、聚甲基丙烯酸酯等,1.4.2工作液体的使用性能要求,对工作介质（主要针对矿物油）的要求： （2）良好的抗磨性（润滑性）： 抗磨性是一种与粘度无关，而是通过在油中加入添加剂以在摩擦副对偶面上形成油膜来达到减轻磨损的性能。粘度高不一定润滑性能好，如硅油，但是如粘度低则液体膜太薄不能覆盖表面粗糙度，抗磨性不好，如水。 通过在液压油中添加油性添加剂（油酸、硫化鲸鱼油和硫化烯烃棉子油，易解吸、乱向和溶化，只在低温和低载荷下使用，）和极压抗磨添加剂（含磷、硫、锌等物质，如二烷基二硫代磷酸锌、二硫化钼等,可以高温重载使用），液压油在金属表面形成的物理或化学吸附膜，这种膜也叫边界膜，边界膜形成摩擦副之间的边界润滑，有利于减轻机件的磨损。,1.4.2工作液体的使用性能要求,对工作介质（主要针对矿物油）的要求： （3）良好的氧化稳定性和热稳定性： 氧化稳定性是指油液耐氧化的能力。油液受到热、空气中的氧、水和金属物质会氧化而生成有机酸和聚合物，液压油的颜色变深、酸值增加、粘度变化和生成沉淀物质（焦油），因此液压油的腐蚀性增加、堵塞液压元件的小孔和加剧磨损。 热稳定性是指油液在高温下抵抗化学反应和分解的能力。油液高温下会加快裂解和聚合，金属表面还充当催化剂作用。所以液压必须耐受一定的高温和避免在极高的温度下工作。 一般通过添加抗氧化剂来提高液压油的氧化稳定性和热稳定性,1.4.2工作液体的使用性能要求,对工作介质（主要针对矿物油）的要求： （4）良好的抗乳化性和水解安定性 油液抵水形成乳化液的能力叫抗乳化性。油液抵抗与水发生化学反应而分解的能力叫水解稳定性。 水是液压系统中的一种污染物，通过潮湿的空气从油箱的呼吸孔带入或油缸活塞杆回缩而带入系统。液压油有吸水性，吸水性取决于基础油的性能、添加剂和温度。经过激烈的搅动，油中的水很容易析出而与油形成乳化液，这时的水以微小的水珠分散相存在油的连续相中。 水可导致腐蚀、加速油液（腐败）变质、破坏油膜和降低液压油的润滑性。加入破乳化剂（石油磺酸盐，一种表面活性剂）可改善液压油的抗乳化性。,1.4.2工作液体的使用性能要求,对工作介质（主要针对矿物油）的要求： （5）良好的抗泡性和空气释放性 液压油抵抗与空气结合形成泡沫的能力叫抗泡性。液压油释放分散在其中的空气的能力叫空气释放性。 空气引起油液油的弹性模量降低、使系统的动态性能降低，导致振动和噪声，加剧气蚀。 添加消泡剂（二甲基硅油） （6）良好的防锈蚀性 液压油中空气中的氧、水、各种添加剂与液压油发生氧化和分解所产生的酸性物质都可能对金属表面产生腐蚀，加剧磨损。 添加防锈剂（十二烯基丁二酸等）,二、 工作介质的使用性能要求,对工作介质（主要针对矿物油）的要求： （7）良好的剪切稳定性 液压油抗剪切，保持粘度和与粘度相关的性能不变的能力。主要是涉及到增稠剂的抗剪切能力。 （8）与密封材料的相容性 液压油与密封材料之间不发生相互损坏的现象。主要是指液压油与密封件接触后，不损坏密封件和降低密封件的密封性能。 （9）与环境和产品的相容性（矿物油的软肋） （10）抗燃性（闪点、燃点要高，能防火、防爆） （矿物油的软肋）,1.4.3 工作介质的种类及其技术性能,1. 矿物油 2. 难燃液压液 （1）合成液（磷酸脂HFD 、水乙二醇HFC ） （2）油水乳化液（油包水HFB 、水包油） （3）高水基（HFA 或HWBF，HWCF） 3. 纯水或海水 4. 可生物降解的液压液,1.4.3 工作介质的种类及其技术性能,有关液压工作介质的分类标准: ISO标准：ISO6743/41982润滑剂、工业润滑油和有关产品（L类）的分类第四部分：H组（液压系统） 国家标准GB/T7631.21987等效采用上述标准。 上述标准制订较早，还有三类液压介质并未包括在该标准内： （1）天然水（含海水及淡水） （2）能快速生物分解的液压液； （3）我国曾经广泛使用的特殊液压液，如航空液压油、航空难燃液压液、舰用液压油、炮用液压油和合成锭子油、汽车制动液等。,1.4.3工作介质的种类及其技术性能,有关液压油的分类标准: GB11118.11994矿物油型和合成烃型液压油将我国长期以来液压油产品品种集中在一个国家标准内，形成了新的液压油品种系列，包括HH、HL、HM、HR、HV、HG、HS等类。其品种基本上能满足各类液压设备的需要，并与国际上液压油的品种相当。 常用的矿物液压油： 常添加抗磨、防锈、抗氧化、抗泡和抗乳化,1.4.3工作介质的种类及其技术性能,（1）液压油（L-HH）不加或少加抗氧剂和其它任何添加剂的精练矿物油，不宜作为液压油，可用作润滑油（对低温、防锈、抗乳化和消泡等性能无要求）。比俗称的机械油（L-AN）的质量水平高。 （2）普通液压油（L-HL）添加防锈和抗氧化稳定剂，用于机床主轴箱和齿轮箱润滑油，要求较高低压系统。作为机械油（L-AN）的换代产品。,1.4.3工作介质的种类及其技术性能,（3）抗磨液压油（L-HM）在防锈、抗氧化型液压油的基础上添加极压抗磨剂（油性剂、二烷基二硫代磷酸锌、含磷硫物质），还辅以消泡剂、破乳剂、金属钝化剂等。适用中高压系统和承受中等载荷的润滑油。 锌型（有灰型，添加二烷基二硫代磷酸锌）：高锌型（质量分数大于0.07%）适用钢-钢对磨。但对含银和铜的零件有腐蚀。低锌型对材料的适应性好，可应用于叶片泵和含铜及铜合金的零件的柱塞泵。无灰型（只含磷硫物质）性能优于有灰型，但技术要求高和价格高。 （4）液压导轨油（L-HG）加油性剂，防低速爬行，用于液压和机床静压导轨合用一个系统的场合。 不适用高压液压系统。,1.4.3工作介质的种类及其技术性能,（5）低凝液压油（L-HV）低温使用。在低倾点矿物油的基础上添加粘度指数改进剂、极压抗磨添加剂、抗氧化剂、防锈剂、降凝剂等多种添加剂调制而成。具有抗磨、低温流动性。粘度指数达130以上，适合工作温度变化范围大、高寒野外作业的从低压、中压至高压系统的机械。 （6）高粘度指数液压油（L-HR）粘温特性好，粘度指数可达175。适合环境温度变化大的应用场合，如野外、船舶等。这类油的应用较窄用量少，低凝液压油（L-HV）可代替使用。 （7）L-HS液压油用低温性能好的烯烃合成油为基础油，添加与低凝液压油（L-HV）相似的添加剂，构成倾点达-45以下的低温液压油。适合严寒地区冬季野外作业使用。 （8）专用液压油航空液压油，舰船液压油等,1.4.3 工作介质的种类及其技术性能,难燃液压液： ISO6743/4：1982”的规定，难燃液压液主要有下列4种类型 （ HFA、 HFB、 HFC、 HFD） 1HFA液压液（HFAE、 HFAS、 HFAM） （1）HFAE HFAE又名高水基乳化液，或称水包油乳化液。由95%左右的水与由矿物油（或其他类型油类）及乳化剂、缓蚀剂、防霉剂等组成的浓缩液调制而成。 通过乳化剂的作用，油液以分散颗粒的形式分布在作为连续相的水中，油粒尺寸比较大（8m以上），呈乳白色。 它的缺点是乳化稳定性差，油水易分离，润滑性不好，过滤性差，目前国外很少用它作液压系统的工作介质。,1.4.3 工作介质的种类及其技术性能,难燃液压液： 1HFA液压液 （2）HFAS HFAS又名高水基合成液。其中不含油，由95%左右的水和含有多种水溶性（或半水溶性）添加剂的浓缩液调制而成，为透明状。其润滑性、过滤性能等均比HFAE好。,1.4.3 工作介质的种类及其技术性能,难燃液压液： 1HFA液压液 （3）HFAM HFAM又名高水基微乳化液。它由95%左右的水与由矿物油（或其他类型油）及多种化学添加剂所组成的浓缩液调制而成。 HFAM既非真正的溶解液，也非完全的乳化液。与HFAE的主要区别在于油液以极为微小的颗粒（2m或更小）的形式分布在水中。呈半透明状。 HFAM同时具有HFAE和HFAS的优点：很稳定，润滑性好，过滤性好，对液压泵有较好的适应性。,1.4.3 工作介质的种类及其技术性能,难燃液压液： 2HFB液压液 HFB又称油包水乳化液。它由60%的矿物油、40%的水及多种添加剂借助乳化剂的作用形成相对稳定的乳化混合体。水以分散颗粒的形式分布在作为连续相的油中，形成油包水乳化液。,1.4.3 工作介质的种类及其技术性能,难燃液压液： 2HFB液压液 HFB的优点是： 1）由于含有60%的矿物油，因而具有矿物油型液压油的一些基本优点，其润滑性要比HFA及HFC好； 2）与油压系统常用的密封材料、涂料及金属材料（镁除外）有较好的相容性； 3）具有较好的抗燃性，而其价格又较低廉。,1.4.3 工作介质的种类及其技术性能,难燃液压液： 2HFB液压液 HFB的主要缺点是： 1）乳化稳定性差，由于尘埃污染、使用温度较高或较低、储存时间较长、反复通过较精细的过滤器等因素均可能导致乳化液分离（这个缺点对HFAE同样存在）：2）为两相非牛顿流体，其粘度常因受强烈剪切作用而下降； 3）过滤性能较差； 4）容易产生气蚀。,1.4.3 工作介质的种类及其技术性能,难燃液压液： 3. HFC液压液 HFC又称水-乙二醇。它含35%55%的水，其余为能溶于水的乙二醇、丙二醇或它们的聚合物，以及水溶性的增粘、抗磨、防锈、消泡等添加剂. HFC为呈透明的真溶液。,1.4.3 工作介质的种类及其技术性能,难燃液压液： 3. HFC液压液 HFC的优点是： 凝点低，适于低温环境下工作，其使用温度范围为-20oC-50oC； 稳定性好，使用寿命长； 粘度较大，接近液压油的粘度。,1.4.3 工作介质的种类及其技术性能,难燃液压液： 3. HFC液压液 HFC的缺点： 润滑性能较差，特别是当使用滚动轴承时，轴承寿命大幅度下降； 废液不易处理； 汽化压力高，容易产生气蚀； 与锌、锡、镁、镉、铝等轻金属以及纸、皮革、软木、石棉、聚氨酯橡胶等不相容；容易使普通工业油漆软化或脱落.,1.4.3 工作介质的种类及其技术性能,难燃液压液： 4、HFD无水合成液（主要是HFDR液压液） HFDR又名磷酸酯液压液。它是由无水磷酸酯作为基础液再加入粘度指数改进剂、抗氧防锈剂、抗泡剂等多种添加剂调制而成。随磷酸酯分子结构的不同，所制液压液的粘度指数、低温性能等均有较大差别。除HFDR以外，还有氯化烃无水合成液（HFDS）；HFDR和HFDS混合液（HFDT）以及其他成分的无水合成液（HFDU）等。,1.4.3 工作介质的种类及其技术性能,难燃液压液： 4、HFDR液压液 磷酸酯的主要优点是： 润滑性能好，与矿物油型液压油相近； 抗氧化性及挥发性比矿物油型液压油强； 具有突出的抗燃性。 主要用于两方面，一是用在大型民航客机的液压系统中；二是在接近高温热源或明火附近的高温、高压系统中作为工业难燃液压液。,1.4.3 工作介质的种类及其技术性能,难燃液压液： 4、HFDR液压液 磷酸酯的主要缺点是： 价格太贵； 当有水分混入时，易发生水解，生成磷酸，使金属受到腐蚀； 由于有强的溶解能力，与不少非金属材料及密封材料不相容。必须采用氟橡胶（最优）、丁基橡胶或硅橡胶密封； 不能用一般耐油涂料，可采用环氧树脂或酚醛树脂； 对环境污染严重，有轻度毒性。,1.4.3 工作介质的种类及其技术性能,水介质： 基于合理解决液压元件的选材（耐腐蚀和磨损）和合理设计保证容积效率（减轻泄漏）和机械效率（摩擦磨损）的前提下水是一种理想的液压介质。 水便于使用、易于获得成本低、环保和消防安全等优点使水压技术重新获得应用。特别是在海洋环境和江河湖泊等场合更显优势。 生物降解液压液 植物油：工作温度受限制。 合成酯油：与植物油比，有较好的高温性能和抗氧能力，有好的粘温特性、边界润滑性能、抗燃和低温性能，可与矿物油相混合。但高于50摄氏度时对水很敏感。,1.4.4工作液体的选用,正确选用工作液(液压油)对提高液压设备的工作可靠性、元件及系统的使用寿命和设备的安全都有重要的意义。 工作液的选用有两种主要的考虑： （1）工作液的种类 (2) 工作液的粘度,1.4.4工作液体的选用,正确选用工作液(液压油)种类需要考虑的问题 （1）工作环境：环境温度、潮湿、消防防火和环保 环境温度低选用低温液压油；环境温度变化大选用高粘度指数液压油；环境温度高要选用高粘度的液压油。 环境潮湿则要求液压的防锈、抗乳化和抗水解的能力要强。 有火源和消防要求、易爆易燃的工作场所要选用难燃液压液。 有环保和产品卫生要求的应选用水介质。,1.4.4工作液体的选用,正确选用工作液(液压油)种类需要考虑的问题 （2）工作条件（泵的类型、压力、工作温度） 高压高速泵马达要选用抗磨液压油；齿轮泵抗磨要求比叶片泵、柱塞泵低，可选用HL或HM，叶片泵和柱塞泵应选用HM 系统压力高，选择粘度较大的液压油液。 泵（马达）速度高，选用粘度较低的液压油液。 工作温度高，选用粘度较大的液压油液。 与密封材料等液压元件选材的相容性也在考虑之列。 （3）经济性好购买价格和维服