第1讲 液压与气动传动基础

《液压与气压传动控制》第1讲：液压与气动传动基础液压与气压系统的应用1)了解常用液压泵、液压缸、气缸、及控制阀的工作原理、特点及液气压元件选用。2)能分析一般的液压系统回路和气动控制回路，能设计简单的液压系统及气压传动系统，应用仿真软件FluidSIM进行液气压传动回路组建和仿真，了解回路动态参数。3)能按照回路图正确组装液压与气动控制回路，了解电气控制与气液传动相结合的控制工程。4)了解国内外先进液压与气动技术成果在机电设备中的应用。课程学什么、怎么学？仿真软件齿轮泵外形叶片泵液压控制阀

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液压与气压系统的应用

本课程研究的是以有压流体（液压液或压缩空气）作为传动介质来实现机械传动和自动控制的一门学科。其实质研究的是能量转换。即：机械能---压力能---机械能1、液压传动液压传动基本原理和理论；液压元件的结构原理和特性；液压基本回路和系统设计分析；典型系统应用；

2、气压传动（气动技术）气压传动基本原理和理论；气动元件的结构原理、特性和应用；气动基本回路原理和分析；认识液压传动系统什么是液压传动液压传动应用于那些领域液压传动的工作原理如何液压系统的组成液压传动有何特点什么是液压传动

一部完整的机器是由以下几部分组成：

原动机传动机构工作机辅助装置控制部分什么是液压传动任何工作机构一般主要由三部分组成原动机传动机构工作机传动分类：机械传动：以机械元件传递能量

带传动

链传动

齿轮传动

电传动：以电流、电压借助导体传递能量

什么是液压传动流体传动：以流体为工作介质传递动力或能量

液体传动：液体为工作介质传递动力

液压传动：主要以液体压力能传递动力

液力传动：主要以液体动能来传动动力

气体传动：压缩空气的压力能传递动力

什么是液压传动流体传动：以流体为工作介质传递动力或能量

液体传动：液体为工作介质传递动力

液压传动：主要以液体压力能传递动力

液力传动：主要以液体动能来传动动力

气体传动：压缩空气的压力能传递动力

什么是液压传动液压与气压应用工程机械：（挖掘机、装载机、推土机、轻工机械、打包机、注塑机、食品包装机等）建筑机械：（打桩机、液压千斤顶、汽车工业、高空作业车、自卸式汽车、汽车起重机等）

冶金机械：（轧钢机、压力机、步进加热炉、铸造机械、砂型压实机、加料机、压铸机等）锻压机械：（模锻机、空气锤、纺织机械、织布机、抛砂机、印染机等）机械制造：（组合机床、冲床、自动线、气动扳手等）《液压与气压传动控制》第1讲:液压与气动传动基础液压传动工作原理

一、液压与气压传动的研究对象液压与气压传动是研究以压力油或压缩空气为能源介质，来实现各种机械的传动和自动控制的学科。

液压传动所用的工作介质为液压油或其它合成液体，液压传动传递动力大，运动平稳，液体粘性大，阻力损失大，不宜作远距离传动和控制

气压传动所用的工作介质为空气

二、液压与气压传动的工作原理

1.力比例关系

力比例关系、运动关系和功率关系

当大活塞上有重物负载W时，大活塞下腔的油液就将产生一定的压力p

，p=W/A2

。根据帕斯卡原理“在密闭容腔内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到液压各点”。因而要顶起大活塞及其重物负载W，在小活塞下腔就必须要产生一个等值的压力p，也就是说小活塞上必须施加力F1,F1=pA1,因而有

p＝F1/A1=W/A2

或W/F1=A2/A1

（0－1）

在液压和气压传动中工作压力取决于负载，而与流入的流体多少无关。2.运动关系

如果不考虑液体的可压缩性、漏损和缸体、油管的变形，从图0－1b可以看出，被小活塞压出的油液的体积必然等于大活塞向上升起后大缸扩大的体积。即

A1h1=A2h2

或h2/h1=A1/A2

（0－2）从式（0－2）可知，两活塞的位移和两活塞的面积成反比，将A1h1

＝A2h2

两端同除以活塞移动的时间t得

A1h1/t=A2h2/t

即v2/v1=A1/A2

（0－3）式中v1

、v2分别为小活塞和大活塞的运动速度。

从式（0－3）可以看出，活塞的运动速度和活塞的作用面积成反比。Ah/t的物理意义是单位时间内液体流过截面积为A的某一截面的体积，称为流量q，即

q=Av因此，A1v1=A2v2

（0－4）如果已知进入缸体的流量q，则活塞的运动速度为

v=q/A

（0－5）调节进入缸体的流量q，即可调节活塞的运动速度v，这就是液压与气压传动能实现无级调速的基本原理。从式（0－5）可得到另一个重要的基本概念。

活塞的运动速度取决于进入液压（气压）缸（马达）的流量，而与流体压力大小无关。3.功率关系

由式（0－1）和式（0－3）可得

F1v1=Wv2

（0－6）式（0－6）左端为输入功率，右端为输出功率，这说明在不计损失的情况下输入功率等于输出功率，由式（0－6）还可得出

P=pA1v1=pA2v2=pq

（0－7）压力p和流量q式流体传动中最基本、最重要的两个参数，它们相当于机械传动中的力和速度，它们的乘积即为功率。

《液压与气压传动控制》第1讲：液压与气动传动基础液压与气压传动系统组成磨床工作台液压系统图:磨床工作台液压传动系统工作原理

1-油箱；2-过滤器；3,12,14-回油管；4-液压泵；5-弹簧；6-钢球；7-溢流阀；8,10-压力油管；9-手动换向阀；11,16-换向手柄；13-节流阀；15-换向阀；17-活塞；18-液压缸；19-工作台

液压缸节流阀换向阀溢流阀液压系统中工作的零部件都有一定的承载范围，当系统的工作压力超过这个承载范围时，就可能会出现安全事故，如管道爆裂、电机过热乃至烧毁等。液压系统一般采用设置安全阀的方法，来限制系统的最大工作压力，保护人生设备的安全。溢流阀除了前面讨论的各个环节外，液压系统要能正常工作，还必须有储存油的容器——油箱，有连接各元器件的管道，还得有过滤系统的油液，防止杂质进入泵和液压系统的过滤器，另外还有蓄能器，压力表等。液压传动系统的组成

从前面例子液压系统组成和工作原理可以看出，液压系统一般有以下几个部分组成：动力元件传动介质控制元件辅助元件执行元件可以看出，液压传动是以液体作为工作介质来进行工作的，一个完整的液压传动系统由以下几部分组成：

（l）液压泵：是将原动机所输出的机械能转换成液体压力能的元件，其作用是向液压系统提供压力油，液压泵是液压系统的心脏。

（2）执行元件：把液体压力能转换成机械能以驱动工作机构的元件，执行元件包括液压缸和液压马达。

（3）控制元件：包括压力、方向、流量控制阀，是对系统中油液压力、流量、方向进行控制和调节的元件。如换向阀即属控制元件。

（4）辅助元件：上述三个组成部分以外的其它元件，如：管道、管接头、油箱、滤油器等为辅助元件。

◆液压系统的组成及各部分的功用液压油传动介质液压泵动力元件反向、压力、流量控制阀控制元件密封、滤油器、蓄能器、油箱、管件等辅助元件液压缸、液压马达执行元件Mn机械能p·Q液压能p·Q液压能机械能2πTn液压系统的图形符号

图所示的液压系统图是一种半结构式的工作原理图。它直观性强，容易理解，但难于绘制。

在实际工作中，除少数特殊情况外，一般都采用液压与气动图形符号（参看附录）来绘制，如图所示。

图:磨床工作台液压传动系统工作原理液压缸液压缸换向阀换向阀节流阀节流阀液压泵液压泵溢流阀溢流阀油箱油箱图形符号表示元件的功能，而不表示元件的具体结构和参数；反映各元件在油路连接上的相互关系，不反映其空间安装位置；只反映静止位置或初始位置的工作状态，不反映其过渡过程。

液压缸液压泵节流阀换向阀油箱溢流阀液压传动的优缺点

液压传动系统的主要优点

液压传动与机械传动、电气传动相比有以下主要优点：

（1）在同等功率情况下，液压执行元件体积小、结构紧凑。（2）液压传动的各种元件，可根据需要方便、灵活地来布置；

（3）液压装置工作比较平稳，由于重量轻，惯性小，反应快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁的换向；

（4）操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达2000：1），它还可以在运行的过程中进行调速；（5）一般采用矿物油为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长；

（6）容易实现直线运动；

（7）既易实现机器的自动化，又易于实现过载保护，当采用电液联合控制甚至计算机控制后，可实现大负载、高精度、远程自动控制。

（8）液压元件实现了标准化、系列化、通用化，便于设计、制造和使用。

（1）液压传动不能保证严格的传动比，这是由于液压油的可压缩性和泄漏造成的。

（2）工作性能易受温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作。

（3）由于流体流动的阻力损失和泄漏较大，所以效率较低。如果处理不当，泄漏不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故。

（4）为了减少泄漏，液压元件在制造精度上要求较高，因此它的造价高，且对油液的污染比较敏感。液压传动系统的主要缺点

机械、电气、液压

三者相结合的机电液一体化技术

电气是神经，

液压是肌肉，

机械是骨头。气压传动气压发生装置分水滤气器压力控制阀油雾器方向控制阀消声器流量控制阀汽缸压缩机:将大气压力的空气压缩并以较高的压力输给气动系统,把机械能转化为气压能。原动机：把电能转化为机械能压力表:显示储气罐或管道内的压力。冷冻式空气干燥器：将压缩空气冷却到零上若干度，使大部分空气中的湿气凝结，以减少空气中的水分。安全阀：当储气罐的压力超过容许限度，可将压缩空气溢出。气动三联件：在气动技术中，将空气过滤器（F）、减压阀（R）和油雾器（L）三种气源处理元件组装在一起，称为气动三联件。气压传动优点8.空气取之不尽，节省购买、贮存、运输的费用1.用后空气排入大气，不必设回气管，不污染环境2.空气在管内流动阻力小，压力损失小，便于输送3.气动反应快，动作迅速，维护简单，管路不易堵塞4.气动元件结构简单，易于制造、标准化、系列化、通用化5.气动系统在恶劣工作环境中，安全可靠性优于液压等系统6.气动系统可实现过载保护，可压缩性气体便于贮存能量7.气动设备可以自动降温，长期运行也不会发生过热现象气压传动的缺点4.空气的可压缩性，在载荷变化时动作稳定性差1.工作压力较低，输出功率较小2.气信号传递的速度慢，不宜用于高速传递的回路中3.排气噪声大，需加消声器《液压与气压传动控制》第1讲：液压与气动传动基础4

.液压油的认识与选用液压传动的工作介质一、液压油的物理性质二、对液压油的要求及选用用途：传递运动与动力、润滑、冷却种类：石油基液压油、高水基液压液等一、液压油的物理性质液体的密度液体的粘性

液体的可压缩

其他性质液体的密度密度—单位体积液体的质量

ρ=m/vkg/m3密度随着温度或压力的变化而变化，但变化不大，通常忽略，一般取ρ=900kg/m3的大小。液体的密度我国采用20︒C时的密度为油液的标准密度，以ρ20表示。矿物油型液压油的密度随温度的上升而有所减小，随压力的提高而稍有增加，但变动值很小，可以认为是常值。我国采用摄氏20度时的密度作为油液的标准密度,以ρ２０表示。可压缩性液体分子间存在一定间隙，液体受压缩后体积会缩小，这种性质称为液体的可压缩性。压力为p0、体积为V0，如果压力增大Δp，则体积减小ΔV，液体的可压缩性可用体积压缩系数k，即单位压力变化下的体积相对变化量来表示液体体积压缩系数的倒数称为体积弹性模量KK=1/k液压系统应使油液中的空气含量降到最小。液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和液体分子与壁面间的附着力,产生阻碍液体分子间相对运动而的内摩擦力,液体的这种产生内摩擦力的这种特性称为粘（黏）性.流动液体流层之间产生内部摩擦阻力的性质.粘性的物理本质内摩擦力表达式

F=μAdu/dy∵液体静止时du/dy=0∴静止液体不呈现粘性牛顿液体内摩擦定律液层间的内摩擦力Ｆ与液层接触面积A及液层之间的相对速度du成正比,而与液层间的距离dy成反比。粘度动力粘度μ运动粘度ν相对粘度0E粘度是液压油划分牌号的依据动力粘度μ公式:∵τ=F/A=μ·du/dy（N/m2）∴μ=τ·dy/du（N·s/m2）μ是比例系数，也称为液体的黏性系数或动力黏度,又称绝对黏度。物理意义液体在单位速度梯度下流动时，接触液层间单位面积上内摩擦力。在流体中取两面积各为1m2，相距1m,相对移动速度为1m/s时所产生的阻力。单位国际单位（SI制）中：帕·秒（Pa·S）或牛顿·秒/米2（N·S/m2）；以前沿用单位（CGS制）中：泊（P）或厘泊（CP）换算关系：1Pa·S=10P=103CP运动粘度ν动力粘度与液体密度之比值（相同温度下）公式ν=μ/ρ（m2/S）物理意义单位中只有长度和时间量纲类似运动学量，无明确的物理意义。是对流体在自身重力作用下流动阻力的度量。单位SI制：m2/SCGS制：St（斯）、cSt（厘斯）

（cm2/S）（mm2/S）换算关系：1m2/S=104St=106cSt单位说明称运动粘度，常用于液压油牌号标注运动粘度ν用40℃时运动粘度的平均值来标志的。例：20号机械油ν=17~23mm2/s（cSt，厘斯）换算关系：

1m2/s=104St=106

cSt(=106

mm2/s)

斯(cm2/s)厘斯(mm2/s)L：液压油类别HM:抗磨液压油46：液压油的粘性mm2/s（cSt，厘斯）1、粘度和压力的关系∵P↑，F↑，μ↑（分子间的距离缩小，内聚力增加）∴μ随p↑而↑，压力较小时忽略，32Mpa以上才考虑2、粘度和温度的关系粘度随温度变化的关系叫粘温特性；粘度随温度的变化较小，即粘温特性较好。温度上升，粘度降低，造成泄漏，磨损增加，效率降低。温度下降，粘度增大，造成流动困难及泵转动不易等问题。

粘性的影响机械效率、磨损、容积效率、漏油、泵的吸入性能润滑性质防锈性闪点、凝点抗燃性、抗凝性、抗泡沫性稳定性(热、氧化、水解、剪切）相容性（金属、密封、涂料）

通过添加剂控制液体的其他性质二、液压系统对液压油的要求及选用液压油要求液压油污染测定液压油的选用液压油污染控制液压油要求与选择（1）合适的粘度和良好的粘温特性；（2）良好的润滑性；（3）纯净度好，杂质少；（4）对系统所用金属及密封件材料有良好的相容性；（5）对热、氧化水解都有良好稳定性，使用寿命长；（6）抗泡沫性、抗乳化性和防锈性好，腐蚀性小；（7）比热和传热系数大，体积膨胀系数小，闪点和燃点高，流动点和凝点低（凝点——油液完全失去其流动性的最高温度）（8）对人体无害，对环境污染小，成本低，价格便宜.总之：粘度是第一位液压油要求与选择（1）选择液压油品种石油型（1）通用液压油（2）抗磨液压油（3）低温液压油

乳化型（1）油包水液（2）水包油液

合成型（1）磷酸酯液（2）水-乙二醇液液压油标记为：

品种代号

粘度等级

产品名称

标准号示例：L-HL46抗氧防锈液压油GB11118.1

（2）液压油选择首先根据工作条件（v、p、T）和元件类型选择油液品种，然后根据粘度选择牌号工作压力：工作压力较高的系统宜选用黏度较高的液压油，