液气压传动及控制1-3.doc

液 气 压 传 动 及 控 制第一章 概述（Introduction） 1.1 什么是流体传动？（WHAT IS FLUID POWER?） 1.流体传动与控制 它是一门利用有压力的流体为介质实现能量的转换、控制和传动的技术。可以这么说流体传动与控制是运动机器（movie industry）的动力。这是因为流体传动与控制可以实现现代工业所有机器的推、拉、调整或驱动。如：汽车的操纵和制动、卫星和宇宙飞船的发射、庄稼的收割、采煤、驱动机床、操纵飞机、食品加工、甚至于钻牙等。事实上， 在产品的加工或销售过程的某些环节离开了流体传动与控制几乎是不可能实现的。 2.流体传动的介质 鉴于流体既可以是液体也可以是气体，流体传动与控制包含液压传动和气压传动。液压系统使用像石油基润滑油、水、合成油甚至金属溶液这样的液体。气压传动以空气作为传动介质，因为空气非常丰富并且在完成指定的工作后容易排入大气。 3.流体系统的类型 分为流体输送和流体传动与控制两个不同的类型。 流体输送系统：其唯一目的是将流体从某个地方输送到另一地方以满足某些用途。 流体传动与控制系统：为完成工作而专门设计的。这个工作是由直接承受压力流体的工作缸或流体（液压）马达来完成的，依次为希望的动作提供动力。所以，需要控制元件以确保工作平稳、准确、高效、安全地完成。 4.流体传动与控制的应用范围 功率：操作员轻触按钮就能控制数百马力的功率并通过管路将其传递到任何位置。 精密度：像在机床工业中的应用，能够重复达到几百分之一毫米的公差。 流体传动与控制不仅仅是动力的源泉，它同时对完成所需的工作提供平稳、高效、安全和准确并可控、可变的动力。1.2 流体传动的优点（ADVANTAGES OF FLUID POWER） 现在有三种基本的传动方式：电力、机械和流体传动。在大多数实际应用中，都是这三种方法进行组合以使整个系统的效率最高。掌握每一类型的特点对正确决定使用哪种方法是很重要的。例如：流体传动系统能够比机械传动更经济地远程传输动力。但是，与电力系统相比流体传动系统传输距离受到限制。 流体传动成功和广泛应用的奥秘是它的变化多端和控制容易。流体传动不受通常的机械系统中机器的几何关系阻碍。并且，此外，同样的，功率能够几乎无限量的传递因为与电力系统相比流体传动系统不受材料自身的自然局限性的限制。例如：电磁铁的特性受到钢材的磁性饱和的限制。另一方面，流体传动系统的功率仅受材料强度大小的限制。为了提高生产率工业生产越来越依赖工业自动化。这包含了对生产操作，制造过程和材料输送的远程和直接控制。流体传动因以下四个突出优点在工业自动化中发挥着重要的作用。 1.控制简单和精确 借助于简单的杆件和按钮的使用，流体传动系统的操作人员很容易进行开始、停止、加速和减速操作，并且对于提供的任何所需功率其位置精度都可达到十万分之一英寸。 2.力的放大 一个液压系统（不使用笨重的齿轮、皮带轮和操纵杆）能简单而有效地将力从几十分之一克放大到数百吨对外输出。 3.恒定的力和转矩 只有流体传动系统能够提供不受速度变化影响的恒定力或转矩。不论工作速度是每小时几英寸还是每分钟几百英寸，每小时几转还是每分钟上千转，力或转矩都能保持恒定。 4.简便、安全、经济 流体传动系统与机械或电力系统相比仅使用少量的运动部件。所以，操作和维修保养更加简便。其次，安全性高，体积小和可靠性好。 流体传动系统另外的优点包括即时的反向运动，自动过载保护和无级调速。在任何已知的动力源中流体传动系统具有最高的功率重量比。 尽管液压传动有这些优点，它也不是所有动力传递问题的灵丹妙药。液压系统总有一些缺点。液压油是肮脏的，并且泄漏是不可能完全避免的。如果设计错误，液压管道可能破裂，飞散的物体能够导致人身伤害。此外，如果液压油泄漏进高温设备中，很多液压油能够引起火灾。因此，为了确定最好的总体设计每一种使用状况都必须被彻底地研究。1.3 流体传动系统的组成（COMPONENTS OF A FLUID POWER SYSTEM） 事实上所有的液压回路基本上是相同的与其使用无关。液压回路中由6个基本元件组成 油箱：盛装液体（通常是液压油）； 泵：为系统中液体加载； 电机或其它动力源：驱动泵； 控制阀：控制液体流动方向、压力和流量； 执行元件：将液体能量转换为工作所需的力或力矩（实现直线运动的液压缸或实现旋转运动的液压马达）； 管道：使液体由一处流到另一处的管道。 当然，液压系统的复杂程度和组成根据其用途的差异而不同。液压系统组成中包括特殊元件也是可以的。1.4 流体传动系统的类型（TYPES OF A FLUID POWER SYSTEM） 我们已经知道了包括液压和气压系统的两种流体传动。流体传动能进一步细分为两种类型：开环（开式）和闭环（闭式）系统。 闭环系统：有反馈的。系统输出端的状况自动地反馈到输入端或被称为反馈传感器的装置，该装置产生控制信号。如果控制信号和反馈信号不同，直到它对比了需求后装置将得到正确的系统输出施加于系统。闭环系统时常称为“伺服系统”，并且常常直接通执行元件的阀称为“伺服阀”。 开环系统：没有反馈的。系统的输出因此完全依赖于各个元件的特性和它们在回路中的配合。大多数回路都是开环的，它通常没有闭环系统那样复杂和精密。这是因为像漏损（由通过密封件的泄漏以及系统压力和温度高低引起的）带来的误差对于开环系统来说都是无需补的。第二章 液压油的性质（Properties of Hydraulic Fluids）2.1概述（INTRODUCTION） 在液压系统中唯一最重要的材料是工作流体本身。液压油的性质对设备的正常工作和使用寿命有着决定性的影响。为了液压系统能够高效地完成其工作使用清洁、高质量的液压油是非常重要的。 为了满足工作要求现代大多数液压油都是经过特殊合成的化合物。除了有一种基本的流体，液压油还包含一些添加物来得到所希望的性质。 1.液压油的主要功能 实质上，液压油有四个主要功能： 传递能量； 润滑运动部件； 密封两部件之间的配合间隙； 散热。 2.液压油的特性 为真正地实现上述这些主要功能并从安全和成本上考虑，液压油应具有以下特性： 良好的润滑性； 理想的粘度； 化学和环保稳定性； 与系统其它材料的相容性； 较大的体积模量； 耐火性； 良好的传热能力； 低密度； 抗泡性； 无毒； 低挥发性。 低成本； 容易得到。 单一的液压油不具有所有这些希望的性质。为了实际使用，流体传动设计者必须选择最接近所有这些理想性质的流体。 液压油必须定期更换，其周期不仅取决于流体本身还与其使用环境有关。实验室分析是确定液压油更换周期的最好方法。通常说，由于油液分解或被污染而导致其粘度和酸度增大时，它就应被更换。更好地是当系统处于工作温度时更换油液。用这种方法，大多数杂质都处于悬浮状态并且容易排除。 2.2 流体：液体（FLUIDS: LIQUIDS） “流体”一词是液体和气体的总称。液体是这样一种流体，具有已知的质量，它具有明确的、与它的容器形状无关的体积。这个意思是即使液体呈现其容器的形状，容器中充满液体部分的体积等于液体的体积。 液体被认为是不可压缩的以致于压力变化时，液体的体积不会变化。这并不绝对准确，但是由于压力变化引起的体积变化是很小的，在大多数工程应用中可忽略不计。2.3 重量、密度、比重（WEIGHT, DENSITY, SPECIFIC GRAVITY） 1.重量 所有物质，不论固体或流体，都受到地心引力的作用。这个力称为物体的重力，并与物体的质量成正比，定义为： （21） F力（N）； W流体的重量（N）； m流体的质量（kg）； g重力加速度（9.8m/s2）。 2.重度 重度被定义为单位体积流体的重量，即： （22） 重度（N/m3）； W重量（N）； V体积（m3）； 利用式（22）我们能够计算出水的重度： 大多数油液的重度大约为8792N/m3。然而，根据油液种类的不同，其重度在8635 N/m3和9106 N/m3之间变化。 3.比重 给定流体的比重（Sg）是流体的重度与4纯水的重度之比，即油液的比重： （23） 代入已知数值得： 注：比重是无量纲（无单位）参数。 4.密度 其定义是单位体积的质量： （24） 密度（kg/m3） m质量（kg） V体积（m3） 由于质量与重量成正比，密度也等于给定流体的密度除以水的密度。 密度与重度有如下关系： （25） 那么水的密度为： 2.4 压力（PRESSURE） 1.流体压力 压力 在流体传动系统中压力或者说得更确切些是力以相等的数值向各个方向传递。压力用单位面积上所受的力来表示。因此，压力是单位面积上作用的力的总和，即： （26） p压力； F力； A面积。 如果F和A的单位分别是N和m2，那么p的单位就是Pa。静止流体中的压力称为流体静压力，它有两个重要性质： 静止流体中任一点上压力大小与所受力面的方位无关，即静止流体中任一点的压力在各个方向相等。 静止流体中压力作用方向是垂直于表面并指向该表面，即沿表面内法线方向。 静压力的基本方程 如图所示，从流体中划出一个底面积为A的液柱，在流体表面上，外力产生的压力peFe/A，液柱所受质量力为hA，设液柱下表面上作用的压力为p，其方向向上，则沿垂直方向的力平衡方程为peA+hApA，由此得 ppe+h。（27）式中，p是离液面h深处的压力。由式（27）可知： 静压力是外力产生的压力pe和自重产生的压力h之和； 静止流体压力随深度线性地增加； 静压力相等的各点组成的面称为等压面，在静止流体中等压面是水平面； 在一般液压系统中工作压力（ pe）比自重产生的压力h大得多，故在液压系统中h可忽略，即p pe。 2.压力的计算基准和单位 压力计算基准 绝对压力pabs：以绝对真空为计算基准的压力； 大气压pa：由大气产生的压力； 相对压力（表压）p：以大气压为基准的压力，压力表所指示的压力均为相对压力。 真空度pv：压力比大气压低的数值。 它们之间关系如图所示： pabspa+p , pvpapabs。 压力的单位 压力有多种单位。在SI制中，压力的单位是Pa，1Pa=1N/m2，由于Pa太小，工程上常用MPa，目前也可用bar。1MPa106Pa，1bar105Pa。 在工程上还有以下压力单位被应用。 标准大气压（atm），工程大气压（at），mH2O（米水柱高），mmHg（毫米汞柱高），kgf/cm2。 1atm1.033kgf/cm210.33mH2O760mmHg1.013105Pa。 1at1kgf/cm210mH2O735.5mmHg9.8104Pa。 2.5 帕斯卡原理（PASCALS LAW） 帕斯卡原理揭示了流体传动的基本原理。它表明了作用在密闭流体上的压力等值地向各个方向传递。 如图所示，在小活塞上施加力F1时，在液体中将产生压力pF1/A1，它以相同大小传向液体各部分，在大活塞上将产生力F2pA2。它们的关系是F1/F2A1/A2或F2（A2/A1）F1，由此可看出，由于A2A1，故F2 F1，即进行了力的放大，发大比为A2/A1。 在上图中，如果大活塞上无重物，那么在液体中不会产生压力。由此可知，在密闭容器流体系统中的压力是由外界负载决定的。2.6 帕斯卡原理的应用（APPLICATIONS OF PASCALS LAW） 在这一节中我们将探讨一个帕斯卡原理的基本应用：液压千斤顶。 这个系统使用一个活塞式手动泵来驱动一个单作用液压缸，如图。其工作原理如下。一手动力作用在手柄ABC的A点，手柄可绕C点旋转，手动泵的活塞杆与手柄的B点铰接。手动泵实际上是一个内有可自由上下运动活塞的液压缸。活塞和活塞杆是固连在一起的。当用手提起手柄时，活塞上升并在其下腔产生真空。其结果是，油箱中的油液在大气压的作用下经过单向阀1流入手动泵的下腔。这是吸油过程。单向阀是仅允许油液单向通过的元件，用箭头表示。 当用手压下手柄时，油液被从手动泵中挤出并通过单向阀2进入负载缸的下腔。负载缸在结构上与手动泵相似，也是内有一个活塞和活塞杆的液压缸。当油液被挤出油泵并在流入下腔时受到阻力，在负载活塞下就产生压力。由帕斯卡原理我们可知作用在负载活塞上的压力等于油泵下腔产生的压力。因此，手柄的每一次上下循环，一定体积的油液就从油泵中被挤出从而克服负载阻力使负载缸升高一定距离。放油阀是一个手动阀，当它打开时，从负载缸放油回油箱使负载下行。应该注意油液从每一个液压缸里流入和流出都仅在其一端。这样的液压缸称为单作用，因为液压驱动仅向一个方向。在图中的液压千斤顶中，当放油阀打开时活塞的缩回是靠负载的自重。2.7 体积弹性模量（BULK MODULUS） 具有较高功率重量比和刚度的液压系统经常被用于大功率的场所。液压系统的刚度与油液的不可压缩性有直接关系。体积弹性模量是不可压缩性的度量值。体积弹性模量越高，流体的压缩性越小或流体的刚性越大。体积弹性模量的数学表达式如式（27），负号说明随着压力的增加，体积减小： （27） 其中：体积弹性模量（MPa）； V初始体积（m3）； p压力变化值（MPa）； V体积变化值（m3）。 油液的体积弹性模量随其压力和温度的变化而变化，但是，在大多数流体传动系统的工作范围内，这些变化因素均可忽略不计。 2.8 粘性和粘度指数（VISCOSITY AND VISCOSITY INDEX） 粘性或许是液压油最重要的特性。它是运动流体流动性的度量值。当粘性小时，流体容易流动因为它是稀的以及粘度低。高粘性的流体因具有高粘度而看起来很浓，所以流动困难。 事实上，一个液压系统的理论粘度是适中的，过高的粘度会导致： 流动阻尼高，导致粘滞出现； 由于摩擦损失，增大功率消耗； 通过液压阀及管路的压降增加； 摩擦使油温升高。 另一方面，粘度太低，又会导致： 泄漏增加； 由于两个相对运动部件间的油膜被破坏而导致过度磨损。 1.绝对粘度（动力粘度） 粘度的概念可以通过研究图中的两个相距为油膜厚度y的平行平板来了解。下面的平板固定，上面的平板因受推力F的作用而以速度v移动。由于粘性，油液附着在两个平板的表面。与下面平板接触的油层流速为零，而与上面平板接触的油层流速为v。其结果是呈线性变化的速度分布，其斜率为v/y。油液的绝对粘度（或动力粘度）可由下式表示： （28） 其中：油液单位面积上的剪切应力（内摩擦力）（N/m2或Pa）；它引起了油膜相邻两层的滑动； v移动平板的速度（m/s）； y油膜厚度（m）； 绝对粘度（或动力粘度）（Pas）。 如果移动的平板与油液接触面积为单位面积，上面的平板速度与油膜厚度均为单位值，那么式（28）就变成： 为此，我们可以定义绝对粘度（动力粘度）为当两个平板间充满油液时以单位速度推动与固定平板相距单位距离并具有单位面积的平板所需要的力。 2.运动粘度 在流体力学中经常使用运动粘度而不用绝对粘度。运动粘度等于绝对粘度除以密度： （29） 在SI制中，的单位为m2/s，在工程中常用cst（厘施）为的单位1cst102cm2/s106m2/s，纯水在20时1cst，并不具有表示流体粘度的物理意义。第三章 液压系统的能量和功率（Energy and Power in Hydraulic Systems）3.1概述（INTRODUCTION） 在液压系统中，油液在大气压下进入油泵，这个压力称为吸油压力。当油液通过油泵时，油液压力的增加使其势能显著增加。当油液流过管道、阀和管接头时，因摩擦作用引起这些能量损失。摩擦能量的损失表现为热能。在输出装置（液压执行元件）上剩余的能量传递给负载完成有用的工作。这实质上是能量传递在液压系统中的循环。油泵将能量加入系统并传递到系统执行元件用来驱动外负载。 一个液压系统本身是没有能源的。这个能源是驱动油泵的原动机（如电机或一种内燃机）。事实上，一个液压系统仅仅是一个能量传递系统。为什么不取消液压传动而直接将原动机与机械设备连接起来？回答是在传递功率方面液压系统优点非常强。这些优点包括调速方便、变向容易、易于过载保护、功率单位重量比高以及发生故障的情况下危险性小。 能量守恒定律表明能量既不产生也不消失。这就意味着系统中任何部位能量的总和保持恒定。能量总和包含因高度和压力而表现出的势能与因速度而表现出的动能。如果所有的能量改变了，那么真正说明液压系统总是能量守衡的。这将用伯努利原理来完成，当油液经过液压系统时注意这些变化表现在势能和动能的变化。由于摩擦产生的能量损失变成热能，由油泵输入机械能，负载执行元件输出机械能。3.2 能量守恒（CONSERVATING OF ENERGY） 能量守恒定律表明了能量既不能产生也不能消失。其意味着系统的能量总和在任何情况下都是恒定的。总能量包括因高度和压力而表现出的势能和因速度而表现出的动能。我们来探讨这三种能量。 1.势能（EPE）：如图所示为一距离基准面高度为Z重W（N）的流体。相对于基准面这个重量的流体具有相应的势能因为已经对流体作了功使其离开基准面一个距离Z： （31） 注意:EPE的单位是Nm。 2.压力能（PPE）：如果图中的流体具有压力p，它就包含了压力能。 （32） 其中：为流体的重度。PPE的单位是Nm。 3.动能（KE）：如果图中重W（N）的流体以速度v运动，它就包含了动能，能够用下式计算 （33） 其中：g9.81m/s2； KE的单位是Nm。 W（N）重的流体所具有的能量总和既不会生也不会灭。能量的代数和ET是常数： （34） 当然，能量可以从一种形式转变为另一种形式。例如，流体可以损失高度而减小势能，但是，将导致压力能或动能的增加。3.3 连续方程（THE CONTINUITY EQUATION） 管道中稳定流动的连续状态方程表明经过管道所有截面的重量流量是相等的。 为了说明连续方程的重要性，参见图，它表明了流体以重量流量W（单位时间流过的流体重量）在管道中流动。这个管道有两个不同直径的截面1和2。如果在管道的任何部位流体无增加或减少，那么流过截面1和2的重量流量必然相等： 或 其中：重度（N/m3）； A管道截面积（m2）； v流速（m/s）； 设一不可压缩流体，由于12我们可约去前面方程中的重度项。液体流动的连续方程可简化为： （35） 因此，对于不可压缩流体，管道中的体积流量（单位时间体积）总是恒定的。体积流量用符合Q表示，我们有： （36） 连续方程我们能够写成如下形式：其中：D1和D2分别为管道截面1和2的直径。最终的结果为 （37） 方程（37）表明了这样一个事实管径越小，流速越高，反之亦然。应当注意直径和面积均为管内尺寸并不含管道壁厚。3.4 液压传动的功率（HYDRAULIC HORSEPOWER） 现在我们来确立流量和压力的概念，我们能够发现在泵油的过程中作了功而由执行元件输出功率。我们来分析图中的液压缸，由公式推导我们可以解决下面三个问题： 怎样确定活塞直径的大小？ 为了驱动液压缸在所需的时间内走完其行程油泵需输出多大的流量？ 液压缸输出功率的大小？ 注意油泵提供的功率必须是液压缸的输出功率与油泵到液压缸之间由于摩擦产生的功率损失之和。 问题1：从油泵进油口进入油泵的油液压力接近一个大气压（相对压力为0）并且油泵在其出油口输出足够高的压力p用来克服负载。压力作用在活塞面积A上产生必需的力推动负载： 求活塞面积A，我们可得： （38） 当负载和油泵设计所确定最大允许压力已知时，根据式（38）我们可以计算出所需的活塞面积。 问题2：液压缸的排量等于活塞走完其行程S所输出的液体体积： 所需的油泵流量等于液压缸的排量除以活塞走完其行程所需的时间t： 而VDAS，我们有： （39） 在实际应用中当行程S和时间t已知时，根据式（39）就能计算出所需的油泵输出流量。 回想一下我们确定的管道的流量QAv。对液压缸这样一个实质上是包含一个活塞的管道我们是否应该用相同的公式？回答是肯定的，为了得到要求的结果只不过用v来代替了公式（39）中的S/t而已： （310） 其中：v活塞运动速度。 注意: 活塞面积和运动速度较大时，油泵的输出流量就需要较大。 问题3：功等于力乘距离已经被确定： 功率为作功的速度，我们有： （311） 而QAv，最终结果为： （312） 观察下面的机械、电力和液压系统功率的相似之处： 机械功率力速度； 电功率电压电流强度； 液压功率压力流量。 3.5 伯努利方程（BERNOULLIS EQUATION） 伯努利方程对进行液压回路分析是最有效的关系式之一。它的应用使得我们能够为了系统正常工作而选择像油泵、阀和管道这些元件的大小。伯努利方程能够对下图所示的液压管道这样一个系统应用能量守恒推导出来。在截面1我们有具有高度Z1、压力p1和速度v1的重W的流体。当它到达截面2时，它的高度、压力和速度已经变为Z2、p2和v2。 相对于一个共同的零高度参考平面，我们能够确定下面的各项能量：能量类型截面1截面2势能压力能动能在截面1的流体能量的总和等于在截面2的相同的流体的能量总和： （313） 如果我们消去公式（313）两边的W，我们求出了重量为1而不是W的能量。这使我们得出了理想系统的概念：在截面1的单位重量的流体能量总和等于在截面2的单位重量的流体能量总和： （314） 检查单位，我们发现每一项的单位都是长度单位（m）。这就是我们所期望的每一项都代表了单位重量的流体能量：由于伯努利方程的每一项都是长度单位，如下的“水头”一词得到了普遍应用： Z1称为“位置水头”； p1/称为“压力水头”； v12/2g称为“速度水头”。 考虑到截面1和2之间的摩擦损失（HL）我们能对式（314）进行修正。HL表示单位重量流体从截面1流到截面2所产生的能量损失。事实上，我们希望考虑到一个油泵或油马达可能处在截面1和2之间。HP表示油泵增加的单位重量流体的能量，而Hm表示油马达消耗的单位重量流体的能量。 这为我们引出了单位重量流体能量的完整的伯努利方程：截面1的能量总和加上油泵增加的能量减去油马达消耗的能量再减去由于摩擦产生的能量损失等于截面2的能量总和：（315） 其中： 汽车化油器中使用的文德里管是伯努利方程常见的应用。 图中所示为一文德里管，它是直径逐渐减小一直到直径一定的喉管处，然后直径逐渐增大到原有的大小这样一个特殊管道。根据连续方程我们可知在进口处的截面1的流体的流速低于喉管处截面2的流速。即v2大于v1。我们写出截面1和2之间假定的理想流动并且高度相等的伯努利方程： 求出p1p2，我们有： 由于v2大于v1，我们必然知道p1大于p2。这个原因很简单：由于连续性定律流体在从截面1到2的过程中动能逐渐增加。其结果，流体的压力能减小以致能量既不增加也不减小。这个文德里效应通常称为伯努利定律。图中显示了文德里效应在汽车化油器上的应用。空气流量的大小由节气门的开启位置确定。当空气流经文德里管时，其流速增大而压力下降。浮子室里的压力与文德里管上面的空气压力相等。浮子室与文德里喉管间的压差导致汽油喷入空气流。文德里管中的压降有助于汽油的气化。例题：如图317所示 已知： 1.油泵的输出功率为3730W； 2.油泵的输出流量为0.001896m/s； 3.管径等于0.0254m； 4.油液的比重为0.9； 5.截面1和2之间的距离等于6.096m。 求出液压马达入口截面（截面2）出的压力。油箱中截面1的压力为