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流体传动与控制 主讲 张浩 绪论 1 什么是流体传动与控制 2 它是一门古老的学科还是一门新兴的学科 3 该学科目前急需解决哪些问题 4 该学科的发展方向是什么 一 学科历史及主要事件二 学科存在的主要问题三 流体传动技术前景展望 一 学科历史及主要事件 流体传动是研究以有压流体为能源介质 来实现各种机械的传动和自动控制的学科 流体 流体传动中所使用到的液体和气体 历史回顾 概述 流体技术自18世纪末英国制成世界上第一台水压机算起 已有300年的历史了 但其真正的发展是在第二次世界大战后50余年的时间内 战后液压技术迅速转向民用工业 在机械制造 工程建筑 农业机械 交通运输等行业中逐步推广 学科发展史 18世纪末水压机 作为最早的工作母机 的问世 1795 是流体动力应用于工业的第一个成功典范 水压技术从此在工业革命 1850 后的英国得到原始 缓慢地发展 19世纪末流体动力元件得以发明和改进 特别是伴随现代化工业的兴起以及机械加工工艺 材料 钢铁工业 和介质 石化工业 的技术进步 为液压技术的近代发展创造了先决条件 20世纪初 美国在舰船设备上率先使用油介质成功 1906 后 揭开了现代液压技术发展的序幕 战争和军事需要 航海和航空 刺激了液压新技术新工艺的研究开发投入 1930年代中期以先导溢流阀为代表的压力控制阀高压元件问世 1940年代问世了电磁阀和电液换向阀等自动控制元件 1950年代初电液伺服阀问世 1960年代后期电液比例阀问世 战后在航天国防工业以及汽车和机床工业的广泛应用中 油压技术经受了考验 并且走向产业独立发展 西方各国相继成立了行业协会和专业学会 液压传动和控制被作为新兴技术得到重视 这一时期也称得上是液压工业的黄金岁月 值得一提的科学著作是Blackburn1960 液动气动控制 和Merritt1967 液压控制系统 等影响深远的经典之作 对液压控制理论首次作出了系统 科学的阐述 1970年液压元件走向标准化 国际化 CETOP 1962 ISO TC131 1969 集成化 小型化 叠加阀和模块化集成回路顺应了时代要求 由于相继爆发了二次能源危机 节能压力迫使液压技术寻求高水基或合成液介质 同时为了满足工业生产高效率大功率的要求 二通插装阀在西德问世 电液比例控制在1980年成为液压技术研究发展的热点 液压和电子技术的竞争与合作引起广泛关注 值得提及Backe1974 液压阻力回路系统学 和路甬祥1988 电液比例控制技术 等著作进一步丰富和发展了液压控制的经典理论 1990年以后 随着绿色和环保成为全球共识 水压技术特别是纯水介质及其元件工艺的研究又得到重视 学科存在的主要问题 1 环境保护 泄漏 泄漏是流体传动工业面临的最大挑战之一 也是妨碍它与电气和机械传动系统有效竞争的一大因素 随着环保意识的不断增强 解决泄漏已是当务之急 解决方案 一 加大非石油基液压油的使用力度 例如 在工作温度允许的情况下 水基液压油能较好地防止污染 解决方案 二 为降低污染 流体传动工业提出了两种有效途径和力一法 与石化公司合作 开发性能更好的生物降解液压油 通过缩小油箱尺寸和使用衍生装置 继续探索降低系统用油量的方法和技术 解决方案 三 液压油的废置也是一个较大的环保考虑因素 为充分利用它并保护环境 延长其使用寿命是最佳的方法 要做到这一点 使用者必须应用先进的污染控制和过滤技术 使液压油保持清洁和冷却 2 教育与培训方面 由于流体传动是一个特殊的工业领域 公众对它的了解近似于零 这一状况近期将不会有较大改观 在众多的专科院校及综合大学里 电气和机械技术被广泛传授 而流体传动却被忽视 尽管这一潜在问题在几十年前就被发现 但工业界对此作出的反应却很迟钝 解决方案 一 进一步加大流体传动组织与大专院校的合作 在高校增设更多的流体传动课程 培养和储备专业人才 解决方案 二 企业自己培养人才 尽管这种方法不是最好的 但在实践中却是最可行的 这样 行业和企业可利用自身优势造就高素质的专门人才 解决方案 三 利用行业组织和机构 更好地为行业服务 例如 美国全国流体动力协会 流体动力学会等组织就能为工程师提供培训和先进技术信息 包括 开发工业工程标准 提倡教育 促进改良措施 支持流体传动技术及其应用 参与各种工业展览 提供行业数据服务 资助本组织的国际贸易 自愿为协会服务 3 与其它先进的技术相结合 例如 与电子一体化相结合 流体传动技术前景展望 1 研发 智能材料 和 智能流体 2 打破生产厂 供应商及用户之间的界限 向全球化发展 3 其它的发展趋势 流体传动技术向高压化 长寿命 微型化和低泄漏的力一向发展将进一步扩大与电子领域的合作 研制更为先进的材料和流体介质 例如 智能流体将开创由电子控制的无阀流体系统 泵和马达的高级控制技术比现用技术更简单 泵 马达及机械所用的智能材料将进一步深化流体传动与电子技术的联合 设备生产厂和供应商之间综合利用资源 更迅速地建立合作关系 更有效地满足用户的不同需求 国际标准化组织 ISO 将继续保证世界范围的产品和系统的互换性 利用更为先进的材料 如复合材料和陶瓷材料 满足液压系统中泵 阀 缸高压化的需要 由于总线控制大大减少接线 增强操作可靠性 将广泛用于液压和气动阀 气动将更加依赖电气 电子接口 加大数字放大器的研制和应用力度 改良电液驱动技术 继续探索降低生产成本的方法 大力发展电子一体化 提高产品在恶劣环境下作业的能力 更多地使用植物油和不污染空气或生态系统的流体介质 机 电 气一体化 使系统速度更快 匹配性更好 控制性更平衡 必须力争解决动力及运动控制力方面的问题 提供通用插接元件及系统 加大远程系统诊断技术的应用力度 倡导预防性维护 承担终身保障和责任 普及条件监测 减少停机 降低维修费用 气压传动的发展 气动技术 气动技术在科技飞速发展的当今世界发展将更加迅速 随着工业技术的发展 气动技术已从汽车 采矿 钢铁 机械工业等行业迅速扩展到化工 轻工 食品 军事工业等各行各业 70年代 开始重视气动技术 但没有生产气动设备的能力其中 75年1月 在气动元件座谈会上确定了定点生产气动元件的工厂 76年 正式开始重视气动技术 并发展气动技术 发展速度很快 80年代 广泛地应用于各行各业 如 制鞋 显像管生产 玻璃车间 食品生产 服装生产等 从世界各地气动行业统计资料来看 近30多年来 气动行业发展很快 20世纪70年代 液压与气动元件的产值比约9 1 30多年后的今天 在工业技术发达的欧美 日本等国家 该比例已达6 4 甚至接近5 5 由于气动元件的单价比液压元件便宜 在相同产值的情况下 气动元件的使用量及使用范围已远远超过了液压行从地区划分 可以说美洲 以美国为中心 欧洲 欧洲各工业发达国家 和亚太地区 以日本为中心 三分天下 气动元件的基本生产品种和规格分别已达9100种和53万种 中国改革开放以来 气动行业发展很快 近年来 气动元件产值的年递增率达25 左右 高于中国机械工业产值平均年递增率 虽然中国的基础工业离世界先进工业国家还有一定的差距 纵观世界气动行业的发展趋势 气动元件的发展动向可归纳为 高质量电磁阀的寿命可达3000万次以上 气缸的寿命可达2000 5000km 高精度定位精度达0 5 0 1mm 过滤精度可达0 01 m 标准大气中的油雾在0 1mg以下 高速度小型电磁阀的换向频率可达数十赫兹 气缸最大速度可达3m s 低功耗电磁阀的功耗可降到0 1W 显然 气动技术当前发展的特点和研究的方向主要是节能化 小型化 轻量化 位置控制的高精度化 以及与电子学相结合的综合控制技术 气压传动的工作原理1 电车和汽车开 关门气动回路 本课程的主要任务 1 要掌握液压与气压传动的基本概念 2 能读懂液压与气压传动系统图 认识液压与气压元件的图形符号 3 了解液压与气压元件 会选用液压与气压元件 4 能设计简单的液压与气压传动系统 二 液压与气压传动的工作原理 一 液压传动的工作原理1液压千斤顶的工作原理从液压千斤顶的工作原理的简单介绍中 我们可以看出 液压传动的工作原理 以油液作为工作介质 依靠密封容积的大小变化来传递运动 依靠油液内部的压力来传递动力 液压传动的定义 以液体作为工作介质 利用液体压力来传递动力和进行控制的一种传动方式 实质上 液压传动就是一种能量转换装置 先将机械能转换为便于输送的液压能 再将液压能转换为机械能 用来驱动工作机构完成所要求的各种动作 2 液压传动系统的组成1 能源装置 油源 将机械能转换为液压能的装置 如 液压泵 2 执行装置 将液压能转换为机械能的装置 如 液压缸 液压马达 3 控制装置 控制油液的压力 流量和流动方向的装置 如 换向阀 溢流阀 节流阀 4 辅助装置 起辅助作用的装置 除上述三部分之外的所有装置 如 油箱 滤油器 压力表 油管等 3 液压元件的图形符号 气压传动的工作原理1 电车和汽车开 关门气动回路 气压传动的工作原理为 把由电动机或其它原动机的机械能转换成有压气体的压力能 通过控制元件控制 输送给执行元件 再还原成机械能 机械能压力能机械能2 气动系统的组成1 气源系统作用 供给气动系统一定压力 一定流量 干净 干燥的压缩空气 元件 空气压缩机 后冷却器 油水分离器 储气罐 气动三大件 2 控制元件作用 控制压缩空气的流量 压力 方向 使执行元件完成我们所设计的规定运动规律 元件 压力阀 流量阀 方向阀 3 执行元件作用 把压力能转换成机械能 并对外做功 元件 气缸 气马达 4 辅助装置作用 起辅助作用 元件 管道 压力表 管接头 等等 三 液压与气压传动的优缺点1 液压传动的优缺点优点 1 能方便地实现无级调速 调速范围大 2 运动传递平稳 均匀 3 易于获得很大的力和力矩 4 单位功率的体积小 重量轻 结构紧凑 反映灵敏 5 易于实现自动化 6 易于实现过载保护 工作可靠 7 自动润滑 元件寿命长 8 液压元件易于实现通用化 标准化 系列化 便于设计制造和推广使用 缺点 1 由于液压传动的工作介质是液压油 所以无法避免会有泄漏 效率降低 污染环境 2 温度对液压系统的工作性能影响较大 3 传动效率低 4 空气的混入会引起工作不良 5 为了防止泄漏以及满足某些性能上的要求 液压元件的制造精度要求高 使成本增加 6 液压设备故障原因不易查找 2 气压传动的优缺点优点 1 气动装置结构简单 轻便 安装维护简单 压力等级低 故使用安全 2 工作介质是空气 取之不尽 用之不竭 又不花钱 排气处理简单 不污染环境 成本低 3 输出力及工作速度的调节非常容易 气缸工作速度一般为50 500mm s 比液压和电气方式的动作速度快 4 可靠性高 使用寿命长 电器元件的有效动作次约为数百万次 而较好的电磁阀的寿命大于3000万次 小型阀超过2亿次 5 利用空气的可压缩性 可储存能量 实现集中供气 可短时间释放能量 以获得间歇运动中的高速响应 可实现缓冲 对冲击负载和过负载有较强的适应能力 在一定条件下 可使气动装置有自保护能力 6 全气动控制具有防火 防爆 耐潮的能力 与液压方式比较 气动方式可在高温场合使用 7 由于空气流动压力损失小 压缩空气可集中供气 较远距离输送 缺点 1 由于空气具有压缩性 气缸的动作速度易受负载的变化影响 当然 采用气液联动方式可以克服这一缺陷 2 气缸在