液压与气压传动第二版第一章

1、液压与气压传动液压与气压传动刘锋物理与机电工程学院2第一章第一章 绪论绪论1.1 液压与气压传动的定义1.2 液压传动系统的工作原理及系统构成1.3 液压传动的图形符号1.4 液压传动的优缺点1.5 液压与气压传动的应用及其发展1.6 液压传动的工作介质1.7 工作介质的污染31.1 1.1 液压与气压传动定义液压与气压传动定义 一部完整的机器是由原动机、传动机构及控制部分、工作机（含辅助装置）组成。 1.1 液压传动定义4 （Hydraulics）是指在密闭容器内以液体为工作介质，借助液体的压力能，进行能量传递和控制的一种传动形式 ？ 到底什么是到底什么是呢呢？ 1.1 液压传动定义5 12

2、34A15A21.1 液压传动定义简化模型简化模型F力达到一定值，能阻止重物W下降活塞1在F作用下向下运动，重物上升）3.能量转换能量转换6为了能提升重物W，必须在活塞1上施加主动力F1,这时，重物W就是工作的负载。1.如果活塞活塞5 5上作用的上作用的W W为为0 02. 如果工作负载为工作负载为W W3. 如果缸缸4 4和活塞和活塞5 5被一容器取代被一容器取代1234A15A2 （一）压力取决于什么（一）压力取决于什么？ 1.1 液压传动定义71.如果活塞活塞5 5上作用的上作用的W W为为0 0活塞活塞5 5上作用的上作用的W W为为0 0 在不计活塞磨擦力和活塞自重的情况下，此时系统

3、的液压力回是多少呢？ 很明显在活塞5下的压力 这时活塞1下的压力 022AWP021 PP1234A15A21.1 液压传动定义82.如果工作负载为工作负载为W W1234A15A21.1 液压传动定义重要结论：重要结论：压力取决于负载压力取决于负载（F足够大时）足够大时）912A1A2341.1 液压传动定义 在活塞1上施加F1的力后，如果容器4、管路3、缸2及活塞1有足够的强度，就可以认为工作负载是无穷大的，那么，系统中的液体压力将为： 根据，该压力P1将在这个封闭的液体间等值传递，管道3和容器4内各点都将产生大小和P1相等的液体压力。111AFP 3. 若缸4和活塞5被一容器取代10Qv

4、2缸2A1A234h1h21 （二）运动速度取决于什么（二）运动速度取决于什么？ 由于不存在泄露及忽略液体的可压缩性，所以在t时间里从液压缸2中挤出的液体体积 ，将等于通过管道3挤入液压缸4的体积 。即：两边同除：则thAthA2211111hAV 222hAV 2211hAhA右图，不考虑泄露及液体的可压缩性。可知：活塞1向下移动h1,通过液体的能量传输，将使活塞5上升一段 距 离 h 2 ， 很 显 然h1h2。1.1 液压传动定义11重要概念：重要概念：流量流量Q(Flow)。 单位时间内从液压缸2中排出的液体体积或挤入液压缸4的体积称为流量Q(Flow)。那么，上式（ ）实质上就是说排

5、出液压缸2的流量等于挤入液压缸4的流量。thAthA2211由上式可得负载的运动速度 。则：活塞5的运动速度只取决于缸4的流量。即：在液压系统中执行机构的速度只在液压系统中执行机构的速度只取决于流量取决于流量。22AQv重要结论：运动速度取决于流量重要结论：运动速度取决于流量1.1 液压传动定义12能量的表示方法能量的表示方法由于 （帕斯卡原理）及活塞1的输入功率：活塞5的输入功率：211AWAF2211vAvApQAQpAvFN11111pQAQpAvFN22222v22A1A234h1h21（三）（三）能量转换能量转换液压系统中，功率表达式N N= =pQpQ，压力压力p p和流量流量Q

6、Q是液压传动中最基本也是最重要的参数。由于N N1 1=N=N2 2=pQ=pQ（不考虑任何损失），因此液压系统中的能能量传输和转换是守恒的量传输和转换是守恒的，满足能量守恒定律。1.1 液压传动定义131.1 液压传动定义 能量：机械能液压能机械能，何必多此一举呢？ 几乎所有的机械或机器都需要传动机构。这因为原动机一般很难直接满足执行机构在速度、力、转矩或运动方式等方面的要求，必须通过中必须通过中间环节间环节传动装置传动装置进行调节控制。液压传动就是这种调节控制方式中的一种。141.2 1.2 1.2 15实例1：液压千斤顶1.2 161.2 17油缸油缸（执行元（执行元件）件）手动油手动油

7、泵泵（油源）（油源） 液压千斤顶的系统中，小缸、小活塞以及单向阀4和7组合在一起，就可以不断从油箱中吸油和将油压入大缸，这个组合体的作用是向系统中提供一定量的压力油液，称为。 大活塞和缸用于带动负载，使之获得所需运动及输出力，称为。 放油阀门11的启闭决定执行元件是否向下运动，是一个。 另外，要进行动力传输必须借助液压。1.2 18实例实例2 2：1920 （a）活塞右移动 阀15阀芯右位进油进油:油箱1-滤油器2-液压泵3-油管7-开停阀8-节流阀11-换向阀13-液压缸16左腔-推动活塞15向右。 回油回油:液压缸16右腔-换向阀13-油管12-油箱。1.2 21 （b）活塞左移 阀15阀

8、芯左位进油进油: 油箱1-滤油器2-液压泵3-油管7-开停阀8-节流阀11-换向阀13-液压缸16右腔-推动活塞15向左 回油回油:液压缸16左腔-换向阀13-油管12油箱。1.2 22 （c）系统保压 阀1515阀芯中位(c):(c): 油箱1-1-滤油器2-2-液压泵3-3-溢流阀5-5-油管6-6-油箱 （d d）系统卸荷 开停阀9 9阀芯左位: : 油箱1-1-滤油器2-2-液压泵3-3-开停阀8-8-回油管10-10-油箱1.2 23 二、二、液压系统的工作原理液压系统的工作原理：1. 液压传动是以液体作为工作介质液体作为工作介质来传递动力的。2.液压传动是以液体在密封容腔密封容腔（

9、泵的出口到液压缸）内所形成的压力能压力能来传递动力和运动的。3.液压传动中的工作介质是在受控制、受调受控制、受调节节的状态下进行工作的。4.液压系统的工作压力取决于负载工作压力取决于负载。1.2 24 三、液压传动系统中能量转换和传递情况：三、液压传动系统中能量转换和传递情况： 能量转换图1.2 25四、液压传动系统的组成四、液压传动系统的组成 从千斤顶和磨床的液压系统组成 和工作原理可以看出，液压系统一般有以下几个部分组成：动力元件动力元件传动介质传动介质控制元件控制元件辅助元件辅助元件执行元件执行元件1.2 261. 液压动力元件液压动力元件。液压动力元件指液压泵液压泵，它是将动力装置的机

10、械能转换成为液压能将动力装置的机械能转换成为液压能的装置，其作用是为液压传动系统提供压力油，是液压传动系统的动力源。2. 液压执行元件液压执行元件。液压执行元件指液压缸液压缸或液压马达液压马达，它是将液压能转换为机械能液压能转换为机械能的装置，其作用是在压力油的推动下输出力和速度或转矩和转速，以驱动工作装置作功。1.2 273. 液压控制调节元件液压控制调节元件。它包括各种液压阀类阀类元件，其作用是用来控制液压传动系统中油液的流动方流动方向、压力和流量向、压力和流量，以保证液压执行元件和工作装置完成指定工作。4. 液压辅助元件液压辅助元件。液压辅助元件如油箱、油管、滤油箱、油管、滤油器油器等，

11、它们对保证液压传动系统正常工作有着重要的作用。5. 液压工作介质液压工作介质。工作介质指传动液体，通常被称为液压油或液压液。1.2 281.1.3 3 液压传动系统的图形符号液压传动系统的图形符号半结构式图形原理图的优缺点。图形符号原理图的应用特点。1.3 29 上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，如图右所示。 910876532141.3 30 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

12、置或初始位置的工作状态，不反映其过渡过程。 91 087653214液压缸液压缸液压泵液压泵节流阀节流阀换向阀换向阀油箱油箱溢流阀溢流阀1.3 31191817161415139112143657810121615911图 磨床工作台液压传动系统工作原理91087653214 图 用图形符号表示的磨床工作台液压系统 液压缸液压缸液压缸液压缸换向阀换向阀换向阀换向阀节流阀节流阀节流阀节流阀液压泵液压泵液压泵液压泵溢流阀溢流阀溢流阀溢流阀油箱油箱油箱油箱1.3 32一、液压传动系统的主要优点一、液压传动系统的主要优点 1.在同等功率情况下，液压执行元件体积小、结构紧凑。 2.液压传动的各元件，可根

13、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；1.4 1.4 液压传动的优缺点液压传动的优缺点 1.4 33 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。 1.4 34二、液压传动

14、系统的主要缺点二、液压传动系统的主要缺点 1.4 351.5 1.5 液压与气压传动的应用及其发展一、液压与气压传动的现状一、液压与气压传动的现状 液压传动有许多突出的特点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂用的涡轮机调速装置、核发电厂等；船舶用的甲板起重机械（绞车）、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、舰船减摇装置、

15、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。 1.5 液压与气压传动的应用及其发展36 气压传动的应用也相当普遍，许多机器设备中都装有气压传动系统，在工业各领域，如机械、电子、钢铁、运行车辆及制造、橡胶、纺织、化工、食品、包装、印刷和烟草等，气压传动技术不但已成为其基本组成部分。在尖端技术领域如核工业和宇航中，气压传动技术也占据着重要的地位。 1.5 液压与气压传动的应用及其发展371.5 液压与气压传动的应用及其发展381.5 液压与气压传动的应用及其发展391.5 液压与气压传动的应用及其发展401.5 液压与气压传动的应用及其发展411.5 液压与气压传动的应用及其发展421.5

16、 液压与气压传动的应用及其发展431.5 液压与气压传动的应用及其发展441.5 液压与气压传动的应用及其发展451.5 液压与气压传动的应用及其发展46二、液压传动的发展二、液压传动的发展液压发展趋势： 1）向高压、高速、大功率、高效、低噪声、经久耐用、高度集成化等方向发展； 2）与计算机科学相结合；3）与其他相关科学结合，如污染控制技术、可靠性技术等方面也是当前液压技术发展和研究的方向。1.5 液压与气压传动的应用及其发展47一、液压工作介质的性质一、液压工作介质的性质 1.密度： 单位体积内的液体质量称为密度。 矿物油型液压油在15 时的密度为900kg/m3左右，在实际使用中可认为它们

17、不受温度和压力的影响。 1.6 1.6 液压传动的工作介质液压传动的工作介质1.6 液压传动的工作介质48 2.可压缩性：液体受压力的作用而使体积发生变化的性质称为液体的可压缩性。 体积为V的液体，当压力变化量为p时，体积的绝对变化量为V，液体在单位压力变化下的体积相对变化量为： 式中， 被称为液体的体积压缩系数。 1pVV 体积弹性模量：液体体积压缩系数的倒数，简称体积模量，用K表示。即： KVVp 11.6 液压传动的工作介质49 3 .粘性及其表示方法 1.6 液压传动的工作介质50牛顿内摩擦定律 1.6 液压传动的工作介质51 液体粘性的大小用粘度来表示。常用的液体粘度表示方法有三种，

18、即动力粘度、运动粘度和相对粘度。 （a）动力粘度 动力粘度又称为绝对粘度 (1.6) 液体动力粘度的物理意义是：液体在单位速度梯度下流动或有流动趋势时，相接触的液层间单位面积上产生的内摩擦力。动力粘度的法定计量单位为Pas （1Pas=1Ns/m），以前沿用的单位为P（泊，dynes/cm），它们之间的关系是，1 Pas = 10 P。fFduAdy1.6 液压传动的工作介质52 （b）运动粘度 液体的动力粘度 与其密度 的比值被称为液体的运动粘度，即： (1.7) 液体的运动粘度没有明确的物理意义，但它在工程实际中经常用到。因为它的单位只有长度和时间的量纲，类似于运动学的量，所以被称为运动粘

19、度。它的法定计量单位为m /s，以前沿用的单位为St（斯），它们之间的关系是： 1 m /s = 10St = 10cSt（厘斯） 我国液压油的牌号就是用它在温度为40时的运动粘度（厘斯）平均值来表示的。例如32号液压油，就是指这种油在40时的运动粘度平均值为32 mm /s。1.6 液压传动的工作介质22253 （c）相对粘度 动力粘度和运动粘度是理论分析和计算时经常使用到的粘度，但它们都难以直接测量。因此，在工程上常常使用相对粘度。 相对粘度又称为条件粘度，它是采用特定的粘度计在规定的条件下测量出来的粘度。用相对粘度计测量出它的相对粘度后，再根据相应的关系式换算出运动粘度或动力粘度，以便于

20、使用。中国、德国、前苏联等采用恩氏度E，美国、英国等用通用赛氏秒SSU，英国、美国还用商用雷氏秒R1S，法国等用巴氏度B等等。 1.6 液压传动的工作介质54 用恩氏粘度计测定液压油的恩氏粘度：把200 mL温度为t 的被测液体装入恩氏粘度计的容器内，测出液体经容器底部直径为2.8 mm的小孔流尽所需时间t1(s)，并将它和同体积的蒸馏水在20 时流过同一小孔所需时间t2(s)（通常t2=51 s）相比，其比值即是被测液体在温度t 下的恩氏粘度，即E=t1/t2。一般以20 、40 及100 作为测定液体恩氏粘度的标准温度，由此而得到被测液体的恩氏粘度分别用E20、E40和E100来标记。 恩

21、氏粘度与运动粘度之间的换算关系式为： (1.8) 式中， 的单位为m /s。 731631106.EE1.6 液压传动的工作介质255二、对液压工作介质的要求二、对液压工作介质的要求 不同的液压传动系统、不同的使用条件对液压工作介质的要求也不相同，为了更好地传递动力和运动，液压传动系统所使用的工作介质（液压油液）应具备以下的基本性能： 1.合适的粘度，润滑性能好，并具有较好的粘温特性； 2.质地纯净、杂质少，并对金属和密封件有良好的相容性； 3. 对热、氧化有良好的稳定性； 4. 抗泡沫性、抗乳化性和防锈性好，腐蚀性小； 5. 体积膨胀系数小，比热容大，流动点和凝固点低，闪点和燃点高； 6.

22、对人体无害，对环境污染小，成本低，价格便宜。1.6 液压传动的工作介质56三、液压工作介质的种类三、液压工作介质的种类 在液压传动系统中所使用的工作介质大多数是石油基液压油，但也有合成液体、水包油乳化液（也称为高水基）和油包水乳化液等。(短片) 1.6 液压传动的工作介质57工作介质石油基液压油无添加剂的石油基液压液（L-HH）HH + 抗氧化剂、防锈剂（L-HL）HL + 抗磨剂（L-HM）HL + 增粘剂（L-HR）HM + 增粘剂（L-HV）HM + 防爬剂（L-HG）难燃液压液含水液压液高含水液压液（L-HFA）水包油乳化液（L-HFAE）水的化学溶液（L-HFAS）油包水乳化液（L-

23、HFB）水乙二醇（L-HFC）合成液压液磷酸酯液（L-HFDR）氯化烃（L-HFDS）HFDR+HFDS（L-HFDT）其它合成液压液（L-HFDU）1.6 液压传动的工作介质581.6 液压传动的工作介质59四、四、液压工作介质的选择液压工作介质的选择 首先应根据液压传动系统的工作环境和工作条件来选择合适的液压油液类型，然后再选择液压油液的粘度。 （1）选择液压油液类型 在选择液压油液类型时，首选的是专用液压油。最主要的是考虑液压传动系统的工作环境和工作条件。1.6 液压传动的工作介质 （2）选择液压油液的粘度 液压油液的类型选定后，再选择液压油的粘度，即牌号。粘度太大，液流的压力损失和发热

24、大，使系统的效率降低；粘度太小，泄漏增大，也会使液压系统的效率降低。因此，应选择使系统能正常、高效和可靠工作的油液粘度。60五、气压工作介质 气压工作介质主要是指压缩空气。空气是由若干种气体混合组成的，主要有氮气（N2）、氧气（O2）及少量的氩气（Ar）和二氧化碳（CO2）等。此外，空气中常含有一定量的水蒸汽。把不含有水蒸汽的空气称为干空气，把含有水蒸汽的空气称为湿空气。 氮和氧是空气中含量比例最大的两种气体，它们的体积比近似于4 1，因为氮气是惰性气体，具有稳定性，不会自燃，所以用空气作为工作介质可以用在易燃、易爆场所。 1.6 液压传动的工作介质611.7 1.7 工作介质的污染及控制工作介质的污染及控制一、工作介质污染的原因 液压油液被污染的原因很复杂，但大体上有以下三个方面： 1. 残留物的污染 主要指液压元件以及管道、油箱