电大液压气动理论实操培训材料

液压与气动技术基础及实操应用——电大培训专用前言液压与气动技术作为现代工业自动化的重要组成部分，凭借其功率密度大、传动平稳、响应迅速、易于实现过载保护及远程控制等显著特点，被广泛应用于机械制造、工程机械、航空航天、冶金、轻工、船舶等诸多领域。掌握液压与气动技术的基本理论、核心元件工作原理、典型回路构成以及实际操作与维护技能，对于提升工程技术人员的专业素养和解决实际工程问题的能力具有至关重要的意义。本培训材料旨在结合理论知识与实操技能，为电大学员提供一套系统、实用且严谨的学习资料。内容编排上，力求由浅入深、循序渐进，既有对基础概念的清晰阐释，也有对核心技术的深入剖析，并融入了丰富的实操指导。希望通过本材料的学习，学员能够扎实掌握液压与气动技术的精髓，为未来的职业发展奠定坚实基础。---第一章液压传动基础理论1.1液压传动的定义与工作原理液压传动是以液体（通常为矿物油）作为工作介质，利用液体的压力能来传递动力和运动的一种传动方式。其基本工作原理基于帕斯卡定律：在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传递到液体各点。这一原理构成了液压传动的基石。一个典型的液压系统工作时，动力元件（如液压泵）将原动机的机械能转换为液体的压力能；压力油通过控制元件（如各种阀）被引导至执行元件（如液压缸或液压马达）；执行元件再将液体的压力能转换为机械能，驱动负载实现直线或旋转运动；最后，工作介质通过回油管路流回油箱，完成一个工作循环。1.2液压传动系统的组成液压传动系统主要由以下五个部分组成：2.执行元件（Actuator）：其作用是将液体的压力能转换为机械能，以驱动工作机构。如液压缸（实现直线运动）、液压马达（实现旋转运动）。5.工作介质（HydraulicFluid）：即液压油或其他液体，它是液压系统中传递能量的载体，同时还起到润滑、冷却和防锈的作用。1.3液压油的性能与选用液压油是液压系统的“血液”，其性能直接影响系统的工作性能、效率和寿命。液压油应具备以下主要性能：*适当的粘度和良好的粘温特性：粘度是液压油最重要的性能参数，它影响系统的泄漏、压力损失和功率消耗。粘温特性好意味着油液粘度随温度变化小。*良好的润滑性：减少元件内部的摩擦和磨损。*良好的抗氧化性和抗剪切安定性：延长使用寿命，防止粘度下降。*良好的抗乳化性和抗泡沫性：避免油液中混入水分和空气，影响系统正常工作。*腐蚀性小、防锈性好：保护系统金属元件。选用液压油时，应根据液压系统的工作压力、温度、元件类型（特别是泵的类型）以及工作环境等因素综合考虑，参考设备制造商的推荐进行选择。1.4液压传动的基本参数*压力（Pressure）：液体在单位面积上所受的法向力称为压力，用符号p表示。在液压传动中，压力通常指相对压力（表压力）。压力的形成是由于液体受到负载的阻碍而产生的。计算公式为：p=F/A，其中F为负载力，A为承压面积。*流量（FlowRate）：单位时间内流过某一过流断面的液体体积称为流量，用符号q表示。流量决定了执行元件的运动速度。*功率（Power）：液压功率等于压力与流量的乘积，即P=pq。它反映了液压系统传递能量的能力。*速度（Velocity）：对于液压缸，其运动速度v等于输入流量q与活塞有效作用面积A之比，即v=q/A。对于液压马达，其转速n与输入流量q和排量V有关，n=q/V。1.5液压传动的优缺点优点：1.功率密度大，结构紧凑，重量轻。2.传动平稳，反应速度快，冲击小，能实现无级调速。3.操作控制方便、省力，易于实现自动化控制和过载保护。4.易于实现直线运动和旋转运动，且输出力（或力矩）大。5.元件标准化、系列化程度高，便于设计、制造和维修。缺点：1.由于油液的压缩性和泄漏，传动精度相对较低。2.能量损失较大（压力损失、容积损失、机械损失），传动效率不高，且不宜作远距离传动。3.对油液的污染比较敏感，系统维护要求较高。4.液压元件的制造精度要求高，成本较高。5.油液的粘度受温度影响，系统性能随温度变化。6.存在火灾隐患，且油液泄漏可能污染环境。---第二章液压元件2.1液压泵液压泵是液压系统的动力源，其功能是将原动机输入的机械能转换为液体的压力能。*工作原理：依靠泵内密闭工作容积的周期性变化来实现吸油和压油。必须具备以下条件：具有周期性变化的密闭工作容积；具有配流装置以保证吸、压油过程的顺利进行；油箱必须与大气相通（或为压力油箱）。*主要性能参数：排量（V）、流量（理论流量、实际流量）、容积效率、机械效率、总效率、工作压力等。*常见类型：按结构形式可分为齿轮泵、叶片泵（单作用、双作用）、柱塞泵（轴向、径向）等。各类泵的结构特点、性能和应用场合有所不同。例如，齿轮泵结构简单、成本低、抗污染能力强，但压力不高、流量脉动较大；叶片泵流量均匀、噪声低、压力中等，常用于中低压系统；柱塞泵压力高、效率高、流量调节方便，但结构复杂、成本高、对油液污染敏感。2.2液压执行元件液压执行元件将液体的压力能转换为机械能，驱动工作机构运动。*液压缸（HydraulicCylinder）：实现直线往复运动。按结构形式可分为活塞缸（双作用、单作用）、柱塞缸、摆动缸等。双作用活塞缸应用最广，它可在两个方向上输出力和速度。其主要组成部分有缸筒、活塞、活塞杆、缸盖、密封件等。*液压马达（HydraulicMotor）：实现连续旋转运动。按结构形式也可分为齿轮式、叶片式、柱塞式等。与液压泵在结构上基本相似，但功能相反。其主要性能参数有排量、转速、转矩、效率等。2.3液压控制元件液压控制元件（简称液压阀）用于控制液压系统中液体的压力、流量和方向，以满足执行元件的工作要求。*方向控制阀：用于控制液压系统中油液的流动方向和接通或断开油路。主要有单向阀（普通单向阀、液控单向阀）和换向阀。换向阀的核心是阀芯在阀体内的相对运动，改变油口的连通关系。其主要性能参数包括中位机能、额定流量、额定压力等。*压力控制阀：用于控制或调节液压系统中的压力。主要有溢流阀（维持系统压力基本恒定、过载保护、卸荷）、减压阀（降低系统某一支路的压力并保持稳定）、顺序阀（利用油液压力控制油路的通断，实现动作顺序控制）、压力继电器（将压力信号转换为电信号）等。*流量控制阀：用于控制通过阀口的流量，从而调节执行元件的运动速度。主要有节流阀、调速阀（由节流阀和定差减压阀串联而成，能在负载变化时保持流量稳定）等。节流调速的原理是通过改变节流口的通流面积来改变流量。2.4液压辅助元件辅助元件是液压系统不可或缺的组成部分，对系统的正常工作、效率、寿命及成本都有重要影响。*油箱：用于储存油液、散热、沉淀杂质、逸出空气。*过滤器：用于清除油液中的固体颗粒等杂质，保护液压元件。按过滤精度可分为粗过滤器、普通过滤器、精过滤器和特精过滤器。*油管和管接头：用于连接液压元件，输送液压油。油管有硬管（钢管、铜管）和软管（橡胶软管、塑料软管）。管接头的种类繁多，需根据油管类型、工作压力和连接方式选择。*蓄能器：用于储存和释放压力能，可吸收压力脉动、缓和冲击、应急供油或保压。*压力表及压力表开关：用于测量系统压力。*密封件：防止油液泄漏和外界空气、灰尘侵入。是保证液压系统正常压力和效率的关键元件，常用的有O形圈、Y形圈、V形圈等。*冷却器与加热器：当系统油温过高时用冷却器降温，油温过低时用加热器升温，以保证油液粘度在合适范围内。---第三章液压基本回路液压基本回路是由若干液压元件组成，用来完成特定功能的典型油路结构。熟悉和掌握基本回路是分析和设计复杂液压系统的基础。3.1方向控制回路方向控制回路用于控制执行元件的启动、停止以及运动方向的改变。*换向回路：利用换向阀实现执行元件的换向。如采用二位四通、三位四通换向阀等。*锁紧回路：使执行元件在任意位置停止并防止其因外力作用而移动。常用的有采用O型或M型中位机能的换向阀锁紧，以及采用液控单向阀（液压锁）的锁紧（锁紧效果更好）。3.2压力控制回路压力控制回路用于控制液压系统整体或某一部分的压力，以满足执行元件对力或力矩的要求。*调压回路：通常采用溢流阀来调定系统的最高工作压力，保证系统压力稳定并防止过载。*减压回路：当系统某一支路需要较低压力时，可采用减压阀来实现。*增压回路：当系统局部需要较高压力，而流量较小时，可采用增压缸或增压器组成增压回路，以提高局部压力。*卸荷回路：当液压系统停止工作或执行元件停止运动时，使液压泵输出的油液以很低的压力流回油箱，以减少功率损耗、降低油温、延长泵的寿命。常用的有采用M型、H型、K型中位机能的换向阀卸荷，或采用溢流阀的远程控制卸荷。*保压回路：在执行元件停止工作时，使系统压力保持在一定范围内。可采用蓄能器保压、液控单向阀保压或压力继电器与溢流阀配合保压等方式。3.3速度控制回路速度控制回路用于调节执行元件的运动速度。*节流调速回路：通过改变节流阀的通流面积来调节进入执行元件的流量，从而实现调速。根据节流阀安装位置的不同，可分为进油节流调速、回油节流调速和旁路节流调速回路。节流调速回路结构简单，但能量损失较大，效率低，适用于小功率系统。*容积调速回路：通过改变液压泵或液压马达的排量来实现调速。其特点是没有节流损失和溢流损失，效率高，发热少，适用于大功率系统。常见的有变量泵-定量马达（或液压缸）调速回路、定量泵-变量马达调速回路、变量泵-变量马达调速回路。*容积节流调速回路：由变量泵和流量控制阀组合而成，兼具容积调速和节流调速的优点，效率较高，速度稳定性较好。如限压式变量泵和调速阀组成的调速回路。3.4多执行元件控制回路当系统中有多个执行元件时，需要解决它们之间的动作协调问题。*顺序动作回路：使多个执行元件按预定顺序依次动作。可采用压力控制（顺序阀、压力继电器）或行程控制（行程开关、行程阀）的方式实现。*同步回路：使两个或多个执行元件在运动过程中保持相同的位移或速度。如采用机械连接、等量分流（集流）阀、同步缸、电液比例控制等方法。*互不干扰回路：在一个液压系统中，当一个执行元件动作时，不影响其他执行元件的正常工作压力和速度。---第四章气动传动基础理论与元件4.1气动传动概述气动传动是以压缩空气为工作介质，传递动力和控制信号的工程技术。它与液压传动同属流体传动范畴，但工作介质和特性有显著区别。*工作原理：与液压传动类似，也是利用工作介质的压力能来传递动力。由气源装置产生压缩空气，经净化处理后，通过控制元件控制其压力、流量和方向，驱动执行元件实现各种动作。*特点：空气取之不尽、用之不竭，成本低廉，排气处理简单，对环境无污染；工作压力较低（一般为0.4~0.8MPa），故元件结构简单、成本低、重量轻；空气粘度小，流动阻力小，便于集中供气和远距离输送；响应速度快，动作迅速；维护简单，使用安全，不易发生火灾和爆炸事故。但由于空气的可压缩性大，气动系统的运动平稳性和速度控制精度较差；输出力和功率相对较小；排气噪声较大。4.2空气的物理性质与气体状态方程*空气的组成：自然界的空气是混合物，主要成分是氮气和氧气，还含有少量水蒸气、二氧化碳及尘埃等。*压缩性：气体具有显著的可压缩性，这是气动传动与液压传动的主要区别之一，也是影响气动系统动态性能的重要因素。*湿度：空气中含有水蒸气。压缩空气冷却时，水蒸气会凝结成水滴，这对气动元件和系统有害，因此需要进行干燥处理。*气体状态方程：描述气体的压力（p）、体积（V）和温度（T）之间的关系。理想气体状态方程为：pV=mRT（m为气体质量，R为气体常数）。在等温过程（T为常数）中，p1V1=p2V2；在等熵过程（绝热过程，无热量交换）中，p1V1^k=p2V2^k（k为绝热指数，空气k≈1.4）。4.3气源装置及辅助处理元件气源装置是为气动系统提供符合要求的压缩空气。*后处理设备：用于净化和处理压缩空气，使其达到气动系统的使用要求。主要包括：*冷却器：冷却压缩空气，分离其中的水分和油分。*油水分离器/过滤器：进一步分离和过滤压缩空气中的油滴、水滴和固体杂质。*干燥器：降低压缩空气中的含水量，常用的有冷冻式干燥器和吸附式干燥器。*储气罐：储存压缩空气，稳定压力，消除压力脉动，减少空压机的频繁启动。*气动三联件（FRLUnit）：通常指空气过滤器（Filter）、减压阀（Regulator）和油雾器（Lubricator）的组合，是气动系统中为气动元件提供清洁、稳压、润滑气源的常用辅助装置。4.4气动执行元件气动执行元件将压缩空气的压力能转换为机械能。*气缸（PneumaticCylinder）：实现直线往复运动或摆动。*直线气缸：包括单作用气缸（仅一个方向由气压驱动，回程靠弹簧或自重）、双作用气缸