液压传动-动力传动与机器-液压与气压传动-常同立

液压传动、动力传动与机器普通大学本科产教融合教材液压与气压传动——面向AI时代的原始创新液压设计师培育常同立今天我们聊聊液压技术，液压技术经常指液压传动。通俗地讲，液压传动是用液压方式传动动力。

机器的动力传动什么是“动力”？动力

即

功率

一、机器构成

任何机器的结构都可以这样概括

1.1液压传动、气压传动与动力传动二、动力传动分类

动力传动的主要形式1、机械传动

汽车的机械传动诸位想想，你见到过这样的汽车吗？2、液压传动

汽车的液压传动3、液力传动

汽车的液力传动+机械传动4、电力传动

汽车的电力传动

三、液压传动与液压技术

液压传动技术仅仅是液压技术的一部分，液压技术之中还包括液压比例控制技术和液压伺服控制技术

1.2液压传动工作原理及系统组成液压传动系统的初步印象——工作原理及系统组成机床工作台液压传动系统一、原理与组成一个完整的液压系统通常包含五个主要部分：（1）液压动力元件。供给液压系统有压油液。（2）液压执行元件。把液压能转换成机械能的装置。（3）液压控制元件。是对系统中的压力、流量或流动方向进行控制或调节的装置。（4）液压辅助元件。上述三种液压元件之外的其他装置。（5）液压工作介质。传递能量的流体，即液压油等。液压传动系统可能是千差万别的，功能也可能是各异的，但是液压系统的构成元件都可以按照上述方式分类。二、图形符号对于这些图形符号有以下几条基本规定。（1）多数符号表示特定功能的元件或装置；部分符号表示功能或操作方法。一般不代表示元件的实际结构，仅表达连接系统的通路（油口）关系。（2）元件符号表示的是元件未受激励的状态（非工作状态）。（3）元件符号应有全部油口、气口、电气接口及其连接口标识。（4）如果一个符号用于表示具有两个或更多主要功能的流体传动元件，并且这些功能之间相互联系，则这个符号应由实线外框包围标出。（5）当两个或更多元件集成为一个元件时，它们的符号应该由点划线包围标出。1.3液压传动系统定量分析与数学建模液压千斤顶

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一个简单的案例为什么就可以举升重物，或液压千斤顶如何工作？定性分析即“定性研究”，是根据社会现象或事物所具有的属性和在运动中的矛盾变化，从事物的内在规律性以研究事物的一种方法。

定性分析的特点：目的是对潜在的理由和动机求得一个定性的理解；样本由代表性的个案组成；数据的收集是无结构的；以非统计的方法进行数据分析。科学研究有两个不同的层次——定性研究与定量研究。1、没有或缺乏数量分析的纯定性研究，定性研究的结论往往具有概括性和较浓的思辨色彩；2、建立在定量分析的基础上的定量研究是更细致入微、更高层次的认知探索。

研究对象：系统处于泵缸驱动主缸举升运动过程中，参见下图。可以理解为：系统处于稳态，举升运动是匀速直线运动或处于力平衡的静止状态。基本假设为了简化分析，作如下假设：（1）连接管路短，管径大，可以忽略管路阻力；（2）工作过程中，压力和流量变化平缓，接近静止；（3）忽略重力对液体的势能；（4）活塞和液压阀无泄漏，且无摩擦力；（5）系统处于泵缸驱动主缸举升运动过程中，参见上图。可以理解为：系统处于稳态，举升运动是匀速直线运动或处于力平衡的静止状态。数学模型建立1、从液压执行元件看负荷（负载力）作用在液压执行元件的活塞上，因此主缸内产生了压力（物理上的压强），写成负载压力数学公式

液体不可压缩，主缸活塞运动是由充入主缸的流量产生的，写成速度数学公式液体不可压缩，主缸活塞运动是由充入主缸的流量产生的，写成速度数学公式2、从液压动力元件看手动操作手柄，在泵缸活塞上产生运动，泵缸的容腔减少，将工作液挤出泵缸，写成流量数学公式手操作手柄运动过程中，可以感受到泵缸活塞有力作用在手上，泵缸活塞输出作用力写成负载力数学公式

3、液压传动系统看从流量关系看，依据质量守恒定律：单位时间泵缸排出工作液体积等于充入主缸的工作液体积，写成流量关系数学公式从压力关系看，依据帕斯卡定律：作用在密闭液体上的压力（物理学上的压强）大小相等，写成压力关系数学公式从能量关系看，符合能量守恒定律，泵缸输入功率等于主缸输出功率，写成能量关系数学公式数学建模小结

所谓液压传动系统的数学模型主要包括如下三类模型：液压执行元件模型：负载压力数学公式；速度数学公式。液压动力元件模型：流量数学公式；负载力数学公式。液压传动系统模型：流量关系数学公式；压力关系数学公式；能量关系数学公式。千斤顶液压系统分析案例展示了液压传动系统定量分析与数学建模方法。是液压传动系统手工定量分析与仿真建模的一种通用方法，具有广泛的适用性。两个液压传动基本观念——定性认知升华液压传动基本观念——理解液压传动技术的钥匙主缸是液压传动系统的执行元件。从液压执行元件入手——理解液压传动的基本观念的视角。从液压执行元件看：负荷（负载力）作用在液压执行元件的活塞上，因此主缸内产生了压力（物理上的压强），写成数学公式从数学关系看，液压执行元件的工作压力与负荷速度没有关系。据此建立一项理解液压传动系统的基本观念——压力观念，简记为：负荷决定压力，压力与速度无关。

从液压执行元件看：液体不可压缩，主缸活塞运动是由充入主缸的流量产生的，写成数学公式从数学关系看，液压执行元件的活塞速度与工作压力没有关系。据此建立一项理解液压传动系统的基本观念——流量观念，简记为：流量决定速度，速度与压力无关。

上述两条基本观念描述了液压传动系统参数间的因果关系，体现了容积驱动的特性。

小

结液压传动系统经常是复杂的，理解液压传动系统的关键是同时具备两条基本观念：负荷决定压力，压力与速度无关；流量决定速度，速度与压力无关。它们描述了液压传动系统中参数之间的因果律。

离开了这两条基本观念，液压系统分析与设计将会是一头雾水。仿真模型建立时也需要清楚这两条基本观念。千斤顶液压系统分析案例展示了液压传动系统定量分析与数学建模方法。是液压传动系统手工定量分析与仿真建模的一种通用方法，具有广泛的适用性。

1.4液压与气压等动力传动的特点液压传动的特点液压传动之所以能得到广泛的应用，是由于它具有以下的主要优点：（1）液压元件输出功率与体积比大和输出力大。单位重量或单位体积液压元件的输出功率大。相同体积或重量，液压执行元件输出更大力或力矩。相同功率液压马达的体积为电动机的12%～13%。（2）调速范围大，方便实现无级调速。液压传动调速范围宽，调速范围可达2000:1。可以实现速度、扭矩、功率的无级调节。动作响应性快，能迅速换向和变速。

（3）较大的传动系统刚度。与气压传动和电气传动相比，具有更高的传动系统刚度。特别是低速运动情况下的系统刚度。与某些机械传动（如带传动和链传动等）相比，液压传动系统刚度也很大。（4）传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定。因此，金属切削机床中的磨床传动几乎都采用液压传动。（5）设备安全性好。液压装置易实现过载保护与保压，安全性好。（6）寿命长，工作可靠。液压元件具有自润滑性和自冷却功能，从而寿命长。滤清器可以实时清理液压系统，保障工作可靠。（7）规范化、系列化和通用化。液压元件已实现了标准化、规范化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广使用。（8）结构设计方便，布局灵活。由于液压传动是油管连接，所以借助油管的连接可以方便灵活地布置传动机构，这是比机械传动更加优越的地方。（9）液压传动具有很强的可塑性和柔性。液压技术的可塑性和可变性很强，可以增加生产制造的柔度，易于对现有液压传动系统进行改变和调整。（10）便于实现数字化，便于构造信息实物系统（CPS）。液压传动借助于各种电信号控制阀可以构成机电液光一体化系统，易与计算机控制等新技术相结合，实现复杂的自动工作循环，而且可以实现遥控或跨物联网控制。液压传动的主要缺点概括如下：（1）液压传动不能得到严格的传动比。液压传动因有相对运动表面不可避免地存在泄漏，同时油液不是绝对不可压缩的，加上油管等弹性变形等因素，影响液压传动的传动比的准确性和正确性。（2）液压传动对油温的变化比较敏感，高温和低温条件下应用液压传动有一定的困难。温度变化时，液体粘性变化，引起运动特性的变化，使得工作的稳定性受到影响，所以它不宜在温度变化很大的环境条件下工作。极端高温或低温下，液压传动系统可能无法正常工作。（3）液压元件制造精度高，元件价格高。为了减少泄漏，以及为了满足某些性能上的要求，液压元件的配合件制造精度要求较高，加工工艺较复杂，因而液压元件价格高。也为使用与维修保养带来一定困难。（4）不适于远距离传输。液压工作液具有粘性，因此远距离传输损失大，不适合长距离传输。（5）液压系统故障的检查和排除都不容易。发生故障不易检查，特别是用户对液压技术不太熟悉时，这一矛盾往往阻碍着液压技术的进一步推广应用。液压设备维修需要有一定的经验，培训液压技术人员的时间较长。（6）抗工作液污染能力差。超过80%的液压系统故障与工作液污染有关。与液压传动系统相比，伺服液压控制系统对工作液污染更为敏感。高压液压泵马达和精密的液压控制元件（如电液伺服阀）抗污染能力差，对工作液的污染较为敏感。（7）液压泄漏可能会污染环境。液压系统设计、制造和使用均需要注意环境保护要求。（8）液压传动方式的效率偏低。与电力传动和机械传动相比，液压传动方式效率偏低，需注意节能环保设计。（9）液压传动系统制造成本偏高。液压传动系统常常需要专用液压油源，液压元件价格普遍较贵。与电力传动和机械传动相比，液压传动系统的制造成本偏高。（10）液压能源使用不如电能便捷。液压系统需要配套的液压能源站，液压能源使用不如电能便捷。气压传动的特点气压传动的优点：（1）以空气为工作介质，获取工作介质比较容易，用后的空气排到大气中，不必设置回收的容器和管道，处理方便。（2）空气的粘度很小（约为液压油动力粘度的万分之一），其管道输送能量损失也很小，所以便于集中供气、远距离输送。（3）与液压传动相比，气压传动动作迅速、反应快、维护简单、工作介质清洁，不存在介质变质等问题。（4）工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境中，比液压、电子、电气控制优越。且工作介质外泄漏不会像液压系统那样严重污染环境。（5）成本低，过载能自动保护。气压传动的缺点：（1）由于空气具有较为明显的可压缩性，系统刚度小，因此工作速度稳定性稍差。但采用气液联动装置会得到较满意的效果。另一方面也可以理解为气动系统柔性大，在某些情况下用作优点。（2）气压传动系统工作压力低（一般为0.81MPa），又因结构尺寸不宜过大，总输出力不宜大于10～40kN。（3）气动系统工作噪声较大，在高速排气时要加消声器。（4）气动装置中的气信号传递速度在声速以内比电子及光速慢，因此，气动控制系统不宜用于元件级数过多的复杂回路。（5）气压传动系统输出功率偏小。气压传动系统压力较低，气压传动系统输出功率较小，常用于小功率工况。机械传动的特点机械传动的优点是：（1）可能实现高精确度传动比。例如滚珠丝杠和同步皮带等组成结构简单而传动精度很高的传动机构。它的重复精度误差是0.01%。（2）可能实现节省能源。机械传动不需要将机械能转变为液压能或电能等其他能量形式，因而机械传动可能实现节能设计。（3）机械传动可以与主机结构相融合。如果机械传动方案与主机结构设计实现协调与一致，可能实现完美融合。（4）机械传动可以实现极简的设计。机械传动是各种传动方式中最简单的，采用机械传动的设计可能成为极简的设计。（5）降低噪音。一些机械传动运行噪音值可以低于70分贝，大约是液压驱动注塑机噪音值的2/3。（6）节约成本。机械传动方案往往比电气控制方案和液压传动方案成本低。机械传动控制的缺点是：（1）调节或控制的柔性差。多数机械传动不能改变传动规律，有些机械传动只能在预先设定的几种运动规律之间进行变化，不能实现灵活和随意变换。（2）控制不方便，不便采用复杂控制率。机械机构往往不能直接接受电信号控制，因而不能采用计算机控制，不便使用复杂的控制率。机械机构往往不能直接接受信息实物系统（CPS）控制，需采用电机和传感器等中间环节进行信号交换。（3）实现过载保护不方便。在机械传动中可以实现设置过载保护等措施，但是非常不方便。（4）无法避免磨损产生失效。机械机构受力作用下，在运动过程中不可避免构件发生磨损，当磨损严重时将产生机构的效能降低，甚至失效。（5）很多机械机构在换向运动时会发生冲击或震动。（6）较多机构运行过程中会发出噪音。机械机构不同，发出噪音情况也不同。（7）机械传动受空间限制强，设计方案柔性小。机械机构总是需要一定形状的空间布置。如果空间形状不满足，则无法实施机械传动方案。机械传动机构的设计方案对主机的适应性也比较差，主机方案变化，机械传动机构往往需要相对应调整。电力传动与电机控制的特点电力传动与机电控制的优点是：（1）精确度高。伺服电机作为动力源，由滚珠丝杠和同步皮带等组成结构简单而效率很高的传动机构。它的重复精度误差是0.01%。（2）节省能源。可将工作循环中的减速阶段释放的能量转换为电能再次利用，从而减低了运行成本，连接的电力设备仅是液压驱动所需电力设备的25%。（3）精密控制。根据设定参数实现精确控制，在高精度传感器、计量装置、计算机技术支持下，可能达到很高的控制精度。（4）电信号调整方便，适合采用复杂控制率。控制方便，电气系统可以直接接受电信号控制，因而方便采用计算机控制，可以使用复杂的控制率。电气系统往往能够直接接受信息实物系统（cyber-physicalsystem，CPS）控制。（5）节约成本。电力传动与机电控制的装备制造成本较低，使用维护成本也相对较低。无需对液压设备的更换液压油和冷却液压油等。另外，电力传动与机电控制无需液压管路，没有漏油现象。电气系统没有液压管路，没有漏油的可能性。电力传动与机电控制的缺点是：（1）同等体积，出力小，往往需要机械机构增加出力。电机作为执行器，往往需要配合减速电机增加转矩，降低转速。往往也需要采用机械机构将电机输出的旋转运动变换为直线运动。（2）同等功率，电机体积大。同等功率输出，电机体积比液压马达大，也比多数机械机构大。（3）同等功率，电机成本较机械机构高，但是比液压马达成本低。（4）可能需要电源装置。对于固定机械装备可能使用电能比较方便；对于移动机械装备采用电能可能需要单独配置电源装置。（5）安全保护方案不如液压传动方便。1.5液压与气压传动发展历程及趋势​一、发展历程二、液压工业4.0（略）德国政府在2013年4月的汉诺威工业博览会上正式推出工业4.0战略。工业4.0研究项目由德国联邦教研部与联邦经济技术部联手资助。在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成，并已上升为国家级战略。

工业4.0的典型特征是信息实物系统（CPS，Cyber-PhysicalSystems）在制造业中的推广应用，引发工业变革。新的工业变革以数字制造为核心，体现制造的信息化、智能化。

对应西门子公司关于工业4.0的描述，液压技术发展也经历了四次工业技术革命。液压技术的1.0时代的典型特征机械技术为基础构建的液压技术。没有电作为控制信号用于液压系统的控制。一些机械液压控制机构和装置都是这个时代的技术。液压技术的2.0时代的典型特征电磁开关液压阀为特征，将电力和电控加入到液压技术中构建了开关控制的液压系统。电信号作为液压系统的控制信号，只是一种信号通断的开关控制。模拟的液压伺服控制也是这个时代的技术。

液压技术的3.0时代的典型特征PLC控制在液压技术中应用产生了顺序控制液压系统。液压比例控制技术发展，连续量电气控制在液压系统中获得推广应用。数字液压伺服和计算机液压伺服都属于这个时代的产物。在PLC的顺序控制逻辑加持下，液压技术的自动化程度进一步提升。为进入工业4.0做好准备。

液压技术的4.0时代的典型特征信息实物系统（CPS）在液压技术中应用产生了数字化、信息化的液压系统。例如，阀控缸液压比例或伺服控制系统被缩小到一种可以接受（数字或模拟，甚至网络）电信号控制的液压作动器，控制系统的控制器、伺服放大器、位置或压力等反馈信号处理单元等被集成在液压控制阀上，外部看控制液压阀、液压执行元件和各种传感器集成设计为一个整体，构成一种智能（超级的）液压元件。通过CPS促使液压技术走向信息化和智能化。三、发展趋势发展方向可以概括为集成化、数字化、信息化、智能化、微型化、超大型化和超重型化等主要几个方向。

插装等新型安装方式的液压元件获得广泛应用，多个各种功能的液压控制阀可安装到一个油路块上实现复杂功能，体现了集成化发展趋势。

电子技术特别是总线技术发展，促使液压与气压技术向数字方向发展。在液压阀和气动阀内部嵌入安装了电子控制电子电路，则液压阀与气动阀可以接收数字信号，并可通过计算机程序来改变液压控制阀的性能，实现数字化补偿等功能。

新材料和新技术的发展及其在液压与气压传动领域应用促使新型液压元件和气压元件研制出来。特别是体积小、性能高的液压元件。排量0.03mL/r，额定压力21MPa，额定转速3000r/m，重量54g的微型球泵。1.6液压与气压传动的应用液压传动应用行业与装备实例行业名称

应用装备举例工程机械：挖掘机、装载机、推土机、压路机、平地机、汽车吊、盾构机等海工机械：门式起重机、码头岸吊、船吊、装卸机械、轮胎起重机等矿山机械：凿岩机、开掘机、开采机、破碎机、液压提升机、液压支架等建筑机械：打桩机、塔式起重机、高空作业车、架桥机、运梁车等农业机械：联合收割机、拖拉机、犁地机、旋耕机、打垄机、开沟机等林业机械：伐木机、木材装载机、木材运输车辆、植树机、树木移栽机械等木工