液压与气动 传动第一章.ppt

1、本课程的学时安排：,作业加上课出勤占总成绩:15% 实验成绩占总成绩：15% 期末考试占总成绩：70%,本课程共36学时，上课30学时，实验6学时（包括3个实验）。,本课程的考核方式：,本课程答疑的时间和地点：,每周三下午7、8节在机械学院楼二楼液压气动实验室答疑。,本教材包括的主要内容为 ：, 工程流体力学部分(第二章) ；,液压传动部分(第三章到第九章) ；,气压传动部分(第三章到第九章,第十一章) ；,液压与气压伺服系统(又称为液压与气压随动系统或液压与气压控制系统)(第十章) 。,重点讲述的内容: 液压传动部分(第三章到第九章) 。 重点章：第三章、第四章、第五章、第七章。,3,相关链

2、接 百思论坛: Festo公司: 中国液压气动密封工业网: 中华动力传动与控制技术网: 中国气动 中国液压气动网 榆次液压集团有限公司: SMC(中国)有限公司: 期刊杂志:液压与气动，机床与液压，液压气动与密封,第一章 绪论,本章主要内容为 ：, 液压传动的定义 ；,液压传动的工作原理及系统构成 ；,液压传动的优缺点；,液压传动的工作介质 。,5,1.1液压传动定义与发展概况,1.1.1 液压传动的定义,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。,传动机构通常分为机械传动、电气传动和流体传动机构。,流体传动是以流体为工作介质进行能量转换、传递和控制的传动。它包括

3、液压传动、液力传动和气压传动。,液压传动和液力传动均是以液体作为工作介质来进行能量传递的传动方式。,液压传动主要是利用液体的压力能来传递能量； 液力传动则主要是利用液体的动能来传递能量。,6,1.1.1 液压传动的定义,液压传动（Hydraulics）是以液体为工作介质，通过动力装置将原动机的机械能转换为液体的压力能，然后通过管道、液压控制及调节装置等，借助执行装置，将液体的压力能转换为机械能，驱动负载实现直线或回转运动。,那么，到底什么是液压传动呢？,7,1.1.1 液压传动的定义,管道,如图所示的系统中，有两个不同直径的液压缸2和4，且缸内各有一个与内壁紧密配合的活塞1和5。假设活塞在缸内

4、自由滑动（无摩擦力），且液体不会通过配合面产生泄漏。缸2、4下腔用一管道3连通，其中充满液体。这些液体是密封在缸内壁、活塞和管道组成的容积中的。,8,1.1.1 液压传动的定义,这个系统传递力： 如果活塞5上有重物W，则当活塞1上施加的F力达到一定大小时，就能阻止重物W下降，这就是说可以利用密封容积中的液体传递力。,9,1.1.1 液压传动的定义,这个系统传递运动： 由于作用在密封容器内平衡液体表面上的压强（液压力）将均匀地传递到液体中所有各点上，且不改变大小（帕斯卡定律），这样：当活塞1在力F力作用下向下运动时，重物将随之上升，这说明密封容积中的液体不仅可以传递力，还可以传递运动。,10,1

5、.1.1 液压传动的定义,为什么要用液压传动呢？ 将能量从机械能转换为液压能，而后又将液压能转换为机械能压能，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，必须通过中间环节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。,其它的传动方式有：机械传动（mechanics）:常用零件为齿轮，曲轴，轴，皮带等。气压传动（pneumatics）:常用空气或其它气体为传输介质。电器传动（electrics）:常用元件是直流电机,可控硅,交流电机变频器等.,11,1.1.1 液压传动的定义,压力取决于负载,仍回

6、到前面的简化模型 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。,活塞5上作用的W为0 在不计活塞磨擦力和活塞自重的情况下，此时系统的液压力会是多少呢？ 很明显在活塞5下的压力 这时活塞1下 的压力 ， 主动力F1只能为0，也就是说主动力是加不上去的。,12,1.1.1 液压传动的定义,压力取决于负载,仍回到前面的简化模型 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。,13,1.1.1 液压传动的定义,如果简化模型中液压缸4和活塞5被一容器取代： 如图所示。 在活塞1上施加F1的力后，如果容器4、管路3、液压缸2及活塞1有足够的压强

7、，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： 根据帕斯卡原理，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。,1,14,1.1.1 液压传动的定义,压力取决于负载,仍回到前面的简化模型 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。,15,1.1.1 液压传动的定义,运动速度取决于流量,请看右下图，由图可知： 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h2，很显然h1h2。 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

8、的体积 。即： 两边同除： 则,1,16,1.1.1 液压传动的定义,下面介绍一个概念：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（ ） 实质上就是说排出液压缸2的流量等于挤入液压缸4的流量。,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液压缸4的流量。即：在液压系统中执行机构的速度只取决于流量。,活塞5,17,1.1.1 液压传动的定义,液压系统中，功率表达式N=pQ，压力p和流量Q是液压传动中最基本也是最重要的参数。 由于N1=N2=pQ（不考虑任何损失），因此液压系统中的能量传输和转换是守恒的，满足能

9、量守恒定律。,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：,1,18,1.1.2 液压传动的发展概况,从17世纪中叶帕斯卡提出静压传动原理，18世纪末英国制成第一台水压机算起，液压传动已有23百年的历史。,第二次世界大战前后，成功地将液压传动装置用于舰艇炮塔转向器，其后出现了液压六角车床和磨床，一些通用机床到本世纪30年代才用上了液压传动。,19,1.1.2 液压传动的发展概况,近30年来，由于原子能技术、航空航天技术、控制技术、材料科学、微电子技术等学科的发展，再次将液压技术推向前进，使它发展成为包括传动、控制、检测在内的一门完整的自动化技术，在国民经济的

10、各个部门都得到了应用，如工程机械、数控加工中心、冶金自动线等。,采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。,液压与气压技术发展的趋势: 机械+电气+液压和气压+计算机控制技术的结合。,20,1.2液压传动的工作原理及系统构成,1.2.1液压传动系统的工作原理,液压千斤顶 液压千斤顶常用于顶升重物，如顶起汽车以便拆换轮胎,21,1.2.1液压传动系统的工作原理,液压千斤顶,在杠杆上没有作用力时,负载可以停止在任意位置;在液压缸行程范围内 ,可以将负载提升到任意位置。 其实液压千斤顶是前面讨论过的简化模型的进一步完善，它具有以下一些简化摸型所不具备的功能：,22,1.2.1液压传

11、动系统的工作原理,23,1.2.1液压传动系统的工作原理,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，称为液压泵。 大活塞和缸用于带动负载，使之获得所需运动及输出力，这个部分称为执行机构。 放油阀门11的启闭决定执行元件是否向下运动，是一个方向控制阀。 另外，要进行动力传输必须借助液压传动介质。,24,1.2.1液压传动系统的工作原理,磨床工作台液压系统,磨床工作台,磨床工作时，要求其工作台水平往复运动。 实现工作台水平往复运动控制的是一套液压控制系统，如图所示是一台磨床的液压系统结构原理图。

12、,25,磨床工作台液压系统,液压缸,液压泵,节流阀,换向阀,油箱,26,磨床工作台液压系统,27,磨床工作台液压系统,图1.1磨床工作台液压传动系统 工作原理,磨床工作台,1-油箱；2-过滤器；3,12,14-回油管；4-液压泵；5-弹簧；6-钢球；7-溢流阀；8,10-压力油管；9-手动换向阀；11,16-换向手柄；13-节流阀；15-换向阀；17-活塞；18-液压缸；19-工作台,液压缸,由液压泵输入的压力油通过手动换向阀11，节流阀13、换向阀15进入液压缸18的左腔，推动活塞17和工作台19向右移动，液压缸18右腔的油液经换向阀15排回油箱。,节流阀,换向阀,28,磨床工作台液压系统,

13、液压缸,当手动换向阀15换向后，液压油进入液压缸18的右腔，推动活塞17和工作台19向左移动。,29,磨床工作台液压系统,磨床工作台,换向阀,如果将手动换向阀9转换成如图11（C）所示的状态，液压泵输出的油液经手动换向阀9流回油箱，这时工作台停止运动，液压系统处于卸荷状态。,30,磨床工作台液压系统,磨床工作台,溢流阀,液压系统中工作的零部件都有一定的承载范围，当系统的工作压力超过这个承载范围时，就可能会出现安全事故，如管道爆裂、电机过热奈至烧毁等。 液压系统一般采用设置安全阀的方法，来限制系统的最大工作压力，保护人生设备的安全。,31,磨床工作台液压系统,磨床工作台,溢流阀,除了前面讨论的各

14、个环节外，液压系统要能正常工作，还必须有储存油的容器油箱，有连接各元器件的管道，还得有过滤系统的油液，防止杂质进入泵和液压系统的过滤器，另外还有蓄能器，压力表等。,32,1.2.2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,执行元件,33,1.2.2液压传动系统的组成,从图1.1可以看出，液压传动是以液体作为工作介质来进行工作的，一个完整的液压传动系统由以下几部分组成：,（l）液压泵（动力元件）：是将原动机所输出的机械能转换成液体压力能的元件，其作用是向液压系统提供压力油，液压泵是液压系统的心脏。,（2）执行元件：把液体压力

15、能转换成机械能以驱动工作机构的元件，执行元件包括液压缸和液压马达。,（3）控制元件：包括压力、方向、流量控制阀，是对系统中油液压力、流量、方向进行控制和调节的元件。如换向阀15即属控制元件。,（4）辅助元件：上述三个组成部分以外的其它元件，如：管道、管接头、油箱、滤油器等为辅助元件。,34,1.2.3 液压系统的图形符号,图11（a）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12所示。,35,图1.1磨床工作台液压传动系统 工作原理,图1.2用图形符号表示的磨床工作台液压系

16、统图 l-油箱；2-过滤器；3-液压泵； 4-溢流阀； 5-手动换向阀；6-节流阀；7-换向间； 8-活塞；9-液压缸,36,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；只反映静止位置或初始位置的工作状态，不反映其过渡过程。,液压缸,液压泵,节流阀,换向阀,油箱,溢流阀,37,1.3 液压传动的优缺点,1.3.1液压传动系统的主要优点,液压传动与机械传动、电气传动相比有以下主要优点：,（1）在同等功率情况下，液压执行元件体积小、结构紧凑。（例如，相同功率的液压马达的体积为电动机体积的12%13%）；,（2）由于液压元件使用油管连

17、接，所以液压传动的各种元件，可根据需要方便、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；,指电机能提供的最大转速与最小转速之比。,38,1.3.1液压传动系统的主要优点,（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

18、用化，便于设计、制造和使用。,39,1.3.2 液压传动系统的主要缺点,（1）液压传动不能保证严格的传动比，这是由于液压油的可压缩性和泄漏造成的。,（2）工作性能易受温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作。,（3）由于流体流动的阻力损失和泄漏较大，所以效率较低。如果处理不当，泄漏不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故。,（4）为了减少泄漏，液压元件在制造精度上要求较高，因此它的造价高，且对油液的污染比较敏感。,40,1.4.1 液压介质的种类,液压传动介质按照GB/T7631.2-87（等效采用ISO 6743/4）进行分类，主要有石油基液压油和难燃液压液两大类。,1.4.1

19、.1 石油基液压油,（1）L-HL液压油（又名普通液压油）： 采用精制矿物油作基础油，加入抗氧、抗腐、抗泡、防锈等添加剂调合而成，是当前我国供需量最大的主品种，用于一般液压系统，但只适于0 以上的工作环境。 其牌号有：HL32、HL46、HL68。在其代号L-HL中，L代表润滑剂类，H代表液压油，L代表防锈、抗氧化型，最后的数字代表运动粘度。,1.4 液压传动的工作介质,41,（2）L-HM液压油（抗磨液压油，M代表抗磨型）： 其基础油与普通液压油同，加有极压抗磨剂，以减少液压件的磨损。适用于-15以上的高压、高速工程机械和车辆液压系统。 其牌号有：HM32、HM46、HM68、HMI00、H

20、M150,（3）L-HG液压油（又名液压一导轨油）： 除普通液压油所具有的全部添加剂外，还加有油性剂，用于导轨润滑时有良好的防爬性能。 适用于机床液压和导轨润滑合用的系统。,42,（4）L-HV液压油（又名低温液压油、稠化液压油、高粘度指数液压油）： 用深度脱蜡的精制矿物油，加抗氧、抗腐、抗磨、抗泡、防锈、降凝和增粘等添加剂调合而成。 其粘温特性好，有较好的润滑性，以保证不发生低速爬行和低速不稳定现象。 适用于低温地区的户外高压系统及数控精密机床液压系统。,（5）其它专用液压油：如航空液压油（红油）、炮用液压油、舰用液压油等。,43,1.4.1.2 难燃液压液,难燃液压液分为合成型、油水乳化型

21、和高水基型三大类。,（1）合成型抗燃工作液, 水一乙二醇液（L-HFC液压液）： 这种液体含有 3555的水，其余为乙二醇及各种添加剂（增稠剂、抗磨剂、抗腐蚀剂等）。 其优点是凝点低（50），有一定的粘性，而且粘度指数高，抗燃。适用于要求防火的液压系统。 其缺点是价格高，润滑性差，只能用于中等压力（20Mpa以下）。这种液体密度大，所以吸入困难。,44,水一乙二醇液能使许多普通油漆和涂料软化或脱离，可换用环氧树脂或乙烯基涂料。, 磷酸酯液（L-HFDR液压液）,这种液体的优点是，使用的温度范围宽（-54135），抗燃性好，抗氧化安定性和润滑性都很好。允许使用现有元件在高压下工作。,其缺点是价格

22、昂贵（为液压油的58倍）；有毒性；与多种密封材料（如丁氰橡胶）的相容性很差，而与丁基胶、乙丙胶、氟橡胶、硅橡胶、聚四氟乙烯等均可相容。,45,（2）油水乳化型抗燃工作液（L-HFB、L-HFAE液压液）,油水乳化液是指互不相溶的油和水，使其中的一种液体以极小的液滴均匀地分散在另一种液体中所形成的抗燃液体。分水包油乳化液和油包水乳化液两大类。,（3）高水基型抗燃工作液（L-HFAS液压液）,这种工作液不是油水乳化液。其主体为水，占 95，其余 5为各种添加剂（抗磨剂、防锈剂、抗腐剂、乳化剂、抗泡剂、极压剂、增粘剂等）。其优点是成本低，抗燃性好，不污染环境。其缺点是粘度低，润滑性差。,46,1.4

23、.2 液压油的主要物理性质,密度 单位体积的流体的质量称为密度，以表示。即 = m / V 式中 m流体的质量(kg) V质量为m的流体所占有的体积(m3),流体的密度随着温度和压力的变化也会发生变化，但变化量一般很小，通常忽略。一般液压油的密度为900kg/m3。,47, 可压缩性 流体受压力作用而发生体积减小的性质称为流体的可 压缩性。体积为V的流体，当压力增大p时，体积减小 V，则流体在单位压力变化下的体积相对变化量为 （1） 式中 k流体的体积压缩系数 (Pa-1) V流体的体积 (m3) V流体体积的变化量 (m3) p流体压强的变化量 (Pa) 由于压强增大时流体的体积缩小， 为保

24、证k为正值， 上式右边加一负号。并且从（1）式可以看出，当压强变 化相同时，体积变化率越大， k也就越大，即流体越容 易被压缩，而k小的流体不易被压缩。因此，k值标志 着可压缩性的大小。,48,流体的体积弹性模量：流体压缩系数k的倒数，以K 表示。 K物理意义：流体产生单位体积相对变化量时所需要 的压力增量。也表示流体抵抗压缩能力的大小。 一般矿物油型液压油的K=（1.42）103MPa； 工程计算中取K 0.7103MPa。由于K的数值大， 即k很小，故对于一般的液压系统，可认为液体是不 可压缩的，液体的密度是常量。 可压缩流体与不可压缩流体 不可压缩流体： k0的流体称为不可压缩流体。随T

25、 和p变化量很小， 可视为常量。 可压缩流体： k0的流体称为可压缩流体。随T 和p变化量很大， 不可视为常量，即是变量,49, 粘性 、粘性的定义及牛顿内摩擦定律 粘性：流体流动时，在流体内部产生阻碍分子相对运动的内摩擦力的性质叫流体的粘性。 粘性产生机理：一是流体分子之间的吸引力产生阻力；二是流体分子作不规则的热运动的动量交换产生阻力。 牛顿内摩擦定律：,液体：随p变化很小，一般当 Const,可视为不可压缩流体。 气体：比液体有较大的压缩性，属可压缩，但当p或t的变化率很小时，气体通常可看成Const,50,实验内容： 设在两平行平板之间充满液体，当上平板以速度0相对于静止的下平板向右运

26、动时，与两板相接触的流体由于附着力的作用必粘附于两平板上，具,有与平板相同的运动速度。因此与上平板相接触的一层流体将以速度0随上平板一起向右运动，而紧贴下平板的一层流体将和下平板一样静止不动。介于两板之间的各层流体将以自上而下逐层递减的速度向右运动。流动较快的流体层带动较慢的流体层，同时流动较慢的流体层又阻滞流动较快的流体层，从而在流体层之间产生内摩擦力。,51,实验结果： 流体运动产生的内摩擦力与沿接触面法线方向的速度变化（即速度梯度）成正比，与接触面的面积成正比，与流体的物理性质有关，而与接触面上的压强无关。把这个结论称为牛顿内摩擦定律。 式中 F流体层接触面上的内摩擦力（N） A流体层之

27、间的接触面积 (m2) d/dn速度梯度 (1/s) 表示流体物理性质的一个比例常数 (Pa s)，称为动力粘度。,52,粘性的表示方法及其单位 流体粘性的大小用粘度来表示，常用的粘度可有三种： 1、动力粘度 （又称绝对粘度）： 表示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应力，它直接反映了流体粘性的大小。 的单位为Ns/m2 或 Pas （称为帕秒）。过去沿用的动力粘度单位还有泊（P）或厘泊（cP），它们的换算关系为1Pas =10P=1000cP。 2、运动粘度 ：在流体力学中，动力粘度与流体密度的比值称为运动粘度，以表示。 = / 的单位为m2/s。运

28、动粘度的非法定单位还有cm2/s 称为斯（St），厘斯（cSt） 1m2/s=104St=106cSt,53,3、相对粘度（又称条件粘度）：它是采用特定的粘度计在规定的条件下测量出来的流体粘度。 根据测量条件的不同，各国采用的相对粘度的单位也不同。 恩氏度E 中国、德国和前苏联 塞氏秒SSU 美国、英国 雷氏秒R1S 美国、英国 巴氏度B 法国,工程中常用运动粘度来标志液体的粘度，例如：L-AN32液压油就是指这种液压油在40时的运动粘度的平均值为32mm2/s。,54,粘度的变化规律 流体粘度随温度和压强而变化，由于分子结构及分子运动机理的不同，液体和气体的变化规律是截然相反的。 液体粘度大

29、小取决于分子间的距离和分子引力。当温度升高或压强降低时液体膨胀，分子间距增加，分子引力减小，粘度降低。反之，温度降低，压强升高时，液体粘度增大。 气体分子间距较大，内聚力较小，但分子运动较剧烈，粘性主要来源于流层间分子的动量交换。当温度升高时，分子运动加剧，所以粘性增大；而压力对气体粘度的影响可以忽略不计。,55,1.4.3 液压系统对工作介质的要求及选用,液压工作介质一般称为液压油。液压介质的性能对液压系统的工作状态有很大影响，对液压系统对工作介质的基本要求如下：,（l）有适当的粘度和良好的粘温特性。,粘度是选择工作介质的首要因素。液压油的粘性，对减少间隙的泄漏、保证液压元件的密封性能都起着

30、重要作用。,1.4.3.1 液压系统对工作介质的要求,（2）氧化安定性和剪切安定性好。,（3）抗乳化性、抗泡沫性好。,（4）闪点、燃点要高，能防火、防爆。,（5）有良好的润滑性和防腐蚀性，不腐蚀金属和密封件。,（6）对人体无害，成本低。,56,1.4.3.2 液压工作介质的选用,一般情况下，在高压或者高温条件下工作时，为了获得较高的容积效率，不使油的粘度过低，应采用高牌号液压油；低温时或泵的吸入条件不好时（压力低，阻力大即快速），应采用低牌号液压油。,1.选择液压油的品种 首先根据工作条件（V、P、T）和元件（液压泵）类型，选择油液品种。 机械油 精密机床液压油 气轮机油 2.根据粘度选择牌号,57,本章小结,1 液压传动的定义,液压传动（Hydraulics）是以液体为工作介质，通过动力装置将原动机的机械能转换为液压的压力能，然后通过管道、液压控制及调节装置等，借助执行装置，将液体的压力能转换为机械能，驱动负载实现直线或回转运动。,5