液压与气动技术第1章液压与气压传动基础

1、1.1液压与气压传动的工作原理O液压与气压传动的工作原理O 12液压与气压传动的组成o 13液压与气压传动的优、缺点 o 1.4液压与气动技术的应用与发展概况 o 15液压与气动技术的基木理论O 1. 1. 1概述ino液压与气压传动技术是机械设备中发展速度最快的技术之一 特别是近年来随着机电一体化技术的发展与微电子、计算 机技术相结合液压与气压传动进入了一个新的发展阶段其 广泛地应用在机械制造业、起重设备、矿山机械、工程机械、 农业机械、化工机械及军事行业中。特别是在机床行业中应 用液压与气压传动技术实现机床往复、机床回转、机床进给、 机床仿行及各种辅助运动。O液压与气压传动技术是以流体一液

2、压油液（或压缩空气）为工 作介质进行能量传递和控制的一种传动形式它们的工作原理 基本相同。下一页返回1.1液压与气压传动的工作原理O 1- 1- 2液压传动的工作原理O液压传动是指用液体作为工作介质借助于液体的压力能进行 能量传递和控制的一种传动形式。利用各种元件组成不同功 能的基本控制回路再由基本控制回路根据系统要求组成具有 一定控制机能的液压传动系统。O液压千斤顶是机械行业常用的工具常用这个小型工具顶起较 重的物体。下面以它为例简述液压传动的工作原理。图1-1 所示为液压千斤顶的工作原理。千斤顶有两个液压缸和6. 内部分别装有活塞活塞和缸体之间保持良好的配合关系不 仅活塞能在缸内滑动而且配

3、合面之间又能实现可靠的密封。 当向上抬起杠杆时液压缸丄的活塞向上运动液压缸1的下腔 容积增大形成局部真空单向阀2关闭油箱4的油液在大气压 作用下经吸油管顶开单向阀3进入液压缸1下腔完成一次吸油动作当向下压杠杆时液压缸丄活塞下移.O液压缸1下腔容积减小油液受挤压压力升高关闭单向阀3, 液压缸1腔的压力油顶开单向阀2油液经排油管进入液压缸6 的下腔推动大活塞上移顶起重物。如此不断上下扳动杠杆就 可以使重物不断升起达到起降的目的。o 1- 1. 3气压传动的工作原理o气压传动的工作原理是利用空气压缩机将电动机或其他原动 机输出的机械能转变为空气的压力能然后在控制元件的控制和辅助元件的配合下通过执行元

4、件把空气的压力能转变为机 械能从而完成直线或回转运动并对外做功。上一页下一页返回1.2液压与气压传动的组成O图12所示为钻床工作台的工作原理。将工件从手中放到夹具中接着按下启动按钮使夹具气缸冲出当气缸将工件夹紧后钻床对工件钻眼钻完后钻臂返回，与此同时喷嘴将碎屑吹掉然后夹具气缸松开。O 1- 2. 1液压传动的组成O图垒2所示为一简化的组合机床液压传动系统其工作原理如Tol=.二1=O定量液压泵3由电动机驱动旋转从油箱经过滤油器2吸油。 当换向阀5的阀芯处于图示位置时压力油经流量控制阀4、 换向阀5和管道9进入液压缸7的左腔推动活塞向右运动。液 压缸右腔的油液经管道6、换向阀5和管道10流回油箱

5、。改 变换向阀5的阀芯的位置使之处于左端时液压缸活塞将反向 运动。改变流量控制阀4的开口可以改变进入液压缸的流量. 从而控制液压缸活塞的运动速度。液压泵排出的多余油液经 溢流阀11和管道12流回油箱。液压缸的工作压力决定于负 载。卜一页返回1.2液压与气压传动的组成III液压泵的最大工作压力由溢流阀1:1调定其调定值为液压缸 的最大工作压力及系统中油液经阀和管道的压力损失的总和。 因此系统的工作压力不会超过溢流阀的调定值溢流阀对系 统还起着过载保护作用。工作台的运动速度取决于流量大小. 由流量控制阀4调节。从上述例子可以看出一个完整的液压系统由以下4部分组成 能源装置 执行装置 控制装置 辅助

6、装置上一页下一页返回13液压与气压传动的优、缺点O 1.2.2气压传动的组成气压传动的工作原理如;气压传动的组成部分及各部分的作用如下。气压发生装置:获得压缩空气的能源装置其主体部分是空 气压缩机。执行机构:将压缩空气的压力能转化为机械能的装置如气缸、气马达。控制元件:控制压缩空气的流量、压力、方向以及执行元件 工作程序的元件如压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀、 逻辑元件等。辅助元件:使压缩空气净化、润滑、消声以及元件间连接等 所需的装置如过滤器、油雾器等0 1.3,1液压传动的优、缺点丄优点 体积小重量轻结构紧凑。 运动比较平稳能在低速下稳定运动易于实现快速启动、 制动和频繁换向。 可在大

7、范围内实现无级调速。 容易实现自动化操纵方便。 易于实现过载保护且液压件能自行润滑因此使用寿命较长。 由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化所以液压 系统的设计、制造、使用都比较方便。下一页返回1.3液压与气压传动的优、缺点O 2缺点 液压传动不能保证严格的传动比。 液压传动在工作过程中常有较多的能量损失。III 液压传动对油温的变化比较敏感它的工作稳定性容易受到 温度变化的影响因此不宜在温度变化很大的环境中工作。 为了减少泄漏液压元件在制造精度上的要求比较高因此其造价较高且对油液的污染比较敏感。 液压传动出现故障的原因较复杂而且查找困难。O 1.3,2气压传动的优、缺点O丄优点O采用空气

8、作为传动介质来源方便取之不尽用后直接排入大气而不污染环境且不需回气管路。O气动系统结构较简单安装自由度大使用、维护方便使用 成本低。空气对环境的适应性强特别是在高温、易燃、易爆、高尘 埃、强磁、辐射及振动等恶劣环境中比液压、电气及电子控制都优越。O空气的黏度很小在管路中流动时的压力损失小管道不易 堵塞空气也没有变质问题所以节能、高效。它适用于集中供气和远距离输送。O与液压传动相比气压传动反应快动作迅速一般只需0. 02003 s就可建立起需要的压力和速度因此它特另al适 用于实现系统的自动控制O调节控制方便既可组成全气动控制回路也可一与电气、液压结合实现混合控制。上一页下一页返回1.3液压与气

9、压传动的优、缺点O 2缺点 o由于空气的可压缩性大所以气动系统的稳定性差负载变化时对工作速度的影响较大速度调节较难。O由于工作压力低且结构尺寸不易过大所以气动系统不易 获得较大的输出力和力矩。因此气压传动不适用于重载系统。O空气无润滑性能故在系统中需要润滑处应设润滑给油装置。O总体来说液压与气压传动的优点是主要的其缺点将随着科学技术的发展会不断得到克服。例如将液压传动、气压传动、电力传动、机械传动合理地联合使用构成气液、电液（气）、机液（气）等联合传动以进一步发挥各自的优点相互补充弥补某些不足之处。上一页返回1-4液压与气动技术的应用与发展概况O液压与气压传动相对于机械传动来说是一门新兴技术。

10、在工程机械、冶金、军工、农机、汽车、轻纺、船舶、石油、航空和机床行业中液压技术得到了普遍的应用。随着原子能、空间技术、电子技术等方面的发展液压技术向更广阔的领域渗透发展成为包括传动、控制和检测在内的一门完整的自动化技术现今釆用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业化发展水平的重要标志之一。如发达国家生产的95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%以上的自动生产线都采用了液压传动。下一页返回1-4液压与气动技术的应用与发展概况O随着液压机械自动化程度的不断提高液压元件应用数量急剧 增加元件小型化、系统集成化是发展的必然趋势。特别是近 十年来液压技术与传感技术、微电子技术密切结合出现了 许多诸如

11、电液比例控制阀、数字阀、电液伺服液压缸等机(液) 电一体化元器件使液压技术在高压、高速、大功率、节能高 效、低噪声、使用寿命长、高度集成化等方面取得了重大进展。无疑液压元件和液压系统的计算机辅助设计(CAD)、 计算机辅助试验(CAT)和计算机实时控制也是当前液压技术的发展方向。上一页下一页返回1-4液压与气动技术的应用与发展概况O近年来气动技术的应用领域已从汽车、釆矿、钢铁、机械工 业等重工业迅速扩展到化工、轻工、食品、军事工业等各行 各业。和液压技术一样当今气动技术亦发展成包含传动、控 制与检测在内的自动化技术成为柔性制造系统(FMS)在包 装设备、自动生产线和机器人等方面不可缺少的重要手

12、段。 由于工业自动化以及FMS的发展要求气动技术以提高系统 可靠性、降低总成本与电子工业相适应为目标进行系统控制 技术和机电液气综合技术的研究和开发。显然气动元件的微 型化、节能化、无油化是当前的发展特点与电子技术相结合 产生的自适应元件如各类比例阀和电气伺服阀使气动系统 从开关控制进入到反馈控制。计算机的广泛普及与应用为气动技术的发展提供了更加广阔的前景。上一页 返回1.5液压与气动技术的基木理论1- 5. 1液压油的性质及选用O丄液压油的用途传递运动与动力:将泵的机械能转换成液体的压力能并传至各处由于油本身具有黏度在传递过程中会产生一定的动力 损失。润滑:液压元件内各移动部位都可受到液压油

13、充分润滑从而减低元件磨耗。O密封:油本身的钻性对细小的间隙有密封的作用。O冷却:系统损失的能量会变成热被油带出。卜一页返回O 2 液压油的主要性质 o密度:单位体积液体的质量称为液体的密度。体积为V质量为m的液体密度p为(1-1)o可压缩性:液体受压力作用而发生体积减小的性质称为可压 缩性。若液压油中混入空气时其可压缩性将显著增加，并将 严重影响液压系统的工作性能。O黏性:液体在外力作用下流动时分子间的内聚力阻碍分子 之间的相对运动而产生一种内摩擦力的这种特性叫做液体的 钻性。液体只有在流动时才呈现出黏性静止液体是不呈现黏 性的。O黏性使流动液体内部各处的速度不相等。如图込所示若两 平行平板间

14、充满液体下平板不动而上平板速度Uo向右平动。O实验测定指出:液体流动时相邻液层间的内摩擦力Ft与液层接 触面积A、液层间的速度梯度du/dy成正比即(1-2)上一页下一页返回1.5液压与气动技术的基木理论式中P为比例常数称为钻性因数或黏度。如以T表示切应力. 即单位面积上的摩擦力则(1-3)_ Fi _ dzzr = A =-由式（1.2）可知在静止液体中速度梯度为零内摩擦力为零. 故液体在静止状态下是不呈现黏性的。黏度是衡量液体钻性的指标。常用的黏度有动力黏度、运动 黏度和相对黏度下面仅介绍前两者。 动力黏度动力黏度可由式（丄3）导出，即(1.4)一尸o动力黏度的单位为帕秒（Pa-S）或Ns

15、/m2O运动黏度V。动力黏度P与液体密度P之比叫做运动黏度V.(1-5)O相对黏度（又称条件黏度）。常用的有恩氏黏度：200 mL直径2. 8 mm同一温度下与蒸馆水的时间比较.o其他性质。液压油还有其他一些性质如稳定性（热稳定性、 氧化稳定性、水解稳定性、剪切稳定性等）、抗泡沫性、抗乳 化性、防锈性、润滑性及相容性（对所接触的金属、密封材料、 涂料等作用程度）等都对它的选择和使用有重要影响。这些 性质需要在精炼的矿物中加入各种添加剂来获得。2 液压油的选用（液压传动对工作介质的性能要求不同的工作机械和不同的使用情况对液压传动工作介质的要 求有很大的不同。为了很好地传递运动和动力液压传动工作

16、介质应具备如下性能： 合适的黏度较好的钻温特性； 润滑性能好； 质地纯净杂质少； 对金属和密封件有良好的相容性；O氧化、水解和剪切都有良好的稳定性。温度低于57C时. 油液的氧化速度缓慢之后温度每增加10 C,氧化的程度增 加一倍所以控制液压传动工作介质的温度特别重要；O抗泡沫性好航乳化性好腐蚀性小防锈性好;O体积膨胀系数小比热容大;O流动点和凝固点低闪点和燃点高;O对人体无害成本低。对轧钢机、压铸机、挤压机和飞机等 液压系统则须突出高温、热稳定、不腐蚀、无毒、不挥发、防火等项要求。(2) 液压油的选用液压系统通常釆用石油型液压油在特殊场合还可用乳化型液 压油、合成型液压油。 液压系统的工作压

17、力:工作压力较高的系统宜选用黏度较高 的液压油以减少泄漏;反之便选用黏度较低的油。 运动速度:执行机构运动速度较高时宜选用黏度较低的液 压油。 环境温度:工作环境温度高时选用黏度较高的液压油以减 少泄漏和容积损失。 液压泵的类型:在液压系统中对液压泵的润滑要求苛刻不 同类型的泵对油的黏度有不同的要求具体可参见有关资料。O 1.5.2液体静力学O丄液体静力学O （丄）压力及其性质液体的压力是指液体在单位面积上所受到的法向作用力。这个定义在物理学中称为压强但在液压传动中称为压力用户 o液体的压力有如下重要性质:静止液体内任意点处的压力在各表示。其表达式为(1-6)个方向上都相等。上一页下一页返回1

18、.5液压与气动技术的基木理论O （2）帕斯卡原理在密封容器中当静止液体内任何一点的压力发生变化时（如 增加Ap）该压力变化将等值地传递到液体内任意一点即其 他任意点的压力也将增加Ap这就是帕斯卡原理（或称静压 传递原理）。帕斯卡原理是液压传动的理论依据也就是说液 压传动是根据帕斯卡原理来工作的。（3）压力的表示方法及单位液体压力有绝对压力和相对压力两种（图U）绝对压力以绝对真空（0压）为基准来进行度量;相对压力是以大气压力为基准来进行度量。绝对压力、大气压力、相对压力的关系是：绝对压力二相对压力+大气压力真空度=大气压力一绝对压力(4) 液体静压力作用在固体壁面上的力静止液体和固体壁面相接触时

19、固体壁面上各点在某一方向上 所受静压作用力的总和便是液体在该方向上作用于固体壁面 上的力。固体壁面为一平面时如不计重力作用(即忽略pgh项)平面 上各点处的静压力大小相等作用在固体壁面上的力等于静压 力与承压面积的乘积即F= pA 其作用方向垂直于壁面。1.5.3流体动力学1 基本概念(1) 理想液体和稳定流动所谓“ “理想液体” 是一种无钻性、不可压缩的液体。当液 体在流动时其内部任意点处的压力、速度和密度都不随时间 而变化这种流动称为稳定流动。理想液体和稳定流动是为了 研究的方便而假想出来的概念。(2) 通流截面、流量和平均流速液体在管道中流动时其垂直于流动方向的截面称为通流截面 对于等径

20、直管通流截面就是管道的横截面vdAA(1-9)单位时间内流过通流截面的液体体积称为流量。用q表示。 对于微小流束通过该通流截面的流量为dq=vdA-流过整个 通流截面A的流量为q在实际流动中通流截面上各点的流速是不同的距通流截面中 心越近点的流速越大平均流速是通流截面上各点流速的平 均值用V表示可用下式计算：v=q/A（1-10）式中q通过通流截面的液体流量常用单位为m3/S、 L/min;A-通流截面的面积上一页下一页返回1-5液压与气动技术的基木理论O (3)层流、紊流和雷诺数o英国学者雷诺通过大量的实验研究发现流体有两种流动状态: 层流和紊流。当流体流速发生变化时其流动状态也将发生变 化

21、。在流速较低时各质点互不干扰液流做规则的、层次分 明的稳定流动此即为层流状态；在流速较高时.液体各质点互相碰撞液流做不规则旳、笨乱无章的紊乱流动. 此时即为紊流状态.Q|=o实验表明液体在圆丽赢动状态不仅与管内平均流速有关. 还与管径和流体的钻度有关，但真正决定液体流动状态的是 用这3个数所组成的一个称为雷诺数Re的无量纲数，即Re =O 2 连续性方程|=Ito从质量守恒定律可知液体在密闭管路中做稳定流动时单位 时间流过任一通流截面的液体质量相等。设液体在图丄-8所 示的管路中做稳定流动。若任取的42两个通流截面的面积 分别为Ax、A?并且在该两个截面处的液体密度和平均流速分 别为Pi、M和

22、卩2、巾根据质量守恒的原则在单位时间内流 过两个截面的液体质量相等即Qi U A = pz S A2 =常数o若忽略液体的可压缩性则Pi = P2 ,可得vj A = v2A2 =常数(1-12)O 3 伯努利方程o伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表现形式。O (1)理想液体的伯努利方程|=:l-iO设理想液体在如图也所示的管道内做稳定流动。任取一段 液流。作为研究对象设6、巧两截面中心到基准面60的 高度分别为叫和11两通流截面的面积分别为如、A?压力 分别为P和P2；由于它是理想液体，截面上的流速可以认为是 扬攵I空希也故设at、巧截筍剧痣薩分别为21和22。痕丧幺 过很短时间At以

23、后，3段液体移动到玄2位置。液体在两截 面处具有压力能、动能和位能能量之和不变由理论推导可 得理想液体伯努利方程为(1-13)节話+常数(1-14)上述伯努利方程的物理意义是:在密封管道内做稳定流动的理想液体具有3种形式的能量，即压力能、动能和位能。在流动过程中3种能量可以相互转化但在任一通流截面上.3种能量之和不变。(2)实际液体伯努利方程实际液体在管道内流动时由于液体存在钻性会产生内摩擦力消耗能量;同时管道局部形状和尺寸的骤然变化使液流产生扰动也消耗能量因此实际液体流动有能量损失。上一页下一页返回1-5液压与气动技术的基木理论O设单位重力液体在两截面间流动的能量损失为hw再考虑到 实际液体

24、在管道通流截面上的流速分布不均在用平均流速代 替实际流速计算动能时会产生误差引入动能修正因数a则 实际液体的伯努利方程为Pi隔2】3丄7 7 十氐2g=处十驴十仏十力 pg 2g(1-15)式中对于动能修正因数6 z a?的值当紊流时- 105）OOA = 0. 316耳 -25A = 0. 032 + 0.221R严如J 2A=1.74 + 21g(-)(1. 17)(1. 18)(1. 19)（3X16 或屁 900 白局部损失是由于管子截面形状突然变化、液流方向改变或其 他形式的液流阻力而引起的压力损失;液体流经各种阀的局部 压力损失由阀的产品技术规格中查得。(1-20)式中局部阻尼系数

25、(由实验确定具体数据查阅有关手 册)；v液体在管道中的平均流速；P液体密度。总的压力损失等于沿程损失 工和局部损失 工保之和. 即 工+工加 (1.21)2液体在小孔中的流动(1)液体在小孔中的流动小孔分为3种：小孔的长度I与直径d的比值不大于0.5的孔为 薄壁小孔；小孔的长度I与直径d的比值大于4孔为细长小孔； 小孔的长度I与直径d的比值介于054之间的孔为短孔。薄壁小孔的流量公式为Al收缩断面的面积;p小孔前后压力差。(1-22)上一页下一页返回1-5液压与气动技术的基木理论(2)短孔和细长孔的流量压力特性(1-23)o式中A-细长孔截面积oC_系数；oI 一管道长度。O细长孔受压差和钻度

26、变化影响较大且易堵塞短孔受压差影 响介于细长孔和薄壁小孔之间。(3)液体流经小孔的流量公式为O 3 缝隙液流特性 o （丄）平行平板的间隙流动o平行平板的间隙流动包括压差流动和剪切流动如图1泌2、1143所示。上一页下一页返回1-5液压与气动技术的基木理论o在压差作用下液体流经相对运动平行平板缝隙的流量为压差 流动和剪切流动两种流量的叠加，即时p 士导(1-24)上一页下一页返回1-5液压与气动技术的基木理论(2 )液体流经环形缝隙的流量如图-14所示,环形缝隙的流量公式为12M(1 + 1. 5孑)(1-25)o式中D大圆直径.D = 2R;o e =5无偏心时环形缝隙值。o （3）流量损失I三.o在液（气）压系统中各液（气）压元件都有相对运动的表面如 液压缸内表面和活塞外表面.因为要有相对运动所以它们之 间都有一定的间隙如果间隙的一边为高压油另一边为低压 油则高压油就会经间隙流向低压区从而造成泄漏。同时由 于液（气）压元件密封不完善一部分流体也会向外部泄漏。这 种泄漏造成实际流量有所减少这就是通常所说的流量损失. 如液压泵、液压缸、油箱、控制阀及管道、接头连接处元件 之间的泄漏。O 4液压冲击和气穴现象 o （丄）液压冲击;o在液压系统中当油路突然关闭或换向时会产生急剧的压力 升高这种现象叫液压冲击。O造成液压