第2章液压传动基本概念与工作液体

1、第二章 液压传动基本概念与工作液体第一节 液压传动基本概念液压传动是在流体力学、工程力学和机械制造技术基础上发展起来的一门较新的应用技术，它是现代基础技术之一，被广泛地应用于各工业部门。液压传动和液力传动都是利用液体为工作介质传递能量的，总称液体传动。但二者的根本区别在于：液压传动是以液体的压力能进行工作的；而液力传动是以液体的动能传递能量的，如液力联轴器。二者的传动原理完全不同。一、压传动工作原理现以图21所示的液压千斤顶为例说明液压传动的工作原理。液压千斤顶是一个简单而又较完整的液压传动装置。手柄1带动柱塞2做往复运动。当柱塞上行时，液压泵3内的工作容积扩大，形成负压，油箱5中的液体在大气

2、压作用下推开吸液阀4进入泵内，排液阀关闭；当柱塞下行时，吸液阀关闭，液体被挤压产生压力，当压力升高到足以克服重物10时，泵内工作容积缩小，排液阀6被推开，压力液体经管路进入液压缸推动活塞8举起重物做功。反复上下摇动手柄，则液体不断从油箱经液压泵输入液压缸，使重物逐渐上升。当手柄不动时，排液阀关闭，重物稳定在上升位置。工作时截止阀7应关闭，工作完毕打开截止阀，液压缸的液体便流回油箱。由此可得出液压传动的定义：液压传动是利用液体的压力能传递能量的传动方式。其工作原理是：液压泵将输入的机械能变为液压能，经密封的管道传给液压缸（或液压马达），再转变为机械能输出带动工作机构做功，通过对液体的方向、压力和

3、流量的控制，可使工作机构获得所需的运动形式。由于能量的转换是通过密封工作容积的变化实现的，故又称容积式液压传动。二、液压传动系统的组成液压传动系统简称液压系统。它是由若干液压元件组合起来并能完成一定动作的整体。液压元件是由若干零件构成的专门单元，一般是可以通用的、标准化的如泵、马达、阀等。不论是简单的液压千斤顶装置，还是复杂的液压系统，都可归纳为五个组成部分。(一) 液压泵它将原动机供给的机械能转变为液压能输出，是系统的动力部分。(二) 液动机（液压缸或液压马达）液动机又称液压执行机构。它将液压能转变为机械能，驱动工作机构做功，是系统的执行部分。(三) 控制阀控制阀控制液体的方向、压力和流量。

4、不同种类的控制阀有不同的控制作用，以满足工作机构的运动要求，是系统的控制部分。液压千斤顶的吸液阀、排液阀、截止阀都属于方向控制阀。(四) 辅助元件辅助元件包括油管、管接头、油箱、冷却器、滤油器、蓄能器和各种液体参数的监测仪表等，它们各具备不同的功能，保证系统正常工作。(五) 工作液体工作液体是传递能量的介质，也是液压元件的润滑剂。一、压传动的塞本工作特征液压传动与其他传动方式相比较，主要有两个基本工作特征：(1)力（或转矩）的传递靠液体压力来进行，并按照帕斯卡原理来实现。在图21中，液压泵和液压缸之间无任何机械联系。若柱塞和活塞的有效作用面积分别为和，柱塞在外力作用下，缸中液体将产生压力。若不

5、计各种阻力和液体自重，则这个压力便按帕斯卡原理等值地传递到密封容器中液体的各点，在活塞上产生作用力，实现了力的传递。若活塞面积很大，柱塞面积很小，则需很小的外力便能获得很大的作用力，向上举起重物，可知外力经液压传动后还能改变其大小和方向。(2) 速度（或转速）的传递按容积变化相等的原则进行。设图21中柱塞和活塞的移动速度分别为和，并认为液体没有泄漏和体积不可压缩，根据液流连续性原理，可知单位时间液压泵输出的液体体积，一定等于液压缸接受的液体体积，单位时间液压泵和液压缸的容积变化必然相等，即，由于和不等，所以和必然不等。此处，则，可知液压传动不但能传递速度，也能改变其大小和方向。四、两个墓本参数

6、和两个重要概念(一) 两个墓本参数它们是压力(P)和流量(Q)。液压传动的工作性能、结构设计和液压元件的选择都取决于这两个参数。其概念和单位已在流体力学一章中作了介绍。液体压力在单位时间内所做的功为液压功率(P)，由图2-1可知 (21)即液压功率为压力和流量的乘积。在液压传动中，通常将压力分为五级：低压(0 P 2.5 Mpa)，中压(2.5 MPa P 8 Mpa)，中高压(8 MPa P 16 Mpa)，高压(16 MPa P 32 Mpa，超高压( p > 32 Mpa )。(二) 两个重要概念1. 液体压力取决于负载由千斤顶的工作原理可知，若重物越重，即外负载越大，则阻止液体流

7、动的阻力越大，液体压力必须相应升高才能使活塞运动；若外负载很小，则很小的液体压力就能推动活塞。这两种情况所需要的外加作用力F也不同。当活塞运动后，液体作用力与负载力相平衡，压力将不再增加。可知有了负载，液体才会产生压力，并且压力大小取决于负载大小。液压泵输出液体的压力并不等于铭牌压力，而是受负载的支配，工作压力将随负载而变化。负载应理解为综合阻力，它包括外负载和各种流动阻力。2. 液压缸（或液压马达）的运动速度取决于输入流量若不考虑液体的压缩性和泄漏损失，根据，得 （22） 由此可知，当液压缸（或液压马达）几何参数不变时，其运动速度取决于输入流量的大小（）。理论上与压力无关，实际上压力通过对液

8、体泄漏的影响，而对运动速度产生间接的作用。五、液压系统图形符号液压系统可用结构原理图和职能符号图表示(一) 结构原理图结构原理图近似于实物的剖面，能直观地表示元件的工作原理和功能，利于故障分析，其绘制较麻烦，尤其是对于复杂液压系统，故已趋于淘汰。(二) 职能符号图采用国家规定的图形符号绘制，凡是功能相同的元件，尽管其结构和工作原理不同，均用同一种符号表示。图形符号简洁标准，绘制方便，功能清楚，保密性强，是各国普遍采用的方法。常用的图形符号见附录。在绘制和阅读符号图时应注意以下几点：(1) 符号图只表示元件的职能作用和彼此的连接关系，不表示元件的具体结构和参数也不表示具体安装位置；(2) 符号若

9、无特别说明，均表示元件处于静止位置或零位置；(3) 符号在系统图中的布置，除有方向性元件符号（如油箱、仪表等）以外，均可根据具体情况，水平或垂直绘制；(4) 凡标准未列人的图形符号，可根据标准的原则和所列图例的规律性进行派生，当无法直接引用及派生时，或者有必要特别说明某一元件的结构和工作原理时，允许局部采用结构简图表示。六、液压传动主要优缺点(一) 液压传动主要优点(1) 从结构上看，传递功率大，在相同输出功率条件下，重量轻，体积小。借助油管连接可灵活布局，便于和其他传动方式联用。易实现远距离传动（如液压支架）和操纵以及自动控制。(2) 从工作性能上看，速度、转矩和功率均可无级调节，易于改变运

10、动方向和变速，调速范围宽，可实现低速重载传动。(3) 从使用维护上看，液压元件自行润滑性好，易于实现系统的过载保护和保压。元件易系列化、标准化、通用化。(二) 液压传动的王要缺点(1) 液压传动需经过两次能量转换，由于压力损失、容积损失和机械损失，因此传动效率较低，一般为0.60.8,噪声也较大。(2) 由于液体泄漏和温度影响，传动速比不如机械传动准确。(3) 液压元件制造精度、使用和维护要求较高。液体污染对工作性能影响大，故障不易查找。油液泄漏也易造成环境污染。第二节 工作液体工作液体是液压传动的介质，其主要作用是传递能量和润滑元件。液压系统运转的可靠性、准确性和灵活性，除了依赖于本身的设计

11、和制造质量外，还依赖于所用的工作液体是否合适。液体的压力、流速和温度往往变化较大，所以其质量的优劣，会直接影响系统的工作性能。正确认识、选择和使用工作液体是相当重要的。一、 压传动对工作液体的基本要求(一) 适宜的粘度和良好的粘温特性粘度是工作液体的重要性质，粘度越大，液体流动阻力越大，压力损失也越大，严重时还会造成液压泵吸油困难；粘度过小，容易造成液体泄漏，降低系统的容积效率，所以必须具有适宜的粘度。粘温特性是指粘度随温度变化的性质。当温度升高时，分子运动加快，内聚力减少，粘度将显著下降。例如，46号L一HH油；在40时运动粘度，46 mm²/s, 50时30 mm²/s

12、, 60时20 mm²/s。粘度随温度变化小，则称粘温特性好。粘温特性可用粘度指数(V·)表示，粘度指数是一个约定量值，是被试液体的粘度随温度变化的程度，同两种标准液体（V·I分别为0和100）枯度变化程度比较的相对值。V·I是油品技术指标之一，国标GB 1995一88规定了V·I的测定和计算方法。粘度指数越大，粘温特性越好。在液压系统工作时，希望粘度随温度的变化尽量小，以保证传动性能的稳定，一般要求V·I90。当前一些专用液压油的粘度指数已超过100。(二) 良好的润滑性能润滑性是指液体在运动副表面作为分界层和润滑剂的能力。润滑性好

13、，即表明油膜对运动表面有牢固的附着能力，并且保证摩擦因数很小，从而增加元件的寿命。(三) 良好的化学稳定性良好的化学稳定性主要体现在对氧化和热都有良好的抵抗能力。(1) 抗氧化稳定性：是指工作液体抵抗与氧起化学反应引起永久变质的能力。常温时矿物油类工作液体与空气或其他氧化物接触后会氧化，产生酸性物质使金属表面腐蚀，且易产生沉淀物，引起元件运动副间隙和工作小孔堵塞，使系统动作失灵。影响氧化反应最大的外界因素是温度，研究表明，矿物油的温度超过55时，温度每升高10 °C，反应速度约提高1倍。(2) 热稳定性：是在不考虑氧存在的条件下，工作液体抵抗由热引起的永久变质能力。矿物油是有机化合物

14、的混合物，温度过高将引起裂化和聚合，产生胶状杂质。当工作液体受热和氧化变质后，其性质要起变化，颜色逐渐变深，杂质增多，粘度增大，酸性值升高产生腐蚀，影响液压系统正常工作。液压设备规定换油周期，就是考虑工作液体变质的影响。为了减缓变质速度，液压系统的工作温度应限制在1560范围内，短时运转不超过80，比较理想的是3055。(四) 良好的抗乳化性抗乳化性是指矿物油类工作液体抵抗遇水乳化变质的能力。水能引起金属锈蚀，促使油液挥发，甚至相互作用生成腐蚀性沉淀物，降低润滑性、防锈性和使用寿命，所以要尽可能防止水混入油中（乳化液例外）。(五) 良好的抗泡沫性抗泡沫性是指混入气体时，液体内不易生成微小气泡和

15、泡沫，即使生成也会迅速分离升出液面自行破灭。游离的气泡将增加液体的压缩性，恶化系统动态特性，又会促使气穴现象发生。(六) 闪点要高、倾点要低、腐蚀性要小、质地纯净矿物油加热后产生可燃性气体，一接近火焰便瞬间闪火，这个最低温度称为闪点。温度继续上升，若连续燃烧5s以上，这时的温度称为燃点。一般液压传动用油的闪点为130200，闪点和憔点是衡量矿物油防火性能的主要指标。工作液体的低温性能用倾点或凝点衡量。矿物油失去流动性而开始具有塑性的温度称为凝点，比凝点高左右的温度称为倾点。倾点和凝点对低温操作和冬季室外工作有重要意义。一般液压传动用油的倾点约为一1510,L一HV液压油可达一36，航空液压油则

16、可达70。工作液体的温度必须高于倾点10以上。二、工作液体的添加剂如前所述，液压传动工作液体有多种要求，单一组成的矿物油自身性能并不完全具备这些性质，因此需要加入少量其他物质，以改善其性能。这种能改变基础液体的某些性质而不改变其成分和结构的物质称为添加剂。现代液压设备应用的工作液体几乎都含有各种用途的添加剂，其含量一般不超过基础液体的2%。常用添加剂有以下几种：(一) 增粘剂增粘剂亦称粘度指数改进剂。低粘度的液体中加入增粘剂，可提高粘度，并改善粘温特性。增粘剂是一种油溶性高分子聚合物，它以团状物分散在液体中，加入越多，液体粘度越高。当温度降低时，它能紧紧收缩，使液体分子相对位移的内摩擦力增加的

17、幅度不大，即粘度增加不显著；而当温度升高时，聚合物分子又能舒展开来，增加内阻，避免液体内摩擦力大幅度下降。增粘剂的这种随温度变化的收缩和舒展作用，有效地改善了粘温特性(二) 抗磨剂抗磨剂可在金属表面形成很强的吸附油膜和化学反应膜。在高负荷（高压）下，吸附油膜有可能破裂，使摩擦增大，产生局部高温。抗磨剂在高温时与金属表面起化学反应，生成一层塑性高、熔点低的薄膜，填平了金属表面的凹坑，形成光滑的固体润滑膜，防止金属表面直接摩擦，降低摩擦因数，增强润滑性。(三) 抗氧化剂抗氧化剂能抑制氧化作用，又能在金属表面形成防蚀保护层，以免酸性物质直接接触金属。(四) 消泡剂消泡剂是一种能减少泡沫生成和加速泡沫

18、破裂的物质。(五) 防锈剂防锈剂能吸附于金属表面，形成一层牢固的吸附油膜，防止金属同水和酸性物质直接接触，达到防锈目的。一、作液体的种类和性能(一) 种类工作液体是随着液压传动的发展而发展的，从18世纪末发明水压机开始，水作为传动介质一直使用了一百多年，水具有安全、经济、稳定、对人体无害等优点，但水粘度低，密封困难、润滑性差、易使金属锈蚀。20世纪初，随着石油工业的兴起，逐渐改用矿物油。开始大多采用一般的润滑油作为传动介质，由于液压技术的进步，其粘温性、稳定性、抗磨性等已不能满足要求，于是在润滑油中加入各种添加剂，形成各种专用液压油。液压油的性能在许多方面虽然比较理想，但在高温（如锻压）和有爆

19、炸危险（如煤矿）的地方，液压油的易燃性常导致安全事故的扩大。因而从20世纪40年代起，各国相继研制成功各类难燃液体。现在工作液体的种类繁多，1987年国家标准局发布了我国“润滑剂和有关产品（L类）的分类第2部分：H组（液压系统）”分类体系，即国家标准GB 7631.287，该标准等效地采用国际标准ISO 6743/41982的分类办法，将液压系统工作液体分为十七类（其中有两类用于流体动力系统），规定了产品符号和适用场合。但就其化学组成和可燃性而言，可归纳为两大类：矿物油型液压油和难燃液压液。(二) 常用工作液体的性能1.矿物油型液压油1) LHH液压油本产品为不含或含有少量抗氧化剂的精制矿物油

20、，可用于7 MPa以下的中、低压液压系统和轻负荷机械的一般循环润滑系统，其粘度等级（牌号）有15，22，32，46，68，100，150等七种。2) LHL液压油本产品为改善防锈、抗氧化性的精制矿物油，常用于7 MPa以下的要求较高的中、低压液压系统和要求换油期较长的轻负荷机械的油浴式润滑系统，性能比LHH液压油优越，其粘度等级有15，22，32，46，68，100等六种。3) LHM液压油本产品是在LHL油基础上改善了抗磨性的矿物油，又称抗磨液压油。适用于低、中、高压液压系统和中等负荷机械的润滑，其粘度等级有15，22，32，46，68，100，150等七种。4) LHV液压油本产品是在L-

21、HM油的基础上改善了粘温性的矿物油，又称低温液压油。适用于环境温度变化较大和工作条件恶劣（野外工程和远洋船舶等）的低、中、高压液压系统和中等负荷的机械润滑，倾点可达36，其粘度等级有15，22，32，46，68，100等六种。2.难燃液压液国标87将难燃液压液分成八类，应用场合比较特殊，观仅介绍煤矿液压支护设备使用的水包油型乳化液。1)水包油型乳化液的组成按分类体系，水包油型乳化液的产品符号为LHFAE液压液，它是由水和乳化油混合而成的稳定液体。其中水占98%85%，乳化油仅占215%，乳化油分散成微小油珠均匀地散布于水中。乳化液不可燃，安全性好，价格底廉，对人体皮肤无刺激无损害，具有一定的润

22、滑性，其粘度基本上与水的粘度一样，特别适用于煤矿液压支护设备。乳化油是以矿物油为基础油，加入乳化剂、防锈剂和其他添加剂组合而成的可溶性油。基础油占乳化油组成的50%80%，其主要作用是作为各种添加剂的载体，同时增加乳化液的润滑性。常用的基础油为轻质润滑油，目的是使乳化油流动性好，易于在水中分散乳化。乳化剂是使油和水乳化而成稳定性液体的关键性添加剂。其独特作用是借分子中的亲油亲水两个基团而牢固地吸附在水油界面上，借以大大降低液体的表面张力，从而使油水乳化并保持稳定。国产SM10和MDT乳化油，是液压支架的专用油。SM10乳化油在常温下是一种棕红色均一透明液体，具有良好的稳定性、清洗性和防锈性，对

23、硬水有一定的络合能力，可适应不同硬度水质条件。使用浓度为3%7%，在50时运动粘度为56 mm/s。其主要缺点是含有天然松香，致使储存时间较长时，色泽变深，粘度增加，有效储存期为一年半。SM10乳化油在使用过程中易皂化，使乳化液生成一些有害粘稠物。MDT乳化油在常温下是一种浅紫红色均一透明液体，它采用其他添加剂代替了SM10中的天然松香，消除了由此产生的一些缺点，它们的主要性能指标和使用浓度都基本相同，在50时的运动粘度为40 mm/s。2) 乳化液的配制要求(1) 配液用水必须清洁无污染。表示水的酸碱性的pH值应在69之间。对于pH值在6以下的酸性水必须加以适当中和才可使用，水呈酸性和碱性都

24、会使金属腐蚀，尤以酸性为甚。酸性水还会使乳化油降低甚至丧失乳化能力。水的硬度要适当，一般情况尽可能不用高硬水和特硬水。硬度主要是指溶解在水中的钙镁盐量的多少，含量多硬度大，水的硬度也会影响乳化能力，影响乳化液的稳定性。(2) 掌握好配液的比例。对于液压支架一般采用5%乳化油加95的水，对于单体液压支柱采用2乳化油加98的水，也可根据水的硬度作适当调整，水的硬度大，乳化油的浓度可稍大一些。(3) 配制前要先搅拌乳化油，然后将乳化油慢慢倒入水中，并要不停地搅拌。由于油滴直径大小不同10),乳化液的外观也由透明、半透明、玉色直至乳白色，油滴愈小，乳化液愈透明，也愈稳定。(4) 要采用同一牌号、同一厂

25、家生产的乳化油，不可混用。乳化油属于易然品，储存、运输时应注意防火，储存期一般以一年为限一、作液体的选择(一)选择工作液体的类别首先必须了解各类工作液体的性能和适用范围，再根据液压系统的工作环境和载荷条件，选择其类型，同时考虑经济性，即价格、货源、使用寿命以及安全运行周期等。在有高温热源或对安全运行有特殊要求的工作环境，应选择适当的难燃液压油，如大型压力机，煤矿液压支扩设备等。当前大多数液压设备采用矿物油型液压油。对于中、低压系统宜选用LHL液压油，当要求不高时也可选用LHH液压油；对于高压系统宜选用LHM液压油；当环境温度低或温度变化大的条件，则选用倾点低、粘温性好的LHV液压油。应尽可能不

26、用代用油品。考虑到井下采煤机械工作条件和载荷特征，目前采煤机液压牵引部都采用LHM液压油。(二) 选择工作液体的粘度等级（牌号）工作液体类别确定后，还应该选择合适的粘度等级，其目的在于使摩擦力和泄漏所引起的功率损失之和尽可能地小。一般地讲，液动机运动速度高，宜采用较低粘度，以减少摩擦损失；工作压力或温度高时，宜采用较高粘度，以减少泄漏。在液压系统中，液压泵的运转速度、工作压力和温度比其他元件都高，它是系统中对粘度最敏感的元件，所以通常根据泵的要求来选择粘度，各类液压泵适用的粘度如表21所示。采煤机牵引部和其他井下机械（如掘进机、侧卸式装岩机）的液压系统，普遍采用柱塞泵，其工作压力大多在10 M

27、Pa以上。系统工作温度变化较大，一般为4080。井下环境潮湿，常常有水侵入，则要求液压油应有合适的粘度，良好的抗磨性、粘温性、防锈性、抗乳化性、抗氧化性及抗泡性。所以，应根据功率大小使用LHM68, LHM100或LHM150液压油。表21按液压泵类型推荐的工作液体粘度五、工作液体的污染与控制如果说合理选择是工作液体应用的前提，那么维护管理则是工作液体应用的基础。据国外统计，液压设备的故障大约有70是由于工作液体的选择、使用、管理不当造成的，而这当中有85是由于污染老化引起的，所以对这方面的问题应给予足够的重视。(一) 污染的途径与危害工作液体的污染主要通过两条途径，即外部侵入污染和内部再生污染。1外部侵入污染(1) 工作液体运输、储存过程中侵入污染物，如水分、锈垢、灰尘、异种油和其他固体颗粒等。(2) 液压元件在加工、装配、存放过程中残留或混入污染物，如铁屑、砂粒、焊渣、铁锈、橡胶碎块、棉纱等。(3) 液压系统在工作过程中由于密封不完善或密封损坏而混入污染物，如空气、粉尘、水分和其他杂质2内部再生污染内部再生物主要是工作液体的氧化变质和零件磨损产生的污染物。工作液体内