液压与气动传动第1章绪论

1、第第1 1章章 绪绪 论论1.1 液压与气压传动系统的工作原理和组成液压与气压传动系统的工作原理和组成1.2 液压与气压传动的特点液压与气压传动的特点1.3 液压与气压传动的概况液压与气压传动的概况1.4 液压与气压传动的图形符号液压与气压传动的图形符号1.5 液压与气压传动工作介质的性质和选择液压与气压传动工作介质的性质和选择1.6 液压与气压传动工作介质的污染及控制液压与气压传动工作介质的污染及控制一、系统组成一、系统组成机器机器原动机原动机传动机构传动机构工作机构工作机构机械传动机械传动流体传动流体传动电气传动电气传动是指以流体为工作介质，在是指以流体为工作介质，在密闭容器密闭容器中实现

2、能量转换、中实现能量转换、传递和控制的装置。传递和控制的装置。（1）气体传动：气体传动：以气体为工作介质的流体传动。以气体为工作介质的流体传动。流体传动流体传动包括：包括：（2）液体传动：液体传动：以液体为工作介质的流体传动。以液体为工作介质的流体传动。 根据根据工作原理不同工作原理不同又可分为：又可分为： 液力传动：液力传动：主要是利用液体的动能冲击工作机械，使之主要是利用液体的动能冲击工作机械，使之运转和进行能量转换，称为动力式液压传动，简称液力传动。运转和进行能量转换，称为动力式液压传动，简称液力传动。 液压传动：液压传动：利用液体的压力能使执行元件（油缸或油马利用液体的压力能使执行元件

3、（油缸或油马达）的容积发生变化而做功，称为容积式液压传动，简称液压传动。达）的容积发生变化而做功，称为容积式液压传动，简称液压传动。1.1 液压与气压传动系统的工作原理和组成液压与气压传动系统的工作原理和组成1.液压与气压传动系统的工作原理液压与气压传动的基本工作原理是相似的，现以千斤顶来简述液压传动的工作原理 液压传动系统的工作原理液压传动系统的工作原理(2/4)液压传动系统的工作原理液压传动系统的工作原理(3/4)1. 1. 等压特性等压特性: :根据帕斯卡定律根据帕斯卡定律“平衡液体内某一点的液体压平衡液体内某一点的液体压力等值地传递到液体内各处力等值地传递到液体内各处”，即：输出端的力

4、之比等于二，即：输出端的力之比等于二活塞面积之比。活塞面积之比。 P P1 1=P=P2 2=P=F/A=P=F/A1 1=W/A=W/A2 2 或或 ：W/F=AW/F=A2 2/A/A1 1 2. 2. 等体积特性等体积特性：假设泵缸：假设泵缸2 2中活塞向下移动体积中活塞向下移动体积L L1则泵缸则泵缸被挤出的液体体积为被挤出的液体体积为A A1 1L L1 1。这部分液体进入液压缸。这部分液体进入液压缸1111，使其，使其活塞上升活塞上升L L2 2，其排出体积的为，其排出体积的为A A2 2L L2 2 。 即：即： A A1 1L L1 1=A=A2 2L L2 2 或或 L L2

5、 2/L/L1 1=A=A1 1/A/A2 2 原动机驱动空气压缩机，空气压缩机将原动机的机械能转换为气体的压力能，受压缩后的空气经后冷却器，除油器，干燥器，进入到储气罐。储气罐用于储存压缩空气并稳定压力，压缩空气再经过滤器，由调压阀（减压阀）将气体压力调节到气压传动装置所需的工作压力，并保持稳定。油雾器用于将润滑油喷成雾状，悬浮于压缩空气中，使控制阀 及气缸得到润滑。经过处理的压缩空气，通过气压控制元件10、11、12、14和15的控制进入气压执行元件13，推动活塞带动负载工作。（2）气压传动系统的工作原理液压与气压传动系统的基本特征液压与气压传动系统的基本特征(1/1) 液压与气压传动系统

6、的基本特征(短片) 从液压传动系统和气压传动系统这两个例子可以看出： （1）液压与气压传动是分别以液体和气体作为工作介质来进行能量传递和转换的； （2）液压与气压传动是分别以液体和气体的压力能来传递动力和运动的； （3）液压与气压传动中的工作介质是在受控制、受调节的状态下进行工作的。 2.液压和气压传动系统的组成 液压和气压传动系统大体上由以下五部分组成： （1）动力装置 动力装置是指能将原动机的机械能转换成为液压能或气压能的装置，它是液压与气压传动系统的动力源。对液压传动系统来说是液压泵，其作用是为液压传动系统提供压力油；对气压传动系统来说是气压发生装置，也称为气源装置，其作用是为气压传动系

7、统提供压缩空气。 （2）控制调节装置 它包括各种阀类元件，其作用是用来控制工作介质的流动方向、压力和流量，以保证执行元件和工作机构按要求工作。 液压与气压传动系统的组成液压与气压传动系统的组成(2/3) （3）执行元件 执行元件指缸或马达，是将压力能转换成机械能的装置，其作用是在工作介质的作用下输出力和速度（或转矩和转速），以驱动工作机构作功。 （4）辅助装置 除以上装置外的其它元器件都被称为辅助装置，如油箱、过滤器、蓄能器、冷却器、分水滤气器、油雾气、消声器、管件、管接头以及各种信号转换器等。它们是一些对完成主运动起辅助作用的元件，在系统中也是必不可少的，对保证系统正常工作有着重要的作用。

8、（5）工作介质 工作介质指传动液体或传动气体，在液压传动系统中通常称为液压油液，在气压传动系统中通常指压缩空气。 液压与气压传动系统的组成液压与气压传动系统的组成(3/3) 液压与气压传动系统在工作过程中的能量转换和传递情况见图1.4。 1.2 液压与气压传动的特点液压与气压传动的特点1.液压传动的特点 优点： （1）与电动机相比，在同等体积下，液压装置能产生更大的动力，也就是说，在同等功率下，液压装置的体积小、重量轻、结构紧凑，即它具有大的功率密度或力密度，力密度在这里指工作压力。 （2）液压装置容易做到对速度的无级调节，而且调速范围大，并且对速度的调节还可以在工作过程中进行。 （3）液压装

9、置工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向。 （4）液压装置易于实现过载保护，能实现自润滑，使用寿命长。液压传动的特点液压传动的特点(2/2) （5）液压装置易于实现自动化，可以很方便地对液体的流动方向、压力和流量进行调节和控制，并能很容易地和电气、电子控制或气压传动控制结合起来，实现复杂的运动和操作。 （6）液压元件易于实现系列化、标准化和通用化，便于设计、制造和推广使用。 缺点： （1）由于液压传动中的泄漏和液体的可压缩性使这种传动无法保证严格的传动比。 （2）液压传动有较多的能量损失（泄漏损失、摩擦损失等），因此，传动效率相对低。 （3）液压传动对油温的变化比较敏感，不宜在较高或较低的温度

10、下工作。 （4）液压传动在出现故障时不易诊断。 2.气压传动的特点 优点： （1）气压传动的工作介质是空气，它取之不尽用之不竭，用后的空气可以排到大气中去，不会污染环境。 （2）气压传动的工作介质粘度很低，所以流动阻力很小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送。 （3）气压传动对工作环境适应性好，在易燃、易爆、多尘埃、强辐射、振动等恶劣工作环境下，仍能可靠地工作。 （4）气压传动动作速度及反应快，液压油在管道中流动速度一般为1 5 m/s，而气体流速可以大于10 m/s，甚至接近声速。因此在0.02 0.03 s内即可以达到所要求的工作压力及速度。 （5）气压传动有较好的自保持能力。即使压缩机

11、停止工作，气阀关闭，气压传动系统仍可维持一个稳定压力。而液压传动要维持一定的压力，需要能源工作或在系统中加蓄能器。气压传动的特点气压传动的特点(2/2) （6）气压传动在一定的超负载工况下运行也能保证系统安全工作，并不易发生过热现象。 缺点： （1）气压传动系统的工作压力低，因此气压传动装置的推力一般不宜大于1040 kN，仅适用于小功率的场合，在相同输出力的情况下，气压传动装置比液压传动装置尺寸大。 （2）由于空气的可压缩性大，气压传动系统的速度稳定性差，给系统的位置和速度控制精度带来很大影响。 （3）气压传动系统的噪声大，尤其是排气时，须加消音器。 （4）气压传动工作介质本身没有润滑性，如

12、不采用无给油气压传动元件，需另加油雾器进行润滑，而液压系统无此问题。1.3 液压与气压传动的概况液压与气压传动的概况1.液压与气压传动的现状行业名行业名称称应用场所举例应用场所举例工程机械挖掘机、装载机、推土机、压路机、铲运机等起重运输机械汽车吊、港口龙门吊、叉车、装卸机械、皮带运输机等矿山机械凿岩机、开掘机、开采机、破碎机、提升机、液压支架等建筑机械打桩机、液压千斤顶、平地机等农业机械联合收割机、拖拉机、农具悬挂系统等冶金机械电炉炉顶及电极升降机、轧钢机、压力机等轻工机械打包机、注塑机、校直机、橡胶硫化机、造纸机等汽车工业自卸式汽车、平板车、高空作业车、汽车中的转向器、减振器等2.液压与气压

13、传动的发展 16511654，帕斯卡（Pascal，Blaise），提出一个关于液体压力的定律，后人称为帕斯卡定律。 1795 年英国约瑟夫布拉曼 (Joseph Braman,1749 - 1814) ，在伦敦用水作为工作介质 , 以水压机的形式将其应用于工业上 , 诞生了世界上第一台水压机。 1905 年将工作介质水改为油 , 性能又进一步得到改善。 第一次世界大战 (1914 - 1918) 后液压传动广泛应用 , 特别是1920 年以后 , 发展更为迅速。液压元件大约在 19 世纪末 20 世纪初的 20 年间 , 才开始进入正规的工业生产阶段。 1925 年维克斯 (F.Vikers

14、) 发明了压力平衡式叶片泵 , 为近代液压元件工业或液压传动 的逐步建立奠定了基础。 第二次世界大战 (1941 - 1945) 期间 , 在美国机床中有30% 应用了液压传动。应该指出, 日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近 20 多年。在 1955 年前后, 日本迅速发展液压传动 ,1956 年成立了“ 液压工业会 ”。近 20-30 年间，日本液压传动发展之快，届世界领先地位。 上世纪50年代-70年代，工艺水平有了很大提高，液压技术迅速发展，其应用渗透到了国民经济的各个领域。1.4 液压与气压传动的图形符号液压与气压传动的图形符号 图1.1所示的液压系统是一种半结构式的工作原理图。它有

15、直观性强、容易理解的优点，当液压系统发生故障时，根据原理图检查十分方便，但图形比较复杂，绘制比较麻烦。 我国已经制定了一种用规定的图形符号来表示液压原理图中的各元件和连接管路的国家标准，即“液压系统图图形符号(GB/T 786.1-93)”。我国制订的液压系统图图形符号(GB/T 786.1-93)中，对于这些图形符号有以下几条基本规定。 (1)符号只表示元件的职能，连接系统的通路，不表示元件的具体结构和参数，也不表示元件在机器中的实际安装位置。 (2)元件符号内的油液流动方向用箭头表示，线段两端都有箭头的，表示流动方向可逆。 (3)符号均以元件的静止位置或中间零位置表示，当系统的动作另有说明

16、时，可作例外。1.5 液压与气压传动工作介质的性质和选择液压与气压传动工作介质的性质和选择1.液压工作介质的种类 在液压传动系统中所使用的工作介质大多数是石油基液压油，但也有合成液体、水包油乳化液（也称为高水基）和油包水乳化液等，近些年来，水压传动的研究又有上升的趋势，水压传动包括纯水传动和海水传动等。(短片) 工作介质石油基液压油无添加剂的石油基液压液（L-HH）HH + 抗氧化剂、防锈剂（L-HL）HL + 抗磨剂（L-HM）HL + 增粘剂（L-HR）HM + 增粘剂（L-HV）HM + 防爬剂（L-HG）难燃液压液含水液压液高含水液压液（L-HFA）水包油乳化液（L-HFAE）水的化学

17、溶液（L-HFAS）油包水乳化液（L-HFB）水乙二醇（L-HFC）合成液压液磷酸酯液（L-HFDR）氯化烃（L-HFDS）HFDR+HFDS（L-HFDT）其它合成液压液（L-HFDU）2.液压工作介质的性质 （1）密度 单位体积内的液体质量称为密度。即 3(/)mKg mV（2）可压缩性和膨胀性 液体受压力作用而发生体积减小的性质称为液体的可压缩性可压缩性。体积为V的液体，当压力增大p时，体积减小V,则液体在单位压力变化下的体积相对变化量为k称为液体的压缩系数。k的倒数称为液体的体积弹性模量，以K表示K表示产生单位体积相对变化量所需要的压力增量，再实际应用中，常用K值说明液体抵抗压缩能力的

18、大小。0VVkp KVVp 1液压工作介质的性质液压工作介质的性质(4/9)(3)液体的粘性：液体的粘性：液体在外力作用下流动（或有流动趋势）液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产生的内摩擦时，分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产生的内摩擦力，叫做液体的粘性。力，叫做液体的粘性。 n特征：液体流动时才会呈现粘性特征：液体流动时才会呈现粘性 动有；动有； 液体静止时则不显示粘性液体静止时则不显示粘性 静无。静无。 n液体的粘度：液体的粘度： 液体粘性的大小可用粘度来衡量。液体粘性的大小可用粘度来衡量。 粘度是液体的根本特性，也是选择液压油的最重要指标粘度是液

19、体的根本特性，也是选择液压油的最重要指标 常用的粘度有三种：即动力粘度、运动粘度和相对粘度常用的粘度有三种：即动力粘度、运动粘度和相对粘度 3. 对液压工作介质的要求 液压传动系统所使用的工作介质（液压油液）应具备以下的基本性能： （1）合适的粘度，润滑性能好，并具有较好的粘温特性； （2）质地纯净、杂质少，并对金属和密封件有良好的相容性； （3）对热、氧化、水解和剪切有良好的稳定性； （4）抗泡沫性、抗乳化性和防锈性好，腐蚀性小； （5）体积膨胀系数小，比热容大，流动点和凝固点低，闪点和燃点高； （6）对人体无害，对环境污染小，成本低，价格便宜。4.液压工作介质的选择 液压油液的选用，首先应

20、根据液压传动系统的工作环境和工作条件来选择合适的液压油液类型，然后再选择液压油液的粘度。 液压系统的工作压力 压力高，要选择粘度较大的液压油液。 环境温度 - 温度高，选用粘度较大的液压油液。 运动速度 - 速度高，选用粘度较低的液压油液。 5.气压工作介质 气压工作介质主要是指压缩空气。空气是由若干种气体混合组成的，主要有氮气（N2）、氧气（O2）及少量的氩气（Ar）和二氧化碳（CO2）等。此外，空气中常含有一定量的水蒸汽。把不含有水蒸汽的空气称为干空气，把含有水蒸汽的空气称为湿空气。 氮和氧是空气中含量比例最大的两种气体，它们的体积比近似于4 1，因为氮气是惰性气体，具有稳定性，不会自燃，

21、所以用空气作为工作介质可以用在易燃、易爆场所。 6.空气的性质 （1）密度 单位体积内的空气质量被称为密度。在绝对温度为273.16 K，绝对压力为1.013 105 Pa时空气的密度为1.293 kg/m3左右。空气的密度随温度和压力的变化而变化，它与温度和压力的关系式如下： (1.9) 式中 0 空气在绝对温度273.16 K，绝对压力p0 = 1.013 105 Pa时的密度； t 摄氏温度； p 绝对压力。0016.27316.273ppt空气的性质空气的性质(2/7) （2）可压缩性和膨胀性 气体受压力的作用而使体积发生变化的性质被称为气体的可压缩性；气体受温度的影响而使体积发生变化

22、的性质被称为气体的膨胀性。 气体的可压缩性和膨胀性比液体的大得多，由此形成了液压传动与气压传动许多不同的特点。液压油在温度不变的情况下，当压力为0.2 MPa时，压力每变化0.1 MPa，其体积变化为1/20 000，而在同样情况下，气体的体积变化为1/2。即空气的可压缩性是油液的10 000倍。水在压力不变的情况下，温度每变化1C时，体积变化为1/20 000，而空气在同样条件下，体积却改变1/273，即空气的膨胀性是水的73倍。 空气的性质空气的性质(3/7) 空气的可压缩性及膨胀性大，造成了气压传动的软特性，即气缸活塞的运动速度受负载变化影响很大，因此很难得到稳定的速度和精确的位移。这些

23、都是气压传动的缺点。但同时又可利用这种软特性来适应某些生产要求。 （3）粘性 空气的粘性也是由于分子间的内聚力，在分子间相对运动时产生的内摩擦力而表现出的性质。由于气体分子间距离大，内聚力小，因此与液体相比，气体的粘度要小得多。 空气的粘度仅与温度有关，而压力对粘度的影响小到可以忽略不计。与液体不同的是，气体的粘度随温度的升高而增加。空气的性质空气的性质(4/7) （4）湿度 大气中的空气或多或少总含有水蒸汽。在一定的温度和压力下，空气中的水蒸汽的含量并不是无限的，当水蒸汽的含量达到一定值时，再加入水蒸汽，就会有水滴析出，此时水蒸汽的含量达到最大值，即饱和状态，这种湿空气称为饱和湿空气。当空气

24、中所含的水蒸汽未达到饱和状态时，称此时的水蒸汽是过热状态，这种湿空气称为未饱和湿空气。根据道尔顿定理，湿空气的压力p应为干空气的分压 pda与水蒸气分压 pv之和，即：(1.10)davppp空气的性质空气的性质(5/7) 湿空气中所含水蒸汽的程度用湿度和含湿量来表示。 （a）湿度 绝对湿度 1 m3 湿空气中所含有的水蒸汽质量称为湿空气的绝对湿度，用 表示：(1.11) 式中 mv 水蒸汽的质量； V 湿空气的体积。 在一定温度下，湿空气达到饱和状态时的绝对湿度称为饱和绝对湿度，用 表示。当 时，这时的湿空气是未饱和的；当 = 时，这时的湿空气是饱和的。绝对湿度只能说明湿空气中实际所含水蒸汽

25、的多少，而不能说明湿空气所具有吸收水蒸汽能力的大小。因此引入相对湿度的概念。vmVsss空气的性质空气的性质(6/7) 相对湿度 在相同温度和相同压力下，绝对湿度与饱和绝对湿度之比称为该温度下的相对湿度，用 表示： (1.12) 式中 ps 饱和湿空气水蒸气分压力。 相对湿度表示了湿空气中水蒸气含量接近饱和的程度，故也称为饱和度。它同时也说明了湿空气吸收水蒸汽能力的大小。 值越小，湿空气吸收水蒸汽的能力越强； 值越大，湿空气吸收水分能力越弱。通常，当 = 6070%时，人体感到舒适。气压传动技术中规定，各种阀内空气相对湿度不得大于90%。vss100%100%pp空气的性质空气的性质(7/7)

26、 （b）含湿量 1kg质量的干空气中所混合的水蒸汽的质量为质量含湿量，用d表示： (1.13) 式中 mda 干空气的质量。 含湿量也可以用容积含湿量来表示，其定义是1m3干空气中所含有的水蒸汽的质量。 （c）露点 湿空气的饱和绝对湿度与湿空气的温度和压力有关，饱和绝对湿度随温度的升高而增加，随压力的升高而降低。在一定温度和压力条件下的未饱和湿空气，当降低其温度时，也将成为饱和湿空气。未饱和湿空气保持水蒸汽压力不变而降低温度，达到饱和状态时的温度称为露点。当温度降至露点温度以下，湿空气便有水滴析出。降温法清除湿空气中的水分，就是利用此原理。vdamdm1.6 液压与气压传动工作介质的污染及控制液压与气压传动工作介质的污染及控制1. 工作介质污染的原因 液压油液被污染的原因是很