液气压传动与控制第一章绪论

第一章绪论概述液气压传动的工作原理和系统组成液气压传动的工作介质液气压传动的优缺点液气压传动的发展趋势重要的技术基础课。掌握液气压传动技术基本的概念、理论和方法及其在控制工程中的应用；能分析阅读中等复杂的液气压传动图，并对其进行初步的设计和验算；会选择标准元件和设计非标准元件。以有压流体为能源介质来实现各种机械的传动和控制。性质：目的要求：研究对象：绪论概述1.1概述绪论概述一、系统组成绪论液气压传动的工作原理和系统组成系统组成1.2液气压传动的工作原理和系统组成是指以流体为工作介质，在密闭容器中实现能量转换、传递和控制的装置。（1）气体传动：以气体为工作介质的流体传动。流体传动——包括：（2）液体传动：以液体为工作介质的流体传动。根据工作原理不同又可分为：

①液力传动：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。

②液压传动：利用液体的压力能使执行元件（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。绪论液气压传动的工作原理和系统组成系统组成流体传动机构的组成：液压（气）缸/马达油箱、虑油器、油雾器等各种阀、传感器等液体、气体泵、空气压缩机绪论液气压传动的工作原理和系统组成系统组成绪论液气压传动的工作原理和系统组成系统组成流体传动的能量转换和传递过程如下：原动机机械能能源装置压力能执行装置机械能工作机构控制调节装置和辅助装置绪论液气压传动的工作原理和系统组成系统组成二、工作原理液压和气压传动的工作原理完全相似，都是基于“静压传递原理”

来工作的。（一）原理分析绪论液气压传动的工作原理和系统组成系统组成绪论液气压传动的工作原理和系统组成系统组成绪论液气压传动的工作原理和系统组成系统组成1.等压特性:根据帕斯卡定律“平衡液体内某一点的液体压力等值地传递到液体内各处”，即：输出端的力之比等于二活塞面积之比。

P1=P2=P=F/A1=W/A2或：W/F=A2/A1

2.等体积特性：假设泵缸2中活塞向下移动体积L1’则泵缸被挤出的液体体积为A1L1。这部分液体进入液压缸11，使其活塞上升L2，其排出体积的为A2L2

。即：A1L1=A2L2

或L2/L1=A1/A2绪论液气压传动的工作原理和系统组成系统组成进一步认为这些动作是在时间t内完成，活塞2的速度v1=L1/t，活塞1的速度v2=L2/t，则有：V2/V1=A1/A2这说明输出，输入的位移和速度都与二活塞面积成反比。上式可写成：A1V1=A2V2

这在流体力学中称为液流连续性原理，它反映了物理学中的质量守恒。绪论液气压传动的工作原理和系统组成系统组成3.能量守恒特性

WV2=FV1

注：等式左边和右边分别代表输出和输入的功率。这说明能量守恒也适用于液压传动。通过以上分析，上述模型中两个不同面积的活塞和液压缸相当于机械传动中的杠杆，其面积比相当于杠杆比，即A1/A2=b/a。因此采用液压传动可达到传递动力，增力，改变速比等目的。同时，在不考虑损失的情况下保持功率不变。绪论液气压传动的工作原理和系统组成系统组成(二)两个重要概念

1.

液压传动中的液体压力取决于负载

2.

流量决定速度绪论液气压传动的工作原理和系统组成系统组成为简化液压原理图的绘制，世界各国都以职能符号来绘制液压原理图，即各液压元件均用职能符号来表示。这些符号只表示元件的职能，连接到元件的线路，并不表示元件的具体结构和参数。我国GB786-86规定的液系图形符号为职能符号，与其他各国大同小异。国标规定：图中各元件的符号均以静止状态（或零工位）表示，工作油路以实线表示，控制油路以虚线表示。液压千斤顶的职能符号如右图。（二）职能符号绪论液气压传动的工作原理和系统组成系统组成吊车液压装置绪论液气压传动的工作原理和系统组成系统组成液压系统中的工作液体既是传递功率的介质，又是液压元件的冷却、防锈和润滑剂。在工作中产生的磨粒和来自外界的污染物，也要靠工作液体带走。工作液体的粘性，对减少间隙的泄漏、保证液压元件的密封性能都起着重要作用。因此，工作介质性能的好坏将直接影响到液压系统的工作性能和稳定性。

绪论液气压传动的工作介质1.3液气压传动的工作介质概述1.密度和重度一、工作介质的物理特性对于15℃的液压油：两者均随温度的升高而下降；随压力的升高而升高。绪论液气压传动的工作介质工作介质的物理特性设有两块平板，其间充满静止液体，下板固定，上板以匀速u0平行下板运动。两板间的液体便呈现出不同速度的运动状态，即：从附着在动板下面的液体层具有与动板等速的u0开始，向下逐渐减小，直到附着在定板上的速度为0。2.粘性（1）定义移动u0下板固定

这一事实说明，每一运动较慢的流体层都是在运动较快的流体层带动下才运动的；反之，运动较快的流体层则受到较慢流层的阻滞而不能运动得更快。动画演示绪论液气压传动的工作介质工作介质的物理特性绪论液气压传动的工作介质工作介质的物理特性流体在外力的作用下流动时，作相对运动的流体层之间由于分子间的内聚力而产生的摩擦力称为粘性

。与固体不同，静止的固体存在静摩擦力，而静止的流体不呈现粘性。？绪论液气压传动的工作介质工作介质的物理特性内摩擦力（F）的大小与两板之间液层的面积（A）成正比，与液层间的速度梯度（du/dz）成正比，还与液体的性质(粘性)有关。即：（2）牛顿内摩擦定律牛顿流体内摩擦定律绪论液气压传动的工作介质工作介质的物理特性式中:μ——动力粘度系数（Pa·s）；

τ——单位面积上的摩擦力（即剪切应力）；

——速度梯度，即液层间速度对液层距离的变化率。物理意义：当速度梯度为1时接触液层间单位面积上的内摩擦力。

法定计量单位：帕·秒（Pa·s）绪论液气压传动的工作介质工作介质的物理特性(1)切应力总是成对出现，其方向的确定方法为：当所研究的面被快层带动时,其上的τ与运动方向一致；当所研究的面被慢层阻碍时,其上的τ与运动方向相反。则τ1

与

v1反向，τ2与v2

同向。即:注意:

(2)当速度梯度

=0时,则F=τ=0，即流体质点间无相对运动,流体静止或相对静止。绪论液气压传动的工作介质工作介质的物理特性粘度是表示粘性大小的一种度量，有三种表示方法：（3）粘度的表示方法及其相互关系①动力粘度（μ）——又称为绝对粘度，因其单位中有动力学要素而得名。可由牛顿内摩擦定律得到，指流体在单位速度梯度时，单位面积上的内摩擦力。1Pa·s=10P=1000cP其国际单位为：Pa·s；工程单位为：P（泊）或cP（厘泊）绪论液气压传动的工作介质工作介质的物理特性②运动粘度（υ）——

由于υ的单位中只有运动学要素，故称为运动粘度。1m2/s=104

St=106

cSt其国际单位为：m2

/s；工程单位为：St（沲）或cSt（厘沲）液压油的粘度等级就是以其40ºC

时运动粘度的某一平均值来表示，如：L-HM32液压油的粘度等级为32，40ºC时其运动粘度的平均值为32

mm2/s

（cSt）。绪论液气压传动的工作介质工作介质的物理特性③相对粘度(

)——由于μ的测定很困难，故工程上常采用测定方法较容易的相对粘度（又叫条件粘度）来表示，其数值与粘度计的种类，测试条件有关。温度一定时，200ml的被测液体在重力作用下流过恩氏粘度计（φ2.8mm的小孔）所需要的时间（t1）与20℃等体积蒸馏水流过同一粘度计所需要的时间（t2）之比，用ºE表示，即：a.恩氏粘度：中国及俄、德等欧洲国家使用恩氏粘度与运动粘度的换算：工业上常用20℃、50℃作为测定恩氏粘度的标准温度，记为ºE20，ºE50。

υ=0.0731ºE—1/0.0631ºE(cm3/s)ºEt=t1/t2绪论液气压传动的工作介质工作介质的物理特性

60ml被测液体在某一温度下流过直径0.17cm，长1.225cm的赛氏粘度计所需时间（s），用SSU表示。b.赛氏粘度：美国使用c.雷氏粘度：英国、日本等国使用

在某一温度下，50ml的被测液体，流过雷氏粘度计所需的时间（s），用R表示。绪论液气压传动的工作介质工作介质的物理特性①温度（4）影响粘度的因素流体的粘度随温度的变化而变化。这一特性称为“粘温特性”。

温度是影响粘度的最主要因素。它的变化会导致粘度的改变，致使液压元件的工作压力和速度改变，并有可能加重液压液的泄露，从而使液压传动的稳定性受很大影响。故粘温特性是液压油使用性能方面很重要的一个指标。？想一想，原因是什么绪论液气压传动的工作介质工作介质的物理特性粘温特性用粘度指数Ⅵ表示，表示被测油液的粘度随温度变化的程度同标准油液粘度随温度变化的程度的相对值。

显然，液体的粘度随温度的变化越小越好。

部分液压油的粘温曲线如图所示。

粘度指数越高，表示油液粘度受温度变化的影响越小，其粘温性能越好，反之越差。绪论液气压传动的工作介质工作介质的物理特性②压力流体的粘度随压力的变化而变化。这一特性称为“粘压特性”。压力的变化对分子的内聚力有少许影响，而对分子热运动影响不大。因此：一般认为气体的粘性与压力无关。其近似计算公式：μ0－－大气压下的动力粘度；κ－－系数，因液体的不同而异。对石油基液压油:P<50MPa，无明显影响；P>50MPa，P↑

→

μ↑；式中：绪论液气压传动的工作介质工作介质的物理特性3.流体的压缩性：压缩系数－－指在一定温度下，每增加单位压力时液体体积的相对变化量。①气体体积随温度（T）和压力（P）的变化规律用“状态方程”表示：②液体的压缩性用“压缩系数”表示。体积弹性模量绪论液气压传动的工作介质工作介质的物理特性在液压传动中，静态时一般不考虑液体的压缩性，但在压力较高，执行元件容积较大和动态计算中，则要考虑压缩性的影响。例：在温度和粘度相同时，初始压力为p=0.2MPa，则当压力上升至0.3MPa时，液体体积改变量为（1/2000），而气体体积的为（1/2），可见气体的压缩性远远高于液体的压缩性。液体与气体压缩性，哪一个更显著？?绪论液气压传动的工作介质工作介质的物理特性4.比热容单位质量的液体在温度每升高1℃时吸收的热量，称为比热容，单位为：。5.导热性它反映了油液吸收热量、抵抗温升的能力。表示液体传导热量的能力。常用液压油的比热容为：用导热系数衡量：绪论液气压传动的工作介质工作介质的物理特性6.闪点与燃点闪点又叫闪燃点，是指可燃性液体表面上的蒸汽和空气的混合物与火接触而初次发生闪光时的温度

。7.润滑性在金属摩擦表面形成牢固油膜的能力。燃点又叫着火点，是指可燃性液体表面上的蒸汽和空气的混合物与火接触而发生火焰能继续燃烧不少于5s时的温度可燃性液体的闪点和燃点表明其发生爆炸或火灾的可能性的大小，对运输、储存和使用的安全有极大关系。绪论液气压传动的工作介质工作介质的物理特性例：有一密闭于液压缸中的一段直径d=15cm，长L=40cm的液压油，它的体积膨胀系数βt=6.5×10-4l/K，此密闭容积一端的活塞不能移动。液压缸又是刚性的。若活塞上的外负载力不变，油温从-20℃上升到+25℃时，油液的膨胀能使液压缸中的液压油的压力上升多少？（取k=5×10-10m2/N）解：若活塞可以移动，则因油温升高而使液压油体积增大：可见：完全密闭的液压油，由于油温的增大而产生的数值如此之高的液体压力，很有可能使液压缸爆裂。这在使用环境周围的气温会产生很大变动的野外装置的液压系统应该注意。绪论液气压传动的工作介质工作介质的物理特性二、空气的湿度和含湿量

湿度的表示方法有两种：绝对湿度和相对湿度。１.湿度①绝对湿度:

单位体积的湿空气中含有水蒸气的质量。

ms——空气中水蒸气的质量;V

——湿空气的体积;Ps——水蒸气分压；Rs

——水蒸气的气体常数（462.05J/（kg·K））；绪论液气压传动的工作介质空气的湿度与含湿量②饱和绝对湿度：混合气体的压力为混合前各成分气体分压力的总和。用表示。

pb——水蒸气饱和压力；③相对湿度：在一定温度和压力下，绝对湿度和饱和绝对湿度之比称为该温度下的相对湿度，用φ表示。

气动系统中，各种阀在使用时相对湿度不能大于95%.

绪论液气压传动的工作介质空气的湿度与含湿量2.含湿量质量含湿量：单位质量的干空气中所混合的水蒸气的质量。用d表示，即：

含湿量是反映干空气中的混合水蒸气的数量。

ms

——水蒸气的质量；mg

——干空气的质量；②容积含湿量：单位体积的干空气中所混合的水蒸气质量。用d`表示，即：ρ

——干空气的密度。绪论液气压传动的工作介质空气的湿度与含湿量三、工作介质的种类及牌号液压传动中的工作介质，由于使用条件的差异，对介质的要求有很大的不同，因此其分类的方式也就多种多样：按油品类型分类：按可燃性分类：按化学组成分类：国家技术标准11118.—94规定了五种系列产品标准，即：HL、HM、HG、HV和HS，与国际通用标准ISO分类相同。其组成及油名如下表：其中用量最多的是矿物油型和合成烃型。有矿油型、合成油型和含水液型三种；有易燃、难燃、不燃三种；有矿物油、高水基液、水介质（海水，淡水）水包油乳化液、油包水乳化液、合成烃、聚醚、有机酯、磷酸酯、有机硅、卤代烃等；绪论液气压传动的工作介质工作介质的种类及牌号标准分类油品名称组成HL通用机床油具有防锈抗氧性能的精制矿物润滑油。HM抗磨液压油具有防锈抗氧、抗磨性能的精制矿物润滑油。HG液压导轨油具有防锈抗氧、抗磨和抗粘滑性的精制矿物润滑油。HV低温液压油具有防锈、抗氧、抗磨性能，加增粘剂的精制矿物润滑油。HS合成烃低温液压油具有防锈抗氧、抗磨性能的合成烃油。以上五种产品，按40℃运动粘度共分以下几种：

HL：一等品有15、22、32、46、68、100六个级号；

HM：一等品有22、32、46、68四个级号；

HG：一等品有32、68两个级号；

HV：一等品也有10、15、22、32、46、68、100七个级别；

HS：优等品、一等品各有10、15、22、32、46五个级别；

（注：HH、HR不常用，故未列出）；

绪论液气压传动的工作介质工作介质的种类及牌号牌号举例：具体见表1.1（P7）。绪论液气压传动的工作介质工作介质的种类及牌号注：1.液压油的牌号一般是以温度为40℃时的运动粘度（单位为厘沲）的平均值来表示的；2.旧标准是以50℃时的平均粘度值作为液压油的粘度等级牌号)。ISO粘度等级GB2512--81粘度等级(40℃)的运动粘度相近的旧标准粘度等级ISOVGl5N1513．5～16．510ISOVG22N2219．8～24．215ISOVG32N3228．8～35．220ISOVG46N4641．4～50．630ISOVG68N6861．2～74．840ISOVGl00N10090～11060

常用液压油的牌号和粘度等级对应关系绪论液气压传动的工作介质工作介质的种类及牌号四、液压传动介质的选用液压系统中传动介质的选用主要从两方面来考虑：类型——考虑液压系统工作环境及工作中抗燃、抗凝的要求和系统是否在极压抗磨性、粘温性、抗爬行性能等方面有基本要求。如：高温，有起火、爆炸危险的，用抗燃型油；其它情况多用矿物油；寒冷地区用低凝点油等。粘度

——1.

可以按照液压系统所配置的液压泵产品说

明书推荐的选用；2.

按照系统工作压力、工作环境及主要配合

副的相对运动速度来确定。绪论液气压传动的工作介质液压工作介质的选用一般说来：高温、高压、低速高粘度可以降低系统的泄露和摩擦损失；低温、低压、高速低粘度可以降低功率损失；绪论液气压传动的工作介质液压工作介质的选用高燃点和闪点

低凝固点

绪论液气压传动的工作介质液压工作介质的选用五、工作介质的污染和控制工作液体中的污染物来源包括：①液压装置组装时残留下来的污染物(如切屑、毛刺、型砂、磨粒、焊渣、铁锈等)；

②从周围环境混入的污染物(如空气、尘埃、水滴等)；

③在工作过程中产生的污染物(如金属微粒、锈斑、涂料剥离片、密封材料剥离片、水分、气泡以及工作液体变质后的胶状生成物等)。1．污染的原因及危害工作液体的污染度是指单位容积工作液体中固体颗粒污染物的含量(含量可用重量或颗粒数表示)。污染度的测定方法有以下两种：称重法和颗粒计数法。

2.固体污染物的测定绪论液气压传动的工作介质工作介质的污染与控制

(1)

液压元件在加工的每道工序后都应净化，装配后严格清洗。系统在组装前，油箱和管道必须清洗。用机械方法除去残渣和表面氧化物，然后进行酸洗。系统在组装后，用系统工作时使用的工作液体(加热后)进行全面清洗，不可用煤油。系统冲洗时应设置高效滤油器，并启动系统使元件动作，用铜锤敲打焊口和连接位。3.工作液体的污染控制为了减少工作液体的污染，可采取以下措施：

(2)

在油箱呼吸孔上装设高效空气滤清器或采用隔离式油箱，防止尘土、磨料和冷却水的侵入。工作液体必须通过滤油器注入系统。绪论液气压传动的工作介质工作介质的污染与控制

(3)系统应设置过滤器，其过滤精度应根据系统的不同情况来选定。

(4)系统工作时，一般应将工作液体的温度控制在65℃以下。工作液体温度过高会加速氧化，产生各种生成物。

(5)系统中的工作液体应定期更换，在注入新的工作液体前，整个系统必须先清洗一次。

绪论液气压传动的工作介质工作介质的污染与控制一、液压传动的优点：与机械传动、电气传动相比，液压传动具有以下优点：1、结构紧凑，重量轻，体积小。

2、可实现频繁的启动和换向，且易于实现过载保护。

3、大范围内实现无级调速（调速范围可达2000:1）。

4、易获得很大的作用力或扭矩，这是其突出优点。

5、工作平稳，冲击小，噪音低。

6、易实现功率放大。

7、容易和电气控制结合，实现自动控制。且润滑好，寿命长。

8、易于实现标准化，系列化和通用化，便于设计和运用。绪论液气压传动的优缺点液压传动的优点1.4液气压传动的优缺点二、液压传动的主要缺点

1、由于液压装置工作时不可避免的泄露和油液的可压缩性，及油液粘度受温度变化的影响较大，从而不易保证系统的稳定工作。因此，不易用于要求严格定比传动的系统中。

2、由于液体流动时损失较大，系统容易发热，产生振动和温升。因此，不易远距离输送。

3、液压元件的制造精度要求较高，因而成本高。4、发生故障不易检查和及时排除，要求维修人