第1章 液压传动概述及工作介质

第1章液压传动概述与工作介质

液压与气压传动是研究利用流体压力传递运动和动力的一门科学。相对机械传动而言，液压与气压传动虽然起步较晚，但是，由于科学技术的快速发展和机件加工的日趋先进，液压与气压传动的发展速度非常迅猛。特别是当今，随着各种先进机械设备的操作和控制系统不断向高自动化、高智能化和高人机互动化的方向飞速前进，液压和气压传动凭借着其它传动方式无法比拟的优越性，已成为一种包括传动、控制和检测在内的一门完整的自动控制领域的重要学科，在各种先进机械设备的实际应用、研制和开发过程中，占据着非常重要的地位，是从事机、电、液、气一体化的技术工作者必须掌握的重要实用技术之一。1.1液压传动概述1.1.1液压传动的基本概念和基本原理图1-1液压千斤顶工作原理图1-手提杠杆2-泵体3-小活塞4、5-单向阀6-大活塞7-液压缸体8-截止阀9-油箱

液压千斤顶是一个简单而又典型的液压传动系统。其工作原理如图1-1所示。图中，由手提杠杆１、泵体２、小活塞３、单向阀４、5组成了千斤顶的手动液压泵；由活塞6和缸体7组成了可举升重物的液压缸。在图1-1中，手提杠杆１上下摆动时，小活塞３可在泵体内上下往复运动。当小活塞３上移时，泵体２下腔的密闭容积会随着小活塞３的上移而逐渐扩大，于是，泵体下腔内形成局部真空，在大气压力的作用下，油箱中的油液可经单向阀４吸入到泵体下腔的密闭容积里。当小活塞３下移时，泵体下腔的的密闭容积又逐渐变小，密闭容积内的液体压力随之升高，于是，单向阀４被关闭，密闭容积里的有压液体顶开单向阀5进入液压缸体7的下腔，形成了一个大的密闭回路，并通过密闭回路中的有压液体推动大活塞上升，对外传递运动和动力。反复不断地搬动杠杆，重物就会逐步上升到需要的位置；手动泵停止动作，大活塞也将停止运动。打开截止阀8，油液在重力的作用下流回油箱9，大活塞6随之落回原位。液压千斤顶举升重物的工作过程表明了：所谓液压传动，就是利用有压液体，经由一些液压元件控制之后，来传递运动和动力的一种传动形式。液压千斤顶的工作过程同时也揭示了液压传动的三个基本工作原理：

1．力的传递原理

在图1-1中，通过手动对泵体２内的液体施压，然后通过密闭回路中各质点相对静止的液体，将压力传递到液压缸7，推动液压缸7上的重物G。推动重物的工作压力是由重物的重量决定的，重物越重，推动重物的工作压力就越大；反之，重物越轻，推动重物的工作压力就越小，液体的工作压力不会因为在单位时间里流入液压缸7中的液体多少（即液体的流量）而发生改变。这种现象揭示了液压传动的一个基本工作原理，即力的传递原理：液压传动是以液体为工作介质，在密闭的回路里，依靠液体的静压力进行力的传递。液体的工作压力取决于负载的大小，与液体的流量大小无关。

2．速度的调节原理在图1-1中，手提杠杆的动作频率加快，在单位时间里流入液压缸的油液就会增加，大活塞上升的速度也会加快；反之，手提杠杆的动作频率减慢，大活塞的运动速度也会减慢。而且，液压缸运动时，即使回路中的工作压力发生变化，其运动速度也不会因为工作压力的大小变化而变化。这种现象揭示了液压传动的又一基本工作原理，即速度的调节原理：在液压传动中，调节输入执行元件的液体流量，即可调节执行元件的运动速度。执行元件的运动速度取决于液体的流量大小，与液体的压力大小无关。

3．能量的转换原理

在图1-1中，小活塞３作往复运动时，是外力对小活塞做功,不断增加小活塞的机械能，并通过小活塞将机械能转换成液体压力能。当油液的压力推动大活塞时，又将压力能转换成机械能对外做功。所以，液压传动的全过程就是一个将机械能转换成液体压力能，又将液体压力能转换成机械能的一个能量转换过程。

1.1.2液压系统的组成

图1-2是一个更为全面的液压传动系统，这一系统清晰地反映了液压系统的基本组成：图１-２磨床工作台液压系统的工作原理图1-油箱；2-滤油器；3-液压泵；4-溢流阀；5、7-换向阀；6-节流阀；8-液压缸；9-工作台

1．工作介质——液压系统中传递能量的物质。液压传动的工作介质主要是液压油。

在图1-2中，油箱１中的液压油通过液压泵３输送到系统里，再经油管输送到液压缸8，推动活塞运动。

2．动力元件——液压系统中将机械能转换成液体压力能，为液压系统提供压力油的能量输入元件。

在图1-2中，液压泵3将油箱1中的油液输送到工作回路，为系统提供足够流量的压力油，它就是该系统的动力元件。

3．执行元件——液压系统中将液体压力能转换成机械能，实现液压系统对外传递运动和动力的能量输出元件。

图1-2中，液压缸8利用压力油推动工作台9，对外做功，它就是该系统的执行元件。执行元件除了液压缸以外还有液压马达。

4.控制元件——液压系统中通过控制工作介质的压力、流量和流动方向等性能指标，来操控执行元件对外传递运动和动力的具有控制功能的所有元件。图1-2中的溢流阀４可以为系统调定最高的工作压力，当系统的压力高于溢流阀调定的工作压力时，溢流阀被推开，为系统泄流，从而保护系统的安全。换向阀５的阀芯处于右位，液压泵输入的液压油通过换向阀５进入上面的工作回路，为系统提供工作需要的压力油；换向阀５的阀芯处于左位(如图中c所示)，液压泵输入的液压油通过换向阀５流回油箱1，液压泵3处于卸荷状态，系统停止工作。调节节流阀６的开口大小，可以调节输送到液压缸8压力油的流量大小，控制液压缸8前进和后退的运动速度。换向阀７的阀芯处于右位，压力油通过换向阀７进入液压缸的无杆腔，推动液压缸前进，液压缸8有杆腔的液压油通过换向阀７流回油箱1；换向阀７的阀芯处于左位(如图中b所示)，压力油通过换向阀７进入液压缸8的有杆腔，推动液压缸8后退，液压缸8无杆腔的液压油通过换向阀７流回油箱1。以上元件都是该系统的控制元件。除此以外，在不同的液压系统中还会用到其他的控制元件，这些控制元件都起调节和控制液压系统工作介质的压力、流量和方向的作用。

5．辅助元件——液压系统中用来完成系统输油、储能、测量等多项辅助工作，以保证系统能可靠和稳定运行的所有辅助性元件。

图1-2中，油箱１、滤油器２、油管和管接头等都属于辅助元件。除此以外，在液压系统中还有其他辅助元件，这些辅助元件也是各液压系统中不可缺少的重要组成部分。

1.1.3液压系统的优缺点

1．液压传动的主要优点

1)易于实现无级调速液压系统引入节流阀(或调速阀)调速，不仅简单、方便、可靠，而且可以自由地进行无级调速。

2)易于实现过载保护液压系统由溢流阀调定系统的最高工作压力，过载时溢流阀可自动打开泄流，保护系统安全；负荷小于溢流阀的最高调定压力时，溢流阀又可自动恢复到关闭状态。

3)易于整体组合布局液压系统使用油管连接，可以不受周围障碍物的影响，整体组合布局非常方便。

4)体积小，重量轻，输出功率大相对于电气和机械传动而言，在液压传动中，单位重量和单位体积的输出功率最强，是电气和机械传动不可比拟的。

5)易于实现系统自动化液压控制元件很容易与电器、电子、单片机、可编程控制器及工控计算机连接，易于实现系统自动化。2.液压传动的主要缺点1)易于出现油液泄漏液压系统或多或少都会出现油液泄漏。油液的内泄和外泄都会引起液压介质的无功消耗，降低执行元件的工作质量；另外，油液外泄还会对环境造成污染，构成火患。

2)传动效率较低在液压传动中，由于将机械能转换成压力能，又将压力能转换成机械能，能量的多次转换，损失较大，所以液压传动的传动效率相对较低。

3)液压油对温度变化较为敏感液压油的粘度会随温度的变化而变化，液压油的粘度过高或过低都会大大降低液压系统的运行质量。

1.2液压传动的工作介质

液压传动的工作介质目前主要是液压油，液压油使用的正确与否，直接决定液压系统工作质量的好坏和事故发生的频率，所以在液压传动的设计、维护和保养过程中都必须对液压油有充分的认识和了解。

1.2.1液压油的用途

1.传递压力能在液压系统中，液压泵通过液压油将压力能传递给执行元件。

2.润滑液压油几乎能够贯通到液压系统的所有相对运动部件，对各元件产生润滑作用，可以大大地降低液压元件的磨损。

3.密封液压油的黏性对细小的间隙有一定的密封作用。在液压元件的相对运动面，有时可以不用橡胶密封圈密封，直接利用相对运动面的细小间隙进行密封。

4.冷却系统耗损的能量会转变成热量，液压油可以把局部位置的热量带走，帮助系统冷却和散热。

1.2.2液压油的性质

1.密度单位体积的液体质量称之为液体的密度。常用的矿物油系液压油的密度约为850～960kg/m3。

该指标主要用于体积和质量的换算。

2．闪火点（也称为闪点）随着油温的升高，部分油液会蒸发与空气混合成油气，此油气与明火接触会发生短暂的火花，此时的温度称为闪火点。若继续升温，油气遇到明火可构成连续燃烧，这时的温度称为燃烧点。在敞开条件下测定的闪火点称为开口闪点，在密闭条件下测定的闪火点称为闭口闪点。液压油的牌号不同闪点也不一样，一般矿物油系液压油的开口闪点不低于140℃，闭口闪点不低于128℃。

闪火点是液压油的挥发性指标，也是液压油运输和使用中极为重要的安全指标，一般环境温度要比闪火点低20～30℃才可安全使用。

3.粘度液体在外力作用下流动时，分子之间的内聚力阻止分子相对运动会产生的一种内摩擦力，这种现象称之为液体的黏性。液体的黏性示意图如图1-3所示。图中，下平板是静止的，上平板作匀速运动。夹在两平板间的流体，各薄层的流速从下向上线性增加，且沿y轴方向速度变化最快；各薄层之间因相对运动存在内摩擦力。图1-3液体黏性示意图由牛顿内摩擦定律可知：液体各薄层间的摩擦力F与液层接触面积A成正比，与液层间的速度梯度（图1-3中du/dy）成正比。即：

F=μAdudy（1-1）

式中μ为比例常数若用单位面积上的摩擦力（即剪应力：τ=F/A

）来表示，则液体的黏性表达式可改写为：

τ=μdudy（1-2）

用来量度液体黏性大小的物理量是黏度。它是反映液体内摩擦力和液体流动性的重要指标。液体的黏度有动力黏度、运动黏度和相对黏度三种表示方法：

1)动力粘度式（1-2）中的比例常数μ称为动力粘度，单位是Pa·s(帕·秒)

2)运动粘度运动粘度ν是动力粘度μ和液体密度ρ的比值，即ν=μρ（1-3）运动粘度的单位是m2/S（二次方米每秒）。

工程中常用的使用单位还有cm2/S,称为St（斯）；

mm2/S,称为cSt（厘斯）。

m2/s=104St=106cSt

3)相对粘度

相对粘度包括恩氏粘度

E、赛氏粘度SSU和雷氏粘度RS。德国、俄罗斯等国采用恩氏粘度，美国采用赛氏粘度，英国采用雷氏粘度,中国部分石油产品采用恩氏粘度。恩氏粘度是将200ml温度为t℃的被测液体从恩氏粘度计流尽的所需时间，与同一体积温度为20℃的蒸馏水流尽的所需时间之比。一般以20℃、40℃、50℃、100℃作为被测液体的测量温度t℃，并用E20、E40、E50、E100表示被测液体在温度t℃下的恩氏粘度。

液压油目前所采用的粘度指标是运动粘度，粘度值是根据GB/T365石油产品运动粘度测定法，用毛细管粘度计在40℃条件下测定出来的，单位均为

mm2/S,（cSt）级。

运动粘度是液压油选用过程中必须非常熟悉的重要油品质量指标之一。

4)粘度指数(VI)油液粘度随温度升高而降低，随温度降低而升高。油液的粘度随温度变化而变化的性质称为油液的粘温特性，为了便于观察，通常把油液的粘温特性用粘温曲线表示，图1-4为典型液压油的粘温特性曲线图。图1-4典型液压油的粘温特性曲线图曲线：1-水包油乳化剂；2-水-乙二醇液；3-矿物型高黏度指数液压油；4-矿物型普通液压油；5-磷酸酯液12345温度/T运动粘度单位常用/

mm2/S衡量粘温特性好坏程度的指标是粘度指数，粘度指数越高，表示油液的粘度受温度的影响较小，粘温性能较好；反之粘温性能较差。各种润滑油的粘度指数是根据GB/T1995-88粘度指数计算法计算出来的，它是测量油粘度随温度的变化程度与标准油相比较而得出来的一个相对数值，通常分为三个等级，35≤VI＜80为中级粘度指数润滑油，80≤VI＜110为高级粘度指数润滑油，≥110为特高级粘度指数润滑油。在我们常用的矿物油系液压油中，HL和HM液压油的粘度指数基本上都不小于95，HV和HS液压油的粘度指数基本上都不小于130。粘温特性是液压油一个非常重要的特性。这是因为液压油的温度过高或过低，液压油的粘度也会随之过低或者过高会，对液压系统的工作质量影响非常大。如果油温太高，油液的粘度过低，会使泵的泄露增大，容积效率降低；也会使运动部件的油膜变薄，加速元件摩损；特别是温度达60℃以上，每超过10℃，油的恶化和老化程度会加倍，粘温性能更差，形成恶性循环。如果油温太低，油液的粘度过高，会使系统的压力损失增大，造成执行元件运行缓慢失态；也会使泵的正常吸油能力下降，在泵内产生空穴；甚至会使控制元件的动作严重失灵，影响系统正常运行。

一般希望液压油的工作油温保持在30℃～50℃。根据经验，液压油的工作油温一般不要低于15℃，不得高于65℃，否则就要采用加热器或冷却器控制油温。

5)可压缩性液压油在中低压条件下运行时，可视为非压缩性液体。当压力超过50MPa时，可压缩性的问题就变得十分明显，液压油在高压下的可压缩性可达钢的100倍以上。在高压状态下，油液分子间的内聚力就会发生明显的变化，液压油的粘度也会明显上升，过黏的液压油会使系统出现压力损失增大，信号传递迟缓等很多不良现象。所以在高压系统中，一定要注意液压油因可压缩性带来的危害。

以上的各种指标都是对实际操作指导意义较大，在实践中用得最多，也是液压油与其他润滑油所共有的一些最基本的油品理化指标。另外，液压油依据其自身的工作特点和性质，还有一些其他的性能指标，如抗泡性、抗乳化性、抗锈蚀性、抗橡胶溶胀性、过滤性等，这些指标都是油品生产厂家必须研究的课题,作为油品的使用工作者，可以根据实际需要，参考油品生产厂家提供的相关资料和产品使用说明书。1.2.3液压油产品介绍

1．液压油的命名方式GB/T498-87把石油产品分成了６大类，其中液压油划归“润滑剂和有关产品”类，即“L”类。GB/T7631.1.87又将“L”类产品分为19个组，其中液压油被指定为“H”组。

液压油的命名方式为：类——品种数字实际标示即为：L——H﹡粘度牌号(其中﹡为各品种的后缀字母)2．常用的液压油产品2003年，我国接纳了国际标准化组织ISO6743.4-1999关于液压油分类的新标准，并颁布了与之相应的新的国家标准GB/T7631.2-2003。新国标取消了两种对环境有害的难燃液压油，增加了四种环境可接受的液压油(环境可接受的液压油是一种具有可生物降解性，低毒性的环保型液压油)。新国标GB/T7631.2-2003对液压油产品的品种进行了详细的分类，在这些产品中，有一些是具有特殊用途的液压油。在普通的液压系统中通常采用的液压油主要是液压油产品中的矿物油系液压油，抗燃液压油和部分环保型液压油。有关在液压系统中常用的液压油品种代号，组成及使用性能如表1-1所示。表1-1液压系统中常用的液压油类型名称代号组成及性能用途备注矿物油系液压油（由石腊基的原油精制而成）精制矿物油HH不含任何添加剂的矿物润滑油主要用于机械润滑、也可做液压代用油，适用于要求不高的低压系统通用液压油HL精制矿物油+抗氧化剂和防锈剂适用于室内一般设备的中低压系统抗磨液压油HMHL型油+抗磨剂适用于抗磨性能要求较高的中、高压系统高黏度指数液压油HRHL型油+增黏剂适用于对黏温特性有特殊要求的中、低压系统低温液压油HVHM型油+增黏剂适用于环境温度在—20℃～40℃的中、高压系统液压导轨油HGHM型油+防爬剂适用于机床设备中液压与导轨润滑合用的系统聚HETG甘油三酸酯一般液压系统HEPG聚乙二醇HEES动植物脂肪酸基合成的双聚酯或多聚酯HEPR-烯烃和相关烃类产品难燃性液压油乳化型HFAE水包油乳化液适用于压力小于7MPa的液压系统含水大于80%HFB油包水乳化液适用于压力小于7MPa的液压系统含水小于80%合成型HFC水-乙二醇适用于压力小于14MPa的液压系统HFDR磷酸酯液适用于压力小于35MPa的液压系统黏度级（新牌号）40℃运动黏度（mm2.s-1）ISO黏度级109.00–11.0VG101513.5–16.5VG152219.8–24.2VG223228.8–35.2VG324641.4–50.6VG466861.2–74.8VG6810090.0–110VG100150135–165VG150表1-2液压油粘度等级(牌号)3．液压油产品的粘度等级及牌号液压油产品共分为10、15、22、32、46、68、100、150八个粘度等级，各黏度等级的标注值是该级40℃运动黏度的中心值，各级的粘度范围是中心值±10％。各黏度等级的标注值也是液压油的牌号，所以常称为液压油的黏度牌号。液压油的粘度等级或粘度牌号见表1-2。1.2.4液压油的选用选用液压油需要综合考虑液压油的使用环境和条件，逐步进行比较和调整，才能最后作出决定，保证既经济又能满足液压系统运行的可靠性。一般的选用准则如下：

（1）根据液压泵来选择液压油的品种在液压系统中，液压泵对液压油的反应最为敏感，所以液压泵用油是选油的首要条件，通常可参照液压泵生产厂家的推荐用油。对抗磨要求较低的齿轮泵，通常可选HL或HM油，叶片泵和柱塞泵一般都要选用HM油。（2）根据系统的工作状况选择液压油的粘度牌号液压系统常用的是32、46和68号液压油，根据工作状的差异，再对液压油的粘度牌号进行适当调整：

1)季节和环境温度夏季或环境温度偏高时，宜选用粘度偏高的液压油。冬季或环境温度偏低时，宜选用粘度偏低的液压油。

的工作压力

在中、低压系统中，系统工作压力较高，可选粘度较高的液压油；反之，选用粘度较低的液压油。例如：系统工作压力＝7～20MPa时，选46～100号液压油，系统工作压力＜7MPa时，选32～68号液压油。

3)执行机构的运动速度执行机构运动速度较高时，为了减小液流的功率损失，宜选用粘度偏低的液压油；反之，宜选用粘度偏高的液压油。1.2.5液压油在使用过程中要注意的问题

1.要经