流体传动与控制基础（第3版）课件：液压传动概述

流体传动及控制基础（

液压传动概述）

液压传动概述7

液压传动概述1.1

液压传动的定义及发展概况1.2

液压传动的基本原理、组成及特点1.1

液压传动的工作介质1.1

液压传动的定义及发展概况1.1.1

何谓液压传动传动就是传递动力之意，也就是传递能量。泛泛地说,采用机械元件(机构)传递动力的称为机械传动,通过电器元件传递动力的称为电气传动,而用液体作介质利用其压力能传递动力的就称为液压传动。旋转运动(ωand

T)输出动力能动力传动、转换与控制输入动力能直线运动(vandF

)1.1

液压传动的定义及发展概况n

液压传动与控制：以液体作工作介质利用其压力能传递动力n

气压传动与控制：以气体作工作介质利用其压力能传递动力n

电气传动与控制：通过电器元件传递动力n

机械传动与控制：采用机械元件(机构)传递动力1.1

液压传动的定义及发展概况【例如】小汽车动力传动系统燃料燃烧，通过发动机把热能转变为机械动力，经过离合器、变速器、传动轴、主减速器、差速器等，把动力传递到驱动轮，这是机械传动。1.1

液压传动的定义及发展概况【例如】电机伺服机器人电机驱动工业机器人关节，利用电机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体，实现机器人的各种运动。电机有大功率质量比和扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽调速范围要求，电机难以实现直线运动。1.1

液压传动的定义及发展概况以液体作为工作介质，通过液压泵把机械能转变为液体的压力能，利用压力能进行能量传递和控制

，这就是液压传动的基本工作原理。动力传动与控制的四种方式系统性能能量产生机械传动电气传动液压传动气压传动电机、内燃机内燃机、电机水力、火力、风能或太阳

电机、内燃机能发电装置能量传递载体

刚性和弹性物体电子流液压油最大100m高空气能量传递距离

一般不超过几十米

超过1000km最大1000m很高能量消耗输出力一般一般效率低、体积大需要把旋转运动转换为直

液压缸输出大的

气缸输出有限的力，但线运动，效率低、体积大

力，工作行程长

需要高速运动输出转矩齿轮、链轮、带轮

电机液压马达好气动马达较好功率重量比差一般转矩/惯量刚度差一般一般较好好好好较好一般较好较好一般动态响应抗污染能力相对成本好好好好一般一般一般好14传动与控制的基本概念n

传动就是传递动力之意，即传递能量。一般指开环控制。n

控制一般指闭环控制，以反馈实现高精度控制，有稳定性要求51.1.2

发展概况n

帕斯卡原理1650年法国数学家、物理学家帕斯卡，提出静压传递原理。国际单位制中压力的单位（帕斯卡）即以其姓氏命名。法国科学家帕斯卡由于因此16伯努利原理n

液体流动的能量守恒定律用能量守恒定律解决流体的流动问题，提出流体动力学的基本方程，称之为“伯努利方程”，提出了“流速增加、压强降低”的伯努利原理。瑞士科学家伯努利17JosephBramahn

HydraulicPressin17851795年英国工程师约瑟夫·布拉曼用水作为工作介质，制造了世界上第一台水压机。英国工程师和发明家布拉默应用于军舰和兵器n

1905年采用液压油作为工作介质，推动了液压传动技术的发展。n

1906年液压传动最早应用于军舰炮塔n

第二次世界大战期间，在一些兵器上用上了功率大,反应快、动作准的液压传动和控制装置,大大提高了兵器的性能,也大大促

进了液压技术的发展。1.1.3

液压传动的应用n

液压挖掘机20工程机械中的应用工程机械包括挖掘机、装载机、推土机、混泥土搅拌车、盾构机等。主要用于土方、石方、铺路等施工，大大减轻劳动强度,提高劳动生产率。工程机械中的应用n

大国重器—徐工XE7000E液压挖掘机实现了超大型液压挖掘机关键核心技术的突破，标志着中国成为世界上继德国、日本、美国后，第4个具备700吨级以上液压挖掘机研发制造能力的国家。总重:700吨斗宽:5米斗容:34立方米一铲斗:挖煤50余吨矿山车辆中的应用n

大国重器—无人驾驶电动轮矿车中国兵器北方股份公司研制的国内首台240吨无人驾驶电动轮矿车，转向、制动、车厢举升采用了液压传动。使我国成为继美国、日本后第三个涉足矿用车无人驾驶技术的国家。载重：240吨车长：14.8米车宽：7.64米车高：7.3米沥青路面摊铺机中的应用n

大国重器—沥青路面滩铺机陕西中大机械集团自主创新、制造，研发制造出世界一流的沥青路面滩铺机，路面一次铺成、平整，达到世界先进水平。摊铺宽度：20m摊铺速度：14m/min摊铺厚度：600mm24起重机械中的应用起重运输机械也称物料搬运机械，主要包括液压起重机、液压升降台、装载机、叉车等。用于生产过程中的物料搬运，可显著提高生产率、减轻体力劳动和降低生产成本。起重机械中的应用n

大国重器—徐工XCA3000汽车起重机在160米起吊高度下，可实现190吨极限吊重。例如：用于10兆瓦以下风电建设。起升高度

：180m起升重量

：3000t26农业机械中的应用在联合收割机、拖拉机、牧业机械等农机中，主要用于农机操作系统、转向系统和驱动系统的控制等，实现自动控制,可提高劳动生产率、机器的使用性能和经济效益。农业机械中的应用洛阳中收4LZ-12谷物联合收割机，在田间可一次完成切割、脱粒、分离和清选等项作业。喂入量达到12kg/s，割幅宽度为5.49m。脱粒滚筒采用液压传动无级变速卸粮筒加长开合采用液压传动行走系统采用静液压驱动技术云梯消防车中的应用云梯消防车液压升高平台，供消防人员进行登高扑救高层建筑火灾、营救被困人员以及其他救援任务。芬兰博浪涛：112m国内引进最高：101m29运动模拟器中的应用液压控制精度高、响应快、加速能力强，应用于飞行、舰船、汽车等模拟器，模拟实际工况,测试产品性能、疲劳试验和科学研究等,从而降低成本、节省时间和提高效率。重工业中的应用重工业生产设备的特点是大型化、重型化，工作环境恶劣、自动化程度高。例如,冶金机械中的冷热连轧机、中板轧机等，锻压机械中的锻机、剪板机、液压机等。重工业中的应用n

大国重器—中国二重8万吨压力机用于轻金属及其合金、镍基和铁基等高温合金大型模锻件制造。为我国航空、舰船、航天、兵器、电力、核工业提供高性能模锻产品。美国两台4.5万吨模段机俄罗斯两台7.5万吨模段机法国一台6.5万吨模段机32发电设备中的应用液压伺服控制调节汽阀开度，保证机组转速维持在规定范围内，从而保证供电频率的准确和机组自身的安全。汽轮发电机组33发电设备中的应用n

风力发电机采用液压传动对叶片进行变桨距控制可调节功率，对转体进行偏航驱动与制动可跟随风向的变化，对主传动制动及风轮锁定可保证停机安全等。发电设备中的应用n

大国重器—东方电气18MW机组转一圈发38度电，年平均每秒10米风速，单台机组每年发7200万度电，满足4万户家庭一年生活用电，节约标准煤2万余吨、减少二氧化碳排放5.5万余吨。单机容量：18MW叶轮直径：260m风轮高度：53层居民楼35海洋钻井平台中的应用大国重器—“蓝鲸1号”海洋钻井平台，采用液压双钻塔结构，作业水深：3658米，钻井深度：15240米。全球最大海上钻井平台。重量：42000吨长度：117米宽度：92.7米高度：118米舰船中的应用n

调螺旋桨：前进、减速、停止及后退n

液压舵机：航向航行、潜艇深度控制n

减摇装置：减小船舶横摇舰船中的应用n

大国重器—武船集团承制的世界最大散货运输船舶，40万吨级矿砂船“ORETIAN-JIN”号，长362米、宽65米、深30.4米，甲板面积相当于3个足球场，比世界最大航空母舰美国“福特号”还长25米。续航里程达25500海里，具备环球航行能力。航空航天中的应用液压传动响应快、高功率与质量之比、高精度和高加速能力的特点,飞机起落架、襟翼、副翼、升降和方向舵等采用液压传动与控制技术。此外,在运载火箭控制、导弹控制、发射架等获得重要应用。C919大飞机航空航天中的应用n

大国重器—长征五号运载火箭火箭垂直转运活动发射平台、火箭飞行控制系统等采用液压传动与控制技术。航空航天中的应用n

护国重器—东风-41、东风-31AG陆基机动洲际导弹高机动发射车减震、转向、起竖采用液压传动，导弹飞行控制采用液压伺服控制。彰显我国最具有威慑力大国长剑重要地位，战略制衡、战略慑控、战略决胜重要力量。东风-31AG东风-41塑料、橡胶和轻工机械中的应用化工产品生产可能产生易燃、易爆粉尘或气体，电气设备产生的电弧、发热等可能引起燃烧或爆炸。采用液压传动实现化工生产自动化更为安全和可靠。如注塑机、硫化机等。塑料、橡胶和轻工机械中的应用n

大国重器—伊之密8500吨超大型注塑机超大型高精密注塑成型机，额定锁模力8500T，最大锁模力达9000T，实现了国产超大型两板式注塑机关键技术的突破，也创下了我国超大型精密注塑机行业新纪录。长约27米，高度超过6米，单块模板重量超过140吨。环卫车辆中的应用环卫车辆主要用于道路清扫，路面垃圾清理、收集、处理等，是一种集路面清扫、垃圾回收和运输为一体的新型高效清扫设备。试验设备用于产品的性能测试、可靠性测试、疲劳试验、寿命试验，以及模拟产品实际工作条件等。液压执行元件其他应用n

自卸卡车n

煤炭机械液压缸小轿车燃油喷射、变速、ABS、EBD471.2液压传动基本原理、组成及特点1.2.1

液压传动的基本原理5000N500NA1A2工作介质481.2.2

液压传动系统的组成液压千斤顶工作原理千斤顶工作原理－吸油过程n

手柄向上运动F负载43526产生真空，吸入液体大气压150千斤顶工作原理－举升负载n

手柄向下运动负载F34526活塞举升负载液体受挤压而排出大气压151千斤顶组成n

液压能源：手摇泵n

执行元件：液压缸n

控制元件：单向阀、放油阀n

液压辅件：油箱、管路等液压传动系统基本组成执行元件方向控制阀节流阀过滤器压力控制阀液压泵油箱10液压传动系统基本工作原理液压缸伸、缩运动液压传动的组成部分n

能源元件：液压泵n

执行元件：液压缸n

控制元件：控制阀n

液压辅件：油箱、过滤器、管路等负载控制阀液压缸过滤器液压泵冷却器电机油箱55液压成型机、切床执行元件控制阀泵站液压传动几个基本概念n

液压传动是以液体为工作介质，进行能量的转换、传递、分配和控制的一门技术科学。n

液压传动系统的功能则是把机械能变成液体的压力能，借助受压液体通过执行元件对外作功。n

液压传动与一般液体输送系统不同，比如自来水输送、原油输送、煤气输送等。57电机的输入输出关系输入功率：输出功率：传动效率：58出水自来水输送系统进水进水口进水管壳体叶轮59自来水输送系统的特点n

由于离心力作用使水泵出流的水具有动能。n

水的动能没有被执行机构用来对外做功。n

水的动能在流动过程中由于管路沿程损失和阀门节流等局部损失而消耗。1.2.3

液压传动的特点―优点n

易于实现直线往复运动，并能输出较大的力。n

功率与质量之比大。n

液压执行元件的响应速度快。n

对液压油进行冷却，可以解决系统功率损失带来的温升问题。n

采用液压油作为工作介质，元件能自行润滑，延长了使用寿命。1.2.3液压传动的特点―优点n

低速大转矩液压马达低速运转平稳、输出转矩大，并可直接与工作机构连接，使传动装置紧凑。n

液压传动装置易于实现过载保护，并且能在很大范围内实现无级调速。n

液压传动装置速度刚度大，因此，加上负载后，速度变化较小。1.2.3

液压传动优点应用举例液压传动的优点

—功率质量之比大液压传动功率质量之比可达4kW/kg，应用于航空航天等飞机起落架、襟翼、副翼、升降和方向舵等。n

美国E-3“望楼”预警机美国E-3脉冲多普勒雷达n

俄罗斯A-50预警机采用液压驱动旋转n

中国空警2000预警机相控阵雷达王小谟院士中国预警机之父空警20001.2.3

液压传动的特点―缺点n

液压能源获取不如电气能源方便。n

液压传动系统成本相对较高。n

工作性能易受温度变化影响。n

不宜用于远距离传动。n

液压油泄漏污染环境，使用和维护要求有较高技术水平。1.3

液压传动的工作介质n

液压传动是以石油基液压油和合成液压油作为工作介质，这与采用水作为传动介质相比，主要优点：n

液压油粘度大，因此元件和管路系统泄漏小。n

液压油具有润滑作用，防止元件生锈。工作介质的主要功能nn传递动力。润滑元件，从而延长元件的使用寿命。n把系统产生的热量带到热交换器和油箱中散发，起散热的作用。66工作介质的基本性能n

工作介质应有适当的粘度n

良好的润滑性n

氧化安定性好n

与材料的相容性好n

抗乳化性和抗泡沫性好乳化是液-液界面现象，两种不相溶的液体，如油与水，在容器中分成两层，密度小的油在上层，密度大的水在下层。671.3.2

工作介质的种类ISO液压油产品代号标记：ISO–L-HM46n

石油基液压油nnnnn普通液压油（HL）抗磨液压油(HM)液压─导轨油(HG)低温液压油(HV、HS)航空液压油（10号红油）工作介质的种类n

难燃液压油nn水─乙二醇液（

HFC）磷酸酯液(HFDR)合成液压油，温度范围宽，可达135℃，黏度保持稳定n

可生物降解液压油也称环境友好性液压油或绿色液压油，主要有合成脂型和植物油型两种，其中合成脂型可生物降解润滑油被认为是最理想的液压油。69选用工作介质考虑经济、环境因素n

石油基液压油nn良好的润滑性、抗氧化性，成本低耐火性、高温耐劣性差，泄漏污染环境n

难燃液压油nn抗燃性能最突出，适合于高温、明火环境。水一乙二醇难燃性能优于磷酸酯及其它合成油，粘温特性好，粘度指数约200，温度范围-30

~

60℃，对环境影响小；抗磨性能较弱，与油漆、锌、铝、镁、聚氨酯橡胶等不相容。磷酸酯使用温度范围-54~135℃，抗燃性好；缺点是价格昂n贵，水解稳定性差，废液难处理，与丁晴橡胶等密封材料的70相容性差，有一定毒性。选用工作介质考虑经济、环境因素n

可生物降解液压油n由易生物降解基础油和添加剂调和而成，可降解，不污染环境。nn植物油型基础油易生物降解，价格便宜，倾点-15℃，高温易氧化n合成酯型基础油具有良好的低温流动性，高温抗氧化性，价格昂贵，水解稳定性差(遇水产生酸性物质)ARAL、Mobil、BP相继推出了一系列环境可接受的液压油n71选用工作介质考虑经济、环境因素n

根据经济性选择主要考虑使用时间、换油期和价格。矿油型液压油润滑性和防锈性好，黏度等级范围较宽，因而在液压系统中应用很广。目前90%以上的液压系统采用矿油型液压油作为工作介质。难燃液压油适用防火要求场合，但成本高。矿油型液压油是从石油中精制出来的，是不可再生资源，合成液压油成本高，选用的时候要考虑经济性。72ISO

液压油产品代号n

ISO–

L-HM46-ISO:国际标准-L

:

润滑剂和有关产品-H

:

液压油(液)组-M

:

质量等级(抗磨液压油)-46

:

粘度等级(46mm2/s)731.3.2液压油的选择和使用n

液压油的品种选择n

优先选择液压泵产品推荐的液压油品种【举例】VQ系列叶片泵推荐液压油1.3.2液压油的选择和使用n

液压油的品种选择n

工作压力考虑压力<7MPa，

选用HL(叶片泵则用HM)，压力7-14MPa，选用HL、HM、HV，压力>14MPa，

选用HM、

HV液压油。n

工作温度考虑工作温度：-10—

80℃，

选用HL、HM液压油，工作温度：-10—

-30℃，选用HV、HS，75工作温度：<

-30℃，选用优质的HS。1.3.2液压油的选择和使用n

液压油的品种选择n

其他因素考虑室内固定液压设备：露天、寒区或严寒区高温热源或旺火附近液压油品质、经济性要求液压油环境可接受性1.3.2液压油的选择和使用n

对于露天寒区或严寒区n

环境温度-30℃~-10

℃

，选HV液压油n

环境温度<-30℃

，

选HS液压油【案例】2008年乌鲁木齐德汇广场12层批发市场“1•2”重大火灾火灾发生在晚上，气温低至零下20℃，消防车举高云梯液压油凝结（云梯无法使用）等，致使火场供水困难。63辆消防车、236名消防官兵20个小时扑救，3名消防官兵牺牲。771.3.2液压油的选择和使用n

高温、火源环境，选抗燃液压油。n

水─乙二醇液（HFC）温度：-30

~

60℃

，

压力<20MPa例如：中国石化长城润滑油4631抗燃液冶金轧钢设备n

磷酸酯液(HFDR)温度：-54

~

135℃

，压力<40MPa主要从国外进口，价格昂贵，废液难处理。火力发电设备中国石化长城润滑油自主研发4632酯型难燃液压油，温度：-20℃～135℃，无毒、可生物降解绿色润滑剂，填补国内冶金行业润滑技术空白。1.3.2液压油的选择和使用n

液压系统及导轨润滑共用一个系统，应选用液压导轨油HGn

机床液压传动系统n

机床润滑系统滑枕导轨滑枕【案例】液压牛头刨床n

滑枕往复运动由液压传动驱动n

滑枕导轨、进给箱等由润滑系统供油1.3.2液压油的选择和使用n

环保要求较高设备(食品、制药)n

环境友好型液压油n

绿色可降解液压油【案例】绿豆糕食品机械液压缸承担保护公众健康、安全和福祉的社会伦理责任！液压泵站1.3.2液压油的选择和使用n

液压油粘度选择因素n

粘度过高增加系统功率损失，系统发热。n

粘度过低，元件泄漏加大，不仅使效率降低，还会降低润滑性能而影响元件的可靠性和寿命。n

液压油粘度选择选用液压泵产品推荐的液压油粘度等级范围，综合考虑液压系统的工作压力和工作温度来选择粘度等级。工作压力和温度高的液压系统要选用粘度较高的液压油，可以获