1、液壓與氣壓傳動液壓與氣壓傳動劉鋒物理與機電工程學院2第一章第一章 緒論緒論1.1 液壓與氣壓傳動的定義1.2 液壓傳動系統的工作原理及系統構成1.3 液壓傳動的圖形符號1.4 液壓傳動的優缺點1.5 液壓與氣壓傳動的應用及其發展1.6 液壓傳動的工作介質1.7 工作介質的污染31.1 1.1 液壓與氣壓傳動定義液壓與氣壓傳動定義 一部完整的機器是由原動機、傳動機構及控制部分、工作機（含輔助裝置）組成。 1.1 液壓傳動定義4 （Hydraulics）是指在密閉容器內以液體為工作介質，借助液體的壓力能，進行能量傳遞和控制的一種傳動形式 ？ 到底什么是到底什么是呢呢？ 1.1 液壓傳動定義5 12

2、34A15A21.1 液壓傳動定義簡化模型簡化模型F力達到一定值，能阻止重物W下降活塞1在F作用下向下運動，重物上升）3.能量轉換能量轉換6為了能提升重物W，必須在活塞1上施加主動力F1,這時，重物W就是工作的負載。1.如果活塞活塞5 5上作用的上作用的W W為為0 02. 如果工作負載為工作負載為W W3. 如果缸缸4 4和活塞和活塞5 5被一容器取代被一容器取代1234A15A2 （一）壓力取決于什么（一）壓力取決于什么？ 1.1 液壓傳動定義71.如果活塞活塞5 5上作用的上作用的W W為為0 0活塞活塞5 5上作用的上作用的W W為為0 0 在不計活塞磨擦力和活塞自重的情況下，此時系統

3、的液壓力回是多少呢？ 很明顯在活塞5下的壓力 這時活塞1下的壓力 022AWP021 PP1234A15A21.1 液壓傳動定義82.如果工作負載為工作負載為W W1234A15A21.1 液壓傳動定義重要結論：重要結論：壓力取決于負載壓力取決于負載（F足夠大時）足夠大時）912A1A2341.1 液壓傳動定義 在活塞1上施加F1的力后，如果容器4、管路3、缸2及活塞1有足夠的強度，就可以認為工作負載是無窮大的，那么，系統中的液體壓力將為： 根據，該壓力P1將在這個封閉的液體間等值傳遞，管道3和容器4內各點都將產生大小和P1相等的液體壓力。111AFP 3. 若缸4和活塞5被一容器取代10Qv

4、2缸2A1A234h1h21 （二）運動速度取決于什么（二）運動速度取決于什么？ 由于不存在泄露及忽略液體的可壓縮性，所以在t時間里從液壓缸2中擠出的液體體積 ，將等于通過管道3擠入液壓缸4的體積 。即：兩邊同除：則thAthA2211111hAV 222hAV 2211hAhA右圖，不考慮泄露及液體的可壓縮性。可知：活塞1向下移動h1,通過液體的能量傳輸，將使活塞5上升一段 距 離 h 2 ， 很 顯 然h1h2。1.1 液壓傳動定義11重要概念：重要概念：流量流量Q(Flow)。 單位時間內從液壓缸2中排出的液體體積或擠入液壓缸4的體積稱為流量Q(Flow)。那么，上式（ ）實質上就是說排

5、出液壓缸2的流量等于擠入液壓缸4的流量。thAthA2211由上式可得負載的運動速度 。則：活塞5的運動速度只取決于缸4的流量。即：在液壓系統中執行機構的速度只在液壓系統中執行機構的速度只取決于流量取決于流量。22AQv重要結論：運動速度取決于流量重要結論：運動速度取決于流量1.1 液壓傳動定義12能量的表示方法能量的表示方法由于 （帕斯卡原理）及活塞1的輸入功率：活塞5的輸入功率：211AWAF2211vAvApQAQpAvFN11111pQAQpAvFN22222v22A1A234h1h21（三）（三）能量轉換能量轉換液壓系統中，功率表達式N N= =pQpQ，壓力壓力p p和流量流量Q

6、Q是液壓傳動中最基本也是最重要的參數。由于N N1 1=N=N2 2=pQ=pQ（不考慮任何損失），因此液壓系統中的能能量傳輸和轉換是守恒的量傳輸和轉換是守恒的，滿足能量守恒定律。1.1 液壓傳動定義131.1 液壓傳動定義 能量：機械能液壓能機械能，何必多此一舉呢？ 幾乎所有的機械或機器都需要傳動機構。這因為原動機一般很難直接滿足執行機構在速度、力、轉矩或運動方式等方面的要求，必須通過中必須通過中間環節間環節傳動裝置傳動裝置進行調節控制。液壓傳動就是這種調節控制方式中的一種。141.2 1.2 1.2 15實例1：液壓千斤頂1.2 161.2 17油缸油缸（執行元（執行元件）件）手動油手動油

7、泵泵（油源）（油源） 液壓千斤頂的系統中，小缸、小活塞以及單向閥4和7組合在一起，就可以不斷從油箱中吸油和將油壓入大缸，這個組合體的作用是向系統中提供一定量的壓力油液，稱為。 大活塞和缸用于帶動負載，使之獲得所需運動及輸出力，稱為。 放油閥門11的啟閉決定執行元件是否向下運動，是一個。 另外，要進行動力傳輸必須借助液壓。1.2 18實例實例2 2：1920 （a）活塞右移動 閥15閥芯右位進油進油:油箱1-濾油器2-液壓泵3-油管7-開停閥8-節流閥11-換向閥13-液壓缸16左腔-推動活塞15向右。 回油回油:液壓缸16右腔-換向閥13-油管12-油箱。1.2 21 （b）活塞左移 閥15閥

8、芯左位進油進油: 油箱1-濾油器2-液壓泵3-油管7-開停閥8-節流閥11-換向閥13-液壓缸16右腔-推動活塞15向左 回油回油:液壓缸16左腔-換向閥13-油管12油箱。1.2 22 （c）系統保壓 閥1515閥芯中位(c):(c): 油箱1-1-濾油器2-2-液壓泵3-3-溢流閥5-5-油管6-6-油箱 （d d）系統卸荷 開停閥9 9閥芯左位: : 油箱1-1-濾油器2-2-液壓泵3-3-開停閥8-8-回油管10-10-油箱1.2 23 二、二、液壓系統的工作原理液壓系統的工作原理：1. 液壓傳動是以液體作為工作介質液體作為工作介質來傳遞動力的。2.液壓傳動是以液體在密封容腔密封容腔（

9、泵的出口到液壓缸）內所形成的壓力能壓力能來傳遞動力和運動的。3.液壓傳動中的工作介質是在受控制、受調受控制、受調節節的狀態下進行工作的。4.液壓系統的工作壓力取決于負載工作壓力取決于負載。1.2 24 三、液壓傳動系統中能量轉換和傳遞情況：三、液壓傳動系統中能量轉換和傳遞情況： 能量轉換圖1.2 25四、液壓傳動系統的組成四、液壓傳動系統的組成 從千斤頂和磨床的液壓系統組成 和工作原理可以看出，液壓系統一般有以下幾個部分組成：動力元件動力元件傳動介質傳動介質控制元件控制元件輔助元件輔助元件執行元件執行元件1.2 261. 液壓動力元件液壓動力元件。液壓動力元件指液壓泵液壓泵，它是將動力裝置的機

10、械能轉換成為液壓能將動力裝置的機械能轉換成為液壓能的裝置，其作用是為液壓傳動系統提供壓力油，是液壓傳動系統的動力源。2. 液壓執行元件液壓執行元件。液壓執行元件指液壓缸液壓缸或液壓馬達液壓馬達，它是將液壓能轉換為機械能液壓能轉換為機械能的裝置，其作用是在壓力油的推動下輸出力和速度或轉矩和轉速，以驅動工作裝置作功。1.2 273. 液壓控制調節元件液壓控制調節元件。它包括各種液壓閥類閥類元件，其作用是用來控制液壓傳動系統中油液的流動方流動方向、壓力和流量向、壓力和流量，以保證液壓執行元件和工作裝置完成指定工作。4. 液壓輔助元件液壓輔助元件。液壓輔助元件如油箱、油管、濾油箱、油管、濾油器油器等，

11、它們對保證液壓傳動系統正常工作有著重要的作用。5. 液壓工作介質液壓工作介質。工作介質指傳動液體，通常被稱為液壓油或液壓液。1.2 281.1.3 3 液壓傳動系統的圖形符號液壓傳動系統的圖形符號半結構式圖形原理圖的優缺點。圖形符號原理圖的應用特點。1.3 29 上圖所示的液壓系統圖是一種半結構式的工作原理圖。它直觀性強，容易理解，但難于繪制。 在實際工作中，除少數特殊情況外，一般都采用液壓與氣動圖形符號（參看附錄）來繪制，如圖右所示。 910876532141.3 30 圖形符號表示元件的功能，而不表示元件的具體結構和參數；反映各元件在油路連接上的相互關系，不反映其空間安裝位置；只反映靜止位

12、置或初始位置的工作狀態，不反映其過渡過程。 91 087653214液壓缸液壓缸液壓泵液壓泵節流閥節流閥換向閥換向閥油箱油箱溢流閥溢流閥1.3 31191817161415139112143657810121615911圖 磨床工作臺液壓傳動系統工作原理91087653214 圖 用圖形符號表示的磨床工作臺液壓系統 液壓缸液壓缸液壓缸液壓缸換向閥換向閥換向閥換向閥節流閥節流閥節流閥節流閥液壓泵液壓泵液壓泵液壓泵溢流閥溢流閥溢流閥溢流閥油箱油箱油箱油箱1.3 32一、液壓傳動系統的主要優點一、液壓傳動系統的主要優點 1.在同等功率情況下，液壓執行元件體積小、結構緊湊。 2.液壓傳動的各元件，可根

13、據需要方便、靈活地來布置； 3.液壓裝置工作比較平穩，由于重量輕，慣性小，反應快，液壓裝置易于實現快速啟動、制動和頻繁的換向； 4.操縱控制方便，可實現大范圍的無級調速（調速范圍達2000：1），它還可以在運行的過程中進行調速；1.4 1.4 液壓傳動的優缺點液壓傳動的優缺點 1.4 33 5. 一般采用礦物油為工作介質，相對運動面可自行潤滑，使用壽命長； 6. 容易實現直線運動； 7. 既易實現機器的自動化，又易于實現過載保護，當采用電液聯合控制甚至計算機控制后，可實現大負載、高精度、遠程自動控制。 8. 液壓元件實現了標準化、系列化、通用化，便于設計、制造和使用。 1.4 34二、液壓傳動

14、系統的主要缺點二、液壓傳動系統的主要缺點 1.4 351.5 1.5 液壓與氣壓傳動的應用及其發展一、液壓與氣壓傳動的現狀一、液壓與氣壓傳動的現狀 液壓傳動有許多突出的特點，因此它的應用非常廣泛，如一般工業用的塑料加工機械、壓力機械、機床等；行走機械中的工程機械、建筑機械、農業機械、汽車等；鋼鐵工業用的冶金機械、提升裝置、軋輥調整裝置等；土木水利工程用的防洪閘門及堤壩裝置、河床升降裝置、橋梁操縱機構等；發電廠用的渦輪機調速裝置、核發電廠等；船舶用的甲板起重機械（絞車）、船頭門、艙壁閥、船尾推進器等；特殊技術用的巨型天線控制裝置、測量浮標、升降旋轉舞臺等；軍事工業用的火炮操縱裝置、艦船減搖裝置、

15、飛行器仿真、飛機起落架的收放裝置和方向舵控制裝置等。 1.5 液壓與氣壓傳動的應用及其發展36 氣壓傳動的應用也相當普遍，許多機器設備中都裝有氣壓傳動系統，在工業各領域，如機械、電子、鋼鐵、運行車輛及制造、橡膠、紡織、化工、食品、包裝、印刷和煙草等，氣壓傳動技術不但已成為其基本組成部分。在尖端技術領域如核工業和宇航中，氣壓傳動技術也占據著重要的地位。 1.5 液壓與氣壓傳動的應用及其發展371.5 液壓與氣壓傳動的應用及其發展381.5 液壓與氣壓傳動的應用及其發展391.5 液壓與氣壓傳動的應用及其發展401.5 液壓與氣壓傳動的應用及其發展411.5 液壓與氣壓傳動的應用及其發展421.5

16、 液壓與氣壓傳動的應用及其發展431.5 液壓與氣壓傳動的應用及其發展441.5 液壓與氣壓傳動的應用及其發展451.5 液壓與氣壓傳動的應用及其發展46二、液壓傳動的發展二、液壓傳動的發展液壓發展趨勢： 1）向高壓、高速、大功率、高效、低噪聲、經久耐用、高度集成化等方向發展； 2）與計算機科學相結合；3）與其他相關科學結合，如污染控制技術、可靠性技術等方面也是當前液壓技術發展和研究的方向。1.5 液壓與氣壓傳動的應用及其發展47一、液壓工作介質的性質一、液壓工作介質的性質 1.密度： 單位體積內的液體質量稱為密度。 礦物油型液壓油在15 時的密度為900kg/m3左右，在實際使用中可認為它們

17、不受溫度和壓力的影響。 1.6 1.6 液壓傳動的工作介質液壓傳動的工作介質1.6 液壓傳動的工作介質48 2.可壓縮性：液體受壓力的作用而使體積發生變化的性質稱為液體的可壓縮性。 體積為V的液體，當壓力變化量為p時，體積的絕對變化量為V，液體在單位壓力變化下的體積相對變化量為： 式中， 被稱為液體的體積壓縮系數。 1pVV 體積彈性模量：液體體積壓縮系數的倒數，簡稱體積模量，用K表示。即： KVVp 11.6 液壓傳動的工作介質49 3 .粘性及其表示方法 1.6 液壓傳動的工作介質50牛頓內摩擦定律 1.6 液壓傳動的工作介質51 液體粘性的大小用粘度來表示。常用的液體粘度表示方法有三種，

18、即動力粘度、運動粘度和相對粘度。 （a）動力粘度 動力粘度又稱為絕對粘度 (1.6) 液體動力粘度的物理意義是：液體在單位速度梯度下流動或有流動趨勢時，相接觸的液層間單位面積上產生的內摩擦力。動力粘度的法定計量單位為Pas （1Pas=1Ns/m），以前沿用的單位為P（泊，dynes/cm），它們之間的關系是，1 Pas = 10 P。fFduAdy1.6 液壓傳動的工作介質52 （b）運動粘度 液體的動力粘度 與其密度 的比值被稱為液體的運動粘度，即： (1.7) 液體的運動粘度沒有明確的物理意義，但它在工程實際中經常用到。因為它的單位只有長度和時間的量綱，類似于運動學的量，所以被稱為運動粘

19、度。它的法定計量單位為m /s，以前沿用的單位為St（斯），它們之間的關系是： 1 m /s = 10St = 10cSt（厘斯） 我國液壓油的牌號就是用它在溫度為40時的運動粘度（厘斯）平均值來表示的。例如32號液壓油，就是指這種油在40時的運動粘度平均值為32 mm /s。1.6 液壓傳動的工作介質22253 （c）相對粘度 動力粘度和運動粘度是理論分析和計算時經常使用到的粘度，但它們都難以直接測量。因此，在工程上常常使用相對粘度。 相對粘度又稱為條件粘度，它是采用特定的粘度計在規定的條件下測量出來的粘度。用相對粘度計測量出它的相對粘度后，再根據相應的關系式換算出運動粘度或動力粘度，以便于

20、使用。中國、德國、前蘇聯等采用恩氏度E，美國、英國等用通用賽氏秒SSU，英國、美國還用商用雷氏秒R1S，法國等用巴氏度B等等。 1.6 液壓傳動的工作介質54 用恩氏粘度計測定液壓油的恩氏粘度：把200 mL溫度為t 的被測液體裝入恩氏粘度計的容器內，測出液體經容器底部直徑為2.8 mm的小孔流盡所需時間t1(s)，并將它和同體積的蒸餾水在20 時流過同一小孔所需時間t2(s)（通常t2=51 s）相比，其比值即是被測液體在溫度t 下的恩氏粘度，即E=t1/t2。一般以20 、40 及100 作為測定液體恩氏粘度的標準溫度，由此而得到被測液體的恩氏粘度分別用E20、E40和E100來標記。 恩

21、氏粘度與運動粘度之間的換算關系式為： (1.8) 式中， 的單位為m /s。 731631106.EE1.6 液壓傳動的工作介質255二、對液壓工作介質的要求二、對液壓工作介質的要求 不同的液壓傳動系統、不同的使用條件對液壓工作介質的要求也不相同，為了更好地傳遞動力和運動，液壓傳動系統所使用的工作介質（液壓油液）應具備以下的基本性能： 1.合適的粘度，潤滑性能好，并具有較好的粘溫特性； 2.質地純凈、雜質少，并對金屬和密封件有良好的相容性； 3. 對熱、氧化有良好的穩定性； 4. 抗泡沫性、抗乳化性和防銹性好，腐蝕性小； 5. 體積膨脹系數小，比熱容大，流動點和凝固點低，閃點和燃點高； 6.

22、對人體無害，對環境污染小，成本低，價格便宜。1.6 液壓傳動的工作介質56三、液壓工作介質的種類三、液壓工作介質的種類 在液壓傳動系統中所使用的工作介質大多數是石油基液壓油，但也有合成液體、水包油乳化液（也稱為高水基）和油包水乳化液等。(短片) 1.6 液壓傳動的工作介質57工作介質石油基液壓油無添加劑的石油基液壓液（L-HH）HH + 抗氧化劑、防銹劑（L-HL）HL + 抗磨劑（L-HM）HL + 增粘劑（L-HR）HM + 增粘劑（L-HV）HM + 防爬劑（L-HG）難燃液壓液含水液壓液高含水液壓液（L-HFA）水包油乳化液（L-HFAE）水的化學溶液（L-HFAS）油包水乳化液（L-

23、HFB）水乙二醇（L-HFC）合成液壓液磷酸酯液（L-HFDR）氯化烴（L-HFDS）HFDR+HFDS（L-HFDT）其它合成液壓液（L-HFDU）1.6 液壓傳動的工作介質581.6 液壓傳動的工作介質59四、四、液壓工作介質的選擇液壓工作介質的選擇 首先應根據液壓傳動系統的工作環境和工作條件來選擇合適的液壓油液類型，然后再選擇液壓油液的粘度。 （1）選擇液壓油液類型 在選擇液壓油液類型時，首選的是專用液壓油。最主要的是考慮液壓傳動系統的工作環境和工作條件。1.6 液壓傳動的工作介質 （2）選擇液壓油液的粘度 液壓油液的類型選定后，再選擇液壓油的粘度，即牌號。粘度太大，液流的壓力損失和發熱

24、大，使系統的效率降低；粘度太小，泄漏增大，也會使液壓系統的效率降低。因此，應選擇使系統能正常、高效和可靠工作的油液粘度。60五、氣壓工作介質 氣壓工作介質主要是指壓縮空氣。空氣是由若干種氣體混合組成的，主要有氮氣（N2）、氧氣（O2）及少量的氬氣（Ar）和二氧化碳（CO2）等。此外，空氣中常含有一定量的水蒸汽。把不含有水蒸汽的空氣稱為干空氣，把含有水蒸汽的空氣稱為濕空氣。 氮和氧是空氣中含量比例最大的兩種氣體，它們的體積比近似于4 1，因為氮氣是惰性氣體，具有穩定性，不會自燃，所以用空氣作為工作介質可以用在易燃、易爆場所。 1.6 液壓傳動的工作介質611.7 1.7 工作介質的污染及控制工作介質的污染及控制一、工作介質污染的原因 液壓油液被污染的原因很復雜，但大體上有以下三個方面： 1. 殘留物的污染 主要指液壓元件以及管道、油箱