液压与气压传动(第三版)

绪论 液压与气压传动是以有压流体（液压油或压缩空气）为工作介质进行能量传递和控制的一种传动形式，又称为流体传动。它们都是利用各种元件组成不同功能的基本回路，再由若干基本回路有机地组合成具有一定控制功能的传动系统来实现能量的传递、转换与控制。近年来，随着机电一体化技术的发展，液压与气压传动与微电子、计算机技术相结合，进入了一个新的发展阶段，已成为机械设备中发展*快的技术之一。 1.液压与气压传动的工作原理 液压与气压传动的基本工作原理是相似的，现以图1所示的液压千斤顶为例，简述液压传动的工作原理。当向上提起手柄使小液压缸1的活塞上移时，小液压缸下腔容积增大而形成局部真空，单向阀2关闭，油箱4的油液在大气压作用下经吸油管顶开单向阀3进入小液压缸下腔。当向下压动手柄使小液压缸的活塞下移时，小液压缸下腔容积减小，油液受挤压而压力升高，单向阀3关闭，单向阀2打开，小液压缸下腔的油液经排油管进入大液压缸6下腔，推动大活塞上移顶起重物。如此不断扳动手柄，油液就不断进入大液压缸下腔，将重物逐渐举起。如果打开截止阀5，大液压缸下腔油液在重物作用下排回油箱，重物下移回到原始位置。 其中，手柄、小液压缸1、单向阀2和3一起完成吸油与排油，将手柄杠杆的机械能转换为油液的压力能输出，称为（手动）液压泵。大液压缸6将液压能转换为机械能输出，举起重物，称为（举升）液压缸。它们组成了*简单的液压传动系统，实现了力、运动和功率的传递。 1）力比例关系 在图1中，设大液压缸活塞面积为A2，重物作用在活塞上的负载为F2，则该力在大液压缸下腔产生的压力为P=F2/A2。根据帕斯卡原理：“在密闭容器内，施加于静止液体上的压力可以等值地传递到液体各点”，此压力将以同样大小传给作用面积为犃1的小液压缸活塞。为了克服负载使重物上升，作用在小液压缸活塞上的力应为 （1） 由式（1）可知，如果A2很大，A1很小，则只需很小的力F1便能克服很大的负载F2而举起重物。可见这是一个力的放大机构，即液压传动具有增力效应。 由式（1）还可以看出，F2越大，即负载越大，则油腔的压力P也就越大；反之亦然。这说明系统中的工作压力取决于负载，这是液压与气压传动的一个重要特征。 2）运动关系 如果不考虑液体的可压缩性、泄漏和缸体、管路的变形，小液压缸排出的液体体积应等于进入大液压缸的液体体积。设小液压缸活塞的位移为h，大液压缸活塞的位移为犺，则 （2） 两边同除以时间t，整理后得（3） 式中，v1、v2为小液压缸活塞的速度和大液压缸活塞的速度；q1、q2为小液压缸输出的流量和大液压缸输入的流量。 由此可见，这又是一个速度变换机构，其速度的变换和传递是靠液体容积变化相等的原则进行的。式（3）还表明活塞的运动速度只取决于输入流量的大小，而与负载无关，这是液压与气压传动的又一个重要特征。 3）功率关系 由式（1）和式（3）得（4） 式（4）左端为输入功率，右端为输出功率，这说明在不计损失的情况下，输入功率等于输出功率。由式（1）和式（4）得 （5） 从式（5）可以看出，小液压缸将扳动手柄的机械功率F1，v1转换成液压功率pq1输入系统，经系统传递后变为液压功率pq，再由大液压缸将液压功率pq2转换为机械功率F2，v2输出。 可见液压与气压传动是以流体的压力能来传递动力的，系统中功率是压力和流量之积，压力和流量是流体传动中两个*基本、*重要的参数。 2.液压与气压传动系统的组成 工程实际中的液压传动系统，除了液压泵和液压执行元件外，还需设置控制元件来控制执行元件的运动方向、运动速度和*大推力，设置辅助元件以保证系统正常工作。现以图2所示的机床工作台驱动液压传动系统为例，说明液压传动系统的组成。 系统的工作原理是：夜压泵3由电动机带动旋转后，从油箱1经过过滤器2吸油，并经液压泵输出进人压力油路。当换向阀5阀芯处于图2所示右端位置时，压力油经节流阀4、换向阀5和管道9进人液压缸7的左腔，推动活塞向右运动。液压缸右腔的油液经管道6、换向阀5和管道10流回油箱。若换向阀阀芯处于左端位置，液压缸活塞就反向运动。若换向阀阀芯停在中间位置，压力油不能进人液压缸，液压缸活塞就停止不动。 改变节流阀4的开口，可以改变进人液压缸的流量，从而控制液压缸活塞的运动速度。液压泵排出的多余油液经溢流阀11和管道12流回油箱。 液压缸的工作压力是由负载决定的。液压泵出口压力由溢流阀11调定，其调定值为液压缸的*大工作压力与油液流经各阀和管道进人液压缸的压力损失之总和。溢流阀的调定值决定了液压缸的*大推力，因此，溢流阀对系统具有过载保护作用。 由上例可以看出，液压传动系统主要由以下五部分组成。 （1）能源装置。把机械能转换成液压能的装置。*常见的是液压泵，它为液压系统提供压力油。 （2）执行元件。把油液的液压能转换成机械能输出的装置，包括做直线运动的液压缸、做回转运动的液压马达。 （3）控制元件。对系统中油液压力、流量和流动方向进行控制或调节的装置，如上例中的溢流阀、节流阀和换向阀等。 （4）浦助元件。保证系统正常工作所需的上述三种以外的其他装置，如油箱、过滤器、油管、蓄能器等。 （5）传动介质。传递能量的流体，即液压油。 气压传动系统与液压传动系统的组成相似，除了能源装置为输出压缩空气的气源装置，执行元件是气缸或气马达，控制元件是气动阀，辅助元件是分水过滤器、油雾器、消声器、管件等外，常常还装有完成逻辑功能的逻辑元件等。 图2（a）是一种半结构式的系统原理结构示意图，它直观性强，容易理解，但绘制起来比较麻烦。为了简化液压与气压传动系统的表示方法，通常采用图形符号来绘制系统原理图。图形符号脱离了元件的具体结构，只表示元件的具体职能，用它表达元件的作用和整个系统的原理简单明了，便于绘制。我国已制定出《液压传动系统及元件图形符号和回路图第1部分:用于常规用途和数据处理的图形符号KGB/T786.1-2009）。图2（b）就是按该标准绘制的图2（a）所示系统的原理图形符号图。 3.液压与气压传动的优、缺点 1）与机械传动和电气传动相比，液压传动的优点 （1）功率质量比大。在同等功率下，液压装置的体积小、质量轻，即功率密度大。例如，液压马达的质量为同等功率电动机的12%～20%。当液压系统采用高压时，则更容易获得很大的力或力矩。 （2）工作平稳。液压油几乎不可压缩，且具有吸振能力，因此执行元件运动平稳。同时，因其惯性小、反应快，所以易于快速启动、制动和频繁换向。 （3）无级调速。能在运行过程中进行无级调速，调速方便，调速范围大。 （4）自动控制。与电气、电子或气动控制相配合，易于对液体压力、流量和方向进行调节或控制，实现系统的远程操纵和自动控制。 （5）过载保护。可方便地利用压力阀控制系统的压力，从而防止过载，避免事故发生。 （6）元件寿命长。液压系统中使用的介质大多为矿物油，它对液压元件产生润滑作用，因而兀件寿命较长。 （7）标准化、系列化和通用化。液压元件标准化、系列化和通用化程度较高，有利于缩短液压系统的设计、制造周期，并可降低制造成本。 2）液压传动的缺点 （1）易出现泄漏。液压系统的油压较高，液压油容易通过密封或间隙产生泄漏，引起液压介质消耗，并引起环境污染。 （2）传动效率低。液压传动在能量传递过程中，常存在较多的能量损失（压力损失和流量损失等），使传动效率较低。 （3）传动比不准确。由于传动介质的可压缩性、泄漏和管路弹性变形等因素影响，液压系统不能严格保证定比传动。 （4）对温度敏感。油液的黏度随温度而变，黏度变化引起流量、泄漏量和阻力变化，容易引起工作机构运动不稳定。 （5）制造成本高。为了减少泄漏，对液压元件的制造精度要求较高，从而提高了制造成本。 3）与液压传动相比，气压传动的独*优点 （1）空气可以从大气中取之不尽，无传动介质成本问题。传动介质泄漏后，除引起部分功率损失外，不会污染环境。 （2）空气的黏度很小，在管路中的压力损失远远小于液压传动系统，因此压缩空气便于集中供应和远程传输。 （3）压缩空气的工作压力较低（一般在1.OMPa以下），因此对元件材料和制造精度的要求较低。 （4）维护简单，使用安全，没有防爆问题，并且便于实现过载保护。 （5）气动元件可以根据不同场合，采用相应材料，使其能够在恶劣的环境（如强振动、强冲击、强腐蚀和强辐射等）下正常工作。 4）与电气传动、液压传动相比，气压传动的缺点 （1）气压传动装置的信号传递较慢，仅限制在声速范围内，所以它的工作频率和响应速度远不如电子装置，并且信号会产生较大的失真和迟滞，因此不便于构成较复杂的回路。 （2）空气的压缩性远远大于液压油的压缩性，所以在动作的响应能力、速度的平稳性上不如液压传动。 （3）气压传动出力较小，且传动效率较低。 总的来说，液压传动与气压传动的优点是主要的，它们的缺点将随着科学技术的进步，逐步得到克服或改善。 4.液压与气压传动的应用及发展概况 液压与气压传动在国民经济各个部门中的应用广泛，出发点不尽相同。例如，工程机械、矿山机械、压力机械和航空工业中采用液压传动主要因其结构简单、体积小、质量轻、输出力大；几床上采用液压传动主要因其运动平稳、易于实现无级调速、易于实现频繁换向、易于实现自动化；在电子工业、印刷机械、包装机械、食品机械等行业应用气压传动主要是取其操作方便，且无油、无污染的特点。 液压传动技术的发展是与流体力学理论的发展密切相关的。1650年帕斯卡提出了静止液体的压力传递规律——帕斯卡原理，1686年牛顿揭示了黏性液体的内摩擦定律，18世纪相继建立了流体力学的两个重要原理——连续性方程和伯努利能量方程，这些理论成就为液压技术的发展奠定了基础。 18世纪末，世界上**台水压机在英国诞生，标志着液压传动技术开始进入工程领域。但是，液压传动技术在工业上被广泛采用并获得较快发展却是在20世纪中期。第二次世界大战期间，军事工业迫切需要提供反应速度快、动作精确和输出功率大的液压传动及控制装置，因而出现了以电液伺服系统为代表的高精度液压元件和控制系统，促使液压传动技术得到了迅速发展。20世纪50年代，液压传动技术快速转入民用工业，在机床、工程机械、农用机械、汽车、船舶等行业得到了大幅度的应用和发展。60年代以后，随着原子能、空间技术、电子技术等方面的迅速发展，液压传动技术不断向着更广阔的领域渗透，已发展成为具有传动、检测和控制技术特征的一门完整的自动化技术。 20世纪后期，随着液压机械自动化程度的不断提高，所用液压元件的数量急剧增加，因而元件小型化、集成化就成为液压传动技术发展的必然趋势。随着传感器技术、微电子技术的发展以及与液压技术的紧密结合，出现了电液比例控制阀、电液比例控制泵和马达、数字阀等机电一体化器件，使液压技术向着高度集成化和柔性化的方向发展。 计算机技术的应用，使液压元件和液压系统的计算机辅助设计、辅助测试、计算机仿真和计算机控制得到快速发展，不仅提高了液压系统的设计和开发效率，也提高了液压设备的自动化水平。 随着液压传动技术向高压、高速、大流量方向发展，降低噪声、防止漏油便成为突出的问题。近年来，在新型密封和无泄漏管件的开发、液压元件和系统的优化设计等方面取得了重要的进展。 液压传动技术在发展初期，一直以水作为传动介质。直到20世纪初，随着石油工业