第1章液压与气压传动基础.

液压与气动技术机械工程系第1章液压与气压传动基础1.1液压与气压传动的工作原理1.2液压与气压传动的组成1.3液压与气压传动的优、缺点及应用1.1液压与气压传动的工作原理1.1.1液压与气压传动的概述原动机传动机构工作机原动机传动机构工作机•机器一般主要由三部分组成原动机传动机构工作机原动机工作机传动装置控制部分+→→如电动机、内燃机等完成机器工作任务的直接工作部分，如车床的刀架、汽车的车轮等由于原动机的功率和转速变化范围有限，为了适应工作机的工作力和工作速度变化范围变化较宽，以及性能的要求，在原动机和工作机之间设置了传动机构。原动机2019/12/20原动机电机机械传动：通过齿轮传动、带传动等机械零件直接把动力传送到执行机构的传递方式。传动装置用来传递运动和动力，通常分为机械传动、电气传动和流体传动。电气传动：利用电力设备，通过调节电参数来传递或控制动力的传动方式。流体传动：以流体为工作介质进行能量转换、传递和控制的传动。它包括液压传动和气压传动。传动机构机械传动皮带轮传动杠杆传动齿轮传动链条传动液压技术的发展，可追溯到17世纪帕斯卡提出了著名的帕斯卡定律，开始奠定了流体静压传动的理论基础。在第二次世界大战后，液压技术由军工迅速转向民用工业。我国液压工业经过40余年的发展，其生产的液压产品广泛应用于工业、农业和国防等各个部门。近20年来，产品应用技术飞快发展。设计生产了许多新型液压元件。此外通过计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助测试（CAT）、污染控制、故障诊断、机电一体化等方面研究成果的应用，液压技术水平得到很大的提高。液压传动的任务：研究液压系统各类元件的结构、作用、工作原理、应用方法，以及组成液压系统的特点。掌握液压设备的安装、调试、维护及操作。液压与气压传动概述液压与气压传动相对于机械传动来说是一门新兴技术。从1795年世界上第一台水压机诞生起，已有几百年的历史，但液压与气压传动在工业上被广泛采用和有较大幅度的发展是20世纪中期以后的事情。随着科学技术的快速发展，液压与气动技术被应用到科学生产中的各个领域。在民用工业、在机床、工程机械、冶金机械、塑料机械、农林机械、汽车、船舶等行业得到大幅度的应用和发展，而且发展成为包括传动、控制和检测在内的一门完整的自动化技术。如发达国家生产的95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%以上的自动线都采用了液压气动。现今，采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。液压与气动技术广泛应用了高技术成果，如自动控制技术、计算机技术、微电子技术、磨擦磨损技术、可靠性技术及新工艺和新材料，使传统技术有了新的发展，也使液压与气动系统和元件的质量、水平有一定的提高。尽管如此，走向二十一世纪的液压技术不可能有惊人的技术突破，应当主要靠现有技术的改进和扩展，不断扩大其应用领域以满足未来的要求。广泛的应用领域95%的工程机械90%的数控加工中心95%的自动线液压技术的应用液压传动技术应用航天飞机运送车海上石油钻井平台如：火炮跟踪、飞机和导弹的动、炮塔稳定、海底石油探测平台固定、煤矿矿井支承、矿山用的风钻、火车的刹车装置、液压装载、起重、挖掘、轧钢机、数控机床、多工位组合机床、全自动液压车床、液压机械手等。发展应用目前，流体传动技术正在向着高压、高速、高效率、大流量、大功率、微型化、低噪声、低能耗、经久耐用、高度集成化方向发展，向着用计算机控制的机电一体化方向发展。发展趋势•流体技术+电气控制好比老虎插上翅膀，它把一人一刀变为无人多刀，把复杂工艺变为简单工艺，而今同计算机控制结合，又将进入一个崭新的历史阶段。•因此，学好本门课，有助于大家在今后的工作中多出成果。发展趋势液压千斤顶作用升举重物1.1.2液压传动的工作原理液压千斤顶FLASH演示液压千斤顶组件分析工作缸（执行原件）放油阀（起到了控制作用）手油泵（动力原件）液压千斤顶扩力原理GFAB设重物的重力为G,工作活塞上的A腔的截面积为SA,手油泵B腔的截面积为SB,由于升举时两腔的压力（压强）近似相等，则有：即ABSFSGp1==ABSSFG=而工作腔面积SB比驱动腔面积SA大得多，由此实现了较大的扩力，再加上杠杆的扩力作业，则用很小的力足可以升举数吨的重物。气动剪切机1－空气压缩机2－后冷却器3－分水排水器4－贮气罐5－分水滤气器6－减压阀7－油雾器8－行程阀9－气控换向阀10－气缸11－工料机械能（电动机）↓液体压力能（液压泵、空压机）↓机械能【液（气）压缸、液（气）压马达】液压与气压传动的过程1、气源装置（或称动力元件）2、执行元件3、控制调节元件4、辅助元件二、液压与气压传动系统的组成1、能源装置（或称动力元件）：把机械能转化成流体压力能的装置，常见的是液压泵或空气压缩机。二、液压与气压传动系统的组成2、执行装置（或称执行元件）：把流体压力能转化成机械能的装置，一般常见的形式是液（气）压缸和液（气）压马达二、液压与气压传动系统的组成3、控制调节装置（或称控制元件）对液（气）体的压力、流量和流动方向进行控制和调节的装置。这类元件主要包括各类控制阀或者由各种阀构成的组合装置。这些元件的不同组合组成了能完成不同功能的液（气）压系统。二、液压与气压传动系统的组成4、辅助装置（或称辅助元件）：指以上三种组成部分以外的其它装置，如各种管接件、油管、油箱、过滤器、分水漏气器、油雾器、蓄能器、压力表等。二、液压与气压传动系统的组成1.2液压与气压传动的组成机床工作台的液压传动机床工作台的液压传动传动控制要点转动控制要点实现往复运动动作速度可调安全机床工作台的液压传动液压传动FLASH1）油箱2）滤油器3）液压泵4）溢流阀5）节流阀6）换向阀7）双杆液压缸8）工作台机床工作台的液压传动元件作用油箱滤油器液压泵溢流阀节流阀换向阀液压缸储油，适应油面变化、散热等。过滤出油液中的杂质。液压系统的动力元件，提供有一定压力、流量的液压油。将多余的油液溢回油箱，调定系统压力。通过调节阀口过流面开度，调节进入液压缸的流量，以实现调速。改变流动方向，进而起到使液压缸（工作台）换向的作用。执行元件，将液压能转化为机械能输出，获得推力和速度。液压传动的系统组成动力元件（液压泵）将机械能转换为液体的压力能；执行元件（液压缸、液压马达等）将液体的压力能转化为机械能输出，以得到既定的运动和力的形式。两次能量转化液压系统的基本组成动力元件：液压泵。执行元件：液压缸、液压马达。控制调节元件：控制和调节液压系统的压力、流量及液流方向的装置，如各类液压阀等。液压传动系统组成动力元件（液压泵）将机械能转换为液体的压力能；执行元件（液压缸、液压马达等）将液体的压力能转化为机械能输出，以得到既定的运动和力的形式。两次能量转化液压系统的基本组成辅助元件：如油管、管接头、油箱、过滤器、蓄能器和压力表等。工作介质：通常为液压油气压传动的基本定义气压传动的基本工作过程、控制方式与液压传动类似，很多可以类推。但是，由于气体的压缩性等原因，气压传动有与液压不同的地方，二者的应用场合可以互补。气压传动的基本定义：压缩空气，利用被压缩空气所实现的传动。气动扳手气动扒胎机气压传动装置的组成气压传动装置：气源装置+传动装置气源装置气源装置：（1~6）空气压缩机（组）（气泵）+储气罐+油水分离器等。（由于空气介质的特殊性，比液压传动复杂）传动装置前端处理控制元件+传动回路（系统）（前端处理控制元件一般是分水滤气器+减压阀+油雾器）气压传动装置的组成气压传动装置：气源装置+传动装置123456789101）空气压缩机2）后冷却器3）除油器4）储气罐5）压力表6）安全阀7）截止门8）空气过滤器9）减压阀10）油雾器1.2液压与气压传动的优缺点及应用液压传动的基本特点液压传动的基本特点结构紧凑，可得到较大的传动比，因此适合重载场合；调速方便、平稳，并可以方便地实现无级调速；传动的平稳较好易操纵控制，易实现自动化，方便地实现机械、液压、电气控制技术“三位一体”。易于实现过载保护，故障较少，寿命长；液压传动的基本特点液压传动的基本特点不能用于要求传动比严格的场合；元件制造精度高，价格较贵成本高；效率往往不高；由于泄漏，传动比不严格；检修困难。气压传动的特点相比之下，空气介质具有无成本、流动阻力小、较易压缩、环境适应强等特点气压传动的特点为成本低。加工要求不高，元件密封方式多，无需回气路。可以形成气压网络系统，多设备共用气源。气流流速快，动作迅速。对环境的适应性好。如：易燃易爆、高温场合、食品、医药医疗。气压传动的特点相比之下，空气介质具有无成本、流动阻力小、较易压缩、环境适应强等特点气压传动的特点为压力小，动力性能不如液压，执行件尺寸较大。系统稳定性差、调速性能差。某些情况气源处理装置花费大液压传动的基本应用1工程机械2金属切削机床、压力机3矿山机械，如掘进机4冶金机械，如各类轧机5轻工机械，如注塑机、榨油机6工程实验7其他：军事、体育、交通运输液压传动的基本应用实物图片外圆磨床液压传动的基本应用实物图片液压传动的基本应用实物图片注塑机液压传动的基本应用实物图片液压弯管机空气的压缩性对气压传动的影响气体可以明细地被压缩，这种易压缩性将导致：1气压传动调速较为困难。2会使执行件驱动力、动作不稳定。气容在气压传动中，气体充、放的空间被称为气容。气容是不可避免的，如气管、气阀、气缸的空腔都是气容。一方面，气容会影响执行件的速度控制，使气压传动的速度、推力等指标动态性变差；另一方面，我们可以气容构成延时控制等。气压传动实例：立式铣镗加工中心的换刀系统必要动作：插刀/拔刀、夹紧/松刀、刀盘移动送刀/撤回、刀盘转位（数控）气压传动元件实物图片1.4液压与气动技术的基本理论油液是液压传动与控制系统中用来传递能量的工作介质。此外，它还起着传递信号、润滑、冷却、防锈和减振等作用。液压传动的基础知识1.4.1液体的性质油液直接影响液压系统的工作性能，因此必须合理的选择和使用。1.液压油的物理性质（1）液体的密度密度是指单位体积内液体所具有的质量，用符号ρ表示，单位为kg/m3。计算式为液压油的密度随压力的升高而增大，随着温度的升高而减小。但在通常的使用压力和温度范围内对密度的影响都极小，一般情况下可视液压油的密度为常数，其密度值为900kg/m3。Vm=（2）液体的可压缩性液体受压力作用其体积会减小的性质称为液体的可压缩性，其定义为单位压力变化时引起的液体单位体积的变化量，用体积压缩率k来表示，单位为m2/N，计算式为pdd1VV=k由于液体随压力的增加体积减小，故在公式前加负号，使k为正值。液体的体积压缩系数（或体积弹性模量）说明液体抵抗压缩能力的小，其值与压力、温度有关，但影响甚小。因此，在压力、温度变化不大的液压系统中可视为常数，认为液压油是不可压缩的。常用油液体积弹性模量K＝（1.2～2.0）×109Pa。体积压缩系数的倒数称为体积弹性模量K，单位为Pa，写成微分形式，即KVV1ddp==k如图2-1所示，粘性使流动液体内部各处的速度不等。假设两平行平板间存在着液体，当上平板以u0速度向右运动，下平板静止不动时，液体在附着力的作用下，紧贴上平板的一层液体以u0速度向右运动，而紧贴下平板的液体保持静止，当两平板之间的距离较小时，各液层间的速度呈线性变化。图2-1液体粘度示意图（3）液体的粘性液体流动时分子间相互牵制的力称为液体的内摩擦力或粘滞力，而液体流动时呈现阻碍液体分子之间相对运动的这种性质称为液体的粘性。此式称为牛顿液体的内摩擦定律。根据实验得出，液体流动时相邻液层间的内摩擦力F与接触面积A和速度变化量du成正比，与液层间距离的变化量dy成反比，其比例系数为μ，即或写成yuAFd=yudd=图2-2液体的粘度-温度特性曲线1—石油型普通液压油2—石油型高粘度指数液压油3—水包油乳化液4—水-乙二醇5—磷酸酯液（4）粘度和压力、温度的关系液体的粘度随压力变化的性质称为液体的粘压特性，液体压力增大时，其粘度增大；变化量较小，可忽略不计。液体粘度随温度变化的性质称为液体的粘温特性。如图2-2