液压传动与控制.

液压传动与控制机械科学与工程学院机械电子工程系课程简介•液压传动是当代先进科学技术之一，液压技术的应用程度已经成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一，发达国家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传动技术。•特点：应用为主的技术。•通过本课程的学习，应掌握液压传动技术基本原理及组成，典型液压元件的结构、工作原理，典型回路原理特点及应用。能够分析中等复杂程度的液压系统，能设计简单的液压系统。有一定的实验动手能力，独立完成配套实验。课程简介目录•第1章绪论•第2章液压动力元件•第3章液压执行元件•第4章液压控制元件•第5章液压辅助元件•第6章基本液压回路•第7章典型液压系统分析*•第8章液压系统的设计*•第9章电液伺服与比例控制*第一章绪论•内容提要：本章主要介绍液压传动与控制技术的发展概况及趋势、应用领域、工作原理与特征、优缺点、工作介质的性质以及液压油的污染与控制。•通过本章的学习，要求重点掌握液压传动的工作原理与特征、工作介质的性质以及液压油的污染与控制。返回总目录第一章绪论1.1液压传动的发展概况1.2液压传动的工作原理及特征1.3液压传动的优缺点1.4液压传动的工作介质1.5液压油的污染与控制返回总目录1.1液压传动的发展概况•1.1.1液压传动发展历史–1653年帕斯卡提出的流体静压力传递原理（即帕斯卡原理）–1795年英国人约瑟夫·布拉曼研制水压机–20世纪初石油工业的兴起和耐油橡胶的出现–战争和军事需要刺激了液压新技术新工艺–战后在航空航天、国防工业以及汽车和机床工业的广泛应用中，液压技术经受了考验，西方各国相继成立了行业协会和专业学会，这一时期也称得上是液压工业的黄金岁月本章目录–20世纪70年代液压元件开始向标准化、集成化、小型化方向发展–电液比例控制在20世纪80年代成为液压技术研究发展的热点–20世纪90年代以后随着绿色和环保成为全球共识，水压技术的研究又得到重视•液压技术的应用程度已经成为衡量一国工业水平的重要标志之一1.1.1液压传动发展历史本章目录1.1.2我国液压行业历史及现状–我国液压行业起步较晚，20世纪50年代初到60年代为起步阶段，当时大部分机床厂都有专门的液压车间生产液压件，自产自用–60～70年代，液压技术的应用逐渐从机床行业推广到农业机械和工程机械等领域–80～90年代进入快速发展阶段–液压工业从2000年到2010年，年年增长的只有中国一家，我国2010年液压工业的营业额是2000年的9.6倍，平均年增长率为25.5%，而世界平均年增长率仅5.3%。本章目录我国液压工业的年产值（1999-2011）–在国外，液压工业的发展速度高于机械工业。据统计，各国液压工业产值约占机械工业产值的2～3%，而我国的液压气动行业占国民经济的比例却很小，图1-3是2000年到2007年我国的液压气动行业占国民经济的比例。这充分说明我国液压技术使用率还很低，需努力扩大其应用领域。1.1.2我国液压行业历史及现状本章目录–我国液压行业主要产品为上世纪80年代引进消化吸收产品和其后跟踪开发产品，基本能适应国产主机一般配套要求，为重大成套工程配套品种满足率约70%左右。–我国的液压元件尽管产值产量不低，但高端产品几乎全部由国外占据，同时许多液压元件属于安全领域，也无法获得，而且这一差距似乎有增大趋势。1.1.2我国液压行业历史及现状本章目录•工程机械1.1.3应用领域本章目录•工程机械1.1.3应用领域本章目录•工程机械1.1.3应用领域盾构机直径为17.45米,全长110米重达7千吨本章目录汽车起重机•工程机械1.1.3应用领域本章目录摊铺机•工程机械1.1.3应用领域本章目录挖掘装载机路面冷铣刨机•工程机械1.1.3应用领域本章目录拖式混凝土输送泵•工程机械1.1.3应用领域本章目录•工程机械1.1.3应用领域混凝土搅拌运输车&泵车本章目录垃圾车消防车1.1.3应用领域本章目录注塑机1.1.3应用领域本章目录运动模拟器1.1.3应用领域本章目录航空航天领域1.1.3应用领域本章目录汽车领域•可变气门正时（VVT）•自动变速•防抱死制动系统（ABS）•液压助力转向•正如路甬祥院长所说：“由于流体特性及其应用领域的多样化及复杂性，流体传动与控制技术在未来有着无穷无尽的研究领域和无止境的应用范围。”1.1.3应用领域本章目录–继续与信息、数字、智能及网络技术相结合–模块化电液传动与控制技术–小型化和集成化–极端环境的应用领域–更为严格的环保标准–仿生学流体技术的开发–纯水液压技术–向着高压化、高速化、集成化、大流量、大功率、高效率、长寿命、低噪声方向发展1.1.4发展趋势本章目录•1.传动方式的分类–原动机→传动机→工作机–传动通常分为机械传动、电气传动和流体传动以及它们的组合—复合传动等。–机械传动—发展最早、目前应用最普遍的传动形式–电气传动—在有交流电源的场合得到了广泛的应用–流体传动—液体传动和气体传动1.2液压传动的工作原理及特征•以液体作为工作介质，并以其压力能进行能量传递的方式，即为液压传动。本章目录1.2.1液压传动的工作原理及特征图1-4液压传动工作原理图本章目录动画•特征一：力（或力矩）的传递是按照帕斯卡定律（静压传递定律）进行的。211AWAFp图1-4液压传动工作原理图压力取决于负载1.2.1液压传动的工作原理及特征压力的国际单位是帕斯卡（Pa），实际中常用兆帕（MPa）这一单位，1MPa＝106Pa，另外在工程中也常用单位巴（bar），1bar=1kgf/cm2≈0.1MPa，欧美国家习惯使用psi（磅/平方英寸）作单位，1psi=0.069bar=0.0069MPa。本章目录1.2.1液压传动的工作原理及特征液压系统中的压力就是指压强，液体压力通常有绝对压力、相对压力(表压力)、真空度三种表示方法。因为在地球表面上，一切物体都受大气压力的作用，而且是自成平衡的，即大多数测压仪表在大气压下并不动作，这时它所表示的压力值为零，因此，它们测出的压力是高于大气压力的那部分压力。也就是说，它是相对于当地大气压(即以大气压为基准零值时)所测量到的一种压力，因此称它为相对压力或表压力。本章目录•特征二：速度或转速的传递按“容积变化相等”的原则进行。2211hAhAthAthA22112211vAvA的物理意义是单位时间内流过截面积为A的液体的体积，称为流量qthAAvqAqv图1-4液压传动工作原理图1.2.1液压传动的工作原理及特征本章目录•特征三：功率传递•机械功率（忽略损失）•由上式可得211WvvFPpqAqpAvFP1111p—泵吸、排油口之间的压差（MPa）q—液压泵实际输出流量（L/min）P—液压泵输出功率（kW）1.2.1液压传动的工作原理及特征本章目录1.2.2液压传动系统的组成•1.能源装置：即各种泵，其功能是把机械能转换成液体压力能的元件。如图1-4中的小油缸和单向阀组成一个单缸液压泵。•2.执行装置：即油缸（直线运动）和马达（旋转运动）。其主要功能把液体压力能转换成机械能的元件。如图1-4中的大油缸。•3.控制调节装置：即各种控制阀，其主要作用是通过对流体的压力、流量及流动方向的控制，来实现对执行元件的作用力、运动速度及运动方向等的控制；也用于实现过载保护、程序控制等。图1-4中的阀1、2即属控制元件。•4.辅助装置：上述三个组成部分以外的其它元件，如管道、接头、油箱、滤油器等，它们保证液压系统可靠、稳定地运行。•5.传动介质：用来传递能量的流体即液压油。本章目录1.3液压传动的优缺点及应用•1.液压传动的主要优点–1）体积小，重量轻，能容量大。–2）可方便的实现无级调速，调速范围大。–3）可灵活方便地布置传动机构。–4）与微电子技术结合，易于实现自动控制。–5）可实现过载保护。本章目录•2.液压传动的主要缺点–1）传动效率低，且有泄漏。–2）工作时受温度变化的影响大。–3）噪声较大。–4）对污染敏感。–5）价格较贵。1.3液压传动的优缺点及应用本章目录1.4液压传动工作介质在液压传动系统中，工作介质用来传递动力和信号，对于液压传动系统来说液压油还起到润滑、冷却和防锈等作用。液压传动系统能否可靠、有效地工作，在很大程度上取决于系统中所使用的工作介质。因此，必须对工作介质有一清晰的了解。本章目录1.4.1液压工作介质的种类在液压传动系统中所使用的工作介质大多数是石油基液压油，石油基液压油是以精炼后的机械油为基料，按需要加入适当的添加剂而制成，常用的添加剂有：增粘剂、消泡剂、抗氧化剂、防锈蚀剂1.4液压传动工作介质本章目录1.4.2液压油的物理性质1.密度单位体积液体的质量称为液体的密度。Vm本章目录2.可压缩性•液体分子间存在一定间隙，液体受压缩后体积会缩小，这种性质称为液体的可压缩性。•压力为p0、体积为V0，如果压力增大Δp，则体积减小ΔV，液体的可压缩性可用体积压缩系数k，即单位压力变化下的体积相对变化量来表示01VVpk•液体体积压缩系数的倒数称为体积弹性模量KK=1/k，工程计算中常取为700MPa左右本章目录1.4.2液压油的物理性质3.粘性•液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，由于液体分子间的内聚力（吸引力）而产生的阻碍液体分子相互运动的内摩擦力，这种现象叫做液体的粘性。•性质：•（1）液体只有在流动（或有流动趋势）时才会呈现粘性，静止液体是不呈现粘性的。•（2）温度升高时，粘度降低。•（3）压力增大时，粘度升高。本章目录1.4.2液压油的物理性质1.4.2液压油的物理性质μ为比例常数，称为粘性系数或动力粘度。其法定计量单位为Pa·s(1Pa·s＝1N·s／m2)。本章目录牛顿内摩擦定律1.4.2液压油的物理性质运动粘度ν它的法定计量单位为m2／s。我国液压油的牌号就是用它在温度为40℃时的运动粘度平均值来表示的。例如L-HL22普通液压油，就是指这种油在40℃时的运动粘度平均值为22mm2／s。本章目录1.4.2液压油的物理性质•相对粘度•中国、德国、前苏联等采用恩氏粘度：°E•恩氏粘度计610)31.631.7(EE本章目录1.4.2液压油的物理性质1.对液压传动工作介质的要求•1）合适的粘，ν40=（15~40）×10-6m2/s，良好的粘温性能。•2）润滑性能好。•3）质地纯净，杂质含量少。•4）对金属和密封件有良好的兼容性。•5）对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性，使用寿命长。•6）消泡性好，抗乳化性好，腐蚀性小，防锈性好。•7）体积膨胀系数小，比热容大。•8）凝固点低，流动性好，闪点高（明火能使油面上油蒸气闪燃，而油液本身不燃烧时的温度）。•9）对人体无害，成本低。本章目录1.4.3液压油的选用•在选用液压油时，粘度是一个重要的参数。粘度的高低将影响运动部件的润滑、缝隙的泄漏以及流动时的压力损失、系统的发热温升等。•1．选择液压油的种类•（1）根据液压系统的环境和工况条件选择液压油•（2）根据油泵的类型选油，一般而言，齿轮泵对液压油的抗磨要求比叶片泵、柱塞泵低，因此齿轮泵可选用HL或HM油，而叶片泵、柱塞泵一般则选用HM油。•（3）根据液压油的特性及液压元件的材质选油•2．选择液压油粘度•在选择完品种后，需要确定其使用粘度级别。粘度选择太大，液压传动损失大，系统效率低，油泵吸油困难。粘度太小，油泵内渗漏量大，容积损失增加，同样会使系统效率降低。因此必须针对系统、环境选择一个适宜的粘度，使系统在容积效率和机械效率间求得最佳的平衡。1.4.3液压油的选用1.5液压油的污染与控制•液压系统多数故障与液压油受到污染有关，因此控制液压油的污染是十分重要的。•一、液压油污染的原因–已被污染的新油–残留污染–侵入污染–生成污染•二、液压油污染的控制•1．减少外来的污染•2．滤除系统产生的杂质•3．控制液压油液的工作温度•4．定期检查更换液压油液本章目录•油液污染度•指单位体积油液中固体颗粒污染物的含量，是评定油液污染程度的重要指标。目前油液污染度普遍