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普通高等教育“十一五”国家级重点教材普通高等工科教育机电类规划教材液压与气压传动(第4版)左健民主编主讲陈水胜湖北工业大学机械电子工程系2011年2月液压传动与气压传动(第三版)(杨曙东何存兴主编)课件编制：湖北工业大学陈水胜李奕前言一、课程的性质和任务二、课程的基本要求三、课程内容（理论教学+实验教学=56学时）四、教学大纲执行说明五、学时分配六、教材及参考书总目录绪论第一章流体力学基础第二章液压动力元件第三章液压执行元件第四章液压控制元件第五章液压辅助元件第六章液压基本回路第七章典型液压传动系统第八章液压伺服和电液比例控制技术第九章液压系统的设计与计算绪论一.液压与气压传动的研究对象二.液压与气压传动的工作原理三.液压与气压传动系统的组成四.液压与气压传动的优缺点五.液压与气压传动的应用及发展一.液压与气压传动的研究对象液压与气压传动是研究以有压流体（压力油或压缩空气）为能源介质，来实现各种机械的传动和自动控制的学科。液压与气压传动实现传动和控制的方法是基本相同的，它们都是利用各种元件组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成能完成一定控制功能的传动系统来进行能量的传递、转换与控制。液压传动所用的工作介质为液压油或其它合成液体，气压传动所用的工作介质为空气，由于这两种流体的性质不同，所以液压传动和气压传动又各有其特点。液压传动传递动力大，运动平稳，但由于液体粘性大，在流动过程中阻力损失大，因而不宜作远距离传动和控制；而气压传动由于空气的可压缩性大，且工作压力低（通常在1.0MPa以下），所以传递动力不大，运动也不如液压传动平稳，但空气粘性小，传递过程中阻力小、速度快、反应灵敏，因而气压传动能用于远距离的传动和控制。二.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0－1所示的液压千斤顶来简述液压传动的工作原理。由图0－1a可知，大缸体9和大活塞8组成举升液压缸。杠杆手柄1、小缸体2、小活塞3、单向阀4和7组成手动液压泵。如提起手柄使小活塞向上移动，小活塞下端油腔容积增大，形成局部真空，这时单向阀4打开通过吸油管5从油箱12中吸油；用力压下手柄，小活塞下移，小活塞下腔压力升高，单向阀4关闭，单向阀7打开，下腔的油液经管道6输入大缸体9的下腔，迫使大活塞8向上移动，顶起重物。再次提起手柄吸油时，举升缸下腔的压力油将力图倒流入手动泵内，但此时单向阀7自动关闭，使油液不能倒流，从而保证了重物不会自行下落。不断地往复扳动手柄，就能不断地把油液压入举升缸下腔，使重物逐渐地升起。如果打开截止阀11，举升缸下腔的油液通过管道10、阀11流回油箱，大活塞在重物和自重作用下向下移动，回到原始位置。液压传动的工作原理1.力比例关系图0－1b为液压千斤顶的简化模型，据此可分析两活塞之间的力比例关系、运动关系和功率关系。当大活塞上有重物负载W时，大活塞下腔的油液就将产生一定的压力p，p=W/A2。根据帕斯卡原理“在密闭容腔内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到液压各点”。因而要顶起大活塞及其重物负载W，在小活塞下腔就必须要产生一个等值的压力p，也就是说小活塞上必须施加力F1,F1=pA1,因而有p＝F1/A1=W/A2或W/F1=A2/A1（0－1）由式（0－1）可知，当负载W增大时，流体工作压力p也要随之增大，亦即F1要随之增大；反之，若负载W很小，流体压力就很低，F1也就很小。由此建立了一个很重要的基本概念，即在液压和气压传动中工作压力取决于负载，而与流入的流体多少无关。2.运动关系如果不考虑液体的可压缩性、漏损和缸体、油管的变形，从图0－1b可以看出，被小活塞压出的油液的体积必然等于大活塞向上升起后大缸扩大的体积。即A1h1=A2h2或h2/h1=A1/A2（0－2）从式（0－2）可知，两活塞的位移和两活塞的面积成反比，将A1h1＝A2h2两端同除以活塞移动的时间t得A1h1/t=A2h2/t即v2/v1=A1/A2（0－3）式中v1、v2分别为小活塞和大活塞的运动速度。从式（0－3）可以看出，活塞的运动速度和活塞的作用面积成反比。Ah/t的物理意义是单位时间内液体流过截面积为A的某一截面的体积，称为流量q，即q=Av因此，A1v1=A2v2（0－4）如果已知进入缸体的流量q，则活塞的运动速度为v=q/A（0－5）调节进入缸体的流量q，即可调节活塞的运动速度v，这就是液压与气压传动能实现无级调速的基本原理。从式（0－5）可得到另一个重要的基本概念。即活塞的运动速度取决于进入液压（气压）缸（马达）的流量，而与流体压力大小无关。3.功率关系由式（0－1）和式（0－3）可得F1v1=Wv2（0－6）式（0－6）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（0－6）还可得出P=pA1v1=pA2v2=pq（0－7）由式（0－7）可以看出，液压与气压传动中的功率P可以用压力p和流量q的乘积来表示，压力p和流量q式流体传动中最基本、最重要的两个参数，它们相当于机械传动中的力和速度，它们的乘积即为功率。从以上分析可知，液压传动和气压传动是以流体的压力能来传递动力的。三.液压与气压传动系统的组成左图（动画）所示为机床工作台液压系统的工作原理图（慢速左移）。活塞的移动速度由节流阀来调节。节流阀口开大，进入液压缸的油液增多，活塞的移动速度增大；节流阀口关小时，进入液压缸的油液减小，活塞的移动速度减小。液压泵输出的多余油液需经溢流阀和回油管排回油箱，这只有在压力支管中的油液压力对溢流阀钢球的作用力等于或略大于溢流阀中弹簧的预紧力时，油液才能顶开溢流阀中的钢球流回油箱。为克服活塞所受到的各种阻力，液压缸必须产生一个足够大的推力，这个推力是由液压缸中的油液压力产生的。要克服的阻力越大，液压缸中的油液压力越高；反之压力就越低。右图所示为一可完成某程序动作的气压系统的组成原理图，其中的控制装置是由若干气动元件组成的气动逻辑回路。它可以根据气缸活塞杆的始末位置，由行程开关等传递信号，再作出下一步的动作，从而实现规定的自动工作循环。由上面的例子可以看出，液压与气压传动系统主要由以下几个部分组成：（1）能源装置把机械能转换成流体的压力能的装置，一般最常见的是液压泵或空气压缩机。（2）执行装置把流体的压力能转换成机械能的装置，一般指液（气）压缸或液（气）压马达。（3）控制调节装置对液（气）压系统中流体的压力、流量和流动方向进行控制和调节的装置。如溢流阀、节流阀、换向阀等。（4）辅助装置指除以上三种以外的装置，如油箱、过滤器、分水滤气器、油雾器、蓄能器等，它们对保证液（气）压系统可靠和稳定地工作有重大作用。（5）传动介质传递能量的流体，即液压油或压缩空气。四.液压与气压传动的优缺点液压与气压传动的优点液压与气压传动元件的布置不受严格的空间位置限制，系统中各部分用管道连接，布局安装有很大的灵活性，能构成用其他方法难以组成的复杂系统。在同等体积下，液压装置能产生出更大的动力，也就是说，在同等功率下，液压装置的体积小、重量轻、结构紧凑，即：它具有大的功率密度或力密度，力密度在这里指工作压力。液压装置容易做到对速度的无级调节，而且调速范围大，可以达到2000：1，对速度的调节还可以在工作过程中进行。液压传动和液气联动传递运动均匀平稳，换向冲击小，易于实现快速启动、制动和频繁换向。液压装置易于实现过载保护，能实现自润滑，使用寿命长。液压装置易于实现自动化，可以很方便地对液体的流动方向、压力和流量进行调节和控制，并能很容易地和电气、电子控制或气压传动控制结合起来，实现复杂的运动和操作。液压与启动元件属于机械工业基础件，系列化、标准化和通用化程度较高，有利于缩短机器的设计、制造周期和降低制造成本。气压传动的优点气压传动系统的介质是空气，它取之不尽用之不竭，成本较低，用后的空气可以排到大气中去，不会污染环境。气压传动的工作介质粘度很小，所以流动阻力很小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送，便于使用。气压传动工作环境适应性好。可以根据不同场合，采用相应材料，使元件能够在恶劣的环境（强振动、强冲击、强腐蚀和强辐射等）下进行正常工作。气压传动有较好的自保持能力。即使气源停止工作，或气阀关闭，气压传动系统仍可维持一个稳定压力。气压传动在一定的超负载工况下运行也能保证系统安全工作，并不易发生过热现象。无油的气动控制系统特别适用于无线电元器件的生产过程，也适用于食品及医药的生产过程。液压与气压传动的缺点在传动过程中，能量需经两次转换，传动效率偏低。由于传动介质的可压缩性和泄露等因素的影响，不能严格保证定比传动。液压与气动元件制造精度高，系统工作过程中发生故障不易诊断。液压传动性能对温度比较敏感，不能在高温下工作，采用石油基液压油作传动介质时，还需注意防火问题。气压传动的缺点气压传动系统的工作压力低，因此气压传动装置的推力一般不宜大于10～40kN，仅适用于小功率场合，在相同输出力的情况下，气压传动装置比液压传动装置尺寸大。由于空气的可压缩性大，气压传动系统的速度稳定性差，位置和速度控制精度不高。气压传动系统的噪声大。气压传动工作介质本身没有润滑性。气压传动装置的信号传递速度限制在声速（约340m/s）范围内，所以它的工作频率和响应速度不如电子装置，并且信号要产生较大的失真和延滞，也不便于构成较复杂的回路，但这个缺点对工业生产过程不会造成困难。五.液压与气压传动的应用及发展一般工业用液压系统塑料加工机械（注塑机）、压力机械（锻压机）、重型机械（废钢压块机）、机床（全自动转塔车床、平面磨床）等。例图行走机械用液压系统工程机械（挖掘机）、起重机械（汽车吊）、建筑机械（打桩机）、农业机械（联合收割机）、汽车（转向器、减振器）等。例图钢铁工业用液压系统冶金机械（轧钢机）、提升装置（电极升降机）、轧辊调整装置等。土木工程用液压系统防洪闸门及堤坝装置（浪潮防护挡板）、河床升降装置、桥梁操纵机构和矿山机械（凿岩机）等。例图发电厂用液压系统涡轮机（调速装置）、核发电厂等。特殊技术用液压系统巨型天线控制装置、测量浮标、飞行器仿真台、升降旋转舞台等。例图船舶用液压系统甲板起重机械（绞车）、船头门、舱壁阀、船尾推进器等。例图军事工业用液压系统火炮操纵装置、舰船减摇装置、飞机起落架的收放装置及方向舵控制装置等。注塑机械机床（全自动六角车床）桥梁检修机械防洪闸门及堤坝装置巨型天线甲板起重机械气压传动的应用气压传动的应用也相当普遍，许多机器设备中都装有气压传动系统，在工业各领域，如机械、电子、钢铁、运行车辆及制造、橡胶、纺织、化工、食品、包装、印刷和烟草机械等，气压传动技术不但在各工业领域应用广泛，而且，在尖端技术领域如核工业和宇航中，气压传动技术也占据着重要的地位。例图自动水果分类机汽车组装线自动激光唱片拾放装置自动糖果包装机自动汽车清洗机自动空气喷射织布机压烫机液压与气压传动发展如果从17世纪帕斯卡提出静压传递原理、18世纪英国制成世界第一台水压机算起，液压传动已有二百多年的历史。但是由于当时没有成熟的液压传动技术和液压元件，因此它没有得到普遍的应用。随着科学技术的不断发展，各行各业对传动技术有了进一步的需求。特别是在第二次世界大战期间，由于军事上迫切地需要反应快、重量轻、功率大的各种武器装备，而液压传动技术正好具有这方面的优势，所以获得了较快的发展。在战后的50年中，液压传动技术迅速地扩展到其他各个部门，并得到了广泛的应用。目前，液压与气压传动分别在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声、长寿命、高度集成化、小型化与轻量化、一体化、执行件柔性化等方面取得了很大的进展。同时，由于它与微电子技术密切配合，能在尽可能小的空间内传递出尽可能大的功率并加以准确地控制，从而更使得它在各行各业中发挥出了巨大作用。第一章流体力学基础第一节液压传动的工作介质第二节液体静力学第三节液体动力学第四节定常管流的压力损失计算第五节孔口和缝隙流量第六节空穴现象和液压冲击第一节液压传动的工作介质液压传动最常用的工作介质是液压油，此外，还有乳化