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1、液压与气压技术讲义 于 今液压与气压技术课程简介 液压与气压技术是利用有压流体（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，它在工业生产的各个领域均有广泛的应用；在机械类高等教育的课程中，它已成为一门重要的技术基础课。本课程主要教授液压与气压系统的基本元件的结构、工作原理、工作性能及其应用，还介绍了液压与气动的基本回路及其控制系统的设计方法。第一章 绪 论1.1 液压与气压传动的研究对象 液压与气压传动是研究利用有压流体(压力油或压缩空气)作为传动介质来实现各种机械的传动和自动控制的学科。液压传动与气压传动实现传动和控制的方法基本相同，它们都是利用各种元件组成需要的控制回路，再
2、由若干回路组成能够完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换与控制。液压传动所采用的工作介质为液压油或其它合成液体，气压传动所采用的工作介质为压缩空气。1.2 液压与气压传动的工作原理 根据液压千斤顶的工作原理即可了解液压传动的工作原理。从图01可以看出，当向上提手柄使小缸活塞上移时，小液压缸因容积增大而产生真空，油液从油箱12通过阀4被吸入至小液压缸中，当按压手柄使小缸活塞下移时，则油液通过阀输入到大液压缸的下油腔，当油液压力升高到能够克服重物时，即可举起重物。彩图液压搬运车的工作原理即如前面所述。图01 液压千斤顶原理图液压搬运车将上面液压千斤顶工作原理图（图01）简化成如下图形（图
3、02），并对其进行公式推导：图02液压千斤顶简化模型图（1）力的传递关系 根据帕斯卡原理：在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到液体各点，并根据图0-2的受力情况可推导出或式中A1和A2分别为图2中小活塞和大活塞的作用面积；F1为杠杆手柄作用在小活塞上的力；W为被举起的负载。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，系统的工作压力取决于负载，而与流人的流体多少无关。 （2）运动的传递关系由图2可以看出，当不考虑液体得可压缩性、泄漏的等因素时，依据液体体积不变，可得出A1h1=A2h2或式中，h1和h2分别为小活塞和大活塞的位移，将其两端分别除以活塞移动的时间t，则得即
4、由此可见，活塞的运动速度与活塞的面积成反比。进一步推导可得q=Av及 q=A1v1=A2v2及 据此可得，活塞的运动速度取决于进入液压(气)缸(马达)的流量，而与流体压力大小无关。（3）功率关系当不计功率损失的情况下，假设输入功率等于输出功率，由图0-2可得F1v1=Wv2还可以推导出P=pA1v1=pA2v2=pq由以上分析可得，液压传动和气压传动是以流体的压力能来传递动力的。1.3 液压与气压传动系统的组成（1）液压传动系统的组成下图（图03）为一驱动机床工作台的液压传动系统，该系统的工作原理为：在图示位置，液压泵3由电动机带动旋转后，从油箱1中吸油，油液经滤油器2进入液压泵3的吸油腔，并
5、经液压泵3、节流阀4、换向阀5进入液压缸7左腔，液压缸7右腔的油液经换向阀5流回油箱，液压缸活塞在压力油的作用下驱动工作台右移。反之，通过换向阀5换向（阀心左移），压力油进入液压缸的右腔，液压缸7左腔的油液经换向阀5流回油箱，液压缸活塞在压力油的作用下驱动工作台左移。图03 机床工作台液压系统工作原理图1-油箱 2-过滤器 3-液压泵 4-节流阀 5-换向阀 7-液压缸 8-工作台（2）气压传动系统的组成下图为一气动系统的组成原理图，由空气压缩机经贮气罐，再经气动三联件进入气动控制回路，控制气缸活塞杆左移和右移。图0-4 气动系统的组成原理图（3）液压与气压传动系统的组成由上面的例子可以看出，
6、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，一般指作直线运动的液(气)压缸、作回转运动的液(气)压马达等。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。例如溢流阀、节流阀、换向阀等。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。4)辅助装置：指除以上三种以外的其它装置，如油箱、过滤器、分水滤气器、油雾器、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：系统中传递能量的流体，即液压油或压缩空气
7、。（4）液压与气压传动系统的图形符号上面的图为液压系统原理图，也可以将其用液压图形符号表示，如图0-3所示，详细的液压与气动元件图形符号在后面的课程中有详细介绍。1.4 液压与气压传动的优缺点 （1）液压传动的优点1）在同等的体积下，液压装置能比电气装置产生出更多的动力。在同等的功率下，液压装置的体积小，重量轻， 功率密度大，结构紧凑。液压马达的体积和重量只有同等功率电动机的12左右。2）液压装置工作比较平稳。由于重量轻、惯性小、反应快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁的换向。3）液压装置能在大范围内实现无级调速（调速范围可达2000），它还可以在运行的过程中进行调速。 4）液压传动易于自
8、动化，它对液体压力、流量或流动方向易于进行调节或控制。当将液压控制和电气控制、电子控制或气动控制结合起来使用时，整个传动装置能实现很复杂的顺序动作，也能方便地实现远程控制。5）液压装置易于实现过载保护。液压缸和液压马达都能长期在堵转状态下工作而不会过热，这是电气传动装置和机械传动装置无法办到的。6）由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造和使用都比较方便。7）用液压传动实现直线运动远比用机械传动简单。（2）液压传动的缺点1）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄漏损失等），长距离传动时更是如此。2）液压传动对油温变化比较敏感，它的工作稳定性很易受到温度的影
9、响，因此它不宜在很高或很低的温度条件下工作。3）为了减少泄漏，液压元件在制造精度上的要求较高，因此它的造价较贵，而且对工作介质的污染比较敏感。4）液压传动出现故障时不易找出原因。（3）气压传动的优点与液压传动相比，气压传动具有一些独特的优点：1）空气可以从大气中取得，同时，用过的空气可直接排放到大气中去，处理方便，万一空气管路有泄漏，除引起部分功率损失外，不致产生不利于工作的严重影响，也不会污染环境。 2）空气的粘度很小，在管道中的压力损失较小，因此压缩空气便于集中供应(空压站)和远距离输送。3）因压缩空气的工作压力较低（一般为0.30.8MPa），因此，对气动元件的材料和制造精度上的要求较低
10、。4）气动系统维护简单，管道不易堵塞，也不存在介质变质、补充、更换等问题。5）使用安全，没有防爆的问题，并且便于实现过载自动保护。（4）气压传动的缺点气压传动与电气、液压传动相比有以下缺点： 1）气压传动装置。的信号传递速度限制在声速（约340ms）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。 2）空气的压缩性远大于液压油的压缩性，因此在动作的响应能力、工作速度的平稳性方面不如液压传动。3）气压传动系统出力较小，且传动效率低。1.5 液压与气压传动的应用及发展（1）液压与气压传动技术的应用在工
11、业生产的各个部门都应用液压与气压传动技术。例如，工程机械（挖掘机）、矿山机械、压力机械（压力机）和航空工业中采用液压传动，机床上的传动系统也采用液压传动；而在在电子工业、包装机械、印染机械、食品机械等方面应用较多的气压传动等。（2）液压与气动技术的发展液压技术正向高压、高速、大功率、高效、低噪声、高性能、高度集成化、模块化、智能化的方向发展。同时，新型液压元件和液压系统的计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助测试(CAT)、计算机直接控制(DDC)、计算机实时控制技术、机电一体化技术、计算机仿真和优化设计技术、可靠性技术，以及污染控制技术等方面也是当前液压传动及控制技术发展和研究的方向；气压传动
12、技术在科技飞速发展的当今世界发展将更加迅速。随着工业的发展，气动技术的应用领域已从汽车、采矿、钢铁、机械工业等行业迅速扩展到化工、轻工、食品、军事工业等各行各业。气动技术已发展成包含传动、控制与检测在内的自动化技术。由于工业自动化技术的发展，气动控制技术以提高系统可靠性，降低总成本为目标。研究和开发系统控制技术和机、电、液、气综合技术。显然，气动元件当前发展的特点和研究方向主要是节能化、小型化、轻量化、位置控制的高精度化，以及与电子学相结合的综合控制技术。第二章 液压传动基础流体传动包括液体传动和气体传动，本章仅介绍液体传动的基本知识。为了分析液体的静力学、运动学和动力学规律，需了解液体的以下
13、特性： 连续性假设：流体是一种连续介质，这样就可以把油液的运动参数看作是时间和空间的连续函数，并有可能利用解析数学来描述它的运动规律。不抗拉：由于油液分子与分子间的内聚力极小，几乎不能抵抗任何拉力而只能承受较大的压应力，不能抵抗剪切变形而只能对变形速度呈现阻力。易流性：不管作用的剪力怎样微小，油液总会发生连续的变形，这就是油液的易流性，它使得油液本身不能保持一定的形状，只能呈现所处容器的形状。均质性：其密度是均匀的，物理特性是相同的。2.1 液压传动工作介质液压传动最常用的工作介质是液压油，此外，还有乳化型传动液和合成型传动液等，此处仅介绍几个常用的液压传动工作介质的性质。2.1.1 液压传动
14、工作介质的性质 （1）密度单位体积液体的质量称为液体的密度。体积为，质量为的液体的密度为 矿物油型液压油的密度随温度的上升而有所减小，随压力的提高而稍有增加，但变动值很小，可以认为是常值。我国采用摄氏20度时的密度作为油液的标准密度。（2）可压缩性压力为0、体积为0的液体，如压力增大时，体积减小，则此液体的可压缩性可用体积压缩系数 ，即单位压力变化下的体积相对变化量来表示由于压力增大时液体的体积减小，因此上式右边须加一负号，以使成为正值。液体体积压缩系数的倒数，称为体积弹性模量，简称体积模量。即= 。（3）粘性1）粘性的定义液体在外力作用下流动(或有流动趋势)时，分子间的内聚力要阻止分子相对运
15、动而产生的一种内摩擦力，这种现象叫做液体的粘性。液体只有在流动(或有流动趋势)时才会呈现出粘性，静止液体是不呈现粘性的。粘性使流动液体内部各处的速度不相等，以图1-2为例，若两平行平板间充满液体，下平板不动，而上平板以速度向右平动。由于液体的粘性作用，紧靠下平板和上平板的液体层速度分别为零和。通过实验测定得出，液体流动时相邻液层间的内摩擦力Ft，与液层接触面积、液层间的速度梯度成正比，即 式中：为比例常数，称为粘性系数或粘度。如以表示切应力，即单位面积上的内摩擦力，则 这就是牛顿的液体内摩擦定律。2）粘性的度量(a)动力粘度：又称绝对粘度，单位为Pas(帕秒)，以前沿用的单位为P(泊，dynes )，1Pas=10P=cP(厘泊)。 (b)运动粘度：液体的动力粘度与其密度的比值，称为液体的
