（高职）液压传动：1.绪论

1 绪 论 本章重点 ： 1. 液压传动的工作原理 2. 液压传动中的两个重要概念——压力取决于负载，速度取决于流量 3. 液压传动系统的组成及作用 本章难点： 压力取决于负载 第一节 液压传动的发展概况 液压传动相对于机械传动来说，是一门比较新的学科，从 1795 年英国制造出世界上第一台水压机 至今，已经历了二三百年的历史，但广泛应用和推广仅有六、七十年。 19 世纪末，德国制造出液压龙门 刨床，美国制成液压六角车床和磨床，但因当时没有成熟的液压元件以及受制造工艺水平的限制，液压 传动技术的应用仍不普遍。二战期间，一些兵器由于采用了反应快、精度高、功率大的液压传动装置， 大大提高了兵器的性能，同时推动了液压技术的发展。战后，液压传动技术迅速转向民用，广泛地应用 于机械制造、工程建筑、石油化工、交通运输、军械、矿山冶金、航空航海、轻工、农林渔业等行业， 在宇宙航行、海洋开发、核能建设、地震预测等新的技术领域中也得到应用。二十世纪 60 年代后，随着 原子能、空间技术、计算机技术的发展，液压技术的应用更加广泛。 目前，该项技术正在向高压、高速、高效、大流量、大功率、低噪声、长寿命、高度集成化和模块 化、高可靠性及污染控制的方向发展。同时，随着计算机辅助设计、计算机仿真和优化、微机控制等技 术在液压元件和液压系统设计中的快速应用，又使液压技术的发展进入了一个新的阶段。 第二节 基本概念 一、 液压传动 1. 液压传动的工作原理 (a)液压千斤顶原理图 (a) (b) 液压千斤顶简化模型 图 0-1 液压千斤顶 1—杠杆手柄 2—小缸体 3—小活塞 4、 7—单向阀 5—吸油管 6、 10—管道 8—大活塞 9—大缸体 11—截止阀 12—通大气式油箱 2 液压传动是以液体作为工作介质并以压力能的方式来进行能量传递和控制的一种传动形式。图 0-l 为液压千斤顶工作原理，由图 (a)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。假设活塞在缸体内可自由滑动（无摩擦力）又不使液体渗漏， 液压缸的工作腔与油管都充满油液并与大气隔绝——即液体在密封容积内。当提起手柄 1 使小活塞 3 向 上移动时，小活塞下端油腔容积增大，形成局部真空，此时单向阀 4 被打开，通过吸油管 5 从油箱 12 中吸油；当压下手柄，小活塞下移，小活塞下腔压力升高，单向阀 4 关闭，单向阀 7 被打开，下腔的油 液经管道 6 流入大缸体 9 的下腔，使大活塞 8 向上移动，顶起重物。为防止再次提起手柄吸油时，举升 缸下腔的压力油逆向流入手动泵（小缸） ，设置一单向阀 7，使其自动关闭，油液不能倒流，以保证重物 不会自行下落。往复扳动手柄，就能不断地将油液压入举升缸下腔，使重物逐步升起；当打开截止阀 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回到原始位置。 由此得出结论：密封容积中的液体既可以传递力，又可以传递运动。因此液压传动又称容积式液压 传动传动。 2. 力比、速比及功率关系 图 (b)为液压千斤顶简化模型，据此可分析推导出两活塞间的力比、速比及功率关系。设大、小活塞 的面积为 A 2 、 A 1 ，当作用在大活塞的负载为 G，作用在小活塞的作用力为 F 时，根据帕斯卡原理，即“在 密闭容器内，施加于静止液体上的压力将同时以等值传递到液体内各点” 。 设缸内压力为 p，运动摩擦力忽略不计，则有： 21 A G A F p == 或 1 2 A A F G = (0-1) 式中 A l 、 A 2 ——分别为小活塞和大活塞的作用面积； F——为杠杆手柄作用在小活塞上的力； G——作用在大活塞的负载。 如果不考虑液体的可压缩性、泄漏损失和缸体、油管的变形，则从图 0-l(b)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 A l ·h l = A 2 ·h 2 (0-2) 式中 h 1 、 h 2 ——小活塞和大活塞的位移。 将式 (0-2)两端同除以活塞移动的时间 t，得 t h A t h A 2 2 1 1 = (0-3) t h A 的物理意义是单位时间内，液体流过截面积为 A 的体积，称为流量 q，即 q =A·υ 或 A q =υ (0-4) 因此，得 q =A 1 ·υ 1 = A 2 ·υ 2 (0-5) 即 1 2 2 1 A A = υ υ 式中 υ 1 、 υ 2 ——小活塞和大活塞的运动速度。 使负载 G 上升所需的功率为 3 P =G·υ 2 = p·A 2 2 A q = p·q (0-6) 式中 p 的单位为 Pa(N/m 2 )， q 的单位为 m 3 /s， P 的单位为 W(N·m/s)。 由此可见，压力 p 和流量 q 是流体传动中最基本、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，可称为液压功率。 由于计算时功率 P 常用的单位为 kW，而压力 p 常用的单位为 MPa，流量 q 常用的单位为 L/min， 所以还必须进行单位换算。经换算可得 60 qp P ? = (kW) 从以上分析可知，液压传动是以流体的压力能来传递动力的。 液体的压力是指液体在单位面积上所受的作用力，确切地说应该是压力强度(或压强)，工程上习惯 叫压力，单位为 Pa(N/m 2 )。 3. 两个重要概念 ⑴压力取决于负载 在图 0-l(b)所示的简化模型中，只有大活塞上有了重物 G（负载） ，小活塞上才 能施加上作用力 F，而有了负载和作用力，才产生液体压力 p。有了负载，液体才会有压力，并且压力 大小决定于负载，而与流入的流体多少无关。这是一个很重要的概念。今后，在分析液压系统中元件和 系统的工作原理时经常要用到它。实际上，液压传动中液体的压力相当于机械传动中机械构件的应力。 机械构件应力是决定于负载的， 同样液体的压力也是决定于负载的。 但是机械构件在传动时可以承受拉、 压、弯、剪等各种应力，而液压传动中液体只能承受压力，这是二者的重要区别。 ⑵速度取决于流量 从式 (0-4)可得到另一个 重要的基本概念，调节进入缸体的流量 q，即可 调节活塞的运动速度 υ，这就是液压传动能实现 无级调速的基本原理。即活塞的运动速度（马达 的转速）取决于进入液压缸（马达）的流量，而 与流体压力大小无关。 以上两个重要概念将在本门课程的学习和 应用中贯穿始终，必须掌握。 4. 液压传动系统实例 尽管液压传动应用广泛，但其工作原理是相 同的。下面以平面磨床工作台往复直线运动的液 压系统为例进行分析。如图 0-2(a)所示，液压泵 3 由电动机带动从油箱 1 中吸油，油液经过滤器 2 进入液压泵吸油腔，输出进入压力油路后，通过 换向阀 5、节流阀 6，经换向阀 7 进入液压缸 8 的左腔。液压缸 8 的缸体固定不动，活塞便在油 液压力的推动下，带动固定在活塞杆上的工作台 9 向右运动，此时液压缸右腔的油液经换向阀 7 和回油管排回油箱。 若将换向阀 7的手柄置成图 0-2(b)所示状态， 则经节流阀 6 的压力油将由换向阀 7 进入液压缸 图 0-2 磨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-溢流阀 5、 7-换向阀 6-节流阀 8-液压缸 9-工作台 4 的右腔。此时液压缸左腔的油经换向阀 7 和回油管排回油箱，液压缸 8 中的活塞将推动工作台 9 向左移 动。 若系统中换向阀 5 处于图 0-2(c)的位置，则液压泵输出的压力油将经换向阀 5 直接回油箱，系统处 于卸荷状态，液压油不能进入液压缸，所以换向阀 5 又可称为开停阀。 转换换向阀 7，即可变换压力油进入液压缸 8 的方向，从而实现工作台往复运动。工作台的运动速 度可通过改变节流阀 6 的开口量进行调节，当开口大时，单位时间内进入液压缸的油液增多，工作台的 运动速度变快，开口小时，运动速度变慢。 为克服工作台的摩擦力、切削力等各种阻力，液压缸必须输出足够大的推力，这由液压泵输出的压 力来保障，根据不同工作情况，液压泵输出的油液压力由溢流阀 4 进行调整。通常，由于电机转速一定， 使液压泵单位时间内输出的油液体积也为定值，而输入液压缸的油液多少由节流阀 6 调节，因此液压泵 输出的多余油液须经溢流阀 4 流回油箱 1。 二、 液压系统的组成 根据以上实例分析，液压系统由以下五部分组成： (1)动力元件——液压泵 将机械能转换为液压能置， 给整个系统提供压力油。 (2)执行元件——液压缸或液压马达 将液压能转换 为机械能，可克服负载做功。 (3)控制元件——各种阀类 可控制和调节液压系统 的压力、流量及液流方向，以改变执行元件输出的力 (或转 矩 )、速度 (或转速 )及运动方向。 (4)辅助元件——油管、管接头、油箱、过滤器、蓄能 器和压力表等 起连接、贮油、过滤、贮存压力能和测量 油液压力等作用的辅助元件。 (5)工作介质——传递压力的工作介质 通常为液压 油，同时还可起润滑、冷却和防锈的作用。 三、 液压系统图的图形符号 为了简化液压原理图的绘制， 国家标准 (GB/T786.1-93) 规定了 “液压气动图形符号” ， 这些符号只表示元件的职能， 不表示元件的结构和参数。一般液压传动系统图均应按标 准规定的图形符号绘制，若某些元件无法用图形符号表示，或需着重说明系统中某一重要元件的结构和 动作原理时，允许采用结构原理图表示。图 0-3 即为用图形符号绘制的图 0-2 所示的磨床工作台液压系 统工作原理图。 第三节 液压传动的优缺点及液压技术的应用和进展 一、 液压传动的优缺点 液压传动与机械传动、电气传动、气压传动相比较有以下优点： 图 0-3 磨床工作台液压系统 图形符号图 1-油箱 2-过滤器 3-液压泵 4-溢流阀 5、 7-换 向阀 6-节流阀 8-活塞 9-液压缸 10-工作台 5 (1)功率相同的情况下，体积小、重量轻、结构紧凑、惯性小，可快速启动和频繁换向，能传递较大 的力和转矩。 (2)能方便地实现无级调速，且调速范围大，可达 100： 1 至 2000： 1。而最低稳定转速可低至每分钟 几转，可实现低速强力或低速大扭矩传动，不需减速器。 (3)传递运动均匀平衡、方便可靠；负载变化时速度较稳定。 (4)控制调节方便、省力，易于实现自动化；与电气控制或气动控制配合使用，能实现各种复杂的自 动工作循环，还可远程控制。 (5)易于实现过载保护；液压元件可自行润滑，使用寿命较长。 (6)液压元件易实现标准化、通用化、系列化，便于设计制造和推广使用；元件之间用管路连接时， 在系统中的排列布置有较大的机动性。 (7)实现直线运动一般比机械传动简单。 液压传动装置存在的不足： (1)由于采用液体传递压力，系统不可避免地存在泄漏，因而传动效率较低，不宜于远距离传动。 (2)对油温变化较敏感，运动件的速度不易保持稳定，同时对油液的清洁程度要求高。 (3)为减少泄漏，液压元件制造精度要求高，加工工艺复杂，因而成本较高。 (4)系统发生故障时，不易查找原因和维修。 (5)系统或元件的噪声较大。 二、 液压技术的应用和进展 工程机械、矿山机械、压力机械和航空工业中采用液压传动的主要原因是取结构简单、体积小、重 量轻、输出力大；机床上采用液压传动是取其能在工作过程中方便地实现无级调速，易于实现频繁换向， 易于实现自动化等。 我国的液压工业始于二十世纪 50 年代，最初只是应用于机床和锻压设备，后来发展到拖拉机和工 程机械上。 自 1964 年开始引进国外液压元件生产技术并自行设计液压产品以来， 我国的液压元件生产已 从低压到高压形成系列。 液压技术中的重大进展是微电子技术和计算机技术的应用。微电子技术与液压技术相结合，创造出 了很多高可靠性、低成本的微型节能元件，为液压技术在工业中的应用开辟了更为广泛的前景。 数字液压泵、 数字控制阀、 数字液压缸等用数字量进行控制并具有数字量输出响应特性的液压元件， 具有结构简单、工艺性好、价格低廉、抗污染性强、功耗小、工作稳定可靠、不需 D/A 转换可以直接与 计算机接口等特点，易于实现计算机控制，这是今后液压技术发展的重要趋向之一。 计算机与液压技术的结合包括：计算机实时控制技术、计算机辅助设计 (液压元件 CAD 和液压系统 CAD)、液压产品的计算机辅助试验 (CAT)及计算机仿真和优化设计。利用计算机进行控制具有模拟量系 统无法比拟的优越性，其方式有逻辑控制、开环比例控制、计算机闭环控制、最优控制和自适应控制以 及灵活的多余度控制等；计算机辅助试验则可运用计算机技术对液压元件及液压系统的静、动态性能进 行测试，对液压设备故障进行诊断以及对液压元件和系统的数学模型辨识等。 此外，高压大流量小型化与液压集成技术、液压节能与能量回收技术也成为近年研究的重要课题。