第 1章 绪论 液压与气压传动 第1章绪论 重点、难点分析 本章的重点内容是： 液压传动的工作原理； 液压传动系统的组成； 液压传动的特点； 液压传动技术的应用。在重点内容中，液压传动的工作原理是重中之重，其他是该内容的延伸和深化。通过对重点内容的分析，可以对液压传动有一个概括的认识，为进一步学习液压传动技术建立基础。当学习了全部课程后，再分析重点内容，会对其赋予新的内涵。 本章的难点是对液压传动工作原理的基本分析。通过对简单机床液压传动系统工作过程的分析，可以提及到工作载荷的控制和运动速度的调整两个问题，从而引申出压力与负载的关系、流量与速度的关系这两个重要概念。这两个概念在此只作为简单概念引出，在学习完第2章内容后才能得到基本的了解，当学习完本课程的全部内容后，才能对此概念得到比较深刻的理解。 1.1液压传动的发展 液压传动相对机械传动来说，是一门新的技术。如果从1795年世界上第一台水压机问世算起，至今已有200余年的历史。然而，液压传动直到20世纪30年代才真正得到推广应用。 第二次世界大战期间，由于军事工业需要反应快、精度高、功率大的液压传动装置而推动了液压技术的发展。战后，液压技术迅速转向民用，在机床、工程机械、农业机械、汽车等行业中逐步得到推广。20世纪60年代后，随着原子能、空间技术、深海探测技术、计算机技术的发展，液压技术也得到了很大发展，并渗透到各个工业领域中去。当前液压技术正向着高压、高速、大功率、高效率、低噪声、长寿命、高度集成化、复合化、小型化以及轻量化等方向发展。液压CAD技术的发展，使人工设计变为自动化和半自动化的方式。高技术、高知识含量的软件商品化，可以使设计质量对使用者素质的依赖关系降至最小，从而迅速提高设计者水平，加快设计速度，促进液压产品的更新换代。目前，国外在柱塞泵、配流盘以及齿轮泵体三维有限元分析、设计等方面已取得良好效果。CAD的应用将为液压产品的设计带来全新的变化，下一步较长远的目标是利用CAD技术开发液压产品从概念设计、外观设计、性能设计、可靠性设计直到零部件设计的全过程。此外，CAM的引入，将加速技术装备的柔性化进程。数控机床、加工中心、柔性加工单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)将全面替代旧装备，配以自动传送工具和立体仓库，就可使液压元器件的生产朝着自动化车间模式迈进。随着陆地资源的不断耗用，人们把目光投向了海洋，海洋生物、矿产资源的勘探、开采设备，全部采用了液压技术。同时，新型液压元件和液压系统的计算机辅助测试（CAT）、计算机直接控制（CDC）、机电一体化技术、故障诊断技术、可靠性技术以及污染控制方面，也是当前液压技术发展和研究的方向。　 我国的液压技术开始于20世纪50年代，液压元件最初应用于机床和锻压设备，后来又用于拖拉机和工程机械。自1964年从国外引进一些液压元件生产技术，同时自行设计液压产品，经过20多年的艰苦探索和发展，特别是20世纪80年代初期引进美国、日本、德国的先进技术和设备，使我国的液压技术水平有了很大的提高。目前，我国的液压件已从低压到高压形成系列，并生产出许多新型的元件，如插装式锥阀、电液比例阀、电液数字控制阀等。我国机械工业在认真消化、推广国外引进的先进液压技术的同时，大力研制、开发国产液压件新产品，加强产品质量可靠性和新技术应用的研究，积极采用国际标准，合理调整产品结构，对一些性能差而且不符合国家标准的液压件产品，采用逐步淘汰的措施。权威统计资料表明，世界上先进国家液压工业产值占机械工业产值的2%~3%，而我国仅占0.8%~1%，这充分说明我国液压技术使用率较低，尚需进一步扩大其应用领域。 总之，液压技术应用广泛，它作为工业自动化的一种重要基础件，已经与传感技术、信息技术、微电子技术紧密结合，形成并发展成为包括传动、检测、在线控制的综合自动化技术，其内涵较之传统的液压技术更加丰富而完整。21世纪是一个高度自动化的社会，随着科技的发展和人类的新需要，大型智能型行走机器人将应运而生。资料表明，液压技术作为能量传递或做功环节是其中必不可少的一部分。故无论现在还是将来，液压技术在国民经济中都占有重要的一席之地，发挥着无法替代的作用。 1.2液压传动的工作原理及组成 1. 液压传动的工作原理 为便于理解，以实现往复运动的平面磨床的半结构式液压传动系统为例（见图1.1），来介绍液压传动系统的工作原理。电动机带动液压泵4旋转，液压泵4从油箱1经过过滤器2吸油，当开停阀9、换向阀15的手柄处于图1.1（a）所示位置时，液压油通过开停阀9、节流阀13、换向阀15进入液压缸18的无杆腔； 液压缸18有杆腔的液压油经回油管14回到油箱1，这时活塞17带动工作台19向右运动。 若将换向阀15的手柄16推至图1.1（b）所示位置，这时液压油进入液压缸18的有杆腔； 液压缸18无杆腔的液压油经回油管14回到油箱1，这时工作台19向左移动。 若将换向阀15的手柄16推至图1.1（c）所示位置，这时液压油经溢流阀7、回油管3回到油箱1，工作台19停止运动。 若将开停阀9的手柄11推至图1.1（d）所示位置，这时液压油经开停阀9、回油管12回到油箱1，整个系统卸荷。 由此可见： 由于设置了换向阀15，所以可改变压力油的通路，使液压缸不断换向实现工作台的往复运动。 图1.1液压传动系统工作原理图 1—油箱； 2—过滤器； 3,12,14—回油管； 4—液压泵； 5—弹簧； 6—钢球； 7—溢流阀； 8—压力支管； 9—开停阀； 10—压力管； 11—开停阀手柄； 13—节流阀； 15—换向阀； 16—换向阀手柄； 17—活塞； 18—液压缸； 19—工作台 工作台19的速度v可通过节流阀13来调节。节流阀的作用是利用改变节流阀开口的大小，来调节通过节流阀油液的流量，以控制工作台的速度。 工作台运动时，要克服阻力，克服切削力和相对运动件表面的摩擦力等，这些阻力，由液压泵输出油液的压力能来克服，根据工作情况的不同，液压泵输出油液的压力应该能够调整。另外一般情况下，液压泵排出的油液往往多于液压缸所需油液，多余的油液经溢流阀7流回油箱1。 通过对上面系统的分析可见： （1） 液压传动是依靠运动着的液体的压力能来传递动力的，它与依靠液体的动能来传递动力的“液力传动”不同。 （2） 液压系统工作时，液压泵将机械能转变为压力能； 执行元件（液压缸）将压力能转变为机械能。 （3） 液压传动系统中的油液是在受调节、控制的状态下进行工作的，液压传动与控制难以截然分开。 （4） 液压传动系统必须满足它所驱动的机床部件（工作台）在力和速度方面的要求。 （5） 有工作介质，液压传动是以液体作为工作介质来传递信号和动力的。 2. 液压传动系统的组成 从以上的例子可以看出，液压传动系统的组成部分有以下5个方面。 （1） 能源装置把原动机的机械能转变成液体的压力能。最常见的就是液压泵，它给液压系统提供压力油，使整个系统能够动作起来。 （2） 执行装置将液压油的压力能转变成机械能，并对外做功。常用的执行元件是液压缸或液压马达。 （3） 控制调节装置调节、控制液压系统中液压油的压力、流量和流动方向。上面实例中，换向阀、节流阀、溢流阀等液压元件都属于这类装置。 （4） 辅助装置除上述三项以外的其他装置，如上例中的油箱、过滤器、油管等，对保证液压系统可靠、稳定、持久地工作，有重要作用。 （5） 工作介质液压油或其他合成液体。 1.3液压传动系统的图形符号 图1.1所示为液压系统的半结构原理图，这种原理图直观性强、容易理解; 但图形较复杂，特别是元件较多时，绘制很不方便，而且费时、费力。为简化原理图的绘制，系统中各元件可采用符号来表示，这些符号只表示元件的职能，不表示元件的结构和参数。GB/T 786.1—1993为液压元件的职能符号。 为便于大家看懂用职能符号表示的液压系统图。现将图1.1中出现的液压元件的主要图形符号介绍如下。 1. 液压泵的图形符号 由一个圆加上一个实心三角来表示，三角箭头向外，表示液压油的输出方向。图形符号中无箭头的为定量泵，有箭头的为变量泵。 2. 换向阀的图形符号 为改变液压油的流动方向，换向阀的阀芯位置要变换，它一般可变动2~3个位置，例如图1.1实例中开停阀9有2个工作位置，而换向阀15有3个工作位置； 另外阀体上的通路数也不尽相同。根据阀芯可变动的位置数和阀体上的通路数，可组成x位x通阀。其图形意义为： （1） 换向阀的工作位置用方格表示，有几个方格即表示几位阀。 （2） 方格内的箭头符号表示油流的连通情况（有时与油液流动方向一致），“T”表示油液被阀芯闭死的符号，这些符号在一个方格内和方格的交点数即表示阀的通路数，也就是外接管路数。 （3） 方格外的符号为操纵阀的控制符号，控制形式有手动、电动和液动等。 3. 溢流阀的图形符号 方格相当于阀芯，方格中的箭头表示油流的通道，两侧的直线代表进出油管。图形符号中的虚线表示控制油路，溢流阀就是利用控制油路的液压力与另一侧弹簧力相平衡的原理进行工作的。 4. 节流阀的图形符号 方格中两圆弧所形成的缝隙表示节流孔道，油液通过节流孔使流量减少，图形符号中的箭头表示节流孔的大小可以改变，亦即通过该阀的流量是可以调节的。 液压系统图中规定： 液压元件的图形符号应以元件的静止状态或零位来表示。 由此可将图1.1对应画成图1.2所示的用职能符号表示的液压系统原理图。 图1.2用液压传动图形符号绘制的液压传动系统工作原理图 1—油箱； 2—过滤器； 3—液压泵； 4—溢流阀； 5—开停阀； 6—节流阀； 7—换向阀； 8—液压缸 1.4液压传动的优缺点及应用 1.4.1液压传动的优缺点 1. 主要优点 液压传动与机械传动、电力传动、气压传动相比，具有下列优点： （1） 液压传动能在运行中实行无级调速，调速方便且调速范围比较大，可达100∶1~2000∶1。 （2） 在同等功率的情况下，液压传动装置的体积小、质量轻、惯性小、结构紧凑（如液压马达的质量仅有同功率电机质量的10%~20%），而且能传递较大的力或扭矩。 （3） 液压传动工作比较平稳，反应快，冲击小，能高速启动、制动和换向。液压传动装置的换向频率较快，回转运动可达500次/min，往复直线运动可达400~1000次/min。 （4） 液压传动装置的控制、调节比较简单，操纵比较方便、省力，易于实现自动化，与电气控制配合使用能实现复杂的顺序动作和远程控制。 （5） 液压传动装置易于实现过载保护，系统超负载时油液经溢流阀回油箱。由于采用液压油作工作介质，能自行润滑，所以寿命长。 （6） 液压传动易于实现系列化、标准化、通用化，易于设计、制造和推广使用。 （7） 液压传动易于实现回转、直线运动，且元件排列布置灵活。 （8） 液压传动中，由于功率损失所产生的热量可由流动着的油带走，所以可避免在系统某些局部位置产生过度温升。 2. 主要缺点 （1） 液体为工作介质，易泄漏，油液可压缩，故不能用于传动比要求准确的场合。 （2） 液压传动中有机械损失、压力损失、泄漏损失，效率较低，所以不宜作远距离传动。 （3） 液压传动对油温和负载变化敏感，不宜于在低、高温度下使用，对污染很敏感。 （4） 液压传动需要有单独的能源（例液压泵站），液压能不能像电能那样从远处传来。 （5） 液压元件制造精度高、造价高，所以须组织专业生产。 （6） 液压传动装置出现故障时不易追查原因，不易迅速排除。 总的来说，液压传动优点较多，缺点正随着生产技术的发展逐步加以克服，因此，液压传动在现代化生产中有着广阔的发展前景。 1.4.2液压传动的应用 液压传动由于优点很多所以在国民经济各部门中都得到了广泛的应用，但各部门应用液压传动的出发点不同，工程机械、压力机械采用的原因是结构简单、输出力量大，航空工业采用的原因是质量轻、体积小。 机床中采用液压传动主要是可实现无级变速，易于实现自动化，能实现换向频繁的往复运动。为此，液压传动常在机床的一些装置中使用。 1. 进给运动传动装置 液压传动的应用在机床上最为广泛，磨床的砂轮架，车床、转塔车床、自动车床的刀架或转塔刀架，磨床、钻床、铣床、刨床的工作台或主轴箱，组合机床的动力头和滑台等，都可采用液压传动。这些部件有的要求快速移动，有的要求慢速移动（2mm/min），有的则要求快慢速移动。这些部件的运动多半要求有较大的调速范围，要求在工作中无级调速； 有的要求持续进给，有的要求间歇进给； 有的要求在负载变化下速度仍然能保持恒定，有的要求有良好的换向性能； 所有这些采用液压传动是最合适的。 2. 往复主体运动传动装置 龙门刨床的工作台、牛头刨床或插床的滑枕都可以采用液压传动来实现其所需的高速往复运动，前者的运动速度可达60~90m/min，后两者可达30~50m/min。这些情况下采用液压传动，在减少换向冲击、降低能量消耗、缩短换向时间等方面都很有利。 3. 回转主体运动传动装置 车床主轴可采用液压传动来实现无级变速的回转主体运动，但这一应用目前还不普遍。 4. 仿形装置 车、铣、刨床的仿形加工可采用液压伺服系统来实现，精度可达0.01~0.02mm。此外，磨床上的成形砂轮修正装置和标准丝杠校正装置亦可采用这种系统。 5. 辅助装置 机床上的夹紧装置，变速操纵装置，丝杠螺母间隙消除装置，垂直移动部件的平衡装置，分度装置，工件和刀具的装卸、输送、储存装置等，都可以采用液压传动来实现，这样做有利于简化机床结构，提高机床的自动化程度。 6. 步进传动装置 数控机床上工作台的直线或回转步进运动，可根据电气信号迅速而准确地由电液伺服系统来实现。开环系统定位精度较低（<0.01mm），但成本低； 闭环系统则定位精度和成本都较高。 7. 静压支承 重型机床、高浓度磨浆机、高速机床、高精度机床上的轴承、导轨和丝杠螺母机构，如果采用液压系统来作静压支撑，可得到很高的工作平稳性和运动精度，这是近年来的一项新技术。 液压传动在各个行业中的应用如表1.1所示。 表1.1液压传动在各个行业中的应用 行 业 名 称应用场合举例 机床工业磨床、铣床、刨床、拉床、压力机、自动机床、组合机床、数控机床、加工中心等 工程机械挖掘机、装载机、推土机等 汽车工业自卸式汽车、平板车、高空作业等 农业机械联合收割机的控制系统、拖拉机的悬挂装置等 轻工机械打包机、注塑机、校直机、橡胶硫化机、造纸机等 冶金机械电炉控制系统、轧钢机控制系统等 起重运输机械起重机、叉车、装卸机械、液压千斤顶等 矿山机械开采机、提升机、液压支架、采煤机等 建筑机械打桩机、平地机等 船舶港口机械起货机、锚机、舵机等 铸造机械砂型压实机、加料机、压铸机等 课 堂 讨 论 课堂讨论： 液压系统的工作压力取决于外载、执行元件速度取决于流量。 案例： 典型例题解析 例1.1图1.3是液压千斤顶的传动系统图，试说明其工作原理。 图1.3例1.1图 1，6—活塞； 2，7—液压缸； 3，8—单向阀； 4—截止阀； 5—手柄； 9—油箱 解： 当抬起手柄5时，活塞6向上运动，液压缸7容积增大形成真空，单向阀3关闭，液压缸7通过单向阀8从油箱吸油； 当压下手柄5时，活塞6向下运动，单向阀8关闭，液压缸7中的油液通过单向阀3进入液压缸2，推动活塞1向上运动，抬起重物。再抬起手柄5，液压缸7从油箱吸油； 压下手柄5，油液进入液压缸2，……，这样，油液不断地被吸入液压缸7，压入液压缸2，就可以把重物抬起到所需的高度。由于单向阀3的作用，重物升高后不会落下来，当需要放下重物时，打开截止阀4，液压缸2中的油液流回油箱9，重物就被放下来。重物放下来后，关闭截止阀4，待下次需要放油时打开。 思考题与习题 11液压传动与机械传动相比，有哪些优缺点？列举液压传动应用实例。 12液压系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 13目前液压传动技术正向着什么方向发展?请您举出实例。 14一个企业能否采用一个泵站集中供给压力油？说明理由。 第 2章 液压油与液压流体力学基础 液压与气压传动 第2章液压油与液压流体力学基础 重点、难点分析 本章是液压与气压传动课程的理论基础。其主要内容包括： 一种介质、两项参数、三个方程、三种现象。一种介质就是液压油的性质及其选用； 两项参数就是压力和流量的相关概念； 三个方程就是连续性方程、伯努利方程、动量方程； 三种现象就是液体流态、液压冲击、空穴现象的形态及其判别。 本章重点内容为： 液压油的黏性和黏度； 液体压力的相关概念，如： 压力的表达、压力的分布、压力的传递、压力的损失； 流量的相关概念，如： 流量的计算、小孔流量、缝隙流量； 三个方程的内涵与应用。其中，液压油的黏度与黏性、压力相关概念、伯努利方程的含义与应用、小孔流量的分析是本章重点中的重点，也是本章的难点。 2.1液体的物理性质 在液压系统中，液压油是传递动力和信号的工作介质。同时它还起到润滑、冷却和防锈的作用。液压系统工作的可靠性在很大程度上取决于液压油。在研究液压流体力学之前，首先了解一下液压油。 2.1.1液压油的种类 液压油包括石油型和难燃型两大类。 石油型的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成。这种油液的润滑性好，但抗燃性差。这种液压油包括机械油、汽轮机油、通用液压油和专用液压油等。 难燃性液压油是以水为基底，加入添加剂（包括乳化剂、抗磨剂、防锈剂、防氧化腐蚀剂和杀菌剂等）而成。其主要特点是： 价廉、抗燃、省油、易得、易储运，但润滑性差、黏度低、易产生气蚀等。这种油液包括乳化液、水乙二醇液、磷酸脂液、氯碳氢化合物、聚合脂肪酸脂液等。 2.1.2液压油的性质 本节主要讲述与液压传动密切相关的力学性质。 1. 密度 单位体积液体的质量称为液体的密度，通常用ρ表示，单位为kg/m3。 ρ=mV（2.1） 式中，V为液体的体积，m3； m为液体的质量，kg。 密度是液体的一个重要物理参数，主要用密度表示液体的质量。常用液压油的密度约为900kg/m3，在实际使用中可认为密度不受温度和压力的影响。 2. 可压缩性 液体的体积随压力的变化而变化的性质称为液体的可压缩性，其大小用体积压缩系数k表示。 k=-1dpdVV（2.2） 即： 单位压力变化时，所引起体积的相对变化率称为液体的体积压缩系数。由于压力增大时液体的体积减小，即dp与dV的符号始终相反，为保证k为正值，所以在式（2.2）的右边加一负号。k值越大液体的可压缩性越大，反之液体的可压缩性越小。 液体体积压缩系数的倒数称为液体的体积弹性模量，用K表示。即： K=1k=-VdVdp（2.3） K表示液体产生单位体积相对变化量所需要的压力增量，可用其说明液体抵抗压缩能力的大小。在常温下，纯净液压油的体积弹性模量K=（1.4～2.0）×103MPa，数值很大，故一般可以认为液压油是不可压缩的。若液压油中混入空气，其抵抗压缩能力会显著下降，并严重影响液压系统的工作性能。因此，在分析液压油的可压缩性时，必须综合考虑液压油本身的可压缩性、混在油中空气的可压缩性以及盛放液压油的封闭容器（包括管道）的容积变形等因素的影响，常用等效体积弹性模量表示，在工程计算中常取液压油的体积弹性模量K=0.7×103MPa。 在变动压力下，液压油的可压缩性的作用极像一个弹簧，外力增大，体积减小； 外力减小，体积增大。当作用在封闭容器内液体上的外力发生ΔF变化时，如液体承压面积A不变，则液柱的长度必有Δl的变化（见图2.1）。在这里，体积变化为ΔV=AΔl，压力变化为Δp=ΔF/A，此时液体的体积弹性模量为 K=-VΔFA2Δl 液压弹簧刚度kh为 kh=-ΔFΔl=A2VK（2.4） 液压油的可压缩性对液压传动系统的动态性能影响较大，但当液压传动系统在静态（稳态）下工作时，一般可以不予考虑。