液压传动 第1章 绪论.docx
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液压传动第1章绪论
第1章绪论
1.1液压传动的概念和原理
1.1.1液压传动的概念
一部机器通常由原动机、传动装置和工作机构三部分组成，另外，控制装置和辅助装置也是不可少的组成部分。
原动机的作用是进行能量的转换，即将其他形式的能转换成机械能，是机器的动力源；工作机构的作用是耗能对外做功；传动装置和控制装置介于原动机和工作机构之间，进行动力传递，控制和分配。
辅助装置的作用是次要的，又是必不可少的。
按照传动的机件或工作介质，传动可分为机械传动，电力传动和流体传动。
流体传动可分为气压传动和液体传动。
按工作原理不同，流体传动又可分为液力传动和液压传动，前者是利用流体的动能传递动力的，后者是利用液体的静压力进行能量转换和传递动力的，因而称之为静压传动。
液压传动是以密闭管路中的受压液体为工作介质、进行能量的转换、传递、分配和控制的技术，称之为液压技术，又称液压传动。
在上述概念中，将液体换成气体，便是气压传动。
两者并在一起，简称液压与气动。
1.1.2液压传动的工作原理
液压传动工作原理可用图1-1液压千斤顶工作原理来说明。
图中缸体3和柱塞4组成提升液压缸；杠杆5、缸体6、柱塞7和单向阀8、9组成手摇动力缸；2为控制阀；10，11和1分别为管道和油箱。
当动力缸柱塞7向上运动时，油腔A密封容积变大，压力降低，形成局部真空，油箱1中的油液在大气压力作用下，顶开单向阀8，经吸油管11进入A腔。
当柱塞7向下运动时，A腔油液受挤压，压力升高，迫使单向阀8关闭，单向阀9被打开而向B腔输送压力油，推动柱塞4上移，使负载G的位置升高。
柱塞7动作快，重物G升高就快。
如果杠杆5停止动作，B腔油液压力迫使单向阀9关闭，重物G停止在新的位置上。
如果打开控制阀2，则B腔中油液经阀2流回油箱1，重物G在重力作用下下降。
阀2开度大，重物G下降快。
由液压千斤顶工作原理可以看出，手摇动力缸（手摇泵）的作用是将输入的机械能变成液体的压力能，利用密闭管路传递到提升缸，提升缸消耗液体压力能而做功（举起重物）。
在这种能量转换和传递过程中，遵循如下基本原理：
图1-1油液液压千斤顶工作原理图
1—油箱；2—控制阀；3、6—缸体；4、7—柱塞；5—杠杆；8、9—单向阀；10、11管道。
1.Pascal原理
帕斯卡静压传递原理即“施加于密封容器内平衡液体中的某一点的压力等值地传递到全部液体”，在图1-1的液压千斤顶中，不计管路和阀口损失，动力缸和提升缸两腔的液体压力
相等。
因此有
（1.1.1）
或者
（1.1.2）
式中
——柱塞7、4的面积；
——柱塞、4上的作用力；
p——液压的静压力。
2.液体连续性原理
如果不考虑液体的可压缩性，泄漏和构件的变形，则图1-1中小柱塞7下行挤压出的液体的体积等于推动大柱塞4上升的液体体积。
即
（1.1.3）
或者
（1.1.4）
（1.1.5）
式中
——分别为小柱塞和大柱塞的运动速度；
，
为小柱塞的位移；
，
为大柱塞位移。
Q——管路中或大小柱塞腔的流量指的是单位时间内通过过流断面的体积，即体积流量，简称流量。
本书中无特别说明的流量即是指体积流量；
，
为小柱塞腔输出或大柱塞腔输入的液体的体积；
为时间。
上式表明，在流量一定的情况下，大柱塞的运动速度与面积成反比，在柱塞面积一定的条件下，与流量成正比。
只要连续改变手摇泵的流量，便可连续的改变提升缸活塞速度。
3.能量守恒定律
在图1-1的液压千斤顶工作过程中，如果不计摩擦损失等因素，小柱塞做功
（1.1.6）
大柱塞做功
（1.1.7）
由上可知：
，即液压传动符合能量守恒定律。
如果以功率形式表示而有
（1.1.8）
1.1.3液压系统的组成部分及作用
由若干液压元件和管路组成以完成一定动作的整体称液压系统。
如果液压系统中含有伺服控制元件（如伺服阀和伺服变量泵），则称液压伺服（控制）系统。
如果不使用或明确说明使用了伺服控制元件，则称液压传动系统。
本书中的液压系统即液压传动系统。
液压系统功能不一，形式各异，无论是简单的液压千斤顶，还是其他复杂的液压系统，都包括如下部分（见图1-2和图1-3）：
图1-2液压系统的能量转换及构成元件示意图
1.动力元件
动力元件又称液压泵，其作用是利用密封的容积变化，将原动机（如内燃机，电动机）的输入机械能转变为工作液体的压力能（即液压能），是液压系统的能源（动力）装置。
2.执行元件
将液压能转换称机械能的装置称为执行元件。
这是与液压泵作用相反的能量转换装置，是液压缸和液压马达的总称。
前者是将液压能转成往复直线运动的执行元件，它输出力和速度;后者是将液压能转换成连续旋转运动的执行元件，它输出扭矩和转速。
摆动液压马达（习惯称摆动液压缸）不可连续回转，只能往复摆动（摆动角小于360º）。
3.控制元件
液压系统中控制液体压力、流量和流动方向的元件，总称为控制元件，通常称为液压控制阀，简称液压阀，控制阀或阀。
4.辅助元件
辅助元件包括油箱、管道、管接头、滤油器、蓄能器、加热器、冷却器等。
它们虽然称为辅助元件，但在液压系统中是必不可少的。
它们的功能是多方面的，各不相同。
5.工作介质
液压系统中工作介质为液体，通常是液压油，它是能量的载体，也是液压传动系统最本质的组成部分。
系统没有工作介质也就不成其为传动系统，其重要性不言而喻。
某压系统的构成元件如图1-4所示。
1.1.4液压传动系统的图示方法
液压传动系统的图示方法有三种：
1.装配结构图
装配结构图能准确的表达系统和元件的结构形状、几何尺寸和装配关系。
但绘制复杂，不能简明、直观地表达各元件的功能。
它主要用于设计、制造、装配和维修等场合，而在系统性能分析和设计方案论证时不宜采用。
2.结构原理图（1-3）
结构原理图可以直观地表达各种元件地工作原理及在系统中的功能，并且比较接近元件的实际结构，故易于理解接受。
但图形绘制仍比较复杂，难于标准化，并且它对元件的结构形状、几何尺寸和装配关系的表达也很不准确。
这种图形不能用于设计、制造、装配和维修，对于系统分析又过于复杂，常用于液压元件的原理性解释和说明，对液压元件的理论分析和研究中也常用到。
3.职能符号图（图1-4）
在液压系统中，凡是功能相同的元件，尽管结构和原理不同，均用同一种符号表示。
这种仅仅表示功能的符号称为液压元件的职能符号。
因此，用职能符号绘制液压系统图时，它们只表示系统和各元件的功能，并不表示具体结构和参数以及具体安装位置。
职能符号图，其图形简洁标准、绘制方便、功能清晰、阅读容易、便于液压系统的性能分析和设计方案的论证。
职能符号图是一种工程技术语言。
我国制定的液压及气动图形符号标准，与国际标准和多数发达国家的标准十分接近，是一种通用的国际工程语言。
常用职能符号见附录。
用职能符号绘制液压系统图时，如无特别说明，均指元件处于静态或零位而言。
常用方向性的元件符号（如油箱等）必须按规定绘制，其他元件符号也不得任意倾斜。
但必须特别说明某元件在在液压系统中的动作原理或结构时，允许局部采用结构原理图（亦称半结构图）表示。
图1-3磨床工作台液压系统图1-4磨床工作台液压系统原理图
工作原理结构示意图1—油箱；2—过滤器；3—液压泵；
1—油箱；2—过滤器；3—液压泵；4—流量控制阀；5—换向器；6、9、10、12—管道；
4—流量控制阀；5—换向器；6、9、10、12—管道；7—液压缸；8—工作台；11—溢流阀。
7—液压缸；8—工作台；11—溢流阀。
1.2液压传动的特点及应用
1.2.1液压传动得主要优点
液压传动的主要优点如下：
1.可方便地实现大范围内的无级调速。
调速范围可达1000：
1；调速功能不受功率大小的限制。
这是机械传动和电传动都难以做到的。
2.与电传动相比，液压传动具有重量轻、体积小、惯性小、响应快等突出优点。
统计表明，液压泵和液压马达的单位功率的质量，目前仅为电动机的1/10左右，或者说液压泵和液压马达单位质量的能容量为电机10倍左右。
液压马达的力矩与转动惯量比（驱动转矩与转动惯量之比）约为电机的10倍，故加速性能好。
电动机的响应时间为液压马达的10倍以上。
液压马达的这种特点对伺服控制系统有重大意义，它可以提高系统的动态性能，使增益提高，频带变宽。
3.液压传动均匀平稳，负载变化时速度较稳定；并且具有良好的低速稳定性。
液压马达最低稳定转速可小于r/min。
这是任何电动机都难以做到的。
4.借助于各种控制阀，可实现过载自动保护，也易于实现其他自动控制，或机器运行自动化。
特别是与电控制技术联用时，易于实现复杂的自动工作循环。
5.由于液压元件是用管道连接的，故可允许执行元件与液压泵相距较远；液压元件并可根据设备要求与环境条件灵活安装，适应性强。
6.液压系统通常以液压油作为工作介质，具有良好的润滑条件，可延长元件使用寿命。
7.液压元件易于标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广应用。
1.2.2液压传动的主要缺点
液压传动的主要缺点如下：
1.效率较低。
在液压系统的动力传递过程中，能量经过两次变换，变换时存在着机械能和液压能损失，故效率较低，一般为75%～80%左右。
2.泄漏问题。
液压系统的泄漏是不可避免的，这是使人烦恼的问题。
泄漏不仅使系统效率降低和影响传动的平稳性及准确性，而且污染环境，尤其石油基液压液，当附近有火种或高温热源存在时，泄漏可能导致着火而引发灾难事故。
3.对污染敏感。
污染的工作介质对液压元件危害极大：
磨损加剧，性能变坏，寿命缩短，甚至损坏。
磨损又使污染加剧。
据统计，液压系统的70％以上的故障多是液压油的污染引起的。
保持工作介质的清洁是极为重要的，油液的清洁等价液压系统的正常工作。
4.检修困难。
液压系统一旦发生故障，判断故障原因和部位都比较困难。
因此要求操作和维修人员，应有较高的技术水平、专业维修知识和判断故障原因的能力。
5.对温度敏感，液压系统的性能和效率受温度变化影响较大，一般不适于高温或低温环境工作。
6.液压元件加工精度要求较高；一般情况下，液压系统要有独立的能源，因而产品成本较高。
尽管液压传动有这些缺点，但优点毕竟占主导地位，并且某些缺点已在不同程度上得到克服，这是也液压传动技术迅速发展和应用日益广泛的原因。
1.2.3液压传动的应用
由于液压传动和控制技术具有独特的优点，从民用到国防，从一般传动到精度很高的控制系统，都得到了广泛地应用，近三十年尤其如此。
在国防工业中，陆、海、空军的很多武器装配都采用了液压技术，如飞机操舵装置、起落架和发动机自动调速装置，坦克的稳定系统，火炮随动系统，雷达无线电扫描系统，军舰炮塔瞄准系统，消摇和稳定装置，导弹和火箭的发射控制系统等。
机床工业是应用液压技术最早的行业，目前机床传动系统有85％都采用了液压传动和控制技术，如磨床、刨床、铣床、插床、车床、剪床、组合机床和压力机等。
在工程机械中，普遍采用了液压技术，如挖掘机、轮船转载机、汽车起重机、履带推土机、自行铲运机和振动式压路机等。
在汽车工业中，液压越野汽车、液压自卸汽车、消防车等均采用了液压技术。
在冶金工业中，电炉自动控制系统，轧钢机的控制系统，平炉装料装置，转炉和高炉控制系统，带材跑偏及恒张力装置等都采用了液压技术。
在船舶工业中，液压技术的应用也很普遍，如液压控泥船、水翼船、气垫船和船舶辅助装置等。
在轻纺化工和食品行业，如纺织机、印刷机、塑料注射机、食品包装机和瓶装机等也采用了液压技术。
近几年来，在太阳能跟踪系统、海浪模拟装置、船舶驾驶模拟系统、地震模拟装置、宇航环境模拟系统，核电站防震系统等高技术领域，也采用了液压技术。
总之，一切工程领域，凡是有机械设备的场合，均可采用液压技术。
在大功率和自动控制的场合，尤其需要采用液压技术，液压技术的应用有其光明前景。
1.3液压技术发展简况及趋势
1.3.1液压技术发展简述
液压技术源于古老的水力学，它的发展与流体力学的研究成果、工程材料、液压介质等相关学科的发展紧密相联系。
液压技术的迅速发展是在20世纪中叶前后。
目前已成为比较成熟的基础学科。
1650年法国科学家帕斯卡提出了封闭静止液体的压力传递的Pascal原理；1686年牛顿提出了描述黏性液体相对运动的内摩擦定律；到18世纪，流体力学的两个重要方程——连续方程（质量守恒方程）和伯努利方程（能量守恒方程）相继建立。
这些理论成果为液压技术的发展奠定了理论基础。
1796年英国人约瑟夫·布拉默研制了世界上第一台水压机，用于压紧羊毛、纺织原料和榨油等，是现代液压技术的工程应用的起始标志。
水压机的发明与当时的铸铁等工程材料及一些新的制造方法出现相关。
后来，由于电传动的发展，加之当时的技术条件尚不足以克服液压传动本身的缺陷，液压技术处于停滞状态。
19世纪后半叶，英国人阿姆斯特让发明了重锤式蓄能器和多种液压机械及液压元件，液压技术迅速发展，用于压力机、起重机、卷搓机和包装机等工业场合。
1901前后，液压技术用于水轮机的调速器和大型阀的操纵装置。
这是液压技术的又一重大应用。
1905年到1908年，美国工程师威廉斯和詹尼发明了以油液为工作介质的柱塞式液压机械，克服了水介质的润滑性差、易产生锈蚀等缺陷，使液压技术得到迅速发展。
液压油取代水为工作介质是液压技术走向成熟的重要标志。
1900年詹尼设计出第一台压力为4MPa的轴向柱塞泵；1906年以油液为工作介质的液压传动装置首先用于海军战舰的炮塔俯仰装置；1910年海勒·肖，1922年汉斯·托马先后研制出以油液为工作介质的径向柱塞泵；1930年汉斯·托马研制出平面配流的斜轴式轴向柱塞泵，将泵的工作压力提高了一大步；1936年哈里·威克斯又发明了先导式溢流阀；尤其是20世纪30年代丁腈橡胶等耐油密封材料的出现，使液压技术得以迅速发展。
第二次世界大战期间，军事迫切需要反应快捷、动作准确、功率大的液压传动系统及伺服机构用于各种军事装备，因此各种高压元件获得进一步的发展。
1950年以后，液压技术在许多领域诸如机床、工程机械、船舶机械、压力机械、冶金和轧钢机械、农业机械和汽车行业都得到广泛应用，其间液压技术的主要成果有：
球面配流的Thoma泵（斜轴式柱塞泵）1950年用于工业生产；琼·墨西埃1950年研制出隔膜式气液蓄能器；50年代初出现了快速响应的永磁力矩马达；1958年美国麻省理工学院的布莱克本和李诗颖研制出喷嘴挡板式电液伺服阀，这是液压技术的又一重要成果。
20世纪60年代到70年代是液压技术日臻完善、应用广泛并形成独立学科的年代。
70年代末到80年代初中国学者路甬祥发明了电液比例技术和插装阀技术，标志着液压技术又取得了重要进展。
近20年来尤其是近10年来，由于人们对环境保护的可持续发展的日益重视，加上材料科学的进展，西方十分重视以纯水为介质的液压技术研究，并在中压（14MPa~16MPa）液压系统中成功应用。
这是液压技术令人关注的发展动向，中国的浙江大学和华中科技大学也在该方面进行了研究。
1.3.2液压技术的发展趋势
随着近50年来的发展，液压技术已成为包括传动、控制和检测在内的，对现代机械装备的技术进步有重要影响的基础技术和基础学科；随着近20年来的电子技术、计算机技术和信息技术的迅速发展，液压技术不仅是一种传动方式，更多地是作为一种控制手段，作为连接微电子技术和大功率控制对象之间地桥梁，成为现代控制工程中重要的、不可缺少的环节和手段。
例如国外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。
因而采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业化水平的重要标志，世界先进国家都对液压技术的发展给予高度重视。
当前液压技术向高压、高速、大功率、高效率、低噪音、高可靠性、高集成化方向发展并取得重大进展，同时在完善比例控制、伺服控制、数字控制和机电一体化方向也取得了许多重大成果。
新材料和新介质方向的研究也为液压技术的发展和完善提供了新的动力。
当前液压技术的发展主要集中在以下6个方面：
1.发展集成、交合、小型化和轻量化液压元件。
随着液压系统复杂化程度的提高，要求液压元件具有高可靠性，减少配管，节省安装空间、易维修等特点，必须发展上述类型的液压元件。
继集成块式、叠加阀式、插装阀式之后，近几年又出现了将控制元件附加在动力元件上的一体化复合液压装置。
2.发展高性能的液压控制元件，适应机电一体化主机发展的需要。
如开发低控功率阀门、研制适应野外条件的电液比例阀、高响应频率的电液伺服阀、低成本比例阀及不需要A/D和D/A转换、可直接与计算机接口的数字阀。
3.以环境保护、安全和满足可持续发展为目标的绿色开发研究。
如无污染的纯水液压技术及相关新材料，新工艺的开发和应用研究，降低元件和系统的噪声，减少泄漏和提高密封性能的应用研究。
4.提高元件和系统的可靠性。
提高可靠性是一项系统工程，除科学设计，先进的材料及完善的工艺外，还应注意应用和维护的可靠性，系统的状况监测，故障诊断，降低元件对污染的敏感性。
加强污染控制与新型工程材料的应用研究，对提高元件和系统的可靠性有重要意义。
5.以提高效率、降低能耗为目标的系统匹配设计理论、方法和计算机对液压系统进行自动适应控制手段研究。
6.技术标准化研究。
设计的标准化、产品的规范化不但方便用户，也是行业发展所必需的。
技术标准化的水平是行业技术发展水平的标志，在该方向，还有艰巨的工作。
中国自20世纪50年代末期开始发展液压工业，80年代到90年代，国家对液压行业进行了重点改造，先后引进许多项国外技术，使我国液压行业的产品水平、产品开发水平和工艺装备水平有了大幅提高，但与国外先进水平相比尚有很大的差距。
主要表现在产品技术含量低，品种规格少，标准化程度低，通用性差，产品寿命短，可靠性差，质量不稳定，自我开发能力差，拥有自由知识产权的技术少；在一些新的应用领域，如航天航空，水下和海洋工程，微型机械装置及高温明火环境下所急需的一些特殊元件，研究甚少，甚至处于空白状态。
迅速改变这种落后状况，是中国液压技术界和工程界所面临的一项重要任务和迫切使命。
本章小结
液压传动是利用密闭在管路中的受压液体来传递力和运动的。
在传动力时是基于Pascal原理；在传递运动时遵守质量守恒和能量守恒原理。
流量和压力是液压系统的最重要参数。
压力决定于负载，流量决定执行元件的速度。
液压动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和工作介质都是液压系统的组成部分。
另外对液压系统传动的特点、应用、发展历史、现状和发展趁势作了概述。
理解这方面的知识是必要的。
思考题
1．何谓液压传动？
其基本工作原理是什么？
2．液压系统的组成部分及作用。
3．概述液压传动的特点并举出一些应用实例。
4．列举液压技术发展中的几项重要技术成果和成就。
习题
1-1参看图1-1，设小活塞直径为
，行程
=20mm，大活塞直径D=40mm，重
物G=5×104N。
杆长L=500mm，小活塞轴线到杆件回转支点距离
＝25mm。
试确定：
（1）在杠杆末端所施加的可举起重物的力F（156N）；
（2）此时两活塞腔的液体压力
（39.8MPa）；
（3）杠杆往返一次重物上升的高度。
（1.25mm）。
1-2若小活塞上有摩擦力分f1＝20N，大活塞上有摩擦力f2＝103N，并且杠杆往复一次
时密封容积中油液外泄漏量
＝0.2cm3，重新完成上题（169N，40.6MPa，1.09mm）。
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