1、第1章 绪 论 第1章 绪 论 1.1 液压与气压传动的研究对象液压与气压传动的研究对象 1.2 液压与气压传动的工作原理液压与气压传动的工作原理 1.3 液压与气压传动系统的组成与实例液压与气压传动系统的组成与实例 1.4 液压与气压传动特点与应用液压与气压传动特点与应用 思考和练习题思考和练习题第1章 绪 论 1.1 液压与气压传动的研究对象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。液压传动与气压传动实现传动和控制的方法基本相同，都是根据流体力学的基本原理，利用流体的压力来进行能量的传递和控制各种机械零部件
2、运动的，利用各种元件组成所需要的各种基本控制回路，并再由若干基本回路有机组合构成能完成一定控制功能的传动系统，进而实现能量的转换、传递，并实现各种控制功能。因此，研究液压与气压传动及其控制技术，就必须首先了解传动介质的基本物理性能及其静力学、运动力学和动力学特性，研究各类元件的结构、工作原理和性能以及由此所组成的各种基本回路的性能和特点，并在此基础上进行液压与气压传动控制系统的设计。第1章 绪 论 液压传动所用的工作介质是液体（主要是矿物油），气压传动所用的工作介质为压缩空气。由于这两种流体的性质不同，因此液压传动与气压传动有其各自的特点。由于液体工作压力高（一般可达32 MPa，个别场合更高
3、），因此液压传动传递的动力大，运动平稳，但由于液体粘性较大，在流动过程中阻力损失大，因而不宜作远距离的传动和控制；而气压传动由于空气的可压缩性大，工作压力低（一般在1.0 MPa以下），因此传递的动力较小，传动也不如液压传动平稳，但空气粘性小，流动过程中阻力小，速度快，反应灵敏，因而适于较远距离的传动与控制，且组成气压传动系统的成本较低。实际中可根据工作需要选择使用液压传动或气压传动，也可综合利用两者的优势，采用以压缩空气为动力，以液压油作为控制调节气动执行元件运动速度的介质，气液联合传递运动，可获得既经济又平稳的传动效果。第1章 绪 论 1.2 液压与气压传动的工作原理液压与气压传动的工作原
4、理 液压传动与气压传动的工作原理是基本相似的，现以图1-1所示的液压千斤顶为例来简要说明液压传动的工作原理。如图1-1所示，由大缸体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。如提动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；此时，油箱12中的油液会在大气压力的作用下，经吸油管5顶开单向阀4进入泵下腔内；第1章 绪 论 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，下腔内的油液经管道6顶开单向阀7进入举升液压缸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
5、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。反复上下扳动杠杆手柄，则液压油会不断地补充到大缸体内，重物就会慢慢升起。手动泵停止工作，大活塞停止运动。打开截止阀11，举升缸下腔的油液在重力的作用下通过管道10、截止阀11流回油箱，重物随大活塞一起向下移动并落回原位。下面以图1-1所示为例，分析两活塞之间的力的关系、运动关系和功率关系。第1章 绪 论 图 1-1 液压千斤顶工作原理 第1章 绪 论 1力的关系力的关系假设A1、A2分别为小活塞和大活塞的作用面积；F1为杠杆作用在小活塞上的力。当大活塞上有重物负载W时，大活塞下腔的油液将会产生一定的压力p(p=W/A2)，在大活塞上行的
6、过程中，单向阀 7 开启，大、小活塞下腔相连通，若不计任何压力损失，并根据帕斯卡原理“在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传递到液体各点”知，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，即小活塞上必须施加力F1，F1=pA1，因而有 211AWAFp第1章 绪 论 或 121AAFW式(1-1)是液压与气压传动中力传递的基本公式。由于p=W/A2，因此，当负载W变化时，流体工作压力p也随之发生变化。如果负载W增大，液体工作压力p也要随之增大，亦即F1也要随之增大；反之，若负载W减小，液体工作压力p就减小，亦即F1也要随之减小。由此可建立起一个很重要的基本概
7、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”。此外，从公式(1-1)可看出，小小千斤顶之所以能举升起重物，是由于有着很大的面积比A2/A1的缘故。第1章 绪 论 2 2运动关系运动关系若不考虑液体的可压缩性、泄漏及缸体和管路的变形，则从图1-1中可看出，被小活塞挤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 21122211AAhhhAhA或(1-2)式中:h1、h2 分别为小活塞和大活塞的位移。第1章 绪 论 从式(1-2)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 21122211AAvvthAthA(1
8、-3)即 式中:v1、v2分别为小活塞和大活塞的运动速度。第1章 绪 论 从式(1-3)可看出，活塞的运动速度和活塞的作用面积成反比关系。Ah/t的物理意义是单位时间内液体流过截面面积为A的某一截面的体积，称为流量q，即 q=Av 因此 2211vAvA如果已知进入液压缸的流量q，则活塞的运动速度为 Aqv(1-4)(1-5)第1章 绪 论 3 3功率关系功率关系由式(1-1)和式(1-3)可得到 211vWvF(1-6)式(1-6)左端为输入功率，右端为输出功率，此式说明在不计损失的情况下输入功率等于输出功率，由上式还可得出 qpvApvApP2211(1-7)由式(1-7)可以看出，液压与
9、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是流体传动中最重要、最基本的两个参数，它们相当于机械传动中的速度和力，它们的乘积即为功率。第1章 绪 论 由上述分析可知，液压与气压传动是以流体为工作介质，利用流体的压力能来传递运动和动力的一种传动方式。它们具有以下基本特征：(1）以流体为传动介质来传递运动和动力。(2）液压与气压传动必须在密闭容器内进行。(3）依靠密闭容器的容积变化传递运动。(4）依靠流体的静压力传递动力。第1章 绪 论 1.3 液压与气压传动系统的组成与实例液压与气压传动系统的组成与实例 1.3.1 1.3.1 液压与气压传动系统组成实例液压与气压传动系统组
10、成实例图1-2为机床工作台液压系统结构原理图。它由油箱1、过滤器2、液压泵3、溢流阀4、换向阀5、节流阀6、换向阀7、液压缸8以及连接这些元件的油管及管接头等组成。第1章 绪 论 图 1-2 机床工作台液压系统结构原理图 第1章 绪 论 图1-3所示为该液压系统的图形符号图。结构原理图直观形象，易于理解，但图形复杂，不便于绘制，一般常用标准的元件图形符号来绘制液压和气压系统图。图中的液压与气压图形符号见书末附录常用液压与气动图形符号（GB/T 786.11993）。第1章 绪 论 图 1-3 机床工作台液压系统的图形符号图 第1章 绪 论 图 1-4 为气动剪板机的工作原理图。当工料送入剪板机
11、并到达预定位置时，工料将行程阀8的阀芯向右推动，换向阀的A腔经行程阀8与大气相通，换向阀阀芯在弹簧的作用下移到下位，将气缸上腔与大气连通，下腔与压缩空气连通。气缸活塞杆带动剪刀将工料切断，并随之松开行程阀8的阀芯使之复位，将排气口封死，换向阀的A腔压力上升，阀芯上移，使气路换向。气缸上腔进压缩空气，下腔排气，活塞带动剪刀向下运动，剪板机再次处于预备工作状态。第1章 绪 论 图 1-4 气动剪切机的工作原理图(a)结构原理图；(b)图形符号图 第1章 绪 论 1.3.2 1.3.2 液压与气压传动系统的组成液压与气压传动系统的组成从上述两个实例可以看出，液压与气压传动系统主要是由以下几部分组成：
12、(1)能源装置:液压泵或气源装置，其功用是将原动机输出的机械能转换成流体的压力能，为系统提供动力。(2)执行机构:将流体的压力能转化为机械能。实现这种转化的装置是液压缸（液压马达）或气缸（气动马达），它们的功用是将流体的压力能转换成机械能，输出力和速度（或转矩和转速），驱动工作机构做功，实现直线运动或旋转运动。第1章 绪 论(3)控制元件:包括各种阀类元件，其功用是控制和调节系统中流体的压力、流量、流动方向及系统执行机构的动作程序，以保证执行机构按要求工作。(4)辅助元件:保证系统能正常工作所需的各种辅助装置，如管路、管接头、油箱或储气罐、过滤器、冷却器、消声器、压力表等。(5)工作介质:传递
13、能量的流体，即液压传动中的液压油或气压传动中的压缩空气。液压与气压传动系统在工作中的能量转换和传递过程是：机械能（电动机）流体压力能（液压泵，空气压缩机）机械能（液（气）压缸、液（气）压马达)。第1章 绪 论 1.4 液压与气压传动特点与应用液压与气压传动特点与应用 1.4.1 1.4.1 液压传动特点液压传动特点1 1 液压传动的主要优点液压传动的主要优点液压传动主要有以下优点：（1）单位功率的重量轻，即在输出同等功率的条件下，液压传动系统的体积小、重量轻、结构紧凑、惯性小、动态特性好。如在同功率下，液压马达的结构尺寸和重量仅为电动机的12左右。（2）可在运行过程中实现无级调速，且调速范围一
14、般可达1001，最高可达20001。第1章 绪 论（3）操作控制方便，省力，易于实现自动化，当机、电、液配合使用时，易于实现较复杂的自动工作循环和较远距离操纵。（4）液压传动装置工作平稳、反应快、冲击小，能快速启动、制动和频繁换向。（5）液压传动系统易于实现过载保护，安全性好；采用矿物油为工作介质，自润滑性好，使用寿命较长。（6）液压传动易于获得很大的力和力矩，可使传动结构简单化。（7）液压元件已实现了标准化、系列化、通用化，便于液压系统的设计、制造和使用中的液压元件的灵活布置。第1章 绪 论 2.2.液压传动的主要缺点液压传动的主要缺点（1）液压系统中存在的油液的泄漏、油液的可压缩性、油管的
15、变形等情况都会影响运动的传递准确性，故不宜用于对传动比要求精确的场合。（2）由于液压油对温度比较敏感，油温变化，容易引起工作性能的改变，因此液压传动系统不宜用于温度变化范围较大的场合。此外,油液对污染较为敏感，故不宜用于环境差、粉尘多的场合。（3）由于工作过程中有较多的能量损失，因此，液压传动的效率不高，不宜用于远距离传动。（4）为减少泄漏，液压元件的制造精度要求较高，其制造成本较大。液压系统的故障亦较难诊断和排除。第1章 绪 论 1.4.2 1.4.2 气压传动特点气压传动特点1.1.气压传动的主要优点气压传动的主要优点（1）以空气为工作介质，取之不尽，用之不竭，用过的空气可直接排入大气，不
16、会污染环境。（2）空气的粘度小，流动时阻力损失小，便于集中供气和远距离传输与控制。（3）与液压、电子、电气控制相比，工作环境适应性好，可在易燃、易爆、粉尘多、污染大、强磁场、辐射及振动等场合中工作。（4）维护简单方便，使用安全可靠，能自动实现过载保护。第1章 绪 论 2 2气压传动的主要缺点气压传动的主要缺点气压传动也存在着缺点：（1）由于空气的可压缩性大，因而气压传动工作速度的稳定性比液压传动差，一般采用气液联动能获得较满意的效果。（2）因工作压力低（一般低于1 MPa），一般用于输出动力较小的场合。（3）排气噪音大，在高速排气时要加消音器。第1章 绪 论 1.4.3 1.4.3 液压与气压
17、传动的应用液压与气压传动的应用工业的各个部门应用液压与气压传动技术的出发点是不尽相同的。有的是利用它们在传递动力上的长处，如工程机械和航空工业中采用液压传动主要是取其结构简单、体积小、重量轻、输出功率大的优点；有的是利用它们在操纵控制方面的优势，如机床上采用液压传动是取其在工作过程中能实现无级调速,易于实现频繁的换向,易于实现自动化的优势；在采矿、冶炼、化工等行业，采用气压传动是取其空气工作介质对环境适应性好，能防爆、防燃等特点；在印染、印刷等轻工业和医药、食品行业，是利用了气压传动操作方便且无污染的的特点。第1章 绪 论 表表 1-1 液压与气压传动在各种行业中的一般应用液压与气压传动在各种
18、行业中的一般应用 行业名称 应用举例 行业名称 应用举例 工程机械 装载机、推土机、挖掘机等 机械制造 组合机床、剪板机、自动生产线 矿山机械 液压支架、凿岩机、开凿机 筑路机械 压路机、养路机、捣箍机 起重机械 汽车起重机、升降平台、叉车 轻工机械 打包机、自动计量灌装机 冶金机械 轧钢机、转炉、压力机 纺织机械 印染机、织布机、抛纱机 锻压机械 压力机、锻压机、空气锤 气动工具 气镐、气扳机、气动搅拌机 第1章 绪 论 1.4.4 1.4.4 液压与气压传动的发展液压与气压传动的发展液压元件呈小型化、系统集成化已是发展的必然趋势。特别是液压技术与传感技术、微电子技术的紧密结合，使得近年来出现了诸多新型元件，如电液比例阀、数字阀、电液伺服阀等机液电一体化的组合元器件，使液压技术向着高压、大功率、低噪音、节能高效、集成方向发展。第1章 绪 论 思考和练习题思考和练习题 1-1 什么是液压和气压传动?各自有何传动特点？1-2 液压与气压传动系统的基本组成有哪几部分？1-3 系统的压力取决于什么？流量取决于什么？1-4 液压与气压传动的基本特征是什么？1-5 试举例说明液压与气压传动系统的工作原理。
