1概论

第一章液压与气压传动概论机器的组成原动机、传动部分、控制部分、执行机构。传动部分作用把原动机（电动机、内燃机等）的输出功率传送给工作机构。传动的类型机械传动、电力传动、液体传动、气压传动复合传动。动画动画第一章液压与气压传动概论液体传动用液体作为工作介质进行能量传递的传动方式。液压传动利用液体的压力能来传递能量。液力传动利用液体的动能来传递能量。气体传动利用压缩气体作介质来传递能量，介质主要是空气。本课程主要介绍以液体为介质的液压传动技术和以压缩空气为介质的气压传动技术，并且以液压为主。1.1.1液压与气压传动系统的工作原理1．液压传动系统的工作原理图1．1平面磨床液压传动系统半结构式图1．2平面磨床液压传动系统工作原理图。1.1液压与气压传动的工作原理和组成平面磨床工作过程活塞右移活塞左移卸荷溢流阀溢流2．气压传动系统的工作原理工作介质是气体图1.3气压传动系统工作原理图。1.1.2液压与气压传动系统的组成动力装置：泵、空压机。控制调节装置：阀－压力、流量、方向。执行元件：缸、马达。辅助装置：油箱、过滤器、蓄能器、冷却器、分水滤气器、油雾器、消声器、管件、管接头、信号转换器等。工作介质：液压油、压缩空气。能量传递图1.1.3液压与气压传动的特点1.液压传动的特点（1）功率密度大与电动机相比，在同等体积下，液压装置能产生更大的动力，也就是说，在同等功率下，液压装置的体积小、重量轻、结构紧凑，即它具有大的功率密度或力密度，力密度在这里指工作压力。（2）无级调速液压装置容易做到对速度的无级调节，而且调速范围大，并且对速度的调节还可以在工作过程中进行。（3）工作平稳液压装置工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向。（4）自润滑液压装置易于实现过载保护，能实现自润滑，使用寿命长。（5）易于实现自动化可以很方便地对液体的流动方向、压力和流量进行调节和控制，并能很容易地和电气、电子控制或气压传动控制结合起来，实现复杂的运动和操作。（6）标准化液压元件易于实现系列化、标准化和通用化，便于设计、制造和推广使用。（7）传动比由于液压传动中的泄漏和液体的可压缩性使这种传动无法保证严格的传动比。（8）传动效率相对低液压传动有较多的能量损失（泄漏损失、摩擦损失等）。（9）对油温的变化比较敏感不宜在较高或较低的温度下工作。（10）不易诊断液压传动在出现故障时不易诊断。2.气压传动的特点（1）无污染气压传动的工作介质是空气，它取之不尽用之不竭，用后的空气可以排到大气中去，不会污染环境。（2）远距离输送气压传动的工作介质粘度很低，所以流动阻力很小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送。（3）防爆气压传动对工作环境适应性好，在易燃、易爆、多尘埃、强辐射、振动等恶劣工作环境下，仍能可靠地工作。（4）气压传动动作速度及反应快液压油在管道中流动速度一般为1～5m／s，而气体流速可以大于10m／s，甚至接近声速，因此在0.02～0.03s内即可以达到所要求的工作压力及速度。（5）气压传动系统的工作压力低因此气压传动装置的推力一般不宜大于10～40kN，仅适用于小功率的场合。在相同输出力的情况下，气压传动装置比液压传动装置尺寸大。（6）速度稳定性差由于空气的可压缩性大，气压传动系统的速度稳定性差，给系统的位置和速度控制精度带来很大影响。（7）噪声大气压传动系统的噪声大，尤其是排气时，须加消声器。（8）润滑气压传动工作介质本身没有润滑性，如若采用无给油气压传动元件，需另加油雾器进行润滑，而液压系统无此问题。1.1.4液压与气压传动的应用1.液压传动的应用一般工业：塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械：工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业：冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土木水利工程：防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；石油行业：随钻导向等；船舶工业：甲板起重机械（绞车）、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术：巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业：火炮操纵装置、舰船减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。2.气压传动的应用机械、电子、钢铁等。机械手石油行业应用1.1.5液压与气压传动的图形符号液压与气压传动的图形符号按国家1993年制定的GB/T786.1-93标准执行（参见书后附录）.图1．2和图1．3,它们就是按国家标准所规定的图形符号绘制的。1.1.6液压技术的发展趋势1.2液压与气压传动工作介质1.2.1液压工作介质的种类液压传动介质按照GB/T7631.2-87分类，主要有石油基液压油和难燃液压液两大类1）石油基液压油(1)L-HL液压油(又名普通液压油)：采用精制矿物油作基础油，加入抗氧、抗腐、抗泡、防锈等添加剂调合而成，是当前我国供需量最大的主品种，用于一般液压系统，但只适于O℃以上的工作环境。其牌号有：HL－32、HL－46、HL－68。在其代号L-HL中，L代表润滑剂类，H代表液压油，L代表防锈、抗氧化型，最后的数字代表运动粘度。(2)L-HM液压油(又名抗磨液压油，M代表抗磨型)：其基础油与普通液压油同，除加有抗氧、防锈剂外，主剂是极压抗磨剂，以减少液压件的磨损。适用于-15℃以上的高压、高速工程机械和车辆液压系统。其牌号有：HM－32、HM－46、HM－68、HM－I00、HM－150。(3)L-HG液压油(又名液压一导轨油)：其基础油与普通液压油同，除普通液压油所具有的全部添加剂外，还加有油性剂，用于导轨润滑时有良好的防爬性能。适用于机床液压和导轨润滑合用的系统。(4)L-HV液压油(又名低温液压油、稠化液压油、高粘度指数液压油)：用深度脱蜡的精制矿物油，加抗氧、抗腐、抗磨、抗泡、防锈、降凝和增粘等添加剂调合而成。其粘温特性好，有较好的润滑性，以保证不发生低速爬行和低速不稳定现象。适用于低温地区的户外高压系统及数控精密机床液压系统。(5)其它专用液压油：如航空液压油(红油)、炮用液压油、舰用液压油等。2）难燃液压液难燃液压液可分为合成型、油水乳化型和高水基型三大类。(1)合成型抗燃工作液①水一乙二醇液(L-HFC液压液)：其优点是凝点低(－50℃)，有一定的粘性，而且粘度指数高，抗燃。适用于要求防火的液压系统，使用温度范围为-18～65℃。其缺点是价格高，润滑性差，只能用于中等压力(20Mpa以下)。②磷酸酯液(L-HFDR液压液)这种液体的优点是，使用的温度范围宽(-54～～135℃)，抗燃性好，抗氧化安定性和润滑性都很好。(2)油水乳化型抗燃工作液(L-HFB、L-HFAE液压液)油水乳化液是指互不相溶的油和水，使其中的一种液体以极小的液滴均匀地分散在另一种液体中所形成的抗燃液体。(3)高水基型抗燃工作液(L-HFAS液压液)其主体为水，占95％，其余5％为各种添加剂，其优点是成本低，抗燃性好，不污染环境。其缺点是粘度低，润滑性差。1.2.2液压工作介质的性质在液压传动技术中，液压油液最重要的特性是它的可压缩性和粘性1．可压缩性和膨胀性可压缩性:液体受压力的作用而使体积发生变化的性质称为液体的可压缩性。膨胀性:液体受温度的影响而使体积发生变化的性质称为液体的膨胀性。压缩系数液体在单位压力变化下的体积相对变化量表示为：1VpV(1.1)体积弹性模量K表示液体抵抗压缩能力的大小。体积弹性模量液体体积压缩系数的倒数称为液体的体积弹性模量，简称体积模量，用K表示。即：1VKpV(1.2)单位：MPa矿物油型液压油的体积弹性模量为K=(1.4~2)×103MPa。是钢的100～150倍。由于在液体内不可避免地会混入空气等原因，使其抗压缩能力显著降低。在工程计算中常取液压油的体积弹性模量K=0.7×103MPa体积弹性模量性质•温度增大时，K值减小；•压力增大时，K值增大；但这种变化不呈线性关系。当压力大于3MPa时，K值基本上不再增大。液压油的可压缩性对液压系统的动态性能影响很大，对静态性能影响不大。液压油压缩性的影响2．粘性及其表示方法定义液体在外力作用下流动或有流动趋势时，液体内分子间的内聚力要阻止液体分子的相对运动，由此产生一种内摩擦力，这种现象称为液体的粘性。式中:μ是比例常数，称为粘性系数或动力粘度。fduFAdy实验表明，液体流动时相邻液层间的内摩擦力Ff与液层接触面积A和液层间的速度梯度du/dy成正比，即：这就是牛顿液体内摩擦定律。在静止液体中，因速度梯度du/dy=0，内摩擦力τ也为零，所以液体在静止状态下不呈现粘性。液体粘度表示方法有三种：动力粘度、运动粘度和相对粘度。如以τ表示液体的内摩擦切应力，即液层间单位面积上的内摩擦力，则有：fFduAdy(1.5)（1）动力粘度μ动力粘度又称为绝对粘度，由式（1.5）可得：式（1.6）液体动力粘度的物理意义是：液体在单位速度梯度下流动或有流动趋势时，相接触的液层间单位面积上产生的内摩擦力。动力粘度的法定计量单位为Pa·s（1Pa·s=1N·s/m2）fFduAdy(1.6)（2）运动粘度ν液体的动力粘度μ与其密度ρ的比值称为液体的运动粘度，即：液体的运动粘度没有明确的物理意义，但它在工程实际中经常用到。因为它的单位只有长度和时间的量纲，类似于运动学的量，所以被称为运动粘度。运动粘度的法定计量单位为m2/s。油的牌号：我国液压油的牌号就是用它在温度为40℃时的运动粘度平均值来表示的。例如32号液压油，就是指这种油在40℃时的运动粘度平均值为32mm2/s。(1.7)（3）相对粘度动力粘度和运动粘度是理论分析和计算时经常使用到的粘度，但它们都难以直接测量。因此，在工程上常常使用相对粘度。相对粘度又称为条件粘度，它是采用特定的粘度计在规定的条件下测量出来的粘度。用相对粘度计测量出它的相对粘度后，再根据相应的关系式换算出运动粘度或动力粘度，以便于使用。我国采用恩氏粘度。恩氏粘度测定过程是：把200mL温度为t（℃）的被测液体装入恩氏粘度计的容器内，测出液体经容器底部直径为2.8mm的小孔流尽所需时间t1（s），并将它和同体积的蒸馏水在20℃时流过同一小孔所需时间t2（S）（通常t2=51s）相比，式中，ν的单位为m2/s。66.31(7.31)10EE(1.8)其比值即是被测液体在温度t（℃）下的恩氏粘度，即0E=t1/t2。一般以20℃、40℃及100℃作为测定液体恩氏粘度的标准温度，由此而得到的恩氏粘度分别用0E20、0E40、和0E100来标记。恩氏粘度与运动粘度之间的换算关系式为：粘度的特性1）压力特性压力增大时，粘度增大。但在一般液压系统使用的压力范围内，粘度增大的数值很小，可以忽略不计。2）温度特性（粘温特性）液压油液的粘度对温度的变化十分敏感。如图1．7所示，温度升高，粘度显著下降，这种变化将直接影响液压油液的正常使用和液压系统的性能。液压油液的这种性质称为液压油液的粘温特性。液压油的粘度指数（VI）表明试油的粘度随温度变化的程度与标准油的粘度变化程度比值的相对值。粘度指数高，即表示粘-温曲线平缓，粘温特性好。一般液压油的粘度指数要求在90以上，优异的在100以上。1.2.3对液压工作介质的要求不同的液压传动系统、不同的使用条件对液压工作介质的要求也不相同，为了更好地传递动力和运动，液压传动系统所使用的工作介质（液压油液）应具备以下的基本性能：（1）合适的粘度粘度是选择工作介质的首要因素。液压油的粘性，对减少间隙的泄漏、保证液压元件的密封性能都起着重要作用。粘度过高，各部件运动阻力增加，温升快，泵的自吸能力下降，同时，管道压力降和功率损失增大。反之，粘度过低会增加系统的泄漏，并使液压油膜支承能力下降，而导致摩擦副间产生摩擦。（2）质地纯净、杂质少并对金属和密封件有良好的相容性；（3）抗氧化、抗剪切工作介质与空气接触，特别是在高温、高压下容易氧化、变质。氧化后酸值增加会增强腐蚀性，氧化生成的粘稠状油泥会堵塞滤油器，妨碍部件的动作以及降低系统效率。因此，要求它具有良好的氧化安定性和热安定性。剪切安定性是指工作介质通过液压