液氣壓傳動與控制第一章緒論

第一章緒論概述液氣壓傳動的工作原理和系統(tǒng)組成液氣壓傳動的工作介質(zhì)液氣壓傳動的優(yōu)缺點液氣壓傳動的發(fā)展趨勢重要的技術(shù)基礎課。掌握液氣壓傳動技術(shù)基本的概念、理論和方法及其在控制工程中的應用；能分析閱讀中等復雜的液氣壓傳動圖，并對其進行初步的設計和驗算；會選擇標準元件和設計非標準元件。以有壓流體為能源介質(zhì)來實現(xiàn)各種機械的傳動和控制。性質(zhì)：目的要求：研究對象：緒論概述1.1概述緒論概述一、系統(tǒng)組成緒論液氣壓傳動的工作原理和系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成1.2液氣壓傳動的工作原理和系統(tǒng)組成是指以流體為工作介質(zhì)，在密閉容器中實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、傳遞和控制的裝置。（1）氣體傳動：以氣體為工作介質(zhì)的流體傳動。流體傳動——包括：（2）液體傳動：以液體為工作介質(zhì)的流體傳動。根據(jù)工作原理不同又可分為：

①液力傳動：主要是利用液體的動能沖擊工作機械，使之運轉(zhuǎn)和進行能量轉(zhuǎn)換，稱為動力式液壓傳動，簡稱液力傳動。

②液壓傳動：利用液體的壓力能使執(zhí)行元件（油缸或油馬達）的容積發(fā)生變化而做功，稱為容積式液壓傳動，簡稱液壓傳動。緒論液氣壓傳動的工作原理和系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成流體傳動機構(gòu)的組成：液壓（氣）缸/馬達油箱、慮油器、油霧器等各種閥、傳感器等液體、氣體泵、空氣壓縮機緒論液氣壓傳動的工作原理和系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成緒論液氣壓傳動的工作原理和系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成流體傳動的能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程如下：原動機機械能能源裝置壓力能執(zhí)行裝置機械能工作機構(gòu)控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置緒論液氣壓傳動的工作原理和系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成二、工作原理液壓和氣壓傳動的工作原理完全相似，都是基于“靜壓傳遞原理”

來工作的。（一）原理分析緒論液氣壓傳動的工作原理和系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成緒論液氣壓傳動的工作原理和系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成緒論液氣壓傳動的工作原理和系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成1.等壓特性:根據(jù)帕斯卡定律“平衡液體內(nèi)某一點的液體壓力等值地傳遞到液體內(nèi)各處”，即：輸出端的力之比等于二活塞面積之比。

P1=P2=P=F/A1=W/A2或：W/F=A2/A1

2.等體積特性：假設泵缸2中活塞向下移動體積L1’則泵缸被擠出的液體體積為A1L1。這部分液體進入液壓缸11，使其活塞上升L2，其排出體積的為A2L2

。即：A1L1=A2L2

或L2/L1=A1/A2緒論液氣壓傳動的工作原理和系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成進一步認為這些動作是在時間t內(nèi)完成，活塞2的速度v1=L1/t，活塞1的速度v2=L2/t，則有：V2/V1=A1/A2這說明輸出，輸入的位移和速度都與二活塞面積成反比。上式可寫成：A1V1=A2V2

這在流體力學中稱為液流連續(xù)性原理，它反映了物理學中的質(zhì)量守恒。緒論液氣壓傳動的工作原理和系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成3.能量守恒特性

WV2=FV1

注：等式左邊和右邊分別代表輸出和輸入的功率。這說明能量守恒也適用于液壓傳動。通過以上分析，上述模型中兩個不同面積的活塞和液壓缸相當于機械傳動中的杠桿，其面積比相當于杠桿比，即A1/A2=b/a。因此采用液壓傳動可達到傳遞動力，增力，改變速比等目的。同時，在不考慮損失的情況下保持功率不變。緒論液氣壓傳動的工作原理和系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成(二)兩個重要概念

1.

液壓傳動中的液體壓力取決于負載

2.

流量決定速度緒論液氣壓傳動的工作原理和系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成為簡化液壓原理圖的繪制，世界各國都以職能符號來繪制液壓原理圖，即各液壓元件均用職能符號來表示。這些符號只表示元件的職能，連接到元件的線路，并不表示元件的具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)。我國GB786-86規(guī)定的液系圖形符號為職能符號，與其他各國大同小異。國標規(guī)定：圖中各元件的符號均以靜止狀態(tài)（或零工位）表示，工作油路以實線表示，控制油路以虛線表示。液壓千斤頂?shù)穆毮芊柸缬覉D。（二）職能符號緒論液氣壓傳動的工作原理和系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成吊車液壓裝置緒論液氣壓傳動的工作原理和系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成液壓系統(tǒng)中的工作液體既是傳遞功率的介質(zhì)，又是液壓元件的冷卻、防銹和潤滑劑。在工作中產(chǎn)生的磨粒和來自外界的污染物，也要靠工作液體帶走。工作液體的粘性，對減少間隙的泄漏、保證液壓元件的密封性能都起著重要作用。因此，工作介質(zhì)性能的好壞將直接影響到液壓系統(tǒng)的工作性能和穩(wěn)定性。

緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)1.3液氣壓傳動的工作介質(zhì)概述1.密度和重度一、工作介質(zhì)的物理特性對于15℃的液壓油：兩者均隨溫度的升高而下降；隨壓力的升高而升高。緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的物理特性設有兩塊平板，其間充滿靜止液體，下板固定，上板以勻速u0平行下板運動。兩板間的液體便呈現(xiàn)出不同速度的運動狀態(tài)，即：從附著在動板下面的液體層具有與動板等速的u0開始，向下逐漸減小，直到附著在定板上的速度為0。2.粘性（1）定義移動u0下板固定

這一事實說明，每一運動較慢的流體層都是在運動較快的流體層帶動下才運動的；反之，運動較快的流體層則受到較慢流層的阻滯而不能運動得更快。動畫演示緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的物理特性緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的物理特性流體在外力的作用下流動時，作相對運動的流體層之間由于分子間的內(nèi)聚力而產(chǎn)生的摩擦力稱為粘性

。與固體不同，靜止的固體存在靜摩擦力，而靜止的流體不呈現(xiàn)粘性。？緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的物理特性內(nèi)摩擦力（F）的大小與兩板之間液層的面積（A）成正比，與液層間的速度梯度（du/dz）成正比，還與液體的性質(zhì)(粘性)有關(guān)。即：（2）牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓流體內(nèi)摩擦定律緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的物理特性式中:μ——動力粘度系數(shù)（Pa·s）；

τ——單位面積上的摩擦力（即剪切應力）；

——速度梯度，即液層間速度對液層距離的變化率。物理意義：當速度梯度為1時接觸液層間單位面積上的內(nèi)摩擦力。

法定計量單位：帕·秒（Pa·s）緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的物理特性(1)切應力總是成對出現(xiàn)，其方向的確定方法為：當所研究的面被快層帶動時,其上的τ與運動方向一致；當所研究的面被慢層阻礙時,其上的τ與運動方向相反。則τ1

與

v1反向，τ2與v2

同向。即:注意:

(2)當速度梯度

=0時,則F=τ=0，即流體質(zhì)點間無相對運動,流體靜止或相對靜止。緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的物理特性粘度是表示粘性大小的一種度量，有三種表示方法：（3）粘度的表示方法及其相互關(guān)系①動力粘度（μ）——又稱為絕對粘度，因其單位中有動力學要素而得名?？捎膳ｎD內(nèi)摩擦定律得到，指流體在單位速度梯度時，單位面積上的內(nèi)摩擦力。1Pa·s=10P=1000cP其國際單位為：Pa·s；工程單位為：P（泊）或cP（厘泊）緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的物理特性②運動粘度（υ）——

由于υ的單位中只有運動學要素，故稱為運動粘度。1m2/s=104

St=106

cSt其國際單位為：m2

/s；工程單位為：St（沲）或cSt（厘沲）液壓油的粘度等級就是以其40oC

時運動粘度的某一平均值來表示，如：L-HM32液壓油的粘度等級為32，40oC時其運動粘度的平均值為32

mm2/s

（cSt）。緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的物理特性③相對粘度(

)——由于μ的測定很困難，故工程上常采用測定方法較容易的相對粘度（又叫條件粘度）來表示，其數(shù)值與粘度計的種類，測試條件有關(guān)。溫度一定時，200ml的被測液體在重力作用下流過恩氏粘度計（φ2.8mm的小孔）所需要的時間（t1）與20℃等體積蒸餾水流過同一粘度計所需要的時間（t2）之比，用oE表示，即：a.恩氏粘度：中國及俄、德等歐洲國家使用恩氏粘度與運動粘度的換算：工業(yè)上常用20℃、50℃作為測定恩氏粘度的標準溫度，記為oE20，oE50。

υ=0.0731oE—1/0.0631oE(cm3/s)oEt=t1/t2緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的物理特性

60ml被測液體在某一溫度下流過直徑0.17cm，長1.225cm的賽氏粘度計所需時間（s），用SSU表示。b.賽氏粘度：美國使用c.雷氏粘度：英國、日本等國使用

在某一溫度下，50ml的被測液體，流過雷氏粘度計所需的時間（s），用R表示。緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的物理特性①溫度（4）影響粘度的因素流體的粘度隨溫度的變化而變化。這一特性稱為“粘溫特性”。

溫度是影響粘度的最主要因素。它的變化會導致粘度的改變，致使液壓元件的工作壓力和速度改變，并有可能加重液壓液的泄露，從而使液壓傳動的穩(wěn)定性受很大影響。故粘溫特性是液壓油使用性能方面很重要的一個指標。？想一想，原因是什么緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的物理特性粘溫特性用粘度指數(shù)Ⅵ表示，表示被測油液的粘度隨溫度變化的程度同標準油液粘度隨溫度變化的程度的相對值。

顯然，液體的粘度隨溫度的變化越小越好。

部分液壓油的粘溫曲線如圖所示。

粘度指數(shù)越高，表示油液粘度受溫度變化的影響越小，其粘溫性能越好，反之越差。緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的物理特性②壓力流體的粘度隨壓力的變化而變化。這一特性稱為“粘壓特性”。壓力的變化對分子的內(nèi)聚力有少許影響，而對分子熱運動影響不大。因此：一般認為氣體的粘性與壓力無關(guān)。其近似計算公式：μ0－－大氣壓下的動力粘度；κ－－系數(shù)，因液體的不同而異。對石油基液壓油:P<50MPa，無明顯影響；P>50MPa，P↑

→

μ↑；式中：緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的物理特性3.流體的壓縮性：壓縮系數(shù)－－指在一定溫度下，每增加單位壓力時液體體積的相對變化量。①氣體體積隨溫度（T）和壓力（P）的變化規(guī)律用“狀態(tài)方程”表示：②液體的壓縮性用“壓縮系數(shù)”表示。體積彈性模量緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的物理特性在液壓傳動中，靜態(tài)時一般不考慮液體的壓縮性，但在壓力較高，執(zhí)行元件容積較大和動態(tài)計算中，則要考慮壓縮性的影響。例：在溫度和粘度相同時，初始壓力為p=0.2MPa，則當壓力上升至0.3MPa時，液體體積改變量為（1/2000），而氣體體積的為（1/2），可見氣體的壓縮性遠遠高于液體的壓縮性。液體與氣體壓縮性，哪一個更顯著？?緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的物理特性4.比熱容單位質(zhì)量的液體在溫度每升高1℃時吸收的熱量，稱為比熱容，單位為：。5.導熱性它反映了油液吸收熱量、抵抗溫升的能力。表示液體傳導熱量的能力。常用液壓油的比熱容為：用導熱系數(shù)衡量：緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的物理特性6.閃點與燃點閃點又叫閃燃點，是指可燃性液體表面上的蒸汽和空氣的混合物與火接觸而初次發(fā)生閃光時的溫度

。7.潤滑性在金屬摩擦表面形成牢固油膜的能力。燃點又叫著火點，是指可燃性液體表面上的蒸汽和空氣的混合物與火接觸而發(fā)生火焰能繼續(xù)燃燒不少于5s時的溫度可燃性液體的閃點和燃點表明其發(fā)生爆炸或火災的可能性的大小，對運輸、儲存和使用的安全有極大關(guān)系。緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的物理特性例：有一密閉于液壓缸中的一段直徑d=15cm，長L=40cm的液壓油，它的體積膨脹系數(shù)βt=6.5×10-4l/K，此密閉容積一端的活塞不能移動。液壓缸又是剛性的。若活塞上的外負載力不變，油溫從-20℃上升到+25℃時，油液的膨脹能使液壓缸中的液壓油的壓力上升多少？（取k=5×10-10m2/N）解：若活塞可以移動，則因油溫升高而使液壓油體積增大：可見：完全密閉的液壓油，由于油溫的增大而產(chǎn)生的數(shù)值如此之高的液體壓力，很有可能使液壓缸爆裂。這在使用環(huán)境周圍的氣溫會產(chǎn)生很大變動的野外裝置的液壓系統(tǒng)應該注意。緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的物理特性二、空氣的濕度和含濕量

濕度的表示方法有兩種：絕對濕度和相對濕度。１.濕度①絕對濕度:

單位體積的濕空氣中含有水蒸氣的質(zhì)量。

ms——空氣中水蒸氣的質(zhì)量;V

——濕空氣的體積;Ps——水蒸氣分壓；Rs

——水蒸氣的氣體常數(shù)（462.05J/（kg·K））；緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)空氣的濕度與含濕量②飽和絕對濕度：混合氣體的壓力為混合前各成分氣體分壓力的總和。用表示。

pb——水蒸氣飽和壓力；③相對濕度：在一定溫度和壓力下，絕對濕度和飽和絕對濕度之比稱為該溫度下的相對濕度，用φ表示。

氣動系統(tǒng)中，各種閥在使用時相對濕度不能大于95%.

緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)空氣的濕度與含濕量2.含濕量質(zhì)量含濕量：單位質(zhì)量的干空氣中所混合的水蒸氣的質(zhì)量。用d表示，即：

含濕量是反映干空氣中的混合水蒸氣的數(shù)量。

ms

——水蒸氣的質(zhì)量；mg

——干空氣的質(zhì)量；②容積含濕量：單位體積的干空氣中所混合的水蒸氣質(zhì)量。用d`表示，即：ρ

——干空氣的密度。緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)空氣的濕度與含濕量三、工作介質(zhì)的種類及牌號液壓傳動中的工作介質(zhì)，由于使用條件的差異，對介質(zhì)的要求有很大的不同，因此其分類的方式也就多種多樣：按油品類型分類：按可燃性分類：按化學組成分類：國家技術(shù)標準11118.—94規(guī)定了五種系列產(chǎn)品標準，即：HL、HM、HG、HV和HS，與國際通用標準ISO分類相同。其組成及油名如下表：其中用量最多的是礦物油型和合成烴型。有礦油型、合成油型和含水液型三種；有易燃、難燃、不燃三種；有礦物油、高水基液、水介質(zhì)（海水，淡水）水包油乳化液、油包水乳化液、合成烴、聚醚、有機酯、磷酸酯、有機硅、鹵代烴等；緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的種類及牌號標準分類油品名稱組成HL通用機床油具有防銹抗氧性能的精制礦物潤滑油。HM抗磨液壓油具有防銹抗氧、抗磨性能的精制礦物潤滑油。HG液壓導軌油具有防銹抗氧、抗磨和抗粘滑性的精制礦物潤滑油。HV低溫液壓油具有防銹、抗氧、抗磨性能，加增粘劑的精制礦物潤滑油。HS合成烴低溫液壓油具有防銹抗氧、抗磨性能的合成烴油。以上五種產(chǎn)品，按40℃運動粘度共分以下幾種：

HL：一等品有15、22、32、46、68、100六個級號；

HM：一等品有22、32、46、68四個級號；

HG：一等品有32、68兩個級號；

HV：一等品也有10、15、22、32、46、68、100七個級別；

HS：優(yōu)等品、一等品各有10、15、22、32、46五個級別；

（注：HH、HR不常用，故未列出）；

緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的種類及牌號牌號舉例：具體見表1.1（P7）。緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的種類及牌號注：1.液壓油的牌號一般是以溫度為40℃時的運動粘度（單位為厘沲）的平均值來表示的；2.舊標準是以50℃時的平均粘度值作為液壓油的粘度等級牌號)。ISO粘度等級GB2512--81粘度等級(40℃)的運動粘度相近的舊標準粘度等級ISOVGl5N1513．5～16．510ISOVG22N2219．8～24．215ISOVG32N3228．8～35．220ISOVG46N4641．4～50．630ISOVG68N6861．2～74．840ISOVGl00N10090～11060

常用液壓油的牌號和粘度等級對應關(guān)系緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的種類及牌號四、液壓傳動介質(zhì)的選用液壓系統(tǒng)中傳動介質(zhì)的選用主要從兩方面來考慮：類型——考慮液壓系統(tǒng)工作環(huán)境及工作中抗燃、抗凝的要求和系統(tǒng)是否在極壓抗磨性、粘溫性、抗爬行性能等方面有基本要求。如：高溫，有起火、爆炸危險的，用抗燃型油；其它情況多用礦物油；寒冷地區(qū)用低凝點油等。粘度

——1.

可以按照液壓系統(tǒng)所配置的液壓泵產(chǎn)品說

明書推薦的選用；2.

按照系統(tǒng)工作壓力、工作環(huán)境及主要配合

副的相對運動速度來確定。緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)液壓工作介質(zhì)的選用一般說來：高溫、高壓、低速高粘度可以降低系統(tǒng)的泄露和摩擦損失；低溫、低壓、高速低粘度可以降低功率損失；緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)液壓工作介質(zhì)的選用高燃點和閃點

低凝固點

緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)液壓工作介質(zhì)的選用五、工作介質(zhì)的污染和控制工作液體中的污染物來源包括：①液壓裝置組裝時殘留下來的污染物(如切屑、毛刺、型砂、磨粒、焊渣、鐵銹等)；

②從周圍環(huán)境混入的污染物(如空氣、塵埃、水滴等)；

③在工作過程中產(chǎn)生的污染物(如金屬微粒、銹斑、涂料剝離片、密封材料剝離片、水分、氣泡以及工作液體變質(zhì)后的膠狀生成物等)。1．污染的原因及危害工作液體的污染度是指單位容積工作液體中固體顆粒污染物的含量(含量可用重量或顆粒數(shù)表示)。污染度的測定方法有以下兩種：稱重法和顆粒計數(shù)法。

2.固體污染物的測定緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的污染與控制

(1)

液壓元件在加工的每道工序后都應凈化，裝配后嚴格清洗。系統(tǒng)在組裝前，油箱和管道必須清洗。用機械方法除去殘渣和表面氧化物，然后進行酸洗。系統(tǒng)在組裝后，用系統(tǒng)工作時使用的工作液體(加熱后)進行全面清洗，不可用煤油。系統(tǒng)沖洗時應設置高效濾油器，并啟動系統(tǒng)使元件動作，用銅錘敲打焊口和連接位。3.工作液體的污染控制為了減少工作液體的污染，可采取以下措施：

(2)

在油箱呼吸孔上裝設高效空氣濾清器或采用隔離式油箱，防止塵土、磨料和冷卻水的侵入。工作液體必須通過濾油器注入系統(tǒng)。緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的污染與控制

(3)系統(tǒng)應設置過濾器，其過濾精度應根據(jù)系統(tǒng)的不同情況來選定。

(4)系統(tǒng)工作時，一般應將工作液體的溫度控制在65℃以下。工作液體溫度過高會加速氧化，產(chǎn)生各種生成物。

(5)系統(tǒng)中的工作液體應定期更換，在注入新的工作液體前，整個系統(tǒng)必須先清洗一次。

緒論液氣壓傳動的工作介質(zhì)工作介質(zhì)的污染與控制一、液壓傳動的優(yōu)點：與機械傳動、電氣傳動相比，液壓傳動具有以下優(yōu)點：1、結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小。

2、可實現(xiàn)頻繁的啟動和換向，且易于實現(xiàn)過載保護。

3、大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速（調(diào)速范圍可達2000:1）。

4、易獲得很大的作用力或扭矩，這是其突出優(yōu)點。

5、工作平穩(wěn)，沖擊小，噪音低。

6、易實現(xiàn)功率放大。

7、容易和電氣控制結(jié)合，實現(xiàn)自動控制。且潤滑好，壽命長。

8、易于實現(xiàn)標準化，系列化和通用化，便于設計和運用。緒論液氣壓傳動的優(yōu)缺點液壓傳動的優(yōu)點1.4液氣壓傳動的優(yōu)缺點二、液壓傳動的主要缺點

1、由于液壓裝置工作時不可避免的泄露和油液的可壓縮性，及油液粘度受溫度變化的影響較大，從而不易保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。因此，不易用于要求嚴格定比傳動的系統(tǒng)中。

2、由于液體流動時損失較大，系統(tǒng)容易發(fā)熱，產(chǎn)生振動和溫升。因此，不易遠距離輸送。

3、液壓元件的制造精度要求較高，因而成本高。4、發(fā)生故障不易檢查和及時排除，要求維修人