流体传动与控制-第一章

Hydraulics Transmission and Control

讲授

张军伟

课程简介

课程性质

专业选修课

课程目的

能设计简单的液气压传动系统。

能分析液气压传动系统，排除系统故障。

实现途径

掌握流体传动的基本原理和应用。

掌握液气压传动元件的结构特点和工作原理。掌握液气压传动基本回路和系统的组成及

特点。

教材

周忆、于今主编. 流体传动与控制. 科学出版社，2008年

参考书目

有关“液压与气压传动”教材

王春行主编.液压伺服控制系统.机械工业出版社，1996

理论课学时

32H（其中Hydraulics:28H,Pneumatics:4H）

学习方式

课堂讲授＋自学

考核方法及成绩评定

闭卷考试

平时成绩（30％）＋考试（70％）

主要内容

第一部分

第1章绪论

1.1 液压传动的工作原理及系统的组成1.2 液压传动的工作介质1.3 液压传动的优缺点

1.4 液压传动与控制的发展概况

液压传动

第2章液压传动基础知识

2.1 流体静力学2.3 流体动力学

2.4 液压系统的压力损失

2.5 孔口及缝隙的流量压力特性2.7 液压冲击及气穴

第3章液压泵、液压马达

3.1 概述

3.2 液压泵的性能参数3.3 齿轮泵3.4 叶片泵3.5 柱塞泵3.6 液压马达

第4章液压缸

4.1 液压缸的类型、特点及工作原理4.2 液压缸的设计计算

第5章控制元件

5.1 概述

5.2 压力控制阀5.3 流量控制阀5.4 方向控制阀5.5 其他液压阀

第6章辅助元件

6.1 油箱

6.2 管路和管接头6.3 蓄能器6.4 过滤器6.5 热交换器6.6 密封装置

第7章基本回路

7.1 方向控制回路7.2 压力控制回路7.3 速度控制回路7.4 同步控制回路7.5 顺序动作回路

第8章典型液压传动系统

8.1 组合机床动力滑台液压系统8.2 液压机床液压系统

8.3 塑料注射成型机械液压系统8.5 铝箔轧机电液伺服控制系统8.6 电液比例控制系统

第9章液压系统的设计与计算

9.1 液压系统的设计与计算9.2 液压系统设计计算举例

10章伺服控制系统

10.1 液压伺服系统概述10.2 伺服阀

10.3 机液伺服系统10.4 电液伺服系统

第二部分气压传动

第11章气压传动概述

11.1 气压传动的组成及工作原理11.2 气压传动的优缺点

第12章气源装置及附件

12.1 气源装置12.2 气动辅助元件

第13章气动执行元件

13.1 直线运动气缸13.2 旋转运动气缸

第14章气动控制元件

14.1 方向控制阀14.2 流量控制阀14.2 气动逻辑阀

第15章气动回路设计

15.1 典型气动回路（一）15.1 典型气动回路（二）15.2 气动逻辑回路

第一部分液压传动

第1章绪论

Introduction

1.1 液压传动的工作原理及系统的组成

1、传动的定义：

原动机→配力机→工作机（例如汽车、机床）

2、传动的分类：

就传动方式而言，常用的有以下几种：(1) 机械传动：如齿轮、皮带等传动。(2) 电气传动；

(3) 流体传动：是以流体为工作介质，进行能量的转换、传递

和控制的传动。

包括：1）气体传动：以气体为工作介质的流体传动。

2）液体传动：以液体为工作介质的流体传动。根据工作原理不同，液体传动又可分为：

①液力传动：主要利用液体动能的液体传动；②液压传动：只利用液体压力能。

(4) 复合传动

液压传动的定义：

用液体作为工作介质，在密封的回路里，以液体的压力能进行能量传递的传动方式，称之为液压传动。

1.1.1 液压传动系统的工作原理

例1：手动千斤顶

工作原理系统组成例2：磨床工作台的液压传动系统

工作原理及组成1.1.2、液压传动系统的组成能源（动力）装置执行装置

控制调节装置辅助装置传动介质

1.1.3 液压系统图及图形符号

升降油缸回转油缸回转锁紧油缸平台锁紧油缸回转油缸防爆阀液压系统原理图节流阀液压油泵换向阀1.1.3 液压系统图及图形符号

升降油缸回转油缸回转锁紧油缸平台锁紧油缸回转油缸防爆阀液压系统原理图节流阀液压油泵换向阀1.2 液压传动的工作介质

1.2.1 工作介质的物理特性1.密度

单位体积液体的质量称为液体的密度。体积为V、质量为m的液体的密度为：mV矿物型液压油的密度随温度和压力而变化的，但其变动值很小，可认为其为常数，一般矿物油系液压油在20℃时密度约为850～900 kg/m3左右

2.流体的粘性

（1）牛顿流体内摩擦定律

液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，分子间的内聚力要阻止分子间的相对运动而产生一种内摩擦力，这种现象叫做液体的粘性。液体只有在流动（或有流动趋势）时才会呈现出粘性，静止液体是不呈现粘性的。

以

表示切应力，即单位面积上的内摩擦力，则

dudz（1.3）

为比例常数，有时称为粘性系数或动力粘度。

（2）粘度

液体的粘性大小可用粘度来表示。粘度的表示方法通常有三种：动力粘度、运动粘度、相对粘度E 。

①动力粘度

式（1.3）中为由液体种类和温度决定的比例系数，它是表征液体粘性的内摩擦系数。如果用它来表示液体粘度的大小，就称为动力粘度，或称绝对粘度。动力粘度的物理意义是：液体在单位速度梯度下流动时单位面积上产生的内摩擦力。

动力粘度的单位为Pa·s（帕·秒，N·s/m2）。以前沿用的单位为P（泊，dyne·s/c m2）。单位换算关系为:

1Pa·s = 10P（泊）= 1000 cP（厘泊）

②运动粘度液体的动力粘度与其密度的比值，称为液体的运动粘度，即:

（1.4）

运动粘度的单位为m2/s。以前沿用的单位为St

（斯）。单位换算关系为：

1 m2/s=104St（斯）=106cSt（厘斯）

就物理意义来说，ν不是一个粘度的量，但习惯上常用它来标志液体粘度，液压油液的粘度等级是以40℃时运动粘度（以mm2/s计）的中心值来划分的。例如，牌号为L—HL22的普通液压油在40℃时运动粘度的中心值为22 mm2/s（L表示润滑剂类，H表示液压油，L表示防锈抗氧型）。

③相对粘度

相对粘度又称条件粘度，它是按一定的测量条件制定的。根据测量的方法不同，可分为恩氏粘度°E、赛氏粘度SSU、雷氏粘度Re等。我国和德国等国家采用恩氏粘度。

④粘度的影响因素

液体的粘度随液体的压力和温度而变。

对液压油来说，压力增大时，粘度增大，但影响很小，通常忽略不计。

液压油的粘度对温度变化十分敏感。温度升高时，粘度下降。在液压技术中，希望工作液体的粘度随温度变化越小越好。

粘度随温度变化特性，可以用粘度－温度曲线表示。

图2-2几种国产液压油的粘度-温度曲线

3.可压缩性

液体受压力作用而发生体积变化的性质称为液体的可压缩性。液体的压缩性可用体积压缩系数表示。

1VpV0（1.5）

液体体积压缩系数的倒数，称为液体的体积弹性模量，以表示，即：1液压油的体积弹性模量和温度、压力以及含在油液中的空气有关。一般在分析时取β=700--1000MPa。

封闭在容器内的液体在外力作用下的情况极像一个弹簧（称为液压弹簧）：外力增大，体积减小；外力减小，体积增大。液体的可压缩性很小，在一般情况下当液压系统在稳态下工作时可以不考虑可压缩的影响。但在高压下或受压体积较大以及对液压系统进行动态分析时，就需要考虑液体可压缩性的影响。

1.2.2 液压传动对工作介质的要求

1) 合适的粘度，较好的粘温特性。2) 润滑性能好。

3) 质地纯净，杂质少。

4) 对金属和密封件有良好的相容性。

5) 对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性。6) 抗泡沫好，抗乳化性好，腐蚀性小，防锈性好。7) 体积膨胀系数小，比热容大。

8) 流动点和凝固点低，闪点(明火能使油面上油蒸气闪燃，但油本身不燃烧时的温度)和燃点高。9) 对人体无害，成本低。

对轧钢机、压铸机、挤压机和飞机等液压系统则须突出耐高温、热稳定、不腐蚀、无毒、不挥发、防火等项要求。

1.2.3 工作介质的分类和选用

液压系统工作介质的品种以其代号和后面的数字组成，代号为L是石油产品的总分类号，H表示液压系统用的工作介质，数字表示该工作介质的粘度等级。

例如，L—HL22的普通液压油

L表示润滑剂类H表示液压油L表示防锈抗氧型

22表示在40℃时运动粘度的中心值为22 mm2/s

选择液压系统的工作介质一般需考虑以下几点：（1）液压系统的工作条件（2）液压系统的工作环境（3）综合经济分析

1.2.4 工作介质的污染及控制

工作介质的污染是液压系统发生故障的主要原因。它严重影响液压系统的可靠性及液压元件的寿命，因此工作介质的正确使用、管理以及污染控制，是提高液压系统的可靠性及延长液压元件使用寿命的重要手段。

1.污染的根源

进入工作介质的固体污染物有四个根源：已被污染的新油、残留污染、侵入污染和内部生成污染。

2.污染的的危害

液压系统的故障75％以上是由工作介质污染物造成的。

3.污染的测定和等级

污染度测定方法有测重法和颗粒计数法两种。我国制定的国家标准GB／T14039-93《液压系统工作介质固体颗粒污染等级代号》和目前仍被采用的美国NASl638油液污染度等级。4.工作介质的污染控制

工作介质污染的原因很复杂，工作介质自身又在不断产生污染物，因此要彻底解决工作介质的污染问题是很困难的。为了延长液压元件的寿命，保证液压系统可靠地工作，将工作介质的污染度控制在某一限度内是较为切实可行的办法。

控制污染的主要措施：

(1) 对元件和系统进行清洗，才能正式运转。(2) 防止污染物从外界侵入。

(3) 在液压系统合适部位设置合适的过滤器。(4) 控制工作介质的温度。

工作介质温度过高会加速其氧化变质，产生各种生成物，缩短它的使用期限。(5) 定期检查和更换工作介质。

定期对液压系统的工作介质进行抽样检查，分析其污染度，如已不合要求，必须立即更换。更换新的工作介质前，必须对整个液压系统彻底清洗一遍。

1.2.5 液压系统应用实例

液压系统应用实例－轻轨换轮检修装置

液压系统应用实例－轻轨换轮检修装置液压泵站

液压系统应用实例－轻轨车轮检修装置

液压系统应用实例－履带驱动马达

液压系统应用实例－汽车液压抓具

1.3 液压传动的优缺点

液压传动的主要优点

与机械传动、电气传动相比，液压传动具有以下优点：(1) 液压传动的各种元件、可根据需要方便、灵活地来布置；

(2) 重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快；(3) 操纵控制方便，可实现大范围的无级调速(调速范围达2000:1)；

(4) 可自动实现过载保护；

(5) 一般采用矿物油为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长；

(6) 很容易实现直线运动；

(7) 容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控。

液压传动的主要缺点

(1) 由于流体流动的阻力损失和泄漏较大，所以效率较低。如果处理不当，泄漏不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故。

(2) 工作性能易受温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作。

(3) 液压元件的制造精度要求较高，因而价格较贵。(4) 由于液体介质的泄漏及可压缩性影响，不能得到严格的定比传动。

(5) 液压传动出故障时不易找出原因；使用和维修要求有较高的技术水平。

1.4 液压传动发展概况

主要的发展动向是：

1）正向着高压、高速、大功率、高效、低噪声、经久耐用、高度集成化的方向发展；

2）与计算机科学相结合，新型液压元件和液压系统的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助测试（CAT）、计算机直接控制（CDC）、计算机实时控制技术、机电一体化技术、计算机仿真技术和优化技术；

3）与其他相关科学结合，如污染控制技术、可靠性技术等方

面也是当前液压技术发展和研究的方向；4）开辟新的应用领域。

机械、电子（计算机）、液压三者相结合的机电液一体化技术是未来技术的发展方向。

机械、电子（计算机）、液压三者相结合的机电液一体化技术是未来技术的发展方向

电子是神经；液压是肌肉；机械是骨骼。