液壓技術(shù)教案第一章液壓與氣壓概論

1、學(xué)習(xí)必備歡迎下載第 1 章液壓與氣動(dòng)技術(shù)概論液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)是機(jī)械設(shè)備中發(fā)展速度最快的技術(shù)之一，特別是近年來， 隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，與微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，液壓與氣壓傳動(dòng)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)是以流體液壓油液（或壓縮空氣）為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞和控制的一種傳動(dòng)形式，它們的工作原理基本相同。機(jī)器包括原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。原動(dòng)機(jī)有電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等形式；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有電氣傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)和流體傳動(dòng)，其中，流體傳動(dòng)是利用氣體和液體等介質(zhì)傳遞動(dòng)力和能量的，包括氣壓傳動(dòng)和液體傳動(dòng)。液體傳動(dòng)是利用液體作為工作介質(zhì)來傳遞和控制能量的，包括液力傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)等兩種形式；

2、 氣壓傳動(dòng)是利用氣體傳遞和控制能量的。液壓傳動(dòng)是利用密封容積內(nèi)液體體積的變化來傳遞和控制能量的； 而液力傳動(dòng)是利用非封閉的液體的動(dòng)能或勢能來傳遞能量和控制能量的。1.1 液壓 傳動(dòng) 的工作原理液壓千斤頂是機(jī)械行業(yè)常用的工具，常用這個(gè)小型工具頂起較重的物體。下面以它為例簡述液壓傳動(dòng)的工作原理。圖 1.1 所示為液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟韴D。有兩個(gè)液壓缸 1 和 6，內(nèi)部分別裝有活塞，活塞和缸體之間保持良好的配合關(guān)系，不僅活塞能在缸內(nèi)滑動(dòng)，而且配合面之間又能實(shí)現(xiàn)可靠的密封。當(dāng)向上抬起杠桿時(shí)，液壓缸 1 活塞向上運(yùn)動(dòng)，液壓缸 1 下腔容積增大形成局部真空，單向閥 2 關(guān)閉，油箱 4 的油液在大氣壓作用下經(jīng)

3、吸油管頂開單向閥 3 進(jìn)入液壓缸 1 下腔，完成一次吸油動(dòng)作。當(dāng)向下壓杠桿時(shí)，液壓缸 1 活塞下移，液壓缸 1 下腔容積減小，油液受擠壓，壓力圖 1.1 液壓千斤頂工作原理圖升高，關(guān)閉單向閥 3，液壓缸 1 下腔的壓力油1小液壓缸； 2排油單向閥； 3吸油單向閥；頂開單向閥 2，油液經(jīng)排油管進(jìn)入液壓缸 6 的4油箱； 5截止閥； 6大液壓缸下腔，推動(dòng)大活塞上移頂起重物。如此不斷上下扳動(dòng)杠桿就可以使重物不斷升起，達(dá)到起重的目的。如杠桿停止動(dòng)作，液壓缸 6 下腔油液壓力將使單向閥 2 關(guān)閉，液壓缸 6 活塞連同重物一起被自鎖不動(dòng)，停止在舉升位置。如打開截止閥 5，液壓缸 6 下腔通油箱，液壓缸 6

4、 活塞將在自重作用下向下移，迅速回復(fù)到原始位置。 設(shè)液壓缸 1 和 6 的面積分別為 Al 和 A2，則液壓缸 1 單位面積上受到的壓力 p1 = F/ Al ，液壓缸 6 單位面積上受到的壓力 p2 = W/ A2。根據(jù)流體力學(xué)的帕斯卡定律 “平衡液體內(nèi)某一點(diǎn)的壓力值能等值地傳遞到密閉液體內(nèi)各點(diǎn)”，則有：學(xué)習(xí)必備歡迎下載p1 p2FWA1（1-1 ）A2由液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟淼弥?，液壓? 與單向閥 2、 3 一起完成吸油與排油，將杠桿的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能輸出。液壓缸 6 將油液的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出，抬起重物。有了負(fù)載作用力， 才產(chǎn)生液體壓力。 因此就負(fù)載和液體壓力兩者來說，負(fù)載是

5、第一性的，壓力是第二性的。液壓傳動(dòng)裝置本質(zhì)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置。在這里液壓缸 6、液壓缸 1 組成了最簡單的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了力和運(yùn)動(dòng)的傳遞。從液壓千斤頂?shù)墓ぷ鬟^程，可以歸納出液壓傳動(dòng)工作原理如下：（1）液壓傳動(dòng)是以液體（液壓油）作為傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的工作介質(zhì)；（2）液壓傳動(dòng)經(jīng)過兩次能量轉(zhuǎn)換，先把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為便于輸送的液體壓力能，然后把液體壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能對外做功；（3）液壓傳動(dòng)是依靠密封容積（或密封系統(tǒng)）內(nèi)容積的變化來傳遞能量的。工程機(jī)械的起重機(jī)、 推土機(jī)，汽車起重機(jī)，注塑機(jī)，機(jī)床行業(yè)的組合機(jī)床的滑臺、數(shù)控車床工件的夾緊、 加工中心主軸的松刀和拉刀等都應(yīng)用了液壓系統(tǒng)傳動(dòng)的工作原理。1.2氣壓

6、傳動(dòng)的基本原理氣壓傳動(dòng)與液壓傳動(dòng)的工作原理完全相同， 都是以密封容積中的受壓工作介質(zhì)來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的。它先將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成壓力能， 然后通過各種元件組成的控制回路來實(shí)現(xiàn)能量的調(diào)控，最終再將壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)。如生活中常用的打氣筒。1.3液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的組成及圖形符號以圖 1.2 所示組合機(jī)床工作臺液壓傳動(dòng)系統(tǒng)為例說明其組成。圖 1.2典型液壓系統(tǒng)原理圖（a）典型液壓系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)示意圖（ b）閥 6 閥芯位置的改變（c）典型液壓系學(xué)習(xí)必備歡迎下載1油箱； 2過濾器； 3液壓泵； 4溢流閥； 5流量控制閥；6換向閥； 7液壓缸； 8工作臺； 9、10管道液壓泵 3 由電動(dòng)機(jī)

7、驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)， 從油箱 1 中吸油，經(jīng)過濾器 2 后被液壓泵吸入并輸出給系統(tǒng)。當(dāng)換向閥 6 閥芯處于圖 1.2 （ a）所示位置時(shí)，壓力油經(jīng)閥 5、閥 6 和管道進(jìn)入液壓缸 7 的左腔，推動(dòng)活塞向右運(yùn)動(dòng)。液壓缸右腔的油液經(jīng)管道、閥 6、管道 9 流回油箱。改變閥 6 閥芯工作位置，使之處于左端位置時(shí)，如圖 1.2 （ b）所示，液壓缸活塞反向運(yùn)動(dòng)。工作臺的移動(dòng)速度是通過流量控制閥來調(diào)節(jié)的。 閥口開大時(shí)，進(jìn)入缸的流量較大，工作臺的速度較快；反之，工作臺的速度較慢。為適應(yīng)克服大小不同阻力的需要，泵輸出油液的壓力應(yīng)當(dāng)能夠調(diào)整。工作臺低速移動(dòng)時(shí)，流量控制閥開口小，泵輸出多余的油液經(jīng)溢流閥 4 和管道 10

8、 流回油箱，調(diào)節(jié)溢流閥彈簧的預(yù)壓力，就能調(diào)節(jié)泵輸出口的油液壓力。從上面的例子可以看出，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由以下5 部分組成。（1）動(dòng)力元件。將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成流體壓力能的裝置。常見的是液壓泵，為系統(tǒng)提供壓力油液，如圖 1.1 中的液壓缸 1。（2）執(zhí)行元件。將流體的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出的裝置。它可以是作直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸，也可以是作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液壓馬達(dá)、 擺動(dòng)缸，如圖 1.1 中的液壓缸 6 和圖 1.2 中的液壓缸 7。（3）控制元件。對系統(tǒng)中流體的壓力、流量及流動(dòng)方向進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)的裝置，以及進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換、邏輯運(yùn)算和放大等功能的信號控制元件，如圖1.2 中的溢流閥、流量控制閥和換向閥。（4）輔助元

9、件。保證系統(tǒng)正常工作所需的上述三種以外的裝置，如圖1.2 中的過濾器、油箱和管件。（5）工作介質(zhì)。用它進(jìn)行能量和信號的傳遞。 液壓系統(tǒng)以液壓油液作為工作介質(zhì)。圖 1.2 （a）和圖 1.2 （ b）中的各個(gè)元件是半結(jié)構(gòu)式圖形畫出來的，直觀性強(qiáng)，易理解，但難于繪制，元件多時(shí)更是如此。在工程實(shí)際中，除某些特殊情況外，一般都用簡單的圖形符號繪制，如圖 1.2 （c）所示。圖形符號只表示元件的功能，不表示具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)。 我國制定的“液壓與氣動(dòng)” 圖形符號標(biāo)準(zhǔn) GB/T786.11993 見附錄。以后每介紹一類元件，都會介紹其圖形符號，要求熟記。1.4 氣壓傳動(dòng)的組成與液壓傳動(dòng)相似，氣壓傳動(dòng)也有壓力和

10、流量兩個(gè)重要參數(shù)。 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)由 5 部分組成。（1）氣源裝置。氣源裝置即空氣壓縮機(jī)，是系統(tǒng)中的動(dòng)力元件，它將電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成氣體的壓力能，為各類氣動(dòng)設(shè)備提供動(dòng)力。（2）執(zhí)行元件。執(zhí)行元件是系統(tǒng)的能量輸出裝置，它將空氣壓縮機(jī)提供的氣壓能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，輸出力和速度（轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速），用以驅(qū)動(dòng)工作部件。如氣缸和氣馬達(dá)。（3）控制元件。是控制調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力、流量、方向的元件，用來保證執(zhí)行元件具有一定輸出力（轉(zhuǎn)矩）和速度（轉(zhuǎn)速） 。如壓力閥、流量閥、方向閥等。（4）輔助元件。系統(tǒng)中除上述三類元件外， 其余的元件稱為輔助元件， 如過濾器、油霧器、儲氣罐、消聲器等。它們對保證系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定的工作起重

11、要作用。學(xué)習(xí)必備歡迎下載（5）傳動(dòng)介質(zhì)。系統(tǒng)中傳遞能量的流體，如壓縮空氣。1.5液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)與機(jī)械傳動(dòng)和電力拖動(dòng)系統(tǒng)相比，液壓傳動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)。（1）液壓元件的布置不受嚴(yán)格的空間位置限制，系統(tǒng)中各部分用管道連接，布局安裝有很大的靈活性，能構(gòu)成用其他方法難以組成的復(fù)雜系統(tǒng)。（2）可以在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速，調(diào)速范圍可達(dá) 2 0001。（3）液壓傳動(dòng)和液氣聯(lián)動(dòng)傳遞運(yùn)動(dòng)均勻平穩(wěn)，易于實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和頻繁的換向。（4）操作控制方便、省力，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、中遠(yuǎn)程距離控制以及過載保護(hù)。與電氣控制、電子控制相結(jié)合，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)工作循環(huán)和自動(dòng)過載保護(hù)。（5）液壓元件屬機(jī)械工業(yè)基礎(chǔ)

12、件，標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化程度較高，有利于縮短機(jī)器的設(shè)計(jì)、制造周期和降低制造成本。除此之外，液壓傳動(dòng)突出的優(yōu)點(diǎn)還有單位質(zhì)量輸出功率大。 因?yàn)橐簤簜鲃?dòng)的動(dòng)力元件可采用很高的壓力（一般可達(dá) 32MPa，個(gè)別場合更高），因此，在同等輸出功率下具有體積小、質(zhì)量小、運(yùn)動(dòng)慣性小、動(dòng)態(tài)性能好的特點(diǎn)。液壓傳動(dòng)的缺點(diǎn)如下。（1）在傳動(dòng)過程中，能量需經(jīng)兩次轉(zhuǎn)換，傳動(dòng)效率偏低。（2）由于傳動(dòng)介質(zhì)的可壓縮性和泄漏等因素的影響，不能嚴(yán)格保證定比傳動(dòng)。（3）液壓傳動(dòng)性能對溫度比較敏感，不能在高溫下工作，采用石油基液壓油作傳動(dòng)介質(zhì)時(shí)還需注意防火問題。（4）液壓元件制造精度高，系統(tǒng)工作過程中發(fā)生故障不易診斷?？偟膩碚f，液壓傳

13、動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是主要的， 其缺點(diǎn)將隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展會不斷得到克服。例如，將液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)合理地聯(lián)合使用，構(gòu)成氣液、電液（氣）、機(jī)液（氣）等聯(lián)合傳動(dòng)，以進(jìn)一步發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，相互補(bǔ)充，彌補(bǔ)某些不足之處。氣壓傳動(dòng)與液壓傳動(dòng)相比，氣壓傳動(dòng)有如下優(yōu)點(diǎn)。（1）空氣作為工作介質(zhì)，可從大氣中直接汲取，用后直接排入大氣，成本低，不污染環(huán)境。（2）空氣黏性小，在管道中流動(dòng)時(shí)損失小，適用于遠(yuǎn)程傳輸和控制。（3）工作壓力低，氣動(dòng)元件對材質(zhì)和精度的要求低，使用壽命長，成本低。（4）對工作環(huán)境的適應(yīng)性好，特別是在易燃、易爆、高塵埃、強(qiáng)磁、輻射及振動(dòng)等惡劣環(huán)境中使用時(shí)比液壓傳動(dòng)要安全得多。氣壓傳動(dòng)與液

14、壓傳動(dòng)相比，氣壓傳動(dòng)有如下缺點(diǎn)。（1）空氣具有壓縮性，故其工作速度和工作平穩(wěn)性方面不如液壓傳動(dòng)。（2）工作壓力低，系統(tǒng)輸出力小，傳動(dòng)效率較低。（3）排氣噪聲大。（4）氣壓傳動(dòng)的信號速度限制在聲速（約 340m/s）范圍內(nèi)，故其工作頻率和響應(yīng)速度不如電子裝置，不宜用于信號傳遞速度要求較高的復(fù)雜線路中。1.6液壓與氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展概況學(xué)習(xí)必備歡迎下載液壓與氣壓傳動(dòng)相對于機(jī)械傳動(dòng)來說是一門新興技術(shù)。從 1795 年世界上第一臺水壓機(jī)誕生起，已有幾百年的歷史， 但液壓與氣壓傳動(dòng)在工業(yè)上被廣泛采用和有較大幅度的發(fā)展是 20 世紀(jì)中期以后的事情。在工程機(jī)械、冶金、軍工、農(nóng)機(jī)、汽車、輕紡、船舶、石油、航

15、空和機(jī)床行業(yè)中，液壓技術(shù)得到了普遍的應(yīng)用。隨著原子能、空間技術(shù)、電子技術(shù)等方面的發(fā)展， 液壓技術(shù)向更廣闊的領(lǐng)域滲透， 發(fā)展成為包括傳動(dòng)、控制和檢測在內(nèi)的一門完整的自動(dòng)化技術(shù)?，F(xiàn)今， 采用液壓傳動(dòng)的程度已成為衡量一個(gè)國家工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。 如發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的 95%的工程機(jī)械、 90%的數(shù)控加工中心、 95%以上的自動(dòng)線都采用了液壓傳動(dòng)。隨著液壓機(jī)械自動(dòng)化程度的不斷提高， 液壓元件應(yīng)用數(shù)量急劇增加， 元件小型化、系統(tǒng)集成化是必然的發(fā)展趨勢。特別是近十年來，液壓技術(shù)與傳感技術(shù)、微電子技術(shù)密切結(jié)合，出現(xiàn)了許多諸如電液比例控制閥、數(shù)字閥、電液伺服液壓缸等機(jī)（液）電一體化元器件，使液壓技術(shù)在高壓、

16、高速、大功率、節(jié)能高效、低噪聲、 使用壽命長、高度集成化等方面取得了重大進(jìn)展。無疑，液壓元件和液壓系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)（ CAT）和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制也是當(dāng)前液壓技術(shù)的發(fā)展方向。人們很早就懂得用空氣作為工作介質(zhì)傳遞動(dòng)力做功，如利用自然風(fēng)力推動(dòng)風(fēng)車、帶動(dòng)水車提水灌田，近代用于汽車的自動(dòng)開關(guān)門、火車的自動(dòng)抱閘、采礦用風(fēng)鉆等。因?yàn)榭諝庾鳛楣ぷ鹘橘|(zhì)具有防火、防爆、防電磁干擾，抗振動(dòng)、沖擊、輻射等優(yōu)點(diǎn)，近年來氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已從汽車、采礦、鋼鐵、機(jī)械工業(yè)等重工業(yè)迅速擴(kuò)展到化工、輕工、食品、軍事工業(yè)等各行各業(yè)。和液壓技術(shù)一樣，當(dāng)今氣動(dòng)技術(shù)亦發(fā)展成包含傳動(dòng)、控制與檢測在內(nèi)的自動(dòng)化技術(shù)，作為柔性制造系統(tǒng)（ FMS）在包裝設(shè)備、自動(dòng)生產(chǎn)線和機(jī)器人等方面成為不可缺少的重要手段。 由于工業(yè)自動(dòng)化以及 FMS的發(fā)展，要求氣動(dòng)技術(shù)以提高系統(tǒng)可靠性、降低總成本與電子工業(yè)相適應(yīng)為目標(biāo)， 進(jìn)行系統(tǒng)控制技術(shù)和機(jī)電液氣綜合技術(shù)的研究和開發(fā)。顯然，氣動(dòng)元件的微型化、節(jié)能化、無