第1章液壓傳動概述與工作介質(zhì)

液壓與氣壓傳動是研究利用流體壓力傳遞運動和動力的一門科學(xué)。相對機械傳動而言，液壓與氣壓傳動雖然起步較晚，但是，由于科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和機件加工的日趨先進，液壓與氣壓傳動的發(fā)展速度非常迅猛。特別是當(dāng)今，隨著各種先進機械設(shè)備的操作和控制系統(tǒng)不斷向高自動化、高智能化和高人機互動化的方向飛速前進，液壓和氣壓傳動憑借著其它傳動方式無法比擬的優(yōu)越性，已成為一種包括傳動、控制和檢測在內(nèi)的一門完整的自動控制領(lǐng)域的重要學(xué)科，在各種先進機械設(shè)備的實際應(yīng)用、研制和開發(fā)過程中，占據(jù)著非常重要的地位，是從事機、電、液、氣一體化的技術(shù)工作者必須掌握的重要實用技術(shù)之一。1.1液壓傳動概述1.1.1液壓傳動的基本概念和基本原理圖1-1液壓千斤頂工作原理圖1-手提杠桿2-泵體3-小活塞4、5-單向閥6-大活塞7-液壓缸體8-截止閥9-油箱

液壓千斤頂是一個簡單而又典型的液壓傳動系統(tǒng)。其工作原理如圖1-1所示。圖中，由手提杠桿１、泵體２、小活塞３、單向閥４、5組成了千斤頂?shù)氖謩右簤罕茫挥苫钊?和缸體7組成了可舉升重物的液壓缸。在圖1-1中，手提杠桿１上下擺動時，小活塞３可在泵體內(nèi)上下往復(fù)運動。當(dāng)小活塞３上移時，泵體２下腔的密閉容積會隨著小活塞３的上移而逐漸擴大，于是，泵體下腔內(nèi)形成局部真空，在大氣壓力的作用下，油箱中的油液可經(jīng)單向閥４吸入到泵體下腔的密閉容積里。當(dāng)小活塞３下移時，泵體下腔的的密閉容積又逐漸變小，密閉容積內(nèi)的液體壓力隨之升高，于是，單向閥４被關(guān)閉，密閉容積里的有壓液體頂開單向閥5進入液壓缸體7的下腔，形成了一個大的密閉回路，并通過密閉回路中的有壓液體推動大活塞上升，對外傳遞運動和動力。反復(fù)不斷地搬動杠桿，重物就會逐步上升到需要的位置；手動泵停止動作，大活塞也將停止運動。打開截止閥8，油液在重力的作用下流回油箱9，大活塞6隨之落回原位。液壓千斤頂舉升重物的工作過程表明了：所謂液壓傳動，就是利用有壓液體，經(jīng)由一些液壓元件控制之后，來傳遞運動和動力的一種傳動形式。液壓千斤頂?shù)墓ぷ鬟^程同時也揭示了液壓傳動的三個基本工作原理：

1．力的傳遞原理

在圖1-1中，通過手動對泵體２內(nèi)的液體施壓，然后通過密閉回路中各質(zhì)點相對靜止的液體，將壓力傳遞到液壓缸7，推動液壓缸7上的重物G。推動重物的工作壓力是由重物的重量決定的，重物越重，推動重物的工作壓力就越大；反之，重物越輕，推動重物的工作壓力就越小，液體的工作壓力不會因為在單位時間里流入液壓缸7中的液體多少（即液體的流量）而發(fā)生改變。這種現(xiàn)象揭示了液壓傳動的一個基本工作原理，即力的傳遞原理：液壓傳動是以液體為工作介質(zhì)，在密閉的回路里，依靠液體的靜壓力進行力的傳遞。液體的工作壓力取決于負載的大小，與液體的流量大小無關(guān)。

2．速度的調(diào)節(jié)原理在圖1-1中，手提杠桿的動作頻率加快，在單位時間里流入液壓缸的油液就會增加，大活塞上升的速度也會加快；反之，手提杠桿的動作頻率減慢，大活塞的運動速度也會減慢。而且，液壓缸運動時，即使回路中的工作壓力發(fā)生變化，其運動速度也不會因為工作壓力的大小變化而變化。這種現(xiàn)象揭示了液壓傳動的又一基本工作原理，即速度的調(diào)節(jié)原理：在液壓傳動中，調(diào)節(jié)輸入執(zhí)行元件的液體流量，即可調(diào)節(jié)執(zhí)行元件的運動速度。執(zhí)行元件的運動速度取決于液體的流量大小，與液體的壓力大小無關(guān)。

3．能量的轉(zhuǎn)換原理

在圖1-1中，小活塞３作往復(fù)運動時，是外力對小活塞做功,不斷增加小活塞的機械能，并通過小活塞將機械能轉(zhuǎn)換成液體壓力能。當(dāng)油液的壓力推動大活塞時，又將壓力能轉(zhuǎn)換成機械能對外做功。所以，液壓傳動的全過程就是一個將機械能轉(zhuǎn)換成液體壓力能，又將液體壓力能轉(zhuǎn)換成機械能的一個能量轉(zhuǎn)換過程。

1.1.2液壓系統(tǒng)的組成

圖1-2是一個更為全面的液壓傳動系統(tǒng)，這一系統(tǒng)清晰地反映了液壓系統(tǒng)的基本組成：圖１-２磨床工作臺液壓系統(tǒng)的工作原理圖1-油箱；2-濾油器；3-液壓泵；4-溢流閥；5、7-換向閥；6-節(jié)流閥；8-液壓缸；9-工作臺

1．工作介質(zhì)——液壓系統(tǒng)中傳遞能量的物質(zhì)。液壓傳動的工作介質(zhì)主要是液壓油。

在圖1-2中，油箱１中的液壓油通過液壓泵３輸送到系統(tǒng)里，再經(jīng)油管輸送到液壓缸8，推動活塞運動。

2．動力元件——液壓系統(tǒng)中將機械能轉(zhuǎn)換成液體壓力能，為液壓系統(tǒng)提供壓力油的能量輸入元件。

在圖1-2中，液壓泵3將油箱1中的油液輸送到工作回路，為系統(tǒng)提供足夠流量的壓力油，它就是該系統(tǒng)的動力元件。

3．執(zhí)行元件——液壓系統(tǒng)中將液體壓力能轉(zhuǎn)換成機械能，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)對外傳遞運動和動力的能量輸出元件。

圖1-2中，液壓缸8利用壓力油推動工作臺9，對外做功，它就是該系統(tǒng)的執(zhí)行元件。執(zhí)行元件除了液壓缸以外還有液壓馬達。

4.控制元件——液壓系統(tǒng)中通過控制工作介質(zhì)的壓力、流量和流動方向等性能指標(biāo)，來操控執(zhí)行元件對外傳遞運動和動力的具有控制功能的所有元件。圖1-2中的溢流閥４可以為系統(tǒng)調(diào)定最高的工作壓力，當(dāng)系統(tǒng)的壓力高于溢流閥調(diào)定的工作壓力時，溢流閥被推開，為系統(tǒng)泄流，從而保護系統(tǒng)的安全。換向閥５的閥芯處于右位，液壓泵輸入的液壓油通過換向閥５進入上面的工作回路，為系統(tǒng)提供工作需要的壓力油；換向閥５的閥芯處于左位(如圖中c所示)，液壓泵輸入的液壓油通過換向閥５流回油箱1，液壓泵3處于卸荷狀態(tài)，系統(tǒng)停止工作。調(diào)節(jié)節(jié)流閥６的開口大小，可以調(diào)節(jié)輸送到液壓缸8壓力油的流量大小，控制液壓缸8前進和后退的運動速度。換向閥７的閥芯處于右位，壓力油通過換向閥７進入液壓缸的無桿腔，推動液壓缸前進，液壓缸8有桿腔的液壓油通過換向閥７流回油箱1；換向閥７的閥芯處于左位(如圖中b所示)，壓力油通過換向閥７進入液壓缸8的有桿腔，推動液壓缸8后退，液壓缸8無桿腔的液壓油通過換向閥７流回油箱1。以上元件都是該系統(tǒng)的控制元件。除此以外，在不同的液壓系統(tǒng)中還會用到其他的控制元件，這些控制元件都起調(diào)節(jié)和控制液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)的壓力、流量和方向的作用。

5．輔助元件——液壓系統(tǒng)中用來完成系統(tǒng)輸油、儲能、測量等多項輔助工作，以保證系統(tǒng)能可靠和穩(wěn)定運行的所有輔助性元件。

圖1-2中，油箱１、濾油器２、油管和管接頭等都屬于輔助元件。除此以外，在液壓系統(tǒng)中還有其他輔助元件，這些輔助元件也是各液壓系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分。

1.1.3液壓系統(tǒng)的優(yōu)缺點

1．液壓傳動的主要優(yōu)點

1)易于實現(xiàn)無級調(diào)速液壓系統(tǒng)引入節(jié)流閥(或調(diào)速閥)調(diào)速，不僅簡單、方便、可靠，而且可以自由地進行無級調(diào)速。

2)易于實現(xiàn)過載保護液壓系統(tǒng)由溢流閥調(diào)定系統(tǒng)的最高工作壓力，過載時溢流閥可自動打開泄流，保護系統(tǒng)安全；負荷小于溢流閥的最高調(diào)定壓力時，溢流閥又可自動恢復(fù)到關(guān)閉狀態(tài)。

3)易于整體組合布局液壓系統(tǒng)使用油管連接，可以不受周圍障礙物的影響，整體組合布局非常方便。

4)體積小，重量輕，輸出功率大相對于電氣和機械傳動而言，在液壓傳動中，單位重量和單位體積的輸出功率最強，是電氣和機械傳動不可比擬的。

5)易于實現(xiàn)系統(tǒng)自動化液壓控制元件很容易與電器、電子、單片機、可編程控制器及工控計算機連接，易于實現(xiàn)系統(tǒng)自動化。2.液壓傳動的主要缺點1)易于出現(xiàn)油液泄漏液壓系統(tǒng)或多或少都會出現(xiàn)油液泄漏。油液的內(nèi)泄和外泄都會引起液壓介質(zhì)的無功消耗，降低執(zhí)行元件的工作質(zhì)量；另外，油液外泄還會對環(huán)境造成污染，構(gòu)成火患。

2)傳動效率較低在液壓傳動中，由于將機械能轉(zhuǎn)換成壓力能，又將壓力能轉(zhuǎn)換成機械能，能量的多次轉(zhuǎn)換，損失較大，所以液壓傳動的傳動效率相對較低。

3)液壓油對溫度變化較為敏感液壓油的粘度會隨溫度的變化而變化，液壓油的粘度過高或過低都會大大降低液壓系統(tǒng)的運行質(zhì)量。

1.2液壓傳動的工作介質(zhì)

液壓傳動的工作介質(zhì)目前主要是液壓油，液壓油使用的正確與否，直接決定液壓系統(tǒng)工作質(zhì)量的好壞和事故發(fā)生的頻率，所以在液壓傳動的設(shè)計、維護和保養(yǎng)過程中都必須對液壓油有充分的認識和了解。

1.2.1液壓油的用途

1.傳遞壓力能在液壓系統(tǒng)中，液壓泵通過液壓油將壓力能傳遞給執(zhí)行元件。

2.潤滑液壓油幾乎能夠貫通到液壓系統(tǒng)的所有相對運動部件，對各元件產(chǎn)生潤滑作用，可以大大地降低液壓元件的磨損。

3.密封液壓油的黏性對細小的間隙有一定的密封作用。在液壓元件的相對運動面，有時可以不用橡膠密封圈密封，直接利用相對運動面的細小間隙進行密封。

4.冷卻系統(tǒng)耗損的能量會轉(zhuǎn)變成熱量，液壓油可以把局部位置的熱量帶走，幫助系統(tǒng)冷卻和散熱。

1.2.2液壓油的性質(zhì)

1.密度單位體積的液體質(zhì)量稱之為液體的密度。常用的礦物油系液壓油的密度約為850～960kg/m3。

該指標(biāo)主要用于體積和質(zhì)量的換算。

2．閃火點（也稱為閃點）隨著油溫的升高，部分油液會蒸發(fā)與空氣混合成油氣，此油氣與明火接觸會發(fā)生短暫的火花，此時的溫度稱為閃火點。若繼續(xù)升溫，油氣遇到明火可構(gòu)成連續(xù)燃燒，這時的溫度稱為燃燒點。在敞開條件下測定的閃火點稱為開口閃點，在密閉條件下測定的閃火點稱為閉口閃點。液壓油的牌號不同閃點也不一樣，一般礦物油系液壓油的開口閃點不低于140℃，閉口閃點不低于128℃。

閃火點是液壓油的揮發(fā)性指標(biāo)，也是液壓油運輸和使用中極為重要的安全指標(biāo)，一般環(huán)境溫度要比閃火點低20～30℃才可安全使用。

3.粘度液體在外力作用下流動時，分子之間的內(nèi)聚力阻止分子相對運動會產(chǎn)生的一種內(nèi)摩擦力，這種現(xiàn)象稱之為液體的黏性。液體的黏性示意圖如圖1-3所示。圖中，下平板是靜止的，上平板作勻速運動。夾在兩平板間的流體，各薄層的流速從下向上線性增加，且沿y軸方向速度變化最快；各薄層之間因相對運動存在內(nèi)摩擦力。圖1-3液體黏性示意圖由牛頓內(nèi)摩擦定律可知：液體各薄層間的摩擦力F與液層接觸面積A成正比，與液層間的速度梯度（圖1-3中du/dy）成正比。即：

F=μAdudy（1-1）

式中μ為比例常數(shù)若用單位面積上的摩擦力（即剪應(yīng)力：τ=F/A

）來表示，則液體的黏性表達式可改寫為：

τ=μdudy（1-2）

用來量度液體黏性大小的物理量是黏度。它是反映液體內(nèi)摩擦力和液體流動性的重要指標(biāo)。液體的黏度有動力黏度、運動黏度和相對黏度三種表示方法：

1)動力粘度式（1-2）中的比例常數(shù)μ稱為動力粘度，單位是Pa·s(帕·秒)

2)運動粘度運動粘度ν是動力粘度μ和液體密度ρ的比值，即ν=μρ（1-3）運動粘度的單位是m2/S（二次方米每秒）。

工程中常用的使用單位還有cm2/S,稱為St（斯）；

mm2/S,稱為cSt（厘斯）。

m2/s=104St=106cSt

3)相對粘度

相對粘度包括恩氏粘度

E、賽氏粘度SSU和雷氏粘度RS。德國、俄羅斯等國采用恩氏粘度，美國采用賽氏粘度，英國采用雷氏粘度,中國部分石油產(chǎn)品采用恩氏粘度。恩氏粘度是將200ml溫度為t℃的被測液體從恩氏粘度計流盡的所需時間，與同一體積溫度為20℃的蒸餾水流盡的所需時間之比。一般以20℃、40℃、50℃、100℃作為被測液體的測量溫度t℃，并用E20、E40、E50、E100表示被測液體在溫度t℃下的恩氏粘度。

液壓油目前所采用的粘度指標(biāo)是運動粘度，粘度值是根據(jù)GB/T365石油產(chǎn)品運動粘度測定法，用毛細管粘度計在40℃條件下測定出來的，單位均為

mm2/S,（cSt）級。

運動粘度是液壓油選用過程中必須非常熟悉的重要油品質(zhì)量指標(biāo)之一。

4)粘度指數(shù)(VI)油液粘度隨溫度升高而降低，隨溫度降低而升高。油液的粘度隨溫度變化而變化的性質(zhì)稱為油液的粘溫特性，為了便于觀察，通常把油液的粘溫特性用粘溫曲線表示，圖1-4為典型液壓油的粘溫特性曲線圖。圖1-4典型液壓油的粘溫特性曲線圖曲線：1-水包油乳化劑；2-水-乙二醇液；3-礦物型高黏度指數(shù)液壓油；4-礦物型普通液壓油；5-磷酸酯液12345溫度/T運動粘度單位常用/

mm2/S衡量粘溫特性好壞程度的指標(biāo)是粘度指數(shù)，粘度指數(shù)越高，表示油液的粘度受溫度的影響較小，粘溫性能較好；反之粘溫性能較差。各種潤滑油的粘度指數(shù)是根據(jù)GB/T1995-88粘度指數(shù)計算法計算出來的，它是測量油粘度隨溫度的變化程度與標(biāo)準油相比較而得出來的一個相對數(shù)值，通常分為三個等級，35≤VI＜80為中級粘度指數(shù)潤滑油，80≤VI＜110為高級粘度指數(shù)潤滑油，≥110為特高級粘度指數(shù)潤滑油。在我們常用的礦物油系液壓油中，HL和HM液壓油的粘度指數(shù)基本上都不小于95，HV和HS液壓油的粘度指數(shù)基本上都不小于130。粘溫特性是液壓油一個非常重要的特性。這是因為液壓油的溫度過高或過低，液壓油的粘度也會隨之過低或者過高會，對液壓系統(tǒng)的工作質(zhì)量影響非常大。如果油溫太高，油液的粘度過低，會使泵的泄露增大，容積效率降低；也會使運動部件的油膜變薄，加速元件摩損；特別是溫度達60℃以上，每超過10℃，油的惡化和老化程度會加倍，粘溫性能更差，形成惡性循環(huán)。如果油溫太低，油液的粘度過高，會使系統(tǒng)的壓力損失增大，造成執(zhí)行元件運行緩慢失態(tài)；也會使泵的正常吸油能力下降，在泵內(nèi)產(chǎn)生空穴；甚至?xí)箍刂圃膭幼鲊乐厥ъ`，影響系統(tǒng)正常運行。

一般希望液壓油的工作油溫保持在30℃～50℃。根據(jù)經(jīng)驗，液壓油的工作油溫一般不要低于15℃，不得高于65℃，否則就要采用加熱器或冷卻器控制油溫。

5)可壓縮性液壓油在中低壓條件下運行時，可視為非壓縮性液體。當(dāng)壓力超過50MPa時，可壓縮性的問題就變得十分明顯，液壓油在高壓下的可壓縮性可達鋼的100倍以上。在高壓狀態(tài)下，油液分子間的內(nèi)聚力就會發(fā)生明顯的變化，液壓油的粘度也會明顯上升，過黏的液壓油會使系統(tǒng)出現(xiàn)壓力損失增大，信號傳遞遲緩等很多不良現(xiàn)象。所以在高壓系統(tǒng)中，一定要注意液壓油因可壓縮性帶來的危害。

以上的各種指標(biāo)都是對實際操作指導(dǎo)意義較大，在實踐中用得最多，也是液壓油與其他潤滑油所共有的一些最基本的油品理化指標(biāo)。另外，液壓油依據(jù)其自身的工作特點和性質(zhì)，還有一些其他的性能指標(biāo)，如抗泡性、抗乳化性、抗銹蝕性、抗橡膠溶脹性、過濾性等，這些指標(biāo)都是油品生產(chǎn)廠家必須研究的課題,作為油品的使用工作者，可以根據(jù)實際需要，參考油品生產(chǎn)廠家提供的相關(guān)資料和產(chǎn)品使用說明書。1.2.3液壓油產(chǎn)品介紹

1．液壓油的命名方式GB/T498-87把石油產(chǎn)品分成了６大類，其中液壓油劃歸“潤滑劑和有關(guān)產(chǎn)品”類，即“L”類。GB/T7631.1.87又將“L”類產(chǎn)品分為19個組，其中液壓油被指定為“H”組。

液壓油的命名方式為：類——品種數(shù)字實際標(biāo)示即為：L——H﹡粘度牌號(其中﹡為各品種的后綴字母)2．常用的液壓油產(chǎn)品2003年，我國接納了國際標(biāo)準化組織ISO6743.4-1999關(guān)于液壓油分類的新標(biāo)準，并頒布了與之相應(yīng)的新的國家標(biāo)準GB/T7631.2-2003。新國標(biāo)取消了兩種對環(huán)境有害的難燃液壓油，增加了四種環(huán)境可接受的液壓油(環(huán)境可接受的液壓油是一種具有可生物降解性，低毒性的環(huán)保型液壓油)。新國標(biāo)GB/T7631.2-2003對液壓油產(chǎn)品的品種進行了詳細的分類，在這些產(chǎn)品中，有一些是具有特殊用途的液壓油。在普通的液壓系統(tǒng)中通常采用的液壓油主要是液壓油產(chǎn)品中的礦物油系液壓油，抗燃液壓油和部分環(huán)保型液壓油。有關(guān)在液壓系統(tǒng)中常用的液壓油品種代號，組成及使用性能如表1-1所示。表1-1液壓系統(tǒng)中常用的液壓油類型名稱代號組成及性能用途備注礦物油系液壓油（由石臘基的原油精制而成）精制礦物油HH不含任何添加劑的礦物潤滑油主要用于機械潤滑、也可做液壓代用油，適用于要求不高的低壓系統(tǒng)通用液壓油HL精制礦物油+抗氧化劑和防銹劑適用于室內(nèi)一般設(shè)備的中低壓系統(tǒng)抗磨液壓油HMHL型油+抗磨劑適用于抗磨性能要求較高的中、高壓系統(tǒng)高黏度指數(shù)液壓油HRHL型油+增黏劑適用于對黏溫特性有特殊要求的中、低壓系統(tǒng)低溫液壓油HVHM型油+增黏劑適用于環(huán)境溫度在—20℃～40℃的中、高壓系統(tǒng)液壓導(dǎo)軌油HGHM型油+防爬劑適用于機床設(shè)備中液壓與導(dǎo)軌潤滑合用的系統(tǒng)聚HETG甘油三酸酯一般液壓系統(tǒng)HEPG聚乙二醇HEES動植物脂肪酸基合成的雙聚酯或多聚酯HEPR-烯烴和相關(guān)烴類產(chǎn)品難燃性液壓油乳化型HFAE水包油乳化液適用于壓力小于7MPa的液壓系統(tǒng)含水大于80%HFB油包水乳化液適用于壓力小于7MPa的液壓系統(tǒng)含水小于80%合成型HFC水-乙二醇適用于壓力小于14MPa的液壓系統(tǒng)HFDR磷酸酯液適用于壓力小于35MPa的液壓系統(tǒng)黏度級（新牌號）40℃運動黏度（mm2.s-1）ISO黏度級109.00–11.0VG101513.5–16.5VG152219.8–24.2VG223228.8–35.2VG324641.4–50.6VG466861.2–74.8VG6810090.0–110VG100150135–165VG150表1-2液壓油粘度等級(牌號)3．液壓油產(chǎn)品的粘度等級及牌號液壓油產(chǎn)品共分為10、15、22、32、46、68、100、150八個粘度等級，各黏度等級的標(biāo)注值是該級40℃運動黏度的中心值，各級的粘度范圍是中心值±10％。各黏度等級的標(biāo)注值也是液壓油的牌號，所以常稱為液壓油的黏度牌號。液壓油的粘度等級或粘度牌號見表1-2。1.2.4液壓油的選用選用液壓油需要綜合考慮液壓油的使用環(huán)境和條件，逐步進行比較和調(diào)整，才能最后作出決定，保證既經(jīng)濟又能滿足液壓系統(tǒng)運行的可靠性。一般的選用準則如下：

（1）根據(jù)液壓泵來選擇液壓油的品種在液壓系統(tǒng)中，液壓泵對液壓油的反應(yīng)最為敏感，所以液壓泵用油是選油的首要條件，通常可參照液壓泵生產(chǎn)廠家的推薦用油。對抗磨要求較低的齒輪泵，通常可選HL或HM油，葉片泵和柱塞泵一般都要選用HM油。（2）根據(jù)系統(tǒng)的工作狀況選擇液壓油的粘度牌號液壓系統(tǒng)常用的是32、46和68號液壓油，根據(jù)工作狀的差異，再對液壓油的粘度牌號進行適當(dāng)調(diào)整：

1)季節(jié)和環(huán)境溫度夏季或環(huán)境溫度偏高時，宜選用粘度偏高的液壓油。冬季或環(huán)境溫度偏低時，宜選用粘度偏低的液壓油。

的工作壓力

在中、低壓系統(tǒng)中，系統(tǒng)工作壓力較高，可選粘度較高的液壓油；反之，選用粘度較低的液壓油。例如：系統(tǒng)工作壓力＝7～20MPa時，選46～100號液壓油，系統(tǒng)工作壓力＜7MPa時，選32～68號液壓油。

3)執(zhí)行機構(gòu)的運動速度執(zhí)行機構(gòu)運動速度較高時，為了減小液流的功率損失，宜選用粘度偏低的液壓油；反之，宜選用粘度偏高的液壓油。1.2.5液壓油在使用過程中要注意的問題

1.要經(jīng)