液壓傳動與控制

HydraulicTransmissionandControl

授課教師:機械工程系機械電子研究所

潘尚峰

辦公室:9003大樓2401乙聯(lián)系電話子郵件:pansf@液壓傳動與控制為什么要學習液壓傳動與控制？

液壓傳動在國民經(jīng)濟各行業(yè)被廣泛使用。流體傳動是三大傳動形式之一，而液壓傳動又是流體傳動的主要形式之一。教學目標（1）掌握液壓傳動的基本原理、基本概念和基礎知識；液壓傳動與控制

（2）掌握液壓系統(tǒng)的基本組成；

（4）掌握液壓泵、液壓馬達、液壓閥、液壓缸等液壓元件的功能、結構與工作原理；

（5）掌握調(diào)壓、調(diào)速、減壓、順序動作、同步動作等液壓基本回路的工作原理；

（6）掌握部分典型機械的液壓系統(tǒng)工作原理；

（3）掌握液壓系統(tǒng)的特點及其應用領域；◆讀懂液壓系統(tǒng)圖液壓傳動與控制

（7）掌握液壓系統(tǒng)的設計與計算方法。

（8）初步掌握液壓系統(tǒng)故障診斷的方法。◆學會正確選用液壓元件

重點培養(yǎng)學生解決工程實際問題的能力，即應用能力。◆掌握液壓系統(tǒng)的設計方法及注意事項◆會初步診斷液壓系統(tǒng)的故障◆學會根據(jù)設備功能設計相應的液壓系統(tǒng)教材

《液壓傳動》薛祖德主編中央廣播電視大學出版社，1995版2學分，32學時。教學進度第一章液壓傳動概述及流體力學基礎（5學時）液壓傳動與控制參考書籍《液壓系統(tǒng)設計禁忌》邵俊鵬等編第二章液壓泵和液壓馬達（3學時）第三章液壓缸與液壓輔件（2學時，自學）（2學時）液壓傳動與控制第五章壓力控制閥與壓力控制回路（4學時）第六章流量控制閥及節(jié)流調(diào)速回路（4學時）第七章容積調(diào)速回路（3學時）第八章其它回路（3學時）第九章典型液壓系統(tǒng)（2學時）第十章液壓系統(tǒng)的設計計算（2學時）第十一章插裝閥和比例閥（2學時）第四章方向控制閥與方向控制回路一、液壓傳動的研究對象機械傳動、電氣傳動、流體傳動是國民經(jīng)濟各行業(yè)最常用的幾種傳動方式，其中機械傳動是最基本也是最常用的傳動方式。第一章液壓傳動概述及流

體力學基礎

第一節(jié)

液壓傳動的工作原理和主要參數(shù)一般情況下，電氣傳動、流體傳動與機械傳動結合使用才可能更好地把動力傳遞給負載，它們各有各的特點及運行條件，并不是任何場合幾種傳動方式都可以任意選用，設計者應當根據(jù)設備應用場合及運行條件的不同而選用最合適的傳動方式。例如采煤機。第一章液壓傳動概述及流

體力學基礎利用流體（包括液體和氣體）作為工質(zhì)實現(xiàn)的傳動叫流體傳動(fluidtransmissionordrive)。流體傳動分液體傳動和氣體傳動(pneumatic)，液體傳動又有兩種：液壓傳動和液力傳動。液壓傳動液壓傳動的英文名稱為hydraulictransmission或hydraulicdrive。液壓傳動是利用液體的壓力能(pressureenergy)來實現(xiàn)能量傳遞的，基于帕斯卡原理(principleofPascal)。如液壓泵、液壓缸、液壓馬達的工作原理就是利用液體的壓力能實現(xiàn)能量傳遞的。液力傳動

液力傳動的英文名稱為hydrodynamicdrive，它是利用液體在循環(huán)流動過程中動能的變化來（2）依靠液體動能傳遞動力，泵輪和渦輪之間不存在剛性連接，能緩沖沖擊；傳遞動力，基于液體的動量矩定理（momentofmomentumtheorem）。水輪機(waterturbine)、離心式水泵(centrifugalwaterpump)、液力變矩器（hydrotransmitterortransformerturbine）等的工作原理就是利用液體的動能來傳遞能量的。第一章液壓傳動概述及流

體力學基礎

利用液力傳動基本原理的最典型的一種液力傳動結構就是液力變矩器。

廣泛用于現(xiàn)代車輛和工程機械中。優(yōu)點：（1）能自動適應外阻力變化，能在一定范圍內(nèi)無級地改變輸出轉矩和轉速；第一章液壓傳動概述及流

體力學基礎

由于液壓傳動的應用范圍相對液力傳動更廣一些，所以本課程只講授液壓傳動知識。（3）能夠低速行使和平穩(wěn)啟動，能避免超載時發(fā)動機熄火；在液壓傳動和流體力學中對流體的研究內(nèi)容和研究方法不同

液壓傳動中工作液體是在高壓下處于封閉管路或封閉容器內(nèi)流動的牛頓液體(NewtonianFluid)。（4）減少變速箱擋位，簡化變速箱結構。重力不起主要作用，可忽略不計，而在流體力學中必須考慮重力的影響；一般情況下液壓傳動的流速不大，可近似為靜止液體。

靠密閉容積內(nèi)液體的壓力能來傳遞動力，即帕斯卡原理——液壓傳動的基本原理。關斷閥打開時的工作狀況——重物下降

組成：大小液壓缸、單向閥、關斷閥、油箱、連接管道及工作介質(zhì)（油液）。

關閉關斷閥，反復提起、壓下手柄可實現(xiàn)重物的提升；打開閥門可實現(xiàn)重物下降。關斷閥關閉時的工作狀況

提起手柄、壓下手柄、再提起手柄第一章液壓傳動概述及流

體力學基礎二、液壓傳動的工作原理液壓千斤頂是液壓傳動最有代表性的例子，它的工作原理就是液壓傳動的工作原理，它的組成基本上就是液壓系統(tǒng)的組成。第一章液壓傳動概述及流

體力學基礎三、液壓傳動的主要參數(shù)和兩個重要概念

兩個主要參數(shù)：壓力(pressure)p和流量(flowrate)Q兩個重要概念：壓力p取決于負載(load)；負載運動速度取決于流量Q。用液壓千斤頂(hydraulicjack)簡化模型理解小活塞底面上受到的壓力為：

p1＝F／A1大活塞底面受到的壓力：

p2＝W／A2

壓力取決于負載的重要概念假設大活塞上沒有負載W，又忽略摩擦力等阻力，那么在小活塞上無法施加作用力F。第一章液壓傳動概述及流

體力學基礎帕斯卡原理——在密閉容器內(nèi)，施加于平衡或靜止液體上的壓力將同時傳遞到液體中各處，所以有

p1＝p2＝p＝F／A1＝W／A2

或W／F＝A2／A1

輸出端力W（負載）與輸入端力F之比等于大小活塞的面積之比。所以，必須有負載W，才能在密閉空間內(nèi)建立壓力p。壓力p與作用力F無關，即使沒有力F，只要有負載W的就有壓力,壓力大小由負載W決定，即p=

W/A2。總結：在液壓傳動中壓力取決于負載。此概念與機械傳動中構件受到的應力大小取決于負載是一樣的。

忽略液壓泄漏(leakage)和液體的可壓縮性(compressibility)，則這壓下的體積和擠出的體積應相等，即第一章液壓傳動概述及流

體力學基礎速度取決于流量的重要概念液壓傳動中傳遞運動時，速度傳遞按照容積（體積-volume）變化相等的原則進行。

若小活塞壓下一段距離L1，則小液壓缸中擠出的體積為A1L1，此部分體積進入大液壓缸，使大活塞上升距離L2，而大液壓缸讓出的體積為A2L2。第一章液壓傳動概述及流

體力學基礎A1L1＝A2L2

或L2／L1＝A1／A2

如果活塞運動是在時間t內(nèi)完成的，則大小活塞運動的平均速度分別為

V2＝L2／t，V1＝L1／t

用速度代替位移，則有

A1V1＝A2V2

或V2／V1＝A1／A2

說明液壓傳動輸出速度V2與輸入速度V1的比與相對應的活塞面積比成反比。

面積與速度之積正是流量，即

A1V1＝A2V2＝Q

大活塞的速度V2＝Q／A2，此式說明大活塞第一章液壓傳動概述及流

體力學基礎的運動速度取決于進入液壓缸中的流量Q和其作用面積A，但面積A一般不變，所以活塞運動速度取決于流量。這就是液壓傳動中利用流量進行調(diào)速的理論基礎。液壓千斤頂模型相當于機械傳動的杠桿，面積比相當于杠桿比（A1相當于L1

,A2相當于L2）。

像機械傳動(mechanicaltransmissionordrive)一樣，液壓傳動也能夠達到傳遞動力(powertransfer)、增力(forceenhancement)、改變速比(speedratiochange)等目的。

液壓傳動中的能量守恒

將W／F＝A2／A1和V2／V1＝A1／A2相乘，得

上式左邊分別表示輸出功率，右邊表示輸入功率。液壓傳動遵循能量守恒定律。忽略了油液壓縮性和泄漏及其它功率損失。

又根據(jù)輸出功率P＝WV2

推出

P＝WV2＝pA2×Q／A2＝pQ

即輸出功率等于壓力p和流量Q的乘積。

從能量的角度看，壓力p和流量Q是液壓傳動中兩個重要參數(shù)。第一章液壓傳動概述及流

體力學基礎WV2＝FV1

1．動力元件(powerelement)

將原動機的機械能轉換為液體壓力能的轉換元件。為液壓系統(tǒng)提供一定流量的壓力油。一、液壓傳動的實例

前面介紹的液壓千斤頂就是一個典型的液壓傳動實例。小液壓缸和單向閥構成“泵”第一章液壓傳動概述及流

體力學基礎第二節(jié)

液壓系統(tǒng)的組成及圖形符號二、液壓系統(tǒng)的組成

以磨床工作臺液壓系統(tǒng)說明液壓系統(tǒng)的組成及圖形符號。

下面舉一個機床行業(yè)應用液壓傳動的例子——磨床工作臺液壓系統(tǒng)。第一章液壓傳動概述及流

體力學基礎2．執(zhí)行元件（actuator)

把液體的液壓能重新轉換成機械能的元件或裝置。實現(xiàn)直線運動的轉換裝置——液壓缸(hydrauliccylinder)就是典型的執(zhí)行元件，它能輸出力和直線運動。3.控制元件(controlelement)最典型的動力元件就是液壓泵(pump)。定義：對液壓系統(tǒng)中油液的壓力、流量和流動方向進行控制或調(diào)節(jié)的元件，如各種液壓閥

實現(xiàn)旋轉運動的液動機——液壓馬達(hydraulicmotor)也是典型的執(zhí)行元件，輸出力矩和旋轉運動。4.輔助元件(auxiliaryelement)

油箱1(oiltank)、管道(pipeline)、濾油器2(oilfilter)、壓力表(pressuregaugeormeter)、蓄能器等元件，在液壓系統(tǒng)中起到儲存油液、連接、濾油、測量等作用。(hydraulicvalve)。磨床液壓系統(tǒng)就有改變液流方向的換向閥15(changevalve)和開停閥11(cut-offvalve)；調(diào)節(jié)速度的流量控制閥13（節(jié)流閥(throttlevalve)；壓力控制閥8（溢流閥—reliefvalve）。這類元件的數(shù)量種類最多。第一章液壓傳動概述及流

體力學基礎5.傳動介質(zhì)(hydraulicmedium)

一般是液壓油(hydraulicoil)，也用水。