《流體傳動與控制》課件第1章

第1章緒論1.1流體傳動的定義及發(fā)展1.2流體傳動與控制系統(tǒng)的工作原理、組成及特點1.3流體傳動的工作介質 1.1流體傳動的定義及發(fā)展

1.1.1流體傳動的定義

人們通常把液體傳動和氣體傳動統(tǒng)稱為流體傳動。它是工農業(yè)生產中廣為應用的一門技術，是研究以流體為介質來實現(xiàn)各種機械的傳動與控制的學科。

液體傳動是以液體為工作介質進行能量傳遞的傳動方式。按照工作原理的不同，液體傳動又可分為液壓傳動和液力傳動兩種形式。（1）液壓傳動主要利用液體的靜壓力來傳遞能量，在實現(xiàn)液體傳動的過程中液體的流動速度一般應小于5m/s，此種情況下液體的動能在總能量中所占比例較小，而壓力能起決定作用。

（2）液力傳動是以液體的動能來傳遞能量的，此種情況下液體的動能在總能量中所占比例較大，并起決定作用。

在工業(yè)中廣泛應用的液體傳動方式主要是液壓傳動。根據(jù)液壓傳動的工作特點，它又可稱為容積式液壓傳動。目前，液體傳動的主要工作介質是壓力油，還有水等其它液體。氣壓傳動是以氣體為工作介質，利用壓縮氣體的壓力能來實現(xiàn)能量傳遞的一種傳動方式，其介質主要是空氣，也包括燃氣和蒸汽。氣壓傳動是靠氣體的壓力傳遞動力或信息的流體傳動。傳遞動力的系統(tǒng)是將壓縮氣體經(jīng)由管道和控制閥輸送給氣動執(zhí)行元件，把壓縮氣體的壓力能轉換為機械能而做功；傳遞信息的系統(tǒng)是利用氣動邏輯元件或射流元件以實現(xiàn)邏輯運算等功能，亦稱氣動控制系統(tǒng)。1.1.2流體傳動的發(fā)展

1.液壓傳動的發(fā)展

液壓傳動的發(fā)展大體上經(jīng)歷了走向標準化、走向優(yōu)質化和走向智能化三個階段。

從18世紀末第一臺水壓機問世到20世紀20年代，液壓技術還處在萌芽狀態(tài)，雖然這種技術在軍艦炮塔、磨床上的使用已獲得成功，但是許多液壓元件都是專用的，沒有共同的標準和公用術語，無法進行交流和系列化與通用化，因此限制了液壓技術的發(fā)展。第二次世界大戰(zhàn)期間，在一些兵器上采用了功率大、反應快、精度高的液壓傳動和控制裝置，大大促進了液壓技術的發(fā)展。戰(zhàn)后，液壓技術迅速轉向民用，并隨著各種液壓傳動標準的不斷制定和完善以及液壓元件的標準化、系列化和通用化，液壓技術在20世紀中葉得以蓬勃發(fā)展。此后，液壓技術在高壓化、高速化、大功率、小型化、集成化等方面又取得了很大進展，并開展了降噪、防漏、治污、節(jié)能等方面的研究，液壓技術又開拓出航天空間技術、原子能技術等新的應用領域。

20世紀60年代，計算機技術、微電子技術的發(fā)展將液壓技術推上了新的臺階，在比例控制、伺服控制、數(shù)字控制等方面取得了許多新的成就。計算機輔助設計、計算機仿真及微機控制等開發(fā)性工作也獲得了顯著成績。液壓技術已發(fā)展成為包括傳動、控制、檢測在內的一門完整的自動化技術，成為交叉性學科，它在國民經(jīng)濟的各個領域都得到了應用。液壓技術的應用程度已成為衡量一個國家工業(yè)水平的重要標志。

2.氣動技術的發(fā)展

氣動技術的起步滯后于液壓技術，1829年出現(xiàn)的多級空氣壓縮機，為氣壓傳動的發(fā)展創(chuàng)造了條件。1871年風鎬開始用于采礦。1868年美國人威斯汀豪斯發(fā)明氣動制動裝置，并在1872年用于鐵路車輛的制動。后來，隨著兵器﹑機械﹑化工等工業(yè)的發(fā)展，氣動機具和控制系統(tǒng)得到了廣泛的應用。1930年出現(xiàn)了低壓氣動調節(jié)器。20世紀50年代研制成功用于導彈尾翼控制的高壓氣動伺服機構。

在20世紀60年代發(fā)明了射流和氣動邏輯元件后，氣壓傳動才迅速發(fā)展起來。60年代氣動技術主要用于繁重的作業(yè)領域，如礦山、汽車制造等，作為輔助傳動。70年代后期開始用于自動生產線、自動檢測等作業(yè)領域。

20世紀80年代以來，隨著與電子技術的結合，氣動技術的應用領域得到了迅速拓展。電氣可編程控制技術的發(fā)展，使氣動技術更靈活，自動化程度更高。微電子技術、現(xiàn)代控制理論與氣動技術結合，促進了電－氣比例伺服技術的發(fā)展，使氣動技術從開關控制進入閉環(huán)比例伺服控制，出現(xiàn)了微機控制的電氣一體化系統(tǒng)。為適應電氣一體化系統(tǒng)的要求，氣動元件正向小型化、集成化、低功耗等方向發(fā)展。為適應食品、醫(yī)藥、生物工程、電子等行業(yè)無污染的要求，無油化氣動元件已問世。此外，氣動技術在高速度、高精度、高壽命、高輸出力、高智能化等方面都有很大發(fā)展。氣動技術被稱為低成本的自動化技術，得到越來越廣泛的應用。

3.我國流體傳動的發(fā)展

我國的液壓傳動技術始于20世紀50年代，氣動

技術始于70年代，目前正處于迅速發(fā)展提高的階段。但與世界上的先進工業(yè)國家相比，我國的流體傳動技術還相當落后，標準化工作還需繼續(xù)完善，優(yōu)質化工作仍然沒有形成主流，智能化還有非常大的發(fā)展空間。因此，為了趕上發(fā)達國家的流體傳動技術的水平和與最新技術的發(fā)展保持同步，我國的流體傳動技術必須不斷創(chuàng)新、提高和發(fā)展，以滿足日益變化的市場需求。

圖1－1所示為目前常用的液壓元件實物圖。圖1－1液壓元件（泵、閥）現(xiàn)階段我國流體傳動的持續(xù)發(fā)展體現(xiàn)出如下特征：

（1）提高元件性能，創(chuàng)制新型元件，體積不斷縮小。

如高速氣缸的速度可達17m/s，低速氣缸的最小速度可達5mm/s，而且不產生爬行。高精度定位氣缸的定位精度可達0.01mm。微型活塞的直徑小到2.5mm的氣缸，10mm寬的氣閥及相關輔助元件已成系列化產品。

（2）高度的組合化、集成化和模塊化。

液壓系統(tǒng)的疊加式的疊加閥、插裝式的插裝閥使連接通道越來越短。另外，還有許多泵閥組合、閥缸組合的組合系統(tǒng)，使結構更緊湊，工作更可靠。在模塊化發(fā)展方面，通過完整的模塊以及獨立的功能單元，用戶只需簡單地組裝即可投入使用。（3）與微電子結合，走向智能化。

數(shù)字液壓泵、數(shù)字閥、數(shù)字液壓缸的出現(xiàn)，使流體傳動與控制系統(tǒng)的智能化水平向前推進了一大步。把編了程的芯片和閥門、執(zhí)行元件或能源裝置、檢測反饋裝置、集成電路等融匯成一體，便組成了可實現(xiàn)智能化運動控制的流體傳動工作系統(tǒng)。這種聯(lián)結體收到微型計算機的信息，就能實現(xiàn)預先設定的任務。

流體傳動技術在與微電子技術緊密結合后，將大大地拓寬它的應用領域，使流體傳動與控制技術發(fā)生飛躍式的發(fā)展。1.2流體傳動與控制系統(tǒng)的工作原理、組成及特點

1.2.1系統(tǒng)的工作原理

簡單地說，傳動就是傳遞能量和動力。對于一部完整的機器，傳動部分是它的一個中間環(huán)節(jié)，它的作用是把原動機（電動機、內燃機等）的輸出功率傳送給工作機構。傳動有多種類型，采用機械元件（機構）傳遞動力的稱為機械傳動，通過電氣元件傳遞動力的稱為電氣傳動，而用流體作為介質傳遞運動和動力的傳動方式就稱為流體傳動。

1.流體傳動與控制系統(tǒng)的圖形符號

在工程實際中，除某些特殊情況外，一般都是用簡單的圖形符號（也叫職能符號）來繪制液壓與氣動系統(tǒng)原理圖。使用圖形符號繪制系統(tǒng)原理圖時，圖中的符號只表示元（輔）件的功能、操作（控制）方法及外部連接口，不表示元（輔）件的具體結構和參數(shù)，也不表示連接口的實際位置和元（輔）件的安裝位置。例如，

圖1－3、1－4(a)所示的系統(tǒng)圖是用半結構式表示的，這種圖直觀性強，容易理解，但是繪制比較麻煩。圖1－4(b)是用圖形符號繪制的

圖1－4(a)所示的同一流體傳動系統(tǒng)。這種圖形符號符合GB786.1—1993標準。使用圖形符號使系統(tǒng)圖簡單明了，便于繪制。當有特殊或專用的元件無法用標準圖形符號表達時，仍可使用半結構示意形式。

2.液壓傳動的工作原理

這里以一個液壓千斤頂為例來說明液壓傳動的工作原理。圖1－2為液壓千斤頂?shù)膶嵨飯D，圖1－3是液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟韴D。圖1－2液壓千斤頂實物圖圖1－3液壓千斤頂工作原理圖由圖1－3可以看出：大油缸9和大活塞8組成舉升液壓缸。液壓千斤頂?shù)墓ぷ鬟^程分析：杠桿手柄1、小油缸2、小活塞3、單向閥4和7組成手動液壓泵。如提起手柄使小活塞向上移動，小活塞下端油腔容積增大，形成局部真空，這時單向閥4打開，通過吸油管5從油箱12中吸油；當用力壓下手柄時，小活塞下移，小活塞下腔壓力升高，單向閥4關閉的同時單向閥7打開，下腔的油液經(jīng)管道6輸入舉升油缸9的下腔，迫使大活塞8向上移動，頂起重物。再次提起手柄吸油時，單向閥7自動關閉，使油液不能倒流，從而保證了重物不會自行下落。不斷地往復扳動手柄，就能不斷地把油液壓入舉升缸下腔，使重物逐漸地升起。如果打開截止閥11，舉升缸下腔的油液通過管道10、截止閥11流回油箱，重物就向下移動。這就是液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟?。通過對上面液壓千斤頂工作過程的分析，可以初步了解到液壓傳動的基本工作原理。液壓傳動是利用有壓力的油液作為傳遞動力的工作介質。壓下杠桿時，小油缸2輸出壓力

油，此時是將機械能轉換成油液的壓力能。然后壓力油經(jīng)過管道6及單向閥7，推動大活塞8舉起重物，此時是將油液的壓力能轉換成機械能。大活塞8舉升的速度取決于單位時間內流入大油缸9中油容積的多少。由此可見，液壓傳動是一個不同能量的轉換過程。

圖1－4是用結構半剖式圖形和職能符號繪出的簡單磨床的液壓系統(tǒng)工作原理圖。該系統(tǒng)可使磨床工作臺作直線往復運動，克服各種阻力和調節(jié)磨床工作臺的運動速度。圖1－4簡單磨床的液壓系統(tǒng)工作原理圖簡單磨床工作臺的液壓傳動系統(tǒng)的工作原理如下：在圖1－4(a)中，液壓泵17由電機驅動旋轉，從油箱19中吸油。油液經(jīng)濾油器18進入液壓泵，當它從液壓泵輸出進入壓力管11時，通過開停（換向）閥10、節(jié)流閥7、換向閥5進入液壓缸2的左腔，推動活塞3和工作臺1向右移動。這時，液壓缸右腔的油液經(jīng)換向閥5和回油管6排回油箱19。如果換向閥5的換向手柄處于圖1－4(b)所示的狀態(tài)，則壓力管11中的油液經(jīng)過開停（換向）閥10、節(jié)流閥7和換向閥5進入液壓缸2的右腔，推動活塞和工作臺向左移動，并使液壓缸左腔的油液經(jīng)換向閥5和回油管6排回油箱19。磨床工作臺的移動速度是由節(jié)流閥來調節(jié)的。當節(jié)流閥口開大時，進入液壓缸的油液量增多，工作臺的移動速度增大；當節(jié)流閥口關小時，進入液壓缸的油液量減少，工作臺的移動速度減小。

為了克服移動工作臺所受到的各種阻力，液壓缸必須產生一個足夠大的推力，這個推力是由液壓缸中的油液壓力產生的。需要克服的阻力越大，液壓缸中的油壓越高；反之則壓力越低。液壓泵輸出的多余油液經(jīng)溢流閥13和回油管16排回油箱19，在圖示的液壓系統(tǒng)中液壓泵出口處的油液壓力是由溢流閥13決定的，它與液壓缸中的壓力大小不同。如果將開停（換向）閥10的手柄9轉換成向左打的狀態(tài)，則壓力管中的油液將經(jīng)開停（換向）閥和回油管排回油箱，不輸?shù)揭簤焊字腥?，這時工作臺不運動，而液壓泵輸出的油液直接流回油箱，使液壓系統(tǒng)卸荷。

3.氣壓傳動系統(tǒng)的工作原理

氣壓傳動系統(tǒng)的工作原理與液壓傳動系統(tǒng)的基本相似。從原理上講，將液壓傳動系統(tǒng)中的工作介質換為氣體，液壓傳動系統(tǒng)則變?yōu)闅鈮簜鲃酉到y(tǒng)。但由于兩種傳動系統(tǒng)工作介質不同，而且兩類介質的特性有很大差別，所以決定了液壓系統(tǒng)和氣壓系統(tǒng)的工作特性有較大差異，應用的場合也各不相同。盡管兩種系統(tǒng)所采用的元器件的結構原理很相似，但很多元器件不能互換使用，并且是分別由不同的專業(yè)生產廠家進行加工制造的。圖1－5是一個氣壓傳動系統(tǒng)工作原理簡圖。圖中電機驅動空氣壓縮機進行空氣壓縮，形成具有較高壓力的壓縮空氣，通過壓縮空氣將機械能轉化為氣體壓力能，受壓縮的空氣經(jīng)冷卻器、濾油器、干燥器，進入儲氣罐中，以上過程集中在氣源裝置中進行。儲氣罐用于儲存、干燥和凈化壓縮空氣，并穩(wěn)定氣體壓力。儲氣罐中的壓縮空氣再經(jīng)過濾器、調壓閥、方向控制閥和流量控制閥等，進入氣缸或氣馬達，進而推動活塞帶動負載工作，實現(xiàn)相應運動。圖1－5氣壓傳動系統(tǒng)工作原理簡圖從上述液壓傳動系統(tǒng)和氣壓傳動系統(tǒng)的例子可以看出兩者存在如下相同點：

（1）液壓傳動與氣壓傳動是分別以液體或氣體作為工作介質進行能量傳遞和轉換的。

（2）液壓傳動與氣壓傳動是分別以液體或氣體的壓力能來傳遞動力和運動的。

（3）液壓傳動與氣壓傳動中的工作介質是在受控制、受調節(jié)的狀態(tài)下進行工作的。1.2.2系統(tǒng)的組成

在流體傳動與控制系統(tǒng)中，雖然液壓傳動系統(tǒng)與氣壓傳動系統(tǒng)的特點不盡相同，但它們的組成形式類似，都是由動力元件、控制調節(jié)元件、執(zhí)行元件和輔助元件組成的，如圖1－5、圖1－6所示。圖1－6機床工作臺液壓系統(tǒng)的圖形符號圖

1.動力元件

動力元件又可稱為動力裝置或能源裝置，是指能將原動機的機械能轉換成液壓能或氣壓能的元件或裝置，它是系統(tǒng)的能量來源。液壓系統(tǒng)的動力元件是液壓泵及其保護裝置，其作用是為液壓傳動系統(tǒng)提供壓力油；氣壓傳動系統(tǒng)的動力元件是氣源裝置，是由空氣壓縮機、儲氣罐、空氣凈化裝置、安全保護裝置和調壓裝置組成的，其作用是為氣壓傳動系統(tǒng)提供壓縮空氣。

2.控制調節(jié)元件

控制調節(jié)元件是對系統(tǒng)中流體的壓力、流量和方向進行控制和調節(jié)的元件或裝置，其作用是保證執(zhí)行元件和工作機構按要求工作。它包括各種液壓控制閥和氣動控制閥。

3.執(zhí)行元件

執(zhí)行元件是把油液的液壓能轉換成機械能輸出的元件或裝置，包括作直線運動的液壓缸或氣缸和作回轉運動的液壓馬達或氣壓馬達，其作用是在工作介質的作用下輸出力和速度（或轉矩、轉速），以驅動工作機構做功。

4.輔助元件

除以上元件外的其它元器件都稱為輔助元件，如油箱、過濾器、蓄能器、冷卻器、分水濾氣器、油霧器、消聲器、管件、管接頭以及各種信號轉換器等。它們是對完成主運動起輔助作用的元件，在系統(tǒng)中也是必不可少的，對保證系統(tǒng)正常工作有著重要的作用。在氣壓傳動系統(tǒng)中還有用來感受和傳遞各種信息的氣動傳感器。1.2.3系統(tǒng)的特點

1.液壓傳動的特點

液壓傳動之所以能得到廣泛的應用，是因為它具有以下主要優(yōu)點：

（1）與電機相比，在同等體積下，液壓裝置能產生更大的動力，即它具有更大的功率密度或力密度（指工作壓力）。

由于液壓傳動是油管連接，所以借助油管的連接可以方便靈活地布置傳動機構，這是比機械傳動優(yōu)越的地方。例如，在井下抽取石油的泵可采用液壓傳動來驅動，以克服長驅動軸效率低的缺點。由于液壓缸的推力很大，又加之極易布置，在挖掘機等重型工程機械上，已基本取代了老式的機械傳動，不僅操作方便，而且外形美觀大方。（2）液壓傳動裝置的重量輕、結構緊湊、慣性小。

例如，相同功率液壓馬達的體積為電動機的12%～13%。液壓泵和液壓馬達單位功率的重量指標，目前是發(fā)電機和電動機的1/10，液壓泵和液壓馬達可小至0.0025N/W(牛/瓦),發(fā)電機和電動機則約為0.03N/W。

（3）可在大范圍內實現(xiàn)無級調速。

借助閥或變量泵、變量馬達，可以實現(xiàn)無級調速，調速范圍可達1∶2000，并可在液壓裝置運行的過程中進行調速。（4）傳遞運動均勻平穩(wěn)，負載變化時速度較穩(wěn)定。

液壓傳動系統(tǒng)工作平穩(wěn)、換向沖擊小，便于頻繁換向。正因為此特點，金屬切削機床中的磨床傳動現(xiàn)在幾乎都采用液壓傳動。

（5）液壓裝置易于實現(xiàn)過載保護。

借助于溢流閥等控制調節(jié)元件的設置調節(jié)狀態(tài)，易于實現(xiàn)過載保護功能。同時液壓元件可進行自潤滑，因此使用壽命長。（6）易于實現(xiàn)自動化。

液壓傳動借助于各種控制閥，特別是采用液壓控制和電氣控制結合使用，可很容易實現(xiàn)復雜的自動工作循環(huán)，而且可以實現(xiàn)遠程控制或異地控制。

（7）液壓元件已實現(xiàn)標準化、系列化和通用化，便于設計、制造和推廣使用。液壓傳動也具有一定的缺點：

（1）漏油問題不可忽略。

液壓系統(tǒng)中的漏油等現(xiàn)象明顯影響運動的平穩(wěn)性和準確性，使得液壓傳動不能保證嚴格的傳動比。為了減少泄漏，以及為了滿足某些性能上的要求，液壓元件的配合件制造精度要求較高，加工工藝較復雜。

（2）油溫變化影響穩(wěn)定性。

液壓傳動對油溫的變化比較敏感，溫度變化時，液體黏性隨之變化，亦引起運動特性的變化，使得傳動系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性受到影響，所以它不宜在溫度變化很大的環(huán)境條件下工作。（3）液壓傳動要有單獨的能源，不如電源方便。

（4）安裝維修較復雜。

液壓系統(tǒng)管路及各部分組成元件較多、較復雜,當發(fā)生故障時不易檢查和排除。

總之，液壓傳動的優(yōu)點是主要的，隨著設計制造和使用水平的不斷提高，有些缺點正在逐步被克服。因此，液壓傳動具有廣泛的應用和發(fā)展前景。

2.氣壓傳動的特點

氣壓傳動因其所使用介質的特性和組成情況使氣壓傳動系統(tǒng)工作時有其獨特的優(yōu)缺點。

氣壓傳動具有如下主要優(yōu)點：

(1)工作介質是空氣，與液壓油相比可節(jié)約能源，且資源豐富，無污染，工作環(huán)境的適應性好，氣體不易堵塞流動通道，用后可直接排放到大氣中，對環(huán)境無污染。

(2)空氣的特性受溫度影響小。在高溫下能可靠地工作，不會發(fā)生燃燒或爆炸。而且溫度變化時，對空氣的黏度影響極小，故不會影響傳動性能。

(3)空氣的黏度很小(約為液壓油的1/10000)，流動阻力小，在管道中流動的壓力損失較小，所以便于集中供應和遠距離輸送。

(4)相對液壓傳動而言，氣動動作迅速、反應快，一般只需0.02～0.3s就可達到工作壓力和速度。液壓油在管路中的流動速度一般為1～5m／s，而氣體的流速最小也大于10m／s，有時甚至可達到音速，排氣時還可達到超音速。

(5)氣體壓力具有較強的自保持能力，即使壓縮機停機，關閉氣閥，而裝置中仍然可以維持一個穩(wěn)定的壓力。液壓系統(tǒng)要保持壓力，一般需要泵繼續(xù)工作或添加輔助裝置（如蓄能器），而氣體通過自身的膨脹性來維持承載缸的壓力不變。

(6)氣動元件可靠性高、壽命長。電氣元件可運行百萬次，而氣動元件可運行2000～4000萬次。

(7)工作環(huán)境適應性好，使用安全，尤其是在易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射、振動等惡劣環(huán)境中，無爆炸和電擊危險，有過載保護能力，并不易發(fā)生過熱現(xiàn)象，比液壓、電子、電氣傳動和控制優(yōu)越。

(8)氣動裝置結構簡單，成本低，維護方便，過載能自動保護。氣壓傳動具有如下缺點：

(1)工作壓力低，一般為0.3～0.8MPa，僅適用于小功率的場合。

在結構尺寸相同的情況下，氣壓傳動裝置比液壓傳動裝置輸出的力要小得多。氣壓傳動裝置的輸出力不宜大于10~40kN。

(2)由于氣體的可壓縮性較大，因此氣動裝置的動作穩(wěn)定性較差，外負載變化時對工作速度的影響較大，對工作位置和傳動精度會帶來很大影響。

(3)氣動裝置中的信號傳動速度比光、電控制速度慢，不宜用于信號傳遞速度要求較高的復雜線路中。同時實現(xiàn)生產過程的遙控也比較困難，但對一般的機械設備，氣動信號的傳遞速度可以滿足工作要求。

(4)噪聲大，尤其是排氣時，須加消聲器。

(5)工作介質本身不具有潤滑性，如不采用無給油氣壓傳動元件，則需另加油霧器進行潤滑，而液壓系統(tǒng)無此問題。

由以上氣壓傳動的特點決定了氣壓傳動只適用于小功率、動作反應快等場合。1.2.4應用

1.液壓傳動的應用

驅動機械運動的機構以及各種傳動和操縱裝置都有多種形式。根據(jù)所用的部件和零件，可分為機械的、電氣的、氣動的、液壓的傳動裝置。通常還將不同的形式組合起來運用——選擇兩種及以上的不同傳動裝置形成多位一體的控制方式。1930年以后液壓傳動才開始在航空工業(yè)中采用，應用于金屬切削機床也不過五十多年的歷史。由于液壓傳動具有很多優(yōu)點，因此這種新技術發(fā)展得很快，特別是最近二三十年以來液壓技術在各種工業(yè)中的應用越來越廣泛。在機床上，液壓傳動常應用在以下裝置中：

(1)進給運動。

傳動裝置磨床砂輪架和工作臺的進給運動大部分采用液壓傳動，車床、六角車床、自動車床的刀架或轉塔刀架，銑床、刨床、組合機床的工作臺等的進給運動也都采用液壓傳動。這些部件有的要求快速移動，有的要求慢速移動，有的則既要求快速移動，也要求慢速移動。這些運動多半要求有較大的調速范圍，要求在工作中無級調速；有的要求持續(xù)進給，有的要求間歇進給；有的要求在負載變化下速度恒定，有的要求有良好的換向性能，等等。所有這些要求都可以通過液壓傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)。

(2)往復主運動。

傳動裝置龍門刨床的工作臺、牛頭刨床或插床的滑枕，由于要求作高速往復直線運動，并且要求換向沖擊小、換向時間短、能耗低，因此可以采用液壓傳動。

(3)仿形裝置。

車床、銑床、刨床上的仿形加工可以采用液壓伺服系統(tǒng)來完成，其精度可達0.01～0.02mm。此外，磨床上的成形砂輪修正裝置亦可采用液壓系統(tǒng)。

(4)輔助裝置。

機床上的夾緊裝置、齒輪箱變速操縱裝置、絲桿螺母間隙消除裝置、垂直移動部件平衡裝置、分度裝置、工件和刀具裝卸裝置、工件輸送裝置等，采用液壓傳動后，有利于簡化機床結構，提高機床自動化程度。

(5)靜壓支承。

重型機床、高速機床、高精度機床上的軸承、導軌、絲杠螺母機構等處采用液體靜壓支承后，可以提高工作平穩(wěn)性和運動精度。

液壓傳動在各類機械行業(yè)中的應用情況如表1－1所示。表1－1液壓傳動在各類機械行業(yè)中的應用實例

2.氣壓傳動的應用

氣動技術是以氣體為工作介質傳遞信號與動力以實現(xiàn)生產機械化與自動化的一門技術。氣壓傳動與其它傳動的性能比較情況如表1－2所示。由于氣壓傳動具有經(jīng)濟、無污染和便于自動化控制等特點，因此在工業(yè)自動化領域得到了越來越廣泛的應用。表1－2氣壓傳動與其它傳動的性能比較 1.3流體傳動的工作介質

1.3.1性質及分類

1.液壓工作介質的性質及分類

液壓工作介質的性質包括密度、可壓縮性和膨脹性以及黏性等。

1）密度

密度也常稱為比重，是指單位體積的液體質量。礦物液壓油在15℃時的密度為900kg/m3左右，在實際使用中可認為它們不受溫度和壓力的影響。密度（比重）越大，泵吸入性越差。

2）可壓縮性和膨脹性

液體受壓力的作用而使體積發(fā)生變化的性質稱為液體的可壓縮性。液體受溫度影響而使體積發(fā)生變化的性質稱為液體的可膨脹性。

液體可壓縮性的大小可用壓縮系數(shù)來衡量。體積為V0

的液體，當壓力變化量為Δp時，體積的絕對變化量為ΔV，液體在單位壓力變化下的體積相對變化量為液體的體積壓縮系數(shù)κ，(1－1)

κ的倒數(shù)為液體的體積彈性模量K，表示液體產生單位體積相對變化量時所需要的壓力增量。可用它來表示液體抵抗壓縮能力的大小。(1－2)一般礦物油型液壓油的體積彈性模量為K＝（1.4~2）×103MPa，它的可壓縮性是鋼的100~150倍。但在實際應用中，由于在液體內不可避免地會混入空氣等原因，使其抗壓縮能力顯著降低，這會影響液壓系統(tǒng)的工作性能。因此，在有較高要求或壓力變化較大的液壓系統(tǒng)中，應盡量減少油液中混入氣體和其它易揮發(fā)性物質（如煤油、汽油等）的含量。但由于在實際生產中油液中的氣體難以完全排除，在工程計算中常取液壓油的體積彈性模量K＝0.7×103MPa左右。液壓油液的體積彈性模量與溫度、壓力有關。溫度增大時，K值減小，在液壓油正常的工作溫度范圍內，K值會有5%~25%的變化。壓力增大時，K值增大，反之則減小，但這種變化不呈線性關系。當壓力大于3MPa時，K值基本上不再增大。

3）黏性及其表達方法

液體在外力作用下流動或有流動趨勢時，液體內分子間的內聚力要阻止液體分子的相對運動，由此產生一種內摩擦力，這種現(xiàn)象稱為液體的黏性。

液體流動時，由于液體的黏性以及液體和固體壁面間的附著力，會使液體內部各液層間的流動速度大小不等。如圖1－7所示，設兩平板間充滿液體，下平板不動，上平板以速度v0向右平移。由于液體的黏性作用，緊貼下平板液體層的速度為零，緊貼上平板液體層的速度為v0，而中間各液層的速度則視其距下平板距離的大小按線性規(guī)律或曲線規(guī)律變化。實驗證明，液體流動時各液層間的內摩擦力Ff與液層接觸面積A和液層間的速度梯度dv/dy成正比，即（1-3）式中，μ是比例常數(shù)，稱為黏性系數(shù)或動力黏度。如以τ表示液體的內摩擦切應力，即液層間單位面積上的內摩擦力，則有這就是牛頓液體內摩擦定律。牛頓液體是指其動力黏度只與液體種類有關，而與速度無關，否則為非牛頓液體。石油基液壓油一般為牛頓液體。液體黏性的大小用黏度表示。常用的液體黏度表示方法有三種，即動力黏度、運動黏度和相對黏度。（1-4）

(1)動力黏度（又稱為絕對黏度）。動力黏度以μ表示，由式（1－4）可得（1-5）由式（1－5）可知動力黏度的物理意義是：液體在單位速度梯度下流動或有流動趨勢時，相鄰的液體流層間以單位速度梯度流動時產生的內摩擦力。動力黏度μ的國際計量單位是牛頓·秒每平方米（N·s/m2）或稱帕·秒（Pa·s，1Pa·s=1N·s/m2）。（2）運動黏度υ。液體的動力黏度μ與其密度ρ的比值稱為液體的運動黏度，即（1-6）液體的運動黏度沒有明確的物理意義，但它在工程實際中經(jīng)常用到。因為它的單位只有長度和時間的量綱，類似于運動學的量，所以稱為運動黏度。它的國際計量單位為平方米每秒（m2/s），常用平方毫米每秒（mm2/s）。我國的液壓油牌號是用液壓油在溫度為40℃時的運動黏度平均值來表示的。例如10號液壓油，就是指這種油在40℃時的運動黏度平均值為10mm2/s。

(3)相對黏度。液體的動力黏度和運動黏度是理論分析與計算時經(jīng)常使用的黏度，但都難以直接測量。因此，在工程上常采用特定的黏度計在規(guī)定的條件下測量出來的黏度，即相對黏度，又稱為條件黏度。用相對黏度計測量出相對黏度后，再根據(jù)相應的關系式計算出運動黏度和動力黏度，以便于不同情況要求下的使用。

相對黏度是以一種被測液體的黏度相對于同溫度下水的黏度之比值來表示黏度的大小。相對黏度的測試方法有多種，并且名稱各不相同，我國和德國、俄羅斯采用恩氏黏度（°Et），美國采用國際賽氏黏度（SSU），英國采用商用雷氏黏度（″R），等等。恩氏黏度是用恩氏黏度計進行測定的。溫度為t℃的200cm3被測液體由恩氏黏度計的小孔中流出所有的時間為t1，與溫度為20℃的200cm3的蒸餾水由恩氏黏度計的小孔中流出所用的時間t2（通常t2=51s）之比，稱為該被測液體在t℃下的恩氏黏度，記為°Et，即（1-7）恩氏黏度與運動黏度(mm2/s)的換算關系為（1-8）在很多書籍里也出現(xiàn)了一些有關恩氏黏度與運動黏度(mm2/s)的其它換算公式，如在張宏友主編、大連理工大學出版社出版的《液壓與氣動技術》一書中，提出當1.3≤°Et≤3.2時和當°Et＞3.2時的換算公式分別為(1-9)液體的黏度對溫度的變化十分敏感，黏度隨溫度的升高而下降，當溫度升高時，液體分子間的內聚力減小，黏度降低，這一特性稱為液體的黏溫特性。不同種類的液壓油有不同的黏溫特性。液壓傳動及液壓控制系統(tǒng)所采用的工作介質種類繁多，國際標準化組織于2002年按液壓油的組成與主特性編制和發(fā)布了ISO6743/4：2002《潤滑劑、工業(yè)潤滑油和有關產品（L類）的分類—第4部分:H組（液壓系統(tǒng)）》。我國于2003年等效采用上述標準，并制定了國家標準GB/T7631.2—2003，因此我國液壓油品種符號與世界上多數(shù)國家的表示方法相同。其命名代號為:類別—品種—牌號，如L—HM—32。液壓油主要分為礦物油型、乳化型和合成型三大類。液壓油的主要品種及特性、用途如表1－3所示。表1－3液壓油的主要分類及其特性和用途

2.氣壓工作介質的性質及分類

氣壓工作介質主要是空氣，本節(jié)所提到的空氣性質是僅與氣壓傳動技術相關的性質。

自然界的空氣是由若干氣體混合而成的，主要成分是氮和氧，此外，空氣中常含有一定量的水蒸氣。含有水蒸氣的空氣稱為濕空氣；不含有水蒸氣的空氣稱為干空氣。要了解和正確設計氣壓傳動系統(tǒng)，首先必須了解空氣的性質。

1）密度

單位體積的空氣質量稱為空氣的密度。在熱力學溫度為273.16K（開爾文），絕對壓力為1.013×105Pa時空氣的密度為1.293kg/m3?？諝饷芏入S溫度和壓力的變化而變化，它與溫度和壓力的關系如下:(1－10)式中:ρ0——在熱力學溫度為273.16K，絕對壓力p0＝1.013×105Pa時的密度；

t——攝氏溫度；

p——絕對壓力。

2）可壓縮性和膨脹性

氣體受壓力的作用而使體積發(fā)生變化的性質稱為氣體的可壓縮性。氣體受溫度的影響而使體積發(fā)生變化的性質稱為氣體的膨脹性。

氣體的可壓縮性和膨脹性比液體明顯要大，由此形成液壓傳動與氣壓傳動的許多不同特點。液壓油在溫度不變的情況下，當壓力為0.2MPa時，壓力每變化0.1MPa，其體積變化為1/20000，而在同樣情況下，氣體的體積變化為1/2，即空氣的可壓縮性是液壓油的10000倍。水在壓力不變的情況下，溫度每變化1℃時，體積變化為1/20000，而在同樣條件下空氣體積卻改變1/273，即空氣的膨脹性約是水的73（（1/273）/（1/20000）≈73）倍。由于氣體的可壓縮性和膨脹性大，形成了氣壓傳動的軟特性，即氣缸活塞的運動速度受負載變化影響很大，很難獲得較穩(wěn)定的速度和較精確的位移，這是氣壓傳動的缺點；同時又可利用該特性適應某些生產的要求，例如在受負載變化時速度變化要求反應靈敏、便于控制的場合。

3）黏性

氣體的黏性是由于分子間的相互吸引力使分子相對運動時產生的內摩擦力。由于氣體分子間距離大，內聚力小，因此與液體相比，氣體的黏度要小很多。

空氣的黏性只與溫度有關，與壓力基本無關，壓力對黏度的影響小到可以忽略不計。與液體不同的是氣體的黏度隨溫度的升高而增加，而液體的黏度隨溫度的升高卻減小。

4)濕度

空氣中含有水分的多少對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有直接的影響，因此各種氣動元器件對含水量有明確的規(guī)定，并常采取一些措施防止水分帶入。

濕空氣中所含水蒸氣的程度用濕度和含濕量等來表示。具體各濕度的表示方法如圖1－8所示。圖1－9所示為濕度計與濕度測量儀外觀圖。圖1－8濕度表示方法圖1－9濕度計與濕度測量儀

空氣的干濕程度叫做“濕度”。濕度是表示空氣干燥程度的物理量。在一定的溫度下一定體積的空氣里含有的水蒸氣越少，則空氣越干燥;水蒸氣越多，則空氣越潮濕。濕度常用絕對濕度、相對濕度、含濕量以及露點等物理量來表示。

絕對濕度是指每立方米濕空氣中含有的水蒸氣質量；在一定濕度下，濕空氣達到飽和狀態(tài)時的絕對濕度稱為飽和絕對濕度。絕對濕度只能說明濕空氣中實際所含水蒸氣的多少，而不能說明濕空氣吸收水蒸氣能力的大小，因此引入了相對濕度的概念。絕對濕度用χ表示，即(1－11)式中:χs——飽和絕對濕度；

pv——水蒸氣分壓力；

ps——飽和濕空氣水蒸氣分壓力。相對濕度表示濕空氣中水蒸氣含量接近飽和的程度，故也稱為飽和度。它同時也說明了濕空氣吸收水蒸氣能力的大小。φ值越小，濕空氣吸收水蒸氣的能力越強，反之則越弱。通常當φ＝60%~70%時，人體感到舒適。在氣壓傳動技術中規(guī)定各種閥內空氣相對濕度不能大于90%。含濕量是指每千克質量的干空氣中所混合的水蒸氣的質量。含濕量用d來表示，即(1－13)式中，mda為干空氣的質量。露點是指未飽和濕空氣保持水蒸氣壓力不變而降低溫度，達到飽和狀態(tài)時的溫度。濕空氣的飽和絕對濕度與濕空氣的溫度和壓力有關，飽和絕對濕度隨溫度的升高而增加，隨著壓力的升高而降低。當溫度降低至露點溫度以下時，濕空氣中便有水滴析出。采用降溫法去除濕空氣中的水分，就利用的是這個原理。1.3.2工作要求及選擇

正確合理地選擇工作介質，對保證流體傳動系統(tǒng)正常工作、延長傳動系統(tǒng)和元件的使用壽命，以及提高系統(tǒng)的工作可靠性等都有重要的影響。

下面重點以液壓系統(tǒng)工作介質的選擇為例來進行闡述。

液壓油的選用，首先應根據(jù)液壓傳動系統(tǒng)的工作環(huán)境和工作條件來選擇合適的液壓油液類型，然后再選擇液壓油液的黏度。一般地，對液壓系統(tǒng)的工作介質有如下要求:

（1）適當?shù)酿ざ群土己玫酿靥匦裕?/p>

（2）有良好的化學穩(wěn)定性，即具有氧化安定性、熱安定性及不易氧化、變質的特性；

（3）良好的潤滑性，以減少相對運動間的磨損；

（4）良好的抗泡沫性，即油液起泡少，消泡快；

（5）體積膨脹系數(shù)低，閃點及燃點高；

（6）成分純凈，不含腐蝕性物質，具有足夠的清潔度；

（7）對人體無害，對環(huán)境污染小，價格便宜。

1)品種的選擇

液壓油品種的選擇依據(jù)是液壓系統(tǒng)的工況條件，主要是溫度、壓力和油泵類型。工作溫度主要是對液壓油的黏溫特性和熱穩(wěn)定性提出的要求，見表1－3。工作壓力是針對液壓油的潤滑性（抗磨性）而提出的要求。對于高壓系統(tǒng)的液壓元件特別是液壓泵中處于邊界潤滑狀態(tài)的磨擦副，由于壓力大、速度高、潤滑條件苛刻，因此要采用抗磨性好的液壓油。液壓泵的類型較多，同類泵又因功率、轉速、壓力、流量、材質等因素的影響使液壓油的選用較為復雜。一般低壓系統(tǒng)可選用HL油，中、高壓系統(tǒng)可選用HM油。

2)黏度等級的選擇

液壓油的黏度對液壓系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、可靠性、效率