流體傳動與控制基礎（第3版）課件：液壓傳動概述

流體傳動及控制基礎（

液壓傳動概述）

液壓傳動概述7

液壓傳動概述1.1

液壓傳動的定義及發(fā)展概況1.2

液壓傳動的基本原理、組成及特點1.1

液壓傳動的工作介質1.1

液壓傳動的定義及發(fā)展概況1.1.1

何謂液壓傳動傳動就是傳遞動力之意，也就是傳遞能量。泛泛地說,采用機械元件(機構)傳遞動力的稱為機械傳動,通過電器元件傳遞動力的稱為電氣傳動,而用液體作介質利用其壓力能傳遞動力的就稱為液壓傳動。旋轉運動(ωand

T)輸出動力能動力傳動、轉換與控制輸入動力能直線運動(vandF

)1.1

液壓傳動的定義及發(fā)展概況n

液壓傳動與控制：以液體作工作介質利用其壓力能傳遞動力n

氣壓傳動與控制：以氣體作工作介質利用其壓力能傳遞動力n

電氣傳動與控制：通過電器元件傳遞動力n

機械傳動與控制：采用機械元件(機構)傳遞動力1.1

液壓傳動的定義及發(fā)展概況【例如】小汽車動力傳動系統(tǒng)燃料燃燒，通過發(fā)動機把熱能轉變?yōu)闄C械動力，經過離合器、變速器、傳動軸、主減速器、差速器等，把動力傳遞到驅動輪，這是機械傳動。1.1

液壓傳動的定義及發(fā)展概況【例如】電機伺服機器人電機驅動工業(yè)機器人關節(jié)，利用電機產生的力矩和力，直接或間接地驅動機器人本體，實現(xiàn)機器人的各種運動。電機有大功率質量比和扭矩慣量比、高起動轉矩、低慣量和較寬調速范圍要求，電機難以實現(xiàn)直線運動。1.1

液壓傳動的定義及發(fā)展概況以液體作為工作介質，通過液壓泵把機械能轉變?yōu)橐后w的壓力能，利用壓力能進行能量傳遞和控制

，這就是液壓傳動的基本工作原理。動力傳動與控制的四種方式系統(tǒng)性能能量產生機械傳動電氣傳動液壓傳動氣壓傳動電機、內燃機內燃機、電機水力、火力、風能或太陽

電機、內燃機能發(fā)電裝置能量傳遞載體

剛性和彈性物體電子流液壓油最大100m高空氣能量傳遞距離

一般不超過幾十米

超過1000km最大1000m很高能量消耗輸出力一般一般效率低、體積大需要把旋轉運動轉換為直

液壓缸輸出大的

氣缸輸出有限的力，但線運動，效率低、體積大

力，工作行程長

需要高速運動輸出轉矩齒輪、鏈輪、帶輪

電機液壓馬達好氣動馬達較好功率重量比差一般轉矩/慣量剛度差一般一般較好好好好較好一般較好較好一般動態(tài)響應抗污染能力相對成本好好好好一般一般一般好14傳動與控制的基本概念n

傳動就是傳遞動力之意，即傳遞能量。一般指開環(huán)控制。n

控制一般指閉環(huán)控制，以反饋實現(xiàn)高精度控制，有穩(wěn)定性要求51.1.2

發(fā)展概況n

帕斯卡原理1650年法國數(shù)學家、物理學家帕斯卡，提出靜壓傳遞原理。國際單位制中壓力的單位（帕斯卡）即以其姓氏命名。法國科學家帕斯卡由于因此16伯努利原理n

液體流動的能量守恒定律用能量守恒定律解決流體的流動問題，提出流體動力學的基本方程，稱之為“伯努利方程”，提出了“流速增加、壓強降低”的伯努利原理。瑞士科學家伯努利17JosephBramahn

HydraulicPressin17851795年英國工程師約瑟夫·布拉曼用水作為工作介質，制造了世界上第一臺水壓機。英國工程師和發(fā)明家布拉默應用于軍艦和兵器n

1905年采用液壓油作為工作介質，推動了液壓傳動技術的發(fā)展。n

1906年液壓傳動最早應用于軍艦炮塔n

第二次世界大戰(zhàn)期間，在一些兵器上用上了功率大,反應快、動作準的液壓傳動和控制裝置,大大提高了兵器的性能,也大大促

進了液壓技術的發(fā)展。1.1.3

液壓傳動的應用n

液壓挖掘機20工程機械中的應用工程機械包括挖掘機、裝載機、推土機、混泥土攪拌車、盾構機等。主要用于土方、石方、鋪路等施工，大大減輕勞動強度,提高勞動生產率。工程機械中的應用n

大國重器—徐工XE7000E液壓挖掘機實現(xiàn)了超大型液壓挖掘機關鍵核心技術的突破，標志著中國成為世界上繼德國、日本、美國后，第4個具備700噸級以上液壓挖掘機研發(fā)制造能力的國家。總重:700噸斗寬:5米斗容:34立方米一鏟斗:挖煤50余噸礦山車輛中的應用n

大國重器—無人駕駛電動輪礦車中國兵器北方股份公司研制的國內首臺240噸無人駕駛電動輪礦車，轉向、制動、車廂舉升采用了液壓傳動。使我國成為繼美國、日本后第三個涉足礦用車無人駕駛技術的國家。載重：240噸車長：14.8米車寬：7.64米車高：7.3米瀝青路面攤鋪機中的應用n

大國重器—瀝青路面灘鋪機陜西中大機械集團自主創(chuàng)新、制造，研發(fā)制造出世界一流的瀝青路面灘鋪機，路面一次鋪成、平整，達到世界先進水平。攤鋪寬度：20m攤鋪速度：14m/min攤鋪厚度：600mm24起重機械中的應用起重運輸機械也稱物料搬運機械，主要包括液壓起重機、液壓升降臺、裝載機、叉車等。用于生產過程中的物料搬運，可顯著提高生產率、減輕體力勞動和降低生產成本。起重機械中的應用n

大國重器—徐工XCA3000汽車起重機在160米起吊高度下，可實現(xiàn)190噸極限吊重。例如：用于10兆瓦以下風電建設。起升高度

：180m起升重量

：3000t26農業(yè)機械中的應用在聯(lián)合收割機、拖拉機、牧業(yè)機械等農機中，主要用于農機操作系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)的控制等，實現(xiàn)自動控制,可提高勞動生產率、機器的使用性能和經濟效益。農業(yè)機械中的應用洛陽中收4LZ-12谷物聯(lián)合收割機，在田間可一次完成切割、脫粒、分離和清選等項作業(yè)。喂入量達到12kg/s，割幅寬度為5.49m。脫粒滾筒采用液壓傳動無級變速卸糧筒加長開合采用液壓傳動行走系統(tǒng)采用靜液壓驅動技術云梯消防車中的應用云梯消防車液壓升高平臺，供消防人員進行登高撲救高層建筑火災、營救被困人員以及其他救援任務。芬蘭博浪濤：112m國內引進最高：101m29運動模擬器中的應用液壓控制精度高、響應快、加速能力強，應用于飛行、艦船、汽車等模擬器，模擬實際工況,測試產品性能、疲勞試驗和科學研究等,從而降低成本、節(jié)省時間和提高效率。重工業(yè)中的應用重工業(yè)生產設備的特點是大型化、重型化，工作環(huán)境惡劣、自動化程度高。例如,冶金機械中的冷熱連軋機、中板軋機等，鍛壓機械中的鍛機、剪板機、液壓機等。重工業(yè)中的應用n

大國重器—中國二重8萬噸壓力機用于輕金屬及其合金、鎳基和鐵基等高溫合金大型模鍛件制造。為我國航空、艦船、航天、兵器、電力、核工業(yè)提供高性能模鍛產品。美國兩臺4.5萬噸模段機俄羅斯兩臺7.5萬噸模段機法國一臺6.5萬噸模段機32發(fā)電設備中的應用液壓伺服控制調節(jié)汽閥開度，保證機組轉速維持在規(guī)定范圍內，從而保證供電頻率的準確和機組自身的安全。汽輪發(fā)電機組33發(fā)電設備中的應用n

風力發(fā)電機采用液壓傳動對葉片進行變槳距控制可調節(jié)功率，對轉體進行偏航驅動與制動可跟隨風向的變化，對主傳動制動及風輪鎖定可保證停機安全等。發(fā)電設備中的應用n

大國重器—東方電氣18MW機組轉一圈發(fā)38度電，年平均每秒10米風速，單臺機組每年發(fā)7200萬度電，滿足4萬戶家庭一年生活用電，節(jié)約標準煤2萬余噸、減少二氧化碳排放5.5萬余噸。單機容量：18MW葉輪直徑：260m風輪高度：53層居民樓35海洋鉆井平臺中的應用大國重器—“藍鯨1號”海洋鉆井平臺，采用液壓雙鉆塔結構，作業(yè)水深：3658米，鉆井深度：15240米。全球最大海上鉆井平臺。重量：42000噸長度：117米寬度：92.7米高度：118米艦船中的應用n

調螺旋槳：前進、減速、停止及后退n

液壓舵機：航向航行、潛艇深度控制n

減搖裝置：減小船舶橫搖艦船中的應用n

大國重器—武船集團承制的世界最大散貨運輸船舶，40萬噸級礦砂船“ORETIAN-JIN”號，長362米、寬65米、深30.4米，甲板面積相當于3個足球場，比世界最大航空母艦美國“福特號”還長25米。續(xù)航里程達25500海里，具備環(huán)球航行能力。航空航天中的應用液壓傳動響應快、高功率與質量之比、高精度和高加速能力的特點,飛機起落架、襟翼、副翼、升降和方向舵等采用液壓傳動與控制技術。此外,在運載火箭控制、導彈控制、發(fā)射架等獲得重要應用。C919大飛機航空航天中的應用n

大國重器—長征五號運載火箭火箭垂直轉運活動發(fā)射平臺、火箭飛行控制系統(tǒng)等采用液壓傳動與控制技術。航空航天中的應用n

護國重器—東風-41、東風-31AG陸基機動洲際導彈高機動發(fā)射車減震、轉向、起豎采用液壓傳動，導彈飛行控制采用液壓伺服控制。彰顯我國最具有威懾力大國長劍重要地位，戰(zhàn)略制衡、戰(zhàn)略懾控、戰(zhàn)略決勝重要力量。東風-31AG東風-41塑料、橡膠和輕工機械中的應用化工產品生產可能產生易燃、易爆粉塵或氣體，電氣設備產生的電弧、發(fā)熱等可能引起燃燒或爆炸。采用液壓傳動實現(xiàn)化工生產自動化更為安全和可靠。如注塑機、硫化機等。塑料、橡膠和輕工機械中的應用n

大國重器—伊之密8500噸超大型注塑機超大型高精密注塑成型機，額定鎖模力8500T，最大鎖模力達9000T，實現(xiàn)了國產超大型兩板式注塑機關鍵技術的突破，也創(chuàng)下了我國超大型精密注塑機行業(yè)新紀錄。長約27米，高度超過6米，單塊模板重量超過140噸。環(huán)衛(wèi)車輛中的應用環(huán)衛(wèi)車輛主要用于道路清掃，路面垃圾清理、收集、處理等，是一種集路面清掃、垃圾回收和運輸為一體的新型高效清掃設備。試驗設備用于產品的性能測試、可靠性測試、疲勞試驗、壽命試驗，以及模擬產品實際工作條件等。液壓執(zhí)行元件其他應用n

自卸卡車n

煤炭機械液壓缸小轎車燃油噴射、變速、ABS、EBD471.2液壓傳動基本原理、組成及特點1.2.1

液壓傳動的基本原理5000N500NA1A2工作介質481.2.2

液壓傳動系統(tǒng)的組成液壓千斤頂工作原理千斤頂工作原理－吸油過程n

手柄向上運動F負載43526產生真空，吸入液體大氣壓150千斤頂工作原理－舉升負載n

手柄向下運動負載F34526活塞舉升負載液體受擠壓而排出大氣壓151千斤頂組成n

液壓能源：手搖泵n

執(zhí)行元件：液壓缸n

控制元件：單向閥、放油閥n

液壓輔件：油箱、管路等液壓傳動系統(tǒng)基本組成執(zhí)行元件方向控制閥節(jié)流閥過濾器壓力控制閥液壓泵油箱10液壓傳動系統(tǒng)基本工作原理液壓缸伸、縮運動液壓傳動的組成部分n

能源元件：液壓泵n

執(zhí)行元件：液壓缸n

控制元件：控制閥n

液壓輔件：油箱、過濾器、管路等負載控制閥液壓缸過濾器液壓泵冷卻器電機油箱55液壓成型機、切床執(zhí)行元件控制閥泵站液壓傳動幾個基本概念n

液壓傳動是以液體為工作介質，進行能量的轉換、傳遞、分配和控制的一門技術科學。n

液壓傳動系統(tǒng)的功能則是把機械能變成液體的壓力能，借助受壓液體通過執(zhí)行元件對外作功。n

液壓傳動與一般液體輸送系統(tǒng)不同，比如自來水輸送、原油輸送、煤氣輸送等。57電機的輸入輸出關系輸入功率：輸出功率：傳動效率：58出水自來水輸送系統(tǒng)進水進水口進水管殼體葉輪59自來水輸送系統(tǒng)的特點n

由于離心力作用使水泵出流的水具有動能。n

水的動能沒有被執(zhí)行機構用來對外做功。n

水的動能在流動過程中由于管路沿程損失和閥門節(jié)流等局部損失而消耗。1.2.3

液壓傳動的特點―優(yōu)點n

易于實現(xiàn)直線往復運動，并能輸出較大的力。n

功率與質量之比大。n

液壓執(zhí)行元件的響應速度快。n

對液壓油進行冷卻，可以解決系統(tǒng)功率損失帶來的溫升問題。n

采用液壓油作為工作介質，元件能自行潤滑，延長了使用壽命。1.2.3液壓傳動的特點―優(yōu)點n

低速大轉矩液壓馬達低速運轉平穩(wěn)、輸出轉矩大，并可直接與工作機構連接，使傳動裝置緊湊。n

液壓傳動裝置易于實現(xiàn)過載保護，并且能在很大范圍內實現(xiàn)無級調速。n

液壓傳動裝置速度剛度大，因此，加上負載后，速度變化較小。1.2.3

液壓傳動優(yōu)點應用舉例液壓傳動的優(yōu)點

—功率質量之比大液壓傳動功率質量之比可達4kW/kg，應用于航空航天等飛機起落架、襟翼、副翼、升降和方向舵等。n

美國E-3“望樓”預警機美國E-3脈沖多普勒雷達n

俄羅斯A-50預警機采用液壓驅動旋轉n

中國空警2000預警機相控陣雷達王小謨院士中國預警機之父空警20001.2.3

液壓傳動的特點―缺點n

液壓能源獲取不如電氣能源方便。n

液壓傳動系統(tǒng)成本相對較高。n

工作性能易受溫度變化影響。n

不宜用于遠距離傳動。n

液壓油泄漏污染環(huán)境，使用和維護要求有較高技術水平。1.3

液壓傳動的工作介質n

液壓傳動是以石油基液壓油和合成液壓油作為工作介質，這與采用水作為傳動介質相比，主要優(yōu)點：n

液壓油粘度大，因此元件和管路系統(tǒng)泄漏小。n

液壓油具有潤滑作用，防止元件生銹。工作介質的主要功能nn傳遞動力。潤滑元件，從而延長元件的使用壽命。n把系統(tǒng)產生的熱量帶到熱交換器和油箱中散發(fā)，起散熱的作用。66工作介質的基本性能n

工作介質應有適當?shù)恼扯萵

良好的潤滑性n

氧化安定性好n

與材料的相容性好n

抗乳化性和抗泡沫性好乳化是液-液界面現(xiàn)象，兩種不相溶的液體，如油與水，在容器中分成兩層，密度小的油在上層，密度大的水在下層。671.3.2

工作介質的種類ISO液壓油產品代號標記：ISO–L-HM46n

石油基液壓油nnnnn普通液壓油（HL）抗磨液壓油(HM)液壓─導軌油(HG)低溫液壓油(HV、HS)航空液壓油（10號紅油）工作介質的種類n

難燃液壓油nn水─乙二醇液（

HFC）磷酸酯液(HFDR)合成液壓油，溫度范圍寬，可達135℃，黏度保持穩(wěn)定n

可生物降解液壓油也稱環(huán)境友好性液壓油或綠色液壓油，主要有合成脂型和植物油型兩種，其中合成脂型可生物降解潤滑油被認為是最理想的液壓油。69選用工作介質考慮經濟、環(huán)境因素n

石油基液壓油nn良好的潤滑性、抗氧化性，成本低耐火性、高溫耐劣性差，泄漏污染環(huán)境n

難燃液壓油nn抗燃性能最突出，適合于高溫、明火環(huán)境。水一乙二醇難燃性能優(yōu)于磷酸酯及其它合成油，粘溫特性好，粘度指數(shù)約200，溫度范圍-30

~

60℃，對環(huán)境影響??；抗磨性能較弱，與油漆、鋅、鋁、鎂、聚氨酯橡膠等不相容。磷酸酯使用溫度范圍-54~135℃，抗燃性好；缺點是價格昂n貴，水解穩(wěn)定性差，廢液難處理，與丁晴橡膠等密封材料的70相容性差，有一定毒性。選用工作介質考慮經濟、環(huán)境因素n

可生物降解液壓油n由易生物降解基礎油和添加劑調和而成，可降解，不污染環(huán)境。nn植物油型基礎油易生物降解，價格便宜，傾點-15℃，高溫易氧化n合成酯型基礎油具有良好的低溫流動性，高溫抗氧化性，價格昂貴，水解穩(wěn)定性差(遇水產生酸性物質)ARAL、Mobil、BP相繼推出了一系列環(huán)境可接受的液壓油n71選用工作介質考慮經濟、環(huán)境因素n

根據經濟性選擇主要考慮使用時間、換油期和價格。礦油型液壓油潤滑性和防銹性好，黏度等級范圍較寬，因而在液壓系統(tǒng)中應用很廣。目前90%以上的液壓系統(tǒng)采用礦油型液壓油作為工作介質。難燃液壓油適用防火要求場合，但成本高。礦油型液壓油是從石油中精制出來的，是不可再生資源，合成液壓油成本高，選用的時候要考慮經濟性。72ISO

液壓油產品代號n

ISO–

L-HM46-ISO:國際標準-L

:

潤滑劑和有關產品-H

:

液壓油(液)組-M

:

質量等級(抗磨液壓油)-46

:

粘度等級(46mm2/s)731.3.2液壓油的選擇和使用n

液壓油的品種選擇n

優(yōu)先選擇液壓泵產品推薦的液壓油品種【舉例】VQ系列葉片泵推薦液壓油1.3.2液壓油的選擇和使用n

液壓油的品種選擇n

工作壓力考慮壓力<7MPa，

選用HL(葉片泵則用HM)，壓力7-14MPa，選用HL、HM、HV，壓力>14MPa，

選用HM、

HV液壓油。n

工作溫度考慮工作溫度：-10—

80℃，

選用HL、HM液壓油，工作溫度：-10—

-30℃，選用HV、HS，75工作溫度：<

-30℃，選用優(yōu)質的HS。1.3.2液壓油的選擇和使用n

液壓油的品種選擇n

其他因素考慮室內固定液壓設備：露天、寒區(qū)或嚴寒區(qū)高溫熱源或旺火附近液壓油品質、經濟性要求液壓油環(huán)境可接受性1.3.2液壓油的選擇和使用n

對于露天寒區(qū)或嚴寒區(qū)n

環(huán)境溫度-30℃~-10

℃

，選HV液壓油n

環(huán)境溫度<-30℃

，

選HS液壓油【案例】2008年烏魯木齊德匯廣場12層批發(fā)市場“1?2”重大火災火災發(fā)生在晚上，氣溫低至零下20℃，消防車舉高云梯液壓油凝結（云梯無法使用）等，致使火場供水困難。63輛消防車、236名消防官兵20個小時撲救，3名消防官兵犧牲。771.3.2液壓油的選擇和使用n

高溫、火源環(huán)境，選抗燃液壓油。n

水─乙二醇液（HFC）溫度：-30

~

60℃

，

壓力<20MPa例如：中國石化長城潤滑油4631抗燃液冶金軋鋼設備n

磷酸酯液(HFDR)溫度：-54

~

135℃

，壓力<40MPa主要從國外進口，價格昂貴，廢液難處理?；鹆Πl(fā)電設備中國石化長城潤滑油自主研發(fā)4632酯型難燃液壓油，溫度：-20℃～135℃，無毒、可生物降解綠色潤滑劑，填補國內冶金行業(yè)潤滑技術空白。1.3.2液壓油的選擇和使用n

液壓系統(tǒng)及導軌潤滑共用一個系統(tǒng)，應選用液壓導軌油HGn

機床液壓傳動系統(tǒng)n

機床潤滑系統(tǒng)滑枕導軌滑枕【案例】液壓牛頭刨床n

滑枕往復運動由液壓傳動驅動n

滑枕導軌、進給箱等由潤滑系統(tǒng)供油1.3.2液壓油的選擇和使用n

環(huán)保要求較高設備(食品、制藥)n

環(huán)境友好型液壓油n

綠色可降解液壓油【案例】綠豆糕食品機械液壓缸承擔保護公眾健康、安全和福祉的社會倫理責任！液壓泵站1.3.2液壓油的選擇和使用n

液壓油粘度選擇因素n

粘度過高增加系統(tǒng)功率損失，系統(tǒng)發(fā)熱。n

粘度過低，元件泄漏加大，不僅使效率降低，還會降低潤滑性能而影響元件的可靠性和壽命。n

液壓油粘度選擇選用液壓泵產品推薦的液壓油粘度等級范圍，綜合考慮液壓系統(tǒng)的工作壓力和工作溫度來選擇粘度等級。工作壓力和溫度高的液壓系統(tǒng)要選用粘度較高的液壓油，可以獲