第1章　液压与气动技术概述

1.1　液压与气动技术的研究内容

一部完整的机器一般由原动机、传动装置、控制系统和工作机构等构成，其中传动装置的作用是把原动机（电动机、内燃机等）输出的能量和动力经过各种形式的转换后传送给工作机构，实现机器对外做功。根据传动件（或工作介质）的类型，可把传动分为机械传动、电气传动、液压传动、气压传动以及它们的组合——复合传动等形式。

机械传动是通过机械构件如杠杆、凸轮、齿轮、轴、皮带、链条等把能量和动力传送给工作机构的传动方式；电气传动是利用电力设备，通过调节电参数来传递或控制能量和动力的传动方式；液压传动与气压传动（简称液压与气动）则是以有压液体或气体为工作介质，通过动力元件（泵或空气压缩机）把原动机输出的机械能转换为液体或气体的压力能，然后借助管道和控制元件（各种控制阀）把有压液体或气体输送到执行元件（缸或马达），从而把压力能转换为机械能，驱动负载，实现直线或回转运动。

液压与气动技术的研究内容包括：液压与气动工作介质的基本物理性质及其力学特性，各种元件的基本结构、工作原理和性能，各种基本回路的构成和性能，以及液压气动系统的分析和设计等。严格来说，液压与气动技术也包括液压与气动控制技术，本书主要讲述液压与气压传动（或统称流体传动）技术。

1.2　液压与气压传动系统的工作原理与组成

1.2.1　液压与气压传动的工作原理和特征

液压与气压传动的工作原理是相似的。液压传动的工作原理，可以用一个液压千斤顶的例子来说明。

图1-1中，大液压缸9为举升液压缸，其活塞8可竖直运动。杠杆手柄1、小液压缸2及其小活塞3、单向阀4和7组成手动液压泵。如提起手柄使小活塞3向上移动，则小活塞3下腔b容积增大，形成局部真空，这时单向阀4打开，通过吸油管5从油箱12中吸油；用力压下手柄，小活塞3下移，小液压缸2下腔b压力升高，单向阀4关闭，单向阀7打开，下腔的油液经管道6输入举升缸9的下腔a，迫使大活塞8向上移动，顶起重物。再次提起杠杆手柄1吸油时，单向阀7自动关闭，使油液不能倒流，从而保证了重物不会自行下落。不断地往复扳动手动液压泵杠杆手柄1，就能不断地把油液压入举升缸9下腔a，使重物逐渐地升起。如果打开截止阀11，举升缸9下腔a的油液通过管道10、截止阀11流回油箱，重物就向下移动。

通过对上面液压千斤顶工作过程的分析，可以初步了解到液压传动的基本工作原理和工作特征。液压传动利用有压力的油液作为传递能量和动力的工作介质。压下杠杆时，小液压缸2输出压力油，把机械能转换成油液的压力能，压力油经过管道6及单向阀7，推动大活塞8举起重物（重力F2），又将油液的压力能转换成机械能。由此可见，液压传动是一个不同能量的转换过程，其工作特征如下。

①力的传递是由液体的压力实现的，系统工作压力取决于负载。

以F2表示作用在大活塞8上的作用力，A2表示大活塞8的截面积，p2表示力F2在b腔中产生的液体压力；以F1表示作用在小活塞3上的作用力，A1表示小活塞3的截面积，p1表示力F1在a腔中产生的液体压力（液压泵的排油压力），则大活塞8与小活塞3的静力平衡方程分别为

　　（1-1）

如果不考虑管路的压力损失，则液压泵的排油压力（a腔中的液体压力）p1和b腔中的液体压力相等，即

p2=p1=p　　（1-2）

在液压缸活塞受力平衡的状态下，活塞静止或匀速运动，此时系统可以克服的负载为

F2=p2A2=p1A1=pA2　　（1-3）

即在系统结构参数（此处为活塞面积A1和A2）不变的情况下，系统的工作压力p取决于负载，而与流入的液体体积大小无关。这是液压与气动的第一个工作特征。

②运动速度的传递靠容积变化相等原则实现，运动速度取决于负载。

如果不考虑液体的压缩性和泄漏损失等因素，则液体泵排出的液体体积等于进入举升液压缸的液体体积，即容积变化相等，可表示为

A1x1=A2x2　　（1-4）

式中，x1和x2分别为液压泵活塞和举升液压缸活塞的位移。

式（1-4）两边分别除以运动时间t，可以得到

　　（1-5）

A1v1=A2v2　　（1-6）

　　（1-7）

式中，v1和v2分别为液压泵活塞和举升液压缸活塞的平均运动速度，可以看出，活塞的运动速度与活塞的作用面积成反比。

为单位时间内液体流过截面积A的液体体积，称为流量q，即

q=Av　　（1-8）

如果知道进入液压缸的流量q，则活塞的运动速度为

　　（1-9）

由上可得到液压与气动的第二个工作特征：在系统结构参数一定的情况下，运动速度的传递是靠工作容积变化相等的原则实现的。活塞的运动速度取决于输入流量的大小，与外负载无关。调节进入液压缸（气缸）的流体流量q，可以调节活塞的运动速度v。

③系统的动力传递遵守能量守恒定律，压力与流量的乘积等于功率。

如果忽略任何损失，则系统的输出功率P2等于输入功率P1，有

P1=F1v1=P2=F2v2　　（1-10）

由式（1-1）和式（1-9），可以得到

　　（1-11）

从式（1-11）可以得到液压与气动的第三个工作特征：液压和气动以流体的压力能传递动力，并且遵循能量守恒定律，压力与流量的乘积等于功率。

由上可以看出：

①液压与气压传动中的工作介质（压力油或压缩气体）是在受调节和控制下工作的，流体可以传递动力、速度和能量，即起“传动”作用，也可以传递控制信号来改变操纵对象的工作状态，即起到“控制”作用，两者很难分开；

②与外负载相对应的流体参数为压力，与运动速度对应的流体参数为流量，压力和流量是流体传动中两个最基本的参数；

③如果忽略各种损失，则流体可传递的力与速度无关，所以流体传动可实现与负载无关的任何运动规律，也可借助各种控制机构实现与负载相关的各种运动规律；

④流体传动遵循能量守恒定律，因而可以省力（如液压千斤顶），但不能省功。

1.2.2　液压与气动传动系统的组成

液压千斤顶是一种简单的液压传动装置。下面通过机床工作台液压传动系统来说明液压传动系统的组成。如图1-2所示，它由油箱19、过滤器18、液压泵17、溢流阀13、换向阀5和10、节流阀7、液压缸2以及连接这些元件的输油管道、接头组成。其工作原理如下：液压泵17由电动机驱动后，从油箱19经过滤器18吸取液压油。油液从泵出口进入管路，在图1-2（a）所示状态下，通过换向阀10、节流阀7和换向阀5进入液压缸2左腔，推动活塞3使工作台1向右移动。这时，液压缸右腔的油经换向阀5和回油管6排回油箱。

如果将换向阀5的换向手柄4转换成图1-2（b）所示状态，则压力管中的油将经过换向阀10、节流阀7和换向阀5进入液压缸2右腔，推动活塞3使工作台1向左移动，并使液压缸2左腔的油经换向阀5和回油管6排回油箱。当扳动换向阀10的换向手柄9，使其阀芯处于左端工作位置时，则油液流经换向阀10和回油管8直接排回油箱19，不再向液压缸供油，此时可扳动换向手柄4，使换向阀5的阀芯处于中间工作位置，则工作台1停止运动。

工作台1的移动速度是通过节流阀7来调节的。当节流阀开大时，进入液压缸的油量增多，工作台的移动速度增大；当节流阀关小时，进入液压缸的油量减小，工作台的移动速度减小。为了克服移动工作台时所受到的各种阻力，液压缸必须产生一个足够大的推力，这个推力是由液压缸中的油液压力所产生的。要克服的阻力越大，缸中的油液压力越高；反之压力就越低。这种现象正说明了液压传动的一个基本原理——液压缸的工作压力取决于负载。

液压泵17的最大工作压力由溢流阀13调定，当油液对溢流阀13中钢球阀芯14的作用力略大于弹簧15对钢球阀芯14的作用力时，阀芯移动，使阀口打开，油液经溢流阀流回油箱19，泵出口的压力不再升高。溢流阀的调定值由弹簧调定，应为液压缸的最大工作压力和油液流经各元件（阀和管路等）的压力损失之和，因此液压缸的工作压力不会超过溢流阀的调定压力值，另外，溢流阀还可对系统起到超载保护作用。

如果把图1-2中的液压缸2竖直安装使活塞升降运动，则可用于起重设备（活塞杆向上）或冲压、铸压设备（活塞杆向下）。如果把液压缸换为液压马达，则可输出回转运动。

如图1-3所示为用于切断金属线材、棒材的剪切机气动系统。工料12由上料装置（图中未画出）送入剪切机并到达规定位置时，机动阀9的顶杆受压而使阀内通路打开，气控换向阀10的控制腔便与大气相通，阀芯受弹簧力作用而下移。由空气压缩机1产生并经过初次净化处理后储存在储气罐4中的压缩空气，经空气干燥器5、空气过滤器6、减压阀7和油雾器8及气控换向阀10，进入气缸11的下腔；气缸上腔的压缩空气通过气控换向阀10排入大气。此时，气缸活塞向上运动，带动剪刃将工料切断。 

工料剪下后，即与机动阀脱开，机动阀9复位，所在的排气通道被封死，气控换向阀10的控制腔气压升高，迫使阀芯上移，气路换向，气缸活塞带动剪刃复位，准备下一次工作循环。由此可以看出，剪切机构克服阻力切断工料的机械能是由压缩空气的压力能转换后得到的。同时，由于换向阀的控制作用使压缩空气的通路不断改变，气缸活塞带动剪切机机构频繁地实现剪切与复位的交替动作。

从以上液压系统和气动系统的例子可以看出，一个完整的、能够正常工作的液压与气动系统，除了传递能量的流体工作介质（液压油液或空气）外，一般还由四个主要部分组成。

（1）能源装置

将原动机（电动机或内燃机）输出的机械能转换为流体的压力能，供给系统具有一定压力的油液或空气。液压（气动）系统的能源装置是各种类型的液压泵（空气压缩机）。

（2）执行装置

把流体（油液或空气）的压力能转换成机械能，以驱动工作机械的负载做功。形式有做直线运动的液压缸（气缸），做回转运动的液压马达（气马达），以及做摆动的摆动液压马达（摆动气缸）。

（3）控制调节装置

对系统中的流体压力、流量或流动方向进行控制或调节，从而控制执行元件输出的力（转矩）、速度（转速）和方向，以满足工作机构的动作规律要求，如各种压力、流量、方向控制阀、逻辑控制元件及其他控制元件。

（4）辅助装置

上述三部分之外的其他装置，例如液压系统油箱、过滤器、管件、热交换器、蓄能器、指示仪表，气动系统的过滤器、管件、油雾器、消声器等。它们对保证系统正常工作是必不可少的。

1.2.3　液压与气动系统原理图和图形符号

如图1-2和图1-3所示的液压与气动系统是一种半结构式的工作原理图，直观性强、容易理解。当液压系统发生故障时，根据原理图检查十分方便，但图形比较复杂，绘制麻烦。因此，工程上普遍采用的是由元件的标准图形符号绘制的液压与气动原理图。图形符号只表示液压、气动元件的职能、连接系统的通路，不表示元件的具体结构和参数，也不表示元件在机器中的实际安装位置，简单明了、绘制方便、图面简明清晰，并且便于利用计算机图形库软件，可大大提高液压、气动系统原理图的设计、绘制效率和质量。

我国制定有液压、气动图形符号标准，规定了液压、气动元件标准图形符号和绘制方法。目前执行的标准是《液压气动图形符号》（GB/T 786.1—2009）。如图1-4所示为按标准GB/T 786.1—2009绘制的图1-2中机床工作台液压系统原理图。如图1-5所示为用图形符号绘制的剪切机气动系统原理图。

采用图形符号绘制液压原理图时，要注意以下几点：

①符号均以元件的静态位置或零位（如电磁换向阀断电时的工作位置，注意图1-4中换向阀4未以静态位置表示）表示，当组成系统其运动另有说明时，可以例外；

②元件符号的方向可按具体情况水平、竖直或反转180°绘制，但液压油箱和仪表等必须水平绘制且开口向上；

③元件的名称、型号和参数（如压力、流量、功率、管径等），一般在系统原理图的元件明细表中标明，必要时可标注在元件符号旁边；

④元件符号的大小在保持符号本身比例的情况下，可根据图纸幅面适当增大或缩小绘制，以清晰美观为原则。

1.3　液压与气动技术的特点

1.3.1　液压技术的特点

（1）液压技术的优点

①布置灵活方便。借助油管的连接可以方便灵活地布置各液压元件，特别对于长距离传动，液压传动具有机械传动难以比拟的优势。由于液压缸的推力很大，并且极易布置，在挖掘机等重型工程机械上，液压传动已基本取代了老式的机械传动，不仅操作方便，而且外形美观。

②单位功率的重量轻、结构紧凑、出力大。液压泵和液压马达单位功率的重量只是发电机和电动机的1/10，相同功率液压马达的体积为电动机的12%～13%。液压泵和液压马达可小至0.0025N/W，发电机和电动机则约为0.03N/W。利用液压泵可以得到极高压力的液压油，在执行元件中可推动很大的负载。因而液压系统具有重量轻、结构紧凑和出力大的特点，可容易实现传动系统的小型化和传递大功率，广泛用于各种运载工具中。

③可在大范围内实现无级调速。借助阀或变量泵、变量马达，可以实现无级调速，调速范围可达1∶2000，并可在液压装置运行的过程中进行调速。

④传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定，快速性好。油液具有可压缩性，可吸收冲击，易于实现快速启动、制动和频繁换向，故液压系统传动均匀平稳。正因为此特点，金属切削机床中的磨床传动现在几乎都采用液压传动。

⑤易于实现过载保护。通过安装溢流阀等可以实现系统的过载保护；同时液压件能自行润滑，可以延长使用寿命。

⑥易于实现自动化。借助于各种控制阀，特别是采用液压控制和电气控制结合使用，组成机-电-液一体化系统，可很容易地实现复杂的自动工作循环，而且可以实现遥控。

⑦系统设计、制造和使用维护方便。液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广使用。

（2）液压技术的缺点

①不能保证严格的传动比。由于油液的可压缩性和泄漏等因素，液压传动不能保证严格的传动比。

②工作稳定性易受温度影响。液压传动对油温的变化比较敏感，温度变化时，液体黏性发生变化，引起运动特性的变化，使得工作的稳定性受到影响，所以它不宜在温度变化很大的环境条件下工作。

③制造工艺复杂，造价较高。为了减少泄漏，以及为了满足某些性能上的要求，液压元件制造精度要求较高，加工工艺较复杂，因而造价较高。

④液压传动要求有单独的能源，不像电源那样使用方便。

⑤故障排查困难。液压系统易因油液污染等发生故障，且不易查找和排除。

1.3.2　气动技术的特点

（1）气动技术的优点

①气动动作迅速、反应快（0.02s），调节控制方便，维护简单，不存在介质变质、补充等问题。

②便于集中供气和远距离输送控制；因空气黏度小（约为液压的万分之一），在管内流动阻力小，压力损失小。

③气动系统对工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境工作时，安全可靠性优于液压、电子和电气系统。

④由于空气具有可压缩性，能够实现过载保护，也便于储气罐储存能量，以备急需。

⑤以空气为工作介质，易于取得，节省了购买、储存、运输介质的费用和麻烦，用后的空气直接排入大气，处理方便，也不污染环境。

⑥气动元件结构简单，成本低，寿命长，易于标准化、系列化和通用化。

⑦因排气时气体膨胀，温度降低，可以自动降温。

⑧与液压传动一样，操作控制方便，易于实现自动控制。

（2）气动技术的缺点

①运动平稳性较差，因空气可压缩性较大，其工作速度受外负载影响大。

②工作压力较低（0.3～1MPa），不易获得较大的输出力或转矩。

③空气净化处理较复杂，气源中的杂质及水蒸气必须净化处理。

④因空气黏度小，润滑性差，因此需设润滑装置。

⑤有较大的排气噪声。

气压传动区别于液压传动的特点主要为：气动系统的工作介质来自大气，工作完毕，气体一般排向大气而不回收；工作压力（一般≤1MPa）较液压系统低（一般为几兆帕甚至几十兆帕）；空气的压缩性远大于液压油的压缩性，故气动系统的工作速度平衡性、动作响应能力较液压系统差。

1.4　液压与气动技术的应用和发展

1.4.1　液压与气动技术的应用

液压与气动技术独特的优点使其在机械制造、交通运输、能源冶金、工程机械、军事装备等行业得到广泛应用，已经成为现代机械工程和控制技术的重要组成部分。液压与气动技术的一些应用实例见表1-1。

1.4.2　液压与气动技术的发展

液压与气压传动相对机械和电气传动来说，是一门新兴的技术。虽然自18世纪末英国制成世界上第一台水压机算起，液压传动技术已有200多年的历史，但直到20世纪30年代它才较普遍地用于起重机、机床及工程机械。第二次世界大战期间，由于战争需要，出现了由响应迅速、精度高的液压控制机构所装备的各种军事武器，液压技术得到了迅速发展。第二次世界大战后液压技术迅速转向民用工业，不断应用于机械制造、起重运输和各类施工机械、船舶、航空等领域。20世纪60年代以来，随着原子能、航空航天、微电子和计算机技术的发展，液压技术也得到了极大进展并不断拓展应用领域。

近代气动技术可以追溯到时1776年英国人John Wilkimson发明的能产生约1atm（101325Pa）的空气压缩机。1880年，用气缸做成的气动刹车装置成功应用于火车制动系统。20世纪30年代初，气动技术成功地应用于自动门的开闭及各种机械的辅助动作。进入到20世纪70年代，随着工业机械化和自动化技术的发展要求，气动元件技术取得很大进展，并且广泛应用于机械、电子、汽车、能源、冶金、轻工、食品、军事等各个领域，形成现代气动技术。

我国的液压与气动技术起步较晚，新中国成立后才得到较快发展。1952年试制出我国第一台液压齿轮泵，1959年建立国内首家专业液压元件厂，1967年开始设计与试制气动元件。经过半个多世纪的独立研制、引入技术、合资生产和仿制消化，已形成了一个门类比较齐全，有一定生产、研发能力和技术水平的工业体系，可以提供较为齐全的液压气动元件产品，并能基本满足各类设备的需要。目前我国液压气动行业几百家元件生产厂家和百余所相关研究院所，几十余所高校设有流体传动与控制专业和研究室、所；出版有《液压与气动》《机床与液压》和《液压气动与密封》等专业期刊；颁布了167项专业标准（截止到2014年12月31日）；建立有各级学术团体；每年举行多次学术会议和专业展览会。总之，目前我国的液压气动工业发展迅速，一些成果已具有世界领先水平；但技术水平与生产能力与先进国家相比尚有一定差距，主要表现在产品品种还不齐全、可靠性差、自主开发能力弱；在一些新的应用领域，如航空航天、水下和海洋工程、微型机械装置等一些特殊元件，研究还需加强。

当前，液压与气动技术已经发展成为包括传动、控制和检测在内的一门完整的自动化技术，液压与气动技术的应用程度已成为衡量一个国家工业发展水平的重要标志。液压与气动技术正向智能化、节能化、高压化、集成化、复合化、小型化、绿色化、大功率、长寿命、高可靠性的方向发展。同时，新型液压气动元件和系统的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助测试（CAT）、计算机直接控制（CDC）、机电一体化技术、可靠性技术等方面也是当前液压与气动技术发展和研究的方向。

思考题与习题

1-1　什么是液压与气压传动？各有什么主要优点？

1-2　液压系统与气动系统通常由哪几部分组成？各部分的功能是什么？

1-3　气压传动与液压传动有什么不同特点？

1-4　叙述液压传动与气压传动的工作特征。

1-5　试列举几例实际观察到的利用液压或气动系统的机器设备。