普通高等教育“十二五”规划教材 液压与气压传动 高殿荣 主编 机械工业出版社 CHINA MACHINE PRESS
前 言 本书是为机械类和近机械类专业本科生学习液压与气压传动课程而编写的。 在编写中兼顾了液压与气压传动元件、回路的通用性和特殊性，同时考虑了液 压与气压传动技术的传统体系和发展趋势，突出理论与实际应用相结合，增加 了对液压与气压传动行业一些较新技术成果的介绍，特别注重传授知识与培养 能力之间的关系。章节层次清晰，内容简洁易懂，实例以工业应用为主，并配 有多媒体电子教案和演示动画，授课教师可以在机械工业出版社教育服务网 (www.cmpedu.com)中注册下载。 本书的第1章、第2章、第5章由燕山大学高殿荣编写，第6章、第7章及 附录由燕山大学姚春东编写，第3章由燕山大学陈东宁编写，第4章由燕山大 学刘涛编写，第8章由燕山大学张伟编写，第9章由燕山大学刘劲军编写，全 书由高殿荣主编并统稿。 本书由中国民航大学王立文教授主审。他详细审阅了书稿，并提出了许多 宝贵意见和建议，在此谨向他表示诚挚的谢意。 在本书的编写过程中，参考了一些国内同行的著作及资料，在此特向有关 作者表示感谢。 由于编者水平所限，书中难免有疏误和缺陷，敬请读者批评指正。 编者 Ⅲ参
目 录 前 言 第1章绪论 …+4.1 4.4流量控制阀 e0.4444eg0 75 1.1液压传动技术的应用及发展 4.5插装阀与叠加阀 …83 现状……1 4.6电-液伺服阀… 89 1.2液压传动的工作原理及系统 4.7电-液比例阀… 92 组成…2 4.8电-液数字阀… 96 1.3液压传动的优缺点…4 思考题与习题…97 1.4液压传动系统图的图形符号…5 思考题与习题…5第5章 液压辅助元件… …99 5.1蓄能器 99 第2章液压动力元件…6 5.2过滤器… 103 2.1液压泵概述 ……6 5.3油箱… 107 2.2齿轮泵…9 5.4热交换器… 110 2.3叶片泵 15 5.5 密封装置…12 2.4柱塞泵… 24 5.6管路及管接头… 114 2.5螺杆泵… 28 5.7压力计及其附件… 116 2.6液压泵的噪声及控制… 30 思考题与习题… 118 思考题与习题…31 第6章液压基本回路 …120 第3章液压执行元件…33 6.1方向控制回路… 120 3.1液压缸的分类 33 6.2压力控制回路 128 3.2液压缸的结构 38 6.3速度控制回路 141 3.3液压缸的设计 42 6.4多执行元件控制回路… 154 3.4液压马达的分类 43 6.5多缸顺序动作回路… 157 3.5高速液压马达… 45 6.6 多缸动作互不干扰回路…160 3.6低速大转矩液压马达 45 思考题与习题… 163 思考题与习题… 47 第7章典型液压传动系统 …167 第4章液压控制元件… 49 7.1YT4543型动力滑台液压系统·167 4.1液压阀概述 49 7.2M1432A型万能外圆磨床液压 4.2方向控制阀 4040000…0+00*… 51 系统…171 4.3压力控制阀… 63 7.33150kN型液压机液压系统…175 N形
目录 7.4SZ-250A型塑料注射成型机液压 9.2气体的物理性质、状态方程及流动 系统…179 规律…212 7.5Q2-8型汽车起重机液压系统…184 9.3气源装置及辅助元件…216 7.6液压伺服恒功率控制系统，187 9.41 气动执行元件… 224 7.7JS01型工业机械手液压系统… 190 9.5气动控制元件…230 思考题与习题… 195 9.6气动基本回路… 239 9.7典型气控系统举例… 247 第8章液压传动系统的设计和计算…199 9.8气动系统安装调试和维护…252 8.1液压传动系统的设计步骤… 199 思考题与习题… 253 8.2液压系统设计举例… 205 思考题与习题 209 附录液压及气动常用图形符号 …254 第9章气压传动 211 参考文献 ... 260 9.1气压传动概述… 211 V
第1章 绪 论 1.1液压传动技术的应用及发展现状 与机械传动一样，液压传动也是一种传送动力的方法。它是靠密封容器内受静压力的液 体传送动力的（图1-1）。在液压系统中，液压泵将具有一定转矩M和转速n的电动机的机 械能，转变成具有一定压力p和流量q的 液压能，通过控制阀的调节，借助执行机 控制阀 构（液压缸和液压马达）还原成所需要 的移动或回转的机械能。由于这种动力的 变换和传递是依靠液压油作传动介质的， 所以称为液压传动。 图11液压传动示意图 液压传动技术是在18世纪末出现的。 1795年，英国制成了世界上第一台工业设备水压机。19世纪末，德国制造了液压龙门刨床， 美国制造了液压六角车床和液压磨床。但由于当时没有成熟的液压元件，因而液压技术并未 得到普遍使用。 20世纪初，精研加工工艺的成熟，为液压元件向高压、高效率的发展创造了条件，因 而在第一次世界大战到第二次世界大战期间，液压技术被用于军事上而得到很大发展。在这 期间出现了动作准确、反应迅速的液压传动装置，并用于大炮、飞机、坦克上，而且在舰艇 上也出现了电液随动阀和随动系统。第二次世界大战后，这些军事上应用的成果被转用到 民用工业，并且由于控制理论的发展以及高性能液压油的不断使用和液压元件结构的不断改 进，液压技术得到了飞速的发展。50年代初，液压技术已开始应用到各行各业，如机床、 汽车、工程机械等。在这期间出现了仿形机械、自动机床、各种流水作业线以及自动传动器 的液控系统。到了60年代以至最近二三十年以来，由于空间技术、大型舰舶以及电子技术 的发展，液压技术的发展又达到一个全新的阶段。目前，液压技术广泛用于机械制造、冶 金、造船、石油化工、建筑、汽车、工程机械、注塑、纺织、食品等行业。在国防方面，如 飞机、舰艇、大炮、坦克上的应用以及原子能方面的应用仍是一个重要的技术领域，已经出 现了反应灵敏、动作准确的液压随动系统。特别是比例阀的出现和发展，它与电子技术结 合起来，可以大面积地实现生产过程的自动化。现在，在生产中大量地应用着工作压力在 400×10Pa以上，流量在1000L/min(16.67L/s)以上，功率在368kW以上的高压大功率 元件。液压马达可以做到质量只是同功率电动机的10%~20%，体积是同功率电动机的 12%~13%。液压元件和系统达到了小型化、集成化。例如美国生产的Allison传动器，实现 一个5挡（或以上）变速箱的动力换挡、自动跳挡的液压控制系统，全部元件和系统采用 集成板结构，其面积只有1f2(1f=0.305m),厚度只有1in(1in=0.025m)。其他液压集 成零部件如静压轴承、静压导轨、静压丝杠等也都在生产中得到成功应用。近年来又出现了 1
液压与气压传动 交流液压技术，如液压镐及原子能工业中的机械手。此外，液压射流技术也获得了应用和发 展。总之，液压技术是近代工业技术中的一个重要分支。可以相信，它与迅猛发展起来的电 子技术相结合，将进一步显示出其强大的功能和优越性。 1.2液压传动的工作原理及系统组成 1.2.1液压传动系统的工作原理 液压传动的工作原理，可以用一个简单的液压传动装置一液压千斤顶来说明。 图1-2是液压千斤顶的工作原理图。大液压 缸9为举升液压缸。杠杆手柄1、小液压缸2、单 向阀4和7组成手动液压泵。如抬起手柄使小活 塞3向上移动，小活塞下端油腔容积增大，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，小活塞下移， 小活塞下腔压力升高，单向阀4关闭，单向阀7 打开，下腔的油液经管道6输入到大液压缸9的 下腔，推动大活塞8向上移动，顶起重物。再次 抬起手柄吸油时，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。只要连 续不断地往复抬起、下压手柄，就能不断地把油 液压入大液压缸9下腔，使重物逐渐地升起。如 图12液压千斤顶工作原理图 果打开截止阀11，举升缸下腔的油液通过管道 1一杠杆手柄2一小液压缸3一小活塞 10、截止阀11流回油箱，重物就向下移动。这就 4、7一单向阀5一吸油管6、10-管道 是液压千斤顶的工作原理。 8一大活塞9一大液压缸11一截止阀12一油箱 通过对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。压下杠 杆时，小液压缸2输出压力油，是将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，是将油液的压力能又转换成机械能。大活塞8举升的速度取 决于单位时间内流入大液压缸9中压力油容积的多少。由此可见，液压传动是一个不同能量 的转换过程。 下面分析一种驱动工作台的液压传动系统。如图1-3所示，它由油箱、过滤器、液压 泵、溢流阀、开停阀、节流阀、换向阀、液压缸以及连接这些元件的油管、接头组成。其工 作原理为：液压泵17由电动机驱动后，从油箱19中吸油。油液经过滤器18进入液压泵， 油液在泵腔中获得能量形成高压油从泵出口输出，在图1-3a所示状态下，通过开停阀10、 节流阀7、换向阀5进人液压缸2左腔，推动活塞使工作台1向右移动。这时，液压缸右腔 的回油经换向阀5和回油管6排回油箱。 如果将换向阀手柄转换成图1-3b所示状态，则液压泵排出的压力油将经过开停阀、节 流阀和换向阀进入液压缸右腔，推动活塞带动工作台向左移动，并使液压缸左腔的回油经换 向阀和回油管6排回油箱。 2
第1章绪论4 工作台的移动速度是通过节流阀来调节的。当节流阀开大时，进入液压缸的油量增加， 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产生的。需要克服的阻力越大，液压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一压力决定于负截。 图13机床工作台液压系统工作原理图 1一工作台2一液压缸3一活塞4一换向手柄5一换向阀6、8、16一回油管 7一节流阀9一开停手柄10一开停阀11一压力管12一压力支管13一滋流阀 14一钢球15一弹簧17一液压泵18一过滤器19一油箱 1.2.2液压传动系统的组成 从机床工作台液压系统的工作过程可以看出，一个完整的、能够正常工作的液压系统， 应该由以下五个主要部分组成： 1)液压动力元件。它是把电动机的机械能转换成液体压力能并供给液压系统压力油的 装置，最常见的形式是液压泵。 2)液压执行元件。它是把液体压力能转换成机械能以驱动工作机构的装置，其形式有 作直线往复运动的液压缸与作连续回转运动的液压马达。 3)液压控制元件。它是对系统中的压力、流量或流动方向进行控制或调节的装置，如 3
一色液压与气压传动 溢流阀、节流阀、换向阀、开停阀等。 4)液压辅助元件。上述三部分之外的其他装置，例如油箱，过滤器，油管等。它们对 保证系统正常工作是必不可少的。 5)工作介质。传递能量的流体，即液压油等。 1.3液压传动的优缺点 液压传动与其他传动形式的主要区别是，液压传动以液体（主要是矿物油）作为传递动 力的介质。根据液体在工作中的特点，其传动形式可分为液力传动和容积式液压传动两大类。 液力传动是指将机械能转换为流体的动能，并依靠该动能实现能量的传递；容积式液压 传动是指将机械能转换为流体的压力能，并依靠该压力能实现能量的传递。 目前，液压传动几乎全部采用容积式液压传动。当执行机构的容量确定后，运动速度的 快慢取决于容积变化的大小（即流量的大小）：执行机构输出力的大小取决于液压力的 大小 1.3.1液压传动的优点 与其他传动形式（如机械传动、电力传动、气压传动）相比较，液压传动有下列优点： 1)液压传动装置能在运行过程中进行无级调速，调速方便且调速范围比较大，达100：1 至2000：1。 2)在同等功率情况下，液压传动装置体积小、质量轻、惯性小、结构紧凑（如液压马 达的质量只有同功率电动机的10%~20%)，而且能传递较大的力或力矩。 3)液压传动装置工作比较平稳，反应快，冲击小，能高速起动、制动和换向。液压传 动装置的换向频繁，回转运动每分钟可达500次，往复直线运动每分钟可达400~1000次。 4)液压传动装置的控制、调节比较简单，操纵比较方便、省力，易于实现自动化。当 与电气装置配合使用时，更能实现复杂的顺序动作和远程控制。 5)液压传动装置易于实现过载保护。由于采用油液作为工作介质，液压传动装置能自 行润滑，故使用寿命较长。 6)液压传动装置由于其元件实现了系列化、标准化、通用化，故易于设计、制造和推 广使用。 7)液压传动装置能很方便地实现直线运动和回转运动，液压元件的排列和布置也具有 很大的机动灵活性。 8)在液压传动装置中，由于功率损失等原因所产生的热量可由流动着的油液带走，因 此，可以避免在系统某些局部产生过度温升现象。 1.3.2液压传动的缺点 液压传动的主要缺点为： 1)液压传动装置以液体为工作介质，无法避免泄漏。液体的泄漏和液体的可压缩性使 液压传动无法保证严格的传动比。 2)液压传动装置由于在能量转换及传递过程中存在着机械摩擦损失、压力损失和泄漏 4
第1章绪论 损失而使总效率降低，不宜作远距离传动。 3)液压传动装置对油温和负载的变化都比较敏感，不宜在低温及高温条件下工作。液 压传动装置对油液的污染也比较敏感，要求有良好的过滤设施。 4)液压传动装置要求有单独的能源（例如液压泵站），液压能不能像电能那样从远处 送来。液压元件制造精度要求高、造价贵，须组织专业生产。 5)液压传动装置出现故障时不易追查原因、迅速排除，对维修人员的专业素质要求 较高。 总的说来，液压传动的优点较多，其缺点则随着生产技术的发展正在逐步加以克服，因 此液压传动在现代化的生产中有着广阔的发展前景。 1.4液压传动系统图的图形符号 图13所示的液压系统是一种半结构式的工 作原理图，它有直观性强、容易理解的优点，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，绘制比较麻烦。我国已经制定 了一种用规定的图形符号来表示液压原理图中的 各元件和连接管路的国家标准，即GB/T786.1 2009《流体传动系统及元件图形符号和回路图》。 在该国家标准中，对于这些图形符号有以下几条 基本规定。 1)符号只表示元件的职能，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。 2)元件符号内的油液流动方向用箭头表示， 线段两端都有箭头的，表示流动方向可逆。 图1-4机床工作台液压系统的图形符号图 3)符号均以元件的静止位置或中间零位置表 1一工作台2一液压缸3一活塞4一换向阀 5一节流阀6一开停阀7一溢流阀 示，当系统的动作另有说明时，可作例外。 8一液压泵9一过滤器10一油箱 图1-4所示为图1-3a所示系统按国家标准绘制 的工作原理图。使用这些图形符号可以使液压系统图简单明了，且便于绘图。 思考题与习题 1-1液压传动系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？ 12液压传动与机械传动、电传动相比有哪些优点？ 13液力传动与容积式液压传动的能量转换方式有何不同？ 【-4液压传动系统的图形符号有哪些基本规定？ 5
第2章 液压动力元件 2.1液压泵概述 在液压系统中，为系统提供动力的元件称为液压动力元件，液压动力元件即液压泵，是 液压系统中的能量转换装置，它的作用是将动力机的机械能（力矩M,转速）转换成液体 的压力能（压力，排量q)。在液压系统中，所需的液压能都是由液压泵供给的，因此液压 泵在液压系统中也被称为液压系统的“心脏”。 2.1.1液压泵的分类及职能符号 常见的液压泵分类形式有如下几种： 齿轮式液压泵外啮合 内啮合 单作用 一泵轴转一周每个封闭容积只吸、排液体各一次 叶片式液压泵 双作用 泵轴转一周每个封闭容积吸、排液体各两次 按结构分 「斜盘式 轴向柱塞泵 柱塞式液压泵 斜缸式 径向柱塞泵 螺杆式液压泵 「定量泵 泵的每转排量为定值，不可调 按排量是否可调节分 变量泵 泵的每转排量可调节 按排油方向分 单向泵—进、出油口不变 双向泵 进、出油口可交换 低压泵 0-2.5MPa 中压泵 2.5-8.0MPa 按压力级别分 中高压泵8.0~10MPa 高压泵 10.0-32.0MPa 各种类型液压泵的职能符号如图2-1所示。 图2】液压泵的职能符号 a)单向定量泵b)单向变量系c)双向定量系d)双向变量泵