普通高等教育“十一五”国家级规划教材 十五 2007年江苏省高等学校精品教材 普通高等教育“九五”国家级重点教材 荣获2002年全国普通高等学校优秀教材二等奖 液压与气压传动 Hydraulic and Pneumatic Pressure Transmission 第3版 东南大学 王积伟 主编 机械工业出版社 CHINA MACHINE PRESS
第3版前言 本书第2版是普通高等教育“十一五”国家级规划教材，被评为2007年江苏省高等学 校精品教材：第1版是普通高等教育“九五”国家级重点教材，2002年获全国普通高等学 校优秀教材二等奖。 本书第2版自2005年出版以来，已先后重印27次，为众多高等院校所选用，受到了广 大读者的普遍欢迎和肯定。但是，面对工业4.0和中国制造2025的发展路径，高等教育同 样面临着新的机遇与挑战。要适应人才培养模式改革的需要，培养出大批社会经济发展需要 的高科技人才，教材建设是非常重要的一环。因此，适时对教材进行修订是完全有必要的。 本次修订侧重以下几点： 1)考虑到教材使用的连贯性，修订版保持原有特色和体系不变，只做少量微调。每章 适当增加一些实例，以方便教学。 2)考虑到机械类专业本科学习“液压与气压传动”课程的学时数大多在48学时左右， 为了减轻学生负担、节约资源，本书进行了适当的“瘦身”。 3)考虑到国家已颁布了液压与气压传动图形符号新标准，对书中插图按GB/T786.1一 2009全部重新绘制，使之更加规范。 书中带*的章节供多学时专业或学生自学使用。 很遗憾，本书第1版的部分主编和参编因种种原因未能继续参与第2、3版的修订工作。 对于他们为本书所做的贡献和付出的辛勤劳动表示崇高敬意和诚挚感谢，对逝者表示深深的 怀念。 本书第3版由王积伟担任主编，由西安交通大学林廷圻教授和同济大学萧子渊教授担任 主审，他们对书稿进行了细致的审阅，提出了许多宝贵的意见和建议。东南大学许映秋、上 海大学陆鑫盛和温济全三位老师参与了部分编写工作。 由于编者水平有限，书中难免存在缺点和错误，恳请广大读者批评指正。 编 者
第2版前言 本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材，第1版曾被列为普通高等教育“九 五”国家级重点教材。本书自2000年5月出版以来，为众多高等院校所选用，受到读者普 遍欢迎，至今已先后重印7次，并于2002年10月获全国普通高等学校优秀教材二等奖。 但是，近年来液压与气动技术又有长足进步，教育改革不断深入展开，为了适应新形势 发展的需要，有必要对本书进行全面修订。本次修订工作主要表现在以下几个方面 1》在保持原有特色和风格的前提下，进行全面更新和修订。对编写体系做少量微调， 以更好地满足教学大纲要求和符合认知规律 2)根据不同学时的教学要求，采用打*的办法，按少学时和多学时两种不同规格重新 调整教学内容，使教材更加好教易学（打*的章节供多学时专业或学生自学使用）。但仍保 持各自教学的系统性和完整性。 3)副除陈旧内容，增添新型元件。对具有广阔发展前景的集成式多功能元件进行了详 细分析与阐述 4)对第七章系统应用与分析的内容进行了重大调整和补充，更突出先进技术的应用， 并拓宽了专业面。 5)在第八章系统设计与计算的气动部分中增加了目前应用广泛的电-气程序控制和PLC 控制的内容。 6)对书中的插图进行全面审查和清理，更正了第1版中的错误，使其更加规范并符合 国家标准的规定。 为了适应教材改革的要求，满足教学需要，东南大学王积伟主持了本书的修订工作， 王积伟、章宏甲、黄谊任主编。参加本次修订工作的还有许映秋。全书最后由王积伟修改 定稿。 本书由西安交通大学博士生导师林廷圻教授和同济大学博士生导师萧子渊教授主审，他 们对书稿进行了细致的审阅，提出了许多宝贵意见和建议。东南大学郁建平、南京榆富液压 机电公司韩卫东为本书提供了技术资料。在此一并表示衷心感谢。 由于时间和水平的限制，书中难免存在缺点和错误，恳请广大读者批评指正。 编者 N
第1版前言 本书经全国高等学校机电类专业教学指导委员会审定推荐，确定为机械类专业本科生教 材，被列为“九五”原机械工业部教材规划中的重点教材。 本书是在章宏甲、黄谊主编的《液压传动》基础上，在增加了气压传动的内容后重新 修编而成的，具体内容包括：绪论、流体力学基础、能源装置及辅件、执行元件、控制元 件、密封件、基本回路、系统应用与分析、系统设计与计算和附录。 本书在编写过程中，贯彻少而精、系统性以及学以致用的原则，着重考虑了以下几个 方面： 1)考虑到液压传动与气压传动之间有较大的共性，将液压部分与气动部分结合在一起 编写，精简了内容，压缩了学时，符合新教学计划的要求，其编写思路是正确的，有新意， 为同类教材所少见。但是这种“合并”不是机械的凑合，而是有机的融合，既注意到共性， 又照顾到个性，有合有分，仍保持了液压、气动各自的完整性和系统性，便于学生使用。 2)为适应加强基础、扩大专业面的需要，对流体传动基础理论的阐述力求准确、简 练、明了，并根据新的专业目录，在大多数高校中本课程属于测控系列中技术基础课范畴， 所以在内容上除一般机械外，适当扩大了涉及面，可适用于各个工业领域（机械、电子、 轻工、冶金、工程机械、航空航天、采矿等)的专业。 3)为适应21世纪科技发展的需要，考虑到技术进步，在讲清系统和元件基本原理的基 础上，采用新型液压与气动元件（如新型气缸、阀岛等），引人先进的回路和系统，详述新 型传动介质的性能及其选用，增加电液比例控制、电液伺服控制和数字控制等新技术的 内容。 4)贯彻了理论联系实际的原则，除讲清一般的基础理论知识外，还列举了大量实践的 例子，对学生借助技术手册等资料进行所需系统的设计以及元件的正确选用有较大帮助。 5)本书以少而精的原则取材和编排章节，着重讲解基本原理和基本方法，而不拘泥于 具体繁杂的结构，以使学生打下扎实的理论基础，并通过给学生传授基本知识来培养他们的 思维能力和创新才能。 6)本书阐述清楚，文笔流畅，由浅入深，举一反三，有利于学生自学。书中编排了较 多的例题，每章末都附有经过精选的习题，并附有参考答案。这些对于学生加深基本概念的 理解，加强基本计算、分析能力的训练，学得主动、自主等都是有益的。 7)本书的名词术语、物理符号、单位以及液压气动图形符号等都统一采用国家最新
液压与气压传动第3版 标准。 本书适用于普通工科院校机械类各专业，也适用于其他各类成人高校、电大、自学考试 有关专业，还可供从事液压与气动的工程技术人员参考。 章宏甲先生对本书的编写工作一直很关心，出国之前对如何编好教材提出了原则性意 见；在国外，又对本书的编写大纲提出了指导性意见。黄谊先生在本书编写大纲的讨论与提 出、征集意见、书稿的组织编写与整理等方面做了许多工作。 本书由章宏甲、黄谊、王积伟任主编。章宏甲不在国内期间，他委托王积伟全权主持工 作。参加本书编写的有：黄谊（绪论）、王积伟（第一、五章，第七、八章的液压部分，附 录)、杨林森（第二章第一~三节，第三章的液压部分）、郁凯元（第四章的液压部分）、温 济全（第六章的液压部分）、陆鑫盛（第二、三、四、六、七、八章的气动部分）、许映秋 (第四、七、八章的气动部分)。全书最后由黄谊、王积伟修改定稿。 本书由林廷圻主审，薛祖德也仔细审阅了书稿。参加审稿的还有：萧子渊、孙家匡、王 雄耀、叶继等。在本书的编写及审稿过程中，费斯托（中国）有限公司提供了最新技术资 料并与编者进行技术交流，在此一并表示衷心的感谢。 由于水平限制，书中难免存在着不少缺点和错误，欢迎广大读者批评指正。 编者 1999年10月 M
目录 第3版前言 第2版前言 第1版前言 绪论……1 ·第六节 气动辅件 87 第一节液压与气压传动的工作 “第七节管件 88 原理……………………1 习题……………90 第二节液压与气压传动系统的组成 第三章执行元件…………… 92 和图形符号…………3 第一节直线往复运动执行元件…92 第三节液压与气压传动的优缺点…4 第二节旋转运动执行元件… 104 第四节液压与气压传动的应用……5 习题………………………… 110 第五节液压与气动技术的发展……6 第四章控制元件……：113 第一章流体力学基础…………8 第一节概述 113 第一节工作介质…………………8 第二节阀芯的结构和性能……114 第二节流体静力学………17 第三节常用液压控制阀…… 119 第三节流体运动学和流体动力学·21 第四节常用气动控制阀… 146 第四节气体状态方程 28 第五节液压叠加阀和插装阀…159 第五节充、放气参数的计算 ……30 第六节电液伺服控制阀…… 164 第六节管道流动 40+…。*+…。 33 第七节电液比例控制阀……… 173 第七节孔口流动 39 第八节气动比例/伺服控制阀…179 第八节缝隙流动 ””………” 45 第九节气动逻辑控制元件……… 181 第九节瞬变流动 ”4++…年…4。 48 ·第十节集成式多功能元件… 183 习题……53 习题…188 第二章能源装置及辅件 56 第五章密封件………………… 193 第一节概述 44…小04……4…………… 56 第一节密封的作用与分类… 193 第二节液压泵…57 第二节密封件的材料… 194 第三节油箱 72 第三节常用密封件… 195 ·第四节液压辅件 73 第四节新型密封件… 197 第五节气源装置…80 第五节组合式密封件… 199
液压与气压传动第3版 习题……………201 第二节液压系统设计与计算……259 第六章基本回路…… 202 第三节液压系统设计计算举例…263 第一节液压基本回路…… 202 第四节气动程序控制系统设计…271 第二节气动基本回路…… 230 习题……282 习题…235 附录…………284 第七章系统应用与分析… 237 附录A孔口流量系数… 284 第一节液压系统应用与分析…237 附录B液压与气压传动常用图形 第二节气动系统应用与分析…251 符号（摘自GB/T786.1 习题…………255 2009）…285 第八章系统设计与计算……… 259 附录C习题参考答案（部分）…290 第一节概述………………259 参考文献…………………………298
绪论 液压与气压传动是以流体（液压液或压缩空气）作为工作介质对能量进行传递和控制 的一种传动形式，相对于机械传动来说，它是一门新技术。但如从1650年帕斯卡提出静压 传递原理，1850年开始英国将帕斯卡原理先后应用于液压起重机、压力机等算起，也已有 二三百年的历史了。而液压与气压传动在工业上的真正推广使用，则是在20世纪中叶以后 的事。近几十年来，随着微电子和计算机技术的迅速发展，且渗透到液压与气动技术中并与 之密切结合，使其应用领域遍及各个工业部门，已成为实现生产过程自动化、提高劳动生产 率等必不可少的重要手段之一。 第一节液压与气压传动的工作原理 液压系统以液体作为工作介质，而气动系统以气体作为工作介质。两种工作介质的不同 在于液体几乎不可压缩，气体却具有较大的可压缩性。液压与气压传动在基本工作原理、元 件的工作机理以及回路的构成等方面是极为相似的。 图01所示为液压千斤顶示意图。向上提手柄5使 G 小缸4内的活塞上移，小缸下腔因容积增大而产生真空， 油液从油箱1通过吸油阀2被吸入并充满小缸容积：按 压手柄使小缸活塞下移，则刚才被吸入的油液通过压油 阀3输到大缸7的下腔，油液被压缩，压力立即升高。 当油液的压力升高到能克服作用在大活塞上的负载（重 物G)所需的压力值时，重物就随手柄的下按而同时上 升，此时吸油阀是关闭的。为了使重物能从举高的位置 放下，系统中专门设置了截止阀（放油螺塞）8。 图0-1中两根通油箱的管路如通大气，则图0-1变 图01液压千斤顶示意图 成气动系统的原理图。这种情况下，上下按动手柄5， 1一油箱2一吸油阀3一压油阀 空气就通过吸油阀2被吸人，经压油阀3输到大缸7的 4一小缸5一手柄6一负载（重物） 下腔。在这里，因气体有可压缩性，不像液压系统那 7一大缸8一截止阀（放油螺塞） 样，一按手柄重物立即相应上移，而是需按动手柄多次，使进人大缸7下腔中的气体逐渐增 多，压力逐渐升高，一直到气体压力达到使重物上升所需的压力值时，重物便开始上升。在重
液压与气压传动第3版 物上升过程中，也不像液压系统那样，压力值基本上维持不变（因是举起重物），因气体可压 缩性较大的缘故，气压值会发生波动。 图0-1所示的系统不能对重物的上升速度进行调节，也没有防止压力过高的安全措施。 但就从这简单的系统，可以得出有关液压与气压传动的一些重要概念来。 对于液压系统，设大、小活塞的面积为A2、A,,当作用在大活塞上的负载和作用在小 活塞上的作用力分别为G和F,时，依帕斯卡原理，大、小活塞下腔及其连接导管构成的密 闭容积内的油液具有相等的压力值，设为，如忽略活塞运动时的摩擦阻力，则有 G F2 F P=A2A2 A (0-1) 或 A2 F2=F (0-2) 式中F2一油液作用在大活塞上的作用力，F2=G。 式(01)说明，系统的压力？取决于作用负载的大小。这是液压传动的第一个重要概 念。式(0-2)表明，当A2/A1>1时，作用在小活塞上一个很小的力F,,便可在大活塞上 产生一个很大的力F2以举起负载（重物）。这就是液压千斤顶的原理。 。液压传动的两个重要基本概念：压力由负载决定；速度由流量决定 另外，设大、小活塞移动的速度为2和1，则在不考虑泄漏情况下稳态工作时，有 U1A:="2A2=g (0-3) 或 A1=9 V2=1 A2 A2 (0-4) 式中q一流量，定义为单位时间内输出（或输入）的液体体积。 式(04)表明，大缸活塞运动的速度，在缸的结构尺寸一定时，取决于输入的流量 这是液压传动的第二个重要概念 使大活塞上的负载上升所需的功率为 P=F=叫是网 (0-5) 式中，p的单位为Pa,q的单位为m3/s,则P的单位为W。由此可见，液压系统的压力和 流量之积就是功率，称为液压功率。 由这个例子也可清楚地看到，在小缸中，手按动小活塞所产生的机械能变成了排出流体 的压力能；而在大缸中，进入大缸的流体压力能通过大活塞转变成为驱动负载所需的机械 能。所以，在液压与气动系统中，要发生两次能量的转变，把机械能转变为流体压力能的元 件或装置称为泵或能源装置，而把流体压力能转变为机械能的元件称为执行元件。 比较完善的系统是图0-2所示的驱动机床工作台的液压系统。 它的工作原理如下：液压泵4由电动机（图中未画出）带动旋转后，经过滤器2从油 箱1中吸油。油液经液压泵输出进人压力管10后，在图0-2a所示的状态下，通过开停阀9、 节流阀13、换向阀15进入液压缸18左腔，推动活塞17和工作台19向右移动，而液压缸右
绪论 腔的油经换向阀和回油管14排回油箱。 如果将换向阀手柄16转换成图0-2b所示的状 态，则压力管中的油将经过开停阀、节流阀和换向 阀进人液压缸右腔，推动活塞和工作台向左移动， 并使液压缸左腔的油经换向阀和回油管排回油箱。 工作台的移动速度由节流阀调节。开大节流阀， 进入液压缸的油液增多，工作台的移动速度增大： 反之，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。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。输入液 压缸的油液流量是通过节流阀调节的。液压泵输出 的多余的油液须经溢流阀7和回油管3排回油箱， 这只有在压力支管8中的油液压力对溢流阀钢球6 的作用力等于或略大于溢流阀中弹簧5的预紧力 时，油液才能顶开溢流阀中的钢球流回油箱。所图02机床工作台液压系统的工作原理图 以，在图示系统中液压泵出口处的油液压力是由溢 1一油箱2一过滤器3、12、14一回油管 4一液压泵5一弹簧6一钢球7一溢流阀 流阀决定的，它和液压缸中的油液压力不同。 8一压力支管9一开停阀10一压力管 如果将开停阀手柄11转换成图0-2c所示的状 11一开停阀手柄13一节流阀15一换向阀 16一换向阀手柄17一活塞 态，压力管中的油液将经开停阀和回油管12排回油 18一液压缸19一工作台 箱，不输到液压缸中去，这时液压泵出口处的压力就降为零，工作台便停止运动。 第二节液压与气压传动系统的组成和图形符号 一、系统组成 由图0-2可知，液压系统主要由以下四部分组成： 1)能源装置一把机械能转换成油液液压能的装置。最常见的形式就是液压泵，它给 液压系统提供压力油。 2)执行元件一把油液的液压能转换成机械能的元件。有做直线运动的液压缸，或做 旋转运动的液压马达 3)控制调节元件一对系统中油液压力、流量或油液流动方向进行控制或调节的元 件，如图0-2中的溢流阀、节流阀、换向阀、开停阀等。这些元件的不同组合形成了不同功 能的液压系统。 4)辅助元件一上述三部分以外的其他元件，如油箱、过滤器、油管等。它们对保证 系统正常工作有重要作用。 气压传动系统，除了能源装置一气源装置，执行元件—气缸、气马达，控制元 件一气动阀，辅助元件一管道、气动辅件、消声器外，通常还装有一些完成逻辑功能的 逻辑元件等