通 科国家 宝 “十二五”普通高等教育本科国家级规划教材 十五 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 普通高等教育“十五”国家级规划教材 普通高等教育“九五”国家级重点教材 Hydraulic and Pneumatic Transmission 液压与气压传动 第5版 左健民主编 机械工业出版社 CHINA MACHINE PRESS
前言 根据“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材建设规划和机械工业出版社的安 排，编者对本书第4版进行了修订。面对工业4.0和中国制造2025的发展路径安排，中 国工业企业在“两化融合”和智能制造的发展过程中，迫切需要大批掌握高新技术、有 工程实践经验的高层次应用型人才，高等教育也面临着新的机遇与挑战。随着现代技术 的发展和教有教学改革的深入，高等学校人才培养模式的改革也成为非常紧迫的任务， 我们的高等教育在规模快速发展后如何切实提高质量，培养出社会经济发展需要的高技 术人才是每一个教育工作者需要思考的问题。人才培养模式的改革涉及理论教学体系和 实践教学体系的构建，也就涉及课程、教学内容和教材。而教材对教与学的双方都起着 重要的作用，作为教材的编者，不仅要考虑到自身教学实践中对教材内容的要求，还要 考虑教材使用者的需要，因此，对教材内容的增删就需十分慎重。这不仅是保持一本成 熟教材的内容应有的态度，也是对广大使用者和读者的一种尊重。 液压传动与气压传动技术是自动化和智能制造生产中的先进科学技术之一，在现代 科学技术发展中占有非常重要的地位。“液压与气压传动”课程既是机械工程学科机械 制造及其自动化、机械电子工程、过程装备与控制工程、车辆工程、材料成型及控制工 程等专业的专业基础课程，也是自动化、轻工机械等专业的重要技术类课程。本书的配 套教辅《液压与气压传动学习指导与例题集》也已由机械工业出版社出版，编者从指导 读者学习的角度，对主教材中的难度和重点内容进行了分析和讲授，从教材中选择了大 量的例题进行了详细的解答，旨在帮助读者掌握教材内容，提高分析问题和解决问题的 能力。与教材配套的教学平台也已上线。作为教材的主编，也希望教材、配套教辅和学 习资源库在人才培养、促进新技术的发展等方面发挥积极的作用。 本书第1版由左健民主编，樊瑞、陈国强任副主编，朱建新、汪虹、高佩川、韩淑 英等参编。燕山大学韩屋谷教授任主审，张怀德工程师任副主审。 本书第2版获评“九五”国家级重点教材，修订工作由左健民统筹，王芙蓉、陈国 强参加了修订工作。第2版由燕山大学韩屋谷教授任主审。 本书第3版获评“十五”国家级规划教材，修订工作由左健民负责，燕山大学韩屋 谷教授任主审。 本书第4版获评“十一五”国家级规划教材，修订工作由左健民负责，燕山大学韩 屋谷教授、东南大学王积伟教授任主审
液压与气压传动第5版 本书此次修订由左健民统筹，东南大学王积伟教授、燕山大学韩屋谷教授任主审。 在修订过程中，得到了许多同行和读者的关心和支持，王保升、孙孟辉、陈键、杨龙、 贡林欢等老师和团队的研究生参加了本次修订工作，并在资源库建设、图形修改等方面 给予了很大的帮助。由于编者水平所限，书中定有许多不到之处，敬请广大读者指正。 编者
目录 前言 绪论…… 第一篇 液压传动 第一章液压传动基础知识…………9 第六节 二通式插装阀………118 第一节液压传动工作介质……9 第七节 液压阀的连接…… 123 …125 第二节液体静力学…………… 18 习题……… 第三节液体动力学 ……23 第五章液压辅助元件 ……127 第四节定常管流的压力损失计算…32 第一节管路和管接头……127 第五节孔口和缝隙流动……37 第二节油箱… 129 第六节空穴现象……… 44 第三节过滤器……130 第七节液压冲击……… 45 第四节密封装置…………… 133 习题……………48 第五节蓄能器… 136 第二章液压动力元件 52 习题…… 139 第一节液压泵概述…52 第六章液压基本回路 140 第二节齿轮泵…… 55 第一节压力控制回路………… 140 145 第三节叶片泵 4…59 第二节速度控制回路…… 第四节 柱塞泵…68 第三节多缸工作控制回路……157 第五节液压泵的噪声…………… 73 第四节其他回路……… 160 第六节液压泵的选用…………… 74 习题… 162 习题…7巧 第七章典型液压传动系统……… 165 第三章液压执行元件 …76 第一节组合机床动力滑台液压系统……166 第一节液压马达……… 76 第二节万能外圆磨床液压系统……168 第二节液压缸…80 第三节液压压力机液压系统…… 173 176 习题… ……90 第四节装卸堆码机液压系统…… 第四章液压控制元件 …9 习题……178 第一节概述……… % 第八章液压伺服和电液比例控制 第二节方向控制阀…………92 技术…………180 第三节压力控制阀…… 101 第一节液压伺服控制…… 180 第四节流量控制阀……… 110 第二节电液比例控制…… 184 第五节叠加式液压阀………116 第三节计算机电液控制技术………186
液压与气压传动第5版 习题…4……………189 第四节液压系统的性能验算…196 第九章液压系统的设计与计算 ……190 第五节绘制工作图和编制技术文件……197 第一节明确设计要求，进行工况分析 ……190 第六节液压系统设计计算举例……… 198 第二节拟定液压系统原理图……… 193 习题…4……205 第三节液压元件的计算和选择… 194 第二篇 气压传动 第十章气压传动基础知识…… 208 第一节换向回路…… 251 第一节空气的物理性质…………208 第二节速度控制回路… 252 第二节气体状态方程…… 210 第三节压力控制回路…… 254 第三节逻辑运算简介……21 第四节气液联动回路…… 255 习题……213 第五节计数回路……………+… 256 第十一章气源装置及气动辅助元件…214 第六节延时回路…………… 257 第一节气源装置……214 第七节安全保护和操作回路… 257 第二节源净化装置…………216 第八节顺序动作回路… 259 第三节其他辅助元件…………… 219 习题……260 第四节供气系统的管道设计… 223 第十五章气动程序系统及其设计… 261 习题………225 第一节行程程序控制系统的设计步骤…261 第十二章气动执行元件 226 第二节多缸单往复行程程序回路设计…262 第一节气缸…………226 第三节多缸多往复行程程序回路设计…269 第二节气动马达……… 234 习题………… 272 习题… 235 第十六章气压传动系统实例…273 第十三章气动控制元件… 236 第一节气动机械手气压传动系统…273 第一节方向控制阀……………236 第二节气动钻床气压传动系统 275 第二节压力控制阀…………24 第三节气液动力滑台气压传动系统…277 第三节流量控制阀………243 第四节工件夹紧气压传动系统…………278 第四节气动逻辑元件………244 习题………279 第五节。气动比例阀及气动同服阀…… 248 附录常用液压与气动元件图形符号…280 习题……44*250 参考文献…… 284 第十四章气动基本回路。257
绪论 一、液压与气压传动的研究对象 液压与气压传动是研究以有压流体（压力油或压缩空气）为能源介质，来实现各种机 械的传动和自动控制的学科。液压传动与气压传动实现传动和控制的方法是基本相同的，它 们都是利用各种控制元件组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成能完成一定 控制功能的传动系统来进行能量的传递、转换与控制。因此，要研究液压与气压传动及其控 制技术，就首先要了解传动介质的基本物理性能及其静力学、运动学和动力学特性；要了解 组成系统的各类液压与气动元件的结构、工作原理、工作性能以及由这些元件所组成的各种 控制回路的性能和特点，并在此基础上进行液压与气压传动控制系统的设计。 液压传动所用的工作介质为液压油或其他合成液体，气压传动所用的工作介质为空气。 由于这两种流体的性质不同，所以液压传动和气压传动又各有其特点。液压传动传递动力 大，运动平稳。但由于液体黏性大，在流动过程中阻力损失大，因而不宜做远距离传动和控 制；而气压传动由于空气的可压缩性大，且工作压力低（通常在1.0MP以下)，所以传递 动力不大，运动也不如液压传动平稳。但空气黏性小，传递过程中阻力小、速度快、反应灵 敏，因而气压传动能用于远距离的传动和控制。 二、液压与气压传动的工作原理 液压与气压传动的基本工作原理是相似的。现以图0-1所示的液压千斤顶来简述液压传 动的工作原理。由图0-1a可知，大缸体9和大活塞8组成举升液压缸。杠杆手柄1、小缸体 2、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，小缸体下腔压力升高，单向阀4关闭，单向阀7打开，小缸体下腔 的油液经管道6和单向阀7输入大缸体9的下腔，迫使大活塞8向上移动，顶起重物。再次 提起手柄吸油时，举升缸下腔的压力油将力图倒流人手动泵内，但此时单向阀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。不断地往复扳动手柄，就能不断地把油液 压入举升缸下腔，使重物逐渐地升起。如果打开截止阀11，举升缸下腔的油液通过管道10、 截止阀11流回油箱，大活塞在重物和自重作用下向下移动，回到原始位置。 图0-1b所示为液压千斤顶的简化模型，据此可分析两活塞之间的力比例关系、运动关 系和功率关系。 1.力比例关系 当大活塞上有重物负载W时，大活塞下腔的油液就将产生一定的压力P,p=W/A2,根
液压与气压传动第5版 2 12 P图 a) 6) 图0-1液压千斤顶 a)液压千斤顶的工作原理图b)液压千斤顶的简化模型 1一杠杆手柄2一小缸体3一小活塞4、7一单向阀5一吸油管6、10-管道 8一大活塞9一大缸体11一截止阀12一通大气式油箱 据帕斯卡原理：“在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到液体各点”。 因而要顶起大活塞及其重物负载W,在小活塞下腔就必须要产生一个等值的压力，也就是 说小活塞上必须施加力F,,F,=pA1,因而有 F W p= A:A2 W Az 或 (0-1) FA 式中，A1、A2分别为小活塞和大活塞的作用面积；F,为杠杆手柄作用在小活塞上的力。 式(01)是液压传动和气压传动中力传递的基本公式。由于p=W/A2,因此，当负载 W增大时，流体工作压力p也要随之增大，亦即F,要随之增大；反之若负载W很小，流体 压力就很低，F,也就很小。由此建立了一个很重要的基本概念，即在液压和气压传动中， 工作压力取决于负载，而与流入的流体多少无关。 2.运动关系 如果不考虑液体的可压缩性、漏损和缸体、油管的变形，则从图0-1b可以看出，被小 活塞压出的油液的体积必然等于大活塞向上升起后大缸体下腔扩大的体积，即 Ah=A2h2 h2 A 或 (0-2) hA2 式中，h1、h2分别为小活塞和大活塞的位移。 由式(0-2)可知，两活塞的位移和两活塞的面积成反比。将A,h1=A2h2两端同除以活
绪论 塞移动的时间t得 1=A2t V2 A1 即 (0-3) D1 A2 式中，1、2分别为小活塞和大活塞的运动速度。 由式(03)可知，活塞的运动速度和活塞的作用面积成反比。 Ah/:的物理意义是单位时间内液体流过截面积为A的某一截面的体积，称为流量 g9,即 q=Av 因此 A11=A22 (0-4) 如果已知进入缸体的流量q,则活塞的运动速度为 US 9 (0-5) A 调节进入缸体的流量q,即可调节活塞的运动速度，这就是液压传动与气压传动能实 现无级调速的基本原理。从式(05)可得到另一个重要的基本概念，即活塞的运动速度取 决于进入液压（气压）缸（马达）的流量，而与流体压力大小无关。 3.功率关系 由式(0-1)和式(0-3)可得 F,1=W2 (0-6) 式(0-6)左端为输入功率，右端为输出功率。这说明在不计损失的情况下输入功率等 于输出功率。由式(0-6)还可得出 P=pA1=pA202=pq (0-7) 由式(0-7)可以看出，液压与气压传动中的功率P可以用压力p和流量q的乘积来表 示，压力p和流量q是流体传动中最基本、最重要的两个参数，它们相当于机械传动中的力 F和速度)，它们的乘积即为功率。 从以上分析可知，液压与气压传动是以流体的压力能来传递动力的。 三、液压与气压传动系统的组成 图0-2所示为一驱动机床工作台的液压传动系统，它由油箱1、过滤器2、液压泵3、溢 流阀4、换向阀5、节流阀6、换向阀7、液压缸8、工作台9以及连接这些元件的油管、管 接头等组成。该系统的工作原理是：液压泵由电动机带动旋转后，从油箱中吸油，油液经过 滤器进入液压泵的吸油腔，当它从液压泵中输出进入压力油路后，在图0-2所示状态下， 通过换向阀5、节流阀6，经换向阀7进入液压缸8的左腔，此时液压缸右腔的油液经换向 阀7和回油管排回油箱，液压缸中的活塞推动工作台9向右移动。 如果将换向阀7的手柄移动成图0-2b所示的状态，则经节流阀6的压力油将由换向阀7 ⊙流量g一全书中涉及的流量主要为体积流量，而非质量流量。因此体积流量在书中简称为流量，符号用9：而 质量流量的符号用9m,名称不变
液压与气压传动第5版 进入液压缸8的右腔，此时液压缸 左腔的油经换向阀7和回油管排回 油箱，液压缸中的活塞将推动工作 台向左移动。因而换向阀7的主要 功用就是控制液压缸及工作台的运 动方向。系统中换向阀5若处于图 0-2c所示的位置，则液压泵输出的 压力油将经换向阀5直接回油箱， 系统处于卸荷状态，液压油不能进 入液压缸，所以换向阀5又称为开 停阀。 工作台的移动速度是通过节流 阀来调节的。当节流阀的开口大 时，进入液压缸的油液流量就大， ☒M 工作台移动速度就快；反之，工作 台移动速度将减慢。因而节流阀6 的主要功用是控制进人液压缸的流 量，从而控制液压缸活塞的运动 速度。 液压缸推动工作台移动时必须 a) 克服液压缸所受到的各种阻力，因 图02机床工作台的液压传动系统 而液压缸必须产生一个足够大的推 1一油箱2一过滤器3一液压泵4一溢流阀 力，这个推力是由液压缸中的油液 5、7一换向阀6一节流阀8一液压缸9一工作台 压力产生的。在液压缸活塞面积一 定的情况下要克服的阻力越大，液压缸中的油液压力就越高：反之压力就越低。系统中输入 液压缸的油液的流量由节流阀调节，液压泵所输出的多余的油液须经溢流阀和回油管排回油 箱，这只有在压力管路中的油液压力对溢流阀的阀芯（图中为钢球）的作用力等于或略大 于溢流阀中弹簧的预压力时，油液才能顶开溢流阀中的钢球流回油箱，所以在图示系统中液 压泵出口处的油液压力是由溢流阀决定的，它和液压缸中的压力（由负载决定的）不一样 大。一般情况下，液压泵出口处的压力值应略大于液压缸中的油液压力，因而溢流阀在液压 系统中的主要功用是控制和调节系统的工作压力。 图0-3所示为一可完成某程序动作的气压传动系统，其中的控制装置是由若干气动元件 组成的气动逻辑回路。它可以根据气缸活塞杆的始末位置，由行程开关等传递信号，在做出 逻辑判断后指示气缸下一步的动作，从而实现规定的自动工作循环。 由上面的例子可以看出，液压与气压传动系统主要由以下几个部分组成： (1)能源装置是把机械能转换成流体的压力能的装置，一般最常见的是液压泵或空 气压缩机。 (2)执行装置是把流体的压力能转换成机械能的装置，一般指做直线运动的液（气） 压缸、做回转运动的液（气）压马达等
绪论 1110 图0-3气压传动系统的组成 1一气压发生装置2一储气罐3一压力控制阀4一逻辑元件5一方向控制阀6一流量控制阀 7一气缸8一行程开关9一消声器10一油雾器11一过滤器 (3)控制调节装置是对液（气）压系统中流体的压力、流量和流动方向进行控制和 调节的装置。例如溢流阀、节流阀、换向阀等。这些元件的不同组合组成了能完成不同功能 的液（气）压系统。 (4)辅助装置是指除以上三种以外的其他装置，如油箱、过滤器、空气过滤器、油 雾器、蓄能器等，它们对保证液（气）压系统可靠和稳定地工作有重大作用。 (5)传动介质是指传递能量的流体，即液压油或压缩空气。 四、液压与气压传动的优缺点 液压与气压传动同电力拖动系统、机械系统相比有许多优异的特点。下面从拖动负载能 力和控制方式性能两个方面进行比较。 1.拖动负载能力 由于气压传动系统的使用压力一般在0.2~1.0MPa范围之内，因此它不能作为功率大的 动力系统。在此只对液压传动系统与电力拖动系统做比较。从所能达到的最大功率看，液压 系统不如电力拖动系统。但液压传动最突出的优点是出力大、质量小、惯性小以及输出刚度 大。可用以下指标来表示： (1)功率-质量比大这意味着同样功率的控制系统，液压系统体积和质量小，这是因 为机电元件，例如电动机由于受到磁性材料饱和作用的限制，单位质量的设备所能输出的功 率比较小。液压系统可以通过提高系统的压力来提高输出功率，这时仅受到机械强度和密封 技术的限制。在典型情况下，发电机和电动机的功率-质量比仅为165W/kg左右，而液压泵 和液压马达的功率-质量比可达1650W/kg,是机电元件的10倍。在航空、航天技术领域应 用的液压马达的功率-质量比可达6600W/kg;做直线运动的动力装置与液压缸相比差距将更 加悬殊，从单位面积出力来看，液压缸的出力一般可达到(7.0~30)×10N/m2,而直流直 线式电动机为0.3×10N/m2左右。 (2)力-质量比液压缸的力-质量比一般为13000N/kg,而直流直线式电动机仅为 130N/kg。一般回转式液压马达的转矩-惯量比是同容量电动机的10~20倍，一般液压马达