液压传动的基本知识详解

活动情境

观察并操作液压千斤顶，如图5.1所示。

图5.1　液压千斤顶

任务要求

1.理解液压传动的基本原理。

2.掌握液压传动系统的组成部分及功用。

3.了解流体力学的基本原理。

任务引领

通过观察与操作回答以下问题：

1.液压系统由哪几部分组成？它们各起什么作用？

2.液压传动与机械传动、电气传动和气压传动相比较，有哪些优缺点？

3.帕斯卡原理是什么？它有什么物理意义？

4.液压系统的压力损失和流量损失是如何形成的？应如何降低？

归纳总结

5.1.1　液压传动原理及其系统组成

1）液压传动的原理

液压传动是以液体作为工作介质，以液体的压力能来进行能量传递和控制的一种传动形式。它通过液压泵将电动机的机械能转化为液体的压力能，又通过管路、控制阀等元件经液压缸（或液压马达）将液体的压力能转化成机械能，驱动负载，使执行机构运动。

液压千斤顶是一个简单的液压传动装置。以液压千斤顶为例说明液压传动的工作原理。

如图5.2所示为液压千斤顶工作原理图。大活塞8和大液压缸9组成举升液压缸，杠杆手柄1、小液压缸2、小活塞3，以及单向阀4和7组成手动液压泵。

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，这时单向阀通过吸油管5从油箱吸油；用力压下手柄，小活塞下移，小活塞下端油腔压力升高，单向阀4关闭，单向阀7打开，下腔的油液经管道6输入举升缸（大液压缸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，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，重物就向下移动。

图5.2　液压千斤顶工作原理图

1—杠杆手柄；2—小液压缸；3—小活塞；4，7—单向阀；5—吸油管；6，10—管道；8—大活塞；9—大液压缸；11—截止阀；12—油箱

液压千斤顶的液压传动工作原理是：以油液作为工作介质，通过密封容积的变化来传递运动，依靠油液内部的压力来传递动力。

2）液压系统的组成

从以上实例可知，液压系统由以下5部分组成：

（1）动力部分

将原动机的机械能转换为油液的压力能（液压能）。能量转换元件为液压泵。在液压千斤顶中为手动液压泵。

（2）执行部分

将液压泵输入的油液压力能转换为带到工作机构的机械能。执行元件有液压缸或液压马达。在液压千斤顶中是举升液压缸。

（3）控制部分

用来控制和调节油液的压力、流量及流动方向。控制元件有各种压力控制阀，流量控制阀和方向控制阀。在液压千斤顶中为截止阀、单向阀。

（4）辅助部分

将前面3部分连接在一起，组成一个系统，起连接、储油、过滤、储存压力能、测量油压力及密封等作用。辅助元件有油管、管接头、油箱、过滤器、蓄能器及压力表等。在液压千斤顶中是油管和油箱。

（5）工作介质

通常为液压油，是传递能量的介质，同时还可起润滑、冷却和防锈的作用。它直接影响着液压系统的性能和可靠性。

3）液压元件图形符号

如图5.3（a）所示为一简化了的机床工作台液压传动系统。其动力部分为液压泵1，执行部分为双活塞杆液压缸4，控制部分有手动三位四通换向阀3、节流阀2、溢流阀6，辅助部分包括油箱8、过滤器7和管路等。

液压泵由电动机驱动进行工作，油箱中的油液经过过滤器流向液压泵吸油口，经液压泵升压后送往系统。当换向阀3的阀芯处于右位时，压力油经节流阀2→换向阀3→管道→液压缸4的左腔，推动活塞连同工作台向右运动；液压缸右腔的油液经管道→换向阀3→油箱。当换向阀3的阀芯处于左端位置时，液压缸活塞连同工作台反向运动。当换向阀3的阀芯处于中位时，换向阀的进、回油口全被堵死，活塞静止不动，从而使工作台可在任意位置停止。

图5.3　机床工作台液压传动系统

1—液压泵；2—节流阀；3—换向阀；4—液压缸；5—工作台；6—溢流阀；7—过滤器；8—油箱

改变节流阀2的开口大小，可改变油液的流量，从而调节液压缸连同工作台的运动速度。

液压泵的最大工作压力由溢流阀6调定，其调定值应为液压缸的最大工作压力及系统中油液流经阀和管道的压力损失之总和。

如图5.2（a）所示的液压传动系统图为结构原理图。它比较直观，易于理解，在系统发生故障时按此类图来检查和判断故障原因较为方便。但其图形复杂，特别是在系统元件较多时不便绘制。为了简化液压原理图的绘制，实际绘制时，都是采用我国制订的液压与气动元辅件图形符号标准（GB/T786.1—2009）。与结构或半结构式系统图相比，它便于阅读、分析、设计和绘制液压传动系统图。如图5.3（b）所示，这些符号只表示元件的职能，不表示元件的结构和参数，并以元件的静止状态或零位状态来表示。一般液压传动系统图均应按标准规定的职能符号绘制。

4）液压传动的优缺点

液压传动具有结构紧凑、传动平稳、输出功率大、易于实现无级调速及自动控制等特点，被广泛应用在机械制造、工程建筑、石油化工、交通运输、军事器械、矿山冶金、航空航海、轻工、农机、渔业及林业等方面，也被应用在宇宙航行、海洋开发、核能建设及地震预测等新的技术领域中。

液压传动与机械传动、电气传动相比有以下优点：

①功质比大。单位功率的质量小，体积小，惯性小，结构紧凑。

②调速方便。可方便实现运行中无级调速，调速范围大，可达1/2000。

③工作平稳。传动运动平稳，反应快，冲击小，能快速启动、制动和频繁换向。

④易实现自动化。控制调节简单，操作方便，易实现自动化。

⑤功率大。易获得很大的推力和转矩，可使传动结构简单。

⑥安全可靠。易实现过载保护，用油作传动介质，相对运动表面能自行润滑，元件寿命长。

⑦易三化。易实现标准、系列和通用化，有利于液压系统的设计、制造、使用及维修。

液压传动存在以下缺点：

①不能保证严格的传动比。因为液压介质可压缩和泄漏等。

②系统工作时对温度敏感。介质的黏度随温度而变化，从而不易保证系统在高、低温下工作的平稳性。

③传输效率较低。液压传动过程中有两次能量的转换，并有流量和压力的损失，故传输效率较低。

④成本较高。液压元件制造精度较高，成本较大，对使用和维护有较高的要求。

⑤故障难排除。出现故障时，比较难以查找和排除，对维修人员的技术水平要求较高。

5.1.2　工作介质

液压系统的工作介质是液压油。液压油也是液压元件的润滑剂和冷却剂。液压油的性质对液压传动性能有明显的影响。因此，有必要了解有关液压油的性质和选用方法。

1）工作介质的主要物理性质

（1）密度

单位体积的油液的质量，称为密度，用ρ（单位：kg/m3）表示，即

式中　ρ——液体的密度；

　　　V——液体的体积；

　　　m——液体的质量。

常用液压油的密度为850~960kg/m3。密度随压力的增加而增大，随温度的升高而减小，但变化很小，一般可忽略不计。

（2）可压缩性和膨胀性

随压力的增高液压油体积缩小的性质，称为可压缩性。随温度的升高液压油体积增大的性质，称为膨胀性。在一般液压传动中，液压油的可压缩性和膨胀性值很小，可忽略不计。

（3）黏性

液体在外力作用下流动时，液体分子间的内聚力阻碍其分子间的相对运动而产生一种摩擦力，这种现象称为液体的黏性。液体只有在流动时才会呈现黏性。表示液体黏性大小程度的物理量，称为黏度。液压传动中常用的黏度有动力黏度、运动黏度和相对黏度。

①动力黏度μ。

动力黏度μ是表征流动液体内摩擦力大小的黏性系数。其量值等于液体在以单位速度梯度流动时，单位面积上的内摩擦力。

在我国法定计量单位制及SI制中，动力黏度μ的单位是Pa·s（帕·秒）或用N·s/m2（牛·秒/米2）表示。

②运动黏度ν。

液体动力黏度μ与其密度ρ之比，称为该液体的运动黏度ν，即

其单位m2/s，也常用单位St（沲）（cm2/s）和cSt（厘沲）（mm2/s）表示，它们的关系为

1m2/s=104cm2/s(St)=106mm2/s(cSt)

国际标准化组织ISO已规定统一采用运动黏度来表示油的黏度。我国液压油的牌号采用它在40℃温度下运动黏度平均cSt（厘沲）值来标号。例如，N32号液压油是指这种油在40℃时的运动黏度平均值为32cSt。

③相对黏度。

相对黏度是根据特定测量条件制订的，故称条件黏度。测量条件不同，采用的相对黏度单位也不同。

④温度对黏度的影响。

温度变化使液体内聚力发生变化，因此，液体的黏度对温度的变化十分敏感：温度升高，黏度下降。这一特性称为液体的黏-温特性。黏-温特性常用黏度指数VI来度量。VI表示该液体的黏度随温度变化的程度与标准液的黏度变化程度之比。通常在各种工作介质的质量指标中都给出黏度指数。黏度指数高，说明黏度随温度变化小，其黏-温特性好。

⑤压力对黏度的影响。

压力增大时，液体分子间距离缩小，内聚力增加，黏度也会有所变大。但是，这种影响在低压时并不明显，可忽略不计；当压力大于50MPa时，其影响才趋于显著。

2）液压系统工作介质的种类

（1）对工作介质的要求

①合适的黏度和良好的黏-温特性。

②良好的润滑性。

③成分纯净，杂质少。

④良好的化学稳定性和对金属及密封件材料有良好的相容性。

⑤无害、无毒，污染少，性价比好。

（2）工作介质的种类及性质

液压传动所用工作介质的种类较多，主要可分为石油型、合成型和乳化型三大类。工作介质的主要类型及其性质见表5.1。

表5.1　工作介质的主要类型及其性质

抗燃性液压油普遍价格较高，合成型使用效果较好，但有一定的毒性，乳化型润滑效果较差。因此，目前85%以上的液压设备采用石油型液压油。石油型液压油采用统一的命名方式。其一般形式为

类-品种　数字

例如，L-HV22，其中：

L——类别（润滑剂及有关产品，GB/T7631.1）；

HV——品种（低温抗磨）；

22——牌号。

液压油的黏度牌号由GB/T3141—1994做出了规定，等效采用ISO的黏度分类法，以40℃运动黏度的中心值来划分牌号。石油型液压油有很多种类，其常用种类和适用范围见表5.2。

表5.2　石油型液压油的适用范围

续表

3）正确选用液压油种类需要注意的问题

选用液压油主要考虑液压油的种类和液压油的黏度两个方面。

①工作环境、环境温度、潮湿、消防防火和环保。

环境温度低，可选用低温液压油；环境温度变化大，可选用高黏度指数液压油；环境温度高，可选用高黏度液压油。环境潮湿，则要求液压的防锈、抗乳化和抗水解的能力要强。有火源和消防要求、易燃易爆的工作场所要选用难燃液压液。

②工作条件。

高压高速泵、马达可选用抗磨液压油；齿轮泵抗磨要求低，可选用HL或HM。叶片泵和柱塞泵抗磨要求高，应选用HM。

③正确选用液压油黏度需要注意的问题。

选用液压油黏度必须参考泵制造厂家的黏度推荐值，制造厂家一般规定了黏度范围值。在范围值内，一般情况下，系统压力高、温度高和转速高都选择黏度较大的液压油。

5.1.3　液压传动的重要参数

液压传动的重要参数有两个，即压力和流量。

1）压力

（1）液体的压力

如图5.4所示为一密闭容器。容器内静止的油液受到外力和油液自重的作用。由于在液压系统中，通常外力产生的压力比液体自重产生的压力大得多，因此，可将液体自重产生的压力忽略不计。静止液体在单位面积上所受的法向力，称为静压力，简称压力。用公式表示为

式中　p——压力，N/m2；

　　　F——作用力，N；

　　　A——作用面积，m2。

压力的单位为N/m2，称为帕斯卡，简称帕（Pa），1N/m2=1Pa。由于Pa单位太小，工程使用不便，因此，常采用kPa（千帕）和MPa（兆帕），1MPa=103kPa=106Pa。

图5.4　液体的压力

图5.5　绝对压力、相对压力和真空度的关系

压力的表示方法有两种：一种是以绝对真空作为基准表示的压力，称为绝对压力；另一种是以大气压作为基准所表示的压力，称为相对压力。由于大多数测压仪表所测得的压力都是相对压力。因此，相对压力也称表压力。通常人们所讲的液压系统的压力是指大于大气压力的表压力。当绝对压力低于大气压力时，比大气压力小的那部分数值称为真空度。

绝对压力、相对压力和真空度的关系为（见图5.5）

绝对压力=大气压力+相对压力

相对压力=绝对压力-大气压力

真空度=大气压力-绝对压力

（2）静压力的传递

帕斯卡定律加在密闭容器中液体上的压力，能等值地被液体向各个方向传递。

根据帕斯卡原理和静压力的特性，液压传动不仅可进行力的传递，而且还能将力放大和改变力的方向并进行运动的传递。

图5.6　绝对压力、相对压力和真空度的关系

如图5.6所示为应用帕斯卡原理推导压力与负载关系的实例。其中，垂直液压缸（负载缸）的截面积为A1，水平液压缸截面积为A2，两个活塞上的外作用力分别为F1，F2，则缸内压力分别为p1=F1/A1，p2=F2/A2。由于两缸充满液体且互相连接，根据帕斯卡原理有p1=p2，因此有

式（5.3）表明，只要A1/A2足够大，用很小的力F2就可产生很大的力F1（负载力）；若A1/A2为一定值，则F1越大，所需的力F2也越大。液压千斤顶和水压机就是按此原理制成的。

如果垂直液压缸的活塞上没有负载，即F1=0，当略去活塞质量及其他阻力时，不论怎样推动水平液压缸的活塞，也不能在液体中形成压力。这说明，液压系统中的压力是由外界负载决定的，这是液压传动的一个基本概念。

2）流量和平均流速

（1）液体的流量

液体在管道中流动时，垂直于液体流动方向的截面，称为通流截面。单位时间内流过某通流截面的液体体积，称为流量，用qV表示，即

其单位为m3/s或L/min，则

1m3/s=6×104L/min

（2）平均流速

平均流速是一种假想的流速，即按通流截面上各点流速相同所计算的流量来代替实际的流量。流速是指液流质点在单位时间内流过的距离，用v表示，即

其单位为m/s。若将式（5.5）分子和分母各乘以通流面积A，则得v=sA/tA=qV/A，即

由于油液之间和油液与管壁之间的摩擦力大小不同，而在油液流动时在同一截面上各点的真实流速并不相同，因此，可用平均流速作近似计算。

（3）活塞（或液压缸）运动速度与流量的关系

活塞（或液压缸）的运动是由于流入液压缸的油液迫使密封容积增大而产生的，因此，活塞（或液压缸）运动速度与流入油液流量有直接关系。活塞（或液压缸）随油液流动而移动，以图5.2液压千斤顶为例，设在单位时间t内大活塞8移动的距离为H，活塞的有效作用面积为A，则密封容积变化即所需流入的油液的体积为AH，则流量

活塞（或液压缸）的运动速度为

由式（5.8）可得出以下结论：

①活塞（或液压缸）的运动速度与液压缸内液体的平均流速相同。

②活塞（或液压缸）运动速度v与活塞有效作用面积A和流入液压缸中流量qV有关，与油液的压力p无关。

③活塞（或液压缸）的有效作用面积一定时，活塞（或液压缸）的运动速度取决于流入液压缸中油液的流量，改变流量就能改变运动速度。

（4）液流的连续性

液体在管中作稳定流动时（流动液体中任一点的压力、速度和密度都不随时间而变化），因液体是几乎不可压缩的，则液体在流动过程中遵守质量守恒定律，在单位时间内通过任意截面的液体质量相等（见图5.7），故

m1=m2

图5.7　液流的连续性

根据式（5.1），则

ρ1v1A1=ρ2v2A2

若忽略液体可压缩性，即ρ1=ρ2=ρ，最终得

v1A1=v2A2=常量

就是说，液体流过无分支管道时在任一截面上的流量一定是相等的，这就是液流连续性方程。根据公式v1A1=v2A2=常量，可得出结论：液体在无分支管路中稳定流动时，流经不同截面的平均流速与其截面面积成反比。管路截面积大（管粗）的地方平均流速慢，管路截面积小（管细）的地方平均流速快。

5.1.4　液压传动的压力、流量损失

1）液阻和压力损失

油液由液压泵输出到进入液压缸，其间要经过直管、弯管以及各种阀孔等。由于油液具有黏性，因此，油液各质点之间、油液与管壁之间会产生摩擦、碰撞等，对液体的流动产生阻力。这种阻碍油液流动的阻力，称为液阻。

液阻要损耗一部分能量。这种能量损失主要表现为液流的压力损失。压力损失可分为沿程损失和局部损失。

（1）沿程压力损失

沿程压力损失是指油液沿等直径直管流动时所产生的压力损失。它一般用Δpλ表示。

由于管壁对油液的摩擦，因此，油液的部分压力用于克服这一摩擦阻力。管路越长，沿程压力损失越大。

（2）局部压力损失

局部压力损失是指油液流经局部障碍（如弯管、接头、管道截面突然扩大或收缩）时，由于液流的方向和速度的突然变化，在局部形成旋涡引起油液质点间以及质点与固体壁面间相互碰撞和剧烈摩擦而产生的压力损失。它一般用Δpζ表示。

（3）总压力损失

管路系统的总压力损失等于所有沿程压力损失和所有局部压力损失之和，即

液压传动系统中的压力损失，绝大部分转变为热能，造成油温升高和泄漏增多，使液压元件受热膨胀而“卡死”，使传动的效率降低，影响系统的工作性能。因此，尽量注意减少压力损失。布置管路时，应尽量缩短管路长度，减少管路和截面的突然变化，管路内壁力求光滑，选取合理的管径。由于局部压力损失与液压油速度的平方成正比关系，因此，在液压系统中管路的流速不应过高。

2）泄漏和流量损失

图5.8　液压缸中的泄漏

1—低压腔；2—高压腔；3—外泄漏；4—内泄漏

液压元件不可能绝对密封，液压元件内各零件间有相对运动，必须要有适当间隙。当间隙两端有压力差时，就会有油液从这些间隙流出。从液压元件的密封间隙漏出少量油液的现象，称为泄漏。

泄漏分为内泄漏和外泄漏两种。如图5.8所示为液压缸的两种泄漏现象。内泄漏是液压元件内部高、低压区间的泄漏，外泄漏则是系统内部向系统外部的泄漏。

液压系统的泄漏必然引起流量损失，使液压泵输出的流量不能全部流入液压缸等执行元件。此外，内泄漏的损失转换为热能，使油温升高，外泄漏污染环境，两者均影响系统的性能与效率。

5.1.5　液压冲击与气穴现象

1）液压冲击

在液压系统中，因某种原因使液体压力突然产生很高的峰值，这种现象称为液压冲击。

发生液压冲击时，由于瞬间的压力峰值比正常的工作压力大好几倍，因此，对密封元件、管道和液压元件都有损坏作用，还会引起设备振动，产生很大的噪声。液压冲击经常使压力继电器、顺序阀等元件产生误动作。

液压冲击的产生多发生在阀门突然关闭或运动部件快速制动的场合。这时，液体的流动突然受阻，液体的动量发生了变化，从而产生了压力冲击波。这种冲击波迅速往复传播，最后因液体受到摩擦力作用而衰减。

现将减小压力冲击的措施归纳如下：

①尽量延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间。

②在冲击区附近安装卸荷阀、蓄能器等缓冲装置。

③正确设计阀口，限制管道流速及运动部件速度，使运动部件制动时速度变化较平稳；如果换向精度要求不高，可使液压缸两腔油路在换向阀回到中位时瞬时互通。

2）气穴现象

流动的液体，当压力低于其空气分离压时，原先溶解在液体中的空气就会分离出来，使液体中充满大量的气泡，这种现象称为气穴现象。当液体的压力进一步降低，低到饱和蒸气压时，液体本身将汽化，产生更多的蒸气泡，气穴现象将更加严重。

气穴多发生在阀口和液压泵的入口处。因阀口处液体的流速增大，故压力将降低。如果液压泵吸油管太细，也会造成真空度过大，发生气穴现象。

当液压系统出现气穴现象时，大量气泡使液流的漏洞特性变坏，造成流量不稳定，噪声突增，特别是当带有气泡的液流进入高压区时，气泡受到高压的压迫迅速破灭，使局部产生非常高的温度和冲击压力。这样高的局部温度和冲击压力，一方面使金属表面疲劳，另一方面又使液压油变质，对金属产生化学腐蚀作用，从而使液压元件表面受到侵蚀、剥落，甚至出现海绵状的小洞穴，此现象称为气蚀。气蚀会严重损伤元件表面质量，大大缩短其使用寿命。

为减少气穴现象带来的危害，通常采取下列措施：

①减小孔口或缝隙前后的压力降。一般希望相应的压力比p1/p2<3.5。

②降低液压泵的吸油高度，适当加大吸油管直径。对自吸能力差的液压泵要安装辅助泵供油。

③管路要有良好的密封，防止空气进入。

自测题

一、综合题

1.液压系统由哪几部分组成？各部分的作用是什么？

2.石油液压油有哪几种？它们各应用于什么场合？

3.什么是气穴现象？它一般产生在何处？有什么危害？

4.什么是液压系统的泄漏？生产中如何消除压力损失和流量损失对工作的影响？

二、填空题

1.液压传动的工作原理是________________________，即密闭容积中的液体既可传递__________，又可传递__________。

2.液压传动是以__________为工作介质，利用__________来驱动执行机构的传递方式。

3.液压系统中的压力取决于__________，执行元件的速度取决于__________。

4.液压传动装置由__________、__________、__________、__________及__________组成。其中，__________、___________为能量转换装置。

5.单位时间内流过某通流截面的液体的体积，称为__________。它决定了执行元件的__________。

6.根据液流连续性的原理，同一管道中各个截面的平均流速与过流断面面积成反比，管子细的地方流速__________，管子粗的地方流速__________。

7.液压油的黏度随温度的升高而__________，随压力的升高而__________。

8.根据度量基准的不同，液体压力的表示方法有两种，即__________和__________。其中，大多数的压力表测得的压力是__________。

9.牌号为L-HL40的液压油，是指油液在__________℃时油液的黏度值为__________。

10.液体在管道中流动时产生的压力损失有__________和__________。

11.在液压系统中，由于某些原因使液体压力突然急剧上升，形成很高的压力峰值，这种现象称为__________。

12.绝对压力等于大气压力__________，真空度等于大气压力__________。