《液压与气压传动》介绍液压与气压传动的基本概念、机械设备液压与气压传动中常用的液压与气动元件、基本回路,并结合大量工程实例进行典型系统的分析与设计。
《液压与气压传动》共分9章:第1、2章介绍液压与气压传动的基本概念与理论;第3~6章分别介绍液压与气压传动系统中动力元件、执行元件、控制元件和辅助元件的作用、原理、性能和用途;第7章介绍液压与气压传动的基本回路;第8章介绍典型液压与气压系统的应用与分析;第9章介绍液压与气动系统的设计步骤和方法;在附录中介绍GB/T 786.1—2009中规定的常用液压气动图形符号,FluidSIM仿真软件及其应用,并有习题参考答案。

目录
总序
前言
第1章 绪论 1
1.1 液压与气压传动的工作原理 3
1.1.1 液压传动系统的基本工作原理 3
1.1.2 气压传动系统的基本工作原理 5
1.2 液压与气压传动系统的组成和
表示方法 6
1.2.1 液压与气压传动系统的组成 6
1.2.2 液压与气压传动系统的表示
方法 7
1.3 液压与气压传动的特点 8
1.3.1 液压传动的特点 8
1.3.2 气压传动的特点 8
1.4 液压与气压传动技术的应用与
发展 9
1.4.1 液压与气压传动技术的应用 9
1.4.2 液压与气压传动技术的发展 9
1.4.3 “液压与气压传动”课程学习中
需要注意的问题和知识点 10
1.5 工程应用案例:自卸车车厢
举倾机构 11
练习题 12
第2章 流体力学基础 13
2.1 液压与气压传动的工作介质 14
2.1.1 液压传动的工作介质 14
2.1.2 液压油的污染与控制 17
2.1.3 气压传动的工作介质 18
2.2 液体静力学 20
2.2.1 液体的静压力及其特性 20
2.2.2 静止液体中的压力分布 21
2.2.3 静止液体内压力的传递——
帕斯卡定理 21
2.2.4 静止液体作用在固体表面上
的力 22
2.3 气体状态方程 23
2.3.1 理想气体状态方程 23
2.3.2 热力学**定律 23
2.3.3 气体状态变化过程 23
2.4 流体动力学 24
2.4.1 流动液体的基本概念 25
2.4.2 流动液体的质量守恒方程——
连续性方程 27
2.4.3 流动液体的能量方程——
伯努利方程 27
2.4.4 流动液体的动量方程 29
2.5 液体流动时的压力损失 30
2.5.1 沿程压力损失 30
2.5.2 局部压力损失 32
2.5.3 管路系统的总压力损失 32
2.6 孔口及缝隙的压力流量特性 32
2.6.1 孔口压力的流量特性 33
2.6.2 缝隙压力的流量特性 34
2.7 液压冲击与空穴现象 36
2.7.1 液压冲击 36
2.7.2 空穴现象 37
2.8 气体动力学 37
2.8.1 气体流动的基本概念 37
2.8.2 气体流动的基本方程 37
2.8.3 声速与马赫数 38
2.8.4 气体管道的阻力计算 39
2.8.5 气体的通流能力 39
2.8.6 充、放气现象的基本方程 40
2.9 工程应用案例:液压减震器的
工作原理 42
练习题 43
第3章 液压与气压传动动力元件 46
3.1 液压泵概述 47
3.1.1 液压泵的基本工作原理及分类 47
3.1.2 液压泵的性能参数及计算公式 48
3.2 齿轮泵 50
3.2.1 外啮合齿轮泵的工作原理 50
3.2.2 外啮合齿轮泵的排量和流量 50
3.2.3 外啮合齿轮泵的结构特点 51
3.2.4 内啮合齿轮泵 54
3.2.5 螺杆泵 54
3.3 叶片泵 55
3.3.1 单作用叶片泵 55
3.3.2 限压式变量叶片泵 57
3.3.3 双作用叶片泵 59
3.4 柱塞泵 63
3.4.1 斜盘式轴向柱塞泵 63
3.4.2 斜轴式轴向柱塞泵 69
3.4.3 径向柱塞泵 70
3.5 各类液压泵的主要性能及其
应用 71
3.5.1 液压泵的选用 72
3.5.2 液压泵所需电动机功率计算 73
3.5.3 液压泵的安装 74
3.5.4 使用液压泵的注意事项 74
3.5.5 液压泵的故障分析与排除 75
3.6 气源装置 75
3.6.1 气动系统对压缩空气的要求及
净化 75
3.6.2 气源装置的组成及工作原理 76
3.6.3 空气压缩机 77
3.7 气源净化设备 78
3.7.1 后冷却器 78
3.7.2 油水分离器 78
3.7.3 储气罐 78
3.7.4 干燥器 79
3.7.5 过滤器 80
3.7.6 气动三大件 81
3.8 工程应用案例:船舱水密门
液压系统 83
练习题 85
第4章 液压与气压传动执行元件 86
4.1 液压马达 87
4.1.1 液压马达的特点及性能参数 87
4.1.2 高速液压马达 90
4.1.3 低速大转矩液压马达 92
4.2 气动马达 94
4.2.1 气动马达的分类及特点 94
4.2.2 常用气动马达 94
4.3 液压缸 95
4.3.1 液压缸的类型和特点 95
4.3.2 液压缸的结构 99
4.3.3 液压缸的设计计算 103
4.3.4 模拟控制液压缸和数字控制
液压缸 107
4.4 气缸 109
4.4.1 气缸的分类 109
4.4.2 普通气缸 109
4.4.3 特殊气缸 111
4.5 工程应用案例:码头移动式
登船梯 117
练习题 119
第5章 液压控制阀与气动控制阀 122
5.1 液压控制阀概述 123
5.1.1 液压阀的功用 123
5.1.2 液压阀的基本结构与性能
参数 123
5.1.3 液压阀的分类 123
5.2 液压方向控制阀 125
5.2.1 单向阀 125
5.2.2 换向阀 126
5.3 压力控制阀 135
5.3.1 溢流阀 135
5.3.2 减压阀 140
5.3.3 顺序阀 142
5.3.4 压力继电器 145
5.4 流量控制阀 146
5.4.1 流量控制原理 146
5.4.2 节流阀 146
5.4.3 调速阀 147
5.4.4 旁通型调速阀 149
5.4.5 温度补偿调速阀 150
5.4.6 分流集流阀 150
5.5 插装阀和叠加阀 152
5.5.1 插装阀 152
5.5.2 叠加阀 157
5.6 比例控制阀和伺服控制阀 157
5.6.1 比例控制阀 158
5.6.2 伺服阀 162
5.7 电液数字阀 163
5.7.1 电液数字阀的工作原理与
组成 164
5.7.2 数字阀的结构 164
5.8 气动控制阀 165
5.8.1 气动方向控制阀 166
5.8.2 气动压力控制阀 170
5.8.3 气动流量控制阀 173
5.9 工程应用案例:汽车防抱制动
系统 173
练习题 174
第6章 辅助元件 178
6.1 液压辅助元件 179
6.1.1 蓄能器 179
6.1.2 过滤器 182
6.1.3 油箱 185
6.1.4 密封件 186
6.1.5 管道及管接头 190
6.1.6 热交换器 193
6.2 气动辅助元件 194
6.2.1 消声器和排气洁净器 194
6.2.2 传感器 195
6.2.3 真空元件 196
6.2.4 其他辅件 198
6.3 工程应用案例:油管的设计与
流量开关 199
6.3.1 油管的设计计算 199
6.3.2 流量开关的应用实例 200
练习题 201
第7章 液压与气压传动基本回路 202
7.1 方向控制回路 203
7.1.1 换向回路 203
7.1.2 锁紧回路 205
7.2 压力控制回路 206
7.2.1 调压回路 206
7.2.2 减压回路 207
7.2.3 增压回路 207
7.2.4 保压回路 208
7.2.5 背压回路 209
7.2.6 卸荷回路 210
7.2.7 平衡回路 210
7.3 速度控制回路 211
7.3.1 节流调速回路 212
7.3.2 容积调速回路 216
7.3.3 容积节流调速回路 218
7.3.4 快速运动回路 220
7.3.5 速度换接回路 221
7.4 多缸动作回路 222
7.4.1 顺序动作回路 223
7.4.2 同步回路 225
7.4.3 多缸工作时互不干涉回路 228
7.5 气动基本回路 229
7.5.1 方向控制回路 229
7.5.2 压力控制回路 229
7.5.3 速度控制回路 230
7.5.4 气-液联动控制回路 231
7.5.5 往复运动控制回路 232
7.5.6 其他回路 233
7.6 工程应用案例:气动移门 234
练习题 237
第8章 典型液压与气压传动系统分析 239
8.1 组合机床动力滑台液压传动
系统分析 240
8.1.1 组合机床动力滑台液压传动
系统及其工作原理 241
8.1.2 组合机床动力滑台液压传动
系统的主要特点 243
8.2 液压机液压传动系统分析 243
8.2.1 液压机液压传动系统及其工作
原理 243
8.2.2 液压机液压传动系统的主要
特点 246
8.3 塑料注塑成形机液压传动系统
分析 246
8.3.1 塑料注塑成形机液压传动系统
及其工作原理 247
8.3.2 塑料注塑成形机液压传动系统
的主要特点 251
8.4 汽车起重机液压传动系统 251
8.4.1 汽车起重机液压传动系统及其
工作原理 253
8.4.2 汽车起重机液压传动系统的
主要特点 253
8.5 电液比例和电液伺服系统 254
8.5.1 电液比例系统 254
8.5.2 电液伺服系统 255
8.6 气动系统应用与分析 257
8.6.1 液体自动定量灌装机气动
系统 257
8.6.2 气动张力控制系统 258
8.6.3 气动机械手控制系统 260
8.7 工程应用案例:挖掘机的液压
系统 261
练习题 264
第9章 液压与气压传动系统设计 269
9.1 液压系统的设计原则与策略 269
9.1.1 液压系统绿色设计原则 269
9.1.2 液压系统绿色设计策略 270
9.2 液压系统的设计内容与步骤 272
9.2.1 明确对液压系统的设计要求 272
9.2.2 分析工况,确定液压系统的
主要参数 272
9.3 液压系统原理图的确定和液压
元件的计算选择 274
9.3.1 液压系统原理图的确定 274
9.3.2 液压元件的计算与选择 276
9.3.3 液压系统的性能验算及
校核 280
9.4 液压系统仿真与性能分析 283
9.4.1 仿真技术在液压系统的应用 283
9.4.2 基于MATLAB的液压系统
仿真技术研究与应用 284
9.4.3 AMESim仿真技术及其在
液压系统中的应用 286
9.5 液压系统装配图的绘制 288
9.5.1 液压装置的总体布局 288
9.5.2 液压阀的配置形式 288
9.5.3 集成块设计 288
9.5.4 绘制正式液压系统装配图和
编写技术文件 289
9.6 典型液压系统设计应用实例 289
9.6.1 塑料注射机液压系统的设计
要求及参数 289
9.6.2 液压执行元件载荷力和载荷
转矩的计算 290
9.6.3 液压系统主要参数的计算 291
9.6.4 制订系统方案和拟定液压
系统图 292
9.6.5 液压元件的选择 295
9.6.6 液压系统性能验算 296
9.7 气压传动控制系统的设计 299
9.7.1 X-D线图法的设计步骤 300
9.7.2 气动顺序控制回路设计举例 300
练习题 303
附录A 液压与气动图形符号 304
附录B FluidSIM仿真软件及其应用 311
附录C 主要变量及其中英文对照 315
练习题参考答案 316
参考文献 318

第1章 绪 论
一部完整的机器由原动机、传动部分、控制部分和工作机构等组成。传动部分是一个中间环节,它的作用是把原动机(电动机、内燃机等)的输出功率传送给工作机构。传动有多种类型,如机械传动、电力传动、液体传动、气压传动以及它们的组合——复合传动等。
以流体为工作介质进行传动的方式为流体传动,流体传动可分成液体传动和气体传动两种传动形式。用液体作为工作介质进行能量传递的传动方式称为液体传动。按照其工作原理的不同,液体传动又可分为液压传动和液力传动两种形式。前者是以液体的压力能进行工作的,也称容积式液压传动;后者是利用液体的动能进行工作的,称为液力传动。
用气体作为工作介质进行能量传递的传动方式称为气压传动,包括燃气和蒸汽。本书主要介绍以液体为介质的液压传动技术和以压缩空气为介质的气压传动技术。
如图1-1所示的液压压力机,是一台较完整而又典型的液压传动设备,在工程实际中,液压压力机是一种可用于加工金属、塑料、木材、皮革、橡胶等各种材料的压力加工机械,能完成锻压、冲压、折边、冷挤、校直、弯曲、成形、打包等多种工艺,用途十分广泛。电动机将输入的电能变成旋转的转矩,以机械能的方式输出,电动机带动液压泵将机械能转化为液体压力能,液压缸利用液体的压力能,带动模具实现各种规定的动作和工作循环,从而使压力机完成工程实际中所需加工工序。



(1)掌握液压与气压传动系统的基本工作原理、系统组成及其表示和特点。
(2)了解液压与气压传动的应用与国内外技术发展概况。

找两个柱塞面积不同的医用注射器,用塑料导管将其组成连通器进行力传递的实验,观察力、位移与柱塞面积之间的关系。

传动方式有很多,什么情况选择液压传动?什么情况选择气压传动?各有什么优势?

(1)预习物理学中的帕斯卡原理,理解“系统压力取决于外负载,外负载的运动速度取决于流量”这两个重要特征。
(2)理解千斤顶的工作原理。






1.1 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,而气动系统以空气作为工作介质。两种工作介质的不同在于液体几乎不可压缩,而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诸方面是极为相似的。从原理上讲,将液压传动系统中的工作介质换为气体,液压传动系统则变为气压传动系统。但是由于这两种传动系统的工作介质及其特性有很大区别,所以这两种系统的工作特性有较大不同,所应用的场合也不一样。尽管这两种系统所采用的元器件的结构原理相似,但很多元件不能互换。
1.1.1 液压传动系统的基本工作原理
液压传动与控制是以液体作为介质实现各种机械量的输出(力、位移或速度)。其过程是利用各种元件组成的、具有各种功能的基本控制回路,再通过各种执行元件组成的传动系统来实现各种运动及控制功能。液压传动的应用极为普遍,如一个体积很小的液压千斤顶能把几吨重的汽车顶起,万吨压力机能产生上万吨的压力。其工作原理都是利用密闭容器中油液的压力来传递能量。
现以液压千斤顶为例(图1-2),简述液压传动的工作原理。图1-2(b)所示为液压千斤顶的工作原理,它由杠杆1、泵体2、小活塞3、单向阀4和7组成的手动液压泵和大活塞8、缸体9等组成的举升液压缸构成。其工作过程如下:提起杠杆1,小活塞3上升,泵体2下腔的工作容积增大,形成局部真空,油箱12中的油液在大气压力的作用下,推开单向阀4进入泵体2的下腔(此时单向阀7关闭):当压下杠杆1时,小活塞3下降,泵体2下腔的容积缩小,油液的压力升高,打开单向阀7(单向阀4关闭),泵体2下腔的油液进入缸体9的下腔(此时截止阀11关闭),使大活塞8向上运动,把重物顶起。反复提压杠杆1,就可以使重物不断上升,达到起重的目的。当工作完毕,打开截止阀11,使缸体9下腔的油液通过管路10直接流回油箱,大活塞8在外力和自重的作用下实现回程。
图1-2(b)所示的系统不能调节重物上升速度,也没有设置防止系统压力过高的功能,但从这简单的系统,可以得出有关液压与气压传动的一些重要概念。
设小活塞3和大活塞8的面积分别为 和 ,当作用在大活塞8上的负载和作用在小活塞3上的作用力为 和 时,依帕斯卡原理,大、小活塞下腔以及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 )忽略活塞运动时的摩擦阻力,有
(1-1)
或 (1-2)
式中, 为油液作用在大活塞上的作用力, 。
式(1-1)说明,系统压力 的大小由负载的大小决定,这是**个非常重要的概念。式(1-2)说明当面积 远远大于 时,作用在小活塞上一个很小的力 ,便可以在大话塞上产

(a)液压千斤顶外形 (b)液压千斤顶工作原理
图1-2 液压千斤顶
1-杠杆;2-泵体;3-小活塞;4、7-单向阀;5-吸油管;
6、10-管路;8-大活塞;9-缸体;11-截止阀;12-油箱
生一个很大的力 以举起负载(重物)。这就是液压千斤顶的原理。
若设大、小活塞移动的速度分别为 和 ,在不考虑泄漏情况下稳态工作时,有
(1-3)
或 (1-4)
式中, 为流量,定义为单位时间内输出(或输入)的液体体积。
式(1-4)说明,大缸活塞运动的速度 ,在缸体的结构尺寸一定时,取决于输入的流量。这是第二个非常重要的概念。
使活塞上的负载上升所需的功率为
(1-5)
式中,液压压力 的单位为 ;流量 的单位为 ;功率 的单位为 。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。
上述例子说明,手按动杠杆使小活塞所作的机械能变成了小油缸排出流体的压力能,而进入大油缸的液体压力能通过大活塞转变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。
图1-3所示为一台用半结构式图形绘出的驱动磨床工作台的液压传动系统。这个系统可使工作机构作直线往复运动,并能克服各种阻力和调节工作机构的运动速度,通过它可以进一步了解液压传动系统的工作原理。在图1-3中,液压泵4由电动机驱动旋转,从油箱1中吸油。油液经过滤器2进入液压泵,当它从液压泵输出进入压力管10后,通过开停(换向)阀9、节流阀13、换向阀15进入液压缸18的左腔,推动活塞17和工作台19向右移动。这时,液压缸右腔的油液经换向阀和回油管14排回油箱。
如果将换向阀手柄16转换成如图1-3(b)所示的状态,则压力管10中的油液将经过开停(换向)阀、节流阀和换向阀进入液压缸的右腔,推动活塞和工作台向左移动,并使液压缸左腔的油液经换向阀和回油管14排回油箱。
工作台的移动速度是由节流阀来调节的。当节流阀口开大时,进入液压缸的油液增多,工作台的移动速度增大;当节流阀口关小时,进入液压缸的油液减少,工作台的移动速度减小。
为了克服移动工作台所受到的各种阻力,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,液压缸中的油压越高;反之压力就越低。液压泵输出的多余油液经溢流阀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。所以,在图示液压系统中,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不一样大。
如果将换向阀手柄转换成图1-3(c)所示的状态,压力管中的油液将经溢流阀和回油管3排回油箱,不输到液压缸中去,这时工作台停止运动,而系统保持溢流阀调定的压力。
如果将开停阀手柄11转换成图1-3(d)所示的状态,压力管中的油液将经开停(换向)阀和回油管12排回油箱,不输到液压缸中去,这时工作台就停止运动,而液压泵输出的油液直接流回油箱,使液压系统卸荷。
1.1.2 气压传动系统的基本工作原理
以气动剪料机(图1-4)为例介绍气压传动系统的基本工作原理。
在图1-4的气动剪料机系统中,当工料11送入剪料机并达到预定位置时,行程阀8的阀芯被向右推移,这样换向阀9的控制腔A就与压力气体接通,阀芯压缩弹簧上移,由空气压缩机1产生经净化储存在储气罐4中的压缩空气,经分水滤气器5、减压阀6、油雾器7、换向阀9进入气缸10下腔,推动气缸和活塞向上运动并使气缸10上腔的气体经换向阀9排入大气,气缸活塞带动剪刃将工料11剪断并随之松开行程阀8的阀芯使之复位,换向阀9的A腔排气,主阀芯在弹簧作用下向下移动,将排气通道隔断,而进气通道接通。压缩空气进入气缸10上腔,气缸活塞向下运动并使气缸下腔排气。活塞的向下运动带动剪刃复位,准备第二次下料。
由上例可知,气动系统也是一种能量转换与传送系统。但和液压系统相比,由于所用的工作介质气体的可压缩性,使之在工作原理和装置构成上有别于前者。在工作原理方面,气缸活塞的速度并不只和进入气缸的压缩空气流量有关,而至少还和其膨胀过程有关。活塞的速度也不如液压传动那样平稳。因此,在考虑气缸工作过程中的压缩空气流量和压力的时候,往往运用平均的概念代替液压传动中的稳态值概念(平均压缩空气耗量q( ),平均气缸工作压力p( )。气压传动严格说也不是一种简单的静压传动。
从液压传动系统和气压传动系统的例子可以看出:
(1)液压与气压传动是分别以液体和气体作为工作介质来进行能量传递和转换的;
(2)液压与气压传动是分别以液体和气体的压力能来传递动力和运动的;
(3)液压与气压传动中的工作介质是在受控制、受调节的状态下进行工作的。
1.2 液压与气压传动系统的组成和表示方法
1.2.1 液压与气压传动系统的组成
尽管液压传动系统和气压传动系统的各自特点不尽相同,但其组成形式类似,下面简述它们的组成。从上述的液压和气压传动系统的工作原理图可以看出,液压与气压传动系统大体上由以下四部分组成。
(1)动力装置:动力装置是指能将原动机的机械能转换成液体压力能或气体压力能的装置,它是液压与气压传动系统的动力源。对液压传动系统来说是液压泵,其作用是为液压传动系统提供压力油;对气压传动系统来说是气压发生装置,也称为气源装置,其作用是为气压传动系统提供压缩空气。
(2)控制调节装置:它包括各种阀类元件,其作用是控制工作介质的流动方向、压力和流量,以保证执行元件和工作机构按要求工作。
(3)执行元件:执行元件指油缸、气缸或液压马达、气动马达,是将压力能转换为机械能的装置,其作用是在工作介质的作用下输出力和速度(或转矩和转速),以驱动工作机构做功。
(4)辅助装置:除以上装置以外的其他元器件都称为辅助装置,如油箱、过滤器、蓄能器、