液压传动的概述

一、什么是液压传动

液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。液压系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件(液压油缸或马达)把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。

二、液压传动的应用及发展

液压传动开始于二十世纪初，德国研制出第一台液压传动装置。1906年美国首先在军舰炮塔的仰附装置上应用液压传动装置，其后不断推广应用在舰船的操舵、卷扬、提升等部位及港口设备上。到二十世纪三十年代，一些工业发达的国家开始用于机床上，并组织液压件的生产，液压传动被广泛应用。

二次世界大战期间，由于战争迫切需要一些反应迅速、准确、输出功率大的设备，因此液压传动应用于飞机、坦克、火炮等军事武备上，促进了液压技术的研究和发展。战后五十年代，液压技术很快转入民用工业，在机床、工程机械、农用机械、汽车、船舶等行业都有很大发展。

随着电子技术、伺服技术、空间技术及原子技术的发展，液压技术被推向更高的水平，应用更广泛的领域，尤其近二十年中，深入到各行各业中，在工程机械中，如挖掘机、起重机、推土机、压路机、路面铺筑机械、石油采钻机械等均已采用液压技术并形成系列化产品，同样在其他各行各业中，液压传动技术也得到广泛应用。

三、液压传动的原理

液压传动是利用密封工作容积内液体压力势能的变化来传递能量，进

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行控制。

1、液压传动与液力传动的区别：二者均属于液体传动，工作介质为液体，靠液体来传递能量和进行控制，区别如下：

（1）液压传动是利用密封工作容积内液体压力能（既势能）的变化来传递能量，如：千斤顶。

（2）液力传动则是利用液体动能的变化来传递能量，如：偶合器、变矩器。

2、静压力：液压传动中所说的压力，都是指静压力。静压力指由于外力作用的结果，在液体内部产生的压力。它包括两个方面：(1)是液体本身的自重产生的压力γh（其中γ为液体比重，h为液体某点至液面的高度）；(2)液体表面所承受的外力作用PO。

即：静压力P=γh + PO

3、绝对压力、相对压力、大气压力、真空度

液压传动中所谓压力，在物理学中称为压强。压力有两种表示方法：一是以零气压为基准所表示的压力，称为绝对压力；另一是以当地大气压为基准所表示的压力，称为相对压力（也叫表压力）。 绝对压力、相对压力、大气压力、真空度四者之间的关系如下：

绝对压力=大气压力+相对压力（表压力）

当绝对压力低于大气压力时，相对压力为负值，此负值在工程机械上称为真空度，即：真空度=大气压力-绝对压力。

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（1）液压泵从油箱吸油，就是利用液压泵运转时在吸内产生的真空，依靠油面的大气压力把油压进去的。一般液压油的重度为0.9x10kg/cm,因此，若液压泵吸油口能达到完全真空（绝对压力等于零），并且吸路阻力为零，那么吸油最高可达11米；但实际中液压泵吸油口真空度为0.4-0.5kgf/cm2 ( 绝对压力不低于0.5-0.6kgf/cm2)，且吸且有一定的阻力，故液压泵吸油高度一般不超过1米（要求不超过0.5米）。

（2）液体的比重γ为常量，因此液体中某一点的表压力（相对压力）与它所在位置的深度h成正比，在流体力学中常用液柱高度来表示压力的大小，即： h=P/γ；则1标准大气压相当于10.336m水（γ为10kgf/cm）柱高度的压力，相当于0.760m水银（γ为1.36 x10kgf/cm）柱高度的压力。

h水=1.013 x105 pa/10kgf/cm=1.013x108 N/m2/9.8x10-6 N/m3=10.336 m h银=1.013 x105 pa/1.36 x10kgf/cm=0.760m 4、液压传动中常用的单位及换算关系

（1）力的单位：牛顿（N），1 N =1 kg.m/s , 1 kgf = 9.8 N

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（2）压力的国际单位：帕（pa），1 pa= 1N/m2=10-5bar

1Mpa=106 pa=10 bar

压力的常用单位为：kgf/cm,1kgf/cm的压力可称为一个工程大气

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压，而1标准大气压值为1.034kgf/cm。

标准大气压、工程大气压、Mpa三者间关系如下： 1标准大气压 = 1.013 x 105 pa=1.034 kgf/cm 1工程大气压 = 1 kgf/cm= 9.8N/10m

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= 0.98 x 105 N/m2=0.98 x 105 pa

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1Mpa=106pa=10.204 kgf/cm=9.8692标准大气压

10个标准大气压 > 1Mpa > 10个工程大气压

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（3）液体比重的单位：kgf/cm,

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（4）N/m2、bar、kg f均为沿用单位。 5、液压传动的原理

（1）液体静力学方程式：在密闭容器内液体表面施加压力P1，则容器内任意一点的液体的压力P值为：P=P1+γh

也即：液体内任意一点静压力等于自由面上的压力加液柱的压力。 （2）帕斯卡定理：在密闭容器内，处于平衡状态下的液体对施加于它表面的压力，在液体内各个方向等值传递。

四、液压传动的组成与作用（以千斤顶为例）

一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、附件和液压油。

1、动力元件（液压泵）：作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵，它们的性能比较见：附表1所示。泵体2、杠杆1、活塞3等组成的手油泵即为动力元件。 2、执行元件(如液压缸和液压马达)：作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。如图：缸体12、活塞11组成的油缸。

3、控制元件(即各种液压阀)：在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。根据控制功能的不同，液压阀可分为

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压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为溢流阀(安全阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。如图，单向阀5、7以及放油阀8即为控制元件。

4、辅助元件：包括油箱、滤油器、及管接头、密封圈、压力表、真空表、储能器、油位计、油温计等；从他们对整个液压传动的工作原理看，起辅助作用，但从保证完成液压系统传递功率的作用看，确非常重要。如图，9、油箱6等。

5、液压油：是液压系统中传递能量的工作介质，有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。（另作专门介绍）

附表1： 各种液压泵性能比较

项目 排 量 (cm3/r) 最高压力(MPa) 最高转速(r/min) 最高效率(%) 对污染 敏感性 12齿轮泵（外啮合） 1-500 1-25 900-4000 70-85 叶片泵卫 平衡式1-350 不平衡式10-230 平衡式3.5-40 不平衡式3.5-14 平衡式1200-3000 不平衡式1200-1800 平衡式70-90 不平衡式60-70 斜轴式柱塞泵 斜盘式柱塞泵 100-1000 21-40 750-3600 88-95 对污染最敏感，配流盘受损伤时效率降低 转速1800r/min时，允许吸入真空 度为：-3.9997-0Pa (-3-0cmHg) 额定转速 1450-2400r/min时，噪声87dB 4-500 21-40 750-3600 85-92 对污染最敏感，配流盘滑靴磨损时效率降低 同斜轴式柱塞泵 额定转速1450 -2400r/min时，噪声77dB 不易受污染影响，随着齿轮的磨损，效率有所降低 转速1800r/min时， 吸油性能 允许吸入真空度为：-266.4-328.8Pa (-20-40cmHg) 对污染较敏感，叶片磨损时，效率降低到很小 转速1800r/min时，允许吸入真空度为： -13332.2~-266.4Pa (-10-20cmHg) 额定转速 额定转速300r/min1450-2400r/min时， 噪声(dB) 时，噪声83dB 噪声76dB 对过滤精

30-50μm 20-30μm 5

15-25μm 15-25μm 度要求 内部摩擦副；支承轴套端面、齿轮及轴易出故障颈磨损，引起橡胶密的部位 封损坏、泵体内孔及两侧板磨损。 配油盘三角槽极易堵塞，污染物侵入摩擦副，发生异常磨损或卡殆，应注意油液清洁和吸油通畅，易出现突发性故障。 连杆组件磨损，连杆球头从所有变量泵驱动轴球窝中的变量机构，三脱出，功率调节对摩擦副磨。 弹簧失效，两对摩擦副磨损。 五、液压传动的优点和缺点

1、液压传动的优点：（1）力的放大，易于大幅度减速，获得较大的力和力矩。（2）易实现无级变速。（3）操作轻便、安全可靠。（4）能容量大（即较小的重量和尺寸的液压元件可传递较大的功率）。（5）便于布局，各液压元件可用管路连接，安装自由度多。（6）自润滑功能，由于液压传动工作介质本身就是润滑油，因而简化了机械保养，延长了元件寿命。

2、液压传动的缺点：（1）液压油的泄漏难以避免。外泄会污染环境并造成液压油浪费，内泄会降低传动效率并影响传动的平稳性、准确性。（2）效率低。 （3）随着粘温性的变化，会影响传动机构工作性能。（4）流动压力损失大，不易远距离传递。（5）加工成本高。

六、液压传动系统的形式及性能评价

从不同的角度出发，可以把液压传动系统分成不同的形式。 1、按油液的循环方式，液压传动系统可分为开式系统和闭式系统。

（1）开式系统

开式系统是指液压泵从油箱吸油，油经各种控制阀后，驱动液压执行元件，回油再经过换向阀回油箱。

特点：开式系统结构较为简单，可以发挥油箱的散热、沉淀杂质作用，系统油箱大，油泵自吸性能好；但因油液常与空气接触，使空气易于渗入系统，导致机构运动不平稳等后果。

（2）闭式系统

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闭式系统中，液压泵的进直接与执行元件的回相连，工作液体在系统的管路中进行封闭循环。

特点：其结构紧凑，与空气接触机会少，空气不易渗入系统，故传动较平稳。工作机构的变速和换向靠调节泵或马达的变量机构实现，避免了开式系统换向过程中所出现的液压冲击和能量损失。但闭式系统较开式系统复杂，因无油箱，油液的散热和过滤条件较差。为补偿系统中的泄漏，通常需要一个小流量的补油泵和油箱。由于单杆双作用油缸大小腔流量不等，在工作过程中会使功率利用下降，所以闭式系统中的执行元件一般为液压马达。 2、按系统中液压泵的数目，可分为单泵系统、双泵系统和多泵系统。 3、按所用液压泵形式的不同，可分为定量泵系统和变量泵系统。

变量泵的优点是在调节范围之内，可以充分利用发动机的功率，但其结构和制造工艺复杂，成本高，可分为手动变量、尽可能控变量、伺服变量、压力补偿变量、恒压变量、液压变量等多种方式。

4、按向执行元件供油方式的不同，可分为串联系统和并联系统。

（1）串联系统中，上一个执行元件的回油即为下一个执行元件的进油，每通过一个执行元件压力就要降低一次。在串联系统中，当主泵向多路阀控制的各执行元件供油时，只要液压泵的出口压力足够，便可以实现各执行元件的运动的复合。但由于执行元件的压力是叠加的，所以克服外载能力将随执行元件数量的增加而降低。

（2）并联系统中，当一台液压泵向一组执行元件供油时，进入各执行元件的流量只是液压泵输出流量的一部分。流量的分配随各件上外载荷的不同而变化，首先进入外载荷较小的执行元件，只有当各执行元件上外载荷相等时，才能实现同时动作。

全液压传动机械性能的优劣，主要取决于液压传动系统性能的好坏，

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包括所用元件质量优劣，基本回路是否恰当等。系统性能的好坏，除满足使用功能要求外，还应从液压系统的效率、功率利用、调速范围和微调特性、振动和噪声以及系统的安装和调试是否方便可靠等方面进行。 现代工程机械几乎都采用了液压系统，并且与电子系统、计算机控制技术结合，成为现代工程机械的重要组成部分。

七、液压元件对过滤精度的要求

液压元件名称 齿轮泵及马达 叶片泵及马达 柱塞泵及马达 高压柱塞泵及马达 中低压液压阀 高压液压阀 高速阀、比例阀 伺服阀 精密伺服阀 过滤精度（µm） 30-50 20-30 15-25 10-15 15-25 10-15 10-15 5-10 3-5

八、工程机械液压系统油液劣化标准

项 目 粘度变化 酸值（mg(KOH)/g） 水分（体积） 颗粒杂质 比重变化 锈蚀试验 腐蚀试验 乳化状况 油的状态变化

标准值 ±(10-15)% ±(20-30)% ＞0.15% 不得低于规定的污染度等级 ±0.05 生 锈 腐 蚀 已乳化 发自、发黑 备注 其中有三项指标超过标准值时应更换新油 8