模块8 练习题 · 液压与气压传动

帕斯卡原理指出：密闭容积内静止液体所受的压力可等值传递到各点。液压千斤顶就是利用小活塞面积小、大活塞面积大来放大力。

动力元件是液压泵，执行元件是液压缸/马达，控制元件是各类阀，辅助元件包括油箱、滤油器、蓄能器等。

恰好相反：速度取决于流量（v = q/A），推力取决于压力（F = pA）。而压力本身由负载决定，这就是“压力取决于负载、速度取决于流量”的基本规律。

A = 50 cm² = 0.005 m²；q = 10 L/min = 0.01 m³/min；
v = q/A = 0.01/0.005 = 2 m/min。

液压传动在同样功率下体积小、重量轻（功率密度大），且可在较大范围内无级调速、换向平稳、易实现过载保护；但效率低于机械传动，且不宜远距离传动。

液压泵只提供流量，压力大小取决于油液流动时遇到的阻力。当执行元件克服的负载越大，所需油压越高；负载为零时压力接近零（仅克服管路阻力）。系统最高压力由溢流阀限定，起过载保护作用。因此不能认为“泵的额定压力就是系统工作压力”。

液压泵把机械能转换为液压能，是动力元件；液压缸/马达是执行元件，阀是控制元件，油箱是辅助元件。

齿轮泵结构简单、耐污染、价格低；叶片泵流量均匀、噪声小；柱塞泵压力高、效率高、易变量。

溢流阀并联在系统中，正常工作时关闭；当系统压力超过调定值时阀口开启，把多余油液排回油箱，从而限定最高压力、保护系统。

换向阀控制方向（正、反、停止），调速阀控制流量从而控制速度，两者配合实现方向与速度的双重控制。

差动时有效面积减小为 (A−A₂)，速度提高但推力相应减小，常用于机床“快进—工进”回路中的快进段。

作用是滤除油液中的杂质颗粒，保持油液清洁，防止阀芯卡死、磨损加剧。常见安装位置：① 泵的吸油口（粗过滤，防止大颗粒进入泵，需注意阻力不能过大）；② 泵出口的压力油路（精过滤，保护下游元件）；③ 回油路（收集系统磨损产物）；④ 独立的旁路过滤系统。

调压回路用溢流阀限定系统最高压力；减压回路用减压阀获得较低压力；调速回路控制速度；锁紧回路防止执行元件漂移。

节流调速靠节流阀产生阻力来改变流量，多余的油液经溢流阀回油箱，能量损失大、油温升高，故适用于小功率、速度稳定性要求不很高的场合。

节流调速结构简单、成本低但效率低；容积调速通过改变泵/马达排量，效率高、发热小，适合大功率系统。

液控单向阀（液压锁）可把液压缸两腔油液封闭，使活塞可靠锁定在任意位置；换向阀中位 O 型虽有锁紧作用，但存在内泄漏，长时间停留会漂移。

快进用差动连接获得高速，工进用调速阀获得稳定的低速切削速度，停留由死挡铁保证加工精度，快退用换向阀切换实现。

进油节流：节流阀在进油路上，回油腔直接回油箱，无背压，运动平稳性较差，但便于实现压力控制（如压力继电器发讯），常用于负载变化不大的场合。
回油节流：节流阀在回油路上，回油腔有背压，能承受负值负载、运动较平稳、不易爬行，但发热较大、效率较低，常用于铣床、镗床等要求运动平稳的机床进给。

气压传动以压缩空气为介质，取自大气、用后直接排空，无污染、成本低；液压传动则以矿物油为介质。

气压传动工作压力一般只有 0.4～0.8 MPa，远低于液压系统（常用 6～25 MPa），因此同样缸径下气动输出力小，适合轻载场合。

气源装置包括空压机、储气罐、干燥器、过滤器；执行元件为气缸、气马达；控制元件为各类气动阀。

空气可压缩，负载变化时速度波动大、定位精度低；工作压力低使输出力受限。优点是清洁、成本低、响应快、可集中供气。

① 储存一定气量，平衡空压机供气与用户耗气之间的不平衡，减小压力波动；② 使空气在其中减速、降温，进一步分离水分和油雾；③ 在空压机短时停机时继续供气，保证系统连续工作；④ 缓冲气流脉动，降低噪声。

先过滤除水除尘，再减压到工作压力，最后加油雾润滑下游元件。顺序颠倒会导致油雾器污染、减压阀失灵。

排气节流在气缸排气口装单向节流阀，排气侧形成背压，使活塞运动平稳、不易爬行，是气动系统最常用的调速方式。

A = πD²/4 = 3.14×2500/4 = 1962.5 mm²；
F = pA = 0.6×1962.5 ≈ 1178 N。实际推力还需乘以效率（约 0.7～0.85）。

气缸与负载不同轴会产生侧向力，使活塞杆弯曲、密封件偏磨、气缸早期损坏。安装时必须保证同轴度，长行程气缸还应加中间支承或采用浮动接头。

介质：液压用矿物油（不可压缩、需回油），气动用空气（可压缩、直接排空）；压力：液压高（6～25 MPa），气动低（0.4～0.8 MPa）；传动特性：液压平稳、刚性好、定位精度高，气动动作快、速度稳定性差；效率与成本：液压效率较高但需油箱与回油管路，气动系统简单、成本低、清洁。
适用：液压用于大负载、精密、平稳传动（机床、工程机械、压力机）；气动用于轻载、快速、频繁动作、洁净或防爆场合（装配线、包装、气动夹具）。

液压泵是动力元件，输出压力油；液压缸、液压马达是执行元件，把液压能转换为机械能，方向相反。

压力由负载决定，泵的额定压力只是允许的最高工作压力；系统实际压力随负载变化，并由溢流阀限定上限。

速度与流量成正比、与有效面积成反比；推力与压力、有效面积成正比。

调速阀由节流阀与压力补偿装置组成，属流量控制阀；溢流阀、减压阀属压力控制阀；换向阀属方向控制阀。

三联件安装在设备入口，保证进入气动元件的空气洁净、压力稳定并含适量润滑油雾。

通过节流阀或变量泵可连续改变流量，实现无级调速，调速范围可达 100 以上，这是液压传动的突出优点。

P = p·q/60 = 10×40/60 ≈ 6.67 kW（p 用 MPa、q 用 L/min 时）。若考虑总效率 0.8，则所需电机功率约 8.3 kW。

排气节流使气缸回程腔形成背压，活塞受力平稳、速度均匀，能有效抑制爬行；进气节流在负载变化时速度波动大。

危害：油液黏度下降、泄漏增加、容积效率降低；油液氧化变质、寿命缩短；密封件老化；系统速度不稳定、动作失灵。
防止：合理设计回路减少节流损失与卸荷；增大油箱容积、改善散热（加冷却器）；选用合适黏度的油；保持油液清洁、定期更换；避免长时间高压溢流。

① 动力：定量泵 + 溢流阀（调压、限压）；② 执行：单杆活塞缸；③ 方向：三位四通换向阀（实现正、反、停止）；④ 速度：差动回路实现快进，调速阀实现工进，换向阀切换实现快退；⑤ 行程控制：行程阀或行程开关发讯，配合电磁换向阀完成自动循环；⑥ 辅助：油箱、滤油器、油管等。