前言

本书是根据2009年电子工业出版社组织的高等学校“十二五”机电类规划教材出版交流研讨会的精神而编写的，适用于教学学时46～70（其中实验学时6～12）使用。本书主要有以下特点。

（1）全书共分5篇，篇与篇既有并列关系，也有递进关系。

第1篇液压传动基础、第2篇气压传动基础为并列关系，均是基础知识，是液压与气压课程必须牢固掌握的。第3篇液压传动系统的设计与应用、第4篇气压传动系统的设计与应用也为并列关系，它们与前两篇是递进关系，是讲述如何把基础知识初步运用到工程实际中，是建立工程概念和设计训练的起步，使用者可以根据教学需要合理选用。第5篇液压与气压传动控制系统设计是对液压与气动技术应用的进一步延伸，是从控制系统的角度介绍伺服系统，为学习者建立机电液一体化系统的概念，使用者可以根据教学需要合理选用。

（2）液压传动与气压传动分开讲述，以液压传动为主线，气压传动强调其特色部分及与液压传动不同之处，同时考虑其自身体系的完整性。

（3）适当淡化纯理论分析，丰富了图表等设计资料，加强学生工程设计能力的培养；重点章后含有知识的扩展内容，便于灵活教学和自学。

（4）重点介绍液压传动在机床工业、工程机械、橡塑机械、汽车工业、轻工业等行业的应用实例，并加入能耗、环保等绿色、可持续发展的思想理念。

（5）在元件选择上，突出新（新技术、新元件），本书元件的图形符号、回路以及系统原理图全部按照国家最新图形符号（GB/T 786.1—1993）绘制，并摘录于附录中；介绍了PLC和计算机在气动控制中的应用和PLC行程顺序控制气动系统的设计。

本书有配套习题、答案、课件等教学资源，需要者可在电子工业出版社的华信资源教育网（www.hxedu.com.cn）注册后免费下载

本书由河南工业大学田勇（第1章、第11章、第12章）、郑州航空工业管理学院高长银（第5章）担任主编；河南工业大学王宗才（第13～17章）、河南科技学院安爱琴（第7章7.3～7.5节、第10章）、河南工业大学王彦林（第8章、第9章）担任副主编；参编人员有黄河科技学院周亚军（第6章、第7章7.1和7.2及7.6节）、新乡学院郭宏亮（第3章、第4章）、华北水利水电学院贾建涛（第2章、附录）等。全书由田勇、高长银负责统稿。

由于编者水平有限，书中难免存在缺点和错误，敬请广大读者批评指正。

编者

第1章 绪论

在开始学习本课程之前，先了解一下什么是液压与气压传动？它们的特点是什么？它们有哪些应用以及发展概况，这些概念对学习本课程至关重要。

一般工程技术中使用的动力传递方式有：机械传动、电气传动、流体传动（液体传动和气压传动）（常称为“三大传动”方式）以及由它们组合而成的复合传动。通常一部机器主要由动力装置、传动装置、操纵或控制装置、工作执行装置四部分构成。动力装置的性能一般都不可能完全满足执行装置各种工况（力、力矩、速度、功率等）的要求，这种矛盾常常由传动装置来解决。

液压与气压传动是以流体（液压油或压缩空气）作为工作介质对能量进行传递和控制的一种传动形式。以液体作为工作介质进行能量（动力）传递的传动方式称为液体传动，液体传动又可以分为液力传动和液压传动两种形式。液力传动主要是利用液体的动能来传递能量的；而液压（气压）传动则主要是利用液体（气体）的压力能来传递能量的。本书主要介绍液压与气压传动技术及应用。

1.1液压与气压传动系统的组成及工作原理

首先介绍液压传动系统的工作原理和组成，气压传动系统的工作原理和组成放在第2篇气压传动基础中介绍。

1.1.1 液压传动系统的工作原理

1．液压千斤顶的工作原理

液压千斤顶是常见的一种起升重物的工具，也是液压传动装置中的一种，它利用帕斯卡原理（在密闭容积内，施加在静止液体边界上的压力在液体内所有方向等值地传递到液体各点）成功地传递了动力并且放大了力，难怪我们能够如此轻松地用一只手的力量就能抬起一辆汽车或几吨重的物体。如图1-1所示为液压千斤顶的工作原理示意图。图中，大小两个液压缸Ⅰ和Ⅱ内分别装有活塞，活塞可以在缸内滑动，且密封可靠。要举升重物12时，截止阀8应关闭。当向上提起杠杆1时，小活塞向上移动，缸Ⅰ下腔的密封容积增大，腔内压力下降，形成一定的真空度，这时排油单向阀3关闭，油箱5中的油液在大气压力的作用下推开吸油单向阀4进入缸Ⅰ的下腔，从而完成了一次吸油过程。接着，压下杠杆1，小活塞下移，缸Ⅰ下腔密封容积减小，油液受到挤压，压力上升，关闭吸油单向阀4，压力油推开排油单向阀3进入液压缸Ⅱ的下腔，从而推动大活塞克服重物12的重力G上升而做功。如此反复地提压杠杆1，就可以将重物12逐渐升起，从而达到起重的目的。若杠杆1不动，液压缸Ⅱ中的液压力使单向阀3关闭，大活塞不动。当需要将大活塞放下时，可打开截止阀8，液压油在重力作用下经截止阀8排回油箱5，大活塞下降到原位。

那么，为什么作用在杠杆上的较小的力F′就能够在液压缸Ⅱ的下腔产生那么大的力克服重力G呢？仔细分析一下就明白了，其实，在这个过程中力通过机械传动（杠杆）和液压传动（连通的液压缸Ⅰ和液压缸Ⅱ）实现了两次放大。

杠杆放大作用不再赘述，简要分析一下液压传动情况：密闭连通的液压缸Ⅰ和液压缸Ⅱ，作用在液压缸Ⅰ活塞上的力F使液压缸Ⅰ内部产生压力，p1=F/A1。根据帕斯卡原理，此时液压缸Ⅱ内部的压力也是p1。但是，液压缸Ⅱ的活塞面积是A2(A2＞A1)，可以产生p1A2的力（显然p1A2＞F=p1A1），当它能够克服重力G时，便可以抬起重物了。

那么，此时液压缸Ⅰ和液压缸Ⅱ所做的功相同吗？它们的运动速度又怎么样呢？请读者思考。

2．磨床工作台液压传动系统的工作原理

如图1-2所示为磨床工作台液压传动系统的工作原理图。这个系统可使工作台做直线往复运动，并且可以调节工作台的运动速度。图中，液压泵3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。当液压油从液压泵输出进入油管后，通过节流阀4流至换向阀6。换向阀6有左、中、右三个工作位置。当换向阀的阀芯处于中位时（如图1-2（a）所示），由于所有油口P、T、A、B均封闭，油路不通，液压油不能进入液压缸8，活塞9停留在某个位置上，所以工作台10不动。此时，液压泵输出的液压油只能在一定压力下通过溢流阀5流回油箱。

若将阀芯推到右边（如图1-2（b）所示），液压泵3输出的液压油将流经节流阀4、换向阀6的P口、A口进入液压缸8左腔，推动活塞（和工作台）向右移动。与此同时，液压缸右腔的油液经换向阀6的B口、T口又经回油管排回油箱。

若将阀芯推到左边（如图1-2（c）所示），则液压油经P口、B口进入液压缸8右腔；液压缸左腔的液压油经A口、T口排回油箱，工作台向左移动。

由此可见，由于设置了换向阀6，可改变液压油的流向，使液压缸换向实现工作台的往复运动。

工作台的运动速度可通过节流阀4来调节。节流阀的作用是通过改变节流阀开口量的大小，来调节通过节流阀油液的流量，从而控制工作台的运动速度，此时，液压泵输出的多余的油液通过溢流阀5流回油箱。当节流阀口开大时，进入液压缸的油液增多，工作台（活塞和工作台固连成为一体）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。

工作台运动时，要克服阻力，主要是磨削力和工作台与导轨之间的摩擦力等，这些阻力，由液压油的压力能来克服；要克服的阻力越大，液压缸内的油压越高；反之油压就越低。压力取决于负载。根据工作情况的不同，液压泵输出油液的压力可以通过溢流阀5进行调整。

综上所述，可以得出如下结论：液压传动系统是依靠液体在密封油腔容积变化中的压力能来实现运动和动力传递的。液压传动装置从本质上讲是一种能量转换装置，它先将机械能转换为便于输送的液压能，然后再将液压能转换为机械能做功。

读者此时可能会感到理解这些液压系统的工作原理，特别是液压阀的工作原理有一定的困难，这是很正常的现象。随着一步一步地学习，这些问题自然会迎刃而解。现在只是给读者建立一个液压系统如何工作的基本概念，同时，为了解液压与气压系统的组成打下必要的基础。

1.1.2 液压与气压系统的组成

由以上例子可以看出，液压传动系统主要由以下五部分组成。

（1）动力元件。指液压泵。它的作用是把原动机（电动机）的机械能转变成油液的压力能，给液压系统提供压力油，是液压系统的动力源。

（2）执行元件。指各种类型的液压缸、液压马达。其作用是将油液压力能转变成机械能，输出一定的力（或力矩）和速度，以驱动负载。

（3）控制调节元件。主要指各种类型的液压控制阀，如溢流阀、节流阀、换向阀等。它们的作用是控制液压系统中油液的压力、流量和流动方向，从而保证执行元件能驱动负载，并按规定的方向运动，获得规定的运动速度。

（4）辅助装置。指油箱、过滤器、蓄能器、油管、管接头、压力表等。它们对保证液压系统可靠、稳定、持久地工作，具有重要作用。

（5）工作介质。指各种类型的液压油。

气压传动系统的组成与液压传动系统相近，由以下五部分组成。

（1）动力源装置。指压缩空气站。它由空气压缩机、气源净化装置等组成。它的作用是把空气处理成为气压系统可用的洁净且压力稳定的压缩空气。与液压传动有比较明显的不同。

（2）执行元件。指各种类型的汽缸、气压马达。其作用是将压缩空气的压力能转变成机械能，输出一定的力（或力矩）和速度，以驱动负载。

（3）控制调节元件。主要指各种类型的气压控制阀，如减压阀、节流阀、换向阀等。它们的作用是控制气压系统中压力、流量和流动方向，从而保证执行元件能驱动负载，并按规定的方向运动，获得规定的运动速度。

（4）辅助装置。指过滤器、冷却器、干燥器、蓄能器、油雾器、消音器、管路、管接头、压力表等。它们对保证气压系统可靠、稳定、持久地工作，具有重要作用。与液压传动有比较明显的不同。

（5）工作介质。指压缩空气。

1.1.3 液压与气压系统的职能符号

图1-2所示是采用半结构式图形表示的液压系统原理图。这种原理图，直观性强，容易理解，但图形较复杂，绘制很不方便。为简化原理图的绘制，在工程实际中，除某些特殊情况外，系统中各元件一般采用国家标准规定的图形符号来表示，这些符号只表示元件的职能，不表示元件的结构和参数，通常称为“职能符号”。GB/T 786.1—1993规定了液压与气压传动职能符号。

如图1-3所示为用职能符号绘制的磨床工作台液压传动系统原理图。

需要说明的是，液压元件职能符号表示的是元件的常态（静止状态）或零位，未必是其工作状态。元件图形符号只表示元件的职能和连接系统的通路，不表示元件的具体结构和参数，也不表示系统管路的具体位置和元件的安装位置。

1.2液压与气压传动的特点

1.2.1 液压与气压传动的优点

1．液压传动的主要优点

液压传动与机械传动、电气传动、气压传动相比，主要具有下列优点。

（1）便于实现无级调速，调速范围比较大，可达100∶1～2000∶1。

（2）在同等功率的情况下，液压传动装置的体积小、重量轻、惯性小、结构紧凑（如液压马达的重量只有同功率电动机重量的10%～20%），而且能传递较大的力或扭矩。

（3）工作平稳，反应快、冲击小，能频繁启动和换向。液压传动装置的换向频率、回转运动每分钟可达500次，往复直线运动每分钟可达400～1000次。

（4）控制、调节比较简单，操纵比较方便、省力，易于实现自动化，与电气控制配合使用能实现复杂的顺序动作和远程控制。

（5）易于实现过载保护，若系统超负载，油液经溢流阀流回油箱。由于采用油液作为工作介质，能自行润滑，所以寿命长。

（6）易于实现系列化、标准化、通用化，易于设计、制造和推广使用。

（7）易于实现回转、直线运动，且元件排列布置灵活。

（8）在液压传动系统中，功率损失所产生的热量可由流动着的油液带走，故可避免机械本体产生过度温升。

2．气压传动的主要优点

气压传动与其他的传动和控制方式相比，其主要优点如下。

（1）气动装置简单、轻便、安装维护简单。

（2）压力等级低，使用安全。

（3）工作介质——空气取之不尽，用之不竭；排气处理简单，泄漏不会污染环境，成本低。

（4）输出力及工作速度的调节非常容易；汽缸动作速度一般为50～500mm/s，比液压和电气方式的动作速度快。

（5）可靠性高，使用寿命长；电气元件的有效动作次数为数百万次，而新型电磁阀（如SMC的一般电磁阀）的寿命大于3000万次，小型阀超过2亿次。适于标准化、系列化、通用化。

（6）可短时间释放能量，以获得间歇运动中的高速响应；可实现缓冲；对冲击负载和过负载有较强的适应能力；在一定条件下，可使气动装置有自保持能力。

（7）具有防火、防爆、耐潮湿的能力；与液压方式相比，气动方式可在恶劣的环境（高温、强振动、强冲击、强腐蚀和强辐射等）下进行正常工作。

（8）由于空气的黏性很小，流动的能量损失远小于液压传动，可压缩性大，可储存能量，宜于远距离输送和控制，压缩空气可集中供应。

1.2.2 液压与气压传动的缺点

1．液压传动的主要缺点

（1）液体为工作介质，易泄漏，且具有可压缩性，故难以保证严格的传动比。

（2）液压传动中有较多的能量损失（摩擦损失、压力损失、泄漏损失），效率低，所以不宜做远距离传动。

（3）液压传动对油温和负载变化敏感，不宜于在很低或很高温度下工作。

（4）液压传动需要有单独的能源（如液压泵站），液压能不能像电能那样从远处传来。

（5）液压元件制造精度高，造价高，须组织专业化生产。

（6）对污染很敏感，液压传动装置出现故障时不易查找原因，不易迅速排除。

2．气压传动的主要缺点

（1）由于空气有压缩性，汽缸的动作速度易受负载的影响，平稳性不如液压传动，采用气液联动方式可以克服这一缺陷。

（2）目前气动系统的压力一般小于0.8MPa，系统的输出力较小，且传动效率低。

（3）气压传动装置的信号传递速度限制在声速（约340m/s）范围内，所以它的工作频率和响应速度远不如电子装置，并且信号要产生较大的失真和延滞，也不便于构成较复杂的回路。

（4）工作介质——空气没有润滑性，系统中必须给油润滑。

（5）噪声大，尤其在超声速排气时需要加装消声器。

1.3液压与气压传动的应用及发展概况

1.3.1 液压与气压传动的应用

液压传动由于优点很多，所以在国民经济各部门中都得到了广泛的应用，但各部门应用液压传动的出发点不同。工程机械、压力机械采用液压传动的原因是结构简单，输出力量大；航空工业采用液压传动的原因是重量轻，体积小；机床中采用液压传动主要是可实现无级变速，易于实现自动化，能实现换向频繁的往复运动的优点。在电子工业、包装机械、食品机械等方面应用气压传动主要是因其操作方便，且无油、无污染的特点。

液压与气压传动在机械行业中的应用如表1-1所示。

1.3.2 液压与气压传动的发展概况

1．液压传动的发展概况

液压传动相对机械传动来说，是一门新的传动技术。如果从世界上第一台水压机问世算起，至今已有200余年的历史。然而，直到20世纪30年代液压传动才真正推广应用。

在第二次世界大战期间，由于军事工业需要反应快、精度高、功率大的液压传动装置而推动了液压技术的发展。战后，液压技术迅速转向民用，在机床、工程机械、农业机械、汽车等行业中逐步得到推广。20世纪60年代后，随着原子能、空间技术、计算机技术的发展，液压技术也得到了很大发展，并渗透到各个工业领域中去。我国的液压技术开始于20世纪50年代，液压元件最初应用于机床和锻压设备，后来又用于拖拉机和工程机械。特别是20世纪80年代初期引进美国、日本、德国的先进技术和设备，使我国的液压技术水平有了很大的提高。目前，我国的液压件已从低压到高压形成系列，并生产出许多新型的元件，如插装式锥阀、电液比例阀、电液数字控制阀等。我国机械工业在认真消化、推广国外引进的先进液压技术的同时，大力研制、开发国产液压件新产品，加强产品质量可靠性和新技术应用的研究，积极采用国际标准。

当前液压技术正向着高压、高速、大功率、高效率、低噪声、长寿命、高度集成化、复合化、小型化及轻量化等方向发展。新型液压元件和液压系统的计算机辅助测试（CAT）、计算机直接控制（CDC）、机电一体化技术、计算机仿真和优化设计技术、可靠性技术以及污染控制方面，是当前液压技术发展和研究的方向。

2．气压传动的发展概况

人们利用空气的能量完成各种工作的历史可以追溯到远古，但作为气动技术应用的雏形，在1776年John Wilkinson发明了能产生1个大气压左右的空气压缩机。1880年，人们第一次利用汽缸做成气动刹车装置，将它成功地用到火车的制动上。20世纪30年代初，气动技术成功地应用于自动门的开闭及各种机械的辅助动作上。进入到60年代尤其是70年代初，随着工业机械化和自动化的发展，气动技术才广泛应用在生产自动化的各个领域，形成现代气动技术。

从各国的行业统计资料来看，近20多年来，气动行业发展很快。20世纪70年代，液压与气动元件的产值比约为9∶1，20多年后，在工业技术发达的欧美、日本等国家，该比例已达6∶4，甚至接近5∶5。由于气动元件的单价比液压元件便宜，在相同产值的情况下，气动元件的使用量及使用范围已远远超过了液压元件。从地区划分，可以说美洲（以美国为中心）、欧洲（欧洲各工业发达国家）和亚太地区（以日本为中心）三分天下。气动行业的知名企业有日本的SMC、德国的FESTO、英国的NORGREN和美国的PARKER等。SMC公司在世界30个国家建有海外子公司和海外生产工厂，1996年，它在日本国内的市场占有率已超过60%，在世界上的市场占有率已达16%。气动元件的基本生产品种达9100种及530000种不同的规格。在筑波技术中心有500多名技术人员研制开发气动新产品，是世界上最大的气动企业之一。

中国改革开放以来，气动行业发展很快。1986—1993年间，气动元件产值的年递增率达24.2%，高于中国机械工业产值平均年递增率10.5%的水平。1996年全国气动行业的产值在6000万美元左右。虽然中国的基础工业离世界先进工业国家还有一定的差距，但在气动行业同行的努力下，中国的气动技术正在得到很快发展和提高。

纵观世界气动行业的发展趋势，气动元件的发展动向可以归纳为：

① 高质量 电磁阀的寿命可达3000万次以上，汽缸的寿命可达2000～5000 km。

② 高精度 定位精度达0.5～0.1mm，过滤精度可达0.01μm，除油率可达1m3标准大气中的油雾在0.1mg以下。

③ 高速度 小型电磁阀的换向频率可达数十赫兹，汽缸最大速度可达3m/s。

④ 低功耗 电磁阀的功耗可降至0.1W。

⑤ 小型化 元件制成超薄、超短、超小形，如宽6mm的电磁阀；缸径2.5mm的单作用汽缸；缸径4mm的双作用汽缸；M3的管接头和内径2mm的连接管等。

⑥ 轻量化 元件采用铝合金及塑料等新型材料制造，零件进行等强度设计，如已出现4g的低功率电磁阀。

⑦ 无给油化 不供油润滑元件组成的系统，不污染环境，系统简单，维护也简单，节省润滑油，且摩擦性能稳定，成本低、寿命长，适合食品、医药、电子、纺织、精密仪器、生物工程等行业的需要。

⑧ 复合集成化 减少配线、配管和元件，节省空间，简化拆装，提高工作效率。

⑨ 机电气一体化 典型的是“可编程序控制器+传感器+气动元件”组成的控制系统。

1.4本章小结

液压与气压传动是以流体（液压油或压缩空气）作为工作介质对能量进行传递和控制的一种传动形式，与机械传动、电气传动特点不同。液压与气压系统主要由动力元件、执行元件、控制调节元件、辅助装置、工作介质等构成。液压与气压系统有其本身固有的特点，所以在工程机械、压力机械、航空工业、电子工业、包装机械、食品机械等方面得到广泛的应用。

1.5思考题与习题

1．何谓液压与气压传动？请列举你所熟悉的液压与气压传动应用的实例。

2．液压传动、气压传动系统由哪几部分组成？它们的相同点和不同点有哪些？各部分的作用是什么？

3．与其他传动方式相比，液压与气压传动有何优点？有何缺点？

4．一个工厂能否采用一个泵站集中供给压力油？为什么？

5．有时为什么要采取气液联动？它的特点是什么？

6．试论述液压与气压传动的发展方向。