第1章 緒論

1.1 流體傳動(dòng)基本原理與基本特征

一臺(tái)機(jī)器離不開動(dòng)力源、傳動(dòng)系統(tǒng)、工作機(jī)構(gòu)。動(dòng)力源有的在機(jī)器內(nèi)如內(nèi)燃機(jī)、渦輪機(jī)、電池等，有的在機(jī)器外如人力、電力等。機(jī)器的工作機(jī)構(gòu)（如挖掘機(jī)的大臂、小臂和鏟斗）對(duì)外做功執(zhí)行工作任務(wù)時(shí)，其輸出量（力/轉(zhuǎn)矩、位移/角位移、速度/角速度、加速度/角加速度等）通常要滿足一定的規(guī)律與特性。傳動(dòng)系統(tǒng)（或傳動(dòng)裝置）的功能是將動(dòng)力源的輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)動(dòng)力進(jìn)行傳遞與控制，使工作機(jī)構(gòu)的性能滿足要求。功能（function）即用途或作用。

傳動(dòng)分為機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)、流體傳動(dòng)。機(jī)械傳動(dòng)（mechanical drive）用可動(dòng)機(jī)械零部件（如傳動(dòng)軸、桿、帶、鏈條、齒輪、滾珠絲杠、蝸輪蝸桿等）進(jìn)行傳動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。電氣傳動(dòng)（electric drive，又稱電力拖動(dòng)）用電磁場(chǎng)進(jìn)行傳動(dòng)，用電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。流體傳動(dòng)即流體傳動(dòng)與控制（fluid power and cotrol），是用受壓流體作為介質(zhì)傳遞、控制、分配信號(hào)和能量的方式或方法，它將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，按傳動(dòng)介質(zhì)不同可分為：

1）液壓傳動(dòng)與控制（hydraulic fluid power and cotrol），簡(jiǎn)稱液壓，其傳動(dòng)介質(zhì)為液體。

2）氣壓傳動(dòng)與控制（pneumatic fluid power and cotrol），簡(jiǎn)稱氣動(dòng)，其傳動(dòng)介質(zhì)為氣體。

機(jī)械傳動(dòng)可單獨(dú)使用，也可與電氣傳動(dòng)、流體傳動(dòng)組成復(fù)合傳動(dòng)使用。示例：①在汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪之間有傳動(dòng)軸、手動(dòng)變速器等（機(jī)械傳動(dòng)）；②在電力與電動(dòng)風(fēng)扇的搖頭機(jī)構(gòu)之間有電動(dòng)馬達(dá)（電動(dòng)機(jī)）、蝸輪蝸桿減速器等（電氣-機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)）；③在電動(dòng)螺絲刀的電池與批頭連接頭之間有電動(dòng)機(jī)、行星減速器等（電氣-機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)）；④在挖掘機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪之間有液壓泵、液壓馬達(dá)、行星減速器等（液壓-機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)）；⑤在發(fā)動(dòng)機(jī)與氣扳機(jī)的套筒或氣鎬的破碎釬桿之間有空氣壓縮機(jī)、氣動(dòng)馬達(dá)或氣缸等（氣動(dòng)-機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)）；⑥在電力與三梁四柱液壓機(jī)（如萬噸水壓機(jī)）的壓頭之間有電動(dòng)機(jī)、液壓泵、液壓缸和動(dòng)梁等（電氣-液壓-機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)）。

發(fā)源于17世紀(jì)中葉的帕斯卡原理（施加在密閉管路流體表面上的壓力在流體內(nèi)部等值傳遞，見圖1-1）奠定了流體傳動(dòng)的基礎(chǔ)。壓力、壓強(qiáng)是GB 3102.3—1993《力學(xué)的量和單位》對(duì)壓力強(qiáng)度給出的兩種稱謂，在流體傳動(dòng)和工程界均稱壓力，物理領(lǐng)域通常稱作壓強(qiáng)。

液壓與氣動(dòng)的基本工作原理相同。下面以圖1-2所示的液壓千斤頂為例，講述流體傳動(dòng)基本工作原理。

液壓千斤頂是利用液壓力驅(qū)動(dòng)液壓缸頂升的便攜輕小起重設(shè)備。當(dāng)舉升重物時(shí)，先關(guān)閉截止閥4，再壓動(dòng)手動(dòng)泵1杠桿手柄而頂升重物；工作完畢后，打開截止閥4，液壓油在液壓缸柱塞及外力作用下流回油箱5，液壓缸6復(fù)位。液壓千斤頂?shù)墓ぷ鬟^程可分解為如下兩個(gè)動(dòng)作：

（1）上提吸油 上提手動(dòng)泵1杠桿手柄時(shí)，手動(dòng)泵1的油腔容積變大而有真空趨勢(shì)，使單向閥3關(guān)閉（液壓缸底部油腔壓力大于手動(dòng)泵油腔壓力）、單向閥2打開（油箱壓力大于手動(dòng)泵油腔壓力），液壓缸6靜止，手動(dòng)泵1從油箱5吸油。

（2）下壓舉升 下壓手動(dòng)泵1杠桿手柄時(shí)，手動(dòng)泵1的油腔容積變小，液壓油被擠壓，使單向閥2關(guān)閉、單向閥3打開，受壓液壓油進(jìn)入液壓缸6底部而使其柱塞向外伸出。

液壓千斤頂在舉升時(shí)，等效于如圖1-3所示的液壓杠桿。

要使杠桿平衡，輸出力F₂與負(fù)載力F_L相等，作用在杠桿上的兩個(gè)力矩（力與力臂的乘積）大小必須相等，主動(dòng)力F₁×主動(dòng)力臂L₁=負(fù)載力F_L×負(fù)載力臂L₂。可見，主動(dòng)力F₁通過杠桿被放大為F₂=F₁L₁/L₂，即機(jī)械傳動(dòng)用力臂放大力。

要使液壓杠桿平衡，輸出力F₂與負(fù)載力F_L相等，作用在液壓杠桿上的壓力必須相等，主動(dòng)力F₁÷作用面積A₁=負(fù)載力F_L÷作用面積A₂。可見，主動(dòng)力F₁通過液壓杠桿被放大為F₂=F₁A₂/A₁，即流體傳動(dòng)用面積放大力。

對(duì)于杠桿，如果F_L越大，則所需主動(dòng)力F₁越大；如果F_L=0，則F₁=0。

對(duì)于液壓杠桿，如果F_L越大，則壓力p越大，所需主動(dòng)力F₁越大；如果F_L=0，則壓力p=0、F₁=0。可見，主動(dòng)力取決于負(fù)載力，負(fù)載力（廣義負(fù)載力）使流體被壓縮、擠壓而產(chǎn)生壓力，即

廣義負(fù)載力包括質(zhì)量力（重力、慣性力）、摩擦力、彈性力，以及其他外力和阻力。千斤頂舉升重物時(shí)，若不計(jì)摩擦力、彈性力及其他外力和阻力，負(fù)載力就只有質(zhì)量力；若計(jì)及摩擦力，負(fù)載力則包括質(zhì)量力和摩擦力。

如果液壓杠桿不平衡，例如F₁<A₁p，則不能推動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)（流體傳動(dòng)有防止流體逆流措施，如圖1-2的單向閥3，避免缸反推泵運(yùn)動(dòng)，此時(shí)缸底部流體壓力仍為p）；事實(shí)上，F₁無法大于A₁p，因缸可運(yùn)動(dòng)而使流體不再受到更大的壓縮。可見，不管F₁有多大，壓力始終僅取決于負(fù)載力。圖1-3中，將缸的柱塞撤除就沒有負(fù)載（無法施加負(fù)載力），則不能建立壓力；將缸的柱塞撤除并將缸封閉、封閉后開足夠小的小孔，都可以建立壓力，因?yàn)榱鲃?dòng)受阻，阻力使流體受到壓縮而產(chǎn)生壓力。

由式（1-1），得

可見，流體傳動(dòng)的輸出力F₂與作用面積A₂、壓力p成比例。

改變力的大小和方向的方法有很多，如軸、鏈條、齒輪、流體傳動(dòng)等，這其中，流體傳動(dòng)是最能方便靈活地改變力的大小和方向的。例如，管路布置靈活的汽車液壓制動(dòng)（見圖1-4），人力促動(dòng)制動(dòng)踏板，推動(dòng)制動(dòng)主缸運(yùn)動(dòng)，壓力p通過傳動(dòng)介質(zhì)（制動(dòng)液）傳遞到制動(dòng)輪缸，制動(dòng)輪缸推動(dòng)制動(dòng)襯片使其與制動(dòng)盤摩擦而制動(dòng)。

下面繼續(xù)研究圖1-3，由質(zhì)量守恒定律可知，泵底部減少的流體體積等于缸底部增加的流體體積，即

A₁ L₁=A₂L₂

兩邊分別求導(dǎo)，得

v₁、v₂分別為泵和缸的運(yùn)動(dòng)速度，有

即流量相等。q為流量（單位時(shí)間內(nèi)流過的體積），單位為m3/s。

缸的運(yùn)動(dòng)速度v₂為

可見，流體傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)速度v₂與流量q成正比，與作用面積A₂成反比。

綜上，流體傳動(dòng)依靠壓力p和流量q來傳遞動(dòng)力（壓力p和流量q是流體傳動(dòng)的兩個(gè)基本參量，兩者之積pq即為功率），其動(dòng)力傳遞特征是：

（1）用壓力p傳遞輸出力 當(dāng)流體傳動(dòng)裝備制造完成后，作用面積A₂通常固定不變。當(dāng)作用面積A₂不變時(shí)，輸出力F₂僅取決于壓力p（而與流量q無關(guān)）。

（2）用流量q傳遞運(yùn)動(dòng)速度 作用面積A₂不變時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度v₂僅取決于流量q（而與壓力p無關(guān)）。