第章绪论
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第
1章
绪 论
人类利用自然界的力量或制造机器来减轻人的体力劳动消耗。液压,是人类利用液体的能量来驱动并控制机器的一种方式。在本章中,展示了一些液压系统的应用,使读者了解液压系统在很多工业、能源等领域日益增长的重要地位。
1.1 基本概念
能量:某一物理系统对其他物理系统做功的能力。能量既不能被创造,也不能消失,但可以转化、传递。
流体:在承受剪应力时会发生连续变形的物体。气体和液体都是流体。流体不同于固体,它没有固定的形状,几乎可以任意改变形态。
流体动力:通过有压流体对能量进行传递和控制。
液压:使用液体的压力、流动进行能量的传递和控制的一门工程科学。气压:使用有压气体对能量进行传递和控制的一门工程科学。功率:能量传递或转化为功的速率。
功:一种物理系统到另一种物理系统的能量的转变,是表示力对位移的乘积的物理量。传动:利用中间介质或机构把动力传递给做功的一种装置。
1.2 传动系统发展概述
任何一种动力传递和控制系统的目的都是用来减轻人的体力劳动,并获得对机器更好地控制。在史前时代,人们就利用石器来捕获食物和保护自己。利用从食物中获得的能量控制肌力,并应用肌力到那些数倍于人类体力的工具和机器上。
人类区别于其他动物的重要特征就是思考。人类不断地寻找替代体力劳动的机器,并孜孜不倦地提升其效能。人类文明史也是利用不同能源的历史。早期,人类驯化动物来帮助人们耕种,后来发明可以控制太阳能、风能、水能和化石能以及原子能的机器。航行利用了风能,水车利用了水的动能,内燃机利用了从化石燃料中产生的热能,燃料电池利用了氢氧产生的化学能,回旋加速器利用了原子裂变产生的原子能……当今,人类致力于发展和利用无
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液压传动与控制
穷无尽的能源,如地热能、潮汐能、核聚能,以及其他来自宇宙射线的能量。
从工程的角度来讲,我们更关心那些能量密度更大的能源,比如单一用途的大量能量的——高速列车、火箭发射和航天飞机等。科学家和工程师也关心如何将能源转化为可用利用—
的形式,如何存储能源、控制能源以便发挥其最大的效能。
尽管我们致力于开发新的能源,目前我们仍然仅发现三种有效的动力传递方式,它们是:机械传动、电传动和流体传动。
1.3 流体动力系统的发展历史
流体动力就是利用有压流体传递能量的技术。流体动力包括:液压和气压。液压就是利用液体的压力和流动;气压就是利用气体的压力和流动。
人们很早就开始利用流体能量了。人们利用风能的最早记载来自中国和埃及。在中国,14英里的尼罗河上建造了巨大的水坝,用来农田的灌溉。罗马王朝也建有大量的水渠、储水池、阀门等引水到他们的城池。利用流体的历史几乎跟世界文明史一样长。
早期,人们对水或空气的利用主要是通过大量流体在较低的压力上获得能量,并且主要。但是,现代认为依靠自然力量来提供压力,比如利用了风的流动和水的势能(水的冲击)的流体动力则是在一个封闭的系统内,用泵或压缩机来产生更高的压力,并使相对较少的流体得到控制和利用。
1650年,一位法国科学家帕斯卡发现流体的基本物理定律:封闭流体的压力在各个方向相等传递。一个世纪之后,伯努利推导出流体流动的能量守恒方程:某管道的所有截面上的能量是相等的。
全面开发,并衍生出其他机器。在这些系统中,蒸汽驱动的水泵用来给这些水压机提供动力。然而流体动力昙花一现的发展受到了19世纪后期快速发展的热机、机械控制和电力的冲击。19世纪和20世纪之交,西屋公司研发了气压刹车装置,后来用于火车、公共汽车和卡车的制动。1906年,一个液压系统装于美国弗吉尼亚号战舰,首次用于提升和控制在战舰上的炮火。那时,人们已经发现了石油,并用来替代水作为传递能量的介质;同时,人们也可以制作一些较精密的机械零件,因此恼人的泄漏问题得到了一定的解决。这些因素极大地提升了流体系统的认可度和可靠性。但是直到一战后,流体动力的应用潜力才又一次被得到广泛认同。
构。从那时起一直到20世纪中叶,流体动力的利用和认同才得到极速提升,制造工厂、一般工业、汽车、发射火箭、甚至牙科器械,都离不开流体动力。
1926年,美国推出车辆使用的全套液压控制系统,包括油箱、泵、控制装置和执行机1795年,布拉默建造了第一台水压机。但是直到1850年工业革命,他的水压机才得以虽然人类利用流体追溯到6000年前,但真正发现流体动力的原理大约是在400年前。早在公元前4000年,人们就利用木制的阀门控制竹管的水流。埃及法老在距今天的开罗约
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1.4 流体动力的优点
机械设计工程师可以选择机械传动、电气传动、气压传动或液压传动。其实现在很多应用都是集合了多种传动方式,因而得以提升效率、经济性和安全性。
各个传动系统都有优缺点,许多复杂的机器需要精确控制、性能可靠和安全性。比如:火箭发射台架的稳定性控制、牙科使用的牙钻的气动控制、盾构机、大型压路机或铁路维护装备的运用和控制等。可以看出,人类已经能够设计出具有相当大的速度、力和高准确性的传动和控制系统。
流体动力得到广泛应用主要有几个原因,其中最重要的是能提供巨大的力量。例如,运)、铁路铺设轨道使用的铺轨机(、地铁隧道建设使用的盾构机(、如图1-4)如图1-5)3
工程建设使用的挖掘机(如图1-6)等具有复杂的液压和电气控制系统,流体动力特别适合这些需要准确控制并具有巨大力量的机器装备。
,这是由气动涡轮第二是流体具有很大的柔性。霍尔发明了气动牙科器械(如图1-7)、运梁车(、火箭起升装置(送发现号航天飞机的运输车(如图1-1)如图1-2)如图1-
/驱动的,其转速可以在几分之一秒内从100000rmin降至0,这展现了流体传动所具有的柔性。
图1-1 航天飞机运输车 图1-2 运梁车
图1-3 火箭起升装置 图1-4 铺轨机
液压传动与控制-样章
