液压系统(驱动液压执行机构工作的系统)

液压系统（hydraulic system）是一种以油液作为工作介质，利用油液的压力能，并通过控制阀门等元件驱动液压执行机构工作的系统。

“液压系统”的概念最先起源于18世纪末，1795年英国人约瑟夫布拉曼在伦敦用水作为工作介质，以水压机的形式将其应用于工业上，诞生了世界上第一台水压机。第一次世界大战后液压传动广泛应用，1925年维克斯发明了压力平衡式叶片泵，为近代液压元件工业和液压传动的逐步建立奠定了基础。

在液压系统中，液压泵将机械能转化为液压能，通过油液在管道中的流动来传递能量，再由执行元件（如液压缸或液压马达）将液压能转化为机械能，从而完成具体的工作任务。一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、液压执行元件、控制元件、检测及辅助元件和液压油液。液压系统按照液压回路的基本构成可以把液压系统划分为开式系统和闭式系统。按照液压系统的主要功用可分为传动系统和控制系统。按实现速度控制的方式可分为阀控制系统和泵控制系统。

液压系统广泛应用于多领域，主要包括轻纺工业、汽车工业、农业机械、工程机械、冶金工业、机床工业、船舶工业。

历史沿革

1648年，法国B.Pascal提出静⽌液体中流体传动定律，奠定了液体静⼒学基础。17世纪Newton针对粘性流体运动的内摩擦⼒提出了⽜顿粘性定律。1738年瑞⼠⼈长城欧拉(L.Euler)提出了连续介质的概念，建⽴了⽆粘性流体运动的欧拉⽅程。同年，瑞⼠⼈雅各布·伯努利(D.Bernoulli)从能量守恒定律出发，得到了流体定常运动下流速、压⼒、⾼度之间的关系―伯努利⽅程。这两个⽅程是流体动⼒学作为⼀个学科分⽀建⽴的标志。

“液压系统”的概念最先起源于18世纪末，1795年英国人约瑟夫布拉曼在伦敦用水作为工作介质，以水压机的形式将其应用于工业上，诞生了世界上第一台水压机。

1827年法国⼈纳维(C.L.M.Navier)建⽴了粘性流体运动的基本⽅程;1845年英国⼈乔治·斯托克斯（G.G.Stokes)⼜以更合理的⽅式导出这组⽅程，N―S⽅程。1883年英国⼈雷诺(O.Reynolds)发现流体的层流和紊流两种状态，建⽴了湍流基本⽅程―雷诺⽅程。

第一次世界大战 (1914 - 1918) 后液压传动广泛应用，特别是 1920 年以后，发展更为迅速。液压站大约在 19 世纪末 20 世纪初的 20 年间，才开始进入正规的工业生产阶段。1925 年维克斯 (F.Vikers) 发明了压力平衡式叶片泵，为近代液压元件工业或液压传动的逐步建立奠定了基础。20 世纪初康斯坦丁・尼斯克 (G・Constantimsco) 对能量波动传递所进行的理论及实际研究；1910 年对液力传动（液力联轴节、液力变矩器等) 方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。

第二次世界大战 (1941 - 1945) 期间，在美国机床中有 30% 应用了液压传动。应该指出，日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近 20 多年。在 1955 年前后，日本迅速发展液压传动，1956 年成立了 “液压工业会” 。近 20 - 30 年间，日本液压传动发展之快，居世界领先地位。

冷战后，中国液压系统产业技术实力持续增强。中国液压技术有很大的提高，相继出现了如恒立液压、太重集团榆液、北京华德液压工业集团有限责任公司等众多品牌。各液压元件厂家在技术交流和打破国际液压产品垄断等方面作出了突出贡献，中国产核心零部件产品市场占有率持续增大。“十三五”以来，中国液压系统产业规模、技术水平不断提升，在从“中国制造”向“中国智造”的转变升级中发挥了重要作用。

工作原理

液压系统是利用流体静力学中的帕斯卡定律，使用油或者其他液体，把压力在液体中传递，从而实现小压力控制大压力，有点类似杠杆原理。液体的可压缩性一般非常小，于是在流体静力学中，均认为液体是不可压缩的；在不可压缩的静止液体中，任何一点受到外力产生的效果，会瞬间传递到流体的各点，这就是帕斯卡定律。从帕斯卡定价来看，上面两个相连接的水缸，任何一个水平面的压强都是相等的。那么两个活塞所处的位置也是同一水平线。那么两个活塞所承受的压力之比就是等于活塞面积之比，而且与压强的大小无关；利用这个原理，人们就可以使用较小的力，来产生较大的力，付出的代价就是较小的力位移更大，类似杠杆原理。

基本内容

组成

一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、液压执行元件、控制元件、检测及辅助元件和液压油液。动力元件的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。执行元件（如液压缸和液压马达）的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载做直线往复运动或回转运动。液压控制元件（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。液压辅助元件包括油箱、滤油器、冷却器、加热器、蓄能器、油管及管接头、密封圈、快换接头、高压球阀、胶管总成、测压接头、压力表、油位计、油温计等。液压油液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。

特点

优点

（1）体积小、重量轻，因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击；（2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速；（3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换；（4）液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制；（5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长；（6）操纵控制简便，自动化程度高；（7）容易实现过载保护。

缺点

（1）使用液压传动对维护的要求高，工作油要始终保持清洁；（2）对液压元件制造精度要求高，工艺复杂，成本较高；（3）液压元件维修较复杂，且需有较高的技术水平；（4）用油做工作介质，在工作面存在火灾隐患；（5）传动效率低。

分类

按照液压回路构成分类

按照液压回路的基本构成可以把液压系统划分为开式系统和闭式系统。（1）开式系统：泵所输出的压力油在完成做功任务后从执行驶器返回油箱。应用普遍，但油箱要足够的大。有油缸的系统肯定是开式系统。（2）闭式系统：泵输出的压力油从执行器再返回泵，从而形成闭式回路。多用于车辆的行走驱动，用升压泵补油，并且用冲洗阀局部换油。与开式回路相比，闭式回路效率高（特别是制动时有功率回收的效果），发热量少，执行器的前进、后退平稳；但是泵必须是双流向变量泵。

按照液压系统功用分类

按照液压系统的主要功用可分为传动系统和控制系统。（1）传动系统以传递动力为主；比如挖机的大臂油缸动作系统。（2）而控制系统以传递信息为主，比如挖掘机先导控制系统。

按实现速度控制方式分类

按实现速度控制的方式可分为阀控制系统和泵控制系统。（1）阀控制是通过改变节流口的开度来控制流量，从而控制速度。按节流口与执行器的相对位置可分为进口节流、出口节流和旁通节流。比如压路机、装载机的转向系统。（2）泵控系统是通过改变泵的排量来控制流量，从而控制速度，效率较高。

应用

液压系统广泛应用于多领域，主要包括轻纺工业、汽车工业、农业机械、工程机械、冶金工业、机床工业、船舶工业。（1）轻纺工业：塑料注塑机、橡胶硫化机、造纸机、印刷机和纺织机等；（2）汽车工业：消防车、液压高空作业车、液压自卸式汽车和液压越野车等均采用了液压技术；（3）农业机械：采用液压技术也很广泛，如拖拉机、联合收割机、犁等；（4）工程机械：普遍采用了液压传动，如振动式压路机、平地机、自行式铲运机、轮胎起重机、履带推土机、汽车起重机、轮胎装载机、挖掘机等；（5）冶金工业：恒张力装置、带材跑偏、高炉控制、转炉控制、平炉装料、轧钢机的控制系统、电炉控制系统等；（6）机床工业：目前机床传动系统有85%采用了液压传动与控制。如组合机床、剪床、压力机、拉床、刨床、铣床、磨床等；（7）船舶工业：应用液压技术很普遍，如全液压挖泥船、打捞船、打桩船、采油平台、水翼船、气垫船和船舶辅机等。

作用

（1）控制执行元件运动，完成各种工艺操作。例如，用压力机加工的机械手、汽车上的转向助力器、压铸机的压射缸等等（2）实现对被控对象的动力控制。例如，在工业生产中广泛使用的各种泵类，它们将原动机的机械能转变为液体的压力能和动能，从而实现对流体的驱动和控制。（3）实现对液体和气体等介质的控制。例如，利用高压水枪清洗物体表面，利用油路来传递动力，以及利用气源产生压缩空气以进行吹扫或喷洗。（4）作为检测元件，用于测量参数。如用电磁阀代替人工调节溢流阀的开度，以监测流量。（5）作为反馈元件，用来放大系统的输出，并提高其工作性能，如采用比例积分（PID）控制器。（6）用于控制和保护。如采用过载保护装置，当负载过大时自动切断回路。（7）用作缓冲。例如，使用蓄能器吸收冲击，防止损坏。（8）用于集中控制，组成综合自动化系统。（9）用于远程监控。（10）为其他领域提供新的功能，包括机器人技术。液压系统中，执行部件的运动形式有直线往复运动，曲线往复运动及摆动运动，而根据不同的要求，还可以组合成空间复杂轨迹的运动。因此，液压传动具有较大的适应性和灵活性。

其他相关概念

液压机（hydraulic and oil press）是根据帕斯卡原理制成的利用液体静压力传递能量的压力机。包括水压机和油压机。以水基液体（乳化液）为工作介质的称为水压机，以油为工作介质的称为油压机。液压机能产生巨大的工作压力，锻造特大型锻件，是重型制造业和飞机制造业不可缺少的锻压成形设备。液压机利用液体压强工作，其工作原理见图1。在密闭液压系统中，当对小柱塞施加较小作用力时，大柱塞便能产生较大的作用力，施加于坯料使其变形，获得所需工件。液压机一般由本机（主机）、动力系统及液压控制系统3部分组成。本体结构由上、下横梁及立柱组成一个封闭框架，承受工作载荷。工作柱塞在上横梁上，推动活动横梁向下运动，锻压工件。向上回程由回程柱塞完成。当工作介质的压强相同时，工作柱塞的面积越大，则得到的工作压力就越大。液压机的工作行程较大，并且在全行程中都可以对工件施加最大的工作压力，故工艺范围广。液压机的规格用公称工作力（千牛或兆牛）表示。

按工艺用途，液压机可分为：①锻造液压机，又称自由锻造液压机，用于自由锻造工艺。有整装式、下拉式和单臂式。整装式多为3个工作缸，可得3级压力。下拉式多为双柱式，工作缸置于地下，整机重心较低，行程次数较高，达100次/分钟以上，适合快速锻造。单臂式操作方便，适合锻造中小型锻件。②模锻液压机，大型模锻液压机主要用于模锻大型铝、镁合金、钛和钛合金以及特殊合金钢等模锻件，广泛用于航空航天工业。模锻液压机比锻造液压机具有更大的工作压力，更大的工作台面和更大的结构刚度。全世界最大的模锻液压机是中国在2012年建成的8万吨（800兆牛）模锻液压机，世界上有200兆牛以上的模锻液压机约20台。用于多向模锻液压机除了有垂直形式的框架和工作缸外，还有水平形式的框架和工作缸，可以从不同方向对工件进行加压，锻造出形状复杂的有空腔的模锻件。③冲压液压机，用于薄板或厚板在冷态或热态下的冲裁、落料、折弯、拉深或矫正等工艺，在造船、锅炉、化工、桥梁等行业中应用较多。冲压液压机有单动式和双动式。单动式只有一个动梁，双动式有两个动梁。双动式液压机主要用于拉深成形，压边动梁先将板料压紧，拉深动梁再将板料成形。能制造深度较深、形状较复杂的工件。④挤压液压机，用于各种管材、棒材、型材、线材和类似零件的挤压成形。分为卧式和立式，立式多为小型，大、中型多为卧式结构。⑤通用液压机，又称万能液压机，多以油液作为工作介质，适用于压制、压装、挤压和矫正等工艺。在各个行业中得到广泛应用。⑥等温锻造液压机。等温锻造是一种将模具和坯料加热到锻造温度，并维持此温度而进行的低应变速率成形的塑性加工工艺。专门用来实现等温锻造工艺的液压机称为等温锻造液压机，主要用于难变形材料的模锻成形。配备有模具加热及控温装置和相对速度较低以及控制精度较高的液压控制系统。此外，考虑到高温下的模具强度和使用寿命，有时也配备真空系统，以实现在真空环境下的模具对锻件的热变形。等温锻造液压机具有以下特点：有模具加热装置及温控系统；横梁速度较低，控制精度较高的液压控制系统；可实现较长时间的等温保压过程；有足够大的闭合高度和工作台面尺寸，以满足等温锻造模具及加热装置的安装需求。