液压系统与气动系统的区别

液压和气动系统在现代工业中被广泛使用。本文将简要介绍液压和气动系统,以及它们的特点和相互之间的区别。

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目录



§1. 什么是液压系统

§2. 什么是气动系统

§3. 液压系统与气动系统的区别

§1. 什么是液压系统

“液压”一词源于希腊语ὑδραυλικός(hydraulikos)。 液压主要与流体力学有关,侧重于流体的机械性能和使用。液压技术普遍存在于机械和机电行业,可分为液压传动技术和液压控制技术。液压传动是以液体为工作介质,利用液体的压力能来传递动力。液压控制是利用具有一定压力的液体作为控制信号。液压控制通常包括液压开环控制和液压闭环控制。液压闭环控制又称液压伺服控制,它所构成的液压伺服系统,通常包括电气液压伺服系统(电液伺服系统)和机械液压伺服系统(机液伺服系统,或机液伺服机构)。采用液压技术而组成的控制系统称为液压控制系统。

hydraulic principle

液压的使用可以追溯到很久以前,但正是由于17世纪的法国科学家和哲学家布莱斯-帕斯卡和18世纪的瑞士物理学家丹尼尔-伯努利,液压才得以在现代工业系统中大规模地使用。帕斯卡定律或帕斯卡流体静力学原理指出,当水充满一个封闭的容器时,任何一点的压力都会传递到容器的所有侧面。液压系统使用帕斯卡原理进行增压:如果一个液压系统有大小两个活塞,对小的活塞施加一个小的推力,通过流体中压力的传递,大的活塞就会产生一个大的推力。伯努利定理指出,流体中的能量是由高度、运动和压力引起的,如果没有摩擦造成的损失,也没有做功,那么能量之和保持不变。

一个完整的液压系统由五个部分组成:液体介质、驱动装置、能源装置、执行装置和控制调节装置。液体介质通常是液压油。驱动装置通常是一个电动机,它为液压系统提供能量来源,并通过旋转运动输出机械能。能量装置(液压泵)的作用主要是将驱动装置输入的机械能转化为液体介质的液压能。执行装置(如液压缸、液压马达)的作用是将液压能转换成机械能,以获得所需的线性往复运动或旋转运动。控制和调节装置能够调节液压介质的流量和流动方向。液压回路系统可以使液压系统实现复杂多样的功能。液压回路的工作原理与电路相似:分立元件的连接是为了控制流体流动的位置(如热力学系统)和控制流体压力(如液压放大器)。

从18世纪英国的约瑟夫·布拉马发明了世界上第一台液压机后,液压系统得以广泛应用各个领域。液压由于其传递功率高,易于传递及配置等特点,能够胜任繁重的机械性重复工作,例如建筑,化工,采矿,造纸,伐木,农业,运输,汽车,机械制造,金属加工等领域。在重型装置中,液压系统可以输出非常高的功率,操作员可以举起重物,并且可以轻松完成精确的重复性任务。液压系统也充当了人工智能的执行单元,在各种数字化智能作业机器人中也很常见。


§2. 什么是气动系统

“气动”一词源于希腊语πνεῦμα(pneuma)。与液压学类似,气动学也与流体力学有关,但气动学侧重于气体的机械性能和使用。同样,气动学是一项工程技术,它利用空气的可压缩性作为能量传输或信号传输的动力源和工作介质。气动技术作为 "廉价的自动化技术",被广泛应用于现代工业生产中,是实现各种生产控制、自动控制的重要手段。特别是成本低、结构简单的气动自动化装置得到了广泛的推广和应用,在工业企业的自动化中有着非常重要的地位。而且,气动作为一种清洁环保的自动化技术,对于全球环境和资源保护有着相当重要的意义。

气动系统的结构和工作原理与液压系统相似。气动系统以压缩空气(或压缩惰性气体)为动力源和工作介质,利用冲击或旋转动作产生的气压,驱动机械单元完成伸缩或旋转动作。大气中的空气可以被空气压缩机吸到储气罐中,由于压缩机减少了空气的体积来增加其压力,所以储气罐中的压缩空气会像弹簧一样具有弹性。通过气动控制元件来控制压缩空气的流动方向,就可以带动气动系统中的执行元件的旋转和伸缩等机械运动。由于气动系统从大气中吸入的空气量与排入大气的空气量相同,因此在整个过程中不会产生化学反应,也不会消耗污染空气的成分。

vacuum pump

气动应用的历史非常悠久,早在公元前,埃及人就开始使用风箱来产生压缩空气进行燃烧。从18世纪的工业革命开始,德国物理学家Otto von Guericke发明了真空泵,气动技术逐渐应用于各行各业,但大多数气动元件是由液压元件改造或演变而来,体积较大。从二十世纪开始,气动技术与电子技术相结合,并自成体系,开始一体化、小型化和模块化。而气动元件的体积越来越小,精度越来越高,价格越来越便宜。气动技术已经从小型手持设备变成了由多个部件提供不同功能的大型机器,并被广泛用于自动化领域。从二十一世纪开始,气动技术与计算机、电气、传感和通信技术相结合,气动技术变得智能化和信息化。气动伺服定位技术可以使气缸在低速运动下实现任意点的自动定位。智能阀岛技术对于解决整个自动化生产线的分散和集中控制问题非常有效。

20世纪60年代以来,随着工业机械化和自动化的发展,气动传动已经成为一个独立的专业领域,气动传动元件的发展速度已经超过了液压元件。气动技术作为一种低成本的工业自动化方式,在各个工业领域得到了越来越广泛的应用。由于气动系统非常环保,不排放任何有毒有害物质,其安全性和可靠性优于液压、电子和电气系统,因此气动系统也被广泛应用于食品、医药、轻工、纺织、印刷、精密检测等领域。


§3. 液压系统与气动系统的区别

1. 工作介质


Working Medium

- 液压系统使用不可压缩的液压油作为工作介质,而气动系统使用可压缩的空气作为工作介质。

液压系统使用液压油作为工作介质,储存在一个封闭的液压油箱中。气动系统使用空气作为工作介质(仅在少数情况下使用惰性气体)。气动系统的空气由空气压缩机从大气中抽取,并储存在一个储存罐中。由于大气中含有灰尘、水蒸气和其他污染物,气动系统需要配备过滤器和空气干燥器,以保持压缩空气的清洁和干燥,从而提高气动元件和气动系统的可靠性和使用寿命。由于空气的粘度低,润滑性弱,所以需要配备单独的润滑装置。液压油在液压系统中始终是循环的,因此不需要过滤装置。当液压油停止流动时,负载的轻微移动就会释放负载上的压力,而气动系统则需要通过排放压缩空气来释放负载上的压力。而且由于液压油具有粘性和高度润滑性,因此不需要任何润滑装置。液压油还具有冷却功能。


2. 工作效率


Working Efficiency

- 液压系统比气动系统具有更高的能量传递效率。

由于液压油不可压缩,弹簧作用很小,不吸收任何提供的能量,能量在动力传递过程中不因压缩而损失,所以其输出力或扭矩较大。由于空气的可压缩性较强,弹簧作用大,受外界载荷变化的影响大,所以其输出力或扭矩较小,结构尺寸也不宜过大。因此,液压系统的工作压力通常为6.9至34.5兆帕;气动系统的工作压力为0.3至1兆帕。


- 气动系统比液压系统具有更高的可操作性。

气动元件动作快,反应快,调节方便,可以利用气动信号实现自动控制。但是,气动元件中的气动信号传输速度比电子和光速慢,所以气动信号传输不适合于频率高的复杂电路。由于空气粘度很小,在传输中摩擦力很小,能量损失很小,热损失也很小,所以适合于集中供气和远距离输送,并能在短时间内释放能量,获得间歇运动的高速响应。气压缸的动作速度一般为50~500mm/s。气动系统还可利用真空发生器和真空杯进行精密操作,如提升和移动大块玻璃或鸡蛋等精密物体。


3. 环保


Environmental Protection

- 气动系统比液压系统更环保。

液压系统中的液压油在使用后必须送回液压油箱,以免污染工作环境,所以液压系统需要配备回油装置。气动系统中的空气不发生任何化学反应,气动系统既不消耗空气中的任何成分,也不产生任何有毒、有害物质。因此,气动系统中的空气在使用后可以直接排入大气,不需要像液压系统那样设置回油装置。


4. 安全


Safety

- 气动系统比液压系统更安全。

液压系统中的液压油具有很大的液压能,不受控制的液压能会对工作人员造成很大伤害。为了避免液压能对工作人员造成身体伤害,液压系统通常需要额外的释压装置来释放不必要的液压能,还需要额外的隔离装置来避免不受控制的液压能触发执行器。此外,液压油是一种可燃材料,泄漏不仅会污染工作环境,而且会引起电气火灾。操作时,工作人员不仅需要佩戴护目镜、防护服等防护装置。在安装和维修操作中,还需要保证液压油的压力为零。

气动系统中的气动元件不需要用电,所以如果气动系统出现泄漏,泄漏的空气不会引起电气火灾。唯一需要担心的是压缩空气压力的损失。由于压缩空气压力的降低会影响气动系统的正常运行,因此需要尽快密封泄漏点。由于空气的危险性小,气动系统对工作环境适应性强,非常适用于高温、易燃、易爆、多尘、强磁、强辐射、振动等恶劣条件。


5. 使用寿命


Service Life

- 气动系统比液压系统有更长的使用寿命。

由于气动系统不使用电力或液压油,即使在停电后,只要储气罐内有足够的压力,它们也能继续运行。气动系统中的空气是可压缩的,所以它可以吸收冲击并执行缓冲功能。因此,气动元件具有自我保护功能,不容易受到冲击损害。从长远来看,需要的维护更少。值得注意的是,气动系统的使用寿命受气源清洁度和使用频率的影响很大。气动系统通常有较长的使用寿命,并且需要很少的维护,因为它们对冲击和过载有较强的适应力。

液压系统依靠内燃机或电动机来提供能量来源,因此在停电后不能继续运行。由于液压油是不可压缩的,不能吸收冲击,因此需要配备缓冲装置,以减少负载对液压元件的影响。由于内燃机和电动机的效率受到负载和温度的限制,液压系统的过载能力很弱,需要定期维护。


6. 成本


Costs

- 气动系统的综合成本比液压系统低。

气动系统在较低的压力下工作,因此气动元件可以用更薄和更轻的材料制成(如铝和工程塑料)。气动元件是高度模块化的,使用标准气缸和其他元件可以很容易地设计出一个气动系统,并通过简单的开/关控制进行操作。由于气动元件结构简单、成本低、寿命长,易于标准化、系列化和通用化,因此气动系统的安装和维护成本低。气动系统排气噪声大,高速排气时应配备消声器。液压系统的工作压力很高,所以液压元件通常由昂贵的钢和铸铁制成,安装和维护费用比气动系统高。

气动系统的工作介质是大气中取之不尽的自由空气。气动系统的废气处理简单,不会对环境造成污染。液压系统的工作介质是液压油,为了提高液压元件的使用寿命,许多添加剂(如抗氧化剂、防锈剂、抗磨剂、粘度指数改进剂等)被添加到液压油中,以优化液压油的性能(如热稳定性、粘温、低温性能、抗磨性能、粘度等)。 而液压油的质量越好,价格也越高。液压油作为有机物,其性能会随着时间的推移而退化,因此需要增加维护和更换液压油的费用。

液压系统需要配备昂贵而复杂的电气驱动控制系统,以确保电机不会因过载和过热而烧毁。气动系统使用空气来控制扭矩、力和速度 ,通常需要简单的压力或流量控制阀,而不是电气驱动控制系统。然而,气动系统的能量转换率很低,所以其电力消耗相对较高。




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