Гидро- и пневмопривод в автоматизированном производстве

А. В. Баранов 
ГИДРО- И ПНЕВМОПРИВОД 
В АВТОМАТИЗИРОВАННОМ 
ПРОИЗВОДСТВЕ 
Учебное пособие 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК 62-82 
ББК 34.447 
Б24 
 
 
Рецензенты: 
кафедра технологии машиностроения Костромского государственного  
технического университета;  
генеральный директор ЗАО «НИР» доктор технических наук А. А. Коряжкин 
 
 
 
 
 
 
Баранов, А. В. 
Б24   
Гидро- и пневмопривод в автоматизированном производстве : учебное 
пособие / А. В. Баранов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 
172 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1582-8 
 
Приведены примеры гидравлических и пневматических приводов различных машин, описаны входящие в них аппараты и устройства, предложена методика выбора 
основных параметров приводов, а также показано применение пневмо- и гидросистем 
для автоматизации технологического оборудования. 
Для студентов, обучающихся по направлениям «Конструкторско-технологическое 
обеспечение машиностроительных производств» и «Машиностроение». Может быть 
полезно инженерно-техническим работникам, занимающимся расчетами гидравлических и пневматических систем. 
 
УДК 62-82 
ББК 34.447 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1582-8 
” Баранов А. В., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

ВВЕДЕНИЕ 
Технический уровень машин во многом зависит от совершенства приводов. Для повышения уровня автоматизации производственных процессов машины должны иметь автоматизированные приводы, содержащие автономные 
регуляторы или управляемые централизованными автоматическими устройствами, включая ЭВМ. 
Рассматриваемые объемные гидро- и пневмоприводы возникли давно, но 
интенсивно развиваться стали только в XX в. Вначале пневмопривод применялся для врубовых машин (врубовая машина – машина для производства вруба в пласте полезного ископаемого (чаще угольном) при подземной разработке), а гидропривод в корабельных механизмах (например, для рулевого управления и поворота орудийных башен). В 20-х годах гидро- и пневмоприводами 
оснащали уже металлорежущие станки. С середины 30-х годов гидроприводы 
начали применять в авиационной технике. При создании различных самоходных машин стали использовать гидро- и пневмоприводы в рулевых и тормозных механизмах. 
Начиная с середины XX в., в нашей стране развернулись работы по проектированию, изготовлению и применению гидро- и пневмоприводов почти во 
всех отраслях народного хозяйства. 
Под гидроприводом понимают совокупность устройств (в число которых входит один или несколько объемных гидродвигателей), предназначенную для приведения в движение механизмов и машин посредством рабочей 
жидкости под давлением. В качестве рабочей жидкости в станочных гидроприводах обычно используется минеральное масло (в ряде случаев, по требованиям пожаробезопасности – синтетические жидкости, которые значительно 
дороже). 
Применение гидроприводов позволяет упростить кинематику станков, 
снизить металлоемкость, повысить точность, надежность и уровень автоматизации. 
Широкое использование гидроприводов в станкостроении и не только определяется рядом их существенных преимуществ перед другими типами приводов и прежде всего возможностью получения больших усилий и мощностей 
при ограниченных размерах гидродвигателей. Гидроприводы обеспечивают 
широкий диапазон бесступенчатого регулирования скорости (при условии хорошей плавности движения), возможность работы в динамических режимах с 
требуемым качеством переходных процессов, защиту системы от перегрузки и 
точный контроль действующих усилий. С помощью гидроцилиндров удается 
получить прямолинейное движение без кинематических преобразований, а 
также обеспечить определенное соотношение скоростей прямого и обратного 
ходов. 
В современных гибких производственных системах с высокой степенью 
автоматизации цикла требуется реализация множества различных движений. 
Компактные гидродвигатели легко встроить в механизмы и соединить трубопроводами с насосной установкой, имеющей один или два насоса. Такая систе3 

ма открывает широкие возможности для автоматизации цикла, контроля и оптимизации рабочих процессов, применения копировальных, адаптивных или 
программных систем управления, легко поддается модернизации, состоит, 
главным образом, из унифицированных изделий, серийно выпускаемых специализированными заводами. К основным преимуществам гидропривода следует 
отнести также достаточно высокое значение КПД, повышенную жесткость и 
долговечность. 
Наиболее эффективно применение гидропривода в станках с возвратнопоступательным движением рабочего органа, в высокоавтоматизированных 
многоцелевых станках, агрегатных станках и автоматических линиях, гибких 
производственных системах. Гидроприводы используются в механизмах подач, 
смены инструмента, зажима, копировальных суппортах, устройствах для транспортирования, уравновешивания, разгрузки, фиксации, устранения зазоров, переключения зубчатых колес, привода смазочных насосов, блокировок, уборки 
стружки, перемещения ограждений, поворота столов и револьверных головок, 
перемещения пинолей и т. п. Гидроприводами оснащаются более трети выпускаемых в мире промышленных роботов. 
Пневматическая система – это техническая система, состоящая из 
устройств, находящихся в непосредственном контакте со сжатым воздухом. 
Пневматические системы являются эффективным средством автоматизации и 
механизации технологического оборудования. 
Преимущества пневматических систем особенно заметны при механизации и автоматизации таких операций как: зажим деталей, их фиксация, кантование, сборка, контроль линейных размеров, транспортирование, очистка базовых посадочных мест инструмента и обрабатываемых деталей, а также многих 
других операций, повышая производительность от 1,5 до 4 раз. Широкому 
внедрению пневматических систем способствуют их положительные качества: 
простота конструкции и эксплуатационного обслуживания, надёжность работы 
в широком диапазоне температур, влажности, запыленности, большой срок 
службы, достигающий 10 000–20 000 часов (10–50 млн циклов), высокая скорость перемещения исполнительных устройств (линейного – до 15 м/с, вращательного – до 20 000 об/мин), простота передачи энергоносителя (сжатого воздуха), централизованный источник выработки энергоносителя, возможность 
торможения и полной остановки без опасности повреждения механизмов. 
Недостатком следует считать сложность обеспечения плавного перемещения рабочих органов пневматических исполнительных устройств при колебании нагрузки. 
В машиностроении используются пневмосистемы реализованные на 
пневматической технике трёх уровней: высокого 0,2–1,0 МПа, среднего 0,1–
0,25 МПа и низкого 0,001–0,01 МПа. 
Наибольшее распространение получили магистральные пневмоприводы, 
в которых сжатый воздух подаётся в пневмодвигатель от магистрали (заводской, цеховой и т. п.), не входящей в состав привода. 
4 

В данном пособии приведены примеры гидравлических и пневматических приводов различных машин, описаны входящие в них аппараты и устройства, предложена методика выбора основных параметров приводов, а также показано применение пневмо- и гидросистем для автоматизации технологического оборудования. 
5 

1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ ГИДРОПРИВОДОВ 
 
Принцип работы объемного гидропривода основан на использовании 
энергии потока сжатого масла, т. е. масла, находящегося под избыточным давлением (давлением сверх атмосферного), которое может создаваться либо под 
действием силы тяжести жидкости, либо под действием усилия на жидкость, 
находящуюся в замкнутом объеме, либо в результате принудительного вытеснения жидкости из резервуара через отверстие (гидравлическое сопротивление). 
Для первого случая (рис. 1, а) в некоторой точке А, расположенной в 
жидкости с удельным весом Ȗ на глубине h, избыточное давление рА = Ȗh или   
рА = ȡgh, где ȡ – плотность жидкости, g – ускорение свободного падения. Для 
второго случая (рис. 1, б), если пренебречь силами трения поршня 1 о стенки 
цилиндра 2 и давлением, зависящим от глубины погружения, избыточное давление р = G/F (G – вес поршня 1 и лежащего на нем груза, H; F – площадь 
поршня, м2). В соответствии с законом Паскаля давление в любой точке, 
находящейся в покое жидкости одинаково во всех направлениях. 
 
 
Рис. 1. Основные способы создания давления в жидкости 
 
В последнем случае (рис. 1, в), если поршень 1 с рабочей площадью F, 
вытесняющий жидкость из цилиндра 2 через малое отверстие (гидравлическое 
сопротивление) 3, движется с постоянной скоростью v, то расход жидкости 
через отверстие 3, т. е. количество жидкости, проходящее в единицу времени, 
определяется формулой Q = vF. Чтобы указанное количество жидкости могло  
проходить через отверстие, должен быть создан перепад давлений ǻр = рвх –  
– рвых (рвх и рвых – давления на входе и выходе из отверстия 3), зависящий от соотношения между расходом и площадью проходного сечения отверстия. По6 

скольку для этого случая рвых = 0 (истечение в атмосферу), давление жидкости в 
цилиндре 
p
p
p
'
 
 
вх
, т. е. равно перепаду давлений (гидравлическим потерям) в отверстии 3 при условии, что через него проходит количество жидкости 
Q. При этом необходимое для перемещения поршня усилие Р = pF. Если скорость v незначительна, а отверстие 3 имеет сравнительно большой диаметр, то 
р ĺ 0 и Рĺ 0, а при большой скорости и малом диаметре 
F
P
p
max
 
 (
max
P
– максимальное усилие на поршне, развиваемое приводным механизмом). Следовательно, давление в гидросистеме может быть создано лишь при наличии определенного сопротивления потоку масла. 
В ряде случаев необходимо учитывать атмосферное давление. При этом к 
избыточному давлению прибавляют нормальное атмосферное давление (
а
p =  
= 101 325 Па) и полученную сумму называют абсолютным давлением:  
а
абс
p
p
p

 
. 
В некоторых участках гидросистем (например, во всасывающих линиях 
насосов) абсолютное давление может быть ниже атмосферного, т. е. образуется 
вакуум, величина которого определяется как разность между атмосферным и 
абсолютным давлениями. 
 
 
 
Рис. 2. Схема действия гидравлического усилителя 
 
Гидропривод способен многократно увеличивать действующее усилие. 
Так, в гидросистеме (рис. 2) поршень 1, имеющий рабочую площадь F1 = 1 см2, 
при действии усилия P1 = 20 Н создает давление р = Р1 / F1 = 0,2 МПа. Указанное давление, действуя на поршень 2 с рабочей площадью F2 = 50 см2, создает 
подъемную силу Р2 = pF2 = 1000 Н. Выигрывая в 50 раз в силе, столько же проигрывают в перемещении, так как для подъема поршня 2 на 1 мм необходимо 
опустить поршень 1 на 50 мм. 
7 

Давление р будет одинаковым в обоих цилиндрах только при неподвижных поршнях. При этом масло не будет проходить через трубопровод 3. Чтобы 
поток масла проходил через трубопровод, необходимо создать перепад давлений ǻр между входом и выходом и наоборот, когда поток масла проходит через 
трубопровод (или любой другой канал), возникают гидравлические потери, в 
результате которых давление на выходе понижается по сравнению с давлением 
на входе. Необходимый перепад давлений создает поршень 1 и, следовательно, 
в момент движения тяговое усилие, создаваемое поршнем 2, несколько убывает 
(в зависимости от скорости движения поршня и гидравлического сопротивления трубопровода 3). 
Разность давлений масла в двух сечениях одного и того же трубопровода 
при условии, что первое расположено выше по течению, а второе – ниже, определяется уравнением Бернулли: 
ª



 

U
v
v
, 
  (1) 
 
  
п
2
º
«
¬
2
1
2
2
1
2
2
1
p
g
g
h
h
p
p
'

˜
»
¼
где 
1
2
h
h 
 – разность высот центров тяжести сечений от произвольно выбранного горизонтального уровня;  
2
1,v
v
 – средние скорости масла в сечениях;   
п
p
'
 – сумма гидравлических потерь при движении масла из первого сечения во 
второе. 
Уравнение Бернулли в полном виде используется, например, для расчета 
всасывающих линий насосов; в остальных случаях первым слагаемым пренебрегают и считают 
п
2
1
p
p
p
'
|

. Суммарные потери давления по длине трубопровода и в местных сопротивлениях для станочных гидроприводов обычно не 
превышают 10 % от давления, развиваемого насосом (в гидроприводах низкого 
давления – до 20 %). 
 
 
 
 
8 

2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ 
 
Рабочим жидкостям станочных гидроприводов должны быть присущи 
хорошие смазочные и антикоррозионные свойства, малое изменение вязкости в 
широком диапазоне температур, большой модуль упругости, химическая стабильность, сопротивляемость вспениванию, совместимость с материалами гидросистемы, малая плотность, малая способность к растворению воздуха, хорошая теплопроводность, низкое давление их паров и высокая температура кипения, возможно меньший коэффициент теплового расширения, негигроскопичность и незначительная взаимная растворимость с водой, большая удельная 
теплоемкость, нетоксичность и отсутствие резкого запаха, прозрачность и 
наличие характерной окраски. Жидкость должна иметь также низкую стоимость и производиться в достаточном количестве. Наиболее подходящей рабочей жидкостью является минеральное масло. 
Удельный вес Ȗ, Н/м3 – вес единицы объема V масла: 
V
G
 
J
, где G – вес 
масла (Н) в объеме V (м3). 
Плотность ȡ, кг/м3 – масса единицы объема V масла: 
g
V
m
J
 
 
U
, где т – 
масса масла (кг) в объеме V (м3); g – ускорение свободного падения (м/с2). 
Вязкость – свойство, определяющее сопротивление жидкости относительному перемещению ее слоев. Динамическая вязкость ȝ = 1 Па Â с – это 
динамическая вязкость среды, касательное напряжение в которой при ламинарном течении (когда частицы жидкости движутся параллельно направлению потока) и при разности скоростей 1 м/с слоев, находящихся на расстоянии 1 м по 
нормали к направлению скорости, равно 1 Па. Для сравнения можно указать, 
что динамическая вязкость воды при 20 °С равна примерно 0,001 Па Â с. 
Кинематическая вязкость 
ȡ
ȝ
ȣ  
 в технике измеряется в мм2/с (сСт).  
В регламентах масел приводятся значения кинематической вязкости при 50 °С 
(Q50) или для новых масел – при 40 °С (Q40).  
Вязкость минеральных масел повышается с ростом давления (при давлении 15 МПа она может возрасти на 25–30 %) и снижается при увеличении температуры масла (рис. 3), что отрицательно сказывается на его смазывающей 
способности, поэтому предпочтительно применять масла, у которых зависимость вязкости от температуры выражена слабее. Вязкостно-температурные 
свойства масел по сравнению с аналогичными свойствами масел, принятых за 
эталон, оценивают с помощью индекса вязкости (ИВ), приводимого в регламентах всех современных масел. Масла с высоким значением ИВ меньше изменяют свою вязкость с ростом температуры. 
С увеличением вязкости возрастают потери давления в гидросистеме, однако одновременно уменьшаются утечки, поэтому, как правило, более вязкие 
масла применяют в гидроприводах, работающих при повышенном давлении.  
9 

 
Рис. 3. Зависимость кинематической вязкости Ȟ различных минеральных масел  
от температуры t: 
1 – ИГП-38; 2 – ИГП-ЗО; 3 – ВНИИ НП-403; 4 – ИГП-18 
 
Сжимаемость минерального масла более чем в 100 раз превышает сжимаемость стали, и часто существенно влияет на качество работы гидропривода. 
Уменьшение объема масла под действием рабочего давления может опредеp
V
V
'
˜
 
'
, где V – первоначальный объем масла, м3;  
ляться по формуле 
E
p
' – изменение рабочего давления в гидросистеме, МПа; Е – модуль упругости 
масла, МПа. В практических расчетах можно принимать Е = (1,4…1,7) Â 103 МПа, 
однако он может существенно уменьшаться при наличии в масле нерастворенного воздуха в виде пузырьков. Модуль упругости газожидкостной смеси              
г
ж
см
1
p
p
E
V
V
V
V
E
E
˜


 
, 
 (2)    
 
  
2
0
г
ж
где 
ж
V , 
г
V  – объемы соответственно жидкостной и газовой фаз при атмосферном давлении;  
0
p , p  – давление в гидросистеме. 
Обычно в масле работающего гидропривода содержится до 6 % нерастворенного воздуха; после отстаивания в течение суток содержание воздуха 
уменьшается до 0,01–0,02 %. При давлении до 0,5 МПа в результате влияния 
нерастворенного воздуха модуль упругости масла резко снижается, поэтому в 
гидросистемах рекомендуется иметь подпор в сливных линиях. 
В масле содержится также определенное количество растворенного воздуха (пропорциональное величине давления), который практически не влияет 
10