毕业设计（论文）-小型叉车液压系统设计.docx

毕业设计 小型叉车液压系统设计学生姓名： 李晓伟 学号：135011132系 部： 机械工程 专 业： 机械设计制造及其制动化 指导教师： 韩海军 二零一五年 六月诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 小型叉车液压系统设计 系部： 机械工程系 专业： 机械设计制造及其自动化 学号： 135011132 学生： 李晓伟 指导教师（含职称）： 韩海军 （高工） 1 课题意义及目标通过毕业设计，能够对液压原件及液压传动技术有较深刻的理解和掌握，对设计规范、计算方法及设计思想等内容有一定的了解，为学生在毕业后能尽快适应所从事的工作奠定一些基础。2主要任务1. 确定叉车液压系统设计方案，并进行必要的设计计算。2. 绘制叉车液压系统原理图，绘制油缸装配图及零件图。3. 编写设计说明书一本4. 电子资料一份3主要参考资料 1 陶元芳 卫良宝叉车构造与设计M机械工业出版社，2 李玉林 液压元件与系统设计.北京航空航天大学出版社3章宏甲黄谊.液压传动.机械工业出版社4 吴宗泽罗圣国.机械设计课程设计手册.高等教育出版社，第二版 5 范存德主编 液压系技术手册M沈阳：辽宁科学技术出版社，200454进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1学习叉车相关知识，查阅文献，完成开题报告2014年12月30日2进行液压系统总体方案的分析论证2015年3月1日4月13日3进行液压系统的设计4月14日5月4日4 液压系统原理图绘制5月5日6月1日5撰写毕业设计说明书，准备相关资料论文答辩6月2日6月15日小型叉车液压系统设计摘要：在信息化、网络化、知识化和全球化的21世纪，科技的日益发展对电液控制技术的研究、设计理念及方法产生深刻的影响。液压控制技术涉及行业几乎囊括了国民经济的各个部门。本文针对小型叉车液压系统设计，通过对液压系统力学的分析以及主要部件结构原理的理解，对小型叉车液压系统进行了相关计算，确定了液压系统的相关参数，绘制了液压传动系统的原理结构图，并对系统进行了相应的校核，实现了预期功能。 关键词：液压；叉车；控制Truck Hydraulic System Design Summary: In the 21st century， information technology， networks， knowledge and globalization， the increasing development of technology for the electro-hydraulic control technology research， design concepts and methods have a profound impact. Hydraulic control technology involved in the industry including almost all sectors of the national economy. In this paper， a small forklift hydraulic system， the hydraulic system through the analysis of the mechanical structure and the main part of understanding the principles of the hydraulic system of a small truck correlation calculation to determine the parameters of the hydraulic system， rendering the principle structure diagram of the hydraulic system， and the corresponding checking system， to achieve the desired functionality.Key words: Hydraulic; forklift; Control目 录一 引言11.1 课题发展现状和前景展望1二 液压系统概述32.1 液压系统的定义与组成32.2 液压传动的工作原理42.3 液压系统的类型5三 液压系统流体力学83.1 液压系统的工作液体83.2 液体静力学83.3 液体动力学93.4 管道中液流的能量损失10四 液压系统结构.114.1 液压泵114.2 液压执行器144.3 液压控制阀154.4 液压辅助元件17五 液压基本回路195.1 压力控制回路195.2 速度控制回路225.3 方向控制回路23六 叉车液压系统的设计246.1 叉车液压系统的主要参数246.2 液压系统方案和参数的确定266.2.1 提升装置参数确定266.2.2 倾斜装置参数确定276.2.3 系统工作压力的确定286.2.4 液压系统原理图296.3 液压元件的选择326.3.1 液压泵的选择326.3.2 电动机的选择336.3.3 液压阀的选择336.3.4 管路的选择346.3.5 油箱的设计356.3.6 其它辅件的设计366.4 液压系统性能的验算366.4.1 压力损失验算366.4.2 系统温升验算37起升系统消耗的功率远大于倾斜系统所消耗的功率，因此只验证起升系统的温升即可。376.5 设计过程小结38致 谢40IV6太原工业学院毕业设计一 引言1.1 课题发展现状和前景展望随着现代文明社会的发展，叉车的使用越来越普遍。叉车主要用途是进行装卸，堆垛和拆垛以及短途的搬动工作。由于叉车具有良好的机动性，又有较强的适用性。适用于货物多，货量大且必须迅速集散和周转的部门使用，因此叉车港口码头，铁路车站，仓库货场几乎不可缺少的机种 。由于社会对叉车的需求不断加大，使叉车的性能得到了改善，数目，品种和规格也不断增多，使用范围也不断增多。 几十年来，随着我国工业水平的不断提高，液压传动技术被广泛应用在机械制造、交通运输、军事器械、矿山冶金、航空航海、轻工、农机、渔业、林业等各个方面，也被应用在宇宙航行、海洋开发、核能建设、地震预测等新的技术领域中。从1795年英国制造出世界上第一台水压机至今，液压传动已有二三百年的历史了，但广泛的应用和推广仅有五六十年。19世纪末，德国制造出液压龙门刨床，美国制成液压六角车床和磨床，但因当时没有成熟的液压元件以及机械制造工艺水平的限制，液压传动技术的应用仍不普遍。二次大战期间，某些兵器采用了反应快、精度高、功率大的液压传动装置，推动了液压技术的发展。战后，其迅速转向民用，在机床、工程机械、农业机械、汽车、船舶等行业中逐步推广。60年代后，随着原子能、空间技术、计算机技术的发展，液压技术的应用更加广泛。目前，正在向高压、高速、高效、大流量、大功率、低噪声、长寿命、高度集成化等方向发展。同时液压元件和液压系统的计算机辅助设计、计算机仿真和优化、微机控制等工作，又使液压技术的发展进入了一个新的阶段14。1795年，英国制成了世界上第一台工业设备水压机。19世纪末，德国制造了液压龙门刨床，美国制造了液压六角车床和液压磨床。但由于当时没有成熟的液压元件 因而液压技术并未得到普遍使用。20世纪初，由于精研加工工艺的成熟，为液压元件向高压、高效率的发展创造了条件，因而在第一次世界大战到第二次世界大战期间，液压技术被用于军事上而得到很大发展。在这期间出现了动作准确、反应迅速的液压传动装置，并用于大炮、飞机、坦克上，而且在舰艇上也出现了电液伺服阀和伺服系统。第二次世界大战后，将这些军事上应用的成果转用到民用工业，并且由于控制论的发展以及高性能液压油不断使用和液压元件结构的不断改进，液压技术得到了飞速的发展。 20世纪50年代初，液压技术已开始应用到各行各业，如机床、汽车、工程机械等。在这期间出现了仿形机械、自动机床、各种流水作业线以及自动传动器的液控系统。到了20世纪60年代以至最近二三十年以来，由于空间技术、大型舰舶以及电子技术的发展， 液压技术的发展又达到一个全新的阶段。目前， 液压技术广泛用于机械制造、冶金、造船、石油化工、建筑、汽车、工程机械、注塑、纺织、食品加工及其它部门。在国防方面，如飞机、舰艇、大炮、坦克上的应用以及原子能方面的应用仍是一个重要的技术领域、已经出现了反应灵敏、动作准确的液压随动系统。液压马达可以做到重量只是同功率电动机的10 %20%，体积是同功率电动机的12 %13 %。液压元件和系统达到了小型化、集成化。例如美国生产的Allison传动器，实现一个5挡变速箱的动力换挡、自动跳挡的液压控制系统，全部元件和系统采用集成板结构。其它如静压轴承、静压导轨、静压丝杆等都在生产中得到成功应用。近年来又出现了交流液压技术。此外，液压射流技术也获得了应用和发展。图1.1 叉车实物图二 液压系统概述2.1 液压系统的定义与组成通常，一台完整的机器设备都是由原动机、传动装置和工作机构三大部分组成。原动机是机器的动力源，包括电动机、内燃机等；工作机构指完成该机器工作任务的直接工作部分。由于原动机的功率和转速变化范围有限，为了适应工作机构的工作力和工作速度变化范围较宽以及控制性能等要求，在原动机和工作机构之间设置了传动装置，传动装置的作用就是传递能量和运动，并进行控制。一般而言，传动是指将能量或运动由原动机向工作装置的传递过程，通过不同的传动方式使发动机的转动变为各种工作装置的不同运动形式，如推土机推土板的升降、起重机转台的回转和挖掘机铲斗的挖掘工作等。根据传递能量的工作介质的不同，将传动可分为机械传动、电子与电气传动、流体传动等。流体分可压缩流体和不可压缩流体两类，可压缩流体是气体，不可压缩流体是液体，它们都是可以用于能量传递的介质。流体传动是以流体为工作介质传递能量和进行控制的一种传动方式，是利用流体的压力能来传递能量的。流体通过各种元件组成不同功能的基本回路，形成具有一定功能的传动系统，可分为液压传动和气压传动。尽管液压工业已经取得了很大的进步，但与世界先进水平相比，应该清醒地看到国内的液压工业尚有不少差距，主要体现在科技研发能力、技术性能、产品种类数量、质量稳定性、应用可靠性、专业程度、生产规模、市场占有率、噪声和经济效益等方面。但应该相信处在高速发展期的中国液压工业会客观求是地调整战略发展方针，全力缩短与世界先进水平的差距。液压系统由以下五部分组成:（ 1 ）动力元件液压泵是将机械能转换为液压能的装置，给整个系统提供压力油。（ 2 ）执行元件液压缸或液压马达是将液压能转换为机械能的装置，可克服负载做功。（ 3 ）控制元件各种阀类可控制和调节液压系统的压力、流量及液流方向，以改变执行元件输出的力（或转矩）、速度（或转速）及运动方向。（ 4 ）辅助元件油管、管接头、油箱、滤油器、蓄能器和压力表等起连接、贮油、过滤、贮存压力能和测量油压力等作用的辅助元件。（ 5 ）工作介质通常为液压油传递压力的工作介质，同时还可起润滑、冷却和防锈的作用。表2.1 液压系统的组成部分及其功能2.2 液压传动的工作原理如图所示，液压缸1与单向阀3，4一起构成手动液压泵，用以完成吸油与排油。当向上抬起杠杆时，手动液压泵的活塞2向上运动，活塞2的下部容腔a的容积增大形成局部真空，致使排油单向阀3关闭，油箱8中的油液在大气压作用下经油管5顶开吸油单向阀4，进入a腔。当活塞2在力F1作用下向下运动时，a腔的容积减小，油液因受挤压，故压力升高。于是，被挤出的液体将使吸油单向阀4关闭，而使排油单向阀3被顶开，经油管6进入液压缸10的b腔，推动活塞11，使其上移顶起重物（重力为F2）。手摇泵的活塞2不断上下作往复运动，重物逐渐被抬高。重物上升到所需高度后，停止活塞2的运动，则液压缸10的b腔内的油液压力将使排油单向阀3关闭，b腔内的液体被封死，活塞11连同重物一起被闭锁不动。此时，截止阀9关闭。如打开截止阀9，则液压缸10的b腔内液体便经油管7流回油箱8，于是活塞11将在自重作用下下移回复到原始位置。图2.2 液压千斤顶工作原理图1，10-液压缸；2，11-活塞；3-排油单向阀；4-吸油单向阀；5，6，7- 油管；8-油箱；9-截止阀液压传动装置的工作特性有两点：与外负载相对应的液体参数是液体压力，与运动速度相对应的液体参数是液体流量。因此，压力和流量是液压传动中两个最基本的参数。如果忽略各种损失，液压传动传递的力与速度彼此无关，所以液压传动既可实现与负载无关的任何运动规律，也可借助各种控制机构实现与负载有关的各种运动规律。液压系统主要由能源装置、执行器、控制调节装置和辅助装置等四个部分组成，这四个组成部分可以统称为液压元件。液压传动与控制的机械设备或装置中，为了实现其动力的传递、转换与控制要求，若干液压元件连接或复合而成的总体即称为液压系统89。2.3 液压系统的类型按工作特征和控制方式的不同，液压系统可分为液压传动系统和液压控制系统。液压传动系统通常为开环控制，以传递动力为主，传递信息为辅，追求传动特性的完善；系统的工作特性由各组成液压元件的特性和它们的相互作用来确定，其控制质量受工作条件变化的影响较大，当不能满足正常的工作条件时，甚至无法达到既定的目标。液压控制系统通常要采用伺服阀等控制阀，且多为闭环控制，以传递信息为主，传递动力为辅，追求控制特性的完善。由于在系统中加入了检测反馈元件，故可用一般元件组成精确的控制系统，其控制质量受工作条件变化的影响较小。图2.3 开环控制的液压系统原理方块图图2.4 闭环控制的液压系统原理方块图由若干液压元件和管道组成，能够完成一定动作的整体称为液压系统。液压系统种类繁多，为便于掌握，通常从不同的角度归纳分类：按油液循环方式分类；按执行元件类型分类；按系统回路的组合方式分类；按液压泵和执行元件的多少分类等。其中前两种分类方法最常见。按油液循环方式分类液压泵和执行元件组成的回路是液压系统的主体，称为主回路。液压系统的主回路可以是一个回路，也可以是多个回路。按油液在主回路中的循环方式，液压系统可分为开式系统和闭式系统两大类。 (1)开式系统 液压泵从油箱中吸油，执行元件的回油接回油箱的系统称为开式系统。串联和并联，流调速系统都是开式系统，在开式系统中，液压泵是靠吸液腔形成的真空白油箱吸油的，故要求液压泵自吸性能好；否则应采用正压供油或辅助泵供油。采用辅助泵供油时，其流量应为主泵流量的1.3倍左右。开式系统执行元件的运动、停止和换向是由换向阀控制的。由于油箱是开式系统的工作介质储存的场所，所以油液在油箱中可以很好地散热、冷却、沉淀杂质和析出混入的空气。但开式系统需要用容积较大的油箱，空气与油液的接触面积较大，油液中的空气溶入量也多，油液易污染和氧化。(2)闭式系统主回路中执行元件的回油管道接至主泵吸油口的系统称为闭式系统变量(主)泵和定量马达组成的主回路是封闭的，定量马达的回油被导入泵的吸油口，泵的输出油液输送到定量马达的进油口，油液在系统中封闭循环。 在闭式系统中，为补充泄漏、进行热交换以及进行低压控制，必须设置辅助泵系统。辅助泵的流量视系统的容积损失、热平衡要求和低压控制的需要而定，一般为主泵流量的1/51/3。低压回路由低压安全阀4进行保护。马达回液侧的一部分热油经液控换向阀进入油箱进行热交换。闭式系统油箱容积小、结构紧凑；油液在封闭管道内循环，与空气、灰尘的接触机会少，空气、灰尘不易混入，油液不易污染；回油路有一定背压，故传动平稳。但其结构复杂，散热条件差，所以要安装冷却器。多用于大功率的液压传动，如采煤机及液压绞车的传动装置。按执行元件类型分类根据执行元件的类型可分为如下几种液压系统。(1)液压泵液压马达系统主回路由液压泵和液压马达构成的系统称液压泵液压马达系统。旋转运动的机械都采用这种系统。它既可以是开式系统，也可以是闭式系统。液压马达的数量可以只有一个，也可以是多个。(2)液压泵液压缸系统主回路由液压泵和液压缸组成的系统称液压泵液压缸系统。凡是作直线往复运动的机械都采用这种系统。它通常为开式系统，很少为闭式系统。这种系统可以是单液压缸系统(如广泛用于机床的节流调速系统)，也可以是多缸系统。(3)混合系统执行元件既有液压缸又有液压马达的系统称混合系统。除上述分类方式之外，还可以根据液压回路的组合方式分类。三 液压系统流体力学3.1 液压系统的工作液体工作液体的性能会直接影响液压系统的工作可靠性、灵敏性、工况稳定性、系统效率及零件的寿命等。不同的工作机械设备和系统对工作液体的要求不同。通常，工作液体应满足如下要求：（1）良好的润滑性，即油液润滑时产生的油膜强度高，以免产生干摩擦。（2）质地纯净，不含有腐蚀性物质等杂质，以免侵蚀机件和密封装置。（3）良好的化学稳定性。油液不易氧化、不易变质，以防产生黏质沉淀物影响系统工作，防止氧化后油液变为酸性，对金属表面起腐蚀作用。（4）体积膨胀因数低，比热容和传热因数高；流动点和凝固点低，闪点和燃点高。（5）对人体无害，价廉。（6）可滤性好。即工作液体中的颗粒污染物等容易通过滤网过滤，以保证较高的清洁度。（7）在寒冷地区条件下工作的液压系统，工作液体的低温性能好10。3.2 液体静力学液体静力学研究静止液体平衡规律以及这些规律的应用，主要内容包括液体静压力的概念、液体静压力的产生、分布（液体静压力基本方程）、传播及对固体壁面的作用力。此处所谓“静止液体”，是指液体内部质点之间没有相对运动，至于液体整体，完全可以像刚体一样作各种运动。液体静压力作用在液体上的力有质量力和表面力两种。前者作用在液体每一个质点上，其大小与液体质量成正比；后者作用在液体表面上，且与液体表面积成正比。单位质量液体的质量力称为单位质量力，在数值上等于加速度。单位面积上的表面力称为应力，可以分解成法向应力和切向应力。但是，由前述牛顿内摩擦定律可知，当液体静止时，液体质点间不存在摩擦力，所以静止液体的表面力只有法向力，而液体不能受拉，因此法向力总是向着液体表面内法线方向作用。工程上，把静止液体在单位面积上所受的内法向力称为静压力，简称压力（即物理学中的压强）。如果在液体内表面法向力非均匀分布，设某点处微小面积A上作用有法向力F，则该点处的压力p定义为 若在液体的面积A上，所受的力均匀分布，则压力可表示为 静压力的两个特性：（1 ）液体静压力垂直于其承压面，方向和该面的内法线方向一致。（2 ）静止液体内任一点所受的压力在各个方向上都相等。3.3 液体动力学理想液体和实际液体 （1）理想液体 既无黏性、又无压缩性的假想液体。当液体的黏性和可压缩性很小时，可近似看作理想流体，它是人们为研究流体的运动和状态而引入的一个理想模型。 （2）实际液体 既有黏性、又有压缩性的真实液体。 描述流体运动的两种方法 流体的最基本特征是流体的流动性，流体运动占据的全部空间称为流场。 （1）拉格朗日法是对流场中所有单个流体质点的位置、速度、压强等参数随时间的变化进行研究，而后将所有质点的运动综合起来，从而得到整个流场运动的一种研究方法。 （2）欧拉法是对流场中各空间点上流体质点运动的速度、压强等参数随时间的变化进行研究，而后将所有空间点上的结果综合起来，从而得到整个流场运动的一种研究方法。 不同于拉格朗日法以固定流体质点为研究对象，欧拉法以确定的空间为对象，它不能描述单个质点的运动全过程，但可表示出同一瞬时整个流场的流动参数1112。定常流动和非定常流动液体流动时，流动空间（流场）中每一空间点上液体的全部运动参数（如压力p、速度u、密度）都不随时间而变化，即p = p（ x，y，z），u = u（ x，y，z）， = （ x，y，z），这样的流动称为定常流动（又称恒定流动）。这些参数中只要有一个是时间t的函数，如p= （x，y，z，t），则这样的流动就称为非定常流动（又称非恒定流动或时变流动）。流线与迹线 流线是指某瞬时流场中不同液体质点组成的一条光滑曲线，曲线上各点的切线方向即为该点的速度方向，并指向液体流动的方向。流线的形状与液体的流动状态（定常流动或非定常流动）有关。定常流动时，流线的形状不随时间变化。由于任一瞬时液体质点的方向只有一个，因此流线既不能相交也不能转折。迹线是指某一液体质点在一段时间间隔内所走过的轨迹线。定常流动时，流线与迹线重合。3.4 管道中液流的能量损失在应用伯努利方程进行液压系统的工程计算时，首先要解决由于流动液体的黏性及液流经过突然转弯和通过阀口因相互撞击、出现漩涡等所产生的能量损失几的计算问题。在液压技术中这种能量损失主要表现为压力损失p。它由沿程压力损失和局部压力损失两部分组成，它们与液流的流态有关。 19世纪，英国物理学家雷诺通过大量实验发现，液体在管道中流动时存在层流和紊流两种流动状态。层流是指在液体流动时，液体质点沿管轴呈线状或层状流动，而没有横向运动、互补掺混和干扰。紊流是指液体流动时，液体质点除了沿管轴流动外和还有横向运动，强烈搅混，质点之间相互碰撞，做混杂紊乱状态的流动。液体的这两种流态，可用雷诺数来判别。 实验结果证明，液体在圆管中的流动状态不仅与管内的平均流速、有关，还和管道（或流道）的水力直径dH、液体的运动黏度v有关。即决定流动状态的是由这三个参数所组成的一个无量纲数雷诺数，即Re= 如果液流的雷诺数相同，则流动状态亦相同。式中dHdH= A液体流通截面面积x流通截面的湿周长度（a） （b）（a）层流；（b）紊流图3.1 液体的层流与紊流水力直径的大小反映了管道或流道的通流能力，水力直径大，意味着液流和管壁的接触面积小，阻力小，通流能力大。在通流截面面积相同但形状各异的所有流道中，圆形截面管道的水力直径最大。实验表明：当Re小时，黏性力起主导作用，液体质点受黏性的约束，不能随意运动，只能沿着流层作层次分明的轴向运动而呈层流；当Re大时，惯性力起主导作用，液体高速流动时液体质点间的黏性不能再约束质点，液体质点具有速度脉动，能冲出流层而呈紊流。液体由层流转变为紊流时的雷诺数和由紊流转变为层流时的雷诺数是不相同的，前者称为上临界雷诺数Re上，后者称为下临界雷诺数Re下， Re上 Re下，所以一般都用后者作为判别液流状态的依据，称为临界雷诺数Rec。当液流的实际雷诺数Re小于临界雷诺数Rec时，液体为层流；反之，为紊流。由于液流流过上述局部装置时的流动状态很复杂，影响的因素也很多，局部压力损失值除少数情况（如液体流经突然扩大截面）能从理论上分析和计算外，一般都依靠实验来测得各类局部阻力装置的阻力因数，然后进行计算。局部压力损失一般按下式进行计算，即 式中局部阻力因素液体密度v液体的平均流速 4 液压系统结构四 液压系统结构4.1 液压泵 在液压传动系统中，能源装置是为整个液压系统提供能量的，就如同人的心脏为人体各部分输送血液一样，在整个液压系统中起着极其重要的作用。液压泵就是一种能量转换装置，它将驱动电机的机械能转换为油液的压力能，以满足执行机构驱动外负载的需要。压泵是液压系统的能源装置，其功用是将原动机（电动机或内燃机）产生的机械能转变为液体的压力能，并输出具有一定压力的油液。图4.1 齿轮泵示意图 液压系统中使用的液压泵都是容积式的。带有偏心e的凸轮1 （转子）由原动机带动旋转时，柱塞2 （挤子）因受凸轮1和弹簧4的联合作用而在缸体3（定子）中往复移动。柱塞2右移时，缸体中的油腔（密封工作腔5 ）容积变大，产生真空，油液便通过吸油阀6吸入；柱塞左移时，缸体中的油腔容积变小，油液受压，已吸入的油液便通过压油阀7输出到系统中去。由此可见，泵是靠密封工作腔的容积变化来实现吸油和压油的，而它的排油量的大小是与密封工作腔的容积变化量的大小和单位时间内变化的次数成正比的。单向阀6，7称为液压泵的配油机构，其作用是保证吸油时油腔与油箱8相通而与系统断开，压油时油腔与系统相通而与油箱断开。图4.2 液压泵的基本工作原理简图1凸轮； 2柱塞； 3缸体； 4弹簧；5 密封工作腔； 6 吸油阀； 7 压油阀； 8 油箱表4.3 液压泵的图形符号液压泵的主要性能参数有压力、排量和流量、功率和效率等等。（1）工作压力和额定压力 液压泵的工作压力是指泵实际工作时的输出压力。工作压力的大小取决于负载，负载越大，泵的工作压力越大。额定压力是指泵在正常工作条件下按试验标准规定能连续运转的最高压力，泵的额定压力受泵本身的结构强度、泄漏等因素的制约，超过此压力值就是过载。（2）排量和流量 液压泵的排量是指泵轴每转一周，由其密封容腔几何尺寸变化所算得的排出液体的体积，即在无泄漏的情况下，泵轴转一周所能排出的液体体积。排量用V表示，单位为L/r（m3/r）。 液压泵的理论流量是指泵在单位时间内由其密封容腔几何尺寸变化计算而得的排出的液体体积，亦即在无泄漏的情况下单位时间内所能排出的液体体积。理论流量用qt表示，当泵的转速为n时，泵的理论流量为qt = V n 泵工作时的输出流量称为泵的实际流量，用q表示。 液压泵的额定流量是指在正常工作条件下，按试验标准规定必须保证的流量，亦即在额定转速和额定压力下由泵输出的流量。因泵存在内泄漏，所以额定流量和实际流量的值都小于理论流量。（3）功率及效率液压泵的功率 液压泵由原动机驱动，输入的是机械能，表现为转矩T和转速n（角速度），输出的是压力能，表现为液体的压力p和流量q。如果不考虑液压泵在能量转换过程中的损失，则输出功率等于输入功率，也就是它们的理论功率是Pt = p qt = p Vn = Tt = 2 Tt n式中，Tt为液压泵的理论转矩；为液压泵的角速度。 由于液压泵有泄漏和机械摩擦，所以泵在能量转换过程中是有损失的，即输出功率小于输入功率，两者之间的差值即为功率损失。功率损失可以分为容积损失和机械损失两部分。功率损失的大小可用效率来表示。 液压泵的效率 输出功率P0与输入功率Pi之比为泵的总效率，用表示，即 = 4.2 液压执行器液压缸液压缸是液压系统中最常用的执行器，其功用是把液体的压力能转换成往复直线机械能。液压缸的类型及液压缸的推力速度特性 液压缸种类繁多，一般按结构特点可分为活塞式、柱塞式两大类。按作用方式又可分为单作用式和双作用式。液压缸除了能单个使用外，还可以组合起来或与其他机构相结合，以实现特殊的功能，比较典型的有增压缸、伸缩缸、齿轮齿条柱塞缸等。 活塞式液压缸：活塞式液压缸有双杆式和单杆式两种结构形式。其固定方式有缸筒固定和活塞杆固定两种。 （1）双杆活塞缸。双杆活塞缸的活塞两侧都有一根活塞杆伸出。缸筒固定的双杆活塞缸，其进、出油口放置在缸筒的两端，缸的左腔进油，推动活塞向右移动，右腔则回油；改变进、出油方向，活塞反向移动。活塞杆固定的双杆活塞缸，其进、出油口可放置在活塞杆两端，油液经活塞杆内的通道输入液压缸；使用软管连接时，进、出油口亦可放置在缸筒两端，这种安装形式使工作台的移动范围为缸筒有效行程l的2倍，故可用于较大型的设备中。（2）单杆活塞缸。单杆活塞缸只有一端带活塞杆。单杆活塞缸可以缸筒固定，也可以活塞杆固定，其进、出油口的安置视安装方式而定，本方案采用单杆缸。单杆活塞缸因无杆腔和有杆腔的有效面积不相等，所以当向缸的两腔分别供油，且供油压力和流量不变时，缸在两个方向的运动速度和推力都不相等。如果单杆活塞缸的左右两腔同时接通压力油，由于无杆腔的有效工作面积大于有杆腔的，活塞上向右的推力大于向左的推力，所以活塞杆向右伸出，并将有杆腔的油液挤出，流进无杆腔，从而加快了活塞的运动速度。将液压缸的这种油路连接称为“差动连接”，这时的液压缸称做差动缸。差动连接时活塞（或缸筒）只能向一个方向运动，若要使它反向运动，油路的接法必须和非差动式连接相同。如要求在差动连接时活塞的往复运动速度相等，单杆活塞缸结构紧凑，应用相当广泛。液压马达 液压马达与液压缸一样，也是液压系统中的执行器，二者不同之处在于液压马达是把液压能转换成连续回转机械能，而液压缸是把液压能转换成直线运动机械能。液压马达与第三章介绍的液压泵在结构上是基本相同的，就工作原理而言，它们都是依靠工作密封腔容积的变化来工作的，因此二者是互逆的。但由于二者的任务和要求不同，所以在实际结构上存在某些差异，使之不能通用，只有少数泵能作为液压马达使用，反之也一样。液压马达的基本工作原理 轴向柱塞式液压马达为例，说明液压马达的工作原理。当压力油输入时，处于高压腔（进油腔）的柱塞被顶出，压在斜盘上。设斜盘作用在某一柱塞上的反力为FN，FN可分解为两个方向的分力F和Fy。F和作用在柱塞上的液压作用力相平衡，Fy则使缸体产生转矩。其值为Ti = Fy r =Fy R sin 式中，R为柱塞在缸体中的分布圆半径；为柱塞的瞬时方位角。液压马达输入油液的实际压力称为工作压力p，与液压泵一样，工作压力取决于负载。液压马达进口压力与出口压力的差值称为工作压差。当液压马达的出口直接接油箱时，液压马达的工作压力就近似等于工作压差p0额定压力是指液压马达在正常工作条件下，按试验标准规定连续运转的最高压力。 排量、转速和流量及容积效率 液压马达的排量V是指在无泄漏情况下，使液压马达轴转一周所需要的液体体积。排量取决于密封工作腔的几何尺寸，而与转速n无关。 液压马达入口处的流量称为马达的实际流量q。由于马达内部存在泄漏，因此实际输入马达的流量q大于理论流量qt，实际流量q与理论流量qt之差即为马达的泄漏量q。液压马达理论流量与实际流量之比称为液压马达的容积效率v，即v= 4.3 液压控制阀液压控制阀（简称液压阀）是液压系统中的控制调节元件，其功用是通过控制调节液压系统中油液的流向、压力和流量，使执行器及其驱动的工作机构获得所需的运动方向、推力（转矩）及运动速度（转速）等，以满足不同的动作要求。任何一个液压系统，不论其如何简单，都不能缺少液压阀。同一工艺目的的液压机械，通过液压阀的不同组合使用，可以组成油路结构不同的多种液压系统方案，因此，液压阀是液压技术中品种与规格最多、应用最广泛、最活跃的部分（元件）。一个液压系统的工作过程和品质在很大程度上取决于其中所使用的各种液压阀性能的优劣。 液压阀的基本结构主要包括阀芯、阀体和驱动阀芯在阀体内作相对运动的装置。阀芯的主要结构形式有滑阀、锥阀和球阀等；阀体上除有与阀芯配合的阀体（套）孔或阀座孔外，还有外接油管的进、出油口。驱动阀芯在阀体内做相对运动的装置可以是手调（动）机构、机动机构，也可以是弹簧或电磁铁，有些场合还采用液压力驱动或电液驱动。 在工作原理上，液压阀是利用阀芯在阀体内的相对运动来控制阀口的通断及开度的大小，以实现方向、压力和流量控制。液压阀在工作时，所有阀的阀口大小，阀的进、出油口间的压力差及通过阀的流量之间的关系都符合孔口流量公式q =CAp（C为由阀口形状、油液性质等决定的因数，A为阀口通流面积，为由阀口形状决定的指数），仅是参数因阀的不同而异。 液压阀的分类方法很多，以致同一种阀在不同的场合，因其着眼点不同有不同的名称。根据功用分类 （1）方向控制阀。主要用于控制或改变液压系统中液流的方向，包括单向阀、换向阀等。 （2）压力控制阀。主要用于控制或调节液压系统的压力，包括溢流阀、减压阀、顺序阀和压力继电器等。 （3）流量控制阀。主要用于控制或调节液压系统的流量，包括节流阀、调速阀、溢流节流阀、分流集流阀等。 除了上述单一功能的通用阀以外，还有一些具有两种以上功能的专用阀和复合阀。根据控制方式分类 （1）定值或开关控制阀。此类阀借助于手调机构或通断型电磁铁等方式，将阀芯位置设定在某一工作状态，从而使液流的压力、流量或方向保持某一定值。包括传统的普通液压阀（压力、流量和方向阀）及叠加阀和插装阀。 （2）电液控制阀。 电液伺服控制阀。此类阀根据输入电气信号，成比例且连续地控制液压系统中液流方向、流量和压力高低。工作时着眼于阀的零点（一般指输入信号为零的工作点）附近的性能以及其连续性。采用伺服控制阀的液压系统一般为闭环系统，称为液压伺服控制系统。电液伺服控制阀一般简称伺服阀（又称随动阀），有单级、两极（喷嘴挡板式、动圈式）电液流量伺服阀、三级电液流量伺服阀、电液压力伺服阀等。 电液比例控制阀。此类阀根据输入信号的大小成比例、连续、远距离控制液压系统中液流的流动方向、压力和流量。它既可用于开环系统，也可用于闭环系统。有电液比例压力阀、电液比例流量阀，电液比例换向阀、电液比例复合阀、电液比例多路阀等种类。 3）电液数字控制阀。此类阀的输入信号是脉冲信号，根据输入的脉冲数或脉冲频率来控制液压系统中液流的压力和流量。有数字控制压力阀、数字控制流量阀与方向阀等。4.4 液压辅助元件蓄能器蓄能器是储存和释放液体压力能的装置，它在液压系统中的主要功用如下： 作液压系统的辅助动力源：对于间歇动作的机械设备，当执行器间歇或低速运动时，蓄能器将液压泵输出的压力油储存起来；在工作循环的某段时间，当执行器需要高速运动时，蓄能器作为液压泵的辅助动力源，与液压泵同时供出压力油，从而减小系统中液压泵的流量规格和运行时的功率损耗，降低了系统温升。 保持系统压力，作应急动力源：在液压泵卸荷或停止向执行器供油时，由蓄能器释放储存的压力油，补偿系统泄漏，保持系统压力；此外，蓄能器还可用做应急液压源，对液压系统实施安全作用。在一段时间内维持系统压力，如果电源中断或原动机及液压泵发生故障，依靠蓄能器供出的液压油可使执行器复位，以免造成机件损坏等事故，使系统处于安全状态。 吸收冲击压力和液压泵的脉动：因执行器突然启、停或换向，液压阀突然关闭或换向引起的液压冲击及液压泵的压力脉动，可采用蓄能器加以吸收，避免系统压力过高造成元件或管路损坏。对于某些要求液压源供油压力恒定的液压系统（如液压伺服系统），可通过在泵出口近旁设置蓄能器，以吸收液压泵的脉动，改善系统工作品质。 过滤器 液压油液的污染度等级：液压油液的污染程度可用污染度等级定量表示。我国制定的液压系统工作液体固体颗粒污染等级的国家标准为GB/T 140391993，等效采用国际标准ISO4406。 固体颗粒污染等级代号由斜线隔开的两个标号组成，第一个标号表示1mL工作液体中含有的大于等于5m的颗粒数的等级，第二个标号表示1mL工作介质中含有的大于等于15m的颗粒数等级。根据颗粒浓度的大小其可划分为26个等级，颗粒浓度越高，表示污染度等级的标号越大。 根据显微镜颗粒计数法或自动颗粒计数法测定结果得出的含有的大于等于5m和含有的大于等于15m的颗粒浓度，对照污染度等级标号即可确定油液的污染度等级。为了保持油液清洁，一方面要尽可能防止或减少油液污染；另一方面要把已污染的油液净化。一般在液压系统中采用油液过滤器（简称过滤器）来滤去油液中的杂质，以维护油液清洁，保证液压系统正常工作。过滤精度是过滤器的一项重要性能指标。过滤精度通常用能被过滤掉的杂质颗粒的公称尺寸（m）来度量。按过滤精度的不同，过滤器有粗过滤器、普通过滤器、精过滤器和特精过滤器等四种，它们分别能滤去公称尺寸为100m以上、10100 m，510m和5m以下的杂质颗粒。油液的过滤精度要求随液压系统类型及其工作压力的不同而不同。油箱液压油箱简称油箱，其功用是存储液压油液、散发油液热量、逸出空气、沉淀杂质、分离水分及安装元件（中小型液压系统的液压泵组和一些阀或整个液压控制装置），等等。油箱通常可分为整体式油箱、两用油箱和独立油箱三类。整体式油箱是指在液压系统或机器的构件内形成的油箱。例如，工业生产设备中的金属切削机床床身或底座的内部的空腔往往可制成不漏油的油箱，或行走机械中的车辆与工程机械上的管形构件可被用做油箱，这样不需要额外的空间。整体式油箱以最小的空间提供最大的性能，且外观整洁，但有时存在局部发热和操作者难以接近等问题。两用油箱是指液压油与机器中的其他目的用油的公用油箱。例如，拖拉机传动系机壳可用做拖拉机液压悬挂系统的油箱；再如淬火机床的空腔底座，可兼作液压系统和淬火用油的油箱。两用油箱的最大优点是节省空间。但由于油液必须同时满足液压系统对传动介质的要求和传动系齿轮的润滑或工件淬火等其他工艺目的的要求，因此这些要求可能是几乎互不相容的。此外，由于存在着两个热源，故油液温度控制较困难。独立油箱是应用最为广泛的一类油箱，常用于各类工业生产设备，它通常做成矩形的，也有圆柱形的或油罐形的。独立油箱的热量主要通过油箱壁靠辐射和对流作用散发，因此油箱应该是尽可能窄而高的形状。如果要在油箱顶盖安放泵、电动机和液压控制装置，为保证一定的安装位置，则油箱形状要求较扁，油箱越扁，则油液脱气越容易；液压泵的吸油管较短并且便于打开进行检修；吸油过滤器易于接近。对于行走机械的液压装置，必须考虑到当车辆处于坡路上时液面的倾斜和车辆加速与制动期间油箱中油液的前后摇荡，油箱多为细高的圆柱形油箱。高架油箱在液压机等机械中的应用较为普遍，通常它要安放在比主液压缸更高的位置上，以便当活动滑块靠辅助缸下行时，高架油箱经充液阀给主缸充液。对于重型设备的液压系统，在所用油箱的容量超过2000L时，多采用卧式安装带球面封头的油罐形油箱，但占地面积较大1316。五 液压基本回路5.1 压力控制回路压力控制回路是利用压力控制元件来控制系统或局部油路的压力，以满足执行器要求的回路，它包括调压、减压、增压、卸荷、保压及泄压、平衡等回路等。调压回路调压回路的功用是控制液压系统的工作压力，使其不超过预调值或者使系统在不同工作阶段具有不同的压力。实现调压的主要元件是溢流阀。单级调压回路，在液压泵1出口处并联溢流阀2 ，泵出口压力由溢流阀的调定压力决定。只要溢流阀开启，系统压力基本恒定，即所谓“溢流定压”。 （ a ）单级调压回路； （ b）二级调压回路； （ c）比例调压回路图5.1 调压回路1液压泵；2溢流阀；3先导式溢流阀；4二位二通电磁换向阀； 5远程调压阀； 6电液比例溢流阀利用先导式溢流阀、电磁换向阀和远程调压阀可以实现系统的多级调压或远程调压。如图所示为二级调压回路，先导式溢流阀3和远程调压阀5均可调整泵出口压力。当二位二通电磁阀4断电处于图示位置时，系统压力由阀3设定；当阀4通电切换至右位时，系统压力由阀5设定。两个压力阀的设定压力应满足p3 p5，否则不能实现二级调压。通过调节电液比例溢流阀6的输入电流，即可实现系统压力的无级调节。比例调压回路结构简单，压力切换平稳，且便于实现遥控或程控。减压回路减压回路的功用是使单泵供油液压系统中的某一部分油路具有比主回路更低的稳定压力。图示为最常见的减压回路，定值减压阀3与主油路并联，高压主油路的压力由溢流阀2设定，减压油路的压力由阀3设定。单向阀4供主油路压力降低时防止油液倒流，起短时保压之用。减压回路也可采用先导式减压阀和远程调压阀的二级减压方式或电液比例减压阀的无级减压方式。图5.2 减压回路1 液压泵；2 溢流阀；3 减压阀；4 单向阀增压回路增压回路是用以使液压系统中某些支路获得高于系统压力的回路。利用增压回路，可以采用低压获得较高的压力。增压回路中提高油压的主要元件是增压器，其增压比为大小活塞面积之比A1/ A2。当二位四通电磁换向阀3断电处于图示位置时，液压泵以压力p1向增压器4的大活塞左腔供油，小活塞右腔得到所需的较高压力p2。当阀3通电切换至右位时，增压器4返回，高架油箱6在大气压的作用下经单向阀4向小活塞右腔补油。该回路只能间断增压，适宜执行器单向作用和小行程场合。采用双作用增压器的增压回路，能连续输出高压油。在图示位置液压源的压力油经二位四通电磁换向阀7和单向阀8进入增压器12的左端a，b腔，大活塞c腔的回油通油箱，右端小活塞d腔增压后的高压油经单向阀11输出至执行器，单向阀9，10在压差的作用下关闭。当增压器活塞移动到右端时，阀7的电磁铁通电切换至右位，增压器活塞向左移动，左端小活塞a腔的高压油经单向阀10输出至执行器。增压器的活塞随着电磁阀的通断电换向而不断往复运动，两端交替输出高压油，从而实现连续供油。（ a ）单作用增压回路； （ b ）双作用增压回路图5.3 增压回路1液压泵；2溢流阀；3，7二位四通电磁换向阀；4单作用增压器；5，8，9，10，11单向阀；6高架油箱；12双作用增压器卸荷回路当设备短时间不工作时，在液压系统中有卸荷回路，避免电机的频繁启动。卸荷回路使泵在很低的压力或很小的流量下工作，泵的输出功率很小，可提高系统效率，减少系统发热。在低压小流量系统中，常采用M，K或H型机能滑阀中位卸荷。 采用电磁溢流阀卸荷回路，在先导式溢流阀的遥控口接电磁换向阀2（有该种产品），系统工作时，阀2处于常闭状态，阀2通电后开启，系统卸荷。该回路结构紧凑，一阀多用，也是常用的卸荷方法之一。卸荷回路种类较多，分析回路中应注意抓住其特征。图5.4电磁溢流阀卸荷回路 图5.5 单作用增压缸增压回路5.2 速度控制回路调速回路按照调速方式的不同，调速回路分为无级调速和有级调速两类，其中以无级调速回路应用较为普遍。节流调速回路的工作原理:通过改变回路中的流量控制元件（节流阀或调速阀）的通流截面积的大小来控制流入执行器或流出执行器的流量，以调节其运动速度。按照流量阀在回路中位置的不同，可分为串联节流调速和并联节流调速二类回路。串联调速回路由于在工作中回路的供油压力基本不随负载变化，故又称为定压式节流调速回路；并联调速回路（又称旁路节流调速回路）由于回路的供油压力会随负载的变化而变化，所以又称为变压式节流调速回路。图5.6 串联节流调速回路（a）进油节流；（b）回油节流；（c）进-回油复合节流容积调速回路 容积调速回路的工作原理是，通过改变回路中变量液压泵或变量液压马达的排量来实现调速。其主要优点是没有节流损失和溢流损失，工作压力随负载变化而变化，所以效率高、发热少，适用于高速、大功率调速系统；缺点是变量泵和变量马达的结构复杂，成本较高。 按油液循环方式不同，容积调速回路有开式和闭式两种。开式回路中的液压泵从油箱吸油后输入执行器，执行器排出的油液直接返回油箱，故油液的冷却性好，但油箱的结构尺寸大、易污染。闭式回路中的液压泵将油液输入执行器的进油腔，又从执行器的回油腔处吸油，回路的结构紧凑，减少了污染的可能性。在采用双向液压泵或双向液压马达时，还可方便地变换执行器的运动方向，单散热条件较差，常常需要设置补油装置以补偿回路中的泄漏，从而使回路的结构复杂化。5.3 方向控制回路往复直线运动换向回路往复直线运动回路的功用是使与液压缸相连的主机运动部件在其行程端点处能迅速、平稳、准确地变换运动方向。根据换向制动原理的不同其有时间控制制动式和行程控制制动式两种换向回路。 时间控制制动的换向是指从发出换向信号到实现减速制动（停止），这一过程的时间基本上是可控的。回路的特点是换向时间短，换向精度取决于执行器原来的运动速度，适用于对换向精度要求不高的场合，如平面磨床、刨床液压系统的换向。行程制动换向是指从发出换向信号到工作部件制动、停止这一过程中，工作部件所走过的行程基本上是一定的。其先导阀的结构较复杂，制造精度要求也较高。所以，这种制动方式主要适用于运动速度不高，但对换向精度要求较高的场合，如内圆磨床和外圆磨床等机械的液压系统。紧锁回路锁紧回路的功用是使液压执行器能在不工作时切断其进、出油液通道，确切地保持在既定位置上，而不会因外力作用而移动。采用这种连接方式，起升回路必须放在串联油路的最末端，即起升马达的回油直接通回油箱。若将该回路置于其他回路之前，则当其他回路工作而起升回