第7章 液压传动系统.doc

第七章 液压传动系统在前述有关各章中分别介绍了各种液压元件的工作原理、结构特性、基本参数及应用范围。要实现工作机构的传动要求，必须将一定数量和不同类型的液压元件，按照一定方式用管路组合起来，构成一个完整的液压传动系统。正确地认识和分析液压传动系统是本章讨论的内容。第一节 液压回路和系统的形式一、液压回路液压传动系统（简称液压系统）是由若干液压元件组合起来，并能完成一定动作的整体。它可归纳为五个组成部分，即液压泵、液动机、控制阀、辅助元件和工作液体。液压回路是指系统中由有关液压元件组成能完成特定功能的某一部分。显然，液压系统由若干液压回路组成。液压泵和液动机所组成的回路是液压系统的主体，称之为主回路。回路可根据功能的不同分为压力控制、速度控制、方向控制和其他控制回路。而每一类控制回路又包括若干具体功能的回路。例如，压力控制回路中的调压回路、卸荷回路、减压回路；速度控制回路中的节流调速回路、容积调速回路、快速运动回路、速度同步回路；方向控制回路中的换向回路、锁紧回路、定向供液回路等等。其中一些回路已在第五章液压控制阀的应用中作了介绍，本章还将对其他一些有关的回路进行分析讨论。现代矿山的采掘、支护、装载、提升等设备的液压系统都比较复杂但可分解成若干基本回路，而且同一功能的回路可以有不同的组合方式。所以，灵活运用各种液压元件的作用、工作原理、性能以及组合成回路的功能，是掌握液压系统的基础。二、液压系统的形式液压系统通常根据主回路进行分类。按照执行元件的类型，将液压系统分为泵-缸系统和泵-马达系统；按照泵和执行元件的数量和组合方式，将液压系统分为单泵-单执行元件、单泵-多执行元件和多泵系统；按照工作液体在主回路的循环方式，将液压系统分为开式和闭式系统。（一）开式系统液压泵从油箱吸液，液动机向油箱回液，即主回路不封闭的系统称为开式系统。如图5-12所示的采煤机调高系统即是开式系统。液压泵经滤油器从油箱吸液，其排出的压力液体经换向阀进人液压缸，推动活塞运动，液压缸的回液经换向阀直接流回油箱。溢流阀起过载保护作用。在开式系统中，执行元件的开、停和换向均由换向阀控制，工作液体在油箱中可以很好地散热、冷却和沉淀杂质，整个系统比较简单，使用维护方便。但开式系统油箱体积大，液体长期与空气接触，容易污染和氧化，并且要求泵的自吸能力好。开式系统多用于泵一缸系统，也用于某些泵一马达系统（如液压安全绞车）。（二）闲式系统液动机的回液管直接与泵的吸入口相连接，即主回路封闭的系统称闭式系统。闭式系统如图7一1所示。主泵和马达2组成主回路，工作液体在主回路呈封闭循环流动。由于存在泄漏和高压安全阀8的过载溢流作用，将使主回路液体减少，所以必须增加补油回路，辅助泵3从油箱吸液，经单向阀向主回路低压侧补液。由于闭式系统散热条件差，还应增加冷热交换回路，马达回液的一部分经液控换向阀5、低压溢流阀6及冷却器7流入油箱，冷却后冉由辅助泵输入主回路。低压安全阀4对辅助泵供液回路进行过载保护。低压溢流阀6可使马达回液建立背压，使运转平稳或防止敲缸。为保证冷热交换的正常进行，低压安全阀4的调定压力应比低压溢流阀6的调定压力高。辅助泵的流量一般为主泵流量的1/5 1/3a闭式系统中液压马达的调速与换向通常由双向变量泵控制。与开式系统相比较，闭式系统结构复杂，但油箱容积小，结构紧凑，系统封闭性能好，液体不易污染。由于回液有背压，故传动平稳。闭式系统多用于结构要求紧凑的大功率的泵一马达系统。在采煤机牵引部应用相当普遍。第二节 液压系统的调速调速是指调节液动机的速度。液动传动的一个重要优点就是容易实现无级调速，以满足工作机构对速度的要求。一、调速的基本原理根据第四章液压马达和液压缸介绍的性能参数，在不考虑液体泄漏的情况下，液压缸的运动速度二和液压马达的转速n分别为 （7-1） （7-2）式中 Q液动机的输人流量；A液压缸的有效作用面积；q液压马达的排量。由上述两式可知，调节输入流量即可改变液动机的速度，对于液压马达还可通过调节排量改变转速。调速的基本方法有两种，即节流调速和容积调速.二、节流调速节流调速是在定量泵系统中利用节流阀（或调速阀）来调节液动机的输入流量以实现调速的方法。根据节流元件安装的位置，节流调速回路可分为三种，即进口节流调速、出口节流调速和旁路节流调速。如图7-2所示。（一）进口节流调速回路如图7-2(a）所示，节流阀串联在液压缸的进液路上，改变节流阀的通流面积，可调节进入液压缸的流量，从而改变其运动速度，定量泵多余的流量从溢流阀返回油箱。工作过程中，溢流阀处于常开状态，所以泵的出口压力（即节流阀的进图7-2节流调速回路口压力）由溢流阀调定而禾变，液压缸的回液压力近似为零，其工作腔（进液腔）的压力取决于负载大小，即节流阀前后的压力差取决于负载大小，根据节流阀的流量特性可知，在通流面积一定时，节流阀的流量将随负载的变化而改变，使液压缸的速度不稳定。（二）出口节流调速回路如图7-2(b)所示，节流阀串联在液压缸的回液路上，利用节流阀调节液压缸的回液量，从而使液压缸的输人流量受到控制，以改变运动速度，定量泵的多余流量从溢流阀返回油箱。泵的出口压力（即液压缸的进口压力）由溢流阀调定而不变。液压缸稳定运动时，作用在活塞上的力的平衡方程式为 (7一3)p1,p2液压缸的进、出口压力；A1,A2液压缸无杆腔和有杆腔的有效作用面积；R外负载。由式(7一3)可知，液压缸回液压力p2：取决于负载R。当R增大时，p2将减小；R减小时, p2将增大。由此可知，节流阀前后的压力差（p=p2）也随负载而变，使回液量变化，造成液压缸的运动速度不稳定。由于回液有背压，所以平稳性要比进口节流调速好。（三）旁路节流调速回路如图7-2(c)所示,节流阀安装在与定量泵并联的支路上，泵的一部分流量经节流阀返回油箱。溢流阀起安全保护作用，处于常闭状态。利用节流阀仍可调节液压缸的速度。泵的出口压力随负载而变，在能量利用上较为合理，但负载对运动速度的影响较前两种调速回路大，特别是在低速时，工作很不稳定，故调速范围小。使用节流阀调速都存在速度随负载变化的问题，严重影响工作机构运动的平稳性。为使速度稳定，可采用调速阀代替节流阀。三、容积调速容积调速是通过改变液压泵或液压马达的工作容积，即改变它们的排量来进行调速的方法。按照变量元件的不同，容积调速回路可分为三种，即变量泵定量马达、定量泵变量马达、变量泵变量马达调速回路。如图7-3所示。为便于定性分析，现假定：液压泵转速不变，不考虑泄漏、压力损失和机械损失，不考虑控制元件对系统性能的影响，不考虑负载对马达速度的影响根据第四章的内容，可得出表述液压马达调速性能的三个基本理论方程式：马达的速度方程式 (7-4)马达的扭矩方程式 (7-5)马达的功率方程式 (7-6)式中 nm-马达的转速；-泵的转速；qm-马达的排量；-泵的排量；Mm - 马达的扭矩；p马达进出口的压力差；pm-马达的功率。（一）变量泵-定量马达调速回路如图7-3(a)所示，泵的排量为可变值，马达的排量qm为固定值，改变泵的排量便可实现马达的调速。由式(7-4)、式(7-5)、式(7-6)可知，马达的转速和功率均与泵的排量成正比，按线性规律变化；而马达的扭矩与泵的排量无关，恒定不变，所以这种调速回路又称恒扭矩调速。其调速特性曲线如图7-4所示。马达的换向可利用双向变量泵实现。这种调速回路调速范围较大，调速比（马达最高与最低转速比）可达40。总效率较高，易于换向且平稳，工作可靠，所以在功率较大的系统中应用相当普遍。（二）定量泵变量马达调速回路如图7-3(b)所示，泵的排量qb为固定值，马达的排量qm为可变值，改变马达的排量以实现调速。由式（7-4）可知，马达的转速与本身的排量成反比，按双曲线规律变化。从理论上讲，当马达排量趋向于零时，马达的空载转速将趋于无穷大。而实际上，由于存在外负载，即使是空载时，也存在摩擦阻力矩，所以当马达排量减小到某一值q。时，其产生的扭矩克服不了负载阻力矩，马达将停转，因而存在调速死区（q0-0）,所以这种调速回路的调速范围较小，其最高转速取决于克服负载扭矩的最小稳定排量，调速比一般不大于4.当利用双向变量马达本身换向时，必然在高速区进行。当马达排量从大到小直至为零时，马达的转速则由小到大再到零；然后排量反方向变化，由小到大，马达则从停转状态突然反向升速转动。故换向很不平稳，产生冲击和振动。因此，这种调速回路不宜利用双向变量马达在运转中换向，可先停转再换向或利用换向阀换向。由式（7-5）可知，马达的扭矩与其本身的排量成正比按线性规律变化。由式（7-6）可知，马达的功率与其本身排量无关，恒定不变，所以这种调速回路又称恒功率调速。在 负载增大时,可以加大马达排量，降低转速，提高扭矩，而功 率不变，故在负载变化较大的条件下，能充分发挥系统的工 作能力，做到经济运行。其调速特性曲线如图7一5所示。这种调速回路不宜单独使用。（三）变量泵一变量马达调速回路如图7-3(c）所示，泵和马达的排量均为可变值。它实际上是上述两种调速回路的组合。这种调速回路在使用时，要根据工况分区段来操作。在低速、重载条件下，将马达的排量固定在最大值，调节泵的排量来调速，即恒扭矩调速，保证马达获得很大的恒定的输出扭矩；在高速、轻载条件下，将泵的排量固定在最大值，调节马达的排量来调速，即恒功率调速，使马达获得较高的转速。在换向时，利用双向变量泵使马达平稳换向。这种工作性能扩大了系统的调速范围，调速比可达100。增加了对马达扭矩和功率特性的可选择性。变量泵一变量马达的调速特性曲线如图7-6所示，它是由前述两种调速回路特性曲线组合而成的。这种调速回路适于大功率系统。四、调速方法的比较与选择（一）系统效率节流调速回路中，定量泵的流量始终有一部分返回油箱，未得到全部利用，功率损失较大，再加上泄漏、摩擦和局部阻力损失，所以系统效率低，发热量大。容积调速回路中，液压泵的流量能充分利用，功率损失小（仅有泄漏和摩擦损失），所以系统效率高，发热量小。（二）速度稳定性采用节流阀调速的回路，负载变化将引起速度的较大变化，所以速度稳定性差。容积调速回路中，负载的变化仅通过泄漏对液动机速度有间接的影响，但由于元件的容积效率比较高，所以速度稳定性好。（三）设备成本费用节流调速回路的组成和元件结构简单，价格便宜，使用维护方便。容积调速回路的变量泵和变量马达结构复杂，价格较贵，使用维护要求较高。综上所述，节流调速一般适用于2 kW3 kW以下的小功率系统。从综合性能指标来看（调速范围、低速稳定性、发热及泄漏等），出口节流调速较好，进口节流调速次之，旁路节流调速则较差。节流调速在机床行业使用普遍，在矿山机械上主要用于辅助系统和控制回路。容积调速一般适用于5 kW以上的大功率系统，其中使用较多的是变量泵一定量马达调速回路，而定量泵一变量马达调速回路一般不单独使用，如果调速范围要求宽，功率又大，可采用变量泵一变量马达调速回路。第三节 液压系统实例分析一、YAJ系列液压安全绞车的液压系统（一）YAJ系列绞车简介链牵引采煤机用于工作面倾角大于15时，在上行采煤过程中，有可能因断链而发生下滑事故。另外、当工作面倾角较大时，采煤机的牵引力将显得不足，影响工作能力的发挥。因此，当工作面倾角大于15时，必须为链牵引采煤机配备安全绞车。YAJ系列绞车就是为该目的而设计的，它除了具有安全防滑作用外，还能为采煤机提供辅助牵引力。目前，YAJ系列液压安全绞车有两种型号，即YAJ13型和YAJ22型。其中前者为基本型，后者是在前者基础上为加大绞车功率而研制的一种机型，两者的工作原理完全相同，其主要性能特征和适用范围见第十一章第四节表1130。YAJ系列绞车由绞车、泵站及导绳装置等部件组成。安装在工作面上顺槽，离工作面距离不小于15 m。用4根支柱支撑在前、后柱脚上，使绞车锚固。导绳装置固定在工作面输送机的机尾上，钢丝绳绕过滑轮固定在采煤机上。YAJ系列绞车能实现自动调速，并能与采煤机速度同步，牵引绳的运动方向能随采煤机上行或下行自行改变。（二）YAJ系列绞车的液压系统YAJ系列绞车的液压系统(图77)为开式系统，工作液体采用LHM68或LHM100液压油。1.主回路主回路由液压泵2和液压马达10组成。液压泵为B725型斜轴式轴向柱塞单向变量泵，排量107 mL/r，工作压力13 MPa，采用恒压变量机构。液压马达为NJM型内曲线马达，YAJ13型绞车采用NJM2型马达，排量2 L/r，工作压力13 MPa，柱塞数10;YAJ22型绞车采用NJM4型马达，排量4 L/r，工作压力13 MPa，柱塞数210。马达输出轴齿轮与绞车卷筒侧面的内齿圈相啮合。在正向转动时（采煤机上行），液压泵经网式滤油器（180目英寸）从油箱吸油，排出的压力油经单向阀3、换向阀9进入液压马达，使马达旋转并带动卷筒转动，实现牵引，马达回油经低压溢流阀（背压阀）6返回油箱。当采煤机下行时，通过钢丝绳带动马达强制反转，马达呈“泵”的工况，单向阀3关闭，主回路高压侧的压力因马达排油和单向阀的关闭而上升，当超过液压泵压力的24左右时，液动节流阀5接通，呈闭式循环回路。若此时马达的吸油侧压力低干0.3 Mpa0.5 MPa,则液压泵通过减压阀4向循环回路的低压侧补油。由于液动节流阀的作用，使马达排油侧和吸油侧压力不等，构成阻力矩，使钢丝绳产生一定张力，防止采煤机下滑。2.调速回路该回路为变量泵定量马达容积调速回路，其作用在于绞车正向转动时，使绞车牵引速度自动与采煤机牵引速度一致，保持同步运动。液压泵采用恒压变量机构，它主要由调节螺杆15、调速弹簧16和控制油缸17等组成。通过弹簧拉力与控制油缸的液压作用力相平衡，自动调节流量，并使液压泵的出口压力保持恒定。当采煤机上行速度大于绞车牵引速度时，则钢丝绳放松，相当于马达负载减小，系统压力降低，控制油缸的液压作用力减小，则调速弹簧的拉力使泵的缸体摆角增大，流量增加，马达转速加快，钢丝绳张紧；当采煤机上行速度小于绞车牵引速度时，钢丝绳张力增大，系统压力升高卜控制油缸的液压作用力克服弹簧拉力使泵的缸体摆角减小，流量减少，马达转速下降，从而使绞车牵引速度与采煤机牵引速度一致，获得同步运动，同时使钢丝绳保持一定张力。上述过程的实质是：前者是泵的流量小于系统所需流量，故系统压力减小，通过变量机构使泵的流量增加；后者是泵的流量大于系统所需流量，故系统压力升高，通过变量机构使泵的流量减小，直到压力等于调定值为止。3.限压回路当主回路工作压力超过13 MPa时，高压安全阀7动作，将主回路高、低压侧串通，并通过低压溢流阀6向油箱泄压，起过载保护作用，同时控制油缸使泵的流量减到最小，实现自动卸荷。4.背压回路低压溢流阀6调定压力0.3 Mpa0.5 MPa，使马达回油具有一定的背压。使运转平稳，并防止敲缸。5.换向回路利用二位四通手动换向阀9使马达反向。这种换向仅用于绞车放绳用，如更换钢丝绳、绞车搬移后拖放钢丝绳等。正常工作时不使用。6.制动回路主要元件为制动油缸14和制动阀13。制动油缸为单作用液压缸，它与卷筒的制动闸（块闸）连杆相连，其动作方式为液压松闸，弹簧紧闸。制动阀为二位三通液动换向阀。在正常工作时，压力油经制动阀进入制动油缸，使绞车松闸。当电动机断电或液压系统失压时，若压力低于0. 8 MPa，则制动阀自行移位，使制动油缸回油在弹簧力作用下卷筒制动。7.蓄能器补油回路蓄能器8为弹簧式蓄能器，安装在主回路的低压侧。当绞车突然停电或马达转动方向突然改变时向马达补油，防止敲缸。（三）YAJ系列绞车工作过程与液压泵工作压力的确定1.绞车级绳（正转）采煤机上行采煤时，绞车卷筒松闸正转，液压泵的恒压变量机构保证绞车与采煤机同步运行。钢丝绳的缠绕力（牵引力）用来平衡采煤机的下滑力。下滑力是指采煤机的重力沿倾斜方向的分力与摩擦力之差，即 (77) 式中 F下滑力，N;m采煤机的质量，kg;g重力加速度，g=9.81 m/s;煤层倾角；f摩擦因数。当采煤机在输送机溜槽上运行时，f = 0. 10. 15；采煤机爬底板时，f=0.3。缠绕力取决于液压泵的工作压力，应满足(78) 2.纹车放绳（反转）采煤机下行采煤时，通过钢丝绳带动绞车卷筒强制反转（换向阀9的位置不变）。马达呈“泵”的工况运行，形成闭式循环回路，由于液动节流阀的作用，使循环回路高压侧的压力高于泵的工作压力，产生较大的反作用扭矩（负载扭矩），使钢丝绳张紧，对采煤机提供一个拉力，该拉力即定义为安全力。为防止采煤机断链时发生下滑事故，应当使安全力满足 (79)在这种工况下，由于马达排油压力高于泵的工作压力，故马达轴上的负载扭矩大于缠绕时的驱动扭矩，钢丝绳的安全力大于缠绕力，即 (710)应当注意：在马达强制反转时，液压泵仍正常运转，由于单向阀关闭，所以泵的排油除作为液动节流阀的控制油外，还通过减压阀补偿循环回路的泄漏，又因所需的补油量很少，所以恒压变量机构使泵的排量减为最小。另外，纹车卷筒的侧面还安装有带变速器的离心式限速开关。当采煤机断链后下滑速度超过限度时，离心限速开关立即切断电源，使绞车制动以保证安全。3液压泵工作压力的确定由上述工作过程可知，绞车的缠绕力和安全力取决于泵的工作压力，并且对于同一压力，缠绕力和安全力也不相等，这种对应关系参见表71。通常用式（(79)按照表71来确定泵的工作压力，并且按绞车最外层的安全力来平衡采煤机的下滑力。若按式（78)来选择泵压，则在采煤机下行工作时将因安全力过大而对采煤机工作不利。泵的工作压力选定后，再调整变量机构的调节螺杆，使弹簧拉力与选定的压力相适应（观察压力表读数）。二、单滚筒防爆绞车的液压制动系统防爆绞车用于井下倾斜巷道运输。其液压制动系统为开式系统，如图7一8所示。工作液体采用L一HL32液压油。（一）主回路主回路由单泵和多缸组成。液压泵为双作用叶片泵，液压缸总共8个，均为单作用活塞缸，其活塞杆端部与制动闸块相连。每两个液压缸组成一副制动器。液压泵输出的压力油经单向节流阀5、换向阀6和7进人制动器液压缸，液压作用力使活塞缩回，闸块脱离绞车制动盘，纹车松闸可投人运转。在工作制动时，操纵调压装置3使压力逐渐降低，盘形弹簧使活塞伸出逐渐闸紧制动盘，此时液压缸的回油连同泵的排油均经溢流阀2回油箱；在断电停泵实施安全制动时，液压缸的回油通过被迫反转的泵回至油箱。换向阀6,7在正常工作时处于连通位置。当需要调整或检修制动器时，为保证安全，必须使其中的一个处于断开位置，与此