液压与气动技术液压与气动动力装置ppt课件.ppt

第2章液压与气动动力装置 2 1概述2 2液压泵2 3气源装置 1 2 1概述 1 动力装置的组成动力装置有两大类 即液压动力装置和气源装置 液压动力装置用来向液压系统输送具有一定压力和流量的清洁的工作介质 而气源装置则向气动系统输送一定压力和流量的洁净的压缩空气 液压动力装置可以是和主机分离的单独的液压泵站 也可以是和主机一起的液压泵组 而气源装置一般都是单独的 液压泵站一般由泵 油箱和一些液压辅件 过滤器 热交换器 蓄能器 管件等 组成 这些辅件是相对独立的 根据系统不同的要求进行取舍 气源装置由空压机 压缩空气的净化设备 后冷却器 油水分离器 储气罐 干燥器等 气动三联件 分水过滤器 油雾器和减压阀 组成 还有一些必要的辅件 如自动排水器 消声器等 下一页 返回 2 2 1概述 2 对动力装置的基本要求 动力装置外观应与主机协调 动力装置上所装元件的排列布置应匀称 调节或维护应方便 更换元件容易 动力装置应节能 在系统不需要高压流体时 动力装置应卸荷或采取其他节能措施 动力装置应工作平稳 产生振动小 噪声小 噪声水平应符合有关规定 和电气 电子控制结合使用时 能远程控制动力装置以符合主机对所需的工作参数 压力 流量等 变化的要求 上一页 下一页 返回 3 2 1概述 动力装置工作高度可靠 可采用过载保护或其他适当的措施确保其工作可靠 一般情况下 动力装置应尽量采用标准的元件组合而成 万不得已时才进行个别元件的单独设计 动力装置应减小泄漏 因工作液的泄漏 不仅浪费能源 而且污染环境 对工作介质的温度必须进行严格的监控 因传动和控制的特性和介质的温度有关 上一页 返回 4 2 2液压泵 2 2 1液压泵概述1 液压泵工作原理液压系统中所用的各种液压泵 其工作原理都是利用密封工作容积的大小交替变化进行吸油和压油的 所以 液压泵都是容积式泵 图2 1所示为单柱塞式液压泵工作原理 当凸轮1旋转时 柱塞2在凸轮和弹簧3作用下在缸体中左 右移动 当柱塞右移时 缸体中的密封工作腔生容积增大 产生真空 油液通过吸油阀5吸入 此时压油阀6关闭 当柱塞左移时 缸体中的密封工作腔容积变小 将吸入的油液通过压油阀输入到液压系统中 此时吸油阀关闭 由此可知 液压泵是利用密封工作容积的大小不断交替变化实现吸油和压油的 下一页 返回 5 2 2液压泵 2 液压泵的分类按泵的排量是否可调节 分为定量泵和变量泵 按结构形式 分为齿轮泵 叶片泵 柱塞泵和螺杆泵等 3 液压泵的主要性能参数 1 压力工作压力是液压泵的出口处实际压力 其大小取决于负载 额定压力是液压泵在连续使用中允许达到的最高压力 2 排量排量V是液压泵在没有泄漏的条件下 泵转过一转时所能排出的油液体积 上一页 下一页 返回 6 2 2液压泵 3 流量流量分为理论流量 实际流量和额定流量 理论流量qt是指在没有泄漏的情况下 单位时间内所输出的油液体积 单位为L min或m3 s qt Vn式中V 排量 m3 n 泵轴转速 r s 实际流量q是液压泵工作时实际输出的流量 由于泵在工作时 存在油液泄漏 所以q qt 即实际流量小于理论流量 额定流量qs是指在额定转速和额定压力下输出的流量 上一页 下一页 返回 2 1 7 2 2液压泵 4 功率和效率输入功率Pi是驱动液压泵轴的机械效率 即电动机的输出功率 为Pi T 式中T 电动机输出转矩 角速度 输出功率Po为液压泵的输出功率 若不考虑液压泵转换过程中的损失 则输出功率等于输入功率但实际上液压泵转换过程中是存在损失的 输出功率总是小于输入功率 上一页 下一页 返回 2 2 8 2 2液压泵 Po pq式中p 液压泵的输出压力 q 液压泵的输出流量 液压泵的总效率 是输出功率与输入功率之比 式中 V 液压泵的容积效率 m 液压泵的机械效率 由此可见 液压泵的总效率等于容积效率与机械效率的乘积 上一页 下一页 返回 2 3 2 4 9 2 2液压泵 2 2 2齿轮泵1 工作原理图2 2所示为齿轮泵工作原理 泵由壳体 一对外啮合齿轮和两个端盖 图中画出 等主要零件组成 当齿轮按图示方向旋转时 右侧吸油腔的轮丙逐渐脱开 密封工作腔的容积逐渐增大 形成部分真空 因此 油箱中的油液在大气的作用下 经吸油管进入吸油腔 右侧 随着齿轮的旋转 吸入右腔的油液被带到左侧 由于左侧的轮齿逐渐进入啮合 密封工作容积逐渐减小 齿间槽中的油液被挤出 从压油腔进入系统 由于齿轮的旋转是连续的 因此齿轮泵就实现了连续的吸油和压油 上一页 下一页 返回 10 2 2液压泵 2 齿轮泵的性能特点齿轮泵具有结构简单 体积小 重量轻 价格低 工作可靠 自吸性能好以及对油液污染不敏感 维护方便等优点 因而广泛应用于各种液压传动系统 其主要缺点是流量和压力的脉动较大 噪声大 排量不可改变 效率较低 随着结构技术的发展 噪声有了很大的降低 效率和寿命都有很大的提高 3 齿轮泵主要参数 1 排量齿轮泵的排量是其两个齿轮的齿间槽容积的总和 如果近似地认为齿间槽的容积等于轮齿的体积 则齿轮泵的排量V为 上一页 下一页 返回 2 5 11 2 2液压泵 式中D 齿轮的节圆直径 m h 齿轮的有效工作高度 m b 齿宽 m z 齿数 m 齿轮模数 m实际上 齿间的容积比轮齿的体积稍大 因此 用修正系数3 33 3 5代替 值 齿数少取大值 上一页 下一页 返回 2 6 12 2 2液压泵 2 流量齿轮泵实际流量q为式中 n 齿轮泵的转速 r s pv 齿轮泵的容积效率 上一页 下一页 返回 2 7 13 2 2液压泵 4 齿轮泵存在的问题 1 泄漏泄漏是齿轮泵压力和容积效率低的根本因索 外啮合齿轮泵中存在3个可能产生泄漏部位 指内泄漏 一是端面泄漏 通过齿轮端面与端盖配合处 二是径向间隙泄漏 通过齿轮外圆与泵体配合处 三是齿啮合处泄漏 通过两个齿轮的啮合处 因有齿向误差 齿轮的全部宽度不可能都啮合 因此普通齿轮泵的容积效率较低 上一页 下一页 返回 14 2 2液压泵 2 液压径向力不平衡齿轮泵工作时 齿轮圆周上所受压力是不同的 压力分布状况如图2 3所示 出口压力pg大于进口压力pd 齿顶和泵体内表面间有径向间隙 所以齿轮外圆上油液的压力是逐步降低的 不平衡液压力作用在齿轮上 使轴承受到径向负载 减小径向不平衡力可采取缩小压油口的办法和开压力平衡槽等 3 困油现象为了使传动平稳 啮合齿轮的重叠系数必须大于1 也就是说存在两个齿轮同时啮合的情况 这样就有一部分油液被困在两对轮齿啮合点之间的密封腔内 如图2 4 a 所示 上一页 下一页 返回 15 2 2液压泵 该腔形成时较大 在继续旋转过程中 其容积变小 当转到如图2 4 b 所示的某个位置时 容积最小 随后随着泵的旋转其容积再次变大 当前一对齿轮脱离啮合其容积最大 如图2 4 c 所示 由于该密封腔既不与吸油腔相通 又不与压油腔相通 因此当该密封腔容积变小时 其内的油液受到挤压 产生很高的压力 使机件受到很大的额外负载 而当该密封腔容积变大时 又会造成局部真空 形成气穴 无论是前者还是后者 都将造成强烈的噪声 这种现象称之为困油现象 消除困油现象的方法 通常在两端盖板上开一对矩形卸荷槽 如图2 4虚线所示 上一页 下一页 返回 16 2 2液压泵 2 2 3叶片泵叶片泵有两类 即双作用叶片泵和单作用叶片泵 双作用叶片泵是定量泵 单作用叶片泵则往往做成变量泵 1 单作用叶片泵 1 结构和工作原理如图2 5所示 单作用叶片泵主要由转子2 定子3 叶片4 配油盘 传动轴和壳体组成 定子的内表面为圆柱形孔 定子和转子的中心不重合 相距一偏心距 叶片可以在转子槽内灵活地滑动 配油盘上开有一个腰形的吸油孔和压油孔 定子 转子 两相邻叶片和配油盘组成密封工作腔 当转子逆时针方向转动时 右侧的叶片向外伸 其密封工作腔容积增大 形成局部真空 经吸油口和配油盘上的吸油口将油液吸入 此为吸油过程 左侧的叶片向内缩 其密封工作腔容积变小 油液经吸油口和配油盘上的压油口进入系统这种叶片泵 当转子每转一周 每个叶片在槽内往复滑动一次 密封工作腔容积增大和缩小一次 实现吸油和压油一次 因此叫单作用叶片泵 上一页 下一页 返回 17 2 2液压泵 2 主要参数泵的排量 每个密封工作腔一次排油量应是其最大容积与最小容积之差 v v1 v2式中v1 最大容积 v2 最小容积 若考虑叶片所占体积的影响时 则泵的近似排量为v 2 ebD式中D 定子内表面直径 D 2r e 偏心距 b 叶片宽度 上一页 下一页 返回 2 8 2 9 18 2 2液压泵 3 性能特点单作用叶片泵的瞬时流量是脉动的 泵内叶片数越多越好 则流量脉动越小 此外 叶片数为奇数的脉动率比叶片数为偶数的脉动率小 所以 单作用叶片泵的叶片数一般为13或15 其主要缺点是转子受到来自排油腔的单向压力 由于径向力不平衡 使轴承上所受的载荷较大 称为非平衡式叶片泵 故不官 用作高压泵 2 双作用叶片泵 1 结构和工作原理如图2 6所示 双作用叶片泵的作用原理和单作用叶片泵相似 不同之处在于定子内表面是由两段长半径圆弧 两段短半径圆弧和生段过渡曲线组成 并且定子和转子是同心的 上一页 下一页 返回 19 2 2液压泵 当转子按顺时钊转动时 密封工作腔的容积在左上角和右下角处逐渐增大 为吸油区 在左下角和右上角处逐渐减小 为压油区 在吸油区和压油区之间有一段封油区将它们隔开 这种叶片泵 当转子每转一周 每个叶片在槽内往复滑动两次 实现吸油和压油两次 因此叫双作用叶片泵 由于泵的吸油区和压油区呈对称分布 因此转子所受径向力是平衡的 上一页 下一页 返回 20 2 2液压泵 2 主要参数由图2 6可见 当不考虑叶片所占体积时 双作用叶片泵的排量为式中R 定子内表面长圆弧半径 r 定子内表面短圆弧半径 B 叶片的宽度 考虑叶片厚度占对吸油和压油时油液体积的影响 实际泵的排量为式中 叶片相当于转子径向倾角 叶片厚度 上一页 下一页 返回 2 10 21 2 2液压泵 3 性能特点双作用叶片泵 其优点是 结构紧凑 流量及压力脉动率较小 噪声小 运转平稳 径向力小 其缺点是 转速范围窄 对油液要求高 叶片易卡住 只能做成定量泵 一般来说 双作用叶片泵的脉动很小 可忽略不计 此外 从转子径向力平衡考虑 叶片数应选偶数 一般z取12 3 变量叶片泵变量叶片泵是在单作用叶片泵的基础上加一套变量机构而成 变量原理是改变偏心距的大小和方向来实现 根据偏心改变的形式不同 有手动调节式 限压式和稳流量式等几种 下面介绍限压式变量叶片泵的结构原理 上一页 下一页 返回 22 2 2液压泵 限压式变量叶片泵在液压系统达到限定的压力后 可自动减少泵的供油量 从而减小功率损失 提高液压系统的效率 限压式变量叶片泵有内反馈和外反馈两种 2 2 4柱塞泵1 轴向柱塞泵 1 直轴式轴向柱塞泵图2 8所示为直轴式轴向柱塞泵的工作原理 它由斜盘1 柱塞2 缸体3 配油盘生和传动轴5等主要零件组成缸体上均匀分布几个轴向排列的柱塞孔 柱塞可在孔内沿轴向移动 斜盘的中心线与缸体中心线相交一个 角 斜盘和配油盘固定不动 柱塞在低压油和弹簧的作用下压紧在斜盘上在配油盘上有两个腰形窗口 它们之间由过渡区隔开 不能连通 上一页 下一页 返回 23 2 2液压泵 当传动轴以图不方向带动缸体转动时 自下而上回转的半周内的柱塞 在机械装置的作用下逐渐伸出 使缸体孔内密封工作腔容积不断变大 产生真空 将油液经配油盘的配油孔a吸入 自上而下回转的半周内的柱塞 在机械装置的作用下逐渐缩入 使缸体孔内密封工作腔容积不断减小 油液经配油盘的配油孔b压出 缸体旋转一周 每个柱塞往复运动一次 完成一次吸油和压油过程 由此可见 柱塞泵也是利用密封工作容积的变化进行吸油和压油的 改变 角的大小 就可改变柱塞的行程长度 从而改变泵的排量 上一页 下一页 返回 24 2 2液压泵 直轴式轴向柱塞泵的排量为式中z 柱塞数 d 柱塞直径 h 柱塞行程 上一页 下一页 返回 2 11 25 2 2液压泵 2 斜轴式轴向柱塞泵斜轴式轴向柱塞泵传动轴的中心线与缸体中心线倾斜一个角度 目前应用广泛的是无铰斜轴式轴向柱塞泵 图2 9所示为该泵的工作原理 当传动轴1转动时 通过连杆机构2的侧面和柱塞3的内壁接触带动缸体转动 同时柱塞在柱塞孔内做往复运动 实现吸油和压油 上一页 下一页 返回 26 2 2液压泵 2 径向柱塞泵 1 径向柱塞泵的工作原理径向柱塞泵的工作原理如图2 10所示 柱塞1径向排列在缸体2中 缸体由原动机带动连同柱塞1一起旋转 所以缸体2一般称为转子 柱塞1在离心力的 或在低压油 作用下抵紧定子生的内壁 当转子按图不方向回转时 由于定子和转子之间有偏心距 柱塞绕经上半周时向外伸出 柱塞底部的容积逐渐增大 形成部分真空 因此便经过衬套3 衬套3是压紧在转子内 并和转子一起回转 上的油孔从配油孔5和吸油口b吸油 当柱塞转到下半周时 定子内壁将柱塞向里推 柱塞底部的容积逐渐减小 向配油轴的压油口c压油 当转子回转一周时 每个柱塞底部的密封容积完成一次吸 压油 转子连续运转 即完成压吸油工作 上一页 下一页 返回 27 2 2液压泵 配油轴固定不动 油液从配油轴上半部的两个孔a流入 从下半部两个油孔d压出 为了进行配油 配油轴在和衬套3接触的一段加工出上 下两个缺口 形成吸油口b和压油口c 留下的部分形成封油区 封油区的宽度应能封住衬套上的吸 压油孔 以防吸油口和压油口相连通 但尺寸也不能大得太多 以免产生困油现象 2 主要参数径向柱塞泵的排量 当转子和定子之间的偏心距为e时 柱塞在缸体孔中的行程为2e 设柱塞个数为z 直径为d时 泵的排量为 上一页 下一页 返回 2 12 28 2 2液压泵 2 2 5液压泵的噪声1 产生噪声的原因 泵的流量脉动和压力脉动 造成泵的构件振动 泵的工作腔从吸油腔突然和压油腔相通 或从压油腔突然和吸油腔相通时 产生的油液流量和压力突变 对噪声的影响甚大 空穴现象 泵内流道具有截面突然扩大和收缩 急拐弯 通道截面过小而导致液体紊流 旋涡及喷流 使噪声加大 由于机械原因 如转动部分不平衡 轴承不良 泵轴的弯曲等机械振动引起的机械噪声 上一页 下一页 返回 29 2 2液压泵 2 降低噪声的措施 消除液压泵内部油液压力的急剧变化 为吸收液压泵流量及压力脉动 可在液压泵的出口安装消音器 装在油箱上的泵应使用橡胶垫减振 压油管的一段用橡胶软管 对泵和管路的连接进行隔振 防止泵产生空穴现象 可采用直径较大的吸油管 减小管道局部阻力 采用大容量的吸油滤油器 防止油液中混入空气 合理设计液压泵 提高零件刚度 上一页 下一页 返回 30 2 2液压泵 2 2 6液压泵的选用选择液压泵的原则是 根据主机工况 功率大小和系统对工作性能的要求 首先确定液压泵的类型 然后按系统所要求的压力 流量大小确定其规格型号 表2 1列出了液压系统中常用液压泵的主要性能 一般来说 由于各类液压泵各自突出的特点 其结构 功用和动转方式各不相同 因此应根据不同的使用场合选择合适的液压泵 一般在机床液压系统中 往往选用双作用叶片泵和限压式变量叶片泵 而在筑路机械 港口机械及小型工程机械中往往选择抗污染能力较强的齿轮泵 在负载大 功率大的场合往往选择柱塞泵 上一页 返回 31 2 3气源装置 2 3 1气源装置概述气源装置是获得压缩空气的装置其主体部分是空气压缩机 它将原动机供给的机械能转变为气体的压力能 图2 11所示为气源装置 其一般由3部分组成 产生压缩空气的气压发生装置 如空气压缩机 净化压缩空气的辅助装置和设备 如过滤器 油水分离器 干燥器等 输送压缩空气的供气管道系统 下一页 返回 32 2 3气源装置 2 3 2空气压缩机1 空气压缩机的作用空气压缩机是将原动机 电动机 提供的机械能转换成气体压力能的一种能量转换装置 即气压发生装置 它为气动装置提供具有一定压力和流量的压缩空气 2 空气压缩机的分类空气压缩机的种类很多 常按其工作原理 结构形式和性能参数分类 1 按工作原理分类 见图2 12 容积型压缩机 其工作原理是压缩气体的体积 使单位体积内气体分子的密度增加以提高压缩空气的压力 上一页 下一页 返回 33 2 3气源装置 速度型压缩机 其工作原理是提高气体分子的运动速度 然后使气体分子的动能转化为压力能以提高压缩空气的压力 2 按结构形式分类 按排气压力大小 可分为低压 中压 高压 超高压空气压缩机 见表2 2 按排气量 自由空气流量 可分为微型 小型 中型 大型空气压缩机 见表2 3 上一页 下一页 返回 34 2 3气源装置 3 常见空气压缩机工作原理 1 活塞式压缩机活塞式压缩机是通过曲柄连杆机构使活塞做往复运动而实现吸气 压气 并达到提高气体压力的目的 图2 13所示为单级活塞式压缩机工作原理 它主要由缸体2 活塞3 活塞杆2 曲柄连杆机构6和7 吸气阀8和排气阀1组成 工作时 曲柄7由原动机 电动机 带动旋转 驱动活塞3在缸体2内做往复运动 当活塞向右运动时 气缸内容积增大而形成真空 外界空气在大气压力作用下推开吸气阀8而进入气缸中 这个过程称为吸气过程 当活塞反向运动时 吸气阀8关闭 随着活塞的左移 缸内空气受到压缩而使压力升高 这个过程称为压缩过程 当气缸内压力增高到略高于输气管路中的压力时 排气阀1打开 气体便被排入输气管路内 这个过程称为排气过程曲柄旋转一周 活塞往复运动一次 即完成一个工作循环 上一页 下一页 返回 35 2 3气源装置 2 膜片式压缩机膜片式压缩机能提供0 5MPa的压缩空气 由于它无需油润滑 无污染 因此广泛应用于食品 医药和相类似的工业中 其工作原理是 膜片使气室容积发生变化 在下行程时吸入空气 上行程时压缩空气 3 叶片式压缩机叶片式压缩机的主要结构由定子 转子和叶片组成 转子上开有一定数量的沟槽 每个槽内嵌入一个叶片 转子偏心地装在定子内 当转子旋转时 离心力使叶片与定子内部相接触 从进口到出口 相邻两叶片间的空间逐渐减少 压缩空气被压缩 达到一定压力后即被排出 上一页 下一页 返回 36 2 3气源装置 4 螺杆式压缩机螺杆式压缩机压缩由壳体和两个互相啮合的螺杆转子组成空间内的气体 如图2 14所示 两个啮合的转子以相反方向运动时 它们逐渐啮合 转子的凹槽与气缸内壁所形成的工作容积在一端逐渐增大 在另一端逐渐减少 利用两螺杆表面上所特有的螺旋凹凸形的气道与气缸内壁之间形成的容积逐渐变化 来实现对气体的吸入 压缩和排出过程 由于压缩机的转速很高 气体的吸入和排出又是连续的 吸 排气可看成是无脉动的 因此可以不设置储气罐 上一页 下一页 返回 37 2 3气源装置 2 3 3后冷却器空气压缩机输出的压缩空气温度可达120 150 在此温度下 空气中的水分完全呈气态 后冷却器的作用就是将空气压缩机出口的高温空气冷却至40 50 以下 将大量水蒸气和变质油雾冷凝成液态水滴和油滴 以便将它们清除掉 后冷却器有风冷式和水冷式两大类 图2 15所示为水冷式后冷却器的工作原理 它把冷却水与热空气隔开 强迫冷却水沿热空气的反方向流动 以降低压缩空气的温度 水冷却器出口空气温度约比冷却水的温度高10 上一页 下一页 返回 38 2 3气源装置 2 3 4储气罐储气罐作用如下 消除压力波动 保证输出气流的连续性 储存一定数量的压缩空气 以备发生故障和临时需要应急使用 进一步分离压缩空气中的水分和油分 2 3 5空气净化处理装置1 对压缩空气品质的要求由空气压缩机排出的压缩空气虽然可以满足气动系统工作时的压力和流量的要求 但其温度高达170 且含有汽化的润滑油 水蒸气和灰尘等污染物 这些污染物将对气动系统造成下列不利影响 上一页 下一页 返回 39 2 3气源装置 混在压缩空气中的油蒸气可能聚集在储气罐 管道 气动元件的容腔里形成易燃物 有爆炸危险 另外 润滑油被汽化后形成一种有机酸 使气动元件 管道内表面腐蚀 生锈 影响其使用寿命 压缩空气中含有水分 在一定压力温度条件下会饱和而析出水滴 并聚集在管道内形成水膜 增加气流阻力 如遇低温或膨胀排气降温等 水滴会结冰而阻塞通道 节流小孔 或使管道附件等胀裂 游离的水滴形成冰粒后 冲击元件内表面而使元件遭到损坏 上一页 下一页 返回 40 2 3气源装置 混在空气中的灰尘等污染物沉积在系统内 与凝聚的油分 水分混合形成胶状物质 堵塞节流孔和气流通道 使气动信号不能正常传递 气动系统工作不稳定 同时还会使配合运动部件间产生研磨磨损 降低元件的使用寿命 压缩空气温度过高会加速气动元件中各种密封件 膜片和软管材料等的老化 且温差过大 元件材料会发生胀裂 降低系统使用寿命 上一页 下一页 返回 41 2 3气源装置 2 空气净化处理装置 1 油水分离器油水分离器的作用是分离压缩空气中所含的油分和水分 使压缩空气得到初步净化图2 16所示的油水分离器的工作原理是 当压缩空气进入分离器后产生流向和速度的急剧变化 再依靠惯性作用 将密度比压缩空气大的油滴和水滴分离出来 2 干燥器干燥器的作用是吸收和排除压缩空气中的水分和部分油分与杂质 使湿空气变成干空气的装置 图2 17所示的干燥器 是利用干燥剂吸附空气中的水蒸气的一种空气净化处理装置 上一页 下一页 返回 42 2 3气源装置 3 分水过滤器 分水过滤器的作用滤除压缩空气中的杂质微粒 达到气压传动系统所要求的净化程度 过滤器的分类可分为 简易过滤器 滤灰效率为50 70 二次过滤器 滤灰效率为70 99 高效过滤器 滤灰效率大于99 过滤器的作用是进一步过滤压缩空气中的灰尘和一部分油气 图2 18所示为分水过滤器原理 当压缩空气从入口进入后被引进旋风叶子1 旋风叶子上有很多小缺口 迫使空气沿切线方向产生强烈的旋转 这样 混杂在空气中较大的水滴 油污 灰尘