西北工业大学,机械设计基础,李育锡Ch15a.ppt

第十五章液压传动元件 15 1液压传动概述 15 2液压泵和液压马达 15 3液压缸 15 4液压阀 15 5液压辅助元件 以液体作为工作介质进行能量传递和控制的传动称为液体传动 包括液压传动 利用液体压力能 和液力传动 利用液体动能 这里只介绍液压传动 15 1液压传动概述 一 液压传动的工作原理 如图所示为液压千斤顶的工作原理图 结合此图说明其工作原理 1 手柄 2 小活塞 3 小缸体 4 5 单向阀 6 大缸体 7 大活塞 8 重物 9 放油阀 10 油箱 通过液压千斤顶工作过程分析可以看出 液压传动是依靠液体密封容积的变化和液体内部的压力来传递运动和动力的 液压传动装置是一种能量转换装置 它先将机械能转换为便于输送的液压能 后又将液压能转换为机械能做功 15 1液压传动概述 二 液压传动系统的组成及图形符号 在上述液压传动系统中 节流阀5控制流入液压缸的流量 从而控制工作台的移动速度 溢流阀4控制油泵出口的油液压力 并让多余的油经其流回油箱 下图是一个简化机床工作台液压传动系统 15 1液压传动概述 液压传动系统由以下五个部分组成 1 动力元件 如液压泵 2 执行元件 如液压缸和液压马达 3 控制元件 如溢流阀 节流阀和换向阀等 4 辅助元件 如油箱 油管 滤清器等 5 工作介质 液压油 图15 2是液压系统的结构原理图 这种图形直观性强 容易理解 但难以绘制 液压系统结构原理图是需要采用国家标准中规定的液压图形符号绘制 如图15 2C 15 1液压传动概述 三 液压传动的优缺点 液压传动的主要优点 液压传动能方便地实现无级调速 调速范围大 在相同功率情况下 液压传动装置的体积较小 重量较轻 结构紧凑 液压传动工作比较平稳 反应快 换向冲击小 能快速启动 制动和频繁换向 便于实现过载保护 而且工作油液能使传动零件实现自润滑 故使用寿命较长 操纵简单 易实现自动化 当与电气控制联合使用时 易于实现复杂的自动工作循环 液压元件已实现系列化 标准化和通用化 故制造 使用和维修都比较方便 15 1液压传动概述 液压传动的主要缺点 液压传动中的泄漏和液体的可压缩性使传动无法保证严格的传动比 液压传动的能量损失 泄漏损失 摩擦损失等 较大 传动效率不高 不宜作远距离传动 液压传动对油温的变化比较敏感 不宜在很高和很低的温度下工作 液压传动出现故障时不易找出原因 15 2液压泵和液压马达 一 液压泵的基本原理及分类 如图为单柱塞液压泵的工作原理图 1 偏心轮 2 柱塞 3 缸体 4 弹簧 5 6 单向阀 单柱塞液压泵是靠密封容积变化来实现吸油和压油的 排油量取决于密封腔的容积变化量 故称为容积式泵 液压泵是液压系统的动力元件 它将原动机输入的机械能转换为输出油液的压力能 液压马达是液压系统的执行元件 它将输入油液的压力能转换为输出轴转动的机械能 用于拖动负载 15 2液压泵和液压马达 构成容积式泵的两个必要条件 1 有周期性的密封容积变化 密封容积由小变大时吸油 由大变小时压油 2 有配流装置 它保证密封容积由小变大时只与吸油管连通 密封容积由大变小时只与压油管连通 液压泵的图形符号 a 单向定量泵 b 单向变量泵 c 双向定量泵 d 双向变量泵 按照结构形式不同 容积式液压泵分为齿轮泵 叶片泵和柱塞泵等类型 按照输出油液流量能否调节 液压泵又有定量泵和变量泵之分 15 2液压泵和液压马达 二 液压泵的性能参数 压力 排量和流量 功率 效率 1 液压泵的压力 液压泵的工作压力是指泵工作时输出油液的实际压力 取决于外界负载 一般随外界载荷变化而变化 泵在正常工作条件下具有的最高压力称为泵的额定压力 当泵的工作压力超过额定压力时 泵会发生过载损坏由于液压传动的用途不同 系统所需要的压力也不相同 为了便于液压元件的设计 生产和使用 将压力分为几个等级 表15 1压力分级 15 2液压泵和液压马达 2 液压泵的排量和流量 由泵的密封容腔几何尺寸变化计算而得的泵的每转排油体积称为排量V 泵在单位时间内的排油体积称为泵的理论流量 泵的理论流量qVt为 泵的排量和理论流量是在不考虑泄漏影响下的计算值 故与泵的工作压力无关 泵的实际流量qV是指泵工作时的实际输出流量 与泵的工作压力有关 显然 泵的实际流量小于理论流量 15 2液压泵和液压马达 3 液压泵的功率液压泵的输出为液压能 输出功率P0为 液压泵的输入功率Pi为泵轴的驱动功率 即 4 液压泵的效率 液压泵的效率由容积效率和机械效率组成 液压泵实际流量qV与理论流量qvt的比值称为容积效率 以 v表示 即 式中 Pi为液压泵的输入转矩 由于由于又泄漏和摩擦 显然 P0 Pi 15 2液压泵和液压马达 表15 2常用液压泵的容积效率和总效率 泵的输出功率P0与输入功率Pi的比值称为泵的总效率 以 表示 理论转矩Tt 由于有机械和粘性摩擦 总小于实际输入转矩 与实际输入转矩Ti的比值称为机械效率 以 m表示 15 2液压泵和液压马达 三 液压泵 1 齿轮泵 齿轮泵是常用的液压泵 主要特点是结构简单 制造方便 价格低廉 体积小 重量轻 自吸性能好 对油液污染不敏感 工作可靠 其主要缺点是流量和压力脉动较大 噪声较大 排量不可调 内啮合齿轮泵 齿轮泵按其结构形式的不同 有外啮合式和内啮合式两种 其中外啮合齿轮泵应用较广 15 2液压泵和液压马达 外啮合齿轮泵 外啮合式齿轮泵的工作原理如图所示 1 泵体 2 3 齿轮 齿轮齿槽带油 啮合部位防止油液回流 左侧油腔油液减少 形成部分真空而吸油 右侧油腔油液增多 形成油压而排油 此即齿轮泵的吸油和排油过程 由于齿轮啮合过程中压油腔容积变化的不均匀性较大 因此流量的脉动较大 齿轮的齿数越少 流量脉动就越大 15 2液压泵和液压马达 2 叶片泵 叶片泵具有输出流量均匀 运转平稳 噪声低 体积小 重量轻等优点 其缺点是对油液污染较敏感 转速不能太高 按结构的不同 叶片泵可分为单作用式和双作用式两类 双作用叶片泵常做成定量泵 而单作用叶片泵可做成定量泵 也可做成变量泵 单作用叶片泵 15 2液压泵和液压马达 单作用叶片泵的工作原理如图 1 转子 2 定子 3 叶片 另外还有装在两侧的配流盘 对于单作用叶片泵 转子偏心安置后 两叶片之间容积的变化是不均匀的 故有一定的流量脉动 在转子转一周的过程中 每个密封工作腔完成了吸油 压油各一次 故称单作用叶片泵 若改变定子和转子之间的偏心距大小 便可改变泵的排量 形成变量叶片泵 双作用叶片泵 15 2液压泵和液压马达 双作用叶片泵的工作原理如图 在转子转一周的过程中 每个密封工作腔完成了吸油 压油各两次 故称双作用叶片泵 泵的两个吸油区和两个压油区是径向对称的 因此转子所受径向液压力是平衡的 由于偏心距为零 不能调节故为定量泵 对于双作用叶片泵 合理设计定子过渡曲线和叶片数 可使其流量的脉动很小 15 2液压泵和液压马达 3 柱塞泵 柱塞泵具有压力高 结构紧凑 效率高及流量调节方便等优点 其缺点是结构较为复杂 有些零件对材料及加工工艺的要求较高 因而在各种容积泵中 柱塞泵的价格最高 柱塞泵按柱塞排列方向的不同 分为轴向柱塞泵和径向柱塞泵 15 2液压泵和液压马达 斜盘式轴向柱塞泵 a吸油窗口 b压油窗口 斜盘式轴向柱塞泵 工作原理如图 1 斜盘 不动 2 柱塞 转动和往复移动 3 缸体 转动 4 配流盘 不动 改变斜盘倾角 改变了柱塞的行程长度 改变了泵的排量 改变斜盘方向 改变了吸 压油方向 构成双向变量柱塞泵 15 2液压泵和液压马达 径向柱塞泵 径向柱塞泵 工作原理如图 1 定子 2 转子 3 柱塞 4 配流轴 改变偏心距 改变了柱塞的行程 也就改变了泵的排量 改变偏心距方向 改变了吸 压油方向 径向柱塞泵可做成单向或双向变量泵 15 2液压泵和液压马达 四 液压马达 液压马达的图形符号如图所示 a 单向定量马达 b 单向变量马达 c 双向定量马达 d 双向变量马达 液压马达是将液压能转换为机械能的装置 其结构与液压泵相似 也是靠密封容积变化进行工作 常见的液压马达也有齿轮式 叶片式和柱塞式等几种形式 也有定量液压马达或变量液压马达 液压马达和泵在工作原理上是互逆的 当向泵输入液压油时 泵轴输出转速和转矩就成为液压马达 但由于两者的任务和要求有所不同 故液压泵和液压马达在结构上有某些差异 实际上只有少数液压泵能作为液压马达使用 15 2液压泵和液压马达 1 液压马达的容积效率和转速 液压马达也存在泄漏 因此输入液压马达的实际流量qv必然大于理论流量qvt 液压马达的容积效率和转速分别为 15 2液压泵和液压马达 2 液压马达的机械效率和转矩 液压马达工作时存在摩擦 因此它的实际输出转矩T必然小于理论转矩Tt 故液压马达的机械效率为 若液压马达进出口之间的工作压力差为 p 则液压马达的理论转矩Tt和实际输出转矩T分别为 3 液压马达的总效率 液压马达的输入功率为Pi pqv 输出功率为P0 2 nT 60 液压马达的总效率 为 15 3液压缸 液压缸属于执行元件 其作用是将油液的压力能转换为机械能对外做功 一般用于驱动工作机构往复直线运动或往复摆动 液压缸有多种类型 按结构特点可分为活塞缸 柱塞缸和摆动缸三大类 按作用方式又可分为单作用式和双作用式两种 单作用式液压缸中 压力油只供入液压缸的一个腔 液压缸实现单向运动 反方向运动则依靠外力 双作用式液压缸中 压力油交替供入液压缸的两个腔 液压缸实现正反方向往复运动 另外还有伸缩缸和增压缸等种类 a 单活塞杆缸 b 双活塞杆缸 c 伸缩缸 d 增压缸 15 3液压缸 一 活塞式液压缸 1 双杆活塞式液压缸 如图是双杆活塞式液压缸的原理图 分为缸体固定式和活塞杆固定式 这种液压缸的活塞两侧均装有活塞杆 当两活塞杆直径相同 供油压力和流量不变时 活塞在两个方向的运动速度v和推力F也都相等 双杆活塞式液压缸可以用于双向负载基本相等的场合 比如磨床液压系统 a 缸体固定式 b 活塞杆固定式 活塞式液压缸根据使用要求不同 分为双杆式和单杆式两种结构 15 3液压缸 2 单杆活塞式液压缸 如图是单杆活塞式液压缸的原理图 由于只在活塞的一侧装有活塞杆 因而两腔有效作用面积不同 当向缸的两腔分别供油 且供油压力和流量不变时 活塞在两个方向的运动速度和输出推力是不相等的 通过分析可知 活塞杆伸出时 推力较大速度较小 活塞杆缩回时 推力较小速度较大 a 无杆腔进油 b 有杆腔进油 c 差动连接 如果进油压力相同 单杆活塞式液压缸适用于伸出时承受载荷 缩回时为空载或轻载的场合 单杆活塞式液压缸的结构 差动连接的原理见图 C 差动连接时实际上起有效作用的面积是活塞杆横截面积 差动连接是在不增加液压泵流量的前期下实现快速运动的有效方法 广泛应用于组合机床的液压动力滑台和各类专用机床中 15 3液压缸 二 其他液压缸 1 柱塞式液压缸 缸筒1 柱塞2 导向套3 密封圈4 压盖5 用于长行程机床 龙门刨床 导轨磨床 大型拉床等 15 3液压缸 2 伸缩液压缸 多级缸 大活塞1 小活塞2 多级缸由两级或多级活塞缸套装而成 前一级缸的活塞就是后一级缸的缸筒 伸出时 大活塞全部伸出后小活塞才开始伸出 缩回时则动作相反 伸缩缸适用于安装空间受到限制而行程要求较长的场合 如起重机伸缩臂液压缸 自卸汽车举升液压缸等 15 3液压缸 15 3液压缸 3 摆动液压缸 摆动液压马达 可以实现王府摆动的执行元件 图示为单叶片摆动液压缸 缸体1 封油隔板2 轴3 叶片4 15 4液压阀 液压阀是用来控制液压系统中油液的流向 流量和压力 以满足执行机构运动和力的要求的重要元件 有方向控制阀 流量控制阀和压力控制阀等 一 方向控制阀 单向阀和换向阀 1 单向阀 a 管式连接单向阀 b 板式连接单向阀 c 图形符号1阀体 2阀芯 3弹簧 1 普通单向阀普通单向阀简称单向阀 亦称止回阀 是一种只允许油液正向流动 不允许油液倒流的阀 15 4液压阀 2 液控单向阀液控单向阀是一种通入控制压力油后即允许油液双向流动的单向阀 它由单向阀和液控装置两部分组成 a 结构原理 1控制活塞 2顶杆 3阀芯 K控制口 b 图形符号 15 4液压阀 2 换向阀换向阀的作用是变换阀心在阀体内的相对工作位置 使阀体各油口连通或断开 从而控制执行元件的换向或启停 a 阀心处于中位 b 阀心处于右端 c 阀心处于左端 d 图形符号 P口接上游 A口接液压缸一腔 B口接液压缸另一腔 T口接下游 15 4液压阀 表15 3常见的几种三位四通滑阀的中位机能 根据不同的使用要求 三位滑阀中间位置各油口可有不同的连接方式 称为中位机能 不同机能的阀 阀体通用 只要改变阀芯的结构尺寸就可以构成各种不同的中位机能 15 4液压阀 图15 22换向阀的位和通路符号 如图为常用的二位和三位换向阀的位和通路符号 15 4液压阀 图15 23换向阀操纵方式符号 换向阀中的阀芯相对于阀体的运动需要外力操纵来实现 常用的操纵方式如图所示 1 手动换向阀用手动杠杆操纵阀芯换位的方向控制阀 换向定位方式有弹簧复位和钢球定位 a 弹簧复位式 b 钢球定位式 15 4液压阀 15 4液压阀 2 机动换向阀 a 结构原理 b 图形符号图15 25二位二通机动换向阀 又称行程阀 必须安装在液压缸附近 通常是弹簧复位式二位阀 1 行程挡块 2 滚轮 3 阀芯 4 弹簧 15 4液压阀 3 电磁换向阀 利用电磁铁吸力操纵阀芯换位的方向控制阀 a 结构原理 b 图形符号图15 26三位四通电磁换向阀 15 4液压阀 4 液动换向阀 a 结构原理 b 图形符号图15 27液动换向阀 大流量换向阀的阀芯换位常采用压力油操纵 液动控制 而压力油的流动方向 则有需要另一个换向阀控制 15 4液压阀 a 结构原理 b 详细符号 c 图形符号 5 电液换向阀 15 4液压阀 二 压力控制阀 在液压系统中 控制油液压力高低或利用压力变化实现某种动作的阀通称为压力控制阀 常见的压力控制阀按功用分为溢流阀 减压阀 顺序阀 压力继电器等 1 溢流阀 溢流阀的主要用途是通过溢流来实现调压和稳压 根据结构不同 分为直动型和先导型两类 1 直动型溢流阀一般只能用于低压小流量处 因控制较高压力或较大流量时 需要装刚度较大的硬弹簧 不但手动调节困难 而且阀口开度 弹簧压缩量 略有变化便引起较大的压力波动 1阀体 2阀芯 3弹簧 4调节螺钉 图15 29直动型溢流阀 15 4液压阀 2 先导型溢流阀 如图15 30所示 先导型溢流阀由先导阀1和主阀2两部分组成的 先导型溢流阀的工作原理 P进油口 T回油口 R阻尼小孔 X外控口 图15 30先导型溢流阀 15 4液压阀 在先导型溢流阀中 先导阀的作用是控制和调节溢流压力 主阀用来溢流 先导阀只通过泄油 其阀口直径较小 作用在锥阀心上的液压推力不大 因此调压弹簧的刚度不必很大 压力调整也就比较轻便 主阀心因两端均受油压作用 主阀弹簧只需很小的刚度 当溢流量变化引起弹簧压缩量变化时 进油口的压力变化很小 先导型溢流阀的外控口可实现对阀的远程控制 通过调节进入外控口的油液压力 小于先导型溢流阀本身确定的溢流压力 则可以实现远程控制主阀的启闭 溢流阀的图形符号如图所示 a 一般符号 b 先导型符号 15 4液压阀 2 减压阀减压阀主要用于降低系统某一支路的油液压力 使同一系统能有二个或多个不同压力的回路 如图是先导型减压阀 能使出口压力降低并保持恒定 称为定值输出减压阀 简称减压阀 a 结构原理 b 先导式符号 c 一般符号 15 4液压阀 压力为p1的压力油由阀的进油口A流入 经减压口f减压后 压力降低为p2 再由出油口B流出 同时 出口压力油经主阀心内的小孔g进入主阀心的左腔 同时经阻尼孔e进入主阀心的右腔 再经孔道作用在先导阀锥上 当出口压力小于先导阀的调定值时 先导阀关闭 主阀心被弹簧压在最左端 减压口开度x为最大值 压降最小 阀处于非工作状态 减压阀不起减压作用 15 4液压阀 当出口压力超过先导阀的调定值时 先导阀被打开 主阀弹簧腔的油液由泄油口Y流回油箱 由于主阀芯阻尼孔e的阻尼作用 使主阀弹簧腔的油压下降 主阀芯右移 减压口开度x值减小 压降增加 是出口压力减低 直到等于先导阀调定的数值为止 减压阀出口压力若因外界干扰而变动时 先导型减压阀会自动调整减压口开度来保持调定的出口压力数值基本不变 15 4液压阀 b 先导式符号 c 一般符号 a 一般符号 b 先导型符号 减压阀 溢流阀 减压阀与溢流阀相比较 主要区别是 减压阀利用出油口压力与弹簧力平衡 保持出油口压力基本恒定 而溢流阀则利用进油口压力与弹簧力平衡 保持进油口压力基本恒定 减压阀的进 出油口均通压力油 所以泄漏油需要单独接油箱 而溢流阀的泄漏油可由内部通道经回油口流回油箱 非工作状态时 减压阀口常开 阀口开度为最大 而溢流阀口则常闭 15 4液压阀 3 顺序阀顺序阀的功用是利用液压系统中的压力变化来控制油路的通断 从而实现多个液压元件按一定的顺序动作 顺序阀按结构分为直动型和先导型 按控制油来源又有内控式和外控式之分 按泄油方式又有内泄式和外泄式之分 a 内控外泄式顺序阀 b 外控内泄式顺序阀 c 内控外泄式先导型顺序阀 15 4液压阀 先导型顺序阀的结构原理与先导型溢流阀类似 区别在于 溢流阀出口通油箱 压力为零 控制阀门开闭的压力油引自进油口 为内控式 泄油经出油口流回油箱 为内泄式 顺序阀出口通有压力的油路 控制阀门开闭的压力油可以引自进油口 内控式 或引自外部油路 外控式 泄油可以排入出油口 内泄式 或由泄油口流回油箱 外泄式 15 4液压阀 4 压力继电器压力继电器是一种液 电信号转换元件 由柱塞1 顶杆2 调节螺钉3和微动开关4组成 当控制油压达到调定值时 推杆上移 使微动开关动作 发出电信号控制电气元件动作 a 结构原理 b 一般符号 15 4液压阀 三 流量控制阀流量控制阀通过改变阀口过流面积来调节输出流量 从而控制执行元件的运动速度 常用的流量控制阀有节流阀和调速阀两种 1 节流阀压力油从进油口A流入 经节流口从出油口B流出 进口油液通过弹簧腔径向小孔和阀体上斜孔同时作用在阀心的上下两端 使阀心两端液压力平衡 所以 即使在高压下工作 也能用手轮轻便地调节阀口开度 a 结构原理 b 图形符号 15 4液压阀 2 调速阀调速阀是由定差减压阀与节流阀串联而成的组合阀 节流阀用来调节通过的流量 定差减压阀使节流阀前后的压差为定值 消除了负载变化对流量的影响 定差减压阀1与节流阀2串联 定差减压阀左右两腔分别与节流阀前后端连通 节流阀两端压差P2 P1基本保持不变 不受负载变化的影响 调速阀通过的流量就保持恒定 15 4液压阀 图示为普通节流阀1与调速阀2相比较的特性曲线 即阀两端压差 p 调速阀 p p1 p3 与通过阀的流量之间关系的曲线 在压差较小时 减压阀的阀口全部打开 减压阀处于非工作状态 只有节流阀在起作用 调速阀与普通节流阀的这部分曲线重合 当阀两端压差大于某一值时 减压阀心处于工作状态 使节流阀两端的压差为定值 通过调速阀的流量就不受调速阀两端压差变化的影响了 而通过普通节流阀的流量仍然随压差的变化而改变 两者的曲线出现明显的差别 15 4液压阀 四 比例阀和数字阀 1 比例阀 比例阀是以比例电磁铁取代普通液压阀的手调装置或取代普通电磁铁发展起来的 比例电磁铁的吸力与通过其线圈的直流电流强度成正比 可以按比例地对油液的压力 流量和方向进行远距离控制 比例阀也可分为比例压力阀 比例流量阀与比例方向阀三大类 用比例电磁铁取代直动型溢流阀的手调装置 便成为直动型比例溢流阀 构成闭环控制系统的运算放大器与 位移传感器1 比例电磁铁2 推杆3 调压弹簧4 图15 38直动型比例溢流阀 15 4液压阀 把直动型比例溢流阀作为先导阀与普通压力阀的主阀相配 便可组成先导型比例溢流阀 比例顺序阀和比例减压阀 a 先导比例溢流阀 b 先导比例减压阀 c 比例调速阀图15 39比例阀的图形符号 15 4液压阀 2 数字阀 用数字信号直接控制的液压阀 称为电液数字控制阀 简称数字阀 当今技术较成熟的是增量式数字阀 即用步进电动机驱动的液压阀 已有数字流量阀 数字压力阀和数字方向流量阀等系列产品 如图增量式数字流量阀 步进电机1 滚珠丝杠2 节流阀阀芯3 阀套4 位移传感器5 15 5液压辅助元件 液压系统中的辅助元件有油