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液压传动 第一章液压传动概述 第一节液压传动的定义 工作原理及组成一 基本概念1 液压传动的定义用液体作为工作介质 在密封的回路里 以液体的压力能进行能量传递的传动方式 称之为液压传动 2 液压控制的定义液压控制与液压传动的不同之点在于液压控制是一个自动控制系统 具有反馈装置 系统具有较强的抗干扰能力 所以系统输出量的精度高 二 工作原理1 系统组成基本组成元件 1 杠杆手柄 2 小缸体 3 小活塞 4 6 单向阀 5 吸油管 7 10 管道 8 大活塞 9 大缸体 11 截止阀 12 油箱 2 工作原理 泵吸油过程 泵压油和重物举升过程 重物落下过程 三 液压系统的组成 1 能源装置 把机械能转化成液体压力能的装置 常见的是液压泵 2 执行装置 把液体压力能转化成机械能的装置 一般常见的形式是液压缸和液压马达 3 控制调节装置 对液体的压力 流量和流动方向进行控制和调节的装置 这类元件主要包括各类控制阀或者由各种阀构成的组合装置 这些元件的不同组合组成了能完成不同功能的液压系统 4 辅助装置 指以上三种组成部分以外的其它装置 如各种管接件 油管 油箱 过滤器 蓄能器 压力表等 起连接 输油 贮油 过滤 贮存压力能和测量等作用 5 传动介质 传递能量的液体介质 即各种液压工作介质 第二节液压传动的工作特性及应用 一 工作特性1 力比关系在液压传动中工作压力取决于负载 而与流入的液体多少无关 注意 负载包括 有效负载 无效负载 如摩擦力 以及液体的流动阻力 2 运动关系 活塞移动速度正比于流入液压缸中油液流量q 与负载无关 也就是说 活塞的运动速度可以通过改变流量的方式进行调节 基于这一点 液压传动可以实现无级调速 活塞的运动速度反比于活塞面积 可以通过对活塞面积的控制来控制速度 3 功率关系在不计各种功率损失的条件下 液压传动系统的输出功率Wv等于功率Fv 并且液压传动中的功率可以用压力p和流量q的乘积来表示 总结上述 在液压传动中压力p和流量q是最基本 最重要的两个参数 二 液压传动在工业中的应用工程机械推土机 挖掘机 压路机起重运输汽车吊 叉车 港口龙门吊矿山机械凿岩机 提升机 液压支架建筑机械打桩机 平地机 液压千斤顶农业机械拖拉机 联合收割机冶金机械压力机 轧钢机锻压机械压力机 模锻机 空气锤机械制造组合机床 冲床 自动线 气动扳手轻工机械打包机 注塑机汽车工业汽车中的转向器 减振器 自卸汽车智能机械模拟驾驶舱 机器人 第三节液压传动的优缺点 一 液压传动的主要优点与机械传动 电气传动相比 液压传动具有以下优点1 液压传动的各种元件 可根据需要方便 灵活地来布置 2 重量轻 体积小 运动惯性小 反应速度快 3 操纵控制方便 可实现大范围的无级调速 调速范围达2000 1 4 可自动实现过载保护 5 一般采用矿物油为工作介质 相对运动面可自行润滑 使用寿命长 6 很容易实现直线运动 7 容易实现机器的自动化 当采用电液联合控制后 不仅可实现更高程度的自动控制过程 而且可以实现遥控 二 液压传动的主要缺点 与机械传动 电气传动相比 液压传动具有以下缺点1 由于流体流动的阻力损失和泄漏较大 所以效率较低 如果处理不当 泄漏不仅污染场地 而且还可能引起火灾和爆炸事故 2 工作性能易受温度变化的影响 因此不宜在很高或很低的温度条件下工作 3 液压元件的制造精度要求较高 因而价格较贵 由于液体介质的泄漏及可压缩性影响 不能得到严格的定比传动 4 液压传动出故障时不易找出原因 使用和维修要求有较高的技术水平 5 油液污染 第二章液压传动的工作介质 一 概述液压系统中的工作液体既是传递功率的介质 又是液压元件的冷却 防锈和润滑剂 在工作中产生的磨粒和来自外界的污染物 也要靠工作液体带走 工作液体的粘性 对减少间隙的泄漏 保证液压元件的密封性能都起着重要作用 二 液压油应具有的基本性质液压工作介质一般称为液压油 有部分液压介质已不含油的成份 液压介质的性能对液压系统的工作状态有很大影响 对液压系统对工作介质的基本要求如下 1 有适当的粘度和良好的粘温特性粘度是选择工作介质的首要因素 液压油的粘性 对减少间隙的泄漏 保证液压元件的密封性能都起着重要作用 粘度过高 各部件运动阻力增加 温升快 泵的自吸能力下降 同时 管道压力降和功率损失增大 反之 粘度过低会增加系统的泄漏 并使液压油膜支承能力下降 而导致摩擦副间产生摩擦 所以工作介质要有合适的粘度范围 同时在温度 压力变化下和剪切力作用下 油的粘度变化要小 粘度用运动粘度p表示 在国际单位制中 的单位是 s 而在实用上标定油的粘度用c s St 沲 的1 100 即m s cSt 厘沲 表示 按我国GB标准规定 液压油产品的代号按下列顺序表示 类组号 牌号 尾注号 牌号 即该介质在40 时的运动粘度等级 并在级前冠以 N 字符 以区别于其它温度下的运动粘度等级 尾注号 有以下几种 H表示由石油烃叠合或缩合等工艺制得的产品 G表示具有良好的粘 温特性 可减少导轨的爬行现象 D表示具有良好的低温起动性能 K表示对镀银部件具有良好的抗腐蚀性 常用液压油的牌号和粘度 所有工作介质的粘度都随温度的升高而降低 粘温特性好是指工作介质的粘度随温度变化小 粘温特性通常用粘度指数表示 一般情况下 在高压或者高温条件下工作时 为了获得较高的容积效率 不使油的粘度过低 应采用高牌号液压油 低温时或泵的吸入条件不好时 压力低 阻力大 应采用低牌号液压油 2 氧化安定性和剪切安定性好工作介质与空气接触 特别是在高温 高压下容易氧化 变质 氧化后酸值增加会增强腐蚀性 氧化生成的粘稠状油泥会堵塞滤油器 妨碍部件的动作以及降低系统效率 因此 要求它具有良好的氧化安定性和热安定性 剪切安定性是指工作介质通过液压节流间隙时 要经受剧烈的剪切作用 会使一些聚合型增粘剂高分子断裂 造成粘度永久性下降 在高压 高速时 这种情况尤为严重 为延长使用寿命 要求剪切安定性好 3 抗乳化性 抗泡沫性好工作介质在工作过程中可能混入水或出现凝结水 混有水分的工作介质在泵和其它元件的长期剧烈搅拌下 易形成乳化液 使工作介质水解变质或生成沉淀物 引起工作系统锈蚀和腐蚀 所以要求工作介质有良好的抗乳化性 抗泡沫性是指空气混入工作介质后会产生气泡 混有气泡的介质在液压系统内循环 会产生异常的噪声 振动 所以要求工作介质具有良好的抗泡性和空气释放能力 4 闪点 燃点要高 能防火 防爆 5 有良好的润滑性和防腐蚀性 不腐蚀金属和密封件 6 对人体无害 成本低 三 液压油的种类1 石油基液压油 1 机械油 2 汽轮机油 3 普通液压油 类组号YA 4 液压 导轨油 5 抗磨液压油 类组号YB 6 低温液压油 又名低凝 工程 稠化液压油 类组号YC 7 高粘度指数液压油 类组号YD 8 清净液压油 9 其它专用液压油 按使用的场合不同又分为以下几种 a 航空液压油 红油 b 炮用液压油c 舰用液压油d 舵机液压油e 液压设备防锈油f 合成锭子油和专用锭子油2 抗燃液压液抗燃液压液可分为合成型 油水乳化型和高水基型三大类 1 合成型抗燃工作液 1 水 L 醇液 类组号YRC 2 磷酸酯液 类组号YRD 3 硅油 2 油水乳化型抗燃工作液油水乳化液是指互不相溶的油和水 使其中的一种液体以极小的液滴均匀地分散在另一种液体中所形成的抗燃液体 分水包油乳化液和油包水乳化液两大类 1 水包油乳化液 类组号YRA 2 油包水乳化液 类组号YRB YRB 40 YRB 60 YRB 90 YRB 130 3 高水基型抗燃工作液工作液不是油水乳化液 其主体为水 占95 其余5 为各种添加剂 抗磨剂 防锈剂 抗腐剂 乳化剂 抗泡剂 极压剂 增粘剂等 其优点是成本低 抗燃性好 不污染环境 其缺点是粘度低 润滑性差 3 海水或淡水舰船液压系统 以海水 或淡水 为工作介质 液压泵直接从海洋 或江河 中吸入海水 或淡水 高压海水 或淡水 进入执行元件工作后直接排入海洋 或江河 其优点是 可省去回油管路和油箱 液压系统重量大大减轻 系统不会出现过热问题 避免了液压油作介质的舰船液压系统因泄漏而对海洋 或江河 的污染 可避免潜艇暴露目标 当潜艇液压系统以液压油为介质时 敌人常根据海洋 或江河 面上飘有泄漏液压油而判定潜艇所在位置 其缺点是 液压系统的容积效率和机械效率较低 对元件的材质和制造工艺要求较高 价格较贵 四 液压油的污染及其控制 1 污染的原因及危害液压油中的污染物来源包括 液压装置组装时残留下来的污染物 如切屑 毛刺 型砂 磨粒 焊渣 铁锈等 从周围环境混入的污染物 如空气 尘埃 水滴等 在工作过程中产生的污染物 如金属微粒 锈斑 涂料剥离片 密封材料剥离片 水分 气泡以及工作液体变质后的胶状生成物等 2 工作液体的污染控制为了减少工作液体的污染 可采取以下措施 1 液压元件在加工的每道工序后都应净化 装配后严格清洗 系统在组装前 油箱和管道必须清洗 用机械方法除去残渣和表面氧化物 然后进行酸洗 系统在组装后 用系统工作时使用的工作液体 加热后 进行全面清洗 不可用煤油 系统冲洗时应设置高效滤油器 并启动系统使元件动作 用铜锤敲打焊口和连接部位 2 在油箱呼吸孔上装设高效空气滤清器或采用隔离式油箱 防止尘土 磨料和冷却水的侵入 工作液体必须通过滤油器注入系统 3 系统应设置过滤器 其过滤精度应根据系统的不同情况来选定 4 系统工作时 一般应将工作液体的温度控制在65 以下 工作液体温度过高会加速氧化 产生各种生成物 5 系统中的工作液体应定期更换 在注入新的工作液体前 整个系统必须先清洗一次 五 液压油液的选用原则选择液压油时 首先考虑其粘度是否满足要求 同时兼顾其它方面 选择时应考虑如下因素 1 液压泵的类型 2 液压系统的工作压力 3 运动速度 4 环境温度 5 防污染的要求 6 综合经济性总之 选择液压油时一是考虑液压油的品种 二是考虑液压油的粘度 液压动力元件起着向系统提供动力源的作用 是系统不可缺少的核心元件 液压系统是以液压泵作为系统提供一定的流量和压力的动力元件 液压泵将原动机 电动机或内燃机 输出的机械能转换为工作液体的压力能 是一种能量转换装置 一 液压泵的工作原理及特点液压泵是液压传动系统中的能量转换元件 液压泵由原动机驱动 把输入的机械能转换为油液的压力能 再以压力 流量的形式输入到系统中去 它是液压传动的心脏 也是液压系统的动力源 在液压系统中 液压泵容积式的 依靠容积变化进行工作 1 液压泵的工作原理 第一节液压泵概述 第三章液压动力元件 液压泵 液压泵都是依靠密封容积变化的原理来进行工作的 故一般称为容积式液压泵 图3 1所示的是一单柱塞液压泵的工作原理图 图中柱塞2装在缸体3中形成一个密封容积a 柱塞在弹簧4的作用下始终压紧在偏心轮1上 原动机驱动偏心轮1旋转使柱塞2作往复运动 使密封容积a的大小发生周期性的交替变化 当a有小变大时就形成部分真空 使油箱中油液在大气压作用下 经吸油管顶开单向阀6进入油箱a而实现吸油 反之 当a由大变小时 a腔中吸满的油液将顶开单向阀5流入系统而实现压油 这样液压泵就将原动机输入的机械能转换成液体的压力能 原动机驱动偏心轮不断旋转 液压泵就不断地吸油和压油 2 液压泵的特点单柱塞液压泵具有一切容积式液压泵的基本特点 1 具有若干个密封且又可以周期性变化空间 液压泵输出流量与此空间的容积变化量和单位时间内的变化次数成正比 与其他因素无关 这是容积式液压泵的一个重要特性 2 油箱内液体的绝对压力必须恒等于或大于大气压力 这是容积式液压泵能够吸入油液的外部条件 因此 为保证液压泵正常吸油 油箱必须与大气相通 或采用密闭的充压油箱 3 具有相应的配流机构 将吸油腔和排液腔隔开 保证液压泵有规律地 连续地吸 排液体 液压泵的结构原理不同 其配油机构也不相同 如图3 1中的单向阀5 6就是配油机构 容积式液压泵中的油腔处于吸油时称为吸油腔 吸油腔的压力决定于吸油高度和吸油管路的阻力 吸油高度过高或吸油管路阻力太大 会使吸油腔真空度过高而影响液压泵的自吸能力 油腔处于压油时称为压油腔 压油腔的压力则取决于外负载和排油管路的压力损失 从理论上讲排油压力与液压泵的流量无关 容积式液压泵排油的理论流量取决于液压泵的有关几何尺寸和转速 而与排油压力无关 但排油压力会影响泵的内泄露和油液的压缩量 从而影响泵的实际输出流量 所以液压泵的实际输出流量随排油压力的升高而降低 二 液压泵的主要性能参数 1 压力 1 工作压力 液压泵实际工作时的输出压力称为工作压力 工作压力的大小取决于外负载的大小和排油管路上的压力损失 而与液压泵的流量无关 2 额定压力 液压泵在正常工作条件下 按试验标准规定连续运转的最高压力称为液压泵的额定压力 3 最高允许压力 在超过额定压力的条件下 根据试验标准规定 允许液压泵短暂运行的最高压力值 称为液压泵的最高允许压力 2 排量和流量 1 排量V 液压泵每转一周 由其密封容积几何尺寸变化计算而得的排出液体的体积叫液压泵的排量 排量可调节的液压泵称为变量泵 排量为常数的液压泵则称为定量泵 2 理论流量qi 理论流量是指在不考虑液压泵的泄漏流量的情况下 在单位时间内所排出的液体体积的平均值 显然 如果液压泵的排量为V 其主轴转速为n 则该液压泵的理论流量qi为 3 实际流量q 液压泵在某一具体工况下 单位时间内所排出的液体体积称为实际流量 它等于理论流量qi减去泄漏流量 q 即 4 额定流量qn 液压泵在正常工作条件下 按试验标准规定 如在额定压力和额定转速下 必须保证的流量 3 功率和效率 1 液压泵的功率损失 液压泵的功率损失有容积损失和机械损失两部分 容积损失 容积损失是指液压泵流量上的损失 液压泵的实际输出流量总是小于其理论流量 其主要原因是由于液压泵内部高压腔的泄漏 油液的压缩以及在吸油过程中由于吸油阻力太大 油液粘度大以及液压泵转速高等原因而导致油液不能全部充满密封工作腔 液压泵的容积损失用容积效率来表示 它等于液压泵的实际输出流量q与其理论流量qi之比即 因此液压泵的实际输出流量q为式中 V为液压泵的排量 m3 r n为液压泵的转速 r s 液压泵的容积效率随着液压泵工作压力的增大而减小 且随液压泵的结构类型不同而异 但恒小于1 机械损失 机械损失是指液压泵在转矩上的损失 液压泵的实际输入转矩T0总是大于理论上所需要的转矩Ti 其主要原因是由于液压泵体内相对运动部件之间因机械摩擦而引起的摩擦转矩损失以及液体的粘性而引起的摩擦损失 液压泵的机械损失用机械效率表示 它等于液压泵的理论转矩Ti与实际输入转矩T0之比 设转矩损失为 T 则液压泵的机械效率为 2 液压泵的功率 输入功率Pi 液压泵的输入功率是指作用在液压泵主轴上的机械功率 当输入转矩为T0 角速度为 时 有 输出功率Po 液压泵的输出功率是指液压泵在工作过程中的实际吸 压油口间的压差 p和输出流量q的乘积 即 式中 p为液压泵吸 压油口之间的压力差 N m2 q为液压泵的实际输出流量 m3 s p为液压泵的输出功率 N m s或W 在实际的计算中 若油箱通大气 液压泵吸 压油的压力差往往用液压泵出口压力p代入 3 液压泵的总效率 液压泵的总效率是指液压泵的实际输出功率与其输入功率的比值 即 其中 pqi 为理论输入转矩Ti 由式 3 8 可知 液压泵的总效率等于其容积效率与机械效率的乘积 所以液压泵的输入功率也可写成 a 单向定量液压泵b 双向定量液压泵c 单向变量液压泵d 双向变量液压泵 三 液压泵的图形符号 第二节齿轮泵 齿轮泵是液压系统中广泛采用的一种液压泵 其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大 噪声大 排量不可调 它一般做成定量泵 按结构不同 齿轮泵分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵 而以外啮合齿轮泵应用最广 外啮合内啮合 分类 按齿面 按齿形曲线 按啮合形式 直齿斜齿人字齿 渐开线摆线 齿轮泵的分类 一 外啮合齿轮泵原理和结构 1 结构 齿轮 壳体 端盖等 一 外啮合齿轮泵的结构 典型结构 CB齿轮泵p 2 5MPa卸荷槽缩小压油口减小端面间隙0 03 0 04mm增大吸油口小槽a 泄油 小孔 2 工作原理 密封工作腔 泵体 端盖和齿轮的各个齿间槽组成了若干个密封工作容积 齿轮啮合线将吸油区和压油区隔开 起配流作用 吸油过程 轮齿脱开啮合 V p 吸油 排油过程 轮齿进入啮合 V p 排油 1 产生原因 1 构成闭死容积VbVb由大 小 p 油液发热 轴承磨损 Vb由小 大 p 汽蚀 噪声 振动 金属表面剥蚀 二 外啮合齿轮泵结构上存在的几个问题 1 困油现象 2 危害 影响工作 缩短寿命 3 措施 开卸荷槽原则 Vb由大 小 与压油腔相通Vb由小 大 与吸油腔相通保证吸 压油腔始终不通 2 泄漏问题 1 泄漏途径 轴向间隙80 ql径向间隙15 ql啮合处5 ql2 危害 v 3 防泄措施 a 减小轴向间隙b 轴向间隙补偿装置浮动侧板浮动轴套 防泄措施 b 轴向间隙补偿装置浮动侧板浮动轴套 a 减小轴向间隙小流量 间隙0 025 0 04mm大流量 间隙0 04 0 06mm 3 径向力不平衡 1 原因 径向液压力分布不均啮合力2 危害 轴承磨损 刮壳 3 措施 缩小压油口 增加径向间隙 压油口缩小后 安装时注意不能反转 三 优缺点和用途 优点 体积小 重量轻 结构紧凑 工作可靠 自吸性能好 对油液污染不敏感 便于制造 维修 缺点 效率低 流量脉动大 噪声高 用途 工程机械 机床低压系统 四 内啮合齿轮泵 1 渐开线齿轮泵 特点 结构紧凑 尺寸小 重量轻流量脉动小 噪声小 2 摆线齿轮泵 转子泵 特点 结构简单 体积小重叠系数大 传动平稳吸油条件好脉动小 噪声小齿形复杂 加工精度要求高 造价高 应用 机床低压系统 五 齿轮泵的常见故障及排除方法 第三节叶片泵 叶片泵的结构较齿轮泵复杂 但其工作压力较高 且流量脉动小 工作平稳 噪声较小 寿命较长 所以它被广泛应用于机械制造中的专用机床 自动线等中低液压系统中 但其结构复杂 吸油特性不太好 对油液的污染也比较敏感 根据各密封工作容积在转子旋转一周吸 排油液次数的不同 叶片泵分为两类 即完成一次吸 排油液的单作用叶片泵和完成两次吸 排油液的双作用叶片泵 单作用叶片泵多为变量泵 工作压力最大为7 0Mpa 双作用叶片泵均为定量泵 一般最大工作压力亦为7 0Mpa 结构经改进的高压叶片泵最大的工作压力可达16 0 21 0Mpa 优点 输出流量均匀 脉动小 噪声低 体积小 缺点 自吸性能差 对油液污染敏感 结构较复杂 分类 单作用 双作用 每转排油一次 每转排油两次 一 单作用叶片泵 1 结构 转子 定子 叶片 配油盘 壳体 端盖等 特点 定子和转子偏心 定子内曲线是圆 配油盘有二个月牙形窗口 叶片靠离心力伸出 2 工作原理 密封工作腔 转子 定子 叶片 配油盘组成 吸油过程 叶片伸出 V p 吸油 排油过程 叶片缩回 V p 排油 旋转一周 完成一次吸油 一次排油 单作用泵径向力不平衡 非平衡式叶片泵 一个吸油区 一个排油区 3 流量计算和流量脉动 1 流量计算 1 流量计算 式中 b 叶片宽度e 偏心距D 定子内径 排量 流量 D R 2 流量脉动 流量脉动 奇数叶片 偶数叶片 结论 z 奇数比偶数时 小 一般取z 13 15片 二 双作用叶片泵 1 结构特点 定子和转子同心 定子内曲线由四段圆弧和四段过渡曲线组成 配油盘上有四个月牙形窗口 2 工作原理 旋转一周 完成二次吸油 二次排油 双作用泵径向力平衡 平衡式叶片泵 两个吸油区 两个排油区 3 流量计算和流量脉动 其中 b 叶片宽度R 定子长轴半径r 定子短轴半径 叶片倾角s 叶片厚度 2 流量脉动 1 流量 一般取z 12 16片 取4的倍数 理论上每一瞬间密封容积的变化一样 制造时长 短径圆弧很难保证同心 4 典型结构及结构特征 5 结构特点 1 叶片倾角 T Nsin sin sin T T作用 减小切向分力 减轻叶片和槽的磨损 避免卡死 一般取 10 14OYB型叶片泵取 13O双作用叶片泵前倾 单作用叶片后倾 叶片倾斜放置的泵不能反转 受力分析 N TP T Nsin 压力角T sin sin T 危害 叶片和槽磨损 卡死 措施 沿旋转方向前倾 角 前倾 角后 N T P 压力角 2 配油盘上的三角槽 原因 p V 油液倒流 影响 流量脉动 噪声 措施 开三角槽作用 缓冲 避免压力突变 减小流量脉动和噪声 限压式变量叶片泵 1 结构特点 弹簧 反馈柱塞 限位螺钉 2 工作原理 靠反馈力和弹簧力平衡 控制偏心距的大小 来改变流量 转子中心固定 定子可以水平移动外反馈 限压 3 流量 压力特性曲线 调节限位螺钉 qmax变 改变弹簧刚度 pmax变 BC斜率变 4 优缺点及应用 优点 功率利用合理 简化液压系统缺点 结构复杂 泄漏增加 m v 应用 要求执行元件有快速 慢速和保压的场合 四 叶片泵的常见故障及排除方法 第四节柱塞泵 柱塞泵是靠柱塞在缸体中作往复运动造成密封容积的变化来实现吸油与压油的液压泵 与齿轮泵和叶片泵相比 这种泵有许多优点 首先 构成密封容积的零件为圆柱形的柱塞和缸孔 加工方便 可得到较高的配合精度 密封性能好 在高压工作仍有较高的容积效率 第二 只需改变柱塞的工作行程就能改变流量 易于实现变量 第三 柱塞泵中的主要零件均受压应力作用 材料强度性能可得到充分利用 由于柱塞泵压力高 结构紧凑 效率高 流量调节方便 故在需要高压 大流量 大功率的系统中和流量需要调节的场合 如龙门刨床 拉床 液压机 工程机械 矿山冶金机械 船舶上得到广泛的应用 柱塞泵按柱塞的排列和运动方向不同 可分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵两大类 轴向式 径向式 一 工作原理1 工作原理 密封工作腔 缸体孔 柱塞底部 由于斜盘倾斜放置 使得柱塞随缸体转动时沿轴线作往复运动 底部密封容积变化 实现吸油 排油 吸油过程 柱塞伸出 V p 吸油 排油过程 柱塞缩回 v p 排油 一 轴向柱塞泵 缸体转动 斜盘 配油盘不动 缸体 柱塞 配油盘 斜盘 柱塞伸出 低压油机械装置 2 典型结构 3 流量计算 排量 一个密封空间 流量 式中 d 柱塞直径D 柱塞分布圆直径 斜盘倾角z 柱塞数 q tg q q 改变 的大小 变量泵 改变 的方向 双向泵 流量脉动率 z为奇数 z为偶数 结论 柱塞数为奇数时流量脉动小 柱塞数越多 脉动越小 一般取z 7 9 11 4 特点及应用 特点 容积效率高 压力高 v 0 98 p 32Mpa 柱塞和缸体均为圆柱表面 易加工 精度高 内泄小 结构紧凑 径向尺寸小 转动惯量小 易于实现变量 构造复杂 成本高 对油液污染敏感 应用 用于高压 高转速的场合 二 典型结构 SCY14 1型轴向柱塞泵 p 32MPa 结构特点 滑靴 降低接触应力 减小磨损 柱塞的伸出 由弹簧压紧压盘 有自吸能力 变量机构 手动变量机构 三 轴向柱塞泵的常见故障及排除方法 四 径向柱塞泵 1 结构特点 定子不动缸体 转子 转动偏心距e配油轴 不动 衬套 与缸体紧配合 2 工作原理 调节e的大小 变量泵改变e的方向 双向泵 密封工作腔柱塞伸出 离心力 3 流量计算 第五节液压泵的噪声 噪声对人们的健康十分有害 随着工业生产的发展 工业噪声对人们的影响越来越严重 已引起人们的关注 目前液压技术向着高压 大流量和高功率的方向发展 产生的噪声也随之增加 而在液压系统中的噪声 液压泵的噪声占有很大的比重 因此 研究减小液压系统的噪声 特别是液压泵的噪声 已引起液压界广大工程技术人员 专家学者的重视 液压泵的噪声大小和液压泵的种类 结构 大小 转速以及工作压力等很多因素有关 一 产生噪声的原因 1 泵的流量脉动和压力脉动 造成泵构件的振动 这种振动有时还可产生谐振 谐振频率可以是流量脉动频率的2倍 3倍或更大 泵的基本频率及其谐振频率若和机械的或液压的自然频率相一致 则噪声便大大增加 研究结果表明 转速增加对噪声的影响一般比压力增加还要大 2 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 3 空穴现象 当泵吸油腔中的压力小于油液所在温度下的空气分离压时 溶解在油液中的空气要析出而变成气泡 这种带有气泡的油液进入高压腔时 气泡被击破 形成局部的高频压力冲击 从而引起噪声 4 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 5 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 二 降低噪声的措施 1 消除液压泵内部油液压力的急剧变化 2 为吸收液压泵流量及压力脉动 可在液压泵的出口装置消音器 3 装在油箱上的泵应使用橡胶垫减振 4 压油管的一段用橡胶软管 对泵和管路的连接进行隔振 5 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 第六节液压泵的选用 液压泵是液压系统提供一定流量和压力的油液动力元件 它是每个液压系统不可缺少的核心元件 合理的选择液压泵对于降低液压系统的能耗 提高系统的效率 降低噪声 改善工作性能和保证系统的可靠工作都十分重要 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4 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 港口机械以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 第四章液压执行元件 第一节概述 1 定义 液压执行元件 将液体的液压能转换为机械能的转换装置 2 分类 液压执行元件可分为液压马达和液压缸两大类 液压马达 可以实现连续的回转运动 液压缸直线运动的液压缸 可以实现直线往复运动 输出推力 或拉力 和直线运动速度 摆动液压缸 实现往复摆动 输出角速度 第二节液压马达 一 液压马达的分类及特点1 高速液压马达 额定转速高于500r min的属于高速液压马达 高速液压马达的基本形式有齿轮式 螺杆式 叶片式和轴向柱塞式等 它们的主要特点是 转速较高 转动惯量小 便于起动和制动 调节 调速和换向 灵敏度高 通常高速液压马达的输出扭矩不大 仅几十Nm到几百Nm 所以又称为高速小扭矩液压马达 2 低速液压马达 额定转速低于500r min的则属于低速液压马达 低速液压马达的基本形式是径向柱塞式 例如多作用内曲线式 单作用曲轴连杆式和静压平衡式等 低速液压马达的主要特点是 排量大 体积大 转速低 有的可低到每分钟几转甚至不到一转 通常低速液压马达的输出扭矩较大 可达几千到几万 所以又称为低速大扭矩液压马达 二 液压马达和油泵的相同点 1 从原理上讲 马达和泵是可逆的 泵 用电机带动 输出的是压力能 压力和流量 马达 输入压力油 输出的是机械能 转矩和转速 2 从结构上看 马达和泵是相似的 3 马达和泵的工作原理均是利用密封工作容积的变化吸油和排油的 泵 工作容积增大时吸油 减小时排出高压油 马达 工作容积增大时进入高压油 减小时排出低压油 三 液压马达和油泵的不同点 1 泵是能源装置 马达是执行元件 2 泵的吸油腔一般为真空 为改善吸油性和抗气蚀耐力 通常进口尺寸大于出口 马达排油腔的压力稍高于大气压力 没有特殊要求 可以进出油口尺寸相同 3 泵的结构需保证自吸能力 而马达无此要求 4 马达需要正反转 内部结构需对称 泵一般是单向旋转 5 马达的轴承结构 润滑形式需保证在很宽的速度范围内使用 而泵的转速虽相对比较高 但变化小 故无此苛刻要求 6 马达起动时需克服较大的静摩擦力 因此要求起动扭矩大 扭矩脉动小 内部摩擦小 如齿轮马达的齿数不能象齿轮泵那样少 7 泵 希望容积效率高 马达 希望机械效率高 8 叶片泵的叶片倾斜安装 叶片马达的叶片则径向安装 考虑正反转 9 叶片马达的叶片依靠根部的扭转弹簧 使其压紧在定子表面上 而叶片泵的叶片则依靠根部的压力油和离心力压紧在定子表面上 10 液压马达的容积效率比泵低 通常泵的转速高 而马达输出较低的转速 11 液压泵是连续运转的 油温变化相对较小 经常空转或停转 受频繁的温度冲击12 泵与原动机装在一起 主轴不受额外的径向负载 而马达直接装在轮子上或与皮带 链轮 齿轮相连接时 主轴将受较高的径向负载 四 主要性能参数 压力 工作压力p额定压力pn排量和流量 排量V 液压马达轴转一周 由其密封容腔几何尺寸变化计算而得的排出液体的体积 单位 m3 r 或 mL r 理论流量qt 单位时间内理论上可排出的液体体积 等于排量和转速的乘积V 液压马达的排量 m3 r n 主轴转速 r s qt 液压马达理论排量 m3 s 实际流量q额定流量qn 五 液压马达的使用性能 1 起动性能马达的起动性能主要用起动扭矩和起动效率来描述 如果起动效率低 起动扭矩就小 马达的起动性能就差 起动扭矩和起动机械效率的大小 除了与摩擦力矩有关外 还受扭矩脉动性的影响 2 制动性能液压马达的容积效率直接影响马达的制动性能 若容积效率低 泄漏大 马达的制动性能就差 因泄漏不可避免 常设其他制动装置 3 最低稳定转速最低稳定转速是指液压马达在额定负载下 不出现爬行现象的最低转速 爬行 油液中渗入空气的积聚使马达运转不平稳的现象 要求马达 起动扭矩要大 稳定速度要低 马达也有定量变量之分 它与泵的区别是 在向马达定量供油的情况下 其输出的转速能够调节的马达 称为变量油马达 反之称为定量油马达 马达工作时存在泄漏 如果输入的压力小于额定压力且不为零的情况下 则额定流量 进口流量 理论流量 原因 马达在额定压力下工作泄漏损失最大 所以额定压力下所需的输入流量为最大 工作时输入压力的大小 即工作压力 取决于负载 即马达的输出转矩 第三节液压缸 作用 压力能 机械能用于实现直线往复运动 活塞缸 单杆 双杆 柱塞缸 伸缩缸 一 液压缸的类型和特点 分类 单作用 双作用 按作用方式 按结构 一 活塞式液压缸 1 单杆活塞缸 1 结构 缸体 活塞 活塞杆 密封 缸盖等 2 工作原理 工作原理 因两侧有效作用面积或油液压力不等 活塞在液压力的作用下 作直线往复运动 职能符号 单杆单作用活塞缸 单杆双作用活塞缸 双向液压驱动 单向液压驱动 回程靠外力 1 结构特点 两侧有效工作面积一样 2 双杆活塞缸 2 基本参数 3 应用 职能符号 l 活塞有效工作行程 4 安装方式 缸固定L 3l杆固定L 2l 两个方向力和速度一样的场合 缸固定 L 3l 杆固定 杆固定时 缸移动 软管空心杆 L 2l 3 活塞式液压缸典型结构 1 缸底2 卡键3 5 9 11 密封圈4 活塞6 缸筒7 活塞杆8 导向套10 缸盖12 防尘圈13 耳轴 密封 缓冲 排气 二 柱塞缸 一 单柱塞缸 单向液压驱动 回程靠外力 二 双柱塞缸 双向液压驱动 三 参数计算 推力 速度 应用 行程较长的场合 职能符号 柱塞粗 受力好 简化加工工艺 缸体内孔和柱塞没有配合 不需精加工 柱塞外圆面比内孔加工容易 三 其它形式液压缸 1 一级缸筒2 一级活塞3 二级缸筒4 二级活塞 伸缩液压缸 增压缸 齿轮齿条缸 四 摆动马达 摆动缸 1 结构 叶片 缸体 输出轴 双叶片式 单叶片式 2 参数计算及用途 单叶片摆角 300o 双叶片摆角 150o转矩是单叶片的两倍 角速度是单叶片的一半 用途 实现摆动往复运动 职能符号 摆动马达 四 液压缸的安装 调整与维护 1 安装方法 1 液压缸只能一端固定 另一端自由 使热胀冷缩不受限制 2 底脚形和法兰形液压缸的安装螺栓不能直接承受推力载荷 3 耳环形液压缸活塞杆顶端连接头的轴线方向必须与耳轴的轴线方向一致 2 液压缸的调整 1 排气装置的调整 2 缓冲装置的调整 3 注意事项 3 液压缸的维护 1 在拆卸液压缸前 先松开溢流阀 将系统压力降为零 再切断电源 2 放掉液压缸两腔油液 一般应先松开端盖的连接螺栓 然后按顺序拆卸 3 拆卸时 不能损伤进 出油口螺纹 活塞杆表面和头部螺纹 4 拆卸后 应检查各配合表面及密封 5 组装液压缸前 将各部分用汽油或煤油洗净晾干 6 组装液压缸时特别注意密封元件的安装 7 耐压试验后应再次紧固有关螺栓 五 液压缸常见故障和排除方法 直线运动 摆动运动 活塞缸 单杆 双杆 双作用 差动 柱塞缸 单作用 伸缩缸 摆动缸 摆动马达 齿轮缸 第五章液压控制阀 第一节概述一 作用控制液流的方向 压力和流量 二 分类1 按用途 压力控制阀 流量控制阀 方向控制阀 2 按控制方式分类 A 开关 或定值控制 阀 借助于手轮 手柄 凸轮 电磁铁 弹簧等来开关液流通路 定值控制液流的压力和流量的阀类 统称普通液压阀 B 伺服控制阀 其输入信号 电气 机械 气动等 多为偏差信号 输入信号与反馈信号的差值 可以连续成比例的控制液压系统中压力流量的阀类 多用于要求高精度 快速响应的闭环液压控制系统 C 比例控制阀 这种阀的输出量与输入信号成比例 它们是一种可按给定的输入信号变化的规律 成比例的控制系统中液流的参数的阀类 多用于开环液压程序控制系统 D 数字控制阀 用数字信息直接控制的阀类 3 按结构形式分类滑阀 或转阀 锥阀 球阀 喷嘴挡板阀 射流管阀 4 按连接方式分类A 螺纹联接阀 B 法兰连接阀 C 板式连接阀 将板式阀用螺钉固定在连接板 或油路板 集成块 上 D 叠加式连接阀 E 插装式连接阀 第二节方向控制阀 一 作用控制液流方向 从而改变执行元件的运动方向 二 分类单向阀换向阀 一 单向阀 一 普通单向阀结构 阀体 阀芯 弹簧等 作用 只许油液单向流动 反向不通 要求 正向流动阻力小 反向不通 密封好 开启压力 0 03 0 05MPa背压阀 单向阀的变形 弹簧较硬开启压力 0 2 0 6MPa背压 执行元件回油腔的压力 职能符号 应用 锁紧油缸 避免向油泵倒灌 平衡重物 二 液控单向阀 组成 普通单向阀 小活塞缸特点 a 无控制油时 与普通单向阀一样 b 通控制油时 正反向都可以流动 职能符号 应用 锁紧油缸 避免倒灌 控制重物下放速度 液压锁 二 换向阀 作用 改变油流方向 组成 主体 阀体 阀芯 操纵定位装置 分类 滑阀 转阀 一 主体部分 1 两位两通 职能符号 作用 控制油路的通与断 2 两位三通 职能符号 作用 控制液流方向 3 两位四通 职能符号 作用 控制执行元件换向 P 压力油口O 回油口A B 分别接执行元件的两腔 4 三位四通 职能符号 作用 换向 停止 5 两位五通 职能符号 作用 换向 两种回油方式 6 三位五通 职能符号 作用 换向 停止 回油不同 两种回油方式 工进 有背压运动平稳退回 快速畅通 二 操纵定位装置 作用 移动阀芯并使其保持在工作位置上 a 手柄控制 弹簧复位 1 手动 b 手柄控制 钢球定位 应用 小流量 需徒手操作的场合 三位四通手动换向阀 结构图 2 机动 两位两通机动换向阀 挡块操纵 弹簧复位 应用 行程控制的场合 又叫行程阀 两位两通 常开 常闭 靠弹簧的方格表示常态 用行程阀速度换接 3 电磁 两位三通电磁换向阀 电磁铁操纵 弹簧对中 优点 易于实现自动化 应用 小流量的场合 q 63L min 电磁铁吸力有限 120N 三位四通电磁换向阀 电磁铁操纵 弹簧复位 根据所用电源的不同分为 交流型 直流型 本整型交流型 110V 220V 380V 切换频率 30次 分 寿命几百万次到1千万次 直流型 12V 24V 110V 切换频率为120次 分 甚至可达300次 分 寿命2千万次 本整型 电磁铁本身带有半波整流器 根据电磁铁的铁芯和线圈是否浸油分为 干式 湿式和油浸式 实物 4 液动 液体操纵 弹簧复位 三位四通液动换向阀 应用 高压 大流量的场合 q 160L min 5 电液动 电液联合控制 弹簧复位 电磁控制先导阀动作 液体控制主阀芯动作 节流阀控制阀芯移动速度 简化符号 应用 高压 大流量的场合 q 1200L min 三位四通电液换向阀 实物 三 中位机能 O型 三位滑阀在中间位置工作时 油路的连通方式 双向锁紧 系统保压 M型 双向锁紧 油泵卸荷 H型 油缸浮动 泵卸荷 P型 差动连接 Y型 油缸浮动 系统保压 K型 单向锁紧 油泵卸荷 四 主要性能参数 1 工作可靠性 电磁阀 电液阀 液动阀 可靠的换向 复位 与压力 流量有关 2 压力损失通过的流量影响压力损失 3 内泄漏量影响系统效率 使油液升温 4 换向 复位时间按系统要求合理选用 5 换向频率单位时间内的换向次数 电磁阀 60次 min 五 作用在滑阀上液压卡紧力 由于阀芯和阀孔的几何形状及相对位置均有误差 使液体在流经阀芯与阀孔间隙时产生了径向不平衡力 这个不平衡力的存在 从而引起阀芯移动时的轴向摩擦阻力 称之为卡紧力 如果阀芯的驱动力不足以克服这个阻力 发生卡紧现象 消除 顺锥 锥部大端在低压腔阀芯台肩上开均压槽在阀芯的轴向加适当频率和振幅的颤振精密过滤油液 换向阀小结 职能符号 位 阀芯的工作位置 通 阀体上油路的通道数 机能 中位时油路的连通方式 控制方式 电磁 手动 液动 电液动 机动 第三节压力控制阀 分类按用途 溢流阀减压阀顺序阀平衡阀卸荷阀按阀芯结构 滑阀球阀锥阀按工作原理 直动式先导式 工作原理 利用液压力与阀内弹簧力相平衡原理工作的 一 溢流阀 作用 防止系统过载 保持系统压力恒定 一 工作原理1 直动式溢流阀结构 职能符号 工作原理 pps 溢流 ps 弹簧力 DBD型直动式溢流阀 实物 2 先导式溢流阀 结构 先导阀主阀 阻尼孔 压差 p 远程控制口K 实现远程调压 K口打开 p由控制油压决定 K口堵上 p由先导阀ps决定 职能符号 新符号 旧符号 特点 反应慢 稳定性好 波动小 实物 二 静态特性 开启压力 调定压力 全流压力 调压偏差 设 Xc 弹簧调整时的预压缩量XRmax 溢流阀的阀口开度 三 应用 1 作安全阀 常闭 作用 防止系统过载 2 作溢流阀 常开 作用 保持系统压力恒定 3 卸荷或远程调压 卸荷 远程调压 4 作背压阀 放在系统回油路上 二 减压阀 特点 出口压力控制阀芯动作 有单独泄油口工作原理 节流口产生压降 pp2 p1 p p1一定 p p2 p1ps 减压 稳压 作用 减低系统压力 并有稳压作用 稳压原理 p2 阀芯上移 阀口减小 p p2 p1 p p1一定 p p2 p2 阀芯下移 阀口开大 p p p2 ps 职能符号 应用 使夹紧缸获得稳定的低压 三 顺序阀 作用 控制多个执行元件动作顺序 1 内控顺序阀 职能符号 结构 出油口接二次油路 有单独泄油口 工作原理 pps 接通 特点 内部控制 外部泄油 应用 控制液压缸动作顺序 2 外控顺序阀 结构 控制油口 工作原理 pKps 进出口接通 特点 外部控制 外部泄油 职能符号 四 平衡阀 与顺序阀区别 没有单独的泄油口 弹簧较硬 职能符号 1 内控平衡阀特点 内部控制 内部泄油 作用 放在执行元件的回油路上 平衡重物 应用 平衡重物 限制重物下落速度 2 外控平衡阀 职能符号 特点 外部控制 内部泄油 应用 平衡重物 单向顺序阀 五 卸荷阀 职能符号 工作原理 pKps 阀口打开 使泵卸荷 作用 使油泵卸荷 减小功率消耗 区别 出口接油箱 K口接卸荷油压 特点 外部控制 内部泄油 应用 使左泵卸荷 六 压力继电器 作用 利用系统中压力变化 控制电路的通断 工作原理 p ps 微动开关闭合 发出电信号 p ps 微动开关断开 电信号撤销 职能符号 应用 1 控制电磁阀动作 2 控制系统压力 出故障时 自动停车 应用 控制电磁阀 实现油缸顺序动作 压力阀小结 作用 控制液压系统中的压力 共性 利用液压力和弹簧力比较 控制阀口的开与关 或控制开口大小 溢流阀 控制进口压力减压阀 控制出口压力顺序阀 控制阀口通与不通 进而控制执行元件的动作顺序 平衡阀 装在执行元件的回油路上 平衡重物 卸荷阀 使油泵卸荷 要求 掌握各种阀的工作原理及应用场合 概述 流量控制阀是通过改变节流口通流面积或通流通道的长短来改变局部阻力的大小 从而实现对流量的控制 第四节流量控制阀 作用 控制流量 调节执行元件的运动速度 分类 节流阀调速阀 一 普通节流阀结构 轴向三角槽工作原理 职能符号 静态特性 1 流量特性 薄壁孔 细长孔 C 流量系数AT 节流口通流截面积 p 节流口前后压差 压差指数 q AT p c AT q 影响流量稳定的因素 1 压差对流量稳定性的影响 AT一定时 q变 即当F变时 p变 q变 pA一定 当F变时 pB变 同样 p下 对薄壁孔的流量影响小 2 温度对流量稳定性的影响 3 节流口的阻塞阻塞现象 当 p一定 AT较小时 流量时大时小甚至断流 措施 加大水利半径 选择稳定性好的油液 精心过滤 薄壁孔不易附着 阻塞 结论 薄壁式节流口流量特性好 T变 变 q变 薄壁孔不受温度变化影响 2 最小稳定流量和流量调节范围 最小稳定流量qmin 0 05L min 应用 运动平稳性要求不高的调速系统 流量调节范围 流量特性曲线 二 调速阀 1 组成 节流阀 差压式减压阀 串连 2 工作原理p1一定 p2 阀芯下移 xR pR pm pT pm p2 C p2 阀芯上移 xR pR pm pT pm p2 C 节流阀 F变 p变 q变 调速阀 F变 pT不变 q不受负载变化的影响 特性曲线 应用 负载变化 运动平稳性要求高的调速系统 p 阀的进出口压差节流阀 p pT p1 p2调速阀 p pT pR 当F变化时 调速阀进出口压差 p变 不变的是 pT 要求 调速阀正常工作时 需要 p 0 4 0 5MPa p 0 4MPa时减压阀不起作用 和普通节流阀一样 职能符号 简化符号 三 溢流节流阀 1 组成 节流阀 差压式溢流阀 并联 2 工作原理p1一定 p2 阀芯下移 xR pR pm pT pm p2 C p2 阀芯上移 xR pR pm pT pm p2 C 节流阀 F变 p变 q变 溢流阀 F变 pT不变 q不受负载变化的影响 特点 液压泵供油时系统压力随负载而变化 系统功耗小 发热少 但弹簧刚度较调速阀大 使节流阀的前后的压差较大 适用于 功率较大且对运动平稳性要求液压系统中 调速阀与溢流节流阀的比较 第五节分流集流阀 一 概述分流集流阀是分流阀 集流阀和分流集流阀的总称 分流阀的作用 是使液压系统中由同一个能源向两个执行元件供应相同的流量 等量分流 以实现两个执行元件的速度保持同步或定比关系 集流阀的作用 则是从两个执行元件收集等流量或按比例的回油量 以实现其间的速度同步或定比关系 分流集流阀则兼有分流阀和集流阀的功能 它们的图形符号如图所示 1 分流阀的工作原理 分流集流阀的工作原理 分流精度 一般分流 集流 阀的分流误差为1 3 产生分流误差的主要原因是 两个可变节流孔处的液