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液压传动 液压技术 第一章 绪论 1 1液压技术发展概况液压机械液压传动是根据17世纪帕斯卡指出的流体静压力传递原理而发展起来的一门新兴技术 通常将以液体作为工作介质 以液体的压力能来进行能量与信息传递的传动称为液压传动 采用液压传动的机械简称液压机械 我国液压技术发展概况我国从20世纪对年代末期开始发展液压工业 特别是80年代到90年代 我国液压行业的产品水平 科研开发能力和工艺装备水平都有大幅度提高 液压技术在各工业部门得到广泛的应用 但是与国外先进水平相比差距很大 主要表现在 产品水平低 品种规格少 自我开发能力薄弱成套性差 特别是对重大技术装备 重点工程的配套率严重不足 产品质量不稳定 可靠性差 寿命短 一些新的应用领域如航天航空 海洋工程 生物医学工程 机器人 微型机械及高温 明火环境下所急需的一些特殊元件 几乎处于空白 液压工业已成为影响我国机械工业和扩大机电产品国际交往的瓶颈产业 迅速改变这种落后面貌 是我国液压技术界和工业界所面临的迫切任务 1 2液压传动的工作原理 以千斤顶工作为例 F1 A1 F2 A2 pF2 pA2 F1A2 A1A1 A2 柱塞7 4的有效工作面积F1 F2 柱塞7 4上的作用力结论 液压系统中的压力大小是由外负载决定的 柱塞7下行所扫过的容积应该等于柱塞再上行所扫过的容积 即A1s1 A2s2s1 s2 液压泵柱塞7和液压缸柱塞4的位移 上式两边同除以运动时间t 得A1v1 A2v2 Q或v2 A1 A2v1 Q A2 2 1 液压泵柱塞7和液压缸柱塞4的平均运动速度 Q 液压泵输出的平均流量 即输入液压缸的流量 结论 只要连续改变泵的流量q 就可以连续地改变柱塞运动速度 从而实现无级调速 单位时间内柱塞7和4所做的功即功率P分别为P1 v1F1 pA1Q A1 QpP2 v2F2 pA2Q A2 Qp结论 液压传动符合能量守衡及转化定律 液压传动的基本特征 以液体为工作介质 靠处于密闭容器内的液体静压力来传递力 静压力的大小取决于负载 负载速度的传递是按液体容积变化相等的原则进行的 其速度大小取决于流量 如果忽略损失 液压传动所传递的力与速度无关 1 3液压系统的基本组成1 液压泵它把机械能转变为液压能 是液压系统的能源装置 2 执行元件它把液压能转变为机械能 包括作直线运动的液压缸和作回转运动的液压马达 3 控制元件包括对系统中液体压力 流量和方向进行控制和调节的压力阀 流量阀及方向阀等 4 辅助元件为保证系统正常工作所需的L述三类元件以外的装置 在系统中起到输送 贮存 加热 冷却及测量等作用 5 工作介质 液压油 利用它进行能量和信号传递液压传动系统中的能量转换和传递情况 1 4液压传动特点优点 1 在同等体积下 液压装置能产生出更大的动力 在同等功率下 液压装置的体积小 重量轻 结构紧凑 即 它具有大的功率密度或力密度 力密度在这里等于工作压力 2 液压装置容易做到对速度的无级调节 而且调速范围大 并且对速度的调节还可以在工作过程中进行 3 液压装置工作平稳 换向冲击小 便于实现频繁换向 4 液压装置易于实现过载保护 能实现自润滑 使用寿命长 5 液压装置易于实现自动化 可以很方便地对液体的流动方向 压力和流量进行调节和控制 并能很容易地和电气 电子控制或气动控制结合起来 实现复杂的运动 操作 6 液压元件易于实现系列化 标准化和通用化 便于设计规造和推广使用 缺点 l 液压传动中的泄漏和液体的可压缩性 使这种传动无法保证严格的传动比 2 液压传动有较多的能量损失 泄漏损失 摩擦损失等 因此 传动效率相对低 3 液压传动对油温的变化比较敏感 不宜在较高或较低的温度下工作 4 液压传动在出现故障时不易找出原因 1 5液压系统图的图形符号1 工作原理系统图2 图形符号系统图 GB 1786 1 93 3 结构图 第二章液压介质 2 1液压介质的功用及类型液压介质的功用l 传递能量和信号 2 润滑液压元件 减少摩擦和磨损 到散热 4 防止锈蚀 5 密封液压元件对偶摩擦副中的间隙 6 传输 分离和沉淀非可溶性污染物 7 为元件和系统失效提供诊断信息 2 液压介质的类型按ISO6743 4 GB7631 2 87 液压介质分为两大类 一类是易燃的烃类液压油 矿油型和合成烃型 另一类是难燃 或抗燃 液压液 难燃液包括含水型如高水基液 HFA 油包水乳化液 HFB 水一乙二醇 HFC 及无水型合成液 HFD 如磷酸酯 两大类 各种液压介质的主要理化性能见表2 l P8本章主要介绍矿油型液压油及水基难燃液 2 2液压介质的主要性能要求如果把液压泵比作液压系统的心脏 其工作介质就是液压系统的血液 它对液压设备的工作寿命 性能和可靠性有极为重要的影响 一 粘度粘度是油液对流动阻力的度量 液压介质应该具有合适的粘度 粘度过大将导致机械效率降低 温升加大 泵的吸入性能变差 起动困难 甚至产生气蚀 控制灵敏度下降 掺混在油液中的空气难以分离出来 粘度太低将使泄漏增加 容积效率降低 控制精度下降 润滑油膜变薄 磨损加剧 因此 粘度是选择液压油液的重要依据 油液粘度是随温度而变化的 要求液压油液的粘度随温度变化越小越好 即油液具有良好的粘温特性 对于油液粘度随温度变化的程度 常用粘度指数VI来表示 它代表被测油液的粘度随温度变化的程度与标准油的粘度随温度变化的程度之间的相对比较值 粘度指数越高 表示油液粘度受温度的影响越小 其粘温特性越好 为了提高油液的粘度并改善其粘温特性 往往添加粘度指数添加剂 它是一种高分子聚合物 常用的有聚异丁烯 聚甲基丙烯酸酯等 还要考虑油液的粘压特性 一般而言 压力升高 由于分子间距离缩小 油液粘度增加 二 抗磨性抗磨性是一种与润滑液粘度无关 而主要靠加入的添加剂在对偶表面形成润滑膜而减少磨损的一种性能 为了使在难以形成液体润滑的情况下避免产生干摩擦 就必须提高工作介质的抗磨性能 即在液压介质中加入油性添加剂及极压抗磨添加剂 通过吸附或化学反应作用 在相对运动表面形成厚度很薄 0 1 m以下 但具有良好润滑性能的边界润滑膜 把两个对偶表面隔开 阻止基体材料直接接触 使摩擦副承载能力大为提高 磨损显著减小 这种润滑状态称为边界润滑 与液体润滑不同 边界润滑膜的形成及其润滑性能与工作介质的粘度无关 而主要与所加的添加剂有关 三 氧化稳定性和热稳定性氧化稳定性指油液抵抗与含氧物质 特别是与空气起化学反应而保持其性质不发生永久变化的能力 这种反应的结果可能形成固体沉淀物 胶状物和酸性物质 使元件产生锈蚀 堵塞和加剧磨损 提高其氧化稳定性要添加抗氧化添加剂 抗氧化剂有游离基抑制剂 过氧化物分解剂和金属钝化剂等三种类型 热稳定性指油液在高温时抵抗化学反应和分解的能力 当温升达到一定程度时 油液会产生一些裂化或聚合作用 裂化使分子质量减小而产生一些挥发性较高的物质 聚合产生一些树脂状物质 焦油甚至焦炭 四 抗乳化性和水解稳定性抗乳化性指阻止油液与水混合形成乳化液的能力 水解稳定性指油液抵抗与水起化学反应的能力 水是油液中一种很有害的污染物 对液压和润滑系统的危害主要是 水和油液中的金属硫化物和氯化物 来自某些添加剂 作用产生酸性物质 对元件产生腐蚀作用 水与油液中某些添加剂作用产生沉淀物和胶质等有害物质 加速油液变质劣化 使油液乳化 破坏润滑油膜 降低润滑性能 在低温工作条件下 油液中的微小水珠结成冰粒 堵塞控制元件的间隙或小孔 引起系统故障 在高温条件下 水容易汽化而产生气蚀和汽阻 为了便于清除液压油中的水分 应在油液中加入适量的破乳化剂 使水在油中不易形成乳化液 而是处于游离状态以便于分离出来 五 消泡性消泡性指抑制油液中泡沫形成以及迅速释放油液中分散气泡的能力 在一定温度和压力条件下 各种油液均可溶解一定量的空气 例如在标准状态下 矿油型液压油中空气溶解量为5 10 油包水乳化液中为5 7 水一乙二醇中为1 2 磷酸酯中约为5 空气在油液中的溶解量与绝对压力成正比 与温度成反比 当压力降低或温度升高时 溶解于油液中的气体会析出而形成气泡 因油液受搅动 油箱液位太低等原因 也将导致空气进入而产生气泡 油液中有气泡存在的危害 显著降低油液的体积弹性模量和刚性 使液压系统动态性能恶化 严重时将导致执行元件产生爬行现象 气泡受急剧压缩时 产生局部高温促使油液热分解 氧化和蒸发 加速油液变质 使润滑油膜断裂 加剧摩擦与磨损 容易引起气蚀而导致振动 噪声和材料侵蚀 为了提高液压设备的工作可靠性 要求液压介质不易或甚少发泡 同时能使溶解和分散在油液中的气泡能尽快地释放出来 这要求合理地进行系统设计 同时要求油液本身有良好的消泡性和空气释放性 主要措施是添加能抑制泡沫形成和促使气泡破裂的消泡剂 常用的有二甲基硅油等 六 防锈蚀性防锈蚀性指油液阻止与其相接触的金属材料生锈 受腐蚀的能力 液压油液中不可避免地存在水和空气 由于水和空气中氧的作用会使金属材料产生锈蚀 另外 油液和其中的添加剂发生氧化或水解反应后 将产生腐蚀性物质而使元件受腐蚀 液压元件的锈蚀会严重影响液压系统的正常工作和寿命 金属粒子 锈蚀颗粒和金属盐都能加速油液氧化 并且随着油液循环 还会加速元件的磨损 液压油液应该具有良好的防蚀性能 既包括液相也包括气相的防锈蚀性 这主要靠添加防锈蚀添加剂 它与金属表面形成牢固的吸附膜 或与金属表面化合形成钝化膜 防止金属与腐蚀介质接触而起到防锈蚀作用 七 剪切稳定性剪切稳定性指油液抵抗剪切作用 保持其粘度和与粘度有关的性质不变的能力 液压介质中所加的增粘剂是一些高分子长链有机聚合物 以线团状存在于油液中 无变形且呈散乱分布时 其增粘效果好 当油液经过泵 阀等元件 尤其是通过各种小孔 缝隙时 要经受强烈的剪切作用 在剪切力的作用下 聚合物在流动方向产生拉伸变形 且分子排列方向趋向与流动方向一致 增粘效果降低 但当剪切应力消除或减小时 高分子增粘剂力变形和取向随之消失 粘度恢复 这种单纯由剪切变形引起的粘度降低是暂时的和可逆力 另外 由于剪切还可能引起粘度的永久消失 因为在极高的剪速下 如气蚀 可能导致增粘剂中一部分原子间结合较弱的C键被剪断 高分子聚合物断裂变为较小的分子 增粘效果降低 引起粘度的永久性减小而不可能恢复 八 材料相容性材料的相容性液压介质和所有与它相接触的材料之间不发生相互损坏和显著影响性能的特性 称为与材料的相容性 对于相容性 除了要考虑油液对金属材料是否产生锈蚀作用外 还要考虑对密封材料 涂料等是否有不良影响 对密封材料的影响主要表现为使其产生溶胀 软化或硬化 导致密封性能下降 泄漏增加 要求所有密封件在使用过程中应具有较小的 恒定的膨胀值 膨胀后应对其机械性能和尺寸稳定性无不良影响 不同类型油液与密封材料的相容性见P13表 九 过滤性能过滤性能指油液通过一定孔径的过滤器的难易程度 通常利用一定量的油液 在规定的真空度下通过一定孔径的过滤网所需要的时间来表示 所需时间越短 则过滤性能越好 为了加强污染控制 要求液压介质具有良好的过滤性能 十 真他性能要求对液压介质除上述性能要求外 其他还要求具有抗燃性 低温性能 抗辐射 放射性 稳定性 无毒无味 对人体无害 废液易处理等性能 2 3矿油型液压油的分类及特点矿油型液压油是以石油的精炼物为基础 加入各种添加剂调制而成 在ISO分类中的HH HL HM HR HV HG型液压油均属矿油型液压油 这类油的品种多 性能比较全面 成本较低 需要量大 使用范围广 目前约占液压介质总量的85 左右 本节介绍各种液压油的特性及使用范围 一 HH液压油HH油是一种不含任何添加剂的精制矿物油 这种油虽列入分类之中 但在液压系统中不宜使用 同其稳定性差 易起泡 使用周期短 二 HL液压油HL油是由精制深度较高的中性基础油 加入抗氧化 防锈添加剂调制而成 属防锈 抗氧型 该油在抗氧化 防锈 消泡和抗乳化等性能方面均优于HH油 可用于低压液压系统和机床主轴箱 齿轮箱或类似机械设备中 具有减少磨损 降低温升 防止锈蚀的作用 且其使用寿命较HH油长一倍以上 HL油在我国已被定为机械油的升级换代产品 三 HM液压油HM油是从HL防锈 抗氧化油基础上发展而来的 随着液压系统向高压 高速方向发展 HL油难以满足油泵对工作介质抗磨性能的要求 所以发展了HM型抗磨液压油 HM油的配制比较复杂 除添加防锈 抗氧剂以外 还要加油性和极压抗磨剂 金属钝化剂 破乳化剂和消泡剂等 四 HR液压油HR油是在HL油基础上添加粘度指数添加剂 使油品粘度随温度的变化减小 适用于环境温度变化较大的低压液压系统及轻负荷机械的润滑部位 五 HG液压油HG油是在HM油基础上添加抗粘滑剂 油性剂或减摩剂 该油不仅具有良好的防锈 抗氧化 抗磨性能 而且具有良好的抗粘滑性 在低速下防爬行效果好 是一种既具有液压油的一般性能 又具有导轨油性能的多功能润滑油 目前的液压一导轨油属这一类 对于液压及导轨润滑为同一油路系统的精密机床 宜采用HG油 六 HV及HS油HV及HS油在ISO标准中均属宽温度变化范围下使用的低温液压油 都具有低倾点 优良的抗磨性 低温流动性和低温泵送性 且粘度指数均大于130 但是HV油的低温性能稍逊于HS油 HS油的成本高于HV油 HV油主要用于寒冷区 HS油主要用于严寒区 液压及润滑油的粘度分级标准 按照ISO规定 采用40 时油液的运动粘度 mm2 s 的某一中心值作为油液粘度牌号 共分为10 15 22 32 46 68 100 150等8个粘度等级 见表2 3 2 4难燃液压液的分类 高水基液 油包水乳化液 水 乙二醇 无水合成液 及特点 根据ISO6743 4的分类 一 HFA 高水基液 主要有三种类型 l HFAE 高水基乳化液 它由95 的水与5 含精制矿物油 或其他类型油类 及多种添加剂 包括乳化剂 防锈剂 防霉剂 消泡剂等 的浓缩液混合而成 形成以水为连续相 油为分散相的水包油乳化液 呈乳白色 它的润滑性 过滤性 乳化稳定性等均较差 不宜作液压系统工作介质 国内煤矿液压支架中广泛使用 2 HFAS 高水基合成液 不含油 由95 的水和5 含有多种水溶性添加剂 包括抗磨 防锈 防霉 防氧化 气相防蚀剂等 的浓缩液混合而成 透明 过滤性好 抗磨性优于HFAE 适用于低压液压系统 3 HFAM 高水基微乳化液 由95 的水和5 含有高级润滑油与多种添加剂 含油性和极压添加剂 的浓缩液混合而成 它与HFAE的主要区别是其中油以非常微小粒子2 m以下 的形式分散在水中 半透明 兼有HFAN和HFAS的优点 其抗磨性 过滤性 稳定性均较好 适用于中 低压液压系统 高水基介质是20世纪70年代由于中东石油危机而发展起来的一种代替矿物油的新型液压介质 具有不燃 廉价 节油 少污染等优点 但与矿油型液压油相比 它具有粘度低 润滑性能差 汽化压力高等缺点 其PH值在8 9 5之间 对铅 锌 镁 铝 锡等轻金属有侵蚀作用 与聚氨酯 丁基橡胶 软木 皮革 纸及普通耐油涂料等不相容 二 HFB 油包水乳化液 HFB由40 的水和60 的精制矿物油 再加入乳化剂 防锈剂 抗磨剂 抗氧剂 防霉剂等调制而成的以油为连续相 水为分散相的油包水乳化液 乳白色 由于HFB中体积60 的矿物油是连续相 所以它具有矿物油的一些基本优点 其润滑性 防锈蚀性等均较好 优于HFA和HFC 与矿物油相容的金属材料 镁 铅除外 橡胶密封材料 聚氨酯除外 也与HFB相容 已有较好的抗燃性 价格较低 无毒无味等优点 在冶金 轧钢 煤矿下的中低压液压系统中应用较多 HFB的缺点是乳化稳定性差 油水易分离 过滤性差 剪切稳定性差 其粘度随含水量增加而增大 三 HFC 水 乙二醇 HFC含有35 55 的水 其余为能溶于水的乙二醇 丙二醇或其聚合物 以及水溶性的增粘 抗磨 防锈 消泡等添加剂 为透明溶液 它具有良好的抗燃性 低温流动性 凝点低 可在一20 50 的温度范围内使用 以及粘温特性 粘度指数140 170 和稳定性好 使用寿命较长 所以应用较多 在有些国家HFC已成为难燃液压液中的主流 我国武钢 宝钢等的进口液压设备中已大量使用 HFC的主要缺点是 抗磨性能差 HFC的粘度与矿油型液压油相近 但其粘压特性差 随压力增加粘度增加很少 在滚动接触的情况下难以形成弹流润滑 滚动元件的寿命很短 与锌 锡 镁 铝 聚氨酯胶及普通耐油涂料等均不相容 汽化压力高 易产生气蚀 与矿油型液压油混合后易生油泥 粘度随含水量减少而显著增加 废液不易处理 四 HFD 无水合成液 HFD是一种以化学合成液体为基础的无水液压液 HFDH系磷酸酯 HFDS系氯化烃 HFDT系前两者的混合物 HFDU系指其他成分的无水合成液 应用较多的是磷酸酯 磷酸酯液压液是在磷酸酯中加入抗氧剂 抗腐蚀剂 酸性吸收剂 消泡剂等调制而成 有的还混合有氯化烃或合成烃 但它不能与一般矿物油互溶 它的优点是具有良好的润滑性 抗燃性 自燃温度可高达近600 及抗氧化性 挥发性低 对大多数金属不腐蚀 使用温度范围较 6 65 适用于需要防燃的高温高压系统 磷酸酯的缺点是价格贵 为液压油的5 8倍 不能用一般的耐油橡胶和耐油涂料 需用氟橡胶 最佳 丁基胶 乙丙胶 聚四氟乙烯 环氧树脂漆等 混入水分时会发生水解 生成磷酸使金属腐蚀 对环境污染严重 有刺激性气味和轻度毒性 难燃液总结 由于难燃液在润滑性 防锈蚀性 稳定性 产生气穴 气蚀 粘度等方面都存在不同程度的问题 原有的适用于矿物油的液压元件和系统并不能完全适用于难燃液 而必须采取改进措施 将原有元件和系统从材料到结构进行适当改进 使其与所选用的难燃液相容 然后降低参数 包括压力 转速 泵入口真空度等 使用 研制适用于各类难燃液的专用液压元件 2 5液压介质的选择液压系统的故障80 以上是由于液压介质及其污染所造成的 因此 工确选择和使用液压系统工作介质 对提高液压设备的工作可靠性 延长元件和系统的工作寿命 保证设备安全运行都有重要意义 一 正确选择需要考虑的主要因素1 液压系统的环境条件 l 环境温度变化情况要了解环境温度的上限和下限 环境温度低要选用低粘度液压液 温度高要选用高粘度液压液 如果环境温度变化范围很大 则应选高粘度指数液压液 若环境温度很低 则需选用低温液压液 2 液压设备附近有无明火或高温热源如果液压液的泄漏半径 12 18m或更远一些 内有明火或高温热源存在 而且泄漏或喷出的液压液是可燃的 则有着火的危险 此种情况不能用矿物油而应采用难燃液 煤矿井下作业面有瓦斯 煤尘等易燃易爆物存在 为安全起见 亦应选用难燃液 3 环境潮湿程度如果环境潮湿 液压油中很容易混入水分 所以对其防锈性 抗乳化性 水解稳定性等要求应更高一些 4 环境保护的要求对用于食品 粮食 医药 包装等机械的液压系统 泄漏的液压液不能对产品造成污染 对这类系统不宜采用矿物油 应尽量采用无污染的水或少污染的HFA 高水基液 2 液压系统的工作条件应考虑泵的类型 工作压力 温度 液压元件使用的金属 密封件及涂料 负载循环情况等 以便选择合适的品种 3 液压介质的特性液压介质的理化性能和使用性能要适合系统的环境条件和工作条件的要求 例如 高压高速系统要特别重视液压介质的极压抗磨性能 温度变化范围大的系统要重视介质的粘温特性 在低温下工作的系统要特别重视介质的低温流动性等 4 经济性的综合分析即要综合考虑液压液的价格 使用寿命 维护以及安全运行周期等多方面情况 着眼于综合经济效益好 二 液压介质品种的选择1 根据液压系统的工作环境及工况条件进行选择参考表2 42 根据泵的类型和阀型选择一般而言 齿轮泵对液压介质抗磨性能的要求比叶片泵 柱塞泵低 所以若用齿轮泵可考虑选用HL油 低压抗磨液压油 或HM油 抗磨液压油 而叶片泵 柱塞泵一般应选HM油 见P19表3 根据液压介质与材料的相容性进行选择选择液压介质时 要注意分析液压系统中所有金属 密封材料 涂料等与介质的相容性 如有不相容的材料 应更换介质或改变不相容的材质 2 5液压介质的合理使用和维护一 合理使用的要点 l 要验明油液的品种和牌号使用前 应经验收证明其品种 牌号 性能等都符合液压设备技术文件所规定的要求后方可使用 2 灌液前液压系统应彻底清洗新系统首次使用以及刚维修过的系统投入使用前 均需彻底清洗干净 即便是更换油液时 也要用新换的油液清洗l 2遍 直到清洗后油液的污染度达到规定的要求为止 3 新油使用前必须过滤新油并不清洁 因为在炼制 分装 运输和储存过程中 可能导致固体污染物和水分侵入 国内调查表明 目前很大一部分新油的污染度约为NAS10 14级 调查表明 大部分新油的污染度超过液压元件的允许水平 新油的污染度应比液压系统允许的污染度低l 2级 对于一般液压系统 新油污染度应控制在NAS7级左右 对于有伺服阀的系统 应不高于NAS5级 4 油液不能随意混用如已选定某一牌号的油液 则必须单独使用 没有足够科学依据时 不得随意与不同粘度等级的油液或是同一粘度等级但不是同一厂家的油液混用 更不得与其他类别的油液混用 5 严格进行污染控制 防止水分 空气 固体杂质等混入液压系统 二 矿油型液压油的监测和更换油液在使用过程中由于受机械 物理和化学的作用 添加剂将逐渐被消耗 油液老化变质 其性能逐渐劣化 表现为 油液状态的变化 如气味 颜色和外观等 闪点降低 可能混入其他油品 机械杂质增加 粘度变化 酸值增加 抗乳化性变坏 消泡性变差 因此 在运行过程中 对油液的一些主要性能参数要进行定期的 经常性的监测 当其劣化到一定程度 则必须换油 目前 确定换油期的方法一般有三种 l 规定固定的换油期根据不同设备 不同工况 不同类型油液及注油量多少 规定固定的换油期 例如半年 一年或运转1000 2000h 这种方法虽广泛应用 但不够科学 有时油液可能已变质或严重污染 换油期未到仍继续使用 也可能油液未变质 因换油期已到而当废油换掉了 2 根据经验和对油样的观察来决定是否换油操作人员定期 例如每月一次 从正在运行的液压系统中抽取油样 通过与新油的对比或通过滤纸的过滤分析来确定是否换油 这种方法也很不精确 由于操作人员经验不同 对于同一油样可能得出不同的判断 3 规定换油指标 根据油样检验结果来决定是否换油定期取样检验 一旦检验结果中有一项或几项达到换油指标 第七章讲 就必须换油 应尽量采用这种方法 由于液压设备类型 工作条件及使用油液的品质不同 各国各公司关于矿油型液压油的换油指标不尽相同 但定期检验的项目大同小异 主要是粘度 酸值 水分及污染度等 下表为我国汽车起重机行业制定的换油指标 第三章液压控制阀 3 1液压控制阀的分类一 根据在液压系统中的功用分类 l 压力控制阀溢流阀 减压阀 顺序阀 卸荷阀 背压阀 平衡阀和液动开关 2 流量控制阀节流阀 调速阀 分流阀 3 方向控制阀单向阀 换向阀以上所列为单一功能的通用阀 此外还有一些专用阀 如工程机械上用的稳流阀 和具有两个以上功能的复合阀 如单向减压阀 等 二 根据控制方式不同分类1 开关定值控制阀 又称为普通液压阀 此类借助于手动 机动 电磁铁和控制压力油等控制方式启闭液流通路 定值控制液流参量 2 伺服控制阀 又称为随动阀 根据输入信号 电气 机械 气动等 及反馈量成比例地连续控制液压系统输出的液流参量 伺服控制阀具有很高的动态响应和静态性能 但价略昂贵 抗污染能力差 主要用于控制精度要求很高的场合 3 电液比例阀性能介于以上二类阀之间 它既可根据输入的电信号连续地按比例地控制放大参量 满足一般工业生产对控制性能的要求 又因结构较伺服控制阀简单 价格较低且易维护 电液比例阀又分为在开关定值控制阀的基础上 直接将控制方式改为比例电磁铁控制的普通电液比例阀和新型的带内反馈的电液比例阀两种 三 根据结构型式不同分类1 滑阀类滑阀类的阀心为圆柱形 通过阀心在阀体孔内的相对滑动改变液流通路开口的大小控制液流参量 2 锥阀类锥阀类的阀心为圆锥形 利用阀心相对阀座孔的位移改变液流通路开口的大小控制液流参量 阀心为球形的球阀 因其性能与锥阀相似 可归于锥阀类 四 根据连接和安装型式不同分类1 管式阀管式阀阀体上的进出油口由螺纹或法兰通过管接头或法兰与管路直接连接 其安装方式简单 但阀只能顺管路分散布置 不宜管理且装拆维修不方便 2 板式阀板式阀通过安装螺钉固定在过渡板 块 上 阀的进出油口经过渡板 块 与管路相连 过渡板可以是一个阀一块 也可以是多个阀共用一块 见下图当采用多个阀共有一块时 又称为集成块 安装在集成块上的阀与阀之间的油路通过块内的流道沟通 可减少连接管路 板式阀的最大优点是装拆时不会影响管路 且阀集中布置易于管理 3 叠加式阀在板式阀的基础上发展的一种型式 阀的上下两面为安装面 并开有进出池口P A B T及泄漏油口L 同一规格 不同功能的阀的油口 安装连接孔的位置及尺寸相同 使用时根据液压回路的需要 将所需的阀叠加并用长螺栓经安装孔串联固定在底板上 回路的油口由底板与管路相连 4 插装式阀根据阀的不同功能由阀心 阀套等构成的组件 插入件 插入专用的阀块孔内 配以盖板 先导阀组成不同要求的液压回路 阀块内的流道将各组件之间的进出油口 控制油口沟通 然后与外部管路相连接 3 2液压控制阀的典型结构 符号和工作原理一 压力控制阀 PRESSURECONTROLVALVE 1 溢流阀 OVERFLOWVALVE 直动型和先导型溢流阀 控制阀的进口压力的压力阀 当用于防止液压系统压力过载 在紧急情况下起保护作用时 又称为安全阀 当用于维持液压系统压力基本恒定并将定量泵液压系统多余的油液溢流回油箱时 又称为定压阀 直动式溢流阀 图7 8为一种采用滑阀结构的直动式溢流阀 设弹簧的张力为Fs 阀进口的油压力为p 阀芯底部端面面积为A 当pA Fs时 阀关闭 当pA Fs时 阀芯被抬起 进油口与回油口相通而溢油 阻止阀前系统中的油压的进一步升高 当溢流阀处于稳定的开启状态时 pA Fs p Fs A 改变弹簧的张力 即可改变溢流阀的整定压力 阻尼孔的作用 防止油压脉动时阀芯动作过快而产生振动 使阀工作平稳 图直动式溢流阀 先导式溢流阀图7 10示出二节同心先导式溢流阀 图先导式溢流阀 溢流阀的稳态特性和动态特性 溢流阀的稳态特性溢流阀的开启压力po恒小于整定压力pT 即溢流阀达到额定流量QH时的油压力 pT与po的差值称为稳态压力变化量 即 pT pT po直动式溢流阀仅适用于低压场合 最大整定压力为2 5MPa 稳态压力变化量 pT可达pT的20 或更高 图7 9为溢流阀的稳态特性曲线 溢流阀的动态特性 p 动态压力超调量 t 动态稳定时间直动型和先导型溢流阀灵敏度和精确度比较 直动型灵敏度高 精确度低 2 减压阀 REDUCTIONVALVE 功用 使流经阀的油液节流降压 以便从系统中分出油压较低的支路 按结构形式和工作原理可分为 1 先导式减压阀 有定值减压阀和单向减压阀 2 直动式减压阀 有定差减压阀和定比减压阀 其中 保证阀的出口压力为定值的阀为定值减压阀 简称减压阀 保证阀的出口压力与进口压力之差为定值的称为定差减压阀 若用于控制另一阀 如节流阀 的进出口压力差为定值 又称为它控式定差减压阀 保证阀的出口压力与进日压力之比为定值的称为定比减压阀 减压阀的泄油口需直通油箱 外泄 与溢流阀 内泄 不同 下图为定值减压阀 3 顺序阀 PRESSURESEQUENCEVALVE 是一种用油压信号控制油路接通或隔断的阀 常用来以油压信号自动控制液压缸或液压马达的动作顺序 有直动式和先导式两种型式 直动式较为常见 按控制油可分为 直控型和外控型 按泄油方式可分为 内泄式和外泄式 图示出直动式顺序阀的典型结构和图形符号 直动式顺序阀与溢流阀的区别 顺序阀的出口油路是通往执行结构 阀一旦动作就会全开 进出口压差一般小于0 5MPa 泄油口采用外泄 而溢流阀则总是使出口直通油箱 可采用内部泄油 正常溢流时进油压力与回油压力相差很大 顺序阀也可作为卸荷阀使用 图7 17为卸荷阀的图形符号 二 方向控制阀DIRECTIONCONTROLVALVE功能 通过控制液流方向来达到控制执行元件的运动方向 常见的有单向阀和换向阀两大类 1 单向阀 NON RETURNVALVE 功用 使液流只能单向流过 1 普通型单向阀 正向导通时流动阻力要小 0 035 0 05MPa 反向封闭时密封性要好 按阀芯的形式分为 钢球式和锥阀式 按阀体的形状分为 直通型和直角型 应用 与其它元件组成单向式组合阀 回油管路中的背压阀 与冷却器 滤油器等附件并联作自动旁通阀使用 图单向阀 图为直角式锥阀结构的单向阀 2 液控单向阀 既有单向止回作用又能在一定条件下允许油流反向通过 即能使阀在控制油的控制下实现阀的反向开启 2 换向阀 REVERSINGVALVE 用于将两个或两个以上的油口接通或切断改变液流方向的换向阀 是液压系统中用量最大 品种 名称最复杂的一类阀 根据阀心结构分类 换向阀分为滑阀式 球阀式和锥阀式 根据阀心在阀体内的工作位置分类 换向阀可分为二位 三位 四位等 根据阀体上与外部连通的油路数 换向阀可分为二通 三通 四通 五通等 根据操纵阀心运动的方式分类 换向阀可分为手动 机动 气动 液动 电磁动 电液动等 根据阀心在阀体内定位方式分类 换向阀可分为钢球定位 弹簧复位 弹簧对中等 1 电磁换向阀 图示出一种三位四通电磁换向阀的结构 图中 P 压力油进口 T 通油箱或油泵吸口的回油口 A B 通油缸或油马达等执行机构的工作油口 图手动换向阀 三个工作位置 A 当左 右电磁线圈都断电时 阀芯处于中间位置 P T A B互不相通 B 当右边电磁线圈通电而左边电磁线圈断电时 阀芯被推到左端位置 P与B通 A与T通 C 当左边电磁线圈通电而右边电磁线圈断电时 阀芯被推到左端位置 P与A通 B与T通 中位机能 阀芯处于中位时的油路沟通形式 可有H P O J K X M Y等型式 换向阀中的密封 靠阀芯的圆柱形台肩与阀体内侧的配合间隙来保证 配合间隙通常约为0 01 0 03mm 交流电磁阀 电压过高 线圈容易发热和烧坏 而过低因吸力不够 难于保证正常工作 初吸力大 换向冲击大 操作频率不宜超过30次 min 使用寿命较短 吸合数在十万 一百万次就会损坏 但价格便宜 直流电磁阀 不会因铁芯不能吸合而烧坏 工作频率可达120次 min以上 工作可靠 换向平稳 寿命较长 吸合数可达千万次以上 但需要直流电源 阀芯的移动阻力 摩擦阻力和液动力的合力 为了减小阀芯的移动阻力 防止阀芯卡死 通常在阀芯的凸肩上开设数圈环形的均压槽 以使阀芯四周所受的液动力大致相等 开一条均压槽 摩擦阻力可下降到不开槽时的40 左右 开三条可降到5 左右 换向阀的常见故障 换向阀阀芯不能离开中位或不能回中 换向阀换向冲击大 油液流经换向阀时流动阻力过大 阀芯不能离开中位的根本原因是 电磁力不足或移动阻力过大 具体原因是 电路不通或电压不足 激磁线圈脱焊或烧毁 阀芯和阀孔加工精度较差 配合间隙太小 阀芯或阀孔碰伤变形 有脏物进入间隙 油温过高 阀芯因膨胀卡死 电磁铁推杆密封处的油压过高 摩擦阻力过大 阀芯不能回中的可能原因除移动阻力过大外 还可能是弹簧断裂 漏装或弹力不足 换向阀换向冲击大的原因有 对于大流量的换向阀没采用液压操纵或电液操纵 控制油路中单向节流阀开度过大造成的 油流流经换向阀时流动阻力过大的主要原因是 经过阀的流量超过额定值 或是阀的开度不足 一般要求在额定流量下压力损失不大于0 3 0 5MPa 2 电液换向阀 由电磁换向阀 导阀 和液动换向阀 主阀 组合而成 电磁换向阀 导阀 用来改换控制油液的方向 液动换向阀 主阀 用控制油推动以控制主油路 图为一个三位四通液动换向阀 其中阻尼器7用于控制主阀的换向速度 以免换向太快引起冲击和噪声 弹簧对中型电液换向阀的电磁导阀常采用Y型或H型 能在中位时使控制油路卸荷 图电液换向阀 图7 7为外供控制油和外部泄油的电液换向阀的图形符号和简化符号 三 流量控制阀 FLOWCONTROLVALVE 靠改变阀的开度来改变通流面积 从而控制流量 通常用于定量泵系统 借以控制执行机构 油缸 油马达 的运动速度 一般分为 节流阀由可调流阻构成的阀 调速阀由节流阔和压力补偿机构组成的阀 通过此类阀的流量大小可以不受阀的进口或出口压力变化的影响 分流阀按一定流量比例将进油分成两股 且不受负载变化影响的阀 将两股按一定比例的流量合为一股的阀称为集流阀 1 节流阀 THROTTLEVALVE 是一种可借移动或转动阀芯的方法直接改变阀口的通流面积 从而改变流阻的阀 如图7 20所示 节流阀的流量特性方程 Q CA pmc 流量系数 随节流口形状和油液粘度而变 A 代表阀芯处流通的横截面积 p 节流口前后压力差m 薄壁小孔 孔长小于孔径的一半 m 0 5 细长孔 孔长远大于孔径 m 1 一般节流口m介于二者之间 节流阀最常见的故障是在小流量时阀易堵塞 预防堵塞措施有 使用不易极化的油液 防止油温过高 对油进行过滤 定期换用新油 减少每级节流口的压降 选用合适的阀芯和阀口材料 尽可能选用薄壁型节流口 以提高抗堵塞性能 图7为单向节流阀 2 普通型调速阀 GOVERNORVALVE 由定差减压阀和节流阀串联而成 简称调速阀 如下图所示 普通型调速阀的工作原理 来自定压液压源 压力为p1的油液 先经减压阀节流降压至p2 如使减压阀的阀芯开度依节流阀前后压差 p1 p2 的变动而自动进行调节 以使p1 p2之差基本保持不变 则节流阀的流量也可大体保持稳定 减压阀阀芯上的作用力平衡方程式 p1A p2A FS p p1 p2 FS A式中 A 减压阀阀芯大端面积 FS 减压阀的弹簧张力 图叠加式调速阀 3 旁通型调速阀 由定差溢流阀和节流阀并联而成 亦称溢流节流阀 如图7 23所示 溢流阀阀芯上作用力的平衡方程式为 p p1 p2 FS A弹簧力FS和阀芯的移动量都不大 p1 p2 的变化就不大 旁通型调速阀的流量稳定性不如普通型调速阀 但与定量油源配合使用 功率损耗较小 油液发热程度较轻 更适合对流量稳定性要求并不很高的场合 4 分流 集流阀 简称同步阀 在液压系统中 有时需要两个或两个以上执行元件同步运动 但由于上述执行元件的负载不均衡 摩擦阻力不相等以及泄漏 压损不一致等诸多原因 经常使执行元件不能同步运行 因此 人们从节流同步的措施中 研究生产出多种多样的分流 集流阀来保证执行元件的同步 分流 集流阀 简称为同步阀 它是分流阀 集流阀 单向分流阀 单向集流阀和分流集流阔的总称 这些阀类的各自功能与特征是 分流阀 按固定的比例 自动将单一油流分成两股支流 集流阀 按固定的比例 自动将两股油流会成单一油流 单向分流阀 单向阀与分流阀的组合 单向集流阀 单向阀与集流阀的组合 分流集流阀 分流阀和集流阀的组合 分流阀 集流阀 单向分流阀及单向集流阀只能使执行元件在一个运动方向上起同步作用 反向时不起同步作用 单向分流阀和单向集流问是当执行元件反向运动时 为减少液阻压损 而让油流自单向阀流出 分流集流阀能使执行元件双向运动都起同步作用 所以 有时也称为双向分流阀 下图所示为分流 集流阀的主要图形符号 下图为上海液压件11厂生产的FJI 型分流集流阀外形图 分流阀的基本结构与工作原理分流阀与所有分流集阀一样 是利用负载压力反馈的原理来补偿因负载变化引起流量变化的一种流量控制阀 但是 它只能控制流量的分配 而不能控制流量的大小 在一般的分流阀结构中 当负载压力变化引起阀芯移动时 阀内的可变节流阀即自动调整各自的节流开度 由此产生了不同的节流压降 从而保证一对定节流孔前后油液压力差相等的工况 因而保证这一对定节流孔分配的流量始终相等 分流阀工作原理见图当执行元件的负载发生变化时 假设左边负载增大 右边负载减小 分流阀必须使左边压力p3增大或使右边压力p4减小 使p3 p4 以保持原来的同步运动速度 其动作过程如下 动作过程如下 首先 由于左边负载增大 原来p3 p4的平衡状态受到破坏 P3不能克服左边的负载而使左执行元件的速度降低 右边速度增大 Q1 Q2 由于流量的变化 使在固定节流孔1 2上的压降也产生变化 p1减小 p1上升 同时 p2增大 p2下降 p1 p2 通过小孔作用在阀芯6两端的压力差 使阀芯向左移动 可使节流口3开大而4关小 可变节流口上的压降也发生变化 p3减小 p4而升高 同时使p3压力升高而p4减低 克服负载的变化而使其运动速度恢复同步 达到同步状态时 Q1 Q2 p1 p2 p1 p2 滑阀在新的位置平衡 此时可变节流口3和4则处于不同于原来的新的位置 以使 p3和 p4不相等而使p3和p4适应于负载的变化而保持运动的同步 分流阀由于节流孔 对中弹簧制造精度以及摩擦力和液动力的影响 常有一定的分流误差 流量变化时 对分流误差亦有较大影响 因而一般只用在流量变化不大而分流精度要求不高之处 大干5 四 插装阀 简称逻辑阀或CV阀 PLUG INVALVE 特点 这种阀的主要元件大都采用插入的连接方法 不仅能实现常规液压控制阀的各种功能 而且结构简单 通用性强 在功率相同时重量轻 体积小 流阻小 密封性好 抗污染能力强 动作灵敏并易于组合 插装阀是基本组件插入特定设计加工的阀体内 配以盖板 先导阀组成的一种多功能的复合阀 因插装阀基本组件只有两个主油口 因此被称为二通插装阀 1 插装式方向控制阀 图示是一锥阀式插装阀的基本结构 阀芯两端作用力的平衡方程式为 FS FY pkAk pAAA pBAB式中 FS 弹簧力 FY 液动力 pA pB pk 分别代表A B K口的液压力 AA Ak 分别代表A口和阀芯的横截面积 AB Ak AA 当A为进油口 B为出油口 且pA pB时 如使控制腔与油箱相通 即pk 0 则pAAA pBAB FS FY 于是阀芯抬起 A口的压力油得以自由地流向B口 当B为进油口 A为出油口 而且pB pA时 如使K腔与油箱相通 则阀芯同样也将开启 这样B口的压力油将流向A口 但如果将控制油液引入K腔 且pk pA或pk pB 则pkAk pAAA pBAB 在加上弹簧力FS的帮助 阀在开启状态还有液动力FY的作用 即可使阀关闭 图7 25为插装式单向阀 二通插件 图7 26为插装式二位三通和三位四通式电液换向阀 2 插装式压力控制阀如果在锥阀式插装阀的控制口上 配上不同的先导式调压阀 则可得到不同种类的压力控制阀 图为插装式溢流阀 图7 28为插装式顺序阀 3 插装式流量调节阀 图示出一种阀芯不带阻尼孔的插装式节流阀 单向节流阀及其图形符号 五 比例控制阀 传统形式的液压控制阀只能对液流进行定值控制 如调定压力 流量或阀的开度 或开关控制 例如液流方向的通断切换 而比例控制阀可以电信号为输入量 使被控制的压力 流量与输入的电信号成正比 从而实现连续的自动控制 比例控制阀按功能分 压力控制阀 比例溢流阀 比例减压阀等 流量控制阀 比例节流阀 比例调速阀等 和比例换向阀 图7 31示出比例节流电磁换向阀 图先导式比例压力阀 BOSCH比例伺服阀 六 其它液压控制阀1 叠加阀 叠加阀是叠加式液压阀的简称 是在集成块和集成板的基础上发展起来的新型元件 在组成系统时 它不需要另外的连接件 是以自身的阀体作为连接体 直接叠合而成 叠加阀与一般阀在工作原理上没有多大差别 但在具体结构上和连接方式上有其特点 因而它自成系列 每个叠加阀既起到控制元件功能作用 又起到通道体作用 每种规格通径的叠加阀主油路的位置和数量都与相应通径主换向阀相同 因此 同一通径系列的叠加阀都可以叠加起来组成不同的系统 通常一个系统 指控制一个执行部件 可以叠成一叠 在一叠中 系统中的主换向阀 主换向阀不属于叠加阀 它是标准的板式元件 安装在最上面 与执行部件连接用的底板块放在最下面 叠加阀均安放在主换向阀和底板块之间 其顺序按系统的动作要求而定 我国研制的叠加阀有 6 10 16 20 32五个通径系列 53个品种 162个规格 连接尺寸符合ISO4401国际标准 图叠加阀 叠加阀优点1 用叠加阀组成的系统 结构紧凑 体积小 重量轻 占地面积小 2 安装简便 装配周期短 3 系统有变化需增减元件时 重新组装方便迅速 4 元件之间是无管连接 消除了因油管 管接头等引起的漏油 振动和噪声 5 配置灵活 外观整齐 维修保养容易 6 采用我国叠加阀组成的集中供油系统节电效果显著 2 梭阀 梭阀又叫选择阀 根据阀芯工作时的形态结构 像只梭子 故又称梭阀 它实际上是一种三通式液控单向阀 可以自动地进行油路压力的选择 梭阀的结构如下图所示 这种阀有两个压力油入口和一个出口 当右边进口压力大于左边进口压力时 阀芯被两者的差力值推向左边 关闭左端压力油口 从而右端压力油通向出口 3 伺服阀 结合变量泵的变量控制方式讲解 七 液压控制阀的性能参数及基本要求 一 液压控制阀的性能参数1 公称压力液压控制阀长期可靠工作所允许的最高工作压力 由阀的强度限定 实际允许的最高工作压力还与其它因素有关 如换向阀的换向可靠性和压力阀的调压范围 2 公称通径液压控制阀公称道径的单位为mm 一定的公称通径代表一定的通流能力 即允许通过为最大流量 公称流量 需要指出的是 同一公称通径的阀 因其功能不同 公称流量也不一定相同 二 液压控制阀的基本要求1 动作灵敏 使用可靠 工作时冲击和振动系小 噪声要低 2 阀口关闭时 密封性要好 阀口开启时 作为方向阀 液流的压力损失要小 作为压力阀 阀心的稳定性要好 3 所控制的参量 压力或流量 精度高 受外干扰时波动要小 4 的结构紧凑 安装 调试 维护方便 通用性好 八 液压控制阀的维修概论一 液压控制阀机械性失效原因简介失效是设备 系统或元件的一种状态 液压阀在使用阶段的规定条件下 若丧失了规定的功能那叫做 失效 对于可修复的产品 失效就是故障 损坏是失效的常见形式 一般机械性损坏失效的原因有 1 磨损液压阀芯 阀体等机械零件的运动副间 在使用时不断产生摩擦 使得零件尺寸 形状和表面质量发生变化而失效 2 疲劳液压阀中的平衡弹簧及有关阀芯 阀座 在长期高变载荷下工作 会产生疲劳及裂纹 造成弹簧长度的缩短或整个折断以及阀座密封表面的剥落 损坏而失效 3 变形液压阀零件在加工过程中残留的残余应力和使用过程中外载荷应力超过零件材料的屈服强度时 零件产生变形 不能完成规定功能而失效 4 腐蚀液压油中混有水分或酸性物过高 使用较长时间后会腐蚀液压阀中的有关零件 使其丧失应有的精度而失效 此外 在液压阀制造生产或修理时 没有注意达到规定的技术要求 如尺寸精度 表面粗糙度 热处理规范 装配时没有保证所需的公差配合 位置偏差过多以及零件保管不善 发生锈蚀 混入污物等等 均是引起液压阀失效的重要因素 二 液压控制阀属于液压个性因素而失效原因简介1 液压卡紧液压系统中的压力油液 流经普通液压阀圆柱形滑阀结构时 作用在阀芯上的径向不平衡力 又叫液压侧向力 使阀芯卡住 叫做 液压卡紧 轻微的 液压卡紧 使阀芯移动时摩擦力增加 严重些的可导致所控制的系统元件动作不符合设计节拍 变得滞后 就会破坏给定的自动循环 使液压设备发生事故 当液压卡紧阻力大于阀芯的移动力时 阀芯不能移动 叫做 卡死 在高压系统中 减压阀和顺序