机械基础课件 课题12 液压传动

【主要内容】：重点掌握1.液压传动的工作原理和基本组成2.液压元件及液压基本回路常用液压泵、液压缸、液压控制阀的主要类型、工作原理、图形符号及功用1.液压传动基本概念（1）液压传动的工作原理液压千斤顶的工作原理

液压千斤顶的工作原理简图动画演示液压千斤顶的工作原理：图中大、小两个液压缸的内部分别装有活塞，活塞和缸体之间保持一种良好的配合关系，不仅活塞能在缸内滑动，而且配合面之间又能实现可靠的密封。当用手将杠杆手柄提起时，小活塞便被带动向上移动，使小液压缸下腔密封容积增大形成局部真空，油箱内的油液在大气压力的作用下顶开钢球进入液压缸下腔，完成一次吸油。当用力将手柄压下时，小活塞向下移动，液压缸下腔密封体积减小，腔内油液压力升高，这时钢球自动关闭了油液流回油箱的通道，小液压缸下腔的压力油推开止回阀进入大液压缸的下腔，推动大活塞上升，顶起重物。如此反复地提压杠杆手柄，油液就不断地进入液压缸下腔，推动活塞不断上升，达到起重目的。若将放油阀旋转90º开通，则在重物的自重G作用下，大液压缸下腔的油液流回油箱，活塞下降到原位。液压千斤顶是一个简单的液压传动装置。从其工作过程可知，液压传动是以油液作为工作介质，通过密封容积的变化传递运动，依靠液体内部的压力（由外界负载）传递动力。液压传动系统实质是一种能量转换装置，它先将机械能转换为便于输送的压力能，随后又将压力能转换为机械能而对外做功。（2）液压系统的表示方法与组成1.）液压系统的表示方法机床工作台液压系统动画演示

该图为某机床工作台的液压系统图。当扳动换向阀的手柄使阀芯向右时，液压泵在电机的带动下从油箱中吸油，将机械能转换为油液的压力能。压力油经节流阀和换向阀后进入液压缸的左腔，活塞连同工作台在左腔液压力推动下向右作直线运动，右腔的油液经过换向阀排回油箱。若扳动换向阀的手柄使阀芯向左时，压力油则进入液压缸的右腔，活塞带动工作台向左运动。当换向阀的手柄扳到图示中间位置时，液压缸的通道被封住，压力油经溢流阀溢回油箱。

工作台的移动速度通过节流阀来调节。当节流阀开口较大时，进入液压缸的流量大，工作台的移动速度就较快；关小节流阀，工作台的移动速度即减慢。工作台移动时必须克服切削力、相对运动表面摩擦等产生的阻力，为适应克服不同大小阻力的需要，液压泵输出油液的压力应当能够调整。另外工作台低速移动时，关小节流阀，液压泵出口多余的压力油亦需排回油箱，调节溢流阀就能调整泵出口的油液压力，让多余的油在相应压力下打开溢流阀，经回油管流回油箱。图中的过滤器，起过滤和净化油液的作用。图12-3a)所示的液压半结构式的工作原理图，图形直观易懂，但图形复杂繁琐不易绘制。为此，国内外广泛采用元件图形符号来绘制液压系统原理图。右图为用元件符号绘制的液压传动系统。图形符号不考虑元件的具体结构和安装位置，只表示元件的职能、控制方式及外部连接口，使系统图简化，原理简单明了，便于阅读、分析、设计和绘制。2）液压系统的组成从上述机床工作台液压系统可以看出，液压系统由以下五部分组成：※动力元件

动力元件即液压泵，液压泵是将原动机的机械能转换成液体的压力能，其作用是为液压系统提供压力油，是系统的动力源。※执行元件

执行元件是指液压缸（或液压马达），它是将液压泵输出的压力能转换成工作部件运动的机械能的装置。其作用是在液压油的推动下输出力和速度（力矩和转速），以驱动工作部件。

※控制元件

控制元件是指各种液压阀类元件，如溢流阀、节流阀、换向阀、放油阀等。其作用是控制和调节油液的压力、流量及流动方向，以满足液压系统的工作需要。

※辅助元件

辅助元件是指油箱、油管、过滤器、密封件和压力表等元件将前面三部分连接在一起，组成一个系统，起到储油、过滤、测量和密封功能等。其作用是保证液压系统能正常工作。

※工作介质

液压系统的工作介质为液体，一般为液压油（常用的有32号、64号液压油）。其作用是通过介质实现液压系统的运动和动力的传递。（3）液压传动系统的压力油液的压力是由油液的自重和油液受到外力作用而产生的。在液压传动系统中，有油液的自重而产生的压力一般很小，可忽略不计。但力不可能单独存在，有作用力就有反作用力，且两者大小相等，方向相反。在建筑工地上，挖掘机的驾驶员轻轻操纵按钮，庞大的工作臂便稳稳地升高或下降，进行挖掘工作。挖掘机中工作臂的移动需要很大的动力。这种巨大的力是靠液体传递压力而产生的，静止油液的压力具有以下特性：（1）油液静压力的作用方向总是垂直指向承压表面。（2）静止油液中，任意一点所受到的各个方向的压力都相等。3）密闭容器内静止油液中任意一点的压力如有变化，其压力的变化将传递给油液的各个点，且其值不变。这称为静压传递原理，即帕斯卡原理（加在密闭液体上的压强，能够大小不变地由液体向各个方向传递，这一规律称为帕斯卡原理）。（4）流量单位时间内流过管道某一截面的液体体积称为流量，用q表示。若在时间t内流过的液体体积为V，则流量为：q=V/t（5）压力损失及其流量由静压传递原理可知，密封的静止液体具有均匀传递压力的作用，即当一处受到压力作用时，其各处的压力皆相等。但流动的液体并非这样，当液体流过一段较长的管道或各种阀孔、弯管及管接头时，由于流动液体各质点之间以及液体与管道之间的相互摩擦和碰撞会产生阻力，这种阻碍液体流动的阻力称为液阻。液阻的存在，在液体流动时就会引起能量损失，这主要表现为液体在流动过程中的压力损失（即压力降落或压力差）。在管道中的液体，其压力损失、流量与液阻之间的关系是：液阻增大，将引起压力损失增大，或使流量减少。液压传动中常利用改变液阻的办法来控制流量和压力。（3）液压油液压传动所用的液体油主要分为石油型（矿物型）、合成型和乳化型三大类，其品种及适用范围如下表。1）液压油的种类2）液压油的物理性质※密度

单位体积液体的质量称为液体的密度，通常用ρ（kg/m3）表示。

ρ=m/V液压油的密度随压力的增加而增大，随温度的升高而减小。但一般情况这些变化都比较微小，可忽略不计，即认为液压油的密度是恒定的，常取900kg/m3。※可压缩性

液体在压力的作用下使体积变小的性质称为液体的可压缩性，通常用体积压缩系数K（m2/N）和体积弹性模量E（N/m2）表示。

液体的可压缩性很小，在很多情况下可以忽略不计，仅在高压及涉及动态特性时才加以考虑，此时，工作介质中可能有游离的气泡，E取1.4～2GPa。※粘性

液体在外力作用下流动时，分子之间由于内聚力而具有一种阻碍分子之间相对运动的内摩擦力，这一特性称为液体的粘性。液体的粘性用粘度表示，常用的粘度有动力粘度和运动粘度等。3）液压油的选用为了较好地满足液压系统的工作要求，液压油一般应具有如下基本性能：※合适的粘度，良好的粘温特性。※质地纯净，杂质少，有良好的润滑性能。※对金属和密封件有良好的相容性，抗泡沫、抗乳化、防腐性、防锈性好。※对热、氧化、水解和剪切有良好的稳定性。※体积膨胀系数小，比热容大。※流动点和凝固点低，闪点和燃点高。※对人体无伤害，成本低。4）液压油的污染及其控制※污染的原因

工作介质污染的主要因素是杂质，杂质有外界侵入的和工作过程中产生的两类。※污染的危害

固体杂质会加速元件的磨损，堵塞阀件的小孔和缝隙，堵塞滤油器，使泵吸油困难并产生噪音，还能擦伤密封件使油的泄漏量增加。※污染的控制

液压元件、油箱和各种管件在组装前应严格清洗，组装后应对系统进行全面彻底的冲洗，并将清洗后的介质换掉；在设备运输、使用过程中防止尘土、磨料等侵入；加装高性能的滤油器，并定期清洗和更换；维修拆卸元件应在无尘区进行；采用适当的措施控制系统的温度（65℃以下），防止介质氧化变质；定期检查和更换工作介质。2.液压元件及液压基本回路液压泵是液压系统的动力元件，它把驱动电机的机械能转换成输到系统中去的油液的压力能的一种能量转换装置，下表所示为其图形符号。（1）液压泵液压泵的工作原理动画演示液压传动系统中使用的液压泵通常是容积式。上图所示为单柱塞液压泵的结构示意图。柱塞安装在泵体内，柱塞在弹簧的作用下和偏心轮接触。当偏心轮旋转时，柱塞在偏心轮和弹簧的作用下在缸体中左右往复运动。液压泵必须具有密闭容积及密闭容积的交替变化，才能吸油和压油；而且应有配流装置，如两个单向阀就是起配流作用的，以便在任何时候其吸油腔和压油腔都不能互通；吸油过程中，油箱必须和大气相通。容积式液压泵，按照结构的不同，分为齿轮泵、叶片泵、柱塞泵和螺杆泵四类；按照输出油液的流量能否调节分为定量泵和变量泵。齿轮泵是液压传动系统中常用的液压泵，它的主要优点是：结构简单，制造方便，造价低；质量轻，外形尺寸小；自吸性能好；对油的污染不敏感；工作可靠；允许转速高。其缺点是流量脉动较大；有困油现象；噪声较大；排量不可变。齿轮泵多用于低压轻载的简单液压系统。齿轮泵又有外啮合式和内啮合式两类。外啮合齿轮泵结构简单，成本低，抗污及自吸性好。齿轮泵广泛应用于农机、机床、工程机械、船舶及航空等。下图所示为外啮合齿轮泵的工作原理。1）齿轮泵外啮合齿轮泵工作原理动画演示叶片泵有单作用式（非平衡式）和双作用式（平衡式）两大类，通常为中压泵，在机床、工程机械、船舶、注塑机、液压机、起重运输机械及冶炼设备中得到了广泛的应用。叶片泵具有输出流量均匀，脉动小，容积效率较高，噪声小，运转平稳、体积小等优点。但结构较复杂，吸油特性不太好，对油液的污染较敏感转速不能太高。依照工作原理，叶片泵分为单作用和双作用两类。双作用比单作用流量均匀性好，径向力平衡，应用较广。单作用叶片泵一般为变量泵，双作用叶片泵一般为定量泵。叶片泵常用于功率较大的液压系统，采用的叶片泵属于中压系列。２）叶片泵双作用叶片泵工作原理单作用叶片泵工作原理动画演示动画演示柱塞泵是依靠柱塞在缸体内孔中作往复运动，造成密封容积的变化，来实现吸油和压油的液压泵。由于柱塞与缸体内孔均为圆柱表面，容易得到高精度的配合，所以这类泵的特点是泄漏小，容积效率高，可以在高压下工作。柱塞泵依照柱塞的排列方式可分为轴向柱塞泵和径向柱塞泵两大类。径向柱塞泵的结构特点使其应用受到限制，下面只简单介绍轴向柱塞泵。下图所示为斜盘式轴向柱塞泵的工作原理图。由于轴向柱塞泵的柱塞与缸体均为圆柱表面，因此加工方便，配合精度高，密封性好，容积效率高。但结构复杂，价格较高。工作压力一般为高压。3）柱塞泵轴向柱塞泵工作原理1-配流盘2-缸体3-柱塞4-斜盘动画演示螺杆泵主要由转子式容积泵和回转式容积泵两种。若按螺杆数不同，又有单螺杆泵、双螺杆泵和三螺杆泵。螺杆泵结构简单，体积小，质量轻，运转平稳，噪声小，使用寿命长，流量均匀，自吸能力强，容积效率高。但螺杆齿形复杂，不易加工，精度难以保证。工作压力一般为4~40MPa。4）螺杆泵为便于合理的选用液压泵，根据设备的工作情况和系统要求的压力、流量、工作性能将上述各类泵的主要性能及应用列于下表中。5）液压泵的选择各类液压泵的主要性能及应用类型性能齿轮泵叶片泵轴向柱塞泵径向柱塞泵螺杆泵外啮合内啮合单作用双作用斜盘式斜轴式回转式卧式渐开线摆线压力范围/MPa2.5~251066.3~106.3~287~4016~4010032~1282.5~10最大功率/kw187.216.84534914858346140290容积效率/%70~95909060~9085~9590~9790~97959570~95总效率/%65~90858555~8565~8580~9080~90909070~85功率重量比中中中小中大中小中小流量脉动率/%11~271~3≤3－－1~5＜14＜2≤14＜1对污染敏感性小小小中中大大中小小最高自吸能力/kPa50－－33.533.516.516.516.5－63.5对油污染敏感性不敏感敏感敏感敏感不敏感寿命较短较长长长很长噪声大小大大很小单位功率造价最低中等高高很高应用范围机床、船舶、航空、农机、工程机械、一般机械等液压机、注塑机、运输机械、工程机械、机床、飞机等锻压机械、工程机械、矿山机械、飞机、船舶等液压机、机床、船舶等精密机床、机械等液压缸是将液体的压力能转换成直线往复运动或在一定的角度内作往复摆动的机械能，输出运动速度和力（转速和转矩）的能量转换装置，它属于执行元件。液压缸结构简单，工作可靠，与杠杆、连杆、齿轮齿条、棘轮棘爪、凸轮等机构配合，能实现多种机械运动，应用广泛。液压缸按结构形式可分为活塞式、柱塞式和组合式等类型；按作用方式可分为单作用式和双作用式两种。（2）液压缸

１）活塞缸

活塞式液压缸是应用最多的一种液压缸，可分为单杆式和双杆式，其固定方式可以是缸体固定，也可以是活塞杆固定。※单杆活塞缸

a)缸无杆腔进油b)缸有杆腔进油

单杆活塞缸单缸活塞缸差动连接活塞的一侧有伸出杆，两腔的有效工作面积不相等。动画演示动画演示

※双杆活塞缸

双杆活塞缸主要由缸体、活塞和两根直径相同的活塞杆组成。2）组合式液压缸伸缩缸组合式液压缸是由基本形式液压缸与其他机构组合而成，以满足各种不同的工作要求。如采用多个活塞式液压缸套装，可做成伸缩缸；若采用大、小活塞液压缸串接，可做成增压缸。动画演示增压缸及其符号3）液压缸的密封装置间隙密封液压缸及其他液压元件，都应采取严格密封措施。常用的密封方法有以下两种。※间隙密封※O形、V形和Y形密封圈密封4）液压缸的缓冲装置当液压缸的工作部件质量较大，运动速度较高，或换向平稳性要求较高时，应在液压缸中设置缓冲装置，以免在行程终端产生很大的冲击压力和噪声，甚至机械碰撞，影响设备的寿命。常见的缓冲装置活塞端部有圆柱、圆锥形或节流沟槽式缓冲柱塞，当柱塞运行至液压缸端盖上的内孔时，封闭在缸筒内的油液只能从环形间隙处挤出去，这时活塞即受到一个很大的阻力而减速制动，从而减缓了冲击。a)圆台凸台b)带槽圆台凸台液压缸的缓冲装置5）液压缸的排气装置排气装置

液压系统中混入空气后会使工作不稳定，产生振动、噪声、低速爬行及启动时突然前冲等现象，因此，在设计液压缸时必须考虑空气的排除。3.液压控制阀液压控制阀是用来控制与调节液压系统中油液的压力、流量和流动方向的元件，借助于这些液压阀，使执行机构的启动、停止、推力、速度和运动方向等符合要求。按照功用，液压控制阀分为方向阀、压力阀和流量阀三大类。从结构上看各类阀均由阀体、阀芯和阀芯控制件三部分组成。（1）方向控制阀方向阀是用来控制油液流动方向的阀，常用的有单向阀和换向阀两种。1）单向阀（又称止回阀）单向阀是控制油液单方向流动的方向阀，不允许倒流，按阀芯结构分为锥阀式和球阀式。单向阀a)球阀式b)锥阀式c)锥阀式d)符号动画演示２）换向阀

换向阀是用来改变油液流动路线以改变工作机构的运动方向。它是利用阀芯相对阀体移动，接通或关闭相应的油路，从而改变液压系统工作状态的。换向阀的工作原理动画演示常见换向阀的图形符号2）压力控制阀压力控制阀用来控制液压系统的压力，或利用系统中压力的变化来控制某些液压元件的动作，简称压力阀。按照用途不同，压力阀分为溢流阀、减压阀、顺序阀和压力继电器。a.溢流阀

溢流阀是通过阀口的溢流，使被控制系统或回路的压力维持恒定，实现稳压、调压或限压的作用，防止液压系统过载（又称安全阀）。溢流阀通常并联接在液压泵出口处的油路上。溢流阀的符号※直动式溢流阀。直动型溢流阀因进口压力油直接作用于阀芯，故称直动型溢流阀。直动型溢流阀的特点是结构简单，制造容易，一般只适用于低压、流量不大的系统。若液压系统压力较高和流量较大时，则需选用先导型溢流阀。根据结构和工作原理的不同，溢流阀可分为直动式和先导式两种。

1-调压螺钉2-弹簧

3-锥阀体

4-泵体直动式溢流阀先导型溢流阀※先导型溢流阀

由主阀和先导阀两部分组成。先导阀的阀芯是锥阀，用于控制压力；主阀阀芯是滑阀，用于控制流量。调压轻便，适用于高压大流量液压系统。动画演示b.减压阀

减压阀可以用来减压、稳压，将较高的进口油压降为较低而稳定的出口油压。

减压阀的工作原理是依靠压力油通过缝隙（液阻）降压，使出口压力低于进口压力，并保持出口压力为一定值，缝隙越小，压力损失越大，减压作用就越强。减压阀

a)结构原理图b)先导式符号c)一般符号动画演示减压阀减压阀与溢流阀的主要区别：

减压阀利用出口油压与弹簧力平衡；而溢流阀则利用进口油压与弹簧力平衡。

减压阀的进、出油口均有压力，所以弹簧腔的泄油需要从外部单独接回油箱（称外部回油）；而溢流阀的泄油可沿内部通道经回油口流回油箱（称内部回油）。

非工作状态时，减压阀的阀口常开（为最大开口）；而溢流阀是常闭的。c.流量控制阀

流量控制阀应用于控制液压系统中液体的流量，实现对执行元件的速度控制。流量控制阀简称流量阀。常用的流量阀有节流阀和调速阀。流量阀是液压系统中的调速元件，其调速原理是依靠改变阀口通流面积的大小，控制通过节流口的流量，达到调节执行元件（缸或马达）运动速度的目的。※节流阀。普通节流阀常用的节流口形状有针阀式、偏心式、轴向三角槽式等。节流阀动画演示节流阀常用节流口形式a)针阀式节流口b)偏心式节流口c)三角槽式节流口d)轴向缝隙节流口调速阀的工作原理和符号※调速阀。调速阀是由定差减压阀和节流阀串联组合而成的组合阀。d.压力继电器

压力继电器是一种将液压信号转变为电信号的转换元件。一般由两部分组成：压力—位移转换装置使微动开关动作，实现其控制功能。压力继电器主要有柱塞式、膜片式、弹簧管式和波纹管式等结构，其中以柱塞式最常用。柱塞式压力继电器（4）液压基本回路液压系统是由许多液压基本回路组成。液压基本回路是指由某些液压元件和构成并能完成某种特定功能的回路。液压传动系统不论如何复杂，总是可以分解为一个个具有各种功用的基本回路。熟悉这些基本回路的组成和性能，对于分析液压系统是非常必要的。液压基本回路分为方向控制回路、压力控制回路和速度控制回路三大类。1）方向控制回路在液压系统中，控制执行元件的启动、停止（包括锁紧）或变换运动方向的回路称为方向控制回路。方向控制回路包括换向回路和锁紧回路。a.换向回路

工作机构的换向大部分是由各类换向阀来控制的。b.锁紧回路

锁紧回路是使执行元件能在任意位置上停留，且停留后不会在外力作用下发生位移的回路。换向回路采用O型中位机能的三位四通电磁换向阀的锁紧回路采用液控单向阀的锁紧回路1、2—液控单向阀2）压力控制回路利用压力控制阀来调节系统或某一部分压力的回路称为压力控制回路。压力控制回路可以实现调压、减压、增压及卸荷等功能。

a.调压回路

很多液压传动机械在工作时，要求系统的压力能够调节，以便与负载相适应，这样才能降低动力消耗，减少系统发热。调压回路的功用：使液压系统或某一部分的压力保持恒定或不超过某个数值，调压功能主要由溢流阀完成。调压和限压回路b.卸荷回路

在定量泵供油的液压系统中，当执行元件需短暂停止（如装夹工件或测量）工作期间，使液压泵输来的油直接回油箱，处于卸荷空转状态的控制油路称为卸荷回路。卸荷的目的是节约功率、减少油液发热、避免经常启闭电动机，功率较大的液压泵可利用此回路实现电动机轻载启动。这种油路广泛用于自卸汽车液压起重机的暂停油路中。滑阀控制的卸荷回路c.增压回路

在某些机器的液压系统中，有时需要压力较高但流量不大的压力油，这时可以采用增压回路。增压回路中液压泵在较低的压力下工作，可减少功率损失。采用增压器的增压回路3）速度控制回路控制执行元件运动速度的回路称为速度控制回路。速度控制回路一般是通过改变进入执行元件的流量来实现的。速度控制回路包括调速回路、增速回路和速度换接回路。a.调速回路

调速回路就是调节工作行程速度的回路。调速回路是由定量泵、流量阀、溢流阀和执行机构等组成。进油路调速回路b.增速回路

增速回路又称快速运动回路，以提高系统的工作效率。常用的增速回路有差动连接增速回路、双泵供油增速回路、双联叶片泵供油增速回路、蓄能器供油增速回路等。液压缸差动连接增速回路c.速度换接回路

速度换接回路是使不同速度相互转换的回路。在液压传动系统中，工作部件往往需要不同的运动速度，如由空行程快速变换到慢速工作进给运动。用电磁阀的快慢速换接回路【习题与思考题】1.液压缸是液压传动系统中的什么元件？是将压力能转换为什么能的能量转换装置？执行元件；将压力能转换为机械能2.液压缸常用的密封方法有哪些？①间隙密封②摩擦环密封③密封圈（O行圈、V行圈）密封3.溢流阀的作用是什么？溢流阀属于什么控制阀？溢流阀的作用：①溢流稳压，维持液压系统压力恒定；②起安全保护作用，防止系统过载；③