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采煤机液压传动基础知识第二节液压传动基础知识一、液压传动原理(一)液压传动的组成及其优缺点1．液压传动的组成利用密闭系统(如密闭的管路、元件、容器等)中的压力液体实现能量传递和转换的传动称为液压传动。其中的液体(通常为矿物油)称为工作液体或工作介质。一个液压系统包含以下几个组成部分：(1)动力元件。将原动机所提供的机械能转换成工作液体液压能的元件，称为液压元件，又称为液压泵。(2)执行元件。将动力元件提供的工作液的压力能转变为机械能的元件称为执行元件。如液压缸和液压马达。(3)控制元件。通过对液体的压力、流量和方向的调节、控制以改变执行元件的运动速度、方向和作用力等的元件称为控制元件。液压系统中各种阀类元件就是控制元件。(4)辅助元件。上述三部分以外的其他元件称为辅助元件。它包括：油箱、管路、接头、密封、滤油器、冷却器等。(5)工作液体。工作液体是指液压系统中能量转换和传递的介质，也起着润滑运动部件和冷却传动系统的作用。2．液压传动的优缺点液压传动的优点是：传递动力具有灵活性，不受传递距离和方向的限制，可以在很大范围内实现无级调速；传递动力具有可靠性，传动平稳，吸振能力强，便于实现频繁换向、易于实现过载保护；防爆等安全性能较好；操作简便，易于采用电气、液压联动控制以实现自动化；由于是以油液为工作介质，液压传动系统中的一些零部件之间能白行润滑，使用寿命长；在功率相同的情况下，液压传动系统的体积小、质量轻，因而动作灵敏、惯性小、响应速度快及低速稳定性好；液压元件易于实现系列化、标准化、通用化，便于设计制造，利于推广使用。液压传动的缺点是：液压系统存在泄漏、压力损失，致使液压-1-传动的效率较低；由于泄漏及油液具有一定的可压缩性，使传动比不能恒定，不适用于传动比要求严格的场合；工作性能与效率受温度变化影响较大；对液压元件的制造工艺要求高，成本高；刚性差，易产生振动和噪音。(二)液压传动的特点和基本参数1、液压传动的基本特点(1)液压系统中力的传递靠液体压力的传递来实现。密闭系统中压力的大小取决于外载荷的大小，但系统压力不可以无限制地随着外载荷增大而增大，它受到封闭容器、管路及液压元件强度的限制，为使系统能可靠地运转，通常在系统中设置安全阀保护系统。液压系统还具有力(或力矩)的放大作用。(2)运动速度的传递按“容积变化相等”的规律进行。执行元件的运动速度取决于动力源的流量。如果改变泵的流量，就可改变液压缸活塞杆的运动速度，液压传动中的调速就是基于这种原理来实现的。2．液压传动的基本参数液压传动最基本的技术参数是工作液体的压力和流量。系统压力是指液压泵出口的液体压力，其大小取决于外载，一般由溢流阀调定。压力用ρ表示，单位是Pa，常用单位MPa，工程上常用kgf／cm2(巴)表示。它们之间的换算关系为:1Mpa＝106Pa≈l0kgf／cm2(巴)国家标准GB／2346—1998规定了液压系统及元件公称压力系列。流量通常是指单位时间内流过的液体体积，用字母Q表示，单位是m3／s，工程上常用L／min作为流量单位，它们之间的换算关系为：1m3／s＝103L／s＝6×104L／min(三)液压元件的职能符号液压系统是由很多不同功能的液压元件通过管路连接起来构成的。国家制定了一种用规定的图形符号来表示液压系统原理图中的各元件和连接管路的标准，即《液压系统图形符号》(GB／T786．1—1993)。其主要液压元件职能-2-符号如表6—2所示。二、液压元件(一)液压泵1．液压泵的工作原理和类型(1)密封容积的变化是液压泵实现吸、排液的根本条件。因此，密封而又可以变化的容积是液压泵必须具备的基本结构。所以液压泵也称容积式液压泵。液压泵所产生的流量与其密封容积的变化量与单位时间内容积变化的次数成比例。(2)具有隔离吸液腔和排液腔(即隔离低压和高压液体)的装置。使液压泵能连续有规律地吸人和排出工作液体，这种装置称为配流装置。配流装置的结构因液压泵的型式而异，有阀式配流装置、盘式配流装置和轴式配流装置。(3)油箱内的工作液体始终具有不低于一个大气压的绝对压力，这是保证液压泵能从油箱吸液的必要外部条件。因此，一般油箱的液面总是与大气相通。液压泵的类型是按构成密封而可变容积的零件结构划分的。采掘机械中常用的液压泵类型如表6—3所示。2．主要性能参数(1)排量、流量和容积效率。液压泵主轴每旋转一周所排出的液体体积称为排量。不计泄漏时的排量称为理论排量，其大小取决于液压泵密封工作腔的几何尺寸和变化次数，用qt表示，常用单位是mL／r。排量可以调节的液压泵称为变量泵；排量固定不变的泵称为定量泵。计入泄漏时的排量称为实际排量，以q表示。液压泵单位时间内所排出的液体体积称为流量，常用单位是L/min。不计泄漏影响的理论流量的计算公式为：Qt＝n·qt×l0-3(6—2)计入泄漏后，液压泵实际流量的计算公式为：Q＝n·q×l0-3(6—3)式中n——液压泵主轴转速，r／min。-3-液压泵的实际排量q与理论排量qt之比值称为容积效率，用字母ηV表示，即：ηV＝q／qt(6—4)也就是ηV＝q／qt＝Q／Qt(6—5)由此，液压泵实际流量的计算公式为：Q＝Qt·ηV＝n·qt·ηV×l0-3(6—6)其中，n、qt、ηV均可在液压泵技术规格中查取。各类液压泵的容积效率：柱塞泵最高(0．85～0．98)；叶片泵次之(0．8～0．95)；齿轮泵最低(0．7～0．95)。(2)压力和转速。液压泵通常有两种压力，即额定压力和最大压力。额定压力是指泵在额定转速和最大排量下能连续运转的工作压力。最大压力是指泵在短时间内超载所允许的极限压力。液压泵在工作时所达到的具体压力值称为实际工作压力，其大小取决于执行元件的负荷。液压泵的转速有额定转速、最高转速和最低转速三种。额定转速是泵在额定压力下，连续长时运转的最大转速。最高转速是指泵在额定压力下，允许短暂运行的最大转速。最低转速是指允许泵正常运行的最小转速。在—般情况下，液压泵应在额定转速下运转。常用各类液压泵的额定转速范围如下：齿轮泵：1000～1800r／min；叶片泵：1000～1800r／min；轴向柱塞泵：1000～2200r／mim。(3)输出功率、输入功率和总效率。当液压泵输出压力为p的实际流量为Q时，其实际输出功率的计算公式为：N。＝p·Q／60(6--7)式中N。——实际输出功率，kW。输入功率Ni是电动机作用在液压泵主轴上的机械功率，又称为泵的传动功率。由于液压泵的摩擦消耗，真正输入泵的有效功率N，，转变为泵的理论输出功率的计算公式为：Nt＝Ni·ηm(6—8)-4-式中ηm——液压泵的机械效率。泵的实际输出功率为：N。＝Nt·ηV(6—9)液压泵的总效率η等于其实际输出功率与输入功率之比，即：η＝NO／Ni＝Nt·ηv/Nt·ηm-1＝ηV·ηM(6—10)故液压泵输出压力为P、流量为Q时，所需的电动机传动功率Ni的计算公式为：Ni＝NO／η＝P·(6—11)式中Ni-----电动机传动功率，kW；p——泵的实际工作压力，MPa；Q——泵的实际输出流量，L/min。各类液压泵的总效率η值：柱塞泵为0.8～0．9；齿轮泵为0．6～0．8；叶片泵为0．75～0．85。(二)液压马达1.液压马达的特点和分类液压马达是液压系统的一种执行元件。它将液压泵提供的液体压力能转变为其输出轴的机械能(扭矩和转速)。由于泵和马达的用途和工作条件不同，对它们的性能要求也不一样，所以，相同结构类型的液压马达和液压泵之间存有许多差别。(1)液压马达应能正、反转运行，其内部结构具有对称性，而液压泵通常是单向旋转的，结构上没有这—要求。(2)液压泵通常必须有自吸能力，为改善吸液性能和避免出现气蚀现象，通常把吸液口做得比排液口大；而液压马达没有此要求。(3)为适应调速需要，液压马达的转速范围应足够大，特别对它的最低稳定转速有一定的要求；液压泵都是在高速运转下稳定工作的，其转速基本不变。为保证马达良好的低速运转性能，通常采用滚动轴承或静压滑动轴承。(4)由于马达一般具有背压，故必须设置独立的泄露口，将马达的泄露液体引回油箱。因此，同类型的液压泵和液压马达是不能互逆使用的。-5-液压马达在分类上与液压泵基本一样。用于采掘机械的马达，按其结构也可分为：齿轮式液压马达,叶片式液压马达；柱塞式液压马达。它又可分为轴向柱塞式液压马达和径向柱塞式液压马达两种。在实际工作中，人们常把输出扭矩M＜1500N·m、输出转速n＞150～200r／min的液压马达称为高速小扭矩马达；输出扭矩M＞1500N·m、输出转速，n＜150～200r／min的液压马达称为低速大扭矩马达。常用的高速小扭矩马达有齿轮式、叶片式和轴向柱塞式；低速大扭矩马达多为径向柱塞式马达和行星转子式摆线马达。2．液压马达的主要性能参数(1)排量qMO液压马达的排量，是指在不考虑液体在马达内的泄漏时推动其主轴每转一周所需要的工作液体体积，其单位为mL／r。马达排量的大小只取决于马达本身的结构原理和几何尺寸，与工作条件和转速无关。(2)输人流量QM和容积效率ηuM。进人马达进液口的液体流量称为输人流量，单位为L／min。由于马达内存在的泄漏现象，造成马达容积损失。设马达的泄漏流量为Qm′，则马达的容积效率为：ηvM＝MMMQQQ(6—12)(3)输出转速nM。已知马达的排量qM和容积效率VuM、输入流量QM，则马达的输出转速为：nM＝MvMMqQ·×103(r／min)(6--13)由上式可以看出，通过改变输入流量QM或调节马达的排量qM均可以改变马达的转速。排量qM可以调节的马达称为变量马达，排量qM不可以调节的马达为定量马达。(4)实际输出扭矩MM。其计算公式为：MM＝лqPqmMmM··(6--14)式中MM----实际输出扭矩，N·m；ΔpM——进出油口的压力差，MPa；ηmM——机械效率；qM——排量，mL／r。(5)输出功率NM和总效率ηM。其计算公式为：-6-NM＝60··MmMQP(6—15)式中NM——输出功率，kW；ΔpM——进出油口压力差，MPa；QM----输入流量，L／min；ηM—--总效率，其值为容积效率与机械效率的乘积，ηN＝ηVM·ηmM(三)液压缸液压缸和液压马达一样，在液压系统中作执行元件，带动工作机构实现直线往复运动。常用液压缸按其结构和作用方式分类。按作业方式可分为单作用和双作用液压缸两大类。所谓单作用液压缸是指液压缸的活塞杆只是一个方向动作(通常是向外伸出)时靠液压力推动，回程则靠自重或外力将活塞杆推回。双作用液压缸指活塞杆不论伸出或收缩均靠液压力动作。单作用液压缸有柱塞式、活塞式和伸缩套筒式；双作用液压缸有单活塞杆式、双活塞杆式和伸缩套筒式。(四)液压控制阀液压控制阀又称液压阀，是液压系统中的控制元件，它可以控制和调节系统中工作液体的压力、流量和方向，从而使执行机构实现预期的动作。按照液压控制阀在液压系统中所起的作用分为压力控制阀、方向控制阀和流量控制阀。1．压力控制阀压力控制阀是用来控制工作液体的压力，以满足执行元件所需要的动力。一般可分为溢流阀、顺序阀和减压阀。(1)溢流阀的作用有两个：—是随时溢出液压系统中多余的流量，保持系统的工作压力稳定，即溢流稳定，一般称为溢流阀；二是限制系统的最高工作压力，起安全保护作用，此时称安全阀,溢流阀和安全阀的工作状态不同：溢流阀在工作过程中处于常开状态，并且调定压力较低；安全阀处于常闭状态，且调定压力为系统最高压力，只有当系统压力超过调定压力时才开启。溢流阀按其结构分为直动式和先导式两种。(2)顺序阀是利用液体压力来自动控制液压系统中各执行元件动作先后-7-顺序的液压元件。根据控制液体的来源不同，可分为直控顺序阀和远控顺序阀。(3)减压阀是用于单泵供液而同时需要两种以上的工作压力的传动系统中，通常在辅助回路中应用较多。减压阀的作用是将主回路中的工作液体高压降为所需要的压力值，以满足系统分支液压元件的工作需要。按减压阀调节要求的不同，可分为定压、定比和定差减压阀三种。其中，定压减压阀应用最多。减