机械基础 第八章 液压传动

§8.1液压传动的基本知识§8.2液压元件§8.3液压基本回路及液压系统第八章液压传动液压传动是以液体作为工作介质，并利用液体的压力实现机械设备的运动或能量传递和控制功能，随着现代科技的发展，液压传动在机床、工程机械、交通运输机械、农业机械、化工机械、船舶及航空航天等领域都得到了广泛的应用。§8.1液压传动的基本知识一、液压传动工作介质•统计表明，液压系统发生的故障有90%是由于使用管理不善所致。液压油过滤与处理是液压系统使用管理中的重点项目之一，不仅是减少系统故障的重要途径，也是提高使用管理水平的一个标志。•在液压系统中，液压油液是传递动力和信号的工作介质。同时，它还起着润滑、冷却和防锈的作用。液压系统能否可靠、有效地工作，在很大程度上取决于系统中所用的液压油液。1、液压油的性质（1）液体的密度密度—单位体积液体的质量。ρ=m/vkg/m3密度随着温度或压力的变化而变化，但变化不大，通常忽略。(2)可压缩性和膨胀性随压力的增高液压油体积缩小的性质称为可压缩性。随温度的升高液压油体积增大的性质称为膨胀性。在一般液压传动中，液压油的可压缩性和膨胀性值很小，可以忽略不计。(3)液体的粘性液体在外力作用下流动时，由于液体分子间的内聚力和液体分子与壁面间的附着力，导致液体分子间相对运动而产生的内摩擦力，这种特性称为粘性。粘性的大小用粘度来表示。粘度大，液层间内摩擦力就大，油液就稠，流动时阻力就大，功率损失也大；反之油液就稀，易泄漏。粘度随温度升高而下降。静止液体不呈现粘性。2、液压油的选用对液压油的要求：(1)良好的化学稳定性。(2)良好的润滑性能，以减小元件之间的磨损。(3)质地纯净，不含或含有极少量的杂质、水份和水溶性酸碱等。(4)适当的粘度和良好的粘温特性。目前最广泛使用的传递介质是石油型液压油。要根据系统中采用的元件结构形式（主要是液压泵）运动速度、使用温度和压力等因素来选用油液的品种和品牌。5、凝固点和流动温度较低，以保证油液能在较低温度下使用。6、自燃点和闪点要高。7、有较快地排除油中游离空气和较好地与油中水份分离的能力。8、没有腐蚀性，防锈性能好，有良好的相容性。(1)油箱中的油面应保持一定高度，正常工作时油箱的温升不应超过液压油所允许的范围，一般不得超过65℃。(2)为防止系统中进入空气，要做到：所有回油管都在油箱液面以下，管口切成斜断面；油泵吸油管应严格密封；油泵吸油高度应尽可能小些，以减少油泵吸油阻力；可能情况下，应在系统最高点设置放气阀；定期检查油液质量和油面高度，以便及时更换和添加。3、使用注意事项•研究内容：研究液体处于静止状态的力学规律和这些规律的实际应用。•静止液体：指液体内部质点之间没有相对运动，至于液体整体完全可以象刚体一样做各种运动。二、液体静力学（2）液体静压力特性：垂直并指向于承压表面∵液体在静止状态下不呈现粘性∴内部不存在切向剪应力而只有法向应力各向压力相等∵有一向压力不等，液体就会流动∴各向压力必须相等1、液体的静压力及特性（1）液体的静压力定义：液体单位面积上所受的法向力，物理学中称压强，液压传动中习惯称压力。（1）计算静止液体内任意点A处的压力p=p0+ρgh（2）重力作用下静止液体压力分布特征①静止液体中任一点处的压力由两部分液面压力p0组成液体自重所形成的压力ρgh②静止液体内压力沿液深呈线性规律分布③离液面深度相同处各点的压力均相等，压力相等的点组成的面叫等压面.2、液体静力学基本方程（1）测压两基准•绝对压力—以绝对零压为基准所测。•相对压力*—以大气压力为基准所测。（2）关系•绝对压力=大气压力+相对压力•或相对压力（表压）=绝对压力–大气压力•注：液压传动系统中所测压力均为相对压力即表压力3、压力的表示方法及单位4、帕斯卡原理帕斯卡原理（静压传递原理）：在密闭的容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到液体各点。根据帕斯卡原理：p=F/A结论：液压系统的工作压力取决于负载，并且随着负载的变化而变化。21pp5、液体对固体壁面的作用力作用在平面上的总作用力：P=p·A如：液压缸，若设活塞直径为D,则P=p·A=p·πD2/41、基本概念（1）理想液体、定常流理想液体：既无粘性又不可压缩的液体。定常流动：流动液体中任一点的p、u和ρ都不随时间而变化流动。（2）流量和平均流速流量—单位时间内流过某通流截面液体体积q。平均流速—通流截面上各点均匀分布假想流速。三、液体动力学2、连续性方程—质量守恒定律连续性原理：理想液体在管道中恒定流动时，根据质量守恒定律，液体在管道内既不能增多，也不能减少，因此单位时间内流入液体的质量应恒等于流出液体的质量。连续性方程：v1A1=v2A2或q=vA=常数结论：液体在管道中流动时，流过各个断面的流量是相等的，因而流速和过流断面成反比。3、伯努利方程—能量守恒定律（1）能量守恒定律：理想液体在管道中稳定流动时，根据能量守恒定律，同一管道内任一截面上的总能量应该相等。（2）伯努利方程（理想液体）：p1+ρgZ1+ρv12/2=p2+ρgZ2+ρv22/2或p/ρg+Z+v2/2g=C（c为常数）（3）方程的物理意义：在密闭管道内作恒定流动的理想液体具有三种形式的能量，即压力能、位能和动能。在流动过程中，三种能量之间可以互相转化，但各个过流断面上三种能量之和恒为定值。四、液体传动的工作原理1.液压千斤顶液压千斤顶由手动柱塞泵和液压缸以及管路、管接头等构成一个密封的连通器，其间充满着油液。关闭放油阀8，向上提起杠杆手柄1，活塞3随之上升，油腔4密封容积增大，产生局部真空，油箱6中的油液在大气压作用下，推开单向阀5中的钢球并通过吸油管道进入油腔4，实现吸油（图b）；当杠杆手柄1下压时，活塞3随之下移，油腔4密封容积减小，油液受到外力挤压产生压力，单向阀5关闭，单向阀7的钢球被顶开，油液压入油腔10，实现压油（图c）。然后推动活塞11和重物上移。反复提压杠杆手柄1，能不断地实现吸油和压油，压力油将不断被压入油腔10，使活塞和重物不断上移，达到起重的目的。若将放油阀8旋转90°，油腔中的油液在重物G的作用下，流回油箱，活塞11就下降并恢复到原位。通过对液压千斤顶工作过程的分析可知，液压传动的工作原理是以油液作为工作介质，依靠密封容积的变化来传递运动，依靠油液内部的压力来传递动力。液压传动装置实质上是一种能量转换装置，即实现机械能→液压能→机械能的能量转换。2、液压图形符号机床工作台液压系统的图形符号图－油箱－滤油器－液压泵－溢流阀－开停阀－换向阀－活塞液压缸－工作台下图为机床工作台液压系统的图形符号图(4)辅助元件如油箱、油管、滤油器等。其作用是输送液体、储存液体、过滤液体、密封等，以保证液压系统正常工作所必需的部分。(5)传动介质即液体。(2)执行元件：即液压缸或液压马达。其作用是将液压能重新转化成机械能，克服负载，带动机器完成所需的运动。3、液压系统的组成(1)动力元件：即液压泵。它可将机械能转化成液压能，是一个能量转化装置。(3)控制元件：即各种控制阀。其作用是控制液体压力、流量和方向。如各种压力阀、流量阀和换向阀。液压泵和液压马达的工作原理齿轮泵和齿轮马达叶片泵和叶片式马达柱塞泵和柱塞式液压马达§8.2液压泵和液压马达液压泵和液压马达都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成为油液的压力能，再以压力、流量的形式输入到系统中去，它是液压系统的动力源；液压马达则将输入的压力能转换成机械能，以扭矩和转速的形式输送到执行机构做功，是液压传动系统的执行元件。在液压传动系统中，液压泵和液压马达都是容积式的，依靠容积变化进行工作。从能量转换的观点来看，液压泵与液压马达是可逆工作的液压元件，向任何一种液压泵输入工作液体，都可使其变成液压马达工况;反之，当液压马达的主轴由外力矩驱动旋转时，也可变为液压泵工况。但在实际中由于性能及结构对称性等要求不同，一般情况下，液压泵和液压马达不能互换。轴向柱塞泵径向柱塞泵叶片泵齿轮泵定量泵轴向柱塞泵叶片泵变量泵泵泵的分类：低速液压马达轴向柱塞马达径向柱塞马达齿轮马达定量马达轴向柱塞马达变量马达马达马达的分类：一、液压泵的基本工作原理图中为单柱塞泵的工作原理。凸轮由电动机带动旋转。当凸轮推动柱塞向上运动时，柱塞和缸体形成的密封体积减小，油液从密封体积中挤出，经单向阀排到需要的地方去。当凸轮旋转至曲线的下降部位时，弹簧迫使柱塞向下，形成一定真空度，油箱中的油液在大气压力的作用下进入密封容积。凸轮使柱塞不断地升降，密封容积周期性地减小和增大，泵就不断吸油和排油。容积式液压泵液压泵是靠密封容积的变化来实现吸油和压油的，故可称为容积泵。其工作过程就是吸油和压油过程。要保证液压泵正常工作，必须满足以下条件：1．应具备密封工作容积，并且密封容积应能不断重复地由小变大，再由大变小。2．要有配油装置，在吸油过程中必须使油箱与大气相通，容积减小时向系统压油。容积式液压泵的共同工作原理如下：（1）容积式泵必定有一个或若干个周期变化的密封容积。密封容积变小使油液被挤出，密封容积变大时形成一定真空度，油液通过吸油管被吸入。密封容积的变换量以及变化频率决定泵的流量。（2）合适的配流装置。不同形式泵的配流装置虽然结构形式不同，但所起作用相同，并且在容积式泵中是必不可少的。容积式泵排油的压力决定于排油管道中油液所受到的负载。容积式液压泵的共同工作原理如下：定量泵变量泵双向定量泵双向变量泵定量马达变量马达双向定量马达双向变量马达齿轮泵是液压泵中结构最简单的一种泵，它的抗污染能力强，价格最便宜。但一般齿轮泵容积效率较低，轴承上不平衡力大，工作压力不高。齿轮泵的另一个重要缺点是流量脉动大，运行时噪声水平较高，在高压下运行时尤为突出。齿轮泵主要用于低压或噪声水平限制不严的场合。一般机械的润滑泵以及非自吸式泵的辅助泵都采用齿轮泵。从结构上看齿轮泵可分为外啮合和内啮合两类，其中以外啮合齿轮泵应用更广泛。1、齿轮泵外啮合齿轮泵工作原理由泵体2、一对啮合齿轮1和5、前后两端盖和传动轴6和7等组成。泵体、端盖和齿轮的各齿间形成两个互不相通的密封容积3和4。当齿轮按图示方向旋转时，K点右侧两轮齿脱开啮合，使密封容积逐渐增大，形成局部真空，油箱中油液在大气压作用下经油管被吸入油腔3，充满齿间。随着齿轮旋转，油液被带到油腔4。由于油腔4的轮齿逐渐进入啮合，故密封容积不断减小，从而使齿槽间的油液被逐渐挤出，通过压油腔4被送入系统中。故3为吸油腔，4为压油腔。在啮合过程中啮合点沿啮合线移动，把这两区分开，起配流作用。当齿轮不断旋转时，齿轮泵连续不断地重复吸油和压油的过程，不断向系统供油。图为外啮合齿轮泵实物结构3、困油外啮合齿轮泵的几个问题1、泄漏2、径向力1、齿轮泵的泄漏1)齿顶圆与壳体内孔之间的径向间隙；2)齿轮端面与侧盖之间的轴向间隙；3)齿宽方向上的不完全啮合造成的齿面间隙。泄漏途径：其中，途径2）是最主要的泄漏途径，约占总泄漏的75％～80％。2、径向力不平衡解决措施：1、开平衡；2、缩小压油口。3、困油现象解决措施：开卸荷槽2、齿轮马达齿轮马达的工作原理图为外啮合齿轮马达的工作原理图。图中P点为两齿轮的啮合点，当压力油进入齿轮马达时,压力油分别作用在两个齿面上。由图可知，在两个齿轮上各有一个使其产生转矩的作用力，两齿轮便按图示方向旋转，齿轮马达输出轴上也就输出旋转力矩。齿轮马达和齿轮泵在结构上的主要区别如下：（1）齿轮泵一般只需一个方向旋转，为了减小径向不平衡液压力，因此吸油口大，排油口小。而齿轮马达则需正、反两个方向旋转，因此进油口大小相等。（2）齿轮马达的内泄漏不能像齿轮泵那样直接引到低压腔去，而必须单独的泄漏通道引到壳体外去。因为马达低压腔有一定背压，如果泄漏油直接引到低压腔，所有与泄漏通道相连接的部分都按回油压力承受油压力，这可能使轴端密封失效。齿轮马达和齿轮泵的主要区别（3）为了减少马达的启动摩擦扭矩，并降低最低稳定转速，一般