液压基础及元件 -液压概述

液压基础及元件主讲人：赵明辉1液压概述液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。液压系统利用液压泵将原动机（如电机和内燃机）的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件(油缸或马达)把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动、回转运动和复合运动。液压传动控制是工业中经常用到的一种控制方式，它采用液压完成传递能量的过程。因为液压传动控制方式的灵活性和便捷性，液压控制在工业上受到广泛的重视，在工程机械上得到广泛应用。2液压传动利用各种元件来组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成为完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换和控制。3液压传动的基本原理-帕斯卡原理液压传动所基于的最基本的原理就是帕斯卡原理，即：液体各处的压强是一致的，这样，在平衡的系统中，比较小的活塞上面施加的压力比较小，而大的活塞上施加的压力也比较大，这样能够保持液体的静止。所以通过液体的传递，可以得到不同端上的不同的压力，这样就可以达到一个变换的目的。我们所常见到的液压千斤顶就是利用了这个原理来达到力的传递。4液压传动系统的组成机床工作台液压系统图1-油箱；2-过滤器；3-液压泵；4-溢流阀；5-手动换向阀；6-节流阀；7-换向阀；8-活塞；9-液压缸5一个完整的液压传动系统的组成：1.液压动力元件：是将原动机的机械能转换成液体压力能的元件，其作用是向液压系统提供压力油，液压泵是液压系统的心脏。2.执行元件：把液体压力能转换成机械能以驱动工作机构的元件，执行元件包括液压缸和液压马达3.控制元件：包括压力、方向、流量控制阀，是对系统中油液压力、流量、方向进行控制和调节的元件。4.辅助元件：起辅助作用的元件，如管道、管接头、油箱、滤油器等为辅助元件。5.工作介质：液压油，是动力传递的载体。6工作介质液压传动及控制所用的工作介质为液压油及其他合成液体，其应具备的功能为：1.传动把由液压泵赋予的能量传递给执行元件。2.润滑润滑液压泵、液压阀、液压执行元件等运动件。3.冷却吸收并带出液压装置所产生的热量。4.防锈防止液压元件所用金属的锈蚀。7液压油的物理性质1密度矿物型的密度一般为850~960kg/m3。液压油的密度随温度的升高而略有减小，随着工作压力的升高而略有增加。通常对这种变化忽略不计。2.可压缩性液体因所受压力的增高而发生体积缩小的性质称为可压缩性。液体的可压缩性常用体积压缩系数β或体积弹性模量K表示。pV/V00V/VP1KV0——压力变化前的体积ΔP——压力变化值ΔV——在ΔP的作用下液体体积的变化值8对于石油基液压油，其体积弹性模量是钢材的1/100~170，亦即其可压缩性是钢材的100~170倍。液压油的体积弹性模量与压力、温度等相关：当温度升高时，K值将减小；当工作压力增大时，K值会增大。当液压油中混入气体后，液体的体积弹性模量将大大下降。3.粘性当流体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，分子间的内聚力阻止分子间相对运动而产生一种内摩擦力，流体的这种特性成为粘性。粘性的大小用粘度表示。我们常说的46号或68号液压油就是指液压油在50℃时的运动粘度约为46或68cSt。粘温特性：温度变化使液体的内聚力发生变化，因此液体的粘度对温度的变化非常敏感：温度上升，粘度下降，这一特性称为粘温特性。9常用液压件最佳工作粘度上极限工作粘度下极限工作粘度10压力对粘度的影响压力增大时，液体分子间的距离缩小，内聚力增加，粘度也会增加。但这种变化在低压时并不明显，可以忽略不计；当压力大于50Mpa时，其影响才趋于显著。工作介质的其它特性：稳定性、润滑性、防锈和抗腐蚀性、抗泡性、消泡性、抗乳化性等等。液压油的污染度液压系统在装配和使用过程中，工作介质中会混入各种有害物质，如固体颗粒、水、空气、化学物质、微生物等。污染度表示液压油的污染程度，目前国际上较为通用的现行标准主要为NAS1638和ISO4406。11NAS1638美国宇航学会标准左表中的颗粒数为100ml液压油的颗粒数12ISO4406标准标准中采用两个数码表示，如18/15，前面的数码表1ml液压油中大于5μm的颗粒数,后面的数码代表1ml液压油中大于15μm的颗粒数1321/181220/171119/161018/15917/14816/13715/12614/11513/10412/9311/8210/719/608/500ISO4406NAS1638工程机械要求的污染度14桶中的新油20/18新安装系统内在的污染物22/2015液压传动系统的特点液压传动的应用性是很强的，除了传统意义上的液压传动技术外，液压控制系统和智能控制技术、计算机控制技术结合起来，形成了机电液一体化，这样就能够在更多的场合中发挥作用，也可以更加精巧的、更加灵活地完成预期的任务。液压系统特点：可靠、精确、灵活；很高的功率密度；快速的起动、停止特性；反向运动的平稳性和精密性；操作上的简单性；16液压系统的主要优点：热交换与润滑性；小尺寸大作用力(功率密度大)；响应快（起、停、反向）；工作条件可好可坏（连续、断续、反向、失速）；执行器可直线、可旋转，灵活；刚性大。17液压系统的主要缺点：液压源不如电源易获得；费用可能比电气高；存在失火、爆炸的危险；维护难；油污染产生事故；非线性等，难完善设计；阻尼特性较差，存在不稳定问题。18液压传动的基本参数1压力：单位面积上的液体力。压力的单位是帕、兆帕和巴。1pa=1N/m21Mpa=106pa1Mpa=10bar根据度量基准的不同，压力有两种表示方法：以绝对零压力为基准所表示的压力，称为绝对压力；以当地大气压力为基准所表示的压力，称为相对压力。绝大多数测量仪因其外部承受大气压力的作用，所以仪表指示的压力是相对压力。如果液体中某点处的绝对压力小于大气压力，这是该点的绝对压力比大气压力小的那部分压力值，成为真空度，即：真空度=大气压力-绝对压力19阀口流量基本公式：QAP2QXWP2---流量系数;A--阀口通流面积;X--阀口轴向开度(位移);W--阀口周向开度;--液体密度;P---阀口前后压力差;2流量：单位时间内流过某一截面的液体体积。流量的单位是m3/s,1m3/s=60000L/min。20同一时间里左面油缸压出的油必然等于右面油缸流进的油，运动速度和横截面积成反比：Advd＝ADvD3功和功率W=FS21流体力学的几个常识性规律1流量连续性方程：q=vA=常数，即在恒定流动中，通过流管各截面的不可压缩性液体是相等的。2伯努利方程：又称能量方程，它实际上是流动液体的能量守恒定律：常数guZ2gP2任意断面的平均流速。—垂直高度；断面中心距离基准面的—重力加速度；—密度；—压力；—uZgP比动能。—比势能；—比压能；—g2uZgP222在管内作稳定流动的理想流体具有比压能、比势能和比动能，它们之间可以相互转换，但在任意截面处其总和不变，即能量守恒。3动量方程：)VV(QF124液体的两种流态：层流和紊流层流：是指液体在流动时，液体质点间互不干扰，液体的流动呈线状或层状，且平行于管道轴线；紊流：液体质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴线的运动外，还存在着剧烈的横向运动。层流时，液体流速较低，质点受粘性制约，不能随意运动，粘性力其主导作用；紊流时，液体流速较高，粘性的制约作用减弱，惯性力其主导作用。235压力损失：实际液体是有粘性的，所以流动时要损耗一定能量，这种能量损失表现为压力损失。损耗的能量转变为热量，使液压系统温度升高，甚至性能变差。液体在流动时产生的压力损失分为两种：一种是液体在等径直管内流动时因摩擦而产生的压力损失，称为沿程压力损失；由上式可以看出，流体在等径管中作层流流动时，其沿程压力损失与管路长l、平均流速v、粘度ρ成正比，而与管径的平方成反比。2vdP2l平均流速。—粘度；—管路长度；—沿程阻力系数；—沿程压力损失；—vPl24另一种压力损失是液体流经管道的弯头、接头、阀口以及突然变化的截面处时，因流速或流向发生急剧变化而在局部区域产生流动阻力所造成的压力损失，称为局部压力损失：2P2液体的平均流速。—局部阻力系数；—液体的密度；—局部压力损失；—P液压系统管路的总的压力损失为系统中所有沿程压力损失及所有局部压力损失之和，即：PPP256液压冲击：在液压系统中，由于某种原因致使系统或系统中某局部压力瞬时急剧上升，形成压力峰值的现象称为液压冲击。液压冲击时产生的压力峰值往往比正常工作压力高出几倍。液压冲击产生的原因：1、流体具有惯性。当液流通道迅速关闭或液流迅速换向时（或突然制动时），液流速度的大小或方向发生突然变化，流体的惯性将导致液压冲击。2、运动部件（负载）本身具有惯性。运动部件由液压驱动，当其突然制动或换向时，因运动部件具有惯性、此时也将导致系统发生液压冲击。液压冲击产生的危害：1.巨大的压力峰值使液压元件，尤其是液压密封件遭受破坏；2.系统产生强烈振动及噪声并使油温升高；3.使压力控制元件，如压力继电器、顺序阀等产生误动作，造成设备故障及事故。减少液压冲击应采取的措施：1、延缓阀门关闭或运动部件制动、换向的时间；2、限制管中液流速度；3.在系统中的冲击源附近甚至蓄能器或安全阀；4、在液压元件中设置缓冲装置、阻尼孔、卸荷槽等；5、采用橡胶软管吸收一定的液压冲击能量。266气穴现象与气蚀：气穴现象：在流动的液体中，由于压力过分降低（低于其空气分离压）而有气泡形成的现象称为气穴现象。气穴现象产生的原因：液压油中总含有一定量的空气，对于矿物油性的液压油（常温时，在标准大气压力下）有6%~12%的溶解空气。当液体流动中某处压力下降到低于空气分离压时，溶解到空气中的空气将突然从油液中分离出来而产生大量气泡。所以，产生气穴现象的原因是压力的过度下降。气穴对系统产生的危害：气穴的产生破坏了油液的连续状态。当所形成的气泡随着液流进入高压区时，气穴的体积将急速缩小或溃灭。这一过程瞬时发生，从而产生局部液压冲击，其动能迅速转变为压力能及热能，使局部压力及温度急剧上升（局部压力可达数百甚至上千个大气压，局部温度可达1000℃），并引起强烈的振动及噪声。过高的温度将加速工作液的氧化变质。如果这个液压冲击作用在金属表面上，金属壁面在反复液压冲击、高温及游离出来的空气氧的侵蚀下降产生剥落，这种现象通常称为气蚀。27预防气穴及气蚀所采取的措施：1、减小孔口及缝隙前后压力差，使孔口或缝隙前后压力之比P1/P2〈3.5；2、限制泵吸油口至油箱油面的安装高度，尽量减少吸油管道中的压力损失；3.提高各元件接合处管道的密封性，尽量防止空气渗入到液压系统中；4、对于易产生气蚀的零件采用抗腐蚀强的材料，增加零件的机械强度，并降低表面粗糙度；5、当拖动大负载运动液压执行元件因换向或制动在回油腔产生液压冲击的同时，会使原进油腔压力下降而产生真空。为防止气穴，应在系统中设置补油系统。