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第10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。10.1液压传动的基本知识10.2液压元件10.3液压基本回路及液压系统10.4液压传动系统的拆装与分析（一）10.5液压传动系统的拆装与分析（二）10.1.1液压传动的工作原理图10.1是常见的液压千斤顶的工作原理图。它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10.1b）；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10.1c）。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。10.1.2液压传动的工作原理由上例可知，一般液压传动系统除油液外，应由下列几个部分组成（以图10.1为例）。（1）动力部分（液压泵）将输入的机械能转换为液压能，是系统的能源。如1、2、3、5、7组成的手动柱塞泵。（2）执行部分（液压缸或液压马达）将液压能转换为机械能，输出直线运动或旋转运动。如11、12组成的液压缸。（3）控制部分（控制阀）控制液体压力、流量和方向。如各种压力阀、流量阀和换向阀。（4）辅助部分（油箱、管路等）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。如油箱、油管、管接头、滤油器等。10.1.3液压传动系统的图形符号10.1.4液压传动的特点图10.2a为磨床工作台液压系统工作原理图，称为结构简图，这种图直观性强，较易理解，但图形复杂，难以绘制。为了简化液压系统图的绘制，世界各国都制定了一整套液压元件的图形符号，我国也制定了液压系统图形符号(GB/T786.1—2001)。图10.2b为用图形符号绘制的工作原理图，显然图形符号绘制方便，图面清晰简洁。液压传动与机械传动、电力传动等相比具有如下特点。1．优点(1)液压传动装置的输出力大，质量轻，体积小。(2)运动较平稳，能在低速下稳定运动；在设备运行过程中，能随时进行大范围无级调速，调速比可达2000：l。(3)操作方便、省力，易实现远距离操纵及自动控制。(4)可自动实现过载保护。(5)液压元件易于标准化、系列化和通用化，使用寿命较长，有利于生产与设计。2．缺点(1)易泄漏，传动效率低，传动比不如机械传动准确。(2)对元件的制造精度、安装、调整和维护要求较高，成本较高。(3)系统发生故障时，原因不易查明。10.1.5液压油的特性及选用液压油是液压系统的工作介质，也是液压元件的润滑剂和冷却剂，液压油的性质对液压传动性能有明显地影响。因此有必要了解有关液压油的性质、要求和选用方法。1．液压油的性质(1)密度单位体积油液的质量称为密度，单位为，用ρ表示常用液压油的密度为850～960。密度随压力的增加而提高，随温度的升高而减小，但变化很小，一般可以忽略不计。(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)粘性是指液体在外力作用下流动时，由于液体分子间的内聚力而产生阻止液体内部相对运动而产生的一种内摩擦力，这种现象叫做液体的粘性。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。2．液压油的选用在选择液压油时应根据工作要求和液压油有关性质，主要有以下几个方面。(1)粘度适当，且粘度随温度的变化值要小。(2)化学稳定性好。在高温、高压等情况下使用的液压油，能经常保持原有化学成分。(3)杂质少。杂质会堵塞元件中的缝隙、小孔，影响系统正常工作或降低元件的寿命。(4)闪点高，凝固点低。闪点高时能满足防火要求。凝点或倾点低时能在较低温度下工作。3kgm3kgm10.1.6液压传动的两个重要参数液压传动的两个重要参数是压力和流量。1．压力（1）压力的概念图10.3所示为一密闭容器，容器内静止的油液受到外力和油液自重的作用。由于在液压系统中，通常是外力产生的压力比液体自重产生的压力大得多，为此可将液体自重产生的压力忽略不计。静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力，简称为压力。用公式表示为式中:p——压力(法定计量单位为Pa，压力值较大时用KPa或MPa)；F——油液受到的外力(N)；A——液体表面承压面积(m2)。FpA静压力具有两个特性：①油液内任意点受到的各方向的静压力都相等；②静压力的方向为垂直指向受压表面。（2）静压传递原理（帕斯卡原理）在密封容器内施加于静止液体任一点的压力将以等值传递到液体中各点，这就是静压传递原理，又称帕斯卡原理（图10.4）。图10.4中，设互相连通的两缸A和B的面积分别为A1、A2，作用力为和，则容器的压力分别为,.根据静压传递原理有故上式表明，只要A2／Al足够大，就可用较小的力F1产生很大的力F2（负载力），若A2／Al为一定值，则F2越大，所需的力F1也越大，密封缸中的B压力也越大；若F2很小，则压力也很小，当F2=0时，p=0。111FpA222FpA12ppp1122FAFA10.1.6液压传动的两个重要参数2．流量和平均流速(1)流量流量是指单位时间内流过管道或液压缸某一截面的油液体积，通常用Q表示。若在时间t内，流过管道或液压缸的油液体积为V，则流量为Q=V/t.(2)额定流量额定流量指的是按试验标准规定，系统连续工作所必须保证的流量，是液压元件的基本参数，应符合公称流量系列。(3)平均流速平均流速是一种假想的流速，即按通流截面上各点流速相同所计算的流量，来代替实际的流量，即v=Q/A.由于油液之间和油液与管壁之间的摩擦力大小不同，故在油液流动时，在同一截面上各点的真实流速并不相同，故用平均流速作近似计算。(4)活塞(或缸)运动速度与流量的关系活塞(或缸)的运动是由于进入的油液迫使容积增大而产生的，因此活塞(或缸)运动速度与进入油液流量有直接关系。活塞(或缸)随油液流动而移动，因此活塞的运动速度与油缸的液体的流速相同。活塞(或缸)运动速度与活塞有效作用面积和流量之间的关系为：v=Q/A.(5)液流连续性原理液体在管中作稳定流动时，由于液体是几乎不可压缩的，则液体在流动过程中遵守质量守恒定律，在单位时间内液体通过任意截面的液体质量相等，就是说，液体流过无分支管道时在任一截面上的流量一定是相等的，这就是液流连续性原理(如图10.5所示)。Q1=Q2A1v1=A2v2式中：Al、A2——截面1、截面2的面积，单位为（m2）；v1、v2——液体通过截面1、截面2的流速，单位为m／s(米／秒)。10.1.6液压传动的两个重要参数3．压力损失、流量损失和功率(1)液阻和压力损失油液由液压泵输出到进入液压缸，其间要经过直管、弯管、各种阀孔等，由于油液具有粘性，油液各质点之间，油液与管壁之间会产生摩擦、碰撞等，对液体的流动产生阻力，这种阻力称为液阻。液阻要损耗一部分能量。这种能量损失主要表现为液流的压力损失。压力损失可分为沿程损失和局部损失。沿程损失是液流经直管中的压力损失，而局部损失是液流经管道截面突变或管道弯曲等局部位置的压力损失。压力损失会造成功率浪费，油液发热、泄漏增加，使液压元件受热膨胀而“卡死”，所以必须尽量减少液阻，以减少压力损失。(2)泄漏和流量损失液压元件不可能绝对密封，总会有一定的间隙，当间隙两端有压力差时，就会有油液从这些间隙流出。从液压元件的密封间隙漏出少量油液的现象叫泄漏。泄漏分为内泄漏和外泄漏两种（图10.6）。内泄漏是液压元件内部高、低压腔内的泄漏，外泄漏是系统内部油液漏到系统外部。泄漏必然导致流量损失，使液压泵输出的流量不能全部流入液压缸等执行元件，从而影响液压元件的性能和液压系统的正常工作。(3)液压传动功率的计算功率是单位时间内所作的功，用P表示，单位为W(瓦)或kW(千瓦)。10.1.6液压传动的两个重要参数①液压缸的输出功率因为功率等于力和速度的乘积，所以液压缸输出功率就等于负载阻力F和活塞(或缸)的运动速度的乘积，即PFv由于，所以液压缸输出功率可写为FpA缸缸Q，v=APpQ缸缸缸式中：P缸——液压缸的输出功率(W)；p缸——液压缸的最高工作压力(Pa)；Q缸——液压缸的最大流量(m3/s)。②液压泵的输出功率PpQ泵泵泵式中：P泵——液压泵的输出功率(w)；p泵——液压泵的最高工作压力(Pa)；Q泵——液压泵输出的最大流量(m3/s)，对定量泵而言，即为该泵的额定流量。由于油液在管道中流动时有压力损失和流量损失，因此液压泵的输出功率应大于液压缸的输出功率。③驱动液压泵的电动机功率的计算由于存在机械摩擦、内泄漏等因素，故电动机(原动机)功率应比液压泵输出功率要大，两者之比用表示，即PP泵总电式中：η总——液压泵的总效率(外啮合齿轮泵的一般取0.63～0.9；叶片泵的取0.75～0.85；柱塞泵的取0.8～0.9，或参照液压泵的产品目录)；P泵——液压泵的输出功率，kW；P缸——驱动液压泵的电动机功率，kW。驱动液压泵的电动机功率为PpQP泵泵泵电总总10.2.1液压泵液压泵作为液压系统的动力元件，是液压系统的重要组成部分。它能将原动机(如电动机)输入的机械能转换为液压能的能量转换元件。液压泵的性能好坏直接影响到液压系统的工作性能和可靠性。1．液压泵的工作原理图10.7所示为单柱塞泵，它由偏心轮1、柱塞2、弹簧3、泵体4和单向阀5、6组成，柱塞2安装在泵体4内，柱塞在弹簧3的作用下与偏心轮1接触。当偏心轮1转动时，柱塞2便在泵体内上下往复运动。柱塞2与泵体4构成一个密封容积a。当柱塞向下运动时，密封油腔a的容积逐渐增大，形成局部真空，油箱7中的油液在大气压作用下，顶开单向阀5进入油腔，液压泵吸油。当柱塞向上运动时，密封油腔a的容积逐渐缩小，使油液受到挤压而产生一定的压力，这时单向阀5关闭，密封容积中的油液顶开单向阀6，沿油路到执行元件，完成压油。若偏心轮不停地转动，柱塞就不停地上、下往复运动，泵就不断地从油箱吸油向系统供油。由上可知：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。10.2.1液压泵2．液压泵主要类型(1)齿轮泵按其啮合形式可分为外啮合式和内啮合式两种。工作原理图如图10.8所示，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。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。(2)叶片泵分为单作用式