液压传动

第八章液压传动本章主要介绍的内容有：第一节液压传动概述第二节液压元件第一节液压传动概述本节主要介绍的内容有：●液压传动的工作原理●液压系统的表示方法与组成●液压油一．液压传动的工作原理图8-1为液压千斤顶的工作原理图。液压缸和连通构成一个密封容器，里面充满油液。在放油阀关闭的情况下，将手柄1提起时，活塞2便向上移动，使液压缸下腔密封容积增大而形成负压。这时钢球将连通道关闭，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。将手柄压下时，活塞则向下移动，液压缸下腔密封体积减小，腔内油液压力升高，这时钢球将油液流回油箱的通道关闭，液压缸下腔压力油顶开钢球进行液压缸下腔，推动活塞上升，顶起重物。如此反复地提压手柄，油液就不断地进入液压缸下腔，推动活塞7不断上升，达到起重目的。若将放油阀开通，则在重物的重力G作用下，液压缸下腔的油液流回油箱，活塞下降到原位。图8-2是液压千斤顶的工作原理简图。从上述例子可以看出：液压千斤顶是一个简单的液压传动装置。分析液压千斤顶的工作过程，可知液压传动是以液体为工作介质来传：动的一种传动方式，它依靠密封容积的变化传递运动，依靠液体内部的压力（由外界负载所引起）传递动力。液压传动系统本质是一种能量转换装置，它先将机械能转换为便于输送的液压能，随后又将液压能转换为机械能而做功。图8-1和图8-2二．液压系统的表示方法与组成图8-3所示为某机床工作台的液压系统图。当扳动换向阀的手柄7使阀芯向右时，液压泵在电机的带动下从油箱中吸油，将电能转换为泵出口处油液的液压能。压力油经节流阀和换向阀后进入液压缸的左腔，推动活塞克服负载阻力从而带动工作台向右作直线运动，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，使液压缸克服负载阻力向左运动。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。使用图形符号可使液压系统简单明了，便于阅读、分析、设计和绘制，如图8-2b所示。图8-3机床工作台液压系统液压系统的组成（1）动力元件——液压泵其作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，是一种能量转换装置。（2）执行元件——液压缸或液压马达。其作用是将液压泵输出的液体压力能转换成工作部件运动的机械能，也是一种能量转换装置。（3）控制元件——各种液压阀。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。（4）辅助元件——油箱、油管、过滤器、密封件和压力表等。其作用是保证液压系统能正常工作。（5）工作介质——液压系统的工作介质为液体，一般为液压油。液压系统通过介质实现运动和动力的传递。三．液压油1．液压油的种类液压传动及液压控制系统所用工作介质主要可分为石油型（矿物型）、合成型和乳化型三大类，其品种及适用范围见表8-1。2．液压油的物理性质（1）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。式中：m－体积为V的液体的质量，kg；V－液体的体积，m3。提示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。（2）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。提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。表8-1常用液压油的使用范围（3）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。动力粘度μ（也称为绝对粘度）指的是液体在单位速度梯度下流动，液层之间单位面积上产生的内摩擦力。液体只有在流动时才会呈现出粘性，静止的液体不呈现粘性。运动粘度v，则定义为动力粘度与液体的密度之比，即v=μ/p，其国际单位制单位是斯（St，m2/s），常用单位是厘斯（cSt，lcSt=10-6St）。液体的粘度受温度的影响较大，温度升高粘度显著降低，温度降低粘度显著升高。液体粘度随温度变化的特性称为粘温特性。压力变化对液体的粘度也有影响，压力高时粘度大，反之则小。3．液压油的选用为了较好地适应液压系统的工作要求，液压油一般应具有如下基本性能：（1）合适的粘度，良好的粘温特性。（2）质地纯净，杂质少，有良好的润滑性能。（3）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。（4）对热、氧化、水解和剪切有良好的稳定性。（5）体积膨胀系数小，比热容大。（6）流动点和凝固点低，闪点和燃点高。（7）对人体无伤害，成本低。在满足基本性能要求的前提下，一般要根据液压系统的使用要求和工作环境，以及综合经济性等因素确定液压油的品种。液压油的粘度主要根据液压泵的类型来确定，同时还要考虑工作压力范围、油膜承载能力、润滑性、系统温升程度、液压油与液压元件的相容性等因素。选用液压油时，还要考虑工作环境因素，例如：环境温度的变化范围、有无明火和高温热源、是否造成环境污染等。此外，选用液压油时还要综合考虑液压油的成本，以及连带的液压元件成本、使用寿命、维护费用、生产效率等因素。按液压泵类型推荐采用的液压油粘度见表8－2。表8-2按液压泵类型推荐采用的液压油粘度4．液压油的使用及其污染的控制（1）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。从外界侵入的主要是空气、尘埃、切屑、棉纱、水滴和冷却用乳化液等，在液压系统安装或修理时残留下来的污染物主要有铁屑、毛刺、焊渣、铁锈、沙粒和涂料渣等；在工作过程中系统内产生的污染物主要有液压油变质后的胶状生成物、密封件的剥离物和金属氧化后剥落的微屑等。（2）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。水分、清洗液等杂质会降低润滑性能并使油液氧化变质，使系统工作不稳定，产生振动、噪声、爬行及启动冲击等现象，使管路狭窄处产生气泡，加速元件腐蚀。（3）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、空气滤清器，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。第二节液压元件本节主要介绍的内容有：●液压泵●液压缸●液压控制阀一．液压泵液压泵是液压系统的动力元件，是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，表8-3所示为其图形符号。容积式液压泵液压传动系统中使用的液压泵都是容积式的。图8－4所示为单柱塞式泵的工作原理，偏心轮旋转时，柱塞在凸轮和弹簧的作用下在缸体中左右移动。当柱塞右移时，缸体中的密封工作腔容积变大，产生真空，油液便通过吸油阀吸入；当柱塞左移时，缸体中的油腔容积变小，已吸入的油液便通过压油阀输到系统中去。由此可见，泵是靠密封工作腔的容积变化来实现吸油和压油的，其输出流量的多少取决于密封工作腔容积变化的大小。根据以上分析，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，以使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。图8-4液压泵的工作原理1．齿轮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。齿轮泵多用于中等速度，作用力不大的简单液压系统。齿轮泵又有外啮合式和内啮合式两类。图8-5所示为外啮合齿轮泵的工作原理。在泵的壳体内有一对外啮合的渐开线直齿轮，齿轮两侧有端盖盖住（图中未示出）。图8-5外啮合齿轮泵工作原理２．叶片泵叶片泵有单作用式（非平衡式）和双作用式（平衡式）两大类，在中高压系统中得到了广泛的应用。叶片泵输出流量均匀，脉动小，噪声小，但结构较复杂，吸油特性不大好，对油液的污染也比较敏感。（1）单作用叶片泵工作原理如图8－6所示，定子具有圆柱形内表面，定子和转子间有偏心距e，叶片装在相对于转子旋转方向后倾的转子槽中，并可在槽中滑动。图中虚线所示为配流盘窗口。当转子按图示方向转动时，在离心力的作用下，叶片从槽中甩出顶在定子的内圆表面上。这种泵的转子每转一转完成一次吸油和压油，因此称为单作用式叶片泵。当转子不停地转动时，泵就不停地吸油和压油。图8-６单作用式叶片泵工作原理外反馈限压式变量叶片泵图8－7所示为外反馈限压式变量叶片泵的工作原理，它能根据外负载（泵出口压力）的大小自动调节泵的排量。图中转子的中心O1，固定不动，中心为O2的定子可左右移动。当泵的转子顺时针方向旋转时，转子上部为压油腔，下部为吸油腔。定子左边有一反馈柱塞，它的油腔与泵的压油腔相通，设反馈柱塞的受压面积为Ax，则作用在定子上的反馈力pAx：小于作用在定子右侧的弹簧力Ff时，弹簧把定子推向最左边，此时偏心达到预调值e0，泵的输出流量最大。当泵的压力升高到pAxFf时，反馈力克服弹簧预紧力推定子右移x距离，偏心减小，泵输出流量随之减小。压力愈高，偏心愈小，输出流量也愈小。当压力大到泵内偏心所产生的流量全部用于补偿泄漏时，泵的输出流量为零，此时泵为流量卸荷。不管外负载再怎样加大，泵的输出压力不会再升高，所以这种泵被称为限压式变量叶片泵。图8-7外反馈液压式变量叶片泵的工作原理（2）双作用叶片泵工作原理如图8-8所示，定子的内表面由两段长半径圆弧、两段短半径圆弧和四段过渡曲面组成，在与定子厚度相等且与定子同轴安装的转子上，均匀分布着相对于转子旋转方向前倾的径向斜槽，每个槽中装着一片叶片，转子通过花键与传动轴相连，配流盘上均布着四个腰形槽，分别与泵的吸油腔和压油腔连通，当转子转动时，叶片在根部压力油的作用下被压出紧顶在定子的内表面上。在转子转动一转的过程中每个密封容积各完成两次吸、压油，称为双作用叶片泵。图8-８双作用叶片泵工作原理3．柱塞泵柱塞泵是依靠柱塞在其缸体内往复运动时密封工作腔的容积变化来实现吸油和压油的。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。（2）径向柱塞泵工作原理如图8-10所示，衬套紧配在回转缸体孔内，随着回转缸体一起旋转，而配流轴则不动。当转子顺时针方向旋转时，柱塞一方面和转子一起旋转，另一方面又靠离心力（或在低压油作用下）压紧在定子内壁上。转子和定子间有偏心e。转子每转一转，柱塞在每个径向孔内吸油、压油各一次。二．液压缸液压缸属于执行元件，它是把压力能转换成往复直线运动机械能，输出推力和速度的能量转换装置。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，其应用比液压马达更为广泛。按结构形式可分为活塞式、柱塞式和组合式三大类；按作用方式可分为单作用式和双作用式两种。单作用液压缸的压力油只从缸的一侧输入，液压缸只能实现一个方向的运动，反向运动（回油）则需借助于弹簧力、重力等外力。双作用液压缸的压力油可以从缸两侧交替或同时输入，液压缸可以实现两个方向的往复运动。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。（1）单杆活塞缸如图8－11所示，活塞的一侧有伸出杆，两腔的有效工作面积不相等。当向缸两腔分别供油，且供油压力和流量相同时，活塞（或缸体）在两个方向的推力和运动速度不相等。图8-12单缸活塞缸差动连接如图8－12所示，单杆活塞缸两腔同时通入压力油，由于无杆腔工作面积比有杆腔工作面积大，活塞向右的推力大于向左的推力，故其向右移动，液压缸这种连接称为差动连接。单杆活塞缸差动连接时，能使运动部件获