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液压与气压传动 课件制作人 北京联合大学田宏宇刘建 液压与气压传动是以流体 液压油或气体 为工作介质进行能量传递和控制的一种传动形式 课程内容 液压传动 流体力学基础 液压元件及辅件 基本回路 气压传动 气体基础知识 气动元件及辅件 基本回路 第一章绪论 目录 第二章液压流体力学基础 第三章液压泵与液压马达 第四章液压缸 第五章液压控制阀 第六章液压辅助装置 第七章液压基本回路 第八章液压系统实例 第九章液压系统的设计计算 第十章气动基础及元件 第十一章气动基本回路及气动系统 1 1液压与气压传动的应用与发展 1 2液压与气压传动的工作原理 1 3液压与气压传动的组成 1 4液压与气压传动的优缺点 第1章绪论 液压与气压传动简介 第1章绪论 研究对象 研究的是以有压流体 液压液或压缩空气 作为传动介质来实现机械传动和自动控制的一门学科 其实质研究的是能量转换 即 机械能 压力能 机械能学习方法 类比电器设备 电子元件 电路 系统液压系统 液压和气动元件 回路 系统 制造设备常见的传动方式 机械传动 通过齿轮 齿条 蜗轮 蜗杆等机件直接把动力传送到执行机构的传递方式 最早出现在17世纪 电气传动 利用电力设备 通过调节电参数来传递或控制动力的传动方式 出现在100年前 流体传动 液压与气压传动大力发展于1945年 二战后期 液体传动 液压传动 利用液体静压力传递动力 液力传动 利用液体流动动能传递动力 气体传动 气压传动 气力传动 液压传动的工作原理 利用液体压力能实现运动和动力的传动方式 动画 第1章绪论 由帕斯卡原理可知 受力平衡时 动画 P 液压系统的压力 分析 当两液压缸活塞的面积不变时 负载F2变化 将引起P变化 即液压系统的压力取决于外负载 第一个特征 液压系统的压力取决于外负载 设 大 小液压缸活塞面积分别为A2和A1大液压缸所受负载为F2 作用于小液压缸上的力为F1 1 动力传递 第1章绪论 2 运动的传递 若设 大 小液压缸活塞位移平均速度分别为v2和v1 由于从小液压缸排出液体的体积等于进入大液压缸液体的体积 则有 q 分析 液压传动是靠密闭工作容积变化相等的原则实现运动传递的 改变进入大液压缸的流量q 即可改变其活塞的运动速度v2 第二个特征 液压传动的速度大小取决于流量 流量 第1章绪论 第1章绪论 由上述分析可知 系统的工作压力取决于负载 而与流量大小无关 当A2 A1 只要施加很小的力F 就可举起很重的物体 这就是液压千斤顶的原理 压力和流量是液压系统中两个最基本的参数 1 3液压与气压传动的组成 以图示磨床工作台为例 第1章绪论 1 3液压与气压系统组成 能源装置 机械能转换成液压能 液压泵或空气压缩机 执行元件 压力能转换成机械能输出 液压缸 马达 控制元件 对流体的压力 流量和流动方向进行控制和调节 各种的阀 辅助元件 如油箱 管件等 第1章绪论 第1章绪论 历史 1650年的帕斯卡原理1795年第一台水压机 英国 发展 第二次世界大战及战后 目前 液压技术与传感技术 微电子技术的结合 出现诸如电液比例阀 数字阀 电液伺服液压缸等机 液 电一体化的元器件 从而使液压与气压传动在众多工业领域广泛应用 例如发达国家95 的工程机械 90 的数控加工中心 95 以上的自动线 未来 液压与计算机的结合 如CAD CAT和计算机实时控制等 液压与气压系统的应用及发展 液压系统的职能符号 气动与液压 图形符号标准已制定国家标准GB T786 93 第1章绪论 1 4液压与气压传动的优缺点 优点 1 体积小 重量轻 结构紧凑 指液压传动 2 冲击小 3 实现大范围无级调速 4 操纵方便 省力 5 易实现过载保护 6 自润滑 寿命长 7 易实现标准化 系列化 通用化 第1章绪论 第1章绪论 缺点 1 不能保证准确的传动比 泄漏和可压缩性引起 2 传动效率低 不适合远距离传动 3 对温度敏感 4 制造精度高 价格贵 5 要有单独的能源 6 易泄漏污染 指液压系统 7 故障不易排除 1 4液压与气压传动的优缺点 液压气压传动的应用 工程机械 机器人 隧道工程 采矿 道路交通工程机械领域 压路机 挖掘机 铲运车 液压气压传动的应用 第2章液压流体力学基础 2 1液压油液 本章重点 流体的粘性的意义与度量 理解帕斯卡原理 连续性方程意义与应用 薄壁孔口流量压力关系 本章难点 管路液阻特性 动量方程 孔口流动 孔口是流体控制的基本单元 为了深入理解各种孔口的流量压力关系 安排液阻特性实验 2 2液压静力学 2 3液体动力学 2 4管道流动 2 5孔口流动 2 6缝隙流动 2 7液压冲击和气穴现象 第2章液压流体力学基础 各类液压泵适用的粘度范围 第2章液压流体力学基础 2 2液体静力学 静压力及其特性 静压力基本方程式 帕斯卡原理 静压力对固体壁面的作用力 主要内容 第2章液压流体力学基础 1 静压力及其特性 1 液体的静压力 静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力 A 0 若在液体的面积A上所受的作用力F为均匀分布时 静压力可表示为 液体静压力在物理学上称为压强 工程实际应用中习惯称为压力 第2章液压流体力学基础 2 液体静压力的特性液体静压力垂直于承压面 方向为该面内法线方向 液体内任一点所受的静压力在各个方向上都相等 第2章液压流体力学基础 2 静压力基本方程式 图2 2静压力的分布规律 重力作用下静止液体压力分布特点 静止液体中任一质点的总能量p g h保持不变 即能量守恒 任意一点压力由两部分组成 液面压力p0 自重形成的压力 gh 离液面深度相同处各点的压力相等 压力相等的所有点组成等压面 重力作用下静止液体的等压面为水平面 第2章液压流体力学基础 液体内的压力与液体深度h成正比 第2章液压流体力学基础 3 压力的表示法及单位 绝对压力 以绝对真空为基准进行度量 相对压力或表压力 以大气压为基准进行度量 真空度 绝对压力不足于大气压力的压力值 绝对压力 大气压力 表压力表压力 绝对压力 大气压力真空度 大气压力 绝对压力压力的单位 帕Pa N m2 兆帕Mpa 第2章液压流体力学基础 图示是应用帕斯卡原理的实例 作用在大活塞上的负载F1形成液体压力 p F1 A1为防止大活塞下降 在小活塞上应施加的力 F2 pA2 F1A2 A1 在密闭容器内 施加于静止液体的压力可以等值地传递到液体各点 这就是帕斯卡原理 也称为静压传递原理 由此可得知 液压传动可使力放大 可使力缩小 也可以改变力的方向 液体内的压力是由负载决定的 4 帕斯卡原理 第2章液压流体力学基础 当固体壁面为一平面时 液体压力在该平面的总作力等于液体压力与该平面面积的乘积 如液压缸受力 5 静压力对固体壁面的作用力 液体对固体壁面的作用力 当固体壁面为一曲面时 液体压力在该曲面某方向上的总作用力等于液体压力与曲面在该方向投影面积的乘积 例 求液压力作用在半圆筒内壁沿x方向作用力 解 过 取d 的一段微弧 沿圆筒长度方向则可认为是矩形 半圆筒内壁在x方向上投影面积 沿x方向力为 第2章液压流体力学基础 基本概念流量连续性方程伯努利方程动量方程 研究液体流动时流速和压力的变化规律 2 3液体动力学 第2章液压流体力学基础 恒定流动 液体流动时 液体中任一点处的压力 速度和密度都不随时间而变化的流动 称为恒定流动 亦称为定常流动或非时变流动 恒定流动演示 平均流速 假设通流截面上各点的流速均匀分布 则平均流速为v q A 理想液体 假设的既无粘性又不可压缩的流体称为理想液体 通流截面 垂直于流动方向的截面 也称为过流截面 流量 单位时间内流过某一通流截面的液体体积 流量以q表示 单位为 m3 s或L min 1 液体动力学基本概念 2 流量连续性方程 流量连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表达方式 任取1 2两个通流截面 根据质量守恒定律有 1v1A1 2v2A2不考虑液体的压缩性 则 1 2故得 q vA 常量 流量连续性方程说明了恒定流动中 流过各截面的不可压缩流体的流量是不变的 因而流速与通流截面的面积成反比 假设 液体在管内作恒定流动 第2章液压流体力学基础 第2章液压流体力学基础 1 理想流体的伯努利方程 伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表达方式 3 伯努利方程 说明压力能 势能和动能可以互相转换 但其总和不变 即能量守恒 第2章液压流体力学基础 2 实际流体的伯努利方程 实际流体存在粘性 流动时存在能量损失hw 用平均流速替代实际流速 为动能修正系数 在紊流时取 1 1 在层流时取 2 实际计算时常取 1 第2章液压流体力学基础 例1 如图示简易热水器 左端接冷水管 右端接淋浴莲蓬头 已知A1 A2 4和A1 h值 问冷水管内流量达到多少时才能抽吸热水 解 沿冷水流动方向列A1 A2截面的伯努利方程p1 g v12 2g p2 g v22 2g欲将热水吸入则有 p1 gh pa又 p2 pav1A1 v2A2代入得 h v12 2g v1 4 2 2gv1 32gh 15 1 2q v1A1 32gh 15 1 2A1 3 伯努利方程应用举例 第2章液压流体力学基础 列出1 1 2 2面伯努利方程 式中p1为大气压pa v1液面流速为零 v2吸油管流速 hw吸油管损失 例2应用伯努利方程分析油泵正常吸油条件 则 第2章液压流体力学基础 泵吸油口真空度由三部分组成 1 提升H高度所需压力 2 达到速度v所需压力 3 吸油管的压力损失 为减少泵口真空度措施 1 增大吸油管径 降低v 2 缩短吸油管长度 减少弯头 降低 p 3 降低安装高度 降低H 第2章液压流体力学基础 作用在液体控制体积上的外力总和等于单位时间内流出控制表面与流入控制表面的液体的动量之差 应用动量方程注意 F u是矢量 流动液体作用在固体壁面上的力与作用在液体上的力大小相等 方向相反 动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用 用来计算流动液体作用在限制其流动的固体壁面上的总作用力 4 动量方程 F q v2cos 2 v1cos 1 2 90 F qv1cos 1 阀芯对液体 F F qv1cos 1 液体对阀芯 例 求液流通过滑阀时 对阀芯的轴向作用力的大小 第2章液压流体力学基础 显然 液流有一个力图使阀口关闭的力 这个力称为液动力 第2章液压流体力学基础 研究液体在管道流动时的能量损失问题 主要内容 流态与雷诺数沿程压力损失局部压力损失 2 4液体流动中的压力损失 第2章液压流体力学基础 1 流态 雷诺数 动画 第2章液压流体力学基础 1 流态通过实验发现液体在管道中流动时存在两种流动状态 层流 流速较低 粘性力起主导作用紊流 流速较高 惯性力起主导作用液体的流动状态用雷诺数Re来判断 第2章液压流体力学基础 2 雷诺数实验表明 雷诺数为无量纲数 如果液流的雷诺数相同 它的流动状态亦相同 3 临界雷诺数一般以液体由紊流转变为层流的雷诺数作为判断液体流态的依据 称为临界雷诺数 记为Recr 当Re Recr 为层流 当Re Recr 为紊流 4 常见液流管道的临界雷诺数 见表2 1 第2章液压流体力学基础 2 沿程压力损失 p 液体在等直径管中流动时因摩擦而产生的损失 称为沿程压力损失 因液体的流动状态不同 沿程压力损失的计算有所区别 第2章液压流体力学基础 1 层流时的沿程压力损失 1 通流截面上的流速分布规律 第2章液压流体力学基础 2 通过管道的流量 第2章液压流体力学基础 3 管道内的平均流速 4 沿程压力损失 第2章液压流体力学基础 沿程压力损失也可写成 第2章液压流体力学基础 沿程阻力系数除了与雷诺数有关外 还与管道的粗糙度有关 即 为管壁的绝对粗糙度 d为相对粗糙度 紊流时的沿程阻力系数 的具体数值 可查相关手册 2 紊流时的沿程压力损失 第2章液压流体力学基础 3 局部压力损失 p 液体流经管道的弯头 接头 阀口等处时 液体流速的大小和方向发生变化 会产生漩涡并发生紊动现象 由此造成的压力损失称为局部压力损失 p 局部压力损失表达式 式中 为局部阻力系数 具体数值可查有关手册 第2章液压流体力学基础 整个液压系统的总压力损失应为所有沿程压力损失和所有的局部压力损失之和 2 5液体流经小孔及缝隙的流量 孔口流动 主要介绍孔口的流量公式及液阻特性 第2章液压流体力学基础 一般孔口边缘都做成刃口形式 当液流经过管道由小孔流出时 由于液体惯性作用 使通过小孔后的液流形成一个收缩断面 然后再扩散 这一收缩和扩散过程产生很大的能量损失 1 薄壁小孔 第2章液压流体力学基础 完全收缩 D d 7 液流收缩不受孔前通道的影响 称完全收缩 不完全收缩 D d 7 孔前通道对液流进入小孔起导向作用 称不完全收缩 第2章液压流体力学基础 对孔前 孔后通道断面1 1 2 2列伯努利方程 并设 1 1 流经薄壁小孔流量 其中的压力损失包括突然收缩和突然扩大两项损失 第2章液压流体力学基础 A0 小孔截面积 Cd 流量系数 Cd 0 60 0 61流量系数Cd的大小一般由实验确定 具体见相关手册 2 流经薄壁小孔流量公式 薄壁小孔因沿程阻力损失小 q对油温变化不敏感 因此多被用作调节流量的节流器 第2章液压流体力学基础 1 短孔流经短孔的流量Cd 0 82 短孔常用作固定节流器 2 短孔和细长孔 第2章液压流体力学基础 液流经过细长孔的流量和孔前后压差成正比 和液体粘度成反比 流量受液体温度影响较大 2 细长孔 流经细长孔的流量 第2章液压流体力学基础 3 平板缝隙 存在压差流动和剪切流动 通过平板缝隙的流量可由下式计算 在压差作用下 流量q与缝隙值h的三次方成正比 这说明液压元件内缝隙的大小对泄漏量的影响非常大 第2章液压流体力学基础 4 环形缝隙 注意 当圆柱体移动方向和压差方向相同时取正号 方向相反时取负号 同心圆柱环形间隙偏心环形间隙 通过同心圆柱环形缝隙的流量公式 第2章液压流体力学基础 流经偏心圆柱环形缝隙的流量公式 当偏心量e ho 即 1时 最大偏心状态 其通过的流量是同心环形间隙流量的2 5倍 因此在液压元件中应尽量使配合零件同心 为相对偏心率 e hoe为偏心量 h0 R r 第2章液压流体力学基础 5 圆锥环形间隙 顺锥 阀芯小端为高压 液流由小端流向大端 倒锥 阀芯大端为高压 液流由大端流向小端 阀芯存在锥度不仅影响流经间隙的流量 而且影响缝隙中的压力分布 如果阀芯在阀体孔内出现偏心 作用在阀芯一侧的压力将大于另一侧的压力 使阀芯受到一个液压侧向力的作用 第2章液压流体力学基础 6 液压卡紧现象 动画 倒锥的液压侧向力使偏心距加大 当液压侧向力足够大时 阀芯将紧贴孔的壁面 产生所谓液压卡紧现象 顺锥的液压侧向力则力图使偏心距减小 不会出现液压卡紧现象 为减少液压侧向力 一般在阀芯或柱塞的圆柱面开径向均压槽 使槽内液体压力在圆周方向处处相等 槽深和宽为0 3 1 0mm 第2章液压流体力学基础 2 6液压冲击和气穴现象 1 液压冲击液压冲击的类型 管道阀门突然关闭时的液压冲击运动部件制动时产生的液压冲击 第2章液压流体力学基础 减少液压冲击的措施 延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间 限制管道流速及运动部件的速度 适当增大管径 以减小冲击波的传播速度 尽量缩短管道长度 减小压力波的传播时间 用橡胶软管或设置蓄能器吸收冲击的能量 第2章液压流体力学基础 2 气穴现象 气穴现象的产生气穴现象多发生在阀口和泵的吸油口气穴现象的危害 减少气穴现象的措施 1 减小阀孔前后的压力降 一般使压力比p1 p2 3 5 2 尽量降低泵的吸油高度 减少吸油管道阻力 3 各元件联接处要密封可靠 防止空气进入 4 增强容易产生气蚀的元件的机械强度 第3章液压泵和液压马达 3 1概述 3 2齿轮泵与齿轮马达 3 3叶片泵与叶片马达 3 4柱塞泵与柱塞马达 本章介绍液压泵和液压马达原理 结构及在液压系统中的作用 本章重点 液压泵和液压马达功率和效率计算的基本方法 液压泵和液压马达工作原理 结构 参数以及选用 3 5柱塞式液压泵的合理使用 第3章液压泵和液压马达 液压泵作为液压系统的动力元件 将原动机输入的机械能转换为液压能输出 为液压系统提供足够流量的压力油 而液压马达是液压系统中的执行元件 是将液压泵提供的液压能转变为机械能的能量转换装置 3 1液压泵概述 1 以单柱塞泵为例 动画 偏心轮旋转一转 柱塞上下往复运动一次 向下运动吸油 向上运动排油 泵每转一转排出的油液体积称为排量 第3章液压泵和液压马达 1 液压泵基本工作原理 第3章液压泵和液压马达 2 液压泵正常工作的三个必备条件 必须具有一个由运动件和非运动件所构成的密闭容积 密闭容积的大小随运动件的运动作周期性的变化 实现吸油和压油 吸油腔与排油腔隔开 第3章液压泵和液压马达 1 液压泵和液压马达的压力工作压力 液压泵实际工作时的出口压力pp或液压马达的进口压力pm额定压力ps 正常工作条件下连续运转的最高压力 2 液压泵和液压马达的排量液压泵排量Vp 油泵每转所排出的油液体积 液压马达排量Vm 马达每转所需油液体积 常用单位为cm3 r ml r 2 液压泵的基本参数 第3章液压泵和液压马达 3 液压泵和液压马达理论流量 液压泵qpt 单位时间内理论上排出的油液体积 液压马达qmt 空载无流量损失下运转所需流量 qt nv 单位为m3 s或L min 4 液压泵和液压马达实际流量q 液压泵qp 单位时间内实际排出的油液体积 若泄漏流量为 qp 则 第3章液压泵和液压马达 液压马达qm 液压马达实际运转所需输入的流量 若泄漏流量为 则 第3章液压泵和液压马达 5 液压泵或液压马达的转速 额定转速ns 额定压力下能连续长时间正常运转的最高转速 最高转速nmax 额定压力下允许短时间运行的最高转速 最低转速nmin 正常运转允许的最低转速 转速范围 最低转速和最高转速之间的转速 第3章液压泵和液压马达 液压泵 输入功率 Ppi Tp p输出功率 Ppo ppqp若不考虑能量损失 2 npTpt ppVpnp则Tpt ppVp 2 液压马达 输入功率 Pmi pmqm输出功率 Pmo Tm m若不考虑能量损失 pmVmnm 2 nmTmt则Tmt pmVm 2 6 液压泵和液压马达的功率 7 液压泵和液压马达的效率 第3章液压泵和液压马达 容积效率 v 用以衡量液压泵或液压马达的泄漏大小 液压泵 泵的实际流量qp与理论流量qpt之比 液压马达 液压马达的理论流量qmt与实际输入流量qm之比 机械效率 m 用以衡量液压泵或液压马达因摩擦引起的扭矩损失 第3章液压泵和液压马达 液压泵 理论扭矩与实际输入扭矩之比 液压马达 实际输出扭矩与理论扭矩之比 第3章液压泵和液压马达 总效率 液压泵或液压马达均为输出功率Po与输入功率Pi之比 液压泵 液压马达 第3章液压泵和液压马达 液压泵的特性曲线 第3章液压泵和液压马达 3 液压泵的分类和选用 1 分类 外啮合齿轮泵 内啮合齿轮泵 双作用叶片泵 单作用叶片泵 轴向柱塞泵 径向柱塞泵 单作用叶片泵 径向柱塞泵和轴向柱塞泵可以作变量泵 第3章液压泵和液压马达 2 选用原则 是否要求变量 要求变量选用变量泵 工作压力 柱塞泵的额定压力最高 工作环境 齿轮泵的抗污能力最好 噪声指标 双作用叶片泵和螺杆泵属低噪声泵 效率 轴向柱塞泵的总效率最高 第3章液压泵和液压马达 3 2齿轮泵 齿轮泵根据啮合形式不同分为两种 外啮合齿轮泵 内啮合齿轮泵 第3章液压泵和液压马达 1 外啮合齿轮泵 1 结构组成一对齿轮泵体前后盖板长短轴 第3章液压泵和液压马达 2 工作原理 动画 第3章液压泵和液压马达 3 外啮合齿轮泵的排量公式 近似计算时可认为其排量等于它的两个齿轮的齿槽容积之和 假设齿槽容积等于轮齿体积 则 V 2 dhb 2 zm2b考虑到 齿槽容积略大于轮齿体积通常按下式计算V 6 66zm2b 思考一下 流量如何计算 第3章液压泵和液压马达 齿轮啮合过程中 压油腔容积变化率是不均匀的 齿轮泵的瞬时理论流量呈脉动现象 脉动的大小由流量脉动率 p来衡量 由图可见 外啮合齿轮泵齿数越多 脉动越小 且从该指标看内啮合优于外啮合 4 流量脉动 5 外啮合齿轮泵的结构特点 第3章液压泵和液压马达 泄漏与间隙补偿措施齿轮泵存在端面泄漏 径向泄漏 轮齿啮合处泄漏 端面泄漏占80 85 由于端面泄漏占80 85 因此端面泄漏限制了齿轮泵压力的提高 一方面工艺限制 使间隙不可能很小 另一方面 由于磨损 间隙会越来越大 如何解决这一问题 成为提高齿轮泵压力的重要课题之一 第3章液压泵和液压马达 6 间隙补偿措施 提高压力的措施 采用静压平衡措施 在齿轮和盖板之间增加一个补偿零件 如浮动轴套或浮动侧板 在浮动零件的背面引入压力油 让作用在背面的液压力稍大于正面的液压力 其差值由一层很薄的油膜承受 第3章液压泵和液压马达 7 液压径向力及平衡措施 解决措施 通过在盖板上开设平衡槽 使它们分别与低 高压腔相通 产生一个与液压径向力平衡的作用 平衡径向力的措施都是以增加径向泄漏为代价 产生原因 液压径向力见左图 第3章液压泵和液压马达 8 困油现象与卸荷措施 困油现象产生的原因 当齿轮重迭系数 1 在两对轮齿同时啮合时 它们之间将形成一个与吸 压油腔均不相通的闭死容积 称为 困油容积 此 困油容积 随齿轮转动其大小发生变化 先由大变小 后由小变大 形成困油 困油现象动画 第3章液压泵和液压马达 困油现象的危害困油容积由大变小时油液受挤压 导致压力冲击和油液发热 困油容积由小变大时 会引起汽蚀和噪声 卸荷措施在前后盖板或浮动轴套上开卸荷槽开设卸荷槽的原则困油容积由大变小时 与压油腔相通 困油容积由小变大时 与吸油腔相通 困油容积最小时 与吸 压油腔都不相通 第3章液压泵和液压马达 2 内啮合齿轮泵 1 工作原理 动画 2 特点无困油现象 流量脉动小 噪声低 第3章液压泵和液压马达 3 3叶片泵 双作用叶片泵双作用叶片泵因转子旋转一周 叶片在转子叶片槽内滑动两次 每个工作容积完成吸油和压油各两次 并且只能做定量泵用 单作用叶片泵单作用叶片泵转子每转一周 每个工作容积完成吸 压油各一次 故称为单作用泵 且既可做定量泵 由可做变量泵用 第3章液压泵和液压马达 叶片泵与齿轮泵相比 优点 1 噪音低 流量均匀 体积小 2 压力脉动小 密封性好 容积效率高 3 工作寿命长 缺点 对油液污染敏感 自吸性较差 用途 机床设备 中小型工程机械 冶金机械 第3章液压泵和液压马达 1 结构组成 定子 转子 叶片 左 右 配流盘 传动轴 1 双作用叶片泵 第3章液压泵和液压马达 2 双作用叶片泵工作原理 动画 第3章液压泵和液压马达 3 作用叶片泵的定子曲线 组成 两段大小半径R r的圆弧及四段过渡曲线 过渡曲线作用 产生密闭工作容积变化 对过渡曲线的要求 1 在该段上叶片与定子表面只发生 柔性冲击 减小磨损 2 使叶片外伸时的最小离心加速度 所需外伸加速度 不产生叶片 脱空 3 一般都使用综合性能较好的等加速等减速曲线作为过渡曲线 为了获得更好的性能 有些泵采用了三次以上的高次曲线 第3章液压泵和液压马达 4 排量公式 为叶片倾角 z为叶片数 b为叶片宽 S为叶片厚 一般在双作用叶片泵中 叶片底部全部接通压力油腔 因而叶片在槽中作往复运动时 叶片槽底部的吸油和压油不能补偿由于叶片厚度所造成的排量减小 所以排量公式中的第二项反映了这一影响 第3章液压泵和液压马达 5 双作用叶片泵的结构特点 径向力平衡 这种叶片泵由于有两个吸油腔和两个压油腔 并且各自对称布置 所以作用在转子上的液体压力相互平衡 为保证叶片自由滑动且始终紧贴定子内表面 叶片槽根部全部通压力油 合理设计过渡曲线形状和叶片数 z 8 一般为12或16片 可使理论流量均匀 噪声低 定子曲线圆弧段圆心角 配流窗口的间距角 叶片间夹角 2 z 为减少两叶片间的密闭容积在吸压油腔转换时因压力突变而引起的压力冲击 在配流盘的配流窗口前端开有减振槽 第3章液压泵和液压马达 第3章液压泵和液压马达 由于一般双作用叶片泵的叶片底部通压力油 使得处于吸油区的叶片顶部和底部的液压作用力不平衡 叶片顶部以很大的压紧力抵在定子吸油区的内表面上 使磨损加剧 影响叶片泵的使用寿命 尤其是工作压力较高时 磨损更严重 因此吸油区叶片两端压力不平衡 限制了双作用叶片泵工作压力的提高 所以在高压叶片泵的结构上必须采取措施 使叶片压向定子的作用力减小 叶片槽根部全部通压力油会带来以下副作用 第3章液压泵和液压马达 6 提高双作用叶片泵额定压力的措施 采用浮动配流盘实现端面间隙补偿减小通往吸油区叶片根部的油液压力 p 减小吸油区叶片根部的有效作用面积阶梯式叶片 s 子母叶片 b 柱销式叶片 b 第3章液压泵和液压马达 2 单作用叶片泵 1 组成 定子转子叶片左 右配流盘传动轴 第3章液压泵和液压马达 2 单作用叶片泵工作原理 动画 叶片泵在转子每转一周 每个工作空间完成一次吸油和压油 因此称为单作用叶片泵 转子不停地旋转 泵就不断地吸油和排油 3 排量公式 第3章液压泵和液压马达 4 单作用叶片泵的特点 可以通过改变定子的偏心距e来调节泵的排量和流量 叶片槽根部分别通油 在高压区通高压油 低压区通低压油 减小了叶片磨损 转子受有不平衡的液压径向力 所以一般不用于高压 单作用叶片泵瞬时理论流量是脉动的 可以证明叶片数越多并取奇数时流量脉动小 因此单作用叶片泵叶片数取为奇数 以减小流量的脉动 叶片数多为13或15片 第3章液压泵和液压马达 5 限压式变量叶片泵 以外反馈式为例 第3章液压泵和液压马达 1 变量原理 若负载增大 使p升高 但只要F Ft 泵的输出流量就不变化 右侧为调压弹簧 弹簧力Ft kx0左侧为控制活塞 油压力F pA 当F Ft时 定子处于右极限位置且 e emax 泵输出最大流量 第3章液压泵和液压马达 泵的出口压力越高 定子的偏心越小 泵的输出流量越小 若负载继续增大 使p继续升高至F Ft时 定子将向偏心减小的方向移动 泵的输出流量减小 由于弹簧受到进一步的压缩 弹簧力也增大为Ft k x0 x 当液压力和弹簧力相等时 定子在新的平衡位置 e emax x 下工作 泵输出流量为该位置所确定的流量 第3章液压泵和液压马达 2 特性曲线 调节弹簧的预压縮量 即改变特性曲线中拐点B的压力大小pB 曲线BC段沿水平方向平移 调节定子右边柱塞处的最大流量调节螺钉 可以改变定子的最大偏心距emax 即改变泵的最大流量 曲线AB段上下移动 第3章液压泵和液压马达 更换不同刚度的弹簧 即改变了BC的斜率 泵的最高压力pc也就不同 当泵的出口压力升至c点的压力pc时 泵的流量等于零 压力不在增加 把泵的压力限定为pc 因此此泵命名为限压式变量泵 第3章液压泵和液压马达 3 4柱塞泵 按柱塞排列方向的不同进行分类 轴向柱塞泵径向柱塞泵 分类 柱塞泵是靠柱塞在缸体内作往复运动 使密封容积交替变化来实现吸油和压油的 第3章液压泵和液压马达 优点 结构紧凑 单位功率体积小 压力高 效率高 容积效率可达99 总效率可达97 以上 易于实现变量 目前产品额定压力已达35MPa 排量已达500ml r 应用 广泛应用于高压 大流量 大功率和流量需要调节的场合 如龙门刨 工程机械 矿山机械等 特点及应用 第3章液压泵和液压马达 1 斜盘式轴向柱塞泵 1 结构及组成 动画 缸体在直径为D园上均布Z个柱塞孔 柱塞滑履组柱塞直径为d 在缸体内均匀分布 斜盘相对传动轴倾角为 配流盘传动轴 2 工作原理3 排量公式 第3章液压泵和液压马达 变量方式 通过改变斜盘倾角实现 有手动和伺服两种方式 第3章液压泵和液压马达 4 结构特点 1 三对磨擦副柱塞与缸体孔缸体与配流盘滑履与斜盘 2 柱塞数为奇数为减小瞬时流量的脉动 通常柱塞个数取为奇数 一般为 5 7 9 第3章液压泵和液压马达 3 开减振槽或减振孔为防止密闭容积在吸 压油转换时因压力突变引起的压力冲击 在配流盘的配流窗口前端开有减振槽或减振孔 只适用于单向旋转 第3章液压泵和液压马达 2 斜盘式轴向柱塞泵 通轴式 第3章液压泵和液压马达 3 斜轴式无铰轴向柱塞泵 第3章液压泵和液压马达 4 径向柱塞泵 配流轴式动画 第3章液压泵和液压马达 5 选择液压泵的原则 1 是否要求变量径向柱塞泵 轴向柱塞泵 单作用叶片泵是变量泵 2 工作压力柱塞泵压力31 5MPa 叶片泵压力6 3MPa 高压化以后可达16MPa 齿轮泵压力2 5MPa 高压化以后可达21MPa3 工作环境齿轮泵的抗污染能力最好 第3章液压泵和液压马达 3 噪声指标低噪声泵有内啮合齿轮泵 双作用叶片泵和螺杆泵 双作用叶片泵和螺杆泵的瞬时流量均匀 4 效率轴向柱塞泵的总效率最高 同一结构的泵 排量大的泵总效率高 同一排量的泵在额定工况下总效率最高 6 各类液压泵性能及应用 第3章液压泵和液压马达 3 5液压马达 马达与泵在原理上有可逆性 但因用途不同结构上有些差别 马达要求正反转 其结构具有对称性 而泵为了保证其自吸性能 结构上采取了某些措施 马达的分类 ns 500r min为高速液压马达 齿轮马达 叶片马达 轴向柱塞马达ns 500r min为低速液压马达 径向柱塞马达 单作用连杆型径向柱塞马达 多作用内曲线径向柱塞马达 第3章液压泵和液压马达 1 齿轮马达 1 齿轮马达工作原理 动画 2 结构特点进出油口相等 有单独的泄油口 为减少摩擦力矩 采用滚动轴承 为减少转矩脉动 齿数较泵齿数多 3 应用由于密封性能差 容积效率较低 不能产生较大的转矩 且瞬时转速和转矩随啮合点而变化 因此仅用于高速小转矩的场合 如工程机械 农业机械及对转矩均匀性要求不高的设备 第3章液压泵和液压马达 2 叶片马达 2 结构特点进出油口相等 有单独的泄油口 叶片无倾角 叶片底部设置有燕式弹簧 在高低压油腔通入叶片底部的通路上装有梭阀 3 应用转动惯量小 反应灵敏 能适应较高频率的换向 但泄漏大 低速时不够稳定 适用于转矩小 转速高 机械性能要求不严格的场合 1 工作原理 动画 第3章液压泵和液压马达 3 轴向柱塞马达 2 结构特点配流盘为对称结构 轴向柱塞泵和轴向柱塞马达是互逆的 3 应用作变量马达 改变斜盘倾角 不仅影响马达的转矩 而且影响它的转速和转向 斜盘倾角越大 产生的转矩越大 转速越低 1 工作原理 动画 第3章液压泵和液压马达 4 低速大扭矩马达 多作用内曲线径向柱塞马达 第4章液压缸 4 1液压缸的类型和特点 4 2液压缸的结构 本章介绍常见液压缸的原理 结构及在液压系统中的作用 本章重点 单 双杆活塞缸和柱塞缸的基本输出 输入计算 本章难点 液压缸典型结构 4 3液压缸的设计与计算 4 4液压缸常见故障及分析 第4章液压缸 4 1液压缸的类型和特点 1 液压缸的分类按结构形式分 活塞缸又分单杆活塞缸 双杆活塞缸柱塞缸摆动缸又分单叶片摆动缸 双叶片摆动缸按作用方式分 单作用液压缸双作用液压缸复合式缸 第4章液压缸 第4章液压缸 2 双杆活塞缸 缸筒固定式 运动部件移动范围是活塞有效行程的三倍 该安装方式站地面积大 仅适用于小型机床 活塞杆固定 运动部件移动范围是活塞有效行程的两倍站地面积小 适用于大中型型机床 第4章液压缸 特点 两腔面积相等 A1 A2当输入流量相同时 v1 v2当输入压力相同时 F1 F2 第4章液压缸 推力特性 缸在左右两个方向上输出的推力相等 m为缸的机械效率 缸在左右两个方向上输出的速度相等 v为缸的容积效 速度特性 第4章液压缸 特点 安装方式 单杆活塞缸只有一端带活塞杆 它也有缸筒固定和活塞杆固定两种安装方式 两种方式的运动部件移动范围均为活塞有效行程的两倍 3 单杆活塞缸 两腔面积不等 A1 A2当输入流量相同时 v1 v2当输入压力相同时 F1 F2 第4章液压缸 1 单杆活塞缸速度推力特性 无杆腔进油 第4章液压缸 有杆腔进油 第4章液压缸 工程上将速度v2与v1的比值称为往返速比 用 v表示 由上式可知 已知D和 v可求得d 2 往返速比 第4章液压缸 3 单杆活塞缸的差动连接 单杆活塞缸的一种联接方式 它把右腔的回油管和左腔的进油管接通 这种联接方式称为差动联接 故 活塞前进的速度 第4章液压缸 显然 差动联接时活塞运动速度较快 产生的推力较小 所以差动联接常用于空载快进场合 推力为 如果要求 快进差动v3 无差动快退v2 则 第4章液压缸 4 其它液压缸 1 柱塞缸柱塞与缸筒无配合关系 缸筒内孔不需精加工 只是柱塞与缸盖上的导向套有配合关系 为减轻重量 减少弯曲变形 柱塞常做成空心 柱塞缸只能作单作用缸 要求往复运动时 需成对使用 柱塞缸能承受一定的径向力 第4章液压缸 柱塞缸的速度推力特性 柱塞运动速度 柱塞推力 第4章液压缸 2 伸缩液压缸 由两个或多个活塞式缸套装而成 各级活塞依次伸出可获得很长的行程 当依次缩回时缸的轴向尺寸很小 各级压力和速度可按活塞缸的有关公式计算 特别适用于工程机械及自动线步进式输送装置 除双作用伸缩缸 动画 外 还有单作用伸缩缸 动画 它与双作用不同点是回程靠外力 而双作用靠液压作用力 第4章液压缸 3 齿条活塞缸 齿条活塞缸是活塞缸与齿轮齿条机构组成的复合式缸 它将活塞的直线往复运动转变为齿轮的旋转运动 用在机床的进刀机构 回转工作台转位 液压机械手等 4 增压缸 动画 增压缸是活塞缸与柱塞缸组成的复合缸 不是能量转换装置 只是一个增压器件 分为单作用和双作用 在某些短时或局部需要高压的液压系统中 常用增压缸与低压大流量泵配合作用 增大压力关系为 第4章液压缸 第4章液压缸 5 摆动式液压缸 动画 分为双叶片式和单叶片式 双叶片式摆动角度一般小于150 单叶片式可达300 在相同条件下 双叶片式输出转矩是单叶片摆动缸的两倍 输出角速度则是单叶片缸的一半 摆动式液压缸 常用于辅助装置 如送料和转位装置 液压机械手及间歇进给机构 第4章液压缸 4 2液压缸的结构 第4章液压缸 1 缸筒 主要是由钢材制成 缸筒内要经过精细加工 表面粗糙度Ra 0 08um 以减少密封件的摩擦 2 盖板 通常由钢材制成 有前端盖和后端盖 安装在缸筒的前后两端 盖板和缸筒的连接方法有焊接 拉杆 法兰 罗纹连接等 3 活塞 的材料通常用钢或铸铁 也可采用铝合金 活塞和缸筒内壁间需要密封 采用的密封件有O形环 V形油封 U形油封 X形油封和活塞环等 而活塞应有一定的导向长度 一般取活塞长度为缸筒内径的 0 6 1 0 倍 液压缸的组成 第4章液压缸 4 活塞杆 是由钢材做成实心杆或空心杆 表面经淬火再镀铬处理并抛光 5 缓冲装置 为了防止活塞在行程的终点与前后端盖板发生碰撞 引起噪音 影响工件精度或使液压缸损坏 常在液压缸前后端盖上设有缓冲装置 以使活塞移到快接近行程终点时速度减慢下来终至停止 液压缸的组成 第4章液压缸 6 放气装置 在液压缸结构上能及时排除缸内留存的气体而设计的装置 一般双作用式液压缸不设专门的放气孔 而是将液压油出入口布置在前后盖板的最高处 而大型双作用式液压缸则必须在前后端盖板设放气栓塞 单作用式液压缸液压油出入口一般设在缸筒底部 在最高处设放气栓塞 7 密封装置 液压缸的密封装置用以防止油液的泄漏 液压缸的密封主要是指活塞 活塞杆处的动密封和缸盖等处的静密封 常采用O形密封圈和Y形密封圈 液压缸的组成 第5章液压控制阀 5 1方向控制阀 5 2压力控制阀 5 3流量控制阀 5 4插装阀 5 5电液伺服阀和电液比例阀 本章介绍常见液压控制阀的原理 结构及在液压系统中的作用 本章重点 方向控制阀 压力控制阀和流量控制阀 本章难点 先导式溢流阀的工作原理及应用 第5章液压控制阀 5 1方向控制阀 方向控制阀 控制和改变液体流动的方向的阀类 常见的有单向阀和换向阀 液压控制阀在液压系统中被用来控制液体的压力 流量和流动方向 保证执行元件按照要求进行工作 属控制元件 第5章液压控制阀 作用 只允许液流向一个方向流动 反向截止 1 单向阀 1 普通单向阀 动画 第5章液压控制阀 普通单向阀的应用 安装在泵的出口 防止压力冲击影响泵的正常工作或防止泵不工作时液压系统油液经泵倒流回油箱 被用来分隔油路以防止高低压干扰 与其他的阀组成单向节流阀 单向减压阀 单向顺序阀等 安装在执行元件的回油路作背压阀 第5章液压控制阀 2 液控单向阀 作用 使油液可以单向或双向流动 第5章液压控制阀 液控单向阀的应用 需要指出 控制压力油油口不工作时 应使其通回油箱 否则控制活塞难以复位 单向阀反向不能截止液流 对液压缸进行闭锁 作为竖直使用液压缸的支撑防止自由下落 第5章液压控制阀 换向阀作用是利用阀芯和阀体间相对位置的变化来接通 断开或改变系统中油液的流动方向 2 换向阀 第5章液压控制阀 1 分类 第5章液压控制阀 2 换向阀的工作原理 第5章液压控制阀 3 换向阀的结构型式 第5章液压控制阀 第5章液压控制阀 第5章液压控制阀 4 换向阀的操纵方式 第5章液压控制阀 第5章液压控制阀 5 常用换向阀的中位机能 三位换向阀在中间位置各油口的连通方式称为中位机能 中位机能不同 对系统的控制性能也不同 第5章液压控制阀 第5章液压控制阀 举例 欲保持P口的压力 选O Y机能 欲使系统卸荷 选H M机能 要求负载处于浮动 选H Y机能 要求换向精度高 选O M机能 既要系统卸荷又换向精度高 选M机能 既保持系统压力又负载浮动 选Y机能 第5章液压控制阀 6 典型换向阀 三位四通电磁换向阀 优点 与电气结合 操作简便 易于实现自动控制 对流量较大时应选用液动换向阀或电液换向阀 缺点 受电磁铁吸力较小的限制 通流量一般在100L min以内 第5章液压控制阀 三位四通电液换向阀 左位 右位 电液换向阀是由电磁换向阀与液动换向阀组合 集合了电磁阀操作简便 易于实现自动控制和液动阀通量大的优点 液动换向阀实现主油路的换向 称为主阀 电磁换向阀改变液动阀控制油路的方向 称为先导阀 第5章液压控制阀 液动阀两端控制油路上的节流阀可以调节主阀的换向速度 为保证液动阀回复中位 电磁阀的中位必须是A B T油口互通 控制油可以取自主油路 内控 也可以取独立油源 外控 思考题 执能符号中六个油口分别接何处 第5章液压控制阀 5 2压力控制阀 压力控制阀是用来控制液压系统中油液压力或通过压力信号实现控制的阀类 它包括溢流阀 减压阀 顺序阀 压力继电器 第5章液压控制阀 保持系统压力恒定 溢流阀作定压阀用 限制系统最高压力 保证系统安全 溢流阀做安全阀用 利用回路压力来控制多个执行元件的先后动作顺序 顺序阀 稳定或降低回路的压力 减压阀 还有的是利用液压力作为信号控制其动作 压力继电器 压力控制阀的基本工作原理 通过液压作用力与弹簧力进行比较来实现对油液压力的控制 作用 第5章液压控制阀 溢流阀的通常旁接在液压泵的出口 保持系统压力恒定或限制系统的最高压力 保证系统安全 前者称为定压阀 或稳压阀 主要用于定量泵进 出油节流调速系统 用于保证系统压力为恒定值 后者称为安全阀 限制系统的最高压力 保证系统安全 限压阀 安全阀 1 溢流阀 作用 第5章液压控制阀 分类 直动式和先导式两种 直动式 先导式 第5章液压控制阀 性能要求 启闭性好 灵敏度高 工作稳定 噪声低 密封性好 阀口压力降小 第5章液压控制阀 1 直动型溢流阀 动画 系统压力低于溢流阀调压弹簧调定的压力时 溢流阀不开启溢流 系统压力随负载变化而变化 系统压力等于溢流阀调压弹簧调定的压力时 溢流阀开启溢流 使其基本保持恒定 注 溢流阀调节和控制的是进口压力 第5章液压控制阀 a 直动型溢流阀的调定压力是直接与弹簧力比较而得到的 欲提高控制压力 就要加大弹簧刚度K 阀芯因溢流量变化波动时 调压偏差加大 因此 直动溢流阀不适宜用于高压系统 几点分析 结论 该阀只限于低压场合 一般ps 2 5MPa b 弹簧腔的泄漏油经阀内泄油通道至阀的出口引回油箱 若阀的出口压力不为零 则背压将作用在阀芯上端 使阀的进口压力增大 c 阀芯上的阻尼孔a对阀芯的动作产生阻尼 从而提高阀的工作稳定性 第5章液压控制阀 2 先导型溢流阀 先导阀部分 锥阀 调压弹簧 主阀部分 主阀芯 阀体 复位弹簧 工作原理 动画 组成 第5章液压控制阀 阀的进口压力由两次比较得到 压力值由先导阀调压弹簧调节 主阀芯是靠液流流经阻尼孔形成的压力差开启的 主阀弹簧只起复位作用 调压偏差只取决于主阀弹簧刚度 由于主阀弹簧刚度很小 故调压偏差很小 控制压力的稳定性很高 通过先导阀的流量很小 约为主阀额定流量的1 因此其尺寸很小 即使是高压阀 其弹簧刚度也不大 这样一来阀的调节性能有很大改善 先导阀前腔有一控制口 用于卸荷和遥控 先导型溢流阀与直动型溢流阀相比 有以下特点 第5章液压控制阀 动画 第5章液压控制阀 先导型溢流阀遥控口接法 先导阀前腔有一遥控口 在该控制口接远程调压阀可实现远控 接电磁阀通回油箱可实现卸载 3 应用举例 第5章液压控制阀 远程调压 远程调压阀调定压力必须低于主溢流阀的先导阀调定压力 无论哪个起作用 泵的溢流量始终经主阀阀口回油箱 第5章液压控制阀 远控口卸荷 电磁溢流阀还可以在执行机构不工作时使泵卸载 第5章液压控制阀 压力调节范围 是指调压范围内调节时 系统压力能平稳地上升或下降 且压力无突跳及迟滞现象时的最大和最小调定压力 通过刚度不同的弹簧0 6 8 4 16 8 20 16 32MPa可实现四级调压 压力流量特性 溢流阀的进口压力随流量变化而波动的性能 又称为启闭特性 ps pk ps pb 称为调压偏差 调压偏差越小越好nk pk ps称为开启压力比 nb pb ps称为闭合压力比 nk nb大好 卸荷压力 当溢流阀的远程控制口K与油箱相连时 额定流量下的压力损失称为卸荷压力 PPsPkpb 0 qsq 4 静态性能 第5章液压控制阀 2 减压阀 作用 将出口压力调节到低于进口压力的压力控制阀 按调节要求不同 有定值减压阀 定差减压阀 定比减压阀 其中定值减压阀应用最广 又简称减压阀 主要介绍它的原理及结构特点 分类 第5章液压控制阀 1 减压阀工作原理 动画 出口压力小于调定压力时 减压阀阀口全开 不起减压作用 出口压力 进口压力当出口压力大于调定压力时 减压口关小 油液流经减压口产生压力降 使出口压力下降至调定值 先导阀及主阀阀芯同时受力平衡 出口压力稳定不变 此时出口压力低于进口压力实现减压 调节先导阀调压弹簧 可以调节出口压力P2的大小 第5章液压控制阀 2 应用举例 特别注意 当减压阀的出口处不输出油液时 它的出口压力基本上仍能保持恒定 此时有少量的油液通过减压阀开口经先导阀和泄油管流回油箱 保持该阀处于工作状态 第5章液压控制阀 减压阀是出口压力控制 保证出口压力为定值 溢流阀是进口压力控制 保证进口压力为定值 减压阀阀口常开 溢流阀阀口常闭 减压阀由于出口压力不为零 所以它的锥阀泄油不能象溢流阀那样通过内部与出油口连通 而是需要通过阀体上设置的泄油口单独回油 溢流阀弹簧腔的泄漏油经阀体內流道內泄至出口 减压阀与溢流阀一样有遥控口 接远程调压阀 可实现远控或多级控制 3 与先导型溢流阀比较 第5章液压控制阀 顺序阀是利用压力信号来制阀口通断的压力阀 多