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1、第九章 液压传动,9-1液压传动概述 一、液压传动的特点及应用 1.液压传动的特点 (1)由于液压传动是油管连接,所以借助油管的连接可以方便灵活地布置传动机构,这是比机械传动优越的地方。例如,在井下抽取石油的泵可采用液压传动来驱动,以克服长驱动轴效率低的缺点。 (2)液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小。 (3)可在大范围内实现无级调速。借助阀或变量泵、变量马达,可以实现无级调速,调速范围可达12000,并可在液压装置运行的过程中进行调速。 (4)传递运动均匀平稳,负载变化时速度较稳定,而且借助于设置溢流阀 等方式易于实现过载保护。 (5)液压元件已实现了标准化、系列化和通用化,便于设计、制

2、造和推广使用。 同时,液压传动也具有一些缺点,主要表现在传动效率较低,不宜作远距离传递,不宜于高温或低温条件下工作,以及液压元件精度要求高,成本高,要求有单独的能源,不像电源那样使用方便。,9-1 液压传动概述,2.液压传动在机械中的应用 以机床为例,液压传动常应用在以下的一些装置中: (1)仿形装置。车床、铣床、刨床上的仿形加工可以采用液压伺服系统来完成。 (2)往复主体运动传动装置。龙门刨床的工作台、牛头刨床或插床的滑枕,由于要求作高速往复直线运动,并且要求换向冲击小、换向时间短、能耗低,因此都可以采用液压传动。 (3)进给运动传动装置。磨床砂轮架和工作台的进给运动大部分采用液压传动;车床

3、、六角车床、自动车床的刀架或转塔刀架,铣床、刨床、组合机床的工作台等的进给运动也都采用液压传动。 (4)辅助装置。机床上的夹紧装置、齿轮箱变速操纵装置、丝杆螺母间隙消除装置、垂直移动部件平衡装置、分度装置、工件和刀具装卸装置、工件输送装置等,采用液压传动后,有利于简化机床结构,提高机床自动化程度。 二、液压传动的工作原理及液压系统的组成 1.液压传动的工作原理 先用液压千斤顶的工作原理来说明一下液压传动的工作原理。,9-1 液压传动概述,1杠杆手柄2小油缸3小活塞4,7单向阀5吸油管6,10管道 8大活塞9大油缸11截止阀12油箱 图9-1液压千斤顶工作原理图 图9-1是液压千斤顶的工作原理图

4、。大油缸9和大活塞8组成举升液压缸。杠杆手柄1、小油缸2、小活塞3、单向阀4和7组成手动液压泵。如提起手柄使小活塞向上移动,小活塞下端油腔容积增大,形成局部真空,这时单向阀4打开,通过吸油管5从油箱12中吸油;用力压下手柄,小活塞下移,小活塞下腔压力升高,单向阀4关闭,单向阀7打开,下腔的油液经管道6输入举升油缸9的下腔,迫使大活塞8向上移动,顶起重物。再次提起手柄吸油时,单向阀7自动关闭,使油液不能倒流,从而保证了重物不会自行下落。不断地往复扳动手柄,就能不断地把油液压入举升缸下腔,使重物逐渐地升起。如果打开截止阀11,举升缸下腔的油液通过管道10、截止阀11流回油箱,重物就向下移动。这就是

5、液压千斤顶的工作原理。 通过对液压千斤顶工作过程的分析,可以初步了解到液压传动的基本工作原理。液压传动是利用有压力的油液作为传递动力的工作介质。压下杠杆时,小油缸2输出压力油,是将机械能转换成油液的压力能,压力油经过管道6及单向阀7,推动大活塞8举起重物,是将油液的压力能又转换成机械能。大活塞8举升的速度取决于单位时间内流入大油缸9中油容积的多少。由此可见,液压传动是一个不同能量的转换过程。,9-1 液压传动概述,2液压系统的组成 图9-2所示是一种机床工作台的液压传动系统,它由油箱、滤油器、液压泵、溢流阀、开停阀、节流阀、换向阀、液压缸以及连接这些元件的油管、接头等组成。液压泵由电动机驱动后

6、,从油箱中吸油。油液经滤油器进入液压泵,油液在泵腔中从入口低压到泵出口高压,在图9-2a所示状态下,通过开停阀、节流阀、换向阀进入液压缸左腔,推动活塞使工作台向右移动。这时,液压缸右腔的油经换向阀5和回油管6排回油箱。 如果将换向阀手柄转换成图9-2b所示状态,则压力管中的油将经过开停阀、节流阀和换向阀进入液压缸右腔,推动活塞使工作台向左移动,并使液压缸左腔的油经换向阀5和回油管6排回油箱。 1工作台2液压缸3活塞4换向手柄5换向阀 6,8,16回油管7节流阀9开停手柄10开停阀 11压力管12压力支管13溢流阀14钢球 15弹簧17液压泵18滤油器19油箱 图9-2机床工作台液压系统工作原理

7、图,9-1 液压传动概述,一个完整的、能够正常工作的液压系统,应该由以下4个主要部分组成: (1)能源装置(动力元件)。能源装置是把机械能转化成液体压力能的装置,常见的是液压泵。其作用是向液压系统提供压力油,是液压系统的动力源。 (2)执行装置(执行元件)。执行装置是把液体压力能转化成机械能以驱动工作机构的装置。一般常见的形式有作直线运动的液压缸,作回转运动的液压马达。其作用是在压力油的作用下,完成对外作功。 (3)控制调节装置(控制元件)。控制调节装置是对液体的压力、流量和流动方向 进行控制和调节的装置。这类元件主要包括各类控制阀或者由各种控制阀构成的组合装置,如溢流阀、节流阀、换向阀等。这

8、些元件的不同组合组成了能完成不同功能的液压系统。 (4)辅助装置(辅助元件)。辅助装置是除以上3种组成部分以外的其他装置,如各种管接件、油管、油箱、过滤器、蓄能器、压力表等,起连接、输油、贮油、过滤、贮存压力能和测量等作用。它们对保证液压系统正常工作是必不可少的。,9-1 液压传动概述,三、液压传动的基本参数 液压油是液压传动系统中的工作介质,而且还对液压装置的机构、零件起润滑、冷却和防锈作用。液压传动的工作介质的性能对液压系统的工作状态有很大影响,液压传动系统的压力、温度和流速在很大的范围内变化,因此液压油的质量优劣直接影响液压系统的工作性能。 1.液压传动的工作介质 液压油是液压传动系统的

9、重要组成部分,是用来传递能量的工作介质。 (1)液压油的物理特性 密度和重度 =M/V(M液体的质量,V液体的体积)。一般矿物油的密度为850950kg/m3。 =G/V(G液体的重量)。一般矿物油的重度为84009500N/m3。 液压油的密度和重度因油的牌号而异,并且随着温度的上升而减小,随着压力的提高而稍有增加。,9-1液压传动概述,可压缩性。液体的可压缩性比钢铁大。纯油的可压缩性随压缩过程、温度及其压力的变化而变动,但变动量不大,可不予考虑。在一般情况下,油的可压缩性对液压系统的性能影响不大,但在高压情况下以及在研究系统动态性能时则不能忽略。 粘性。流体流动时,在流体内部产生内摩擦力的

10、性质称为粘性。粘性的大小可用粘度来衡量,粘度是选择流体的主要指标,是影响流动流体的重要物理性质。粘度大,液层的内摩擦力就大,油液就“稠”;反之,油液就“稀”。油液的粘度对温度的变化很敏感。当温度升高时,粘度显著下降。当压力升高时,油液的分子间距离缩小,粘度提高。 (2)液压油的选择。液压油的质量及其各种性能将直接影响液压系统的工作。选择液压油时,应考虑工作压力、环境温度以及工作部件的运动速度等因素。工作压力高,应用粘度高的油,以减小泄漏,提高容积效率。环境温度高时,应用粘度较高的油;反之,环境温度较低时,应用粘度较低的油。当工作部件的运动速度较高时,为了减少压力损失,应用粘度较低的油;反之,应

11、用粘度较高的油。 此外,选择液压油时还应该注意油的润滑性能,良好的化学稳定性,对金属材料具有防锈性和防腐性,比热、热传导率大,热膨胀系数小,油液质地纯净,不含或含有极少量的杂质、水分和水溶性酸碱等。,9-1液压传动概述,2.流量和压力 (1)流量和平均速度 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,流过某一截面的液体体积为V,则流量为QV/t。流量的单位为m3/s。它和目前工程中常用的单位L/min的换算关系为1m3/s6104L/min。 额定流量。在正常条件下,按试验标准规定连续运转所必须保证的流量称为额定流量,它是液压传动的基本参数之一。 平

12、均流速。油液通过管道或液压缸的平均流速的计算公式如下: vQ/A 式中,v为液体的平均流速,m/s;Q为流入液压缸或管道的流量,m3/s;A为活塞的有效作用面积或管道的流通面积,m2。 1,2活塞 3,4油腔 5油管 图9-4活塞运动速度与流量的关系,9-1液压传动概述,活塞运动速度与流量的关系。如图9-4所示,假定在时间t内,活塞2移动的距离为H2,则: Q2A2H2/t H2/tQ2/A2 式中,H2/t为活塞运动速度(用v表示);Q2/A2为液压缸内油液的平均流速。 (2)液流连续性原理。油液流经无分支管道时,每一横截面上通过的流量一定是相等的,这就是液流连续性原理。 液体在无分支管道中

13、流动时,通过管道不同截面的平均速度与其截面面积大小成反比,即管径粗的地方流速小,管径细的地方流速大。 (3)压力 压力的概念。油液中的压力主要是由油液自重或油液表面受外力作用而产生的,忽略油液自重,油液压力是指液体表面受外力作用所产生的压力。,9-1 液压传动概述,垂直压向活塞单位面积上的力称为压力P,其计算公式如下: PF/A 式中,P为油液压力,Pa(帕);F为作用在油液表面上的外力,N(牛顿);A为油液表面的承压面积,m2。 额定压力。在正常条件下,按试验标准规定连续运转的最高压力称为额定压力。 静止油液中压力的特征。根据帕斯卡原理,在密闭容器中的静止液体,当一处受到压力作用时,这个压力

14、将通过液体传到连通器的任一点上,而且其压力处处相等。因此,静止的油液中,任何一点所受到的各个方向的压力都相等。 液压传动系统中压力的形成。,9-2 液压元件,一、液压泵和液压马达 1.液压泵 液压泵是动力元件,它的作用是将原动机(如电机)输出的机械能转换为液体的压力能,向液压系统提供一定的压力和流量。 (1)液压泵的分类和工作原理。液压泵的种类很多,分类方法也很多,按其输油方向能否改变分为单向泵和双向泵;按额定压力的高低分为低压泵、中压泵和高压泵;按结构不同,可分为齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、螺杆泵和凸轮转子泵等;按其流量是否可改变,分为定量油泵和变量油泵。 液压泵是靠密封腔容积的变化来工作的。图

15、9-8所示为单柱塞式液压泵的工作原理。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容积减小,油液从密封容积中挤出,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,液压泵就不断地吸油和排油。,9-2 液压元件,图9-8单柱塞式液压泵工作原理 (2)液压泵的性能参数。液压泵的性能参数主要指液压泵的压力、排量和流量、功率、效率。 压力。液压泵的压力参数分为工作压力和额定压力。工作压力是指液压泵出口处的实际压力值。工作压力值取决于液压泵输出到系

16、统中的液体在流动过程中所受的阻力。阻力(负载)增大,则工作压力升高;反之,则工作压力降低。额定压力是指液压泵在连续工作过程中允许达到的最高压力。额定压力值的大小由液压泵零部件的结构强度和密封性来决定。超过这个压力值,液压泵有可能发生机械或密封方面的损坏。压力分级如表9-3所示。,9-2 液压元件,排量V。排量是指在无泄漏的情况下,液压泵转一转所能排出的油液体积。可见,排量的大小只与液压泵中密封工作容腔的几何尺寸和转数有关。排量的常用单位是mL/r。 理论流量qt。理论流量是指在无泄漏的情况下,液压泵单位时间内输出的油液体积。其值等于泵的排量V和泵轴转数n的乘积,即qt=Vn(mL/min) 实

17、际流量q。实际流量是指单位时间内液压泵实际输出的油液体积。由于工作过程中泵的出口压力不等于零,因而存在内部泄漏量q(泵的工作压力越高,泄漏量越大),使得泵的实际流量小于泵的理论流量,即q=qt-q。当液压泵处于卸荷(非工作)状态时,这时输出的实际流量近似为理论流量。 额定流量qn。额定流量是指液压泵在额定转数和额定压力下输出的实际流量。 输入功率Pi。输入功率是指驱动液压泵的机械功率,由电动机或柴油机给出。其计算公式如下: Pi=T=2nT 输出功率P0。输出功率是指液压泵输出的液压功率,即泵的实际流量q与泵的进、出口压差p的乘积。其计算公式如下: P0=pq,9-2 液压元件,当忽略能量转换

18、及输送过程中的损失时,液压泵的输出功率应该等于输入功率,即泵的理论功率。其计算公式如下: Pt=pq=pVn=Tt=2nTt 式中,为液压泵转动的角速度;Tt为液压泵的理论转矩。 效率。在实际工作中,液压泵是有能量损失的,这种损失分为容积损失和机械损失。容积损失主要是指液压泵内部泄漏造成的流量损失。容积损失的大小用容积效率来表示,其计算公式如下: pv=q/qt=qt-q/qt=1-ktp/Vn 式中,取泄漏量q=ktp。这是因为液压泵工作构件之间的间隙很小,泄漏液体的流动状态可以看作是层流,即泄漏量和泵的工作压力p成正比。kt是液压泵的泄漏系数。 机械损失是指液压泵内流体粘性和机械摩擦造成的

19、转矩损失。 机械损失的大小用机械效率来表示,其计算公式如下: pm=T/Tt=Tt-T/Tt 式中,T是损失掉的转矩。 液压泵的总效率是液压泵的输出功率与输入功率之比。其计算公式如下: p=P0/Pi=pq/T=pvpm,9-2 液压元件,2.液压马达 液压马达也是能量转换装置,与液压泵相反,它是将液体的压力能转换为旋转运动形式输出的机械能。 (1)液压马达的分类及特点。液压马达通常有3种形式:齿轮式、柱塞泵式、叶片式。齿轮式、叶片式和轴向柱塞式液压马达为高速小转矩马达;径向柱塞式液压马达为低速大转矩马达。 高速液压马达的基本形式有齿轮式、螺杆式、叶片式和轴向柱塞式等。它们的主要特点是:转速较

20、高,转动惯量小,便于起动和制动,调节(调速和换向)灵敏度高。通常高速液压马达的输出扭矩不大,仅几十到几百牛米,所以又称为高速小扭矩液压马达。 低速液压马达的基本形式是径向柱塞式,例如多作用内曲线式、单作用曲轴连杆式和静压平衡式等。低速液压马达的主要特点是:排量大,体积大,转速低,有的可低到每分钟几转甚至不到一转。通常低速液压马达的输出扭矩较大,可达几千到几万牛米,所以又称为低速大扭矩液压马达。 (2)液压马达的相关参数 理论流量。理论流量是指在无泄漏的情况下,单位时间内吸入的油液体积。 工作压力。液压马达的实际工作压力即输入油液的压力。在计算时应是马达进口压力和出口压力之差。,9-2 液压元件

21、,额定压力。额定压力是指在正常工作条件下,按试验标准规定连续运转的最高压力。 额定流量。额定流量是指在额定转速和额定压力下输入到液压马达的流量。由于有泄漏损失,输入液压马达的实际流量必须大于它的理论流量。液压马达的实际流量(即进口流量)-泄漏流量液压马达的理论流量。 (3)液压马达的使用性能 起动性能。液压马达的起动性能主要用起动扭矩和起动效率来描述。如果起动效率低,起动扭矩就小,液压马达的起动性能就差。起动扭矩和起动效率的大小,除了与摩擦力矩有关外,还受扭矩脉动性能的影响。 制动性能。液压马达的容积效率直接影响液压马达的制动性能,若容积效率低,泄漏大,液压马达的制动性能就差。 最低稳定转速。

22、最低稳定转速是指液压马达在额定负载下,不出现爬行现象的最低转速。 爬行。油液中渗入空气的积聚使液压马达运转不平稳的现象即为爬行。要求液压马达“起动扭矩要大”,“稳定速度要低”,一般希望最低稳定速度越小越好。,9-2 液压元件,二、液压缸 1.液压缸的类型及特点 液压缸可按运动方式、作用方式、结构形式的不同进行分类,其常见种类如下。 (1)活塞式液压缸。活塞式液压缸可分为双杆式和单杆式两种结构形式,其安装又有缸筒固定和活塞杆固定两种方式。 双活塞杆液压缸。双活塞杆液压缸的活塞两端都带有活塞杆,分为缸体固定和活塞杆固定两种安装形式,如图9-9所示。 图9-9双活塞杆液压缸安装方式简图,9-2 液压

23、元件,单活塞杆液压缸。单活塞杆液压缸的活塞仅一端带有活塞杆,活塞双向运动可以获得不同的速度和输出力,其简图及油路连接方式如图9-10所示。 图9-10双作用单活塞杆液压缸 当单杆活塞液压缸两腔同时通入压力油时,由于无杆腔有效作用面积大于有杆腔的有效作用面积,使得活塞向右的作用力大于向左的作用力,因此,活塞向右运动,活塞杆向外伸出;与此同时,又将有杆腔的油液挤出,使其流进无杆腔,从而加快了活塞杆的伸出速度,单活塞杆液压缸的这种连接方式被称为差动连接。差动连接时,液压缸的有效作用面积是活塞杆的横截面积,工作台运动速度比无杆腔进油时的速度快,而输出力则减小。差动连接是在不增加液压泵容量和功率的条件下

24、,实现快速运动的有效办法。,9-2 液压元件,(2)柱塞式液压缸。如图9-11a所示,柱塞式液压缸由缸筒、柱塞、导套、密封圈和压盖等零件组成,柱塞和缸筒内壁不接触,因此缸筒内孔不需精加工,工艺性好,成本低。柱塞式液压缸是单作用的,它的回程需要借助自重或弹簧等其它外力来完成,如果要获得双向运动,可将两柱塞式液压缸成对使用(图9-11b)。柱塞式液压缸的柱塞端面是受压面,其面积大小决定了柱塞式液压缸的输出速度和推力,为保证柱塞式液压缸有足够的推力和稳定性,一般柱塞较粗,重量较大,水平安装时易产生单边磨损,故柱塞式液压缸适宜于垂直安装使用。为减轻柱塞的重量,有时制成空心柱塞。 图9-11 柱塞式液压

25、缸 (3)摆动式液压缸。摆动式液压缸能实现小于360角度的往复摆动运动,由于它可直接输出扭矩,故又称为摆动式液压马达,主要有单叶片式和双叶片式两种结构形式。,9-2 液压元件,图9-12所示为单叶片摆动式液压缸,主要由定子块1、缸体2、摆动轴3、叶片4、左右支承盘和左右盖板等主要零件组成。两个工作腔之间的密封靠叶片和隔板外缘所嵌的框形密封件来保证,定子块固定在缸体上,叶片和摆动轴固定在一起,当两油口相继通过压力油时,叶片就带动摆动轴作往复摆动。 1定子块 2缸体 3摆动轴 4叶片 图9-12 摆动式液压缸 单叶片摆动式液压缸的摆角一般不超过280,双叶片摆动式液压缸的摆角一般不超过150。当输

26、入压力和流量不变时,双叶片摆动式液压缸摆动轴的输出转矩是相同参数单叶片摆动式液压缸的两倍,而摆动角速度则是单叶片摆动式液压缸的一半。,9-2 液压元件,(4)伸缩式液压缸。图9-13所示为伸缩式液压缸的结构图,它由两级(或多级)活塞缸套装而成,主要组成零件有缸体5、活塞4、套筒活塞3等。缸体两端有进、出油口A和B。当A口进油,B口回油时,先推动一级活塞3向右运动,由于一级活塞的有效作用面积大,所以运动速度低,但推力大。一级活塞右行至终点时,二级活塞4在压力油的作用下继续向右运动,因其有效作用面积小,所以运动速度快,但推力小。套筒活塞3既是一级活塞,又是二级活塞的缸体,有双重作用(多级时,前一级

27、缸的活塞就是后一级缸的缸套)。若B口进油,A口回油,则二级活塞4先退回至终点,然后一级活塞3才退回。 1压板2、6端盖3套筒活塞 4活塞5缸体7套筒活塞端盖 图9-13 伸缩式液压缸,9-2 液压元件,三、液压控制阀 液压控制阀是液压系统的控制元件,用来控制液压系统中油液的流动方向或调节其压力和流量,从而控制执行元件的运动方向、输出的力或力矩、运动速度、动作顺序,以及限制和调节液压系统的工作压力,防止过载等。因此根据用途和工作特点不同,液压控制阀主要分为3大类:方向控制阀、压力控制阀、流量控制阀。 1.方向控制阀 (1)单向阀。液压系统中常见的单向阀有普通单向阀和液控单向阀两种。 普通单向阀。

28、普通单向阀使油液只能沿一个方向流动,不许它反向倒流。普通单向阀按阀芯分锥阀式和钢球式两种。图9-14所示是一种管式普通单向阀(以锥阀式为例)的结构。压力油从阀体左端的通口P1流入时,克服弹簧3作用在阀芯2上的力,使阀芯向右移动,打开阀口,并通过阀芯2上的径向孔a、轴向孔b从阀体右端的通口流出。但是压力油从阀体右端的通口P2流入时,它和弹簧力一起使阀芯锥面压紧在阀座上,使阀口关闭,油液无法通过。 1阀体 2阀芯 3弹簧 图9-14 普通单向阀,9-2 液压元件,液控单向阀(图9-15)。当控制口K处无压力油通入时,它的工作机制和普通单向阀一样;压力油只能从通口P1流向通口P2,不能反向倒流。当控

29、制口K有压力油时,因控制活塞一侧腔通泄油口,活塞移动,推动顶杆顶开阀芯,使通口P1和P2接通,油液就可在两个方向自由通流。 图9-15 液控单向阀 (2)换向阀。换向阀是利用阀芯和阀体相对位置的改变,来控制液流的方向,接通或关闭油路,从而改变液压系统的工作状态。 换向阀的分类。按阀的结构形式分为滑阀式、转阀式、球阀式、锥阀式;按阀的操纵方式分为手动式、机动式、电磁式、液动式、电液动式、气动式;按阀的工作位置数和控制的通道数分为二位二通阀、二位三通阀、二位四通阀、三位四通阀、三位五通阀等;按阀的安装方式分为管式、板式、法兰式等。 换向阀的换向机能,9-2 液压元件,“通”和“位”是换向阀的重要概

30、念。不同的“通”和“位”构成了不同类型的换向阀。通常所说的“二位阀”、“三位阀”是指换向阀的阀芯有两个或三个不同的工作位置。所谓“二通阀”、“三通阀”、“四通阀”是指换向阀的阀体上有两个、三个、四个各不相通且可与系统中不同油管相连的油道接口,不同油道之间只能通过阀芯移位时阀口的开关来相通。 滑阀机能。滑阀式换向阀处于中间位置或原始位置时,阀中各油口的连通方式称为换向阀的滑阀机能。滑阀机能直接影响执行元件的工作状态,不同的滑阀机能可满足系统的不同要求。正确选择滑阀机能是十分重要的。这里介绍二位二通和三位四通换向阀的滑阀机能。 a.二位二通换向阀。如图9-16所示,二位二通换向阀其两个油口之间的状

31、态只有通或断两种。自动复位式的二位二通换向阀的滑阀机能有常闭式(O型)和常开式(H型)两种。,9-2 液压元件,图9-16 二位二通换向阀的滑阀机能 b.三位四通换向阀 三位四通换向阀的滑阀机能有很多种,常见的有表9-5中所列的几种。中间一个方框表示其原始位置,左右方框表示两个换向位,其左位和右位各油口的连通方式均为直通或交叉并且通,所以只用一个字母来表示中位的型式。另外,三位四通换向阀还有两个过渡位置,当对换向阀从一个工位过渡到另一个工位的各油口之间的通断关系亦有要求时,还可以根据过渡位置各油口的连通状态及阀口节流形式派生出其它滑阀机能。 换向阀的操纵方式。换向阀的操纵方式有手动、机动、液动

32、和电磁动等。如图9-17所示。 图9-17换向阀的操纵方式,9-2 液压元件,电磁换向阀。电磁换向阀是利用电磁铁吸力推动阀芯来改变阀的工作位置。由于它可借助于按钮开关、行程开关、限位开关、压力继电器等发出的信号进行控制,所以操作轻便,易于实现自动化,因此应用广泛。 电磁换向阀的品种规格很多,但其工作原理基本相同。现以图9-18所示三位四通O型滑阀机能的电磁换向阀为例来说明。 在图9-18中,阀体1内有3个环形沉割槽,中间为进油腔P,与其相邻的是工作油腔A和B。两端还有两个互相连通的回油腔T。阀芯两端分别装有弹簧座3、复位弹簧4和推杆5,阀体两端各装一个电磁铁。 当两端电磁铁都断电时(图9-18

33、a),阀芯处于中间位置。此时P、A、B、T各油腔互不相通;当左端电磁铁通电时(图9-18b),该电磁铁吸合,并推动阀芯向右移动,使P和B连通,A和T连通。当左端电磁铁断电后,右端复位弹簧的作用力可使阀芯回到中间位置,恢复原来4个油腔相互封闭的状态;当右端电磁铁通电时(图9-18c),其衔铁将通过推杆推动阀芯向左移动,使P和A连通、B和T连通。当右端电磁铁断电后,阀芯则在左弹簧的作用下回到中间位置。,9-2 液压元件,1-阀体 2-阀芯 3-弹簧座 4-弹簧 5-推杆 6-铁芯 7-衔铁 图9-18电磁换向阀的工作原理图,9-2 液压元件,2.压力控制阀 压力控制阀是控制液压系统中油液压力的一种

34、液压元件。按照工作原理及功用不同可分为溢流阀、减压阀、顺序阀和压力继电器等。 (1)溢流阀。根据“并联溢流式压力负反馈”原理设计而成的液压阀称为溢流阀。它的特征是阀与负载相并联,溢流口接回油箱,采用进口压力负反馈。根据结构不同,溢流阀可分为直动型和先导型两类。 溢流阀的作用主要有3个:调压、稳压和限压。直动型溢流阀 a.直动型溢流阀的结构与工作原理 直动型溢流阀是作用在阀芯上的主油路液压力与调压弹簧力直接相平衡的溢流阀。如图9-19所示,直动型溢流阀因阀口和测压面结构形式不同,形成了3种基本结构:图9-19a所示阀采用滑阀式溢流口,端面测压方式;图9-19b所示阀采用锥阀式溢流口,端面测压方式

35、;图9-19c所示阀采用锥阀式溢流口,锥面测压方式,测压面和阀口的节流边均用锥面充当。但无论何种结构,直动型溢流阀均由调压弹簧和调压手柄、溢流阀口、测压面等3个部分构成。,9-2 液压元件,图9-19直动型溢流阀结构图 锥阀式直动型溢流阀的结构如图9-20所示。阀芯在弹簧的作用下压在阀座上,阀体上开有进出油口P和T,油液压力从进油口P作用在阀芯上。当液压作用力低于调压弹簧力时,阀口关闭,阀芯在弹簧力的作用下压紧在阀座上,溢流口无液体溢出;当液压作用力超过调压弹簧力时,阀芯开启,液体从溢流口T流回油箱,调压弹簧力随着开口量的增大而增大,直至与液压作用力相平衡。调节弹簧的预压力,便可调整溢流压力。

36、 图9-20 锥阀式直动型溢流阀结构图,9-2 液压元件,b.直动型溢流阀的特点。直动型溢流阀结构简单,灵敏度高,但因压力直接与调压弹簧力平衡,不适于在高压、大流量下工作。在高压、大流量条件下,直动型溢流阀的阀芯摩擦力和液动力很大,不能忽略,故定压精度低,恒压特性不好。 先导型溢流阀。先导型溢流阀有多种结构。图9-21所示是一种典型的三节同心结构先导型溢流阀,它由先导阀和主阀两部分组成。锥式先导阀1、主阀芯上的阻尼孔(固定节流孔)5及调压弹簧9一起构成先导级半桥分压式压力负反馈控制,负责向主阀芯6的上腔提供经过先导阀稳压后的主级指令压力P2。主阀芯是主控回路的比较器,上端面作用有主阀芯的指令力

37、P2A2,下端面作为主回路的测压面,作用有反馈力P1A1,其合力可驱动阀芯,调节溢流口的大小,最后达到对进口压力P1进行调压和稳压的目的。 1-锥阀(先导阀) 2-锥阀座 3-阀盖 4-阀体 5-阻尼孔 6-主阀芯 7-主阀座 8-主阀弹簧 9-调压(先导阀)弹簧 图9-21三节同心先导型溢流阀结构图,9-2 液压元件,如图9-22所示,工作时,液压力同时作用于主阀芯及先导阀芯的测压面上。当先导阀1未打开时,阀腔中油液没有流动,作用在主阀芯6上下两个方向的压力相等,但因上端面的有效受压面积A2大于下端面的有效受压面积A1,主阀芯在合力的作用下处于最下端位置,阀口关闭。当进油压力增大到使先导阀打

38、开时,液流通过主阀芯上的阻尼孔5、先导阀1流回油箱。由于阻尼孔的阻尼作用,使主阀芯6所受到的上下两个方向的液压力不相等,主阀芯在压差的作用下上移,打开阀口,实现溢流,并维持压力基本稳定。调节先导阀的调压弹簧9,便可调整溢流压力。 图9-22 三节同心先导性溢流阀工作原理图 (2)减压阀。根据“串联减压式压力负反馈”原理设计而成的液压阀称为减压阀。减压阀是使出口压力(二次压力)低于进口压力(一次压力)的一种压力控制阀。减压阀主要用于降低并稳定系统中某一支路的油液压力,使用一个油源能同时提供两个或几个不同压力的输出。,9-2 液压元件,减压阀在各种液压设备的夹紧系统、润滑系统和控制系统中应用较多。

39、此外,当油液压力不稳定时,在回路中串入一减压阀可得到一个稳定的较低的压力。减压阀的特征是:阀与负载相串联,调压弹簧腔有外接泄油口,采用出口压力负反馈。 根据减压阀所控制的压力不同,它可分为定值输出减压阀、定差减压阀和定比减压阀。 减压阀也有直动型和先导型之分,但直动型减压阀较少单独使用。在先导型减压阀中,根据先导级供油的引入方式不同,有先导级由减压出口供油式和先导级由减压进口供油式两种结构形式。本节重点介绍先导级由减压出口供油的减压阀。先导级由减压出口供油的减压阀如图9-23所示,由先导阀和主阀两部分组成。该阀的工作原理如图9-24所示。图中,压力油由阀的进油口P1流入,经主阀减压口F减压后由

40、出口P2流出。锥式先导阀、主阀芯上的阻尼孔(固定节流孔e)及先导阀的调压弹簧一起构成先导级半桥分压式压力负反馈控制,负责向滑阀式主阀芯的上腔提供经过先导阀稳压后的主级指令压力P3。主阀芯是主控回路的比较器,端面有效面积为A,上端面作用有主阀芯的指令力(即液压力P3A与主阀弹簧力预压力Ky0之和),下端面作为主回路的测压面,作用有反馈力P2A,其合力可驱动阀芯,并调节减压口F的大小,最后达到对出口压力P2进行减压和稳压的目的。,9-2 液压元件,图9-22三节同心先导型溢流阀工作原理图 图9-23先导级由减压出口供油的减压阀结构图,9-2 液压元件,图9-24先导级由减压出口供油的减压阀工作原理

41、图,9-2 液压元件,由图9-24可见,出口压力油经阀体与下端盖的通道流至主阀芯的下腔,再经主阀芯上的阻尼孔e流到主阀芯的上腔,最后经导阀阀口及泄油口L流回油箱。因此先导级的进口(即阻尼孔e的进口)压力油引自减压阀的出口P2,故称为先导级由减压出口供油的减压阀。 工作时,若出口压力P2低于先导阀的调定压力,先导阀芯关闭,主阀芯上、下两腔压力相等,主阀芯在弹簧作用下处于最下端,减压口开度F为最大,阀不起减压作用,P2P1。当出口压力达到先导阀调定压力时,先导阀阀口打开,主阀弹簧腔的油液便由外泄口L流回油箱,由于油液在主阀芯阻尼孔内流动,使主阀芯两端产生压力差,主阀芯在压差作用下,克服弹簧力抬起,

42、减压阀口F减小,压降增大,使出口压力下降到调定的压力值。 减压阀与溢流阀的异同点: 减压阀保持出油口压力基本不变,而溢流阀保持进油口处压力基本不变。 在常态下主阀阀芯的阀口位置不同,减压阀进出油口互通,是开放的,而溢流阀进出油口不通,是关闭的。 减压阀的进出油口均有压力,为保证减压阀出口压力调定值恒定,先导阀的导阀弹簧腔需通过泄油口单独外接油箱;而溢流阀的出油口是通油箱的,所以它的导阀的弹簧腔和泄漏油可通过阀体上的通道和出油口相通,不必单独外接油箱。 减压阀的主阀芯是三节杆,而溢流阀的阀芯是两节杆。,9-2 液压元件,3.流量控制阀 流量控制阀简称流量阀,它通过改变节流口通流面积或通流通道的长

43、短来改变局部阻力的大小,从而实现对流量的控制,进而改变执行机构的运动速度。流量控制阀是节流调速系统中的基本调节元件。在定量泵供油的节流调速系统中,必须将流量控制阀与溢流阀配合使用,以便将多余的流量排回油箱。 流量控制阀包括节流阀、调速阀、溢流节流阀和分流集流阀等。调速阀和节流阀在液压系统中的应用基本相同,主要与定量泵、溢流阀组成节流调速系统。调节节流阀的开口面积,便可调节执行元件的运动速度。节流阀适用于一般的节流调速系统,而调速阀适用于执行元件负载变化大而运动速度要求稳定的系统中,也可用于容积节流调速回路中。 1-顶盖 2-导套 3-阀体 4-阀芯 5-弹簧 6-底盖 图9-25轴向三角槽式节

44、流阀,9-2 液压元件,(1)节流阀。节流阀是通过改变节流截面或节流长度以控制流体流量的阀。 节流阀的结构。节流阀的结构如图9-25所示。压力油从进油口P1流入,经节流口从P2流出。节流口的形式为轴向三角沟槽式。作用于节流阀芯上的力是平衡的,因而调节力矩较小,便于在高压下进行调节。当调节节流阀的手轮时,可通过顶杆推动节流阀芯向下移动。节流阀芯的复位靠弹簧力来实现;节流阀芯的上下移动改变着节流口的开口量,从而实现对流体流量的调节。 单向节流阀。图9-26为单向节流阀的结构图,它把节流阀芯分成了上阀芯和下阀芯两部分。当流体正向流动时,其节流过程与节流阀是一样的,节流缝隙的大小可通过手柄进行调节;当

45、流体反向流动时,靠油液的压力把阀芯4压下,下阀芯起单向阀作用,单向阀打开,可实现流体反向自由流动。 1-顶盖2-导套3-上阀芯4-下阀芯 5-阀体6-复位弹簧7-底座 图9-26单向节流阀,9-2 液压元件,(2)调速阀。根据“流量负反馈”原理设计而成的流量阀称为调速阀。调速阀中有普通调速阀和温度补偿型调速阀两种结构。 四、液压辅件 1.滤油器 滤油器的作用是滤清油液中的杂质,以减少相对运动件的磨损和卡死,保证系统管路畅通,使系统正常工作。 液压系统中80%的故障是由于油液的污染引起的。所以保持油液的清洁是液压系统可靠工作的保障。油液中的污染物包括外部污染物(切屑、锈垢、橡胶颗粒、漆片、棉丝)

46、和内部污染物(零件磨损的脱落物、油液因理化作用的生成物)。 滤油器的种类很多,主要类型有机械式滤油器和磁性滤油器。机械式滤油器主要靠过滤介质阻挡杂质,磁性滤油器则靠过滤介质的磁性吸出油液中的铁沫。,9-2 液压元件,2.蓄能器 蓄能器是储存和释放压力能的装置。其作用是将系统中的压力油储存起来,需要时放出,以补偿泄漏和保持系统压力,并能消除压力脉动和缓和液压冲击。 3.油箱 油箱用以储存油液,以保证供给液压系统充分的油液,同时还具有散热、分离油中的杂质及空气、使渗入油液中的污物沉淀等作用。 油箱可分为开式油箱和闭式油箱两种形式。油箱的结构如图9-28所示。开式油箱中的油液的液面与大气相通,而闭式

47、油箱中油液的液面与大气隔绝。开式油箱又分为整体式和分离式。所谓整体式是指利用主机的底座等作为油箱。而分离式油箱则与三机分离并与泵组成一个独立的供油单元(泵站)。 1吸油管 2油滤网 3通气孔 4回油管 5上盖 6油标 7、9隔板 8放油螺塞 图9-28油箱,9-2 液压元件,4.热交换器 (1)冷却器。液压系统中的功率损失几乎全部变成能量,使油液温度升高。要是散热面积不够,则需要采用冷却器,使油液的平衡温度降低到合适的范围内。按冷却介质分,冷却器可分为风冷、水冷和氨冷等多种形式。一般液压系统中主要采用前两种。 (2)加热器。液压系统中油液的加热一般用电加热器。由于直接和加热器接触的油液温度可能

48、很高,会加速油液老化,所以这种电加热器应慎用。 5.其它附件 (1)管道。液压系统中使用的管道分为硬管和软管两类。硬管有无缝钢管、有缝钢管和铜管等;软管则有橡胶管和尼龙管等。 (2)管接头。管接头是油管与油管、油管与液压元件之间可拆装的连接件。 (3)压力表。液压系统各工作点的压力可通过压力表观测,以便调整和控制。最常用的压力表是弹簧弯管式压力表。 (4)压力表开关。压力油路与压力表之间往往装有一压力表开关。它实际上是一个小型截止阀,用于切断与接通压力表和油路的通道。,9-3 液压回路,按照功用的不同,液压回路可以分为方向控制回路、压力控制回路、速度控制回路。 一、方向控制回路 在液压系统中,

49、执行元件的起动、停止或改变方向是利用控制进入执行元件的液流通、断及改变流向来实现的,实现这些控制的回路称为方向控制回路。按照具体作用的不同,方向控制回路可以分为启停回路、换向回路和锁紧回路。 1.启停回路 图9-29启停回路启停回路的功用就是使执行元件停止运动,主要有以下几种方法: (1)切断油路。如图9-29所示,用一个二位二通电磁阀来切断压力油源,使得执行元件停止运动。实际上,切断执行元件的回油路也可达到停止运动的目的,但这会使执行元件和有关管路都受到高压油的作用。此种回路中,要求二位二通阀能通过全部流量,故一般适用于小流量系统。 图9-29启停回路,9-3液压回路,(2)油泵卸荷。油泵卸

50、荷,油液没有压力,执行元件当然停止运动。用卸荷使执行元件停止运动,可避免压力油经溢流阀回油引起的能量损失。三位四通阀在中位时可引起卸荷作用。 (3)准确停车。在机床液压系统中,有时要求执行元件有准确的停止位置,一般可采用死挡铁限位的方法达到这一要求。 2.换向回路 换向回路的功用是使执行元件能改变方向,主要有以下几种方法: (1)电磁阀换向回路。用二位(或三位)四通(或五通)电磁阀换向最为方便。但电磁阀换向动作快,换向有冲击。另外,交流电磁阀一般不宜作频繁的切换。采用电液阀换向时,虽然其中液动阀的移动速度可调节,换向冲击较小,但仍不能解决频繁切换问题。 (2)机-液换向阀换向回路。采用机动阀换

51、向时可靠性好,但机动阀必须配置在执行元件的附近,不如电磁阀灵活。另外,其换向性能也不够完善。图9-30为时间控制式机-液换向阀换向回路。它由执行元件带动工作台上的撞块拨动机动阀,机动阀使控制油路换向,进而使液动主位,执行元件反向运动。,9-3液压回路,图9-30机液换向阀换向回路 图9-31改进回路,9-3 液压回路,3.锁紧回路 锁紧回路的功用是切断执行元件的进出油路,使执行元件中的运动件停在规定的位置上并防止其停止后窜动。 (1)单向阀锁紧回路。如图9-32所示状态,活塞只能向左运动,向右则由单向阀锁紧。当电磁阀切换后,活塞向右运动,向左则锁紧。当活塞运动到液压缸终端时则能双向锁紧。这里,

52、油泵出口处的单向阀在泵停止运转时还有防止空气渗入液压系统的作用,并可防止执行元件和管路等处的冲击压力影响液压泵。 图9-32单向阀锁紧回路 图9-33液控单向阀锁紧回路,9-3液压回路,(2)液控单向阀锁紧回路。图9-33所示为液控单向阀锁紧回路。当有压力油进入时,回油路的单向阀被打开,单向阀不妨碍压力油进入液压缸。但当三位四通阀处于中位或泵停止供油时,两个液控单向阀把液压缸内的液体密闭在里面,使液压缸锁住。这种回路主要用于汽车起重机的支腿油路中。由于液控单向阀不可避免地存在泄漏,这种锁紧回路能保持执行元件锁紧时间不长。 (3)换向阀锁紧回路。图9-34所示为换向阀锁紧回路。它利用三位四通阀的

53、M型中位机能封闭液压缸两腔,使活塞能在其行程的任意位置上锁紧。由于滑阀式换向阀不可避免地存在泄漏,这种锁紧回路能保持执行元件锁紧时间不长。 图9-34换向阀锁紧回路,9-3 液压回路,二、压力控制回路 在液压系统中,利用压力控制阀来控制系统中油的压力,使系统实现定压、增压、减压、卸载等功能的基本回路称为压力控制回路。 常用的压力控制回路有调压回路、增压回路、减压回路、卸载回路和平衡回路等。 1.调压回路 调压回路的功用是调定或限制液压泵的最高压力,利用该回路可以实现多级压力的调节、控制和切换。 (1)远程调压回路。将先导式溢流阀的远程控制口K接远程调压阀进油口,而远程调压阀出油口接油箱,即构成

54、了远程调压回路,如图9-35b所示。远程调压阀结构如图9-35a所示,其结构类似溢流阀中的先导阀。调节远程调压阀的调压弹簧即可实现远程调压。 图9-35远程调压回路,9-3液压回路,(2)二级调压回路。图9-36a为二级调压回路的一例。活塞下降为工作行程,高压溢流阀4限制系统最高压力。活塞上升为非工作行程,低压溢流阀3的调节压力只需克服运动部件自重和摩擦阻力即可。此回路常用于压力机的液压系统中。图9-36b为二级调压回路的另一例。活塞下降,系统压力由高压溢流阀3调节。活塞上升,系统压力由远程调压阀5调节。 图9-36二级调压回路 2.增压回路 增压回路的功用是使系统的局部油路或某个执行机构获得

55、压力比液压泵工作压力高若干倍的液压,它是实现液压放大的回路,采用增压回路比选用高压大流量泵要经济得多。 图9-37a所示为单作用增压器的增压回路。当系统处于图示位置时,压力为p1的油液进入增压器的大活塞腔,此时在小活塞腔即可得到压力为p2的高压油液,增压的倍数等于增压器大小活塞的工作面积之比。当二位四通电磁换向阀右位接入系统时,增压器的活塞返回,补油箱中的油液经单向阀补入小活塞腔。这种回路只能间断增压。,9-3 液压回路,图9-37b所示为双作用增压器的增压回路。泵输出的压力油经换向阀5和单向阀1进入增压器左端大、小活塞腔,右端大活塞腔回油通油箱,右端小活塞腔增压后的高压油经单向阀4输出,此时

56、单向阀2、3被关闭;当活塞移到右端时,换向阀得电换向,活塞向左移动。左端小活塞腔输出的高压油经单向阀3输出,这样增压缸的活塞不断往复运动,两端便交替输出高压油,实现了连续增压。 图9-37增压回路 图9-38减压回路 3.减压回路 在夹紧系统、控制系统和润滑系统中常需要减压回路。图9-38所示为一种常见的减压回路。它是在主油路并联的支路上串联一个减压阀J,这样主油路的压力由溢流阀调定,而支油路的压力由减压阀调定。 图9-38减压回路,9-3 液压回路,4.卸载回路 卸荷有两种方法:一种是使泵输出的油液直接回油箱,泵在压力为零的情况下工作,称为流量卸荷;另一种是使泵的流量为零而压力仍然维持原来情

57、况,称为压力卸荷。 卸载回路的功用是在系统只需输出少量功率或不需输出功率时使液压泵停止运转或使它在很低的压差下运转,以减少系统功率损耗和噪声,延长泵的工作寿命。 (1)执行元件不需要保压的卸荷回路 三位换向阀卸荷回路。如图9-39所示,当滑阀中位机能为“H”、“K”、或“M”型的三位换向阀处于中位时,泵输出的油液直接回油箱。这种方法比较简单,但不适用于一泵驱动两个或两个以上执行元件的系统。 图9-39 三位换向阀卸荷回路,9-3 液压回路,二位二通阀卸荷回路。如图9-40所示,图中专门增加了一个二位二通电磁阀使泵卸荷。二位二通电磁阀流量必须与泵的流量相适应。 图9-40 二位二通阀卸荷回路 先

58、导式溢流阀卸荷回路。如图9-41所示,先导式溢流阀的远程控制口可通过二位二通电磁换向阀与油箱相通。 当二位二通阀电磁铁通电时,溢流阀远程控制口通油箱,这时溢流阀主阀全部打开,泵排出的油液全部回油箱,液压泵卸荷。这一回路中二位二通阀只通过很少的流量,因此可以用小流量规格。在应用中,可将小规格的电磁换向阀和先导式溢流阀组合在一起,这种组合阀称为电磁溢流阀。 图9-41 先导式溢流阀卸荷回路,9-3 液压回路,(2)执行元件需要保压的卸荷回路 蓄能器保压卸荷回路。如图9-42所示,液压泵向系统及蓄能器供油。当压力达到压力继电器调定压力时,压力继电器发出信号,使二位二通电磁换向阀的电磁铁通电,液压泵卸荷,由蓄能器保持系统的压力。保证时间决定于系统的泄漏、蓄能器的容量和压力继电器的返回时间等。 限压式变量泵保压卸荷回路。如图9-43所示,当活塞移动到终点停止运动后,泵压升高到最大值,此时泵的供油量减小到只需补偿本身的泄漏量和阀泄漏量之和,泵的供油量小,而执行元件仍由泵保持一定的压力,泵消耗的功率很小。从原理上讲,这种卸荷方式性

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