采煤机液压传动知识

采 煤 机 司 机 培 训教 案授课人： 赵 福 柱 职 称： 高级工程师采煤机液压传动基础知识第二节 液压传动基础知识 一、液压传动原理 (一)液压传动的组成及其优缺点 1液压传动的组成 利用密闭系统(如密闭的管路、元件、容器等)中的压力液体实现能量传递和转换的传动称为液压传动。其中的液体 (通常为矿物油) 称为工作液体或工作介质。一个液压系统包含以下几个组成部分： (1)动力元件。将原动机所提供的机械能转换成工作液体液压能的元件，称为液压元件，又称为液压泵。 (2)执行元件。将动力元件提供的工作液的压力能转变为机械能的元件称为执行元件。如液压缸和液压马达。 (3)控制元件。通过对液体的压力、流量和方向的调节、控制以改变执行元件的运动速度、方向和作用力等的元件称为控制元件。液压系统中各种阀类元件就是控制元件。 (4)辅助元件。上述三部分以外的其他元件称为辅助元件。它包括：油箱、管路、接头、密封、滤油器、冷却器等。 (5)工作液体。工作液体是指液压系统中能量转换和传递的介质，也起着润滑运动部件和冷却传动系统的作用。 2液压传动的优缺点 液压传动的优点是：传递动力具有灵活性，不受传递距离和方向的限制，可以在很大范围内实现无级调速；传递动力具有可靠性，传动平稳，吸振能力强，便于实现频繁换向、易于实现过载保护；防爆等安全性能较好；操作简便，易于采用电气、液压联动控制以实现自动化；由于是以油液为工作介质，液压传动系统中的一些零部件之间能白行润滑，使用寿命长；在功率相同的情况下，液压传动系统的体积小、质量轻，因而动作灵敏、惯性小、响应速度快及低速稳定性好；液压元件易于实现系列化、标准化、通用化，便于设计制造，利于推广使用。 液压传动的缺点是：液压系统存在泄漏、压力损失，致使液压传动的效率较低；由于泄漏及油液具有一定的可压缩性，使传动比不能恒定，不适用于传动比要求严格的场合；工作性能与效率受温度变化影响较大；对液压元件的制造工艺要求高，成本高；刚性差，易产生振动和噪音。 (二) 液压传动的特点和基本参数 1、液压传动的基本特点(1) 液压系统中力的传递靠液体压力的传递来实现。密闭系统中压力的大小取决于外载荷的大小，但系统压力不可以无限制地随着外载荷增大而增大，它受到封闭容器、管路及液压元件强度的限制，为使系统能可靠地运转，通常在系统中设置安全阀保护系统。液压系统还具有力(或力矩)的放大作用。 (2) 运动速度的传递按“容积变化相等”的规律进行。执行元件的运动速度取决于动力源的流量。如果改变泵的流量，就可改变液压缸活塞杆的运动速度，液压传动中的调速就是基于这种原理来实现的。 2液压传动的基本参数 液压传动最基本的技术参数是工作液体的压力和流量。 系统压力是指液压泵出口的液体压力，其大小取决于外载，一般由溢流阀调定。压力用表示，单位是Pa，常用单位MPa，工程上常用kgfcm2(巴)表示。它们之间的换算关系为: 1 Mpa 106Pal0 kgfcm2(巴) 国家标准GB2346 1998规定了液压系统及元件公称压力系列。 流量通常是指单位时间内流过的液体体积，用字母Q表示，单位是m3s，工程上常用Lmin作为流量单位，它们之间的换算关系为： 1 m3s 103Ls6104Lmin (三) 液压元件的职能符号 液压系统是由很多不同功能的液压元件通过管路连接起来构成的。国家制定了一种用规定的图形符号来表示液压系统原理图中的各元件和连接管路的标准，即液压系统图形符号(GBT78611993)。其主要液压元件职能符号如表62所示。二、液压元件 (一)液压泵 1液压泵的工作原理和类型 (1)密封容积的变化是液压泵实现吸、排液的根本条件。因此，密封而又可以变化的容积是液压泵必须具备的基本结构。所以液压泵也称容积式液压泵。液压泵所产生的流量与其密封容积的变化量与单位时间内容积变化的次数成比例。 (2)具有隔离吸液腔和排液腔(即隔离低压和高压液体)的装置。使液压泵能连续有规律地吸人和排出工作液体，这种装置称为配流装置。配流装置的结构因液压泵的型式而异，有阀式配流装置、盘式配流装置和轴式配流装置。 (3)油箱内的工作液体始终具有不低于一个大气压的绝对压力，这是保证液压泵能从油箱吸液的必要外部条件。因此，一般油箱的液面总是与大气相通。 液压泵的类型是按构成密封而可变容积的零件结构划分的。采掘机械中常用的液压泵类型如表63所示。 2主要性能参数 (1)排量、流量和容积效率。液压泵主轴每旋转一周所排出的液体体积称为排量。不计泄漏时的排量称为理论排量，其大小取决于液压泵密封工作腔的几何尺寸和变化次数，用qt表示，常用单位是mLr。排量可以调节的液压泵称为变量泵；排量固定不变的泵称为定量泵。计入泄漏时的排量称为实际排量，以q表示。 液压泵单位时间内所排出的液体体积称为流量，常用单位是 L / min。不计泄漏影响的理论流量的计算公式为： Qt nqtl0-3 (62) 计入泄漏后，液压泵实际流量的计算公式为： Q nql0-3 (63)式中 n液压泵主轴转速，rmin。 液压泵的实际排量q与理论排量qt 之比值称为容积效率，用字母V表示，即： V qqt (64) 也就是 V qqt QQt (65) 由此，液压泵实际流量的计算公式为： Q QtV nqtVl0-3 (66) 其中，n、qt、V均可在液压泵技术规格中查取。各类液压泵的容积效率：柱塞泵最高(085098)；叶片泵次之(08095)；齿轮泵最低(07095)。 (2)压力和转速。液压泵通常有两种压力，即额定压力和最大压力。额定压力是指泵在额定转速和最大排量下能连续运转的工作压力。最大压力是指泵在短时间内超载所允许的极限压力。液压泵在工作时所达到的具体压力值称为实际工作压力，其大小取决于执行元件的负荷。液压泵的转速有额定转速、最高转速和最低转速三种。额定转速是泵在额定压力下，连续长时运转的最大转速。最高转速是指泵在额定压力下，允许短暂运行的最大转速。最低转速是指允许泵正常运行的最小转速。在般情况下，液压泵应在额定转速下运转。常用各类液压泵的额定转速范围如下：齿轮泵：10001800 rmin；叶片泵：10001800 rmin；轴向柱塞泵：10002200 rmim。(3)输出功率、输入功率和总效率。当液压泵输出压力为p的实际流量为Q时，其实际输出功率的计算公式为： N。 pQ60 (6-7)式中 N。实际输出功率，kW。输入功率Ni是电动机作用在液压泵主轴上的机械功率，又称为泵的传动功率。由于液压泵的摩擦消耗，真正输入泵的有效功率N，转变为泵的理论输出功率的计算公式为： Nt Nim (68)式中 m液压泵的机械效率。泵的实际输出功率为：N。 NtV (69)液压泵的总效率等于其实际输出功率与输入功率之比，即： NONi Ntv / Ntm-1 VM (610)故液压泵输出压力为P、流量为Q时，所需的电动机传动功率Ni的计算公式为：Ni NO P (611)式中 Ni-电动机传动功率，kW； p泵的实际工作压力，MPa； Q泵的实际输出流量，L/min。各类液压泵的总效率值：柱塞泵为0. 809；齿轮泵为0608；叶片泵为075085。(二)液压马达1. 液压马达的特点和分类液压马达是液压系统的一种执行元件。它将液压泵提供的液体压力能转变为其输出轴的机械能(扭矩和转速)。由于泵和马达的用途和工作条件不同，对它们的性能要求也不一样，所以，相同结构类型的液压马达和液压泵之间存有许多差别。(1)液压马达应能正、反转运行，其内部结构具有对称性，而液压泵通常是单向旋转的，结构上没有这要求。 (2)液压泵通常必须有自吸能力，为改善吸液性能和避免出现气蚀现象，通常把吸液口做得比排液口大；而液压马达没有此要求。(3)为适应调速需要，液压马达的转速范围应足够大，特别对它的最低稳定转速有一定的要求；液压泵都是在高速运转下稳定工作的，其转速基本不变。为保证马达良好的低速运转性能，通常采用滚动轴承或静压滑动轴承。(4)由于马达一般具有背压，故必须设置独立的泄露口，将马达的泄露液体引回油箱。因此，同类型的液压泵和液压马达是不能互逆使用的。液压马达在分类上与液压泵基本一样。用于采掘机械的马达，按其结构也可分为：齿轮式液压马达,叶片式液压马达；柱塞式液压马达。它又可分为轴向柱塞式液压马达和径向柱塞式液压马达两种。在实际工作中，人们常把输出扭矩M1500 Nm、输出转速n150200 rmin的液压马达称为高速小扭矩马达；输出扭矩M1500 Nm、输出转速，n150200 rmin的液压马达称为低速大扭矩马达。常用的高速小扭矩马达有齿轮式、叶片式和轴向柱塞式；低速大扭矩马达多为径向柱塞式马达和行星转子式摆线马达。2液压马达的主要性能参数(1)排量qMO液压马达的排量，是指在不考虑液体在马达内的泄漏时推动其主轴每转一周所需要的工作液体体积，其单位为mLr。马达排量的大小只取决于马达本身的结构原理和几何尺寸，与工作条件和转速无关。(2)输人流量QM和容积效率uM。进人马达进液口的液体流量称为输人流量，单位为Lmin。由于马达内存在的泄漏现象，造成马达容积损失。设马达的泄漏流量为Qm，则马达的容积效率为： vM (612)(3)输出转速nM。已知马达的排量qM和容积效率VuM、输入流量QM，则马达的输出转速为： nM 103(rmin) (6-13)由上式可以看出，通过改变输入流量QM或调节马达的排量qM均可以改变马达的转速。排量qM可以调节的马达称为变量马达，排量qM不可以调节的马达为定量马达。(4)实际输出扭矩MM。其计算公式为： MM (6-14)式中 MM-实际输出扭矩，Nm； pM进出油口的压力差，MPa； mM机械效率； qM排量，mLr。(5)输出功率NM和总效率M。其计算公式为： NM (615)式中 NM输出功率，kW； pM进出油口压力差，MPa； QM-输入流量，Lmin； M-总效率，其值为容积效率与机械效率的乘积，N VMmM(三)液压缸液压缸和液压马达一样，在液压系统中作执行元件，带动工作机构实现直线往复运动。常用液压缸按其结构和作用方式分类。按作业方式可分为单作用和双作用液压缸两大类。所谓单作用液压缸是指液压缸的活塞杆只是一个方向动作(通常是向外伸出)时靠液压力推动，回程则靠自重或外力将活塞杆推回。双作用液压缸指活塞杆不论伸出或收缩均靠液压力动作。单作用液压缸有柱塞式、活塞式和伸缩套筒式；双作用液压缸有单活塞杆式、双活塞杆式和伸缩套筒式。(四)液压控制阀液压控制阀又称液压阀，是液压系统中的控制元件，它可以控制和调节系统中工作液体的压力、流量和方向，从而使执行机构实现预期的动作。按照液压控制阀在液压系统中所起的作用分为压力控制阀、方向控制阀和流量控制阀。1压力控制阀压力控制阀是用来控制工作液体的压力，以满足执行元件所需要的动力。一般可分为溢流阀、顺序阀和减压阀。(1)溢流阀的作用有两个：是随时溢出液压系统中多余的流量，保持系统的工作压力稳定，即溢流稳定，一般称为溢流阀；二是限制系统的最高工作压力，起安全保护作用，此时称安全阀,溢流阀和安全阀的工作状态不同：溢流阀在工作过程中处于常开状态，并且调定压力较低；安全阀处于常闭状态，且调定压力为系统最高压力，只有当系统压力超过调定压力时才开启。溢流阀按其结构分为直动式和先导式两种。(2)顺序阀是利用液体压力来自动控制液压系统中各执行元件动作先后顺序的液压元件。根据控制液体的来源不同，可分为直控顺序阀和远控顺序阀。(3)减压阀是用于单泵供液而同时需要两种以上的工作压力的传动系统中，通常在辅助回路中应用较多。减压阀的作用是将主回路中的工作液体高压降为所需要的压力值，以满足系统分支液压元件的工作需要。按减压阀调节要求的不同，可分为定压、定比和定差减压阀三种。其中，定压减压阀应用最多。减压阀也有直动式和先导式两种。2方向控制阀方向控制阀是用来控制和改变液压系统中液流方向，以实现执行元件变换运动方向的要求。主要有单向阀和换向阀。(1)单向阀的作用是控制工作液体只能向单一方向流动，而不允许反向流通。单向阀可以分为普通单向阀和液控单向阀两类。(2)换向阀是利用阀芯与阀体之间的相对位置变化，来改变阀体上各阀口之间的连通关系，以达到接通和断开液路、控制工作液体流动方向的目的。换向阀的应用广泛，种类最多，分类方法也多种多样。按阀芯的结构与运动方式，可分为滑阀、转阀和球阀组；按阀的操作方式，可分为手动、机动、液动、电动以及复合控制阀；按阀芯的工作位置数量不同，可分为二位、三位、四位及多位阀；按阀芯所控制的阀口数量不同，可分为二通、三通、四通、五通及多通阀。位和通的组合，可构成各种不同工作功能的换向阀。三位四通换向滑阀是应用最广泛的换向阀，滑阀处在中间位置时的阀口连接关系，称为滑阀的机能。常用的有O型、H型、M型和Y型4种。O型机能各阀口互不相通；H型机能四个阀口连通在一起；M型机能进、回液口连通，工作阀口闭锁；Y型机能工作液口和回液口三口相通，进液口关闭。3流量控制阀用来控制和调节液压系统流量，以实现执行元件所要求的运动速度。主要有节流阀、调速阀、分流阀。(1)节流阀利用改变通流面积来改变通过节流阀的流量，从而改变执行元件的运动速度。主要应用在由定量泵供油的小流量系统中，也可以用来进行加载和提供背压。(2)调速阀就是在普通节流阀的进油口串联一个定差减压阀，使液压泵的输出压力减小到固定值后再进入节流口，利用减压阀的自动调节作用，使节流口前后的压力差保持不变，从而保证流经调速阀的流量恒定。调速阀中的减压阀又称压力补偿器。(3)分流阀的作用是保证两个或多个执行元件在负载各不相同时也能实现同步动作。根据分流程度的不同，分流阀可分为等量分流阀和比例分流阀。(五)辅助液压元件1密封件密封的作用就是防止油液的泄漏(内泄和外泄)以及防止外界的杂质(灰尘、空气和水)进入液压系统。液压系统中常见的密封形式有接触密封和间隙密封。接触密封是在接触面间用一种专用密封元件，靠密封元件的弹力和工作介质压力达到密封的目的。间隙密封没有专门的密封元件，它利用相对运动零件配合表面间的微小间隙来起密封作用，又称非接触密封。接触密封在煤矿机械中应用广泛，主要的密封元件有()形密封圈和唇形密封圈。2油箱油箱的主要功能是储油和散热。此外，还有沉淀杂质和分离油液中空气的作用。油箱必须有足够的有效容积。油箱分为开式油箱和闭式油箱两种。开式油箱上部设有通气孔，使油箱中油液与外界大气相通，油面保持一个大气压力；闭式油箱完全封闭，油面压力一般高于大气压力。3油管和油管接头油管的作用是保证液压系统工作液体的循环和能量传输。油管接头用以把油管或油管与元件连接起来而构成管路系统。油管及管接头必须有足够的耐压强度和密封性能。4滤油器滤油器的基本作用是滤去油中杂质，使油液保持清洁，防止混入杂质，保证系统正常工作。滤油器的过滤精度是指滤油器能够滤除最小杂质颗粒度的大小，单位是m。滤油器的过滤精度等级分为四种：粗滤油器(100m)，普通滤油器(2540m)，精滤油器(1015m)，超精滤油器(35m)。5蓄能器蓄能器是一种能把压力油液的液压能储存在耐压容器里，待需要时又将其释放出来的一种装置。它的主要作用是储蓄液压能，缓和液压冲击和消除脉动影响。6冷却器冷却器是降低或控制油温的专用设备。它的功用是控制油温，减小油箱体积，保证液压系统正常工作，延长液压系统使用寿命。冷却器按介质不同分为风冷和水冷两种，冷却器一般安装在液压系统的回油路上。7. 截止阀截止阀是用来打开或关闭液压系统中主管路或分支管路的辅助液压元件。按其结构分为平面截止阀和球面截止阀两种。三、基本回路任何一个液压系统，都是由个或几个主回路和许多简单的、各有特定功能的基本回路组成的。虽然各个系统的作用、性能和工况不相同，但构成系统的许多回路有着相同的工作原理、工作特性和作用。1主回路主回路，是指油液从液压泵到执行元件，再从执行元件回到液压泵的流动循环路线。由液压泵到液压马达构成的系统为泵一马达系统；由液压泵到液压缸构成的系统为泵一缸系统。根据油液流动循环路线的不同，主回路可以分为开式循环系统和闭式循环系统两种基本型式。液压泵从油箱吸油，液压缸(或液压马达)的回油直接返回油箱的液压系统为开式循环系统。开式循环系统还具有系统简单、油液散热条件好等优点，但油箱容积大、系统松散，而且油液易混入杂质。变量液压泵排出的压力油进入液压马达，液压马达的回油又直接返回泵的吸油口，工作油液在液压泵和液压马达之间不断循环流动，这样的系统为闭式循环系统。为了补偿因泄漏造成的容积损失，闭式循环系统必须设置辅助液压泵，向主液压泵供油。闭式循环系统结构复杂、油液散热条件差，但油箱容积小、系统紧凑，密闭性能好。2. 压力控制回路压力控制回路是利用压力控制阀来控制系统的压力，以此实现系统的调压、增压、保压、卸荷、顺序动作等多种控制。压力控制回路包括以下几种回路：(1)调压回路控制系统的工作压力，使系统压力不超过某一预先调定的值，或者使工作机构运动过程中的各个阶段具有不同的压力。通常用溢流阀来调定泵的工作压力。(2)卸荷回路的作用就是在系统中各个执行元件暂时不工作时，使液压泵以很低的压力运转，或以很小的流量运转，使泵的输出功率最小，节约能耗、减少泵的磨损和系统发热。可通过变量泵或换向阀来实现卸荷。(3)背压回路的作用是使执行元件的回液具有一定的压力，以减小执行元件的冲击和振动，增加运动的平稳性，或防止立式液压缸与垂直或倾斜运动的工作部件因自重而下落，并使它们在任意位置锁定。背压回路可由溢流阀、顺序阀、节流阀等安装在执行元件的回液路上构成。3速度控制回路速度控制回路是控制、调节执行元件运动速度的回路，主要有调速回路、快速运动回路、同步回路、速度替换回路等。4方向控制回路方向控制回路的作用是控制系统中液流的通、断及流向，实现执行机构的启动、停止和换向。方向控制回路有换向回路和定向回路，开式系统常用换向阀进行换向，闭式系统常使用双向变量泵使执行元件换向。定向回路又称整流回路，在这种回路中，无论液压泵转向如何，都能保证回路吸油管路永为吸油管路，排油管路永为排油管路。四、采煤机调高装置的液压系统调高装置液压系统的工作原理，如图 所示。调高液压泵2经过滤油器1吸油，靠操纵换向阀3通过双向液压锁4使调高液压缸5升降。双向液压锁用来锁紧高液压缸活塞的两腔，使滚筒保持在所需的位置上；安全阀6的作用是保护整个系统。五、3MG200型采煤机液压系统3MG200型采煤机液压系统是在MLS3170型和MG300型采煤机液压系统的基础上优化组合而成的一种便于操作维护和故障处理的新型液压系统。它由主油回路、补油回路、高压保护回路和控制回路4个主要系统组成，如下图所示。1主油回路：由主油泵1、马达2组成。马达的旋向随主油泵供液方向而变，主油泵在零位时马达不转。2补油回路：补油回路又称热交换回路，用于向主油回路补充因马达工作时泄漏的油液。其工作原理分四步：(1)主电动机起动后，辅助泵3就开始排油，首先顶开制动器14为马达运转做好准备。(2)当主油回路工作，a路为高压时，补油回路是：粗过滤器10、辅助泵3、冷却器12、精过滤器11、低压单向阀16，至下端主油回路b路低压侧。 (3)当主油回路b路为高压时，补油回路是：粗过滤器10，辅助泵3、冷却器12、精过滤器11、低压单向阀15，至上端主油回路a路低压侧。(4)当主油泵回零时，辅助油经低压安全阀6回油池，低压安全阀6的动作压力为2.5MPa。当精过滤器11堵塞时，辅助油经单向阀20流通。 3.高压保护回路：当主油回路工作，a路为高压时，高压油向下推动梭形阀17，经高压表9至远程调压阀7(高压保护阀)。当采煤机受阻油压升高到14MPa时，远程调压阀导通，压力油推动失压控制阀21(图示位置)控制活塞23上下腔油路相通，压力平衡，在弹簧的作用下活塞回到中位，主泵随之回零，马达停止运转，从而使采煤机得到保护。当这种系统回路发生故障，油压达15MPa时，高压安全阀18导通，使系统得到保护。在梭形阀处于下位时(a路高压)，低压油路(b路)与背压阀19相通；当低压油路压力超过2MPa时，背压阀19导通，因此，马达工作时，低压侧始终保持17MPa以上的背压(原设计为2MPa)。主泵在零位(图示位置)时，高、低压管路，经梭形阀的节流孔导通，主回路剩余油液经背压阀19泄出。4控制回路：辅助泵起动后，压力液推动失压控制阀21使压力液进入伺服阀22。当拧动调速旋钮13，通过齿轮、丝杆使反馈杆24向上移动时，控制油经伺服阀22进入控制活塞上腔，推动控制活塞向下移动并带动主泵转动个角度，开始排油。排油量的大小随调速旋钮拧动角度大小而定，从而得到马达的无极变速。与此同时，控制活塞下腔的油液经伺服阀22回油池。在此油路上设有个节油孔，用以控制回油速度，保证油泵动作平稳。反方向操作调速旋钮13时，主油泵反向改变摆角，反向排油，马达反转。六、液压系统的安全技术要求l 液压系统应有压力表，指示准确。2液压系统应有防止过载和冲击的装置。采用溢流阀时，溢流压力不得大于系统工作压力的110。3应有良好的过滤器或其它防止液压油污染的措施。4液压系统工作时，液压油的温升不得超过40。5使用蓄能器时，蓄能充气压力与安装应符合规定。 6手动换向阀的操作与指示应方向一致，操纵轻便，无冲击跳动。起升离合器操纵手柄应设有锁止机构，工作可靠。7液压系统应按设计要求用油，油量满足工作需要。8油泵和液压马达无异响，系统工作正常，不得漏油。复习思考题一、单选题1摆线液压马达实际上是一种( )。A. 齿轮马达 B. 叶片马达 C柱塞马达2( )联接大多用在载荷较大和定心精度要求较高的机械设备上。A. 平键 B半圆键 C. 花键3一对齿轮转动，主动轮转速为1500 rmin，齿数为21；从动轮齿数为42，则从动轮转速为( )rmin。A1500 B750 C30004液压传动系统中油缸属于( )元件。A. 动力原件 B. 执行原件 C. 控制原件5下面键联接中，属于紧键联接的是( )联接。A. 平键 B花键 C. 切向键二、多选题1在以下机械传动的常用类型中，( )属啮合传动。A. 带传动 B圆锥齿轮传动 C螺旋传动D蜗杆传动 E. 链传动2以下各项中，( )属齿轮传动的失效形式。A. 工作齿面磨损 B齿面疲劳点蚀C. 齿面胶合 D齿面磨损E. 塑性变形 F弹性变形3在以下各种键联接中，( )联接属于紧键联接。A. 楔键 B平键 C. 切向键D半圆键 E花键4在以下各种液压控制阀中，( )属于压力控制阀。A顺序阀 B单向阀 C. 溢流阀D换向阀 E. 减压阀 5以下各项中，( )型属于三位四通滑阀常用的中位机能。 A. 0 BH CM DY EK FL三、判断题1油泵的排油量是指单位时间内向外输出的液体体积。( )2齿轮只能用来传递旋转运动。( )3在齿轮传动周转轮系中，至少应有一个齿轮的几何轴线位置不固定。( )4双螺母防松属于机械元件防松的一种方法。( )5液压缸和液压马达一样，在液压系统中作执行元件。( )- 16 -