液压传动ppt课件

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 1 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 2 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 3 图8 1和图8 2 4 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 5 图8 3机床工作台液压系统 6 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 7 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 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 8 表8 1常用液压油的使用范围 9 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 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 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 10 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 11 表8 2按液压泵类型推荐采用的液压油粘度 12 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 13 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 14 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 15 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 16 图8 4液压泵的工作原理 17 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 18 图8 5外啮合齿轮泵工作原理 19 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 20 图8 单作用式叶片泵工作原理 21 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pAx Ff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 22 图8 7外反馈液压式变量叶片泵的工作原理 23 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 24 图8 双作用叶片泵工作原理 25 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 26 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 27 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 28 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 29 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 30 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 能使运动部件获得较高的速度和较小的推力 31 2 双杆活塞缸 如图8 13所示 活塞的两侧都有伸出杆 当两活塞杆直径相同 缸两腔的供油压力和流量都相等时 活塞 或缸体 两个方向的运动速度和推力也都相等 32 2 其他液压缸 1 增压缸 增压缸能将输入的低压油转变为高压油 供液压系统中的某一支油路使用 它由大 小直径分别为D和d的复合缸筒及有特殊结构的复合活塞等件组成 如图8 14所示 若油液输入增压缸大端的压力为p1 由小端输出的压力为p2 且不计摩擦阻力 根据力平衡关系得p2 D2 d2 p1 33 2 伸缩缸 伸缩缸由两级或多级活塞缸套装而成 如图8 15所示 前一级的活塞与后一级的缸筒连为一体 活塞伸出的顺序是先大后小 相应的推力也是由大到小 而伸出时的速度是由慢到快 活塞缩回的顺序一般是先小后大 而缩回的速度是由快到慢 34 3 液压缸的密封装置 液压缸的密封装置用以防止油液的泄漏 其对液压缸的工作性能和效率有直接的影响 因而要求密封装置有良好的密封性能 摩擦阻力小 制造简单 拆装方便 成本低且寿命长 液压缸的密封主要指活塞与缸筒 活塞杆与端盖间的动密封和缸筒与端盖间的静密封 35 间隙密封 如图8 16所示 在活塞的表面上制出几条细小的环形槽 以增大油液通过间隙时的阻力 即间隙密封是依靠运动件间的微小间隙来防止泄漏的 36 2 O 形和 Y 形密封圈密封 利用耐油橡胶或塑料的弹性使各种截面的环形圈贴紧在静 动配合面之间来防止泄漏 O 形密封圈安装时要有合理的预压缩量 1和 2 Y 形密封圈使用时应使唇边对着有压力的油腔 3 V 形密封圈 V 形密封圈由多层涂胶织物压制而成 它由形状不同的压环 密封环和支承环组成 当压环压紧密封环时 支承环可使密封环产生变形而起密封作用 当密封压力很高时 可增加密封环的数量 安装时应将密封环的开口面向压力油腔 37 4 液压缸的缓冲装置 当液压缸的工作部件质量较大 运动速度较高 或换向平稳性要求较高时 应在液压缸中设置缓冲装置 以免在行程终端产生很大的冲击压力和噪声 甚至机械碰撞 常见的缓冲装置活塞端部有圆柱 圆锥形或节流沟槽式缓冲柱塞 当柱塞运行至液压缸端盖上的内孔时 封闭在缸筒内的油液只能从环形间隙处挤出去 这时活塞即受到一个很大的阻力而减速制动 从而减缓了冲击 也可在液压缸的端盖上设单向阀和可调节流阀 当缓冲柱塞伸入端盖上的内孔后 活塞与端盖间的油液须经节流阀流出 节流口的大小可根据液压缸负载及速度的不同进行调整 因此能获得最理想的缓冲效果 当活塞反向启动时 压力油可经单向阀进入活塞端部 使启动迅速 38 5 液压缸的排气装置 液压系统中混入空气后会使工作不稳定 产生振动 噪声 低速爬行及启动时突然前冲等现象 因此 在设计液压缸时必须考虑空气的排除 对速度的稳定性要求高的液压缸和大型液压缸 需在其最高部位设置排气孔 用排气阀或排气塞来排气 如图8 17所示 当打开排气阀 图示位置 或松开排气塞的螺钉并使液压缸活塞 或缸体 以最大的行程空载往复运行时 缸中的空气即可排出 将排气阀或排气塞关闭 液压缸可进人正常工作 39 三 液压控制阀 液压控制阀是用来控制液压系统中油液的压力 流量和流动方向 使执行机构的推力 速度和运动方向符合要求 按照功用 液压控制阀分为方向阀 压力阀和流量阀三大类 1 方向控制阀方向阀是用来控制油液流动方向的阀 按类型分为单向阀和换向阀 方向控制阀的类型如下 40 1 单向阀 止回阀 单向阀是控制油液单方向流动的方向阀 不允许倒流 按阀芯结构分为球阀式 锥阀式 如图8 17所示 图8 18 b 所示为锥阀式单向阀 阀的原始状态是阀芯在弹簧的作用下轻压在阀座上 工作中随着进口油压P处压力的升高使其克服弹簧压力将阀芯顶起 使阀门打开 接通油路 这样油液便从进油口流入 从出油口流出 反之 当出油口油压高于进油口处油压时 油的压力使阀芯紧紧压在阀座上 油路不通 弹簧的作用是 阀门关闭时协助反流油液压紧阀口加强密封 41 图8 18单向阀 42 换向阀 换向阀是用来改变油液流动路线以改变工作机构的运动方向 它是利用阀芯相对阀体移动 接通或关闭相应的油路 从而改变液压系统的工作状态的 当阀芯与阀体处于图8 19所示的相对位置时 液压缸两腔不通压力油 处于停机状态 若对阀芯施加一个从右往左的力使其左移 阀体上的油口P和A连通 B和T连通 压力油经P A进入液压缸左腔 活塞右移 右腔油液经B T回油箱 反之 若对阀芯施加一个从左往右的力使其右移 则P和B连通 A和T连通 活塞左移 按阀芯的运动方式不同 换向阀可分为滑阀式和转阀式两类 其中滑阀式换向阀使用较多 其滑阀按阀芯在阀体内的工作位置数和换向阀所控制的油口通路分 换向阀有二位二通 二位三通 二位四通 二位五通等类型 见表8 4 不同的位数和通数是由阀体上的沉割槽和阀芯上台肩的不同组合而成 按阀芯控制的方式分 换向阀有手动 机动 电动 液动和电液动等类型 43 图8 19换向阀的工作原理 44 表8 4常见换向阀的图形符号 45 2 压力阀 压力阀用来控制液压系统的压力 或利用系统中压力的变化来控制某些液压元件的动作 按照用途不同 压力阀分为溢流阀 减压阀 顺序阀和压力继电器等 压力控制阀的类型如下 46 1 溢流阀 溢流阀是通过阀口的溢流 使被控制系统或回路的压力维持恒定 实现稳压 调压或限压的作用 按其结构原理可分为直动式和先导式两种 其符号如图8 20所示 47 直动式溢流阀 图8 21所示为锥阀型 还有球阀型和滑阀型 直动式溢流阀 当进油口P从系统接入的油液压力不高时 锥阀芯被弹簧紧压在阀座上 阀口关闭 当进油口压力升高到克服弹簧阻力时 便推开锥阀芯 使阀口打开 油液就由进油口P流入 再从回油口T流回油箱 溢流 进油压力也就不会继续升高 当通过溢流阀的流量变化时 阀口开度即弹簧压缩量也随之改变 但在弹簧压缩量变化很小的情况下 阀芯在液压力和弹簧力作用下保持平衡 可以认为溢流阀进口处的压力基本保持为定值 拧动调节螺钉改变弹簧预压缩量 便可调整溢流阀的溢流压力 48 图8 21直动式溢流阀 49 2 减压阀 减压阀可以用来减压 稳压 将较高的进口油压降为较低而稳定的出口油压 减压阀的工作原理是依靠压力油通过缝隙 液阻 降压 使出口压力低于进口压力 并保持出口压力为一定值 缝隙越小 压力损失越大 减压作用就越强 图8 22所示为先导式减压阀的结构原理及符号 压力为p1的压力油从阀的进油口A流入 经过缝隙 减压以后 压力降为p2 再从出油口B流出 而当出油口压力p2大于调整压力时 锥阀就被顶开 主滑阀右端油腔中的部分压力 便经锥阀开口及泄油孔Y孔流入油箱 由于主滑阀阀芯内部阻尼小孔R的作用 滑阀右端油腔中的油压降低 阀芯失去平衡而向右移动 因而缝隙 减小 减压作用增强 使出口压力p2降低至调整的数值 该数值还可以通过上部调压螺钉来调节 减压阀与溢流阀的主要区别 1 减压阀利用出口油压与弹簧力平衡 而溢流阀则利用进口油压与弹簧力平衡 2 减压阀的进 出油口均有压力 所以弹簧腔的泄油需要从外部单独接回油箱 称外部回油 而溢流阀的泄油可沿内部通道经回油口流回油箱 称内部回油 3 非工作状态时 减压阀的阀口常开 为最大开口 而溢流阀是常闭 50 图8 22减压阀 51 3 流量阀 流量阀应用于控制液压系统中液体的流量 实现对液压系统的速度控制 常用的流量阀有节流阀和调速阀 流量阀是液压系统中的调速元件 其调速原理是依靠改变阀口通流面积的大小或通流通道的长短来改变液阻 控制通过阀的流量 达到调节执行元件 缸或马达 运动速度的目的 1 节流阀普通节流阀常用的节流口形状如图所示 有针阀式 偏心式 轴向三角槽式等 如图8 23所示为普通节流阀 采用轴向三角槽式节流口 工作时阀芯受力均匀 流量稳定性好 不易堵塞 压力油从进油口p1流入 经孔道b和阀芯1左端的节流沟槽进入孔道a 再从出油口p2流出 调节流量时旋转调压螺母3 可使推杆2沿着轴向移动 推杆左移时 阀芯在弹簧力的作用下右移 这时节流口开大 通过流量增大 油液通过节流阀时会产生压力损失 p p1 p2并随负荷大小会变化 而引起通过节流口流量的变化影响控制速度 节流阀常用于负载和温度变化不大或速度稳定性要求较低的液压系统 52 图8 23节流阀 53 2 调速阀 调速阀由定差减压阀和节流阀串联而成 定差减压阀能自动保持节流阀前后压力差不变 使节流阀前后压力差不受负载影响 从而通过节流阀的流量也基本为定值 在图8 24中 减压阀1和节流阀2串联在液压泵与液压缸之间 来自液压泵的压力油 压力为pp 经减压阀槽a处的开口缝隙减压以后 流入槽b 压力降为p1 接着 再通过节流阀流人液压缸 压力降为p2 在此压力作用下 活塞克服负载F向右移动 若负载不稳定 当F增大时 p2也随之增大 减压阀阀芯将失去平衡而向右移动 使槽a处开口缝隙增大 减压作用减弱 p1亦增大 因而压力差 p pl p2保持不变 通过节流阀进入液压缸的流量也保持不变 反之 当F减小时 p2也随之减小 减压阀阀芯将失去平衡而向左移动 使槽a处开口缝隙减小 减压作用增强 p1 亦减小 因而压力差 p p1 p2保持不变 通过节流阀进入液压缸的流量也保持不变 54 图8 24调速阀的工作原理和符号 55