工程机械液压传动原理.doc
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工程机械液压传动原理、故障诊断与排出 主讲：王晓博第1章液压与液力传动基础理论1．1 概述1．1．1 液压传动发展概况 液压传动技术是实现现代传动与控制的关键技术之一，在工程机械、机床工业、汽车制造、冶金矿山、航天航空等工业领域，得到了广泛的应用与普及 17世纪帕斯卡提出了著名的帕斯卡定理，奠定了液压传动的理论基础：1日世纪末英国制成了世界上第一台水压机；19世纪末德国制造了液压龙门刨床，美国制造了液压六角车床和液压磨床由于当时机械加工制造水平较低，没有成熟可靠的液压元件，因而液压传动技术并末得到普遍应用液压传动技术经历了很长的历史时期，但作为现代传动与控制技术的发展却只需追溯到第二次世界大战期间，由于当时工业和军事工程的需要，对液压控制系统的快速性、动态精度、功率—重量比提出了很高的要求在这期间出现了动作准确、反应迅速、驱动功率大的液压传动装置，并用于《机、大炮和坦克，而且在舰艇上也㈩现了电液控制阀及其伺服系统，推动了液压传动技术的发展第二次世界大战后，液压技术迅速从军事领域转向民用丁业，世界上几乎所有的机械装备都能见到液压技术的踪迹 当前，液压传动技术正向高压、高速、高集成化、大功率、高可靠性方向发展，现代液压传动技术与以微电子技术、计算机控制技术、传感技术等为代表的新技术紧密结合，形成了一个完善而高效的控制中枢，成为包括传动、控制、检测、显示乃至诊断、校正、预报在内的机电液一体化技术(Hydr。
mechatrnics)它是大中功率机械设备实现自动化不可缺少的基础支撑技术，应用极为广泛1．1．2液压传动的优势与不足 液压传动技术儿乎渗透到所有的现代工业领域，特别是近二、三十年来得到了广泛而迅速的应用和发展和机械传动、电力传动相比，液压传动具有独特的优点概括起来，有以下几个方面： 1)在相等的体积下，液压传动装置比电气装置产生的动力更大：在同等功率的情况下，液压传动装置体积小，重量轻，结构紧凑 2)液压传动装置能在很大的范围内实现无级调速，而且工作准确平稳；结构简单，成本低廉 3)液压传动装置易于实现自动化，可以完成各种复杂的动作，并且操作简便 4)液压传动装置容易实现过载保护液压元件能自行润滑，因而磨损少，使用寿命长 5)液压元件已实现了标准化、系列化、通用化，液压系统的设计、制造和使用都非常方便液压元件的排列布置具有较大的柔性液压传动的不足： 1)由于存在摩擦损失和泄漏损失，液压传动系统能量损失较大 2)对油液的清洁度要求较高，并要求定期更换 3)液压传动系统对温度的变化比较敏感，它的工作性能易受温度的影响 4)液压系统与元件制造维护要求较高，价格较贵，且进行故障诊断较困难。
总而言之，液压传动系统由于其优势明显，因而在现代工业领域得到广泛应用，它的一些不足也将随着科学技术的进步而逐步得到克服1．1．3液压传动在工程机械中的应用 随着国民经济的迅速发展，作为主要施工设备的工程机械在国家经济建设中发挥着越来越重要的作用由于液压传动装置具有功率密度高、易于实现直线运动、速度刚度大、便于冷却散热、动作实现容易等突出优点，因而在工程机械中得到了广泛的应用目前95％以上的工程机械都采用了液压技术，工程机械液压产品在整个液压工业销售总额中占40％以上，现在采用液压技术的程度是衡量一个国家工业水平的重要指标 工程机械最初采用液压传动技术是为了解决车辆转向阻力问题，以减轻司机的劳动强度，在转向系中使用了液压助力器由于液压助力器在应用过程中显示出的突出优点以及人们对液压元件和液压系统研究的深入，液压传动装置及技术很快在工程机械领域中推广应用，其发展经历了以下几个阶段 1．应用初期 20世纪40~50年代是工程机械液压传动技术应用的初期阶段人们摸索着将简单的液压元件和液压系统应用到工程机械上来解决用其他方式比较难以实现的问题(如执行器的直线运动等)其系统工作压力一般很低，大约在2~7MPa。
2．高速发展阶段 工程机械液压传动技术的应用在20世纪60、70年代发展迅速，其液压传动系统向着高速、高压化发展，系统压力的提高使得液压传动功率密度大幅度增加、液压元件的重量明显下降液压传动技术的应用逐渐由工程机械工作装置扩展到转向系统、行走系统、动系统和制动系统，人们研制出了全液压挖掘机和全液压叉车等工程机械 3．增强可靠性阶段 大多数工程机械都在野外作业，工作环境恶劣，其液压系统经常受到尘埃、振动、高温低寒、风雨雪的影响；同时，由于液压元件如泵在高速、高压运转时所产生的噪声、振动的原因，工程机械的液压传动系统常常引发故障因此在20世纪80年代，降低工程机械液压系统污染、提高设备可靠性便成为这一时期的应用主题 4．电液控制技术应用阶段 随着微电子和计算机技术的迅猛发展，使现代控制理论在工程机械液压传动装置中的应用成为现实计算机控制的变量泵系统、采用高速开关阀和步进电机驱动的数字阀大大提高了液压系统的效率出现了智能型液压挖掘机、凿岩隧道机器人、混凝土泵车等工程机械机型，大大提高了设备的作业精度和发动机的功率利用率以计算机技术为核心的机电液一体化技术在液压系统中的应用标志着现代工程机械液压传动与控制的最高水平。
目前几乎所有工程机械的工作装置都采用了液压传动控制即使以前很少采用液压技术的塔式起重机，现在也开始用低速大扭矩液压马达驱动起重机的提升、变幅、回转等机第2章工程机械常用液压元件2．1 液压泵与液压马达2．1．1概述 液压泵按其工作原理和结构可分为容积式和非容积式两类为获得较高的工作压力，在液压传动和液压伺服系统中，通常采用容积式泵 1．液压泵和液压马达的工作原理及分类 (1)工作原理 1)液压泵的工作原理 液压泵是将驱动电机的机械能转换成液体压力能的能量转换装置，是液压系统中的能源 容积式泵的工作原理如图2．1所示，图中柱塞2依靠弹簧3紧压在凸轮1上，l的旋转使2做往复运动当柱塞向右运动时，它和缸体7所围成的油腔4(密封工作腔)的容积由小变大，形成部分真空，油箱中的油液便在大气压的作用下，经吸油管顶开单向阀5进入汕腔4，实现了吸油；当柱塞向左移动时，油腔4的容积由人变小，其中的油液受压，当油的压力大于等于单向阀s的弹簧力时，便顶开单向阀6流入系统中，实现了压油凸轮不断地旋转，泵就不断地吸油和压油这种泵的输油能力(输出流量的大小)是由密封工作腔的数目、容积变化的大小及容积变化的快慢决定的，所以称这种泵为容积式泵。
2)液压马达的工作原理 液压马达是把输入液体的压力能转换成机械能输出的能量转换装置就液压系统来说，液压马达是一个执行元件容积式液压马达的工作原理，从原理上讲是把容积式泵倒过来使用，即向泵输入压力油，输出的是转速和转矩对于不同类型的液压马达其具体的工作原理有所不同，这将在具体讲液压泵和液压马达时加以说明 容积式泵与其相应的马达从原理上讲是可逆的，但由于功用不同，它们的实际结构有所差别有的泵可直接做马达使用，即通入压力油后就可以旋转，但某些泵通入压力油后，根本不能旋转 (2)分类 常用液压泵及液压马达按其结构形式町分为齿轮式、叶片式、柱塞式三大类，每种类型又有很多种；按输出、输入的流量是否可调又分为定量泵、定量液压马达2．液压泵(液压马达)的压力、排量和流量 (1)压力 液压泵的丁作压力pp是指泵的输出压力，即为使液压泵所输出的油液克服阻力，泵必须提供的压力液压马达的工作压力pu是指其输入油液的压力工作压力的大小决定于外界负载 液压泵(或液压马达)的额定压力是指泵(或液压马达)在使用中所允许达到的最大工作压力，超过了此值就是过载，泵(或液压马达)的效率就将下降，寿命就将降低。
液压泵铭牌上所标定的压力就是额定压力 (2)排量和流量 液压泵(或液压马达)的排量是指在不考虑泄漏的情况下，泵(或液压马达)每一转所输出(或所需输入)液体的体积，并Q以(对液压泵)和O(对液压马达)来表示排量的单位是m3／r(米’／转)，但这个单位太大，习惯上常用cm／r(mL／r-毫升／转)排量与转速无关，只取决于液压泵或液压马达的密封工作腔的几何尺寸 液压泵(或液压马达)的理论流量是指在不考虑泄漏的情况下，泵(或液压马达)在单位时间内所输出(或所需输入)液体的体积，并以酿p(对泵)和9u(对液压马达)表示，其值为排量与转速NP(对泵)或IM(对液压马达)的乘积 液压泵或液压马达的实际流量是指在考虑泄漏的情况下，泵和液压马达在单位时间内所输出(对泵)和所需输入(对液压马达)液体的体积，并分别用Q、QU表示对液压泵，Q
凡具有负载人、行程小和作业时间短等丁作特点的执行机构均可采用增压回路 4．卸荷回路 回路中液压泵以最小输山功率运转，液压泵输出的油液以最低压力流回油箱，或以最小流量(补偿系统泄漏所需之流量)输出压力油其作用是减少动力，降低系统发热 常见的卸荷回路有以／几种方式： 1)图3，5为采用ld型(或U、K型)滑阀机能来实现液压泵卸荷的回路 2)图3．6是用溢流阀卸荷的回路 3)图3．7为复合泵卸荷的回路当工作负载小时，泵2输山的油经单向阀与泵1合流，实现轻载快速运动当工作负载增大，系统压力超过卸荷阀4调定压力时，卸荷阀4打开，使泵2卸荷，液压泵1单独向系统供油，实现重载慢速运动4)图3．8是采用限压式变量泵的卸荷回路该泵可按实际工况需要，调定最大供油压力，而执行机构运行速度缓慢，所需流量极小，因此泵虽然在高乐下工作，但由于压力反馈作用，输山流量极小，故基本上是处于卸荷状态3．1．2速度控制回路 工程机械一般都要求调速，而液压系统能在原动机转速不变的情况下，方便地实现大范围的无级调速 调速方法可分为三大类：节流调速、容积调速、容积节流调速前两种在工程机械上应用较多 1．节流调速 按节流元件安装位置的不同，节流调速回路可分为三种：进油路节流调速、回油路节第4章 工程机械液压传动系统设计与实践4．1 液压传动系统的设计 对一台工程机械设备的传动方式，究竞选用机械传动、电力传动还是液压传动，要根据工程机械设备工作要求经过充分的分析、比较来确定。
有时‘种传动方式不能满足设备的工作要求或者机构兄得过于复杂，则叫·将两种传动方式结合起来使用当决定采用液压传动的方式之后，液压系统的设计任务才被确定下来这时必须明确： 1)设备总体布置及工艺要求，液压执行元件的位置及空间尺寸的限制 2)设备的工作循环，液压执行元件的运动方式(移动、转动或摆动)及其工作范围 3)液压执行元件的运动速度及其变化范围 4)液压执行元件的负载及变化范围 5)各液压执行元件动作之间的顺序、转换和互锁要求 6)丁作性能如工作平稳性、可靠性、转换精度、停留时间等方面的要求 对于液压系统小工作循环较复杂的。
