
第1章液压传动基础.ppt
77页1 1 1 1第1章 液压传动基础Ø1..1 液压传动的基本概念液压传动的基本概念Ø1..2 液压系统的组成液压系统的组成Ø1..3 液压传动的优缺点液压传动的优缺点Ø1..4 液压传动基本理论液压传动基本理论Ø1..5 液压油液压油Ø 思考题与习题思考题与习题2 2 2 2 液压传动是指以液体为工作介质,利用液体的压力能来传递能量和进行控制的一种传动形式图1-1(a)所示为一驱动机床工作台的液压传动系统,它由油箱1、滤油器2、液压泵3、溢流阀4、换向阀5和7、节流阀6、液压缸8以及连接这些元件的油管、管接头等组成1.1 液压传动的基本概念液压传动的基本概念3 3 3 3液压传动系统的工作原理是:液压泵由电机带动旋转而从油箱吸油,油液经滤油器进入压力油路后,在图示状态下,通过换向阀5、节流阀6,经换向阀7进入液压缸左腔,此时液压缸右腔的油液经换向阀7和回油管排回油箱,液压缸中的活塞推动工作台9向右移动;若将换向阀7的手柄往左扳,则换向阀状态如图1-1(b)所示,此时液压缸的活塞推动工作台向左移动;若换向阀5处于图1-1(c)所示的状态,则液压泵输出的压力油将经换向阀5直接回油箱,而不能进入液压缸。
工作台的移动速度是通过调节节流阀6的开口大小来控制的4 4 4 4 图1-1 机床工作台液压系统的工作原理图5 5 5 5 由以上分析可知,液压传动系统由液压泵、控制阀、执行元件和油箱等一些辅助元件组成该系统将电动机输出的机械能转变成液体的压力能并对外做功,即经过控制元件由执行元件将液体的压力能再次转变成机械能6 6 6 6 一个完整的液压系统由以下四部分组成: (1)动力装置最常见的形式是液压泵,它将电动机输出的机械能转换成液体压力能,是向系统提供压力油的能源装置泵的最高压力设定由压力控制阀来调整 (2)执行元件液压系统的最终目的是要推动负载运动一般执行元件可分为液压缸与液压马达(或摆动缸)两类:液压缸使负载作直线运动,液压马达(或摆动缸)使负载转动(或摆动) 1.2 液压系统的组成液压系统的组成7 7 7 7 (3)控制元件液压系统除了让负载运动以外,还要完全控制负载的整个运动过程在液压系统中,用压力阀来控制输出力,用流量阀来控制速度,用方向阀来控制运动方向 (4)辅助元件除了以上几种元件外,还有用来储存液压油的油箱,去除油内杂质的过滤器,防止油温过高的冷却器,储存油液压力能的蓄能器等液压元件。
我们称这些元件为辅助元件8 8 8 8 液压传动有如下特点 1.优点优点 (1)体积小,输出力大液压传动一般使用的压力在7 MPa左右,也可高达50 MPa而液压装置的体积比同样输出功率的电机及机械传动装置的体积小得多 (2)不会有过负载的危险液压系统中装有溢流阀,当压力超过设定压力时,阀门开启,液压油经溢流阀流回油箱,此时液压油不处在密闭状态,故系统压力永远无法超过设定压力1.3 液压传动的优缺点液压传动的优缺点9 9 9 9 (3)输出力调整容易液压装置的输出力调整非常简单,只要调整压力控制阀即可轻易达到 (4)速度调整容易液压装置的速度调整非常简单,只要调整流量控制阀即可轻易达到,且可实行无级调速 (5)易于自动化液压设备配上电磁阀、电气元件、可编程控制器和计算机等,可装配成各式自动化机械10101010 2.缺点缺点 (1)接管不良时易造成液压油外泄,油液除了会污染工作场所外,还有引起火灾的危险 (2)油温上升时,粘度降低;油温下降时,粘度升高油的粘度发生变化时,流量也会跟着改变,造成速度不稳定 (3)系统将电动机输出的机械能转换成液体压力能,再把液体压力能转换成机械能来做功,能量经两次转换后,损失较大,能源使用效率比传统机械传动低。
(4)液压系统大量使用各式控制阀、接头及管子,为了防止泄漏损耗,元件的加工精度要求较高11111111 1.4.1 液体静压力液体静压力 静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力静压力在液压传动中简称压力,在物理学中则称为压强1.4 液压传动基本理论液压传动基本理论12121212 静止液体中某点处微小面积ΔA上作用有法向力ΔF,则该点的压力定义为(1-1) 若法向作用力F均匀地作用在面积A上,则压力可表示为(1-2) 我国采用法定计量单位Pa来计量压力,1 Pa=1 N/m2,液压传动中习惯用MPa(N/ mm2),在企业中还习惯使用bar(kgf/cm2)作为压力单位,各单位之间的关系为1 MPa=106 Pa=10 bar13131313 液体静压力有如下两个重要特性: (1)液体静压力垂直于承压面,其方向和该面的内法线方向一致这是由于液体质点间的内聚力很小,不能受拉只能受压所致 (2)静止液体内任一点所受到的压力在各个方向上都相等如果某点受到的压力在某个方向上不相等,那么液体就会流动,这就违背了液体静止的条件14141414 图1-2 离液面h深处的压力151515151..4..2 液体静压力的基本方程液体静压力的基本方程 现在我们想象在静止不动的液体中有如图1-2所示的一个高度为h,底面积为ΔA的假想微小液柱,其表面上的压力为p0,求其在A点的压力。
因这个小液柱在重力及周围液体的压力作用下处于平衡状态,故我们可把其在垂直方向上的力平衡关系表示为 pΔA=p0ΔA+ρghΔA16161616式中,ρghΔA为小液柱的重力,ρ为液体的密度,g为重力加速度,一般取g为9.8 m/s2该式化简后得p=p0+ρgh(1-3) 式(1-3)为静压力的基本方程此式表明:17171717 (1)静止液体中任何一点的静压力为作用在液面的压力p0和液体重力所产生的压力ρgh之和 (2)液体中的静压力随着深度h的增加而线性增加 (3)在连通器里,静止液体中只要深度h相同,其压力就相等18181818 【【例例1--1】】 如图1-3所示,容器内盛满油液已知油的密度ρ=900 kg/m3,活塞上的作用力F=1000 N,活塞的面积A=1×10-3m2假设活塞的重量忽略不计,问活塞下方深度为h=0.5 m处的压力等于多少?19191919 图1-3 静止液体内的压力20202020 解解 活塞与液体接触面上的压力均匀分布,有 根据静压力的基本方程式(1-3),深度为h处的液体压 p=p0+ρgh=106+900×9.8×0.5 =1.0044×106(N/m2)≈106(Pa)21212121 从本例可以看出,液体在受外界压力作用的情况下,液体自重所形成的那部分压力ρgh相对甚小,在液压系统中常可忽略不计,因而可近似认为整个液体内部的压力是相等的。
以后我们在分析液压系统的压力时,一般都采用这一结论222222221..4..3 绝对压力、表压力及真空度绝对压力、表压力及真空度 根据度量方法的不同,有表压力p(gaugepressure)和绝对压力pabs(absolutepressure)之分以当地大气压力pat(atomosphere)为基准所表示的压力称为表压力(又称相对压力);以绝对零压力为基准所表示的压力称为绝对压力 若液体中某点处的绝对压力小于大气压力,则此时该点的绝对压力比大气压力小的那部分压力值称为真空度所以有真空度真空度=大气压力-绝对=大气压力-绝对压力压力(1-4) 有关表压力、绝对压力和真空度的关系如图1-4所示23232323 图1-4 绝对压力、表压力和真空度的关系242424241..4..4 帕斯卡原理帕斯卡原理 在密封容器内,施加于静止液体上的压力将以等值同时传递到液体内各点,容器内压力的方向垂直于内表面,如图1-5所示 容器内液体各点的压力为 (1-5) 式(1-5)建立了一个很重要的概念,即在液压传动中工作的压力取决于负载,而与流入的流体多少无关。
25252525 图1-5 帕斯卡原理262626261..4..5 连续性方程连续性方程 液体在流动时,液体中任何一点的速度、压力和密度不随时间改变的流动称为恒定流动;反之,速度、压力和密度其中一项随时间改变的,就称为非恒定流动 对恒定流动而言,液体通过流管内任一截面的液体质量必然相等图1-6所示管路内,两个流通截面面积为A1和A2,流速分别为v1和v2,则通过任一截面的流量Q为 Q=Av=A1v1=A2v2=常数(1-6)27272727 流量的单位通常用L/min表示,与m3/s的换算关系如下:1 L=1×10-3m31 m3/s=6×104 L/min 式(1-6)即为连续性方程,它是质量守恒定律在流体力学中的应用此式还得出另一个重要的基本概念,即运动速度取决于流量,而与流体的压力无关28282828 图1-6 管路中液体的流量对各截面而言皆相等29292929 图1-7 帕斯卡原理应用实例30303030 【【例例1--2】】 图1-7所示为相互连通的两个液压缸,已知大缸内径D=100 mm,小缸内径d=20 mm,大活塞上放一质量为5000kg的物体G。
问: (1)在小活塞上所加的力F有多大时才能使大活塞顶起重物? (2)若小活塞下压速度为0.2m/s,则大活塞上升速度是多少?31313131 解解 (1)物体的重力为G=mg=5000 kg×9.8 m/s2 =49 000 kg·m/s2=49 000 N 根据帕斯卡原理,因为外力产生的压力在两缸中均相等,即 所以,为了顶起重物,应在小活塞上加力为 32323232 (2)由连续性方程: Q=Av=常数得 故大活塞上升速度为 本例说明了液压千斤顶等液压起重机械的工作原理,体现了液压装置的力的放大作用333333331..4..6 伯努利方程伯努利方程 没有粘性和不可压缩的理想液体在管内作恒定流动时,依能量守恒定律可得(1-7)式中,p表示压力(Pa);ρ表示密度(kg/m3);v表示流速(m/s);g表示重力加速度(m/s2);h表示水位高度(m) 我们称式(1-7)为伯努利方程34343434 如图1-8所示,在有粘性和不可压缩的恒定流动中,依能量守恒定律得(1-8)式中,∑Hν表示因粘性而产生的能量损失(m)。
35353535 图1-8 点①和点②截面的能量相等363636361.4.7 薄壁小孔与阻流管薄壁小孔与阻流管 液体流动时,改变流通截面面积可改变流体的压力和流量,这就是节流阀的工作原理 1.薄壁小孔.薄壁小孔 如图1-9所示,当l/d≤0.5时称为薄壁小孔,其流量Q为 (1-9)式中,α表示流量系数,通常取0.62~0.63;A表示小孔的截面积37373737 图1-9 薄壁小孔38383838图1-10 阻流管39393939 2.阻流管阻流管(细长孔细长孔) 如图1-10所示,当l/d>4时称为阻流管,其流量Q为 (1-10) 式中,n表示运动粘度(St,m2/s)404040401.4.8 液体液体流动中的压力和流量的损失流动中的压力和流量的损失 1.压力损失.压力损失 由于液体具有粘性,在管路中流动时不可避免地存在着摩擦力,因此液体在流动过程中必然要损耗一部分能量这部分能量损耗主要表现为压力损失 压力损失有沿程压力损失和局部压力损失两种沿程压力损失是当液体在直径不变的直管中流过一段距离时,因摩擦而产生的压力损失。
局部压力损失是由于管子截面形状突然变化、液流方向改变或其他形式的液流阻力而引起的压力损失总的压力损失等于沿程压力损失与局部压力损失之和41414141 由于液压元件结构不同(尺寸的偏差与表面粗糙度的不同),因此,要准确地计算出总的压力损失的数值是比较困难的但压力损失又是液压传动中一个必须考虑的因素,它关系到确定系统所需的供油压力和系统工作时的温升在生产实践中,希望压力损失尽可能小些 由于压力损失的必然存在性,因此,泵的额定压力要略大于系统工作时所需的最大工作压力一般可将系统工作所需的最大工作压力乘以一个1.3~1.5的系数来估算42424242 2.流量损失.流量损失 在液压系统中,各液压元件都有相对运动的表面,如液压缸内表面和活塞外表面因为要有相对运动,所以它们之间都有一定的间隙,如果间隙的一边为高压油,另一边为低压油,那么高压油就会经间隙流向低压区,从而造成泄漏同时,由于液压元件密封不完善,因此,一部分油液也会向外部泄漏这种泄漏会造成实际流量有所减少,这就是我们所说的流量损失43434343 流量损失影响运动速度,而泄漏又难以绝对避免,所以在液压系统中泵的额定流量要略大于系统工作时所需的最大流量。
通常也可以用系统工作所需的最大流量乘以一个1.1~1.3的系数来估算444444441..4..9 液压冲击和空穴现象液压冲击和空穴现象 1.液压冲击.液压冲击 在液压系统中,当油路突然关闭或换向时,会产生急剧的压力升高,这种现象称为液压冲击 造成液压冲击的主要原因是:液流速度的急剧变化、高速运动工作部件的惯性力和某些液压元件的反应动作不够灵敏45454545 当管路内的油液以某一速度运动时,若在某一瞬间迅速截断油液流动的通道(如关闭阀门),则油液的流速将从某一数值在某一瞬间突然降至零,此时油液流动的动能将转化为油液的挤压能,从而使压力急剧升高,造成液压冲击高速运动的工作部件的惯性力也会引起系统中的压力冲击例如液压缸部件要换向时,换向阀迅速关闭液压缸原来的排油管路,这时油液不再排出,但活塞由于惯性作用仍在运动,从而引起压力急剧上升,造成压力冲击液压系统中由于某些液压元件动作不灵敏,如不能及时地开启油路等,也会引起压力的迅速升高而形成冲击46464646 产生液压冲击时,系统中的压力瞬间就要比正常压力大好几倍,特别是在压力高、流量大的情况下,极易引起系统的振动、噪音,甚至会导致管路或某些液压元件的损坏。
这样既影响了系统的工作质量,又会缩短系统的使用寿命还要注意的是,由于压力冲击产生的高压力可能会使某些液压元件(如压力继电器)产生误动作而损坏设备47474747 避免液压冲击的主要办法是避免液流速度的急剧变化延缓速度变化的时间,能有效地防止液压冲击,如将液动换向阀和电磁换向阀联用可减少液压冲击,这是因为液动换向阀能把换向时间控制得慢一些48484848 2.空穴现象.空穴现象 在液流中,当某点压力低于液体所在温度下的空气分离压力时,原来溶于液体中的气体会分离出来而产生气泡,这就叫空穴现象当压力进一步减小直至低于液体的饱和蒸气压时,液体就会迅速汽化,形成大量蒸气气泡,使空穴现象更为严重,从而使液流呈不连续状态49494949 如果液压系统中发生了空穴现象,液体中的气泡随着液流运动到压力较高的区域时,一方面,气泡在较高压力作用下将迅速破裂,从而引起局部液压冲击,造成噪音和振动;另一方面,由于气泡破坏了液流的连续性,降低了油管的通油能力,造成流量和压力的波动,使液压元件承受冲击载荷,因此影响了其使用寿命同时,气泡中的氧也会腐蚀金属元件的表面,我们把这种因发生空穴现象而造成的腐蚀叫气蚀。
50505050 在液压传动装置中,气蚀现象可能发生在液压泵、管路以及其他有节流装置的地方,特别是液压泵装置(这种现象最为常见) 为了减少气蚀现象,应使液压系统内所有点的压力均高于液压油的空气分离压力例如,应注意液压泵的吸油高度不能太大,吸油管径不能太小(因为管径过小就会使流速过快,从而造成压力降得很低),油泵的转速不要太高,管路应密封良好,油管入口应没入油面以下等总之,应避免流速的剧烈变化和外界空气的混入 气蚀现象是液压系统产生各种故障的原因之一,特别在高速、高压的液压设备中更应注意这一点51515151 液压系统中完全靠液压油把能量从液压泵经管路、控制阀传递到执行元件根据统计,许多液压设备的故障皆起因于液压油的使用不当,故应对液压油要有充分的了解1..5..1 液压油的用途液压油的用途 液压油起以下几种作用: (1)传递运动与动力将泵输出的压力能传递给执行元件,由于油本身具有粘性,因此,在传递过程中会产生一定的动力损失1.5 液液 压压 油油52525252 (2)润滑液压元件内各移动部位都可受到液压油充分润滑,从而降低元件磨损 (3)密封油本身的粘性对细小的间隙有密封的作用。
(4)冷却系统损失的能量会变成热,被油带出535353531..5..2 液压油的种类液压油的种类 液压油主要有下列两种 1.矿物油系液压油.矿物油系液压油 矿物油系液压油主要由石腊基(Paraffin base)的原油精制而成,再加抗氧化剂和防锈剂,为用途最广的一种其缺点为耐火性差54545454 2.耐火性液压油.耐火性液压油 耐火性液压油是专用于防止有引起火灾危险的乳化型液压油,有水中油滴型(O/W)和油中水滴型(W/O)两种水中油滴型的润滑性差,会侵蚀油封和金属;油中水滴型的化学稳定性很差555555551..5..3 液压油的性质液压油的性质 液压油的主要性质包括密度、闪火点、粘度和可压缩性 1.密度.密度 单位体积液体的质量称为液体的密度矿物油系工业液压油的密度约为0.85~0.95 g/cm3,W/O型的密度约为0.92~0.94 g/cm3,O/W型的密度约为1.05~1.1 g/cm3液压油的密度越大,泵吸入性越差56565656 2.闪火点.闪火点 油温升高时,部分油会蒸发而与空气混合成油气,此油气所能点火的最低温度称为闪火点。
如继续加热,则会连续燃烧,此温度称为燃烧点57575757 3.粘度.粘度 液体流动时,分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产生的一种内摩擦力,这种现象称为液体的粘性液压油的粘性对机械效率、压力损失、容积效率、漏油及泵的吸入性影响很大58585858 度量粘性大小的物理量称为粘度粘度可分为动力粘度和运动粘度两种液体的粘性的示意如图1-11所示,其表达式为 (1-11)式中,τ表示剪应力(N/m2);μ表示动力粘度(Pa·s,也称为帕·秒)59595959 图1-11 液体的粘性示意图60606060 运动粘度表示为(1-12) 式中,n表示运动粘度(m2/s);ρ表示密度(kg/m3) 粘度是液压油的性能指标工程上常用运动粘度标志液体的粘度,例如机械油的牌号就是用其在40℃时的平均运动粘度(m2/s)为其标号61616161 油的粘度易受温度影响,温度上升,粘度降低,造成泄漏、磨损增加、效率降低等问题;温度下降,粘度增加,造成流动困难及泵转动不易等问题如运转时油液温度超过60℃,就必须加装冷却器,因油温在60℃以上,每超过10℃,油的恶化速度就会加倍。
图1-12所示是几种国产液压油的粘度—温度曲线62626262 图1-12 几种国产液压油的粘度—温度曲线63636363 4.可压缩性.可压缩性 液压油在低、中压时可视为非压缩性液体,但在高压时压缩性就不可忽视了,此时,液压油的可压缩性是钢的100~150倍可压缩性会降低运动的精度,增大压力损失而使油温上升压力信号传递时,会有时间延迟及响应不良的现象 液压油还有其他一些性质,如稳定性、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、润滑性以及相容性等646464641..5..4 液压油的选用液压油的选用 液压油有很多品种,可根据不同的使用场合选用合适的品种在品种确定的情况下,最主要考虑的是油液的粘度其选择主要考虑如下因素: (1)液压系统的工作压力工作压力较高的系统宜选用粘度较高的液压油,以减少泄露;反之便选用粘度较低的油例如,当压力p=7.0~20.0 MPa时,宜选用N46~N100的液压油;当压力p<7.0 MPa时,宜选用N32~N68的液压油65656565 (2)运动速度执行机构运动速度较高时,为了减小液流的功率损失,宜选用粘度较低的液压油 (3)液压泵的类型。
在液压系统中,对液压泵的润滑要求苛刻,不同类型的泵对油的粘度有不同的要求,具体可参见有关资料666666661..5..5 液压油的污染与保养液压油的污染与保养 液压油使用一段时间后会受到污染,常使阀内的阀芯卡死,并使油封加速磨损及液压缸内壁磨损造成液压油污染的原因有如下三个方面 1)污染 液压油的污染一般可分为外部侵入的污物和外部生成的不纯物67676767 (1)外部侵入的污物:液压设备在加工和组装时残留的切屑、焊渣、铁锈等杂物混入所造成的污物,只有在组装后立即清洗方可解决 (2)外部生成的不纯物:泵、阀、执行元件、“O”形环长期使用后,因磨损而生成的金属粉末和橡胶碎片在高温、高压下和液压油发生化学反应所生成的胶状污物68686868 2)恶化 液压油的恶化速度与含水量、气泡、压力、油温、金属粉末等有关,其中以温度影响为最大,故液压设备运转时,须特别注意油温之变化69696969 3)泄漏 液压设备配管不良、油封破损是造成泄漏的主要原因泄漏发生时,空气、水、尘埃便可轻易地侵入油中故当泄漏发生时,必须立即加以排除 液压油经长期使用,油质必会恶化,一般采用目视法判定油质是否恶化,当油的颜色混蚀并有异味时,须立即更换。
液压油的保养方法有两种:一种是定期更换(约为5000~20000小时);另一种是使用过滤器定期过滤70707070 1-1 液压系统通常由哪些部分组成?各部分的主要作用是什么?1-2 液压系统中压力的含义是什么?压力的单位是什么?1-3 液压系统中压力是怎样形成的?压力的大小取决于什么?1-4 液压油的性能指标是什么?并说明各性能指标的含义1-5 选用液压油主要应考虑哪些因素?思考题与习题思考题与习题71717171 1-6 如题图1-6所示,已知活塞面积A=10×10-5m2,包括活塞自重在内的总负重G=10000N问从压力表上读出的压力p1、p2、p3、p4、p5各是多少? 1-7 如题图1-7所示的连通器,中间有一活动隔板T,已知活塞面积A1=1×10-3 m2,A2=5×10-3 m2,F1=100 N,G=1000 N,活塞自重不计问: (1)当中间用隔板T隔断时,连通器两腔压力p1、p2各是多少? (2)当把中间隔板T抽去使连通器连通时,两腔压力p1、p2各是多少?力F1能否顶起重物G?72727272 题图1-673737373题图1-774747474 1-8 如题图1-7所示的连通器,当抽去中间隔板T后,若要使两活塞保持平衡,F1应是多少? 1-9 如题图1-7所示的连通器,若G=0,其他已知条件都同题1-7,在抽去隔板T后,两腔的压力p1、p2是多少?75757575 1-10 如题图1-10所示的液压系统,已知使活塞1、2向左运动所需的压力分别为p1、p2,阀门T的开启压力为p3,且p1 问: (1)哪个活塞先动,此时系统中的压力为多少? (2)另一个活塞何时才能动?这个活塞动时系统中的压力是多少? (3)阀门T何时才会开启?此时系统压力又是多少? 1-11 在题1-10中,若p3
