典型液压传动系统实例分析

·70·第四章典型液压传动系统实例分析第一节液压系统的型式及其评价一、液压系统的型式通常可以把液压系统分成以下几种不同的型式。1．按油液循环方式的不同分按油液循环方式的不同，可将液压系统分为开式系统和闭式系统。（1）开式系统如图4.1所示，开式系统是指液压泵1从油箱5吸油，通过换向阀2给液压缸3（或液压马达）供油以驱动工作机构，液压缸3（或液压马达）的回油再经换向阀回油箱。在泵出口处装溢流阀4。这种系统结构较为简单。由于系统工作完的油液回油箱，因此可以发挥油箱的散热、沉淀杂质的作用。但因油液常与空气接触，使空气易于渗入系统，导致工作机构运动的不平稳及其它不良后果。为了保证工作机构运动的平稳性，在系统的回油路上可设置背压阀，这将引起附加的能量损失，使油温升高。在开式系统中，采用的液压泵为定量泵或单向变量泵，考虑到泵的自吸能力和避免产生吸空现象，对自吸能力差的液压泵，通常将其工作转速限制在额定转速的75％以内，或增设一个辅助泵进行灌注。工作机构的换向则借助于换向阀。换向阀换向时，除了产生液压冲击外，运动部件的惯性能将转变为热能，而使液压油的温度升高。但由于开式系统结构简单，因此仍为大多数工程机械所采用。（2）闭式系统如图4.2所示。在闭式系统中，液压泵的进油管直接与执行元件的回油管相联，工作液体在系统的管路中进行封闭循环。闭式直系统结构较为紧凑，和空气接触机会较少，空气不易渗入系统，故传动的平稳性好。工作机构的变速和换向靠调节泵或马达的变量机构实现，避免了在开式系统换向过程中所出现的液压冲击和能量损失。但闭式系统较开式系统复杂，由于闭式系统工作完的油液不回油箱，油液的散热和过滤的条件较开式系统差。为了补偿系统中的泄漏，通常需要一个小容量的补油泵进行补油和散热，因此这种系统实际上是一个半闭式系统。图4.1开式系统·71·一般情况下，闭式系统中的执行元件若采用双作用单活塞杆液压缸时，由于大小腔流量不等，在工作过程中，会使功率利用率下降。所以闭式系统中的执行元件一般为液压马达。如大型液压挖掘机、液压起重机中的回转系统，全液压压路机的行走系统与振动系统中的执行元件均为液压马达。闭式系统中执行元件为液压马达的另一优点是在起动和制动时，其最大起动力矩和制动力矩值相等。2．按系统中液压泵的数目分按系统中液压泵的数目可将其分为单泵系统、双泵系统和多泵系统。（1）单泵系统由一个液压泵向一个或一组执行元件供油的液压系统，即为单泵液压系统，如图4.3所示。单泵系统适用于不需要进行多种复合动作的工程机械，如推土机、铲运机等铲土运输机械的液压系统。对某些工程机械如液压挖掘机、液压起重机的工作循环中，既需要实现复合动作，又需要对这些动作能够进行单独调节，采用单泵系统显然是不够理图4.2闭式系统1-液压泵；2-液压马达；3-单向阀，4-补油泵；5-油箱图4.3单泵系统·72·想的。为了更有效地利用发动机功率和提高工作性能，就必须采用双泵系统或多泵系统。（2）双泵系统图4.4为双泵液压系统图。双泵液压系统实际上是两个单泵液压系统的组合。每台泵可以分别向各自回路中的执行元件供油。每台泵的功率是根据各自回路中所需的功率而定，这样可以保证进行复合动作。当系统中只需要进行单个动作而又要充分利用发动机功率时，可采用合流供油方式，即将两台液压泵的流量同时供给一个执行元件。这样可使工作机构的运动速度加快。这种双泵液压系统在中小型液压挖掘机和起重机中已被广泛采用。（3）多泵系统为了进一步改进液压挖掘机和液压起重机的性能，近年来在大型液压挖掘机和液压起重机中，开始采用三泵系统。图4.5为三泵液压系统原理图。这种三泵液压系统的特点是回转机构采用独立的闭式系统，而其它两个回路为开式系统。这样，可以按照主机的工作情况，把不同的回路组合在一起，以获得主机最佳的工作性能。3．按所用液压泵型式的不同分按所用液压泵型式的不同，可将液压系统分为定量系统和变量系统。（1）定量系统。采用定量泵的液压系统，称为定量系统，如图4.3，图4.4所示。定量系统中所用的液压泵为齿轮泵、叶片泵或柱塞泵。图4.4双泵液压系统1-双联液压泵；2-换向阀；3-多路换向阀；4-变速阀；5-先导阀；6-行走马达；7-缓冲制动阀；8-回转马达；9-回转马达换向阀·73·液压泵的功率是按理论功率450maxQpN选取的。对定量泵，当发动机转速一定时，流量Q也一定。而压力是根据工作循环中需要克服的最大阻力确定的，因此液压系统工作时，液压泵功率是随工作阻力变化而改变的。在一个工作循环中液压泵达到满功率的情况是非常少的。据统计，在挖掘机中定量泵功率的平均利用率约为54~60％(图4.6)。液压系统中液压泵的理论功率与发动机有效功率之比约为0．8~1．2。对定量泵，其功率比值可取在l以上，但应小于发动机的功率储备，以免突然过载时造成发动机熄火而影响正常工作。（2）变量系统变量系统中所用的液压泵为恒功率控制的轴向柱塞泵，泵的功率特性曲线如图4.7所示。从图中可以看出，功率调节器中，控制活塞右面有压力油作用，控制活塞左面有弹簧力的作用，当泵的出口压力低于弹簧装置预紧压力时，弹簧装置未被压缩，液压泵的摆角处于最大图4.5三泵液压系统原理图图4.6定量系统与变量系统功率利用率比较图4.7恒功率控制变量泵的功率特性曲线·74·角度，此时泵的排量也为最大。随着液压泵出口压力的增高弹簧被压缩，液压泵的摆角也就随着减小，排量也就随之减少。液压泵在出口压力和弹簧装置预压紧力相平衡时的位置，称为调节起始位置。调节起始位置时，作用在功率调节器中控制活塞上的液压力称为起调压力。当液压泵的出口压力大于起调压力时，由于调节器中弹簧压缩力与其行程有近似于双曲线的变化关系，因而在转速恒定时，液压泵出口压力与流量也呈近似于双曲线的变化。这样液压泵在调节范围之内始终保持恒功率的工作特性。由于液压泵的工作压力是随外载荷的大小而变化的，因此，可使工作机构的速度随外载荷的增大而减小，或随外载荷的减小而增大，使发动机功率在液压泵调节范围之内得到充分利用。变量泵的起调压力p0是由弹簧装置的刚度和液压系统的要求决定的。调节终了压力pmax是由液压系统决定、由安全阀调定。相应于起调压力时的摆角为最大，相应于调节终了时的摆角为最小。变量泵的优点是在调节范围之内，可以充分利用发动机的功率，缺点是结构和制造工艺复杂，成本高。为了防止发动机因过载而突然熄火，一般将液压泵的理论功率与发动机有效功率之比限于0．8~l.0之间。4．按向执行元件供油方式的不同分按向执行元件供油方式的不同，可将液压系统分为串联系统和并联系统。（1）串联系统在系统中，当一台液压泵向一组执行元件供油时，上一个执行元件的回油即为下一个执行元件进油的液压系统称为串联系统，如图4.8。在串联系统中，若液压泵输出的压力油以压力pl，流量Ql进入第一个执行元件，以压力p2、流量Q2进入第二个执行元件。那么，在不考虑损失的情况下，对双作用单活塞杆液压缸，Ql≠Q2。Q1、Q2与液压缸活塞的有效面积Sl、S2成正比，即1212SSQQ(4—1)在不考虑管路和执行元件中的能量损失时，第一个执行元件中的工作压力p1，取决于克服该执行元件上载荷所需的压力p′和第二个执行元件的工作压力p2，即：p1=p′+p2（4—2）这说明在串联系统中，每通过一个执行元件工作压力就要降低一次。因此串联系统的特点是：当主泵向多路阀控制的各执行元件供油时，只要液压泵出口压力足够，便可实现各执行元件的运动的复合。但由于执行元件的压力是叠加的，所以克服外载荷的能力将随执行元件数量的增加而降低。图4.8串联系统·75·（2）并联系统并联系统是指在系统中，当一台液压泵同时向一组执行元件供油时，进入各执行元件的流量只是液压泵输出流量的一部分，如图4.9所示。并联系统的特点是：当主泵向多路阀所控制的各执行元件供油时，流量的分配是随各执行元件上外载荷的不同而变化，压力油首先进入外载荷较小的执行元件。只有当各执行元件上外载荷相等时，才能实现同时动作。液压泵的出口压力取决于外载荷小的执行元件上的压力与该油路上的压力损失之和。由于并联系统在工作过程中只需克服一次外载荷，因此克服外载荷的能力较大。除了上述的分类以外，按调速方法的不同，液压系统又有节流调速系统和容积调速系统之分。这部分已在速度调节基本回路中介绍过，这里不再赘述。二、液压系统的评价随着液压技术的发展，液压传动在国内外工程机械、机床等方面应用越来越广泛。任何一种机械的液压传动系统都应满足重量轻、体积小、结构简单、使用方便、效率高和质量好的要求。其中尤应强调质量好和效率高，并在保证质量好、效率高的基础上应尽可能地采用先进技术。液压机械性能的优劣，主要是取决于液压系统性能的好坏。而液压系统性能的好坏则又以系统中所用元件的质量好坏和所选择的基本回路恰当与否为前提。对一个液压系统的评价，应该从液压系统的效率、功率利用、调速范围和微调特性、振动和噪声等几个方面加以分析对比。1．液压系统的效率在保证主机性能要求的前提下，应该使液压系统具有尽可能高的效率。液压系统效率的高低反映了液压系统中能量损失的多少。这种能量损失最终是以热的形式出现，使系统的油温升高。系统中引起能量损失的因素很多，主要有以下几个方面：（1）换向阀在换向制动过程中出现的能量损失在开式系统中工作机构的换向只能借助于换向阀封闭执行元件的回油路，先制动后换向。当执行元件及其外载荷的惯性很大时，在制动过程中压力油和运动机构的惯性都迫使执行元件继续运动，同时压入回油腔的液体，使回油腔的压力增高，严重时可达几倍的工作压力。液体在此高压作用下，将从换向阀或制动阀的开口缝隙中挤出，从而使运动机构的惯性能变为热耗，使系统的油温升高。在一些换向频繁，载荷惯性很大的系统中，如挖掘机的回转系统，由于换向制动而产生的热耗是十分可观的，有可能成为系统发热的主要因素。（2）元件本身的能量损失元件的能量损失包括液压泵、液压马达、液压缸和控制元件等的能量损失，其中以泵和图4.9并联系统·76·液压马达的损失为最大。液压泵和液压马达中能量损失的多少，可用效率来表示。液压泵和液压马达效率的高低，是作为其质量好坏的主要指标之一。液压泵和液压马达的效率等于机械效率和容积效率的乘积，机械效率和容积效率是与多种因素有关的，如工作压力、转速和工作油液的粘度等。一般，每一台液压泵和液压马达在一个额定的工作点，即在一定的压力和一定的转速下，具有最高的效率，当增加或降低转速和工作压力时，都会使效率下降。管路和控制元件的结构，同样也可以影响能量损失的大小。因为油液流动时的阻力与其流动状态有关，为了减少流动时的能量损失，可在结构上采取改进措施：对于管件，可增大截面积以降低流动速度；对于控制元件，可增大结构尺寸，以增大通流量。但增加的结构尺寸超过一定数值时，就会影响到经济性。此外，在控制元件的结构中，两个不同截面之间的过渡要圆滑以尽量减少摩擦损失。（3）溢流损失当液压系统工作时，工作压力超过溢流阀(安全阀或过载阀)的开启压力时，溢流阀开启，液压泵输出的流量全部或部分地通过溢流阀而溢流。可能出现溢流阀溢流的工况有：回转机构的启动与制动过程；负载太大，液压缸中的工作压力超过溢流阀的开启压力而仍继续工作；工作机构液压缸达到终点极限位置，而换向阀尚未改变工作位置。在系统工作时，应尽量减少溢流损失。这可从设计因素和操作因素上采取措施。（4）背压损失为了保证工作机构运动的平稳性，常在执行元件的回油路上设置背压阀。背压越大，能量损失亦越大。一般情况下液压马达的背压要比液压缸大；低速液压马达的背压要比高速马达大。为了减少因回油背压而引起的发热，在保证工作机构运动平稳性的条件下，尽可能减少回油背压，或利用这种背压做功。综上所述，为了保证液压系统具有高的效率，必须控制和减少系统与元件的能量损失，亦即控制和减少系统总发热量。2．功率利用液压系统的功率利用反映了主机的生产率。一般情况下，采用恒功率变量泵的变量系统其功率利用率要比定量系统高。在双泵系统中，为提高功率利用率除采用变量系统外，还可采用合流供油。目前，为了提高功率