液压基础原理

液压基础第1部分液压传原理动力装置：柴油机、汽油机、电动机传动装置：改变速度、方向、力矩工作装置：铲刀、挖掘斗、…动力装置---------传动装置----------工作装置一传动的分类与特点1．机械传动优点：古典、成熟、可靠、不易受负载影响缺点：笨重、体积大、自由度小、结构复杂、不好实现自动控制2．电气传动优点：远距离控制、无污染、信号传递迅速、易于实现自动化等缺点：体积重量偏大、惯性大、调速范围小、易受外界负载的影响，受环境影响较大；3．气体传动优点：结构简单、成本低，易实现无级变速；气体粕性小，阻力损失小，流速可以很高，能防火、防爆，可在高温下工作。缺点：空气易压缩，负载对传动特性的影响较大，不宜在低温下工作，只适于小功率传动。二液压传动的工作原理1．液压传动：以液体作为工作介质来实现能量的传递和转换。机械能---液压能----机械能压力相等：p1=p2F1/A1=F2/A2，或：F1/F2=A1/A2容积相等：W1=W2A1L1=A2L2或:L1/L2=A2/A12．力比和速比等压特性：帕斯卡定律“平衡液体内某一点的液体压力等值地传递到液体内各处”p1A1p2A2F1F2v1v2等体积特性：假设液压缸1让出的液体体积等于液压缸2吸纳的体积。液压传动可传递力：力比等于二活塞面积之比液压传动可传递速度：速比等于二活塞面积之反比v2/v1=A1/A2可写成：A1v1=A2v2=Q（流量）这在流体力学中称为液流连续性原理，它反映了物理学中质量守恒这一现实。F1v1=F2v2=N=pQ（功率）说明能量守恒。综上所述，可归纳出液压传动的基本特征是：以液体为传动介质，靠处于密闭容器内的液体静压力来传递动力，其静压力的大小取决于外负载；负载速度的传递是按液体容积变化相等的原则进行的，其速度大小取决于流量。因此采用液压传动可达到传递动力，增力，改变速比等目的，并在不考虑损失的情况下保持功率不变。三液压传动的优点:（1）体积小、重量轻、惯性小、响应速度快（2）能够实现无级调速，调速范围广（3）可缓和冲击，运动平稳（4）容易实现过载保护（5）液压元件有自我润滑作用，使用寿命较长（6）容易实现自动控制液压传动的缺点:（1）泄露问题（可通过工艺克服）（2）控制复杂一些：非线性因素多、难于精确建模（3）能量经过两次转换，效率比其它两种传动方式低（4）液压元件的制造和维护要求均较高四液压技术的发展概况1650年帕斯卡提出了静止液体中的压力传播规律——帕斯卡原理，1686年牛顿揭示了粘性液体的内摩擦定律，18世纪流体力学的两个重要原理——连续性方程和伯努利能量方程相继建立，为液压技术的发展奠定了基础。1795年英国制成世界上第一台水压机，液压传动开始进入工程领域，1900年：德国科学家研制出第一台液压传动装置。二次世界大战前后，液压传动在大型军事武器装备上得到广泛应用。二战结束后，液压技术很快进入民用领域。工程机械发展历程：1951年，法国波克兰——第一台全液压挖掘机日本：1966年：32%，1972年：72%我国：60年代引进，抚顺挖掘机厂，未成功，70年底：探索五液压传动系统的组成部分与图形符号1、动力元件：将机械能转换成液压能，即液压泵。2、执行元件：将液压能重新转换成机械能，克服负载，带动机器完成所需的运动，即油缸、马达。3、控制元件：控制压力、流量及流动方向的装置，即各种阀类。4、辅助元件：除上述装置以外的其它必不可少的装置，如:滤油器、油箱、管路及检测装置(压力表、温度计等)。5、工作介质：即液压油。六液压油1．密度：单位体积液体的质量称为该液体的密度2．可压缩性：液体受压力作用而发生体积减小的性质称为压缩性。对于一般的液压系统可不考虑油的压缩性。3．黏性：液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，分子间的内聚力阻止分子相对运动而产生的一种内摩擦力。这种阻碍液体分子间相对运动的性质称为液体的黏性。静止的液体是不会呈现黏性的。液压油的黏性是用黏度来衡量的，它分为动力黏度、运动黏度、相对黏度三种。液体的黏度随压力的增大而增大，但在的数值不大。故在一般液压系统使用中一般忽略不计。但黏度随温度的影响很大，随着温度的升高，黏度会下降。这种关系称为液压油的黏—温特性，这种特性决定了液压油的使用场合。在工作温度范围内闪点、燃点要高以满足防火要求。凝固点和流动点要低以保证油液在较低的温度下正常工作。没有腐蚀性，有良好的相容性。液压系统的工作元件运动速度较高时宜选用黏度较小的液压油，以减小油液流动时的摩擦损失，运动速度较低时宜选用黏度较小的液压油。工作压力较高时应选择黏度较大的液压油，以减少系统的泄漏。工作压力较低时，宜选用黏度小些的液压油，以减少流动损失。对于液压传动来说，在分析系统压力时，一般不考虑液体位置的高度对压力的影响。4．帕斯卡原理在密闭的容器内的液体施加于静止液体上的压力将以等值同时传递到液体各点，这就是静压传递原理，俗称帕斯卡原理。流量：单位时间内流过某通流截面的液体体积。通用单位：m3/S、L/min平均流速：由于流动液体黏性的作用，通流截面上的液体各点的流速不相等，因此计算比较困难，为方便起见，引入平均流速的概念。即假设通流截面上各点的流速均匀分布，液体以此流速流过通流截面的流量等于以实际流速流过截面的流量。当流量一定时，管子细的地方流速大。当通流截面的面积一定时，流量越大流速也越大。液体的流速越高，压力就越低。在管道细处其截面积越小，流速越高，压力越低。管道粗的地方其截面积越大，流速越小，压力较大。七液压系统的流量和压力在液压系统中，由于某些原因使液体压力突然升高，形成很大的压力峰值现象被称为液压冲击。系统中出现液压冲击时，压力可能比正常工作压力大好几倍，这样大的压力，会损坏系统的密封装置、管道、和液压元件，还会引起设备振动，产生哭声。有时还会冲击液压元件（如：压力继电器、顺序阀等），产生误动作，影响系统的正常工作，甚至造成事故。液压系统产生液压冲击的原因：1）流动液体突然停止运动。例如：阀门突然关闭引起压力急剧升高产生液压冲击。2）静止液体的突然流动和流动液体突然换向。3）运动部件的突然制动和换向。4）某些液压元件动作不灵敏。防止和减少系统中的液压冲击的措施：1）减慢阀的关闭速度和延长运动部件的换向时间，使直接冲击变为间接冲击。2）限制油液在管道中的流速，以减小油液的动能；减小系统中工作元件的运动速度以减小其惯性。3）用橡胶软管代替金属管或在冲击源处安装蓄能器，以吸收液压冲击能量。4）在易出现液压冲击的位置设置限压阀和设置缓冲装置。绝大部分的压力损失将变成热能，造成系统温度升高，泄漏增大影响系统的工作性能，可采取以下措施减少管路系统的压力损失：1）尽可能缩短管道的长度，减少管道截面的突变和弯曲次数。2）提高管道内壁的粗糙精度。3）增大管路直径以增大通流面积，有效地降低流速。4）选用适宜黏度的液压油。液压系统还会产生泄漏，泄漏一般有内泄和外泄两种。液压元件内部的高压腔与低压腔之间的泄漏称为内泄。内部的油液漏到了外部称为外泄。1、低压腔2、高压腔在流动的液体中，因某点处的压力低于空气分离压而形成3、外泄漏4、内泄漏气泡的现象称为空穴现象，也称气穴现象。出现气穴现象时管道中会出现大量气泡，破坏了液流的连续性，造成流量和压力脉动。气泡如果随液流进入高压区后又急剧破灭，引起局部液压冲击并发出噪声和振动。当附着在管壁等金属上的气泡破灭时，会产生局部高温和高压使金属剥蚀，造成液压元件的工作性能变坏，寿命缩短。防止和减少空穴现象一般采取如下措施：1）减小阀口前后的压力差，一般使压力比为p1/p2＜3.5。2）正确设计管路，避免过多弯曲，急转和绕行，尽量保持平直。3）提高系统各连接处的密封性能，严防空气侵入。4）提高液压元件的抗蚀能力。采用抗腐蚀能力强的材料，提高零件的机械强度和表面加工质量。5）限制油压泵的吸油口处的真空度。液压系统中活塞或液压缸运动速度等于液压缸内油液的平均流速，活塞或液压缸运动速度与活塞的有效作用面积和流入液压缸中的油液的流量有关，与油液的压力无关。当活塞的有效作用面积一定时，活塞或液压缸的运动速度由流入液压缸中油液的流量决定。因此在液压系统中执行元件的运动速度由进入执行元件油液的流量决定，改变流量就改变了运动速度。在图A中如果负责为零,由液压泵输入油缸左腔的油液不受任何阻挡就能推动活塞向右运动,此时油液的压力为零。活塞的运动是由于液压缸左腔内油液体积的增大而引起的。图B中输入液压缸左腔的油液由于受到外界负载F的阻挡，不能立即推动活塞向左运动，而液压泵又在连续不断地供油，使液压缸左腔中的油液受到挤压，油液的压力从零开始由小到大升高，活塞有效作用面积A上承受的油液作用力也在增加从而推动活塞向右运动。所以液压系统中油液的压力由负载决定。且随负载大小的变化而变化。液压传动中两个重要的原则：液体压力是由负载决定的；液体速度是由流量决定的。第2部分液压元件及其基本参数与单元回路一液压泵和液压马达1、液压泵的主要性能参数：排量、流量和容积效率泵的排量qp：液压泵旋转一周所排出液体的体积。单位为m3/r或ml/r。泵的流量:泵在单位时间内排出液流的体积。理论流量:QT=qp·np实际流量:Q=QT-ΔQ，ΔQ:泵的泄露流量。容积效率：泵的实际流量和理论流量之比。即：pv=Q/QT=(QT-ΔQ)/QT=1-ΔQ/QT即：Q=QT·pv右图2-1是液压泵的工作原理图，当凸轮转动到直径最小端时封闭空间的容积变大形成真空，单向阀5被大气压推开，油箱中的油在大气压的作用下经管道进入容积增大的密封空间，这一过程称吸油，单向阀6则在负载和弹簧的压力下关闭。当凸轮转动到直径最大端时右图2-2，密封容积逐渐减小，使密封腔中的油液受到挤压，压力升高。当密封容积内的压力大于大气压时，单向阀7关闭，进油过程结束。当密封腔内油液压力大于负载和弹簧时，单向阀6被推开，泵向系统供给压力油这一过程称压油。由此可见油泵是靠密封工作腔的容积周期性的变化来工作的。液压泵实现吸油、压油工作条件：1）具有密封容积。2）密封容积的大小能周期变化，它吸进和输出的油液的多少由密封腔体积变化的大小频率决定。3）要装备配流装置，它是泵能不断吸油、压油，即泵能连续工作的保证。4）油箱必须与大气相通，这是吸油时打开进油路上单向阀的动力。这种靠密封容积腔体积的周期性变化，实现吸油和压油的液压泵称为容积泵，目前，液压传动中的油泵一般都采用容积泵。2、压力工作压力：指泵的输出压力，其数值决定于外负载。额定压力：是指根据实验结果而推荐的可连续使用的最高压力，反映了泵的能力（一般为泵铭牌上所标的压力）。在额定压力下运行时，泵有足够的流量输出，并且能保证较高的效率和寿命。最高压力：比额定压力稍高，可看作是泵的能力极限。一般不希望泵长期在最高压力下运行。3、功率、机械效率和总效率泵的输入功率：驱动泵轴的输入机械功率＝2πTnp泵的输出功率：泵输出的液压功率＝ppQp机械效率ηpm：泵工作时由于相对运动零件之间的摩擦及液体粘性摩擦而引起摩擦损失，因此，驱动泵所需的实际输入转矩必然大于理论转矩；此外还有一些其它损失，如发热、振动等，一般我们把除容积效率外的所有效率均归为机械效率。总效率p：泵的输出功率与输入功率之比，可表示为：p=pm.pv容积效率和机械效率是液压泵和马达的重要性能指标。因总效率为其二者的乘积，故液压传动系统效率低下。因此提高泵和马达的效率有其重要意义。4、扭矩理论输出扭矩:TT=pmqm/2π实际输出扭矩:Tm=TT.mm可见液压马达的排量是决定其输出扭矩的主要参数。总效率:ηm=mvmm5、最低稳定转速衡量液压马达转速性能的一个重要指标是最低稳定转速，它是指液压马达在额定负载下不出现爬行（时转时停）现象的最低转速。液压马达结构形式不同、最低稳定转速也不同。因此，实际使用时应注意所选择液压马达的最低稳定转速。6、液压泵和液压马达的类型:按结构分：柱塞式、叶片式和齿轮式柱塞式又分轴向和径向两种，它们既能作定量泵、定量马达，也能作变量泵、变量马达，都适用于高压场合