第四講液壓傳動

建筑施工機械

第四講液壓傳動

液體傳動是以液體為工作介質(zhì)，進行能量傳遞、轉(zhuǎn)換和控制的一種傳動形式，它和機械傳動有原則的區(qū)別。液體傳動包括液壓傳動和液力傳動。

第一節(jié)概述液壓傳動基于流體力學(xué)的帕斯卡原理，以液體的壓力能來傳遞能量和動力，又稱靜壓傳動。液力傳動基于流體力學(xué)的動量矩原理，以液體的動能來傳遞能量和動力，又稱動液傳動。一、液壓傳動工作原理圖6·1是液壓傳動的工作原理圖。圖中1和4是被活塞封閉的兩個直徑不同的液壓缸，2和3是兩個活塞，管路5將兩個液壓缸連通組成一個密封的容器。假設(shè)密封容器內(nèi)的液體不可壓縮，并且無任何泄漏，則當(dāng)液體中某一點處受到壓力作用時，這個壓力將通過液體傳遞到容器內(nèi)其它各點，且各點壓力值相等。在密封容器中，作用于靜止液體表面的壓力可以等值地傳遞到液體內(nèi)部所有各點的原理，稱為帕斯卡原理，或稱靜壓傳遞原理。液壓傳動的工作原理就是帕斯卡原理。它是以液體的壓力能來傳遞能量和動力的。根據(jù)帕斯卡原理，可得出的重要概念和原理：1、力的放大原理：即：可通過增大從動缸活塞面積的方法實現(xiàn)力的放大。2、液壓傳動的一個重要概念：

液壓系統(tǒng)中的壓力決定于負(fù)載。（當(dāng)負(fù)載為零，液壓缸中的壓力建立不起來）p=F1/A1=F2/A2=03、液壓傳動的運動傳遞原理：

液壓傳動過程中液體容積變化相等。A1h1=A2h2二、液壓傳動應(yīng)用實例

圖6·2是常用油壓千斤頂?shù)脑韴D。圖中4、5為單向閥，9為截止閥，它們是系統(tǒng)的控制裝置；1、2、3、4、5組成動力裝置-手動活塞泵；液壓缸6（升舉油缸）是執(zhí)行裝置。從圖中可知：重物F升至預(yù)定位置后，只要不把截止閥9打開，重物F就不會在重力作用下下降，而停留在原來的位置-這種性質(zhì)稱為自鎖性。

通過上述分析和應(yīng)用舉例可以看出，液壓傳動裝置實質(zhì)上是一種能量轉(zhuǎn)換裝置。它先是將機械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能，隨后又將壓力能轉(zhuǎn)換為機械能而作功。液壓傳動系統(tǒng)具有以下工作特征:

1)液壓傳動是在密封容器內(nèi)進行的;2)力的傳遞是通過液體的壓力來實現(xiàn)的;3)運動的傳遞是按液體容積變化相等的原理進行的;4)工作壓力決定于負(fù)載;5)易于實現(xiàn)自鎖。完整的液壓系統(tǒng)通常由以下四個部分組成：1.動力裝置通常指液壓泵，其作用是將原動機（電動機或內(nèi)燃機）的機械能轉(zhuǎn)換成液體的壓能。2.控制裝置包括各類液壓閥，主要有方向控制閥、壓力控制閥和流量控制閥，其功能是對液壓系統(tǒng)中油的流動方向、壓力、流量進行調(diào)節(jié)和控制。三、液壓傳動系統(tǒng)的組成3.執(zhí)行裝置包括作直線運動的液壓缸或作旋轉(zhuǎn)運動的液壓馬達，其作用是將液體的液壓能轉(zhuǎn)換為工作裝置需要的機械能，實現(xiàn)預(yù)定的工作目的。4.輔助裝置包括油箱、蓄能器、密封圈、濾油器、管道、管接頭、壓力表等，其作用是保證液壓系統(tǒng)持久、穩(wěn)定、可靠地工作。四、液壓傳動的優(yōu)缺點

1、液壓傳動的優(yōu)點1)能實現(xiàn)較大范圍的無級調(diào)速，使傳動機構(gòu)簡化。2)能大幅度減速，從而易于獲得大的力和力矩。3)易于實現(xiàn)機構(gòu)的直線往復(fù)運動。4)容量大，重量輕，慣性小，啟動快，工作平穩(wěn)，換向迅速而無沖擊。5)操作簡便省力，易于實現(xiàn)自動化。6)自鎖性好，易于實現(xiàn)安全保護。7)采用油液為介質(zhì)，元件自行潤滑好。8)液壓元件易于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化。

2、液壓傳動的缺點1)由于液壓傳動系統(tǒng)中不可避免地存在泄漏及油液的可壓縮性，無法保證嚴(yán)格的傳動比。2)油液的粘度會隨系統(tǒng)的溫度和壓力變化而改變，故液壓傳動不宜在高溫及低溫下工作。3)總效率較機械傳動低，也不適于遠(yuǎn)距離傳動。4)出了故障時不易查找原因，并且空氣滲入液壓系統(tǒng)會引起系統(tǒng)工作不良（如噪音、振動等）。5)零件的制造精度要求高，因而液壓元件成本高。在液壓傳動中，液壓油既用作傳遞能量的介質(zhì)，又對傳動零部件起潤滑作用和冷卻傳動系統(tǒng)的作用，因此它比通常的潤滑油有更高的要求。五、液壓油的選擇液壓系統(tǒng)對液壓油的要求是：要有適當(dāng)?shù)恼扯群土己玫恼硿靥匦?具有良好的潤滑性和足夠的油膜強度（使各零件表面能獲得足夠的潤滑而避免磨損）；閃點和燃點要高，凝固點要低，熱膨脹系數(shù)要低，比熱和導(dǎo)熱系數(shù)要高；還應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性（能抗氧化、抗水解等），不含蒸氣、空氣及易氣化和產(chǎn)生氣體的雜質(zhì)等。選擇液壓油應(yīng)考慮以下因素:

1)環(huán)境溫度的高低當(dāng)周圍環(huán)境溫度高時(如夏季)，宜選用粘度較高的油液;反之，溫度較低時(如冬季)，宜用粘度較低的油液。（油溫升高時，油液的粘度會顯著降低）

2)液壓系統(tǒng)工作壓力的高低當(dāng)系統(tǒng)工作壓力高時，宜選用高粘度的油液，以減少泄漏量;反之，則選擇粘度較小的油液。（當(dāng)壓力增大時，油液分子間的距離會減小，粘度變大。當(dāng)壓力在20MPa以下時，粘度的變化不大）3)液壓系統(tǒng)中運動部件運動速度的高低

當(dāng)運動部件運動速度較高時，油流的速度也高，液壓損失較大，泄漏量相對減少，因而宜選擇粘度較低的油液;反之，宜選擇粘度較高的油液。第二節(jié)液壓泵和液壓馬達

液壓泵是將原動機的機械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能的裝置，是動力元件;液壓馬達是用來將油液的壓力能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)形式的機械能的裝置，屬執(zhí)行元件。液壓泵和液壓馬達都是液壓傳動中的能量轉(zhuǎn)換裝置。液壓泵和液壓馬達的種類很多，在建筑工程機械液壓系統(tǒng)中常用的有齒輪式、葉片式和柱塞式。一、液壓泵1、齒輪泵圖6·7為外嚙合齒輪泵的結(jié)構(gòu)原理圖。它是由相互嚙合的一對齒輪與泵殼和前后泵蓋配合，把泵體內(nèi)部分為互不相通的密閉空腔，分別與吸油孔和排油孔相通。當(dāng)齒輪按圖示箭頭方向旋轉(zhuǎn)時，左側(cè)輪齒不斷逐漸退出嚙合，油腔容積逐漸增大，形成局部真空。油箱中的油液在大氣壓力作用下，通過吸油管被吸入左側(cè)的吸油腔，充滿齒間，這就是泵的吸油過程。隨著齒輪的旋轉(zhuǎn)，齒間油液被帶到右側(cè)的壓油腔，右側(cè)齒輪逐漸進入嚙合，油腔容積逐漸減小，齒間的油液經(jīng)排油孔被擠出，這就是泵的排油過程。泵的主動齒輪在電機帶動下連續(xù)旋轉(zhuǎn)，泵便連續(xù)地吸油和排油。齒輪泵具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，工藝性好，工作可靠，維修方便和抗油污能力強等優(yōu)點，因而被廣泛地應(yīng)用于各種液壓傳動的機械上，特別是工作條件比較惡劣的工程機械。但由于齒輪泵的流量和壓力脈動較大，噪聲高，并且只能作定量泵（液壓泵按照轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周所輸出的油液體積能否調(diào)節(jié)，可以分為定量泵和變量泵），故應(yīng)用范圍受到了一定的限制。分類按葉片泵每轉(zhuǎn)吸油或排油的次數(shù)(二者相等)，可將葉片泵分為單作用式(每轉(zhuǎn)吸、壓油各一次)和雙作用式(每轉(zhuǎn)吸壓油兩次)兩種。建筑工程機械液壓系統(tǒng)主要選用雙作用式葉片泵。2、葉片泵構(gòu)造及工作過程圖6·9為雙作用式葉片泵工作原理圖。它主要是由定子、轉(zhuǎn)子、葉片、泵體、配流盤(兩側(cè)，圖中未畫出,起高低壓油路分配作用)、傳動軸等組成。定子的內(nèi)表面由兩段長半徑R圓弧、兩段短半徑r圓弧及四段過渡曲線構(gòu)成。轉(zhuǎn)子上均布開有槽，矩形葉片安裝在槽內(nèi)，可自由滑動。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，葉片在離心力和根部油壓力作用下，緊貼在定子的內(nèi)表面上，起密閉作用。當(dāng)隨著轉(zhuǎn)子按圖示方向旋轉(zhuǎn)時，葉片由短徑r變?yōu)殚L徑R時，兩葉片間形成的密封容積逐漸增大，形成局部真空，就會產(chǎn)生吸油過程。當(dāng)葉片由長半徑R位置向短半徑r位置轉(zhuǎn)動時，葉片逐漸被壓入轉(zhuǎn)子，兩葉片間密封容積逐漸減小，就產(chǎn)生排油過程。轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動，泵便連續(xù)地進行吸油和排油。葉片泵特點具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)動平穩(wěn)、噪聲小、輸出流量均勻性好等優(yōu)點。但存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、轉(zhuǎn)速范圍小、對油液的污染較敏感等缺點。3、柱塞泵圖6.11為軸向柱寨泵的工作原理圖。它主要由驅(qū)動軸、柱塞、缸體、配流盤和斜盤等零件組成。

柱塞泵是利用柱塞在柱塞孔內(nèi)作往復(fù)運動，使密封工作容積發(fā)生變化而實現(xiàn)吸油和壓油的。柱塞泵主要構(gòu)件是圓形的柱塞和柱塞孔，容易達到較高的配合精度，因此具有密封性能好、效率高、工作壓力大的優(yōu)點；缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對油液的清潔度要求高，價格較貴。適用于高壓、大流量、大功率的液壓系統(tǒng)中。二、液壓馬達液壓馬達在結(jié)構(gòu)上與液壓泵基本相同，并且也是靠密封容積的變化進行工作的。從原理上講，向容積式泵中輸入壓力油，使其軸轉(zhuǎn)動，就成為液壓馬達。常見的液壓馬達也有齒輪式、葉片式和柱塞式等幾種主要形式。第三節(jié)液壓缸

一、液壓缸分類

液壓缸(油缸)是液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，用來實現(xiàn)直線往復(fù)運動或在一定角度內(nèi)的回轉(zhuǎn)擺動。液壓缸是液壓傳動系統(tǒng)中應(yīng)用最多的執(zhí)行元件。液壓缸種類很多，按其作用方式可分為單作用和雙作用兩類。單作用液壓缸是利用壓力油推動活塞(或缸體)作一個方向運動，而反向運動則靠重力、彈簧力或另一個液壓缸來實現(xiàn)。雙作用液壓缸的兩腔都可通壓力油，因此正、反兩方向的運動都由壓力油推動來實現(xiàn)。按結(jié)構(gòu)不同可分為活塞式、柱塞式、伸縮套筒式和擺動式等。以下具體介紹活塞式、柱塞式、伸縮套筒式。二、活塞缸活塞缸分單桿活塞缸和雙桿活塞缸。

1·單桿活塞缸單桿活塞缸是只有一端帶活塞桿的液壓缸。由于單桿活塞缸兩腔的有效作用面積不相等，當(dāng)壓力油以相同的壓力和流量分別進入缸的有桿腔和無桿腔時，活塞往返的運動速度和推力也不相等。圖6·16為單桿液壓缸的三種通油狀態(tài)，不同狀態(tài)下活塞運動速度和推力不同。

2、雙桿活塞缸

雙桿活塞缸是指活塞兩端都帶有活塞桿的液壓缸，如圖6·17所示。這種缸的兩個活塞桿直徑通常是一樣的，因而缸兩腔的有效面積是一樣的。雙桿活塞缸的特點是:當(dāng)進油壓力和流量相同時，不論活塞(或缸體)向哪個方向運動，其所產(chǎn)生的推力和運動速度都是一樣的。常用于對往復(fù)運動速度要求相同的場合。三、柱塞缸

圖6·18為柱塞式液壓缸。壓力油從左端油口進入缸內(nèi)，推動柱塞右移，其回程需要借助外力來完成。缸的內(nèi)壁不與柱塞接觸，只在柱塞與導(dǎo)向套孔間有配合要求，故缸筒內(nèi)壁可以不加工，或只作粗加工。結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，特別適用于行程長和作用力大的場合。四、伸縮套筒缸伸縮套筒缸系多級液壓缸，其特點是行程大，結(jié)構(gòu)緊湊。圖為雙作用活塞式伸縮套筒缸結(jié)構(gòu)原理圖。本液壓缸是二級液壓缸，零件2與3同時組成缸體1中的活塞(一級活塞)；而零件2又同時是二級缸的缸體。第四節(jié)液壓閥液壓閥用于控制和調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中液壓油的流動方向、流量和壓力，從而控制執(zhí)行元件的運動方向、運動速度、作用力和動作順序等，滿足各類執(zhí)行元件不同的動作要求。液壓閥種類很多，按用途可分為方向控制閥、壓力控制閥和流量控制閥。它們分別簡稱為方向閥、壓力閥和流量閥。1.方向閥方向閥主要用來控制液壓油的通斷或切換液壓油流動的方向，以滿足執(zhí)行元件的啟停和運動方向的要求。方向閥分為單向閥和換向閥兩類。（1）單向閥如圖為普通單向閥和液控單向閥。（2）換向閥

換向閥是利用閥芯與閥體之間的相對運動來改變閥體上各油口的連通情況，從而改變油液的流動方向和油路的通斷，實現(xiàn)運動換向、啟停及速度換接等。

換向滑閥一般由閥體、閥芯及閥芯操縱機構(gòu)三部分組成，如下圖所示。閥體上有多個油口，與液壓系統(tǒng)中的不同油路連通。閥芯為圓柱狀，其上加工了幾個臺肩與閥體配合，使閥體內(nèi)某些通道連通，而另一些通道被封閉。閥芯操縱機構(gòu)可控制閥芯在閥體內(nèi)作軸向移動。下圖二位三通換向閥：2、壓力閥在液壓傳動中,用來控制和調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的壓力，或利用壓力的變化作為信號來控制其它元件動作的閥，稱為壓力閥。壓力閥包括溢流閥、減壓閥和順序閥等，它們都是利用壓力油對閥芯的推力與彈簧力相平衡的原理來進行工作的。（1）溢流閥在液壓系統(tǒng)中，溢流閥的作用主要有兩方面：一是用來限制系統(tǒng)的最高工作壓力，起安全保護作用；二是用于維持系統(tǒng)壓力近似恒定，起穩(wěn)壓作用。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，溢流閥可分為直動式和先導(dǎo)式兩種，前者用于低壓系統(tǒng)，后者用于中、高壓系統(tǒng)。（2）減壓閥減壓閥是利用油液流過縫隙時產(chǎn)生壓降的原理，使系統(tǒng)某一支油路獲得比系統(tǒng)壓力低而平穩(wěn)的壓力油。減壓閥也有直動式和先導(dǎo)式之分，一般采用先導(dǎo)式。

右圖是先導(dǎo)式減壓閥的結(jié)構(gòu)示意圖，它也包括主閥和先導(dǎo)閥兩部分，不過作用在導(dǎo)閥芯上的壓力油是從閥的出口引入。（3）順序閥順序閥是利用油路中壓力的變化控制閥口啟閉，以實現(xiàn)執(zhí)行元件順序動作的