《液壓傳動技術》課件第1章

1.1液壓技術發(fā)展概況1.2液壓傳動的工作原理和特性1.3液壓傳動系統(tǒng)的組成和圖形符號1.4液壓傳動的優(yōu)缺點及其應用習題與思考題第1章

概論

液壓技術是在水力學、工程力學和機械制造基礎上發(fā)展起來的一門應用科學技術。1650年,Pascal提出的水靜壓力原理(也稱為帕斯卡原理)是液壓技術的基礎。1795年,英國倫敦的JosephBramah首次用水作為介質,將帕斯卡原理應用于水壓機。但帕斯卡原理真正的實際應用則是在19世紀50年代的英國工業(yè)革命時代,W.G.Armstrong采用蒸汽機驅動水泵作為動力源,將水壓機實用化并應用了重錘式蓄能器。1870年左右,液壓技術曾擴展應用于壓榨機、鉸盤、千斤頂?shù)妊b置。1.1液壓技術發(fā)展概況

19世紀末,由于電力驅動技術的發(fā)展,使液壓技術停滯不前。直至1906年,美國戰(zhàn)艦Virginia號以液壓傳動取代電力驅動,用于起吊和操縱火炮,首次用油作介質,較好地解決了潤滑和密封問題,使液壓技術開始迅速發(fā)展。液壓元件是液壓技術發(fā)展的基礎。1593年出現(xiàn)的Serviere齒輪泵是一種較早的液壓泵,與目前的外嚙合齒輪泵結構很相近。葉片泵的雛形產生于16世紀末,但直到1925年ickers發(fā)明了雙作用葉片泵,才使它成為完善的形式并沿用至今。1910年出現(xiàn)的HeleShaw徑向柱塞泵為提供結構緊湊、壓力較高的液壓動力源開創(chuàng)了新的一頁。

1920年左右發(fā)明的HansThoma型軸向柱塞泵,是高壓系統(tǒng)應用最為廣泛的軸向柱塞泵形式。1930年開始采用平面配流面,并用萬向節(jié)實現(xiàn)同步;1946年后改用球面配流面,用連桿實現(xiàn)同;1950年斜盤式軸向柱塞泵開始廣泛應用于工業(yè)生產。20世紀40年代,前蘇聯(lián)和瑞士發(fā)展并奠定了具有流量平穩(wěn)、低噪聲特點的螺桿泵的設計理論和結構。

最早應用的低速大轉矩液壓馬達是英國ChamberLain公司生產的徑向曲軸連桿式馬達。20世紀50年代后,許多國家發(fā)展出多種形式的徑向柱塞式低速大轉矩液壓馬達,為直接應用液壓驅動而不需要減速裝置創(chuàng)造了有利條件。除了液壓泵和液壓馬達作為動力元件和執(zhí)行元件外,液壓控制閥的發(fā)展對推進液壓技術也起到了十分重要的作用。19世紀中葉由FleemingJenkin發(fā)明的壓差補償型流量閥和1935年由HarrgVichers發(fā)明的先導式溢流閥,為發(fā)展液壓控制閥的壓力補償、先導控制和匹配耦合起到了開創(chuàng)性的作用。20世紀40年代初,首先應用在飛機上的電液伺服閥開辟了液壓技術向高響應、高精度發(fā)展的新領域。美國麻省理工學院的Blackburn和Lee等在20世紀50年代發(fā)表的電液伺服器件設計理論和實踐,為電液伺服控制奠定了基礎。

20世紀60年代末至70年代初,先后在瑞士和日本出現(xiàn)了電液比例控制閥,介于定值控制和伺服控制之間的一個新興領域——電液比例控制技術誕生并迅速發(fā)展,元器件性能大幅提高,應用領域不斷擴展。20世紀80年代后期,又出現(xiàn)了電液數(shù)字控制閥,使液壓技術向著更廣泛的領域發(fā)展。電液比例控制、電液伺服控制和電液數(shù)字控制賦予液壓技術以更強的活力,使液壓技術作為一種基本的傳動形式占有著相當重要的地位,并且以優(yōu)良的靜、動態(tài)特性而成為一種重要的控制手段。當前,液壓技術在實現(xiàn)高壓、高速、大功率、高效率、低噪聲、高可靠性、高度集成化等方面都取得了重大進展,在完善發(fā)展比例控制、伺服控制以及開發(fā)數(shù)字控制技術等方面也有許多新成就。液壓與電氣、液壓與微電子技術、液壓與計算機控制相結合的機電液一體化已成為世界液壓技術的發(fā)展潮流。我國從20世紀50年代末期開始發(fā)展液壓工業(yè),特別是20世紀80年代到90年代,國家對液壓行業(yè)進行了重點改造,并先后引進近50項國外先進技術,使我國液壓行業(yè)的產品水平、科研開發(fā)能力和工藝裝備水平都有了大幅度提高,液壓技術在各工業(yè)部門得到廣泛的應用。但是,與國外先進水平相比，我國的液壓技術還有很大差距,主要表現(xiàn)在:產品水平低,品種規(guī)格少,自我開發(fā)能力薄弱,成套性差,特別是對重大技術裝備、重點工程的配套率嚴重不足;產品質量不穩(wěn)定,可靠性差,壽命短;一些新的應用領域(如航空航天,海洋工程,生物醫(yī)學工程,機器人,微型機械)以及高溫、明火環(huán)境下所急需的一些特殊元件,幾乎處于空白。液壓工業(yè)已成為影響我國機械工業(yè)和擴大機電產品國際交往的瓶頸產業(yè),迅速改變這種落后面貌,是我國液壓技術界和工業(yè)界所面臨的迫切任務。

1.液壓傳動的基本概念

任何一部機器都有傳動機構,借助它以達到對動力進行傳遞和控制的目的。按照傳動所采用的機構或工作介質的不同可分為機械傳動、電氣傳動和流體傳動。流體傳動是以流體(液體、氣體)為工作介質進行能量轉換、傳遞和控制的傳動形式。以液體為工作介質時為液體傳動;以壓縮空氣為工作介質時為氣體傳動。1.2液壓傳動的工作原理和特性液體傳動又分為性質截然不同的兩種傳動形式:液壓傳動和液力傳動。液壓傳動主要利用液體靜壓能來傳遞運動和動力,其工作原理基于物理學中的帕斯卡原理,也稱靜液傳動或容積式傳動。液力傳動主要利用液體動能來傳遞運動和動力,其工作原理基于流體力學中的動量矩定理。

2.液壓傳動的工作原理

液壓傳動應用了液體的兩個最重要的特征:①假定液體不可壓縮;②靜止液體壓力各向相等。圖1-1所示為液壓傳動的工作原理圖。右邊是液壓泵1,左邊是液壓缸3,均配以密封的活塞,中間用管道5連接起來。當小活塞2上作用有較小的主動力時,液壓泵就產生相應的壓力,根據(jù)帕斯卡原理,這個壓力等值傳遞到液壓缸3,平衡作用于大活塞4上的很大的作用力。當小活塞向下移動時,液壓泵排出的液體進入液壓缸下腔,使大活塞提升,推動負載作功。這就是液壓傳動的工作原理。圖1-1液壓傳動工作原理圖

3.液壓傳動常用的基本公式

1)負載作用力F與液壓介質壓力p之間的關系在圖1-1所示的簡單液壓傳動裝置中,設液壓泵活塞2的面積為A1(m２),液壓缸活塞4的面積為A2(m2),工作腔與管道5中都充滿油液并與大氣隔絕。在液壓缸活塞上放有重物G,設它所產生的重力為F2(N),作用在液壓泵活塞上的作用力為F1(N),根據(jù)液體靜力學原理,存在以下關系:(1-1)由于p1=p2=p,因而(1-2)或F=pA液壓傳動中負載F與壓力p之間的關系可表述為:液壓系統(tǒng)的壓力取決于負載,并且隨著負載的變化而變化。

2)運動速度v與液體介質流量q之間的關系假定不考慮液體的滲漏,也不考慮油液的可壓縮性以及泵體、缸體和管道的彈性變形,在傳動過程中,各工作腔容積變化是相等的,也即符合液流的連續(xù)性方程,所以有A1v1=A2v2=q

(1-4)或從式(1-4)可以看出,因為A1比A2小得多,所以液壓缸活塞的運動速度比液壓泵活塞的運動速度小得多,可見此液壓傳動裝置是一個減速傳動機構。又因為A1和A2已定,所以液壓缸帶動工作機構的移動速度v2只取決于輸入流量的大小,輸入液壓缸的流量q2越多,則運動速度v2越快。液壓傳動中運動速度v與流量q的關系可表述為:液壓缸的運動速度取決于進入液壓缸的流量,并且隨著流量的變化而變化。

3)液壓傳動的功率計算功率是力和速度的乘積。如果忽略各種摩擦損失和漏損,則液壓泵輸入的功率和液壓缸輸出的功率符合能量守恒原理,即P1=F1v1(W)P2=F2v2(W)(1-4)由于P1=P2=P,因而(1-6)P=F1v1=F2v2(W)為了區(qū)別這兩種功率,我們把P1=F1v1稱為泵的輸入功率,把P2=F2v2稱為缸的輸出功率。我們將F1=pA1、F2=pA2代入式(1-6),就得到液壓傳動中常用的功率公式:P=pA1v1=pA2v2=pq(W)(1-7)式中:p——壓力(N/m2);

q——流量(m3/s)。因此，在液壓傳動中,功率就是壓力與流量的乘積。

4.液壓傳動的特點

液壓傳動與其它傳動方式相比主要有以下特點:

(1)液壓傳動必須用具有一定壓力的液體作為工作介質。

(2)傳動過程中必須經過兩次能量轉換。首先,液壓泵把機械能轉換為液體的壓力能;然后,油液輸入液壓缸,又通過液壓缸把油液的壓力能轉換成驅動外界負載運動的機械能。

(3)液壓傳動必須在密封容積內進行,而且容積要發(fā)生變化。如果容積不密封,則不能形成壓力;如果容積不變化,則不能實現(xiàn)傳遞速度的要求。因此,有人把“液壓傳動”叫做“容積式液力傳動”。

1.液壓傳動系統(tǒng)舉例

圖1-1所示的液壓傳動裝置雖然能達到起重的目的,但是液壓缸活塞4的行程太小,而且不能實現(xiàn)不斷上升的要求,為此還必須進一步完善。圖1-2所示為一種常用的液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟韴D。它主要由杠桿1、小活塞2、泵體3和單向閥4、5等組成的手動液壓泵和由大活塞7、缸體6等組成的液壓缸構成,8為重物,9為截止閥,10為油箱。1.3液壓傳動系統(tǒng)的組成和圖形符號圖1-2液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟懋斕崞鸶軛U1時,活塞2上升,泵體3下腔的工作容積增大(此時單向閥5關閉),腔內形成真空,油箱10中的油液在大氣壓的作用下推開單向閥4的鋼球,進入并充滿泵體3的下腔。當壓下杠桿1時,活塞2下降,單向閥4關閉,泵體3中的油液推開單向閥5進入缸體6的下腔,推動活塞7將重物8舉起。反復提壓杠桿,就可以使重物不斷上升,達到起重的目的。當活塞7停止運動時,只要停止杠桿1的運動,缸體6中的油壓使單向閥5關閉,活塞7就自鎖不動。如果需要重物下降,則可打開截止閥9,使缸體6的下腔直接與油箱10相通,在重物G的作用下,活塞7向下移動，油液即排回油箱。在實際應用中要完成液壓傳動的任務,往往需要由許多不同的液壓元件組成液壓傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)。如圖1-3所示的機床工作臺往復運動的傳動系統(tǒng)，工作臺8由活塞桿帶動作直線往復運動,液壓系統(tǒng)中的工作油液由齒輪泵3供給。為了改變工作臺的運動方向,設置了手動換向閥6,以改變進入液壓缸的油液流向。節(jié)流閥5用來改變進入液壓缸的油液流量,以控制工作臺的運動速度。溢流閥4在控制液壓泵輸出油液壓力的同時,也起著把泵輸出的多余油液排回油箱的作用。管道和管接頭用于將這些元件連接起來。圖1-3機床工作臺往復運動的液壓傳動系統(tǒng)圖當電動機帶動齒輪泵3旋轉時,油箱中的油液經過濾器2被吸入。圖示位置換向閥6的閥芯處于中間位置,接通換向閥的油路被堵塞,液壓缸活塞處于停止狀態(tài)。此時,液壓泵輸出的油液全部經過溢流閥流回油箱。當換向閥6的閥芯處于左端位置時,泵輸出的壓力油經節(jié)流閥5、換向閥的[WTBX]P、B閥口進入液壓缸7的右腔,推動活塞帶動工作臺8向左運動。與此同時,缸7左腔的油液經換向閥的A、T閥口流回油箱。當換向閥6的閥芯處于右端位置時,泵輸出的壓力油便經節(jié)流閥5、換向閥的P、A閥口進入液壓缸7的左腔,使工作臺右移。與此同時,缸7右腔的油液經B、T閥口流回油箱。過濾器2的作用是濾去油液中的污染物質,保證油液的清潔,使系統(tǒng)正常工作。

2.液壓傳動系統(tǒng)的組成和作用

從以上的例子可以看出,液壓傳動系統(tǒng)主要由以下4個部分組成。

(1)動力元件(液壓泵)：是把機械能轉換成液體壓力能的元件,作為系統(tǒng)的供油能源,如圖1-2中的手動液壓泵和圖1-3中的齒輪式液壓泵。

(2)執(zhí)行元件(液壓缸或液壓馬達):是把液體的壓力能轉換成機械能的元件,對負載做功,如圖1-2和圖1-3中作直線運動的液壓缸。

(3)控制元件(各種液壓控制閥):是控制液壓系統(tǒng)中油液的壓力、流量和流動方向的元件,用來實現(xiàn)執(zhí)行元件的作用力、運動速度和運動方向的控制與調節(jié),如圖1-3中的溢流閥、節(jié)流閥和換向閥等元件。

(4)輔助元件:是除上述三項以外的其它元件,如圖1-3中的油箱、過濾器、油管、壓力表等,它們對保證液壓系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定、持久地工作有著重要的作用。

3.液壓傳動系統(tǒng)的圖形符號

綜上所述,液壓傳動系統(tǒng)是由各種液壓元件組成的。如果用結構圖來表達液壓系統(tǒng),則往往是各元件縱橫排列,管路來回交錯,既看不清楚,而且繪制也比較復雜。為了清晰地表達液壓系統(tǒng)中各個元件及它們之間的相互關系,我們可以采用相應的圖形符號來表示。目前,液壓元件及系統(tǒng)有兩種表示法,即結構式表示法和圖形符號式表示法。圖1-4用圖形符號表示的液壓系統(tǒng)圖1.4液壓傳動的優(yōu)缺點及其應用

1.液壓傳動的優(yōu)點

液壓傳動與機械傳動、電氣傳動、氣壓傳動相比有下列一些優(yōu)點:

(1)與機械、電氣傳動相比,在輸出同等功率的條件下,液壓傳動裝置的體積小,重量輕,慣性小,結構緊湊。例如,液壓馬達的體積僅為同功率電動機的12%~13%,重量僅為同功率電動機的10%~20%。

(2)液壓傳動裝置能在運轉過程中進行無級調速,方法簡便且調速范圍較大,如某些情況下可達1000∶1。

(3)液壓傳動裝置的工作比較平穩(wěn),反應快,沖擊小,能高速啟動、制動和換向。例如,往復直線運動的換向頻率每分鐘可達400~1000次。

(4)液壓傳動裝置的控制、調節(jié)比較簡單,操縱比較方便、省力,易于實現(xiàn)自動化,特別是與電氣控制配合使用時,能實現(xiàn)復雜的順序動作和遠程控制。

(5)液壓傳動裝置易于實現(xiàn)過載保護。例如,系統(tǒng)中設置安全閥后,就可以防止超載而發(fā)生故障。同時,油液能使各相對運動表面自行潤滑,所以液壓傳動裝置的使用壽命較長。

(6)液壓元件已經實現(xiàn)了系列化、標準化、通用化,故易于設計、制造和推廣使用。

2.液壓傳動的缺點

(1)液壓傳動裝置以液體作為工作介質,往往容易形成泄漏。同時,油液也具有一定的可壓縮性。由于這些原因,因而液壓傳動的效率較低,一般為75%~80%。

(2)液壓傳動裝置由于在能量轉換及傳遞過程中存在著機械摩擦損失、壓力損失和泄漏損失等問題,因而無法保證嚴格的傳動比。

(3)因為油液的溫度變化會引起油液的粘度變化,從而影響系統(tǒng)的工作