《液压基础教程》PPT课件.ppt

液压系统基础知识,主讲：索宏伟,内容,第1部分：液压传动的工作原理第2部分：液压元件、基本参数和单元回路第3部分：节流调速与容积调速,第1部分 液压传动的工作原理,1.1 机器的传动方式,任何一部机器：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、熨平板,动力装置,工作装置,传动装置,转速/力矩变化范围不大,转速/力矩变化范围大,理想的传动：较高的效率！,传动的分类与特点机械传动优点：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；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。液压传动：后起之秀、优势很多,1.2 液压传动的工作原理,液压传动：以液体作为工作介质来实现能量的传递和转换。机械能液体压力能机械能分类：静液压传动（简称液压传动，也称容积式液压传动）动力液力传动（简称液力传动）,液压传动的工作原理,压力相等：p1=p2 F1/A1=F2/A2，或：F1/F2=A1/A2,液压传动的工作原理,压力相等：p1=p2 F1/A1=F2/A2，或：F1/F2=A1/A2,容积相等：W1=W2 A1L1=A2L2 或 L1/L2=A2/A1,同样时间段t内：v1/v2=A2/A1,v1=L1/t,v2=L2/t,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”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,力比和速比,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。,液压传动中两个重要的概念：液体压力取决于负载流量决定速度,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,1.3 液压传动的特点,（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,液压传动的缺点,1.4 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：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,1.5 液压传动系统的组成部分与图形符号,1.3 液压传动系统的组成部分与图形符号,能源装置：将机械能转换成液压能，即液压泵。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。控制元件：控制压力、流量及流动方向的装置，即各种阀。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)。工作介质：即液体,第2部分 液压元件及其基本参数与单元回路,第2部分 液压元件及其基本参数,2.1 液压泵和液压马达2.2 液压缸2.3 液压辅助装置2.4 液压控制阀与典型液压回路,2.1 液压泵和液压马达,液压泵的工作原理1-偏心轮；2-柱塞；3-弹簧；4-缸体；5-单向阀；6-单向阀,液压泵的主要性能参数,泵的流量:泵在单位时间内排出液流的体积。理论流量:QT=qpnp 实际流量:Q=QT-Q，Q:泵的泄露流量。,泵的实际流量和理论流量之比称为 容积效率，即：pv=Q/QT=(QT-Q)/QT=1-Q/QT即：Q=QTpv,（1）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。,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。,（2）压力,泵的输入功率：驱动泵轴的输入机械功率2Tnp泵的输出功率：泵输出的液压功率ppQp机械效率pm：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,（3）功率、机械效率和总效率,排量qm:液压马达转一转需要的液体体积转速nm理论流量：QT=nmqm实际流量：Q=QT+Q=nmqm+Q容积效率 mv=理论流量/实际流量=nmqm/Q=nmqm/(nmqm+Q)或 nm=(Q/qm)mv 可见，qm和mv是决定液压马达转速的主要参数。,液压马达的主要性能参数,（1）流量、排量和转速,（2）扭矩理论输出扭矩:TT=pmqm/2实际输出扭矩:Tm=TT.mm机械效率: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:m=mvmm 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。,（3）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。,按结构分：柱塞式、叶片式和齿轮式 按排量分：定量和变量 按调节方式分：手动式和自动式，自动式又分电控式、限压式、恒功率式、恒压式和恒流式等。按自吸能力分：自吸式和非自吸式 液压马达：低速大扭矩和高速小扭矩,液压泵和液压马达的类型,液压泵和液压马达的图形符号,2.2 液压缸,液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。,活塞式,柱塞式,伸缩式,摆动式,单活塞杆式,双活塞杆式,单活塞杆液压缸,有杆腔进油：力小速度快,差动连接,往返行程推力相等,双活塞杆液压缸,无杆腔进油：力大速度慢,柱塞式液压缸,特点：单作用式液压缸，只能实现单独方向的运动；适于做长行程液压缸；工作时柱塞总受压，必须有足够的刚度；垂直使用更有利。,柱塞式液压缸结构示意图1-缸体；2-柱塞；3-导向套；4-密封,柱塞上有效作用力,柱塞运动速度为,式中d柱塞直径；,伸缩式液压缸,工作时行程相当长，不工作时体积缩小起推力很大，随行程逐渐深长，推力逐渐随之减小,摆动液压缸,实现往复摆动，能直接输出扭矩，也称摆动式液压马达。有单叶片和双叶片两种形式。适用于半回转式（小于360）机械的回转机构。,单叶片式摆动液压缸 1-缸体；2-定子块；3-输出轴；4-叶片,双叶片式摆动液压缸1-缸体；2-定子块；3-输出轴；4-叶片,摆动角度一般不超过300 转速较高，转矩较小,摆动角度不超过150 转速相对较慢，输出转矩更大。,滤油器蓄能器密封件油箱及热交换器其它辅件管道管接头压力表,2.3 液压系统辅助装置,滤油器,蓄能器,压力表,流量表,温度表,加热器,扭距仪,转速仪,冷却器,2.4 液压控制阀及典型液压回路,2.4 液压控制阀及典型液压回路,液压控制阀：控制液流的方向、压力和流量的元件分类：方向控制阀：单向阀、换向阀、截止阀、压力开关压力控制阀：溢流阀、减压阀、顺序阀、平衡阀流量控制阀：节流阀、调速阀、分流阀、集流阀,（1）单向阀：只允许油液朝一个方向流动，不能反向流动,单向阀,液控单向阀,双向液压锁,方向阀与方向控制回路,梭阀,（2）换向阀:利用阀芯和阀体的相对运动，使油路接通、关断或变换油流的方向，从而实现液压执行元件及其驱动机构的启动、停止或变换运动方向。,换向阀图形符号说明,（1）方框表示阀的工作位置，几个方框就表示几“位”。（2）方框内的箭头表示在这一位置上油路处于接通状态，但并不一定表示油流的实际流向；（3）方框内符号或表示此油路被阀芯封闭;（4）一个方框上边和下边与外部连接的接口数表示几“通”；（5）符号图位移方向与阀芯位移相同，即阀芯左移后，油路通断情况，相当于符号图向左移一格，右端方格接入油路(处于工作状态)。同样阀芯右移后，左端方格接入油路(处于工作状态)。（6）一般，阀与系统供油路连接的进油口用字母P表示；阀与系统回油路连接的回油口用字母T（或O）表示；而阀与执行元件连接的工作油口则用字母A、B等表示。有时在图形符号上还标出泄漏油口，用字母L表示。（7）每个换向阀都有一个常态位(即阀芯在未受到外力作用时的位置)。在液压系统图中，换向阀的符号与油路的连接一般应画在常态位上。,常用换向阀,换向阀滑阀机能 滑阀机能:是指滑阀在中间位置时的通路形式，一般用英文字母表示，常见的有O、P、Y、K、H、X、M、C等几种。,换向阀的操纵方式,1、手动换向阀2、机动换向阀3、电磁换向阀4、液动换向阀5、电液动换向阀,多路换向阀,1.按阀体的外形，分为整体式和分片式。,（1）并联,2.按换向阀油路连接方式可分为：,（2）串联,（3）串并联,（3）典型方向控制回路,起停回路,换向回路,锁紧回路,压力阀和压力控制回路,溢流阀和调压阀减压阀和减压回路顺序阀和顺序回路平衡阀和平衡回路压力继电器卸荷回路,溢流阀主要作用有两个：定量泵节流调速系统中，用来保持液压泵出口压力恒定，并将液压泵多余的油液溢流回油箱。这时溢流阀起定压溢流作用；在系统中起安全作用，作为安全阀使用。,（1）溢流阀和调压阀,2、作安全阀用在容积调速中起限压安全作用，此时阀是常闭的。只有当系统压力超过溢流阀调整压力时，阀才打开.,1、作溢流阀用 用在定量泵节流调速系统中，工作过程中阀是常开的,3.作背压阀用,将溢流阀装在回油路上，调节溢流阀的调压弹簧即能调节背压力的大小。,（2）减压阀和减压回路,顺序阀是以压力为控制信号，在一定的控制压力作用下能自动接通或断开某一油路的压力阀。,（3）顺序阀和顺序回路,直控顺序阀,外控顺序阀,单向顺序阀,顺序回路,（4）平衡阀和平衡回路,为了防止立式液压缸及其联在一起的工作部件因自重而下滑，常采用平衡回路。防止因“负负载”产生的失控现象,（5）压力继电器,压力继电器是将液压系统中的压力信号转换为电信号的转换装置。其作用是，根据液压系统压力的变化，通过压力继电器内的微动开关，自动接通或切断有关电路，以实现顺序动作或安全保护等。,其它液压控制阀,电液伺服阀电液比例阀电液数字阀叠加阀插装阀,第3部分 节流调速与容积调速,调速方法概述节流阀节流调速回路其它流量阀同步回路,流量阀和节流调速回路,液压系统的调速方法可分以下几种：1、节流调速：用定量泵供油，采用节流元件调节输入执行元件的流量来实现调速；2、容积调速：通过改变变量泵或变量液压马达的排量来实现调速；3、容积节流调速：用变量泵及节流元件联合进行调速。,一般液压传动机构都需要调节执行元件运动速度。液压系统中，执行元件液压缸或马达。在不考虑液压油的压缩性和泄漏性的情况下，液压缸的运动速度为 v=Q/A 液压马达的转速为 n=Q/qm式中Q-输入执行元件的流量；A-液压缸的有效面积；qm-液压马达的排量。液压缸：一般用改变流量Q的办法变速。液压马达：既可用改变输入流量也可用改变马达排量的方法来变速。,调速方法概述,节流阀是借助改变阀口通流面积或通道长度来改变阻力的可变液阻。在液压回路中，液阻对通过的流量起限制作用，因此节流阀可以调速。,节流阀,流量控制阀包括节流阀、调速阀和溢流节流阀等，其中以节流阀最为简单。,根据节流阀在油路中的位置的不同，调速回路有以下三种基本形式：（1）进油路节流调速:节流阀串联在进入液压缸的油路上。（2）回油路节流调速:节流阀串联在液压缸的回油路上。（3）旁油路节流调速:节流阀装在与执行元件并联的支路上。,采用节流阀的节流调速回路,（1）进油路节流调速回路,1.速度负载特性,从图中可看出，活塞运动速度v=Q1/A1 根据连续性方程，进入液压缸的流量等于通过节流阀的流量，而通过节流阀的流量可由节流阀的流量特性方程决定。即Q1=Ka(p1)1/2=Ka(pp-p1)1/2 式中 pp-液压泵出口压力；p1-液压缸无杆腔压力。K节流阀流量系数；a节流阀通流面积。,当活塞以稳定的速度运动时，作用在活塞上的力平衡方程为：p1A1=p2A2+F式中 F负载力；p2液压缸回油腔压力。,Q1=K.a(pp-F/A1)1/2v=Q1/A1=（K.a/A1).(pp-F/A1)1/2,从图中可看出，其它条件不变时，速度v与节流阀通流面积a成正比。由于薄壁小孔节流阀最小稳定流量很小，故能得到较低的稳定速度。节流阀通流面积a一定时,随着负载F 的增加，节流阀两端压差 减小，活塞运动速度按抛物线规律下降。,通常用速度刚度表示负载变化对速度的影响程度。（1）节流阀通流面积一定时，负载越小，速度刚度越大。（2）负载一定时，节流阀通流面积越小，速度刚度越大。（3）增大液压缸有效面积和提高液压泵供油压力可提高速度刚度。,2.最大承载能力,在pp已调定的情况下，不论节流阀通流面积怎样变化，其最大承载能力不变，即Fmax=pp.A1。故称这种调速方式为恒推力调速或恒扭矩调速（对液压马达）。,3.功率特性,液压泵输出的功率为：Np=pp.Qp=常数液压缸输出有效功率为:N1=F.v=p1.Q1功率损失：N=Np-N1=ppQp-p1Q1=pp(Q1+Q2)-p1Q1=ppQ2+(pp-p1)Q1 式中 Q2溢流的溢流量；p1节流阀的压力损失。,由于两种损失的存在，调速回路效率较低，特别是当负载小，速度低时效率更低。,（2）回油路节流调速,节流阀串联在液压缸的回油路上，用节流阀来调节液压缸排油量Q2，也就调节了进油量Q1。定量 泵多余的油液经溢流阀流回油箱。,特性：进油路节流调速和回油路节流调速的速度负载特性、刚度、最大承载能力、功率特性基本相同。（如果A1=A2，则完全相同）,差别如下:1.承受负值负载能力不同 负值负载：负载作用力方向和执行元件运动方向相同。进油路节流调速回路不能承受负值负载，若要使其承受负值负载，须在回油路上加背压阀。,2.低速平稳性有差异 回油路节流调速中，液压缸回油腔的背压是一种阻尼力，有限速作用，且对运动部件的振动有抑制作用，有利于提高执行元件的运动平稳性。,3.回油腔压力 回油路节流调速:回油腔压力较高，特别是在负负载时，回油腔压力有可能比进油腔压力还要高，这会使密封摩擦力增加，降低密封件寿命，并使泄漏增加，效率降低。,4.油液发热对泄漏的影响 回油路节流调速中，油液流经节流阀时能量损失且发热，然后回油箱，通过油箱散热冷却后再重新进入泵和液压缸；而进油路节流调速回路中，经节流阀后发热的油液直接进入液压缸，对液压缸泄漏影响较大，影响速度的稳定性。,5.起动时前冲 回油路节流调速中，若停车时间较长，液压缸回油腔中要漏掉部分油液，形成空隙。重新启动时，液压泵全部流量进入液压缸，使活塞以较快的速度前冲一段距离，直到消除回油腔中的空隙并形成背压为止。这种现象可能损坏机件。,（3）旁油路节流调速回路,节流阀装在与液压缸并联的支路上，调节通过旁路节流阀流量Q，就能调节进入液压缸的流量Q1，也就调节了活塞运动速度。这里溢流阀作安全阀用，其调定压力应大于克服最大负载所需的压力。正常工作时溢流阀处于关闭状态。,1.速度负载特性,活塞的运动速度为：v=Q1/A1=(Qp-Q2)/A1通过节流阀的流量为：Q2=K.a(p)1/2=K.a(pp)1/2=K.a(p1)1/2=K.a(F/A1)可得速度负载特性方程：v=Qp-K.a(F/A1)1/2/A1,（1）节流阀通流面积一定而负载增加时，速度显著下降。负载越大，速度刚度越大。（3）当负载一定时，节流阀通流面积越小，速度刚度越大。可知，旁油路节流调速回路在高速重载时，速度刚度较高，这与前两种调速回路恰好相反。,3.功率特性,2.最大承载能力,旁油路节流调速回路能够承受的最大负载随着节流阀面积a的增大而减小。当Fmax=(Qp/Ka)2A1时,液压缸的速度为零，这时泵的全部流量Qp都经节流阀回油箱。继续增大节流阀通流面积已不起调节作用，只是使系统压力降低，其最大承载能力也随之下降。因此这种调速回路在低速时承载能力低，调速范围也小。,液压泵输出功率:Np=ppQp液压缸输出功率：N1=Fv=p1A1v=p1Q1故功率损失为：N=Np-N1=p1Qp-p1Q1=p1Q2回油效率=N1/Np 只有流量损失而无压力损失，故比前两种调速回路功率损失小，效率高。结论：旁油路节流调速回路速度负载特性较差，一般用于功率较大且对速度稳定要求不高的场合。,同步阀根据用途不同，可分为：（1）分流阀：将压力油按一定流量比率分配给两个液压缸和液压马达，而不管它们的载荷怎样变化。（2）集流阀：将压力不同的两个分支管路的流量按一定的比率汇集起来。（3）分流集流阀：兼有分流阀和集流阀机能。,同步阀,其它流量阀,如图所示的液压系统，两个一样大小的液压缸，由一个泵供油，共同顶升重物。由于重物的位置不在中间，使两个缸受力不相等。在这种情况下，要求两液压缸同速运行，就需要应用同步阀。图中中间机构是分流集流阀。,容 积 调 速,通过改变泵或（和）马达的排量来调节执行元件(液压马达或液压缸）速度的回路。目的：大功率系统容积调速回路有：变量泵和定量执行元件 定量泵和变量液压马达 变量泵和变量液压马达开式系统和闭式系统,3.2 容积调速,容积调速的原理,容积调速的原理,容积调速的原理,容积调速的原理,容积调速的原理,补油泵：补油，散热，提供信号油,安全阀,安全阀,冲洗阀：换掉部分热油,补油泵溢流阀,参数调节原理,变量泵变量马达:转速 nm=np*qp/qm 转速范围大；转速变化可根据需要设计；扭矩 Tm=p*qm/2转速与扭矩的关系,变量泵/定量执行元件 容积调速回路,（1）速度特性：执行元件的速度nm或vm与泵排量qp的关系。不考虑回路容积效率时，执行元件的速度为：,nm=npqp/qm 或 vm=npqp/A由上式知：马达的转速与变量泵的排量成正比，是一条通过原点的直线。,（2）转矩和功率特性：执行元件输出扭矩Tm和输出功率Nm与泵排量qp之间的关系。不考虑回路损失时，马达的输出扭矩Tm为：Tm=qm(pp-p0)或 F=A(pp-p0)可知：当泵的输油压力和吸油路压力不变时，马达的输出扭矩是恒定的，而与变量泵的调节参数无关。故称为恒扭矩（推力）调速。,执行元件的输出功率为：Nm=(Np-N0)=(pp-p0).npqp或Nm=nmTm=qpnpTm/qm表明:执行元件的输出功率与变量泵排量成线性关系。,主要工作特性：（1）速度特性变量马达的转速：nm=Qp/qm 其中Qp=C。可见变量马达的转速nm与其排量qm成反比。排量qm最小时马达转速最高。,定量泵/变量马达 容积调速回路,（2）液压马达的输出扭矩Tm和输出功率Nm输出转矩 Tm=qm(pp-p0)输出功率 Nm=nmTm=Qp(pp-p0)上式表明，马达的扭矩Tm与排量qm成正比；输出功率Nm与qm 无关，当进油路压力pp和回油路压力p0不变时，为恒功率调节。,回路的工作特性：马达输出转速 nm=Qp/qm=qpnp/qm马达输出转矩 Tm=qm(pp-pq)马达输出功率 Nm=nmTm=qpnp(pp-p0),由于此回路中既可用变量泵调速，又可用变量马达调速，因此要合理利用上述两种调速回路的优点，克服其缺点，以达到既扩大调速范围，又换向平稳，一 般采用分段调速的方法。,变量泵/变量马达 容积调速回路,三种调速回路特性的比较,调速回路的选择调速回路的选择主要考虑以下问题：（1）负载力、调速范围、负载特性和低速稳压性要求。据统计，功率在2kW以下的液压系统宜采用节流调速；功率在35 kW以上时，宜采用容积调速。要求调速范围大而低速稳定性好的系统，采用节流阀调速或容积节流阀调速。此外，负载变化大小，负载特性也是选择调速回路的依据。（2）工作条件的要求。高温环境时，应选择效率高、发热较小的容积调速或容积节流调速，必要时可采用冷却措施。对行走机构如工程机械，为减轻重量其油箱不能做的很大，也宜采用效率高、发热小的容积调速回路。（3）经济性要求。节流调速回路虽有成本较低的优点，但功率消耗大、效率低。有时从整个系统所用元件的数量和节省功率的观点分析还不如采用容积节流调速或容积调速更经济。,谢谢！,