电气与液压技术的相似性比较.pdf

2 0 1 1年 1 2月 第 3 9卷 第 2 4期 机床与液压 MAC HI NE T00L HYDRAUL I CS De c ． 2 01 1 Vo l _ 3 9 No ． 2 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 2 4 ． 0 2 2 电气与液压技术的相似性比较 朱玉川 南京航空航天大学机 电学院，江苏南京 2 1 0 0 1 6 摘要电气传动与流体传动是两大主要的传动方式，两者无论在基本原理还是基本元件上均具有很大的相似性。基于 电液相似性原理，通过比较液压系统和电气系统的基本概念、基本元件与基本回路的相似性，利用已有的电学概念深入揭 示液压传动中的基础概念、元件以及回路的基本原理与特点。 关键词电液相似性；比较；液压元件；液压回路 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 40 6 1 2 S i mi l a r i t y Co mpa r e be t we e n El e c t r i c a l Te c h no l o g y a n d Fl l l i d Po we r Te c hn o l o g y ZHU Yu c h u a n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g ，N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ，N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 1 6 ，C h i n a Ab s t r a c t E l e c t r i c a l t r a n s mi s s i o n a n d f l u i d p o we r t r a n s mi s s i o n a r e t w o ma i n d ri v e wa y s ． B o t h i n t e r ms o f b a s i c c o mp o n e n t s a n d t h e b a s i c p rin c i p l e s h a v e g r e a t s i mi l a r i t y ． B a s e d o n e l e c t r o h y d r a u l i c s i mi l a r i t y p ri n c i p l e， s i mi l a rit y c o mp a r i s o n s b e t w e e n t h e e l e c t ri c al s y s t e m a n d h y d r a u l i c s y s t e m we r e d o n e i n t h e b a s i c c o n c e p t s ，b a s i c c o mp o n e n t s a n d b a s i c c i r c u i t s ． Ke y wor ds El e c t r o h y d r a u l i c s i mi l a rit y；Co mp a r i s o n； Hy dr a ul i c c omp o n e n t ； Hy dr a ul i c c i r c u i t 电气与液压技术分属不同学科，然而在基本原理 上却具有很多相似性，用液流比喻导线中的电流能更 为容易认识电流的许多特性 ；相反，用电气传动特性 与电子元件比喻液压传动及液压与气压元件，同样可 以加 深对液压与气压技术 以及元件特性与原理 的深入 认识。充分利用这些 “ 电液”相似性可以深入认识 液压与气压传动的基本原理。 1 基本概念与原理的相似性比较 电气技术中，电压电流是基本物理量；而液压技 术中，压力与流量同样是其基本物理量⋯。电工学中 通过 电阻以及欧姆 定律联系 电压 电流的关系 ，而液压 传动 中同样 具有液阻的概念 ，流体 流过 管路 、局部 收 缩处或弯头处都要产生阻力。区别于电学欧姆定律 ， 液压系统小孔流量与压差具有非线性形式。如表 1 所 示 ，液阻的概念在液压控制阀的教学中起到十分重要 的作用，尤其在分析溢流阀、减压阀、调速阀等控制 元件工作原理时，运用液阻的概念进行辅助教学更为 直观理解其 工作原理。 表 I 液压量 与电量相似性对 比 2 基本元件的相似性 比较 2 ． 1 动 力元件 的相 似性 比较 发电机与液压泵分别属于电气元件和液压元件中 的动力元件 ，也是各 自系统 中的能量转 换元件 。发 电 机的作用是将原动机的机械能转换为电能，是电系统 的能源 ；液压系统中液压泵是能量转换元件，其作用 是将原动机的机械能转换为液压能 。 2 ． 2 执行元件 的相似性 比较 电动机与液压马达、直线电机与液压缸分别属于 电气传动与液压传动中的执行元件，电动机将电能转 换为机械能，液压马达将液压能转换为机械能 ，电动 机与发 电机属于一对互逆工作元 件 ，液压泵与液压马 达同样也是一对互逆工作元件。 2 ． 3 控 制元件 的相 似性 比较 1 保护元件 继 电器与溢 流 阀分别 属 于 电气传 动 中 的保 护元 件，其工作原理具有相似性。继电器可以保护电气系 统的 电压 、电流以及热过 载 ，而溢流 阀作为安全 阀并 联在保护元件处可以实现液压系统压力过载的保护以 及系统卸荷等作用。 2 流量控制元件 收稿 日期 2 0 1 01 1 2 2 基金项目2 0 1 0年南京航空航天大学教育教学改革研究资助项目 作者简介朱玉川 1 9 7 4 一 ，男，工学博士，副教授 ，研究方向为流体传动与控制。E ma i l z y c g o o d y a h o o ． c o m． c n 。 6 2 机床与液压 第 3 9卷 电阻器与节流阀分别属于电气传动中电流与流量 控制调节元件 ，节流 阀实 际上就是一个可变液 阻调节 器 ，通过调节节流 口通流面积 即可变液 阻大小来控制 阀口通过流量 。 3 能量储存元件 电容器是电路基本元件 ，可以储存电荷 ，而蓄能 器又称为蓄压器 ，能把位能通过压缩弹簧或压缩气体 储成为压力能，当工作时再将压力能输出。 4 方 向控制元件 晶体二极管是 电子设备中的基本元件之一 ，用 途十分广泛。其主要特性是单向导 电性 ，分别用于 检波 、调幅、限幅、整流等场合 ；单向阀是液压系 统中的基本方向控制元件之一 ，用于控制油液单 向 导通 。 可控硅与液控单向阀的功能作用具有很强的相似 性，均可实现可控单向导通的作用。可控硅在电力电 子电路中应用广泛 ，实现了弱电与强电的沟通与桥梁 作用 ，而液控单 向阀在液压 回路与系统 中也应用广 泛 。 稳压二极管与背压阀分别具有稳定系统电压以及 液压的作用 ，可以减小系统电压波动以及系统压力波 动 ，增大运动平稳性。 5 放大元件 晶体三级管与换向阀分别属于电力电子电路中的 能量放大元件以及液压系统中的功率放大元件，其基 本原理都是通过对电源与液压泵的能量进行调节控制 达到功率放大的作用。 变压器与减压阀和增压缸具有十分相似的功能 ， 变压器能够把交流电的电压升高或降低，分别有升压 变压器和降压变压器，在电力输送中起着十分重要的 作用。在液压系统中起升压作用的有增压缸，而起降 压作用的有减压阀，起使液压系统中局部压力升高或 减小的作用 。 6 组合元件 集成电路在平面晶体管技术 的基础上，将 晶体 管、电阻和电容等都做在一小块半导体材料上，代替 传统的分立元件，组成一个任一元件都不能单独拆换 的不可分割的整体；而叠加阀是受集成电路的影响发 展起来的集成液压元件，其最大特点是消除了阀与阀 之间的连接管路，故组成的系统更为简单、紧凑，组 装灵活，便于改进。 控制元件分别是 电气 与液压系统中种类最 多、 功能最全的一类元件 ，在液压与电气系统 中分别具 有十分重要的地位与作用 ，其相似性 比较见表 2所 示 。 表 2 电液控制元件的相似性比较 3 基本回路的相似性比较 3 ． 1 通 路 、断路 与短路 电气系统的通路、断路与短路概念在液压系统中 同样存在 ，压力油液与负载及其他液压元件接成闭合 回路时，系统负载 中有液体通过，即为液压通路 ； 为维持回路压力而人为地通过换向阀断开通往负载的 液压油，让液流从压力控制 阀溢出，称之为液压断 路；压力油几乎不经过负载即顺利进入油箱称为液压 短路 ，在液压系统需要卸荷或空载启动时常需要此种 回路 。如 图 1 所示 。 黾 a 通 路 b 断路 c 短 路 图1 液压系统通路、断路与短路 3 ． 2压 力回路 稳压管稳压回路是利用稳压二极管反向伏安特性 获得直流稳定电压输出的电路。 下转第 7 9页 第 2 4期 周生保 等 基于 A D A MS的轻型自卸车液压举升机构的优化设计 7 9 表2 各铰接点位置参数第一次优化结果 通过表 2设计 变量位 置灵 敏 度 的 大 小 可 以看 ． 出点 O 的纵坐标 0 点 O 的 横 坐 标 0 缸，点 0 的纵 坐标 0 ，点 0 的纵坐标 0 以及点 0 的 纵坐标 0 的位置灵敏度 较高 ，因此选取这 5个位 置参 数 作 为 最 终 设 计 变 图4 优化前后举升油 缸推力输出曲线 量进行优化，并根据第一次优化分析的结果对这 5 个 设计变量的可变区间做细微的调整，以提高仿真计算 的效率。最终优化后的举升油缸推力输出曲线如图 4 所示 。 由图 4 所示 的举 升油缸 优化前后 的推力输 出曲线 对比可以看出货箱举升过程中，油缸最大推力 由优 化前 的 7 ． 5 X 1 0 N降低 为 4 ． 91 0 N，下 降 了 3 4 ． 6 7 ％；优化后的油缸推力输出曲线斜率明显降低 ， 运动过程中推力变化波动得到显著改善，曲线趋势平 缓 ，这对提高车辆的稳定性 和延长液压系统的使 用寿 命具有重要意义。自卸车液压举升机构优化前后各设 计变量值如表3所示。 表 3 各设计变量值优化前后对比 4 结束语 作者利用 A D A M S软件在物理模型的基础上建立 了某额定载荷 3 ． 9 2 x 1 0 N的 自卸车液压举 升机 构的 虚拟仿真模型 ，通过对 白卸车液压举升机构各交接点 位置坐标 的参数化处理 以及优化分析 ，完成了对机构 的受力分析和 4个关键铰接点位置布置的优化。优化 后油缸推力输出曲线得到显著改善，对提高 自卸车的 经济性和卸货工况的稳定性和操控性具有实际意义。 参考文献 【 1 】 徐格宁， 左一凡， 王敬川． 自卸车前推连杆式举升机构的 计算机辅助优化设计[ J ] ． 建筑机械， 2 0 0 8 5 8 28 3 ． 【 2 】 刘伟． S X E 3 1 9 0型 自卸车举升机构的设计[ J ] ． 陕西汽 车， 1 9 9 7 2 3 2 3 7 ． 【 3 】李增刚． A D A M S 入门详解与实例[ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． 上接 第 6 2页 液压系统利用溢流阀实现泵出口压力稳定、利用 安全阀实现负载压力过载限制等类似于电气系统的稳 压原理。 3 ． 3方 向 回路 直流电机的可逆控制回路中利用刀开关切换电流 方 向实现直流 电机正反转控制 ，而液压系统 中常用换 向阀实现液压马达或液压缸 的正反方 向控制。 3 ． 4速 度 回路 直流电机调速 回路中利用进入电机的平均电压进 行调速 ，而液压系统中通过节流阀、调速阀调节进入 液压马达的流量进行速度调节。 4结束语 基于 电液相 似性 理 论对 电气 与 液压 系 统进 行 比 较，突出液压技术中的基本概念、液压元件和液压回 路的基本原理与特点。 参考文献 【 1 】邱裕． 浅谈液压与电气的相似性[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 2 3 1 7 ． 【 2 】沈克贵． 液压传动与电气传动的相似性探讨 [ J ] ． 黄河 水利职业技术学院学报， 2 0 0 2 ， 1 4 3 5 2 5 3 ． 【 3 】 刘青凤 ， 周广生， 刘辉． 从相似原理对液控单向阀和可控 硅进行比较[ J ] ． 流体传动与控制 ， 2 0 0 8 1 1 5 4 5 5 ． 【 4 】于福生． 电与液压[ M] ． 大连 大连出版社， 1 9 8 9 ． 1 0 ．