液压传动的工作原理及组成.pdf

第 1 章 绪 论 一部机器主要由动力装置、传动装置、操纵或控制装置、工作执行装置 4 部分构成。 动力装置的性能一般都不可能满足执行装置各种工况的要求，这种矛盾就由传动装置来解 决。所谓传动就是指能量动力由动力装置向工作执行装置的传递，即通过某种传动方式， 将动力装置的运动或动力以某种形式传递给执行装置，驱动执行装置对外做功。一般工程 技术中使用的动力传递方式有机械传动、电气传动、气压传动、液体传动以及由它们组合 而成的复合传动。 以液体作为工作介质进行能量动力传递的传动方式称为液体传动，液体传动分为液 力传动和液压传动两种形式。液力传动主要是利用液体的动能来传递能量；而液压传动则 主要是利用液体的压力能来传递能量。 本书主要介绍以液压油为工作介质的液压传动技术。液压传动利用液压泵，将原动机 马达的机械能转变为液体的压力能，然后利用液压缸或液压马达将液体的压力能转变为 机械能，以驱动负载，并获得执行机构所需的运动速度。液压传动的理论基础是液压流体 力学。 与机械传动相比，液压传动具有许多优点，因此在机械工程中被广泛应用。本章介绍 液压传动的工作原理、组成、优缺点及液压传动的应用。 1.1 液压传动的工作原理及组成 1.1.1 液压传动的工作原理 1. 液压千斤顶的工作原理 液压千斤顶是常见的液压传动装置。图 1.1 为其工作原理示意图。图中，大小两个液 压缸 2 和 11 内分别装有活塞，活塞可以在缸内滑动，且密封可靠。要举升重物 12 时，截 止阀 8 应关闭。当向上提起杠杆 1 时，小活塞向上移动，液压缸 I 下腔的密封容积增大， 腔内压力下降，形成一定的真空度，这时排油单向阀 3 关闭，油箱 5 中的油液在大气压力 的作用下推开吸油单向阀 4 进入液压缸 I 的下腔，从而完成了一次吸油过程。接着，压下 杠杆 1，小活塞下移，液压缸 I 下腔密封容积减小，油液受到挤压，压力上升，关闭吸油单 向阀 4，压力油推开排油单向阀 3 进入液压缸 II 的下腔，从而推动大活塞克服重物 12 的重 力 G 上升而做功。如此反复地提压杠杆 1，就可以将重物 12 逐渐升起，从而达到起重的目 的。若杠杆 1 不动，液压缸 II 中的液压力使单向阀 3 关闭，大活塞不动。当需要将大活塞放 下时，可打开截止阀 8，液压油在重力作用下经截止阀 8 排回油箱 5，大活塞下降到原位。 液压传动 2 2 图 1.1 液压千斤顶的工作原理 1杠杆；2液压缸 I；3排油单向阀；4吸油单向阀； 5油箱；6、7、9、10油管；8截止阀；11液压缸 II；12重物 2. 磨床工作台液压传动系统的工作原理 图 1.2 所示为磨床工作台液压传动系统的工作原理图。这个系统可克服各种阻力使工 作台作直线往复运动，并且工作台的运动速度可以调节。图中，液压泵 3 由马达驱动旋转， 从油箱 1 中吸油，油液经过滤器 2 进入液压泵。当液压油从液压泵输出进入油管后，通过 节流阀 4 流至换向阀 6。换向阀 6 有左、中、右三个工作位置。当换向阀的阀芯处于中位 时如图 1.2a所示，由于所有油口 P、T、A、B 均封闭，油路不通，液压油不能进入液压缸 8，活塞 9 停留在某个位置上，所以工作台 10 不动。此时，液压泵输出的液压油只能在一 定压力下通过溢流阀 5 流回油箱。 a 液压传动系统原理图 c 换向阀处于左位 图 1.2 磨床工作台液压传动系统原理图 1油箱；2过滤器；3液压泵；4节流阀；5溢流阀； 6换向阀；7手柄；8液压缸；9活塞；10工作台 b 换向阀处于右位 第 1 章 绪论 3 3 若将阀芯推到右边如图 1.2b所示，液压泵 3 输出的液压油将流经节流阀 4、换向阀 6 的 P 口、A 口进入液压缸 8 左腔，推动活塞和工作台向右移动。与此同时，液压缸右腔的 油液经换向阀 6 的 B 口、T 口经回油管排回油箱。 若将阀芯推到左边如图 1.2c所示，则液压油经 P 口、B 口进入液压缸 8 右腔；液压缸 左腔的液压油经 A 口、T 口排回油箱，工作台向左移动。 由此可见，由于设置了换向阀 6，所以可改变液压油的流向，使液压缸不断换向实现 工作台的往复运动。 工作台的运动速度可通过节流阀 4 来调节。节流阀的作用是通过改变节流阀开口量的 大小，来调节通过节流阀油液的流量，从而控制工作台的运动速度，此时，液压泵输出的 多余的油液通过溢流阀 5 流回油箱。当节流阀口开大时，进入液压缸的油液增多，活塞和 工作台移动速度增大，当节流阀口关小时，进入液压缸的油液减少, 活塞和工作台的移 动速度减小。 工作台运动时，要克服阻力，主要是磨削力和工作台与导轨之间的摩擦力等，这些阻 力，由液压油的压力能来克服；要克服的阻力越大，液压缸内的油压越高；反之压力就越 低。根据工作情况的不同，液压泵输出油液的压力可以通过溢流阀 5 进行调整。另外，由 于节流阀有调节进入液压缸流量的作用， 泵排出的油液的流量往往多于液压缸所需的流量， 多余的油液经溢流阀 5 流回油箱。只有在液压泵出口处的油液对溢流阀 5 阀芯的作用力等 于或略大于弹簧的预紧力时，油液才能推开阀芯流回油箱。所以，在图 1.2 所示液压系统 中，液压泵出口处的油液压力是由溢流阀决定的，它和液压缸中的压力不一样大。图中 2 为 过滤器，用于滤去油液中的杂质。 综上所述，可以得出如下结论液压传动系统是依靠液体在密封油腔容积变化中的压 力能来实现运动和动力传递的。液压传动装置从本质上讲是一种能量转换装置，它先将机 械能转换为便于输送的液压能，然后再将液压能转换为机械能做功。 1.1.2 液压传动系统的组成 液压传动系统主要由以下 5 部分组成 1 动力元件。主要指各种液压泵。它的作用是把原动机马达的机械能转变成油液的 压力能，给液压系统提供压力油，是液压系统的动力源。 2 执行元件。指各种类型的液压缸、液压马达。其作用是将油液压力能转变成机械 能，输出一定的力或力矩和速度，以驱动负载。 3 控制调节元件。主要指各种类型的液压控制阀，如上例中的溢流阀，节流阀，换 向阀等。它们的作用是控制液压系统中油液的压力、流量和流动方向，从而保证执行元件 能驱动负载，并按规定的方向运动，获得规定的运动速度。 4 辅助装置。指油箱、过滤器、油管、管接头、压力表等。它们对保证液压系统可 靠、稳定、持久地工作，具有重要作用。 5 工作介质。指各种类型的液压油。 液压传动 4 4 1.2 液压传动系统的职能符号 图 1.2 所示是采用半结构式图形表示的液压系统原理图。这种原理图，直观性强，容 易理解，但图形较复杂，绘制很不方便。为简化原理图的绘制，在工程实际中，除某些特 殊情况外，系统中各元件一般采用国家标准规定的图形符号来表示，这些符号只表示元件 的职能，不表示元件的结构和参数，通常称为职能符号。我国国家标准 GB/T 786.11993 规定了液压传动图形符号。 如图 1.3 所示为用职能符号绘制的上述磨床工作台液压传动系统原理图。为便于读者 看懂用职能符号表示的液压系统图，现将图 1.3 中出现的液压元件的职能符号介绍如下。 a 液压传动系统符号原理图 c 阀芯处于左位符号图 图 1.3 用图形符号绘制液压传动系统原理图 1. 液压泵图形符号 由一个圆加上一个实心等边黑三角来表示，三角箭头向外，表示向外输出油液。如箭 头向里，则表示液压马达。图中无斜箭头，为定量泵；若有斜箭头，则为变量泵。 2. 换向阀的图形符号 为改变油液的流动方向，换向阀阀芯的工作位置要变换，它一般可变动 2 个～3 个工 作位置，通常简称为“位”，换向阀阀芯有几个工作位置，就称为几位阀。换向阀阀体上 b 阀芯处于右位符号图 第 1 章 绪论 5 5 与外界通油的主油口数，通常简称为“通”，有几个主通油口，就称为几通。根据阀芯可 变动的位置数和阀体上的通路数，可组成位通阀。其图形意义如下。 1 换向阀的工作位置用方格表示，有几个方格即表示几位阀。 2 方格内的箭头符号表示两个油口连通，“⊥”或“”表示油路关闭，这些符号在 一个方格内和方格的交点数即表示阀的通路数。 3 方格外的符号表示阀的控制方式，控制方式有手动、机动、电动和液动等。 图 1.3 中所示的换向阀称为三位四通手动换向阀。 3. 溢流阀图形符号 方格相当于阀芯，方格中的箭头表示油流的主通道，两侧的直线代表进出油管。图中 的虚线表示控制油路。溢流阀就是利用控制油路的液压作用力与另一侧弹簧力相平衡的原 理进行工作的。 4. 节流阀图形符号 节流阀图形符号中的两圆弧所形成的缝隙表示节流孔道，油液通过节流孔使流量减 少，图中的箭头表示节流孔的大小可以改变，亦即通过该阀的流量是可以调节的。 需要说明的是，液压元件图形符号表示的是元件的常态静止状态或零位，未必是其 工作状态。元件图形符号只表示元件的职能和连接系统的通路，不表示元件的具体结构和 参数，也不表示系统管路的具体位置和元件的安装位置。 1.3 液压传动的优缺点、应用与发展 1.3.1 液压传动的优缺点 1. 主要优点 液压传动与机械传动、电力传动和气压传动相比，主要具有下列优点 1 便于实现无级调速，调速范围比较大，可达 100∶1～2000∶1。 2 在同等功率的情况下，液压传动装置的体积小、质量轻、惯性小、结构紧凑如液 压马达的质量只有同功率电机质量的 10～20，而且能传递较大的力或转矩。 3 工作平稳、反应快、冲击小，能频繁启动和换向。液压传动装置的换向频率，回 转运动每分钟可达 500 次，往复直线运动每分钟可达 400 次～1000 次。 4 控制、调节比较简单，操纵比较方便、省力，易于实现自动化，与电气控制配合 使用能实现复杂的顺序动作和远程控制。 5 易于实现过载保护，系统超负载，油液经溢流阀流回油箱。由于采用油液作工作 介质，能自行润滑，所以寿命长。 6 易于实现系列化、标准化、通用化，易于设计、制造和推广使用。 7 易于实现回转、直线运动，且元件排列布置灵活。 8 在液压传动系统中，功率损失所产生的热量可由流动着的油带走，故可避免机械 本体产生过度温升。 液压传动 6 6 2. 主要缺点 1 液体为工作介质，易泄漏，且具有可压缩性，故难以保证严格的传动比。 2 液压传动中有较多的能量损失摩擦损失、压力损失、泄漏损失，传动效率低，所 以不宜作远距离传动。 3 液压传动对油温和负载变化敏感，不宜于在很低或很高温度下工作，对污染很 敏感。 4 液压传动需要有单独的能源例如液压泵站，液压能不能像电能那样从远处传来。 5 液压元件制造精度高，造价高，须组织专业化生产。 6 液压传动装置出现故障时不易查找原因，不易迅速排除。 总之，液压传动优点较多，其缺点正随着科学技术的发展逐步加以克服，因此，液压 传动在现代工业中有着广阔的发展前景。 1.3.2 液压传动的应用 液压传动由于优点很多，所以在国民经济各部门中都得到了广泛的应用，但各部门应 用液压传动的出发点不同。工程机械、压力机械采用液压传动的原因是结构简单，输出力 量大。航空工业采用的原因是质量轻，体积小。 机床中采用液压传动的主要原因是可实现无级变速，易于实现自动化，能实现换向频 繁的往复运动。为此，液压传动常用在机床的如下一些装置中。 1. 进给运动传动装置 液压传动在机床的进给运动中应用最为广泛。如磨床的工作台、砂轮架，普通车床、 六角车床、自动车床的刀架或转塔刀架，钻床、铣床、刨床的工作台或主轴箱，组合机床 的动力头和滑台等。这些部件有的要求快速移动，有的要求慢速移动2mm/min，有的则要 求快慢速移动。这些部件的运动多半要求有较大的调速范围，要求在工作中无级调速；有 的要求持续进给，有的要求间歇进给；有的要求在负载变化下速度仍然能保持恒定；有的 要求有良好的换向性能；所有这些采用液压传动是非常合适的。 2. 往复主运动传动装置 龙门刨床的工作台，牛头刨床或插床的滑枕都可以采用液压传动来实现其所需的高速 往复运动，前者的运动速度可达 60m/min～90m/min，后两者可达 30m/min～50m/min。与 机械传动相比，采用液压传动，可减少换向冲击，降低能量消耗，缩短换向时间。 3. 回转主运动传动装置 机床主轴可采用液压传动来实现无级变速的回转主运动，但这一应用目前尚不普遍。 4. 仿形装置 车床、 铣床、 刨床的仿形加工可采用液压伺服系统来实现， 精度可达 0.01mm～0.02mm。 此外，磨床上的成型砂轮修正装置和标准丝杆校正装置亦可采用这种系统。 第 1 章 绪论 7 7 5. 辅助装置 机床上的夹紧装置、变速操纵装置、丝杠螺母间隙消除装置、垂直移动部件的平衡装 置、分度装置、工件和刀具的装卸、输送、储存装置等，都可以采用液压传动来实现，这 样做有利于简化机床结构，提高机床的自动化程度。 6. 步进传动装置 数控机床上工作台的直线或回转步进运动，可根据电气信号迅速而准确地由电液伺服 系统来实现。开环系统定位精度较低0.01mm，成本也低；闭环系统定位精度和成本都 较高。 7. 静压支承 重型机床、高速机床、高精度机床上的轴承、导轨和丝杠螺母机构，如果采用液压系 统来作静压支撑，可得到很高的工作平稳性和运动精度，这是近年来的一项新技术。 液压传动在其他机械工业部门的应用见表 1-1。 表 1-1 液压传动在机械行业中的应用 行业名称 应用场合举例 机床工业 磨床、铣床、刨床、拉床、压力机、自动机床、组合机床、数控机床、加工中心等 工程机械 挖掘机、装载机、推土机等 汽车工业 环卫车、自卸式汽车、平板车、高空作业车等 农业机械 联合收割机的控制系统、拖拉机的悬挂装置等 轻工、化工机械 打包机、注塑机、校直机、橡胶硫化机、胶片冷却机、造纸机等 冶金机械 电炉控制系统、轧钢机控制系统等 起重运输机械 起重机、叉车、装卸机、液压千斤顶等 矿山机械 开采机、提升机、液压支架等 建筑机械 打桩机、平地机等 船舶港口机械 起货机、锚机、舵机等 铸造机械 砂型压实机、加料机、压铸机等 1.3.3 液压传动的发展 液压传动相对机械传动来说，是一门新的传动技术。如果从世界上第一台水压机问世 算起，至今已有 200 余年的历史。然而，直到 20 世纪 30 年代液压传动才真正得到推广应用。 在第二次世界大战期间，由于军事工业需要反应快、精度高、功率大的液压传动装置 而推动了液压技术的发展。战后，液压技术迅速转向民用，在机床、工程机械、农业机械、 汽车等行业中逐步得到推广。20 世纪 60 年代后，随着原子能、空间技术、计算机技术的 发展，液压技术也得到了很大发展，并渗透到各个工业领域。当前液压技术正向着高压、 液压传动 8 8 高速、大功率、高效率、低噪声、长寿命、高度集成化、复合化、小型化以及轻量化等方 向发展。 同时， 新型液压元件和液压系统的计算机辅助测试CAT、 计算机直接控制CDC、 机电一体化技术、计算机仿真和优化设计技术、可靠性技术以及污染控制方面，这也是当 前液压技术发展和研究的方向。 我国的液压技术开始于 20 世纪 50 年代，液压元件最初应用于机床和锻压设备，后来 又用于拖拉机和工程机械。自 1964 年从国外引进一些液压元件生产技术，同时自行设计液 压产品以来，经过近半个世纪的艰苦探索和发展，特别是 20 世纪 80 年代初期引进美国、 日本、德国的先进技术和设备，使我国的液压技术水平有了很大的提高。目前，我国的液 压件已从低压到高压形成系列，并生产出许多新型的元件，如插装式锥阀、电液比例阀、 电液数字控制阀等。我国机械工业在认真消化、推广国外引进的先进液压技术的同时，大 力研制、开发国产液压件新产品，加强产品质量可靠性和新技术应用的研究，积极采用国 际标准，合理调整产品结构，对一些性能差而且不符合国家标准的液压件产品，采用逐步 淘汰的措施。由此可见，随着科学技术的迅猛发展，液压技术将获得进一步发展，在各种 机械设备上的应用将更加广泛。 思 考 题 1. 何谓液压传动举例说明液压传动的工作原理。 2. 液压传动系统由哪几部分组成各部分的作用是什么 3. 与其他传动方式相比，液压传动有何优点有何缺点 4. 一个工厂能否采用一个泵站集中供给压力油为什么