《液壓傳動(dòng)技術(shù)》課件第1章

1.1液壓技術(shù)發(fā)展概況1.2液壓傳動(dòng)的工作原理和特性1.3液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的組成和圖形符號(hào)1.4液壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用習(xí)題與思考題第1章

概論

液壓技術(shù)是在水力學(xué)、工程力學(xué)和機(jī)械制造基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門應(yīng)用科學(xué)技術(shù)。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(shù)的基礎(chǔ)。1795年,英國倫敦的JosephBramah首次用水作為介質(zhì),將帕斯卡原理應(yīng)用于水壓機(jī)。但帕斯卡原理真正的實(shí)際應(yīng)用則是在19世紀(jì)50年代的英國工業(yè)革命時(shí)代,W.G.Armstrong采用蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵作為動(dòng)力源,將水壓機(jī)實(shí)用化并應(yīng)用了重錘式蓄能器。1870年左右,液壓技術(shù)曾擴(kuò)展應(yīng)用于壓榨機(jī)、鉸盤、千斤頂?shù)妊b置。1.1液壓技術(shù)發(fā)展概況

19世紀(jì)末,由于電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展,使液壓技術(shù)停滯不前。直至1906年,美國戰(zhàn)艦Virginia號(hào)以液壓傳動(dòng)取代電力驅(qū)動(dòng),用于起吊和操縱火炮,首次用油作介質(zhì),較好地解決了潤滑和密封問題,使液壓技術(shù)開始迅速發(fā)展。液壓元件是液壓技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。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(jié)構(gòu)很相近。葉片泵的雛形產(chǎn)生于16世紀(jì)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(jié)構(gòu)緊湊、壓力較高的液壓動(dòng)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(yīng)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(shí)現(xiàn)同步;1946年后改用球面配流面,用連桿實(shí)現(xiàn)同;1950年斜盤式軸向柱塞泵開始廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。20世紀(jì)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(diǎn)的螺桿泵的設(shè)計(jì)理論和結(jié)構(gòu)。

最早應(yīng)用的低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)是英國ChamberLain公司生產(chǎn)的徑向曲軸連桿式馬達(dá)。20世紀(jì)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(zhuǎn)矩液壓馬達(dá),為直接應(yīng)用液壓驅(qū)動(dòng)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(dá)作為動(dòng)力元件和執(zhí)行元件外,液壓控制閥的發(fā)展對(duì)推進(jìn)液壓技術(shù)也起到了十分重要的作用。19世紀(jì)中葉由FleemingJenkin發(fā)明的壓差補(bǔ)償型流量閥和1935年由HarrgVichers發(fā)明的先導(dǎo)式溢流閥,為發(fā)展液壓控制閥的壓力補(bǔ)償、先導(dǎo)控制和匹配耦合起到了開創(chuàng)性的作用。20世紀(jì)40年代初,首先應(yīng)用在飛機(jī)上的電液伺服閥開辟了液壓技術(shù)向高響應(yīng)、高精度發(fā)展的新領(lǐng)域。美國麻省理工學(xué)院的Blackburn和Lee等在20世紀(jì)50年代發(fā)表的電液伺服器件設(shè)計(jì)理論和實(shí)踐,為電液伺服控制奠定了基礎(chǔ)。

20世紀(jì)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(gè)新興領(lǐng)域——電液比例控制技術(shù)誕生并迅速發(fā)展,元器件性能大幅提高,應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。20世紀(jì)80年代后期,又出現(xiàn)了電液數(shù)字控制閥,使液壓技術(shù)向著更廣泛的領(lǐng)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(shù)以更強(qiáng)的活力,使液壓技術(shù)作為一種基本的傳動(dòng)形式占有著相當(dāng)重要的地位,并且以優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)特性而成為一種重要的控制手段。當(dāng)前,液壓技術(shù)在實(shí)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(jìn)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(shù)等方面也有許多新成就。液壓與電氣、液壓與微電子技術(shù)、液壓與計(jì)算機(jī)控制相結(jié)合的機(jī)電液一體化已成為世界液壓技術(shù)的發(fā)展潮流。我國從20世紀(jì)50年代末期開始發(fā)展液壓工業(yè),特別是20世紀(jì)80年代到90年代,國家對(duì)液壓行業(yè)進(jìn)行了重點(diǎn)改造,并先后引進(jìn)近50項(xiàng)國外先進(jìn)技術(shù),使我國液壓行業(yè)的產(chǎn)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(shù)在各工業(yè)部門得到廣泛的應(yīng)用。但是,與國外先進(jìn)水平相比，我國的液壓技術(shù)還有很大差距,主要表現(xiàn)在:產(chǎn)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(duì)重大技術(shù)裝備、重點(diǎn)工程的配套率嚴(yán)重不足;產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,可靠性差,壽命短;一些新的應(yīng)用領(lǐng)域(如航空航天,海洋工程,生物醫(yī)學(xué)工程,機(jī)器人,微型機(jī)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(jī)械工業(yè)和擴(kuò)大機(jī)電產(chǎn)品國際交往的瓶頸產(chǎn)業(yè),迅速改變這種落后面貌,是我國液壓技術(shù)界和工業(yè)界所面臨的迫切任務(wù)。

1.液壓傳動(dòng)的基本概念

任何一部機(jī)器都有傳動(dòng)機(jī)構(gòu),借助它以達(dá)到對(duì)動(dòng)力進(jìn)行傳遞和控制的目的。按照傳動(dòng)所采用的機(jī)構(gòu)或工作介質(zhì)的不同可分為機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)和流體傳動(dòng)。流體傳動(dòng)是以流體(液體、氣體)為工作介質(zhì)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換、傳遞和控制的傳動(dòng)形式。以液體為工作介質(zhì)時(shí)為液體傳動(dòng);以壓縮空氣為工作介質(zhì)時(shí)為氣體傳動(dòng)。1.2液壓傳動(dòng)的工作原理和特性液體傳動(dòng)又分為性質(zhì)截然不同的兩種傳動(dòng)形式:液壓傳動(dòng)和液力傳動(dòng)。液壓傳動(dòng)主要利用液體靜壓能來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力,其工作原理基于物理學(xué)中的帕斯卡原理,也稱靜液傳動(dòng)或容積式傳動(dòng)。液力傳動(dòng)主要利用液體動(dòng)能來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力,其工作原理基于流體力學(xué)中的動(dòng)量矩定理。

2.液壓傳動(dòng)的工作原理

液壓傳動(dòng)應(yīng)用了液體的兩個(gè)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(dòng)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(dāng)小活塞2上作用有較小的主動(dòng)力時(shí),液壓泵就產(chǎn)生相應(yīng)的壓力,根據(jù)帕斯卡原理,這個(gè)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(dāng)小活塞向下移動(dòng)時(shí),液壓泵排出的液體進(jìn)入液壓缸下腔,使大活塞提升,推動(dòng)負(fù)載作功。這就是液壓傳動(dòng)的工作原理。圖1-1液壓傳動(dòng)工作原理圖

3.液壓傳動(dòng)常用的基本公式

1)負(fù)載作用力F與液壓介質(zhì)壓力p之間的關(guān)系在圖1-1所示的簡(jiǎn)單液壓傳動(dòng)裝置中,設(shè)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(shè)它所產(chǎn)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(xué)原理,存在以下關(guān)系:(1-1)由于p1=p2=p,因而(1-2)或F=pA液壓傳動(dòng)中負(fù)載F與壓力p之間的關(guān)系可表述為:液壓系統(tǒng)的壓力取決于負(fù)載,并且隨著負(fù)載的變化而變化。

2)運(yùn)動(dòng)速度v與液體介質(zhì)流量q之間的關(guān)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(dòng)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?yàn)锳1比A2小得多,所以液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度比液壓泵活塞的運(yùn)動(dòng)速度小得多,可見此液壓傳動(dòng)裝置是一個(gè)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。又因?yàn)锳1和A2已定,所以液壓缸帶動(dòng)工作機(jī)構(gòu)的移動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度v2越快。液壓傳動(dòng)中運(yùn)動(dòng)速度v與流量q的關(guān)系可表述為:液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度取決于進(jìn)入液壓缸的流量,并且隨著流量的變化而變化。

3)液壓傳動(dòng)的功率計(jì)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(dòng)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(dòng)中,功率就是壓力與流量的乘積。

4.液壓傳動(dòng)的特點(diǎn)

液壓傳動(dòng)與其它傳動(dòng)方式相比主要有以下特點(diǎn):

(1)液壓傳動(dòng)必須用具有一定壓力的液體作為工作介質(zhì)。

(2)傳動(dòng)過程中必須經(jīng)過兩次能量轉(zhuǎn)換。首先,液壓泵把機(jī)械能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)外界負(fù)載運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。

(3)液壓傳動(dòng)必須在密封容積內(nèi)進(jìn)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(shí)現(xiàn)傳遞速度的要求。因此,有人把“液壓傳動(dòng)”叫做“容積式液力傳動(dòng)”。

1.液壓傳動(dòng)系統(tǒng)舉例

圖1-1所示的液壓傳動(dòng)裝置雖然能達(dá)到起重的目的,但是液壓缸活塞4的行程太小,而且不能實(shí)現(xiàn)不斷上升的要求,為此還必須進(jìn)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(dòng)液壓泵和由大活塞7、缸體6等組成的液壓缸構(gòu)成,8為重物,9為截止閥,10為油箱。1.3液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的組成和圖形符號(hào)圖1-2液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟懋?dāng)提起杠桿1時(shí),活塞2上升,泵體3下腔的工作容積增大(此時(shí)單向閥5關(guān)閉),腔內(nèi)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(jìn)入并充滿泵體3的下腔。當(dāng)壓下杠桿1時(shí),活塞2下降,單向閥4關(guān)閉,泵體3中的油液推開單向閥5進(jìn)入缸體6的下腔,推動(dòng)活塞7將重物8舉起。反復(fù)提壓杠桿,就可以使重物不斷上升,達(dá)到起重的目的。當(dāng)活塞7停止運(yùn)動(dòng)時(shí),只要停止杠桿1的運(yùn)動(dòng),缸體6中的油壓使單向閥5關(guān)閉,活塞7就自鎖不動(dòng)。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(dòng)，油液即排回油箱。在實(shí)際應(yīng)用中要完成液壓傳動(dòng)的任務(wù),往往需要由許多不同的液壓元件組成液壓傳動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。如圖1-3所示的機(jī)床工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，工作臺(tái)8由活塞桿帶動(dòng)作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),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(tái)的運(yùn)動(dòng)方向,設(shè)置了手動(dòng)換向閥6,以改變進(jìn)入液壓缸的油液流向。節(jié)流閥5用來改變進(jìn)入液壓缸的油液流量,以控制工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度。溢流閥4在控制液壓泵輸出油液壓力的同時(shí),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(jī)床工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)圖當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪泵3旋轉(zhuǎn)時(shí),油箱中的油液經(jīng)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?fàn)顟B(tài)。此時(shí),液壓泵輸出的油液全部經(jīng)過溢流閥流回油箱。當(dāng)換向閥6的閥芯處于左端位置時(shí),泵輸出的壓力油經(jīng)節(jié)流閥5、換向閥的[WTBX]P、B閥口進(jìn)入液壓缸7的右腔,推動(dòng)活塞帶動(dòng)工作臺(tái)8向左運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí),缸7左腔的油液經(jīng)換向閥的A、T閥口流回油箱。當(dāng)換向閥6的閥芯處于右端位置時(shí),泵輸出的壓力油便經(jīng)節(jié)流閥5、換向閥的P、A閥口進(jìn)入液壓缸7的左腔,使工作臺(tái)右移。與此同時(shí),缸7右腔的油液經(jīng)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(zhì),保證油液的清潔,使系統(tǒng)正常工作。

2.液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的組成和作用

從以上的例子可以看出,液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由以下4個(gè)部分組成。

(1)動(dòng)力元件(液壓泵)：是把機(jī)械能轉(zhuǎn)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(dòng)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(dá)):是把液體的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的元件,對(duì)負(fù)載做功,如圖1-2和圖1-3中作直線運(yùn)動(dòng)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(dòng)方向的元件,用來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件的作用力、運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的控制與調(diào)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(xiàng)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(duì)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(dòng)系統(tǒng)的圖形符號(hào)

綜上所述,液壓傳動(dòng)系統(tǒng)是由各種液壓元件組成的。如果用結(jié)構(gòu)圖來表達(dá)液壓系統(tǒng),則往往是各元件縱橫排列,管路來回交錯(cuò),既看不清楚,而且繪制也比較復(fù)雜。為了清晰地表達(dá)液壓系統(tǒng)中各個(gè)元件及它們之間的相互關(guān)系,我們可以采用相應(yīng)的圖形符號(hào)來表示。目前,液壓元件及系統(tǒng)有兩種表示法,即結(jié)構(gòu)式表示法和圖形符號(hào)式表示法。圖1-4用圖形符號(hào)表示的液壓系統(tǒng)圖1.4液壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用

1.液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)

液壓傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)相比有下列一些優(yōu)點(diǎn):

(1)與機(jī)械、電氣傳動(dòng)相比,在輸出同等功率的條件下,液壓傳動(dòng)裝置的體積小,重量輕,慣性小,結(jié)構(gòu)緊湊。例如,液壓馬達(dá)的體積僅為同功率電動(dòng)機(jī)的12%~13%,重量?jī)H為同功率電動(dòng)機(jī)的10%~20%。

(2)液壓傳動(dòng)裝置能在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行無級(jí)調(diào)速,方法簡(jiǎn)便且調(diào)速范圍較大,如某些情況下可達(dá)1000∶1。

(3)液壓傳動(dòng)裝置的工作比較平穩(wěn),反應(yīng)快,沖擊小,能高速啟動(dòng)、制動(dòng)和換向。例如,往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的換向頻率每分鐘可達(dá)400~1000次。

(4)液壓傳動(dòng)裝置的控制、調(diào)節(jié)比較簡(jiǎn)單,操縱比較方便、省力,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,特別是與電氣控制配合使用時(shí),能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的順序動(dòng)作和遠(yuǎn)程控制。

(5)液壓傳動(dòng)裝置易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。例如,系統(tǒng)中設(shè)置安全閥后,就可以防止超載而發(fā)生故障。同時(shí),油液能使各相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面自行潤滑,所以液壓傳動(dòng)裝置的使用壽命較長(zhǎng)。

(6)液壓元件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化,故易于設(shè)計(jì)、制造和推廣使用。

2.液壓傳動(dòng)的缺點(diǎn)

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

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

(3)因?yàn)橛鸵旱臏囟茸兓瘯?huì)引起油液的粘度變化,從而影響系統(tǒng)的工作