液压传动知识

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(一)液压传动概述

液压传动是以液体为工作介质来传递动力和运动的一种传动方式。液压泵将外界所输入的机械能转变为工作液体的压力能,经过管道及各种液压控制元件输送到执行机构→油缸或油马达,再将其转变为机械能输出,使执行机构能完成各种需要的运动。

(二)液压传动的工作原理及特点

1.液压传动基本原理

如图2-62所示为一简化的液压传动系统,其工作原理如下:

液压泵由电动机驱动旋转,从油箱经过过滤器吸油。当控制阀的阀心处于图示位置时,压力油经溢流阀、控制阀和管道(图2-62之9)进入液压缸的左腔,推动活塞向右运动。液压缸右腔的油液经管道(图2-62之6)、控制阀和管道(图2-62之10)流回油箱。改变控制阀的阀心的位置,使之处于左端时,液压缸活塞将反向运动。

改变流量控制阀的开口,可以改变进入液压缸的流量,从而控制液压缸活塞的运动速度。液压泵排出的多余油液经限压阀和管道(图2-62之12)流回油箱。液压缸的工作压力取决于负载。液压泵的最大工作压力由溢流阀调定,其调定值应为液压缸的最大工作压力及系统中油液经阀和管道的压力损失之总和。因此,系统的工作压力不会超过溢流阀的调定值,溢流阀对系统还起着过载保护作用。

在图2-62所示液压系统中,各元件以结构符号表示。所构成的系统原理图直观性强,容易理解;但图形复杂,绘制困难。

工程实际中,均采用元件的标准职能符号绘制液压系统原理图。职能符号仅表示元件的功能,而不表示元件的具体结构及参数。

图2-63所示即为采用标准职能符号绘制的液压系统工作原理图,简称液压系统图。

图2-62 液压传动系统结构原理图

1—油箱;2—过滤器;3—液压泵;4—溢流阀;5—控制阀;6,9,10,12—液压管道;7—液压缸;8—工作台;11—限压阀

图2-63 液压传动系统工作原理图

1—油箱;2—过滤器;3—液压泵;4—溢流阀;5—控制阀;6,9,10,12—液压管道;7—液压缸;8—工作台;11—限压阀

2.液压传动的特点

(1)液压传动的主要优点

1)能够方便地实现无级调速,调速范围大。

2)与机械传动和电气传动相比,在相同功率情况下,液压传动系统的体积较小,质量较轻。

3)工作平稳,换向冲击小,便于实现频繁换向。

4)便于实现过载保护,而且工作油液能使传动零件实现自润滑,因此使用寿命较长。

5)操纵简单,便于实现自动化,特别是与电气控制联合使用时,易于实现复杂的自动工作循环。

6)液压元件实现了系列化、标准化和通用化,易于设计、制造和推广应用。

(2)液压传动的主要缺点

1)液压传动中不可避免地会出现泄漏,液体也不可能绝对不可压缩,故无法保证严格的传动比。

2)液压传动有较多的能量损失(泄漏损失、摩擦损失等),故传动效率不高,不宜作远距离传动。

3)液压传动对油温的变化比较敏感,不宜在很高和很低的温度下工作。

4)液压传动出现故障时不易找出原因。

(三)液压传动系统的组成及图形符号

1.液压传动系统的组成

由上述例子可以看出,液压传动系统除了工作介质外,主要由四大部分组成:

1)动力元件——液压泵。它将机械能转换成压力能,给系统提供压力油。

2)执行元件——液压缸或液压马达。它将压力能转换成机械能,推动负载做功。

3)控制元件——液压阀(流量、压力、方向控制阀等)。它们对系统中油液的压力、流量和流动方向进行控制和调节。

4)辅助元件——系统中除上述三部分以外的其他元件,如油箱、管路、过滤器、蓄能器、管接头、压力表开关等。由这些元件把系统连接起来,以支持系统的正常工作。

液压系统各组成部分及作用如表2-6所示。

表2-6 液压系统组成部分的作用

2.液压元件的图形符号

图2-64是液压千斤顶的结构原理示意图。它直观性强,易于理解,但难于绘制。特别是当液压系统中元件较多时更是如此。

图2-64 液压千斤顶的结构原理图

1—杠杆;2—泵体;3,11—活塞;4,10—油腔;5,7—单向阀;6—油箱;8—放油阀;9—油管;12—缸体

为了简化原理图的绘制,液压系统中的元件可采用符号来表示,并代表元件的职能。使用这些图形符号可使系统图即简单明了又便于绘制,如果有些液压元件职能无法用这些符号表达时,仍可采用它的结构示意图形式。如表27为液压泵的图形符号;表2-8为常用控制方式的图形符号。欲了解更多液压元件的图形符号,可参阅相关书籍。

表2-7 液压泵的图形符号

表2-8 常用控制方式图形符号

(四)液压传动的主要元件

1.液压泵

是一种能量转换装置。它将机械能转换为液压能,为液压系统提供一定流量的压力油液,是系统的动力元件。

液压泵的结构类型有齿轮式、叶片式和柱塞式等。目前钻探设备的液压系统中主要采用前两种形式。

(1)齿轮泵

齿轮泵分为外啮合和内啮合两种形式。外啮合式齿轮泵由于结构简单,价格低廉,体积小质量轻,自吸性能好,工作可靠且对油液污染不敏感,所以应用比较广泛。

1)齿轮泵的工作原理。齿轮泵由泵壳体,两侧端盖及由各齿间形成密封的工作空间组成。齿轮的啮合线把容腔分隔为两个互不相通的吸油腔和排油腔。当齿轮按图示方向旋转时吸油一侧的轮齿逐渐分离,工作空间的容腔逐步增大,形成局部真空。此时油箱中的油液在外界大气压的作用下进入吸油容腔,随着齿轮的旋转,齿间的油液带到排油一侧。由于此侧的轮齿是逐步啮合,工作空间的容腔缩小,油液受挤压获得能量排出油口并输入液压系统。

2)齿轮泵的结构。YBC-45/80齿轮泵是钻探设备常用的一种液压泵,额定流量45L/min,额定泵压8MPa(图2-65)。该泵主要由泵体、泵盖、主动齿轮、被动齿轮及几个轴套等组成。齿轮与轴呈一体,以4只铝合金轴套支撑于泵体内,泵盖与泵体用螺栓紧固,端面及泵轴处均以密封圈密封,两个轴套(图2-65之7与19)在压力油的作用下有一定的轴向游动量,油泵运转时与齿轮端面贴紧,减少轴向间隙同时在轴套和泵盖之间有封严板等,将吸排油腔严格分开,防止窜通以提高泵的容积效率。在轴套靠近齿轮啮合处开有卸荷槽。泵主轴伸出端以半圆键与传动装置连接,接受动力。

图2-65 YBC—45/80齿轮泵

1—卡圈;2—油封;3—螺栓;4—泵盖;5,13,20—O型密封圈;6—封严板;7,10,17,19—轴套;8—润滑油槽;9—主动齿轮;11—进油口;12—泵体;14—油槽;15—排油口;16—定位钢丝;18—被动齿轮;21—油孔;22—压力油腔

3)齿轮泵的流量。齿轮泵的流量可看作是两个齿轮的齿槽容积之和。若齿轮齿数为z,模数为m,节圆直径为D(D=z·m),有效齿高h=2m,齿宽为b时,泵的流量Q为

Q=πDhb=2πzm²b

考虑齿间槽比轮齿的体积稍大一些,通常取π为3.33加以修正,还应考虑泵的容积效率ηv,则齿轮泵每分钟的流量为

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(2)叶片泵

叶片泵与齿轮泵相比较具有结构紧凑,外形尺寸小,流量均匀,工作平稳噪音小,输出压力较高等优点,但结构较复杂,自吸性能差,对油液污染较敏感。在液压钻机中也有采用。

叶片泵分为单作用和双作用两种。前者可作为变量泵,后者只能作定量泵。

2.液压马达

液压马达是将液压能转换为机械能的装置,是液压系统的执行元件。其结构与液压泵基本相同,但由于功能和工作条件不同,一般液压泵和液压马达不具有可逆性。

液压马达按结构特点分为齿轮式、叶片式和柱塞式三类。钻探设备中常用柱塞式液压马达。

如图2-66所示,当压力油经配油盘进入缸体的柱塞时,柱塞受油的作用向外伸出,并紧紧抵在斜盘上,这时斜盘对柱塞产生一法向反作用力F。由于斜盘中心线与缸体轴线倾斜角为δ_M,所以F可分解为两个分力,其中水平分力F_x与柱塞推力相平衡,而垂直分力F_g则对缸体产生转矩,驱动缸体及马达轴旋转。若从配油盘的另一侧输入压力油,则液压马达朝反方向旋转。

图2-66 轴向柱塞式液压马达工作原理

1—斜盘;2—缸体;3—柱塞;4—配油盘;5—主盘

若液压马达的排量为Q,输入液压马达的液压力为P,机械效率为η_m,则液压马达的输出转矩M为:M=PQη_m/2π。

3.液压缸

液压缸是液压系统的执行元件。它的作用是将液压能转变为机械能,使运动部件实现往复直线运动或摆动。液压缸结构简单,使用方便,运动平稳,工作可靠,在钻探设备中应用十分广泛。液压缸的种类很多,按结构类型可分为活塞式、柱塞式和摆动式三种。其中活塞式液压缸最常用。活塞或液压缸可分为单出杆式和双出杆式两种。其固定方式可以是缸体固定或活塞杆固定。

(1)单出杆活塞式液压缸

如图2-67所示为液压式钻机给进油缸的结构。它由活塞、活塞杆、缸筒、上盖、下盖、密封圈和压紧螺母等组成。活塞杆与活塞以螺纹连接成一体。活塞环槽中配装的活塞环及上盖处的密封圈等用以保证缸内具有良好的密封性。在液缸的上下盖上设有输油口,压力油经输油口进入液缸的上、下腔,即推动活塞移动,并通过活塞杆顶端的连接螺母带动立轴上行或下行。由图示结构可知,单出杆液压缸活塞两侧容腔的有效工作面积是不相等的,因此当向两腔分别输入压力和流量相等的油液时,活塞在两个方向的推力和运行速度是不相等的。

图2-67 钻机给进油缸的结构

(2)双活塞杆式液压缸

双活塞杆式液压缸结构,组成件与单活塞杆液压缸基本相同,所不同的是活塞左右两端都有活塞杆伸出,可以连接工作部件,实现往复运动。由图示结构可知,

两侧活塞杆直径相同,当两腔的供油压力和流量都相等时,两个方向的推力和运行速度也相等。

4.液压控制阀

液压控制阀是液压系统中的控制元件,用于控制系统的油液流动方向及压力和流量的大小,以保证各执行机构工作的可靠、协调和安全性。

液压控制阀按其用途和工作特点不同,通常可分为方向控制阀(如单向阀和换向阀等)、压力控制阀(如溢流阀、减压阀和顺序阀等)和流量控制阀(如节流阀和调速阀等)。这3种阀可根据需要互相组合成为集成式控制阀,如液压式钻机或其他工程机械就是将一个或多个换向阀、调压溢流阀和流量阀等组装在一起成为集中手柄控制的液压操纵阀。

(五)液压传动系统的基本回路简介

1.压力控制回路

主要是利用压力控制阀来控制系统压力,实现增压、减压、卸荷、顺序动作等,以满足工作机构对力或力矩的要求。如图2-68所示为一减压回路,由于油缸G往返时所需的压力比主系统低,所以在支路上设置减压阀,实现分支油路减压。

图2-68 减压回路

2.速度控制回路

主要有定量泵的节流调速、变量泵和节流阀的调速、容积调速等回路,可以实现执行机构不同运动速度(或转速)的要求。在定量泵的节流调速回路中,采用节流阀,调速阀或溢流调速阀来调节进入液压缸(或液压马达)的流量。根据阀在回路中的安装位置,分为进口节流、出口节流和旁路节流3种。

3.换向控制回路

换向控制回路是利用各种换向阀或单向阀组成的控制执行元件的启动、停止或换向的回路。常见的有换向回路、闭锁回路、时间制动的换向回路和行程制动的换向回路等。

如图2-69所示是简化的工作台作往复直线运动的液压系统图。为了控制工作台的往复运动,在这个系统中设置了一个手动换向阀,用来改变液流进入液压缸的方向。当手动换向阀的阀心在最右端时(图2-69a),压力油由P—A,进入液压缸左腔。此时,右腔中的油液由B—O流回油箱,因而推动了活塞连同工作台一起向右运动。

若把手动换向阀的阀心扳到中间位置(图2-69b),压力油的进油口P与回油口O都被阀心封闭,工作台停止运动。

如果把阀心扳到最左端,压力油从P—B进入液压缸右腔(图2-69c),左腔中的油液由A—O回油箱,从而推动活塞连同工作台向左运动,完成换向动作。

图2-69 换向工作原理图

4.同步回路

当液压设备上有两个或两个以上的液压油缸,在运动时要求能保持相同的位移和速度,或要求以一定的速度比运动时,可采用同步回路。

5.顺序动作回路

当用一个液压泵驱动几个要求按照一定顺序依次动作的工作机构时,可采用顺序动作回路。实现顺序动作可以采用压力控制、行程控制和时间控制等方法。