《液压传动技术》课件第1章.ppt

1、第第 1 1 章章 概概 论论1.1 液压技术发展概况液压技术发展概况1.2 液压传动的工作原理和特性液压传动的工作原理和特性1.3 液压传动系统的组成和图形符号液压传动系统的组成和图形符号1.4 液压传动的优缺点及其应用液压传动的优缺点及其应用习题与思考题习题与思考题第第 1 章章 概概 论论第第 1 1 章章 概概 论论 液压技术是在水力学、工程力学和机械制造基础上发展起来的一门应用科学技术。1650年,Pascal提出的水静压力原理(也称为帕斯卡原理)是液压技术的基础。1795年,英国伦敦的Joseph Bramah 首次用水作为介质,将帕斯卡原理应用于水压机。但帕斯卡原理真正的实际应用

2、则是在19世纪50年代的英国工业革命时代,W.G.Armstrong 采用蒸汽机驱动水泵作为动力源,将水压机实用化并应用了重锤式蓄能器。1870年左右,液压技术曾扩展应用于压榨机、铰盘、千斤顶等装置。1.1 液压技术发展概况液压技术发展概况第第 1 1 章章 概概 论论 19世纪末,由于电力驱动技术的发展,使液压技术停滞不前。直至1906年,美国战舰Virginia号以液压传动取代电力驱动,用于起吊和操纵火炮,首次用油作介质,较好地解决了润滑和密封问题,使液压技术开始迅速发展。液压元件是液压技术发展的基础。1593年出现的Serviere齿轮泵是一种较早的液压泵,与目前的外啮合齿轮泵结构很相近

3、。叶片泵的雏形产生于16世纪末,但直到1925年ickers发明了双作用叶片泵,才使它成为完善的形式并沿用至今。1910年出现的Hele Shaw径向柱塞泵为提供结构紧凑、压力较高的液压动力源开创了新的一页。第第 1 1 章章 概概 论论1920年左右发明的Hans Thoma型轴向柱塞泵,是高压系统应用最为广泛的轴向柱塞泵形式。1930年开始采用平面配流面,并用万向节实现同步;1946年后改用球面配流面,用连杆实现同;1950年斜盘式轴向柱塞泵开始广泛应用于工业生产。20世纪40年代,前苏联和瑞士发展并奠定了具有流量平稳、低噪声特点的螺杆泵的设计理论和结构。第第 1 1 章章 概概 论论 最

4、早应用的低速大转矩液压马达是英国ChamberLain公司生产的径向曲轴连杆式马达。20世纪50年代后,许多国家发展出多种形式的径向柱塞式低速大转矩液压马达,为直接应用液压驱动而不需要减速装置创造了有利条件。除了液压泵和液压马达作为动力元件和执行元件外,液压控制阀的发展对推进液压技术也起到了十分重要的作用。19世纪中叶由Fleeming Jenkin发明的压差补偿型流量阀和1935年由Harrg Vichers发明的先导式溢流阀,为发展液压控制阀的压力补偿、先导控制和匹配耦合起到了开创性的作用。第第 1 1 章章 概概 论论 20世纪40年代初,首先应用在飞机上的电液伺服阀开辟了液压技术向高响

5、应、高精度发展的新领域。美国麻省理工学院的Blackburn 和Lee等在20世纪50年代发表的电液伺服器件设计理论和实践,为电液伺服控制奠定了基础。20世纪60年代末至70年代初,先后在瑞士和日本出现了电液比例控制阀,介于定值控制和伺服控制之间的一个新兴领域电液比例控制技术诞生并迅速发展,元器件性能大幅提高,应用领域不断扩展。第第 1 1 章章 概概 论论 20世纪80年代后期,又出现了电液数字控制阀,使液压技术向着更广泛的领域发展。电液比例控制、电液伺服控制和电液数字控制赋予液压技术以更强的活力,使液压技术作为一种基本的传动形式占有着相当重要的地位,并且以优良的静、动态特性而成为一种重要的

6、控制手段。第第 1 1 章章 概概 论论当前,液压技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声、高可靠性、高度集成化等方面都取得了重大进展,在完善发展比例控制、伺服控制以及开发数字控制技术等方面也有许多新成就。液压与电气、液压与微电子技术、液压与计算机控制相结合的机电液一体化已成为世界液压技术的发展潮流。第第 1 1 章章 概概 论论我国从20世纪50年代末期开始发展液压工业,特别是20世纪80年代到90年代,国家对液压行业进行了重点改造,并先后引进近50项国外先进技术,使我国液压行业的产品水平、科研开发能力和工艺装备水平都有了大幅度提高,液压技术在各工业部门得到广泛的应用。但是,与国外先进水

7、平相比，我国的液压技术还有很大差距,主要表现在:产品水平低,品种规格少,自我开发能力薄弱,成套性差,特别是对重大技术装备、重点工程的配套率严重不足;产品质量不稳定,可靠性差,寿命短;一些新的应用领域(如航空航天,海洋工程,生物医学工程,机器人,微型机械)以及高温、明火环境下所急需的一些特殊元件,几乎处于空白。液压工业已成为影响我国机械工业和扩大机电产品国际交往的瓶颈产业,迅速改变这种落后面貌,是我国液压技术界和工业界所面临的迫切任务。第第 1 1 章章 概概 论论1.液压传动的基本概念液压传动的基本概念任何一部机器都有传动机构,借助它以达到对动力进行传递和控制的目的。按照传动所采用的机构或工作

8、介质的不同可分为机械传动、电气传动和流体传动。流体传动是以流体(液体、气体)为工作介质进行能量转换、传递和控制的传动形式。以液体为工作介质时为液体传动;以压缩空气为工作介质时为气体传动。1.2 液压传动的工作原理和特性液压传动的工作原理和特性第第 1 1 章章 概概 论论液体传动又分为性质截然不同的两种传动形式:液压传动和液力传动。液压传动主要利用液体静压能来传递运动和动力,其工作原理基于物理学中的帕斯卡原理,也称静液传动或容积式传动。液力传动主要利用液体动能来传递运动和动力,其工作原理基于流体力学中的动量矩定理。第第 1 1 章章 概概 论论2.液压传动的工作原理液压传动的工作原理液压传动应

9、用了液体的两个最重要的特征:假定液体不可压缩;静止液体压力各向相等。图1-1所示为液压传动的工作原理图。右边是液压泵1,左边是液压缸3,均配以密封的活塞,中间用管道5连接起来。当小活塞2上作用有较小的主动力时,液压泵就产生相应的压力,根据帕斯卡原理,这个压力等值传递到液压缸3,平衡作用于大活塞4上的很大的作用力。当小活塞向下移动时,液压泵排出的液体进入液压缸下腔,使大活塞提升,推动负载作功。这就是液压传动的工作原理。第第 1 1 章章 概概 论论图 1-1液压传动工作原理图第第 1 1 章章 概概 论论3.液压传动常用的基本公式液压传动常用的基本公式1)负载作用力F与液压介质压力p之间的关系在

10、图1-1所示的简单液压传动装置中,设液压泵活塞2的面积为A1(m),液压缸活塞4的面积为A2(m2),工作腔与管道5中都充满油液并与大气隔绝。在液压缸活塞上放有重物G,设它所产生的重力为F2(N),作用在液压泵活塞上的作用力为F1(N),根据液体静力学原理,存在以下关系:222111ApFApF(1-1)由于p1=p2=p,因而 第第 1 1 章章 概概 论论(1-2)pAFpAFAF(Pa)2211或F=pA液压传动中负载F与压力p之间的关系可表述为:液压系统的压力取决于负载,并且随着负载的变化而变化。第第 1 1 章章 概概 论论2)运动速度v与液体介质流量q之间的关系假定不考虑液体的渗漏

11、,也不考虑油液的可压缩性以及泵体、缸体和管道的弹性变形,在传动过程中,各工作腔容积变化是相等的,也即符合液流的连续性方程,所以有A1v1=A2v2=q (m/s)2112AAvv(1-4)或第第 1 1 章章 概概 论论从式(1-4)可以看出,因为A1比A2小得多,所以液压缸活塞的运动速度比液压泵活塞的运动速度小得多,可见此液压传动装置是一个减速传动机构。又因为A1和A2已定,所以液压缸带动工作机构的移动速度v2只取决于输入流量的大小,输入液压缸的流量q2越多,则运动速度v2越快。液压传动中运动速度v与流量q的关系可表述为:液压缸的运动速度取决于进入液压缸的流量,并且随着流量的变化而变化。第第

12、 1 1 章章 概概 论论3)液压传动的功率计算 功率是力和速度的乘积。如果忽略各种摩擦损失和漏损,则液压泵输入的功率和液压缸输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)第第 1 1 章章 概概 论论为了区别这两种功率,我们把P1=F1v1称为泵的输入功率,把P2=F2v2称为缸的输出功率。我们将F1=pA1、F2=pA2代入式(1-6),就得到液压传动中常用的功率公式:P=pA1v1=pA2v2=pq (W)(1-7)式中:p压力(N/m2);q流量(m3/s)。因此，在液压传动中,功率

13、就是压力与流量的乘积。第第 1 1 章章 概概 论论4.液压传动的特点液压传动的特点液压传动与其它传动方式相比主要有以下特点:(1)液压传动必须用具有一定压力的液体作为工作介质。(2)传动过程中必须经过两次能量转换。首先,液压泵把机械能转换为液体的压力能;然后,油液输入液压缸,又通过液压缸把油液的压力能转换成驱动外界负载运动的机械能。(3)液压传动必须在密封容积内进行,而且容积要发生变化。如果容积不密封,则不能形成压力;如果容积不变化,则不能实现传递速度的要求。因此,有人把“液压传动”叫做“容积式液力传动”。第第 1 1 章章 概概 论论1.液压传动系统举例液压传动系统举例 图1-1所示的液压

14、传动装置虽然能达到起重的目的,但是液压缸活塞4的行程太小,而且不能实现不断上升的要求,为此还必须进一步完善。图1-2所示为一种常用的液压千斤顶的工作原理图。它主要由杠杆1、小活塞2、泵体3和单向阀4、5等组成的手动液压泵和由大活塞7、缸体6等组成的液压缸构成,8为重物,9为截止阀,10为油箱。1.3液压传动系统的组成和图形符号液压传动系统的组成和图形符号第第 1 1 章章 概概 论论图 1-2 液压千斤顶的工作原理第第 1 1 章章 概概 论论当提起杠杆1时,活塞2上升,泵体3下腔的工作容积增大(此时单向阀5关闭),腔内形成真空,油箱10中的油液在大气压的作用下推开单向阀4的钢球,进入并充满泵

15、体3的下腔。当压下杠杆1时,活塞2下降,单向阀4关闭,泵体3中的油液推开单向阀5进入缸体6的下腔,推动活塞7将重物8举起。反复提压杠杆,就可以使重物不断上升,达到起重的目的。当活塞7停止运动时,只要停止杠杆1的运动,缸体6中的油压使单向阀5关闭,活塞7就自锁不动。如果需要重物下降,则可打开截止阀9,使缸体6的下腔直接与油箱10相通,在重物G的作用下,活塞7向下移动，油液即排回油箱。第第 1 1 章章 概概 论论在实际应用中要完成液压传动的任务,往往需要由许多不同的液压元件组成液压传动系统来实现。如图1-3所示的机床工作台往复运动的传动系统，工作台8由活塞杆带动作直线往复运动,液压系统中的工作油

16、液由齿轮泵3供给。为了改变工作台的运动方向,设置了手动换向阀6,以改变进入液压缸的油液流向。节流阀5用来改变进入液压缸的油液流量,以控制工作台的运动速度。溢流阀4在控制液压泵输出油液压力的同时,也起着把泵输出的多余油液排回油箱的作用。管道和管接头用于将这些元件连接起来。第第 1 1 章章 概概 论论图 1-3 机床工作台往复运动的液压传动系统图第第 1 1 章章 概概 论论当电动机带动齿轮泵3旋转时,油箱中的油液经过滤器2被吸入。图示位置换向阀6的阀芯处于中间位置,接通换向阀的油路被堵塞,液压缸活塞处于停止状态。此时,液压泵输出的油液全部经过溢流阀流回油箱。当换向阀6的阀芯处于左端位置时,泵输

17、出的压力油经节流阀5、换向阀的WTBXP、B阀口进入液压缸7的右腔,推动活塞带动工作台8向左运动。与此同时,缸7左腔的油液经换向阀的A、T阀口流回油箱。当换向阀6的阀芯处于右端位置时,泵输出的压力油便经节流阀5、换向阀的P、A阀口进入液压缸7的左腔,使工作台右移。与此同时,缸7右腔的油液经B、T阀口流回油箱。过滤器2的作用是滤去油液中的污染物质,保证油液的清洁,使系统正常工作。第第 1 1 章章 概概 论论2.液压传动系统的组成和作用液压传动系统的组成和作用从以上的例子可以看出,液压传动系统主要由以下4个部分组成。(1)动力元件(液压泵)：是把机械能转换成液体压力能的元件,作为系统的供油能源,

18、如图1-2中的手动液压泵和图1-3中的齿轮式液压泵。(2)执行元件(液压缸或液压马达):是把液体的压力能转换成机械能的元件,对负载做功,如图1-2和图1-3中作直线运动的液压缸。第第 1 1 章章 概概 论论(3)控制元件(各种液压控制阀):是控制液压系统中油液的压力、流量和流动方向的元件,用来实现执行元件的作用力、运动速度和运动方向的控制与调节,如图1-3中的溢流阀、节流阀和换向阀等元件。(4)辅助元件:是除上述三项以外的其它元件,如图1-3中的油箱、过滤器、油管、压力表等,它们对保证液压系统可靠、稳定、持久地工作有着重要的作用。第第 1 1 章章 概概 论论3.液压传动系统的图形符号液压传

19、动系统的图形符号综上所述,液压传动系统是由各种液压元件组成的。如果用结构图来表达液压系统,则往往是各元件纵横排列,管路来回交错,既看不清楚,而且绘制也比较复杂。为了清晰地表达液压系统中各个元件及它们之间的相互关系,我们可以采用相应的图形符号来表示。目前,液压元件及系统有两种表示法,即结构式表示法和图形符号式表示法。第第 1 1 章章 概概 论论图 1-4用图形符号表示的液压系统图第第 1 1 章章 概概 论论1.4液压传动的优缺点及其应用液压传动的优缺点及其应用1.液压传动的优点液压传动的优点液压传动与机械传动、电气传动、气压传动相比有下列一些优点:(1)与机械、电气传动相比,在输出同等功率的

20、条件下,液压传动装置的体积小,重量轻,惯性小,结构紧凑。例如,液压马达的体积仅为同功率电动机的12%13%,重量仅为同功率电动机的10%20%。(2)液压传动装置能在运转过程中进行无级调速,方法简便且调速范围较大,如某些情况下可达1000 1。第第 1 1 章章 概概 论论(3)液压传动装置的工作比较平稳,反应快,冲击小,能高速启动、制动和换向。例如,往复直线运动的换向频率每分钟可达4001000次。(4)液压传动装置的控制、调节比较简单,操纵比较方便、省力,易于实现自动化,特别是与电气控制配合使用时,能实现复杂的顺序动作和远程控制。(5)液压传动装置易于实现过载保护。例如,系统中设置安全阀后

21、,就可以防止超载而发生故障。同时,油液能使各相对运动表面自行润滑,所以液压传动装置的使用寿命较长。(6)液压元件已经实现了系列化、标准化、通用化,故易于设计、制造和推广使用。第第 1 1 章章 概概 论论2.液压传动的缺点液压传动的缺点 (1)液压传动装置以液体作为工作介质,往往容易形成泄漏。同时,油液也具有一定的可压缩性。由于这些原因,因而液压传动的效率较低,一般为75%80%。(2)液压传动装置由于在能量转换及传递过程中存在着机械摩擦损失、压力损失和泄漏损失等问题,因而无法保证严格的传动比。第第 1 1 章章 概概 论论(3)因为油液的温度变化会引起油液的粘度变化,从而影响系统的工作性能,

22、所以液压传动装置一般不宜在低温及高温下工作。另外,液压传动对油液的污染亦比较敏感,要求有良好的过滤设施。(4)液压元件制造精度要求较高,因此价格较贵。此外,液压装置的使用与维修要求有较高的技术水平和一定的专业知识。第第 1 1 章章 概概 论论3.液压技术的应用液压技术的应用由于液压技术的诸多优点,使其发展很快,特别是经过最近半个世纪的飞速发展,液压技术已成为包括传动、控制、检测在内的对现代机械装备技术进步有重要影响的基础技术,其应用遍布各个工业领域。从蓝天到水下,从军用到民用,从重工业到轻工业,到处都有液压传动及控制技术的应用。国外生产的95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%的自动生

23、产线都采用了液压传动与控制技术。由于液压技术的采用对机电产品的质量和生产水平的提高起到了极大的促进和保证作用,因而采用液压技术的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志。可以预见,随着科学技术的不断发展,液压技术将会在许多工业部门中发挥越来越大的作用。第第 1 1 章章 概概 论论习题与思考题习题与思考题1.什么叫液压传动？液压传动的特点是什么？2.液压传动系统通常由哪几部分组成？各部分的作用是什么？3.如图所示,已知F1=10103N,F2=15103N,液压缸活塞直径均为25cm。当液压泵压油时,两缸活塞能否同时动作？为什么？液压泵的出口压力是多少？第第 1 1 章章 概概 论论题3图第第 1 1 章章 概概 论论4.如图所示,设杠杆尺寸a=30cm,b=2.5cm,小活塞直径d=1.6cm,液压缸活塞直径D=12cm。若手的作用力F=200N,求液压缸活塞向上顶起的作用力是多少？力放大了多少倍？第第 1 1 章章 概概 论论题4图