第⼀章绪论
第⼀节液压传动发展概况
⾃18世纪末英国制成世界上第⼀台⽔压机算起,液压传动技术已有⼆三百年的历史。直到20世纪30年代它才较普遍地⽤于起重机、机床及⼯程机械。在第⼆次世界⼤战期间,由于战争需要,出现了由响应迅速、精度⾼的液压控制机构所装备的各种军事武器。第⼆次世界⼤战结束后,战后液压技术迅速转向民⽤⼯业,液压技术不断应⽤于各种⾃动机及⾃动⽣产线。
本世纪60年代以后,液压技术随着原⼦能、空间技术、计算机技术的发展⽽迅速发展。因此,液压传动真正的发展也只是近三四⼗年的事。当前液压技术正向迅速、⾼压、⼤功率、⾼效、低噪声、经久耐⽤、⾼度集成化的⽅向发展。同时,新型液压元件和液压系统的计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助测试(CAT)、计算机直接控制(CDC)、机电⼀体化技术、可靠性技术等⽅⾯也是当前液压传动及控制技术发展和研究的⽅向。
我国的液压技术最初应⽤于机床和锻压设备上,后来⼜⽤于拖拉机和⼯程机械。现在,我国的液压元件随着从国外引进⼀些液压元件、⽣产技术以及进⾏⾃⾏设计,现已形成了系列,并在各种机械设备上得到了⼴泛的使⽤。机械的传动⽅式
⼀切机械都有其相应的传动机构借助于它达到对动⼒的传递和控制的⽬的。机械传动——通过齿轮、齿条、蜗轮、蜗杆等机件直接把动⼒传送到执⾏机构的传递⽅式。
电⽓传动——利⽤电⼒设备,通过调节电参数来传递或控制动⼒的传动⽅式液压传动——利⽤液体静压⼒传递动⼒液体传动
液⼒传动——利⽤液体静流动动能传递动⼒流体传动⽓压传动⽓体传动⽓⼒传动
第⼆节液压传动的⼯作原理及其组成⼀、液压传动的⼯作原理
液压传动的⼯作原理,可以⽤⼀个液压千⽄顶的⼯作原理来说明。
图1-1液压千⽄顶⼯作原理图
1—杠杆⼿柄2—⼩油缸3—⼩活塞4,7—单向阀5—吸油管6,10—管道8—⼤活塞9—⼤油缸11—截⽌阀12—油箱
图1-1是液压千⽄顶的⼯作原理图。⼤油缸9和⼤活塞8组成举升液压缸。杠杆⼿柄1、⼩油缸2、⼩活塞3、单向阀4和7组成⼿动液压泵。如提起⼿柄使⼩活塞向上移动,⼩活塞下端油腔容积增⼤,形成局部真空,这时单向阀4打开,通过吸油管5从油箱12中吸油;⽤⼒压下⼿柄,⼩活塞下移,⼩活塞下腔压⼒升⾼,单向阀4关闭,单向阀7打开,下腔的油液经管道6输⼊举升油缸9的下腔,迫使⼤活塞8向上移动,顶起重物。再次提起⼿柄吸油时,单向阀7⾃动关闭,使油液不能倒流,从⽽保证了重物不会⾃⾏下落。不断地往复扳动⼿柄,就能不断地把油液压⼊举升缸下腔,使重物逐渐地升起。如果打开截⽌阀11,举升缸下腔的油液通过管道10、截⽌阀11流回油箱,重物就向下移动。这就是液压千⽄顶的⼯作原理。
通过对上⾯液压千⽄顶⼯作过程的分析,可以初步了解到液压传动的基本⼯作原理。液压传动是利⽤有压⼒的油液作为传递动⼒的⼯作介质。压下杠杆时,⼩油缸2输出压⼒油,是将机械能转换成油液的压⼒能,压⼒油经过管道6及单向阀7,推动⼤活塞8举起重物,是将油液的压⼒能⼜转换成机械能。⼤活塞8举升的速度取决于单位时间内流⼊⼤油缸9中油容积的多少。由此可见,液压传动是⼀个不同能量的转换过程。⼆、液压传动系统的组成
液压千⽄顶是⼀种简单的液压传动装置。下⾯分析⼀种驱动⼯作台的液压传动系统。如图1-2所⽰,它由油箱、滤油器、液压泵、溢流阀、开停阀、节流阀、
图1-2机床⼯作台液压系统⼯作原理图
1—⼯作台2—液压缸3—活塞4—换向⼿柄5—换向阀
6,8,16—回油管7—节流阀9—开停⼿柄10—开停阀11—压⼒管12—压⼒⽀管13—溢流阀14—钢球15—弹簧17—液压泵18—滤油器19—油箱
换向阀、液压缸以及连接这些元件的油管、接头组成。其⼯作原理如下:液压泵由电动机驱动后,从油箱中吸油。油液经滤油器进⼊液压泵,油液在泵腔中从⼊⼝低压到泵出⼝⾼压,在图1-2(a)所⽰状态下,通过开停阀、节流阀、换向阀进⼊液压缸左腔,推动活塞使⼯作台向右移动。这时,液压缸右腔的油经换向阀和回油管6排回油箱。
如果将换向阀⼿柄转换成图1-2(b)所⽰状态,则压⼒管中的油将经过开停阀、节流阀和换向阀进⼊液压缸右腔、推动活塞使⼯作台向左移动,并使液压缸左腔的油经换向阀和回油管6排回油箱。
⼯作台的移动速度是通过节流阀来调节的。当节流阀开⼤时,进⼊液压缸的油量增多,⼯作台的移动速度增⼤;当节流阀关⼩时,进⼊液压缸的油量减⼩,⼯作台的移动速度减⼩。为了克服移动⼯作台时所受到的各种阻⼒,液压缸必须产⽣⼀个⾜够⼤的推⼒,这个推⼒是由液压缸中的油液压⼒所产⽣的。要克服的阻⼒越⼤,缸中的油液压⼒越⾼;反之压⼒就越低。这种现象正说明了液压传动的⼀个基本原理——压⼒决定于负载。从机床⼯作台液压系
统的⼯作过程可以看出,⼀个完整的、能够正常⼯作的液压系统,应该由以下五个主要部分来组成:1.能源装置它是供给液压系统压⼒油,把机械能转换成液压能的装置。最常见的形式是液压泵。
2.执⾏装置它是把液压能转换成机械能的装置。其形式有作直线运动的液压缸,有作回转运动的液压马达,它们⼜称为液压系统的执⾏元件。
3.控制调节装置它是对系统中的压⼒、流量或流动⽅向进⾏控制或调节的装置。如溢流阀、节流阀、换向阀、开停阀等。4.辅助装置上述三部分之外的其他装置,例如油箱,滤油器,油管等。它们对保证系统正常⼯作是必不可少的。5.⼯作介质传递能量的流体,即液压油等。三、液压传动系统图的图形符号
图1-3机床⼯作台液压系统的图形符号图1—⼯作台2—液压缸3—油塞4—换向阀
5—节流阀6—开停阀7—溢流阀8—液压泵9—滤油器10—油箱
图1-2所⽰的液压系统是⼀种半结构式的⼯作原理图它有直观性强、容易理解的优点,当液压系统发⽣故障时,根据原理图检查⼗分⽅便,但图形⽐较复杂,绘制⽐较⿇烦。我国已经制定了⼀种⽤规定的图形符号来表⽰液压原理图中的各元件和连接管路的国家标准,即“液压系统图图形符号(GB786—76)”。我国制订的液压系统图图形符号(GB786—76)中,对于这些图形符号有以下⼏条基本规定。
(1)符号只表⽰元件的职能,连接系统的通路,不表⽰元件的具体结构和参数,也不表⽰元件在机器中的实际安装位置。
(2)元件符号内的油液流动⽅向⽤箭头表⽰,线段两端都有箭头的,表⽰流动⽅向可逆。(3)符号均以元件的静⽌位置或中间零位置表⽰,当系统的动作另有说明时,可作例外。
图1-3所⽰为图1-2(a)系统⽤国标《GB786—76液压系统图图形符号》绘制的⼯作原理图。使⽤这些图形符号可使液压系统图简单明了,且便于绘图。第三节液压传动的优缺点
液压传动之所以能得到⼴泛的应⽤,是由于它具有以下的主要优点:
(1)由于液压传动是油管连接,所以借助油管的连接可以⽅便灵活地布置传动机构,这是⽐机械传动优越的地⽅。例如,在井下抽取⽯油的泵可采⽤液压传动来驱动,以克服长驱动轴效率低的缺点。由于液压缸的推⼒很⼤,⼜加之极易布置,在挖掘机等重型⼯程机械上,已基本取代了⽼式的机械传动,不仅操作⽅便,⽽且外形美观⼤⽅。
(2)液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性⼩。例如,相同功率液压马达的体积为电动机的12%~13%。液压泵和液压马达单位功率的重量指标,⽬前是发电机和电动机的⼗分之⼀,液压泵和液压马达可⼩⾄0.0025N/W(⽜/⽡),发电机和电动机则约为0.03N/W。
(3)可在⼤范围内实现⽆级调速。借助阀或变量泵、变量马达,可以实现⽆级调速,调速范围可达1∶2000,并可在液压装置运⾏的过程中进⾏调速。
(4)传递运动均匀平稳,负载变化时速度较稳定。正因为此特点,⾦属切削机床中的磨床传动现在⼏乎都采⽤液压传动。(5)液压装置易于实现过载保护——借助于设置溢流阀等,同时液压件能⾃⾏润滑,因此使⽤寿命长。
(6)液压传动容易实现⾃动化——借助于各种控制阀,特别是采⽤液压控制和电⽓控制结合使⽤时,能很容易地实现复杂的⾃动⼯作循环,⽽且可以实现遥控。
(7)液压元件已实现了标准化、系列化和通⽤化,便于设计、制造和推⼴使⽤。液压传动的缺点是:
(1)液压系统中的漏油等因素,影响运动的平稳性和正确性,使得液压传动不能保证严格的传动⽐。
(2)液压传动对油温的变化⽐较敏感,温度变化时,液体粘性变化,引起运动特性的变化,使得⼯作的稳定性受到影响,所以它不宜在温度变化很⼤的环境条件下⼯作。
(3)为了减少泄漏,以及为了满⾜某些性能上的要求,液压元件的配合件制造精度要求较⾼,加⼯⼯艺较复杂。(4)液压传动要求有单独的能源,不像电源那样使⽤⽅便。(5)液压系统发⽣故障不易检查和排除。
总之,液压传动的优点是主要的,随着设计制造和使⽤⽔平的不断提⾼,有些缺点正在逐步加以克服。液压传动有着⼴泛的发展前景。
第四节液压传动在机械中的应⽤
驱动机械运动的机构以及各种传动和操纵装置有多种形式。根据所⽤的部件和零件,可分为机械的、电⽓的、⽓动的、液压的传动装置。经常还将不同的形式组合起来运⽤——四位⼀体。由于液压传动具有很多优点,使这种新技术发展得很快。液压传动应⽤于⾦属切削机床也不过四五⼗年的历史。航空⼯业在1930年以后才开始采⽤。特别是最近⼆三⼗年以来液压技术在各种⼯业中的应⽤越来越⼴泛。
在机床上,液压传动常应⽤在以下的⼀些装置中:
1.进给运动传动装置磨床砂轮架和⼯作台的进给运动⼤部分采⽤液压传动;车床、六⾓车床、⾃动车床的⼑架或转塔⼑架;铣床、刨床、组合机床的⼯作台等的进给运动也都采⽤液压传动。这些部件有的要求快速移动,有的要求慢速移动。有的则既要求快速移动,也要求慢速移动。这些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恒定,有的要求有良好的换向性能等等。所有这些要求都是可以⽤液压传动来实现的。
2.往复主体运动传动装置龙门刨床的⼯作台、⽜头刨床或插床的滑枕,由于要求作⾼速往复直线运动,并且要求换向冲击⼩、换向时间短、能耗低,因此都可以采⽤液压传动。
3.仿形装置车床、铣床、刨床上的仿形加⼯可以采⽤液压伺服系统来完成。其精度可达0.01~0.02mm。此外,磨床上的成形砂轮修正装置亦可采⽤这种系统。
4.辅助装置机床上的夹紧装置、齿轮箱变速操纵装置、丝杆螺母间隙消除装置、垂直移动部件平衡装置、分度装置、⼯件和⼑具装卸装置、⼯件输送装置等,采⽤液压传动后,有利于简化机床结构,提⾼机床⾃动化程度。
5.静压⽀承重型机床、⾼速机床、⾼精度机床上的轴承、导轨、丝杠螺母机构等处采⽤液体静压⽀承后,可以提⾼⼯作平稳性和运动精度。
液压传动在其他机械⼯业部门的应⽤情况见表1-1所⽰。
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