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1、1,Foundation of Hydraulic Systems,液压系统基础,2,液体可看成是不可压缩的，可将封闭的受压液体看成刚体，封闭的受压液柱象固体一样，可对力、运动以及功率进行传递。,封闭油液,缸体,活塞,何谓液压传动,3,流体传动与控制（液压与气动） Fluid Power 在密闭的回路（或系统）中，以受压流体为工作介质，进行能量转换、传递、控制和分配的技术。简称 “液压及气动” 液压传动技术 Hydraulics - 以液体为工作介质的流体传动及控制技术，简称 “液压”。 在液压传动中，能量通过管路系统以压力液流的形式被控制和传递到液压执行元件上进行做功。 气动技术 Pneum
2、atics - 以压缩空气为工作介质的流体传动及控制技术，简称 “气动” 液力传动技术 Hydrodynamics - 利用液体压力势能和动能的流体传动及控制技术。简称 “液力”,何谓液压传动 - 几个基本概念,4,封闭油液,液压系统将油液封闭； 压力油以相同的压力，垂直地作用在任何与之接触的表面上； 压力油对固体表面的作用力等于压力乘以作用面积； 当力作用在自由物体上时，该物体将会产生一个加速度，并由此产生运动，引起作功。,液压传动,5,优点 结构紧凑，功率-重量比大。输出功率大而重量轻且安装尺寸小； 动力能轻易地通过管道进行传输，传递距离较长； 元件安装灵活，可按实际需要选择最恰当的位置；
3、 生产率高，操作人员可利用手柄、脚踏板等先导控制元件，以遥控的方式轻松自在地同时控制多个功能。 易于实现自动化，能与现代电气和计算机控制技术紧密结合，对大功率的传动系统进行控制； 易于实现过载保护，并不会损坏液压元件和系统,液压传动的优缺点,6,缺点 噪声； 外部泄漏，会造成环境污染，即使是少量的矿物油漏泄，也会毁坏大片的地表水；不过现在已越来越普遍地使用可生物降解的液压油液； 易受污染，液压工作介质中的污染物质会导致介质变质、元件磨损、系统性能恶化； 对环境温度较敏感，温度过高或过低均会影响甚至破坏元件的可靠性和系统的性能。 液压油液中的气体会破坏系统的刚性，引起气穴，导致液压泵和其它液压元
4、件的损坏。,液压传动的优缺点,7,1 力学基本定律 牛顿第一定律，静力平衡公式： 如果一个物体所受的所有作用力的合力为零，则该物体将保持其原来的运动状态。换言之，如果一个物体处于平衡状态，则其所受全部作用力的合力为零。 牛顿第二定律，动力学公式：,液压技术的基础理论,8,液压技术的基础理论,2 压力 - 单位面积上所受的作用力 压力单位： 公制： Pa (帕 N/m2), MPa (兆帕 106 Pa) 或 bar (巴 10-1 MPa) 英制： psi (lbs/in2), 1 psi = 0.07 bar 液体自身重量所产生的压力 p = h 右图中，管容器的外形如何，只要所盛 液体的高
5、(h)相等，则容器底面积处的压 相等，即：p1 = p2 = p3。 若底面积相等 (A1=A2=A3)，则底面处的 作用力亦相等，即：F1 = F2 = F3,9,液压技术的基础理论,外部作用力产生的压力 液体不能抵抗切力， 故液体的压力垂直于 受压表面。,10,液压技术的基础理论,大气压力 包围地球的大气是有重量的，也会产生压力，这种由大气产生的压力即称为大气压力。 大气压力常用汞柱高度表示(mmHg)。 表压 (压力) 以大气压为基点 (零) 计量的压力值。 绝对压力 以绝对零压力为基点 (零) 计量的压力值。(barA) 真空度 低于大气压力的绝对压力与大气压力的差值。,11,液压技术
6、的基础理论,帕斯卡原理 在密闭容器内的平衡液体中，任意一点的压力如有变化，该压力变化值将传递给液体中的所有各点，且其值不变。 压力及力的传递 F2 = pA2 F1 F1与F2的做功相等 V = A1S1 = A2S2 W1 = F1S1 = pA1S1 W2 = F2S2 = pA2S2 W1 = W2,12,液压技术的基础理论,流体的能量守恒 - 柏努利 (Bernoulli) 方程,水头 (比势能 - 单位重量的势能),或,13,液压技术的基础理论,柏努利 (Bernoulli) 原理应用实例： 机翼的升力,14,10000 N,100 bar,液压系统中的压力由负载或元件对油液的阻力所
7、产生。 液压泵泵出的是流量，而不是压力。,液压技术的基础理论,15,油液总是进入阻力最小的通路 即：对于并联的负载，最轻 (要求的工作压力最低) 的负载 最先动作，动作完成后，其它负载再按轻重依次动作。,5000 N,10000 N,A,B,液压技术的基础理论,16,5 流量 流量为单位时间内通过封闭截面的流体体积 。液压系统中所用的流量是指容积流量 流量单位： 公制：Lpm (L/min) 英制：gpm, 1 gpm = 3.78 L/min 在液压系统中流量意味着负载速度的大小。,液压技术的基础理论,17,流量的连续性 液体被看成是不可压缩的，在封闭的容积中既不能吸收流量，也不会生成流量，
8、因此： 串联管道中流量处处相同； Q1 = Q2 或 A1v1 =A2v2 对于液压系统的一个部分，其输入流量之和等于输 出流量之和。 QP = Q1+Q2+QT,液压技术的基础理论,18,液压缸活塞杆 (执行机构，负载) 的速度 - 取决于流量 液压缸的活塞杆速度由活塞后的容积被油液充满的速度 (即: 流量) 决定,液压技术的基础理论,19,6 功率 功率为单位时间内所做的功。做功通常是在一定的时间内完成的，功率反映了做功的速率，或做功的能力。 功率单位： 公制：W (Nm/s), kW 英制：hp ( ftlbs/s), 1 hp = 0.746 kW 液压功率： p bar Q L/mi
9、n,液压技术的基础理论,20,7 油液流经节流孔的流量公式 薄壁小孔（l/d 0.5) - 流量系数，当截面变化很大时可取为0.62 细长孔（l/d 4) 节流孔流量公式,(L/min),(cm3/s),(cm3/s), - 0.5 1,液压技术的基础理论,在液压系统中流量意味着负载速度的大小,21,8 液体的基本性质 液体分子之间的引力可将它们互相紧密地吸引在一起，但又不足以像固体那样能使分子处于固定的位置，由此： 液体可以占据任何形状 液体相对地不可压缩 由于液体分子间接触紧密， 液体表现出固体的一种性 质，即相对地不可压缩。,由于液体相对地不可压缩，并且能够占据任何容器的形状，所以它在力
10、的传递方面具有一定的优势。,受压油液,液压油液,22,10 液体粘度 本质：实际流体的内摩擦力 动力粘度： 按牛顿液体内摩擦定律： 动力粘度系数 dv 相邻油膜层间的相对滑动速度 dy 相邻油膜层的间隔距离 运动粘度： 赛波特通用秒 - 液体粘度的一种计量方法 (简称赛氏秒 SUS或SSU) 赛波特粘度计：在容器中倒入液体，加热至规定的温度。在保持该温度的状态下拔掉容器底部的塞子，同时按动秒表，纪录液体流入烧瓶的容积达到60 mL时的时间，该时间即为赛氏粘度值表示为：150 SUS 100 。,单位：St (cm2/s), cSt (mm2/s),液压油液,23,液压油液,粘度与润滑性 油液对
11、金属表面的浸润性 粘度越大，形成的油膜越厚 良好的润滑要求相对运动的金属表面间形成适当厚度的油膜 粘度随温度变化 粘 - 温特性,24,液压油液,粘度随温度变化 - 粘温指数 IV (Viscosity Index),25,9 液压系统对工作液体的基本要求 润滑及抗磨损性 - 抗磨添加剂 液体在两固体接触面之间形成不易被破坏的油膜的能力，防止固体表面的磨损破坏。 液体自然油膜的厚度（与液体的粘度有关）； 液体对固体表面的附着力（液体的表面张力）。 对固体材料的相容性 - 防锈剂 对金属及密封材料。 抗氧化及耐腐蚀性 - 氧化抑止剂 不易变质及孳生细菌。 抗气泡性 - 消泡添加剂 蒸汽压低，不易
12、产生气泡。 防火性,液压油液,26,10 油液清洁度控制,油液清洁度要求 - 固体颗粒污染度等级,油液污染控制,27,被试滤芯,油液污染控制,滤器的选择 过滤精度 名义过滤精度，相对于表面型滤器 以滤芯材料的滤孔尺寸作为过滤精度 绝对过滤精度，相对于深层型滤器 滤芯的多次通过试验 (ISO 4572) 和过滤比 10100, 滤器的过滤精度为10m 流通能力 规格尺寸 纳垢容量,p,nin,nout,28,滤器过滤精度的选择,油液污染控制,29,用于提升负载的系统 方向控制阀由主阀和小型远程控制先导阀组成； 先导阀设置在尽可能好的，安全的操作位置上； 通过远程控制，保证负载的运行平稳，控制精确
13、。,一个简单的液压系统,30,原动机 输入机械功率（电动机、柴油机等） 液压泵 输送压力液流 液压控制阀 导控液流及限制压力 执行元件 将液压功率转换为机械功率（液压缸 / 液压马达） 油箱 贮存油液并对油液工作状态进行调控,液压系统主要元件,31,在讨论液压元件和系统的时候，采用图形符号来表达，这是一种通用、形象、简明、准确的技术语言。 标准：ISO 1219.1-1991, GB/T 786.1 - 93 1 线条 实线 供油、工作管路 回油管路 电气线路 虚线 控制管路 泄油、放气管路 过滤材料 过渡位置,液压图形符号 - 基本元素,32,点划线 元件组合框 双线 机械连接轴、操纵杆、活
14、塞杆 箭头线 表示可调节 2 园 大园 能量转换元件（泵、马达、压缩机） 中园 检测仪表 小园 单向元件、旋转接头 机械铰链、滚轮,液压图形符号 - 基本元素,33,3 正方形 水平 控制元件 除电动机外的原动机 45o 放置 调节器件（过滤器、热交换器等） 4 长方形 大长方形 液压缸体、阀件等 小长方形 控制器等 5 囊形 压力油箱、蓄能器、贮气罐等,液压图形符号 - 基本元素,34,1 原动机及泵 2 执行元件,电动机,除电动机外的原动机,定量液压泵,变量泵,双向液压泵,气动泵 空气压缩机,单杆缸,液压缸,双杆缸,简化,简化,液压马达,双向变量 马达,单向定量 马达,液压图形符号 基本符
15、号,35,3 液压控制阀 单向阀 方向控制阀,液控单向阀,单向阀,3位4通 电磁方向阀,2位4通 电磁方向阀,直动式方向阀,机械定位机构,机械滚轮驱动,手动,液动,气动,液压图形符号 基本符号,36,详图,3位4通 电液方向阀,先导式方向阀,简化图形,比例方向控制阀,电磁比例方向阀,电液比例方向阀,详图,简图,液压图形符号 基本符号,37,压力控制阀,直动式溢流阀,先导式溢阀,详图,简图,流量控制阀,节流阀,单向节流阀,调速阀,溢流节流阀,液压图形符号 基本符号,38,辅件,蓄能器,滤油器,冷却器,加热器,管道交叉和连接,交叉,交叉,连接,连接,油箱,液压图形符号 基本符号,39,压力补偿变量
16、泵,液压图形符号 回路图,40,液压图形符号 回路图,41,液压系统 Hydraulic System 采用液压技术实现能量及运动转换、传递和控制的系统 液压系统组成,液压系统 含一个或多个液压回路,液压动力站 机械能或电能转换为液压能 液压泵、油箱、控制油液状态的辅件等,液压控制部分 对液压工作参数实行控制 压力控制 - 压力阀 流量控制 - 流量阀 方向控制 - 方向阀,执行机构 将液压能转换为机械能 液压缸- 直线运动 液压马达- 旋转运动,管道及辅件 连接成液压回路,液压系统,42,压力控制回路 直动式压力阀,液压回路 Hydraulic Circuit 系统中能满足特定功能的某一部分
17、或全部。例如: 压力控制回路、流量控制回路、同步回路等。 压力控制回路 压力控制阀工作原理,直动式压力阀,图形符号,液压力与弹簧力平衡 静态超压较大 规格不可能大,43,压力控制回路 先导式压力阀,压力控制回路 压力控制阀工作原理,先导式压力阀,液压力平衡，弹簧力可忽略 静态超压较小，工作稳定 规格大,详细符号,简化符号,图形符号,44,压力控制回路,压力控制回路,45,压力控制回路,负载平衡回路,平衡阀调定压力pV应高于最大负载引起的负载压力pL 假定平衡阀的面积比为 4:1,46,流量控制回路,流量控制回路,进油节流调速回路,回油节流调速回路,47,流量控制回路,旁路节流调速回路,进油、回
18、油、旁路节流调速回路比较 回路负载特性 节能效果 工作平稳性,48,流量控制回路,调速阀回路,调速阀，带二通型压力补偿器,pLxA+F,pC x A,有用功率：pLxQ1 损耗功率：(pP-pL)xQ1+pPx(Q-Q1),减压阀位置 不同，整阀功能相同,弹簧起微调作用，节流阀起主调作用,49,溢流节流阀，带三通型压力补偿器,有用功率：pLxQ1 损耗功率： pxQ1+(pL+ p)x(Q-Q1),pLxA+F,pP x A,流量控制回路,50,定量泵系统的能量平衡,51,恒压变量控制器,p pSet,p = pSet,52,恒压变量控制泵回路图,53,带遥控的恒压变量控制器,p pSet,p
19、 = pSet,54,带遥控的恒压变量控制器,55,带遥控的恒压变量控制器 (FR1),56,带电磁比例调节的恒压变量控制器,57,比例调节恒压变量控制泵的阶跃响应,58,恒压变量泵的能量平衡,59,负载传感变量泵,不带压力补偿变量控制器,带压力补偿变量控制器,60,负载传感变量泵回路图,61,负载传感变量泵的能量平衡,62,负载传感变量控制器中的压差关系,63,带遥控压力调节的负载传感变量泵回路图,64,基本恒功率变量控制器,恒功率补偿 先导阀,补偿曲线 凸轮套,补偿阀芯,最高压力限制 先导阀,65,恒功率变量泵回路图,66,恒功率变量动作原理,p pLimit,p = pLimit,67,
20、恒功率变量泵外形,恒功率控制先导阀,68,恒功率控制机构,恒功率控制先导阀,恒功率凸轮套,69,恒功率控制先导阀爆炸图,70,恒功率控制工作曲线,71,比例流(排)量控制,排量反馈 (LVDT),排量反馈 凸轮套,补偿阀芯,比例电磁铁,电子控制器,72,比例流量控制，Qmin, Qmax,Qmin状态,Qmax状态,73,保证最低控制压力,顺序阀,梭阀,外部控制 压力源,74,比例流量控制(FPV)回路图,接线端子 14, 15,75,排量反馈传感器,76,排量反馈传感器爆炸图,77,排量反馈动作示意,78,比例流量压力(p-Q)控制,p pset,p = pset,79,比例流量压力控制，Q
21、min, Qmax,Qmin状态,Qmin状态,工作压力低于设定压力,80,比例流量压力控制回路图,接线端子14, 15,接线端子 16, 17,81,电子控制器,82,P-Q 电子控制模块接线框图,83,恒流源 负载传感变量泵+节流阀,pP=pL+ p 有用功率：pLxQ 损耗功率：pxQ,恒流源回路,84,容积式调速回路，闭式回路 闭式回路与开式回路比较,开式回路：液压泵从油箱吸油并将其加压，压力油驱动执行机构作功后回油到油箱。回路中有“开放”的单元 油箱。,闭式回路：液压泵输出的压力油直接进入执行机构，驱动执行机构作功后回油到液压泵 的低压油口构成“闭合”的回路。,容积式调速回路,85,基本闭式液压传动回路,问题： 内部泄漏会引起液压泵产生气穴现象,86,基本闭式液压传动回路,加入充液 / 补油泵,补油泵的加入容许主泵提高工作转速,液流方向,87,基本闭式液压传动回路,可双向工作,液流方向,88,基本闭式液压传动回路,加入更油梭阀， 以使回路中的油液得到冷却,89,基本闭式液压传动回路,同样, 具有双向更油的作用,90,基本闭式液压传动回路,加入压力补偿（恒压）变量监控功能. 由系统压力直接作用，响应快,91,基本闭式液压传动回路,加入伺服变量控制器， 组成完整的闭式液压传动回路,92,基本计算公式,93,单位换算,