1-1 液压千斤顶的传动解读

  情境一 简单机械的液压传动 任务 1 液压千斤顶的传动 一、结构与工作情况 1、结构 液压千斤顶常用于顶升重物,如顶起汽车以便拆换轮胎,是一个简单的液压 传动装置。 外形图: 结构图: 图 1-1 液压千斤顶外形 图 1-2 液压千斤顶结构 1-小柱塞 2-小油缸 3-密封圈 4-顶帽 5-液压油 6-调节螺杆 7-大柱塞 8 -大油缸 9-外壳 10 密封圈 11-底座 原理图: 图 1-3 液压千斤顶的液压系统 1-手柄 2-小缸 3-小活塞 4、7-单向阀 5、6、10-油管 8-大活塞 9-大缸 11-开关 12-油箱 2、动作运行 录相与动画 在开关关闭的情况下,当提起手柄 1 时,小油缸中小活塞 3 上移,使其工作 容积增大而 形成真空,油箱时的油便在大气压作用下通过单向阀 4 进入小油 缸;压下手柄时,小活塞下移,挤压小油缸下腔的油液,推动在活塞上移,从而 顶起重物。单向阀 7 保证了油液不会倒流到小油缸,从而使重物不会自动落下。 结论是:小油缸的作用是将手动的机械能转换为油液的压力能;大油缸则将 油液的压力能转换为顶起重物的机械能。 二、液压系统的组成 1、认识其中的元件 液压千斤顶的系统中,小缸、小活塞以及单向阀 4 和 7 组合在一起,就可以 不断从油箱中吸油和将油压入大缸,这个组合体的作用是向系统中提供一定量的 压力油液,称为液压泵。 大活塞和缸用于带动负载,使之获得所需运动及输出力,这个部分称为执 行机构。 放油阀门 11 的启闭决定执行元件是否向下运动,乐橙是一个方向控制阀。 另外,液压系统要能正常工作,还必须有储存油的容器——油箱 12,有连 接各元器件的管道 5、6、10 等,这些称为辅助元件。 还有一种传递运动和动力的载体,即传动介质-液压油。 2、什么是液压传动? ――是以液体为工作介质,通过驱动装置将原动机的机械能转换为液压的 压力能,然后通过管道、液压控制及调节装置等,借助执行装置,将液体的压力 能转换为机械能,驱动负载实现直线或回转运动。 三、千斤顶在工作过程中所体现出的特征 1、系统传递力 由原理图简化得以下图 1-4: 如果活塞 5 上有重物 W,则当活塞 1 上施加的 F 力达到一定大小时,就能阻 止重物 W 下降,这就是说可以利用密封容积中的液体传递力。 由帕斯卡原理可知,密封容器中压力处处相等, 即: p1 ? F A1 ? p2 ? W A2 或: F ? A1W A2 1 24 A1 3 5 A2 图 1-4 简化模型 由上例可知液压装置具有力的放大作用。 若 G =0,则 p =0。G 重量越大,液压缸中压力也越大,推力也越大,这就说明 了液压统的工作压力是由外负载决定的。 2、系统传递运动 当活塞 1 在力 F 力作用下向下运动时,重物将随之上升,这说明密封容积 中的液体不仅可以传递力,还可以传递运动。 由于不存在泄露及忽略液体的可压缩性,所以在Δ t 时间里从液压缸 2 中 挤出的液体体积 V1 ? A1h1 ,将等于通过管道 3 挤入液压缸 4 的体积 V2 ? A2h2 。 即: A1h1 ? A2h2 两边同除Δ t,则: A1h1 ? A2h2 ?t ?t 即: A1?1 ? A2?2 以上说明,大活塞上升的距离与其负载无关,而活塞移动的速度与其面积 成反比。 四、液压传动的基本参数 1、液体的压力 当液体相对静止时,液体单位面积上所受的法向力称为压力,压力通常用 p 表示。 P = F N/m2 A 在 SI 制中压力的单位为牛/米 2 (Pa 帕斯卡)。由于 Pa 单位太小,工程使用 不便,因而常采用 kPa(千帕)和 MPa(兆帕)。 1MPa=103 kPa=106Pa 在 液 压 技 术 中 , 原 来 采 用 的 压 力 单 位 有 巴 ( bar ) 和 千 克 力 每 平 方 厘 米 (kgf/cm2)可按下式换算成 Mpa: 1bar=1.02kgf/cm2=102kPa=0.1 MPa 液体静压力的特性 1)液体的静压力垂直于承压面,其方向与该面的内法线)静止液体内任一点处所受到的静压力在各方向上相等。 2、流量 流量和平均流速是描述液体流动的主要参数,液体在管道中流动时,通常将 垂直于液体流动方向的截面称为通流截面或称过流断面。 1)流量 单位时间流过某一通流截面的液体体积称为流量,用 qv 表示 qv ? V t 单位为 m3/s 或 L/min 、ml/min 2)平均流速 由于液体都具有粘性,液体在管中流动时,在同一截面上 各点的流速是不相等的,分布规律为抛物线 所示。 为了计算方便,因而引入一个平均 流速概念,即假设通流截面上各点的流 速均匀分布.设液体质点在 t 时间内流 过的距离为用 S 表示,即 ??s t 单位为 m/s 或 m/ min. 若把上式分子和分母各乘以通流截 面积 A 则得 ? ? sA ? qv tA A 图 1-5 实际流速与平均流速 在实际工程中,平均流速具有应用价值.液压缸工作时,活塞运动的速度就等 于缸内液体的平均流速。 3、功和功率 在物理学中已知,若一个物体在力 F 的作用下,沿力 F 的方向移动了距离 S,则力 F 对这个物体做的功 W 为: W=FS 单位时间内做的功叫做功率 P,所以 P W ? t FS ?t =F ? 五、液压传动的优缺点 液压传动与其它传动方式相比,有以下优缺点。 1、液压传动的优点 1) 液压传动可以输出大的推力或大的转距,可实现低速大吨位运动,这是其 它传动方式所不能比的突出优点。 2) 液压传动能很方便地实现无级调速,调速范围大,且可在系统运行过程中 调速。 3) 在相同功率条件下,液压传动装置体积小、重量轻、结构紧凑。液压元件 之间可采用 管道连接或采用集成式连接,其布局、安装有很大的灵活性,可以构成其它 传动方式难以组成的复杂系统。 4) 液压传动能使执行元件的运动均匀稳定,可使运动部件换向无换向冲击. 而且由于其反应速度快,故可实现频繁换向。 5) 操作简单, 调整控制方便,易于实现自动化.特别是机、电联合使用,能方 便地实现复杂的自动工作循环。 6) 液压系统便于实现过载保护,使用安全、可靠.由于各液压元件中的运动 件均在油液 中工作,能自动润滑,故元件的使用寿命长。 7) 液压元件易于实现系列化、标准化、和通用化,便于设计、制造、维修 和推广使用。 2、液压传动的缺点 1)油的泄漏和液体的可压缩性会影响执行元件运动的准确性,故无法保证 严格的传动比。 2)对温度的变化比较敏感,不宜在很高或很低的温度条件下工作。 3)能量损失(泄漏损失、溢流损失、节流损失、摩擦损失等)较大,传动 效率较低,也不适宜作远距离传动。 4)系统出现故障时,不易查找原因。 综上所述,液压传动的优点是主要的、突出的,它的缺点随着技术水平的提 高正在被逐步克服。因此,液压传动在现代生产中有着广阔的前途。 六、液压传动的发展概况及其应用 1、液压传动技术的发展 自 18 世纪末英国制成世界上第一台水压机算起,液压技术已有二三百年的 历史,但直到 20 世纪 30 年代它才较普遍地应用于起重机、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 构抽装备的各种军事武器。第二次世界大战结束后,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 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。当前,液压技术正向高速、高压、大功率、高效、低噪声、长寿 命、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、 计算机辅助测试、计算机直接控制、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。 我国的液压工业开始于 20 世纪 50 年代,其产品最初只应用于机床和锻压 设备,后来又用于拖拉机和工程机械。随着国外液压元件、生产技术的引进以及 自身设计制造水平的提高,现在我国生产的液压元件已经从低压到高压形成了系 列,并在各种机械设备上得到了广泛的使用。 2、液压传动在车辆及其它领域中的应用 现代车辆的发展向着驾驶方便、运行平稳、乘坐舒适、安全可靠、节能环 保的方向发展,液压传动技术的特点与之相适应,被广泛应用于车辆驱动、控制 系统及辅助系统方面。如某些农用机械、森林机械、工程机械等采用纯液压驱动 系统,使得车辆能够获得大而稳定的驱动力,大大提高了车辆的机动性和操纵灵 活性;液压技术在车辆悬架装置、制动装置、液压转向助力装置等方面的应用提 高了车辆的合适性、安全性和操纵性等方面的性能。 液压技术在航天、机床、矿山机械、军事等各行各业,从最简单的液压千 斤顶到高级的机器人都有广泛应用。 行业名称 机床工业 工程机械 起重运输机 械 矿山机械 建筑机械 农业机械 冶金机械 轻工机械 汽车工业 智能机械 液压传动在各类机械行业中的应用 应用场所举例 磨床、铣床、刨床、拉床、自动和半自动车床、组合机床、数控 机床等 挖掘机、装卸机、推土机、压路机、铲运机等 汽车吊、港口龙门吊、叉车、装卸机械、皮带运输机等 凿岩机、开掘机、开采机、破碎机、提升机、液压支架等 打桩机、液压千斤顶、平地机等 联合收割机、拖拉机、农具悬挂系统等 电炉炉顶及电极升降机、轧钢机、压力机等 打包机、注塑机、校直机、橡胶硫化机、造纸机等 自卸式汽车、平板车、高空作业车、汽车中的转向器、减振 器等 折臂式小汽车装卸器、数字式体育锻炼机、模拟驾驶舱、机 器人等 七、液压油 1、液压油的性质 反应液压油性质的主要参数有粘度、密度、粘温特性等。液压油的基本性质 可由有关资料中查到。例如,矿物油在 15℃时的密度为 900Kg/m3;体积膨胀系 数(6.3~7.8)×10-4K-1 和比热容(1.7~2.1)×103J/(kg·K)等等。 1) 粘性 液体在外力作用下流动(或有流动趋势)时,分子间的内聚力会 阻止分子间的相对运动而产生一种内摩擦力,这一特性称为液体的粘性,它是液 体重要的物理性质,也是选择液压油的主要依据。由于粘性表现为一种内摩擦力 阻止分子间的相对运动,因此各液压层间液体的运动速度是不相等的,这可以用 图 1-6 来表示。若两平行平板间充满液体,下平板固定,而上平板以 u0 速度向 右平动,由于液体的粘性作用,粘连于下平板的液体层速度为零,粘连于上平板 的液体层速度为 u0。而由于粘性作用,中间各层液体速度则从上到下按递减规律, 呈线 液体粘性示意图 实验测定指出,液体流动时相邻液层间的 A、液层间相对运 动的速度 S 梯度 du/dy 成正比 内摩擦力 F 与液层接触面积 F=? A du dy 式中 ?——比例常数。又称为粘性系数或动力粘度。 若以? 表示内摩擦切应力,即液层间在单位面积上的内摩擦力,则 ? = F =? du A dy 这就是牛顿液体内摩擦定律。 2)粘度 液体粘性的大小用粘度来表示,常用的粘度有三种:即动力粘度、 运动粘度、和相对粘度。 (1) 动力粘度 流体粘性的内摩擦系数或绝对粘度,用 ? 表示。即 ? ? ? dy du 由此可知动力粘度 ? 的物理意义是:液体在单位速度梯度下流动时接触液 层间内摩擦切应力(单位面积上的内摩擦力)。在 SI 制中动力粘度单位为 N·s/m2 或 Pa·s。 (2) 运动粘度 动力粘度 ? 与其密度 ? 的比值,称为运动粘度,用? 表示。 即 ? =? ? 运动粘度? 无明确的物理意义,因为在其单位中只有长度与时间的量纲,类 似于运动学的量,所以称为运动粘度。它是液体压力分析和计算中常遇到的一个 物理量。在 SI 制中运动粘度的单位是 m2/s,它与常用单位 St(沲 )(cm2/s)之间 的关系是 1m2/s=104cm2/s(St)=106mm2/s(cSt) 液压油的牌号是采用它在 40℃温度下运动粘度平均 cSt(厘沲)值来标号, 例如 N32 号液压油,指这种油在 40℃时的运动粘度平均值为 32 cSt。 (3)相对粘度 相对粘度又称条件粘度,由于测量仪器和条件不同,各国 采用的相对粘度单位也不同,如美国采用赛氏粘度(SSU);英国采用雷氏粘度(R): 而我国、德国和俄罗斯则采用恩氏粘度 0E。 恩氏粘度 0E 用恩氏粘度计测定,其方法是将 200cm3 被测液体装入粘度计的 容器内,在某一温度 T 下让被测液体由容器底部? 2.8mm 的小孔流尽所需要的时 间 t1 和同体积蒸馏水在 200C 时流过同一小孔所需时间 t2(通常平均值 t2=51s) 的比值,称为被测液体在这一温度 T 时的恩氏粘度 0ET,即 0ET= t1 t2 恩氏粘度与运动粘度(m2/s)的换算关系为 ? ? ?? 7.310 ? E ? 6.31 0E ?? ? ?10 ?6 (m2/s) (4) 调合油的粘度 选择合适粘度的液压油,对液压系统的工作性能起着 重要的作用。但有时得到的油液产品的粘度不合要求,此时可把同一型号两种不 同粘度的油按适当的比例混合起来使用,称为调合油。调合油的粘度可用下面经 验公式计算 0E= a1 0 E1 ? a2 0 E2 ? c(0E1 ?0E2 ) 100 式中 0E1、0E2——混合前两种油液的恩氏粘度,取 0E1>0E2; 0E——混合后的调合油的恩氏粘度; α 1、α 2——参与调合的两种油液各占的百分数(α 1+α 2=100%); c——实验参数,见下表。 表 1-1 实验系数 c 的值 a1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 a2 90 80 70 60 50 40 30 20 10 c 6.7 13.1 17.9 22.1 25.5 27.9 28.2 25 17 3)粘度与压力的关系 压力对液压油的粘度有一定影响。液体所受的压力 增加时,其分子间的距离将减小,于是内聚力增加,粘度也略随之增大,液体的 粘度与压力的关系公式 ? p=? (1+0.003p) 式中 ? p——压力为 p 时液体的运动粘度; ? ——压力为一个大气压时液体的运动粘度; P―― 液体所受的压力。 从上式可知,在中低压时,压力对液压油粘度变化影响较小,可以忽略不计。 当压力较高(大于 10MPa)时,则需考虑压力对粘度的影响。 4)粘度与温度的关系 液压油粘度对温度的变化十分敏感,温度升高, 粘度显著下降。这种油的粘度随温度变化的性质称为粘温特性。而液压油粘度的 变化又直接影响到液压系统工作的稳定性,必须引起重视。, 图 1-7 典型液压油的粘温特性 图 1-7 是典型液压油的粘温特性。国产常用液压油的粘温特性可从有关手 册中查出。由图可见,温度对粘度的影响很大。 液压系统的性能和泄漏受油液粘度的直接影响,因此希望粘度随温度的变化 越小越好。为了使液压系统能正常工作,需要采用冷却器和自动控制系统来控制油 温,把油温控制在一定范围内。 5)液体的可压缩性 液体受压力作用而使其体积发生变化的性质,称为液体的可压缩性,液体的 可压缩性可用体积压缩系数 K 表示。它是指液体在单位压力变化时的体积相对变 化量,即 K= ? 1 ?V ?p V 式中, V —为增压前的液体体积 △P—为压力增量 △V—为体积减小量 由于△V 为负值,为使 K 为正值,故在上式右边须加一负号。流体体积压缩 系数的倒数,称为液体的体积弹性模量,用 ? 表示,即 ?=1 K 矿物油 ? =(1.4~2)×109 N/m2,它的可压缩性约比钢大 100~150 倍。常用液 压油的压缩率为 ? =(5~7)×10-10N/m2。 液压系统压力不高时,压力对液体体积的变化很小,因此可以忽略不计,而 在压力变化很大的高压系统中,就需要考虑液体的可压缩性的影响。特别当液体 中混入空气时,其可压缩性将显著增加,并将严重影响液压系统的工作性能。在 液压系统中应使油液中的空气含量减少到最低限度。 2、液压传动用油的要求 1) 粘温性好。粘度随温度变化越小越好。 2) 化学稳定性好。在贮藏和使用过程中抗氧化不易变质。 3) 润滑性能较好,在工作压力和温度发生变化时,应具有较高的油膜强度。 4) 质地纯净,杂质少。 5) 闪点高,凝固点低。 3、液压油的类型 液压油的品种很多,主要可分为三大类型:石油型、合成型和乳化型。这些 液压油各有特点。石油型液压油是以机械油为原料,精炼后按需要加入适当添加 剂而成,这类液压油润滑性能好,但抗燃性较差。在一些高温、易燃、易爆的工 作场合,为了安全起见,应该在系统中使用合成型和乳化型,如磷酸酯,水-乙 二醇等合成液或油包水、水包油等乳化液。液压油的主要品种的性质见表 1-2。 4、液压油的选择 根据其工作性质和工作环境的要求来选择液压系统所用液压油的类型,所以 在选用液压油时,首先要根据液压系统的工作性能、参数和环境来选用液压油。 各类常用机械设备的液压系统大多采用石油型液压油。这种油是以石油的精炼而 成,进一步去除杂质,加入各种改进性能的添加剂而成。添加剂有抗氧化剂、抗 腐蚀剂、抗泡剂、防锈剂、防爬剂、抗凝剂、增粘剂等。实用中可参考表 1-3 选用。 表 1-2 液压油的主要品种及其性质 种类 可燃性液压油 抗燃性液压油 石油型 合成型 乳化型 性能 密度(kg.m-3) 粘度 粘度指数 VI 不小 于 润滑性 防锈蚀性 闪点(℃)不低 于 凝点(℃)不高 于 通 用 抗磨液 低温液 液 压 压油 压油 油 850~900 小 ~ 小~大 小~大 大 90 95 130 优 优 优 优 优 优 170~ 170 150~ 200 170 -10 -25 -3~ -45 磷酸脂 液 1100~ 1500 小~大 130 ~ 180 优 良 难燃 -20~ -50 水-乙 二醇液 1040~ 1100 小~大 14 ~ 170 良 良 难燃 -50 油包水 液 920 ~ 940 小 130 ~ 150 良 良 难燃 -25 水包油 液 1000 小 极高 可 可 不燃 -5 名称 表 1-3 石油型液压油的使用范围 代号 主要用途 通用液压油 抗磨液压油 低温液压油 高粘度指数液 压油 机械油 汽车机油 YA-N32 YA-N46 YA-N68 YB-N32 YB-N46 YB-N68 YC-N32 YC-N46 YC-N68 YD-N22 YD-N32 YD-N46 N15 N46 N22 N68 N32 N22 N100 N32 N68 适用于 7~14MPa 的液压系统及精密机床液压 系统(环境温度为 0℃以上) 适用于-15℃以上的高压、高速工程机械、 车辆液压系统(加抗磨等,能满足高压叶片泵的 防磨损要求) 适用于-25℃以上的高压、高速工程机械、农业 机 械 和车 辆 液压 系统 ( 加 抗磨 等 , 可 在 -20 ~ -40℃下工作) 用于数控精密机床的液压系统,如高精密坐 标 镗 床 可 用 YD-N32, 冬 季 用 YD-N22, 夏 季 用 YD-N46 适用于 7MPa 以下的液压系统,N22、N32 可用 作普通机床的液压油 适用于 7MPa 以下的液压系统(其使用性能优 于机械能,可作为液压系统代用油) 清净液压油 N32 适用于高精度、高响应的电液伺服的电液伺 服控制系统 注:表中 NXX 指油在 40℃时其运动粘度的平均值,N15: ? =13.5~16.5;N22: ? =19.8~24.2; N32: ? =28.8~35.2;N46: ? =41.4~50.6;N68: ? =61.2~74.8;N100: ? =92~ 100 液压油牌号的选择主要是根据工作压力、环境选用。工作压力高的液压系统 宜选用粘度较高的液压油,以减少泄漏;工作部件运动速度较高时,为减少液流 的摩擦损失,宜选用粘度较低的液压油;环境温度高时用选用较高粘度的液压油。 另外还要考虑液压泵的类型及工作情况来选择液压油粘度。表 1-4 为按液压泵类 型推荐用油的粘度表,可供选取液压油时参考。 表 1-4 液压泵用油粘度范围及推荐用油表 名称 粘度范围 工作压 工作压 推荐用 (cSt) 力 力 油 允许 最佳 (MPa) (℃) 叶片泵 16~220 26~54 7 5~40 `N32、N46 机械油 (200r/min) 40~80 N68、N46 机械油 叶片泵 14 以上 5~40 YA-N32、YA-N46 液压 (1800r/min) 20~220 25~54 油 40~80 YA-N46、YA-N68 液压 油 12.5 以 5~40 YA-N32 、 下 YA-N46(N32、N46) 齿轮泵 4~220 25~54 40~80 YA-N46 、 YA-N46(N46、N68) 10~20 5~40 YA-N46、YA-N68 液压 油 40~80 YB-N46、YB-N68 抗磨 液压油 16~32 5~40 YB-N32、YB-N46 抗磨 液压油 40~80 YB-N46、YB-N68 抗磨 液压油 径向柱塞泵 10~65 16~48 14~35 5~40 YB-N32、YB-N46 抗磨 液压油 轴向柱塞泵 40~80 YB-N46、YB-N68 抗磨 4~76 16~47 液压油 35 以上 5~40 YB-N32、YB-N46 抗磨 液压油 40~80 YB-N68、YB-N100 抗 磨液压油 注:lcSt=10-6m2/s 5、液压油的使用 在液压系统中首先要防止液压油污染,将液压油污染控制在一定范围内是较 为切实可行的办法。首先液压系统组装前后要严格清洗,力求减少外来污染。油 箱通大气处要加空气滤清器,向油箱灌油时应通过滤油器。维修拆卸元件时应在 无尘区进行;避免液压油工作油温过高,防止油液氧化变质,产生各种生成物, 一般液压系统的工作温度最好控制在 600C 以下,机床液压系统更低些;设置在 系统有关部位的滤油器应定期清洗,到期的滤油器应及时更换。