液压传动系统的结构与工作原理解析

任务介绍

一部完整的机器都是由3部分组成，即原动机→传动部分→工作机构。传动通常分为机械传动、电气传动和流体传动。

流体传动是以流体为工作介质进行能量的转换、传递和控制的传动，包括液体传动和气体传动。

液体传动是以液体为工作介质的流体传动，包括液压传动和液力传动。液压传动是只利用液体压力势能的液体传动；液力传动则主要利用液体的动能。

液压与气压传动，均是以流体（液压油液或压缩空气）为工作介质进行能量传递和控制的一种 传动形式。

学习目标

1.应知液压传动的工作原理。

2.应知液压传动系统的组成。

3.应知液压传动的基本参数。

4.应理解液压传动系统的优缺点。

相关知识

一、液压传动的工作原理及组成

以液体作为工作介质，并以其压力能进行能量传递的方式，即为液压传动。

液压传动是利用密封系统中的受压液体来传递运动和动力的一种传动方式。液压传动与其他类型的传动相比较，具有许多突出的优点，所以在交通运输领域中得到了广泛的应用。

1.液压传动的工作原理

液压千斤顶就是一个简单液压传动装置，图7-1是液压千斤顶的结构图。

图7-1　液压千斤顶结构图

1—杠杆手柄；2—小油缸；3—排油单向阀；4—吸油单向阀；5—油箱；6、7、9、10—管道；
8—截止阀；11—大油缸；12—重物

大油缸11和大活塞组成举升液压缸。杠杆手柄1、小活塞、小油缸2、排油单向阀3和吸油单向阀4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，这时吸油单向阀4打开，通过管道6从油箱5中吸油；用力压下手柄，小活塞下移，小活塞下腔压力升高，吸油单向阀4关闭，排油单向阀3打开，下腔的油液经管道9输入大油缸11的下腔，迫使大活塞向上移动，顶起重物。再次提起手柄吸油时，排油单向阀3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8，举升缸下腔的油液通过管道7、截止阀8流回油箱，重物向下移动。这就是液压千斤顶的工作原理。

从以上液压千斤顶的工作过程可以看出：液压传动是以液体为工作介质，利用液体的压力，通过密封容积的变化实现动力传递的。它先利用液压泵将机械能转换为液体的压力能，再通过液压缸（或液压马达）将液体的压力能转换为机械能以推动负载运动。液压传动的过程是机械能—液压能—机械能的能量转换过程。

2.液压传动系统的组成

由上述分析可知，液压传动系统的基本组成如下：

1）动力元件——液压泵。它是将原动机的机械能转换为油液的压力能的装置，作为系统的能源。

2）执行元件——液压缸、液压马达。它们是将油液的压力能转换为机械能的装置。

3）控制元件——各种阀类。它们是控制油液的流动方向、流量和压力的装置，以满足液压系统的工作要求。

4）辅助元件——油箱、滤油器、管类和密封件等。这些元件担负着储存、输送和净化工作液及散热的任务，也是传动系统中不可缺少的部分。

5）工作介质——液压油。绝大多数液压油为矿物油，系统用它来传递能量。

二、液压传动系统的优缺点及应用 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）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。

2）在同等功率情况下，液压传动装置的质量小、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1/10，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）传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定。正因为此特点，金属切削机床中的绝大多数磨床传动现在几乎都采用液压传动。

4）液压传动装置的控制、调节比较简单，操纵比较方便、省力、易于实现自动化与电气控制配合使用，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，系统超负载，油液经溢流阀回油箱。由于采用油液作为工作介质，能自行润滑，所以寿命长。

6）液压传动易于实现系列化、标准化、通用化，易于设计、制造和推广使用。

7）液压传动易于实现回转、直线运动，且因为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。

8）液压传动中，因为功率损失所产生的热量可由流动的油带走，所以可避免在系统某些局部位置产生过度温升。

液压传动的缺点：

1）液体为工作介质，易泄漏，油液可压缩，故不能用于传动比要求准确的场合。

2）液压传动中有机械损失、压力损失、泄漏损失，效率较低，所以不宜做远距离传动。

3）液压传动对油温和负载变化敏感，不宜于在低、高温度下使用，对污染很敏感。

4）液压传动需要有单独的能源（如液压泵站），液压能不能像电能那样从远处传来。

5）液压元件制造精度高、造价高，所以须组织专业生产。

6）液压传动装置出现故障时不易追查原因，不易迅速排除。

液压传动应用：因为液压传动具有可实现无级调速，易于实现自动化，能实现换向频繁地往复运动的优点，所以，液压传动常用在机床的如下装置中：进给运动传动装置、往复主体运动传动装置、回转主体运动传动装置、仿形装置、辅助装置、步进传动装置、静压支承。

三、液压传动系统的图形符号

用结构（或半结构）式的图形画出的液压元件示意图，称为结构原理图。它较直观，易为初学者接受，目前广泛采用元件的图形符号来绘制液压系统图，如图7-2所示，用图形符号绘制的汽车举升机构的液压系统图。

图7-2　汽车举升机构的液压系统图

1—油箱；2—液压泵；3—开关阀；4—液压缸；5—溢流阀；6—限位阀

四、液压传动的基本参数(www.xing528.com)

1.压力

1）液体静压力。液体静压力是指液体处于静止状态时，单位面积上受的法向作用力。静压力又称为压强，即

压力的单位为Pa，1Pa=1N/m2，1MPa=106Pa。额定压力是指液压系统按试验标准能连续工作的最高压力，它是液压元件的基本参数之一。

2）压力的传递（帕斯卡原理）。在密闭的容器内施加于静止液体上的压力，将等值传递到液体内的各点。这就是静压传递的基本原理，即帕斯卡原理。它表明在一个较小的面积上作用较小力可以在较大的面积上得到较大的作用力。如图7-3所示，外界负载为G，由帕斯卡原理可知：p1=p2

若在小活塞上施加一个力F1，则小液压缸中油液的压力为

根据静压传递原理，这一压力p将等值传递到液体中的各点，也传递到大液压缸中。这时大活塞也受到一个压力p的作用而产生一个向上的作用力F2=pA2。

将压力p=A1/F1的值代入则得F2=F1A2/A1。

由此可见，两活塞的面积之比A2/A1越大，大活塞升起重物的能力也越大。也就是说，在小活塞上施加不大的力，大活塞就可得到较大的作用力将重物G举起。这就是液压千斤顶能顶起重物的原因。

图7-3　液压千斤顶工作原理图

1、2—活塞；3、4—油腔；5—油管

2.流量

1）流量。流量是指在单位时间内，流过其通流截面的液体体积，用Q表示，即

式中：V——流过通流截面的液体体积；

t——时间。

流量的法定计量单位为m3/s，常用单位为L/min。1m3/s=6×104L/min

按试验标准规定，连续运转工作所必须保证的流量称为额定流量。它是液压元件基本参数之一。

2）平均流速。流速是指流动液体内的质点在单位时间内流过的距离，以v表示，单位为m/s。因为实际液体都具有黏性，所以液体在管道中流动时，在同一截面上各点的实际流速不相等。在一般场合下，都以平均流速进行计算。若通流截面面积用A表示，则流速可用下式表示：

式中：Q——液体的流量；

A——液体流经某横截面的面积。

3）活塞（液压缸）运动速度与流量关系。活塞（液压缸）运动速度等于液压缸内油液的平均速度，即v=Q/A。

4）液体流动连续性原理。理想液体在无分支管道内做稳定流动时，单位时间内通过管道中每一横截面的液体流量是相等的，这就是液体流动连续性原理，如图7-4所示。若单位时间内通过管道中横截面的液体流量分别为Q1和Q2，流速分别为v1和v2，通流截面面积分别用A1和A2表示，则根据液体流动连续性原理，有

图7-4　液体流动连续性原理

综上所述，液压传动是依靠密封容积的变化传递运动的，而密封容积的变化所引起流量的变化要符合等量原则；液压传动是依靠油液的压力来传递动力的，在密闭容器中压力是以等值传 递的。

任务小结

1）液压传动：以液体作为工作介质，并以其压力能进行能量传递的方式。

2）液压传动系统的组成：动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和工作介质。

3）液压传动的基本参数。

液体静压力：液体静压力是指液体处于静止状态时，单位面积上受的法向作用力。

流量：流量是指在单位时间内，流过其通流截面的液体体积。

平均流速：流速是指流动液体内的质点在单位时间内流过的距离。

拓展提高

液压油的选择

1.对液压油的基本要求

液压传动用油一般应满足如下要求：

1）合适的黏度和良好的黏温特性。

2）有良好的润滑性能，腐蚀性小、抗锈性好。

3）质地纯净，杂质少。

4）对金属和密封件有良好的相容性。

5）氧化稳定性好，长期工作不易变质。

6）抗泡沫性和抗乳化性好。

7）体积膨胀系数小，比热容大。

8）燃点高，凝点低。

9）对人体无害，成本低。

对于具体的液压传动系统，则需根据情况突出某些方面的使用性能要求。

2.液压油的选择方法

正确而合理地选用液压油，是保证液压系统正常和高效率工作的条件。选用压油时常常采用两种方法：一种是按液压元件生产厂样本或说明书所推荐的油类品种和规格选用液压油；另一种是根据液压系统的具体情况，如工作压力高低、工温度高低、运动速度大小、液压元件的种类等，全面地考虑液压油的选择。

一般液压油在温度升高时，黏度会变小，系统的泄漏増加，执行元件的工性能也变坏。温度上升，液压油还易被氧化，其析出物会堵塞阀类小孔。因此，必须限制液压油的升温，使系统正常工作。

在不同的环境温度和工作条件下，应该选用不同黏度的液压油。为减小泄漏损失，在使用温度、压力较高或转速较低时，应采用黏度较大的液压油。为了减少管路内的机械摩擦损失，在使用温度、压力较低或转速较高时，应采用黏度小的液压油。