液压机械

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東京消防廳雙臂式作業機

液压机械(英語:hydraulic machinery)是通过流体力学原理增大机械力量的设备和工具,可应用于液压钳、手推液压叉车等小型工具,也可应用于一些重型设备中。以重型设备为例,液压液在其中通过液压泵英语Hydraulic pump以很高的压力被传送到设备中的执行机构。而液压泵由发动机或者电动马达驱动。通过操纵各种液压控制阀英语Control valve控制液压油以获得所需的压力或者流量。各液压元件则通过液压管道相连接。 和气动系统一样,液压系统也是基于帕斯卡定律;任何加于密闭系统内之流体的压力,其任意一点都将以同样的压力向各方传递。液压系统使用不可压缩流体(而非可压缩的气体)作为工作介质。 液压机械设备所以得到普遍应用,是由于传输功率大、且以精细的管道和灵活的软管传输,故其功率密度高、还有,适用功率的执行机构宽泛灵活、适当地改变受压面积增力巨大。相比于齿轮与轴构成的机械系统,液压系统的一个不足是,流经管路的流体阻力将引起一定的功率损失。

历史沿革[编辑]

约瑟夫·布拉玛在1795年注册了液压压力机的专利。有一名叫亨利·马兹里者,在布拉玛店铺工作期间,提出造一杯状皮包(革囊),因此产生了神奇的结果,导致液压压力机最终替代了金属成型的蒸汽锤。

仅凭单个的蒸汽机提供大规模的动力是不现实的,于是液压系统中心站便应运而生。液压动力便在英国港口和欧洲其他各地,被用作起重吊装和其他机械操作。最大的液压系统就在伦敦。接着,液压动力普遍地被用在帕斯买转炉炼钢生产中;还被用于升降机;操控河道的闸门和桥梁的回转航道。这些系统的一部分,直到20世纪仍保持良好的工作状态。

按ASME,亨利·富兰克林·威克斯被称作“工业液压之父”。

力和扭矩乘积[编辑]

液压系统的基本特征是以简单的方式提供力和扭矩乘积(矩阵)的能力,并且与输入输出间的距离无关,不需要机械齿轮和杠杆,不必变更两个连通缸之任何一个的有效面积,不必变更泵和吗大中的任何一个实际排量(ml/r)。在通常情况下,液压比率与机械力相关,或者对于最佳机械设计下的扭矩比率则与吊杆(吊臂)移动以及起吊操作的司机相关。

例如

两个连通的液压缸

缸C1半径为1吋,缸C2半径为10吋.若C1伸出力为10磅,C2伸出力则为1000 磅。因C2面积是C1面积的100倍。这就意味着,C1缸底侧相对位移100吋,对应的C2的位移为1吋。这种情况的最普通应用是传统的千斤顶,此时,小直径的充液缸与被连接在大直径的起升缸上。

泵与马达

若将排量为10 ml/rd的液压回转泵接到排量为100 ml/r的液压回转马达上,驱动泵轴所需的扭矩将是马达轴所获扭矩的十分之一,但马达轴之转速(r/min)也仅为泵轴转速的十分之一。这种关系实际上和液压缸的例子是一样的,即是同类的力之乘积。这种情况下,就是将线性之力看作是扭转之力,正如扭矩定义的那样。

液压回路[编辑]

液压回路是将传输流体的各个元件连接成套而组成的系统。这种系统之目的是要对流经之处的流体进行控制(犹如热力系统中的冷却剂的管网)或控制流体压力(如同液压放大装置)。例如,液压机械设备用液压回路(其中包括经液压泵、软硬管路、液压缸、液压马达排出压力油等等)搬运重物。随着描述流体系统的深入,在个体元件方面,受到电气回路理论的启发。正如电气回路理论是在元件独立(自成体系)且线性化时,才能工作的,液压回路理论在其元件独立(自成体系)和线性化时才会工作得更好[诸如管路或传输线路之执行(无源/被动)器件,或诸如动力包(动力集成件)或泵之动力(主动)器件,都是独立和线性化的]。这通常意味着,液压回路要结合泵管壁厚做长久细致的分析,仿佛创建化学工艺流程系统,或简历微小尺度的装置。

回路是由下列器件组成: 1.动力器件

 液压动力包

2.传输线路

 液压管路

3.执行器件

 液压缸

要使液压油做功,必使其流入执行器件和/或马达中,之后返回油箱。然后过滤再重新泵出。液压油循环的路径被称作液压回路,有如下几种类型: ·中开回路

 中开回路用泵提供连续的液流,经控制阀的中开通道,液流返回油箱,即此时控制阀处于中位,提供打开通往油箱的回油通道,而不让油液泵入高压。此外,控制阀一旦动作(阀位改变),将引导油液进/出执行器件和油箱。油液的压力将随所遇阻力的大小而升降,因为泵的输出是恒定的。若压力上升过高,油液会经溢流阀返回油箱。多路阀可成系列地集成。因此,这种类型的回路使用多路阀和定量泵,其作业成本低廉。

·中闭回路

 中闭回路是不论任何阀门是否动作,都给控制阀提供充裕的压力的回路。液压泵改变它的流量,使泵出的流量非常之小,直至有人操作阀门为止。由于阀门改变了阀位,因此阀门的阀芯(滑阀)不必开启回油箱的中通回油通道。多路阀可并联到一起,系统压力对所有的阀门都是相等的。

(图略)说明:开环回路和闭环回路

开环回路 开环:泵的吸油口和马达的回油口(经由方向阀)都与液压油箱相连。术语“环”用作反馈之意。更确切的术语是开/闭相对的回路中通回路用泵提供连续的液流。液流经控制阀的中通通道返回油箱,即,此时控制阀处于中位而提供了打开返回油箱的回油通道,且不让流体泵入高压,此外,一旦操作了控制阀,它将引导油液进/出执行元件和油箱。油液的压力将随所遇阻力而升高,由于泵之输出是恒定的。若压力上升过高,油液将经溢流阀返回油箱。多路阀可成系列集成,这种形式的回路可使用多路阀和定量泵,故成本低廉。

闭环回路 闭环:马达的回油口直接与泵的吸油口连接。为保持低压侧的压力状态,回路要有一个补油泵(一个小的齿轮泵),它将过滤后的冷油提供给低压侧。闭环回路一般在车辆用途中用做静压传动。闭环的优势是,因根本没有方向阀,故响应快,回路可在较高的压力下工作。泵之回転角完全重叠,故可提供正反两个液流方向。缺点:由于液流的交换受到限制,故冷却可能会成为一个问题,并且,泵在任何其他液压功能方面也不易得到充分利用。大功率闭环系统的回路中,为增加冷却和过滤的油量,通常必须装有“补液阀”,以使交换的油量大于泵和马达的基本泄漏量。补液阀通常被集装在马达的壳体内,以使马达自身壳体内的循环油液获得冷却作用。来自马达壳体内部循环作用引起的损失和球轴承引起的损失,可能要比转速马达速度范围达到4000-5000 r/min甚或超过车辆最大行走速度时,所引起的损失还要大得多。泄漏量和额外的补油量一样,都将由补油泵提供,若设定用作高压和高马达转速传动中,大排量的补油泵是相当重要的。在行车周期长,速度快的情况下,使用静压传动时,油温高通常是主要的问题,比如从工厂所在地将机器运往另一地方。高油温将大幅度降低传动装置的寿命。为抑制油温,运输设备必须在降低油温和系统压力的情况下运行,亦即,必须必须将马达排量限制在最小合理值下。推荐设备运行回路压力在200-250 bar范围内。

闭环系统在行走设备中,通常既可用于机械传动,亦可用于液压传动(液力变矩器)。其优点是无级齿数比(无级变速/变矩)以及随负载和操作条件而定的传动速比的更灵活的控制。通常液压传动最大功率被限定在200 Kw左右,在更高功率时,与液力传动相比,液压传动制造总成本将会更高。因此,象大车轮的装载机和重型机械通常多采用液力转换(变矩/耦合—译者)传动。近期液力传动方面取得了很多成就,效率有所提高,在软件开发上,性能有所改善,例如,择挡器(可选择的换挡器)提供了操作程序并细化了挡位,同时给与的特性几近液压传动时的特性。


恒压和负载-感知系统[编辑]

地面运动机械(诸如轨道装载机等)用的液压传动常常备有一方独立的小脚踏板,它被用在车速降低过程中、临时增加内燃机的转速(rpm),以增加可获取的液压功率输出,从而保证液压装置能在低速下工作,而能增加牵引力。这种情形类似于发动机高转速下的齿轮变速箱 失控(rpm)。这一微小的功能将影响液压速比对内燃机转速(rpm)的预调特性。

恒压(CP)系统

中闭回路存在两种基本基本配置,通常与供油变量泵的调压器相关:

·恒压系统(CP-系统),标准型、。泵压总是等于泵的调压器设定的压力。此压力必须包括所需负载压力的最大值。泵将按所需液流总量配送给需求装置。如果机械在负载压力变幅较大下工作,则恒压(CP)系统将产生较大的功耗,而平均系统压力将比泵之调压器的设定压力低得多。恒压(CP)设计很简单,其工作类似气动系统。新的液压功能简单易行,且系统响应快。 ·恒压系统(CP-系统),卸载型。与“标准型”恒压系统(CP-系统)具有同样的基本配置。但系统中各阀均处于中位时,泵处于低压的卸载备用状态。不过不像“标准型”恒压系统的响应性那么快,但泵的寿命却可变得长久。

负载-感知(LS)系统

负载-感知系统(LS-系统)是在同时减少泵的流量和压力,并能满足负载需求的情况下,而产生的低功耗之系统。但这将涉及系统稳定性,在这方面,负载感知(LS)系统要比恒压(CP)系统需要做更多的调试(调优)。负载感知(LS)系统还要在方向阀中附加逻辑阀和补偿阀,这样一来,负载感知(LS)系统就要比恒压(CP)系统技术更加复杂,价格更加昂贵。负载感知(LS)系统将产生一个恒功率损失,这个损失与泵的调节器调低压力相关。

(图略)功率损失=\Delta p 澳門\cdot Q-Template:Tot

平均下来,负载-感知(LS)系统的增量(功率损失)△p(\Delta p 澳門)约为2 MPa(290 psi)。若泵的流量高,则额外损失可能相当大。若负载压力变化很大,功率损失也将随之增加。各油缸的(活塞)面积,马达的排量以及机械扭矩的力臂均需设计得足可满足负载压力,以便降低功率损失。在各项功能同时运行时,泵压将总是等于最大负载压力,而输给泵的动力将 =(最大负载压力+△P-LS)×总流量。

负载-感知系统的五种基本形式

 1.方向阀不带补偿器的负载感知形式。液压控制式的负载感知泵。
 2.方向阀每个进口设有补偿器(简称前置补偿-译者)的负载感知形式。液压控制式LS-泵。
 3.方向阀每个出口设有补偿器(简称后置补偿-译者)的负载感知形式。液压控制式的负载感知泵。

4.方向阀进出口组合设置补偿器(简称复合补偿-译者)的负载感知形式。液压控制式的负载感知泵。 5.电子同步控制泵的流量和阀的过流面积的负载感知,其响应更快,稳定性大增,系统损失更小。这是一种新型的负载感知系统,不过尚未充分开发。

从技术角度来看,阀块上按后置补偿安装补偿器,当然亦可按前置补偿安装,只不过它按后置补偿器工作。

第(3)种形式的系统给出的优势是,被激活的多种功能可同步实施,且不受泵的流量大小的影响。两个或更多被激活的功能间的流量关系不受负载压力的影响,甚至即便泵达到最大最大旋角情况下。这一特性对于其泵经常在最大旋角下运行的、且必须几个激活的功能必须保持速度同步的机械(诸如挖掘机)是很重要的。对于第(4)种类型的系统,要优先考虑前置补偿功能。例如:轮式装载机操作功能。后置补偿型的系统常带有相关阀门生产厂商的商标,例如,“LSC”(林德液压公司),“LUDV”(博士·力士乐液压公司-德),“Flowsharing”(帕克液压公司-美)等等。这种非正式的系统名称已为人们认可。但流体共享是个通用名称。

元部件[编辑]

液压泵 (图略)外啮合齿轮泵的分解图

液压泵给系统中各个元件提供油液。系统的压力(压强,下同)是因对抗负载而引起的。因此,一台额定压力为5000 psi的泵就有承受住5000 psi 负荷的能力。

泵的功率密度约比电动机的大十倍以上(功率密度=功率/单位体积)。这些泵由电动机或内燃机提供动力,经齿轮、皮带连接到一起,或接以柔性的弹性联轴器以减少震动。

用于液压机械的液压泵的通常类型是:

·齿轮泵:价格便宜,皮实耐用(特别是齿轮转子型,外啮合),结构简单。效率低,因为它们是定量泵,且主要用于20 MPA(3000 psi)以下压力。 ·叶片泵:价格便宜,结构简单,性能可靠。具有良好的大流量-低压力之输出品质。 ·轴向柱塞泵:多数设有变量机构,以为压力自动控制下实现变流量输出。轴向柱塞泵有多种结构形式,包含斜盘式(有时被称作阀板式泵)和单向球阀式(有时被称作摇板式泵)。

 最普通的是斜盘式泵。斜盘改变角度将引起各个柱塞在公转一周时,做行程大小不等的往复运动,从而使输出的流量和压力发生改变(较大的排量角度将引起较大的流量,较低的

压力,反之亦然)。 ·径向柱塞泵:通常用于压力非常高而流量较小的场合。

与齿轮泵或叶片泵相比,柱塞泵价格更昂贵,但在高压下工作也有很长的寿命,用油特殊,连续额定工作周期长。柱塞泵使液压装置的寿命提高了一半。

控制阀

(图略)剪刀(杠杆)式升降机上的控制阀


方向控制阀按照既定的路径将流体注入期望的执行机构。它们(方向阀)的结构通常是在铸铁或铸钢壳体内装有一只滑阀。滑阀在壳体内不同位置之间滑动,流体则根据滑阀位置,按其沟槽和流道的通断而流动。

滑阀有一由弹簧保持的对中(中立)位置;在这一位置,来油或被封闭,或流回油箱。当滑阀滑动到一侧流道时,液压油将流入执行器,同时提供回油通道使来自执行器回油返回油箱。当滑阀反向移动时,进出流道均被关闭。当滑阀被允许返回中位时,执行器流道被关闭,滑阀锁定。

方向控制阀常被设计成可叠加的,每一液压缸对应一台阀,各阀叠装,进油口共用。

公差精密以能承受高压和避免泄漏,滑阀与阀体间的间隙极具典型,不得超过千分之一吋 (25μm)。按三点模式(三点成面)将阀块(阀集成块)安装在机器的框架上,以免阀块扭曲和干扰阀之敏感组件。

滑阀位置可用机械杠杆、液压先导压力操控,或用电磁铁左右推动滑阀。允许部分滑阀作为密封伸出阀体之外,此时它被看做是操控器。

主阀块经常是按流量和性能挑出的一摞现成的方向控制阀。一些被设计成比例阀(流量与阀位成比例),而其他的可能就是一些简单的开关,可这些比例控制阀却是一个液压回路的最昂贵最精密的一些阀门。

·压力补益阀被用在液压机械以下一些场合:接通回油路而保持少许压力,以作为制动、先导管路等之用…,接通液压缸防止超载引起液压管路/油封破坏。。接通液压油箱,保持少许压力,排出油液中水分和污染。 ·调压阀按回路之需降低供油压力。 ·顺序阀控制液压回路的顺序,以确保一只液压缸在另一只启动其形成之前得以完全伸出。举例言之。 ·梭阀提供逻辑或函数功能。 ·单向阀是单向流动的阀,在机器停止运行之后,它使蓄能器得以充液和保压,例如。 ·导控单向阀(液控单向阀)是一种借助外来压力信号能够打开的单流向的阀(为保证双向流动)。例如,若凭单向阀无论如何都不会举起载荷,而常常借助外来压力实现,这个外来压力来自接于马达或油缸的另外管路。 ·平衡阀实际上是一种特殊类型的液控单向阀。然而,此单向阀之开或闭,类似导控流控阀所起的那种平衡阀的作用。 ·插装阀实际上是单向阀的内部零件;它们是带标准封套的现成元件,很容易将其插装成专用阀块。其功能、结构很多:流路的通/断;比例控制;压力的补益等。它们一般用螺钉拧在阀块上,由电力控制以提供逻辑功能和自动功能。 ·液压保险器是指设在管路中的安全装置,其作用是,如果压力变得过低,它将封闭液压通路;如果压力变得过高,它将安全地排出流体。 ·辅助阀,在复杂的液压系统中,可能会有辅助阀块,它们所起的作用,操作者也未必看得见,诸如蓄能器的充压,风扇的冷却,空调动力等等。它们常常是为特殊的机器设置定制的阀门,可能由带有油口和钻出的流道之金属块体组成。插装阀被拧入油口,可由电器开关或微处理器,按路径需求电控(分配)流体动力。

执行器

·液压缸。 ·液压马达(对应于泵);为了控制更加精密,本马达按轴向配置方式,使用斜盘以及还有连续无间断(360°)的高精度机构。这都是由几个液压柱塞的依序动作频繁驱动的结果。 ·液压传动装置。 ·制动器。

液压油箱

液压油箱存有一定富裕的液压油,以调节下列情况引起的容积变化:缸的伸缩,操作温度引起的膨胀和收缩以及泄漏。油箱还要设计得有助于油水分离,此外还包括系统在峰值功率被用时蓄热器工作的损耗。搞设计的工程师总是承受着减小液压油箱尺寸的压力,而设备操作者总是欣赏更大的油箱。油箱也能有助于污物和其他颗粒与液压油的分离,由于固体颗粒通常多沉入箱底。一些设计构思包括将动力流道经过回油路径上方,使之成为一个小小的油箱。

蓄能器

蓄能器是液压机械的一个普通的元件。其功能是用压缩气体储蓄能量。蓄能器的一种类型是内带一个浮动活塞的筒状物。活塞的一侧有一个充压力气体的口,另一侧容腔充满液压油。充气皮囊则用在其他蓄能器的设计中。储液器则储存系统用油。

蓄能器使用的实例是作为驾驶或制动的后备动力,或起到液压回路减震器的作用。

液压油

众所周知,牵引车辆的用油,液压油乃是液压回路的生命。它通常是含有各种添加剂的石油基的油液。一些液压设备需用抗燃用油,这去取决于它们的应用环境。在一些工厂的食品备料现场,为了健康和安全,则要么用食用油、要么用水作为工作液。

除了传递能量之外,还需液压油给予元件润滑、耐污染,并将金属屑带给过滤器,以及具有良好地带走高温的功能。(这样的英文,令人叹为观止?!-译者)

过滤装置

过滤器是液压系统一个重要的元件,它的作用是清除油中的废弃颗粒污染物。机械元件不断地产生金属颗粒,需要连同其他污染一并清除。过滤器可以放置在许多地方,可以置于油箱和泵的进油口之间。滤油器的堵塞将引起气蚀(气穴)而可能引起泵的故障。有时滤油器置于泵和控制阀之间,这种布置成本较高,因为过滤器壳体承受压力,这将涉及消除气蚀和因泵的故障,而需保护阀的问题。第三种普通设置就是将过滤器设在回油路进入油箱之前。这种设置方式对于过滤器堵塞不甚敏感,不要求过滤器壳体能够承压。但源自外界的进入油箱的污染物,直到通过系统之前,至少一次未经过滤。过滤器使用精度在7μm - 15μm,取决于液压油的粘度等级。

管道,管路,软管

液压管道是由精密的无缝钢管构成的、专用于液压装置的管路。对应不同的压力范围液压钢管具有相应的标准规格,标准直径高达100 mm,厂商提供钢管长达6米,且经清洗、涂油和两端堵塞。管道是用不同类型的法兰(特别是大尺寸的承压管道)、焊接成锥状/乳头状连接的(用O-型环密封),或用一些类型的活接头,借助胀圈来连接。在较大尺寸的情况下,不允许将液压管路直接焊到管道上,因其内部无法检查。

水工用管不能用作标准液压管道,一般这些管道用于低压,它们可能采用螺纹连接,但通常采用焊接连接。因为大通径的管子通常都能做焊后内部检查。但未镀锌的黑色铸铁管并不适宜焊接。

液压软管是按工作压力、使用温度以及流体的兼容性分级的。决定软管能否用于管路或管道时,通常按照机器提供的机器动作的柔韧性和维护要求。软管是由橡胶和钢丝网层构成,橡胶层内裹着多层钢丝网和橡胶。液压软管外层抗磨,其折弯半径遵循机器需求做了精心设计,因为软管发生故障可是致命的,并且,违背软管的最小折弯半径时,将会引发故障。一般地,液压软管的尾端都有锻造钢制连接件。高压软管的最薄弱部分就是软管到连接件的连接处。软管的其另外的缺陷是,橡胶寿命较短,需定期更换,通常更换间隔为5-7年。

液压用钢管和管子在系统投入使用之前,内部都要涂油(冲洗),通常,管道系统表面涂以漆。在扩口处使用其他接头(??-译者),螺母的底面所对的涂层要去除,该位置可能就是腐蚀开始之处。为此,船舶应用中管道系统多为不锈钢。

密封,接头和连接[编辑]

主题词:密封(机械式)

液压系统的元件[动力元件(例如,泵),控制元件(例如,阀)和 执行元件(例如,缸)]需要连接起来,在尽量抑制和引导液压油无泄漏或无压力损失的情况下使之工作。在某些情况下,可以用螺钉将内有流道的各元件连接到一起。然而,大多数情况是用硬管或软管将流出一个元件的导入下一个元件。每一元件都有油液进、出点(称作油口),尺寸大小按预计流过流体的多少确定。

用于元件的附加软管和硬管有符合标准方式的标号。有人在意简单实用,有人追求较高的系统压力和泄漏控制更好。一般而言,最为普通的方式是,给每一元件提供一个螺纹接口(阴螺纹)给每一软管或硬管一个配套螺母,且使用带有对应阳螺纹的单独的转换接头将二者(元件与管)起来。这在功能性和经济性方面,对制造商而言,很容易实现。

连接的几个目的

1. 将不同油口尺寸的元件连接起来。 2. 对接不同的标准;O-环,凸台(凹窝)对应JIS或对应平面密封的管螺纹,示例。 3. 为使元件方位合适,按需求选择90°,45°,直通接头,或回转接头。将它们设定在正确的方位,然后紧固。 4. 为将隔板硬件组成一体,使流体穿过挡墙。 5. 可将快断接头加到机构上,而与软管或阀门切断联系。

机器或重型设备的典型部位会有成千的密封接点和一些不同的类型:

·管道连接,接头直到拧紧为止,很难正确判定角度接头拧得松紧程度。 ·O-环窝,接头拧至O-环窝底,并判定是否合乎要求,附加的螺母拧到街头上,垫圈和O-环就位。 ·扩口连接,是通过一个锥螺母压入一个扩口的管套中,引起金属间压缩变形而形成密封的连接。 ·面密封,将含有沟槽和O-型密封圈大的金属法兰紧固到一起的密封形式。 ·梁密封(跨接密封)是昂贵的金属对金属的密封,主要用于航空航天业。 ·型锻密封,管子接有空间永存的、型锻密封的接头的密封形式,主要用于航空航天业。

弹性体密封件(O-型环和面密封)重型设备中最普·通的类型密封,它有承压6000 psi以上(40 MPA)流体的可靠密封能力。

· ·自动传动装置 ·流体制动装置 ·流体动力装置 ·哈根-泊肃叶方程 ·高密度颗粒泵 ·液压装置

 ―液压制动装置

―液压驱动系统 ·液压模拟装置 ·美国流体动力学会 ·侧移升降机 ·液压压力机 ·帕斯卡定律

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