绪论

工作原理

• 依靠运动者的液体的压力能传递动力
• 液体在受调节、控制状态下工作，液压传动和控制同等重要
• 液压传动以液体为工作介质

液压系统组成

• 动力元件：机械能转换为液体压力能。液压泵
• 控制元件：对液体流动方向、压力、流量进行控制或调节。方向控制阀、压力控制阀、流量控制阀
• 执行元件：压力能转换为机械能。液压缸、马达
• 辅助元件：辅助、保障作用部分。油箱、管道、滤油器等
• 工作介质：系统工作必备条件。液压油

液压元件符号

• 只表示元件功能、操作控制方法及外部连接口。

• 除特殊说明，图中状态均为元件常态位置

• 定量泵与变量泵
  

• 节流阀
  

• 单向阀与液控单向阀
  

• 压力继电器
  

• 直动溢流阀与先导溢流阀
  

• 直动减压阀与先导减压阀
  

• 直动顺序阀与先导顺序阀
  

• U型、 M型、 P型、 Y型、 O型、 H型
  

流体力学基础

流体力学基础

液体作用力

• **质量力：**作用在液体所有质点，大小与质量成正比，如重力、惯性力
• **表面力：**作用于液体表面，如法向力、切向力

表面力

• 理想液体质点内聚力小，不能抵抗拉力和切向力，即使微小也会使液体流动。
• 静止液体不存在质点间相对运动，所以只能承受压力。

静压力

• 垂直于作用面；静止液体任何一点受到各方向力相等。

• 压力法定计量单位为Pa。
  $$1Pa=1N/m^2$$

  • 液压传动中，重力压力<<工作压力，所以一般忽略不计

• 压力作用在平面：F=pA

  • 液压缸作用力：
    $$F=pA=p\pi \frac{D^2}{4}即p\ast 活塞表面积$$

• 压力作用在曲面：作用在曲面某一方向的作用力 等于压力与曲面在该方向垂直平面上的投影面积的乘积

  • Fx = pAx Fy = pAy

动力学

• 连续性方程：单位时间流入流束质量等于流出质量。q = vA = 常数 流量=速度*面积
  • 物理意义：稳定流动下，通过管道各通流截面流量相同
• 能量方程(伯努利方程)：理想流体在任意截面能量守恒。
  • 物理意义：同一流束，动能、压力、位能三种能力总和等于常数。
    

流动状态

• 层流：沿轴向运动，层次分明
• 紊流：不规则运动

压力损失

• 沿程压力损失：液体在直管内流动产生的压力损失
• 局部压力损失：流经管径突然变化除和流动方向突变产生的损失

孔口流量

• 薄壁小孔：长度/直径小于0.5
• 细长小孔：长度/直径大于4
  • 流动不畅，流速低，多层流
• 通用公式：q=KA△p^m，K节流系数，A阀口流通面积，△p阀口前后压差，薄壁m为0.5细长为1

液压油

液压油的作用

• 液压油处于润滑油分类

• 传递压力、润滑、冷却、防锈、净化(带走铁屑等)

液压油的性质

• 密度：常用液压油20摄氏度密度为850-900kg/m^3

• 可压缩性：体积弹性模量K，表示液体产生单位体积相对变化量所需要的压力增量，Pa。

  • 一般液压油取（0.7~1.4）* 10^3Mpa

• 粘性：流体有流动和流动趋势时，分子内聚力要组织分子相对运动产生的内摩擦力

  • 动力粘度：内摩擦定律，摩擦系数

  • 运动粘度：动力粘度比密度为运动粘度，一般单位mm^2/s

  • 相对粘度：利用液体粘性越大通过量孔越慢的特性测定

  • 工程上一般测定相对粘度，然后换算其他两种

液压油的分类

• 石油基液压油

  • 精制矿物油

  • 普通液压油：在精制基础上添加添加剂

  • 抗磨、低温液压油等等

• 难燃型液压油：耐高温、热稳定、防火、无毒等

  • 乳化型

  • 合成型

液压动力元件

定义与工作原理

• 将原动机输出的机械能转化为液压油的压力能，向液压系统提供动力。通常是液压泵

• 液压泵要有一个或多个密闭工作空间

• 密闭空间体积能够周期变化

• 能与密闭空间相协调的配流装置

主要性能参数与分类

压力

• 工作压力：工作压力等于输出压力，输出压力取决于外负载。

• 额定压力：指可连续使用的最高输出压力

• 最大压力：极限使用压力，当外负载很大时，输出压力最高等于最大压力

排量、流量

• 排量：不考虑泄露，泵每旋转一周排出的液体体积。V是定值，不随载荷变化。

• 流量：泵单位时间排出的液体体积。

  • 理论流量q = nV，排量V是定值，n是转速

  • 实际流量q = q理 - q损，泄露量与压力值有关，压力越大泄漏量越大

• 流量脉动率：δ = （q瞬时max - q瞬时min）/ q平均

功率与效率

• 功率

  • 理论功率：P = pq，压力乘以流量，当载荷增大，q理论不变但是p增大，所以P增大

  • 实际功率：P = P理论 - P损失，当载荷增大，q减小p增大，所以P增速变缓到极值

• 效率

  • 容积效率：实际输出流量和理论流量之比，随载荷逐渐减小。

  • 机械效率：理论输入转矩和实际输入转矩之比，载荷增大，输入增大，但机械损失几乎不变，所以会增大，逼近1.

  • 总效率：泵实际输出与输入功率之比，即两个效率乘积。容积效率与机械效率的交点为最大总效率。

分类

排量是否可调

• 变量泵、定量泵

方向分类

• 单向泵

• 双向泵：⚪里有两个实心三角

结构形式

• 齿轮泵、叶片泵、柱塞泵

齿轮泵

定义与分类

• 通过齿轮互相啮合将机械能转换为压力能

• 外啮合和内啮合齿轮泵

外啮合齿轮泵结构

• 泵体、啮合齿轮对、主动轴、从动轴、端盖

• 主动轴伸出泵体由外部原动机带动

工作原理

• 密闭空间：齿轮外表面和泵体内表面组成

• 周期变化：油液进出口空间变化

  • 当齿轮分离，空间变大，产生真空度吸油

  • 啮合时，容积减小，受挤压压油

• 配流装置：啮合点沿啮合线移动，将两区分开，起配流作用

结构特点

• 定量泵，排量不可变

• 改变输入轴方向，实现双向工作

  • 大部分吸油口稍大于压油口，这种工作方向唯一

  • 大小相同，有单独泄油口，双向工作

• 流量脉动大，齿数越多，脉动越小

• 径向受力不平衡，多为低压泵

• 困油现象通过挖槽或挖孔解决

叶片泵

定义与分类

• 利用叶片将机械能转换为压力能

• 单作用泵和双作用泵，一周吸排次数不同

单作用结构

• 泵体、配油盘、定子、转子、叶片、端盖

• 定子和转子轴心不在同一处

• 叶片在叶片槽中，沿转子径向做往复运动

工作原理

• 密闭空间：两相邻叶片、定子内表面、转子外表面及端盖配合形成

• 周期变化：偏心量导致转子表面和定子表面距离不一致

结构特点

• 变量泵，调整定子位置改变偏心量

• 双向工作，改变偏心方向

• 奇数叶片脉动小，叶片数多脉动小

• 径向受力不平衡，工作压力低

双作用结构

• 定转子同心

• 两个吸油两个压油

• 配油盘

• 定子内表面不为圆，像椭圆，由圆弧组成

• 定量泵，单向工作，工作压力高

柱塞泵

柱塞泵定义与分类

• 利用柱塞将机械能转换为压力能

• 轴向柱塞泵和径向柱塞泵

轴向柱塞泵结构

• 斜盘式：斜盘、柱塞、泵体、传动轴、配油盘、端盖。

• 斜轴式：连杆、柱塞、泵体、传动轴、配油盘、端盖。

  • 传动轴相对于泵体倾斜一个角度，泵体与轴一起旋转。

• 斜盘和柱塞接触多使用滑履结构。

结构特点

• 变量泵，调整斜盘角度

• 双向工作，改变斜盘方向

• 柱塞柱为奇数和越多时，脉动小

• 布置圆柱滚子轴承，使径向力合力作用线在圆柱滚子轴承长度范围内。斜盘倾角20度内。

• 困油现象，在配油盘开困油卸荷槽

径向柱塞泵

• 泵体、柱塞、配油轴、定子、衬套

液压执行元件

定义与基本概念

• 将液压泵提供的压力能转变为机械能的能量转换装置

• 液压缸指输出直线运动的液压执行元件

  • 缸筒、活塞、活塞杆、进出油口、无杆腔、有杆腔

  • 活塞缸、柱塞缸、伸缩缸等

• 液压马达指输出旋转运动的液压执行元件

单杆双作用缸

工作原理

• 通压力油的油口进油；未通压力油的油口出油

• 活塞会受到与压力油相连工作腔的作用力，向未通压力油的工作腔方向移动

固定方式

• 缸筒固定，活塞杆运动

• 活塞杆固定，缸筒运动

运动范围

• 活塞行程：活塞运动最大长度，即活塞伸出最大长度

• 运动范围：在活塞行程所波及的最大长度。两倍的活塞行程

油路连接方式

• 无杆腔进油：缸伸出，作用力大，速度低

  • A1 A2 无杆腔和有杆腔面积 p1 p2无杆腔和有杆腔压力 q为泵流量

  • 向外输出力：F = p1A1 - p2A2

  • 向外速度：v = q / A1

• 有杆腔：缸缩回，作用力小，速度高

  • 公式根据无杆分析

• 差动连接：缸伸出，作用力小，速度高

  • 两个油腔同时接油泵

  • 向外输出力 F = p(A1 - A2)

  • 速度：q1 = q+q2 A1v3 = q+A2v3 即可求出v3=q/(A1-A2)

液压方向控制元件

换向阀命名

• 位：几个方框就是几位，左侧叫左位

• 通：一个方框上下两边与外界接口数量

• 连通情况：ㄒ代表此油路被封闭；箭头表示这位置油路处于接通状态，并不表示实际流向。

• 字母代号：阀的进油口用P表示，回油口用T表示；与执行元件连接油口用A，B等表示

换向操纵控制

• 换向：阀芯和阀孔配合

• 手动控制换向，精度低

  • 

• 行程控制换向，行程控制开关

  • 

• 电磁控制换向：“-”表示断电，“+”表示通电，通电后换到相邻的工作位置

  • 

• 液动控制：“-”表示控口无压力油，“+”表示控口有压力油，通油后换到相邻的工作位置

  • 

换向阀中位机能

• 泵卸荷(P和T相通)：H型，M型
• 缸浮动(A，B两口自由互通)：H型，Y型
  • U型A B口虽然联通，但由于有效截面积不同，所以只能移动一点
• 缸短时锁紧(短视是泄露影响，A B口不互通)：O型，M型

单向阀

普通单向阀

• 单向流动，相当二极管

• 通油方向阻力尽可能小，不通油方向密封良好

• 动作灵敏

液控单向阀

• 需要时可双向流动，相当于晶闸管

液压锁

• 两个液控单向阀组成，控制口接到对方的入口处
• 

液压压力控制元件

溢流阀

• 功能：限制进口压力不超过某一设定压力

• 分为先导式溢流阀和直动式溢流阀

直动式溢流阀

• 组成：阀体、阀芯、弹簧、调节螺钉、进出油口

• 工作原理：小于预定压力，无事发生。大于，则阀芯运动，油从出油口回到油箱

• 由此可知，阀芯常态位置为常闭，压力由进口压力控制，没有外卸油口，只有出油接油箱，并联在需要位置。

• 溢流阀本质是降低进油口的压力，降低至出口压力值+调定压力，进口油压 = 出口油压+弹簧调定压力，保持平衡

• 作用：

  • 过压溢流保护：并联

  • 定压溢流：并联

  • 稳压作用(产生背压)：串联

    • 回油路中压力被称为背压

    • 无背压，则易受到外载荷变化影响，平稳性较差。

    • 设置一定背压，消耗了一部分功率，但当负载突然消失，平稳性会变好

先导式溢流阀

• 结构：阀体、调压手柄、调压弹簧、导阀芯、主阀弹簧、主阀芯

• 工作原理：细长小孔有无液压油流动，决定先导式溢流阀是否溢流

  • 细长小孔将进油口油通到先导阀和液控口，当存在流动，则外压大于内压，顶起主阀芯，进行溢流

  • 溢流阀的开启压力取决于先导阀的调定压力和液控口较小的压力

    • 如果弹簧压力为3MPa，液控口0MPa，则开启压力为0MPa

  • 溢流阀的压力，也可以正常使用(通过弹簧压力控制)，也可以根据液控口压力控制(通过液控口的压力控制)

• 阀芯常态位置为常闭，压力由进口压力控制，没有外卸油口，出油接油箱，存在液控口

• 应用：远控调压、泵的卸荷、多级调压

• 优点：通过先导阀流量很小，尺寸小，压力调整轻便，常应用高压大流量场合

• 缺点：反应相对迟钝、小孔易堵塞。

减压阀

• 当某一部分需要比油路压力低的稳定压力时，使用减压阀。

• 保持某个部位所需减压的常通式压力阀。

• 定值、定差、定比减压阀。定值减压阀将压力降低到某个值，简称为减压阀。

直动式减压阀

• 结构：阀体、阀芯、弹簧、调节螺钉

• 工作原理：根据出口压力进行反馈，顶阀芯减小通流面积

  • 调定压力取决于弹簧预紧力

  • 当入口压力大于等于调定压力，出口为调定压力；当小于调定压力，则出口为入口压力

• 由此可知，阀芯常态位置为常开，压力由出口压力控制，有外卸油口，串联在需要位置。

• 应用：要求获得稳定低压回路中，控制回路、润滑回路等。

先导式减压阀

• 阀体、调压手柄、调压弹簧、导阀芯、主阀弹簧、主阀芯组成

• 工作原理：细长小孔有无液压油流动，决定先导式减压阀是否减压

  • 调定压力取决于先导阀的调定压力和液控口较小的压力

    • 如果弹簧压力为3MPa，液控口0MPa，则出口压力为0MPa

• 应用：减压

顺序阀

• 控制相关执行元件动作的先后顺序

• 直动式、先导式。内控式(虚线处于进油口)、外控式(虚线与外部连接)。

直动式顺序阀

• 阀体、阀芯、弹簧、调节螺钉

• 进油口压力小于预紧力，阀口不打开；大于预紧力，阀口打开，进出口压力相同。

• 调定压力通过弹簧预紧力调节。

• 由此可知，阀芯常态位置为常必，压力由进口压力控制，有外卸油口，串联在需要位置。

• 应用：

  • 多缸顺序动作：顺序阀调定压力应高于先动作缸的最高工作压力，避免先动作缸未到位，第二个缸就工作

  • 与单向阀并联组成平衡阀：下降过程有背压，背压可调，但存在泄露不可能长时间停住

    • 外控式顺序阀和单向阀配合组成平衡阀，限制下降速度，外控的控制路接到对面的有杆腔油路

  • 双联泵的大泵卸荷

先导顺序阀

• 阀体、调压手柄、调压弹簧、导阀芯、主阀弹簧、主阀芯组成

• 工作原理：细长小孔有无液压油流动，决定先导式顺序阀是否打开

  • 调定压力取决于先导阀的调定压力和液控口较小的压力
  • 输入口大于调定压力打开，此时输出口等于输入口压力

压力继电器

• 将压力信号转换为电信号

• 结构：压力-位移传感器加微动开关

• 进口压力超过弹簧力，顶杆推动开关，发出电信号

• 应用：当无杆腔压力超过设定值，发出电信号控制电磁换向阀，自动换向