液压系统的工作原理及组成部分是怎样的?

液压技术是以液体为工作介质,利用封闭系统中液体的静压能实现信息、运动和动力的传递及工程控制的技术。由于液压技术在功率质量比、结构组成、响应速度、调速范围、过载保护及电液整合等方面独特的技术优势,使其成为现代传动与控制的重要技术手段和不可替代的关键基础技术之一,其应用囊括了国民经济各领域。

一个完整的液压传动或控制系统(以下简称液压系统)通常都是由能源元件(液压泵)、执行器(液压缸、液压马达和摆动液压马达)、控制元件(各类液压控制阀)及辅助元件(油箱和管件等)四类液压元件和工作介质所组成的。液压传动与控制的机械设备或装置工作时,其液压系统以具有连续流动性的液压油或难燃液压液或水(多使用液压油)作为工作介质,通过液压泵将驱动泵的原动机(电动机或内燃机)的机械能转换成液体的压力能,然后经过封闭管路及控制阀,送至执行器中,转换为机械能驱动负载,实现工作机构所需的直线运动、回转运动或摆动。
液压泵及液压马达的功用与基本原理

功用及重要性
液压泵是任何一台液压设备不可缺少的能源元件,其功用是将原动机的机械能转换为液压能,即向液压系统提供具有一定压力和流量的液体;液压马达是任何需要回转运动的液压设备或工作机构(例如各类生产机械及军用装备的回转工作机构和各类行走机械等设备)不可缺少的执行元件,其功用是将液压能转换为机械能,以转矩和转速的形式驱动与其相连的工作机构做功。
液压泵及液压马达的功用原理互逆,但结构相近,且二者在液压技术中的使用量均占有相当大的比重。在各类液压设备的开发及液压系统的设计和使用中,正确合理地选择、使用和维护液压泵及液压马达,对于提高液压系统乃至整个液压设备的工作品质和可靠性,无疑具有非常重要的意义。因此,液压技术的设计制造人员、安装调试人员和现场使用维护人员必须掌握液压泵及液压马达的原理、结构、特性及使用维护方法。

基本原理
在液压传动与控制系统中,液压泵和液压马达的类型很多(如齿轮式、叶片式、柱塞式和螺杆式等)、结构各异,但都是容积式的,即都是基于容积的变化而进行工作的。

(1)液压泵工作原理
当图1-1所示装置作液压泵使用时,原动机带动传动轴4(转子)按图示顺时针方向旋转,则三个凸轮随传动轴一起沿顺时针方向旋转,设泵从图1-1 (a)所示位置开始转动,此时柱塞6随之下移,密封工作容腔12的容积变大,产生真空;与此同时,凸轮3将吸油单向阀7打开(而凸轮1正好将排油单向阀5关闭),油箱(图中未画出)中的油液在大气压作用下经进油口a、吸油单向阀7和流道b被吸人工作容腔12,为吸油过程。当转子继续旋转到图1-1 (b)所示位置时,柱塞6被凸轮2压缩上移,工作容腔12的容积减小,腔内已吸入的油液受压缩而压力增大,欲将油液排出;与此同时,凸轮1恰好将排油单向阀5打开(而凸轮3正好将吸油单向阀7关闭),油液即通过流道c、排油单向阀5和排油口d输出到系统,为排油过程。传动轴转动一周,泵吸、排油各一次。原动机驱动传动轴连续旋转,液压泵就不断由进油口a吸油,由排油口d向系统排油。若原动机带动传动轴或转子逆时针方向转动,则油流将反向,即泵就由油口d吸油,由油口a向系统排油。
上述单柱塞液压泵具有容积式液压泵的基本结构原理特征。
具有统称为定子、转子和挤子的三种零件,它们因液压泵的结构不同而异。

液压系统的工作原理及组成部分

具有若干个密封且又可周期性变化的空间,此空间称为工作腔。工作腔一般由定子、转子和挤子这三种零件组成。工作腔起吸油作用时称为吸油腔,起压油作用时称为排油腔,吸油腔和排油腔之间的过渡区被有关零件的表面所密封。为使工作腔的容积发生变化,在组成工作腔的零件中必须有一个可作相对运动的挤子。挤子能使工作腔容积周期性地由小变大而不断吸人液体;能使工作腔容积周期性地由大变小,不断排出液体。
具有吸油口和排油口。吸油口和排油口分别与吸油腔和排油腔相连通。液压泵吸油口的通流面积应足够大,以免因油液在其内流速过大而产生气蚀;而泵的排洫口的流速可适当大些,以减小管道尺寸和重量。
液压泵的输人参数是机械参数(转矩和转速),输出参数是液压参数(压力和流量)。
液压泵吸油腔的压力取决于吸油高度和吸油管路压力损失的大小;排油腔的压力则取决于负载和排油管路的压力损失大小。

液压泵的理论排油量与工作腔的容积变化量(或几何尺寸)和单位时间内变化的次数(或转速)成正比,而与排油压力等其他因素无关。若泵的理论排油量不能改变,则为定量泵,反之则为变量泵
具有配流机构(也称配流器)。液压泵由吸油到排油或由排油到吸油的转换称为配流。为保证液压泵有规律地吸排液体,应具有相应的配流机构,以将吸油腔和排油腔隔开。配流方式因液压泵的结构不同而异,一般有确定式和阀式两种配流方式:确定式配流依靠设置在泵内某个部件适当位置上的孔或槽实现配流,一般液压泵都采用这种配流方式,一般具有作为液压马达的可逆性;阀式配流则依靠逆止阀实现配流(吸、排油阀在逻辑上互逆,不会同时开启),多用于超高压柱塞泵中,由于此类泵的液流方向有时不能改变,故失去了作为液压马达的可逆性。
例如图1-1所示单柱塞液压泵中的配流机构为采用逆止阀(吸油阀7和压油阀5)的阀式配流。
油箱内液体的绝对压力必须恒等于或大于大气压力。为保证泵正常吸油,油箱必须与大气相通或采用密闭的充气油箱。

液压系统的工作原理及组成部分

(2)液压马达的基本原理
若连续从液压马达的进油口a输入压力油液,则可使马达带动与其传动轴相连的工作机构实现顺时针方向连续回转运动,并将用过的油液不断由排油阀5排出。与液压泵的情况类似,若输入油液的方向反向,即由油口d进油,由油口a向外排出,则传动轴或转子的回转方向也必然反向,即按逆时针方向转动。
上述柱塞式液压马达具有容积式液压马达的基本结构原理特征。
①与液压泵一样,也具有统称为定子、转子和挤子的三种零件,它们因液压马达的结构不同而异。
②与液压泵一样,也具有若干个密封且又可周期性变化的工作腔,工作腔一般也由定子、转子和挤子这三种零件组成。与高压油液相通的工作腔称为进油腔或高压腔,通向油箱的工作腔称为排油腔或低压腔,进油腔和排油腔之间的过渡区被有关零件的表面所密封。为使工作腔的容积发生变化,在组成工作腔的零件中必须有一个可作相对运动的挤子。挤子在压力油作用下伸出从而使工作腔容积周期性地由小变大,在斜盘等零件作用下缩回从而使工作腔容积周期性地由大变小而不断排出低压液体。
③与液压泵一样,液压马达也具有进油口和排油口,但马达的进油口和排油口分别与高压腔和低压腔相连通。由于液压马达的低压腔压力稍高于大气压,因此,与液压泵不同,马达的进油口和排油口尺寸可以相同。改变或交换液压马达的进油口和排油口,则可改变液压马达的旋转方向。
④液压马达的输入参数是液压参数(压力和流量),输出参数是机械参数(转矩和转速)。
液压马达进油腔的压力取决于输入油液的压力和吸油管路压力损失的大小;而排油腔的压力则取决于排油管路的压力损失大小。
液压马达的理论排油量与工作腔的容积变化量(或几何尺寸)有关,而与进油压力等其他因素无关。若马达的理论排油量不能改变,则为定量马达,反之则为变量马达。
液压马达的输出转速取决于马达的输入流量和排量;输出转矩取决于马达的排量和进出口压力差。
⑤与液压泵一样,液压马达也具有配流机构,其作用与液压泵的配流机构基本类同。但由于马达需要正反向旋转,故液压马达的配流机构在结构上一般应具有对称性。液压马达的配流方式也因马达的结构不同而异,一般也有确定式和阀式两种配流方式。例如图1-1所示柱塞式液压马达中的配流机构为采用单向阀的阀式配流。

综上所述可知,液压泵和液压马达是两种不同的能量转换装置,从原理而言,容积式液压泵可以作液压马达使用,即向液压泵中输入压力油,迫使其传动轴转动,就成为液压马达。但事实上,同类型的泵和马达尽管在结构上相似,但在实际中由于使用目的、性能要求及结构对称性等方面的差异,使得很多类型的液压泵和液压马达不能互逆通用。

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