第7章液压传动系统辅助元件.ppt

第7章 液压传动系统辅助元件,§7.1 蓄能器,§7.2 滤油器,§7.3 油箱,§7.4 管件,返回,§7.1 蓄能器,1.蓄能器的功能,（1）作辅助动力源。工作时间较短的间歇工作系统或一个循环内速度差别很大的系统，在系统不需要大流量时，可以把液压泵输出的多余压力油液储存在液压蓄能器内，到需要时再由液压蓄能器快速释放给系统。这样就可以按液压系统循环周期内平均流量选用液压泵，以减小功率消耗，降低系统温升。图7.1所示为一液压机的液压传动系统。当液压缸慢进和保压时，液压泵的部分流量进入液压蓄能器4被储存起来，达到设定压力后，卸荷阀3打开，液压泵卸荷。当液压缸在快速进退时，液压蓄能器与液压泵一起向液压缸供油。因此，在系统设计时可按平均流量选用较小流量规格的液压泵。,蓄能器的功能(2/2),（2）维持系统压力。在液压泵停止向系统提供油液的情况下，液压蓄能器将所存储的压力油液供给系统，补偿系统泄漏或充当应急能源，使系统在一段时间内维持系统压力。 （3）吸收系统脉动，缓和液压冲击。液压蓄能器能吸收系统在液压泵突然启动或停止、液压阀突然关闭或开启、液压缸突然运动或停止时所出现的液压冲击，也能吸收液压泵工作时的压力脉动，大大减小其幅值。,2.液压蓄能器的结构和性能,液压蓄能器有各种结构形状，如图7.2所示。重力式液压蓄能器由于体积庞大、结构笨重、反应迟钝，在液压传动系统中很少应用。在液压传动系统中主要应用有弹簧式和充气式两种。目前常用的是利用气体压缩和膨胀来储存、释放液压能的充气式液压蓄能器。它主要有活塞式和皮囊式两种。,蓄能器的类型(2/6),(1) 活塞式液压蓄能器 活塞式液压蓄能器中的气体和油液由活塞隔开，其结构如图7.3所示。活塞1的上部为压缩空气，气体由气阀3充入，其下部经油孔a通向液压系统。活塞1随下部压力油的储存和释放而在缸筒2内来回滑动。为防止活塞上下两腔互通而使气液混合，在活塞上装有O型密封圈。这种液压蓄能器结构简单、寿命长，它主要用于大容量蓄能器。但因活塞有一定的惯性和因O型密封圈的存在有较大的摩擦力，所以反应不够灵敏，因此适用于储存能量。另外，密封件磨损后，会使气液混合，影响系统的工作稳定性。,图7.3 活塞式液压蓄能器 1活塞；2缸筒；3气阀,蓄能器的类型(2/6),(2) 皮囊式液压蓄能器 皮囊式液压蓄能器中气体和油液由皮囊隔开，其结构如图7.4所示。皮囊用耐油橡胶制成，固定在耐高压壳体内的上部。皮囊内充入惰性气体（一般为氮气）。壳体下端的提升阀A是一个用弹簧加载的菌形阀。压力油从此通入，并能在油液全部排出时，防止皮囊膨胀挤出油口。这种结构使气液密封可靠，并且因皮囊惯性小，反应灵敏，克服了活塞式液压蓄能器的缺点，因此，它的应用广泛，但工艺性较差。,图7.4 皮囊式液压蓄能器 1壳体；2皮囊；3气阀,蓄能器的类型(3/6),(3) 薄膜式液压蓄能器 薄膜式液压蓄能器利用薄膜的弹性来储存、释放压力能。主要用于小容量的场合。如用作减震器、缓冲器和用于控制油的循环等。 (4) 弹簧式液压蓄能器 弹簧式液压蓄能器利用弹簧的压缩和伸长来储存、释放压力能。它的结构简单，反应灵敏，但容量小。可用于小容量、低压（p 1 1.2MPa）的回路缓冲；不适用于高压或高频的工作场合。,3.液压蓄能器的容量计算,(1) 作辅助动力源时的容量计算 这时的蓄能器储存和释放压力油的容量和气囊中气体体积的变化量相等，而气体状态的变化应符合玻义耳定律，即： （7.1） 式中 p0 气囊的充气压力； V0 气囊的充气体积，即蓄能器容量，这时气囊充满 壳体内腔； p1 系统最高工作压力，即泵对蓄能器储油结束时的 压力； V1 气囊被压缩后相应于时的气体体积； p2 系统最低工作压力，即蓄能器向系统供油结束时 的压力； V2 气体膨胀后相应于时的气体体积。,液压蓄能器的容量计算(2/4),体积差V=V2-V1为供给系统的油液体积，将它代入式（7.1），便可求得蓄能器容量V0，即 由此得 （7.2） 充气压力p0在理论上可与p2相等，但为保证在压力p2时蓄能器仍有能力补偿系统泄漏，应使p0p00.25p1。在实际选用时，蓄能器的总容积V0比理论计算值大5% 倍为宜。如已知V0，也可反过来求出储能时的供油体积，即 （7.3）,液压蓄能器的容量计算(3/4),当液压蓄能器用于保压和补漏时，气体膨胀过程缓慢，与外界热交换得充分，可认为是等温变化过程，这时取n = 1；当液压蓄能器作辅助或应急动力源时，释放液体的时间短，气体快速膨胀，热交换不充分，这时可视为绝热过程，取n = 1.4。p V曲线图见图7.5所示。在实际工作中的状态变化在绝热过程和等温过程之间，因此1 n 1.4。,液压蓄能器的容量计算(4/4),(2) 作吸收冲击用时的容量计算 这时准确计算比较困难，因其与管路布置、液体流态、阻尼情况及泄漏大小等因素有关。一般按经验公式计算缓和最大冲击压力时所需的液压蓄能器最小容量，即： （6.4） 式中 q 阀口关闭前管内流量； p1 系统允许的最大冲击压力， L 发生冲击的管长，即压力油源到阀口的管道 长度； t 阀口由开到关的时间，突然关闭时取t = 0； p2 阀口关闭前管内压力 。 本式只适用于在数值上t 0.0164 L的情况下。,§7.2 滤油器,1.滤油器的主要类型及其性能,(1) 网式滤油器(短片) 图7.6所示为网式滤油器，在周围开有很多窗孔的塑料或金属筒形骨架1上，包着一层或两层铜丝网2。过滤精度由网孔大小和层数决定，有80、100、180 m三个等级。网式滤油器结构简单、清洗方便、通油能力大，但过滤精度低，常用于吸油管路作吸滤器，对油液进行粗滤。,滤油器的主要类型及其性能(2/6),(2) 线隙式滤油器 图7.7所示为线隙式滤油器。它用铜线或铝线密绕在筒形芯架1的外部来组成滤芯，并装在壳体3内（用于吸油管路上的滤油器无壳体）。油液经线间间隙和芯架槽孔流入滤油器内，再从上部孔道流出。这种滤油器结构简单、通油能力大、过滤效果好，可用作吸滤器或回流过滤器，但不易清洗。,图7.7 线隙式滤油器 1芯架；2滤芯；3壳体,(3) 纸芯式滤油器 纸芯式滤油器又称纸质滤油器，其结构类同于线隙式，只是滤芯为纸质。图7.8所示为纸质滤油器的结构，滤芯由三层组成：外层2为粗眼钢板网，中层3为折叠成星状的滤纸，里层4由金属丝网与滤纸折叠组成。这样就提高了滤芯强度，延长了使用寿命。纸质滤油器的过滤精度高（5 30 m），可在高压（38 MPa）下工作，它结构紧凑、通油能力大，一般配备壳体后用作压滤器。其缺点是无法清洗，需经常更换滤芯。,7.8 纸质滤油器 1堵塞状态发讯装置；2滤芯外层； 3滤芯中层；4滤芯里层；5支承弹簧,滤油器的主要类型及其性能(3/6),纸质滤油器的滤芯能承受的压力差较小（0.35 MPa），为了保证滤油器能正常工作，不致因杂质逐渐聚积在滤芯上引起压差增大而压破纸芯，故滤油器顶部装有堵塞状态发讯装置。发讯装置与滤油器并联，其工作原理如图7.9所示。滤芯进油和出油的压差作用在活塞2上，与弹簧5的推力相平衡。当滤芯逐渐堵塞时，压差加大，推动活塞2和永久磁铁4右移，干簧管6受磁铁4作用吸合，接通电路，报警器7发出堵塞信号发亮或发声，提醒操作人员更换滤芯。电路上若增设延时继电器，还可在发讯一定时间后实现自动停机保护。,图7.9 堵塞状态发讯装置 1接线柱；2活塞；3阀体；4永磁铁；5弹簧；6感簧管；7报警器,滤油器的主要类型及其性能(4/6),(4) 金属烧结式滤油器 图7.10所示为金属烧结式滤油器。滤芯可按需要制成不同的形状，油液经过金属颗粒间的无规则的微小孔道进入滤芯内。选择不同粒度的粉末烧结成不同厚度的滤芯，可以获得不同的过滤精度（10 100 m之间）。烧结式滤油器的过滤精度较高，滤芯的强度高，抗冲击性能好，能在较高温度下工作，有良好的抗腐蚀性，且制造简单，它可用在不同的位置。缺点是：易堵塞，难清洗，烧结颗粒使用中可能会脱落，再次造成油液的污染。,滤油器的主要类型及其性能(5/6),(5) 磁性滤油器 磁性滤油器的工作原理就是利用磁铁吸附油液中的铁质微粒。但一般结构的磁性滤油器对其他污染物不起作用，通常用作回流过滤器。它常被用作复式滤油器的一部分。 (6) 复式滤油器 复式滤油器即上述几类滤油器的组合。例如在图7.10所示的滤芯中间，再套入一组磁环即成为磁性烧结式滤油器。复合滤油器性能更为完善，一般设有多种结构原理的堵塞状态发讯装置，有的还设有安全阀。当过滤杂质逐渐将滤芯堵塞时，滤芯进出油口的压力差增大，若超过所调定的发讯压力，发讯装置便会发出堵塞信号。如不及时清洗或更换滤芯，当压差达到所调定的安全压力时，类似于直动式溢流阀的安全阀便会打开，以保护滤芯免遭损坏。 安装在回油路上的纸质磁性滤油器，适用于对铁质微粒要求去除干净的传动系统。,滤油器的主要类型及其性能(6/6),2.对滤油器的基本要求和选用,选用滤油器时，应注意以下几点： (1) 有足够的过滤精度。过滤精度是指通过滤芯的最大尖硬颗粒的大小，以其直径d的公称尺寸（单位）表示。其颗粒越小，精度越高。精度分粗（d100m）、普通（ d10100m ）、精（ d510m ）和特精（ d15m ）四个等级。 应该指出，近年来有一种推广使用高精度滤油器的观点。研究表明，液压元件相对运动表面的间隙大多在15 m范围内。因而工作中首先是这个尺寸范围内的污染颗粒进入运动间隙，引起磨损，扩大间隙，进而更大颗粒进入，造成表面磨损的一系列反应。因此，若能有效地控制15 m的污染颗粒，则这种系列反应就不会发生。试验和严格的检测证实了这种观点。实践证明，采用高精度滤油器，液压泵和液压马达的寿命可延长4 10倍，可基本消除阀的污染、卡紧和堵塞故障，并可延长液压油和滤油器本身的使用寿命。,对过滤器的基本要求和选用(2/2),（2）有足够的过滤能力。过滤能力即一定压降下允许通过滤油器的最大流量。不同类型的滤油器可通过的流量值有一定的限制，需要时可查阅有关样本和手册。 （3）滤芯便于清洗更换。,3.过滤器的安装位置,(1) 安装在泵的吸油路上 这种安装主要用来保护泵不致吸入较大的机械杂质。根据泵的要求，可用粗的或普通精度的滤油器。为了不影响泵的吸油性能，防止发生气穴现象，滤油器的过滤能力应为泵流量的2倍以上，压力损失不得超过0.01 0.035 MPa。必要时，泵的吸入口应置于油箱液面以下。 (2) 安装在泵的出口油路上 这种安装主要用来滤除可能侵入阀类元件的污染物。一般采用10 15 m过滤精度的滤油器。它应能承受油路上的工作压力和冲击压力，其压力降应小于0.35 MPa，并应有安全阀或堵塞状态发讯装置，以防泵过载和滤芯损坏。,过滤器的安装位置(2/3),(3) 安装在系统的回油管路上 这种安装可滤去油液流回油箱以前的污染物，为液压泵提供清洁的油液。因回油路压力极低，可采用滤芯强度不高的精滤油器，并允许滤油器有较大的压力降。滤油器也可简单地并联一单向阀作为安全阀，以防堵塞或低温启动时高粘度油液流过滤油器所引起的系统回油压力的升高。 (4) 安装在系统的分支油路上 当泵流量较大时，若仍采用上述各种油路过滤，滤油器可能过大。为此可在只有泵流量20% 30%左右的支路上安装一小规格滤油器，对油液起滤清作用。,过滤器的安装位置(3/3),(5) 安装在系统外的过滤回油路上 大型液压传动系统可专设一液压泵和滤油器，滤除油液中的杂质，以保护主系统。滤油车即可供此用。研究表明，在压力和流量波动下，滤油器的功能会大幅度降低。显然，前三种安装都有此影响，而系统外的过滤回路却没有，故过滤效果较好。 安装滤油器时应注意，一般滤油器都只能单向使用，即进出油口不可反用，以利于滤芯清洗和安全。因此，滤油器不要安装在液流方向可能变换的油路上。必要时可增设单向阀和滤油器，以保证双向过滤，作为滤油器的新进展，目前双向滤油器也已问世。,§7.3 油 箱,1.油箱的功用和分类,油箱的主要功用是： 储放系统工作用油； 散发系统工作中产生的热量； 分离油液中混入的空气； 沉淀污物。 按油箱液面是否与大气相通，可分为开式油箱与闭式油箱。开式油箱广泛用于一般的液压传动系统；闭式油箱则用于水下和高空无稳定气压或对工作稳定性与噪声有严格要求处（空气混入油液是工作不稳定和产生噪声的主要原因）。这里仅介绍开式油箱。,2.油箱的设计要点,初步设计时，油箱的有效容量可按下述经验公式确定，即 （7.5） 式中 V 油箱的有效容量（L）； m 系数，m值的选取：低压系统为m = 2 4，中 压系统为m = 5 7，中高压或高压大功率系统为m = 6 12； qp液压泵的流量（L/min）。 对功率较大且连续工作的液压传动系统，必要时还应进行热平衡计算，以最后确定油箱容量。,油箱的设计要点(2/6),下面结合图7.12所示的油箱结构示意图，分述设计要点如下。,（1）基本结构 为了在相同的容量下得到最大的散热面积，油箱外形以立方体或长六面体为宜。油箱的顶盖上一般要安放液压泵和电机（也有的置于油箱旁边或油箱下面）以及阀的集成装置等，这基本决定了箱盖的尺寸；最高油面只允许达到箱高的80%。据此两点可决定油箱的三个方向上的尺寸。油箱一般用厚度为2.5 4 mm的钢板焊成，顶盖要适当加厚并用螺钉通过焊在箱体上的角钢加以固定。顶盖可以是整体的，也可分为几块。液压泵、电动机和阀的集成装置可直接固定在顶盖上，也可固定在图示安装板上，安装板与顶盖间应垫上橡胶板以缓和振动。油箱底脚高度应在150 mm 以上，以便散热、搬移和放油。油箱四周要有吊耳，以便起吊装运。油箱应有足够的刚度，大容量且较高的油箱要采用骨架式结构。,油箱的设计要点(3/6),（2）吸、回、泄油管的设置 液压泵的吸油管与系统回油管之间的距离应尽可能远些，管口都应插于最低油面之下，以免吸空和飞溅起泡，但离箱底要大于管径的2 3倍。回油管口应截成45°斜角，以增大通流截面面积，并面向箱壁，以利散热和沉淀杂质。吸油管端部所安装的滤油器，离箱壁要有3倍管径的距离，以便四面进油。阀的泄油管口应在液面之上，以免产生背压；液压马达和液压泵的泄油管则应引入液面之下，以免吸入空气。为防止油箱表面漏油污染现场环境，必要时要在油箱下面或顶盖四周装设盛油盘。,油箱的设计要点(4/6),（3）隔板的设置 在油箱中设置隔板的目的是将吸、回油隔开，迫使油液循环流动，利于散热和沉淀。一般设置一到二个隔板，高度可接近最大液面。为了使散热效果好，应使液流在油箱中有较长的流程，如果与四壁都接触，效果更佳。 （4）空气滤清器与液位计的设置 空气滤清器的作用是使油箱与大气相通，保证液压泵的自吸能力，滤除空气中的灰尘杂物；兼作加油口用。它一般布置在顶盖上靠近油箱边缘处。液位计用于监测油面高度，故其窗口尺寸应能满足对最高与最低液位的观察。两者皆为标准件，可按需要选用。,油箱的设计要点(5/6),（5）放油口与清洗窗的设置 图7.12中油箱底面做成斜面，在最低处设放油口，平时用螺塞或放油阀堵住，换油时将其打开放走污油。换油时为便于清洗油箱，大容量的油箱一般均在侧壁设清洗窗，其位置安排应便于吸油滤油器的装拆。 （6）防污密封 油箱盖板和窗口连接处均需加密封垫，各进、出油管通过的孔都需要装有密封垫。 （7）油温控制 油箱正常工作温度应在15 65之间，必要时应安装温度计、温控器和热交换器。 （8）油箱内壁加工 新油箱经喷丸、酸洗和表面清洁后，四壁可涂一层与工作液相容的塑料薄膜或耐油清漆。,油箱的设计要点(6/6),§7.4 管 件,1. 管道,(1) 种类和适用场合 管道的种类和适用场合见表7.2。 表7.2 管道的种类和适用场合,管道(2/3),(2) 尺寸的计算 管道的内径d和壁厚 可用下列两式计算，并需圆整为标准数值，即 （7.6） （7.7） 式中 q管内的最大流量（m3/s）； 允许流速（m/s）。推荐值为：吸油管取0.5 1.5m/s，回油管取1.5 2m/s，压力油管取2.5 5 m/s（压力高时取大值），控制油管取2 3m/s，橡胶软管应小于4 m/s； p管内的工作压力（MPa）； n安全系数。对于钢管：pMPa时取n = 8，7 MPaMPa时取n = 4； b管材的抗拉强度（MPa），可由材料手册查出。,管道(3/3),(3) 安装要求 （a）管道应尽量短，最好横平竖直，转弯少。为避免管道皱折，减少压力损失，管道装配时的弯曲半径要足够大。管道悬伸较长时要适当设置管夹（也是标准件）。 （b）管道尽量避免交叉，平行管间距要大于100 mm，以防接触振动并便于安装管接头。 （c）软管直线安装时要有30%左右的余量，以适应油温变化、受拉和振动的需要。弯曲半径要大于9倍软管外径，弯曲处到管接头的距离至少等于6倍外径。,2.管接头,管接头是管道和管道、管道和其他元件（如泵、阀、集成块等）之间的可拆卸连接件。管接头与其他元件之间可采用普通细牙螺纹连接或锥螺纹连接（多用于中低压），如图7.13所示。,图7.13 硬管接头 1接头体；2接头螺母；3管套；4卡套； 5接管；6管子；7组合密封垫圈；8O形密封圈,(1) 硬管接头 按管接头和管道的连接方式分，有扩口式管接头、卡套式管接头和焊接式管接头三种。 图7.13（a）所示为扩口式管接头，它适用于紫铜管、薄钢管、尼龙管和塑料管等低压管道的连接。拧紧接头螺母，通过管套就使管子压紧密封。图7.13（b）所示为卡套式管接头。拧紧接头螺母，卡套发生弹性变形便将管子夹紧。它对轴向尺寸要求不严，装拆方便，但对管道连接用管子尺寸精度要求较高，需采用冷拔无缝钢管。可用于高压系统。 图7.13（c）和7.13（d）所示为焊接式管接头。接管与接头体之间的密封方式有球面与锥面接触密封（如图7.13（c）和平面加O形圈密封（如图7.13（d）两种。前者有自位性，安装时不很严格，但密封可靠性稍差，适用于工作压力不高的液压系统（约8 MPa以下的系统）；后者可用于高压系统。,管接头(2/4),管接头(3/4),(2) 胶管接头 胶管接头有可拆式和扣压式两种，各有A、B和C三种类型。随管径不同可用于工作压力在6 40MPa的系统。图7.14为A型扣压式胶管接头，装配时须剥离外胶层，然后在专门设备上扣压而成。,图7.14 扣压式胶管接头,管接头(4/4),(3) 快速接头 快速接头的全称为快速装拆管接头，它的装拆无需工具，适用于需经常装拆处。图7.15所示为油路接通的工作位置。需要断开油路时，可用力把外套6向左推，再拉出接头体10，钢球8（有6 8颗）即从接头体10的槽中退出；与此同时，单向阀4、11的锥形阀芯，分别在弹簧3、12的作用下将两个阀口关闭，油路即断开。,图7.15 快速接头 1卡环；2插座；3、7、12弹簧；4、11单向阀； 5密封圈；6外套；8钢球；9卡环；10接头体,