习题与实践操作

2026年01月15日

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2.液压马达的机械效率

由于液压马达内部不可避免地存在各种摩擦,实际输出的转矩T总要比理论转矩Tl小些,即:

液压马达的启动机械效率ηm液压马达的启动机械效率是指液压马达由静止状态起动时,马达实际输出的转矩T0与它在同一工作压差时的理论转矩Tl之比。即:

液压马达的启动机械效率表示出其启动性能的指标。因为在同样的压力下,液压马达由静止到开始转动的启动状态的输出转矩要比运转中的转矩大,这给液压马达带载启动造成了困难,所以启动性能对液压马达是非常重要的,启动机械效率正好能反映其启动性能的高低。启动转矩降低的原因,一方面是在静止状态下的摩擦因数最大,在摩擦表面出现相对滑动后摩擦因数明显减小,另一方面也是最主要的方面是因为液压马达静止状态润滑油膜被挤掉,基本上变成了干摩擦。一旦马达开始运动,随着润滑油膜的建立,摩擦阻力立即下降,并随滑动速度增大和油膜变厚而减小。

实际工作中都希望启动性能好一些,即希望启动转矩和启动机械效率大一些。现将不同结构形式的液压马达的启动机械效率ηm0的大致数值列入表3-1中。

表3-1　液压马达的启动机械效率

由表3-1可知,多作用内曲线马达的启动性能最好,轴向柱塞马达、曲轴连杆马达和静压平衡马达居中,叶片马达较差,而齿轮马达最差。

3.液压马达的转速

液压马达的转速取决于供液的流量和液压马达本身的排量V,可用式(3-9)计算:

由于液压马达内部有泄漏,并不是所有进入马达的液体都推动液压马达做功,一小部分因泄漏损失掉了。所以液压马达的实际转速要比理论转速低一些。

4.最低稳定转速

最低稳定转速是指液压马达在额定负载下,不出现爬行现象的最低转速。所谓爬行现象,就是当液压马达工作转速过低时,往往保持不了均匀的速度,进入时动时停的不稳定状态。

液压马达在低速时产生爬行现象的原因是:

(1)摩擦力的大小不稳定。通常的摩擦力是随速度增大而增加的,而对静止和低速区域工作的马达内部的摩擦阻力,当工作速度增大时非但不增加,反而减少,形成了所谓“负特性”的阻力。另一方面,液压马达和负载是由液压油被压缩后压力升高而被推动的,因此,可用图3-2(a)所示的物理模型表示低速区域液压马达的工作过程:以匀速v0推弹簧的一端(相当于高压下不可压缩的工作介质),使质量为m的物体(相当于马达和负载质量、转动惯量)克服“负特性”的摩擦阻力而运动。当物体静止或速度很低时阻力大,弹簧不断压缩,增加推力。只有等到弹簧压缩到其推力大于静摩擦力时才开始运动。一旦物体开始运动,阻力突然减小,物体突然加速跃动,其结果又使弹簧的压缩量减少,推力减小,物体依靠惯性前移一段路程后停止下来,直到弹簧的移动又使弹簧压缩,推力增加,物体就再一次跃动为止,形成如图3-2(b)所示的时动时停的状态,对液压马达来说,这就是爬行现象。

图3-2　液压马达爬行的物理模型

(2)泄漏量大小不稳定。液压马达的泄漏量不是每个瞬间都相同,它也随转子转动的相位角度变化作周期性波动。由于低速时进入马达的流量小,泄漏所占的比重就增大,泄漏量的不稳定就会明显地影响到参与马达工作的流量数值,从而造成转速的波动。当马达在低速运转时,其转动部分及所带的负载表现出的惯性较小,上述影响比较明显,因而出现爬行现象。

实际工作中,一般都期望最低稳定转速越小越好。

5.最高使用转速

液压马达的最高使用转速主要受使用寿命和机械效率的限制,转速提高后,各运动副的磨损加剧,使用寿命降低,转速高则液压马达需要输入的流量就大,因此各过流部分的流速相应增大,压力损失也随之增加,从而使机械效率降低。

对某些液压马达,转速的提高还受到背压的限制。例如曲轴连杆式液压马达,转速提高时,回油背压必须显著增大才能保证连杆不会撞击曲轴表面,从而避免了撞击现象。随着转速的提高,回油腔所需的背压值也应随之提高。但过分的提高背压,会使液压马达的效率明显下降。为了使马达的效率不致过低,马达的转速不应太高。

6.调速范围

液压马达的调速范围用最高使用转速和最低稳定转速之比表示,即:

三、液压马达的工作原理

常用的液压马达的结构与同类型的液压泵很相似,下面对齿轮马达、叶片马达、轴向柱塞马达和摆动马达的工作原理作一介绍。

1.齿轮马达

图3-3为外啮合齿轮马达的工作原理图,Ⅰ为转矩输出齿轮,其节圆半径R1;Ⅱ为空转齿轮,其节圆半径R2;啮合点C到两齿轮中心的距离分别为Rc1和Rc2。当高压油(压力为ph)输入马达时处于高压腔内的轮齿受到压力油作用。由于Rc1<Ra1,Rc2<Ra2,故互相啮合的两个齿面只有部分处于高压腔这样使液压作用于两个处于高压腔的轮齿上的转矩不相等。若对两齿轮产生的有效推动转矩分别为T1′,T2′;同理,处于低压腔的轮齿上的转矩也不相等,其产生的有效推动转矩为反方向转矩T1″,T2″。此时齿轮Ⅰ上的不平衡转矩T1=T1′-T1″,齿轮Ⅱ上的不平衡转矩为T2=T2′-T2″。所以马达输出轴上产生总转矩为T=T1+T2从而克服负载转矩而按技图中箭头所示方向旋转,随着齿轮旋转油液从高压腔被带到低压腔排出。

图3-3　外啮合齿轮马达的工作原理

2.叶片马达

图3-4所示为叶片液压马达的工作原理图。

图3-4　叶片马达的工作原理图

当压力为p的油液从进油口进入叶片1和3之间时,叶片2因两面均受液压油的作用所以不产生转矩。叶片1、3上,一面作用有压力油,另一面为低压油。由于叶片3伸出的面积大于叶片1伸出的面积,因此作用于叶片3上的总液压力大于作用于叶片1上的总液压力,于是压力差使转子产生顺时针的转矩。同样道理,压力油进入叶片5和7之间时,叶片7伸出的面积大于叶片5伸出的面积,也产生顺时针转矩。这样,就把油液的压力能转变成了机械能,这就是叶片马达的工作原理。当输油方向改变时,液压马达就反转。

当定子的长短径差值越大,转子的直径越大,以及输入的压力越高时,叶片马达输出的转矩也越大。

在图3-4中,叶片2、4、6、8两侧的压力相等,无转矩产生。叶片3、7产生的转矩为T1,方向为顺时针方向。假设马达出口压力为零,则:

叶片1、5产生的转矩为T2,方向为逆时针方向,则:

由式(3-12)、式(3-13)看出,对结构尺寸已确定的叶片马达,其输出转矩T决定于输入油的压力。

由叶片泵的理论流量ql的公式:

由式(3-14)看出,对结构尺寸已确定的叶片马达,其输出转速n决定于输入油的流量。

叶片马达的体积小,转动惯量小,因此动作灵敏,可适应的换向频率较高。但泄漏较大,不能在很低的转速下工作,因此,叶片马达一般用于转速高、转矩小和动作灵敏的场合。

3.轴向柱塞马达

轴向柱塞马达的结构形式基本上与轴向柱塞泵一样,故其种类与轴向柱塞泵相同,也分为直轴式轴向柱塞马达和斜轴式轴向柱塞马达两类。

轴向柱塞马达的工作原理如图3-5所示。

图3-5　斜盘式轴向柱塞马达的工作原理图

当压力油进入液压马达的高压腔之后,工作柱塞便受到油压作用力为pA(p为油压力,A为柱塞面积),通过滑靴压向斜盘,其反作用为N。N力分解成两个分力,沿柱塞轴向分力p,与柱塞所受液压力平衡;另一分力F,与柱塞轴线垂直向上,它与缸体中心线的距离为r,这个力便产生驱动马达旋转的力矩。F力的大小为:

F=pAtanγ

式中　γ——斜盘的倾斜角度(°)。

这个F力使缸体产生扭矩的大小,由柱塞在压油区所处的位置而定。设有一柱塞与缸体的垂直中心线成ϕ角,则该柱塞使缸体产生的扭矩T为:

随着角度ϕ的变化,柱塞产生的扭矩也跟着变化。整个液压马达能产生的总扭矩,是所有处于压力油区的柱塞产生的扭矩之和,因此,总扭矩也是脉动的,当柱塞的数目较多且为单数时,脉动较小。

液压马达的实际输出的总扭矩可用下式计算:

从式中可看出,当输入液压马达的油液压力一定时,液压马达的输出扭矩仅和每转排量有关。因此,提高液压马达的每转排量,可以增加液压马达的输出扭矩。

一般来说,轴向柱塞马达都是高速马达,输出扭矩小,因此,必须通过减速器来带动工作机构。如果我们能使液压马达的排量显著增大,也就可以使轴向柱塞马达做成低速大扭矩马达。

4.多作用内曲线低速大扭矩液压马达

多作用内曲线低速大扭矩液压马达的结构形式很多,就使用方式而言,有轴转、壳转与直接装在车轮的轮毂中的车轮式液压马达等形式。而从内部的结构来看,根据不同的传力方式、柱塞部件的结构可有多种型式,但是,液压马达的主要工作过程是相同的。现以图3-6为例来说明多作用内曲线低速大扭矩液压马达的基本工作原理。

图3-6　多作用内曲线低速大扭矩液压马达的结构原理

1—定子;2—转子;3—柱塞组;4—配流轴

液压马达由定子1(也称凸轮环)、转子2、柱塞组3与配流轴4等主要部件组成。定子1的内壁有若干段均布的、形状完全相同的曲面组成,每一相同形状的曲面又可分为对称的两边,其中允许柱塞副向外伸的一边称为进油工作段,与它对称的另一边称为排油工作段,每个柱塞在液压马达每转中往复的次数就等于定子曲面数x,我们将x称为该液压马达的作用次数;在转子的径向有Z个均匀分布的柱塞缸孔,每个缸孔的底部都有一配流窗口,并与它的中心配流轴4相配合的配流孔相通。配流轴4中间有进油和回油的孔道,它的配流窗口的位置与导轨曲面的进油工作段和排油工作段的位置相对应,所以在配流轴圆周上有2x个均布配流窗口。柱塞组3以很小的间隙置于转子2的柱塞缸孔中。作用在柱塞上的液压力经滚轮传递到定子的曲面上。

来自液压泵的高压油首先进入配流轴,经配流轴窗口进入处于工作段的各柱塞缸孔中,使相应的柱塞组的滚轮顶在定子曲面上,在接触处,定子曲面给柱塞组一反力N,这个反力N作用在定子曲面与滚轮接触处的公法面上,此法向反力N可分解为径向力FR和圆周力Fa,FR与柱塞底面的液压力以及柱塞组的离心力等相平衡,而Fa所产生的驱动力矩则克服负载力矩使转子2旋转。柱塞所做的运动为复合运动,即随转子2旋转的同时并在转子的柱塞缸孔内做往复运动,定子和配流轴是不转的。而对应于定子曲面回油区段的柱塞做相反方向运动,通过配流轴回油,当柱塞组3经定子曲面工作段过渡到回油段的瞬间,供油和回油通道被闭死。

若将液压马达的进、出油方向对调,液压马达将反转;若将驱动轴固定,则定子、配流轴和壳体将旋转(通常称为壳转工况),变为车轮马达。

任务实施

液压马达的选用与液压泵的选用原则基本相同。在选用液压马达时,首先确定液压马达的类型,然后按液压系统所要求的压力、流量大小确定其规格型号。选用液压马达时可参考表3-2和表3-3所列出的常用液压马达的主要性能和应用范围,进行综合比较而定。全液压钻机的工作情况对液压执行元件的要求是钻进能力大,钻进速度快,操作简单,工作稳定可靠,移动安装方便和安全,因此选用摆线式低速大扭矩液压马达比较合适。

表3-2　各类低速液压马达的主要性能参数

表3-3　常用液压马达的应用范围及选用

续表

知识拓展

液压马达与液压泵的区别

液压马达是把液体的压力能转换为机械能的装置,从原理上讲,液压泵可以作液压马达用,液压马达也可作液压泵用。但事实上同类型的液压泵和液压马达虽然在结构上相似,但由于两者的工作情况不同,使得两者在结构上也有某些差异。例如:

(1)液压马达一般需要正反转,所以在内部结构上应具有对称性,而液压泵一般是单方向旋转的,没有这一要求。

(2)为了减小吸油阻力,减小径向力,一般液压泵的吸油口比出油口的尺寸大。而液压马达低压腔的压力稍高于大气压力,所以没有上述要求。

(3)液压马达要求能在很宽的转速范围内正常工作,因此,应采用液动轴承或静压轴承。因为当马达速度很低时,若采用动压轴承,就不易形成润滑滑膜。

(4)叶片泵依靠叶片跟转子一起高速旋转而产生的离心力使叶片始终贴紧定子的内表面,起封油作用,形成工作容积。若将其当马达用,必须在液压马达的叶片根部装上弹簧,以保证叶片始终贴紧定子内表面,以便马达能正常起动。

(5)液压泵在结构上需保证具有自吸能力,而液压马达就没有这一要求。

(6)液压马达必须具有较大的起动扭矩。所谓起动扭矩,就是马达由静止状态起动时,马达轴上所能输出的扭矩,该扭矩通常大于在同一工作压差时处于运行状态下的扭矩,所以,为了使起动扭矩尽可能接近工作状态下的扭矩,要求马达扭矩的脉动小,内部摩擦小。

由于液压马达与液压泵具有上述不同的特点,使得很多类型的液压马达和液压泵不能互逆使用。

任务2　压力控制阀的选用

知识目标：★掌握压力控制阀的工作原理及特点。

　　　　　★掌握压力控制阀主要性能参数。

能力目标：★正确选用全液压钻机的压力控制阀。

任务导入

在全液压钻机的工作中,为了适应岩石硬度的变化,需要钻机的推进力与之相适应。全液压钻机是如何调节推进力,调控和稳定推进力的呢?

任务分析

在液压系统中,调控液动机输出力的元件是压力控制阀,因此要控制全液压钻机的推进力,就需为系统加装压力控制阀。下面我们来学习怎样选用压力控制阀。

相关知识

在液压传动系统中,控制油液压力高低的液压阀称之为压力控制阀,简称压力阀。这类阀的共同点是利用作用在阀芯上的液压力和弹簧力相平衡的原理工作的。

在具体的液压系统中,根据工作需要的不同,对压力控制的要求是各不相同的:有的需要限制液压系统的最高压力,如安全阀;有的需要稳定液压系统中某处的压力值(或者压力差,压力比等),如溢流阀、减压阀等定压阀;还有的是利用液压力作为信号控制其动作,如顺序阀、压力继电器等。

一、溢流阀

1.溢流阀的基本结构及其工作原理

溢流阀的主要作用是对液压系统定压或进行安全保护。几乎在所有的液压系统中都需要用到它,其性能好坏对整个液压系统的正常工作有很大影响。

(1)溢流阀的作用

在液压系统中维持定压是溢流阀的主要用途。它常用于节流调速系统中,和流量控制阀配合使用,调节进入系统的流量,并保持系统的压力基本恒定。如图3-7(a)所示,溢流阀2并联于系统中,进入液压缸4的流量由节流阀3调节。由于定量泵1的流量大于液压缸4所需的流量,油压升高,将溢流阀2打开,多余的油液经溢流阀2流回油箱。因此,在这里溢流阀的功用就是在不断的溢流过程中保持系统压力基本不变。

图3-7　溢流阀的作用

1—定量泵;2—溢流阀;3—节流阀;4—液压缸;5—变量

用于过载保护的溢流阀一般称为安全阀。如图3-7(b)所示的变量泵调速系统。在正常工作时,安全阀2关闭,不溢流,只有在系统发生故障,压力升至安全阀的调整值时,阀口才打开,使变量泵排出的油液经溢流阀2流回油箱,以保证液压系统的安全。

(2)液压系统对溢流阀的性能要求

①定压精度高。当流过溢流阀的流量发生变化时,系统中的压力变化要小,即静态压力超调要小。

②灵敏度要高。如图3-7(a)所示,当液压缸4突然停止运动时,溢流阀2要迅速开大。否则,定量泵1输出的油液将因不能及时排出而使系统压力突然升高,并超过溢流阀的调定压力,称动态压力超调,使系统中各元件及辅助受力增加,影响其寿命。溢流阀的灵敏度越高,则动态压力超调越小。

③工作要平稳,且无振动和噪声。

④当阀关闭时,密封要好,泄漏要小。

对于经常开启的溢流阀,主要要求前三项性能;而对于安全阀,则主要要求第二和第四两项性能。其实,溢流阀和安全阀都是同一结构的阀,只不过是在不同要求时有不同的作用而已。

2.溢流阀的结构和工作原理

常用的溢流阀按其结构形式和基本动作方式可归结为直动式和先导式两种。

(1)直动式溢流阀

直动式溢流阀是依靠系统中的压力油直接作用在阀芯上与弹簧力等相平衡,以控制阀芯的启闭动作,图3-8(a)所示是一种低压直动式溢流阀,P是进油口,T是回油口,进口压力油经阀芯2中间的阻尼孔g作用在阀芯的底部端面上,当进油压力较小时,阀芯在弹簧3的作用下处于下端位置,将P和T两油口隔开。当油压力升高,在阀芯下端所产生的作用力超过弹簧的压紧力F。此时,阀芯上升,阀口被打开,将多余的油液排回油箱,阀芯上的阻尼孔g用来对阀芯的动作产生阻尼,以提高阀的工作平衡性,调整螺帽4可以改变弹簧的压紧力,这样也就调整了溢流阀进口处的油液压力p。

溢流阀是利用被控压力作为信号来改变弹簧的压缩量,从而改变阀口的通流面积和系统的溢流量来达到定压目的的。当系统压力升高时,阀芯上升,阀口通流面积增加,溢流量增大,进而使系统压力下降。溢流阀内部通过阀芯的平衡和运动构成的这种负反馈作用是其定压作用的基本原理,也是所有定压阀的基本工作原理。弹簧力的大小与控制压力成正比,因此如果提高被控压力,一方面可用减小阀芯的面积来达到,另一方面则需增大弹簧力,因受结构限制,需采用大刚度的弹簧。这样,在阀芯相同位移的情况下,弹簧力变化较大,因而该阀的定压精度就低。所以,这种低压直动式溢流阀一般用于压力小于2.5MPa的小流量场合,图3-8(b)所示为直动式溢流阀的图形符号。由图3-8(a)还可看出,在常位状态下,溢流阀进、出油口之间是不相通的,而且作用在阀芯上的液压力是由进口油液压力产生的,经溢流阀芯的泄漏油液经内泄漏通道进入回油口T。

图3-8　低压直动式溢流阀

(a)结构图　(b)职能符号图
1—阀体;2—阀芯;3—调压弹簧;4—螺帽;5—上盖

直动式溢流阀采取适当的措施也可用于高压大流量。例如,德国Rexroth公司开发的通径为6～20mm的压力为40～63MPa;通径为25～30mm的压力为31.5MPa的直动式溢流阀,最大流量可达到330L/min,其中较为典型的锥阀式结构如图3-9所示。图3-9为锥阀式结构的局部放大图,在锥阀的下部有一阻尼活塞3,活塞的侧面铣扁,以便将压力油引到活塞底部,该活塞除了能增加运动阻尼以提高阀的工作稳定性外,还可以使锥阀导向而在开启后不会倾斜。此外,锥阀上部有一个偏流盘1,盘上的环形槽用来改变液流方向,一方面以补偿锥阀2的液动力;另一方面由于液流方向的改变,产生一个与弹簧力相反方向的射流力,当通过溢流阀的流量增加时,虽然因锥阀阀口增大引起弹簧力增加,但由于与弹簧力方向相反的射流力同时增加,结果抵消了弹簧力的增量,有利于提高阀的通流流量和工作压力。

图3-9　直动式锥型溢流阀

1—偏流盘;2—锥阀;3—活塞

(2)先导式溢流阀

图3-10所示为先导式溢流阀的结构示意图,在图中压力油从P口进入,通过阻尼孔e后作用在先导阀芯1上,当进油口压力较低,先导阀上的液压作用力不足以克服先导阀右边的弹簧2的作用力时,先导阀关闭,没有油液流过阻尼孔,所以主阀芯5两端压力相等,在较软的主阀弹簧4作用下主阀芯5于最下端位置,溢流阀阀口P和T隔断,没有溢流。当进油口压力升高到作用在导阀上的液压力大于导阀弹簧作用力时,导阀打开,压力油就可通过阻尼孔、经导阀流回油箱,由于阻尼孔的作用,使主阀芯上端的液压力p2小于下端压力p1,当这个压力差作用在面积为AB的主阀芯上的力等于或超过主阀弹簧力Fs,轴向稳态液动力Fbs、摩擦力Ff和主阀芯自重G时,主阀芯开启,油液从P口流入,经主阀阀口由T流回油箱,实现溢流,即有:

图3-10　先导式溢流阀

1—先导阀阀芯;2—调压弹簧;3—调压螺帽阻尼孔;4—主阀弹簧;5—主阀芯

由式(3-17)可知,由于油液通过阻尼孔而产生的p1与p2之间的压差值不太大,所以主阀芯只需一个小刚度的软弹簧即可;而作用在先导阀芯1上的液压力p2与其先导阀阀芯面积的乘积即为先导阀弹簧2的调压弹簧力,由于导阀阀芯一般为锥阀,受压面积较小,所以用一个刚度不太大的弹簧即可调整较高的开启压力p2,用螺钉调节导阀弹簧的预紧力,就可调节溢流阀的溢流压力。

先导式溢流阀有一个远程控制口K,如果将K口用油管接到另一个远程调压阀(远程调压阀的结构和溢流阀的先导控制部分一样),调节远程调压阀的弹簧力,即可调节溢流阀主阀芯上端的液压力,从而对溢流阀的溢流压力实现远程调压。但是,远程调压阀所能调节的最高压力不得超过溢流阀本身导阀的调整压力。当远程控制口K通过二位二通阀接通油箱时,主阀芯上端的压力接近于零,主阀芯上移到最高位置,阀口开得很大。由于主阀弹簧较软,这时溢流阀P口处压力很低,系统的油液在低压下通过溢流阀流回油箱,实现卸荷。

二、减压阀

减压阀是使出口压力(二次压力)低于进口压力(一次压力)的一种压力控制阀。其作用是降低液压系统中某一回路的油液压力,使用一个油源能同时提供两个或几个不同压力的输出。减压阀在各种液压设备的夹紧系统、润滑系统和控制系统中应用较多。此外,当油液压力不稳定时,在回路中串入一减压阀可得到一个稳定的较低的压力。根据减压阀所控制的压力不同,它可分为定值输出减压阀、定差减压阀和定比减压阀。

1.定值输出减压阀

(1)工作原理

图3-11所示为直动式减压阀的结构示意图和图形符号。P1口是进油口,P2口是出油口,阀不工作时,阀芯在弹簧作用下处于最下端位置,阀的进、出油口是相通的,亦即阀是常开的。若出口压力增大,使作用在阀芯下端的压力大于弹簧力时,阀芯上移,关小阀口,这时阀处于工作状态。若忽略其他阻力,仅考虑作用在阀芯上的液压力和弹簧力相平衡的条件,则可以认为出口压力基本上维持在某一定值——调定值上。这时如出口压力减小,阀芯就下移,开大阀口,阀口处阻力减小,压降减小,使出口压力回升到调定值;反之,若出口压力增大,则阀芯上移,关小阀口,阀口处阻力加大,压降增大,使出口压力下降到调定值。

图3-11　减压阀

1—主阀芯;2—阀体;3—先导阀芯;4—主阀弹簧;5—阀盖;6—调压螺帽;7—调压弹簧;8—阀座

可仿前述先导式溢流阀来推演,这里不再赘述。

将先导式减压阀和先导式溢流阀进行比较,它们之间有如下几点不同之处:

①减压阀保持出口压力基本不变,而溢流阀保持进口处压力基本不变。

②在不工作时,减压阀进、出油口互通,而溢流阀进出油口不通。

③为保证减压阀出口压力调定值恒定,它的导阀弹簧腔需通过泄油口单独外接油箱;而溢流阀的出油口是通油箱的,所以它的导阀的弹簧腔和泄漏油可通过阀体上的通道和出油口相通,不必单独外接油箱。

(2)工作特性

理想的减压阀在进口压力、流量发生变化或出口负载增加,其出口压力p2总是恒定不变。但实际上,p2是随p1、q的变化,或负载的增大而有所变化。由图3-11可知,当忽略阀芯的自重和摩擦力,当稳态液动力为Fbs时,阀芯上的力平衡方程为:

若忽略液动力Fbs,且xR≪xc时,则有:

这就是减压阀出口压力可基本上保持定值的原因。

减压阀的p2—q特性曲线如图3-12所示,当减压阀进油口压力p1基本恒定时,若通过的流量q增加,则阀口缝隙xR加大,出口压力p2略微下降。在先导式减压阀中,出油口压力的压力调整值越低,它受流量变化的影响就越大。当减压阀的出油口不输出油液时,它的出口压力基本上仍能保持恒定,此时有少量的油液通过减压阀阀口经先导阀和泄油口流回油箱,保持该阀处于工作状态。

图3-12　减压阀的特性曲线

图3-13　定差减压阀

2.定差减压阀

定差减压阀是使进、出油口之间的压力差等于或近似于不变的减压阀,其工作原理如图3-13所示。高压油p1经节流口xR减压后以低压p2流出,同时,低压油经阀芯中心孔将压力传至阀芯上腔,则其进、出油液压力在阀芯有效作用面积上的压力差与弹簧力相平衡。

由式(3-21)可知,只要尽量减小弹簧刚度ks和阀口开度xR,就可使压力差Δp近似地保持为定值。

3.定比减压阀

定比减压阀能使进、出油口压力的比值维持恒定。图3-14所示为其工作原理图,阀芯在稳态时忽略稳态液动力、阀芯的自重和摩擦力时可得到力平衡方程为:

图3-14　定比减压阀

若忽略弹簧力(刚度较小),则有(减压比):

由式(3-23)可见,选择阀芯的作用面积A1和A2,便可得到所要求的压力比,且比值近似恒定。

三、顺序阀

顺序阀是用来控制液压系统中各执行元件动作的先后顺序。依控制压力的不同,顺序阀又可分为内控式和外控式两种。前者用阀的进口压力控制阀芯的启闭,后者用外来的控制压力油控制阀芯的启闭(即液控顺序阀)。顺序阀也有直动式和先导式两种,前者一般用于低压系统,后者用于中高压系统。

图3-15所示为直动式顺序阀的工作原理图和图形符号。当进油口压力p1较低时,阀芯在弹簧作用下处下端位置,进油口和出油口不相通。当作用在阀芯下端的油液的液压力大于弹簧的预紧力时,阀芯向上移动,阀口打开,油液便经阀口从出油口流出,从而操纵另一执行元件或其他元件动作。由图可见,顺序阀和溢流阀的结构基本相似,不同的只是顺序阀的出油口通向系统的另一压力油路,而溢流阀的出油口通油箱。此外,由于顺序阀的进、出油口均为压力油,所以它的泄油口L必须单独外接油箱。

图3-15　直动式外控顺序阀

直动式外控顺序阀的工作原理图和图形符号如图3-15所示,和上述顺序阀的差别仅仅在于其下部有一控制油口K,阀芯的启闭是利用通入控制油口K的外部控制油来控制。图3-16所示为先导式顺序阀的工作原理图和图形符号,其工作原理可仿前述先导式溢流阀推演,在此不再重复。

将先导式顺序阀和先导式溢流阀进行比较,它们之间有以下不同之处:

(1)溢流阀的进口压力在通流状态下基本不变。而顺序阀在通流状态下其进口压力由出口压力而定,如果出口压力p2比进口压力p1底的多时,p1基本不变,而当p2增大到一定程度, p1也随之增加,则p1=p2+Δp,Δp为顺序阀上的损失压力。

(2)溢流阀为内泄漏,而顺序阀需单独引出泄漏通道,为外泄漏。

(3)溢流阀的出口必须回油箱,顺序阀出口可接负载。

图3-16　先导式顺序阀

四、压力继电器

压力继电器是一种将油液的压力信号转换成电信号的电液控制元件,当油液压力达到压力继电器的调定压力时,即发出电信号,以控制电磁铁、电磁离合器、继电器等元件动作,使油路卸压、换向、执行元件实现顺序动作,或关闭电动机,使系统停止工作,起安全保护作用等。图3-17所示为常用柱塞式压力继电器的结构示意图和职能符号。如图所示,当从压力继电器下端进油口通入的油液压力达到调定压力值时,推动柱塞1上移,此位移通过杠杆2放大后推动开关4动作。改变弹簧3的压缩量即可以调节压力继电器的动作压力。

任务实施

选择压力阀的主要依据是它们在系统中的作用、额定压力、最大流量、压力损失数值、工作性能参数和使用寿命等。

通常所规定的压力控制阀的工作压力和流量是指使用的最高压力和最大流量。实际上,压力阀都是可以调节使用的。例如,某高压系列的溢流阀,有6～8MPa、4～16MPa、8～ 20MPa、16～32MPa四种调压范围,如果选32 MPa的溢流阀用于调定压力为6MPa的场合时,由于调压弹簧刚度很大,不仅启闭特性不好,调整也不易准确。因此,选择压力阀时,均应根据各自的工作压力在调压范围内选择。

图3-17　压力继电器

1—柱塞;2—杠杆;3—弹簧;4—开关

一、溢流阀的选用

与液压泵出口并联的溢流阀的调定压力就是液压泵的供油压力pb:即溢流阀的调定压力不得小于执行元件的工作压力和系统执行元件进油路的压力损失之和。(https://www.daowen.com)

如果溢流阀在系统中起安全保护作用,则溢流阀的调定压力应按下式计算:

溢流阀的流量按液压泵的额定流量选取。作溢流阀和卸荷阀用时,不能小于泵的额定流量;作安全阀用时,可小于泵的额定流量。

此外,在选用溢流阀时还应注意以下几点:

(1)根据工况特点和具体要求选择溢流阀类型。通常直动式溢流阀响应较快,宜作安全保护阀;而先导式溢流阀启闭特性较好,宜作调压和定压阀。

(2)根据液压系统的工作压力和流量,合理选定溢流阀的额定压力和流量规格。对于用作远程调压阀的溢流阀,其通过流量一般为主溢流阀通过流量的0.5%～1%。

(3)尽量选用启闭特性较好的溢流阀,以提高执行元件的速度负载特性和回路效率。就动态特性而言,在保证溢流阀响应速度较快的同时,还要保证稳定性好。

(4)根据用途和作用确定并调节溢流阀的调定压力,特别是对于用作安全阀使用的溢流阀,起始调定压力不得超过液压系统的最高压力。

(5)如需改变溢流阀的调压范围,可以通过更换溢流阀的调压弹簧实现,但同时应注意弹簧的设定压力可能改变阀的启闭特性。

(6)卸荷溢流阀的回油腔应直接接油箱,以减少背压。

二、减压阀的选用

减压阀的调定压力根据其工作情况而决定。减压阀不能控制输出油液流量大小,当减压阀的流量需要控制时,应另设流量控制阀。减压阀的流量规格应由实际通过该阀的最大流量选取,在使用中不宜超过推荐的额定流量。

三、顺序阀的选用

顺序阀的规格主要根据通过该阀的最高压力和最大流量来选取。应注意顺序阀开启后的工作压力可能比其调定压力还高,但在选择顺序阀时,其最高工作压力应比阀的额定压力低或接近,选择顺序阀的额定流量应大于或等于通过该阀的最大流量。在顺序动作中,顺序阀的调定压力应比先动执行元件的工作压力至少高0.5MPa,以免压力波动产生误动作。

四、压力继电器的选用

压力继电器能够发出电信号的最低工作压力和最高工作压力的差称为调压范围,压力继电器也应在其调压范围内选择。

对于一般接入控制油路上的各类阀,由于通过的实际流量很小,因此,可按该阀的最小额定流量规格选取,使液压装置结构紧凑。

知识拓展

溢流阀的性能

溢流阀的性能包括溢流阀的静态性能和动态性能,在此作一简单的介绍。

一、静态性能

1.压力调节范围

压力调节范围是指调压弹簧在规定的范围内调节时,系统压力能平稳地上升或下降,且压力无突跳及迟滞现象时的最大和最小调定压力。溢流阀的最大允许流量为其额定流量,在额定流量下工作时,溢流阀应无噪声、溢流阀的最小稳定流量取决于它的压力平稳性要求,一般规定为额定流量的15%。

2.启闭特性

启闭特性是指溢流阀在稳态情况下从开启到闭合的过程中,被控压力与通过溢流阀的溢流量之间的关系。它是衡量溢流阀定压精度的一个重要指标,一般用溢流阀处于额定流量、调定压力ps时,开始溢流的开启压力pk及停止溢流的闭合压力pb分别与ps的百分比来衡量,前者称为开启比,后者称为闭合比,即:

式中　ps可以是溢流阀调压范围内的任何一个值,显然上述两个百分比越大,则两者越接近,溢流阀的启闭特性就越好,一般应使≥90%,≥85%,直动式和先导式溢流阀的启闭特性曲线如图3-18所示。

3.卸荷压力

当溢流阀的远程控制口K与油箱相连时,额定流量下的压力损失称为卸荷压力。

图3-18　溢流阀的启闭特性曲线

图3-19　流量阶跃变化时溢流阀的进口压力响应特性曲线

二、动态性能

当溢流阀在溢流量发生由零至额定流量的阶跃变化时,它的进口压力,也就是它所控制的系统压力,将如图3-19所示的那样迅速升高并超过额定压力的调定值,然后逐步衰减到最终稳定压力,从而完成其动态过渡过程。

定义最高瞬时压力峰值与额定压力调定值ps的差值为压力超调量Δp,则压力超调率Δp为:它是衡量溢流阀动态定压误差的一个性能指标。一个性能良好的溢流阀,其Δp ≤10%～ 30%。图3-19中所示t1称之为响应时间;t2称之为过渡过程时间。显然,t1越小,溢流阀的响应越快;t2越小,溢流阀的动态过渡过程时间越短。

任务3　流量控制阀的选用

知识目标：★掌握流量控制阀的工作原理及特点

　　　　　★掌握流量控制阀主要性能参数

能力目标：★正确选用全液压钻机的流量控制阀

任务导入

在全液压钻机的工作时,开孔与钻进过程中由于工况不同,要求钻机的推进速度与之相适应。全液压钻机是如何调节推进速度的呢?

任务分析

全液压钻机是靠推进液压缸推进,液压缸的运动速度与其输入流量大小有关,为了确保全液压钻机液压系统中推进液压缸有一个合适的推进速度,就需要对流量进行控制,需要使用流量控制阀。下面我们来学习怎样选用节流阀。

相关知识

液压系统中执行元件运动速度的大小,由输入执行元件的油液流量的大小来确定。流量控制阀就是依靠改变阀口通流面积(节流口局部阻力)的大小或通流通道的长短来控制流量的液压阀类。常用的流量控制阀有普通节流阀、压力补偿和温度补偿调速阀、溢流节流阀和分流集流阀等。

一、流量控制原理及节流口形式

节流阀节流口通常有三种基本形式:薄壁小孔、细长小孔和厚壁小孔,但无论节流口采用何种形式,通过节流口的流量q及其前后压力差Δp的关系均可用式q=KAΔpm来表示,三种节流口的流量特性曲线如图3-20所示,由图可知:

图3-20　节流阀特性曲线

(1)压差对流量的影响。节流阀两端压差Δp变化时,通过它的流量要发生变化,三种结构形式的节流口中,通过薄壁小孔的流量受到压差改变的影响最小。

(2)温度对流量的影响。油温影响到油液黏度,对于细长小孔,油温变化时,流量也会随之改变,对于薄壁小孔黏度对流量几乎没有影响,故油温变化时,流量基本不变。

(3)节流口的堵塞。节流阀的节流口可能因油液中的杂质或由于油液氧化后析出的胶质、沥青等而局部堵塞,这就改变了原来节流口通流面积的大小,使流量发生变化,尤其是当开口较小时,这一影响更为突出,严重时会完全堵塞而出现断流现象。因此节流口的抗堵塞性能也是影响流量稳定性的重要因素,尤其会影响流量阀的最小稳定流量。一般节流口通流面积越大,节流通道越短和水力直径越大,越不容易堵塞,当然油液的清洁度也对堵塞产生影响。一般流量控制阀的最小稳定流量为0.05L/min。

综上所述,为保证流量稳定,节流口的形式以薄壁小孔较为理想。图3-21所示为几种常用的节流口形式。图3-21(a)所示为针阀式节流口,它通道长,湿周大,易堵塞,流量受油温影响较大,一般用于对性能要求不高的场合;图3-21(b)所示为偏心槽式节流口,其性能与针阀式节流口相同,但容易制造,其缺点是阀芯上的径向力不平衡,旋转阀芯时较费力,一般用于压力较低、流量较大和流量稳定性要求不高的场合;图3-21(c)所示为轴向三角槽式节流口,其结构简单,水力直径中等,可得到较小的稳定流量,且调节范围较大,但节流通道有一定的长度,油温变化对流量有一定的影响,目前被广泛应用,图3-21(d)所示为周向缝隙式节流口,沿阀芯周向开有一条宽度不等的狭槽,转动阀芯就可改变开口大小。阀口做成薄刃形,通道短,水力直径大,不易堵塞,油温变化对流量影响小,因此其性能接近于薄壁小孔,适用于低压小流量场合;图3-21(e)所示为轴向缝隙式节流口,在阀孔的衬套上加工出图示薄壁阀口,阀芯作轴向移动即可改变开口大小,其性能与图3-21(d)所示节流口相似。为保证流量稳定,节流口的形式以薄壁小孔较为理想。

图3-21　典型节流口的结构形式

在液压传动系统中节流元件与溢流阀并联于液泵的出口,构成恒压油源,使泵出口的压力恒定。如图3-22(a)所示,此时节流阀和溢流阀相当于两个并联的液阻,液压泵输出流量qp不变,流经节流阀进入液压缸的流量q1和流经溢流阀的流量Δq的大小由节流阀和溢流阀液阻的相对大小来决定。若节流阀的液阻大于溢流阀的液阻,则q1<Δq;反之则q1>Δq。节流阀是一种可以在较大范围内以改变液阻来调节流量的元件。因此可以通过调节节流阀的液阻,来改变进入液压缸的流量,从而调节液压缸的运动速度;但若在回路中仅有节流阀而没有与之并联的溢流阀,如图3-22(b)所示,则节流阀就起不到调节流量的作用。液压泵输出的液压油全部经节流阀进入液压缸。改变节流阀节流口的大小,只是改变液流流经节流阀的压力降。节流口小,流速快;节流口大,流速慢,而总的流量是不变的,因此液压缸的运动速度不变。所以,节流元件用来调节流量是有条件的,即要求有一个接受节流元件压力信号的环节(与之并联的溢流阀或恒压变量泵)。通过这一环节来补偿节流元件的流量变化。

图3-22　节流元件的作用

液压传动系统对流量控制阀的主要要求有:

(1)较大的流量调节范围,且流量调节要均匀。

(2)当阀前、后压力差发生变化时,通过阀的流量变化要小,以保证负载运动的稳定。

(3)油温变化对通过阀的流量影响要小。

(4)液流通过全开阀时的压力损失要小。

(5)当阀口关闭时,阀的泄漏量要小。

二、普通节流阀

图3-23所示为一种普通节流阀的结构和图形符号。这种节流阀的节流通道呈轴向三角槽式。压力油从进油口P1流入孔道α和阀芯1左端的三角槽进入孔道b,再从出油口P2流出。调节手柄3,可通过推杆2使阀芯作轴向移动,以改变节流口的通流截面积来调节流量。阀芯在弹簧的作用下始终贴紧在推杆上,这种节流阀的进出油口可互换。

图3-23　普通节流阀

三、调速阀

普通节流阀由于刚性差,在节流开口一定的条件下通过它的工作流量受工作负载(亦即其出口压力)变化的影响,不能保持执行元件运动速度的稳定,因此只适用于工作负载变化不大和速度稳定性要求不高的场合,由于工作负载的变化很难避免,为了改善调速系统的性能,通常是对节流阀进行补偿,即采取措施使节流阀前后压力差在负载变化时始终保持不变。由q=KAΔpm可知,当Δp基本不变时,通过节流阀的流量只由其开口量大小来决定,使Δp基本保持不变的方式有两种:一种是将定压差式减压阀与节流阀并联起来构成调速阀;另一种是将稳压溢流阀与节流阀并联起来构成溢流节流阀。这两种阀是利用流量的变化所引起的油路压力的变化,通过阀芯的负反馈动作来自动调节节流部分的压力差,使其保持不变。

图3-24　调速阀

(a)工作原理图　(b)职能符号　(c)简化职能符号　(d)特性曲线1—减压阀;2—节流阀

1.调速阀

图3-24为调速阀工作原理图,从结构上来看,调速阀是在节流阀2前面串接一个定差减压阀1组合而成。液压泵的出口(即调速阀的进口)压力p1由溢流阀调整基本不变,而调速阀的出口压力p3则由液压缸负载F决定。油液先经减压阀产生一次压力降,将压力降到p2,p2经通道e、f作用到减压阀的d腔和c腔;节流阀的出口压力p3又经反馈通道a作用到减压阀的上腔b,当减压阀的阀芯在弹簧力Fs、油液压力p2和p3作用下处于某一平衡位置时(忽略摩擦力和液动力等),则有:

式中　A、A1和A2分别为b腔、c腔和d腔内压力油作用于阀芯的有效面积,且A=A1+A2。

因为弹簧刚度较低,且工作过程中减压阀阀芯位移很小,可以认为Fs基本保持不变。故节流阀两端压力差p2-p3也基本保持不变,这就保证了通过节流阀的流量稳定。

2.温度补偿调速阀

普通调速阀的流量虽然已能基本上不受外部负载变化的影响,但是当流量较小时,节流口的通流面积较小,这时节流口的长度与通流截面水力直径的比值相对地增大,因而油液的黏度变化对流量的影响也增大,所以当油温升高后油的黏度变小时,流量仍会增大,为了减小温度对流量的影响,可以采用温度补偿调速阀。

油温的变化也将引起油黏度的变化,从而导致通过节流阀的流量发生变化,为此出现了温度补偿调速阀。

温度补偿调速阀的压力补偿原理部分与普通调速阀相同,据q=KAΔpm可知,当Δp不变时,由于黏度下降,K值(m≠0.5的孔口)上升,此时只有适当减小节流阀的开口面积,方能保证q不变。图3-25为温度补偿原理图,在节流阀阀芯和调节螺钉之间放置一个温度膨胀系数较大的聚氯乙烯推杆,当油温升高时,本来流量增加,这时温度补偿杆伸长使节流口变小,从而补偿了油温对流量的影响。在20～60℃的温度范围内,流量的变化率超过10%,最小稳定流量可达20mL/min(3.3×10-7m3/s)。

图3-25　温度补偿原理图

任务实施

流量阀的规格仍根据通过该阀的最高压力和最大流量来选取,同时,要考虑其最小稳定流量是否满足该执行元件最低运动速度的要求和调速性能的要求。在使用中,节流阀的进出油口可以反接,但调速阀当油路反向流动时将不起作用。

为全液压钻机选用流量控制阀。

知识拓展

一、节流阀的刚性

节流阀的刚性表示它抵抗负数变化的干扰,保持流量稳定的能力,即当节流阀开口量不变时,由于阀前后压力差Δp的变化,引起通过节流阀的流量发生变化的情况。流量变化越小,节流阀的刚性越大,反之,其刚性则小,如果以T表示节流阀的刚度,则有:

由式q=KAΔpm,可得:

从节流阀特性曲线图3-20可以发现,节流阀的刚度T相当于流量曲线上某点的切线和横坐标。

夹角β的余切,即

由图3-26和式(3-32)可以得出如下结论:

图3-26　不同开口时节流阀的流量特性曲

(1)同一节流阀,阀前后压力差Δp相同,节流开口小时,刚度大。

(2)同一节流阀,在节流开口一定时,阀前后压力差Δp越小,刚度越低。为了保证节流阀具有足够的刚度,节流阀只能在某一最低压力差Δp的条件下,才能正常工作,但提高Δp将引起压力损失的增加。

(3)取小的指数m可以提高节流阀的刚度,因此在实际使用中多希望采用薄壁小孔式节流口,即m=0.5的节流口。

二、溢流节流阀(旁通型调速阀)

溢流节流阀也是一种压力补偿型节流阀,图3-27为其工作原理图及职能符号。

图3-27　溢流节流阀

(a)工作原理图　(b)职能符号
1—液压缸;2—安全阀;3—溢流阀;4—节流阀

从液压泵输出的油液一部分从节流阀4进入液压缸左腔推动活塞向右运动,另一部分经溢流阀的溢流口流回油箱,溢流阀阀芯3的上端a腔同节流阀4上腔相通,其压力为p2;腔b和下端腔c同溢流阀阀芯3前的油液相通,其压即为泵的压力p1,当液压缸活塞上的负载力F增大时,压力p2升高,a腔的压力也升高,使阀芯3下移,关小溢流口,这样就使液压泵的供油压力p1增加,从而使节流阀4的前、后压力差(p1-p2)基本保持不变。这种溢流阀一般附带一个安全阀2,以避免系统过载。

溢流节流阀是通过p1随p2的变化来使流量基本上保持恒定的,它与调速阀虽都具有压力补偿的作用,但其组成调速系统时是有区别的,调速阀无论在执行元件的进油路上或回油路上,执行元件上负载变化时,泵出口处压力都由溢流阀保持不变,而溢流节流阀是通过p1随p2(负载的压力)的变化来使流量基本上保持恒定的。因而溢流节流阀具有功率损耗低,发热量小的优点。但是,溢流节流阀中流过的流量比调速阀大(一般是系统的全部流量),阀芯运动时阻力较大,弹簧较硬,其结果使节流阀前后压差Δp加大(需达0.3～0.5MPa),因此它的稳定性稍差。

任务4　全液压钻机液压系统的组建

知识目标：★掌握全液压钻机液压系统安装的程序和方法

能力目标：★能正确构建全液压钻机的液压系统

任务导入

全液压钻机的钻杆和钻头旋转、动力头前进和后退都是通过液压传动系统来完成的。为了保障全液压钻机安全、稳定、可靠的工作,必须保证其液压系统动作可靠,而液压系统的合理构建是全液压钻机液压系统能否正常可靠运行的一个重要环节,那么该如何合理地构建全液压钻机液压系统呢?

任务分析

在调高液压的构建过程中,如安装工艺不合理,或出现安装错误,将会造成全液压钻机无法正常工作,给生产带来巨大的经济损失,甚至造成重大安全事故。因此,我们在进行全液压钻机液压系统的安装之前,必须了解全液压钻机液压系统的安装方法和步骤等知识。