任务描述

液压传动以压力油为能源介质，可以实现各种机械传动和控制功能，下面首先简要学习液压系统的一般知识。

相关知识

一、认识液压系统

图8-1所示为推土机的液压传动系统原理图，下面介绍该系统的工作原理，并总结液压系统的基本构成，帮助同学们建立对液压传动的基本印象。

该液压系统由液压泵、安全阀、换向阀、液压缸、油箱、滤油器和管路等组成。该系统的工作原理如下所述。

①液压泵输出油液，经过油管进入换向阀内。当换向阀处于图8-1所示位置时，通过液压缸两腔的油口被封闭，油液不能通向液压缸，液压缸活塞位置不变，铲刀保持原有的高度。

图8-1　推土机的液压传动系统原理图

②当换向阀手柄右移一个工位时，液压泵输出的油液经换向阀进入液压缸的无杆腔，推动活塞杆外伸，铲刀下降；液压缸有杆腔的油液经换向阀流回油箱。

③当换向阀手柄左移一个工位时，液压泵输出的油液经换向阀进入液压缸的有杆腔，推动活塞杆回缩，铲刀上升；液压缸无杆腔的油液经换向阀流回油箱。

最后，总结液压系统的特点如下。

①液压传动是以密封容积中的受压液体作为工作介质来传递运动和动力的，液压传动的过程是机械能—液压能—机械能的能量转换过程，即液压泵将电动机（或其他原动机）的机械能转换为液体的压力能，再通过控制阀和液压缸将液体的压力能转换为机械能，推动负载运动完成预定的工作。

②综上所述，液压系统由以下四个部分组成。

动力部分：液压泵，将电动机的机械能转换为油液的液压能，给系统提供压力油液。

执行部分：液压缸，将液压泵输入的液压能转换为推动工作台运动的机械能。

控制部分：换向阀、安全阀等，用以控制和调节油液的流向、流量和压力，以满足液压系统的工作需要。

辅助部分：油箱、过滤器、管路及管接头等，其将动力部分、执行部分和控制部分联结起来，以实现各种工作循环。

二、液体压力

液压传动中，液体压力是动力的来源。下面我们来简要了解液体压力的产生过程并认识压力在系统中的传递过程。

1.液体压力的产生

如图8-2所示，油液被封装在密闭的容器中，请同学们想一想，在下列两种情况下压力表3的指针的变化情况。

图8-2　液体压力实验

1—活塞；2—油液；3—压力表

①在活塞上不加任何重量（活塞与油液的重量也略去不计）。

②在活塞上逐渐增加重量。

通过实验不难发现：在第①种情况下，压力表的指针指在零位，表明密闭容器中的油液没有压力；在第②种情况下，压力表的指针开始偏转，而且重量越大，偏转角也增大。

重要提示

上述实验表明：液压系统中压力的大小取决于系统所加的载荷（即负载），当负载从无到有逐渐增加时，液体压力也会由小到大迅速建立。

2.液体压力的表示

根据物理常识我们知道：液体能自由改变其形状，但通常不容易改变其体积，因此一般液体具有不可压缩的性质。

我们将垂直于油液单位面积上的液压作用力称为压力，可由下式表示，即

式中：p——压力强度（MPa）；

F——作用力（N）；

A——作用面积（mm2）。

3.帕斯卡原理

根据作用力与反作用力的原理，图8-2中活塞作用在油液上有多大的压力，油液也必将以同样大小的压力反作用于活塞上。

（1）认识帕斯卡原理

在密闭容器中，加在液体任一部分上的压力，以相等的值传递到连通容器的各个部分，这就是著名的帕斯卡原理。

（2）帕斯卡原理的应用

课堂练习

图8-3所示为相互连通的两个液压缸，若小缸的面积为A1，大缸的面积为A2，在小活塞上加一重物W，问大活塞能顶起重物的重力G为多少？

图8-3　帕斯卡实验

根据帕斯卡原理，可求出小缸与大缸上力的比例关系，由于容器内的压力均为p，则

重要提示

上式表明：当两液压缸面积比（A2/A1）足够大时，只需在小活塞上加较小的力就可在大活塞上获得较大的液压推力，此即液压系统力的放大原理。这样我们就很容易理解液压千斤顶能举起千斤重量的原因了。

4.液压传动中的一组基本概念

为了后面深入理解液压传动系统的工作原理，这里先简要介绍一组基本的液压

概念。

（1）流量(www.daowen.com)

单位时间t内流过管道或液压缸某一截面的油液体积V称为流量，通常以Q表示

（2）平均流速

流速指液体流动的速度。由于油液与容器壁和油液之间的摩擦力大小不同，流动时，同一截面上各点的速度分布较复杂，一般用平均流速v表示，即油液单位时间t内流过管道（或液压缸）的距离s，即

课堂练习

图8-4所示为液压缸，分析活塞的运动速度和液体流量Q、平均流速v的关系。

图8-4　液压缸

通过分析可以得到

重要提示

由上式可知，当液压缸的有效面积一定时，活塞运动速度的大小由输入液压缸的流量决定，与油液压力无直接关系，输入液压缸的流量越大，活塞运动速度就越快。

（3）液流连续性原理

由于油液具有不可压缩性，在压力作用下油液中间也不能有空隙，所以油液流经无分支管道每一截面的流量应相等。

课堂练习

分析如图8-5所示管道中的液体流动情况。

图8-5　直径不均的管道中的液体流动

图8-5中的管道直径不均，从左至右直径逐级减小。由于进出管道流量相等，故Q1=Q2，即A1v1=A2v2。

重要提示

在同一管道中通过任一截面的流量相等。管道各处的流速随截面积大小而改变，截面积大，流速则小。

（4）液阻和压力损失

由于实际液体具有黏性，在管道中流动时，油液的分子之间、油液与管壁之间的摩擦和碰撞会产生阻力，为了克服阻力，必然会引起能量损失，能量损失主要表现为压力损失。

课堂练习

在图8-6中，油液从A处流到B处，中间经过较长的直管路、弯曲管路，各种阀孔和管路截面的突变等，致使油液在A处的压力pA与在B处的压力pB不相等。

图8-6　液流中的压力损失

重要提示

管路系统中的压力损失将导致传动效率降低、油温升高、泄漏增加，液压元件受热膨胀也会影响正常工作，甚至“卡死”。

请同学们思考：图8-6中，A处的压力和B处的压力哪个大？

（5）液体的泄漏

泄漏在液压系统中一般总是不同程度地存在。由于在液压系统中，各液压元件都有相对运动的表面，所以它们之间必须有适当的间隙。所有泄漏都是由油液从高压向低压处流动所造成的。液压缸中活塞与缸壁之间的泄漏，称为内泄漏；而活塞杆与端盖之间油液的泄漏称为外泄漏，如图8-7所示。

图8-7　液体的泄漏

由于泄漏必然伴随着压力的损失，这使工作机构不能获得液压泵输出的全部流量，从而影响工作机构的运动速度等。

（6）液压传动的功率计算

功率是单位时间内力对物体所做的功。液压系统中，压力油具有压力，其做功的功率为

对于任一截面

所以液压缸的输出功率为

式中：P缸——液压缸的输出功率（W）；

p缸——液压缸的最高工作压力（Pa）；

Q缸——液压缸的最大流量（m3/s）。

液压泵的输出功率为

式中：P泵——液压泵的输出功率（W）；

p泵——液压泵的最高工作压力（Pa）；

Q泵——液压泵的最大流量（m3/s），对于输出流量为定值的定量液压泵，为该泵的额定流量。

由于油液在管道中流动有压力损失、泄漏及机械损失，所以驱动液压泵的电动机的功率比液压泵的输出功率要大，引入效率系数η总，则有