學(xué)習(xí)情境1 認識液壓傳動
任務(wù)1 機床工作臺液壓系統(tǒng)的認識
【任務(wù)目標】
1.掌握機床工作臺液壓系統(tǒng)的基本工作原理,了解液壓傳動的系統(tǒng)組成。
2.了解液壓傳動的發(fā)展與應(yīng)用。
3.了解液壓傳動的特點。
【任務(wù)描述】
觀察、使用液壓千斤頂了解液壓傳動的工作原理,分析機床往復(fù)運動工作臺往返運動的工作過程,了解液壓傳動系統(tǒng)的組成與特點。
【知識準備】
流體傳動可分為液體傳動和氣體傳動。液壓傳動和液力傳動均是以液體作為工作介質(zhì)來進行能量傳遞的傳動方式。液壓傳動主要是利用液體的壓力能來傳遞能量;而液力傳動則主要是利用液體的動能來傳遞能量。
1.液壓傳動的工作原理
圖1-1-1是液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟韴D。大油缸9和大活塞8組成舉升液壓缸。杠桿手柄1、小油缸2、小活塞3、單向閥4和7組成手動液壓泵。如提起手柄使小活塞向上移動,小活塞下端油腔容積增大,形成局部真空,這時單向閥4打開,通過吸油管5從油箱12中吸油;用力壓下手柄,小活塞下移,小活塞下腔壓力升高,單向閥4關(guān)閉,單向閥7打開,下腔的油液經(jīng)管道6輸入舉升油缸9的下腔,迫使大活塞8向上移動,頂起重物。再次提起手柄吸油時,單向閥7自動關(guān)閉,使油液不能倒流,從而保證了重物不會自行下落。不斷地往復(fù)扳動手柄,就能不斷地把油液壓入舉升缸下腔,使重物逐漸地升起。如果打開截止閥11,舉升缸下腔的油液通過管道10、截止閥11流回油箱,活塞在自重和外力作用下就向下移動。

圖1-1-1 液壓千斤頂工作原理圖
1—杠桿手柄;2—小油缸;3—小活塞;4,7—單向閥;5—吸油管;6,10—管道;8—大活塞;9—大油缸;11—截止閥;12—油箱
通過對上面液壓千斤頂工作過程的分析,可以初步了解到液壓傳動的基本工作原理。液壓傳動是利用有壓力的油液作為傳遞動力的工作介質(zhì)。壓下杠桿時,小油缸2輸出壓力油,是將機械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能,壓力油經(jīng)過管道6及單向閥7,推動大活塞8舉起重物,是將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機械能。大活塞8舉升的速度取決于單位時間內(nèi)流入大油缸9中油容積的多少。由此可見,液壓傳動是一個不同能量的轉(zhuǎn)換過程。
從分析液壓千斤頂?shù)墓ぷ鬟^程,可知液壓傳動的基本工作原理。
①液壓傳動以液體為傳遞運動和動力的工作介質(zhì);
②液壓傳動必須依靠密閉的容積(或密閉系統(tǒng))內(nèi)工作容積的變化傳遞能量;
③液壓傳動是一種能量轉(zhuǎn)換裝置,經(jīng)過兩次能量轉(zhuǎn)換過程,先將機械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能,然后將便于輸送的液體的壓力能又轉(zhuǎn)換成機械能。
2.液壓傳動系統(tǒng)的組成
液壓千斤頂是一種簡單的液壓傳動裝置。下面以圖1-1-2所示機床往復(fù)運動工作臺的液壓傳動系統(tǒng)為例,進一步了解液壓傳動系統(tǒng)應(yīng)具備的基本性能和組成。

圖1-1-2 機床工作臺液壓系統(tǒng)工作原理圖
1—工作臺;2—液壓缸;3—活塞;4—換向手柄;5—換向閥;6,8,16—回油管;7—節(jié)流閥;9—開停手柄;10—開停閥;11—壓力管;12—壓力支管;13—溢流閥;14—鋼球;15—彈簧;17—液壓泵;18—濾油器;19—油箱
從機床工作臺液壓系統(tǒng)可以看出,一個完整的、能夠正常工作的液壓系統(tǒng),應(yīng)該由以下五個主要部分組成。
(1)工作介質(zhì) 工作介質(zhì)指傳遞能量和信號的流體。在液壓系統(tǒng)中通常用液壓油作工作介質(zhì),同時還可起潤滑、冷卻和防銹的作用。
(2)能源裝置 能源裝置是指供給液壓系統(tǒng)壓力油,把機械能轉(zhuǎn)換成液壓能的裝置。最常見的形式是液壓泵(如圖1-1-2中的液壓泵17)。
(3)執(zhí)行裝置 執(zhí)行裝置是指把液壓能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置。包括做直線運動的液壓缸(如圖1-1-2中的液壓缸2)和做回轉(zhuǎn)運動的液壓馬達、擺動缸。它們又稱為液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件。
(4)控制調(diào)節(jié)裝置 控制調(diào)節(jié)裝置是對系統(tǒng)中的壓力、流量或流動方向進行控制或調(diào)節(jié)的裝置。包括各種閥類元件(如圖1-1-2中的換向閥5、節(jié)流閥7、溢流閥13等)。
(5)輔助裝置 除以上裝置外的其他元器件都稱為輔助裝置,如油箱、油管、管接頭、過濾器、蓄能器、壓力計等,起連接、儲油、過濾、儲存壓力能和測量油液壓力等作用,它們對保證系統(tǒng)正常工作是必不可少的。
【任務(wù)實施】
1.場地及設(shè)備
(1)場地 液壓實訓(xùn)室、實訓(xùn)基地。
(2)設(shè)備 液壓組合實訓(xùn)臺、液壓千斤頂及機床工作臺液壓系統(tǒng)。
2.機床工作臺液壓系統(tǒng)工作過程
液壓缸2固定在床身上,活塞連同活塞桿帶動工作臺1做往復(fù)運動。液壓泵17由電動機驅(qū)動,從油箱19中吸油。油液經(jīng)濾油器18被吸入液壓泵輸入系統(tǒng)。在圖1-1-2(a)所示狀態(tài)下,壓力油經(jīng)開停閥10、節(jié)流閥7、換向閥5進入液壓缸左腔,推動活塞使工作臺向右移動。液壓缸右腔的油經(jīng)換向閥和回油管6排回油箱。改變換向閥閥芯工作位置[如圖1-1-2(b)所示狀態(tài)],則液壓缸活塞反向向左移動。
工作臺的移動速度是通過節(jié)流閥7來調(diào)節(jié)的。當節(jié)流閥開大時,進入液壓缸的油量增多,工作臺的移動速度增大;當節(jié)流閥關(guān)小時,進入液壓缸的油量減小,工作臺的移動速度減小。為克服移動工作臺時所受到的各種阻力,液壓泵輸出油液的壓力應(yīng)能調(diào)整。根據(jù)不同工作情況,液壓泵輸出的油液壓力由溢流閥13進行調(diào)整。一般由于電機轉(zhuǎn)速一定,使液壓泵單位時間內(nèi)輸出的油液體積也為定值,而輸入液壓缸的油液多少由節(jié)流閥7調(diào)節(jié),因此液壓泵輸出的多余油液須經(jīng)溢流閥13流回油箱19。
為了克服移動工作臺時所受到的各種阻力,液壓缸必須產(chǎn)生一個足夠大的推力,這個推力是由液壓缸中的油液壓力所產(chǎn)生的。要克服的阻力越大,缸中的油液壓力越高;反之壓力就越低。這種現(xiàn)象正說明了液壓傳動的一個基本原理——壓力決定于負載。
3.液壓傳動系統(tǒng)圖的圖形符號
圖1-1-2所示的液壓系統(tǒng)是一種半結(jié)構(gòu)式的工作原理圖。它直觀性強、容易理解,當液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時,根據(jù)原理圖檢查十分方便,但難于繪制。為了簡化液壓原理圖的繪制,國家標準(GB/T 786.1—1993)規(guī)定了“液壓氣動圖形符號”,這些符號只表示元件的職能,連接系統(tǒng)的通路,不表示元件的結(jié)構(gòu)和參數(shù),也不表示元件在機器中的實際安裝位置,并以元件的靜止狀態(tài)或零位狀態(tài)表示。一般液壓傳動系統(tǒng)圖均應(yīng)按標準規(guī)定的圖形符號繪制,若某些元件無法用圖形符號表示,或需著重說明系統(tǒng)中某一重要元件的結(jié)構(gòu)和動作原理時,允許采用結(jié)構(gòu)原理圖表示。圖1-1-3即為用圖形符號繪制的圖1-1-2所示的機床工作臺液壓系統(tǒng)工作原理圖。

圖1-1-3 機床工作臺液壓系統(tǒng)的圖形符號圖
1—工作臺;2—液壓缸;3—活塞;4—換向閥;5—節(jié)流閥;6—開停閥;7—溢流閥;8—液壓泵;9—濾油器;10—油箱
【知識拓展】
1.液壓傳動技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展
液壓傳動從1795年英國制造出世界上第一臺水壓機誕生,至今已有200多年的歷史。19世紀末,德國制造出液壓龍門刨床,美國制成液壓六角車床和磨床,但因當時缺乏成熟的液壓元件以及受制造工藝水平的限制,液壓傳動技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展緩慢。二戰(zhàn)期間,一些兵器由于采用了反應(yīng)快、動作準、功率大的液壓傳動裝置,大大提高了兵器的性能,同時推動了液壓技術(shù)的發(fā)展。戰(zhàn)后,液壓傳動技術(shù)迅速轉(zhuǎn)向民用,在機械制造、工程建筑、交通運輸、礦山冶金、航空航海、輕工、農(nóng)林漁業(yè)等行業(yè)廣泛地應(yīng)用。20世紀60年代后,隨著原子能技術(shù)、空間技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展,液壓技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛。
目前,液壓技術(shù)正在向高壓、高速、高效、大流量、大功率、微型化、低噪聲、經(jīng)久耐用、高度集成化和模塊化、高可靠性及污染控制的方向發(fā)展。同時,隨著計算機輔助設(shè)計、計算機仿真和優(yōu)化、微機控制等技術(shù)在液壓元件和液壓系統(tǒng)設(shè)計中的快速應(yīng)用,又使液壓技術(shù)的發(fā)展向更廣闊的領(lǐng)域滲透,發(fā)展成為包括傳動、控制和檢測在內(nèi)的一門完整的自動化技術(shù)。因此采用液壓傳動的程度已成為衡量一個國家工業(yè)技術(shù)水平的重要標志之一。
我國的液壓技術(shù)行業(yè)最初在20世紀50年代開始生產(chǎn)各種通用液壓元件,應(yīng)用于機床和鍛壓設(shè)備上,后來又用于拖拉機和工程機械。自1964年從國外引進一些液壓元件生產(chǎn)技術(shù)以及進行自行設(shè)計以來,現(xiàn)已形成了系列,并在各種機械設(shè)備上得到了廣泛的使用。當前,我國經(jīng)濟發(fā)展迅猛,液壓工業(yè)也和其他工業(yè)一樣,發(fā)展很快。我國已自行設(shè)計和生產(chǎn)出許多新型系列產(chǎn)品,如插裝式錐閥、電液比例閥、電液比例閥、電液伺服閥、電液脈沖馬達以及其他新型液壓元件等。但由于過去基礎(chǔ)薄弱,所生產(chǎn)的液壓液壓元件在品種與質(zhì)量等方面和發(fā)達國家先進水平相比,還存在一定差距。可以預(yù)見,隨著我國液壓傳動在各個工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,液壓技術(shù)將獲得進一步發(fā)展,也將會越來越廣泛。
2.液壓傳動的優(yōu)缺點
液壓傳動與機械傳動、電氣傳動、氣壓傳動相比較主要有以下優(yōu)點。
①相同功率的情況下,體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小,可快速啟動和頻繁換向,能傳遞較大的力和轉(zhuǎn)矩。
②可在運行過程中方便地實現(xiàn)無級調(diào)速,且調(diào)速范圍大,可達100:1至2000:1。而其最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可低至每分鐘幾轉(zhuǎn),可實現(xiàn)低速強力或低速大扭矩傳動。
③傳遞運動均勻平穩(wěn)、方便可靠,負載變化時速度較穩(wěn)定。
④控制調(diào)節(jié)方便、省力,易于實現(xiàn)自動化。與電氣控制或氣動控制配合使用,能實現(xiàn)各種復(fù)雜的自動工作循環(huán),而且可以實現(xiàn)遠程控制或遙控。
⑤易于實現(xiàn)過載保護,同時液壓元件可自行潤滑,使用壽命較長。
⑥液壓元件實現(xiàn)了標準化、通用化、系列化,便于設(shè)計制造和推廣使用。
⑦液壓傳動系統(tǒng)元件之間用管路連接時,布置安裝方便靈活。
液壓傳動的主要缺點。
①液壓系統(tǒng)存在泄漏和液體的可壓縮性,影響運動的平穩(wěn)性和準確性,使得液壓傳動不能保證嚴格的傳動比。
②對油溫變化較敏感,運動件的速度不易保持穩(wěn)定,同時對油液的清潔程度要求高。所以它不宜在溫度變化很大的環(huán)境條件下工作。
③為減少泄漏,液壓元件制造精度要求較高,加工工藝較復(fù)雜,因而成本造價較高。
④系統(tǒng)發(fā)生故障時,不易檢查和排除。
⑤傳動過程中需經(jīng)兩次能量轉(zhuǎn)換,能量損失較大,因而傳動效率較低,不宜于遠距離傳動。
總之,液壓傳動的優(yōu)點是主要的,隨著設(shè)計制造和使用水平的不斷提高,有些缺點正在逐步加以克服。液壓傳動有著廣泛的發(fā)展前景。
【思考與練習(xí)】
1.什么是液壓傳動?簡述其工作原理。
2.液壓系統(tǒng)由哪幾部分組成?各組成部分的作用是什么?
3.液壓傳動有哪些優(yōu)缺點?最突出的優(yōu)點是什么?目前最難解決的缺點是什么?
4.根據(jù)圖1-1-3畫出液壓泵、液壓缸、溢流閥、節(jié)流閥、濾油器的圖形符號。
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