1.1 液压传动的工作原理和基本特征

1.1.1 液压传动的工作原理

液压传动在机床上应用很广,具体的结构也比较复杂。下面介绍一个简化了的机床液压传动系统,用以概括地说明液压传动的工作原理。

图1⁃1所示为简化了的机床工作台往复送进的液压系统图。液压缸10固定不动,活塞8连同活塞杆9带动工作台14可以做向左或向右的往复运动。图中所示为电磁换向阀7的左端电磁铁通电而右端的电磁铁断电状态,将阀芯推向右端。液压泵3由电动机带动旋转,通过其内部的密封腔容积变化,将油液从油箱1中,经滤油器2、油管15吸入,并经油管16、节流阀5、油管17、电磁换向阀7、油管20,压入液压缸10的左腔,迫使液压缸左腔容积不断增大,推动活塞及活塞杆连同工作台向右移动。液压缸右腔的回油,经油管21、电磁换向阀7,油管19排回油箱。当撞块12碰上行程开关11时,电磁换向阀7左端的电磁铁断电而右端的电磁铁通电,便将阀芯推向左端。这时,从油管17输来的压力油经电磁换向阀7,由油管21进入液压缸的右腔,使活塞及活塞杆连同工作台向左移动。液压缸左腔的回油,经油管20、电磁换向阀7、油管19排回油箱。电磁换向阀的左、右端电磁铁交替通电,活塞及活塞杆连同工作台便循环往复左、右移动。当电磁换向阀7的左、右端电磁铁都断电时,阀芯在两端的弹簧作用下,处于中间位置。这时,液压缸的左腔、右腔、进油路及回油路之间均不相通,活塞及活塞杆连同工作台便停止不动。由此可见,电磁换向阀是控制油液流动方向的。

调节节流阀5的开口大小,可控制进入液压缸的油液流量,改变活塞及活塞杆连同工作台移动的速度。

在进油路上安装溢流阀6,且与液压泵旁路连接。液压泵的输出压力,可从压力表4中读出。当油液的压力升高到稍超过溢流阀的调定压力时,溢流阀开启,油液经油管18排回油箱,这时油液的压力不再升高,稳定在调定的压力值范围内。溢流阀在稳定系统压力和防止系统过载的同时,还起着把液压泵输出的多余油液排回油箱的作用。

电磁换向阀7的阀芯两端弹簧腔泄漏油,通过油管22(泄漏口)排回油箱。

在图1⁃1所示液压系统中,所采用的液压泵为定量泵,即在单位时间内所输出压力油的体积(称为流量)为定值。定量泵所输出的压力油,除供给系统工作所需外,多余的油液由溢流阀排回油箱,能量损耗就增大。为了节约能源,可以采用在单位时间内所输出的流量根据系统工作所需而调节的变量泵。如果机床液压系统的工作是旋转运动,则可以将液压缸改用液压马达。

通过上述例子可以看到:

① 液压传动是以有压力的油液作为传递动力的介质,液压泵把电动机供给的机械能转换成油液的液压能,油液输入液压缸后,又通过液压缸把油液的液压能转变成驱动工作台运动的机械能。

② 在液压泵中,电动机旋转运动的机械能是依靠密封容积的变化转变为液压能,即输出具有一定压力与流量的液压油。在液压缸中,也是依靠其密封容积的变化,把输入的液压能转换为活塞直线往复运动的机械能。这种依靠密封容积变化来实现能量转换与传递的传动方式称为液压传在液压泵中,电动机旋转运动的机械能是依靠密封容积的变化转变为液压能,即输出具有一定压力与流量的液压油。在液压缸中,也是依靠其密封容积的变化,把输入的液压能转换为活塞直线往复运动的机械能。这种依靠密封容积变化来实现能量转换与传递的传动方式称为液压传动。它与主要依靠液体的动能来传递动力的“液力传动”(例如水轮机、离心泵、液力变矩器等)不同,后者在机床上用得极少。液压传动与液力传动,都是液体传动。

③ 工作台运动时所能克服的阻力大小与油液的压力和活塞的有效工作面积有关,工作台运动的速度决定于在单位时间内通过节流阀流入液压缸中油液体积的多少。

④ 在液压传动系统中,控制液压执行元件(液压缸或液压马达)的运动(速度、方向和驱动负载能力)是通过控制与调节油液的压力、流量及液流方向来实现的,即液流是处在液压控制的状态下进行工作的,因此液压传动与液压控制是不可分割的。然而通常所谓的液压控制系统是指具有液压动力机构的反馈控制系统。

1.1.2　液压传动的基本特征

液压传动是以液体为工作介质,通过驱动装置将原动机的机械能转换为液体的压力能,然后通过管道、液压控制及调节装置等,借助执行装置,将液体的压力能转换为机械能,驱动负载实现直线或回转等运动。

液压传动的基本特征如下。

(1)力的传递

如图1⁃1所示,设大活塞面积为A2,作用其上的负载力为F2,该力在大缸中所产生的液体压力为p2=F2/A2。根据帕斯卡原理,小缸中的液体压力p1等于大缸中的液体压力p2,即p1=p2=p。由此可得

式中　 F1——小活塞上的作用力;

  A1——小活塞面积。

在A1、A2一定时,负载力F2越大,系统中的压力p也越大,所需要的作用力F1也就越大,即系统压力与外负载密切相关。这是液压传动工作原理的第一个特征,即液压传动中工作压力取决于外负载(包括外力和液阻力)。

(2)运动的传递

如图1⁃2所示,如果不考虑液体的可压缩性、漏损和缸体、管路的变形等,小缸排出的液体体积必然等于进入大缸的液体体积。设小活塞位移为s1,大活塞位移为s2,则有

上式两边同除以运动时间t,得

式中 　1,2——小缸活塞、大缸活塞的平均运动速度;

  q1,q2——小缸排出液体的平均流量、进入大缸液体的平均流量。

由上所述可见,液压传动是靠密闭腔工作容积变化相等的原理实现运动(速度和位移)的传递。调节进入大缸的流量q2,即可调节其活塞的运动速度2,这是液压传动工作原理的第二个特征,即活塞的运动速度取决于输入流量的大小。