液壓系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)換
液壓系統(tǒng)
液壓系統(tǒng)可用于從一處向另一處傳遞機(jī)械能。可以通過利用壓力能完成上述操作。液壓泵由機(jī)械能驅(qū)動(dòng)。機(jī)械能在受壓液體中轉(zhuǎn)變成壓力能和動(dòng)能，然后重新變成機(jī)械能作功。
轉(zhuǎn)變能量的手段
提供給液壓系統(tǒng)的原始能量是來自發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能，實(shí)際上是發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)了液壓泵。泵利用這種能量泵出液體，在此過程中，機(jī)械能變成了壓力能和動(dòng)能。液體流經(jīng)液壓系統(tǒng)，并朝油缸和馬達(dá)等執(zhí)行元件方向流動(dòng)。液體中的壓力能和動(dòng)能使執(zhí)行元件產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)過程中，能量再一次轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。
液壓挖掘機(jī)是如何工作的？
在液壓挖掘機(jī)中，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生第一機(jī)械能，第一機(jī)械能帶動(dòng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)。泵使油流出并進(jìn)入系統(tǒng)。油到達(dá)執(zhí)行元件時(shí)，重新在執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)過程中轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。挖掘機(jī)動(dòng)臂因此得到提升或下降，鏟斗得以運(yùn)動(dòng)等等。
液壓和工作
工作的三大元素
需要工作時(shí)，為了使工作成為可能，必須滿足某些條件。必須知道需要多大的力，必須確定完成工作所需的時(shí)間，必須考慮工作方向。
工作力、速度和方向三大條件可以放入下圖的液壓術(shù)語之中。
液壓部件
基本部件
液壓系統(tǒng)中有許多部件?；狙b置是泵和執(zhí)行元件。泵連續(xù)將油推出，并把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成壓力能和動(dòng)能。執(zhí)行元件是把液壓能重新轉(zhuǎn)換成工作所需機(jī)械能的系統(tǒng)部件。
除了泵和執(zhí)行元件之外，液壓系統(tǒng)的連續(xù)操作當(dāng)需要以下部件。
油 箱：貯存油
閥：控制油的流量和流動(dòng)方向，或限制壓力連接管路：連接系統(tǒng)的各個(gè)部件
讓我們看一下兩種極為簡(jiǎn)易的液壓系統(tǒng)。
例子1，液壓千斤頂
這里你看到的是一臺(tái)液壓千斤頂。把力作用于杠桿時(shí)，手動(dòng)泵使油進(jìn)入油缸。油壓作用在活塞上向上推動(dòng)，并提升負(fù)載。液壓千斤頂很像帕斯卡液壓杠桿。這里的油箱加了油。增加了單向閥，使油保持在油箱中，使油缸在泵的行程轉(zhuǎn)換中位置不動(dòng)。上圖中，負(fù)載壓力使輸出單向閥處于關(guān)閉狀態(tài)。泵手柄向上拉動(dòng)時(shí)，輸入單向閥打開，允許油箱中的油注入泵室。接著，向下推動(dòng)泵手柄。油壓關(guān)閉輸入單向閥，而打開輸出單向閥。這一運(yùn)動(dòng)過程中，有較多的油進(jìn)入油缸，推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)。下圖顯示的是打開停止閥，它連接油箱和油缸，這樣油可以流回油箱，使活塞降下。
例子2，液壓油缸運(yùn)行
1．首先，你擁有一只含有液壓油的油箱，液壓油提供給泵使用。
2．下一步，形成油的流動(dòng)必須有泵，但是泵不能從油箱吸油。重力使油進(jìn)入泵。
3．泵每次轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它將油推出。必須記住的重要一點(diǎn)是泵僅僅移動(dòng)容量。容量決定液壓動(dòng)作的速度。負(fù)載形成壓力，泵不產(chǎn)生壓力。
4．泵與控制閥間管道相連接。泵出的油流至閥。閥的任務(wù)是使油流向油缸或油箱。
5．系統(tǒng)的下一步是油缸，油缸作實(shí)際工作?？刂崎y有兩根油管連接油缸。
6．泵出的油通過控制閥流向活塞底部大腔。負(fù)載產(chǎn)生流動(dòng)阻力，并形生壓力。
7．系統(tǒng)似乎很完整，事實(shí)上還不夠完整。它還需要一種十分重要的零件。我們必須考慮在突然超載或其它故障的情況下，如何保護(hù)所有部件免受損壞。即使系統(tǒng)發(fā)生故障，泵仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)并向系統(tǒng)供油。如果泵出的油無處可去，壓力便會(huì)累積，直至一些零件受損。我們裝入一個(gè)溢流閥，防止產(chǎn)生損壞。通常，它是關(guān)閉的，但是壓力達(dá)到設(shè)定量時(shí)，閥門便會(huì)打開并允許油流回油箱。
8．油箱、泵、控制閥、油缸、連接管路和溢流閥組成了基本液壓系統(tǒng)。所有這些零部件都是必需的?，F(xiàn)在，你已經(jīng)清楚地了解了液壓系統(tǒng)的工作過程。
泵的分類
什么是泵？
與你的心臟一樣，心臟輸送全身血液，泵則是液壓系統(tǒng)的心臟。泵是使油運(yùn)動(dòng)并使油進(jìn)入工作狀態(tài)。像我們?cè)?jīng)說過的那樣，液壓泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成受壓液體的壓力能和動(dòng)能。
什么是液壓泵？
每臺(tái)泵都產(chǎn)生流量。泵吸收液體并使液體流至其它地方。有兩種排量泵。
被動(dòng)排量泵
主動(dòng)排量泵
插圖中的水輪是被動(dòng)排量泵的一個(gè)例子。它所做的一切就是吸收液體并使之流動(dòng)。
另一種泵是主動(dòng)排量泵。由于當(dāng)它推動(dòng)液體時(shí)，它使液體隔離，防止液體回流，因此它被稱為主動(dòng)排量泵。如果泵不能完成上述操作，將不能在液壓系統(tǒng)中積累足夠的壓力移動(dòng)負(fù)載。當(dāng)今所有液壓系統(tǒng)均利用高壓力，所以需要主動(dòng)排量泵。
液壓泵的類型
當(dāng)今的大部分機(jī)器使用以下三種類型之一的液壓泵。
齒輪泵
葉輪泵
柱塞泵
三種類型的泵均以轉(zhuǎn)動(dòng)原理運(yùn)行；泵內(nèi)部的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置推動(dòng)液體流動(dòng)。
柱塞泵有兩種類型：
軸向柱塞泵
徑向柱塞泵
之所以稱為軸向泵是因?yàn)楸玫闹惭b在與泵的中心管線（軸）平行的管線上。
之所以稱為徑向泵是因?yàn)樗鼈兊闹麖谋弥行南蛲馍煺?。兩種類型的泵均使用往復(fù)式活塞。柱塞前后運(yùn)動(dòng)，但是它們由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。
液壓泵的排量
排量是指在每一次循環(huán)中泵可以移動(dòng)或轉(zhuǎn)移的油的容量。液壓泵有兩種類型：
定量泵
變量泵
定量泵每一循環(huán)移動(dòng)相同量的油。想要改變這種泵的排出容量，必須改變泵的轉(zhuǎn)速。
變量泵每一循環(huán)可改變它們推動(dòng)的油的容量。這一過程甚至可以在不改變泵轉(zhuǎn)速的情況下完成。這種泵有一可以改變油輸出的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)壓力下降，排量增大，系統(tǒng)壓力上升，排量自動(dòng)減小。
執(zhí)行元件分類
什么是執(zhí)行元件？
執(zhí)行元件是輸出功率的液壓系統(tǒng)部件。執(zhí)行元件將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，是實(shí)際工作的裝置。有線性和旋轉(zhuǎn)兩種執(zhí)行元件。液壓油缸是線性執(zhí)行元件。它輸出的是力和直線運(yùn)動(dòng)。液壓馬達(dá)是旋轉(zhuǎn)執(zhí)行元件。它輸出的是扭矩和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
液壓油缸
液壓油缸就像手臂。有兩種類型的油缸。
單作用油缸。受壓液體只能進(jìn)入油缸一端。必須利用重力這樣的外界力將活塞推動(dòng)到油缸中它原來的位置上。雙作用油缸。受壓液體可以進(jìn)入油缸的任何一端，這樣活塞可以在兩個(gè)方向工作。
在這兩種類型油缸中，活塞以受壓液體推動(dòng)它的方向在油缸缸體中滑行。這些活塞利用不同種類的密封組件防止油的泄漏。
液壓馬達(dá)
像油缸一樣，液壓馬達(dá)是執(zhí)行元件，是一種旋轉(zhuǎn)執(zhí)行元件。
液壓馬達(dá)的動(dòng)作與泵相反。泵輸出液體，而液壓馬達(dá)則由這種液體驅(qū)動(dòng)。就像我們?cè)?jīng)說過的，液壓泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成受壓液體壓力能和動(dòng)能。液壓馬達(dá)將這種液壓能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。
在液壓傳動(dòng)中，泵和馬達(dá)共同工作。泵受到機(jī)械驅(qū)動(dòng)并將液體推至馬達(dá)。
來自泵的液體驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，馬達(dá)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械連桿工作。
液壓馬達(dá)的類型
有三種類型的液壓馬達(dá)，它們內(nèi)部的轉(zhuǎn)動(dòng)部件由進(jìn)入的液體驅(qū)動(dòng)。這三種類型的液壓馬達(dá)是：
齒輪馬達(dá)
葉輪馬達(dá)
柱塞馬達(dá)
排量和扭矩
馬達(dá)的工作輸出叫做扭矩。它是馬達(dá)驅(qū)動(dòng)軸上的旋轉(zhuǎn)力。扭矩用力和力臂的乘積來度量；它不含速度?？商峁┑淖畲髩毫兔恳谎h(huán)排出液體容積決定馬達(dá)的扭矩輸出。輸入流量決定馬達(dá)速度。流量越大，速度越快。
扭矩是馬達(dá)驅(qū)動(dòng)軸上的旋轉(zhuǎn)力。扭矩等于力X力臂（kg/m）。
閥的分類
什么是閥？
閥在液壓系統(tǒng)中起控制作用。閥控制液壓系統(tǒng)中的壓力、流動(dòng)方向和流量大小。
三種主要類型的閥為：
壓力控制閥
方向控制閥
流量控制閥
在以下插圖中，你可以清楚地看到這些閥的工作情況。
壓力控制閥
這種閥用于限制液壓系統(tǒng)中的壓力、泵的卸載或調(diào)整進(jìn)入管路的油壓。有多種類型的壓力控制閥；其中有溢流閥、減壓閥和卸載閥。
方向控制閥
這種閥控制系統(tǒng)中油的流動(dòng)方向。典型的方向控制閥是單向閥和滑閥。
流量控制閥
這種閥控制液壓系統(tǒng)中油的流量。它們通過限制流量或轉(zhuǎn)移流向完成以上操作。是不同類型的流量控制閥、節(jié)流閥和分流閥。
可以用幾種方式控制這些閥：手動(dòng)、液動(dòng)、電動(dòng)、或氣動(dòng)。
壓力控制閥
可利用壓力控制閥進(jìn)行以下操作：
限制系統(tǒng)內(nèi)部壓力
減壓
調(diào)整進(jìn)入管路的油壓
泵的卸載
溢流閥有時(shí)被叫做安全閥，因?yàn)樗鼈冊(cè)趬毫_(dá)到設(shè)定量時(shí)將釋放過量的油。它們防止系統(tǒng)部件由于過載而損壞。
兩種類型的溢流閥是：
直動(dòng)式溢流閥，簡(jiǎn)單地打開和關(guān)閉
先導(dǎo)式溢流閥，利用先導(dǎo)油路控制主溢流閥芯
直動(dòng)式溢流閥通常用于流量較小、以及非經(jīng)常性開啟的場(chǎng)合。先導(dǎo)式溢流閥在必須釋放大容量過量油的場(chǎng)合是必需的。
方向控制閥
像警察指揮交通一樣，這種閥控制油的流向。這種閥的典型類型有：
單向閥
滑閥
上述閥門各自利用不同的閥元件 控制油的流向。單向閥利用提動(dòng)頭和彈簧允許油以單一方向流動(dòng)?；y利用的是滑動(dòng)的閥柱。閥柱前后滑動(dòng)，打開和關(guān)閉油通過的通道。
單向閥
單向閥十分簡(jiǎn)單。它被稱為單路閥。這意指它被打開后允許油以一個(gè)方向流動(dòng)，但是關(guān)閥后可防止油以相反方向流動(dòng)。
你可以在以下插圖中看到它的工作情況。這是軸向單向閥。它為直行管道連接設(shè)計(jì)，允許油直通流過。當(dāng)入口一側(cè)壓力大于出口一側(cè)壓力時(shí)，閥門提動(dòng)頭打開。它打開時(shí)，油可通過開口自由流過。入口一側(cè)壓力下降時(shí)，提動(dòng)頭關(guān)閉。閥門截止回流并堵住出口一側(cè)的壓力油。
換向閥
換向閥是典型方向控制閥，它可用于控制執(zhí)行元件的操作。平時(shí)所說的控制閥即為換向閥。換向閥控制油流，以啟動(dòng)、運(yùn)行和停止執(zhí)行元件。
閥柱從中間位置向右或向左移動(dòng)時(shí)，它打開一些油的通道，關(guān)閉另一些通道。它以這種方式控制油從執(zhí)行元件流進(jìn)和流出。閥柱處于密閉進(jìn)出油的位置。
閥柱通常質(zhì)地特硬并經(jīng)磨光，它具有光滑、精確、耐用的表面。它們甚至經(jīng)過鍍鉻以便耐受磨損、生銹和腐蝕。
本插圖中的滑閥顯示三種位置，中位、左位和右位。我們稱之為4通閥，因?yàn)樗鼡碛?條可能的通道，這些通道通向油缸兩端，以及油箱和泵。
把閥門向左移動(dòng)時(shí)，油從泵流向油缸左側(cè)，油缸右側(cè)的油流向油箱。結(jié)果，活塞向右移動(dòng)。如果將欄桿向右移動(dòng)，動(dòng)作相反，活塞向左移動(dòng)。在中間位置，中位的油流向油箱。油缸兩端的通道關(guān)閉。
流量控制閥
就像我們?cè)?jīng)說過的，流量控制閥以兩種方式中的一種方式工作。它們限制流量或者轉(zhuǎn)移流量。
流量控制閥用于通過計(jì)量流量控制執(zhí)行元件速度?！坝?jì)量”意指測(cè)量或調(diào)節(jié)從執(zhí)行元件進(jìn)出的流量。流量分配閥控制流動(dòng)容量，還分配兩條或多條回路之間的流量。
流量分配閥控制流動(dòng)容量，還分配兩條或多條回路之間的流量。
比例流量分配器
此閥門的用途是分配單一來源的油流。下圖流量分配器將兩出口的流量分成大約75:25。因?yàn)镹o.1入口大于No.2入口，使得這種分配成為可能。
回路圖
回路圖
你已經(jīng)在本教材中看到許多簡(jiǎn)單的示意圖和插圖，它們幫助你了解液壓系統(tǒng)及其零件和原理。我們已經(jīng)在許多場(chǎng)合向你展示了結(jié)構(gòu)，但是，除了這些插圖之外，我們幾乎始終在利用一種不同的示意圖。我們利用的示意圖叫做系統(tǒng)圖。系統(tǒng)的每一個(gè)部分和每一條管路都用符號(hào)表示。
你可以在以下系統(tǒng)圖中看到一些很好的例子。必須牢記，當(dāng)你審視系統(tǒng)圖時(shí)，它們的目的不是向你顯示零件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)圖只用于顯示功能和連接。
管路的分類
在液壓系統(tǒng)的所有部件之間都有油路管路。由于各自具備不同的功能，因此各自都有不同的名稱。這些管路的主要名稱是：
壓力管路
工作管路
吸油管路
回油管路
泄漏管路
非工作管路
先導(dǎo)管路
工作管路傳輸與能量轉(zhuǎn)換有關(guān)的油。吸油管路將油從油箱傳送至泵；壓力管路將處于壓力下的油從泵傳輸至執(zhí)行元件工作；回油管路是油中液壓能量于執(zhí)行元件處用完之后將油從執(zhí)行元件送回油箱。
非工作管路是輔助管路，它不傳輸傳送油的主能量。泄漏管路用于將泄漏油或排出的先導(dǎo)油送回油箱。另一方面，先導(dǎo)管路傳輸控制部件操作所使用的油。
液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了液壓系統(tǒng)工作的基本原理，了解了液壓系統(tǒng)的工作過程。結(jié)束本文之前，讓我們?cè)倏匆幌乱簤合到y(tǒng)與其它動(dòng)力傳動(dòng)方法相比較的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
優(yōu)點(diǎn)
1．靈活—密閉液體是最靈活的動(dòng)力源，具有優(yōu)秀的力轉(zhuǎn)移性能。利用管道和軟管取代機(jī)械部件可以排除布局問題。
2．力放大—極小的力可以移動(dòng)和控制大得多的力。
3．平穩(wěn)—液壓系統(tǒng)在運(yùn)行過程中平穩(wěn)和安靜。振動(dòng)保持在最低程度。
4．簡(jiǎn)易—這種系統(tǒng)中幾乎沒有運(yùn)動(dòng)部件并且磨損點(diǎn)較少，并且系統(tǒng)可自動(dòng)潤滑。
5．簡(jiǎn)潔—與復(fù)雜的機(jī)械裝置相比，部件設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單。例如，液壓馬達(dá)尺寸比產(chǎn)生相同功率的電動(dòng)機(jī)小得多。
6．經(jīng)濟(jì)—簡(jiǎn)易和緊湊，使系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)節(jié)能，系統(tǒng)在使用過程中，幾乎不損耗功率。
7．安全—溢流閥保護(hù)系統(tǒng)，不致由于過載而受損。
缺點(diǎn)
需要良好的維護(hù)保養(yǎng)—由于液壓部件是精密部件并在高壓力之下使用，因此需要良好的維護(hù)保養(yǎng)，以防止生銹、腐蝕、污垢、油變質(zhì)等等，所以必須保持清潔和使用適當(dāng)?shù)囊簤河汀?br/>
