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液压元件

概述

液压系统的作用为通过改变压强增大作用力。一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件（附件）和液压油。液压系统可分为两类：液压传动系统和液压控制系统。液压传动系统以传递动力和运动为主要功能。液压控制系统则要使液压系统输出满足特定的性能要求（特别是动态性能），通常所说的液压系统主要指液压传动系统。

分类

一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。

1.动力元件

动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。

2. 执行元件

执行元件(如液压缸和液压马达)的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。

3. 控制元件

控制元件(即各种液压阀)在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。

根据控制功能的不同，液压阀可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为溢流阀(安全阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。

根据控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。

4. 辅助元件

辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、压力表、油位油温计等。 液压油是液压系统中传递能量的工作介质，有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。

选型指南

1、液压泵的选择

1）确定液压泵的最大工作压力pp

pp≥p1+Σ△p

式中 p1——液压缸或液压马达最大工作压力；

Σ△p——从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失。

Σ△p的准确计算要待元件选定并绘出管路图时才能进行，初算时可按经验数据选取：管路简单、流速不大的，取Σ△p=（0.2～0.5）MPa；管路复杂，进口有调阀的，取Σ△p=（0.5～1.5）MPa。

2）确定液压泵的流量QP

多液压缸或液压马达同时工作时，液压泵的输出流量应为：

QP≥K（ΣQmax）

式中 K——系统泄漏系数，一般取K=1.1～1.3；

ΣQmax——同时动作的液压缸或液压马达的最大总流量，可从（Q-t）图上查得。对于在工作过程中用节流调速的系统，还须加上溢流阀的最小溢流量，一般取0.5×10-4m3/s。

系统使用蓄能器作辅助动力源时：

式中 K——系统泄漏系数，一般取K=1.2；

Tt——液压设备工作周期（s）；

Vi——每一个液压缸或液压马达在工作周期中的总耗油量（m3）；

z——液压缸或液压马达的个数。

3）选择液压泵的规格

根据以上求得的pp和Qp值，按系统中拟定的液压泵的形式，从产品样本或本手册中选择相应的液压泵。为使液压泵有一定的压力储备，所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大25%～60%。

4）确定液压泵的驱动功率

在工作循环中，如果液压泵的压力和流量比较恒定，即（p-t）、（Q-t）图变化较平缓，则

式中 pp——液压泵的最大工作压力（Pa）；

QP——液压泵的流量（m3/s）；

ηP——液压泵的总效率，参考表1选择。

表1 液压泵的总效率

限压式变量叶片泵的驱动功率，可按流量特性曲线拐点处的流量、压力值计算。一般情况下，可取pP=0.8pPmax，QP=Qn，则：

式中 ——液压泵的最大工作压力（Pa）；

——液压泵的额定流量（m3/s）。

在工作循环中，如果液压泵的流量和压力变化较大，即（Q-t），（p-t）曲线起伏变化较大，则须分别计算出各个动作阶段内所需功率，驱动功率取其平均功率

式中 t1、t2、…tn——一个循环中每一动作阶段内所需的时间（s）；

P1、P2、…Pn——一个循环中每一动作阶段内所需的功率（W）。

按平均功率选出电动机功率后，还要验算一下每一阶段内电动机超载量是否都在允许范围内。电动机允许的短时间超载量一般为25%。

2、液压阀的选择

1）阀的规格，根据系统的工作压力和实际通过该阀的最大流量，选择有定型产品的阀件。溢流阀按液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀时，要考虑最小稳定流量应满足执行机构最低稳定速度的要求。 控制阀的流量一般要选得比实际通过的流量大一些，必要时也允许有20%以内的短时间过流量。

2）阀的型式，按安装和操作方式选择。

3、蓄能器的选择

根据蓄能器在液压系统中的功用，确定其类型和主要参数。

1）液压执行元件短时间快速运动，由蓄能器来补充供油，其有效工作容积为：

式中 A——液压缸有效作用面积（m2）；

l——液压缸行程（m）；

K——油液损失系数，一般取K=1.2；

QP——液压泵流量（m3/s）； t——动作时间（s）

2）作应急能源，其有效工作容积为：

式中 ——要求应急动作液压缸总的工作容积（m3）。

有效工作容积算出后，根据有关蓄能器的相应计算公式，求出蓄能器的容积，再根据其他性能要求，即可确定所需蓄能器。

4、管道尺寸的确定

（1）管道内径计算：

式中 Q——通过管道内的流量（m3/s）；

——管内允许流速（m/s），见表1。

表1 允许流速推荐值

计算出内径d后，按标准系列选取相应的管子。

（2）管道壁厚δ的计算：

式中 p——管道内最高工作压力（Pa）；

d——管道内径（m）；

[σ]——管道材料的许用应力（Pa），[σ]=  ；

σb——管道材料的抗拉强度（Pa）；

n——安全系数，对钢管来说，p＜7MPa时，取n=8；p＜17.5MPa时，取n=6；p＞17.5MPa时，取n=4。

5、油箱容量的确定

初始设计时，先按经验公式确定油箱的容量，待系统确定后，再按散热的要求进行校核。

油箱容量的经验公式为：

V=αQV

式中 QV——液压泵每分钟排出压力油的容积（m3）；

α——经验系数，见表11。

表11 经验系数α

在确定油箱尺寸时，一方面要满足系统供油的要求，还要保证执行元件全部排油时，油箱不能溢出，以及系统中最大可能充满油时，油箱的油位不低于最低限度。

维护保养

1、专业人员很重要

                                液压设备的调试和维修，都需要专业人员来进行。                                                            

2、保持清洁不可少。

1)、在拆卸液压设备组件时，零件要放在干净的地方，特别是各个密封的表面不能有划伤现象。

2)、油箱周围必须定期进行维护保养，确保清洁，若在灰尘多的环境下，油箱应加盖密封。在油箱上面必须应设置空气过滤器，保持油箱内与大气相通。

3)、油箱油管等设备的清洁必须保持，以利于散热。

4)、液压系统中油泵的吸油过滤器必须要定期清理（约一个月）刚着杂物，防止油泵吸油不足，产生噪音，系统压力上不去等故障。

5)、有回油过滤器的系统，应定期清理滤芯（约一个月），防止回油堵塞，严重时会造成液压组什或油泵破裂。

3、压力控制要把握。

1)、在不影响液压系统正常工作的情况下，液压泵的压力需尽量调低。条件允许的话，背压阀的压力也尽可能调低，这样能减少能耗和发热。

2)、要防止系统中各处的压力低于大气压力。??

3)、液压系统中的压力是通过调压阀来调定液压泵的输出压力。一般情况，调定的压力不能超过其原来设计的额定压力，否则有可能造成液压泵损坏、液压阀卡死或电机烧坏等等现象。

4、良好的密封装置是保障。

                                应使用良好的密封装置，密封失效时应及时更换，管接头及各接合而处的螺钉都应拧紧。防止空气进入液压系统。                                                            

5、油液选择需谨慎。

                                液压设备用油必须经过严格过滤，液压系统中应配置滤油器；油液在油箱中要保持足够的高度，                                                            

6、不同系统不同对待

                                有水冷却器的系统，应保持冷却水量充足，管路畅通。有风冷却器的系统，应保持通风顺畅。防止油温过高。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                

注意事项

1.液压配管

(1)根据压力及使用场合选择油管，油管须有足够的强度，内壁应光滑、清洁，无沙、无锈、无氧化皮，对于长期贮存的管子，加工前应酸洗，彻底清洗、冲刷，并进行检查。

(2)用锯切断管子时，断面与轴线方向的不垂直度应为±0.5°，锐边须倒钝并清除铁屑，加工弯曲管时允许其断面的椭圆度为10%。当其外径<14mm时可用手和一般工具弯管，较粗钢管宜用手动或机动的弯管机弯管，弯管半径一般应比管子外径大3倍。

(3)安装管路要求是，线路最短，转弯尽可能要少，管路的最高部分应设排气装置，以便启动时放气。

(4)安装橡胶管时，应避免急转弯，其弯曲半径R≥(9~l0)D(D为软管外径)。不要在靠近接头根部折弯，要求软管接头至开始弯曲处的距离L≥6D。软管工作时不应扭转。

(5)吸油管不得漏气，也不应阻力太大，以防进气或吸油困难产生气蚀。

(6)回油管口须伸到油箱油面以下，防止飞溅产生气泡。溢流阀的回油管不能直接和泵的入口连通，一定要通过油箱，否则油温将会过高。

(7)全部管路安装程序分两次进行，先进行试装配，将管接头及法兰点焊在合适位置上，当全部管路试装合格后，拆下来进行酸洗后再正式安装。

2.其他液压元件

(1)所有液压元件都要进行压力和密封试验，合格后方可安装。安装前应将各种自动控制仪表进行校验，以免失误。

(2)安装各种控制阀时，应注意其进油口与回油口的方位。用法兰安装阀类件时螺钉不能拧得过紧，过紧有时反而会造成密封不良。

(3)安装液压缸应牢固可靠，为防止热膨胀影响，当行程大和温度高时，缸的一端必须保持浮动。液压缸的密封圈不要太紧，特别是U形圈，以免阻力过大。

(4)液压泵传动轴与电动机驱动轴不同轴度偏差应小于0.lmm，一般采用挠性联轴节连接，不允许用胶带直接带动泵轴转动，以防泵轴受径向力过大，影响泵的正常运转。

(5)安装液压泵时其旋转方向和进、出油口应符合技术要求。

(6)各类液压泵的吸油高度，一般小于0.5mm。

故障排除

1、压力损失

原因：由于液体具有黏性，在管路中流动时又不可避免地存在着摩擦力，所以液体在流动过程中必然要损耗一部分能量。这部分能量损耗主要表现为压力损失。压力损失有沿程损失和局部损失两种。沿程损失是当液体在直径不变的直管中流过一段距离时，因摩擦而产生的压力损失。局部损失是由于管路截面形状突然变化、液流方向改变或其他形式的液流阻力而引起的压力损失。总的压力损失等于沿程损失和局部损失之和。

措施：由于压力损失的必然存在，所以泵的额定压力要略大于系统工作时所需的最大工作压力，一般可将系统工作所需的最大工作压力乘以一个1.3~1.5的系数来估算。

2、流量损失

原因：在液压系统中，各被压元件都有相对运动的表面，如液压缸内表面和活塞外表面，因为要有相对运动，所以它们之间都有一定的间隙。如果间隙的一边为高压油，另一边为低压油，则高压油就会经间隙流向低压区从而造成泄漏。同时，由于液压元件密封不完善，一部分油液也会向外部泄漏。这种泄漏造成的实际流量有所减少，这就是我们所说的流量损失。

措施：流量损失影响运动速度，而泄漏又难以绝对避免，所以在液压系统中泵的额定流量要略大于系统工作时所需的最大流量。通常也可以用系统工作所需的最大流量乘以一个1.1~1.3的系数来估算。

3、液压冲击

原因：执行元件换向及阀门关闭使流动的液体因惯性和某些液压元件反应动作不够灵敏而产生瞬时压力峰值，称液压冲击。其峰值可超过工作压力的几倍。

危害：引起振动，产生噪声；使继电器、顺序阀等压力元件产生错误动作，甚至造成某些元件、密封装置和管路损坏。

措施：找出冲击原因避免液流速度的急剧变化。延缓速度变化的时间，估算出压力峰值，采用相应措施。如将流动换向阀和电磁换向阀联用，可有效地防止液压冲击。

4、空穴现象

现象：如果液压系统中渗入空气，液体中的气泡随着液流运动到压力较高的区域时，气泡在较高压力作用下将迅速破裂，从而引起局部液压冲击，造成噪声和振动。另外，由于气泡破坏了液流的连续性，降低了油管的通油能力，造成流量和压力的波动，使液压元件承受冲击载荷，影响其使用寿命。

原因：液压油中总含有一定量的空气，通常可溶解于油中，也可以气泡的形式混合于油中。当压力低于空气分离压力时，溶解于油中的空气分离出来，形成气泡；当压力降至油液的饱和蒸气压力以下时，油液会沸腾而产生大量气泡。这些气泡混杂于油液中形成不连续状态，这种现象称为空穴现象。

部位：吸油口及吸油管中低于大气压处，易产生气穴；油液流经节流口等狭小缝隙处时，由于速度的增加，使压力下降，也会产生气穴。

危害：气泡随油液运动到高压区，在高压作用下迅速破裂，造成体积突然减小、周围高压油高速流过来补充，引起局部瞬间冲击，压力和温度急剧升高并产生强烈的噪声和振动。

措施：要正确设计液压泵的结构参数和泵的吸油管路，尽量避免油道狭窄和急弯，防止产生低压区；合理选用机件材料，增加机械强度、提高表面质量、提高抗腐蚀能力。

5、气蚀现象

原因：空穴伴随着气蚀发生，空穴中产生的气泡中的氧也会腐蚀金属元件的表面，我们把这种因发生空穴现象而造成的腐蚀叫气蚀。

部位：气蚀现象可能发生在油泵、管路以及其他具有节流装置的地方，特别是油泵装置，这种现象最为常见。气蚀现象是液压系统产生各种故障的原因之一，特别在高速、高压的液压设备中更应注意。

危害和措施与空穴现象的相同。

6、液压系统泄漏

液压系统泄漏原因：

（1）设计及制造的缺陷所造成的；

（2）冲击和振动造成管接头松动；

（3）动密封件及配合件相互磨损（液压缸尤甚）；

（4）油温过高及橡胶密封与液压油不相容而变质。下面就结合以上几个方面浅谈一下控制泄漏的措施。

控制液压系统泄漏的控制方案：

方案一：设计及制造缺陷的解决方法

①液压元件外配套的选择往往在液压系统的泄漏中起着决定性的影响。这就决定我们技术人员在新产品设计、老产品的改进中，对缸、泵、阀件，密封件，液压辅件等的选择，要本着好中选优，优中选廉的原则慎重的、有比较的进行。

②合理设计安装面和密封面：当阀组或管路固定在安装面上时，为了得到满意的初始密封和防止密封件被挤出沟槽和被磨损，安装面要平直，密封面要求精加工，表面粗糙度要达到0．8μm，平面度要达到0．01/100mm。表面不能有径向划痕，连接螺钉的预紧力要足够大，以防止表面分离。

③在制造及运输过程中，要防止关键表面磕碰，划伤。同时对装配调试过程要严格的进行监控，保证装配质量。

④对一些液压系统的泄露隐患不要掉已轻心，必须加以排除。

方案二：减少冲击和振动

为了减少承受冲击和振动的管接头松动引起的液压系统的泄漏，可以采取以下措施：

①使用减震支架固定所有管子以便吸收冲击和振动；

②使用低冲击阀或蓄能器来减少冲击；

③适当布置压力控制阀来保护系统的所有元件；

④尽量减少管接头的使用数量，管接头尽量用焊接连接；

⑤使用直螺纹接头，三通接头和弯头代替锥管螺纹接头；

⑥尽量用回油块代替各个配管；

⑦针对使用的最高压力，规定安装时使用螺栓的扭矩和堵头扭矩，防止结合面和密封件被蚕食；

⑧正确安装管接头。

方案三：减少动密封件的磨损

大多数动密封件都经过精确设计，如果动密封件加工合格，安装正确，使用合理，均可保证长时间相对无泄漏工作。从设计角度来讲，设计者可以采用以下措施来延长动密封件的寿命：

①消除活塞杆和驱动轴密封件上的侧载荷；

②用防尘圈、防护罩和橡胶套保护活塞杆，防止磨料、粉尘等杂质进入；

③设计选取合适的过滤装置和便于清洗的油箱以防止粉尘在油液中累积；

④使活塞杆和轴的速度尽可能低。

方案四：对静密封件的要求

静密封件在刚性固定表面之间防止油液外泄。合理设计密封槽尺寸及公差，使安装后的密封件到一定挤压产生变形以便填塞配合表面的微观凹陷，并把密封件内应力提高到高于被密封的压力。当零件刚度或螺栓预紧力不够大时，配合表面将在油液压力作用下分离，造成间隙或加大由于密封表面不够平而可能从开始就存在的间隙。随着配合表面的运动，静密封就成了动密封。粗糙的配合表面将磨损密封件，变动的间隙将蚕食密封件边缘。

方案五：控制油温防止密封件变质

密封件过早变质可能是由多种因素引起的，一个重要因素是油温过高。温度每升高10℃则密封件寿命就会减半，所以应合理设计高效液压系统或设置强制冷却装置，使最佳油液温度保持在65℃以下；工程机械不许超过80℃；另一个因素可能是使用的油液与密封材料的相容性问题，应按使用说明书或有关手册选用液压油和密封件的型式和材质，以解决相容性问题，延长密封件的使用寿命。

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