液压和液压系统的基础知识

液压和液压系统基础知识

液压是使用代表动力传输介质的液压流体产生力和运动。液压系统对于重型设备的运行极为重要。 “hydraulics”一词源于希腊语中的水，最初的意思是研究水在静止和运动中的物理行为。今天，其含义已扩大到包括所有液体的物理行为，包括液压油。液压系统对行业来说并不新鲜。它们为多种工业设备的运行提供了手段。随着工业设备变得越来越复杂，正在开发更新的液压动力系统。

液压系统用于现代生产工厂和制造装置，它们在钢铁工业、采矿、建筑和材料处理设备中发挥着重要作用。液压系统用于操作工具以提升、推动和移动材料。液压系统在行业中的广泛应用从 1950 年代才开始。从那时起，这种形式的电源已成为工业设备运行的标准。今天，液压系统在现代自动化技术中占有非常重要的地位。有很多原因。其中一些原因是液压系统在动力传输方面用途广泛、高效且简单。

动力传输是液压系统的工作，因为它将动力从一种形式转换为另一种形式。在液压系统中，由流体施加的力被传递到机械机构。要了解液压系统的工作原理，有必要了解液压原理。水力学是研究液体在管道和气缸中的运动和压力。

水力学科学可以分为两个分支，即（i）流体动力学和（ii）流体静力学。流体动力学处理移动的液体。流体动力学应用的例子是水轮或涡轮机；所使用的能量是由运动或水和变矩器产生的能量。流体静力学处理压力下的液体。流体静力学应用的例子是液压千斤顶或液压机和液压缸驱动。在静液压装置中，推动被捕获（限制）的液体会传递动力。如果液体在系统中移动或流动，那么该系统中的移动就会发生。当今使用的大多数基于液压的设备都是静液压操作。

用于产生力、运动和信号的控制技术中最常用的三种技术是液压、电力和气动。下面给出液压技术相对于其他技术的优势。

• 使用小部件传输大力，这意味着大功率强度
• 精准定位
• 液压系统可提供一致的动力输出，这在气动或机械驱动系统中难以实现
• 重负载下也能启动
• 甚至可以独立于负载进行运动，因为液体几乎不可压缩并且可以使用流量控制阀
• 平稳运行和反转
• 良好的控制和监管
• 良好的散热
• 与气动系统相比，液压系统泄漏的可能性较小
• 易于安装、简化检查和最低维护要求
• 液压系统使用不可压缩的流体，效率更高。由于流体摩擦，它的损失可以忽略不计
• 系统在炎热的环境条件下表现良好。

液压系统的缺点包括 (i) 废油对环境的污染（火灾或事故的危险），(ii) 对污垢的敏感性，(iii) 过压的危险（切断管线），以及 (iv) 对温度的依赖（粘度变化）。

固定式液压系统和移动式液压系统之间存在基本区别。当移动式液压系统在轮子或履带上移动时，固定式液压系统仍牢牢固定在一个位置。移动液压系统的一个特点是阀门经常手动操作。在固定式液压系统的情况下，通常使用电磁阀。

移动液压系统的典型应用领域包括 (i) 建筑设备，(ii) 自卸车、挖掘机、升降平台，(iii) 起重和输送设备，以及 (iv) 堆场物料搬运设备。固定式液压系统的主要应用领域是 (i) 所有类型的生产和装配机器，(ii) 传输线，(iii) 提升和输送装置，(iv) 轧机，(v) 压力机，(vi) 升降机，以及（vii）注塑机等。机床是典型的应用领域。

17 世纪，一位名叫布莱斯·帕斯卡的法国科学家制定了构成液压学基础的基本定律。帕斯卡定律指出，“施加在受限液体上的压力在所有方向上都不会减弱，并以相等的力作用在所有相等的区域上，并且与这些区域成直角”。该原理也称为受限流体定律。帕斯卡展示了他的定律的实际应用，并证明了对小区域施加小的输入力可以通过扩大输出区域来产生很大的力。当施加到较大的输出区域时，该压力会产生较大的力。这是一种倍增力量的方法。

力的倍增只是使用液压油传输动力的优势之一。此外，力不必以直线（线性）传递。力可以在拐角处或以任何其他非线性方式传递，同时被放大。流体动力是真正的灵活动力传输概念。实际上，流体动力是将动力从基本静止的旋转源传输到远程定位的旋转（圆形）或线性（直线）力放大装置，称为致动器。流体动力也可以被视为将一种势能转换为主动机械形式（线性或旋转力和功率）的转换过程的一部分。一旦将基本能量转换为流体动力，还有以下其他优点。

• 可以通过改变方向或反转来轻松改变力。
• 可以添加保护装置，允许负载运行设备停止，但防止原动机过载和设备组件受到过度应力。
• 设备上不同组件的速度可以相互独立控制，也可以独立于原动机速度控制。

液压流体

液压系统流体主要用于将力传递和分配到要驱动的各种单元。液体之所以能够做到这一点，是因为它们几乎是不可压缩的。水不适合作为液压油，因为它在低温下结冰并在 100 摄氏度时沸腾，还因为它会导致腐蚀和生锈并且几乎没有润滑作用。大多数液压系统使用油（液压油），因为它不能被压缩并且可以润滑系统。液压系统中使用多种类型的流体有多种原因，具体取决于任务和工作环境，但都执行以下基本功能。

• 流体用于通过导管（或管线）将力和动力传递到可以完成工作的执行器。
• 流体是回路中使用的液压元件的润滑介质。
• 流体是一种冷却介质，将热量从液压回路或组件中的“热点”带走，并将其排放到其他地方。
• 流体密封组件运动部件之间的间隙，以提高效率并减少过度泄漏产生的热量。

下面给出了在为特定系统选择液体作为令人满意的液压油时必须考虑的一些特性和特性。

• 粘度 – 它是任何液压油最重要的特性之一。它是流动的内部阻力。粘度随温度降低而增加。对于给定的液压系统而言，令人满意的流体必须具有足够的主体以在泵、阀门和活塞处提供良好的密封，但它不能太厚以至于它会提供流动阻力，从而导致功率损失和更高的工作温度。这些因素增加了负载和零件的过度磨损。流体太稀也会导致运动部件或重载部件快速磨损。
• 化学稳定性 - 化学稳定性是选择液压油时极为重要的特性。它是流体长期抵抗氧化和变质的能力。在恶劣的操作条件下，所有流体都会发生不利的化学变化。例如，当系统在高温下运行相当长的时间时就是这种情况。过高的温度对流体的寿命有很大的影响。通常，运行中的液压系统的油箱中的流体温度并不总是代表运行条件的真实状态。局部热点出现在轴承、齿轮齿上，或受压流体被迫通过小孔的位置。流体连续通过这些点可能会产生足够高的局部温度以使流体碳化或淤积，但储液器中的流体可能不会表明温度过高。
• 闪点 - 闪点是流体释放出足够量的蒸气以瞬间点燃或在施加火焰时闪现的温度。高闪点是液压油的理想选择，因为它表明在常温下具有良好的抗燃烧性和低蒸发度。
• 着火点 – 着火点是流体释放出足够量的蒸气以点燃并在暴露于火花或火焰时继续燃烧的温度。与闪点一样，理想的液压油也需要高燃点。

为了确保液压系统的正常运行和避免损坏液压系统的非金属部件，必须使用正确的流体。液压油的三个主要类别是 (i) 矿物油、(ii) 聚α-烯烃和 (iii) 磷酸酯。

矿物油基液压油用于许多液压系统，其火灾危险性相对较低。它们由石油加工而成。合成橡胶密封件用于石油基流体。聚α-烯烃基液压油是一种耐火氢化油，用于克服矿物油基液压油的可燃性特性。它的阻燃性显着提高，但具有低温下粘度高的缺点。这种油液的使用温度通常限制在 – 40 摄氏度。基于磷酸酯的液压油非常耐火。然而，它们不是防火的，在某些条件下，它们会燃烧。由于成分不同，石油基和磷酸酯基流体不会混合。此外，任何一种流体的密封件都不能与任何其他流体一起使用或耐受任何其他流体。

液压系统需要使用与液压油兼容的特殊附件。必须针对所使用的流体类型专门指定适当的密封件、垫圈和软管。应注意确保安装在系统中的组件与液压油兼容。

液压系统

液压系统可以是开心系统或闭心系统。开中心系统是一种具有流体流动但在致动机构空闲时系统中没有压力的系统。泵使来自储液器的流体循环，通过选择阀，然后返回储液器。开放式中心系统可以采用任意数量的子系统，每个子系统都有一个选择阀。开中心系统的选择阀总是相互串联。在这种布置中，系统压力管线穿过每个选择阀。始终允许流体自由通过每个选择阀并返回到储液罐，直到其中一个选择阀被定位以操作机构。当其中一个选择阀定位成操作致动装置时，流体从泵通过工作管线之一被引导至致动器。选择阀处于此位置时，通过阀流向储液罐的流体被阻断。压力在系统中建立以克服阻力并移动执行缸的活塞；来自执行器另一端的流体返回选择阀并流回油箱。组件启动后系统的操作取决于所使用的选择阀的类型。

在闭心系统中，只要动力泵运行，流体就处于压力之下。有多个执行器并列布置，多个执行单元同时工作，而其他一些执行单元不工作。该系统与开中心系统的不同之处在于选择器或方向控制阀是并联而不是串联布置的。控制泵压力的方法在闭心系统中有所不同。如果使用恒流泵，则系统压力由压力调节器调节。如果调节器发生故障，安全阀充当备用安全装置。如果使用变量泵，系统压力由泵的整体压力机构补偿器控制。补偿器自动改变音量输出。当压力接近正常系统压力时，补偿器开始降低泵的流量输出。当达到正常系统压力时，泵得到完全补偿（接近零流量）。当泵处于这种完全补偿状态时，其内部旁通机构通过泵提供流体循环以进行冷却和润滑。系统中安装了一个安全阀作为安全备份。

开中心系统优于闭中心系统的一个优点是消除了系统的连续加压。由于在选择阀移动到工作位置后压力逐渐增加，因此压力波动的冲击非常小。该动作提供了致动机构的更平稳的操作。操作速度比闭心系统慢，后者在选择阀定位后即可获得压力。

液压系统的基本组件

无论其功能和设计如何，液压系统除了传输流体的装置外，还具有最少数量的基本组件。基本系统由液压泵、液压油箱、方向阀、止回阀、减压阀、选择阀、执行器和过滤器组成。基本液压系统如图1所示。

图1基本液压系统

液压油箱是一个容器，用于容纳供应系统所需的流体，包括一个储备，以弥补轻微泄漏和蒸发造成的任何损失。储液器通常设计为为流体膨胀提供空间，允许流体中夹带的空气逸出，并帮助冷却流体。液压油箱要么通向大气，要么与大气封闭并加压。流体从储液罐流向泵，在那里它被迫通过系统并最终返回储液罐。储液罐不仅满足系统的运行需求，而且还补充因泄漏而损失的流体。此外，储液器还用作溢流池，用于通过热膨胀（由温度变化引起的流体体积增加）、蓄能器以及活塞和活塞杆位移将多余的流体从系统中挤出。储液器还为流体提供了一个地方来清除可能进入系统的气泡。系统中拾取的异物也可能与储液器中的流体分离，或者在流体流过管路过滤器时分离。储罐是加压的或非加压的。大多数储液器中都装有挡板和/或翅片，以防止储液器内的流体发生随机运动，例如涡旋（涡旋）和涌动。这些情况会导致流体起泡，空气会随流体一起进入泵内。

为使液压元件正常工作，流体应尽可能保持清洁。液压油污染是液压系统故障的常见原因之一。

阀门、泵和其他部件的正常磨损产生的异物和微小金属颗粒通常会进入液压系统。过滤器、过滤器和磁塞用于去除液压油中的异物，可有效防止污染。位于储液罐中的磁塞用于从流体中去除铁或钢颗粒。过滤器是从液压油中去除大颗粒异物的初级过滤系统。尽管它的筛选作用不如过滤器，但过滤器提供的流动阻力较小。过滤器用于泵送必须将压降保持在最低水平的入口管线。过滤器从液压油中去除小的异物颗粒，是最有效的防止污染物的保护措施。过滤器位于油箱、压力管线、回流管线或任何其他必要的位置。它们分为全流量或比例流量。主体中的旁路安全阀允许液体绕过过滤器元件并在元件堵塞时直接通过出口端口。没有旁路安全阀的过滤器有一个污染指示器。该指示器的工作原理是流体进入过滤器和离开元件后的压力差。

蓄电池就像一个蓄电池。液压蓄能器存储潜在的动力，在这种情况下，液压流体在压力下用于将来转换成有用的功。这项工作可以包括操作油缸和流体马达，在泵或电源故障的情况下保持所需的系统压力，以及补偿由于泄漏造成的压力损失。蓄能器可以用作流体分配器和流体屏障，并且可以提供减震（缓冲）作用。蓄能器可以是弹簧式、袋式或活塞式。

液压泵将来自原动机（电动机）的机械能转换为液压（压力）能。然后使用压力能量来操作致动器。泵推动液压油并产生流动。组合的泵送和驱动电机单元称为液压泵。液压泵从储油箱中抽取液压油并将其输送到液压回路的其余部分。通常，泵的速度是恒定的，并且泵在每转中输送等量的流体。流体流动的量和方向由一些外部机制控制。在某些情况下，液压泵本身由伺服控制电机操作，但它使系统变得复杂。液压泵的特点是其流量能力、功耗、驱动速度、出口压力和泵的效率。泵的效率不是 100%。泵的效率可以通过两种方式指定。一是容积效率，即输送的实际流体体积与可能的最大理论体积之比。其次是功率效率，即输出液压功率与输入机械/电力功率之比。泵的典型效率从 90% 到 98% 不等。液压泵一般有两种类型，即（i）离心泵和（ii）往复泵。

液压执行器接收压力能量并将其转换为机械力和运动。致动器可以是线性的或旋转的。线性致动器以直线形式提供力和运动输出。它通常被称为气缸，但也被称为柱塞、往复电机或直线电机。旋转致动器产生扭矩和旋转运动。它通常被称为液压马达或马达。

压力调节是将高源压力降低到适合应用的较低工作压力的过程。它试图将出口压力保持在可接受的范围内。通过使用压力调节器进行压力调节。压力调节器的主要功能是将流体流量与需求相匹配。同时，调节器必须将出口压力保持在一定的可接受范围内

阀门用于液压系统中以控制执行器的操作。阀门通过创建特殊的压力条件和控制在回路的某些部分中流动的流体量以及流向的位置来调节压力。液压阀的三类是压力控制、流量（体积）控制和方向控制。一些阀门具有多种功能，将它们归为多个类别。阀门根据其尺寸、压力能力和压降/流量进行评级。

液压系统中三种常见的管道类型是管道、油管和软管，它们也被称为刚性、半刚性和柔性管线。用于液压管路的两种管材是无缝管和电焊管。两者都适用于液压系统。了解流量、流体类型、流体速度和系统压力有助于确定需要使用的管道类型。需要灵活性时使用软管。

配件用于连接液压系统的单元，包括循环系统的各个部分。许多不同类型的连接器可用于液压系统。要使用的类型取决于循环系统的类型（管道、管道或软管）、流体介质和系统的最大工作压力。一些最常见的连接器类型是螺纹连接器、喇叭形连接器、柔性软管接头和可重复使用的配件。

液压回路图

液压回路图是液压回路的完整图纸。图中包括描述、操作序列、注释和组件列表。准确的图表对于设计师、机器制造人员和液压系统维护人员都至关重要。有四种类型的液压回路图。它们是块状、剖面图、图形和图形。这些图表展示了 (i) 组件以及它们将如何交互，(ii) 如何连接组件以及 (iii) 系统如何工作以及每个组件在做什么。

框图显示了组件之间的线条，表示连接和/或交互。剖面图显示了组件的内部结构以及流动路径。由于图表在线条和通道中使用颜色、阴影或各种图案，它可以显示许多不同的流量和压力条件。示意图显示了回路的管道布置。从外部可以看到这些组件，并且通常非常接近它们的实际形状和尺寸。图形图是行业的速记系统，通常是设计和故障排除的首选。简单的几何符号表示组件及其控件和连接。典型的液压回路图如图2所示。

图 2 典型的液压回路示意图