4液压辅助元件解读.docx
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4液压辅助元件解读
4液压辅助元件
4.1滤油器
4.2蓄能器
4.3油箱
4.4管件
4.5热交换器
4.1 滤油器
4.1.1对过滤器的要求
液压油中往往含有颗粒状杂质,会造成液压元件相对运动表面的磨损、滑阀卡滞、节流孔口堵塞,使系统工作可靠性大为降低。
在系统中安装一定精度的滤油器,是保证液压系统正常工作的必要手段。
过滤器的过滤精度是指滤芯能够滤除的最小杂质颗粒的大小,以直径d作为公称尺寸表示,按精度可分为粗过滤器(d<100
)普通过滤器(d<10
),精过滤器(d<5
),特精过滤器(d<1
)。
一般对过滤器的基本要求是:
(1)能满足液压系统对过滤精度要求,即能阻挡一定尺寸的杂质进入系统。
(2)滤芯应有足够强度,不会因压力而损坏。
(3)通流能力大,压力损失小。
(4)易于清洗或更换滤芯。
表4.1各种液压系统的过滤精度要求
系统类别
润滑系统
传动系统
伺服系统
工作压力(MPa)
0~2.5
14
14~32
32
21
精度d(m)
100
25~50
25
10
5
4.1.2过滤器的类型及特点
按滤芯的材料和结构形式,滤油器可分为网式、线隙式,纸质滤芯式、烧结式滤油器及磁性滤油器等。
按滤油器安放的位置不同,还可以分为吸滤器,压滤器和回油过滤器,考虑到泵的自吸性能,吸油滤油器多为粗滤器。
(1)网式滤油器
图4.1所示为网式滤油器,其滤芯以铜网为过滤材料,在周围开有很多孔的塑料或金属筒形骨架上,包着一层或两层铜丝网,其过滤精度取决于铜网层数和网孔的大小。
这种滤油器结构简单,通流能力大,清洗方便,但过滤精度低,一般用于液压泵的吸油口。
图4.1网式滤油器
(2)线隙式滤油器
线隙式滤油器如图4.2所示,用钢线或铝线密绕在筒形骨架的外部来组成滤芯,依靠铜丝间的微小间隙滤除混入液体中的杂质。
其结构简单,通流能力大,过滤精度比网式滤油器高,但不易清洗,多为回油过滤器。
图4.2线隙式滤油器
(3)纸质滤油器
纸质滤油器如图4.3所示,其滤芯为平纹或波纹的酚醛树脂或木浆微孔滤纸制成的纸芯,将纸芯围绕在带孔的镀锡铁做成的骨架上,以增大强度。
为增加过滤面积,纸芯一般做成折叠形。
其过滤精度较高,一般用于油液的精过滤,但堵塞后无法清洗,须经常更换滤芯。
图4.3纸质滤油器
(4)烧结式滤油器
烧结式滤油器如图4.4所示,其滤芯用金属粉末烧结而成,利用颗粒间的微孔来挡住油液中的杂质通过。
其滤芯能承受高压,抗腐蚀性好,过滤精度高,适用于要求精滤的高温、高压液压系统。
图4.4烧结式滤油器
4.1.3过滤器的安装
(1)泵入口的吸油粗滤器
用来保护泵,使其不致吸入较大的机械杂质,根据泵的要求,可用粗的或普通精度的滤油器,为了不影响泵的吸油性能,防止发生气穴现象,滤油器的过滤能力应为泵流量的两倍以上,压力损失不得超过0.01~0.035MPa。
(2)泵出口油路上的高压滤油器
这种安装主要用来滤除进入液压系统的污染杂质,一般采用过滤精度10~15m的滤油器。
它应能承受油路上的工作压力和冲击压力,其压力降应小于0.35MPa,并应有安全阀或堵塞状态发讯装置,以防泵过载和滤芯损坏。
(3)系统回油路上的低压滤油器
可滤去油液流入油箱以前的污染物,为液压泵提供清洁的油液。
因回油路压力很低,可采用滤芯强度不高的精滤油器,并允许滤油器有较大的压力降。
(4)安装在系统以外的旁路过滤系统
大型液压系统可专设一液压泵和滤油器构成的滤油子系统,滤除油液中的杂质,以保护主系统。
安装滤油器时应注意,一般滤油器只能单向使用,即进、出口不可互换。
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4.2蓄能器
4.2.1蓄能器的作用
蓄能器的作用是将液压系统中的压力油储存起来,在需要时又重新放出。
其主要作用表现在以下几个方面。
(1)作辅助动力源
在间歇工作或实现周期性动作循环的液压系统中,蓄能器可以把液压泵输出的多余压力油储存起来。
当系统需要时,由蓄能器释放出来。
这样可以减少液压泵的额定流量,从而减小电机功率消耗,降低液压系统温升。
(2)系统保压或作紧急动力源
对于执行元件长时间不动作,而要保持恒定压力的系统,可用蓄能器来补偿泄漏,从而使压力恒定。
对某些系统要求当泵发生故障或停电时,执行元件应继续完成必要的动作时,需要有适当容量的蓄能器作紧急动力源。
(3)吸收系统脉动,缓和液压冲击;
蓄能器能吸收系统压力突变时的冲击,如液压泵突然启动或停止,液压阀突然关闭或开启,液压缸突然运动或停止;也能吸收液压泵工作时的流量脉动所引起的压力脉动,相当于油路中的平滑滤波(在泵的出口处并联一个反应灵敏而惯性小的蓄能器)。
4.2.2蓄能器的结构形式
如图4.5所示蓄能器通常有重力式,弹簧式和充气式等几种。
目前常用的是利用气体压缩和膨胀来储存、释放液压能的充气式蓄能器。
图4.5蓄能器的结构形式
(1)活塞式蓄能器
活塞式蓄能器中的气体和油液由活塞隔开,其结构如图4.6所示。
活塞1的上部为压缩空气,气体由阀3冲充入,其下部经油孔a通向液压系统,活塞1随下部压力油的储存和释放而在缸筒2内来回滑动。
这种蓄能器结构简单、寿命长,它主要用于大体积和大流量。
但因活塞有一定的惯性和O形密封圈存在较大的摩擦力,所以反应不够灵敏。
(2)皮囊式蓄能器
皮囊式蓄能器中气体和油液用皮囊隔开,其结构如图4.7所示。
皮囊用耐油橡胶制成,固定在耐高压的壳体的上部,皮囊内充入惰性气体,壳体下端的提升阀A由弹簧加菌形阀构成,压力油由此通入,并能在油液全部排出时,防止皮囊膨胀挤出油口。
这种结构使气、液密封可靠,并且因皮囊惯性小而克服了活塞式蓄能器响应慢的弱点,因此,它的应用范围非常广泛,其弱点是工艺性较差。
图4.6活塞式蓄能器
图4.7皮囊式蓄能器
(3)薄膜式蓄能器
薄膜式蓄能器利用薄膜的弹性来储存、释放压力能,主要用于体积和流量较小的情况,如用作减震器,缓冲器等。
(4)弹簧式蓄能器
弹簧式蓄能器利用弹簧的压缩和伸长来储存、释放压力能,它的结构简单,反应灵敏,但容量小,可用于小容量、低压回路起缓冲作用,不适用于高压或高频的工作场合。
(5)重力式蓄能器;
重力式蓄能器主要用冶金等大型液压系统的恒压供油,其缺点是反应慢,结构庞大,现在已很少使用。
4.2.3蓄能器的容量计算
容量是选用蓄能器的依据,其大小视用途而异,现以皮囊式蓄能器为例加以说明。
4.2.3.1作辅助动力源时的容量计算
当蓄能器作动力源时,蓄能器储存和释放的压力油容量和皮囊中气体体积的变化量相等,而气体状态的变化遵守玻义耳定律,即
(4.1)
式中:
—皮囊的充气压力;
—皮囊充气的体积,由于此时皮囊充满壳体内腔,故
亦即蓄能器容量;
—系统最高工作压力,即泵对蓄能器充油结束时的压力;
—皮囊被压缩后相应于
时的气体体积;
—系统最低工作压力,即蓄能器向系统供油结束时的压力;
—气体膨胀后相应于
时的气体体积。
体积差
为供给系统油液的有效体积,将它代入式(4.1),使可求得蓄能器容量
,即
由上式得
(4-2)
充气压力
在理论上可与
相等,但是为保证在
时蓄能器仍有能力补偿系统泄漏,则应使
<
,一般取
=(0.8~0.85)
,如已知
,也可反过来求出储能时的供油体积,即
(4.3)
在以上各式中,n是与气体变化过程有关的指数。
当蓄能器用于保压和补充泄漏时,气体压缩过程缓慢,与外界热交换得以充分进行,可认为是等温变化过程,这时取n=1;而当蓄能器作辅助或应急动力源时,释放液体的时间短,气体快速膨胀,热交换不充分,这时可视为绝热过程,取n=1.4。
在实际工作中,气体状态的变化在绝热过程和等温过程之间,因此,n=1~1.4。
4.2.3.2用来吸收冲击用时的容量计算
当蓄能器用于吸收冲击时,其容量的计算与管路布置、液体流态、阻尼及泄漏大小等因素有关,准确计算比较困难。
一般按经验公式计算缓冲最大冲击力时所需要的蓄能器最小容量,即
(4.4)
式中:
—允许的最大冲击(
)
—阀口关闭前管内压力(
)
—用于冲击的蓄能器的最小容量(
)
L—发生冲击的管长,即压力油源到阀口的管道长度(
)
t—阀口关闭的时间(
),实然关闭时取t=0
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4.3油箱
4.3.1油箱的基本功能
油箱的基本功能是:
储存工作介质;散发系统工作中产生的热量;分离油液中混入的空气;沉淀污染物及杂质。
按油面是否与大气相通,可分为开式油箱与闭式油箱。
开式油箱广泛用于一般的液压系统;闭式油箱则用于水下和高空无稳定气压的场合,这里仅介绍开式油箱。
4.3.2油箱的容积与结构
图4.8油箱结构示意图
在初步设计时,油箱的有效容量可按下述经验公式确定
(4.5)
式中:
—油箱的有效容量;
—液压泵的流量;
—经验系数,低压系统:
=2~4,中压系统:
=5~7,中高压或高压系统:
=6~12。
对功率较大且连续工作的液压系统,必要时还要进行热平衡计算,以此确定油箱容量。
下面根据图4.8所示的油箱结构示意图分述设计要点如下:
(1泵的吸油管与系统回油管之间的距离应尽可能远些,管口都应插于最低液面以下,但离油箱底要大于管径的2~3倍,以免吸空和飞溅起泡,吸油管端部所安装的滤油器,离箱壁要有3倍管径的距离,以便四面进油。
回油管口应截成45斜角,以增大回流截面,并使斜面对着箱壁,以利散热和沉淀杂质。
(2)在油箱中设置隔板,以便将吸、回油隔开,迫使油液循环流动,利于散热和沉淀。
(3)设置空气滤清器与液位计。
空气滤清器的作用是使油相箱与大气相通,保证泵的自吸能力,滤除空气中的灰尘杂物,有时兼作加油口,它一般布置在顶盖上靠近油箱边缘处。
(5)设置放油口与清洗窗口。
将油箱底面做成斜面,在最低处设放油口,平时用螺塞或放油阀堵住,换油时将其打开放走油污。
为了便于换油时清洗油箱,大容量的油箱一般均在侧壁设清洗窗口。
(6)最高油面只允许达到油箱高度的80%,油箱底脚高度应在150mm以上,以便散热、搬移和放油,油箱四周要有吊耳,以便起吊装运。
(7)油箱正常工作温度应在15~66C之间,必要时应安装温度控制系统,或设置加热器和冷却器。
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4.4管件
管件包括管道、管接头和法兰等,其作用是保证油路的连通,并便于拆卸、安装;根据工作压力、安装位置确定管件的连接结构;与泵、阀等连接的管件应由其接口尺寸决定管径。
4.4.1管道
管道特点、种类和适用场合见表4.2。
表4.2管道的种类和适用场合
种类
特点和适用范围
钢管
价廉、耐油、抗腐、刚性好,但装配不易弯曲成形,常在拆装方便处用作压力管道,中压以上用无缝钢管,低压用焊接钢管。
紫铜管
价格高,抗振能力差,易使油液氧化,但易弯曲成形,用于仪表和装配不便处。
尼龙管
半透明材料,可观察流动情况,加热后可任意弯曲成形和扩口,冷却后即定形,承压能力较低,一般在2.8~8MPa之间。
塑料管
耐油、价廉、装配方便,长期使用会老化,只用于压力低于0.5MPa的回油或泄油管路
橡胶管
用耐油橡胶和钢丝编织层制成,价格高,多用于高压管路;还有一种用耐油橡胶和帆布制成,用于回油管路。
管道的内径d和壁厚可采用下列两式计算,并需圆整为标准数值,即
(4.6)
(4.7)
式中:
—允许流速,推荐值为:
吸油管为0.5~1.5m/s,回油管为1.5~2m/s,压力油管为2.5~5m/s,控制油管取2~3m/s,橡胶软管应小于4m/s。
n—安全系数,对于钢管,
7MPa时,n=8;7MPa
17.5MPa时,n=6;
17.5MPa时,n=4。
—管道材料的抗拉强度,可由材料手册查出。
管道应尽量短,最好横平竖直,拐弯少,为避免管道皱折,减少压力损失,管道装配的弯曲半径要足够大,管道悬伸较长时要适当设置管夹。
管道尽量避免交叉,平行管距要大于100mm,以防接触振动,并便于安装管接头。
软管直线安装时要有30%左右的余量,以适应油温变化、受拉和振动的需要。
弯曲半径要大于9倍软管外径,弯曲处到管接头的距离至少等于6倍外径。
4.4.2管接头
管接头是管道和管道,管道和其它元件,如泵、阀、集成块等的可拆卸连接件。
管接头与其它元件之间可采用普通细牙螺纹连接或锥螺纹连接,如图4.9所示。
图4.9硬管接头的连接形式
(1)硬管接头
按管接头和管道的连接方式分,有扩口式管接头,卡套式管接头和焊接式管接头三种。
扩口式管接头,适用于紫铜管、薄钢管、尼龙管和塑料管等低压管道的连接,拧紧接头螺母,通过管套使管子压紧密封。
卡套式管接头,拧紧接头螺母后,卡套发生弹性变形便将管子夹紧,它对轴向尺寸要求不严,装拆方便,但对连接用管道的尺寸精度要求较高。
焊接式管接头,接管与接头体之间的密封方式有球面、锥面接触密封和平面加O形圈密封两种。
前者有自位性,安装要求低,耐高温,但密封可靠性稍差,适用于工作压力不高的液压系统;后者密封性好,可用于高压系统。
此外尚有二通、三通、四通、铰接等数种形式的管接头,供不同情况下选用,具体可查阅有关手册。
(2)胶管接头
胶管接头有扩口式和扣压式两种,随管径和所用胶管钢丝层数的不同,工作压力在6~40MPa之间,图4.10为扣压式胶管接头,扩口式胶管接头与其类似,可参见《液压工程手册》。
图4.10扣压式胶管接头
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4.5热交换器
液压系统的工作温度一般希望保持在30~50C的范围之内,最高不超过65C,最低不低于15C,如果液压系统靠自然冷却仍不能使油温控制在上述范围内时,就须安装冷却器;反之,如环境温度太低,无法使液压泵启动或正常运转时,就须安装加热器。
4.5.1冷却器
液压系统中用得较多的冷却器是强制对流式多管头冷却器,如图4.11所示,油液从进油口5流入,从出油口3流出,冷却水从进水口7流入,通过多根水管后由出水口1流出,油液在水管外部流动时,它的行进路线因冷却器内设置了隔板而加长,因而增加了散热效果。
近来出现一种翅片管式冷却器,水管外面增加了许多横向或纵向散热翅片,大大扩大了散热面积和热交换效果,其散热面积可达光滑管的8~10倍。
当液压系统散热量较大时,可使用化工行业中的水冷式板式换热器,它可及时地将油液中的热量散发出去,其参数及使用方法见相应的产品样本。
一般冷却器的最高工作压力在1.6MPa以内,使用时应安装在回油管路或低压管路上,所造成的压力将失一般均0.01~0.1MPa。
图4.11对流式多管头冷却器
图4.12加热器的安装
4.5.2加热器
液压系统的加热一般采用电加热器,这种加热器的安装方式如图4.12所示,它用法兰盘水平安装在油箱侧壁上,发热部分全部浸在油液内,加热器应安装在油液流动处,以利于热量的交换。
由于油液是热的不良导体,单个加热器的功率容量不能太大,以免其周围油液的温度过高而发生变质现象。
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小结
滤油器是液压传动系统最重要的保护元件,通过过滤油液中的杂质来确保液压元件及系统不受污染物的侵袭,从使用场合上可分为高压滤油器和低压滤油器,从过滤精度可分为粗滤器和精滤器,过滤器材料也多种多样,本章介绍了纸质、网式、线隙式及烧结式滤油器的结构。
蓄能器在大型及高精度液压系统占有重要的地位,通常用于吸收脉动、冲击及作为液压系统的辅助油源,在结构上有:
皮囊式、膜片式、重力式、弹簧式及活塞式,蓄能器在工作时基本上是处于动态工况,往往关心的也是其动态特性。
管件是液压系统各元件间传递流体动力的纽带,根据输送流体的压力、流量及使用场合选用不同的管件。
热交换器包括加热器和冷却器,它们的功能是使液压传动介质处在设定的温度范围内,提高传动质量。
油箱作为一非标辅件,根据不同情况进行设计,主要用于传动介质的储存、供应、回收、沉淀、散热等。
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