智能控制系统液压系统的机械原理

液压系统是由液压元件(液压油泵)、液压控制元件(各种液压阀)、液压执行元件(液压缸和液压马达等)、液压辅件(管道和蓄能器等)和液压油组成的。

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一、什么是泵?

液压站又称液压泵站,电机带动油泵旋转,泵从油箱中吸油后打油,将机械能转化为液压油的压力能,液压油通过集成块(或阀组合)被液压阀实现了方向、压力、流量调节后经外接管路传输到液压机械的油缸或油马达中,从而控制了液动机方向的变换、力量的大小及速度的快慢,推动各种液压机械做功。

液压站是独立的液压装置,它按驱动装置(主机)要求供油,并控制油流的方向、压力和流量,它适用于主机与液压装置可分离的各种液压机械下,由电机带动油泵旋转,泵从油箱中吸油后打油,将机械能转化为液压油的压力能。

二、泵的组成与历史来源

泵输送液体或使液体增压的机械。广义上的泵是输送流体或使其增压的机械,包括某些输送气体的机械。泵把原动机的机械能或其他能源的能量传给液体,使液体的能量增加。

古代已有各种提水器具,如埃及的链泵(前17世纪)、中国的桔槔(前17世纪)、辘轳(前11世纪)、水车(公元1世纪),以及公元前3世纪古希腊阿基米德发明的螺旋杆等。公元前200年左右,古希腊工匠克特西比乌斯发明了最原始的活塞泵-灭火泵。早在1588年就有了关于4叶片滑片泵的记载,以后陆续出现了其他各种回转泵。1689年,法国的D.帕潘发明了4叶片叶轮的蜗壳离心泵。1818年,美国出现了具有径向直叶片、半开式双吸叶轮和蜗壳的离心泵。1840~1850年,美国的沃辛顿发明了泵缸和蒸汽缸对置的蒸汽直接作用的活塞泵,标志着现代活塞泵的形成。1851~1875年,带有导叶的多级离心泵相继发明,使发展高扬程离心泵成为可能。随后,各种泵相继问世。

三、泵的基本参数

泵主要性能的基本参数有以下几个:

1、流量Q
流量是泵在单位时间内输送出去的液体量(体积或质量)。
体积流量用Q表示,单位是:m3/s,m3/h,l/s等。
质量流量用Qm表示,单位是:t/h,kg/s等。
质量流量和体积流量的关系为:
Qm=ρQ
式中ρ——液体的密度(kg/m3,t/m3),常温清水ρ=1000kg/m3。


2、扬程H
扬程是泵所抽送的单位重量液体从泵进口处(泵进口法兰)到泵出口处(泵出口法兰)能量的增值。也就是一牛顿液体通过泵获得的有效能量。其单位是N·m/N=m,即泵抽送液体的液柱高度,习惯简称为米。


3、转速n
转速是泵轴单位时间的转数,用符号n表示,单位是r/min。


4、汽蚀余量

NPSH汽蚀余量又叫净正吸头,是表示汽蚀性能的主要参数。汽蚀余量国内曾用Δh表示。

5、功率和效率
泵的功率通常是指输入功率,即原动机传支泵轴上的功率,故又称为轴功率,用P表示;
泵的有效功率又称输出功率,用Pe表示。隔膜泵它是单位时间内从泵中输送出去的液体在泵中获得的有效能量。
因为扬程是指泵输出的单位重液体从泵中所获得的有效能量,所以,扬程和质量流量及重力加速度的乘积,就是单位时间内从泵中输出的液体所获得的有效能量——即泵的有效功率:
Pe=ρgQH(W)=γQH(W)
式中ρ——泵输送液体的密度(kg/m3);
γ——泵输送液体的重度(N/m3);
Q——泵的流量(m3/s);
H——泵的扬程(m);
g——重力加速度(m/s2)。
轴功率P和有效功率Pe之差为泵内的损失功率,其大小用泵的效率来计量。泵的效率为有效功率和轴功率之比,用η表示。

四、泵的压力与转速

液压泵的主要参数有压力、转速、排量与流量、功率与效率等。本文大兰液压小编主要讲的是液压泵的压力与转速。

1、压力

①工作压力p液压泵实际工作时的输出压力称为工作压力。液压泵在运行过程中,其工作压力的大小或者随负载变化而变化(压力适应)(图1),即负载越大,泵的工作压力越大,反之则泵的工作压力越小;或者由压力控制阀或恒压泵稳定在一个或几个设定值上(单级调压或多级调压)(图2和图3);对于比例控制压力系统,泵的压力将随比例压力控制阀的输入信号(电流)的变化而变化(图4)。

我国液压系统与元件压力(工作压力、额定压力、最高压力等)的法定计量单位采用Pa(帕,N/m2),当压力较高时,采用MPa(兆帕)表示(1MPa=106Pa)。压力应符合GB/T2346-2003规定的压力系列(下表)。

流体传动系统及元件公称压力系列

我国以前曾用过的压力单位有kgf/cm2(公斤力/厘米2)、bar(巴)、工程大气压、水柱高或汞柱高等,而美国则一直采用英制的lbf/in2(磅力/英寸2),为了便于使用引进技术与设备,现给出这些压力计量单位的换算关系:

1kgf/cm2≈1bar=105Pa
1标准大气压=1.01325×105MPa=10.33m水柱高=760mm汞柱高
1工程大气压=lkgf/cm2=98066.5Pa
1lbf/in2=6894.757293Pa=0.068工程大气压

在物理学中,压力(Force)和压强(Pressure)是两个不同的概念。

压强,是指物体单位面积上受到的压力,用来表示压力产生的效果,压强越大,压力的作用效果越明显。

压强的计算公式:p=F/S

其中:p代表压强,F代表垂直作用力(压力),S代表受力面积。

在实际工程上,大家很少应用到压力(F)这个力学的概念,“压力”就习惯性的被“压强”给占用了,把Pressure翻译为压力也不会带来什么歧义,如果实在有疑惑,看单位,是牛顿还是帕斯卡一目了然。

“压力”测量常用单位及转换

在国际单位制中,压强的单位是帕斯卡,简称帕(Pa),即牛顿/平方米(N/m2),这是为了纪念法国杰出物理学家布莱兹·帕斯卡(BlaisePascal)而命名的。

其他比较常见的压强单位还有千帕(kPa)、兆帕(MPa)、psi(磅/平方英寸,lb/in2)、巴(bar)、标准大气压(atm)、毫米汞柱(mmHg)、托(Torr)、英寸汞柱(inHg)和毫米水柱(mmH2O)等。

早先气象学中常用毫巴,后改用等值的国际单位百帕。根据世界气象组织约定,气压单位既可用“百帕(hPa)”,也可用“毫巴(mbar)”,两者暂时并用,最后逐步统一使用百帕,简写符号hPa。

在国内,还习惯用“公斤”(公斤力或公斤压力)做压强的单位,单位是“kgf/cm2”,表示一公斤力作用在一个平方厘米面积上。

兆帕、bar、“公斤”等单位换算:

由于帕斯卡(Pa)单位太小,一个瓜子放在桌面上就大于10Pa,在工程上常用其倍数单位表示:

1MPa(兆帕)=1000kPa(千帕)=1000000Pa(帕)

PSI(Poundspersquareinch)是欧美等国家习惯使用的压力单位。

1psi≈6.895Kpa(千帕)≈6894.757Pa(帕)

巴(bar)是国际单位制(SI)的一部分,常用于工业和工程领域。

1bar(巴)=0.1Mpa(兆帕)=100kPa(千帕)=100000Pa(帕)

标准大气压(atm)表示大气压强的常用单位。

1atm(标准大气压)=760mmHg(毫米汞柱)=101.325kPa(千帕)=101325Pa(帕)

毫米汞柱即毫米水银柱(mmHg),是指直接用水银柱高度的毫米数表示压强值的单位。

1mmHg(毫米汞柱)=1Torr(托)=0.1333224kPa(千帕)≈133.322Pa(帕)

英寸汞柱(inHg),参考毫米汞柱,欧美单位。

1inHg(英寸汞柱)=3.3863882kPa(千帕)≈3386.388Pa(帕)

毫米水柱(mmH20),参考毫米汞柱。

1mmH2O(毫米水柱)≈9.807Pa(帕)

“公斤”(kgf/cm2),表示一公斤力作用在一个平方厘米面积上,国内常用。

1kgf/cm2(“公斤”)≈0.098Mpa(兆帕)≈98.0665kPa(千帕)≈98066.5Pa(帕)

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