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液壓元件
概述
液壓系統(tǒng)的作用為通過改變壓強(qiáng)增大作用力。一個完整的液壓系統(tǒng)由五個部分組成，即動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件（附件）和液壓油。液壓系統(tǒng)可分為兩類：液壓傳動系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)。液壓傳動系統(tǒng)以傳遞動力和運(yùn)動為主要功能。液壓控制系統(tǒng)則要使液壓系統(tǒng)輸出滿足特定的性能要求（特別是動態(tài)性能），通常所說的液壓系統(tǒng)主要指液壓傳動系統(tǒng)。
分類
一個完整的液壓系統(tǒng)由五個部分組成，即動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件和液壓油。
1.動力元件
動力元件的作用是將原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能，指液壓系統(tǒng)中的油泵，它向整個液壓系統(tǒng)提供動力。液壓泵的結(jié)構(gòu)形式一般有齒輪泵、葉片泵和柱塞泵。
2. 執(zhí)行元件
執(zhí)行元件(如液壓缸和液壓馬達(dá))的作用是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動負(fù)載作直線往復(fù)運(yùn)動或回轉(zhuǎn)運(yùn)動。
3. 控制元件
控制元件(即各種液壓閥)在液壓系統(tǒng)中控制和調(diào)節(jié)液體的壓力、流量和方向。
根據(jù)控制功能的不同，液壓閥可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。壓力控制閥又分為溢流閥(安全閥)、減壓閥、順序閥、壓力繼電器等；流量控制閥包括節(jié)流閥、調(diào)整閥、分流集流閥等；方向控制閥包括單向閥、液控單向閥、梭閥、換向閥等。
根據(jù)控制方式不同，液壓閥可分為開關(guān)式控制閥、定值控制閥和比例控制閥。
4. 輔助元件
輔助元件包括油箱、濾油器、油管及管接頭、密封圈、壓力表、油位油溫計(jì)等。 液壓油是液壓系統(tǒng)中傳遞能量的工作介質(zhì)，有各種礦物油、乳化液和合成型液壓油等幾大類。
選型指南
1、液壓泵的選擇
1）確定液壓泵的最大工作壓力pp
pp≥p1+Σ△p
式中 p1——液壓缸或液壓馬達(dá)最大工作壓力；
Σ△p——從液壓泵出口到液壓缸或液壓馬達(dá)入口之間總的管路損失。
Σ△p的準(zhǔn)確計(jì)算要待元件選定并繪出管路圖時才能進(jìn)行，初算時可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取：管路簡單、流速不大的，取Σ△p=（0.2～0.5）MPa；管路復(fù)雜，進(jìn)口有調(diào)閥的，取Σ△p=（0.5～1.5）MPa。
2）確定液壓泵的流量QP
多液壓缸或液壓馬達(dá)同時工作時，液壓泵的輸出流量應(yīng)為：
QP≥K（ΣQmax）
式中 K——系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取K=1.1～1.3；
ΣQmax——同時動作的液壓缸或液壓馬達(dá)的最大總流量，可從（Q-t）圖上查得。對于在工作過程中用節(jié)流調(diào)速的系統(tǒng)，還須加上溢流閥的最小溢流量，一般取0.5×10-4m3/s。
系統(tǒng)使用蓄能器作輔助動力源時：
式中 K——系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取K=1.2；
Tt——液壓設(shè)備工作周期（s）；
Vi——每一個液壓缸或液壓馬達(dá)在工作周期中的總耗油量（m3）；
z——液壓缸或液壓馬達(dá)的個數(shù)。
3）選擇液壓泵的規(guī)格
根據(jù)以上求得的pp和Qp值，按系統(tǒng)中擬定的液壓泵的形式，從產(chǎn)品樣本或本手冊中選擇相應(yīng)的液壓泵。為使液壓泵有一定的壓力儲備，所選泵的額定壓力一般要比最大工作壓力大25%～60%。
4）確定液壓泵的驅(qū)動功率
在工作循環(huán)中，如果液壓泵的壓力和流量比較恒定，即（p-t）、（Q-t）圖變化較平緩，則
式中 pp——液壓泵的最大工作壓力（Pa）；
QP——液壓泵的流量（m3/s）；
ηP——液壓泵的總效率，參考表1選擇。
表1 液壓泵的總效率
限壓式變量葉片泵的驅(qū)動功率，可按流量特性曲線拐點(diǎn)處的流量、壓力值計(jì)算。一般情況下，可取pP=0.8pPmax，QP=Qn，則：
式中 ——液壓泵的最大工作壓力（Pa）；
——液壓泵的額定流量（m3/s）。
在工作循環(huán)中，如果液壓泵的流量和壓力變化較大，即（Q-t），（p-t）曲線起伏變化較大，則須分別計(jì)算出各個動作階段內(nèi)所需功率，驅(qū)動功率取其平均功率
式中 t1、t2、…tn——一個循環(huán)中每一動作階段內(nèi)所需的時間（s）；
P1、P2、…Pn——一個循環(huán)中每一動作階段內(nèi)所需的功率（W）。
按平均功率選出電動機(jī)功率后，還要驗(yàn)算一下每一階段內(nèi)電動機(jī)超載量是否都在允許范圍內(nèi)。電動機(jī)允許的短時間超載量一般為25%。
2、液壓閥的選擇
1）閥的規(guī)格，根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和實(shí)際通過該閥的最大流量，選擇有定型產(chǎn)品的閥件。溢流閥按液壓泵的最大流量選取；選擇節(jié)流閥和調(diào)速閥時，要考慮最小穩(wěn)定流量應(yīng)滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)最低穩(wěn)定速度的要求。 控制閥的流量一般要選得比實(shí)際通過的流量大一些，必要時也允許有20%以內(nèi)的短時間過流量。
2）閥的型式，按安裝和操作方式選擇。
3、蓄能器的選擇
根據(jù)蓄能器在液壓系統(tǒng)中的功用，確定其類型和主要參數(shù)。
1）液壓執(zhí)行元件短時間快速運(yùn)動，由蓄能器來補(bǔ)充供油，其有效工作容積為：
式中 A——液壓缸有效作用面積（m2）；
l——液壓缸行程（m）；
K——油液損失系數(shù)，一般取K=1.2；
QP——液壓泵流量（m3/s）； t——動作時間（s）
2）作應(yīng)急能源，其有效工作容積為：
式中 ——要求應(yīng)急動作液壓缸總的工作容積（m3）。
有效工作容積算出后，根據(jù)有關(guān)蓄能器的相應(yīng)計(jì)算公式，求出蓄能器的容積，再根據(jù)其他性能要求，即可確定所需蓄能器。
4、管道尺寸的確定
（1）管道內(nèi)徑計(jì)算：
式中 Q——通過管道內(nèi)的流量（m3/s）；
——管內(nèi)允許流速（m/s），見表1。
表1 允許流速推薦值
計(jì)算出內(nèi)徑d后，按標(biāo)準(zhǔn)系列選取相應(yīng)的管子。
（2）管道壁厚δ的計(jì)算：
式中 p——管道內(nèi)最高工作壓力（Pa）；
d——管道內(nèi)徑（m）；
[σ]——管道材料的許用應(yīng)力（Pa），[σ]=
；
σb——管道材料的抗拉強(qiáng)度（Pa）；
n——安全系數(shù)，對鋼管來說，p＜7MPa時，取n=8；p＜17.5MPa時，取n=6；p＞17.5MPa時，取n=4。
5、油箱容量的確定
初始設(shè)計(jì)時，先按經(jīng)驗(yàn)公式確定油箱的容量，待系統(tǒng)確定后，再按散熱的要求進(jìn)行校核。
油箱容量的經(jīng)驗(yàn)公式為：
V=αQV
式中 QV——液壓泵每分鐘排出壓力油的容積（m3）；
α——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，見表11。
表11 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)α
在確定油箱尺寸時，一方面要滿足系統(tǒng)供油的要求，還要保證執(zhí)行元件全部排油時，油箱不能溢出，以及系統(tǒng)中最大可能充滿油時，油箱的油位不低于最低限度。
維護(hù)保養(yǎng)
1、專業(yè)人員很重要
液壓設(shè)備的調(diào)試和維修，都需要專業(yè)人員來進(jìn)行。
2、保持清潔不可少。
1)、在拆卸液壓設(shè)備組件時，零件要放在干凈的地方，特別是各個密封的表面不能有劃傷現(xiàn)象。
2)、油箱周圍必須定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，確保清潔，若在灰塵多的環(huán)境下，油箱應(yīng)加蓋密封。在油箱上面必須應(yīng)設(shè)置空氣過濾器，保持油箱內(nèi)與大氣相通。
3)、油箱油管等設(shè)備的清潔必須保持，以利于散熱。
4)、液壓系統(tǒng)中油泵的吸油過濾器必須要定期清理（約一個月）剛著雜物，防止油泵吸油不足，產(chǎn)生噪音，系統(tǒng)壓力上不去等故障。
5)、有回油過濾器的系統(tǒng)，應(yīng)定期清理濾芯（約一個月），防止回油堵塞，嚴(yán)重時會造成液壓組什或油泵破裂。
3、壓力控制要把握。
1)、在不影響液壓系統(tǒng)正常工作的情況下，液壓泵的壓力需盡量調(diào)低。條件允許的話，背壓閥的壓力也盡可能調(diào)低，這樣能減少能耗和發(fā)熱。
2)、要防止系統(tǒng)中各處的壓力低于大氣壓力。??
3)、液壓系統(tǒng)中的壓力是通過調(diào)壓閥來調(diào)定液壓泵的輸出壓力。一般情況，調(diào)定的壓力不能超過其原來設(shè)計(jì)的額定壓力，否則有可能造成液壓泵損壞、液壓閥卡死或電機(jī)燒壞等等現(xiàn)象。
4、良好的密封裝置是保障。
應(yīng)使用良好的密封裝置，密封失效時應(yīng)及時更換，管接頭及各接合而處的螺釘都應(yīng)擰緊。防止空氣進(jìn)入液壓系統(tǒng)。
5、油液選擇需謹(jǐn)慎。
液壓設(shè)備用油必須經(jīng)過嚴(yán)格過濾，液壓系統(tǒng)中應(yīng)配置濾油器；油液在油箱中要保持足夠的高度，
6、不同系統(tǒng)不同對待
有水冷卻器的系統(tǒng)，應(yīng)保持冷卻水量充足，管路暢通。有風(fēng)冷卻器的系統(tǒng)，應(yīng)保持通風(fēng)順暢。防止油溫過高。
注意事項(xiàng)
1.液壓配管
(1)根據(jù)壓力及使用場合選擇油管，油管須有足夠的強(qiáng)度，內(nèi)壁應(yīng)光滑、清潔，無沙、無銹、無氧化皮，對于長期貯存的管子，加工前應(yīng)酸洗，徹底清洗、沖刷，并進(jìn)行檢查。
(2)用鋸切斷管子時，斷面與軸線方向的不垂直度應(yīng)為±0.5°，銳邊須倒鈍并清除鐵屑，加工彎曲管時允許其斷面的橢圓度為10%。當(dāng)其外徑<14mm時可用手和一般工具彎管，較粗鋼管宜用手動或機(jī)動的彎管機(jī)彎管，彎管半徑一般應(yīng)比管子外徑大3倍。
(3)安裝管路要求是，線路最短，轉(zhuǎn)彎盡可能要少，管路的最高部分應(yīng)設(shè)排氣裝置，以便啟動時放氣。
(4)安裝橡膠管時，應(yīng)避免急轉(zhuǎn)彎，其彎曲半徑R≥(9~l0)D(D為軟管外徑)。不要在靠近接頭根部折彎，要求軟管接頭至開始彎曲處的距離L≥6D。軟管工作時不應(yīng)扭轉(zhuǎn)。
(5)吸油管不得漏氣，也不應(yīng)阻力太大，以防進(jìn)氣或吸油困難產(chǎn)生氣蝕。
(6)回油管口須伸到油箱油面以下，防止飛濺產(chǎn)生氣泡。溢流閥的回油管不能直接和泵的入口連通，一定要通過油箱，否則油溫將會過高。
(7)全部管路安裝程序分兩次進(jìn)行，先進(jìn)行試裝配，將管接頭及法蘭點(diǎn)焊在合適位置上，當(dāng)全部管路試裝合格后，拆下來進(jìn)行酸洗后再正式安裝。
2.其他液壓元件
(1)所有液壓元件都要進(jìn)行壓力和密封試驗(yàn)，合格后方可安裝。安裝前應(yīng)將各種自動控制儀表進(jìn)行校驗(yàn)，以免失誤。
(2)安裝各種控制閥時，應(yīng)注意其進(jìn)油口與回油口的方位。用法蘭安裝閥類件時螺釘不能擰得過緊，過緊有時反而會造成密封不良。
(3)安裝液壓缸應(yīng)牢固可靠，為防止熱膨脹影響，當(dāng)行程大和溫度高時，缸的一端必須保持浮動。液壓缸的密封圈不要太緊，特別是U形圈，以免阻力過大。
(4)液壓泵傳動軸與電動機(jī)驅(qū)動軸不同軸度偏差應(yīng)小于0.lmm，一般采用撓性聯(lián)軸節(jié)連接，不允許用膠帶直接帶動泵軸轉(zhuǎn)動，以防泵軸受徑向力過大，影響泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
(5)安裝液壓泵時其旋轉(zhuǎn)方向和進(jìn)、出油口應(yīng)符合技術(shù)要求。
(6)各類液壓泵的吸油高度，一般小于0.5mm。
故障排除
1、壓力損失
原因：由于液體具有黏性，在管路中流動時又不可避免地存在著摩擦力，所以液體在流動過程中必然要損耗一部分能量。這部分能量損耗主要表現(xiàn)為壓力損失。壓力損失有沿程損失和局部損失兩種。沿程損失是當(dāng)液體在直徑不變的直管中流過一段距離時，因摩擦而產(chǎn)生的壓力損失。局部損失是由于管路截面形狀突然變化、液流方向改變或其他形式的液流阻力而引起的壓力損失。總的壓力損失等于沿程損失和局部損失之和。
措施：由于壓力損失的必然存在，所以泵的額定壓力要略大于系統(tǒng)工作時所需的最大工作壓力，一般可將系統(tǒng)工作所需的最大工作壓力乘以一個1.3~1.5的系數(shù)來估算。
2、流量損失
原因：在液壓系統(tǒng)中，各被壓元件都有相對運(yùn)動的表面，如液壓缸內(nèi)表面和活塞外表面，因?yàn)橐邢鄬\(yùn)動，所以它們之間都有一定的間隙。如果間隙的一邊為高壓油，另一邊為低壓油，則高壓油就會經(jīng)間隙流向低壓區(qū)從而造成泄漏。同時，由于液壓元件密封不完善，一部分油液也會向外部泄漏。這種泄漏造成的實(shí)際流量有所減少，這就是我們所說的流量損失。
措施：流量損失影響運(yùn)動速度，而泄漏又難以絕對避免，所以在液壓系統(tǒng)中泵的額定流量要略大于系統(tǒng)工作時所需的最大流量。通常也可以用系統(tǒng)工作所需的最大流量乘以一個1.1~1.3的系數(shù)來估算。
3、液壓沖擊
原因：執(zhí)行元件換向及閥門關(guān)閉使流動的液體因慣性和某些液壓元件反應(yīng)動作不夠靈敏而產(chǎn)生瞬時壓力峰值，稱液壓沖擊。其峰值可超過工作壓力的幾倍。
危害：引起振動，產(chǎn)生噪聲；使繼電器、順序閥等壓力元件產(chǎn)生錯誤動作，甚至造成某些元件、密封裝置和管路損壞。
措施：找出沖擊原因避免液流速度的急劇變化。延緩速度變化的時間，估算出壓力峰值，采用相應(yīng)措施。如將流動換向閥和電磁換向閥聯(lián)用，可有效地防止液壓沖擊。
4、空穴現(xiàn)象
現(xiàn)象：如果液壓系統(tǒng)中滲入空氣，液體中的氣泡隨著液流運(yùn)動到壓力較高的區(qū)域時，氣泡在較高壓力作用下將迅速破裂，從而引起局部液壓沖擊，造成噪聲和振動。另外，由于氣泡破壞了液流的連續(xù)性，降低了油管的通油能力，造成流量和壓力的波動，使液壓元件承受沖擊載荷，影響其使用壽命。
原因：液壓油中總含有一定量的空氣，通常可溶解于油中，也可以氣泡的形式混合于油中。當(dāng)壓力低于空氣分離壓力時，溶解于油中的空氣分離出來，形成氣泡；當(dāng)壓力降至油液的飽和蒸氣壓力以下時，油液會沸騰而產(chǎn)生大量氣泡。這些氣泡混雜于油液中形成不連續(xù)狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為空穴現(xiàn)象。
部位：吸油口及吸油管中低于大氣壓處，易產(chǎn)生氣穴；油液流經(jīng)節(jié)流口等狹小縫隙處時，由于速度的增加，使壓力下降，也會產(chǎn)生氣穴。
危害：氣泡隨油液運(yùn)動到高壓區(qū)，在高壓作用下迅速破裂，造成體積突然減小、周圍高壓油高速流過來補(bǔ)充，引起局部瞬間沖擊，壓力和溫度急劇升高并產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲和振動。
措施：要正確設(shè)計(jì)液壓泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和泵的吸油管路，盡量避免油道狹窄和急彎，防止產(chǎn)生低壓區(qū)；合理選用機(jī)件材料，增加機(jī)械強(qiáng)度、提高表面質(zhì)量、提高抗腐蝕能力。
5、氣蝕現(xiàn)象
原因：空穴伴隨著氣蝕發(fā)生，空穴中產(chǎn)生的氣泡中的氧也會腐蝕金屬元件的表面，我們把這種因發(fā)生空穴現(xiàn)象而造成的腐蝕叫氣蝕。
部位：氣蝕現(xiàn)象可能發(fā)生在油泵、管路以及其他具有節(jié)流裝置的地方，特別是油泵裝置，這種現(xiàn)象最為常見。氣蝕現(xiàn)象是液壓系統(tǒng)產(chǎn)生各種故障的原因之一，特別在高速、高壓的液壓設(shè)備中更應(yīng)注意。
危害和措施與空穴現(xiàn)象的相同。
6、液壓系統(tǒng)泄漏
液壓系統(tǒng)泄漏原因：
（1）設(shè)計(jì)及制造的缺陷所造成的；
（2）沖擊和振動造成管接頭松動；
（3）動密封件及配合件相互磨損（液壓缸尤甚）；
（4）油溫過高及橡膠密封與液壓油不相容而變質(zhì)。下面就結(jié)合以上幾個方面淺談一下控制泄漏的措施。
控制液壓系統(tǒng)泄漏的控制方案：
方案一：設(shè)計(jì)及制造缺陷的解決方法
①液壓元件外配套的選擇往往在液壓系統(tǒng)的泄漏中起著決定性的影響。這就決定我們技術(shù)人員在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)、老產(chǎn)品的改進(jìn)中，對缸、泵、閥件，密封件，液壓輔件等的選擇，要本著好中選優(yōu)，優(yōu)中選廉的原則慎重的、有比較的進(jìn)行。
②合理設(shè)計(jì)安裝面和密封面：當(dāng)閥組或管路固定在安裝面上時，為了得到滿意的初始密封和防止密封件被擠出溝槽和被磨損，安裝面要平直，密封面要求精加工，表面粗糙度要達(dá)到0．8μm，平面度要達(dá)到0．01/100mm。表面不能有徑向劃痕，連接螺釘?shù)念A(yù)緊力要足夠大，以防止表面分離。
③在制造及運(yùn)輸過程中，要防止關(guān)鍵表面磕碰，劃傷。同時對裝配調(diào)試過程要嚴(yán)格的進(jìn)行監(jiān)控，保證裝配質(zhì)量。
④對一些液壓系統(tǒng)的泄露隱患不要掉已輕心，必須加以排除。
方案二：減少沖擊和振動
為了減少承受沖擊和振動的管接頭松動引起的液壓系統(tǒng)的泄漏，可以采取以下措施：
①使用減震支架固定所有管子以便吸收沖擊和振動；
②使用低沖擊閥或蓄能器來減少沖擊；
③適當(dāng)布置壓力控制閥來保護(hù)系統(tǒng)的所有元件；
④盡量減少管接頭的使用數(shù)量，管接頭盡量用焊接連接；
⑤使用直螺紋接頭，三通接頭和彎頭代替錐管螺紋接頭；
⑥盡量用回油塊代替各個配管；
⑦針對使用的最高壓力，規(guī)定安裝時使用螺栓的扭矩和堵頭扭矩，防止結(jié)合面和密封件被蠶食；
⑧正確安裝管接頭。
方案三：減少動密封件的磨損
大多數(shù)動密封件都經(jīng)過精確設(shè)計(jì)，如果動密封件加工合格，安裝正確，使用合理，均可保證長時間相對無泄漏工作。從設(shè)計(jì)角度來講，設(shè)計(jì)者可以采用以下措施來延長動密封件的壽命：
①消除活塞桿和驅(qū)動軸密封件上的側(cè)載荷；
②用防塵圈、防護(hù)罩和橡膠套保護(hù)活塞桿，防止磨料、粉塵等雜質(zhì)進(jìn)入；
③設(shè)計(jì)選取合適的過濾裝置和便于清洗的油箱以防止粉塵在油液中累積；
④使活塞桿和軸的速度盡可能低。
方案四：對靜密封件的要求
靜密封件在剛性固定表面之間防止油液外泄。合理設(shè)計(jì)密封槽尺寸及公差，使安裝后的密封件到一定擠壓產(chǎn)生變形以便填塞配合表面的微觀凹陷，并把密封件內(nèi)應(yīng)力提高到高于被密封的壓力。當(dāng)零件剛度或螺栓預(yù)緊力不夠大時，配合表面將在油液壓力作用下分離，造成間隙或加大由于密封表面不夠平而可能從開始就存在的間隙。隨著配合表面的運(yùn)動，靜密封就成了動密封。粗糙的配合表面將磨損密封件，變動的間隙將蠶食密封件邊緣。
方案五：控制油溫防止密封件變質(zhì)
密封件過早變質(zhì)可能是由多種因素引起的，一個重要因素是油溫過高。溫度每升高10℃則密封件壽命就會減半，所以應(yīng)合理設(shè)計(jì)高效液壓系統(tǒng)或設(shè)置強(qiáng)制冷卻裝置，使最佳油液溫度保持在65℃以下；工程機(jī)械不許超過80℃；另一個因素可能是使用的油液與密封材料的相容性問題，應(yīng)按使用說明書或有關(guān)手冊選用液壓油和密封件的型式和材質(zhì)，以解決相容性問題，延長密封件的使用壽命。
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