液壓機械

液壓機械是透過流體力學原理增大機械力量的裝置和工具，可應用於液壓鉗、手推液壓叉車等小型工具，也可應用於一些重型裝置中。以重型裝置為例，液壓液在其中透過以很高的壓力被傳送到裝置中的執行機構。而液壓泵由發動機或者電動馬達驅動。透過操縱各種控制液壓油以獲得所需的壓力或者流量。各液壓元件則透過液壓管道相連線。和氣動系統一樣，液壓系統也是基於帕斯卡定律；任何加於密閉系統內之流體的壓力，其任意一點都將以同樣的壓力向各方傳遞。液壓系統使用不可壓縮流體作為工作介質。液壓機械裝置所以得到普遍應用，是由於傳輸功率大、且以精細的管道和靈活的軟管傳輸，故其功率密度高、還有，適用功率的執行機構寬泛靈活、適當地改變受壓面積增力巨大。相比於齒輪與軸構成的機械系統，液壓系統的一個不足是，流經管路的流體阻力將引起一定的功率損失。歷史沿革.約瑟夫·布拉瑪在1795年註冊了液壓壓力機的專利。有一名叫亨利·馬茲裡者，在布拉瑪店鋪工作期間，提出造一杯狀皮包，因此產生了神奇的結果，導致液壓壓力機最終替代了金屬成型的蒸汽錘。僅憑單個的蒸汽機提供大規模的動力是不現實的，於是液壓系統中心站便應運而生。液壓動力便在英國港口和歐洲其他各地，被用作起重吊裝和其他機械操作。最大的液壓系統就在倫敦。接著，液壓動力普遍地被用在帕斯買轉爐鍊鋼生產中；還被用於升降機；操控河道的閘門和橋樑的迴轉航道。這些系統的一部分，直到20世紀仍保持良好的工作狀態。按ASME，亨利·富蘭克林·威克斯被稱作“工業液壓之父”。力和扭矩成倍放大.液壓系統的特點是，能以簡單方式將力和扭矩倍大，並且與輸入輸出間的距離無關，不需要機械齒輪和槓桿連線，方法是變更兩個連通缸之任何一個的有效面積，或變更泵和馬達中的任何一個實際排量和履帶驅動輪。例.兩個連通的液壓缸.設缸C1半徑為1吋，缸C2半徑為10吋。若C1受力為10磅，則C2施力為1000磅，因C2面積是C1面積的100倍。但與此同時，C1缸底側相對位移100吋，對應C2的位移衹有1吋。這種情況的最普通應用是傳統的千斤頂，此時，小直徑的充液缸與被連線在大直徑的起升缸上。泵與馬達.若將排量為10 ml/r的液壓回轉泵接到排量為100 ml/r的液壓回轉馬達上，驅動泵軸所需的扭矩將是馬達軸所獲扭矩的十分之一，但馬達軸之轉速也僅為泵軸轉速的十分之一。這種反比關係實際上和液壓缸的例子是一樣的。這種情況就是將線性之力換成扭轉之力，定義為扭矩。液壓回路.液壓回路是將傳輸液體的各個元件連線成套而組成的系統。這種系統之目的是要對流經之處的流體進行控制器件。這通常意味著，液壓回路理論尤其適用於管道長而幼、泵互相分離的系統，例如化學工藝的，或微小尺度的裝置。迴路是由下列器件組成：要使液壓油做功，必使其流入執行器件和/或馬達中，之後返回油箱。然後再重新泵出。液壓油迴圈的路徑被稱作液壓回路，有如下幾種型別：開環.開環系統中，泵的吸油口和馬達的回油口都與液壓油箱相連。術語“環”用作反饋之意。更確切的術語是開/閉相對的迴路。中通迴路用泵提供連續的液流。液流經控制閥的中通通道返回油箱，即，此時控制閥處於中位而提供了開啟返回油箱的回油通道，且不讓流體泵入高壓，此外，一旦操作了控制閥，它將引導油液進/出執行元件和油箱。由於泵之輸出恆定，油液的壓力將隨所遇阻力而升高。若壓力上升過高，油液將經溢流閥返回油箱。多個控制閥可以互相串聯。這種型別的迴路可使用定量泵，其作業成本低廉。閉環.閉環系統中，馬達的回油口直接與泵的吸油口連線。為保持低壓側的壓力狀態，迴路要有一個補油泵，它將過濾後的冷油提供給低壓側。閉環迴路一般在車輛用途中用做靜壓傳動。閉環的優勢是，因根本沒有方向閥，故響應快，迴路可在較高的壓力下工作。泵之回轉角可提供正反兩個液流方向。缺點方面，由於液流的交換受到限制，故冷卻可能會成為一個問題，並且，泵也難以用作其他液壓功能。大功率閉環系統的迴路中，為增加冷卻和過濾的油量，通常必須裝有“補液閥”，以使交換的油量大於泵和馬達的基本洩漏量。補液閥通常被集裝在馬達的殼體內，以使馬達自身殼體內的迴圈油液獲得冷卻作用。來自馬達殼體內部迴圈作用引起的損失和球軸承引起的損失可能很大，因為車輛的馬達轉速可達到4000－5000 r/min，全速行駛時甚至更高。洩漏量和額外的補油量一樣，都將由補油泵提供，若設定用作高壓和高馬達轉速傳動中，大排量的補油泵是相當重要的。長時間高速行車時，若使用靜壓傳動，油溫高通常是主要的問題。高油溫將大幅度降低傳動裝置的壽命。為抑制油溫，運輸裝置必須降低系統壓力，亦即，必須將馬達排量限制在最小合理值下。推薦裝置執行迴路壓力在200－250 bar範圍內。閉環系統亦有用於行走裝置中，取代機械傳動和液力傳動傳動。近期液力傳動方面取得了很多成就，效率有所提高，在軟體開發上，效能有所改善，例如操作時可選擇不同的換擋程式，並細化了擋位，使其具備幾近液壓傳動的特性。恆壓和負載-感知系統.地面運動機械，以增加可獲取的液壓功率輸出，從而保證液壓裝置能在低速下工作，而能增加牽引力。這種情形類似於發動機高轉速下的齒輪變速箱失控的預調特性。恆壓系統.中閉迴路存在兩種基本基本配置，通常與供油變數泵的調壓器相關:負載-感知系統.負載-感知系統系統將產生一個恆功率損失，這個損失與泵的調節器調低壓力相關：formula_1平均下來，負載-感知×總流量。負載-感知系統的五種基本形式從技術角度來看，閥塊上按後置補償安裝補償器，當然亦可按前置補償安裝，只不過它按後置補償器工作。第，“Flowsharing”(帕克液壓公司-美)等等。這種非正式的系統名稱已為人們認可。但流體共享是個通用名稱。元部件.液壓泵.液壓泵給系統中各個元件提供油液。系統的壓力是因對抗負載而引起的。因此，一臺額定壓力為5000 psi的泵就有承受住5000 psi 負荷的能力。泵的功率密度約比電動機的大十倍以上。這些泵由電動機或內燃機提供動力，經齒輪、皮帶連線到一起，或接以柔性的彈性聯軸器以減少震動。用於液壓機械的液壓泵的通常型別是：與齒輪泵或葉片泵相比，柱塞泵價格更昂貴，但在高壓下工作也有很長的壽命，用油特殊，連續額定工作週期長。柱塞泵使液壓裝置的壽命提高了一半。控制閥.方向控制閥按照既定的路徑將流體注入期望的執行機構。它們(方向閥)的結構通常是在鑄鐵或鑄鋼殼體內裝有一隻滑閥。滑閥在殼體內不同位置之間滑動，流體則根據滑閥位置，按其溝槽和流道的通斷而流動。滑閥有一由彈簧保持的對中位置；在這一位置，來油或被封閉，或流回油箱。當滑閥滑動到一側流道時，液壓油將流入執行器，同時提供回油通道使來自執行器回油返回油箱。當滑閥反向移動時，進出流道均被關閉。當滑閥被允許返回中位時，執行器流道被關閉，滑閥鎖定。方向控制閥常被設計成可疊加的，每一液壓缸對應一臺閥，各閥疊裝，進油口共用。公差精密以能承受高壓和避免洩漏，滑閥與閥體間的間隙極具典型，不得超過千分之一吋安裝在機器的框架上，以免閥塊扭曲和干擾閥之敏感元件。滑閥位置可用機械槓桿、液壓先導壓力操控，或用電磁鐵左右推動滑閥。允許部分滑閥作為密封伸出閥體之外，此時它被看做是操控器。主閥塊經常是按流量和效能挑出的一摞現成的方向控制閥。一些被設計成比例閥，而其他的可能就是一些簡單的開關，可這些比例控制閥卻是一個液壓回路的最昂貴最精密的一些閥門。液壓油箱.液壓油箱存有一定富裕的液壓油，以調節下列情況引起的容積變化：缸的伸縮，操作溫度引起的膨脹和收縮以及洩漏。油箱還要設計得有助於油水分離，此外還包括系統在峰值功率被用時蓄熱器工作的損耗。搞設計的工程師總是承受著減小液壓油箱尺寸的壓力，而裝置操作者總是欣賞更大的油箱。油箱也能有助於汙物和其他顆粒與液壓油的分離，由於固體顆粒通常多沉入箱底。一些設計構思包括將動力流道經過回油路徑上方，使之成為一個小小的油箱。蓄能器.蓄能器是液壓機械的一個普通的元件。其功能是用壓縮氣體儲蓄能量。蓄能器的一種型別是內帶一個浮動活塞的筒狀物。活塞的一側有一個充壓力氣體的口，另一側容腔充滿液壓油。充氣皮囊則用在其他蓄能器的設計中。儲液器則儲存系統用油。蓄能器使用的例項是作為駕駛或制動的後備動力，或起到液壓回路減震器的作用。液壓油.眾所周知，牽引車輛的用油，液壓油乃是液壓回路的生命。它通常是含有各種新增劑的石油基的油液。一些液壓裝置需用抗燃用油，這去取決於它們的應用環境。在一些工廠的食品備料現場，為了健康和安全，則要麼用食用油、要麼用水作為工作液。除了傳遞能量之外，還需液壓油給予元件潤滑、耐汙染，並將金屬屑帶給過濾器，以及具有良好地帶走高溫的功能。過濾裝置.過濾器是液壓系統一個重要的元件，它的作用是清除油中的廢棄顆粒汙染物。機械元件不斷地產生金屬顆粒，需要連同其他汙染一併清除。過濾器可以放置在許多地方，可以置於油箱和泵的進油口之間。濾油器的堵塞將引起氣蝕而可能引起泵的故障。有時濾油器置於泵和控制閥之間，這種佈置成本較高，因為過濾器殼體承受壓力，這將涉及消除氣蝕和因泵的故障，而需保護閥的問題。第三種普通設定就是將過濾器設在回油路進入油箱之前。這種設定方式對於過濾器堵塞不甚敏感，不要求過濾器殼體能夠承壓。但源自外界的進入油箱的汙染物，直到透過系統之前，至少一次未經過濾。過濾器使用精度在7μm - 15μm，取決於液壓油的粘度等級。管道、管路、軟管.液壓管道是由精密的無縫鋼管構成的、專用於液壓裝置的管路。對應不同的壓力範圍液壓鋼管具有相應的標準規格，標準直徑高達100 mm，廠商提供鋼管長達6米，且經清洗、塗油和兩端堵塞。管道是用不同型別的法蘭，或用一些型別的活接頭，藉助脹圈來連線。在較大尺寸的情況下，不允許將液壓管路直接焊到管道上，因其內部無法檢查。水工用管不能用作標準液壓管道，一般這些管道用於低壓，它們可能採用螺紋連線，但通常採用焊接連線。因為大通徑的管子通常都能做焊後內部檢查。但未鍍鋅的黑色鑄鐵管並不適宜焊接。液壓軟管是按工作壓力、使用溫度以及流體的相容性分級的。決定軟管能否用於管路或管道時，通常按照機器提供的機器動作的柔韌性和維護要求。軟管是由橡膠和鋼絲網層構成，橡膠層內裹著多層鋼絲網和橡膠。液壓軟管外層抗磨，其折彎半徑遵循機器需求做了精心設計，因為軟管發生故障可是致命的，並且，違背軟管的最小折彎半徑時，將會引發故障。一般地，液壓軟管的尾端都有鍛造鋼製連線件。高壓軟管的最薄弱部分就是軟管到連線件的連線處。軟管的其另外的缺陷是，橡膠壽命較短，需定期更換，通常更換間隔為5-7年。液壓用鋼管和管子在系統投入使用之前，內部都要塗油，通常，管道系統表面塗以漆。在擴口處使用其他接頭，螺母的底面所對的塗層要去除，該位置可能就是腐蝕開始之處。為此，船舶應用中管道系統多為不鏽鋼。密封、接頭和連線.液壓系統的元件[動力元件，尺寸大小按預計流過流體的多少確定。用於元件的附加軟管和硬管有符合標準方式的標號。有人在意簡單實用，有人追求較高的系統壓力和洩漏控制更好。一般而言，最為普通的方式是，給每一元件提供一個螺紋介面起來。這在功能性和經濟性方面，對製造商而言，很容易實現。連線有幾個目的：機器或重型裝置的典型部位會有成千的密封接點，分為不同的型別：彈性體密封件流體的可靠密封能力。