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Brief Overview of Fluid Power
- Introduction
In 1906, oil began to replace water as the pressurized fluid in hydraulic sys-tems, and the modern era of fluid power began. Electrical control of fluid power began to enter the commercial sector with the development of servo valves in World War II. Today, the fluid power industry is a multibillion dol-lar industry.
Most mobile machines in the extraction industries (mining, logging, farm-ing, and fishing) have fluid power circuits, thus fluid power is a major factor in the collection of raw materials for the international economy. Fluid power is an important part of most vehicles in the transportation industry. In man-ufacturing, the application of fluid power has continuously increased the productivity of workers and thus has had direct impact on the standard of living. Today, fluid power is a part of every product we use and service we enjoy.
- Concept of Fluid Power
This text leads the reader through several levels of complexity beginning with simple circuits with a simple function and concluding with an introduc-tion to the use of servo valves to control heavy loads moving at high speed. As we proceed along this journey, the reader will be periodically reminded that the fundamental concept of fluid power is quite simple. Fluid power technology is the conversion of mechanical energy to fluid energy, delivery of this energy to a utilization point, and then its conversion back to mechan-ical energy. A fluid power circuit has all three features: conversion from mechanical energy to fluid energy, delivery, and conversion from fluid energy back to mechanical energy. An electrical circuit also has all three fea-tures, but often the designer focuses only for the final conversion step—elec-
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2 Fluid Power Circuits and Controls
trical-to-mechanical. Generation of the electrical energy and its delivery are external to the design problem.
- Basic Circuits
Many people have an intuitive understanding of a basic cylinder circuit and a basic motor circuit. The block diagram shown in Fig. 1.1 gives the concept for a motor circuit. Two parameters, torque (T) and shaft speed (N), are con-verted to two different parameters, pressure (P) and flow (Q), using a pump. The two new parameters, P and Q, are converted back to T and N using a motor. The principal reason for converting to fluid power is the convenience in transferring energy to a new location. The pressurized fluid, defined by the P and Q parameters, easily flows around corners and along irregular path-ways before reaching the point where it is converted back to T and N.
Fluid power is used on many agricultural machines because of the need to transfer power to a remote location. Suppose a conveyor must be driven on the opposite side of a machine from the prime mover. (On mobile machines, the prime mover is typically an internal combustion engine, and on station-ary machines, it typically is an electric motor.) Power could be mechanically transmitted using a right-angle gearbox, shafts, bearings, roller chains, or belts. Using fluid power, the task is accomplished with a hydraulic pump mounted at the prime mover, two hydraulic hoses, and a hydraulic motor at the conveyor. Often, machine weight is reduced, and reliability increased, by using fluid power. In addition, overload protection is provided by simply installing a relief valve.
- Brief Review of Mechanics
Power is defined as the rate of doing work or work per unit time. Work is defined as force times distance. Suppose a force acts through a moment arm to
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Mechanical |
Hydraulic |
Mechanical |
|
Energy |
Energy |
Energy |
|
T |
P |
T |
|
Prime |
Hydraulic |
Hydraulic |
|
Mover |
Pump |
Motor |
|
N |
Q |
N |
FIGURE 1.1
Concept of fluid power illustrated with basic motor circuit.
produce a torque. If the shaft is rotating at a given speed (N), the distance traveled in one minute is
x = 2pi;rN
where x = distance traveled (in) r = moment arm (in)
N = rotational speed (rpm)
Work done in a one-minute interval is
Work = Force times; Distance
= F times; 2pi;rN
= 2pi;TN
where T = F times; r
Since power is the rate of doing work, the work done in one minute, Eq. (1.2), is
|
P = Work/t = 2pi;TN/1 |
(1.3) |
where P = power (lbf-in)/min.
One horsepower is 33,000 lbf-ft/min, therefore,
( P/12) hp = -----------------
33, 000
If torque is expressed in lbf-in and N is shaft speed in rpm, then power in hp is given by
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流体动力回路及其控制原理及应用
1.流体动力简要概述
1.1简介
在1906，石油开始取代水作为液压系统的加压流体，和现代的流体动力开始。流体的电气控制随着伺服系统的发展，电力开始进入商业领域第二次世界大战中的阀门。今天，流体动力行业是一个数十亿美元产业。大多数移动设备的提取行业（采矿，伐木，农业，
和捕鱼）有流体动力电路，因此流体动力是一个重要因素在国际经济的原材料收集。流体动力是交通运输业的重要组成部分。在制造业，流体动力的应用不断增加工人的劳动生产率，从而对标准的直接影响生活。今天，流体动力是我们使用和服务的每一个产品的一部分享受。
1.2流体动力概念
本文通过几个层次的复杂性开始导致读者用简单的电路简单的功能和结论与介绍使用伺服阀来控制高速移动速度。我们沿着这段旅程，读者会定期提醒流体动力的基本概念是相当简单的。流体动力技术是将机械能转换为流体能量，传递这个能量的利用点，然后将其转换回机械能量。流体动力电路具有三个特点：转换机械能，流体能量，输送和流体的转换能量回到机械能。电路也有三个特点但设计师往往只关注最终转换步骤-电能到机械能。电能及其传递的产生外部的设计问题。
1.2.1基本的回路
许多人有一个直观的了解基本缸电路和一种基本的电机电路。图1.1所示的方框图给出了这个概念的回路。双参数，扭矩（T）和轴转速（n），被转换以2个不同的参数，压力（P）和流动（Q），使用泵。新参数，P和Q，被转换回T和n使用电机。转换为流体动力的主要原因是方便把能量传递给一个新的位置。由所定义的加压流体P和Q参数，容易绕流角和沿不规则的途径在到达它被转换回T和n。在许多农业机器上使用流体动力是因为需要向远程位置传输电源。假定一个传送带必须被驱动从原动机的一台机器的相反侧。（在移动设备上，原动机通常是内燃机，在静止的机械，它通常是一个电动马达。使用一个直角齿轮箱，轴，轴承，滚子链，或发送使用带。使用流体动力，这项任务是用液压泵来完成的安装在原动机，2个液压软管和一个液压马达输送机。通常，机器的重量减少了，可靠性也提高了使用流体动力。此外，过载保护提供了简单安装安全阀。
1.2.1.1力学简要综述
功率被定义为每单位时间的功或功的速度。功是定义为力乘以距离。设一个力作用在力臂产生转矩。如果轴在给定转速（n）下旋转，一分钟的位移就是
（1.1）
其中 =移动的距离
r=力臂
N=转速
机械能 液压能 机械能
T P T
N Q N
图1.1
用基本的电机回路说明流体动力的概念。
在一分钟的时间内做的功是
功=力times;距离
=
（1.2）
其中
由于功率是做功的速率，在一分钟内做的功E就是
（1.3）
其中
一马力是33000磅bull;英尺/分钟，因此
如果扭矩用磅表示并且N转轴转速，那么功率用hp表示就是
（1.4）
机械功率中的T和N是成比例的，那么液压功率中P和Q是否成正比呢？
1.2.1.2 液压缸的基本概念
假定流体流动被输送到一个液压缸，使其延伸。气缸有一个横截面面积，并提供一个移动的距离times;（图1.2）的力。移动的距离与输送到汽缸的流体体积有关。
（1.5）
其中 x=距离
V=体积
A=面积
力与顶端的压力有关
（1.6）
其中 F=力
P=压强
A=面积
（在这篇文章中压力用磅表示为psi）
所做的功为
功
（1.7）
功率是每分钟的功，
功率 （1.8）
图1.2 液压缸受到一个力F的作用移动的x的距离
流量被定义为每单位时间的体积，，因此，
功率 （1.9）
机械功率是T和N的乘积，而液压功率是P和Q的乘积。
在方程的关系（1.9）是我国流体动力研究的基本概念。压力的单位通常是磅或PSI，流量的单位是加仑/分钟，或GPM。获得与磅英尺/分钟单位水力发电，下面的转换是需要的。
P液压= （1.10）
其中 P液压=液压功率
获得液压马力，
P液压=
= （1.11）
记住这个公式是有用的，因为它会在设计时提供一个快速的参考框架。例如，如果一个泵提供5加仑2000 psi的压力降，多少功率是必须的？
P液压=
1.2.1.3 液压马达的基本概念
流体输送到具有位移Vm的液压马达（液压马达的排量是产生一次运转所通过的流体体积。典型单位是ml/r)当一个流量Q被传递给这个马达，它在转速N下旋转，
（1.12）
其中 N=转速
Q=流量
Vm=位移
由液压马达产生的转矩的表达式是简单的，但真的不直观。我们开始定义机械马力，
P机械 （1.13）
其中 P机械=机械能
T=扭矩
N=转速
把N带入式（1.12），
P机械= （1.14）
如果流量单位是加仑，和扭矩的单位是磅，然后表达成为
P机械
（1.15）
它已被证明[式（1.11）]，液压功率是压降和流量的乘积成正比。等值式。（1.11）及（1.15），
求力矩，我们发现
（1.16）
其中T=扭矩
在方程的关系（1.16）应致力于记忆。由液压马达传递的转矩是整个电机和位移的压力降的函数。公式的推导（1.16）假定所有的液压动力传递将电机转换为机械功率。这种转换不是100%效率；有损失。在第5章中介绍的损失分析。这个公式在公式（1.16）得到了广泛的应用，是一个非常有用的近似。它是重要的是要记住，在电机轴可用的实际扭矩是总是比计算公式少（1.16）。
1.2.2 电路分析基础
图1.3所示的流体动力电路有四个组成部分。这些功能组件的描述如下，
1.泵.该泵通过该电路开发一种流体流动。这个图1.3所示的泵是一个固定排量泵
意味着它提供了一个固定的流体体积每一次运转。
- 溢流阀.安全阀保护电路。如果压力上升到足够高，以抵消弹簧力保持阀门关闭， 阀门打开，并返回到水库，从而限制最大回路压力。
3.方向控制阀（DCV）.定向控制阀根据位置指示流体的流动。图1.3中的阀门一三位阀。在中心位置，流量通过阀门回到水库。在底部位置，流动是交付到汽缸盖的末端，使其延长。同时，流体从杆端流向水库。收回气缸，DCV移到最高位置，使流向气缸。
4.缸.气缸的另一个名称为线性致动器。这个缸将液压能量转换为一种力作用于某些
距离，称为行程。
图1.3 扩展缸的基本电路
图1.3所示电路的功能目的是举起5000磅重量。假设端面积7.07平方英寸，那么要用什么压力泵建立起重量？
此解决方案忽略了一个重要的方面的回路分析。（回路分析基本上是在回路的各个点的流量和压力的测定），一些压力降发生在流体流经一段软管，配件，阀门或执行机构。这些单独的压力下降，必须相加，以计算所需的总压力达到的功能目标。
除了周围的压力下降的回路，气缸摩擦力也必须考虑。当气缸延伸时，帽端密封件沿气缸内滑动，并沿杆端密封件滑动。测量，发现是87磅是产生的摩擦力对图1.3所示的缸。这种摩擦力会反对气缸的运动，从而增加了负载的压力。
它有助于工作的一个具体的例子。如图1.4所示的压力下降：
=泵和直流电压之间的压力降
=在直流电压的压降
=DCV和气缸盖之间的压力降
=油缸活塞杆端与直流电压之间的压差
=DCV和储层压力差
图1.4所示的气缸有3孔和1.25杆.帽端区域
杆端面积是
图1.4 气缸延伸过程中测量的一个回路的压力下降
在扩展，在油缸的杆端端口的总压力是
气缸上的求和力
或者
在泵的总压力是
忽略气缸摩擦力的计算中，该气缸的实际应用压力必须是868psi，比707psi高百分之23。
1.2.3 效率
我们刚刚可以看出来，所需的实际压力，完成功能目标的回路图1.3是23%，高于所需的压力，机械工作。它是直观的，一些能量已经“失去”，这意味着一些输入机械能不能作为输出机械能传递。
在图1.1中，一个位置的机械能被传递到另一个位置。如果这种转移可以做一个变速箱，典型的效率将是
单级减速齿轮箱 98-99%
双级减速齿轮箱 96-97%
三级减速齿轮箱 95%
水力抽油泵
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hp = |
2----------------------------pi;(T/12)N |
||
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33000 |
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= |
TN |
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63025-------------- |
(1.4) |
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