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第五篇 液压传动
第15章 液压基本元件
15.1 液压泵与液压马达
液压泵是由电动机（或其他原动机）输入的机械能转化为液压能的能量转换装置，在液压系统中，作为动力源，向液压系统供给液压油。液压马达是将液压能转化为机械能的能量转换装置，作为执行机构来使用。液压泵和液压马达都是容积式的。
15.1.1 概述
1．液压泵的工作原理
图15.1 液压泵工作原理
1、3—单向阀；2—弹簧；
4—泵体；5—柱塞；6—偏心轮
2．液压泵的主要技术参数
( 1) 压力
液压泵的工作压力是指实际工作时的输出压力，也就是油液为了克服阻力所必须建立起来的压力，其大小由工作负载决定。液压泵的额定压力是指泵在使用中按标准条件连续运转所允许达到的最大工作压力，超过此值就是过载。泵的最高允许压力是指泵短时间内所允许超载使用的极限压力。
（2）排量和流量
排量V：是指在不考虑泄漏的情况下，轴旋转一周时所能输出的油液体积。
理论流量qt：是指根据泵的几何尺寸计算出单位时间内泵排出液体的体积V。
实际流量q：是指泵在某一工作压力下实际排出的流量。
额定流量qn ：是指在额定转速和额定压力下泵输出的流量。
（3）功率和效率
液压泵的功率：是指单位时间内所做的功。液压泵由电动机（或其他原动机）驱动，输入量是转矩和转速（角速度），输出量是液体的压力和流量。输出功率公式见教材19.3。
液压泵的效率：液压泵在能量转换和传递过程中，必然存在着能量损失。由于泵的泄漏会引起流量损失，我们将实际流量与理论流量之比称为容积效率。
15.1.2 常用液压泵
1．齿轮泵
（1）外啮合齿轮泵
① 工作原理和结构
如右图所示
② 排量、流量计算
③ 优、缺点：优点是结构简单、尺寸小、重量轻、制造方便、价格低廉、工作可靠、自吸能力强、对油液污染不敏感、维护容易。它的缺点是一些机件承受不平衡径向力、磨损严重、泄漏大、工作压力的提高受到限制。此外，它的流量脉动大，因而压力脉动和噪声都较大
④ 提高外啮合齿轮泵压力的措施 ：减小端面泄漏，一般采用齿轮端面间隙自动补偿的方法。
（2）内啮合齿轮泵
结构紧凑、体积小、流量脉动小、噪声小，无困油现象，在高速下工作的容积效率较高。但是制造工艺较复杂，价格较贵。
2．叶片泵
（1）双作用叶片泵：作用在转子上的径向力平衡，且运转平稳、输油量均匀、噪声小。但它的结构较复杂，吸油特性差，对油液的污染较敏感，一般用于中压系统。
（2）变量叶片泵
① 外反馈限压式变量叶片泵的工作原理
限压式变量泵的流量压力特性曲线:
限压式变量叶片泵对既要实现快速运动，又要实现工作进给（慢速移动）的执行元件来说是一种合适的油源。
② 内反馈限压式变量叶片泵的工作原理
3．柱塞泵
柱塞与缸体内孔均为圆柱表面，因此加工方便，配合精度高，密封性能好，容积效率高；
只需改变柱塞的工作行程就能改变流量，因此易于实现变量；
柱塞泵主要零件均受压应力，材料强度性能可得以充分利用。所以柱塞泵具有压力高、结构紧凑、效率高、流量能调节等优点。
柱塞泵在需要高压、大流量、大功率的系统中和流量需要调节的场合。
轴向柱塞泵工作原理
15.1.3 液压泵的选用
类 别 性 能 外啮合齿轮泵 双作用叶片泵 限压式变量叶片泵 螺杆泵 轴向柱塞泵
工作压力/MPa ＜20 6.3～21 7 ＜10 ＜10
流量调节 不能 不能 能 20～35 20～35
容积效率 0.7～0.95 0.8～0.95 0.8～0.9 能 能
输出流量脉动 很大 很小 中等 能 能
自吸特性 好 较差 较差 0.75～0.95 0.75～0.95
对油污染敏感性 不敏感 较敏感 较敏感 0.9～0.98 0.9～0.98
噪声 大 小 较大 很小 很小
15.1.4 液压马达
1．叶片式马达
叶片式液压马达特点
体积小、惯性小、动作灵敏，但容积效率低，泄漏量较大，低速工作时不稳定。适用于高转速、低转矩而又要求换向频繁的场合。
马达的叶片要径向放置，在正转或反转时，为了保证叶片根部始终通有压力油，在吸、压油腔通入叶片根部的通路上设置了单向阀。为了确保叶片式液压马达在压力油通入后能正常启动，必须使叶片顶部一直和定子内表面紧密接触，密封良好，在叶片根部应设置预紧弹簧。
2．轴向柱塞马达
轴向柱塞马达与轴向柱塞泵的结构基本相同，通常具有可逆性。下图为斜盘式轴向柱塞马达工作原理图。
3．液压马达的主要参数
转速 :若液压马达的排量为V，实际流量为q，容积效率为 ，则
总效率:为输出功率和输入功率之比，它等于机械效率 与容积效率 的乘积。
转矩:液压马达输入为液压能（入口压力与输入流量乘积），输出为机械能（转矩T与角速度 的乘积），在转一转时，若输入流量为 ，并考虑机械效率与容积效率，则
15.2 液压缸
亦称油缸，是液压系统中的执行元件，它把输入的液体压力能转换成机械能输出 ；
用来驱动工作机构实现直线往复运动或摆动 ；
结构简单，工作可靠，做直线往复运动时，可省去减速机构，且没有传动间隙，传动平稳、反应快 ；
结构有活塞式、柱塞式和摆动式三类 。
15.2.1 活塞缸
1．单杆活塞缸
当无杆腔进压力油，有杆腔回油如图 a
有杆腔进压力油，无杆腔回油如图 b
压力油同时进入液压缸的左、右两腔如图 c （差动缸 ）
2．双杆活塞缸
常用于要求往复运动速度和负载相同的场合，如各种磨床
15.2.2 其他液压缸
1．伸缩缸：特点是在各级活塞依次伸出时可以获得很长的行程，而收缩后轴向尺寸很小。常用于自卸汽车、起重机和挖掘机等工程机械上。
2．柱塞缸
柱塞与缸筒无配合要求，缸筒内孔不需精加工，甚至可以不加工 ；柱塞缸只能实现单向运动 ；它特别适用在行程较长的场合。
15.2.3 液压缸的结构
1．液压缸的密封
（1）间隙密封 ：间隙密封是依靠相对运动零件配合面之间的微小间隙来防止泄漏的，适用于直径较小、压力较低的液压缸。这种密封的缺点是在受到磨损后不能自动补偿。
（2）密封圈密封
常用耐油橡胶、尼龙制成，截面呈O形、Y形、V形等 ；O形密封圈结构简单、密封性能好；Y形密封圈密封可靠、寿命长，一般用于运动速度较高的液压缸密封；V形密封圈由多层夹织物制成，它耐高压、性能好，但结构复杂，密封处摩擦力较大，所以在中、低速液压缸中应用较多。
2．液压缸的缓冲
3．液压缸的排气
对运动平稳性要求较高的液压缸，在两端装有排气塞。
15.3 控制阀
液压控制阀用来控制油液的压力、流量和流向，从而控制液压执行元件的启动、停止、运动方向、速度、作用力等，满足液压设备对各工况的要求。
常根据用途分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀。这三类阀可以相互组合，成为复合阀。
15.3.1 方向控制阀
1．单向阀
（1）普通单向阀 ：作用是仅允许液流沿一个方向通过，而反向液流则截止。
（2）液控单向阀
与普通单向阀的区别是在一定的控制条件下可反向流通
液控单向阀常用于液压系统的保压、锁紧和平衡回路。
2．换向阀
换向阀是利用改变阀芯与阀体的相对位置，控制相应油路接通、切断或变换油液的方向，从而实现对执行元件运动方向的控制。换向阀阀芯的结构形式有滑阀式、转阀式和锥阀式等，其中以滑阀式应用最多。
（1）滑阀式换向阀的换向原理
（2）常用换向阀的结构原理和图形符号
（2）常用换向阀的结构原理和图形符号
（3）三位四通换向阀的中位机能
机能代号
结构原理
中间位置的图形符号
机能特点和作用

三位四通
三位五通

O
各油口全部封闭，液压缸两腔闭锁，液压泵不卸荷，液压缸充满油，从静止到起动平稳；在换向过程中，由于运动惯性引起的冲击较大；换向位置精度高；可用于多个换向阈并联工作

H
各油口互通，液压泵卸荷，缸成浮动状态，液压缸两腔接油箱，从静止到起动有冲击，在换向过程中，由于油口互通，故换向较O形平稳；但换向位置变动大

（3）三位四通换向阀的中位机能
机能代号
结构原理
中间位置的图形符号
机能特点和作用

三位四通
三位五通

Y
液压泵不卸荷，缸两腔通回油，缸成浮动状态，从静止到起动有冲击，制动性能介于O形与H形之间

P
回油口关闭，压力油与缸两腔连通，可实现液压缸差动回路，从静止到起动较平衡；制动时缸两腔均通压力油，故制动平稳；换向位置变动比H形的小

（3）三位四通换向阀的中位机能
机能代号
结构原理
中间位置的图形符号
机能特点和作用

三位四通
三位五通

K
液压泵卸荷，液压缸一腔封闭，一腔接回油，两个方向换向时性能不同；不能用于多个换向阀并联工作

M
液压泵卸荷，缸两腔封闭，从静止到起动较平稳；换向时与O形相同，可用于泵卸荷液压缸锁紧的液压回路中

（3）三位四通换向阀的中位机能
机能代号
结构原理
中间位置的图形符号
机能特点和作用

三位四通
三位五通

J
液压泵不卸荷，从静止到起动有冲击，换向过程也有冲击，可以和其他换向阀并联使用

X
各油口半开启接通，P口保持一定的压力；换向性能介于O形和H形之间

15.3.2 压力控制阀
在液压系统中，控制液体压力或利用压力作为信号来控制其他元件动作的阀统称为压力控制阀。常用的有溢流阀、减压阀、顺序阀和压力继电器等。
1．溢流阀
是在溢流的同时使液压泵的供油压力得到调整并保持基本恒定。
按其工作原理分为直动式和先导式两种。一般前者用于低压系统，后者用于中、高压系统。
（1）直动式溢流阀
1—调节螺母；2—弹簧；3—阀芯
（2）先导式溢流阀
（3）溢流阀的应用
作为溢流阀用；作为安全阀用；作为背压阀用；作为卸荷阀用。
2．顺序阀
顺序阀是以压力为控制信号以实现油路的自动接通或断开的液压阀。其结构与工作原理与溢流阀相似。顺序阀可以控制执行元件按设计顺序动作。
按调压方式不同，可分为直控式和液控式。前者直接利用阀的进口压力控制阀的启闭，也简称为顺序阀；后者利用外来的压力油控制阀的启闭，也称为外控顺序阀。
按其结构不同，又可分为直动式顺序阀和先导式顺序阀。
先导式顺序阀结构原理及图形符号
1—阀体；2—阻尼孔；3—阀盖
3．减压阀
是用来降低系统某部分支路压力的压力控制阀。它利用液流流过缝隙产生压降的原理，使出口压力低于进口压力。
分为定值减压阀（又称定压减压阀）、定差减压阀和定比减压阀。其中定值减压阀应用最广。
定值减压阀简称减压阀，能保持出口压力近似恒定，又分为直动式和先导式，其中后者应用较广。
先导减压阀结构原理及符号
减压阀和溢流阀主要差别：
减压阀为出口压力控制为定值，溢流阀为进口压力控制恒定 ；
常态时减压阀阀口常开，溢流阀阀口常闭 ；
减压阀串联在系统中，其出口油液通执行元件，因此泄漏油需单独引回油箱（外泄）；溢流阀的出口直接接油箱，它是并联在系统中的，因此其泄漏油引至出口（内泄）。
（2）减压阀的应用
减压阀常用于降低系统某一支路的油液压力，使该支油路的压力稳定且低于系统的调定压力，如夹紧油路、润滑油路和控制油路。必须说明的是，减压阀出口压力还与出口的负载有关，若因负载建立的压力低于调定压力，则出口压力由负载决定，此时减压阀不起减压作用；
与溢流阀相同的是，减压阀亦可以在先导阀的遥控口接远程调压阀实现远程控制或多级调压。
4．压力继电器
1—壳体；2—柱塞；3—弹簧；4—调节件；5—微动开关；6—弹簧座
15.3.3 流量控制阀
流量控制阀是液压系统用于控制液体流量的阀，是靠改变控制口（过流断面）的大小来调节通过阀口的流量，从而改变执行元件运动速度。
常见的流量控制阀有节流阀、调速阀、溢流节流阀等。
1．节流阀
结构简单，制造容易，体积小，但流量的稳定性较差，受负载和温度的变化影响较大。
2．调速阀
调速阀是由定差减压阀与节流阀串联而成。定差减压阀能使节流阀阀口前、后的压力差自动保持不变，从而使通过节流阀的流量不受负载变化的影响。
3．溢流节流阀
溢流节流阀只能安装在执行元件的进油路上，由压差式溢流阀和节流阀并联而成。它也能保持节流阀前、后压差基本不变，从而稳定地控制流量。
溢流节流阀工作原理图及符号
1—液压缸；2—安全阀阀芯；3—溢流阀阀芯；4—节流阀阀芯
15.3.4 比例控制阀
(1)电液比例压力阀 :电液比例阀是在普通控制阀的基础上，用直流比例电磁铁（电磁马达）代替原有的控制部分。
电液比例压力先导阀
1—比例电磁铁；2—推杆；3—传力弹簧；4—阀芯
（2）电液数字阀
数字阀可直接响应计算机信号控制阀口的启闭，从而控制液流的压力、流量和方向。
数字式流量控制阀
1—步进电机；2—滚珠丝杆；3—阀芯；4—阀套；5—连杆；6—传感器
15.4 液压辅件
15.4.1 油管与管接头
1．油管
油管是液压系统中用来输送液压油的。因此要求耐腐蚀、耐老化、质轻而价低，能够承受足够的压力并有足够的通流面积。常用的油管有钢管、铜管、橡胶管、不锈钢管、尼龙管和塑料管等。
2．管接头
管接头是油管与油管、油管与液压元件之间的可拆式连接件。它应便于加工装拆、连接牢固、密封可靠、结构紧凑、液阻小、抗振性能好、压力损失小等。
管接头的种类很多。按接头的通路数量和方向可分为直通、弯头、三通、四通等；按油管与管接头的连接方式可分为焊接式、管端扩口式、卡套式等；按接头与机体的连接方式可分为螺纹式、法兰式等；此外还有各种满足特殊用途需要的结构形式。
15.4.2 蓄能器
蓄能器是用于储存和释放液压能的装置。它可以均衡功率分配、减小压力波动。
1．蓄能器的类型
有重锤式、弹簧式和充气式等多种，其中最常用的是充气式中的活塞式和皮囊式。
活塞式蓄能器 气囊式蓄能器
2．蓄能器的安装使用
皮囊式蓄能器原则上应垂直安装，油口向下，只有在空间位置受限时才考虑倾斜或水平安装；装在管路上的蓄能器，必须用支持板或支架固定。
用于吸收冲击压力和脉动压力的蓄能器应尽可能安装在靠近振源处。
蓄能器与管路系统之间应安装截止阀，便于充气、检修。蓄能器与油泵之间应安装单向阀，防止油泵停转或卸荷时蓄能器中的压力油倒流回油泵。
蓄能器应定期检修、保养。
15.4.3 滤油器
1．滤油器的过滤精度
过滤精度是指过滤下来的杂质颗粒的大小d。根据液压系统的不同要求过滤精度有四类：粗过滤器d＞0.1mm；普通过滤器d＞0.01mm；精过滤器d＞0.005mm；特精过滤器d＞0.001mm。
2．常用滤油器的类型
网式滤油器
线隙式滤油器 纸芯式滤油器
1—端盖；2—壳体；3—滤芯
3．滤油器的安装
根据需要安装在液压泵的吸油路如图a所示、压油路如图b和c所示和回油路如图d所示上，重要元件之前也应安装。
15.4.4 油箱
1．油箱的种类与一般要求
油箱是液压系统中用来储油、散热、沉淀和过滤油中固体杂质、逸出渗入油中的空气的一个重要部件。对油箱的一般要求是：有足够的容积，有足够的散热面积或散热措施，应有合理的结构，方便清洗、加油、放油等。
1—吸油管；2—滤网；3—盖；4—回油管；5—上盖；
6—油位指示器；7、9—隔板；8—放油阀
2．油箱的结构
15.4.5 压力表
最常用的是弹簧管式压力表
压力表开关用于接通或断开压力表与测量点的通路

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