建筑机械的典型液压系统

第5章　液压传动

液压传动是和机械传动有不同原理的另一种传动方式，液压传动技术也是一项应用相当广泛的技术。它是以液体为工作介质，利用液体压力来传递动力和进行控制的一种传动方式。由于这种传动具有明显的优点，因而在20世纪60年代以后便得到迅速的发展，并在各种机械传动中得到广泛应用，在建筑机械中尤为显著。本章将主要讲述液压传动的基本概念、液压元件和液压传动的基本回路等内容。

5.1　液压传动的基本概念

5.1.1　液压传动原理

图5.1　液压千斤顶工作原理图
（a）工作原理图　（b）泵的吸油过程　（c）泵的压油过程
1—杠杆；2—泵体；3，11—活塞；4，10—油腔；5，7—单向阀；6—油箱；8—放油阀；9—油管；12—缸体

在机械传动中，人们利用各种机械构件来传递力和运动，如杠杆、凸轮、轴、齿轮及皮带等。在液压传动中，则利用没有固定形状但具有确定体积的液体来传递力和运动。如图5.1（a）所示为人们常见的液压千斤顶的工作原理。它由手动柱塞液压泵和液压缸两大部分所构成。大小活塞与缸体及泵体接触面之间具有良好的配合，不仅使活塞能够移动，而且形成可靠的密封。

液压千斤顶的工作过程如下：工作时关闭放油阀8向上提起杠杆1时，活塞3就被带动上升（见图5.1（b）），油腔4密封容积增大（此时单向阀7因受油腔10中油液的作用力而关闭），形成局部真空。于是油箱6中的油液在大气压力作用下，推开单向阀5并沿着吸油管道进入油腔4。接着用力压下杠杆1，活塞3下移（见图5.1（c）），油腔4的密封容积减少。油受到外力挤压而产生压力，迫使单向阀5关闭并使单向阀7的钢球受到一个向上的作用力。手压杠杆的力越大，油液压力越大，向上作用力就越大。当这个作用力大于油腔10中油对钢球的作用力时，钢球被推开，油腔4中油液的压力就传递到油腔10，迫使它的密封容积变大，结果推动活塞11连同重物G一起上升，反复提压杠杆，就能不断地将油液压入油腔10，使活塞11和重物不断上升，从而达到起重的目的。当然，如果提压杠杆1的速度越快，则单位时间内压入油腔10中的油液越多，重物上升的速度就越快；重物越重，下压杠杆所需的力就越大，于是油的压力也越大。

若将放油阀8旋转90°，油腔10中油液在重物G的作用下，流回油箱，活塞11就下降并恢复到原位。

液压千斤顶虽然是一个简单的液压传动装置，但通过对它工作过程的简单分析就可以看出，液压传动的工作原理是以油液作为工作介质，依靠密封容积的变化来传递运动，依靠油液内部的压力来传递动力。液压传动装置实质上是一种能量转换装置，它先将机械能转换为便于输送的液压能，然后又将液压能转换为机械能，以驱动工作机构完成所要求的各种动作。

在一般液压系统中，通常使用各种容积式液压泵，将原动机输入的机械能变为压力能，施于液体工作介质，并传递给一定形式的执行机构——液压缸或液压马达，然后再转换成机械能输出。

5.1.2　液压传动系统的组成

由液压千斤顶（见图5.1）的工作原理可知，整个液压传动系统由以下5部分组成：

（1）液压动力元件

动力元件主要是指液压泵，其功能是将原动机的机械能转换为液体的压力能。

（2）液压执行元件

执行元件指的是液压缸、液压马达，其功能是将液体的压力能转换为工作装置需要的机械能。

（3）液压控制元件

控制元件包括各类阀，其功能是控制液体的压力、流量和方向，使工作装置完成预期的动作。

（4）液压辅助元件

辅助元件包括油箱、滤油器、油管、接头、密封件等。其功能是在液压传动中协助和完善能量传递，保证系统正常工作。它对液压系统的工作效率、工作寿命影响甚大，必须予以重视。

（5）工作介质

工作介质即液压油，绝大多数是采用矿物油，其他还有合成液压油，含水液压油等。

5.1.3　液压传动的优缺点

与机械、电气传动相比，液压传动具有以下主要优点：

①可以在运行过程中实现大范围的无级调速。

②在同等输出功率下，液压传动装置体积小，质量轻，运动惯性小，反应速度快。

③可以实现无间隙传动，运动平稳。

④便于实现自动工作循环和自动过载保护。

⑤因一般采用油作工作介质，对液压元件有润滑作用，因此有较长的使用寿命。

⑥液压元件都是标准化、系列化产品，便于液压系统的设计、制造和推广应用。

液压传动的主要缺点是：

①液压传动中，能量需经过二次变换，特别是在节流调速系统中，其压力和流量损失较大，故系统效率较低。

②液体具有比金属大得多的可压缩性，另外配合面处不可避免地有油液泄漏。因此，一般液压传动不能得到严格的定比传动。

③液体性能对温度比较敏感，这使得液压传动的性能随温度改变而发生变化，不易保证在高温和低温下都具有良好的性能。

④液压元件要求有较高的加工精度，因而成本较高。

⑤发生故障不易检查和排除，且空气渗入液压系统后，容易引起系统产生振动、噪声等。

5.1.4　液压传动的两个基本参数——压力和流量

（1）压力

经过对液压千斤顶（见图5.1）的分析可知，液压缸内的液体受到外力作用后，会产生一种推动力，使大活塞能顶起重物，这种因外力作用而在单位面积上产生的推力即是压力，它是液压传动的一个基本参数。可表示为

在国际单位制（SI）中，压力的单位是Pa（帕），与（SI）暂时并用的压力单位是bar（巴）。它们之间的换算关系为

由于Pa的单位太小，工程上常用MPa（兆帕），1MPa＝1×106Pa。

在液压千斤顶（见图5.1）中，当不考虑液体流动的阻力时，根据静压传递原理，要使大活塞顶起上面的重物（负载），则作用在大活塞下端面积A上的总压力F，至少应该等于物重G（实际上还应包括活塞本身的重力及摩擦力），即

故缸中的油液压力p为

由此可知，液压系统中的压力，决定于外界负载。

在液压传动中，压力范围可分成如表（5.1）所示列出的5个等级。

表5.1　压力分级

建筑机械液压系统多采用高压和中高压。

（2）流量

单位时间内流过管道某一截面的液体体积称为流量。若在时间t内流过的液体体积为V，则流量Q为

计算流量时，液体体积的单位是m3或cm3，时间的单位是m3/s或cm3/s。此外，我国通常使用的液体单位为L/min。其换算关系为

1m3/s＝106cm3/s＝6×104L/min

如图5.2所示为液体在直管内流动，设管道的通流截面积为A，流过截面Ⅰ—Ⅰ的液体经时间t后到达截面Ⅱ—Ⅱ处，所流过的距离为l，则流过的液体体积为V＝Al，因此流量为

式中，v是液体在通流截面上的平均流速，而不是实际流速。由于液体存在黏性，致使同一通流截面上各液体质点的实际流速分布不均匀，越靠近管道中，流速越大。因此在进行液压计算时，实际流速不便使用，需使用平均流速。平均流速是一种假想的均布流速，以此流速流过的流量和以实际流速流过的流量应该相等。

图5.2　流量与平均流速

图5.3　活塞运动速度与流量的关系

在液压缸中，液体的平均流速与活塞的运动速度相同（见图5.3），因此存在关系为

由式（5.4）可知，当液压缸的活塞有效作用面积一定时，活塞运动速度的大小由输入液压缸的流量来决定。

（3）压力损失及其与流量的关系

在液压管路中，压力与流量这两个基本参数之间有什么关系呢？由静压传递原理可知，密封的静止液体具有均匀传递压力的性质，即当一处受到压力作用时，其各处的压力均相等。但是，流动的液体情况并不是这样，当液体流过一段较长的管道或各种阀孔、弯管及管接头时，由于流动液体各质点之间以及液体与管壁之间的相互摩擦和碰撞作用，引起了能量的损失，这主要表现为液体在流动过程中的压力损失（即压力降落或压力差）。若以Δp表示这种压力损失（见图5.4，Δp＝p1-p2），它与管路中通过的流量Q之间的关系为

图5.4　液体的压力损失

由式（5.5）可知，在管道中流动的液体，其压力损失、流量与液阻之间的关系是：液阻增大，将引起压力损失增大，或使流量减小。液压传动中常常利用改变液阻的办法来控制流量或压力。

5.1.5　液压油的选择

黏度是液压油最重要的物理性质，也是正确选用液压油的主要指标。所谓黏度，是指流动液体分子之间的内摩擦力的大小。显然，黏度较大的油液流动性就差些。如将20号和30号机械油进行比较，30号机械油的黏度比20号大些，流动性就差一些。

在一般的液压传动中，应用较广的是10号、20号或30号机械油，这种油价格便宜，但性能较差。在有较高要求的液压系统中，可选用经过精制的性能更好的油类，如汽轮机油或精密机床液压油等。

一般油液，在温度升高时，黏度都要变小，油的黏度变化会影响液压系统的性能和泄漏。温度升高，油还容易被氧化，其析出物堵塞阀类小孔及管道，所以必须限制油的温升，使系统能正常工作。液压油的正常工作温度是30～55℃。若使用温度过低，则油的黏度增大，会使液压系统的摩擦损失增大。在不同的环境温度和工作压力条件下，应该选用不同黏度的油。为了减少漏损，在使用温度、压力较高或速度较低时，应采用黏度较大的油；为了减少管路内的压力损失，在使用温度、压力较低或速度较高时，应采用黏度较小的油。不同规格的油具有不同的黏度和其他成分含量，选用时可查阅有关手册资料。

5.1.6　液压传动的图形符号

一个完整的液压系统由各类元件及管路等组成。如果要用各个元件的结构图和它们的连接管路来表示整个液压系统，那么不仅绘制起来十分复杂，而且还难以将原理表达清楚。如果采用简单的图形符号来表示元件的职能和元件间的联系，则不仅清晰易懂，而且还节省很多工作量。因此，熟悉了解液压元件图形符号的表示形式和意义，就显得甚为重要。

国家标准《GB/T786.1—2009液压图形符号》对各种液压元件和管路的图形符号作了规定。如表5.2所示为部分常用液压系统图的图形符号。

表5.2　部分常用液压系统图形符号（摘自GB/T786.1—2009）

续表

5.2　液压元件

液压系统是由液压元件——液压泵、液压缸和液压马达、液压控制阀及液压辅件等组成。现将前3类元件作简要论述。

5.2.1　液压泵

液压泵是将电动机（或其他原动机）输出的机械能转换为液体压力能的能量转换装置。在液压系统中，液压泵是动力元件，是液压传动系统的重要组成部分。

（1）液压泵的工作原理

图5.5　液压泵的工作原理
1—杠杆；2—泵体；3—活塞；4—油腔；5，7—单向阀；6—油箱

如图5.5所示为液压泵的工作原理图，活塞3和泵体2构成密封油腔4。当提起杠杆1时活塞随之上升，油腔容积4逐渐增大，产生局部真空，油箱6内的油液在大气压力的作用下顶开单向阀5进入油腔4，这时液压泵在吸油；当压下杠杆1活塞3随之下移时，油腔容积4逐渐缩小，腔内的油液受到挤压后顶开单向阀7流到工作系统中，这就是压油。由此可知，液压泵是靠密封容积的变化来实现吸油和压油的，故称为容积泵。它的工作过程就是吸油和压油的过程。其正常工作的必备条件如下：

①应具备密封容积，如图5.5所示的油腔4。

②密封容积能交替变化，泵的输油量和密封容积变化的大小与单位时间变化次数成正比。

③应有配流装置。它保证在吸油过程中密封容积与油箱相通，同时关闭供油通路；压油时，与供油管路相通而与油箱切断。图5.5中单向阀5和7就是配流装置，它随着泵的结构不同而采用不同的形式。

④油箱油液应受到大气压力。吸油过程中，油箱必须和大气相通，这是吸油的必要条件。

（2）常用液压泵的类型

液压泵的类型很多，按其结构不同可分为齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、螺杆泵及凸轮转子泵等；按其输油方向能否改变可分为单向泵和双向泵；按输出的流量能否调节可分为定量泵和变量泵；按额定压力的高低可分为低压泵、中压泵和高压泵3类。但在建筑机械液压系统中用得最普遍的是齿轮泵、叶片泵和柱塞泵，现分别介绍如下：

图5.6　外啮合齿轮泵的结构原理图

1）齿轮泵

齿轮泵分外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵两种。因外啮合齿轮泵用得较多，故下面只介绍外啮合齿轮泵。

如图5.6所示为外啮合齿轮泵的结构原理图，它由一对相互啮合的渐开线齿轮、泵壳和两端盖板构成。上部齿轮与原动机相联接，因而是主动齿轮，通过啮合作用，带动下部的从动齿轮旋转。图示主动轮做逆时针方向旋转时，从动轮则做顺时针方向转动，结果其右侧轮齿不断脱离啮合，油腔容积增大，形成一定的真空，通过连接油箱吸油管，将油箱中的油液吸入泵的右腔——吸油腔；齿轮的左侧，轮齿不断地进入啮合，油腔容积减小，被齿轮带到左侧的油液，受到挤压作用，形成高压的压油腔，高压油连续不断地被排送到连接执行机构的压油管中，用以克服外部负载。泵的右侧吸油，左侧压油，整个过程连续地进行。

齿轮泵油液的泄漏油包括齿轮端面与端盖间、齿顶圆和泵体内孔间以及两个齿轮的齿面啮合处等。而对泄漏影响最大的是齿轮和端盖间的轴向间隙，因为此处泄漏面积大，泄漏路程短，因此必须选择合适的轴向间隙。

通过对齿轮泵结构原理图的分析，可以得到齿轮泵具有以下优点：结构简单紧凑，体积小，质量轻，成本低，工作可靠，工艺性好，维护方便，自吸能力强等，对液压油的污染不敏感，能使用黏性大的液压油。存在的缺点是：使用压力较低，流量和压力的脉冲较大，效率低，噪声大。

2）叶片泵

叶片泵根据叶片泵转子每转一圈的吸或压油次数，可将叶片泵分为单作用式（每转吸、压油一次）及双作用式（每转吸、压油两次）两种。建筑机械液压系统主要用双作用式叶片泵。

图5.7　双作用式叶片泵的工作原理图

如图5.7所示为双作用式叶片泵的工作原理图。它是由转子、定子、叶片、两侧的配流盘（图中未示）及壳体组成。转子和定子同心，定子内表面由两段长径R、两段短径r和4段过渡曲线构成。转子旋转时，叶片在离心力和液压力作用下，压紧在定子内表面上。叶片由短半径r变为长半径R时，工作容积增大，形成局部真空而吸入油液。反之工作容积由大变小时，则把油液压向执行元件。

在转子每回转一周的过程中，每两片叶片间的空间完成两次吸油和两次压油过程，故属双作用式。该泵由于有两个吸油区和两个压油区，且它们所对应的中心角对称，故油压作用在转子上的作用力即径向力完全平衡，转子轴承受力情况良好。

叶片泵具有流量均匀性好、运转平稳、噪声小，结构紧凑、排量大等优点；缺点是结构较复杂，吸油条件要求严格（实现吸油可靠转速必须在500～1500r/min范围内），对油的污染较敏感。

3）柱塞泵

柱塞泵是利用柱塞在有柱塞孔的缸体内做往复运动，使密封容积发生变化而实现吸油和压油，按其柱塞排列方向不同，可分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵两类。下面仅介绍建筑机械常采用的轴向柱塞泵。

轴向柱塞泵是柱塞中心线平行于转轴轴线的一种柱塞泵，如图5.8所示为轴向柱塞泵的工作原理图。它主要由缸体2、配油盘1、柱塞3和斜盘4等组成。斜盘4与缸体轴线有交角γ。柱塞在根部弹簧或液压力等作用下，保持头部和斜盘紧密接触。当缸体转动时，由于斜盘和弹簧的作用，迫使柱塞在缸体内做往复运动，通过配油盘的配油窗口进行吸油和压油。当缸体按逆时针方向转动时，即柱塞在转角0～π范围时，柱塞向外伸出，柱塞根部密封容积增大，通过配油盘右配油窗口进行吸油；当柱塞转角由π～2π范围时，柱塞被斜盘逐步压入缸体，柱塞根部容积减小，故泵通过左配油窗口压油。缸体每转一转，每个柱塞各完成一次吸油和压油。缸体连续转动时，柱塞则不断进行吸油和压油。如果改变斜盘倾角γ，就能改变柱塞的行程，也就改变了泵的排量。如改变斜盘倾角方向，就能改变吸、压油方向，这就成为双向变量轴向柱塞泵。

图5.8　轴向柱塞泵的工作原理图
1—配油盘；2—缸体；3—柱塞；4—斜盘

柱塞泵具有压力高，效率高以及流量调节方便等优点。其缺点是结构复杂，价格较高。

（3）液压泵类型的选择

通常情况下，齿轮泵多用于低压液压系统（2.5MPa以下），叶片泵多用于中压液压系统（6.3MPa以下），柱塞泵多用于高压液压系统（10MPa以上）。由于柱塞泵造价较高，因此在平稳性、脉动性、噪声等方面要求不高，或工作环境较差的场合，可采用高压齿轮泵。小功率场合，选用定量泵；大功率场合，选用变量泵较为合理。在具体选择时，还应根据温度、清洁状况、安放位置、维修保养等使用环境及经济性能和货源供应诸方面进行分析比较后确定。各类液压泵的结构参数、性能特点和应用范围可查阅有关液压传动手册或产品样本。

5.2.2　液压马达

液压马达是液压传动系统中的一种执行元件，它是将液压能转变为机械能的转换装置，用于实现旋转运动。液压马达通常也有3种类型，即齿轮式液压马达、叶片式液压马达和柱塞式液压马达。

（1）建筑机械用液压马达的要求

建筑机械的工作机构多为低转速，所需扭矩大。例如，起重机的卷筒、履带式挖掘机的履带驱动轮等，转速一般为100r/s以下，而扭矩有时却要求若干个105N·m。因此，使用高速马达时，还必须装上减速装置，使结构变得复杂，如用低速大扭矩马达直接驱动工作装置，则机构可大为简化。

理论上，液压马达平均扭矩计算公式为

式中　M——液压马达的输出扭矩，N·m；

　　　n——液压马达的输出转速，r/s；

　　　Q——液压马达的输入流量，m3/s；

　　　q——液压马达的排量，m3/r；

　　　p——液压马达的工作压力，Pa。

对于定量液压马达，q为定值，在Q和p不变的情况下，其输出转速n和转矩M皆不可改变；对于变量液压马达，q的大小可以调节，因而它的输出转速n和转矩M是可以改变的。在Q和p不变的情况下，若使q增大，则n减小，M增大。

（2）内曲线径向柱塞式低速扭矩马达简介

在建筑机械中常用内曲线径向柱塞式低速大扭矩马达，简称内曲线马达。其主要特点是作用次数x≥3，所以其排量q较大。它具有结构紧凑、质量轻、传动扭矩大，低速稳定性好、变速范围大、启动效率高等优点。

对于马达回油路有压力的情况，马达的输出扭矩应计算为

5.2.3　液压缸

液压缸与液压马达一样，也是液压系统中的执行元件。不同的是，液压缸用来实现直线往复运动，或在一定角度内的回转摆动而不是旋转运动。

液压缸在建筑机械中使用得很广泛。例如，起重机的动臂伸缩、变幅和支腿，挖掘机的动臂、斗杆和铲斗，叉车的举升和倾斜，推土机铲刀的提升和转动等都是采用的液压缸。

液压缸的种类繁多，不仅内部构造不同，而且连接形式也不同，但其工作原理是类似的。下面就建筑机械中常用的3类液压缸作简要介绍。

图5.9　单杆活塞液压缸工作原理

（1）双作用单杆活塞液压缸

这种液压缸的工作原理如图5.9所示。其特点是活塞的一端有杆，而另一端无杆，即活塞是单出杆，所以活塞两端的有效作用面积不等。当左、右两腔相继进入压力油时，即使流量及压力相同，活塞往返运动的速度和所受的推力也不相等。当无杆腔进油时，因活塞有效面积大，故速度小，推力大；当有杆腔进油时，因活塞有效面积小，所以速度大、推力小。上述特点可列式说明如下：

假设活塞与活塞杆的直径分别为D和d，当无杆腔进油，工作台向左运动时，速度为v1，推力为F1，则

当有杆腔进油，工作台向右运动时，速度为v2，推力为F2，则

比较上述公式，因为A1＞A2，所以v1＜v2，F1＞F2。

（2）伸缩式液压缸

伸缩式液压缸是一种多级液压缸，其特点是行程大，结构紧凑。如图5.10所示为伸缩式液压缸的结构示意图。由两套活塞缸套装而成，件1对缸体3是活塞，对活塞2是缸体。当压力油从A口进入，活塞1先伸出，然后活塞2伸出。当压力油从B口进入，活塞2先缩入，然后活塞1缩入。总之，按活塞的有效工作面积大小，依次动作，有效面积大的先动，小的后动。

图5.10　伸缩式油缸结构示意图

图5.11　摆动液压缸示意图

伸出时的推力和速度是分级变化的，活塞1有效面积大，伸出时推力大速度低，第二级活塞2伸出时推力小速度高。

（3）摆动液压缸

摆动液压缸又称摆动液压马达，其工作原理如图5.11所示。轴2装有叶片1，叶片1和封油隔板3将缸内空间分成两腔。当缸的一个油口接通压力油，而另一个油口通回油时，叶片在油压作用下产生扭矩，带动轴2摆过一定的角度。

摆动液压缸一般用于摆角小于360°的回转工作部件的驱动。

（4）液压缸的密封和缓冲

1）液压缸的密封

液压缸以及其他液压元件，凡是容易造成泄漏的地方，都应该采取密封措施。液压缸的密封，主要是指活塞与缸体、活塞杆与端盖之间的动密封以及端盖与缸体之间的静密封。常用的密封方法有以下两种：

图5.12　间隙密封

①间隙密封。它依靠运动件之间很小的配合间隙来保证密封。如图5.12所示就是这种密封方法。活塞上开有几个环形小槽，环形槽的作用，一方面可以减少活塞与缸体的接触面积，增强密封作用；另一方面，由于环形槽的油压作用，使活塞处于中心位置，减少由于侧压力所造成的运动表面之间的摩擦。这种密封的摩擦力小，但密封性能差，要求加工精度高，只适用于低压。

②密封圈密封。它是液压系统中应用最广的一种密封方法。密封圈是用耐油橡胶压制而成，通过本身的受压变形来实现密封的。橡胶密封圈的断面通常做成O形、Y形和V形，如图5.13所示。其中，O形密封圈密封性能良好，摩擦阻力较小，结构简单，制造容易，体积小，拆装方便，适用压力范围较广，因此应用极为普遍。它既可用着运动件之间的密封，又可作为固定件之间的静密封。橡胶密封圈是标准件，其技术规格及使用条件可参阅有关手册。

图5.13　常用橡胶密封圈
（a）O形圈　（b）Y形圈　（c）V形圈

图5.14　液压缸的缓冲结构

2）液压缸的缓冲

液压缸的缓冲结构是为了防止活塞在行程终了时，由于惯性力的作用与缸盖发生撞击。缓冲原理是活塞在接近缸盖时，增大回油阻力，以降低活塞的运动速度，从而避免活塞撞击缸盖。常用缓冲结构如图5.14所示，它是由圆锥或带槽圆柱的活塞凸台和缸盖凹槽（内圆柱面）构成。当活塞移近缸盖时，凸台逐渐进入凹槽，将凹槽内的油液经凸台和凹槽之间的缝隙挤出，增大回油阻力，产生制动作用，从而实现缓冲。

5.2.4　液压控制阀

液压控制阀是液压系统的控制元件，用来控制和调节液流方向、压力和流量，从而控制执行元件的运动方向，输出的力和力矩、运动速度、运动顺序以及限制和调节液压系统的工作压力，防止过载等。根据用途和工作特点的不同，控制阀主要分以下3大类：

①方向控制阀。单向阀、换向阀等。

②压力控制阀。溢流阀、减压阀、顺序阀等。

③流量控制阀。节流阀、调速阀等。

另外，液压控制阀还可按压力高低、控制方式、结构形式及连接方式等不同来进行分类。

（1）方向控制阀

控制油液流动方向的阀称为方向控制阀，简称方向阀。它分为单向阀和换向阀两大类。

1）单向阀

单向阀用来控制油路的通或断，由于它关闭较严，常在回路中起保持部分压力的作用，也常与其他阀组合成单向复合阀。

①普通单向阀。普通单向阀可制成直通式或直角式，其作用是控制液流只能单向流动，而不能反向流动。

直通式结构如图5.15（a）所示，其优点是结构简单，缺点是装于系统后更换弹簧不便，易产生振动与噪声。

直角式结构如图5.15（b）所示，其优点是阀芯内腔不作液流通道，振动与噪声小，更换弹簧方便。

图5.15　普通单向阀

②液控单向阀。液控单向阀在未引入控制压力油时，能阻止油液反向流动，在引入压力油后，可使反向液流也能通过。

如图5.16所示为一液控单向阀，它由锥形单向阀和液控部分组成。当控制油口K不通压力油时，油只能由P1流至P2，反向不能通油，与普通单向阀作用相同。当控制油口接通压力油时，活塞1右移，顶开阀芯，油可从P2流向P1。控制压力约为主油路压力的30%～40%。

2）换向阀

换向阀的作用是利用阀芯和阀体间相对位置的改变，来控制油液流动方向，接通或关闭油路，从而改变液压系统的工作状态。根据换向阀阀芯的运动形式、结构特点和控制方式等，换向阀的分类如表5.3所示。

表5.3　换向阀的分类

建筑机械中使用的换向阀以滑阀为多，因此，本书中的换向阀皆指滑阀型换向阀。

①换向阀的工作原理。各种不同的滑阀位置和不同通路的组合，可以得到多种类型的换向阀，如二位三通、二位四通、三位四通和三位六通等。所谓“位”，就是换向阀的工作位置，“通”就是油液的通路口。例如，三位四通换向阀（见图5.17）有3个工作位置4个通路口。3个工作位置就是滑阀在中间以及阀芯移到左、右两端时的位置，4个通路口即压力油口P、回油口O和通往执行元件两端的油口A和B。由于滑阀相对阀体做轴向移动，改变了位置，因此各油口的连接关系就改变了，这就是滑阀式换向阀的换向原理。

图5.17　换向阀的换向原理
（a）滑阀处于中位　（b）滑阀移到右端　（c）滑阀移到左端　（d）图形符号

②换向阀的中位机能。三位换向阀的阀芯在阀体中有左、中、右3个位置。左、右位置是使执行元件产生不同的运动方向；而阀芯在中间位置时，利用不同形状及尺寸的阀芯结构可以得到多种油口连接方式，除了使执行元件停止运动外，还可以有其他一些不同的功能。因此，三位阀在中位时的油口连接关系作为滑阀中位机能，也称为滑阀机能。常用的滑阀机能如表5.4所示。

表5.4　滑阀中位机能

续表

（2）压力控制阀

在液压系统中，控制工作液体压力的阀称为压力控制阀，简称压力阀。常用的压力阀有溢流阀、减压阀、顺序阀等。它们的共同特点是利用油液压力和弹簧力相平衡的原理进行工作。

1）溢流阀

溢流阀应用很广。它的作用主要有两方面：一是在流压系统中，用来限制最高压力，以防系统过载，如图5.18（a）所示；二是用于维持系统压力近似恒定，起稳压作用，如图5.18（b）所示的节流调速系统。溢流阀一般接在液压泵出口的油路上，由于结构不同，可分为直动式和先导式两类。

图5.18　溢流阀的作用

①直动式溢流阀。如图5.19所示为一直动式溢流阀的结构图。其工作原理为：阀芯在弹簧力的作用下压在阀座上，而液压力则直接作用于阀芯与弹簧力相平衡，当液压力大于弹簧的预紧压力时，阀开启，压力油便由出口溢流回油箱。

拧动阀上方的调压螺母1，则可改变弹簧对阀芯的压紧力，即可调节系统压力的大小。

这种形式的溢流阀结构简单，动作灵敏，但稳定性差，在建筑机械液压系统中常用作过载阀，或在低压系统中用作稳压阀。

②先导式溢流阀。如图5.20所示为先导式溢流阀。它由先导阀Ⅰ和主阀Ⅱ两部分组成。先导阀为锥阀式，用来控制压力；主阀是滑阀式，用来控制溢流流量。

先导式溢流阀的工作原理是：当压力油从系统流入主阀的进油口P以后，一部分经通道a进入主阀阀芯5下端油腔A，另一部分经阻尼小孔b进入其上腔，再经通道C进入先导阀右腔B，给锥阀3以向左的作用力（在一般的应用中，外控口K是被堵死的）。当系统压力升高，使得锥阀3锥顶部（有效作用面积很小）的液压推力大于调压弹簧2的作用力时，锥阀便被顶开，部分油液便从泄油孔e流到回油口O，再流入油箱。由于阻尼小孔具有较大的液阻，因而使主阀的两端形成一定的压力差，在此压力差作用下，主滑阀阀芯克服平衡弹簧4的弹力与其自重和摩擦力时，阀芯5向上移动，使P口和O口沟通，溢流阀溢流。

先导式溢流阀性能比直动式好，常在中高压系统中用作安全阀或稳压阀。

图5.19　直动式溢流阀
1—调压螺母；2—弹簧；3—阀芯

图5.20　先导式溢流阀
1—调节螺帽；2—调压弹簧；3—锥阀；4—主阀弹簧；5—阀芯

如果阀的外控口K接油箱，则该溢流阀用作卸荷阀，使油泵卸荷。

2）减压阀

减压阀用于减低系统中某一分支油路的压力。当系统中只有一个泵，而同时要求有不同的工作压力时，就采用减压阀。例如，起重机的提升油路需要较高的压力，而制动器和离合器的控制油路只需较低的压力，这就可以从主油路上接装减压阀来得到低压油路。减压阀有直动式和先导式两类，一般采用先导式。

如图5.21所示为一种先导式减压阀的结构原理图。

图5.21　减压阀的结构原理和图形符号

压力为P1的压力油从阀的进油口流入，经过节流缝隙h减压以后，压力降为P2再从出口流回。

当出口压力P2大于调整压力时，锥阀就被顶开，主滑阀上端油腔中的部分压力油便经阀锥开口通道e，由泄油口L流回油箱。由于主阀阀芯内阻尼小孔的作用，滑阀上端油腔中的油压降低，阀芯失去平衡向上移动，因而节流缝隙h减小，减压作用增强，使出口压力P2降低至调整的数值。

当出口压力P2小于调整压力时，其作用过程与上述相反。

减压阀出口压力的稳定数值，可以通过调节螺母1来调节。

3）顺序阀

图5.22　顺序阀
1—弹簧；2—主阀芯；3—控制阀芯

顺序阀用在液压系统中，可以获得各个工作机构的顺序动作。顺序阀的结构和工作原理与溢流阀相似，所不同的是，溢流阀将油流回油箱，因而是不做功的，顺序阀的回油则是通往第2个执行元件，是做功的。

如图5.22所示，主阀芯2在弹簧1的作用下，处于最下部位置，将出油通道关闭。当进口压力升高到一定值时，控制阀芯在进口压力油（自f引进）作用下，将主阀芯2顶起，进出口便沟通，即顺序阀被打开。这时从出口流出的压力油，可进入第2个执行元件做功。

（3）流量控制阀

流量控制阀是靠改变工作开口的大小来调节通过阀口的流量，以改变执行机构运动速度的液压元件，简称流量阀。常用的流量控制阀有节流阀、调速阀、温度补偿调速阀以及这些阀和单向阀等的各种组合阀。其中，节流阀是最基本的流量控制阀。1）节流阀

图5.23　节流阀的结构原理

如图5.23所示为一种节流阀的结构原理。油从进油口P1流入，经过阀芯下端的轴向三角形节流槽，再从出油口P2流出。拧动阀上方的调节螺钉，可使阀芯做轴向移动，从而改变阀口的通流面积，使通过的流量得到调节。

节流口的形式有多种，但其工作原理都相同。

由大量的实践得知，通过节流阀阀口的流量特性方程为

由式（5.9）可知：

图5.24　调速阀的工作原理

①当阀口结构形状、油液性质和节流阀前后压力差一定时，只要改变阀通流截面积f，便可调节流量。

②当阀口截面积调整好后，若阀的前后压力差或油的黏度发生变化，通过节流阀的流量也要发生变化，从而使工作部件不平稳，这是节流调速的缺点。

2）调速阀

对于运动平稳性要求较高的液压系统，通常采用调速阀。调速阀是由减压阀和节流阀串联而成的组合阀。如图5.24所示，减压阀J和节流阀L串在液压泵和液压缸之间。来自液压泵的压力油，其压力为PB（由溢流阀调定），经减压阀槽a处开口缝隙减压以后，流往槽b，压力降为P1。接着，再通过节流阀流入液压缸，压力降低为P2，在此压力的作用下，活塞克服负载，向右运动。

当负载F变化时，调速阀能保持流量稳定，从而使负载的速度稳定。

5.3　液压传动的基本回路

基本回路是用液压元件组成并能完成特定功能的典型回路。对于任何一种液压系统，不论其复杂程度如何，实际上都是由一些液压基本回路组成的。熟悉这些基本回路，对了解整个液压系统会有较大的帮助。常用的基本回路，按其功能可分为方向控制回路、压力控制回路、速度控制回路等3大类。

5.3.1　方向控制回路

控制液流通、断和流动方向的回路称为方向控制回路。这类控制回路常有换向回路和锁紧回路。

（1）换向回路

换向回路的作用主要是变换执行机构的运动方向。对换向的要求是要有良好的平稳性、灵敏性和换向精度，而其换向动作大都由换向阀来实现。如图5.25所示的换向回路，根据执行元件的换向要求，可以选用二位或三位，四通或五通，人工、机械、液压和电气等各种控制类型的换向阀。

（2）锁紧回路

为了使执行元件在任意位置上停止并防止其停止后窜动，可采用锁紧回路。如起重机、挖掘机的液压伸缩支腿。为了防止“软腿”，即在载荷作用下回缩，必须采用锁紧回路。

1）换向阀锁紧回路

如图5.26所示为采用中位机能为O型的三位四通换向阀的锁紧回路，使执行元件两个工作腔的油路都被封死，从而达到锁紧目的。

由于滑阀式换向阀其滑动副中不可避免地有间隙存在，因此，必然有渗漏，故锁紧效果较差，一般用于锁紧要求不太高的场合。

图5.25　用换向阀的换向回路

图5.26　用Ｏ型机能换向阀的锁紧回路

2）单向阀锁紧回路

在如图5.27（a）所示的单向阀锁紧回路中，在泵的出口处安装单向阀，可利用外部载荷来锁紧液压缸，但这种锁紧回路只能使活塞锁紧在活塞的一端，而不能把活塞锁紧在任意位置上。对于垂直液压缸，为了防止重物下落，可采用此种回路。

3）液控单向阀锁紧回路

如图5.27（b）所示的液控单向阀锁紧回路又称液压锁。用于锁紧要求较高的场合，如用于起重机的支腿油路上。

使用液压锁可使液压缸在任意位置上停止。由图5.27（b）可知，这种锁紧回路是在液压缸的两条回路上安装两个液控单向阀，每一个单向阀的打开是受另一条回路控制的。

液压锁采用的锥形阀，只要没有污物的影响，就可以认为几乎没有泄漏，故锁紧精度较高。

5.3.2　压力控制回路

压力控制回路主要利用压力控制阀来调节系统或系统的某一部分压力。它可用来实现调压、减压、增压、卸载等控制，满足执行元件在力或转矩上的要求。

（1）调压回路

很多液压传动机械在工作时，要求系统的压力能够调节，以便与负载相适应，这样才能节省动力损耗，减少油液发热。还要求整个系统或系统中某一部分压力保持恒定，或者限定其最高数值，这就需要应用主要由溢流阀组成的调压回路。

1）单级调压回路

如图5.28所示为一种最常见的单级调压回路，其中溢流阀能调定系统的最大工作压力。通常溢流阀都置于液压泵的出口，以对泵和整个系统进行过载保护，即当负载在系统中造成的压力超过溢流阀调定值时，泵输出的油液将经溢流阀流回油箱，以限制主油路压力的进一步升高。这种回路效率较低，一般用于流量不大的情况。

图5.28　单级调压回路

图5.29　两级压力回路

2）多级调压回路

当液压系统在工作过程中的不同阶段，需要两种以上的不同压力时，可采用多级压力调节回路。

如图5.29所示为压力机液压系统用的两级调压回路。如液压缸活塞下降时为工作行程，此时系统应具有较高的油压。液压缸活塞上升时为非工作行程，系统只需克服活塞和其他运动部件的质量，因而所需油压较低。为了使活塞上升到终点时，不因自重而下落，装设了低压溢流阀2，从而减少了功率消耗及系统发热。在系统中用两个溢流阀分别控制两种压力，活塞下降时所需之油压，由高压溢流阀1来控制；活塞上升所需的油压由低压溢流阀2控制。

（2）减压回路

对于用一个液压泵同时向两个以上执行元件供油的液压系统，若某个执行元件或支路所需的工作压力低于溢流阀所调定的压力，便可采用以减压阀为主所组成的减压回路。

如图5.30所示为常见的一种减压回路。系统主油路工作压力由溢流阀调定。但控制系统需要的工作压力较低，润滑油路上的工作压力更低，它们都分别由不同的减压阀调定。

图5.30　用减压阀的减压回路

图5.31　用增压缸的增压回路

（3）增压回路

增压回路是用来使局部油路或个别执行元件得到比主系统油压高得多的压力。增压的方法很多，如图5.31所示为常采用的增压缸的增压回路。

增压缸由大、小两个液压缸e和f组成。当压力油进入液压缸e的左腔，油压就作用在大活塞上，推动大小活塞一起向右运动，这时f缸里就可产生更高的油压。

图5.31中补油箱的主要作用是在工作油缸活塞上升的时候，油液可以通过单向阀进入f缸，以补充这部分管路的泄漏（即增压液压缸的活塞左移时）。

（4）卸荷回路

卸荷回路的作用是在不停转发动机的情况下，使液压泵以可能的最小输出功率运转，也就是液压泵输出的油液，以能克服管路阻力所需之压力的最低压力流回油箱，或以能补偿系统泄漏所需之流量的最小流量输出压力油。这样可以节省动力，减少油液发热温升，提高效率。常用的卸荷回路有：用换向阀的卸荷回路和用电磁溢流阀的卸荷回路。

1）用换向阀的卸荷回路

如图5.32（a）所示为用二位二通换向阀的卸荷回路，卸荷效果好。如图5.32（b）所示为用三位四通换向阀的卸荷回路，这时换向阀的中位机能用H型、M型或K型。这种卸荷方法结构简单，适用于低压、小流量的液压系统。

2）用电磁溢流阀的卸荷回路

图5.32　用换向阀的卸荷回路

图5.33　用电磁溢流阀的卸荷回路

如图5.33所示为采用电磁溢流阀的卸荷回路。电磁溢流阀是由常闭式二位电磁滑阀和先导式溢流阀组合的复合阀，可遥控。需要卸荷时，使电磁阀通电后换向，溢流阀遥控口与油箱接通，溢流阀全开，液压泵输出的油液便以很低的压力，经溢流阀流回油箱。

5.3.3　速度控制回路

速度控制回路包括调节工作行程速度的调速回路和使不同速度相互转换的速度换接回路。调速回路主要有定量泵的节流调速和变量泵的容积调速两种方式。

（1）节流调速回路

用节流阀调速时，根据节流阀在油路中安装的位置不同，可分为进油节流调速（见图5.34（a））、回油节流调速（见图5.34（b））和旁路节流调速等多种形式。常用的有进油节流调速和回油节流调速两种回路。

节流调速依靠改变管路系统中某一部分液流的阻力，来改变执行元件的速度。此法比较简单，并能使执行元件获得较低的运动速度。但是，由于系统中经常有一部分高压油通过溢流阀流回油箱，因此功率损失较大，且造成系统发热和效率的降低。

图5.34　节流调速回路

（2）容积调速回路

用变量泵或变量马达实现调速的回路称为容积调速回路。根据变量泵和变量马达的组合形式不同，容积调速回路分为变量泵调速回路、变量马达调速回路和变量泵—变量马达调速回路。

如图5.35（a）所示为变量泵调速回路。变量泵输出的压力油全部进入液压缸中，推动活塞运动。调节泵的输出流量，即可调节活塞运动的速度。系统中的溢流阀起安全保护作用，在系统过载时才打开溢流。

在变量泵调速回路中，若执行机构为定量马达，则当调节泵的流量时，马达的转速也同样可以得到调节。

如图5.35（b）所示为变量马达调速回路。定量泵输出的压力油全部进入液压马达，输入流量是不变的。若改变液压马达的排量，则可调节它的输出转速。

如图5.35（c）所示为变量泵—变量马达调速回路，它是上述两种回路的组合，调速范围较大。与节流调速相比，容积调速的主要优点是压力和流量的损耗小，发热少。缺点是变量泵和变量马达的结构复杂，价格较高。

图5.35　容积调速回路

5.4　建筑机械的典型液压系统

5.4.1　推土机液压系统

如图5.36所示为推土机液压系统。发动机带动齿轮泵1，将油箱中的低压油吸出，经泵变成高压油，送往换向控制元件。油液经四位六通阀3控制铲刀升降液压缸动作。图5.36中D为铲刀浮动位置，铲刀升降液压缸的上、下腔与回油路、油泵均连接。此时，铲刀以自重压在地面上，并随作业地面的高低而浮动。

图5.36　推土机液压系统油路
1—齿轮油泵；2—安全阀；3—四位六通换向阀；4，5—三位六通换向阀；6，7—双作用安全阀；8，9，11—单向阀；10—滤油器

三位六通阀4和5分别控制松土器的升降和调节铲刀的侧面倾斜角度。

安全阀2限制液压泵1的最高工作压力，起安全保护作用。

单向阀8用来防止液压泵停止工作时，液压系统中的油液倒流和进入空气，它也用来防止换向阀在转换工作位置过程中，由于铲刀自重而下降。

双作用安全阀6，7，接在松土器的液压缸的油路中，当进行松土作业时，换向阀4处于中间位置，使松土器液压呈封闭状态。如果松土耙齿碰到障碍物，受到突然载荷时，有迫使耙齿向下，活塞杆被拉出的趋势。此时液压缸小腔油液被压缩，压力剧增，当达到安全阀6的调定压力时，阀6即被打开，油液流入液压缸上腔。由于活塞杆被拉出，液压缸大腔容积增大，形成局部真空，从而通过单向阀向液压缸大腔补油；反之，当障碍物迫使耙齿向上时，活塞杆有缩回趋势，液压缸大腔排油、小腔补油。

单向补油阀9的作用：当推土机铲刀下降时，在铲刀自重作用下，下降速度越来越快，为避免形成局部真空，通过单向补油阀9向液压缸大腔补油。

为了保持油的清洁，设置滤油器10，以防污物进入液压泵，影响泵和阀的正常工作。

单向阀11是保护滤油器10的，由于污物影响，可能使滤油器阻力超过1.2bar，此时，油液便从单向阀11而流回油箱。

5.4.2　自升式塔式起重机的液压系统

自升式塔式起重机的特点是塔身能借助其内部顶升机构的作用力，随建筑物的升高而自行接高。

图5.37　液压顶升系统回路图

爬升塔式起重机分滑轮组提升和液压顶升两种，一般采用液压顶升机构进行塔身的顶升和接高。

当需塔架升高时，操作换向阀，使高压油进入液压缸的上腔，这时系统的工作压力由高压溢流阀A控制；当顶升完毕，需要收缩活塞杆，以便引入塔身的中间节时，只要低压油进入液压缸下腔，可操纵二位电磁阀，使阀A远控口接通低压先导阀B，于是系统压力改由阀B控制，当压力上升到阀B的调定值（低压）时，阀A主阀即溢流。由于活塞杆的收缩过程为低压溢流，溢流损失相对较少，故可节约部分动力，减少油液发热。

复习题

1.说明液压传动的工作原理，并指出液压传动装置通常是由哪几部分组成的？

2.液压传动的基本参数是哪两个？它们的单位是什么？它们之间有什么关系？

3.液压传动中，活塞运动的速度是怎样计算的？有人说：“作用在活塞上的推力越大，活塞运动速度就越快。”这种说法对吗？为什么？当活塞面积一定时要改变活塞运动速度应采用什么方法？

4.液压系统为什么会产生压力损失？它可分成哪两类？压力损失和哪些因素有关？

5.试述液压泵的工作原理。液压泵正常工作必须具备什么条件？常用液压泵有哪几种？具体说明一种液压泵的工作过程。

6.任举一变量泵，试述其变量原理。

7.建筑机械对液压马达的主要要求是什么？

8.说明液压缸的主要类型及其应用。

9.某一液压系统的执行元件为单杆活塞式液压缸，工作压力p＝35×105Pa，活塞直径290mm，活塞杆直径d＝40mm，问能克服多少阻力？

10.液压缸常用密封方法有哪些？

11.换向阀有哪几种控制方式？其符号是什么？换向阀的“位”表示什么意思？“通”的含意又如何？三位阀的滑阀中位机能又表示什么意思？

12.溢流阀有什么用途？说明它的工作原理，其图形符号怎样？

13.写出节流阀流量特性方程，并说明它的意义。

14.说明液控单向阀的工作原理及用途，并画出它的符号。

15.何谓卸荷？画出两种不同的卸荷回路。

16.节流调速与容积调速原理有什么不同？

17.试述推土机液压系统中各元件的作用？

18.试述自升式塔式起重机的液压顶升系统的工作过程。