第一節(jié)　液壓傳動的工作原理及系統(tǒng)組成

液壓傳動通過能量轉換裝置，將原動機的機械能轉變?yōu)橐后w的壓力能，然后通過管道、液壓控制及調節(jié)裝置等，借助另一能量轉換裝置將液體的壓力能轉變?yōu)闄C械能，驅動負載實現直線或回轉運動。

一、液壓傳動的工作原理

液壓千斤頂是應用液壓傳動的最簡單例子，現以液壓千斤頂為例來說明液壓傳動的工作原理。圖2-1所示為液壓千斤頂的液壓傳動系統(tǒng)，由大油缸、大活塞、小油缸、小活塞、管道、油箱、單向閥、截止閥、吸油管、杠桿手柄等組成。兩個直徑不同的大、小油缸1和8，與其缸內的大、小活塞2和7內壁緊密配合，并假設活塞在缸內無摩擦自由滑動，且液體不會通過配合面產生泄漏。因此。當活塞在缸內滑動時，在兩活塞下腔分別形成密閉容積，且這兩個密閉容積通過單向閥9由管道6連通。另外，大油缸1和小油缸8還分別通過截止閥4、單向閥10經油管與油箱6連通。

當關閉截止閥4，通過外力（主動力）F使杠桿手柄13向上運動時，小油缸8內的密閉容積不斷增大、壓力不斷降低，油箱6內的液壓油在大氣壓力的作用下，經回油管11克服單向閥10的彈簧壓力，將單向閥10打開，使液壓油進入小油缸8；當外力F使杠桿手柄13向下運動時，小油缸8內的密閉容積不斷減小、壓力不斷增加，小油缸內的液壓油在此壓力的作用下，將單向閥10關閉，將單向閥9打開，使壓力油經管道12進入大油缸1，驅動大活塞2上升。如果主動力F不斷驅動杠桿手柄13向上下往復運動，小油缸就可以不斷從油箱中吸油并將油壓入大油缸，使大活塞2不斷上升，實現頂起重物W的目的。

當取消外力F，小油缸8不供油時，大活塞不動，重物W會保持在一定高度上不動；當需要重物W下降時，打開截止閥4，大油缸1內的壓力油經截止閥4、回油管5流回油箱6，使大活塞2不斷下滑，實現將重物W落下的目的。

由以上分析可以看出，液壓傳動用具有一定壓力的、運動著的液體來實現傳動，傳動過程中必須經過兩次能量轉換，即由機械能轉換為液體壓力能再轉換為機械能；傳動必須在密封容器內進行，而且容積要發(fā)生變化。

液壓千斤頂的工作原理在小型養(yǎng)路機械中應用較多，如小型液壓起道器、撥道器、起撥道器、方枕器、軌縫調整器等均應用了此原理。

二、液壓傳動系統(tǒng)的組成和特點

（一）液壓傳動系統(tǒng)的組成

在上述液壓千斤頂的系統(tǒng)中，小油缸、小活塞以及單向閥9和10組合在一起，就可以不斷從油箱中吸油和將油壓入大缸，向系統(tǒng)中提供一定量的壓力油液，即不斷地將外力F輸入的機械能轉換成液體的壓力能，將其稱為液壓系統(tǒng)的動力元件。而大活塞和大油缸在系統(tǒng)壓力油作用下帶動負載運動，將液體的壓力能轉換成機械能輸出，稱為液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件。截止閥、單向閥控制著液壓油的方向，稱為控制元件。另外，要進行動力傳輸必須借助液壓油為傳動介質。因此，一個完整的液壓傳動系統(tǒng)由以下幾部分組成：

1.動力元件

動力元件是將原動機所輸出的機械能轉換成液體壓力能的元件，其作用是向液壓系統(tǒng)提供壓力油，是液壓系統(tǒng)的心臟。常見的有液壓泵或液壓油缸。

2.執(zhí)行元件

執(zhí)行元件同樣也是能量轉換裝置，其作用是將系統(tǒng)的液體壓力能轉換為機械能而對外做功。常見的有液壓馬達或液壓油缸。

3.控制元件

控制元件是對系統(tǒng)中油液壓力、流量、方向進行控制和調節(jié)的元件，其作用是控制和調節(jié)液壓系統(tǒng)的壓力、流量及流動方向，以保證執(zhí)行元件完成預期的工作任務。常見的有各種液壓閥。

4.輔助元件

輔助元件是上述三個組成部分以外的其他元件，其作用是創(chuàng)造必要的條件以保證液壓系統(tǒng)能正常地工作，油箱、油管、濾油器、壓力表等均為輔助元件。

5.工作介質

工作介質是傳遞運動和動力的載體，其作用是用來傳遞動力，并潤滑和冷卻液壓系統(tǒng)，常見的為專用礦物油。

（二）液壓傳動的優(yōu)點

液壓傳動與機械傳動相比，有如下優(yōu)點：

（1）體積小、重量輕、傳遞功率大、動作靈敏。

（2）液壓傳動的各種元件，可根據需要方便、靈活地布置。

（3）液壓裝置傳遞運動均勻平穩(wěn)，負載變化時速度較穩(wěn)定。壓力平衡，具有保護作用。

（4）由于重量輕，慣性小，反應快，液壓裝置易于實現快速啟動、制動和頻繁的換向。

（5）操縱控制方便，可實現大范圍的無級調速（調速范圍達到2000∶1），它還可以在運行的過程中進行調速。

（6）一般采用礦物油為工作介質，相對運動面可自行潤滑，使用壽命長。

（7）容易實現直線運動。

（8）既易實現機器的自動化，又易于實現過載保護，當采用電液聯合控制甚至計算機控制后，可實現大負載、高精度、遠程自動控制。

（9）液壓元件實現了標準化、系列化、通用化，便于設計、制造和使用。

總之，液壓傳動的最大優(yōu)點是能實現形小而力大，在大范圍內實現無級調速。

（三）液壓傳動的缺點

（1）液壓傳動不能保證嚴格的傳動比，這是由于液壓油的可壓縮性和泄漏造成的。

（2）工作性能易受溫度變化的影響，因此不宜在很高或很低的溫度條件下工作。

（3）由于流體流動的阻力損失和泄漏較大，所以效率較低。如果處理不當，泄漏不僅污染場地，而且還可能引起火災和爆炸事故。

（4）為了減少泄漏，液壓元件在制造精度上要求較高，因此它的造價高，且對油液的污染比較敏感。

一般情況下，在高壓或者高溫條件下工作時，為了獲得較高的容積效率，不使油的黏度過低，應采用高牌號液壓油；低溫時或泵的吸入條件不好時（壓力低，阻力大），應采用低牌號液壓油。

三、液壓系統(tǒng)的圖形符號

為了表達液壓傳動系統(tǒng)的結構和工作原理，需要采用一些規(guī)定的元件圖形符號，繪出液壓系統(tǒng)的原理圖。這些圖形符號有兩種，一種是圖2-1所示的半結構原理符號，是將液壓元件的結構簡化后形成的符號，特點是直觀性強，容易理解，判斷故障比較方便，但圖形比較復雜，繪制很不方便，因此采用的較少。另一種是圖2-2（d）所示的圖形符號，它是用液壓元件規(guī)定的符號繪制，特點是簡單清楚，繪制方便，但要對液壓元件的結構比較熟悉。在實際工作中，除少數特殊情況外，一般都采用液壓圖形符號來繪制。

續(xù)上表

圖形符號表示元件的功能，不表示元件的具體結構和參數；反映各元件在油路連接上的相互關系，不反映其空間安裝位置；只反映靜止位置或初始位置的工作狀態(tài)，不反映其過渡過程。

四、液壓傳動應用實例

（一）工作臺往復運動液壓傳動系統(tǒng)

有些機械工作時要求其工作臺水平往復運動，如圖2-2所示是一臺實現工作臺水平往復運動的液壓傳動系統(tǒng)。

1.液壓系統(tǒng)組成

液壓系統(tǒng)由液壓泵、液壓油缸、換向閥、油箱、溢流閥、壓力表、回油管、節(jié)流閥、吸油管、濾油器等組成。液壓泵的作用是把原動機輸入的機械能轉換成系統(tǒng)中需要的液壓能；液壓缸的作用是把系統(tǒng)傳遞的液壓能轉換成機械能，驅動工作臺往復運動；換向閥用來控制液壓油的流動方向；節(jié)流閥用來調節(jié)進入液壓缸的流量，進而控制液壓缸的運動速度；溢流閥用來控制系統(tǒng)中的最大壓力；濾油器的作用是防止雜質進入系統(tǒng)中；壓力表用來觀察系統(tǒng)中壓力的大小；油箱儲存一定數量的液壓油。

2.工作原理

系統(tǒng)工作時，液壓油泵將定量的壓力油輸入管道，經過節(jié)流閥5的調節(jié)，使一定量的油進入換向閥3的P口，其余的油則經溢流閥10回油箱。當換向閥3處于圖2-2（a）所示位置時，液壓油經換向閥的P—A口進入液壓油缸的左腔，液壓油缸2的外殼是固定在機架上的，液壓油將推動缸內的活塞向右運動，從而帶動工作臺1向右運動。同時缸內右腔的液壓油經B—T口返回油箱。操縱換向閥3的手柄使其換至左位，使閥芯移到圖2-2（b）所示位置時，使P—B口接通，則壓力油就經P—B口進入液壓缸的右腔，從而迫使缸內活塞連同工作臺一起向左運動。此時缸內左腔的液壓油經A—T口流回油箱。如果將換向閥的手柄搬到中間位置，如圖2-2（c）所示，其閥芯亦被撥到中間位置，因而堵住了換向閥的進油口和回油口，使液壓缸兩腔既不進油也不回油，活塞停止運動，工作臺就在某一位置停止下來。這時，液壓泵7輸出的壓力油因為沒有其他去處，全部經溢流閥溢回油箱。

從上述液壓系統(tǒng)的工作過程可以看出，改變換向閥的手柄位置，即可改變工作臺的運動方向；調節(jié)節(jié)流閥的大小，即可改變工作臺的運動速度。

（二）XYD-2型小型液壓搗固機的液壓系統(tǒng)實例

如圖2-3（a）所示，XYD-2型小型液壓搗固機是一種定型產品，它以體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點而廣泛地用于線路維修的搗固作業(yè)。圖2-3（b）所示為其結構原理，搗固機的工作裝置搗固鎬5，安裝在與升降油缸2相連接的振動裝置7上，升降油缸的活塞桿則與機架的橫梁1相連。搗固機的作業(yè)程序是：下插→夾實→張開→提升，搗固鎬5的下插和提升由升降油缸2控制。搗固鎬的夾實和張開動作是通過夾實油缸4來完成的。操縱多路閥的兩個換向手柄就可以控制升降缸和夾實缸的動作過程。

1.液壓系統(tǒng)組成

XYD-2型小型液壓搗固機的液壓系統(tǒng)由升降油缸、夾實油缸、齒輪泵、手動油泵、溢流閥、多路換向閥、單向閥、濾清器、油箱等組成，如圖2-4所示。

該液壓系統(tǒng)的動力元件是齒輪油泵和手動油泵，執(zhí)行元件有三個：兩個夾實油缸、一個升降油缸，控制元件是溢流閥、多路換向閥、單向閥等。多路換向閥Ⅰ控制升降油缸，多路換向閥Ⅱ控制夾實油缸。溢流閥控制系統(tǒng)壓力。

2.液壓系統(tǒng)工作原理

液壓搗固機搗固工作時，由原動機帶動的齒輪油泵9將液壓油從油箱7中抽出，經濾清器10過濾后送至多路換向閥11，操縱多路換向閥根據需要將液壓油分配給各工作油缸，使搗固鎬完成“下插→夾實→張開→提升”動作。

（1）多路換向閥Ⅰ、Ⅱ均位于中位

若不操縱兩個多路換向閥，則多路換向閥Ⅰ、Ⅱ均處于中間位置時，齒輪油泵提供的液壓油，通過多路換向閥的卸荷通道回油箱，即齒輪泵卸荷，此時升降油缸和夾實油缸均不動作，液壓搗固機不工作。

（2）多路換向閥Ⅰ位于左位當操縱第Ⅰ聯多路換向閥手柄，將其置于左位時，齒輪油泵提供的壓力油頂開單向閥4，經第Ⅰ聯多路換向閥的P1—A1口進入到升降油缸1的無桿腔，使搗固鎬插入道床。同時，升降油缸有桿腔的液壓油也經第Ⅰ聯多路換向閥的B1—T1通道流回油箱。搗固鎬下插到適合的位置時，松開第Ⅰ聯多路換向閥的操作手柄，其自動回中間位置，升降缸停止下插，齒輪泵卸荷。

（3）多路換向閥Ⅱ位于左位

搗固鎬下插后，操縱第Ⅱ聯多路換向閥手柄，使其置于左位，液壓油通過單向閥4，經第Ⅱ聯多路換向閥的P2—A2口，進入到夾實油缸2、3的無桿腔，推動夾實油缸活塞桿伸出，搗固鎬將石砟夾實。此時，夾實油缸2、3有桿腔的液壓油經第Ⅱ聯多路換向閥的B2—T2通道流回油箱。

（4）多路換向閥Ⅱ位于右位

完成搗固鎬夾實動作后，再操縱第Ⅱ聯多路換向閥使其置于右位，則液壓油通過單向閥經第Ⅱ聯多路換向閥的P2—B2口，進入到夾實油缸2、3的有桿腔，推動夾實油缸活塞桿縮回，搗固鎬張開，同時，夾實油缸2、3無桿腔的液壓油經第Ⅱ聯多路換向閥的A2—T2通道流回油箱，完成一次搗固作業(yè)。

若搗固鎬一次夾實不能達到要求，可反復操縱第Ⅱ聯多路換向閥的手柄，以達到夾實石砟的目的。石砟夾實作業(yè)完畢后，將第Ⅱ聯多路換向閥置于中間位置，齒輪泵卸荷。

（5）多路換向閥Ⅰ位于右位

夾實石砟后，將第Ⅰ聯多路換向閥推向右位，液壓油進入到升降油缸的有桿腔，搗固鎬拔出道床，實現提升。最后使第Ⅰ聯多路換向閥回中間位，齒輪泵卸荷，該枕木位搗固作業(yè)完畢。

上述操作完成后，將搗固機推到下一個軌枕位，開始新的作業(yè)。

當原動機或液壓系統(tǒng)發(fā)生故障而無法正常操作時，若搗固鎬仍插在道床內，就會危及行車安全。此時可反復壓下手動油泵5來代替齒輪泵供油，同時操縱相應的多路換向閥就可將搗固鎬張開并提升，實現安全下道。所以，手動油泵又稱安全泵。

系統(tǒng)設置單向閥的目的，是為了防止使用手動油泵壓油時，液壓油通過齒輪泵倒流回油箱。

溢流閥的作用是當油缸超載不能移動時，高壓油就將溢流閥打開而回油箱，從而實現保護齒輪泵及管路的安全。