第二節(jié)　液壓元件

一個(gè)完整的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)包括動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制元件和輔助元件等液壓元件，常用的液壓元件有液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓缸和各類液壓閥等。本節(jié)只介紹常用液壓元件的工作原理、特點(diǎn)和應(yīng)用。

一、液壓泵和液壓馬達(dá)

液壓泵和液壓馬達(dá)都是能量轉(zhuǎn)換元件，結(jié)構(gòu)也大體相同。故理論上液壓泵和液壓馬達(dá)可以互相通用。但實(shí)際上考慮到工作效率和結(jié)構(gòu)上的不同之處，通常不能任意換用。

（一）液壓泵

液壓泵是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源，由電動(dòng)機(jī)或內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w壓力能的轉(zhuǎn)換裝置。它不斷輸出液壓油，使執(zhí)行部分克服外部荷載而運(yùn)動(dòng)。

液壓泵按結(jié)構(gòu)類型可分為齒輪泵、葉片泵和柱塞泵三類。它們都是依靠密封容積的變化來完成吸油和壓油，故一般稱為容積式液壓泵。按其每運(yùn)轉(zhuǎn)一循環(huán)所能輸出油液體積可否調(diào)節(jié)，分為定量泵和變量泵。

1.齒輪泵

齒輪泵由一對(duì)相互嚙合的齒輪裝在泵體內(nèi)構(gòu)成。泵體的兩端蓋密封齒輪的端面，齒頂與泵體的內(nèi)圓弧形成密封空間，則齒輪的各個(gè)齒間就形成了密封的工作容積。泵體有兩個(gè)油口，一個(gè)是吸油口，另一個(gè)是壓油口，如圖2-5所示。

（1）工作原理

原動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)齒輪泵的主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在主、從動(dòng)齒輪的嚙合點(diǎn)逐漸脫開的一側(cè)容積增大，由齒間所形成的密封容積逐漸增大，出現(xiàn)了部分真空。因此，油箱中的油液就在大氣壓力的作用下，經(jīng)吸油口進(jìn)入吸油腔。經(jīng)吸油口吸入的油液，隨著齒輪的旋轉(zhuǎn)，利用兩齒輪的齒谷將油液帶至嚙合點(diǎn)另一側(cè)壓油腔，在壓油腔，隨著齒輪的逐漸嚙合，密封容積逐漸減小，油液就從壓油口壓出。齒輪不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)吸、壓油液。

（2）困油現(xiàn)象

為了提高齒輪泵的工作效率，齒輪泵齒輪的嚙合對(duì)數(shù)（同時(shí)參與嚙合的齒輪對(duì)數(shù)）通常要選的大一些，當(dāng)齒輪泵的嚙合對(duì)數(shù)大于1時(shí)，在兩對(duì)輪齒同時(shí)嚙合時(shí)，它們之間將形成一個(gè)與吸、壓油腔均不相通的閉死容積，此閉死容積隨齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)其大小不斷發(fā)生變化，先由大變小，后由小變大，如圖2-6所示。當(dāng)封閉容積由大變小時(shí)，被封閉的油受到很大的擠壓力，導(dǎo)致壓力沖擊和油液發(fā)熱；當(dāng)封閉容積由小變大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生真空，引起汽蝕和噪聲，這一現(xiàn)象稱為齒輪油泵的困油現(xiàn)象。困油現(xiàn)象會(huì)使齒輪和齒輪軸受到很大的徑向力并產(chǎn)生較大振動(dòng)與噪聲。為了克服齒輪泵的困油現(xiàn)象，通常在困油區(qū)端蓋上開有卸荷槽與壓油區(qū)相通，以減少困油與噪聲。

（3）特點(diǎn)

齒輪泵結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，價(jià)格便宜，工作可靠，維護(hù)方便，但工作效率較低。由于困油而存在著較大的振動(dòng)和噪聲，一般只能用于低壓輕載系統(tǒng)。齒輪泵在小型養(yǎng)路機(jī)械中應(yīng)用較多，如小型液壓搗固機(jī)、液壓起撥道機(jī)等均采用的齒輪泵。

2.葉片泵

葉片泵由定子、轉(zhuǎn)子及葉片等組成，如圖2-7所示。泵的定子內(nèi)表面是一個(gè)圓形，轉(zhuǎn)子槽中裝有可滑動(dòng)的葉片，轉(zhuǎn)子與定子之間有一個(gè)偏心距e。

（1）工作原理

當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于離心力的作用，可使轉(zhuǎn)子槽中葉片甩出后緊靠定子內(nèi)壁轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣在定子、轉(zhuǎn)子、葉片和端蓋間形成了若干個(gè)密封的工作容積。由于轉(zhuǎn)子與定子之間有一個(gè)偏心距e，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，每一葉片在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)往復(fù)滑動(dòng)一次，每相鄰兩葉片間的密封容積發(fā)生一次增大和減小的變化，密封容積增大實(shí)現(xiàn)吸油，密封容積減小實(shí)現(xiàn)壓油，即轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周，實(shí)現(xiàn)一次吸油和壓油。

調(diào)節(jié)偏心距e，可以改變封閉容積變化量的大小，也就是輸出流量的大小，所以，葉片泵是一種輸出流量可以改變的變量泵。

（2）特點(diǎn)

葉片泵運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲較小，輸出流量均勻且大小可調(diào)，但葉片泵運(yùn)動(dòng)零件之間的間隙一般較小，對(duì)油的過濾要求較高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格較高。

3.柱塞泵

柱塞泵分為軸向柱塞泵和徑向柱塞泵。柱塞沿徑向放置的泵稱為徑向柱塞泵，柱塞軸向布置的泵稱為軸向柱塞泵。

（1）工作原理

軸向柱塞泵由配油盤、泵體、柱塞和斜盤等組成，如圖2-8所示。斜盤4與配油盤1固定不動(dòng)，彈簧使柱塞緊抵在斜盤上，這樣柱塞和泵體就形成了若干個(gè)密封的工作容積，當(dāng)傳動(dòng)軸帶動(dòng)泵體2旋轉(zhuǎn)，柱塞3即在泵體內(nèi)作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，每個(gè)柱塞伸出時(shí)就是吸油過程，每個(gè)柱塞壓進(jìn)時(shí)就是排油過程，缸體轉(zhuǎn)一圈時(shí)，每個(gè)柱塞即往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次。斜盤的傾斜角α越大，則油泵的密封容積改變量也越大，即流量越大。所以，這種油泵也是變量油泵。

（2）特點(diǎn)

柱塞泵效率較高，壓力較大，輸出的流量平穩(wěn)，大小可調(diào)，對(duì)油的過濾精度要求較高，由于價(jià)格較高，多用于高壓液壓系統(tǒng)中。

（二）液壓馬達(dá)

液壓馬達(dá)也是能量轉(zhuǎn)換裝置。其作用與液壓泵相反，它是將輸入的液壓能轉(zhuǎn)換成為以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式輸出的機(jī)械能，它是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件。常用液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)與同類型的液壓泵很相似，通常也有三種類型，即齒輪式、葉片式和柱塞式，這幾種液壓馬達(dá)在養(yǎng)路機(jī)械中均有應(yīng)用。下面介紹一種在養(yǎng)路機(jī)械中常見的內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)。

內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)結(jié)構(gòu)如圖2-9所示，主要由定子、轉(zhuǎn)子、柱塞、配油軸、配油套和滾輪等組成。其工作過程是：轉(zhuǎn)子外側(cè)均勻分布的5個(gè)柱塞在壓力油的作用下通過滾輪緊頂在定子的內(nèi)曲線上，外側(cè)開有許多進(jìn)出油孔的配油軸是固定不動(dòng)的，轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)的配油套和轉(zhuǎn)子一同轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過配油套徑向孔與配油軸上的油孔相通。當(dāng)滾輪轉(zhuǎn)過內(nèi)曲線的高點(diǎn)位置，進(jìn)入圖2-9所示的a段時(shí)，柱塞開始進(jìn)入高壓油，此時(shí)高壓油P產(chǎn)生的反作用力N可分解成兩個(gè)分力P′和T，P′與作用力P相平衡，T垂直于柱塞方向，產(chǎn)生扭矩使柱塞逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)到b段開始爬坡時(shí)，柱塞通過配油套的徑向孔向配油軸回油，在其他柱塞產(chǎn)生的扭矩作用下，柱塞就越過高點(diǎn)而進(jìn)入a段，又開始了新的轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣5個(gè)柱塞在內(nèi)曲線的每個(gè)a段都產(chǎn)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的扭矩，使得轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)并輸出機(jī)械功。

如果將馬達(dá)的進(jìn)、出油口互換，馬達(dá)則反轉(zhuǎn)。所以內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)是雙向定量馬達(dá)，這種馬達(dá)的轉(zhuǎn)速低、扭矩大，特別適合在養(yǎng)路機(jī)械中使用。

二、液壓控制閥

液壓控制閥是液壓系統(tǒng)的控制操縱部分，用來控制和調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中的油壓、流量和油流方向，以滿足對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的壓力、速度和換向要求，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)期動(dòng)作。根據(jù)液壓閥的用途和工作特點(diǎn)的不同，液壓閥一般分為方向控制閥、壓力控制閥和流量控制閥三大類。

（一）方向控制閥

方向控制閥用來控制和改變系統(tǒng)中工作液體的流動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)換，簡稱方向閥。方向閥主要包括單向閥和換向閥等。

1.單向閥

單向閥又稱為止回閥，圖2-10所示為一般直通式單向閥，由閥體、閥芯和彈簧等組成。當(dāng)壓力油自閥的左側(cè)進(jìn)油口流入時(shí)，作用在閥芯2上的液壓力大于彈簧3的作用力時(shí)，彈簧被壓縮，閥芯打開，壓力油經(jīng)右側(cè)口流出。當(dāng)油流反向時(shí)，液壓力使閥芯2壓緊在閥體1的油道口上堵住油道，壓力油不能通過。所以，此種閥只能使壓力油沿一個(gè)方向流動(dòng)，故稱其為單向閥，其符號(hào)表示如圖2-10（b）所示。為了避免產(chǎn)生過大的壓力損失，單向閥的彈簧做得很軟。

2.換向閥

換向閥的作用是利用閥芯和閥體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)變換液體的流動(dòng)方向，接通或關(guān)閉油路。換向閥的主要工作機(jī)構(gòu)是閥體和閥芯。閥體內(nèi)加工有幾條環(huán)形通道，上有相應(yīng)的溝槽與之配合，閥芯借助于手柄、電磁閥等操縱而定位。如圖2-11（a）所示，當(dāng)閥芯處于中間位置時(shí)，閥芯將油口A、B、P、O全部關(guān)斷；當(dāng)閥芯位于右側(cè)位置時(shí)，如圖2-11（b）所示，閥芯分別將油口A—P和B—O接通；當(dāng)閥芯位于左側(cè)位置時(shí)，如圖2-11（c）所示，閥芯又分別將油口A—O和P—B接通。這樣，通過操縱閥芯在閥體內(nèi)的不同位置，就能改變各條油口之間的連接關(guān)系，從而達(dá)到改變油液流動(dòng)方向，接通或切斷油路的目的。

通常將閥能夠接通的油口數(shù)目稱為“通”，閥芯相對(duì)于閥體的工作位置數(shù)目稱為“位”，圖2-11所示的換向閥為“三位四通手動(dòng)換向閥”。三位四通手動(dòng)換向閥的符號(hào)表示如圖2-11（d）所示。

（二）壓力控制閥

壓力控制閥的種類很多，控制工作液體的壓力，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)提出的力或力矩要求。按其用途不同，可分為溢流閥和順序閥等。它們一般都是利用壓力與彈簧力相平衡的原理工作的。

1.溢流閥

溢流閥是液壓系統(tǒng)中必不可少的控制元件，其作用是用來限制液壓系統(tǒng)的最大工作壓力。如圖2-12所示，溢流閥由閥芯、閥座、彈簧和調(diào)節(jié)螺栓等組成。閥芯4由彈簧2壓在閥座3上，彈簧的壓力大小可由調(diào)節(jié)螺栓1調(diào)節(jié)。當(dāng)作用在閥芯上的液壓力小于彈簧力時(shí)，出油口5與進(jìn)油口6被閥芯隔斷而不通。當(dāng)液壓力超過彈簧力時(shí)，閥芯被液壓力頂起，油液就通過閥芯與閥座之間的縫隙經(jīng)出油口流回油箱，從而保證系統(tǒng)管路中的油壓不超過由螺栓1調(diào)定的彈簧壓力。所以，它可以控制系統(tǒng)中的最大壓力不超過預(yù)定的極限值而起到安全保護(hù)作用。

溢流閥的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，但它是利用液壓力直接與彈簧力平衡的，所以，當(dāng)系統(tǒng)油壓較高時(shí)，要求彈簧較硬。當(dāng)彈簧較硬時(shí)，調(diào)節(jié)彈簧很不方便，因此，它一般應(yīng)用于低壓系統(tǒng)中。

2.順序閥

順序閥的作用是控制系統(tǒng)的動(dòng)作順序。只有當(dāng)油路本身的壓力達(dá)到順序閥的調(diào)定壓力時(shí)，順序閥才能動(dòng)作而接通油路。

圖2-13所示為順序閥的結(jié)構(gòu)原理圖和圖形符號(hào)，順序閥主要由壓力為P的液壓油自進(jìn)油口A流入閥內(nèi)，并經(jīng)小孔6作用在閥芯4的下端部，當(dāng)油壓力P小于彈簧2的調(diào)定壓力時(shí)，彈簧將閥芯壓在下端位置而斷開進(jìn)、出油口的通道，只有當(dāng)P增大到足以克服彈簧的調(diào)定壓力時(shí)，才能頂起閥芯，使液壓油經(jīng)閥芯由出油口B流出。彈簧壓力可通過調(diào)節(jié)螺釘1來調(diào)整。

（三）流量控制閥

在液壓系統(tǒng)中用來控制和調(diào)節(jié)系統(tǒng)流量，改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度的閥類稱為流量控制閥。它的工作原理一般是通過改變閥的流通截面積來調(diào)節(jié)流量，最常見的是節(jié)流閥、調(diào)速閥。

圖2-14所示為節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)原理和圖形符號(hào)，壓力油從A口流入，經(jīng)閥芯3兩側(cè)的環(huán)形通道由B口流出。旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺釘1，即可使閥芯沿軸向上下移動(dòng)，從而改變閥口環(huán)形通道的流通截面積，使通過的流量得到調(diào)節(jié)。

三、液壓缸

液壓缸是用來將油液的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置。在液壓系統(tǒng)中，液壓缸一般作執(zhí)行元件使用。

液壓缸的種類很多，按供油方向不同分為單作用液壓缸和雙作用液壓缸，單作用液壓缸只是向缸的一側(cè)輸入高壓油，靠外力（如彈簧力）使活塞反向回程，雙作用液壓缸分別向缸的兩側(cè)輸入壓力油，活塞的正反向運(yùn)動(dòng)均靠液壓力完成；按結(jié)構(gòu)型式分為活塞液壓缸、柱塞液壓缸、擺動(dòng)液壓缸；按活塞桿數(shù)量分為單活塞桿液壓缸和雙活塞桿液壓缸。養(yǎng)路機(jī)械中應(yīng)用較為普遍的是往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的活塞式液壓缸。

1.雙活塞桿式液壓缸

雙活塞桿式液壓缸主要由缸體、活塞和兩根直徑相同的活塞桿所組成。一般缸體是固定的，當(dāng)液壓缸的左腔進(jìn)油、右腔回油時(shí)，活塞向右移動(dòng)；反之，活塞向左移動(dòng)。

雙活塞桿液壓缸也可以做成活塞桿固定不動(dòng)而缸體移動(dòng)的結(jié)構(gòu)，如圖2-15所示。這時(shí)，活塞桿通常做成空心的以便進(jìn)油和回油。在外圓磨床中，帶動(dòng)工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的液壓缸通常就是這種形式。

在雙活塞桿液壓缸中，由于活塞兩邊的有效作用面積相等，當(dāng)左、右兩腔分別進(jìn)入液壓油時(shí)，若流量相等，則活塞（或缸體）往返運(yùn)動(dòng)的速度是一樣的。

2.單活塞桿式液壓缸

單活塞桿式液壓缸的工作原理如圖2-16所示。其特點(diǎn)是活塞的一端有桿，而另一端無桿，所以活塞兩端的有效作用面積不等。當(dāng)左、右兩腔分別進(jìn)入壓力油時(shí)，即使流量相等，活塞往返運(yùn)動(dòng)的速度也不相等。當(dāng)無桿腔進(jìn)油時(shí)，因活塞有效面積大，所以速度小，推力大；當(dāng)有桿腔進(jìn)油時(shí)，因活塞有效面積小，所以速度大，推力小。

四、液壓基本回路

（一）壓力控制回路

壓力控制回路是用壓力控制閥來控制整個(gè)系統(tǒng)或局部范圍壓力的回路。

1.限壓回路

限壓回路利用與主油路并聯(lián)的溢流閥來起到限壓和安全作用，如圖2-17（a）所示。

2.卸荷回路

當(dāng)液壓系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)短時(shí)間停止工作或停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了減小能量損失，應(yīng)使泵在空載的工況下運(yùn)行。通過換向閥使油泵和油箱連通，實(shí)現(xiàn)卸荷，如圖2-17（b）所示。

（二）方向控制回路

在液壓系統(tǒng)中，執(zhí)行元件的起、停、改變運(yùn)動(dòng)方向，是通過控制元件對(duì)液流實(shí)行通、斷改變流向來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-17（b）所示的換向回路。