第10章 液 压 传 动

第10章液压传动液压传动的基本知识10.1液压元件10.2液压基本回路及液压系统10.3液压传动装置的拆装与分析（一）10.4

液压传动是以液体作为工作介质，并利用液体的压力实现机械设备的运动或能量传递和控制功能。

随着现代科技的发展，液压传动在机床、工程机械、交通运输机械、农业机械、化工机械、船舶及航空航天等领域都得到了广泛的应用。10.1液压传动的基本知识10.1.1液压传动的工作原理

图10.1所示为常见的液压千斤顶的工作原理图。

它由手动柱塞泵和液压缸以及管路、管接头等构成一个密封的连通器，其间充满着油液。1-杠杆手柄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

图10.1液压千斤顶的工作原理图小结

通过对液压千斤顶工作过程的分析可知，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，即实现机械能→液压能→机械能的能量转换。名

称功

用实

例动力部分（液压泵）将输入的机械能转换为液压能，是系统的能源图10.1中由1、2、3、5、7组成的手动柱塞泵执行部分（液压缸或液压马达）将液压能转换为机械能，输出直线运动或旋转运动图10.1中由10、12组成的液压缸控制部分（控制阀）控制液体压力、流量和方向如各种压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀辅助部分（油箱、管路等）输送液体、储存液体、过滤液体、密封等，以保证液压系统正常工作所必需的部分如油箱、油管、管接头、滤油器、蓄能器、密封件和控制仪表表10.1 液压传动系统的组成10.1.3液压传动系统的图形符号

图10.2（b）所示为用图形符号绘制的工作原理图，显然用图形符号绘制方便，图面清晰简洁。1-油箱2-滤油器3-液压泵4-节流阀5、7、11、14-油管6-换向阀

8-液压缸9-活塞10-工作台12-操作手柄13-溢流阀

图10.2磨床工作台液压系统10.1.4液压传动的特点

液压传动与机械传动、电力传动等相比，具有如下特点。1．优点（1）液压传动装置的输出力大、质量轻、体积小。（2）运动较平稳，能在低速下稳定运动；在设备运行过程中，能随时进行大范围无级调速，调速比可达2

000

:

l。轴（3）操作方便、省力，易实现远距离操作及自动控制。（4）可自动实现过载保护。（5）液压元件易于标准化、系列化和通用化，使用寿命较长，有利于生产与设计。2．缺点（1）易泄漏，传动效率低，传动比不如机械传动准确。（2）对元件的制造精度、安装、调整和维护要求较高，成本较高。（3）系统发生故障时，原因不易查明。10.1.5液压油的特性及选用

液压油是液压系统的工作介质，也是液压元件的润滑剂和冷却剂，液压油的性质对液压传动性能有明显的影响。

因此有必要了解有关液压油的性质、要求和选用方法。1．液压油的性质（1）密度。单位体积油液的质量称为密度，单位为kg/m3，用

表示，即

式中m

—油液的质量，单位为kg；

V

—油液的体积，单位为m3。（2）可压缩性和膨胀性。（3）黏性。2．液压油的选用

在选择液压油时应根据工作要求和液压油有关性质进行选用，主要有以下几个方面。（1）黏度适当，且黏度随温度的变化值要小。（2）化学稳定性好。（3）杂质少。（4）闪点高，凝固点低。小结

为了更好地传递运动和动力，要求液压油有适当的黏度，良好的黏温性能、润滑性、防腐性和化学稳定性，杂质少、闪点高、凝固点低等。

在环境温度较高，工作压力高或运动速度较低时，为了减少泄漏，应选用黏度较高的液压油。

反之，则选用黏度较低的液压油。

另外，还要考虑经济因素，考虑液压油来源是否广泛，是否合算。10.1.6液压传动的两个重要参数

液压传动的两个重要参数是压力和流量。1．压力（1）压力的概念：图10.3所示为一密闭容器，容器内静止的油液受到外力和油液自重的作用。由于在液压系统中，通常是外力产生的压力比液体自重产生的压力大得多，因此可将液体自重产生的压力忽略不计。静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力，简称为压力。用公式表示为

式中p

—液体的压力（法定计量单位为Pa，压力值较大时用KPa或MPa）；

F

—油液受到的外力，单位为N；

A

—液体表面承压面积，单位为m2。

静压力具有两个特性。

①油液内任意点受到的各方向的静压力都相等。

②静压力的方向为垂直指向受压表面。（2）静压传递原理（帕斯卡原理）：在密封容器内施加于静止液体任一点的压力将以等值传递到液体中各点，这就是静压传递原理，又称帕斯卡原理。液压千斤顶、水压机等都是根据这个原理制成的（见图10.4）。1-缸体2-活塞3-活塞杆4-油液

图10.3密闭容器图10.4静压传递原理

在图10.4中，设互相连通的两缸A和B的面积分别为A1、A2，作用力为F1和F2，则容器的压力分别为

根据静压传递原理有

故

上式表明，只要A2/Al足够大，就可用较小的力F1产生很大的力F2（负载力），若A2/Al为一定值，则F2越大，所需的力F1也越大，密封缸中的B压力也越大；若F2很小，则压力也很小，当F2=0时，p

=0。（3）液压系统中的额定压力和压力分段。2．流量和平均流速（1）流量。流量是指单位时间内流过管道或液压缸某一截面的油液体积，通常用Q表示。

若在时间t内，流过管道或液压缸的油液体积为V，则流量为

单位为m3/s（/秒），它和工程上常用单位L/min（升/分）的换算关系为1m3/s=6

×

104L/min（2）额定流量。额定流量指的是按试验标准规定，系统连续工作所必须保证的流量，是液压元件的基本参数，应符合公称流量系列。（3）平均流速。平均流速是一种假想的流速，即按通流截面上各点流速相同所计算的流量，来代替实际的流量，即

式中v

—油液的平均流速，单位为m/s；

Q

—流入液压缸或管道的油液流量，单位为m3/s；

A

—活塞（或液压缸）的有效作用面积或管道的通流面积，单位为m2。

由于油液之间和油液与管壁之间的摩擦力大小不同，故在油液流动时，在同一截面上各点的真实流速并不相同，用平均流速做近似计算。（4）活塞（或缸）运动速度与流量的关系。活塞（或缸）的运动是由于进入的油液迫使容积增大而产生的，因此活塞（或缸）运动速度与进入油液流量有直接关系。活塞（或缸）随油液流动而移动，因此活塞的运动速度与油缸的液体的流速相同。

活塞（或缸）运动速度与活塞有效作用面积和流量之间的关系为

式中v

—活塞或液压缸运动速度，单位为m/s；

Q

—进入液压缸的流量，单位为m3/s；

A

—活塞有效作用面积，单位为m2。小结（1）活塞（或缸）的运动速度仅仅和流入液压缸的流量Q和活塞（或缸）的有效作用面积A两个因素有关，而和压力大小无关。（2）当液压缸面积A一定时，活塞（或缸）的运动速度取决于进入液压缸油液流量的大小，流量越大，速度越高；反之，则速度越低。（3）液流连续性原理。图10.5液流连续性原理小结（1）液体流经无分支管道时，通过管道不同截面的流速与其截面积成反比，即管子细的地方流速大，管子粗的地方流速小。（2）液压传动是依靠油液内部的压力来传递动力，密闭容器中压力是等值传递的，压力取决于外界负载大小，与流量无关；液压传动是依靠密封容积的变化来传递运动，运动速度取决于流量的大小，与压力无关。3．压力损失、流量损失和功率（1）液阻和压力损失。（2）泄漏和流量损失。（3）液压传动功率的计算。

①液压缸的输出功率。

②液压泵的输出功率。

③驱动液压泵的电动机功率的计算。10.2液压元件

液压元件包括动力元件（液压泵）、执行元件（液压缸或液压马达）、控制元件（液压控制阀）及辅助元件（液压辅件）。

下面对液压元件的工作原理、图形符号、功用及应用等加以介绍。10.2.1液压泵

液压泵作为液压系统的动力元件，是液压系统的重要组成部分。图10.7常用液压泵1．液压泵的工作原理和图形符号小结

要保证液压泵正常工作，必须满足以下2个条件。（1）应具备密封工作容积，并且密封容积应能不断重复地由小变大，再由大变小；（2）要有配油装置，在吸油过程中必须使油箱与大气相通，容积减小时向系统压油。（2）液压泵的图形符号。液压泵的图形符号如表10.3所示。1-偏心轮2-柱塞3-弹簧4-泵体

5、6-单向阀7-油箱

图10.8液压泵工作原理2．液压泵主要类型（1）齿轮泵。齿轮泵的种类很多，按其啮合形式可分为外啮合式和内啮合式两种。1、5-外啮合齿轮2-泵体3、4-油腔6、7-传动轴

图10.9外啮合齿轮泵工作原理图（2）叶片泵。叶片泵分为单作用式和双作用式两种。单作用式转子每转一周完成吸油、压油各一次，双作用式转子每转一周完成吸油、压油各两次。

①单作用式叶片泵。

②双作用式叶片泵。1-转子2-定子3-泵体4-叶片5-传动轴6-配油盘图10.10单作用式叶片泵的工作原理图1-转子2-定子3-泵体4-叶片5-传动轴6-配油盘

图10.11双作用式叶片泵的工作原理图小结

叶片泵具有输出流量均匀、结构紧凑、运转平稳、噪声小、使用寿命长、压力较高、容积效率较高等优点，但它对油液污染较敏感，加工精度要求高。

一般叶片泵用在中压系统。叶片泵用YB表示。（3）柱塞泵。

①径向柱塞泵。

②轴向柱塞泵。1-配油盘2-缸体3-柱塞4-斜盘

图10.13轴向柱塞泵的工作原理图小结

轴向柱塞泵具有结构紧凑、径向尺寸小、效率高以及流量调节方便和流量范围较大等优点，故可应用在高压、大流量、大功率的液压系统中和流量需要调节的场合。

但这种泵轴向尺寸大，轴向作用力大，结构复杂，价格贵。3．液压泵的选择

表10.4所示为在不同的应用场合所选用的液压泵。应

用

场

合液压泵的类型机床辅助装置（夹紧、送料、润滑等）齿轮泵负载小、功率小的机床齿轮泵或双作用式叶片泵精度较高的机床（如磨床等）双作用式叶片泵负载大、功率大的机床（如拉床等）柱塞泵表10.4 液压泵的选择10.2.2液压缸

液压缸（见图10.14）是将液压能转换为机械能的能量转换装置，它是液压系统中的执行元件。

液压缸一般用于实现往复直线运动或摆动。图10.14液压缸的应用1．液压缸的类型和图形符号

液压缸按结构形式可分为活塞缸、柱塞缸和摆动缸3类。图10.15液压缸2．常用液压缸的工作原理（1）双出杆活塞式液压缸。1、7-活塞杆2-压盖3-端盖4-缸体5-活塞6-密封圈

图10.16实心双出杆活塞式液压缸小结

双出杆活塞式液压缸可分为实心双出杆（缸体固定）和空心双出杆（活塞杆固定）两种结构形式。

前者活塞杆往复运动范围为有效行程的三倍，占地面积大，故一般用于小型液压设备上；后者缸体往复运动范围为有效行程的两倍，占地面积小，常用于中型或大型液压设备上。（2）单出杆活塞式液压缸。图10.17单出杆活塞式液压缸小结

为使快速进退速度相等，可使活塞无杆腔有效作用面积为活塞杆面积的两倍，即3．液压缸的密封、缓冲和排气（1）液压缸的密封。

①间隙密封。

②密封圈密封。（2）液压缸的缓冲。（3）液压缸的排气。图10.18密封圈1-活塞2-缸盖图10.19缓冲结构1-缸体2-排气塞图10.20液压缸的排气10.2.3液压控制阀

在液压系统中，为使机构完成各种动作，就必须设置各种相应的控制元件—液压控制阀。图10.21液压控制阀的应用1．方向控制阀

在液压系统中，用以控制液流的方向的阀，称为方向控制阀，简称方向阀。

按其功能不同，可分为单向阀和换向阀两大类。（1）单向阀1-阀体2-阀芯3-回位弹簧

图10.22单向阀1-活塞2-顶杆3-阀芯

图10.23液控单向阀（2）换向阀①滑阀式换向阀换向原理和滑阀机能。②换向阀的图形符号。图10.24滑阀式换向阀的换向原理图10.25换向阀2．压力控制阀

控制液压系统压力或利用压力作为信号来控制其他元件动作的阀称为压力控制阀。（1）溢流阀小结

溢流阀工作时阀芯随着系统压力的变动而上下移动，从而维持系统压力近于恒定。

直动式溢流阀的特点是结构简单，反应灵敏。

缺点是工作时易产生振动和噪声，而且压力波动较大。

直动式溢流阀主要用于低压或小流量场合。1-调压螺母2-调压弹簧3-阀芯a-阻尼小孔

图10.26直动式溢流阀（2）减压阀小结

溢流阀工作时阀芯随着系统压力的变动而上下移动，从而维持系统压力近于恒定。

直动式溢流阀的特点是结构简单，反应灵敏。

缺点是工作时易产生振动和噪声，而且压力波动较大。直动式溢流阀主要用于低压或小流量场合。1-调节螺母2-调压弹簧3-锥阀4-主阀弹簧5-阀芯

图10.27先导式减压阀的结构图10.28直动式顺序阀（3）顺序阀小结

顺序阀与溢流阀的区别如下。（1）溢流阀的出油口通往油箱，顺序阀的出油口一般通往另一条工作油路；顺序阀的进出油口都是有一定压力的。（2）溢流阀打开时，进油口压力基本上保持在调定值，出口压力近似为零；而顺序阀打开后，进油压力可继续升高。（3）溢流阀的内部泄漏可以通过出油口回油箱；而顺序阀因出油口不通油箱，因此要有单独的泄油口。（4）压力继电器。压力继电器是利用液压系统中的压力变化来控制电路的通断，从而将液压信号转变为电器信号，以实现顺序控制和安全保护作用。

1-柱塞2-限位挡块3-顶杆

4-调节螺杆5-微动开关

图10.29压力继电器3．流量控制阀

流量控制阀是通过改变液流的通流截面来控制系统工作流量，以改变执行元件运动速度的阀，简称流量阀。

常用的流量阀有节流阀和调速阀等。（1）节流口（2）普通节流阀（3）调速阀小结

普通节流阀结构简单，制造容易，但负载和温度的变化对流量的稳定影响较大，因此只适用于负载和温度变化不大或速度稳定性要求较低的液压系统。图10.30节流口的形式1-手柄2-推杆3-阀芯4-弹簧

图10.31普通节流阀图10.32调速阀10.2.4液压辅件

在液压系统中，除了液压泵、液压缸、液压阀外，还有一些必需的辅助元件来保证液压系统的正常工作。

主要的辅助元件有油管和管接头、油箱、滤油器、蓄能器（见图10.33）等。图10.33液压辅件的应用1．油管和管接头

（1）油管

①钢管（无缝钢管）

②铜管（紫铜管）

③尼龙管

④橡胶软管

⑤塑料管

（2）管接头2．油箱

油箱的主要功能是储油、散热及分离油液中的空气和杂质。1-吸油管2-加油孔3-通气罩4-回油管

5-箱盖6-油标7、9-隔板8-放油塞

图10.34油箱结构示意图 3．滤油器（1）网式滤油器（2）线隙式滤油器（3）烧结式滤油器（4）纸芯式滤油器 4．蓄能器

1-充气阀2-气囊3-壳体4-提升阀5-油口

图10.35气囊式蓄能器10.3液压基本回路及液压系统10.3.1液压基本回路的工作原理1．方向控制回路

方向控制回路是用来控制液压系统中各条油路的液流的通、断及方向的回路。

方向控制回路有换向回路和锁紧回路。（1）换向回路（2）锁紧回路图10.36用换向阀的换向回路图10.37用换向阀的闭锁回路2．压力控制回路（1）调压回路①单级调压回路②多级调压回路（2）减压回路（3）卸载回路（4）增压回路图10.38用液控单向阀的闭锁回路图10.39单级调压回路图10.40多级调压回路图10.41用减压阀的减压回路图10.42用换向阀的卸荷回路1-泵2-工作缸3-单向阀4-油箱5-增压缸

6-二位四通手动换向阀7-溢流阀图10.43用增压缸的增压回路小结

用增压缸的增压回路的增压倍数等于增压缸的大、小活塞面积之比。3．速度控制回路（1）调速回路。

①节流调速回路。

根据节流阀在回路中的位置不同，分为进油节流、回油节流和旁路节流调速3种基本形式。 a．进油节流调速回路。 b．回油节流调速回路。②容积调速回路。③调速回路的比较，如表10.7所示。特性调

速

回

路节流调速回路容积调速回路容积节流调速回路调速范围与低速稳定性范围较大，采用调速阀能获得稳定的低速运动范围较小，获得稳定低速运动较困难范围较大，能获得较稳定的低速运动效率和发热效率低，发热量大效率高，发热量小效率较高，发热较小结构（泵、马达）结构简单结构复杂结构较简单适用范围小功率、轻载、中低压系统大功率、重载、高速的中高压系统中小功率，中压系统表10.7 调速回路比较（2）速度换接回路。

①快速和工进换接回路。

②两次工进换接回路。1-定量泵2-二位四通电磁阀3-二位二通电磁阀

4-二位三通电磁阀5-节流阀6-溢流阀图10.47差动连接的快慢速换接回路1-二位三通电磁阀2-三位四通电磁阀3、4-调速阀图10.48两调速阀并联两工进速度换接回路1-二位二通电磁阀2-二位四通电磁阀

3、4-调速阀

图10.49两调速阀串联两工进速度换接回路4．多执行元件控制回路（1）行程控制顺序动作回路。（2）压力控制的顺序动作回路。图10.50行程阀控制顺序动作回路图10.51用电器行程开关的顺序动作回路图10.52顺序阀控制顺序动作回路10.3.2液压系统的应用实例1．机械手液压传动系统

机械手是模仿人的手部动作，按给定程序和要求操作的自动装置，在高温、高压、易燃、易爆和放射性等恶劣环境，以及笨重、单调、频繁的操作中，可代替人的工作，应用日益广泛。

图10.53所示为机械手液压传动原理图。

下面分析机械手的液压系统。（1）主要元件及功用。

①液压泵2。将机械能转变为液压能，用以驱动执行元件运动。

②夹紧液压缸4。实现手指的夹紧和松开动作。

③升降液压缸5。实现手臂的上升和下降动作。

④回转液压缸6。实现手臂的回转动作。

⑤电磁溢流阀（由8和10组成）。换向阀不通电时，起溢流阀作用，即保持液压系统的压力为一定值；当换向阀通电时，液压泵由溢流阀卸荷。

⑥单向阀3。

⑦3个二位四通电磁换向阀。1-滤油器2-液压泵3-单向阀4-夹紧液压缸

5-升降液压缸6-回转液压缸7-压力表8-溢流阀

9-电动机10-二位二通电磁换向阀

图10.53机械手液压传动系统（2）系统的工作情况。

①缸4夹紧。

其油路如下。

进油路：泵2—单向阀3—二位四通电磁阀左位（2DT断电）—缸4下腔。

回油路：缸4上腔—二位四通电磁阀

（左位）—油箱。

当需松开工件时，使2DT通电，右位接入系统，缸4松开工件。

②缸5升降。3DT断电时，左位接入系统，缸