第一节　液压传动的工作原理及系统组成

液压传动通过能量转换装置，将原动机的机械能转变为液体的压力能，然后通过管道、液压控制及调节装置等，借助另一能量转换装置将液体的压力能转变为机械能，驱动负载实现直线或回转运动。

一、液压传动的工作原理

液压千斤顶是应用液压传动的最简单例子，现以液压千斤顶为例来说明液压传动的工作原理。图2-1所示为液压千斤顶的液压传动系统，由大油缸、大活塞、小油缸、小活塞、管道、油箱、单向阀、截止阀、吸油管、杠杆手柄等组成。两个直径不同的大、小油缸1和8，与其缸内的大、小活塞2和7内壁紧密配合，并假设活塞在缸内无摩擦自由滑动，且液体不会通过配合面产生泄漏。因此。当活塞在缸内滑动时，在两活塞下腔分别形成密闭容积，且这两个密闭容积通过单向阀9由管道6连通。另外，大油缸1和小油缸8还分别通过截止阀4、单向阀10经油管与油箱6连通。

当关闭截止阀4，通过外力（主动力）F使杠杆手柄13向上运动时，小油缸8内的密闭容积不断增大、压力不断降低，油箱6内的液压油在大气压力的作用下，经回油管11克服单向阀10的弹簧压力，将单向阀10打开，使液压油进入小油缸8；当外力F使杠杆手柄13向下运动时，小油缸8内的密闭容积不断减小、压力不断增加，小油缸内的液压油在此压力的作用下，将单向阀10关闭，将单向阀9打开，使压力油经管道12进入大油缸1，驱动大活塞2上升。如果主动力F不断驱动杠杆手柄13向上下往复运动，小油缸就可以不断从油箱中吸油并将油压入大油缸，使大活塞2不断上升，实现顶起重物W的目的。

当取消外力F，小油缸8不供油时，大活塞不动，重物W会保持在一定高度上不动；当需要重物W下降时，打开截止阀4，大油缸1内的压力油经截止阀4、回油管5流回油箱6，使大活塞2不断下滑，实现将重物W落下的目的。

由以上分析可以看出，液压传动用具有一定压力的、运动着的液体来实现传动，传动过程中必须经过两次能量转换，即由机械能转换为液体压力能再转换为机械能；传动必须在密封容器内进行，而且容积要发生变化。

液压千斤顶的工作原理在小型养路机械中应用较多，如小型液压起道器、拨道器、起拨道器、方枕器、轨缝调整器等均应用了此原理。

二、液压传动系统的组成和特点

（一）液压传动系统的组成

在上述液压千斤顶的系统中，小油缸、小活塞以及单向阀9和10组合在一起，就可以不断从油箱中吸油和将油压入大缸，向系统中提供一定量的压力油液，即不断地将外力F输入的机械能转换成液体的压力能，将其称为液压系统的动力元件。而大活塞和大油缸在系统压力油作用下带动负载运动，将液体的压力能转换成机械能输出，称为液压系统的执行元件。截止阀、单向阀控制着液压油的方向，称为控制元件。另外，要进行动力传输必须借助液压油为传动介质。因此，一个完整的液压传动系统由以下几部分组成：

1.动力元件

动力元件是将原动机所输出的机械能转换成液体压力能的元件，其作用是向液压系统提供压力油，是液压系统的心脏。常见的有液压泵或液压油缸。

2.执行元件

执行元件同样也是能量转换装置，其作用是将系统的液体压力能转换为机械能而对外做功。常见的有液压马达或液压油缸。

3.控制元件

控制元件是对系统中油液压力、流量、方向进行控制和调节的元件，其作用是控制和调节液压系统的压力、流量及流动方向，以保证执行元件完成预期的工作任务。常见的有各种液压阀。

4.辅助元件

辅助元件是上述三个组成部分以外的其他元件，其作用是创造必要的条件以保证液压系统能正常地工作，油箱、油管、滤油器、压力表等均为辅助元件。

5.工作介质

工作介质是传递运动和动力的载体，其作用是用来传递动力，并润滑和冷却液压系统，常见的为专用矿物油。

（二）液压传动的优点

液压传动与机械传动相比，有如下优点：

（1）体积小、重量轻、传递功率大、动作灵敏。

（2）液压传动的各种元件，可根据需要方便、灵活地布置。

（3）液压装置传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定。压力平衡，具有保护作用。

（4）由于重量轻，惯性小，反应快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁的换向。

（5）操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达到2000∶1），它还可以在运行的过程中进行调速。

（6）一般采用矿物油为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长。

（7）容易实现直线运动。

（8）既易实现机器的自动化，又易于实现过载保护，当采用电液联合控制甚至计算机控制后，可实现大负载、高精度、远程自动控制。

（9）液压元件实现了标准化、系列化、通用化，便于设计、制造和使用。

总之，液压传动的最大优点是能实现形小而力大，在大范围内实现无级调速。

（三）液压传动的缺点

（1）液压传动不能保证严格的传动比，这是由于液压油的可压缩性和泄漏造成的。

（2）工作性能易受温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作。

（3）由于流体流动的阻力损失和泄漏较大，所以效率较低。如果处理不当，泄漏不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故。

（4）为了减少泄漏，液压元件在制造精度上要求较高，因此它的造价高，且对油液的污染比较敏感。

一般情况下，在高压或者高温条件下工作时，为了获得较高的容积效率，不使油的黏度过低，应采用高牌号液压油；低温时或泵的吸入条件不好时（压力低，阻力大），应采用低牌号液压油。

三、液压系统的图形符号

为了表达液压传动系统的结构和工作原理，需要采用一些规定的元件图形符号，绘出液压系统的原理图。这些图形符号有两种，一种是图2-1所示的半结构原理符号，是将液压元件的结构简化后形成的符号，特点是直观性强，容易理解，判断故障比较方便，但图形比较复杂，绘制很不方便，因此采用的较少。另一种是图2-2（d）所示的图形符号，它是用液压元件规定的符号绘制，特点是简单清楚，绘制方便，但要对液压元件的结构比较熟悉。在实际工作中，除少数特殊情况外，一般都采用液压图形符号来绘制。

续上表

图形符号表示元件的功能，不表示元件的具体结构和参数；反映各元件在油路连接上的相互关系，不反映其空间安装位置；只反映静止位置或初始位置的工作状态，不反映其过渡过程。

四、液压传动应用实例

（一）工作台往复运动液压传动系统

有些机械工作时要求其工作台水平往复运动，如图2-2所示是一台实现工作台水平往复运动的液压传动系统。

1.液压系统组成

液压系统由液压泵、液压油缸、换向阀、油箱、溢流阀、压力表、回油管、节流阀、吸油管、滤油器等组成。液压泵的作用是把原动机输入的机械能转换成系统中需要的液压能；液压缸的作用是把系统传递的液压能转换成机械能，驱动工作台往复运动；换向阀用来控制液压油的流动方向；节流阀用来调节进入液压缸的流量，进而控制液压缸的运动速度；溢流阀用来控制系统中的最大压力；滤油器的作用是防止杂质进入系统中；压力表用来观察系统中压力的大小；油箱储存一定数量的液压油。

2.工作原理

系统工作时，液压油泵将定量的压力油输入管道，经过节流阀5的调节，使一定量的油进入换向阀3的P口，其余的油则经溢流阀10回油箱。当换向阀3处于图2-2（a）所示位置时，液压油经换向阀的P—A口进入液压油缸的左腔，液压油缸2的外壳是固定在机架上的，液压油将推动缸内的活塞向右运动，从而带动工作台1向右运动。同时缸内右腔的液压油经B—T口返回油箱。操纵换向阀3的手柄使其换至左位，使阀芯移到图2-2（b）所示位置时，使P—B口接通，则压力油就经P—B口进入液压缸的右腔，从而迫使缸内活塞连同工作台一起向左运动。此时缸内左腔的液压油经A—T口流回油箱。如果将换向阀的手柄搬到中间位置，如图2-2（c）所示，其阀芯亦被拨到中间位置，因而堵住了换向阀的进油口和回油口，使液压缸两腔既不进油也不回油，活塞停止运动，工作台就在某一位置停止下来。这时，液压泵7输出的压力油因为没有其他去处，全部经溢流阀溢回油箱。

从上述液压系统的工作过程可以看出，改变换向阀的手柄位置，即可改变工作台的运动方向；调节节流阀的大小，即可改变工作台的运动速度。

（二）XYD-2型小型液压捣固机的液压系统实例

如图2-3（a）所示，XYD-2型小型液压捣固机是一种定型产品，它以体积小、重量轻、效率高等优点而广泛地用于线路维修的捣固作业。图2-3（b）所示为其结构原理，捣固机的工作装置捣固镐5，安装在与升降油缸2相连接的振动装置7上，升降油缸的活塞杆则与机架的横梁1相连。捣固机的作业程序是：下插→夹实→张开→提升，捣固镐5的下插和提升由升降油缸2控制。捣固镐的夹实和张开动作是通过夹实油缸4来完成的。操纵多路阀的两个换向手柄就可以控制升降缸和夹实缸的动作过程。

1.液压系统组成

XYD-2型小型液压捣固机的液压系统由升降油缸、夹实油缸、齿轮泵、手动油泵、溢流阀、多路换向阀、单向阀、滤清器、油箱等组成，如图2-4所示。

该液压系统的动力元件是齿轮油泵和手动油泵，执行元件有三个：两个夹实油缸、一个升降油缸，控制元件是溢流阀、多路换向阀、单向阀等。多路换向阀Ⅰ控制升降油缸，多路换向阀Ⅱ控制夹实油缸。溢流阀控制系统压力。

2.液压系统工作原理

液压捣固机捣固工作时，由原动机带动的齿轮油泵9将液压油从油箱7中抽出，经滤清器10过滤后送至多路换向阀11，操纵多路换向阀根据需要将液压油分配给各工作油缸，使捣固镐完成“下插→夹实→张开→提升”动作。

（1）多路换向阀Ⅰ、Ⅱ均位于中位

若不操纵两个多路换向阀，则多路换向阀Ⅰ、Ⅱ均处于中间位置时，齿轮油泵提供的液压油，通过多路换向阀的卸荷通道回油箱，即齿轮泵卸荷，此时升降油缸和夹实油缸均不动作，液压捣固机不工作。

（2）多路换向阀Ⅰ位于左位当操纵第Ⅰ联多路换向阀手柄，将其置于左位时，齿轮油泵提供的压力油顶开单向阀4，经第Ⅰ联多路换向阀的P1—A1口进入到升降油缸1的无杆腔，使捣固镐插入道床。同时，升降油缸有杆腔的液压油也经第Ⅰ联多路换向阀的B1—T1通道流回油箱。捣固镐下插到适合的位置时，松开第Ⅰ联多路换向阀的操作手柄，其自动回中间位置，升降缸停止下插，齿轮泵卸荷。

（3）多路换向阀Ⅱ位于左位

捣固镐下插后，操纵第Ⅱ联多路换向阀手柄，使其置于左位，液压油通过单向阀4，经第Ⅱ联多路换向阀的P2—A2口，进入到夹实油缸2、3的无杆腔，推动夹实油缸活塞杆伸出，捣固镐将石砟夹实。此时，夹实油缸2、3有杆腔的液压油经第Ⅱ联多路换向阀的B2—T2通道流回油箱。

（4）多路换向阀Ⅱ位于右位

完成捣固镐夹实动作后，再操纵第Ⅱ联多路换向阀使其置于右位，则液压油通过单向阀经第Ⅱ联多路换向阀的P2—B2口，进入到夹实油缸2、3的有杆腔，推动夹实油缸活塞杆缩回，捣固镐张开，同时，夹实油缸2、3无杆腔的液压油经第Ⅱ联多路换向阀的A2—T2通道流回油箱，完成一次捣固作业。

若捣固镐一次夹实不能达到要求，可反复操纵第Ⅱ联多路换向阀的手柄，以达到夹实石砟的目的。石砟夹实作业完毕后，将第Ⅱ联多路换向阀置于中间位置，齿轮泵卸荷。

（5）多路换向阀Ⅰ位于右位

夹实石砟后，将第Ⅰ联多路换向阀推向右位，液压油进入到升降油缸的有杆腔，捣固镐拔出道床，实现提升。最后使第Ⅰ联多路换向阀回中间位，齿轮泵卸荷，该枕木位捣固作业完毕。

上述操作完成后，将捣固机推到下一个轨枕位，开始新的作业。

当原动机或液压系统发生故障而无法正常操作时，若捣固镐仍插在道床内，就会危及行车安全。此时可反复压下手动油泵5来代替齿轮泵供油，同时操纵相应的多路换向阀就可将捣固镐张开并提升，实现安全下道。所以，手动油泵又称安全泵。

系统设置单向阀的目的，是为了防止使用手动油泵压油时，液压油通过齿轮泵倒流回油箱。

溢流阀的作用是当油缸超载不能移动时，高压油就将溢流阀打开而回油箱，从而实现保护齿轮泵及管路的安全。