液压系统和能量转换

液压系统

液压系统可用于从一处向另一处传递机械能。可以通过利用压力能完成上述操作。液压泵由机械能驱动。机械能在受压液体中转变成压力能和动能，然后重新变成机械能作功。

转变能量的手段

提供给液压系统的原始能量是来自发动机的机械能，实际上是发动机驱动了液压泵。泵利用这种能量泵出液体，在此过程中，机械能变成了压力能和动能。液体流经液压系统，并朝油缸和马达等执行元件方向流动。液体中的压力能和动能使执行元件产生运动。运动过程中，能量再一次转变成机械能。

液压挖掘机是如何工作的？

在液压挖掘机中，发动机产生第一机械能，第一机械能带动泵运转。泵使油流出并进入系统。油到达执行元件时，重新在执行元件的运动过程中转变成机械能。挖掘机动臂因此得到提升或下降，铲斗得以运动等等。

 液压和工作

工作的三大元素
需要工作时，为了使工作成为可能，必须满足某些条件。必须知道需要多大的力，必须确定完成工作所需的时间，必须考虑工作方向。
工作力、速度和方向三大条件可以放入下图的液压术语之中。

 液压部件

基本部件

液压系统中有许多部件。基本装置是泵和执行元件。泵连续将油推出，并把机械能转变成压力能和动能。执行元件是把液压能重新转换成工作所需机械能的系统部件。
除了泵和执行元件之外，液压系统的连续操作当需要以下部件。
油  箱：贮存油
阀：控制油的流量和流动方向，或限制压力连接管路：连接系统的各个部件
让我们看一下两种极为简易的液压系统。


例子1，液压千斤顶


这里你看到的是一台液压千斤顶。把力作用于杠杆时，手动泵使油进入油缸。油压作用在活塞上向上推动，并提升负载。液压千斤顶很像帕斯卡液压杠杆。这里的油箱加了油。增加了单向阀，使油保持在油箱中，使油缸在泵的行程转换中位置不动。上图中，负载压力使输出单向阀处于关闭状态。泵手柄向上拉动时，输入单向阀打开，允许油箱中的油注入泵室。接着，向下推动泵手柄。油压关闭输入单向阀，而打开输出单向阀。这一运动过程中，有较多的油进入油缸，推动活塞向上运动。下图显示的是打开停止阀，它连接油箱和油缸，这样油可以流回油箱，使活塞降下。

例子2，液压油缸运行

1．首先，你拥有一只含有液压油的油箱，液压油提供给泵使用。

2．下一步，形成油的流动必须有泵，但是泵不能从油箱吸油。重力使油进入泵。

3．泵每次转动时，它将油推出。必须记住的重要一点是泵仅仅移动容量。容量决定液压动作的速度。负载形成压力，泵不产生压力。

4．泵与控制阀间管道相连接。泵出的油流至阀。阀的任务是使油流向油缸或油箱。

5．系统的下一步是油缸，油缸作实际工作。控制阀有两根油管连接油缸。

6．泵出的油通过控制阀流向活塞底部大腔。负载产生流动阻力，并形生压力。

7．系统似乎很完整，事实上还不够完整。它还需要一种十分重要的零件。我们必须考虑在突然超载或其它故障的情况下，如何保护所有部件免受损坏。即使系统发生故障，泵仍继续转动并向系统供油。如果泵出的油无处可去，压力便会累积，直至一些零件受损。我们装入一个溢流阀，防止产生损坏。通常，它是关闭的，但是压力达到设定量时，阀门便会打开并允许油流回油箱。

8．油箱、泵、控制阀、油缸、连接管路和溢流阀组成了基本液压系统。所有这些零部件都是必需的。现在，你已经清楚地了解了液压系统的工作过程。

泵的分类

什么是泵？

与你的心脏一样，心脏输送全身血液，泵则是液压系统的心脏。泵是使油运动并使油进入工作状态。像我们曾经说过的那样，液压泵将机械能转换成受压液体的压力能和动能。

什么是液压泵？

每台泵都产生流量。泵吸收液体并使液体流至其它地方。有两种排量泵。

被动排量泵
主动排量泵

插图中的水轮是被动排量泵的一个例子。它所做的一切就是吸收液体并使之流动。
另一种泵是主动排量泵。由于当它推动液体时，它使液体隔离，防止液体回流，因此它被称为主动排量泵。如果泵不能完成上述操作，将不能在液压系统中积累足够的压力移动负载。当今所有液压系统均利用高压力，所以需要主动排量泵。

液压泵的类型

当今的大部分机器使用以下三种类型之一的液压泵。
齿轮泵
叶轮泵
柱塞泵

三种类型的泵均以转动原理运行；泵内部的转动装置推动液体流动。

柱塞泵有两种类型：

轴向柱塞泵
径向柱塞泵

之所以称为轴向泵是因为泵的柱塞安装在与泵的中心管线（轴）平行的管线上。
之所以称为径向泵是因为它们的柱塞从泵中心向外伸展。两种类型的泵均使用往复式活塞。柱塞前后运动，但是它们由旋转运动驱动。

液压泵的排量

排量是指在每一次循环中泵可以移动或转移的油的容量。液压泵有两种类型：

定量泵

变量泵

定量泵每一循环移动相同量的油。想要改变这种泵的排出容量，必须改变泵的转速。
变量泵每一循环可改变它们推动的油的容量。这一过程甚至可以在不改变泵转速的情况下完成。这种泵有一可以改变油输出的内部机械结构。系统压力下降，排量增大，系统压力上升，排量自动减小。

 执行元件分类

什么是执行元件？

执行元件是输出功率的液压系统部件。执行元件将液压能转变为机械能，是实际工作的装置。有线性和旋转两种执行元件。液压油缸是线性执行元件。它输出的是力和直线运动。液压马达是旋转执行元件。它输出的是扭矩和旋转运动。

液压油缸

液压油缸就像手臂。有两种类型的油缸。

单作用油缸。受压液体只能进入油缸一端。必须利用重力这样的外界力将活塞推动到油缸中它原来的位置上。双作用油缸。受压液体可以进入油缸的任何一端，这样活塞可以在两个方向工作。

在这两种类型油缸中，活塞以受压液体推动它的方向在油缸缸体中滑行。这些活塞利用不同种类的密封组件防止油的泄漏。

液压马达

像油缸一样，液压马达是执行元件，是一种旋转执行元件。

液压马达的动作与泵相反。泵输出液体，而液压马达则由这种液体驱动。就像我们曾经说过的，液压泵将机械能转变成受压液体压力能和动能。液压马达将这种液压能转变成机械能。

在液压传动中，泵和马达共同工作。泵受到机械驱动并将液体推至马达。

来自泵的液体驱动马达，马达运动带动机械连杆工作。

液压马达的类型

有三种类型的液压马达，它们内部的转动部件由进入的液体驱动。这三种类型的液压马达是：

齿轮马达
叶轮马达
柱塞马达

排量和扭矩

马达的工作输出叫做扭矩。它是马达驱动轴上的旋转力。扭矩用力和力臂的乘积来度量；它不含速度。可提供的最大压力和每一循环排出液体容积决定马达的扭矩输出。输入流量决定马达速度。流量越大，速度越快。

扭矩是马达驱动轴上的旋转力。扭矩等于力X力臂（kg/m）。

阀的分类

什么是阀？
阀在液压系统中起控制作用。阀控制液压系统中的压力、流动方向和流量大小。

三种主要类型的阀为：
压力控制阀
方向控制阀
流量控制阀

在以下插图中，你可以清楚地看到这些阀的工作情况。
压力控制阀

这种阀用于限制液压系统中的压力、泵的卸载或调整进入管路的油压。有多种类型的压力控制阀；其中有溢流阀、减压阀和卸载阀。

方向控制阀

这种阀控制系统中油的流动方向。典型的方向控制阀是单向阀和滑阀。

流量控制阀
这种阀控制液压系统中油的流量。它们通过限制流量或转移流向完成以上操作。是不同类型的流量控制阀、节流阀和分流阀。
可以用几种方式控制这些阀：手动、液动、电动、或气动。

压力控制阀

可利用压力控制阀进行以下操作：
限制系统内部压力
减压
调整进入管路的油压
泵的卸载
溢流阀有时被叫做安全阀，因为它们在压力达到设定量时将释放过量的油。它们防止系统部件由于过载而损坏。

两种类型的溢流阀是：

直动式溢流阀，简单地打开和关闭
先导式溢流阀，利用先导油路控制主溢流阀芯
直动式溢流阀通常用于流量较小、以及非经常性开启的场合。先导式溢流阀在必须释放大容量过量油的场合是必需的。

方向控制阀

像警察指挥交通一样，这种阀控制油的流向。这种阀的典型类型有：
单向阀
滑阀

上述阀门各自利用不同的阀元件 控制油的流向。单向阀利用提动头和弹簧允许油以单一方向流动。滑阀利用的是滑动的阀柱。阀柱前后滑动，打开和关闭油通过的通道。

单向阀
单向阀十分简单。它被称为单路阀。这意指它被打开后允许油以一个方向流动，但是关阀后可防止油以相反方向流动。

你可以在以下插图中看到它的工作情况。这是轴向单向阀。它为直行管道连接设计，允许油直通流过。当入口一侧压力大于出口一侧压力时，阀门提动头打开。它打开时，油可通过开口自由流过。入口一侧压力下降时，提动头关闭。阀门截止回流并堵住出口一侧的压力油。

换向阀
换向阀是典型方向控制阀，它可用于控制执行元件的操作。平时所说的控制阀即为换向阀。换向阀控制油流，以启动、运行和停止执行元件。
阀柱从中间位置向右或向左移动时，它打开一些油的通道，关闭另一些通道。它以这种方式控制油从执行元件流进和流出。阀柱处于密闭进出油的位置。

阀柱通常质地特硬并经磨光，它具有光滑、精确、耐用的表面。它们甚至经过镀铬以便耐受磨损、生锈和腐蚀。

本插图中的滑阀显示三种位置，中位、左位和右位。我们称之为4通阀，因为它拥有4条可能的通道，这些通道通向油缸两端，以及油箱和泵。

把阀门向左移动时，油从泵流向油缸左侧，油缸右侧的油流向油箱。结果，活塞向右移动。如果将栏杆向右移动，动作相反，活塞向左移动。在中间位置，中位的油流向油箱。油缸两端的通道关闭。

流量控制阀
就像我们曾经说过的，流量控制阀以两种方式中的一种方式工作。它们限制流量或者转移流量。
流量控制阀用于通过计量流量控制执行元件速度。“计量”意指测量或调节从执行元件进出的流量。流量分配阀控制流动容量，还分配两条或多条回路之间的流量。
流量分配阀控制流动容量，还分配两条或多条回路之间的流量。

比例流量分配器

此阀门的用途是分配单一来源的油流。下图流量分配器将两出口的流量分成大约75:25。因为No.1入口大于No.2入口，使得这种分配成为可能。

 回路图

回路图

你已经在本教材中看到许多简单的示意图和插图，它们帮助你了解液压系统及其零件和原理。我们已经在许多场合向你展示了结构，但是，除了这些插图之外，我们几乎始终在利用一种不同的示意图。我们利用的示意图叫做系统图。系统的每一个部分和每一条管路都用符号表示。

你可以在以下系统图中看到一些很好的例子。必须牢记，当你审视系统图时，它们的目的不是向你显示零件结构。系统图只用于显示功能和连接。

管路的分类

在液压系统的所有部件之间都有油路管路。由于各自具备不同的功能，因此各自都有不同的名称。这些管路的主要名称是：

压力管路

工作管路   

 吸油管路

 回油管路

泄漏管路

非工作管路  

先导管路

工作管路传输与能量转换有关的油。吸油管路将油从油箱传送至泵；压力管路将处于压力下的油从泵传输至执行元件工作；回油管路是油中液压能量于执行元件处用完之后将油从执行元件送回油箱。

非工作管路是辅助管路，它不传输传送油的主能量。泄漏管路用于将泄漏油或排出的先导油送回油箱。另一方面，先导管路传输控制部件操作所使用的油。

 液压系统的优点和缺点

我们已经学习了液压系统工作的基本原理，了解了液压系统的工作过程。结束本文之前，让我们再看一下液压系统与其它动力传动方法相比较的优点和缺点。

优点

1．灵活—密闭液体是最灵活的动力源，具有优秀的力转移性能。利用管道和软管取代机械部件可以排除布局问题。

2．力放大—极小的力可以移动和控制大得多的力。

3．平稳—液压系统在运行过程中平稳和安静。振动保持在最低程度。

4．简易—这种系统中几乎没有运动部件并且磨损点较少，并且系统可自动润滑。
5．简洁—与复杂的机械装置相比，部件设计更加简单。例如，液压马达尺寸比产生相同功率的电动机小得多。
6．经济—简易和紧凑，使系统经济节能，系统在使用过程中，几乎不损耗功率。
7．安全—溢流阀保护系统，不致由于过载而受损。

缺点

需要良好的维护保养—由于液压部件是精密部件并在高压力之下使用，因此需要良好的维护保养，以防止生锈、腐蚀、污垢、油变质等等，所以必须保持清洁和使用适当的液压油。