第二节 液压元件
一个完整的液压传动系统包括动力元件、执行元件、控制元件和辅助元件等液压元件，常用的液压元件有液压泵、液压马达、液压缸和各类液压阀等。本节只介绍常用液压元件的工作原理、特点和应用。
一、液压泵和液压马达
液压泵和液压马达都是能量转换元件，结构也大体相同。故理论上液压泵和液压马达可以互相通用。但实际上考虑到工作效率和结构上的不同之处，通常不能任意换用。
（一）液压泵
液压泵是液压传动系统的动力源，由电动机或内燃机驱动，将机械能转变为液体压力能的转换装置。它不断输出液压油，使执行部分克服外部荷载而运动。
液压泵按结构类型可分为齿轮泵、叶片泵和柱塞泵三类。它们都是依靠密封容积的变化来完成吸油和压油，故一般称为容积式液压泵。按其每运转一循环所能输出油液体积可否调节，分为定量泵和变量泵。
1.齿轮泵
齿轮泵由一对相互啮合的齿轮装在泵体内构成。泵体的两端盖密封齿轮的端面，齿顶与泵体的内圆弧形成密封空间，则齿轮的各个齿间就形成了密封的工作容积。泵体有两个油口，一个是吸油口，另一个是压油口，如图2-5所示。
图2-5 齿轮泵
1—泵体；2—主动齿轮；3—从动齿轮
（1）工作原理
原动机通过传动装置驱动齿轮泵的主动齿轮转动时，在主、从动齿轮的啮合点逐渐脱开的一侧容积增大，由齿间所形成的密封容积逐渐增大，出现了部分真空。因此，油箱中的油液就在大气压力的作用下，经吸油口进入吸油腔。经吸油口吸入的油液，随着齿轮的旋转，利用两齿轮的齿谷将油液带至啮合点另一侧压油腔，在压油腔，随着齿轮的逐渐啮合，密封容积逐渐减小，油液就从压油口压出。齿轮不断运转，即可实现连续吸、压油液。
（2）困油现象
为了提高齿轮泵的工作效率，齿轮泵齿轮的啮合对数（同时参与啮合的齿轮对数）通常要选的大一些，当齿轮泵的啮合对数大于1时，在两对轮齿同时啮合时，它们之间将形成一个与吸、压油腔均不相通的闭死容积，此闭死容积随齿轮转动其大小不断发生变化，先由大变小，后由小变大，如图2-6所示。当封闭容积由大变小时，被封闭的油受到很大的挤压力，导致压力冲击和油液发热；当封闭容积由小变大时，会产生真空，引起汽蚀和噪声，这一现象称为齿轮油泵的困油现象。困油现象会使齿轮和齿轮轴受到很大的径向力并产生较大振动与噪声。为了克服齿轮泵的困油现象，通常在困油区端盖上开有卸荷槽与压油区相通，以减少困油与噪声。
图2-6 齿轮泵的困油现象
（3）特点
齿轮泵结构简单，易于制造，价格便宜，工作可靠，维护方便，但工作效率较低。由于困油而存在着较大的振动和噪声，一般只能用于低压轻载系统。齿轮泵在小型养路机械中应用较多，如小型液压捣固机、液压起拨道机等均采用的齿轮泵。
2.叶片泵
叶片泵由定子、转子及叶片等组成，如图2-7所示。泵的定子内表面是一个圆形，转子槽中装有可滑动的叶片，转子与定子之间有一个偏心距e。
图2-7 叶片泵
1—定子；2—转子；3—叶片
（1）工作原理
当原动机驱动转子旋转时，由于离心力的作用，可使转子槽中叶片甩出后紧靠定子内壁转动，这样在定子、转子、叶片和端盖间形成了若干个密封的工作容积。由于转子与定子之间有一个偏心距e，当转子旋转一周时，每一叶片在转子槽内往复滑动一次，每相邻两叶片间的密封容积发生一次增大和减小的变化，密封容积增大实现吸油，密封容积减小实现压油，即转子每转一周，实现一次吸油和压油。
调节偏心距e，可以改变封闭容积变化量的大小，也就是输出流量的大小，所以，叶片泵是一种输出流量可以改变的变量泵。
（2）特点
叶片泵运转平稳，噪声较小，输出流量均匀且大小可调，但叶片泵运动零件之间的间隙一般较小，对油的过滤要求较高，结构较复杂，价格较高。
3.柱塞泵
柱塞泵分为轴向柱塞泵和径向柱塞泵。柱塞沿径向放置的泵称为径向柱塞泵，柱塞轴向布置的泵称为轴向柱塞泵。
（1）工作原理
轴向柱塞泵由配油盘、泵体、柱塞和斜盘等组成，如图2-8所示。斜盘4与配油盘1固定不动，弹簧使柱塞紧抵在斜盘上，这样柱塞和泵体就形成了若干个密封的工作容积，当传动轴带动泵体2旋转，柱塞3即在泵体内作往复直线运动，每个柱塞伸出时就是吸油过程，每个柱塞压进时就是排油过程，缸体转一圈时，每个柱塞即往复运动一次。斜盘的倾斜角α越大，则油泵的密封容积改变量也越大，即流量越大。所以，这种油泵也是变量油泵。
图2-8 柱塞泵
1—配油盘；2—泵体；3—柱塞；4—斜盘
（2）特点
柱塞泵效率较高，压力较大，输出的流量平稳，大小可调，对油的过滤精度要求较高，由于价格较高，多用于高压液压系统中。
（二）液压马达
液压马达也是能量转换装置。其作用与液压泵相反，它是将输入的液压能转换成为以旋转运动形式输出的机械能，它是液压系统的执行元件。常用液压马达的结构与同类型的液压泵很相似，通常也有三种类型，即齿轮式、叶片式和柱塞式，这几种液压马达在养路机械中均有应用。下面介绍一种在养路机械中常见的内曲线径向柱塞马达。
内曲线径向柱塞马达结构如图2-9所示，主要由定子、转子、柱塞、配油轴、配油套和滚轮等组成。其工作过程是：转子外侧均匀分布的5个柱塞在压力油的作用下通过滚轮紧顶在定子的内曲线上，外侧开有许多进出油孔的配油轴是固定不动的，转子内侧的配油套和转子一同转动，并通过配油套径向孔与配油轴上的油孔相通。当滚轮转过内曲线的高点位置，进入图2-9所示的a段时，柱塞开始进入高压油，此时高压油P产生的反作用力N可分解成两个分力P′和T，P′与作用力P相平衡，T垂直于柱塞方向，产生扭矩使柱塞逆时针转动，当滚轮转动到b段开始爬坡时，柱塞通过配油套的径向孔向配油轴回油，在其他柱塞产生的扭矩作用下，柱塞就越过高点而进入a段，又开始了新的转动。这样5个柱塞在内曲线的每个a段都产生逆时针转动的扭矩，使得转子连续不断的转动并输出机械功。
图2-9 内曲线径向柱塞马达
1—滚轮；2—配油套；3—中心孔；4—柱塞；5—回油口；6—进油口；7—配油轴；8—转子；9—定子；10—配油套径向孔
如果将马达的进、出油口互换，马达则反转。所以内曲线径向柱塞马达是双向定量马达，这种马达的转速低、扭矩大，特别适合在养路机械中使用。
二、液压控制阀
液压控制阀是液压系统的控制操纵部分，用来控制和调节液压系统中的油压、流量和油流方向，以满足对执行机构所需的压力、速度和换向要求，使执行机构实现预期动作。根据液压阀的用途和工作特点的不同，液压阀一般分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀三大类。
（一）方向控制阀
方向控制阀用来控制和改变系统中工作液体的流动方向，实现执行机构运动方向的转换，简称方向阀。方向阀主要包括单向阀和换向阀等。
1.单向阀
单向阀又称为止回阀，图2-10所示为一般直通式单向阀，由阀体、阀芯和弹簧等组成。当压力油自阀的左侧进油口流入时，作用在阀芯2上的液压力大于弹簧3的作用力时，弹簧被压缩，阀芯打开，压力油经右侧口流出。当油流反向时，液压力使阀芯2压紧在阀体1的油道口上堵住油道，压力油不能通过。所以，此种阀只能使压力油沿一个方向流动，故称其为单向阀，其符号表示如图2-10（b）所示。为了避免产生过大的压力损失，单向阀的弹簧做得很软。
图2-10 单向阀
1—阀体；2—阀芯；3—弹簧
2.换向阀
换向阀的作用是利用阀芯和阀体间的相对运动变换液体的流动方向，接通或关闭油路。换向阀的主要工作机构是阀体和阀芯。阀体内加工有几条环形通道，上有相应的沟槽与之配合，阀芯借助于手柄、电磁阀等操纵而定位。如图2-11（a）所示，当阀芯处于中间位置时，阀芯将油口A、B、P、O全部关断；当阀芯位于右侧位置时，如图2-11（b）所示，阀芯分别将油口A—P和B—O接通；当阀芯位于左侧位置时，如图2-11（c）所示，阀芯又分别将油口A—O和P—B接通。这样，通过操纵阀芯在阀体内的不同位置，就能改变各条油口之间的连接关系，从而达到改变油液流动方向，接通或切断油路的目的。
通常将阀能够接通的油口数目称为“通”，阀芯相对于阀体的工作位置数目称为“位”，图2-11所示的换向阀为“三位四通手动换向阀”。三位四通手动换向阀的符号表示如图2-11（d）所示。
图2-11 三位四通手动换向阀
（二）压力控制阀
压力控制阀的种类很多，控制工作液体的压力，实现执行机构提出的力或力矩要求。按其用途不同，可分为溢流阀和顺序阀等。它们一般都是利用压力与弹簧力相平衡的原理工作的。
1.溢流阀
溢流阀是液压系统中必不可少的控制元件，其作用是用来限制液压系统的最大工作压力。如图2-12所示，溢流阀由阀芯、阀座、弹簧和调节螺栓等组成。阀芯4由弹簧2压在阀座3上，弹簧的压力大小可由调节螺栓1调节。当作用在阀芯上的液压力小于弹簧力时，出油口5与进油口6被阀芯隔断而不通。当液压力超过弹簧力时，阀芯被液压力顶起，油液就通过阀芯与阀座之间的缝隙经出油口流回油箱，从而保证系统管路中的油压不超过由螺栓1调定的弹簧压力。所以，它可以控制系统中的最大压力不超过预定的极限值而起到安全保护作用。
图2-12 溢流阀
1—调节螺栓；2—弹簧；3—阀座；4—阀芯；5—出油口；6—进油口
溢流阀的特点是结构简单，制造容易，但它是利用液压力直接与弹簧力平衡的，所以，当系统油压较高时，要求弹簧较硬。当弹簧较硬时，调节弹簧很不方便，因此，它一般应用于低压系统中。
2.顺序阀
顺序阀的作用是控制系统的动作顺序。只有当油路本身的压力达到顺序阀的调定压力时，顺序阀才能动作而接通油路。
图2-13所示为顺序阀的结构原理图和图形符号，顺序阀主要由压力为P的液压油自进油口A流入阀内，并经小孔6作用在阀芯4的下端部，当油压力P小于弹簧2的调定压力时，弹簧将阀芯压在下端位置而断开进、出油口的通道，只有当P增大到足以克服弹簧的调定压力时，才能顶起阀芯，使液压油经阀芯由出油口B流出。弹簧压力可通过调节螺钉1来调整。
图2-13 顺序阀
1—调节螺钉；2—调压弹簧；3—上盖；4—阀芯；5—阀体；6—小孔；7—封堵
（三）流量控制阀
在液压系统中用来控制和调节系统流量，改变执行机构的运动速度的阀类称为流量控制阀。它的工作原理一般是通过改变阀的流通截面积来调节流量，最常见的是节流阀、调速阀。
图2-14所示为节流阀的结构原理和图形符号，压力油从A口流入，经阀芯3两侧的环形通道由B口流出。旋转调节螺钉1，即可使阀芯沿轴向上下移动，从而改变阀口环形通道的流通截面积，使通过的流量得到调节。
三、液压缸
液压缸是用来将油液的压力能转换为机械能的能量转换装置。在液压系统中，液压缸一般作执行元件使用。
图2-14 节流阀
1—调节螺钉；2—阀体；3—阀芯；4—弹簧
液压缸的种类很多，按供油方向不同分为单作用液压缸和双作用液压缸，单作用液压缸只是向缸的一侧输入高压油，靠外力（如弹簧力）使活塞反向回程，双作用液压缸分别向缸的两侧输入压力油，活塞的正反向运动均靠液压力完成；按结构型式分为活塞液压缸、柱塞液压缸、摆动液压缸；按活塞杆数量分为单活塞杆液压缸和双活塞杆液压缸。养路机械中应用较为普遍的是往复直线运动的活塞式液压缸。
1.双活塞杆式液压缸
双活塞杆式液压缸主要由缸体、活塞和两根直径相同的活塞杆所组成。一般缸体是固定的，当液压缸的左腔进油、右腔回油时，活塞向右移动；反之，活塞向左移动。
双活塞杆液压缸也可以做成活塞杆固定不动而缸体移动的结构，如图2-15所示。这时，活塞杆通常做成空心的以便进油和回油。在外圆磨床中，带动工作台往复运动的液压缸通常就是这种形式。
在双活塞杆液压缸中，由于活塞两边的有效作用面积相等，当左、右两腔分别进入液压油时，若流量相等，则活塞（或缸体）往返运动的速度是一样的。
2.单活塞杆式液压缸
单活塞杆式液压缸的工作原理如图2-16所示。其特点是活塞的一端有杆，而另一端无杆，所以活塞两端的有效作用面积不等。当左、右两腔分别进入压力油时，即使流量相等，活塞往返运动的速度也不相等。当无杆腔进油时，因活塞有效面积大，所以速度小，推力大；当有杆腔进油时，因活塞有效面积小，所以速度大，推力小。
图2-15 双活塞杆式液压缸
1—工作台；2—油缸；3—活塞；4—油道
图2-16 单活塞杆式液压缸
四、液压基本回路
（一）压力控制回路
压力控制回路是用压力控制阀来控制整个系统或局部范围压力的回路。
1.限压回路
限压回路利用与主油路并联的溢流阀来起到限压和安全作用，如图2-17（a）所示。
2.卸荷回路
当液压系统的执行机构短时间停止工作或停止运动时，为了减小能量损失，应使泵在空载的工况下运行。通过换向阀使油泵和油箱连通，实现卸荷，如图2-17（b）所示。
（二）方向控制回路
在液压系统中，执行元件的起、停、改变运动方向，是通过控制元件对液流实行通、断改变流向来实现的，如图2-17（b）所示的换向回路。
图2-17 压力控制回路