第十一章 方向控制回路及其主要元件 第一节 方向控制回路 第二节 方向控制回路的主要元件 第三节 液压缸及液压辅助元件 一、换向回路 第一节 方向控制回路 一、换向回路 二、锁紧回路 第二节 方向控制回路的主要元件 一、齿轮液压马达的工作原理和结构特点 二、叶片马达 第三节 液压缸及液压辅助元件 一、液压缸 二、液压辅助元件

第一节 方向控制回路 方向控制回路是用来控制液压系统各条油路中的油流的接通、切断或改变流向，从而使各执行元件按照需要相应地做出起动、停止或换向等一系列动作。

一、换向回路 换向回路一般可由换向阀来实现。在采用容积调速时，也可以利用双向变量泵改变其输油方向来实现运动部件的换向。 （一）用换向阀的换向回路 图11-1所示为采用二位四通电磁换向阀控制的换向回路。当换向阀的电磁铁DT失电时，换向阀右位接入回路，液压泵输出的油液经换向阀右位P→B进入液压进入液压缸右腔；液压缸左腔的油液经换向阀右位A→O回油箱，实现液压缸活塞从右向左移动。当换向阀电磁铁DT通电，阀芯右移，换向阀左位接入系统，液压泵输出的压力油经换向阀的左位P→A进入液压缸左腔；液压缸右腔的油液经换向阀左位B→O回油箱，实现液压缸活塞从左向右移动。控制电磁铁通断电，则可以控制液压缸活塞移动方向的改变。

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（二）利用双向变量泵的换向回路 图11-2所示为利用双向变量泵来控制执行元件换向。这种回路换向平稳，换向能量损耗少，特别是对换向制动阶段因惯性力而产生液压冲击的能量可通过双向泵回收。但换向精度较差。故仅适应于惯性大而换向精度要求不高的液压系统，如挖掘机或起重机回转机构的液压系统等。

二、锁紧回路 锁紧回路是指通过回路的控制使执行元件在运动过程中的某一位置上停留一段时间保持不动，以防止其漂移或沉降。常用的锁紧回路有换向阀锁紧回路和平衡阀锁紧回路。 （一）换向阀锁紧回路 它是利用“O”、或“M”型换向阀机能将执行元件锁紧在任意位置上。当换向阀阀芯处于中间位置时液压缸的进、出口均被封闭，活塞即被锁紧。这种锁紧回路由于换向阀的环状缝隙泄漏较大，密封性差，难以保证长时间闭锁。故只用于锁紧要求不高，或短时间停留的场合。

（二）平衡阀锁紧回路 当执行元件带动垂直运动的重物时，为防止重物突然加速下落的危险，需要采用锁紧回路。 图11-3所示为远程控制平衡阀的锁紧回路。它在重物7下降的回油路上装接一个单向平衡阀2（单向平衡阀是由远控顺序阀和单向阀构成的）。提升重物时，换向阀1右位接入油路，压力油通过单向平衡阀中的单向阀进入液压马达4的右腔。重物下降时，换向阀左位接入油路，压力油进入液压马达左腔并建立一定的压力，当该压力达到顺序阀的调定压力时，使重物按控制速度下降。当换向阀处于中位时，由于液压马达左腔不通压力油，液压马达右腔油路被平衡阀锁紧，重物被锁紧在任意位置。 由上述分析可知，该回路具有限速和锁紧双重作用，当重物下降时起限速作用，当重物在中途停顿时则起锁紧作用。这种回路广泛应用于汽车液压起重机、液压挖掘机等液压系统中。

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第二节 方向控制回路的主要元件 在方向控制回路中，完成方向控制回路的元件主要有方向控制阀、变量泵、变量马达及平衡阀等液压元件。方向控制阀在前面已介绍，本节重点介绍液压马达。

一、齿轮液压马达（以下简称齿轮马达）的工作原理和结构特点 （一）工作原理 齿轮马达产生扭矩的工作原理见图11-4。图中P为两齿轮的啮合点。齿轮的齿高为h，啮合点P到两齿轮齿根的距离分别为a和b；由于a和b都小于h，所以当压力油输入到进油腔作用在齿面上时（如箭头所示，凡齿面两面受力平衡的部分都未用箭头表示），在两个齿轮上就各有一个使它们产生扭矩的作用力pB（h-a）和pB（h-b）。其中p为输入油液的压力，B为齿宽。在上述作用力作用下，两齿轮按图示方向旋转，并把油液带到回油腔排出。齿轮马达产生的扭矩与齿轮旋转方向一致。输入压力油，齿轮马达即能输出扭矩和转速。

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（二）齿轮马达的结构特点 齿轮马达和齿轮泵基本相似，从原理上讲是可逆元件。目前齿轮马达可以分为二类：一类是以齿轮泵为基础的齿轮马达，如CB-E型齿轮泵可不经改装便作为齿轮马达（CM-E型）使用；一类是专门设计和齿轮马达。专门设计的齿轮马达由于考虑了液压马达的一些特殊要求，如需要带载荷起动，要经受外载荷的冲击，要能正反向旋转等，因此在实际上与齿轮泵相比有些差别。其结构特点是： （1）进、回油通道对称，孔径相同，以使正反转时性能一样。 （2）采用外泄漏油孔。一方面因为马达回油有些背压，另一方面因为马达正反转时其进回油腔也互相变化，如果采用内部泄油容易将轴端油封冲坏。所以齿轮马达与齿轮泵不同，必须采用外泄漏油孔。

（3）对于轴向间隙自动补偿的浮动侧板的结构，必须适应正反转时都能工作的要求；同时困油卸荷槽也必须是对称布置的结构。 （4）使用滚动轴承较多，主要是为了减少摩擦损失，改善启动性能。 齿轮马达与其他类型马达相比具有结构简单、体积小、重量轻，对油液污染不敏感，耐冲击等优点。但是它的容积效率低，起动力矩小，低速稳定性差。适用于作汽车车辆、工程机械、港口机械等液压系统中的回转运动机构。

二、叶片马达 （一）工作原理 双作用式叶片马达的工作原理见图11-5当压力油从配油窗口进入相邻两叶片间的密封工作腔时，位于进油腔的叶片2、6因两面所受的压力相同，故不产生转矩。位于回油腔的叶片4、8也同样不产生转矩。而位于油封区的叶片3、7和1、5因一面受压力油作用，另一面受回的低压作用，故产生转矩，且叶片1、5的转矩方向与叶片3、7的相反，但因叶片3、7的承压面积大，转矩大，因此转子沿着叶片3、7的转矩方向作顺时针方向旋转。叶片3、7和叶片1、5产生的转矩差就是马达的输出转矩。定子长短半径的差值越大、转子直径越大以及输入油压越高时，马达输出转矩也越大。改变输油方向时，就可以改变马达的旋转方向。

（二）结构特点 叶片马达与相应的叶片泵相比较有以下几个特点： （1）叶片底部有弹簧，以保证在初始条件下叶片能紧贴在定子内表面上形成密封工作腔。否则进油腔与回油腔将串通，就不能形成油压，也不能输出转矩。 （2）叶片径向放置，其顶端两过对称倒角，以适应正、反转的要求。 （3）叶片底部通有高压油，将叶片压向定子，以提高容积效率。为保证变换进、出油口（正、反转）时叶片底部都通压力油，在泵体中装有两个单向阀。 叶片马达体积小，转动惯量小，因此动作灵敏，允许高频换向，且输出角速度和输出转矩的脉动小。但泄漏较大，不能在低转速下工作。因此适用于高转速小转矩以及要求灵敏的场合。

第三节 液压缸及液压辅助元件 一、液压缸 （一）液压缸的种类及典型液压缸简介 1．液压缸的分类 液压缸是将液体的压力能转变为机械能的能量转换装置，它是液压系统中的执行元件。为了满足各类机械的不同需要，液压缸具有多种结构和不同性能。常用液压缸的种类和工作特点如下表11-1所示。

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2．典型液压缸简介 1）单杆双作用活塞式液压缸 （1）结构和工作原理。 图11-6所示为单杆双作用活塞式液压缸结构原理图。它由缸体6、活塞7、活塞杆5、密封圈1、8等组成。缸体用无缝钢管与底部端盖螺纹连接而成，内壁粗糙度要求较高。缸体上部有二个通油口。活塞依靠用密封圈8密封以防止油液从高压油腔向低压油腔泄漏。活塞杆依靠密封圈1密封，以防油液外泄。图11-7所示为单作用液压缸工作原理图。所谓输入液体所具有的压力能是指输入液体所具有的压力为p和流量为Q，输出的机械能则是活塞运动时所具有的速度v和牵引力F。

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当液压缸大腔进油时，活塞（或缸体）的运动速度υ1和牵引力F1为 式中 p、p0——分别为液压缸进油压力、回油背压（Pa）。 当液压缸小腔进油时，活塞（或缸体）的运动速度υ2和牵引力F2为 由以上式可知，这种液压缸在输入压力和流量一定的情况下，由于两腔有效作用面积不等，所以往返速度与牵引力也不同。

（2）差动液压缸的特点。 若将单杆活塞式液压缸两腔连接起来如图11-7c所示，这时液压缸两腔压力虽然相等，但活塞两边的有效面积不相等，所以作用在活塞两边的液体压力产生一个合力F3推动活塞向有杆腔运动。这样连接起来的单杆活塞液压缸称为差动液压缸。差动液压缸的活塞运动速度v3与液压缸的推力F3为 式中 A1、A2——分别为大腔（即无杆腔）与小腔（即有杆腔）的有效作用面积； d——为活塞杆的直径。 由上面的分析计算可知：如果选择活塞杆的面积等于小腔的有效作用面积，并等于大腔有效作用面积的一半，则有υ3=υ2。这说明：一个双作用单杆活塞液压缸，若取活塞杆面积为液压缸无杆腔活塞面积的一半，便可实现单杆双作用活塞式液压缸进、退运动速度相等。

2）单作用柱塞式液压缸 图11-8为单作用柱塞式液压缸的基本结构简图。它主要由缸体1、柱塞2、导向套3和密封装置4等零件组成。压力油从缸底部通油孔5进入，将柱塞连同柱塞上端所加的外负荷一起推起。单作用液压缸只有一个通油口，故柱塞返回，通常是借助柱塞自重、外负载的压力或弹簧作用力返回。在柱塞与缸体间安装有导向套3，其作用是用来保持柱塞不摇摆。柱塞与缸体端部用V形密封圈4密封。缸体的上方一般设有排气螺塞，用以排除缸内积存的空气。在一般情况下，柱塞式液压缸比活塞式液压缸结构简单，适用于工作行程较长的场合。

3）伸缩套筒式液压缸 图11-9为单作用柱塞式伸缩套筒液压缸。它由多个柱塞套装而成，主要由缸体、套筒和柱塞组成。压力油进入液压缸后，套筒依次伸出，返回行程靠自重或外力。 伸缩套筒液压缸的特点是行程长而体积紧凑。液压缸工作时行程可以很长，不工作时长度可以缩得很短。

4）摆动液压缸 摆动液压缸又称摆动液压马达，是执行往复回转摆动的执行元件，结构上有多种形式，常用的有单叶片式和双叶片式两种。单叶片式转角小于270°，双叶片式转角小于100°。图11-10为叶片式摆动液压缸的工作原理简图。图中1为缸体，其上有固定叶片2，动叶片4与回转轴3连接在一起。动叶片和固定叶片将缸分隔成互不相通的两腔，当压力油交替供油时，动叶片在油压力推动下带动回转轴往复摆动。摆动液压缸常用于工程机械回转机构等液压系统中。

（二）液压缸的密封与缓冲 液压缸的结构，归纳起来其主要是密封装置；缓冲、排气装置；缸套组件、活塞组件等几个部分。这里仅介绍液压缸的密封装置、缓冲及排气装置。 1．液压缸的密封装置 液压缸是依靠密封油腔的容积变化进行工作的。液压缸密封性能的好坏直接影响液压缸的工作性能和效率。因此要求液压缸所选用的密封元件具有良好的密封性能，并且密封性能应随着工作压力的升高而自动提高。此外，还要求密封元件结构简单、寿命长、摩擦阻力小，以避免相对运动的部件被卡死或产生爬行等现象。

常用的密封方法有以下几种： 1）间隙密封 间隙密封是通过精密加工使相对运动零件配合面之间的间隙极小而实现密封的。 这种密封结构简单，摩擦阻力小，能耐高温，但其密封效果较差，密封性能不能随压力的增加而提高，配合面磨损后无法补偿。因此间隙密封仅用于尺寸较小、压力较低、运动速度较高的液压缸与活塞的密封。 2）接触密封 接触密封是利用密封元件弹性变形挤紧零件配合面，消除间隙的密封形式。该密封方式磨损后能自动补偿。 接触密封所用密封件材料大多采用耐油橡胶制成，按形状分为“O”型密封圈和唇形密封圈（有V、U、L、Y、J等形状）。

“O”型密封圈（图11-11a所示）是一种断面形状为圆形的密封元件，安装在沟槽中利用预压变形和受油压作用后的变形而产生密封作用的，所以它的密封性随压力的增加而提高。当压力过高时，为防止密封圈被挤入间隙而磨坏，双向受力则两面均需装挡圈保护（图11-11b所示）。 唇形密封圈为特殊形状的密封圈，适用于运动形密封，安装时唇口与压力方向相对，利用唇边变形挤紧密封表面消除间隙。图11-11c、d分别为“V”型与“Y”型。“V”型密封圈三个一组，分别由支承环、密封圈、压环组成，使用时三个环同时使用。唇形密封圈变形量大阻力较大，但密封性较好，油压越大，性能越好。

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2．液压缸的缓冲及排气装置 液压缸的缓冲装置是为了防止活塞到达行程终点时，由于惯性力作用与缸盖相撞。液压缸的缓冲都是利用油液的节流（即增大终点回油阻力）作用实现的，形式很多，常用的有间隙缓冲装置和阀式缓冲装置。图11-12为利用间隙缓冲装置的液压缸。当活塞即将运动到行程终点时，活塞端部的缓冲柱塞便逐渐插入导向孔A内，使液压缸的排油只能通过柱塞与导向孔所形成的环形间隙流出。由于环状间隙的节流作用，增大回油阻力实现缓冲。

液压缸中如果有残留空气，将引起活塞低速运动时爬行和振动，产生噪音和发热，甚至使整个系统不能正常工作。因此在液压缸上必须增加排气装置。图11-13所示为两种排气阀结构图。排气装置应装在油缸的最高处。工作之前先打开排气塞，让活塞空行程移动，直到空气排除干净为止。

二、液压辅助元件 （一）油管和管接头 1．油管 油管的作用是连接液压元件和输送油液。在液压系统中，常用的油管有钢管、铜管、尼龙管、橡胶软管和塑料管等。 钢管：一般是指无缝钢管，它耐压高，适用于中、高压的液压系统。但钢管安装时不易弯曲成所需的形状，一般用于装配位置限制较少的场合。 铜管：一般是指紫铜管，它容易弯曲成所需的形状，安装方便，管壁光滑，摩擦阻力小。但价格高，耐压低，抗振能力弱，易使压力油氧化。一般适用于中、低压系统。 尼龙管：能代替部分紫铜管，价格低廉，弯曲方便，但寿命较低。适应于中、低压场合。 橡胶软管：吸振能力好，能减轻液压系统的冲击，安装方便，但寿命较低。一般用于有相对运动的元件间的连接管道。它有高压和低压橡胶软管两种。 塑料管：价格便宜，耐压低，一般用作回油管或泄油管。

2．管接头 管接头是油管与油管、油管与液压元件间的连接件。图11-14所示为几种常见的管接头形式。 图11-14a所示为焊接接头，它是将油管和管接头的一部分焊接起来的一种形式。它适合于连接管壁较厚的油管，用在压力较高的系统中，是目前应用较多的一种形式。缺点是安装时的焊接工作量大。 图11-14b所示为扩口接头，它是将油管（钢管或铜管）端部扩口成喇叭形，插入接头由螺母拧紧的一种形式。此种接头适合于铜管和薄壁钢管的连接。额定压力取决于管材的许用应力值，规定为3.5~16Mpa。 图11-14c所示为卡套式接头，它利用锥形卡套，插入油管用螺母拧紧的一种形式。这种管接头结构简单、工作可靠、不用焊接、拆装方便。是较为理想的管路连接件。工作压力为16~32Mpa。 图11-14d所示为高压软管接头，它将高压橡胶软管利用曲面和锥面压紧在管接头上。这种管接头装配方便，不需事先扩口或焊接，但油管接头材料要用高精度冷拔钢管。它的最高工作压力可达10Mpa。

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（二）滤油器 保持液压系统的洁净，是液压系统正常工作的必要条件。据统计，液压系统发生的各种故障中由于液压油的污染占75％以上。滤油器的作用是净化工作油液，清除油液中杂质（灰尘、磨屑、油液氧化变质的析出物等），防止油路堵塞和元件磨损，确保系统正常工作。 按滤油器过滤精度（指滤油器对各种不同尺寸杂质颗粒的滤除能力）的不同，通常将滤油器分为粗滤器（能滤除杂质直径≥0.1mm的杂质）、普通滤油器(能滤去直径≥0.01mm的杂质)、精滤器(能滤去直径≥0.005mm的杂质)和特精滤油器(能滤去直径≥0.001mm的杂质)。按滤油器材质和过滤方式的不同，可分为网式、线隙式、烧结式、纸芯式及磁性滤油器等形式。

1．网式滤油器 网式滤油器是在金属或塑料制成的基架上，包着一层或两层铜丝网，通常安装在液压泵的吸油口处，用以过滤进入液压泵油液中的杂质，如图11-15a所示。这种滤油器结构简单，通油能力大，但滤油效果较差，一般作为粗滤器用。 2．线隙式滤油器 如图11-15b所示为线隙式滤油器，滤芯由铜线或铝线绕成，依靠线之间的微小间隙来过滤杂质。该滤油器结构简单，过滤效果好，但不易清洗。这种滤油器主要用于中、低压系统，可安装在泵后其它元件前，用以使泵后的元件的用油清洁。

3．纸芯式滤油器 图11-15c所示为纸芯式滤油器，滤芯由0.35~0.7mm厚的平纹或波纹的酚醛树脂或木浆的微孔滤纸组成。滤纸用骨架支撑，以增大滤芯强度。这种滤油器过滤效果好，但易堵塞，无法清洗，需要经常更换纸芯，可作为油液的精过滤用。 4．烧结式滤油器 图11-15d所示为烧结式滤 油器，它的滤芯用青铜粉末烧 结成一定的形状（如杯状、管 状、碟状等），依靠其颗粒间 的间隙滤油。其特点是过滤精 度高，抗腐蚀，滤心强度大，能在高温下工作，但易堵塞，难于清洗，颗粒易脱落。这种滤油器主要用于过滤质量要求较高的液压系统中。

（三）油箱 油箱在液压系统中的主要功能是储油、散热及分离油液中的空气和沉淀污物。 油箱的容积主要根据散热要求来确定，同时还必须考虑机械在停止工作时系统油液在自重作用下能全部返回油箱。由实践经验得知，一般开式液压系统，其油箱有效容积（液面高度占油箱高度80％时的油箱容积）应为液压泵每分钟流量的3~5倍。通常低系统取为每分钟流量的2~4倍，中高压系统取为每分钟流量的5~7倍。

油箱通常用钢板焊接而成，形状依主机总体布置而定。图11-16所示为油箱的结构简图。图中1为吸油管，4为回油管，中间有两个隔板7和9，下隔板7的作用是阻挡沉淀物进入吸油管，上隔板9的作用是阻挡泡沫进入吸油口，沉淀物可从油阀8放出。加油用滤网2设在回油管一侧的上部，兼起过滤空气的作用。盖3上有通气孔。6是油位指示器。当需要彻底清洗油箱时，可将上盖5打开。

（四）蓄能器 蓄能器是液压系统中的能量储存装置，主要功能是储存系统中的部分压力能，在需要时重新释放，使能量的利用更合理。 蓄能器的种类很多，根据结构不同可分为重力式、弹簧式和充气式三大类。充气式蓄能器是目前应用较广泛的一种。根据蓄能器内油、气两者间隔离件的不同，充气式蓄能器又分为活塞式和气囊式两种。下面仅介绍气囊式蓄能器。

图11-17 为气囊式蓄能器，它主要由充气阀1、壳体3、气囊4和提升阀5组成。气囊用耐油橡胶制成，并与充气阀座压制在一起，固定在壳体3的上部。充气阀仅在蓄能器工作前对其充气用，蓄能器工作后始终关闭。一般气囊的充气压力可为系统油液最低工作压力的60~70％。提升阀5的作用是防止油液全部排出时气囊膨胀出容器之外。 气囊式蓄能器的优点是：气囊惯性小，反应灵敏，容易维护。缺点是：胶囊和壳体制造困难，容量较小。

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