第一章液壓傳動系統(tǒng)

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第一節(jié)流體力學(xué)基本概念

流體力學(xué)基本概念液壓泵液壓缸與液壓馬達(dá)

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液壓輔助元件液壓基本回路

液壓傳動系統(tǒng)

液壓傳動是以液體為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞的。了解液體的基本性質(zhì)，掌握液體在靜止和運動時的主要力學(xué)規(guī)律，有利于更好地理解和掌握液壓傳動原理、液壓元件的結(jié)構(gòu)及性能，正確使用和維護(hù)液壓系統(tǒng)。一、液體的粘性液體在外力作用下流動時，液體內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，這一特性稱為液體的粘性。粘性的大小可以用粘度表示，粘度是液體最重要的特性之一，是選擇液壓油的主要依據(jù)。液體的常用粘度有動力粘度、運動粘度等。

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1.動力粘度動力粘度用μ來表示，法定計量單位為Pa·s（帕·秒）。液體的動力粘度μ越大，流動的液體內(nèi)摩擦阻力也越大。液體的動力粘度μ越小，流動的液體內(nèi)摩擦阻力也越小。

2.運動粘度動力粘度μ與該液體密度ρ的比值稱為運動粘度，即

（１．１）

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運動粘度用ν表示，法定計量單位為m2／s。常用單位有cm2／s（即st，讀作“斯”）和mm2／s（即cst，讀作“厘斯”）。運動粘度是工程實際中經(jīng)常用到的物理量，因為其單位是由長度和時間量綱組成，類似于運動學(xué)的量，故稱為運動粘度。3.粘度與溫度的關(guān)系液壓油的粘度對溫度變化十分敏感，溫度升高，粘度將顯著降低。液壓油的粘度隨溫度變化的性質(zhì)稱為粘溫特性。

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二、壓力的概念1.壓力及其特性壓力p是指液體在單位面積上所受的力。即：壓力的法定計量單位為Pa（即N／m2），常用單位有Mpa（1×106Pa）、Kpa(1×103Pa)。壓力的重要特性：靜止液體內(nèi)任一點處的壓力在各個方向上都相等。

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2.壓力的基本方程如圖1-1a所示，由于液柱處于靜止?fàn)顟B(tài)，相應(yīng)液柱也處于平衡狀態(tài)，于是有pΔΑ＝p０Δ?。裧hΔΑp＝p０＋ρgh

（１．１）圖１－１靜止液壓體內(nèi)壓力分布規(guī)率

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3.壓力的傳遞由壓力基本方程可知，靜止液體內(nèi)任一點處的壓力都包含了液面上的壓力p０。這說明在密封容器內(nèi)，施加于靜止液體上的壓力，能等值地傳遞到液體中的各點，這就是液體壓力傳遞原理(又稱帕斯卡原理)。

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圖1-2為應(yīng)用帕斯卡原理的液壓千斤頂工作原理圖。在兩個相互連通的液壓缸密封腔中充滿油液，小活塞和大活塞的面積分別為A1和A2，在大活塞上放一重物W，小活塞上施加圖１－２帕斯卡原理應(yīng)用

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一平衡重力W的力F時，則小液壓缸中液體的壓力p1為F／A1，大液壓缸中液體的壓力p2為W/A2。由于兩缸互通而構(gòu)成一個密封容器，根據(jù)帕斯卡原理則有pl=p2，相應(yīng)有

(1.2)如果大活塞上沒有負(fù)載，即W＝0，當(dāng)略去活塞重力及其它阻力時，則p必然為零，也就不可能在液體中形成壓力。因此，在液壓傳動中，系統(tǒng)的壓力取決于負(fù)載。

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從式(１．２)可知，當(dāng)兩活塞的面積比A2／A1較大時，在小活塞上施加較小的力，就可以通過大活塞抬起較大重量。液壓千斤頂就是利用這一原理進(jìn)行起重的。如圖1-3是液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟韴D.圖1-3１－油箱２－放油閥３－大缸５－單向閥６－杠桿手柄７－小活塞８－小缸體９－單向閥

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4.壓力的表示方法液體壓力的表示方法有兩種，一種是以絕對真空為基準(zhǔn)表示的絕對壓力；另一種是以大氣壓力為基準(zhǔn)表示的相對壓力。絕大多數(shù)壓力儀表所測得的壓力是相對壓力，所以也稱為表壓力。在液壓與氣壓傳動系統(tǒng)中，絕對壓力和表壓力的關(guān)系為:絕對壓力＝大氣壓力＋表壓力當(dāng)液體中某處絕對壓力低于大氣壓力(即相對壓力為負(fù)值)時，習(xí)慣上稱該處具有真空，絕對壓力小于大氣壓力的那部分?jǐn)?shù)值用普通壓力表無法測量，而要用真空計來測量，所以稱為真空度。它們的關(guān)系為:真空度＝大氣壓力-絕對壓力

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圖１－4絕對壓力、相對壓力和真空度的相互關(guān)系如圖

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5.液體對固體壁面的作用力靜止液體和固體壁面接觸時，固體壁面上各點在某一方向所受液體靜壓作用力的總和，便是液體在該方向?qū)腆w壁面的作用力。當(dāng)固體壁面為平面時，液體對該平面的作用力F等于液體壓力p與該平面面積A的乘積(作用力方向與平面垂直)，即

F=pA(１．３)當(dāng)固體壁面為一曲面時，液體在某一方向(x)上對曲面的作用力Fx等于液體壓力p與曲面在該方向(x)投影面積Ax的乘積，即

Fx=pAx(１．４)

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如圖1-5所示錐閥，與錐面接觸的液體壓力為p，錐面與閥口接觸處的直徑為d，液體在軸線方向?qū)﹀F面的作用力F軸就等于液體壓力p與受壓錐面在軸線方向投影面積πd2／4的乘積，即F軸=pπd2／4。圖１－5液體對錐面的作用力

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三、液體動力學(xué)概念和兩個方程液體動力學(xué)是液體流動時的力學(xué)規(guī)律。1.基本概念將“既無粘性，又不可壓縮”的液體稱為理想液體。由于液體流動時會呈現(xiàn)出粘性，因此在研究流動液體時必須考慮粘性的影響。（1）流量液體在通道中流動時，垂直于液體流動方向的通道截面稱為通流截面。單位時間內(nèi)流過某通流截面的液體體積稱為流量。一般用符號q表示。常用法定計量單位有m3／s、L／min等。

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（2）流速假設(shè)液流在通流截面A上各點的流速均勻分布，且液體以流速v流過通流截面A的流量等于液體流過該截面的流量，即

q=vA式中：A為通流截面的面積。由上式可得出通流截面A上的流速為

v＝q/A(１．５)由式(１．５)可知，當(dāng)液壓缸的有效工作面積A一定時，活塞運動速度ν便取決于輸入液壓缸的流量qv。所以，在液壓傳動中經(jīng)常說這樣一句話：液壓缸的速度由流量來決定。

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2.連續(xù)性方程連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的一種表達(dá)形式。由質(zhì)量守恒定律可知，液體在通道內(nèi)流動時，液體的質(zhì)量既不會增多，也不會減少，因此在單位時間內(nèi)流過通道任一通流截面的液體質(zhì)量一定是相等的。這就是液流的連續(xù)性原理，也稱為液流的質(zhì)量守恒定律。

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設(shè)液體在圖1-6所示的通道內(nèi)流動。任取兩通流截面1-1和2-2，其截面面積分別為Al和A2，并且在兩截面處平均流速分別為v1和v2。根據(jù)液流的連續(xù)性原理可知，在單位時間內(nèi)流經(jīng)截面1-1和2-2的液體質(zhì)量應(yīng)相等，v1A1＝v2A2，即

v1A1＝v2A2

或qv=vA=常數(shù)(1．6)圖1－6液流的連續(xù)性原理流體力學(xué)基本概念液壓泵液壓缸與液壓馬達(dá)

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3.伯努利方程伯努利方程是能量守恒定律在流體力學(xué)中的一種表達(dá)形式。密度為ρ的液體在圖1-7所示通道內(nèi)流動?，F(xiàn)任取兩通流截面1—1和2—2為研究對象，兩截面至水平參考面的距離分別為h1和h2，兩截面處液體的流速分別為v1和v2，壓力分別為pl和p2。根據(jù)能量定恒定律可推導(dǎo)出，液體在通道內(nèi)穩(wěn)定流動時的伯努利方程為或

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圖1－7理想液體伯努方程示意

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式中：p為單位體積液體的壓力能；ρgh

為單位體積液體相對于水平參考面的位能；ρυ2／2為單位體積液體的動能。由式(1．７)可知，在通道內(nèi)作流動的液體具有三種形式的能量，即壓力能、位能和動能。這三種形式的能量在液體流動過程中可以相互轉(zhuǎn)化，但其總和在各個截面處均為定值。實際液體在通道內(nèi)流動時因液體內(nèi)摩擦力作用會造成能量損失；通道局部形狀和尺寸的驟然變化會引起液流擾動，相應(yīng)也會造成能量損失。設(shè)流過兩通流截面的單位體積液體的能量損失為Δpw。則實際液體的伯努利方程為：

(1．8）

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四、液體流動時的壓力損失由于實際液體都具有粘性，所以在流動時必然要損耗一部分能量，這種能量損耗表現(xiàn)為液體的壓力損失。壓力損失可分為兩類，即沿程壓力損失和局部壓力損失。1.沿程壓力損失液體在直徑不變的直通道中流動時因其內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的能量損失，稱為沿程壓力損失。它主要決定于液體流速v、動力粘度μ、通道的長度L和內(nèi)徑d等，其計算公式為

Δpλ＝３２μLv／d２（1．9）由式(1．9)可發(fā)現(xiàn)，液體在直圓通道中流動時，其沿程壓力損失與液體動力粘度、通道長度和液流速度成正比，與通道內(nèi)徑的平方成反比。

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2.局部壓力損失液體流經(jīng)管道的彎頭、大小管的接頭、突變截面、閥口和網(wǎng)孔等局部障礙處時，因液流方向和速度大小發(fā)生突變，流動狀態(tài)極為復(fù)雜，使液體質(zhì)點間相互撞擊而造成的能量損失，稱為局部壓力損失。局部壓力損失Δpξ其計算公式為

Δpξ＝ξρv２／２（1．10）式中：ξ為局部阻力系數(shù)(具體數(shù)值可查有關(guān)手冊)；v為液體流速。局部壓力損失與液體的密度、液體的平均流速的平方成正比。

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3.管路系統(tǒng)的總壓力損失管路系統(tǒng)的總壓力損失應(yīng)為所有沿程壓力損失和局部壓力損失之和，即

ΣΔр＝ΣΔрλ＋ΣΔрξ

（1．11）液壓系統(tǒng)中的壓力損失絕大部分將轉(zhuǎn)換為熱能，造成系統(tǒng)油溫升高、泄漏增大，以致影響系統(tǒng)的工作性能。因此可采取減小流速，縮短管道長度，減少管道截面突變和管道彎曲，提高管道內(nèi)壁加工質(zhì)量及適當(dāng)增大管道內(nèi)徑，合理選用閥類元件等措施，以使管路系統(tǒng)壓力損失減小，保證系統(tǒng)正常工作。

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五、液體流經(jīng)小孔的流量液壓傳動系統(tǒng)中常利用液體流經(jīng)閥的小孔來控制流量和壓力，以達(dá)到調(diào)速和調(diào)壓目的。小孔可分為三種，在工程上常以通道長度和內(nèi)徑之比l／d來劃分：l／d≤0.5時，稱為薄壁孔；l／d＞4時，稱為細(xì)長孔；0.5＜l／d≤4時，稱為短孔(厚壁孔)。

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三種小孔的流量公式，可以綜合地用如下通式來表達(dá)：

q＝KAΔpm

（1．12）式中：K為由節(jié)流孔形狀、尺寸和液體性質(zhì)決定的系數(shù)，A、Δp分別為小孔通流截面面積和兩端壓力差；m為由小孔長徑比決定的指數(shù)（薄壁孔m=0.5，短孔0.5＜m＜l，細(xì)長孔m=1）。第一章液壓傳動系統(tǒng)

第二節(jié)液壓泵

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液壓泵是液壓傳動系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換裝置，它將電動機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體壓力能，是液壓傳動系統(tǒng)的重要組成部分。一、液壓泵的工作原理及參數(shù)1.液壓泵的工作原理

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圖1-8為液壓泵的工作原理圖。柱塞２依靠彈簧３壓在偏心輪１上，偏心輪轉(zhuǎn)動時，柱塞便作往復(fù)運動。圖1－8

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由此可見，任何一種具體結(jié)構(gòu)的液壓泵，都必須滿足以下兩個工作條件：必須有密閉且可以變化的容積；必須有配油裝置。液壓泵的種類很多，工程上常用的液壓泵有齒輪式、葉片式、柱塞式等類型；按泵的排量能否改變，可分為定量泵和變量泵；按泵的輸出油液方向能否改變，可分為單向泵和雙向泵。

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液壓泵的圖形符號見圖1-9，圖1-9a為液壓泵的一般符號，圖1-9b為單向定量泵，圖1-9c為單向變量泵。注意圖形符號只表示元件的職能，而不表示元件的具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)規(guī)格。圖1－9液壓泵的圖形符號圖

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2.液壓泵的性能參數(shù)（1)液壓泵的壓力液壓泵的壓力參數(shù)主要指工作壓力和公稱壓力。（2）液壓泵的排量和流量液壓泵的排量是指按泵的密封腔幾何尺寸變化計算而得的泵每轉(zhuǎn)排出液體的體積。排量用V表示，其單位為ml/r。液壓泵的流量有理論流量、實際流量和公稱流量。液壓泵的理論流量是指按泵的密封腔幾何尺寸變化計算而得的泵在單位時間內(nèi)輸出液體的體積。理論流量用qt表示，它等于泵的排量V與其轉(zhuǎn)速n的乘積。即

qt＝Vn(1．13)

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液壓泵的實際流量是指泵工作時的輸出流量。由于泵存在泄漏，所以其實際流量總是小于理論流量，若泄漏量為q，則有

q=qt-q(1．14)液壓泵的公稱流量是指泵在正常工作條件下，試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定必須保證的輸出流量。（3）液壓泵的功率液壓泵的輸入為機(jī)械能，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；其輸出為壓力能，表現(xiàn)為壓力和流量。當(dāng)用液壓泵輸出的壓力能驅(qū)動液壓缸克服負(fù)載F以速度v運動時(若不考慮能量損失)，則液壓泵和液壓缸的理論功率為

pt=2πnTt=Fv=pAv=pqt=pVn(1．15)

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式中:n為液壓泵的轉(zhuǎn)速；Tt為驅(qū)動液壓泵的理論轉(zhuǎn)矩；p為液壓泵的工作壓力；A為液壓缸的有效工作面積。如果用驅(qū)動液壓泵的實際轉(zhuǎn)矩T代替式(１．15)中理論轉(zhuǎn)矩Tt

，則可得到液壓泵的實際輸入功率pi；用液壓泵的實際流量q代替式(１．15)中理論流量qt可得到液壓泵的實際輸出功率po

。

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（4）液壓泵的效率液壓泵的輸出功率總是小于輸入功率，兩者之差即為功率損失，功率損失又可分為容積損失(泄漏造成的流量損失)和機(jī)械損失(摩擦造成的轉(zhuǎn)矩?fù)p失)。通常容積損失用容積效率ηv來表示，機(jī)械損失用機(jī)械效率ηm來表示。容積效率是指液壓泵的實際流量與理論流量比值，即

（1.16）液壓泵的泄漏量隨壓力升高而增大，相應(yīng)其容積效率也隨壓力升高而降低。機(jī)械效率是指驅(qū)動液壓泵的理論轉(zhuǎn)矩與實際轉(zhuǎn)矩的比值，即

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由式(1．15)可得，Ｔt=pV／2π，代入上式則有(1.17)液壓泵的總效率η為其實際輸出功率和實際輸入功率的比值，即

(1.18)

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二、齒輪泵齒輪泵在液壓系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。按其結(jié)構(gòu)形式，可分為外嚙合式和內(nèi)嚙合式兩種。外嚙合式齒輪泵，由于結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格低廉、工作可靠、維修方便，因此已廣泛應(yīng)用于低壓系統(tǒng)。內(nèi)嚙合齒輪泵齒形復(fù)雜，加工困難，成本較高，工程中較少使用。因此這里主要介紹工程上常用的外嚙合齒輪泵的工作原理和結(jié)構(gòu)。

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圖1-10為齒輪泵的工作原理圖。在泵體內(nèi)有一對外嚙合齒輪(兩齒輪寬度略小于泵體寬度)，齒輪兩端面靠蓋板密封，這樣泵體、蓋板和齒輪的各齒槽就形成多個密封腔，輪齒嚙合線又將左右兩密封腔隔開而形成吸、壓油腔。

圖１－10

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圖1-11為CB－B型齒輪泵的結(jié)構(gòu)圖.該泵用了泵體4與蓋板l、5三片式結(jié)構(gòu)，兩蓋板與泵體用兩個定位銷8和六個螺釘2連接，這種結(jié)構(gòu)便于制造和維修時控制齒輪端面和蓋板間的端面間隙(小流量泵間隙為O.025～0.04mm，大流量泵間隙為0.04～0.06mm)。

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三、葉片泵葉片泵在機(jī)床液壓系統(tǒng)中應(yīng)用較廣。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、瞬時流量脈動微小、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小、使用壽命較長等優(yōu)點，但也存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、吸油性能較差、對油液污染比較敏感等缺點。1．定量葉片泵（l）工作原理圖1-12為定量葉片泵的工作原理圖。定子2與轉(zhuǎn)子l中心重合，定子內(nèi)表面由兩段半徑為R的大圓弧和兩段半徑為r的小圓弧以及它們之間的四段過渡曲線組成。圖１－12

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（2）YB1型葉片泵的結(jié)構(gòu)圖1-13為YB1型葉片泵的結(jié)構(gòu)圖。圖１－13

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有吸、壓油窗口各兩個，如右配油盤的上、下兩缺口b即是吸油窗口，兩個腰形孔a即為壓油窗口。圖１－14配油盤圖

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2.變量葉片泵圖1-15為單作用式葉片泵的工作原理圖。與雙作用式葉片泵不同的是，定子3內(nèi)表面是圓柱形，轉(zhuǎn)子2與定子間有一偏心距e，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，葉片l依靠離心力使其頂部與定子內(nèi)表面接觸，配油盤上開有吸、壓油窗口各一個。

圖1-15

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單作用式葉片泵只要改變其偏心距e的大小，就可改變泵的排量和流量。偏心距可手動調(diào)節(jié)，也可自動調(diào)節(jié)。自動調(diào)節(jié)的變量泵可根據(jù)其工作特性的不同分為限壓式、恒壓式和恒流量式三類，其中以限壓式應(yīng)用較多。這里主要介紹一下限壓式變量葉片泵的工作原理。限壓式變量葉片泵是利用其工作壓力的反饋作用實現(xiàn)變量的，常用的是外反饋式變量葉片泵。

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圖1-16為限壓式變量葉片泵的工作原理

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四、柱塞泵柱塞泵是依靠柱塞在缸體柱塞孔內(nèi)往復(fù)運動，使密封容積產(chǎn)生變化來實現(xiàn)吸、壓油的。由于柱塞與缸體柱塞孔均為圓柱表面，加工方便，配合精度高，因此密封性能好，泄漏小，在高壓狀況下工作仍有較高的容積效率。只要改變柱塞的工作行程就能改變泵的排量，容易實現(xiàn)單向或雙向變量。按柱塞排列方向不同，可分為徑向柱塞泵和軸向柱塞泵兩大類。

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1.徑向柱塞泵的工作原理圖1-17為徑向柱塞泵的工作原理圖。轉(zhuǎn)子3上有按徑向排列沿圓周均勻分布的柱塞孔，柱塞1可在其中滑動。

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徑向柱塞泵的徑向尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自吸能力差，且配油軸受到徑向不平衡液壓力作用易磨損，這些均限制了它的轉(zhuǎn)速和壓力的提高，因此近年來徑向柱塞泵應(yīng)用減少，已逐漸被軸向柱塞泵所代替。2.軸向柱塞泵軸向柱塞泵是指柱塞在缸體內(nèi)軸向排列并沿圓周均勻分布，柱塞的軸線平行于缸體旋轉(zhuǎn)軸線。按其結(jié)構(gòu)特點可分為斜盤式和斜軸式兩類。

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（l）軸向柱塞泵的工作原理現(xiàn)以斜盤式軸向柱塞泵為例說明軸向柱塞泵的工作原理。圖1-18為斜盤式軸向柱塞泵工作原理圖。缸體1上沿圓周均勻分布著幾個軸向柱塞孔，柱塞3可在其中滑動。斜盤4的法線與缸體軸線成角。圖1-18

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（2）軸向柱塞泵的結(jié)構(gòu)特點圖1-19為SCYI4—lB型軸向柱塞泵，它由兩部分組成，即主體部分和變量機(jī)構(gòu)部分。圖1-19

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（l）主體。圖1-19所示，缸體5裝在中間泵體l和前泵體7內(nèi)，由傳動軸8通過花鍵帶動旋轉(zhuǎn)。（2）變量機(jī)構(gòu)。軸向柱塞泵的最大優(yōu)點是只要改變傾斜盤的傾角就能改變其排量。若轉(zhuǎn)動手輪18，使絲杠17轉(zhuǎn)動，因?qū)蜴I的作用，變量活塞16便上下移動，軸銷13則使支承在變量殼體上的傾斜盤繞鋼球的中心轉(zhuǎn)動，而改變傾斜盤的傾角，相應(yīng)也就改變了泵的排量。軸向柱塞泵除了有手動變量外，還有手動伺服變量、壓力補(bǔ)償變量、電動變量、恒壓變量、零位對中式變量等。第一章液壓傳動系統(tǒng)

第三節(jié)液壓缸與液壓馬達(dá)

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液壓缸和液壓馬達(dá)是將液體壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件。液壓缸一般用于實現(xiàn)直線往復(fù)運動或擺動，液壓馬達(dá)用于實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。一、液壓缸按結(jié)構(gòu)特點不同，液壓缸可分為活塞式、柱塞式、擺動式和伸縮套筒式四類。１.活塞式液壓缸

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活塞式液壓缸有雙活塞桿式和單活塞桿式兩種，其圖形符號如圖1-20所示，圖1-20a為雙活塞桿缸，圖1-20b單活塞桿缸。圖1-20

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（1）雙活塞桿缸雙活塞桿缸的兩端都有活塞桿伸出，如圖1-21所示。缸體6通過其端蓋8固定在床身上，活塞桿7用螺母10與工作臺支架9連接。圖1-21

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雙活塞桿缸的固定方式有缸體固定和活塞桿固定兩種。圖1-22a為缸體固定式結(jié)構(gòu)，它的進(jìn)回油口設(shè)置在缸筒兩端，其運動范圍約為液壓缸有效行程的3倍，占地面積較大，一般用于中小型液壓設(shè)備。圖1-22b為活塞桿固定式結(jié)構(gòu)，進(jìn)回油管采用軟管時，進(jìn)回油口可設(shè)置在缸筒兩端；而采用硬管時，進(jìn)回油口則設(shè)置在空心活塞桿兩端；其運動范圍約為液壓缸有效行程的2倍，占地面積較小，常用于行程長的大中型液壓設(shè)備。

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圖１－22雙活塞桿缸運動范圍

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雙活塞桿缸的活塞運動速度和推力F可按下式計算

(1.19)

(1.20)式中：q為供給液壓缸的流量；A為液壓缸有效工作面積；p為液壓缸進(jìn)油腔的工作壓力；D、d分別為液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑。

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（2）單活塞桿缸單活塞桿缸僅一端有活塞稈，如圖1-23所示(外圓磨床砂輪架快速進(jìn)、退缸)?；钊麠Ul的左端和砂輪架快速進(jìn)、退絲杠連接，缸體4固定在床身上。圖１－23

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單活塞桿缸，不論是缸體固定，還是活塞桿固定，其運動范圍均為液壓缸有效行程的兩倍左右。單活塞桿缸的運動速度和推力計算分為無桿腔進(jìn)油、有桿腔進(jìn)油和差動連接等三種情況。無桿腔進(jìn)油(見圖1-24a)時，活塞運動速度和推力分別為

(1.21)

(1.22)

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有桿腔進(jìn)油(見圖1-24b)時，活塞運動速度和推力分別為

(1.23)(1.24)式中：q為供給液壓缸的流量；p為液壓缸進(jìn)油腔的工作壓力；Ｄ、ｄ分別為液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑；A１、A2分別為液壓缸無桿腔和有桿腔的有效工作面積；v１、v2分別為液壓缸無桿腔進(jìn)油和有桿腔進(jìn)油時活塞(或缸體)的運動速度；F１、F２分別為液壓缸無桿腔進(jìn)油和有桿腔進(jìn)油時活塞(或缸體)的推力。

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式中：q為供給液壓缸的流量；p為液壓缸進(jìn)油腔的工作壓力；Ｄ、ｄ分別為液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑；A１、A2分別為液壓缸無桿腔和有桿腔的有效工作面積；v１、v2分別為液壓缸無桿腔進(jìn)油和有桿腔進(jìn)油時活塞(或缸體)的運動速度；F１、F２分別為液壓缸無桿腔進(jìn)油和有桿腔進(jìn)油時活塞(或缸體)的推力。圖1-24ｃ為單活塞桿缸無桿腔和有桿腔同時通壓力油的情況，這種連接方式稱為差動連接。這時，液壓缸左右兩腔的壓力相等而有效工作面積不相等，推力等于活塞兩端的推力差F3＝(F1—F2)，結(jié)果活塞以運動速度為υ３向右運動。

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圖１－24單活塞桿缸算計簡圖

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設(shè)差動連接時，供給液壓缸的流量為q，輸入無桿腔的流量為q1，有桿腔的排出流量為q2，則q1=q+q2q=q1-q2=A1v3-A2v3=(A1-A2)v3=A3v3

(1.25)差動連接時推力為

(1.26)式中：υ３為差動連接時活塞(或缸體)的運動速度；Ａ３為差動連接時液壓缸的有效工作面積，即活塞桿的截面積。

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2.柱塞式液壓缸活塞式液壓缸的內(nèi)表面加工精度要求較高，若缸體較長時，加工則較困難。柱塞式液壓缸的缸體內(nèi)壁和柱塞不接觸，缸體內(nèi)壁可不加工或僅作粗加工，只對柱塞及其支承部分進(jìn)行精加工。桂塞式液壓缸結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，適用于行程較長的導(dǎo)軌磨床、龍門刨床和液壓機(jī)等設(shè)備。

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圖1-25為柱塞式液壓缸結(jié)構(gòu)簡圖。它由缸體l、柱塞2、導(dǎo)套3、卡圈4等零件組成。壓力油從左端油口進(jìn)人缸內(nèi)，推動柱塞向右運動。圖１－25

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3.擺動式液壓缸擺動式液壓缸是輸出轉(zhuǎn)矩并實現(xiàn)往復(fù)擺動的液壓缸(又稱擺動液壓馬達(dá))，有單葉片和雙葉片兩種形式。圖1-26為單葉片擺動式液壓缸的工作原理圖。擺動軸2上裝有葉片l，葉片和封油隔板3將缸體內(nèi)空間分成兩腔。當(dāng)缸的一個油口通壓力油，而另一個油口通回油時，葉片產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩帶動擺動軸擺動。圖１－26

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單葉片擺動式液壓缸的擺動軸輸出轉(zhuǎn)矩和角速度分別為

(1.27)

(1.28)式中：b為葉片寬度；D、d分別為擺動缸內(nèi)徑和擺動軸直徑；p1、p２分別為擺動缸進(jìn)、回油壓力；q為輸入流量。擺動式液壓缸主要特點是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，能輸出的轉(zhuǎn)矩大，但密封困難，一般常用于機(jī)械手、轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)及機(jī)床回轉(zhuǎn)夾具中。

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4.伸縮套筒式液壓缸圖1-27為多級伸縮套筒式液壓缸。它由端蓋l、缸體2、壓板3、套筒活塞4、活塞5、活塞桿6、端蓋7和8等組成。圖1-27

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二、液壓馬達(dá)從原理上來說，液壓馬達(dá)和液壓泵是可逆的，有一種液壓泵就對應(yīng)有一種液壓馬達(dá)，但由于它們的任務(wù)和要求不同，故在結(jié)構(gòu)上略有差別。

圖1-28液壓馬達(dá)的圖形符號a為液壓馬達(dá)一般符號，b為單向定量馬達(dá)，c為雙向定量馬達(dá)，d為單向定量馬達(dá)，e所示為雙向變量馬達(dá)。

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1.葉片式液壓馬達(dá)的工作原理圖1-29為葉片式液壓馬達(dá)的工作原理圖。圖示狀態(tài)下通入壓力油后。圖1-29

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應(yīng)當(dāng)指出，為保證通入壓力油后，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)子能立即旋轉(zhuǎn)起來，必須在壓葉片底部設(shè)置預(yù)緊彈簧，并將壓力油通入葉片底部，使葉片緊貼定子內(nèi)表面，以保證良好的密封。葉片式液壓馬達(dá)體積小，動作靈敏，但泄漏較大，低速不穩(wěn)定。因此葉片式液壓馬達(dá)一般用于高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩、頻繁換向和要求動作靈敏的場合。２.軸向柱塞式液壓馬達(dá)

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圖1-30為軸向柱塞式液壓馬達(dá)的工作原理圖。當(dāng)壓力油通入液壓馬達(dá)時，處于壓油腔的柱塞被頂出壓在斜盤上。圖1-30第一章液壓傳動系統(tǒng)

第四節(jié)液壓控制元件

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液壓控制閥是液壓系統(tǒng)的控制元件，其作用是控制和調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)液流方向、壓力和流量，以滿足執(zhí)行元件的啟動、停止、運動方向、運動速度、動作順序和克服負(fù)載力等要求。一般根據(jù)用途和工作特點不同，將液壓控制閥分為三大類：方向控制閥，例如單向閥、換向閥等；這三類閥還可以根據(jù)需要相互組合成為組合閥，如單向節(jié)流閥、單向順序閥和單向行程閥等，使幾個閥同體，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。液壓控制閥在購買和安裝時，要考慮它的連接方式。按安裝連接方式可分為管式閥和板式閥兩種。

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管式閥的油口用螺紋管接頭與管道及其它元件連接，閥由此固定在管路上；板式閥的油口沒有螺紋，其各油口均布置在同一安裝平面上，可用螺釘固定在與閥有對應(yīng)油口的連接板上，再用管接頭與管道及其它元件連接，或?qū)讉€板式閥用螺釘固定在一個集成塊的不同側(cè)面上，通過集成塊內(nèi)部孔道溝通各閥。由于板式閥裝拆方便，故應(yīng)用較廣泛。一、方向控制閥方向控制閥功能是控制液壓系統(tǒng)液流方向或油路通、斷，它分為單向閥和換向閥兩類。1.單向閥

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(l)普通單向閥普通單向閥的作用是控制油液只能按一個方向流動，而不能反向流動。圖1-31為單向閥的結(jié)構(gòu)和圖符號。a為管式單向閥，b為板式單向閥c為單向閥的圖形符號。圖1-31

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（2）液控單向閥圖1-32a為液控單向閥。它由單向閥和液控裝置兩部分組成。圖1-32

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2.換向閥換向閥是利用閥芯和閥體孔間相對位置的改變，來控制液流方向或油路通、斷，而實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行控制的控制閥。圖1-33為換向閥的工作原理圖。圖示狀態(tài)下，液壓缸不通壓力油，活塞處于停止?fàn)顟B(tài)。圖1-33

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換向閥種類很多，按閥芯在閥體孔內(nèi)的工作位置數(shù)和換向閥所控制的油口通路數(shù)可分為二位二通、二位三通、二位四通、二位五通、三位四通和三位五通等類型；按換向閥的控制方式可分為手動、機(jī)動、電動、液動和電液動等類型；按閥芯運動方式可分為滑閥、轉(zhuǎn)閥等類型。表1-1列出了幾種常用滑閥式換向閥的結(jié)構(gòu)原理和圖形符號。在液壓原理圖中，一般按換向閥圖形符號的常態(tài)位置繪制。

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由表1-1可知，二位二通閥相當(dāng)于一個開關(guān)，用于控制油口Ｐ、Ａ的通斷；二位三通閥有三個油口，一個位置上Ｐ與Ａ相通，另一個位置上Ａ與Ｔ相通，用于油路切換；二位四通、三位四通、二位五通和三位五通閥用于控制執(zhí)行元件換向。當(dāng)三位換向閥的閥芯處于中間位置時，其各油口間有各種不同的連通方式，這種連通方式稱為滑閥中位機(jī)能。表1-2為三位四通換向閥常用的幾種滑閥中位機(jī)能。（1）機(jī)動換向閥機(jī)動換向閥也稱行程閥，它是利用安裝在工作臺上的行程擋塊壓下頂桿或滾輪使閥芯移動來控制液流方向和油路通、斷的。機(jī)動換向閥常為二位閥，它有二通、三通、四通等幾種，二位二通閥又有常開(常態(tài)位置兩油口相通)和常閉(常態(tài)位置兩油口不相通)兩種形式。

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表1-1換向閥的結(jié)構(gòu)原理和圖形符號將

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表1-2為三位四通換向閥中位滑閥機(jī)能

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圖1-34a為二位二通常閉式機(jī)動換向閥。在圖示狀態(tài)(常態(tài))下，閥芯3被彈簧4壓向上端，油口P和A不通(常閉)。當(dāng)擋塊壓下滾輪l經(jīng)推桿2使閥芯移至下端時，油口P和A相通。改變擋塊斜面的傾角α可使閥芯獲得合適的移動速度，從而減小液壓沖擊，使油路換接平穩(wěn)。圖1-34b為其圖形符號。圖1-34

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（2）電磁換向閥電磁換向閥是利用電磁力使閥芯的位置改變來控制液流方向和油路通、斷。采用電磁換向閥，便于與電氣控制結(jié)合而提高液壓系統(tǒng)的自動化程度，因而應(yīng)用十分廣泛。按使用電源不同，有交流(D型)和直流(E型)兩種電磁換向閥。交流電磁換向閥的電源電壓為220V，直流電磁換向閥電源電壓為24V。圖1-35a為34E－25B型電磁換向閥。其型號中“3”表示換向閥位置數(shù)，“4”表示油口通路數(shù)，“E”表示直流電源，“25”表示公稱流量為25L/min，“B”表示板式。

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圖1-35a為34E－25B型電磁換向閥

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如果上述電磁換向閥沒有縱向孔e，而在沉割槽b處直接開有通人油箱的回油口，就變成三位五通電磁換向閥，圖1-35b、c分別為三位四通和三位五通電磁換向閥的圖形符號。（3）電液換向閥由于電磁力較小，因此電磁換向閥難于控制較大流量的液流，這時常采用由液體的壓力來控制閥芯位置的液動換向閥。

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圖1-36a為34EY型電液換向閥。圖1-36b、c為電液換向閥的詳細(xì)符號和簡化符號。圖1-36

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（4）手動換向閥手動換向閥是利用手動杠桿改變閥芯位置來控制液流方向和油路通、斷的。手動換向閥有自動復(fù)位式和彈簧鋼球定位式兩種。圖1-37a為自動復(fù)位式，扳動手柄1時閥芯2移動，即可實現(xiàn)換向；松開手柄時閥芯在對中彈簧3作用下自動復(fù)位(處于中位)。圖1－37b為彈簧鋼球定位式，閥芯右端有定位鋼球和小彈簧，利用鋼球嵌入凹槽而起定位作用。扳動手柄時閥芯移動，松開手柄時閥芯能通過彈簧鋼球定位而保持其位置。圖1-37c.d為兩種換向閥的圖形符號。

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圖1-37手動換向閥

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二、壓力控制閥控制油液壓力高低或利用壓力變化實現(xiàn)某種動作的控制閥通稱為壓力控制閥。它們的共同工作原理是利用閥芯上的液壓力和彈簧力保持平衡來進(jìn)行工作。常用的有控制壓力的溢流閥、減壓閥和壓力控制的順序閥、壓力繼電器等。1.溢流閥溢流閥的用途有多種，其主要用途是在溢流的同時使系統(tǒng)壓力得到調(diào)整并保持基本恒定。（l）溢流閥的工作原理

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圖1-38為溢流閥的工作原理圖。壓力為p的油液經(jīng)進(jìn)油口Ｐ進(jìn)入溢流閥的同時也經(jīng)組尼孔a進(jìn)入其閥芯l的下端，若閥芯下端的有效工作面積為Ａ，則作用于閥芯下端的液壓力為pＡ，調(diào)壓彈簧2作用于閥芯上端的彈簧力為Fs＝kχ0。

圖1-38

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可列出閥芯受力平衡方程將上式整理可得（1.36）因此系統(tǒng)壓力在溢流閥的控制作用下能保持基本恒定(h<<χo，h可忽略不計，p=kχ0／A)。調(diào)節(jié)調(diào)壓彈簧的預(yù)壓縮量X0就可調(diào)節(jié)溢流閥進(jìn)油口處壓力。

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（2）溢流閥的結(jié)構(gòu)溢流閥按其結(jié)構(gòu)原理可分為直動型和先導(dǎo)型兩種。

l）直動型溢流閥。圖1-39a為P型直動型溢流閥。圖1-39

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2)先導(dǎo)型溢流閥。圖1-40a為Ｙ型先導(dǎo)型溢流閥

圖1-40

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在先導(dǎo)型溢流閥中，先導(dǎo)閥用于調(diào)節(jié)壓力，主閥用于控制溢流閥口的啟閉而穩(wěn)定壓力。圖1－40b所示為先導(dǎo)型溢流閥的圖形符號。（3）溢流閥的應(yīng)用

l)起溢流調(diào)壓作用。

2)起安全保護(hù)作用。

3)起卸荷作用。

4)起背壓閥作用。

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如圖1-41所示溢流閥的應(yīng)用

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2.順序閥順序閥可利用系統(tǒng)壓力變化來控制其閥口啟閉，從而實現(xiàn)對各執(zhí)行元件動作順序的控制。順序閥和溢流閥一樣，也有直動型和先導(dǎo)型兩種結(jié)構(gòu)。當(dāng)順序閥是利用外來的控制油液控制閥口啟閉時，就稱為液控順序閥。圖1-42a為直動型順序閥，圖1-42b為先導(dǎo)型順序閥。順序閥的工作原理和溢流閥相似，其主要區(qū)別在于，溢流閥的出油口接油箱，而順序閥的出油口接執(zhí)行元件，即順序閥的進(jìn)、出油口均通壓力油，因此它的泄油口要單獨接油箱。

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圖1-42順序閥

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圖1-43是一個定位夾緊油路，要求先定位后夾緊。當(dāng)換向閥左位接入油路時，壓力油首先進(jìn)入定位缸下腔，完成定位動作碰到死擋鐵以后，系統(tǒng)壓力升高，達(dá)到順序閥調(diào)定壓力時，順序閥打開，壓力油才能經(jīng)順序閥進(jìn)入夾緊缸下腔，實現(xiàn)液壓夾緊。圖1-43

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３.減壓閥減壓閥主要用來使液壓系統(tǒng)某一支路獲得較系統(tǒng)壓力低的穩(wěn)定壓力。按工作原理，減壓閥也有直動型和先導(dǎo)型之分，一般多采用先導(dǎo)型減壓閥。二、壓力控制閥控制油液壓力高低或利用壓力變化實現(xiàn)某種動作的控制閥通稱為壓力控制閥。它們的共同工作原理是利用閥芯上的液壓力和彈簧力保持平衡來進(jìn)行工作。常用的有控制壓力的溢流閥、減壓閥和壓力控制的順序閥、壓力繼電器等。1.溢流閥溢流閥的用途有多種，其主要用途是在溢流的同時使系統(tǒng)壓力得到調(diào)整并保持基本恒定。（l）溢流閥的工作原理

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圖1-44a為J型先導(dǎo)型減壓閥。它在結(jié)構(gòu)上和Y型先導(dǎo)型溢流閥類似，也由先導(dǎo)閥和主閥兩部分組成。b為直動型減壓閥的圖形符號，也是減壓閥的一般符號，c為先導(dǎo)型減壓閥的圖形符號。圖1-44

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減壓閥是調(diào)整并穩(wěn)定其出口壓力的，而溢流閥是調(diào)整并穩(wěn)定其進(jìn)口壓力的。減壓閥在夾緊系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)中應(yīng)用最多。圖1-45是減壓閥用于夾緊油路的原理圖。

圖1-45

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4.壓力繼電器壓力繼電器是將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕囊弘娦盘栟D(zhuǎn)換元件，它利用液壓系統(tǒng)壓力的變化來控制電路的通、斷，以實現(xiàn)自動控制或安全保護(hù)等。壓力繼電器種類很多，圖1-46a為常用的DP-63型壓力繼電器?？刂朴涂冢私拥叫枰毫π盘柕挠吐飞稀?/p>

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圖1-46DP-63型壓力繼電器

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三、流量控制閥流量控制閥可通過改變閥口通流面積來調(diào)節(jié)其流量，以控制液壓缸和液壓馬達(dá)的運動速度。流量控制閥主要有節(jié)流閥、調(diào)速閥。

1.節(jié)流閥

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圖1-47a為L型節(jié)流閥(板式).這種節(jié)流閥的節(jié)流孔口是軸向三角槽式，壓力油從進(jìn)油口P1進(jìn)入經(jīng)孔b、閥芯1左端軸向三角槽、孔ａ和出油口Ｐ２流出。旋轉(zhuǎn)手柄３，利用推桿２使閥芯作軸向移動，便可改變節(jié)流孔口通流面積。圖1-47

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2.調(diào)速閥由于節(jié)流閥前后壓力差隨負(fù)載變化而變化，會引起通過節(jié)流閥的流量變化，使執(zhí)行元件的運動速度不穩(wěn)定。在速度穩(wěn)定性要求較高時，不宜采用節(jié)流閥，常采用調(diào)速閥。調(diào)速閥是在節(jié)流閥的基礎(chǔ)上，由定差減壓閥和節(jié)流閥串聯(lián)而成。，定差減壓閥能自動保持節(jié)流閥前后壓力差不變，相應(yīng)節(jié)流閥前后壓力差不受負(fù)載影響，從而通過節(jié)流閥的流量也基本為定值。

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圖1-48a為調(diào)速閥的工作原理圖.壓力為p1的油液經(jīng)定差減壓閥閥口后壓力降為p２，再進(jìn)入節(jié)流閥、定差減壓閥閥芯小端和大端左腔，通過節(jié)流閥后壓力為p3的油液又通定差減壓閥閥芯大端右腔。閥芯左端總的有效工作面積和右端有效工作面積相等。若略去閥芯所受摩擦力、重力和液動力，則閥芯受力平衡方程為

（１．37）

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圖1-48調(diào)速閥的工作原理圖

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圖1-49表示通過節(jié)流閥和調(diào)速閥的流量q與閥進(jìn)、出油口壓力差ΔP的關(guān)系。圖1-49

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四、其它液壓控制閥電液比例控制閥、電液數(shù)字控制閥等是近年來發(fā)展的新型液壓控制元件。

1.電液比例控制閥(簡稱比例閥)普通液壓控制閥的特點是手動調(diào)節(jié)和開關(guān)式控制。開關(guān)式控制閥的輸出參數(shù)在閥處于工作狀態(tài)下是不可調(diào)節(jié)的。比例閥是以比例電磁鐵(比例電磁鐵的吸力與通過其線圈的直流電流成正比)取代普通液壓閥的手調(diào)裝置(或普通電磁鐵)。

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（1）比例溢流閥用比例電磁鐵取代先導(dǎo)型溢流閥的手動調(diào)節(jié)裝置，便構(gòu)成比例溢流閥，圖1-50a、b為比例溢流閥的結(jié)構(gòu)和圖形符號。圖1-50

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（2）比例調(diào)速閥用比例電磁鐵取代調(diào)速閥中的手動調(diào)節(jié)裝置。便構(gòu)成比例調(diào)速閥，圖1-51a、b為比例調(diào)速閥的原理圖和圖形符號。圖1-51

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2.電液數(shù)字控制閥用數(shù)字信號直接控制的液壓閥，稱為電液數(shù)字控制閥，簡稱數(shù)字閥。由于計算機(jī)技術(shù)日益得到廣泛應(yīng)用，用計算機(jī)對電液系統(tǒng)進(jìn)行控制是今后液壓技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。數(shù)字閥可直接與計算機(jī)接口，不需要Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器。與伺服閥、比例閥相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，價格低廉，抗污染能力強(qiáng)，重復(fù)性好，工作穩(wěn)定可靠，功耗小等優(yōu)點。

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圖1-52為增量式數(shù)字流量控制閥。計算機(jī)發(fā)出電信號后，步進(jìn)電機(jī)l轉(zhuǎn)動，通過滾珠絲杠2轉(zhuǎn)化為軸向位移，帶動節(jié)流閥閥芯3移動。圖1-52第一章液壓傳動系統(tǒng)

第五節(jié)液壓輔助元件

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液壓輔助元件包括油管、管接頭、過濾器、蓄能器、壓力計及壓力計開關(guān)、油箱等。除油箱通常需要自行設(shè)計外，其余均為標(biāo)準(zhǔn)件。輔助元件對系統(tǒng)工作穩(wěn)定性、效率和壽命等有重要關(guān)系。一、過濾器過濾器是過濾油液中的各種雜質(zhì)，以免它們進(jìn)入液壓傳動系統(tǒng)和精密液壓元件內(nèi)，影響系統(tǒng)的正常工作或造成故障。

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不同液壓系統(tǒng)對油液的過濾精度要求不同，過濾器的過濾精度系指其對各種不同尺寸粒子的濾除能力。絕對過濾精度是指能通過濾芯的最大堅硬球形粒子的尺寸。我國目前按絕對過濾精度將過濾器分為粗(d≥100m)、普通(d1O～10Om)、精(d5～10m)和特精(dl～5m)四個等級。按濾芯的材料和結(jié)構(gòu)形式不同，可分為網(wǎng)式、線隙式、燒結(jié)式、紙芯式及磁性過濾器等。

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1.網(wǎng)式過濾器圖1-53為網(wǎng)式過濾器。它由上蓋l、下蓋4、銅絲網(wǎng)2以及開有若干大孔的筒形骨架3組成。它結(jié)構(gòu)簡單，通油能力大，壓力損失小，但過濾精度低(一般為80～18Om)，用于吸油管路對油液進(jìn)行粗過濾。圖1-53

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2.線隙式過濾器圖1-54為線隙式過濾器。它由發(fā)信號裝置l、端蓋2、殼體3、筒形骨架4和銅線5等組成。圖1-54

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3.燒結(jié)式過濾器圖1-55為燒結(jié)式過濾器。它的濾芯一般由金屬粉末壓制后燒結(jié)而成，靠其顆粒間的孔隙過濾油液。

圖1-55

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