上篇　液压元件选型

第1章　液压元件及系统概论

1.1　液压系统的组成与表示

1.1.1　液压系统的组成及功用

液压系统通常都是由液压元件（包括能源元件、执行元件、控制调节元件、辅助元件）和工作介质等两大部分所组成，各部分的功用见表1-1。各类液压元件的型号、规格、特性、安装连接尺寸等可从液压工程手册中查得，也可从液压元件生产厂商（公司）处索取的产品样本中获得。

一般来讲，能够实现某种功能的液压元件的组合，称为液压回路（按功能不同，有压力控制、速度控制、方向控制和多缸动作等多种回路）。为了实现对某一液压机械的工作要求，将若干特定的液压回路按一定方式连接或复合而成的总体称为液压系统。

1.1.2　液压系统的表示——图形符号

液压系统的组成、工作原理、功能、工作循环及控制方式等，通常利用标准图形符号绘制成的液压系统原理图进行表示。图形符号仅表示组成系统的各液压元件的功能、操作（控制）方法及外部连接口，并不表示液压元件的具体结构、性能参数、连接口的实际位置及元件的安装位置。因此，用来表达系统中各类元件的作用和整个系统的组成、油路联系和工作原理，简单明了，便于绘制和技术交流。利用专门开发的计算机图形符号库软件，还可大大提高液压系统原理图的设计、绘制效率及质量。

我国现行的液压图形符号标准是GB/T 786.1—2009《流体传动系统及元件图形符号和回路图　第1部分：用于常规用途和数据处理的图形符号》。该标准建立了各种符号的基本要素（包括线、连接和管接头、流路和方向指示、机械基本要素、控制机构要素、调节要素等），并制定了液压气动元件（液压部分包括阀、泵和马达、缸、附件；气动部分包括阀、空压机和马达、缸、附件）和回路图表中符号的设计应用规则（含常规符号、阀、二通盖板式插装阀、泵和马达、缸、附件），以资料性附录形式对CAD符号进行了介绍。

图1-1即为采用图形符号绘制的液压系统原理图示例，其主要液压元件图形符号意义介绍如下。

①液压泵图形符号　由一个圆加上一个实心正三角形或两个实心正三角形来表示，正三角形箭头向外，表示压力油液的方向。一个实心正三角形的表示单向泵，两个实心正三角的表示双向泵。圆上、下两垂直线段分别表示排油和吸油管路（油口）。图中无箭头的为定量泵，有箭头的为变量泵。圆侧面的双线和弧线箭头分别表示泵传动轴和旋转运动。例如图1-1中元件3和12为单向定量液压泵，元件14为双向变量液压泵。

②液压马达图形符号　由一个圆加上一个实心正三角形或两个实心正三角形来表示，三角形箭头向内，表示压力油液的方向。一个实心三角形的表示单向马达，两个实心三角形的表示双向马达。圆上、下两垂直线段分别表示进油和排油管路（油口）。图中无箭头的为定量马达，有箭头的为变量马达。圆侧面的双横线和弧线箭头分别表示马达传动轴和旋转运动。例如图1-1中的元件21为双向变量液压马达。

③液压缸图形符号　用一个长方形加上内部的两个相互垂直的双直线段表示，双垂直线段表示活塞，活塞一侧带双水平线段表示为单活塞杆缸，活塞两侧带双水平线段表示为双活塞杆缸。图中有小长方形和箭头的表示缸带可调缓冲器，无小长方形则表示缸不带缓冲器。例如图1-1中的元件9为带可调缓冲器的活塞式单杆液压缸。

④油箱图形符号　用半矩形表示。例如图1-1中的元件1和10为油箱。

⑤过滤器图形符号　用等边菱形加上内部的虚线表示。例如图1-1中的元件2和11为过滤器。

⑥换向阀图形符号　为改变油液的流动方向，换向阀的阀芯位置要变换，它一般可变动2～3个位置，而且阀体上的通路数也不同。根据阀芯可变动的位置数和阀体上的通路数，可组成※位※通阀。其图形意义如下。

a.方格表示换向阀的工作位置，有几个方格即表示几位阀。

b.方格内的箭头符号“↑”或“↓”表示油流的连通情况（有时与油液流动方向一致），短垂线“”表示油液被阀芯封闭，这些符号在一个方格内与方格的交点数即表示阀的通路数。

c.方格外的符号为操纵阀的操纵符号，操纵形式有手动、机动、电磁、液动和电液动等，见表1-2。例如图1-1中的元件8为二位四通电磁换向阀；元件19为梭阀式三位三通液动换向阀。

⑦压力阀图形符号　方格相当于阀芯，方格中的箭头表示油流的通道，两侧的直线代表进、出油管。图中的虚线表示控制油路，弹簧及箭头表示该压力阀通过调节弹簧的预压缩量（预紧力）来实现压力调节，而压力阀正是利用控制油路的液压力与另一侧调节弹簧力相平衡的原理进行工作的。例如图1-1中的元件6、13、17、18、20均为溢流阀。

⑧节流阀图形符号　两圆弧所形成的缝隙即节流孔道，油液通过节流孔使流量减少，图中的箭头表示节流孔的大小可以改变，亦即通过该阀的流量是可以调节的。例如图1-1中的元件7为节流阀。

⑨单向阀图形符号　用一小圆和其下方与其相切的两短倾斜线段表示，圆下方和上方的垂线分别表示阀的进油和排油管路。例如图1-1中的元件15和16为单向阀。

⑩压力表图形符号　压力表用一个中圆表示，圆内部的斜箭头表示表头指针。例如图1-1中的元件5为压力表。

1.1.3　液压系统原理图的绘制和识读

（1）绘制液压系统原理图的注意事项

采用图形符号标准绘制液压系统图时一般有以下注意事项。

①元件图形符号的大小可根据图纸幅面大小按适当比例增大或缩小绘制，以清晰美观为原则。

②元件和回路图一般以未受激励的非工作状态（例如电磁换向阀应为断电后的工作位置）画出。

③在不改变标准定义的初始状态含义的前提下，元件的方向可视具体情况水平翻转或90°旋转进行绘制，但液压油箱必须水平绘制且开口向上。

（2）识读液压系统原理图的要求及方法步骤

①识读意义及要求　正确、迅速地分析和阅读液压系统原理图，对于液压系统的设计、研究、使用、维修、调整和故障排除均具有重要的指导作用。但是，要能正确而又迅速地阅读液压系统原理图，首先必须掌握各类液压元件及各种基本回路的构造、原理、特点与综合应用，了解液压系统的控制方式、图形符号及其相关标准。其次，结合实际液压设备及其系统原理图，尽可能多地识读和练习，积累分析经验和技巧，掌握各种典型液压系统的特点，这对于今后识读新的液压系统原理图，可起到举一反三、触类旁通和熟能生巧的作用。

②识读方法步骤　识读液压系统原理图的一般方法步骤如下。

a.全面了解液压机械（主机）的功能、结构、工作循环及对液压系统的主要要求。例如组合机床动力滑台液压系统原理图，它是以速度转换为主的液压系统，除了能实现滑台的快进→工进→快退的基本工作循环外，还要特别注意速度转换的平稳性等指标，同时要了解控制信号的转换以及电磁铁动作表等。再如压力机液压系统原理图，它是以压力变换和控制为主的液压系统，除了能实现滑块的等待→快速前进→减速及慢速加压→保压及泄压→快速退回等基本循环外，要特别注意保压的可靠性及泄压方式是否会引起振动和噪声，还要了解滑块与顶出机构的互锁关系等。

b.查阅组成液压系统原理图中的所有元件及其连接关系，分析它们的作用及其组成回路的功能。对一些用半结构图表示的专用元件（如磨床液压系统中机-液换向阀组成的液压操纵箱），要特别注意其结构及工作原理，要读懂各种控制装置及变量机构。

c.分析液压系统工作原理，仔细分析并写出各执行元件的动作循环和各工况下系统的油液流动路线。为便于阅读，最好先将液压系统中的各条油路分别进行编码，然后按执行元件划分读图单元，每个读图单元先看动作循环，再看控制回路、主油路。要特别注意系统从一种工作状态转换到另一种工作状态时的信号元件，以及使哪些控制元件动作并实现。

d.分析归纳出液压系统的特点。在读懂原理图基础上，还应进一步对系统做一些分析，以便评价液压系统的优缺点，使所使用或设计的液压系统不断完善，分析归纳时应考虑以下几个方面。

ⅰ.液压基本功能回路是否符合主机的动作及性能要求。

ⅱ.各主油路之间，主油路与控制油路之间有无矛盾和干涉现象。

ⅲ.液压元件的代用、变换与合并是否合理、可行、经济。

ⅳ.液压系统性能的改进方向。

（3）识读液压系统原理图时的注意事项

①应对液压泵、执行元件、液压控制阀及液压辅助元件等元件的结构原理有所了解或较为熟悉。

②可借助主机动作循环图和动作循环表或用文字叙述其油液流动路线。

③分清主油路和控制油路。主油路的进油路起始点为液压泵压油口，终点为执行元件的进油口；主油路的回油路起始点为执行元件的回油口，终点为油箱（开式循环油路）或执行元件的进油口（液压缸差动回路）或液压泵吸油口（闭式循环油路）。控制油路也应弄清来源（如主泵还是控制泵）与控制对象（如液控单向阀、换向阀和电液动换向阀等）。

④对于由插装阀组成的液压系统，应在逐一查明插件间的连接关系及相关联的先导控制阀组合成何种阀（方向阀、压力阀还是流量阀）的基础上，再对各工况下的油液流动路线逐一进行分析。

⑤对于由多路阀组成的液压系统，应在逐一查明各联阀中换向阀油口连通方式（并联、串联、串并联、复合油路等）之后，再对每个执行元件在各工况下的油液流动路线逐一进行分析。

1.2　液压元件正确选型的意义与选型自动计算

1.2.1　正确选型的意义

液压系统的组成元件包括标准元件和专用元件，其选型是液压系统设计与使用维护中极其重要的一个环节。它对满足和提高液压系统的技术性能，缩短制造周期及提高经济性水平，提高运转的可靠性，满足互换和维护的便利性等都具有重要意义，因此必须认真对待。在选型中一般应考虑如下问题。

①应用方面的问题，如主机的类型、原动机的特性、环境情况、安装方式及外形连接尺寸、货源情况及维护要求等。

②性能要求，如压力和流量的大小、工作介质的种类、循环周期、操纵控制方式、冲击振动情况等。

③经济性问题，如使用量、购置及更换成本、货源情况及产品质量和信誉等。

④标准化问题。在满足系统性能要求的前提下，应尽量选用现有的标准化、通用化及货源条件较好的元件，不得已时才自行设计液压元件，以缩短制造周期，便于互换和维护。

1.2.2　选型自动计算

液压元件选型或设计一般需要在进行有关计算的基础上，最后确定其主要参数及规格型号。例如液压泵及其驱动原动机选型计算项目一般包括泵的最大工作压力、流量、排量和驱动功率；液压缸的选型计算项目包括内径、活塞杆直径、速度及速比、工作压力、输出推力等；液压马达的选型计算项目包括排量、转速、转矩、工作压力等；蓄能器的选型计算项目包括蓄能器容积和充气压力等。上述计算内容有的较为简单，有的则因考虑因素较多，较为繁琐，有的还需要经反复试算才能加以确定。因此，人工手算不仅费时费力，而且容易出错。但如果采用专门的选型自动计算软件程序来完成上述计算工作，则可大大提高计算效率和计算的准确度。这种选型计算软件程序可以自行开发，也可以在商品化的软件中选择购买。所开发或购买的计算软件一般应具有友好的工作环境，便于用户通过一定的人机交互图形界面，了解软件程序的用途、适用条件和注意事项，不必键入复杂的命令，只要通过鼠标和键盘，简单地单击相关按钮、输入原始参数，即可快速完成中间计算、标准系列的查询、结果圆整及存储和输出等工作。

1.3　液压装置的结构型式及其适用场合

液压装置按其总体配置可分为分散配置和集中配置两种主要结构型式。

1.3.1　分散配置型液压装置

（1）结构特征

分散配置型液压系统是将系统的液压泵及其原动机、执行元件、控制阀和辅助元件按照主机的布局、工作特性和操纵要求等分散设置，安装在主机的适当位置上，通过管道将液压系统各组成元件逐一连接起来。此种配置用于机床时，可将机床的床身、立柱或底座等支撑件的空腔部分兼作液压油箱，安放动力源，而把液压阀等元件安设在机身上操作者便于接近和操纵调节的位置。例如图1-2所示的深孔钻床，床身20为焊接件，床身上面使用了六块钢板，床身底部用钢板隔开焊接成液压油箱，电动机1及其驱动的液压泵2、液压控制阀（液压阀集成块）4、冷却器5等液压元件分散布置在机器各处。床身上面固定液压马达座17、对开式轴承座14、油封头13及推进装置10等部件。钻头和中空钻杆11为两个零件，用矩形螺纹连接。固定在床身上的油封头13用于工件15的支撑、右端面轴向定位并通过进油软管12导入由电机齿轮泵组来的排屑用油。推进装置10上装有轴向移动滑座，钻杆11与滑座固定，装有电机齿轮泵组8的随动油箱9与钻杆右端部固连，油箱下面装有四个尼龙小轮，液压缸6通过滑座带动钻杆实现钻削运动，油箱随钻杆移动。由于安装空间的限制，工程机械和行走设备，例如图1-3的汽车起重机，其液压系统通常是将手动多路换向阀等操纵阀安装在驾驶室内的适当位置，执行元件（液压缸和液压马达）安装在各工作机构（如液压缸安放在动臂、支腿等机构、液压马达安放在回转台）上，其他元件则分散安置在机器的底盘等处。

（2）特点及应用

分散配置型液压系统的优点是结构紧凑，节省安装空间和占地面积。但元件布置零乱，安装维护较复杂，动力源的振动、发热还会对加工类主机的精度产生不利影响。

分散配置型液压系统除了应用于部分固定式机械设备外，特别适宜结构安装空间受限的移动式机械设备（如车辆和工程机械等）的液压系统采用。

1.3.2　集中配置型液压装置（液压站）

（1）结构特征

集中配置型液压装置通常是将执行元件安放在主机上，而将液压泵及其驱动电机、液压控制阀组（液压控制阀及其安装油路板或油路块等连接体的统称）、辅助元件等独立安装在主机之外，即集中设置液压站（在有的工厂简称为油站）。其典型应用实例之一是图1-4所示的某厂滚压车床，横向滚压和纵向进给各采用一个液压缸执行驱动（图中仅画出进给液压缸）。液压站设置在主机右侧，进给液压缸与中托板相连并置于主机前下方，液压站通过管道（铜管）将液压油传递至液压缸中，从而驱动中托板和滚压刀架沿机床纵向和横向运动实现对工件的滚压加工。另一典型应用实例是图1-5所示的某抽吸装置的移动式（带有脚轮）液压站，该站的油箱焊接在框架上，电机驱动的液压泵组置于油箱下部，管式液压阀等元件通过管件安装于油箱顶盖之上，两组管接头可通过管道连接至主机上的换向阀及执行元件，从而控制主机实现抽吸功能。

（2）分类

液压站的类型很多，特点各异。

①按照操作执行元件液压控制阀组（简称液压阀组）的安放位置及液压站的功能分类

a.动力型液压站　如图1-6所示，其结构形态较简单，主要由液压泵及其驱动电机、油箱及其附件、少数必要的压力控制阀等组成，执行元件及其操纵控制阀等散装在主机各适当位置上，故常称为液压泵站。其主要功能是为液压执行元件提供一定压力和流量的油液，而系统的控制功能主要由液压阀站或散装在主机各处的控制阀来完成。

b.复合型液压站　此类液压站是将系统中液压泵及其驱动电机、油箱及其附件、液压阀组及其他辅助元件等均安装在主机之外，系统的执行元件仍然安装在主机上。复合型液压站的功能是在向执行元件提供液压动力的同时，还兼具控制调节功能。按照液压控制装置是否安装在液压泵站上，此种液压站又可进一步分为整体式液压站和分离式液压站两类。

ⅰ.整体式液压站　如图1-7所示，它是将液压阀组及蓄能器组件等均安装在液压泵站上。此外，站上还附带通气过滤器及液位计等必备附件。

ⅱ.分离式液压站　如图1-8所示，它是将液压泵及其驱动电机和油箱及其附件、液压阀组和蓄能器等分装成液压泵站、液压阀组（一组或多组）和蓄能器站等几部分。根据其中液压阀的安放位置又分为阀架（台）式、机身式、执行元件搭载式和液压泵组搭载式四种，各部分间按照液压系统原理图中确定的油路关系通过管路进行连接。

②按规模大小分类

a.单机型液压站　其规模较小，通常为图1-6所示的动力型或图1-7所示的复合型整体式液压站，其中后者应用较多。

b.机组型液压站　其规模中等，多采用图1-8示的复合型分离式结构，其典型应用是液化天然气（LNG）大型运输船接收站（码头）卸载臂（图1-9）液压系统。

c.中央型液压站　其规模较大（如图1-10所示的大型冶金机械液压站），可对液压系统进行集中管理。为了便于管路配置、保持稳定的环境温度和清洁度，常将液压站置于地下室。

③按通用化程度分类

a.专用型液压站　根据主机的某种工艺目的专门设计和制造的液压站（如图1-5所示液压站），一般不具有通用性，属于专用液压站范畴。

b.通用型液压站　它是将大部分控制元件（多采用螺纹式插装阀）与液压泵及其驱动电机、油箱等集成在一起，称为液压动力单元（Hydraulic Power Unit）或液压动力包。它们是液压制造商针对现代机械设备的一些共性特点和使用要求为用户提供的一类通用化液压装置（液压站）。此类液压装置一般为图1-11所示的便携结构（有卧式、立式等安装方式），体积与重量较小，已广泛用于工程机械、车辆维修、升降平台、医疗器械和环境保护等。通常由液压元件制造厂专门生产，用户可根据需要直接订货。

④按液压站工作及安放方式分类

a.固定式液压站　此类液压站的工作地点相对固定，故通常安放在固定式主机设备近旁，其支脚结构较为简单，一般采用钢板焊接或弯制加工而成（参见图1-7），多数工业机械用液压站属此类结构。

b.移动式液压站　此类液压站的工作地点经常需随主机移动而移动，故其支脚结构较为复杂，一般需装设行走脚轮（图1-5），多数试验机械或野外施工机械用液压站属此类结构。

⑤按液压站冷却方式分类

a.自然冷却式液压站　此类液压站（参见图1-7）靠油箱自身表面与空气进行热交换而对系统进行冷却，结构简单，制造成本低廉，一般用于油箱容量小于250L的系统。

b.强迫冷却式液压站　此类液压站（参见图1-6和图1-12）采取冷却器进行强制冷却，结构较复杂，成本较高，一般用于油箱容量大于250L的系统。

（3）特点

与分散式液压装置相比，集中配置型液压装置（液压站）具有外形整齐美观，便于组装维护，便于采集和检测电液信号以利于自动化，可以隔离液压系统振动、发热等对主机精度的影响等显著优点。但是其占地面积大，特别是对于有强烈热源和烟雾及粉尘污染的机械设备，有时还需为安放液压站建立专门的隔离房间或地下室。

基于上述原因，集中配置型液压装置（液压站）主要适宜固定机械设备或安装空间较为宽裕的其他各类主机设备的液压系统产品，包括有一定批量的小型系统（如金属加工机床及其自动线、橡塑机械、纺织机械、建筑机械等成批生产的主机的液压系统）和单件小批的大型系统（如冶金设备、石油天然气工程项目、水电工程项目、武器装备的试验台架中的有些液压系统）采用。随着液压技术的普及、发展与应用领域的扩大，集中配置型液压装置（液压站）已成为许多液压系统的常用典型做法，往往成为各类机械设备首选的液压装置结构方案。

1.4　液压系统成套技术概述

液压系统成套技术是指液压系统功能原理的结构化，亦即依据液压系统的原理图对其进行施工设计（技术设计或结构设计）。它涵盖了液压装置的结构设计与电气控制装置的设计及技术文件编制等内容。液压装置结构设计（泛指液压系统中需自行设计的那些零部件的结构设计）的目的在于选择确定元、辅件的连接装配方案、具体结构，设计和绘制液压系统产品工作图样，并编制技术文件，为制造、组装和调试液压系统提供依据。而电气控制装置是实现液压装置工作控制的重要部分，是液压系统成套设计中不可缺少的重要环节。电气控制装置设计在于根据液压系统的工作节拍或电磁铁动作顺序表，选择确定控制硬件并编制相应的软件。

所设计和绘制的液压系统产品工作图样包括液压装置及其部件的装配图、非标准零部件的工作图及液压系统原理图、系统外形图、安装图、管路布置图、电路原理图、自制零部件明细表、标准液压元件和标准连接件与外购件明细表、备料清单、设计任务书、设计计算书、使用说明书、安装试车要求等技术文件。

液压系统结构设计是液压系统功能原理设计的延续和结构实现，也可以说是整个液压系统设计过程的归宿。事实上，一个液压系统能否可靠有效的运行，在很大程度上取决于液压系统结构设计质量的优劣，从而使液压成套设计在整个液压系统设计过程中成为一个相当重要的环节，故在设计时必须给予足够重视。