典型液压系统分析详解

微课9　三位四通手动换向阀控制双作用液压缸

液压技术广泛地应用于国民经济各个部门和各个行业，不同行业的液压机械在工况特点、动作循环、工作要求、控制方式等方面差别很大。但一台机器设备的液压系统无论有多复杂，其都是由若干个基本回路组成的，基本回路的特性也就决定了整个系统的特性。本章通过介绍几种不同类型的液压系统，使大家能够掌握、分析液压系统的一般步骤和方法。实际设备的液压系统往往比较复杂，要想真正读懂并非一件容易的事情，故必须按照一定的方法和步骤，做到循序渐进、分块进行，逐步完成。读图的大致步骤一般如下：

①首先要认真分析该液压设备的工作原理和性能特点，了解设备对液压系统的工作要求。

②根据设备对液压系统执行元件动作循环的具体要求，从液压泵到执行元件（液压缸或马达）和从执行元件到液压泵同时进行，按油路的走向初步阅读液压系统的原理图，寻找它们的连接关系，并以执行元件为中心将系统分解成若干子系统，读图时要按照先读控制油路后读主油路的读图顺序进行。

③按照系统中组成的基本回路（如换向回路、调速回路、压力控制回路等）来分解系统的功能，并根据设备各执行元件间的互锁、同步、顺序动作和防干扰等要求，全面读懂液压系统原理图。

④分析液压系统性能优劣，总结、归纳系统的特点，以加深对系统的了解。

1.组合机床动力滑台液压系统分析

（1）概述

组合机床是一种由通用部件和部分专用部件组合而成的高效、工序集中的专用机床，其具有加工能力强、自动化程度高、经济性好等优点。动力滑台是组合机床上实现进给运动的一种通用部件，配上动力头和主轴箱可以完成钻、扩、铰、镗、铣、攻螺纹等工序，能加工孔和端面，广泛应用于大批量生产的流水线。

（2）YT4543型动力滑台液压系统工作原理

图3－43所示为YT4543型动力滑台的液压系统，该滑台由液压缸驱动，系统用限压式变量叶片泵供油、三位五通电液换向阀换向，用液压缸差动连接实现快进、调速阀调节实现工进，由两个调速阀串联、电磁铁控制实现一工进和二工进转换，用死挡铁保证进给的位置精度。可见，系统能够实现快进→一工进→二工进→死挡铁停留→快退→原位停止等功能。表3－2所示为该滑台的动作循环（表中“＋”表示电磁铁得电）。

图3－43　YT4543型动力滑台液压系统

1—限压式变量叶片泵；2—背压阀；3—外控顺序阀；4—液动换向阀（主阀）；5—电磁先导阀；6，7—调速阀；8—电磁阀；9—行程阀；10，11，12，13，14—单向阀；15，16—节流阀；17—压力继电器；18—压力表开关；p1，p2，p3—压力表接点

表3－2　YT4543型动力滑台液压系统动作循环表

具体工作情况如下：

①快进。

手动按下自动循环启动按钮，使电磁铁1Y得电，电液换向阀中的电磁先导阀5左位接入系统，在控制油路的驱动下，液动换向阀4左位接入系统，系统开始实现快进。由于快进时滑台上无工作负载，故液压系统只需克服滑台上负载的惯性力和导轨的摩擦力，泵的出口压力很低，使限压式变量叶片泵1处于最大偏心距状态，输出最大流量，外控顺序阀3处于关闭状态，通过单向阀12的单向导通和行程阀9右位接入系统，使液压缸处于差动连接状态，实现快进。这时油路的流动情况为：

控制油路、进油路：泵1→电磁先导阀5（左位）→单向阀13→液动换向阀4（左位）；

回油路：液动换向阀4（右边）→节流阀16→电磁先导阀5（左位）→油箱。

主油路、进油路：泵1→单向阀11→液动换向阀4（左位）→行程阀9常位→液压缸左腔；

回油路：液压缸右腔→液动换向阀4（左位）→单向阀12→行程阀9常位→液压缸左腔。

②一工进。

当滑台快进到预定位置时，滑台上的行程挡块压下行程阀9，使行程阀左位接入系统，单向阀12与行程阀9之间的油路被切断，单向阀10反向截止，电磁铁3Y又处于失电状态，压力油只能经过调速阀6、电磁阀8的右位进入液压缸左腔。由于调速阀6接入系统，造成系统压力升高，系统进入容积节流调速工作方式，使系统第一次工进开始。这时其余液压元件所处状态不变，但外控顺序阀3被打开，由于压力的反馈作用，使限压式变量叶片泵1输出流量与调速阀6的流量自动匹配。这时油路的流动情况为：

进油路：泵1→单向阀11→液动换向阀4（左位）→调速阀6→电磁阀8（右位）→液压缸左腔；

动画57　快进工进回路1

动画58　快进工进回路2

回油路：液压缸右腔→液动换向阀4（左位）→外控顺序阀3→背压阀2→油箱。

③二工进。

当滑台第一次工作进给结束时，装在滑台上的另一个行程挡块压下一行程开关，使电磁铁3Y得电，电磁阀8左位接入系统，压力油经调速阀6、调速阀7后进入液压缸左腔，此时，系统仍然处于容积节流调速状态，第二次工进开始。由于调速阀7的开口比调速阀6小，故使系统工作压力进一步升高，限压式变量叶片泵1的输出流量进一步减少，滑台的进给速度降低。这时油路的流动情况为：

进油路：泵1→单向阀11→液动换向阀4（左位）→调速阀6→调速阀7→液压缸左腔；

回油路：液压缸右腔→液动换向阀4（左位）→外控顺序阀3→背压阀2→油箱。

④进给终点停留。

当滑台以二工进速度运动到终点时，碰上事先调整好的死挡块，使滑台不能继续前进，被迫停留。此时，油路状态保持不变，泵1仍在继续运转，使系统压力不断升高，泵的输出流量不断减少，直到流量全部用来补偿泵的泄漏，系统没有流量。由于流过调速阀6和7的流量为零，阀前后的压力差为零，故从泵1出口到液压缸之间的压力油路段变为静压状态，使整个压力油路上的油压相等，即液压缸左腔的压力升高到泵出口的压力。由于液压缸左腔压力的升高，故引起压力继电器17动作并发出信号给时间继电器（图3－43中未画出），经过时间继电器的延时处理，使滑台在死挡铁停留一定时间后开始下一个动作。

⑤快退。

当滑台停留一定时间后，时间继电器发出快退信号，使电磁铁1Y失电、2Y得电，电磁先导阀5右位接入系统，控制油路换向，使液动换向阀4右位接入系统，因而主油路换向。由于此时滑台没有外负载，故系统压力下降，限压式变量叶片泵1的流量又自动增至最大，有杆腔进油、无杆腔回油，使滑台实现快速退回。这时油路的流动情况为：

控制油路、进油路：泵1→电磁先导阀5（右位）→单向阀14→液动换向阀4（右边）；

回油路：液动换向阀4（左边）→节流阀15→电磁先导阀5（右位）→油箱。

主油路、进油路：泵1→单向阀11→液动换向阀4（右位）→液压缸右腔；

回油路：液压缸左腔→单向阀10→液动换向阀4（右位）→油箱。

⑥原位停止。

当滑台快退到原位时，另一个行程挡块压下原位行程开关，使电磁铁1Y、2Y和3Y都失电，电磁先导阀5在对中弹簧的作用下处于中位，液动换向阀4左右两边的控制油路都通油箱，因而液动换向阀4也在其对中弹簧的作用下回到中位，液压缸两腔封闭，滑台停止运动，泵1卸荷。这时油路的流动情况为：

卸荷油路：泵1→单向阀11→液动换向阀4（中位）→油箱。

（3）YT4543型动力滑台液压系统的特点

由以上分析可以看出，该液压系统主要由以下一些基本回路组成：由限压式变量液压泵、调速阀和背压阀组成的容积节流调速回路；限量式变量液压泵和液压缸差动连接的快速运动回路；电液换向阀的换向回路；由行程阀、电磁阀、顺序阀和两个调速阀等组成的快慢速换接回路；采用电液换向阀M型中位机能和单向阀的卸荷回路等。该液压系统的主要性能特点如下：

①采用了限压式变量液压泵、调速阀和背压阀组成的容积节流调速回路，它能保证液压缸稳定的低速运动、较好的速度刚性和较大的调速范围。回油路上的背压阀除了可防止空气渗入系统外，还可使滑台承受一定的负值负载。

②系统采用了限压式变量液压泵和液压缸差动连接实现快进，得到较大的快进速度，能量利用也比较合理。滑台工作间歇停止时，系统采用单向阀和M型中位机能换向阀串联使液压泵卸荷，既减少了能量损耗，又使控制油路保持一定的压力，保证下一工作循环的顺利启动。

③系统采用行程阀和外控顺序阀实现快进与工进的转换，不仅简化了油路，而且使动作可靠、换接位置精度较高。两次工进速度的换接采用布局简单、灵活的电磁阀，保证了换接精度，避免了换接时滑台的前冲；采用死挡块作为限位装置，定位准确、可靠，重复精度高。

④系统采用换向时间可调的三位五通电液换向阀来切换主油路，使滑台的换向平稳，冲击和噪声小。同时电液换向阀的五通结构使滑台进和退时分别从两条油路回油，这样滑台快退时系统没有背压，减少了压力损失。

⑤系统回路中的三个单向阀10、11和12的用途完全不同。阀11使系统在卸荷情况下能够得到一定的控制压力，实现系统在卸荷状态下的平稳换向；阀12实现快进时的差动连接，工进时压力油与回油隔离；阀10实现快进与两次工进时的反向截止与快退时的正向导通，使滑台快退时的回油通过管路和液动换向阀4直接回油箱，以尽量减少系统快退时的能量损失。

动画59　压力机液压系统(www.xing528.com)

2.汽车起重机液压系统分析

（1）概述

汽车起重机机动性好，适应性强，自备动力，能在野外作业，操作简便灵活，能以较快速度行走，在交通运输、城建、消防、大型物料场、基建、急救等领域得到了广泛的应用。汽车起重机上采用液压起重技术，具有承载能力大，可在有冲击、振动和环境较差的条件下工作。由于系统执行元件需要完成的动作较为简单，位置精度要求较低，所以系统以手动操纵为主。对于起重机械液压系统，设计中确保工作可靠与安全至关重要。

汽车起重机是用相配套的载重汽车为基本部分，在其上添加相应的起重功能部件，组成完整的汽车起重机，并且利用汽车自备的动力作为起重机的液压系统动力。起重机工作时，汽车的轮胎不受力，依靠四条液压支腿将整个汽车抬起来，并将起重机的各个部分展开，进行起重作业。当需要转移起重作业现场时，只需要将起重机的各个部分收回到汽车上，使汽车恢复到车辆运输功能状态，进行转移。

图3－44所示为汽车起重机的工作结构原理图，它主要由以下五部分构成：

图3－44　汽车起重机工作结构原理图

①支腿装置：起重作业时使汽车轮胎离开地面，架起整车，不使载荷压在轮胎上，并可调节整车的水平度。

②吊臂回转机构：使吊臂实现360°任意回转，并在任何位置均能够锁定停止。

③吊臂伸缩机构：使吊臂在一定尺寸范围内可调，并能够定位，用以改变吊臂的工作长度。一般为3节或4节套筒伸缩结构。

④吊臂变幅机构：使吊臂在一定角度范围内任意可调，用以改变吊臂的倾角。

⑤起降机构：使重物在起吊范围内任意升降，并在任意位置负重停止，起吊和下降速度在一定范围内无级可调。

（2）Q2－8型汽车起重机工作原理

Q2－8型汽车起重机是一种中小型起重机（最大起重能力8 t），其液压系统如图3－45所示，表3－3列出了该汽车起重机液压系统的工作情况。它是通过手动操纵来实现多缸的各自动作的。起重作业时一般为单个动作，少数情况下有两个缸的复合动作。为简化结构，系统采用一个液压泵给各执行元件串联供油。在轻载情况下，各串联的执行元件可任意组合，使几个执行元件同时动作，如伸缩和回转，或伸缩和变幅同时进行等。

汽车起重机液压系统中液压泵的动力是由汽车发动机通过装在底盘变速箱上的取力箱提供。液压泵为高压定量齿轮泵。由于发动机的转速可以通过节气门人为调节控制，因此尽管是定量泵，但在一定的范围内，其输出的流量也可以通过控制汽车节气门开度的大小来进行人为控制，从而实现无级调速。该泵的额定压力为21 MPa，排量为40 mL／r，额定转速为1 500 r／min。液压泵通过中心回转接头9、开关10和过滤器11从油箱吸油；输出的压力油经中心回转接头9、多路手动换向阀组1和2的操作，将压力油串联地输送到各执行元件。当起重机不工作时，液压系统处于卸荷状态。系统工作的具体情况如下：

图3－45　Q2－8型汽车起重机液压系统图

1，2—手动换向阀组；3—溢流阀；4—双向液压锁；5，6，8—平衡阀；7—节流阀；9—中心回转接头；10—开关；11—过滤器；12—压力计；A，B，C，D，E，F—手动换向阀

表3－3　Q2－8型汽车起重机液压系统的工作情况

①支腿缸收放回路。

汽车起重机的底盘前后各有两条支腿，在每一条支腿上都装着一个液压缸，支腿的动作由液压缸驱动。两条前支腿和两条后支腿分别由多路换向阀1中的三位四通手动换向阀A和B控制其伸出或缩回。换向阀均采用M型中位机能，且油路采用串联方式。每个液压缸的油路上均设有双向锁紧回路，以保证支腿被可靠地锁住，防止在起重作业时发生“软腿”现象或行车过程中支腿自行滑落。这时油路的流动情况如下。

a.前支腿：

进油路：取力箱→液压泵→手动换向阀组1中的阀A（左位或右位）→两个前支腿缸进油腔（阀A左位进油，前支腿放下；阀A右位进油，前支腿收回）；

回油路：两个前支腿缸回油腔→手动换向阀组1中的阀A（左位或右位）→阀B（中位）→中心回转接头9→手动换向阀组2中阀C、D、E、F的中位→中心回转接头9→油箱。

b.后支腿：

进油路：取力箱→液压泵→手动换向阀组1中的阀A（中位）→阀B（左位或右位）→两个后支腿缸进油腔（阀B左位进油，后支腿放下；阀B右位进油，后支腿收回）；

回油路：两个后支腿缸回油腔→手动换向阀组1中的阀B（左位或右位）→阀A（中位）→中心回转接头9→手动换向阀组2中阀C、D、E、F的中位→中心回转接头9→油箱。

前后四条支腿可以同时收和放，当手动换向阀组1中的阀A和B同时左位工作时，四条支腿都放下；阀A和B同时右位工作时，四条支腿都收回；当手动换向阀组1中的阀A左位工作、阀B右位工作时，前支腿放下，后支腿收回；当手动换向阀组1中的阀A右位工作、阀B左位工作时，前支腿收回，后支腿放下。

②吊臂回转回路。

吊臂回转机构采用液压马达作为执行元件。液压马达通过蜗轮蜗杆减速箱和一对内啮合的齿轮传动来驱动转盘回转。由于转盘转速较低（1～3 r／min），故液压马达的转速也不高，没有必要设置液压马达的制动回路。系统中用手动换向阀组2中的一个三位四通手动换向阀C来控制转盘正、反转和锁定不动三种工况。这时油路的流动情况为：

进油路：取力箱→液压泵→手动换向阀组1中的阀A、阀B中位→中心回转接头9→手动换向阀组2中的阀C（左位或右位）→回转液压马达进油腔；

回油路：回转液压马达回油腔→手动换向阀组2中的阀C（左位或右位）→手动换向阀组2中的阀D、E、F的中位→中心回转接头9→油箱。

③伸缩回路。

起重机的吊臂由基本臂和伸缩臂组成，伸缩臂套在基本臂之中，用一个由三位四通手动换向阀D控制的伸缩液压缸来驱动吊臂的伸出和缩回。为防止因自重而使吊臂下落，油路中设有平衡回路。这时油路的流动情况为：

进油路：取力箱→液压泵→手动换向阀组1中的阀A、阀B中位→中心回转接头9→手动换向阀组2中的阀C中位→换向阀D（左位或右位）→伸缩缸进油腔；

回油路：伸缩缸回油腔→手动换向阀组2中的阀D（左位或右位）→手动换向阀组2中的阀E、F中位→中心回转接头9→油箱。

当手动换向阀组2中的阀D左位工作时，伸缩缸上腔进油，缸缩回；阀D右位工作时，伸缩缸下腔进油，缸伸出。

④变幅回路。

吊臂变幅是用一个液压缸来改变起重臂的角度的。变幅液压缸由三位四通手动换向阀E控制。同理，为防止在变幅作业时因自重而使吊臂下落，在油路中设有平衡回路。这时油路的流动情况为：

进油路：取力箱→液压泵→手动换向阀组1中的阀A、阀B中位→中心回转接头9→阀C中位→阀D中位→阀E（左位或右位）→变幅缸进油腔；

回油路：变幅缸回油腔→阀E（左位或右位）→阀F中位→中心回转接头9→油箱。

当手动换向阀组2中的阀E左位工作时，变幅缸上腔进油，缸减幅；阀E右位工作时，变幅缸下腔进油，缸增幅。

⑤起降回路。

起降机构是汽车起重机的主要工作机构，它由一个低速大转矩定量液压马达来带动卷扬机工作。液压马达的正、反转由三位四通手动换向阀F控制。起重机起升速度的调节是通过改变汽车发动机的转速从而改变液压泵的输出流量和液压马达的输入流量来实现的。在液压马达的回油路上设有平衡回路，以防止重物自由落下。在液压马达上还设有单向节流阀的平衡回路，以防止重物自由落下。此外，在液压马达上还设有由单向节流阀和单作用液压缸组成的制动回路，当系统不工作时，通过闸缸中的弹簧力实现对卷扬机的制动，防止起吊重物下滑。当起重机负重起吊时，利用制动器延时张开的特性，可以避免卷扬机起吊时发生溜车下滑现象。这时油路的流动情况为：

进油路：取力箱→液压泵→手动换向阀组1中的阀A、阀B中位→中心回转接头9→阀C中位→阀D中位→阀E中位→阀F（左位或右位）→卷扬机液压马达进油腔；

回油路：卷扬机液压马达回油腔→阀F（左位或右位）→中心回转接头9→油箱。

（3）Q2－8型汽车起重机性能分析

由图3－45可以看出，该液压系统由调速、调压、锁紧、换向、制动、平衡、多缸卸荷等液压基本回路组成，其性能特点有：

①在调速回路中，用手动调节换向阀的开度大小来调整工件机构（起降机构除外）的速度，方便灵活，但工人的劳动强度较大。

②在调压回路中，用安全阀来限制系统最高工作压力，防止系统过载，对起重机起到超重起吊的安全保护作用。

③在锁紧回路中，采用由液控单向阀构成的双向液压锁将前后支腿锁定在一定位置上，工作可靠、安全，确保整个起吊过程中每条支腿都不会出现软腿的现象，有效时间长。

④在平衡回路中，采用经过改进的单向液控顺序阀作平衡阀，以防止在起升、吊臂伸缩和变幅作业过程中因重物自重而下降，且工作稳定、可靠。但在一个方向有背压，会对系统造成一定的功率损耗。

⑤在多缸卸荷回路中，采用多路换向阀结构，其中的每一个三位四通手动换向阀的中位机能都为M型，并且将阀在油路中串联起来使用，这样可以使任何一个工作机构单独动作，也可在轻载下任意组合地同时动作。但采用6个换向阀串联连接会使液压泵的卸荷压力加大、系统效率降低。

⑥在制动回路中，采用由单向节流阀和单作用闸缸构成的制动器，制动可靠，动作快，由于要用液压油输入液压缸压缩弹簧来松开制动，因此制动松开的动作慢，可防止负重起重时的溜车现象发生，确保起吊安全。