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前言
液压技术渗透到很多领域，不断在民用工业、在机床、工程机械、冶金机械、塑料机械、农林机械、汽车、船舶等行业得到大幅度的应用和发展，而且发展成为包括传动、控制和检测在内的一门完整的自动化技术。
挖掘机主要应用于公路建设、桥梁施工、房屋建筑、水利、土地开发等，随着国民经济建设和现代科学技术的迅速发展，挖掘机产品也得到了广泛的运用。
本文在了解和掌握工程机械液压系统工作原理的基础上，根据系统运行过程中的技术状态，确定其全体或局部是否正常，以便及时发现故障、查明原因，并预报故障发展趋势的技术。
液压传动技术近年来发展的很快，应用日益广泛。
液压传动技术与传统的机械传动技术有不少的区别，特别是在日常维护和故障诊断方面，不如机械传动那么直观。
例如，运行时压力不够，拖不动负载，或者速度不够，噪声振动大等故障，运行时不好检查液压设备的各元件，停机检查时，压力、流量、噪声振动都没有了。
故障症状的多样性、产生的突发性、机理和成因的复杂性以及危害的严重性使得液压系统的故障诊断比较困难。
一般的工程机械工作环境恶劣，持续工作时间长，负载变动大，液压系统发生故障概率高，随着液压技术向着高速、高压和大功率方向发展，工程液压系统的规模、功能及其自动化水平日益提高，液压系统故障变得多样与复杂。
因此，工程机械液压系统故障分析研究对于提高工程机械施工的可靠性和安全性，推动我国工程机械的自主创新研究具有重要的理论意义和工程实用价值。
本文对液压系统五大组成部分中的动力元件、执行元件、控制元件和辅助元件的结构和工作原理进行分析，同时对部分液压元件和ZL50C装载机的工作装置常出现的故障进行分析研究。
分析个元件和系统发生故障的原因和解决方法。
为对发生故障排除和修理打下了理论基础。
1概述
1.1液压传动概述
任何一部机械都由三个部分组成，即动力机构、传动机构和工作装置。
传动机构的基本功用是将动力机构的动力传递给工作装置。
根据传动机构工作介质的不同，传动的形式可以分为机械传动、电力传动、气体传动、液体传动等。
以液体为工作介质进行能量传递，称为液体传动。
液体传动按其工作原理的不同，又可分为液压传动和液力传动。
以液体为工作介质，基于工程流体力学的帕斯卡原理，以液体的压力能为基本能量形式，有控制地进行能量的转换与传递，这种传动称为液压传动。
液压传动由动力元件将动力机构的机械能转变成流动液体的液压能，经控制、调节元件，由执行元件将液体的压力能转变为工作机构所需的机械能输出，因此液压传动伴随着两次能量转换的过程。
1.2液压传动的基本工作原理及特征
在液压传动中，其能量的传递是利用密闭容器中液体压力能的变化来实现的，其工作原理可以通过液压千斤顶的工作过程来说明。
图1.1液压千斤顶工作原理图
1-手柄2-小液压缸3-小活塞4，7-单向阀5-吸油管6，10-油管
8-大活塞9-大液压缸11-截止阀12-油箱
Figure1.1Schematicofhydraulicjacks
1-handles2-smallhydrauliccylinder3-asmallpiston4,7-aone-wayvalve5-suctiontube6,10–tubing8-largepiston9-largehydrauliccylinder11-globevalve12–tank
如图1.1所示，它是由小液压缸2，大液压缸9，单向阀4、7，油箱12，截止阀11和油管6、10组成。
当手柄向上运动时，小活塞向上运动，使小液压缸的下腔的容积增大形成局部真空，此时单向阀7关闭，在大气压力的作用下单向阀4打开，液体经吸油管道吸入下腔；当手柄向下运动时，小活塞也向下运动，腔内容积逐渐减小，腔内液体受小活塞挤压压力升高，因而将单向阀4关闭，并将单向阀7顶开，液体经单向阀7，经油管6排入大液压缸的下腔，并推动大活塞向上运动，并将重物顶起。
1.3液压系统的组成及特点
上述的液压千斤顶是一个既简单又完整的液压传动系统。
由此可见液压传动装置由以下几部分组成。
（1）动力元件
动力元件即液压泵，其职能是将原动机的机械能转换为液体的压力能（表现为压力、流量），其作用是为液压系统提供压力油，是系统的动力源。
液压千斤顶的小液压缸起的就是液压泵的作用，为手动液压泵。
（2）执行元件
执行元件指的是液压缸或液压马达，其职能是将液压能转换为机械能而对外做功，液压缸可驱动工作机构实现往复直线运动输出力和速度，液压马达可完成回转运动输出转矩和转速。
液压千斤顶中的大液压缸即为执行元件。
（3）控制元件
控制元件指各种阀，利用这些元件可以控制和调节液压系统中液体的压力、流量和方向等，以保证执行元件能按照人们预期的要求进行工作。
如千斤顶中的单向阀、截止阀就可控制液体的流动方向，截止阀还可控制液流的流量，从而控制重物下降的速度。
（4）辅助元件
包括油箱、滤油器、管路及接头、冷却器、压力表等。
它们的作用是提供必要的条件使系统正常工作和便于监测控制。
虽然它们在液压传动系统中起辅助作用，但它们对液压传动系统的效率、寿命、可靠性等有重要的影响。
（5）工作介质
工作介质即传动液体，通常称液压油。
液压系统就是通过工作介质实现运动和动力传递的，另外液压油还可对液压元件中相互运动的零件起润滑作用。
液压传动有以下优点：
（1）可以在运行过程中实现大范围的无机调速。
（2）在同等输出功率下，液压传动装置的体积小、重量轻、运动惯量小、动态性能好。
（3）采用液压传动可实现无间隙传动，运动平稳。
（4）便于实现自动工作循环和自动过载保护。
（5）由于一般采用油作为传动介质，因此液压元件有自我润滑作用，有较长的使用寿命。
（6）液压元件都是标准化、系列化、通用化的产品，便于设计、制造和推广应用。
液压传动有以下缺点：
（1）损失大、效率低、发热大。
（2）不能得到定比传动。
（3）当采用油作为传动介质时还需要注意防火问题。
（4）液压元件加工精度要求高，造价高。
（5）液压系统的故障比较难查找，对操作人员的技术水平要求高。
1.4液压系统在工程机械中的应用。
由于液压传动有其突出的有点，目前在国内外工程机械上以得到广泛的运用。
工程机械采用液压传动后，普遍比原来同规格机械传动产品减小了外形尺寸、减轻了重量，提高了产品性能。
例如挖掘机工作装置采用液压传动，使铲斗可以转动，增加了作业的自由度，提高了作业质；装载机采用液压传动后使铰接车架的机构形式得到广泛的应用。
行走机构采用了液压传动，可以使机械底盘结构大大简化，因而易于产品改型和发展新品种。
工程机械采用了各种液压助力装置，可是操纵大大简化、轻巧、灵便。
操纵的改善大大减轻了操作手的劳动强度，从而有利于提高作业效率。
液压传动技术的采用大大促进工程机械的发展，这既表现在产品结构的改进、性能的提高。
也表现在产品的规格、品种和数量的增加。
此外，要开发一种新的工程机械产品，采用液压传动比采用机械传动所用的研制过程要短的多，原因是液压元件易于实现标准化、系列化、通用化，液压元件在整机上的布置容易，并使整机结构简单。
实践证明，工程机械的发展，液压传动技术起到至关重要的作用。
2工程机械液压系统各组成的原理及其作用
2.1液压泵和液压马达
液压泵和液压马达都是液压传动系统中的能量转换装置：
液压泵将原动机的机械能转换成工作液体的压力能，提供具有一定压力和流量的工作液体，属于液压传动的动力源；液压马达是用来拖动负载做功的，它将工作液体的压力能转换为旋转形式的机械能，属于液压传动系统的执行元件。
液压泵和液压马达的种类很多。
工程机械液压传动系统中最常见的有齿轮泵和柱塞泵两种形式。
它们都是按密封容积变化的原理进行工作的。
从原理上来说，任何一种容积式液压泵都可以作为液压马达使用，具有可逆性。
但是实际上许多液压泵为了提高其性能，在结构形式上采取了一些措施，限制了它的可逆性，只能作为液压泵使用，而不能当做液压马达使用。
2.1.1液压泵和液压马达的工作原理及特点
图2.1泵的工作原理图
Figure2.1Pumpschematic
图2.1所示为泵的工作原理图。
偏心轮旋转时，柱塞在偏心轮和弹簧的作用下在缸体内上下移动。
柱塞下移时，缸体中的油腔（密封工作腔）容积变大，产生真空，油箱中油液在大气压力的作用下打开吸油阀进入缸体内；柱塞向上移动时，缸体中油腔的容积变小，油液被强迫通过压油阀进入到系统当中去。
当偏心轮连续旋转时，柱塞便周而复始的重复上述过程。
由以上所述可得液压泵工作的基本条件：
（1）结构上能实现具有密封性的工作容腔。
（2）工作腔能周而复始的增大和减小，当它增大时与吸油口相通，当它减小时与排油口相通。
即液压泵依靠容积变化工作。
（3）吸油口与排油口不能相通。
2.1.2齿轮泵和齿轮马达的工作原理及特点
齿轮泵是液压泵中结构最简单的一种泵，它的抗污染能力强，价格最便宜。
但一般齿轮泵容积效率较低，轴承上不平衡力大，工作压力不高。
齿轮泵的另一个重要缺点是流量脉动大，运行时噪声水平较高，在高压下运行时尤为突出。
齿轮泵主要用于低压或噪声水平限制不严的场合。
一般机械的润滑泵以及非自吸式泵的辅助泵都采用齿轮泵。
从结构上看齿轮泵可分为外啮合和内啮合两类，其中以外啮合齿轮泵应用更广泛。
（1）外啮合齿轮泵的工作原理
图2.2外啮合齿轮泵的工作原理
Figure2.2Externalgearpumpworks
图2.2所示为外啮合齿轮泵的工作原理图。
泵体和前后泵盖所形成的密封空间被啮合的齿轮分割为许多密封的工作容腔，即排油腔、吸油腔以及齿轮的齿顶与泵体内表面配合而成的过度区间。
假设：
①齿轮泵的吸、排油腔及过度区充满油液；②吸、排油腔的容积不变（实际吸、排油腔的容积时大时小按一定的规律变化着）。
当齿轮按图示的方向旋转时，右侧的齿轮逐渐退出啮合，即主、从动齿轮的轮齿从各自对方的齿谷中退出。
齿谷中处于真空，同时主、从动齿轮前面的齿谷随着齿轮的转动带着油液进入过渡区，于是吸油腔产生了一定的真空度，油箱里的液体在大气压力的推动下进入吸油腔。
随着齿轮的转动，过度区的齿谷依次进入排油腔，油液也带入排油腔，同时排油腔齿轮依次进入啮合，主、从动齿轮的轮齿把各自对方齿谷的液体强迫压出，于是排油腔容纳不了如此多的液体，一部分液体被迫从排油口进入液压系统。
当齿轮连续旋转时，连续不断的有齿轮在右侧退出啮合和在左侧进入啮合，因此齿轮泵也就能连续的吸油和排油了。
（2）内啮合齿轮泵的工作原理
图2.3内啮合齿轮泵的工作原理
1-外齿轮2-内齿轮
Figure2.3Withinthegearpumpworks
1-externalgear2-internalgear
图2.3所示为摆线泵工作原理图。
内转子1为外齿轮，有6个齿。
外转子2为内齿轮，有7个齿。
内外转子的偏心距为e。
当内转子绕中心01旋转时外转子绕02同如时旋转，内外转子能自动形成几个独立的密密封容积，摆线泵按图示方向旋转时，右半部分的封闭容积增大，形成局部真空,并通过配油窗口B从油箱吸入（b图）。
当转子到图c位置时,封闭容积为最大。
在图d，油从A输出。
（3）齿轮马达的工作原理
图2.4为外啮合齿轮马达的工作原理图。
图中P点为两齿轮的啮合点，当压力油进入齿轮马达时，压力油分别作用在两个齿面上。
由图可知，在两个齿轮上各有一个使其产生转矩的作用力，两个齿轮便按图示的方向旋转。
齿轮马达的输出轴上也就输出旋转力矩。
（4）齿轮泵的优、缺点
齿轮泵的主要优点是：
结构简单，制造工艺性好，价格便宜，自吸能力较好，抗污染能力强，而且能耐冲击性负载。
齿轮泵的主要缺点是：
流量脉动大，泄漏大，噪声大，效率低，零件的互换性差，磨损后不易修复。
图2.4齿轮马达的工作原理图
Figure2.4Gearmotorschematic
2.1.3柱塞泵和柱塞马达的工作原理及特点
柱塞泵是依靠柱塞在缸体内往复运动时密封工作容腔的变化来实现吸油和压油的。
轴向柱塞泵是指柱塞中心线平行（或接近平行）于油缸体的轴线。
（1）轴向柱塞泵的工作原理
如图2.5所示的点接触式轴向柱塞是一种比较简单的轴向柱塞泵。
柱塞3安放在缸体2上均匀分布柱塞孔中，由于柱塞底部弹簧力的作用，柱塞的头部始终贴在斜盘1上。
缸体在传动轴的带动下旋转时，处在B-B剖面左半部位置的柱塞在弹簧力的作用下向外伸出，使柱塞和缸孔形成的密封工作容积增大，产生真空，通过配流盘4的吸油窗口吸油。
处在剖面B-B右半部位置的柱塞在斜盘1的强制作用下，向缸孔内缩回，使密封工作容积缩小，液体通过配流盘的排油窗口排出。
由于任意瞬时均有柱塞和缸孔形成密封工作容腔存在于配流盘的吸油窗口和排油窗口的位置，所以泵的吸油和排油是连续进行的。
图2.5轴向柱塞泵的工作原理
1-斜盘2-缸体3-柱塞4-配流盘5-轴6-弹簧
Figure2.5Axialpistonpumpworks
1–swashplate2–cylinder3-plunger4-valveplate5-axis–spring
（2）轴向柱塞马达的工作原理
图2.6轴向柱塞马达的工作原理
1-传动轴2-壳体3-斜盘4-柱塞5-缸体6-配流盘7-弹簧
Figure2.6Axialpistonmotorworks
1-driveshaft2-shell3-swashplate4–piston5-cylinder6-valveplate7–spring
点接触式轴向柱塞马达工作原理如图2.6所示。
图中斜盘3和配流盘6固定不动，柱塞4沿轴向方向放在缸体5中，缸体5和传动轴1相连在一起旋转。
斜盘的中心线和缸体的中心线相交一个倾角a。
当压力油通过配流盘上的配油窗口输入到缸体上的柱塞孔时，压力油把柱塞孔中的柱塞顶出，使之压在斜盘上。
斜盘对柱塞的反作用力F垂直于斜盘表面，这个力的水平分量Fx与柱塞上的液压力平衡，而垂直分量Fy则使每个柱塞都对转子中心产生一个转矩，使缸体与马达逆时针方向旋转。
如果改变马达压力油的输入方向（如从配油盘右侧的配油窗口通入压力油），马达就会顺时针方向旋转。
（3）径向柱塞泵与马达的工作原理
①径向柱塞泵的工作原理
图2.7为径向柱塞泵的工作原理。
之所以称为径向柱塞泵是因为有多个柱塞径向地配置在一个共同的缸体3内。
缸体由电动机带动旋转，柱塞要靠离心力耍出，但其顶部被定子2的内壁所限制。
定子2是一个与缸体偏心放置的圆环。
因此，当缸体旋转时柱塞就做往复运动。
这里采用配流轴配油，又称径向配流。
径向柱塞泵外形尺寸较大，目前生产中应用不广。
②径向柱塞马达的工作原理
与泵的情况相反，低速大扭矩马达多数采用径向柱塞式结构。
低速大扭矩液压马达的典型结构。
马达有五个活塞，壳体上有五个缸，外形像星，又称为星形马达。
连杆一端通过球铰与活塞连接在一起；另一端为圆弧表面，圆弧半径与偏心偏心轮半径一致。
两个圆环套在连杆圆弧外面，使连杆即能沿着偏心轮的圆弧表面滑动而又不能脱开。
输出轴左端通过联轴器使配流轴同步旋转。
图2.7径向柱塞泵工作原理
1-柱塞2-定子3-转子4-套5-配流轴
Figure2.7Radialpistonpumpworks
1-plunger2-stator3-rotor4-setsof5-withtheflowaxis
液压泵与液压马达都是旋转式装置。
它们依靠密闭工作容积变化及液体的压力能来传递能量。
液压马达输入液压能输出机械能，液压泵输入机械能输出液压能。
在液压系统中液压马达是执行元件，液压泵是动力元件。
理论上，液压马达与液压泵是可逆的，但由于它们的要求不同，结构上也有某些差异，致使大部分液压泵与液压马达不能互换使用。
2.2液压缸
液压缸和液压马达同属于液压系统的执行元件。
液压缸能将液体的压力能转化为机械能，用于驱动工作机构作往复直线运动，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳。
液压缸结构简单，工作可靠，可与杠杆、连杆、齿轮齿条、棘轮棘爪、凸轮等机构实现多种机械运动，故其应用比液压马达更为广泛。
液压缸的结构形式多种多样，其分类方法也有多种：
按受液压力作用情况可分为单作用式、双作用式和组合式；按结构形式可分为活塞式、柱塞式、多级伸缩套筒式、齿轮齿条式等；按安装形式可分为拉杆、耳环、底脚、铰轴等安装型，按压力等级可分为16MPa、25MPa、31.5MPa等。
液压缸结构
（1）缸筒主要是由钢材制成，缸筒内要经过精细加工，表面粗糙度Ra<0.08um，以减少密封件的摩擦。
（2）盖板：
通常由钢材制成，有前端盖和后端盖，安装在缸筒的前后两端，盖板和缸筒的连接方法有焊接、拉杆、法兰、罗纹连接等。
（3）活塞的材料通常用钢或铸铁，也可采用铝合金。
活塞和缸筒内壁间需要密封，采用的密封件有O形环、V形油封、U形油封、X形油封和活塞环等。
而活塞应有一定的导向长度，一般取活塞长度为缸筒内径的（0.6～1.0）倍。
（4）活塞杆：
是由钢材做成实心杆或空心杆，表面经淬火再镀铬处理并抛光。
（5）缓冲装置：
为了防止活塞在行程的终点与前后端盖板发生碰撞，引起噪音，影响工件精度或使液压缸损坏，常在液压缸前后端盖上设有缓冲装置，以使活塞移到快接近行程终点时速度减慢下来终至停止。
前后端盖上的缓冲阀附近有单向阀的结构。
当活塞接近端盖时，缓冲环插入端盖板油出入口，强迫压油经缓冲阀的孔口流出，促使活塞的速度缓慢下来。
相反，当活塞从行程的尽头将离去时，如压油只作用在缓冲环上，活塞要移动的那一瞬间将非常不稳定甚至无足够力量推动活塞，故必须使压油经缓冲阀内的止回阀作用在活塞上，如此才能使活塞平稳的前进。
（6）放气装置：
在安装过程中或停止工作的一段时间后，空气将渗入液压系统内，缸筒内如存留空气，将使液压缸在低速时产生爬行、颤抖现象，换向时易引起冲击，因此在液压缸结构上要能及时排除缸内留存的气体。
一般双作用式液压缸不设专门的放气孔，而是将液压油出入口布置在前后盖板的最高处。
大型双作用式液压缸则必须在前后端盖板设放气栓塞。
对于单作用式液压缸液压油出入口一般设在缸筒底部，在最高处设放气栓塞。
（7）密封装置：
液压缸的密封装置用以防止油液的泄漏，液压缸的密封主要是指活塞、活塞杆处的动密封和缸盖等处的静密封。
常采用O形密封圈和Y形密封圈。
2.2.1活塞式液压缸
（1）单活塞杆液压缸
单活塞杆液压缸只有一端有活塞杆。
如图2.8所示是一种单活塞液压缸。
其两端进出口油口A和B都可通压力油或回油，以实现双向运动，故称为双作用缸。
图2.8单活塞缸液压缸
1-缸底2-弹簧挡圈3-套环4-卡环5-活塞6-O型密封圈7-支承环8-挡圈9-Y型密封圈
10-缸筒11-管接头12-导向套13-缸盖14-防尘圈15-活塞杆16-定位螺钉17-耳环
Figure2.8Singlepiston-cylinderhydrauliccylinder
1-bottom2-springretainingring3–ring4-clasp–detroit6-O-ring7-supportingring8-theCirclips9-Y-ring10–cylinder11-pipeguidesleeve12-theguidesleeve13-cylinderhead14-dustring15-pistonrod16-positioningscrew17–earrings
（2）双活塞杆液压缸
图2.9双活塞杆液压缸
1-活塞杆2-压盖3-缸盖4-缸筒5-活塞6-密封圈
Figure2.9Doublerodhydrauliccylinders
1-pistonrod2-gland3-cylinderhead4-cylinder5-piston6-ring
双活塞杆液压缸的两端都有活塞伸出，如图2.9所示。
其组成与单活塞杆液压缸基本相同。
缸筒与缸盖用法兰连接，活塞与缸筒内壁之间采用间隙密封。
2.2.2柱塞式液压缸
柱塞式液压缸结构如图2.10所示。
图2.10柱塞式液压缸
Figure2.10Plungerhydrauliccylinders
柱塞式液压缸特点：
（１）它是一种单作用式液压缸，靠液压力只能实现一个方向的运动，柱
塞回程要靠其它外力或柱塞的自重；
（２）柱塞只靠缸套支承而不与缸套接触，这样缸套极易加工，故适于做
长行程液压缸；
（３）工作时柱塞总受压，因而它必须有足够的刚度；
（４）柱塞重量往往较大，水平放置时容易因自重而下垂，造成密封件和导向单边磨损，故其垂直使用更有利。
2.2.3伸缩式液压缸
伸缩式液压缸具有二级或多级活塞，如图2.11所示。
伸缩式液压缸中活塞伸出的顺序式从大到小，而空载缩回的顺序则一般是从小到大。
伸缩缸可实现较长的行程，而缩回时长度较短，结构较为紧凑。
此种液压缸常用于工程机械和农业机械上。
2.3液压辅件
液压传动系统的辅助装置，是指除液压泵、液压缸（包括液压马达）和各种控制元件之外的其它各类组成元件，如油箱、滤油器、蓄能器、密封件、管件和各类检测元件等。
他们是液压系统不可缺少的组成部分，它们的性能对液压系统的好坏有直接影响。
2.3.1油箱
油箱用以储存油液，以保证供给液压系统充分的工作油液，同时还具有散热，使渗入油液中的污物沉淀等作用。
进行油箱设计时，应注意以下几点：
（1）应考虑清洗，换油方便。
（2）油箱应有足够的容量。
图2.11伸缩式液压缸
1-活塞2-套筒3-O型密封圈4-缸筒5-缸盖
Figure2.11Telescopichydrauliccylinder
1-piston2-socket3-O-ring4-cylinder5-thecylinderhead
（3）吸油管及回油管应隔开，最好用一个或几个隔板隔开，以增加油液循环距离，使油液有充分时间沉淀污物，排出气泡和冷却。
（4）吸油管距离箱底距离H2D，距离壁大于3D（D为吸油管外径）。
（5）油箱一般用2.5～4mm的钢板焊成，尺寸高大的油箱要加焊角铁和筋板，以增加刚性。
（6）要防止油液渗漏和污染。
（7）油箱应便于安装、吊装和维修。
2.3.2滤油器
污染是指油中存在一定数量的杂质。
这些杂质有化学反应生成物，有外界进入的灰尘，有系统运动造成的机械磨损物及系统使用前残留的切削、焊渣、型砂等。
据统计液压系统故障75%以上是由于油的污染所造成的。
因此控制油的污染极为重要，而油液净化的任务就为滤油器所承担。
滤油器的作用：
是从油流中除去污染颗粒的屏蔽层。
当油液通过这种由重叠的小孔或通路组成的屏蔽层时，油液中的杂质颗粒被阻留，而达到滤清油液的目的。
滤油器按滤芯材质和过滤方式分为：
网式、线隙式、纸芯式、烧结式和磁性等。
（1）网式滤油器
网式滤油器结构如图2.12所示。
这种滤油器的过滤精度与铜丝网的网孔大小和层数有关。
图示结构实际上只是一个滤芯。
网式滤油器的优点是通油能力大压力损失小，容易清洗，但过滤精度不高主要用于泵吸油口。
图2.12网
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