【第八章】
静液压驱动装置的
控制系统、辅助系统和
外设元器件
了解静液压驱动装置的
辅助保障系统
在静液压驱动系统中，除了起主要作用的控制系统和泵、马达、阀等主要驱动部件之外，静液压驱动系统正常工作还离不开辅助系统的支持。
静液压驱动系统的辅助系统通常包括：补油、过滤、冷却。
让我们继续研读王意教授《车辆与行走机械的静液压驱动》一书的第八章：静液压驱动装置的控制系统、辅助系统和外设元器件，了解静液压驱动装置的辅助保障系统。
组成静液压驱动装置闭式油路系统所需的补油泵及相关的补油溢流阀、单向阀等通常都集成安装在变量泵的后盖上，补油流道铸造在壳体内或用机械加工制成。
早期产品也有用外齿轮泵作为补油泵的例子，而较新型号的大都装用尺寸小、噪声低的内齿轮泵或摆线齿轮泵作为补油泵。
壳体上安装的阀主要是插装式的，包括近年来发展很快的配备干式线圈、螺纹联接的电磁阀。
马达壳体上也常常以插装或叠加的方式集成安装若干控制阀，常见为冲洗阀组和二次补油阀。较新的产品也有把冲洗阀组集成于泵上者，使其能与更多型式的马达相配套。
行走液压传动装置中的各种液压元器件都属于精密机械，它们的工作可靠性及使用寿命在很大程度上取决于其工作介质的洁净程度。从原则上说，质量合格的现代液压元件在正常运转的条件下，自身是不会产生磨屑等有害微粒的。油路系统中的污染物来源都是外来的，主要的来源包括以下一些：
新加入的工作油液带来的。
各种元器件出厂时遗留在油腔内的。
主机装配时通过各油口和结合面的缝隙进入系统的。
装置运转中由外界空气带入的。
维修保养操作过程中带入的。
在系统中设置过滤器的作用就是用以随时清除这些固态污染物。此外过滤器对于分离油液中的所含水分亦有一些效果。
选用过滤器时要考虑它的过滤精度、额定流量、许用压差和壳体耐压等几方面的参数，还需注意它的尺寸、重量和安装型式是否合用。
过滤器常分粗滤器和精滤器两种，过滤精度用微米标称。但需注意 “名义过滤精度” 和 “绝对过滤精度” 的区别。
例如某种液压泵要求装用绝对过滤精度为25μm的精滤器，它对应的名义过滤精度却约为10μm。一般工程应用选用过滤器时按名义过滤精度即可。
静液压驱动装置的粗滤器一般装在输入端变量泵的补油泵的吸油口处，或配置在适当的部位作为精滤器的前置级。其名义滤油精度一般为50—80μm，滤材常为可以清洗后重复使用的不锈钢或铜合金质滤网。
市面供应的粗滤器元件成品一般为金属网式或线隙式的滤芯，使用时要自行设置外壳。具有同等效果的是在液压油箱内补油泵的吸油口附近用带骨架的金属网分隔出一个吸油区。
现代行走机械液压系统中的精滤器广泛使用纸质滤材制成的滤芯，根据系统中柱塞式元件的要求，名义过滤精度需优于10 μm。
与开式油路不同，闭式油路中的精滤器很难装在主油路中作为“全流”过滤器，除非在耐高压的过滤器中设置复杂的单向阀桥路并允许相当大的过流压力损失。
实用的做法是仅对流经补油系统的油液进行过滤。这时精滤器有两种布置方式：第一种是把它置于补油泵吸油管路内（图8-12中的位置1），使补油泵本身和主回路系统都得到全面保护。
但这一方式对于过滤器引起的压力降则有严格限制，以防止补油泵气蚀，因此要选用尺寸较大、原始阻力较低的滤芯，新滤芯在最大流量时的过流压差不得超过20kPa；另一种是把精滤器串联在补油泵出口油路中(如图8-11中的位置2)。
优点是可选用尺寸较小的过滤器，在冷起动或滤芯部分阻塞时造成过流阻力增大时（要用旁通阀限压）对系统功能影响不大。缺点则是不能对补油泵本身进行保护和要求过滤器壳体有较高的耐压强度（2.5-4.0MPa）。
一些商品变量泵把补油泵吸油过滤作为标准系统配置，而根据用户要求也可选择在补油泵出口处设置过滤器。
不过现在越来越多的双向变量柱塞泵产品都将过滤器直接附装在主泵上补油泵的出口处，并常采用类似于现代内燃机机油滤清器形式的一次性罐装精滤器。
装在补油泵进口处的吸油精滤器也有罐装式的，但是体积比装在出口处的要大好几倍。当整机上还同时设有转向或工作部件等其它液压系统，并与静液压驱动系统公用液压油箱时，前者的开式回路中的回油精滤器同样也能对行走液压传动用油液起到间接的旁路过滤作用（图8-10中的3），
当然此时转向和工作系统中出现的污染物也同样会威胁行走静液压传动系统中的精密元件。
设计这样的系统时特别要注意防止液压转向器在无动力人工应急转向时通过回油管把原先已经阻拦在回油过滤器上游的污染颗粒重新吸入主系统。
基于使系统能够正常运行和使元件具有足够长的使用寿命的要求，在装有重系列变量液压泵和液压马达的静液压驱动装置中使用的液压油的洁净度应尽可能地优于ISO4400标准规定的18/15/13级，至少也应达到20/18/15级。
图8-12 在闭式回路系统中精滤器的位置
1-补油泵吸油口 2-补油泵出口 3-共用液压油箱的其他液压装置的回油管路中
为保证液压系统具有令人满意的传动效率和正常发挥各元件的功能，需要将回路中工作油液的温度保持在一定范围内（通常是40-80°C）。
过高和过低的温度都会对于设备效能和寿命产生不利的影响，尤其以过热的损害更为直接和严重。
液压油温过低时，一般靠元件本身的预热运转即可使它达到适当的温度，只有在极低环境温度下较长时间存放后再次起动时才需要专门采取加热措施。
小功率和间歇使用的系统靠管道、油箱和元件壳体本身的散热已有足够的冷却能力，而大功率连续工作的液压系统则必须考虑专设冷却器的问题。
行走液压传动装置采用闭式油路，液压油箱一般均较小，为导出被损耗的功率转化的热量，控制工作油液的温度以保证各元件的正常工作，冷却器往往是必不可少的设备。
对于静液压驱动装置使用的闭式回路，由于冷却器难以具有足以在主回路里运行的耐压能力，所以只能设置在辅助回路中，这和滤清系统的情况是类似的。而且和过滤器一样，冷却器也可以是由同一整机上的几个液压系统所共用的。
现代静液压驱动装置采用两种方式导出功率传输元件中各种损耗产生的热量，均以液压油作为热量的载体介质。
第一种是通过冲洗阀组导出主系统的部分工作油液，并与补油流量构成循环，可称为内冷却方式；第二种是利用在每个元件的壳体上的适当部位增设的第二个外泄油口，通过外接管道使壳体内与液压油箱的油液连通构成循环，可称为外冷却方式。
在某些整体式静液压无级变速箱内，浸在公共壳体的油液中运转的“裸装”液压泵和马达的核心部件，也在通过外冷却方式散去运转中产生的部分热量。在实际的装置中，这内外两种冷却方式常常是并存的。
一般认为，内冷却方式由于可以直接从产生功率损失部位导出热量并补入部分温度较低的“新鲜”工作液，因而不仅具有较好的冷却效果，还可促使主系统中的工作油液的经常轮换，而避免其性能的过早衰退并延长其使用寿命。
不过随着液压油质量的改善，特别是全合成的优质液压油的使用，后一个功能的必要性已有所弱化。
外冷却方式虽然只能靠元件中互相接触的零部件之间、这些零部件与液压油之间的热传导间接地导出主系统中的热量，但参与冷却的油液的循环流量却可以比内冷却的补油冲洗流量大得多，所带来的附加功率损失却很小，因此引起了越来越多的重视。
它的缺点是增加了布管的复杂性，对于需要大角度偏转的转向轮上的轮边驱动液压马达，以及随地形跳动的弹性悬架下的轮边驱动液压马达来说，这个缺点的影响就更为显著。
在一些对于效率要求苛刻的静液压整体变速箱中，为了减少浸在液压油内的高速旋转部件引起的搅油损失，有时采用了“干式”箱体的设计，即变速箱内仅留存很少的液压油液
利用专门的喷嘴向旋转部件喷射雾状的油液供润滑和冷却之用。这是一种源于高性能柴油机的技术，对于车轮马达之类的低速液压元件则意义不大。
冲洗阀组是功率较大的静液压驱动装置冷却系统的重要组成部件，它由一个冲洗梭阀和一个低压溢流阀（有时为一个节流阀）构成（图8-13）。
其中的冲洗梭阀5跨接在静液压驱动装置主回路的两个通道之间，由主回路的压差方向确定其阀芯位置，保证其与低压溢流阀6或节流阀连接的出口始终只与主回路中压力较低的一侧连通，并由这一侧引出部分工作油液，见图8-13b所示。
图8-13冲洗阀组回路系统简图
a) 车辆静止状态，此时冲洗阀5处于中位，补油压力由补油安全阀3调定 b) 车辆前进状态，此时主回路上端为高压，冲洗梭阀5下移打开冲洗回路，补油压力由冲洗溢流阀6和冲洗回路的液阻决定
1-主变量液压泵 2-补油泵 3-补油安全阀 4-单向阀组 5-冲洗梭阀 6-冲洗溢流阀 7-液压马达 8-冷却器 9-液压油箱
图中的冲洗溢流阀6有时也用结构较简单的节流阀代替。
从原则上说，冷却器进口应选在液压系统中油温最高的部位，以达到最好的散热效果。实用中常把它串置在泵、马达和油箱之间的外泄油液（含冲洗阀的溢油）的回油路中。
这时要求它的过流阻力尽量小，以免使泵和马达壳体内压力过高，特别是在冷起动时。有些厂家推荐将它放在补油泵出口处，使得补入主回路系统的油液温度较低。
特别是能够让同由补油泵供能的变量控制系统和执行装置中的液压油温度比较稳定，有助于保持较高的控制精度。不过只有耐压较高（达4 MPa）的冷却器才能这样使用。
静液压驱动装置用冷却器多为风冷式，以铝制板翅式或管带式的为好。铜制冷却器虽然传热效率更高，但不仅重量大、价格贵，而且对液压油还有不利的变质催化作用，因之现在已很少使用。
通常采用由发动机经皮带传动或由专设的电机、液压马达驱动的风扇对于冷却器进行强制风冷。
鉴于装有液压装置的车辆和机械日益增多，有的发动机厂商已将可集成安装的液压油冷却器作为许多型号发动机可选装的标准附件，为整机用户提供了不少方便（图8-14 ）。
某些允许油温较高（95-100°C或更高）的静液压驱动装置也可通过油-水热交换器，由内燃机的冷却系统以水冷方式进行散热。
现代车辆与行走机械上装用的冷却器越来越多，包括发动机的、传动装置的、液压系统的、驾驶室空调装置的乃至为电子控制装置所专设的等等。
在整车布局中应该尽可能地将这些大小不一、形状各异的冷却器集中布置在一起，用统一设计的风扇和风道强制吹风。
这样做既有利于节省安装空间，也能够提高冷却风扇的效率和降低其能耗。图8-15中示出一个这样的实例。
图8-14 一些风冷柴油机为液压油冷却器预设了
安装位置和风道
图8-15 这台拖拉机上集中设置的多个冷却器可随机罩的启闭而张开和折叠（Massey Forguson）
为静液压驱动装置选用液压油冷却器的时候要考虑散热能力、耐压强度、油口尺寸和安装所需要的空间尺寸等因素。
车辆与行走机械的工作环境及作业工况千差万别，单凭热力学方面的理论数据很难计算出静液压驱动装置冷却器所需的各种参数的精确值，所以在实际工程设计中，更多地采用的是基于传动总效率的估算与已有整机产品类比的经验数据得出所需要的散热功率总量值，
以假定在最大负荷下，静液压驱动装置中所损耗的功率完全由冷却器散发这样的包容覆盖的理念选择散热器的规格。
由于装置中液压油箱、液压元件的壳体和连接管道的外壁也会向周围的空气散发一部分热量，这样选择的冷却器的规格偏于保守。但现代工业的实践一再表明，通过增加外围设备冗余度的代价来换取核心设备的安全和使用可靠性是很必要的。
在低温和部分负荷下工作时，可以通过旁路全部或部分冷却系统的方式来保持工作液温度不致过低。
当然，对于有一定批量的整机产品，可以通过在样机阶段的实际试验来进一步微调和优化冷却器的规格，以得到最好的性价比。
然而即使有这样的条件，由于液压油冷却器的体积相当大，布置在车辆与行走机械上时还有通风、防震等要求，因此在初始设计中，仍以为样机选用一套大一些的冷却器并预留出足够的安装空间为好，否则一旦需要增加散热能力时会相当被动。
静液压驱动装置采用的闭式回路系统原则上只需要较小的液压油箱，其基本容量一般可以按在发动机额定转速时，
所有变量泵上的补油泵每分钟吸油量总和的25 – 35%确定，亦即在这种工况时液压油箱中的油液每分钟约循环3-4次。有些轻系列静液压驱动装置仅靠元件壳体和滤清器内的存油再加一个小小的塑料制呼吸油罐即可正常运行。
采用具有公共壳体的整体式静液压无级变速箱和较大容量冷却器的大中功率静液压驱动装置也不需要很大的液压油箱。
但如果同一液压油箱还要为大流量的液压工作系统供油，特别是工作液压系统中含有大直径、长行程的单作用液压缸时，则必须考虑这些油缸用油引起的油箱内油量的波动问题。
为减小这些影响，一些静液压驱动叉车的门架采用了带活塞杆的双油腔单作用举升液压缸。在我们应用过的各大品牌的重系列元件中，Linde的几种变量泵所需要的油箱容量可能是最小的。
对于补油泵从主泵壳体内吸油的排量70mL/r的变量泵，只需在较高的位置设置一个容量约16L的“平衡油箱”，用两根管道与泵壳连接，整个静液压驱动系统即能在约2300r/min的输入转速下工作得很好；
一台采用整体式静液压驱动桥的Linde叉车所装用的变量泵排量达90mL/r，而连同液压转向和门架货叉等液压缸作动的工作部件在内，整车液压系统一起共用的液压油箱容量才区区28L。
当然它的整体式静液压驱动桥的壳体内也有相当大的储油容积。达到这样效果的前提是，在由高品质的静液压驱动元件构成的系统中配置了完善的冷却和过滤设备，并使用了高品质的液压油。
为防止外界污物进入液压油，并多少改善一些补油泵的吸油条件，液压油箱内最好带有略高于周围大气压力的正压力（超压）。
最简单的方法是设置带有空气滤清器和单向增压阀的组合式加油口盖，利用油箱内油液升温后油液和油面上的空气体积膨胀的效应形成超压。许多液压附件厂都可供应这种附件。
在设计液压油箱时，应使得所有连接到油箱上的回油管的箱外油口位置都高于箱内最高油面，然后在箱内各连接一根导管浸入油液中，其开口应低于可能出现的最低油面。
补油泵和采用同一液压油箱的其他系统转向泵、工作泵的吸油口及粗滤网也应浸在油面以下，但应与底板有一定距离以避免吸入沉淀物。每个补油泵、转向泵或工作系统用泵的吸油口都应尽可能地单独设置低压截止阀，此举对于系统检修、更换元件等工作大有益处。
这些截止阀宜采用不锈钢的球阀而避免使用铜质的产品。液压油箱的放油口应设在便于操作的部位，其在箱内的开口应尽量设在底板的边角处，或在侧面专门钻出紧贴底板的孔口。
放油塞伸入油箱的部分可附装一块强力永久磁铁（如钕铁硼磁铁），有助于吸附清除液压油中的一些铁磁性污物。为探知箱内油面的高低，可装用专门的油位观察窗，这种附件有时还附有温度计。油尺虽然简单，但使用不便还容易带进污物。
早期整机产品使用的液压油箱都采用低碳钢板焊制，内部清理后涂耐油底漆。现在多改用不锈钢板的材质，更有利于保持工作油液的洁净度。
直接利用车架构件内腔作为液压油容器的整体式液压油箱虽然节省了空间，但因制造不便、清洗和维修困难，现今使用的并不多。
静液压驱动装置中用于连结各元器件的管道系统由硬质导管和软管组成。
对它们共同的要求是有足够的耐压强度和必要的安全系数，适应工作介质的温度，流动阻力小，与工作介质接触部位材料的化学性质稳定，不会被介质所腐蚀也不产生对于介质有害的催化作用或其他反应；
在流动工作介质的冲刷下没有污染颗粒产生，具有良好的抗老化性能以及不过分昂贵等。由于静液压驱动装置中在变量泵和马达的主回路油口通径都较大，两者之间通常都不设置全流量的阀组，
所以液压导管的沿程阻力成为系统压力损失的主要来源之一，选择主回路连接管道通径时必须考虑这个因素。
一般应使常用工况下双向管道的总压力降不超过该工况下系统压力的2 - 3%。习用的以流速作为选择管径的标准一般都没有计入了流道长度的因素，在管路较短时不很实用。
设计时也可以直接按照所选变量泵和马达的油口尺寸选择管径，但此法通常都偏于保守。
硬质导管：
硬管应选用内壁光滑无锈、外壁尺寸精确的冷拔无缝钢管或铝管，并尽可能采用冷弯方式加工成型。较长的硬管应排列整齐并使用管夹和支架固定，应避免利用管道兼作承力结构部件和扶手、脚蹬之类使用，除非在整机结构设计时已专门确定。
液压软管：
液压软管主要用于连接在运行中相对位置会发生变化的液压元器件，但很多时候在位置相对固定的元器件之间也需要用到软管。
虽然高压软管的价格是同样通径硬管的十几倍，而且流动阻力损失较大，泄漏等失效的风险也较高，
但是基于隔离振动，阻尼压力脉动，减小元件壳体承受的安装应力等更为重要的一些理由，液压系统中的某些区段中采用软管还是十分必要的，即使是液压泵和马达都安装在相对位置固定的车架上时仍然如此。
特别是在与铝制壳体的泵和马达油口直接联结的那部分管段，应尽可能使用软管。软管的许用压力随管径的增加降低幅度很大，往往造成选型的困难。必要时可用并联几根小通径软管的方式解决。
经验表明，高压软管的失效（爆破、渗漏、接头拔脱等）80%以上是由于接头的联接（扣压）工艺不佳所致，仅有名牌的优质管胚并不能完全代表整个软管总成的品质水平。
在整套液压系统中的各个元器件中，管道可能是占成本比例最低的一部分，但设计和安装时对它们却决不可掉以轻心。
除了大部分令人讨厌的漏油问题都是出自管接头外，由于管内异物未除尽引起的元件早期失效的事故亦非罕见。
特别是闭式油路中，联结泵和马达的一对主油管中的油液是不直接流回油箱的，装配时（包括扣压接头时）遗留在管内的污物也就会长期在回路中循环而给泵及马达的精密配流部件反复造成损伤，一些异物还可能堵塞阀内的孔道致使其功能失效。
这两根主油管之一的爆破会使补油压力骤减为零而使高速旋转着的变量泵由于严重气蚀而迅速损坏。因此为提高这两根管子的品质和可靠性而多花的每一分钱对于确保整个系统的安全运行都是十分值得的。
管道接头：
大中功率的静液压驱动装置中主回路的压力高至42MPa，流量可达200-400 l/min，主回路管路内径一般均在16mm以上。
相关变量液压泵和液压马达使用最多的主油口连接的是米制ISO6162 40MPa级或吋制SAE J518C 6000psi级的矩型可分裂法兰接头，
安装它们时要注意安装螺孔是米制抑或吋制，而且一定要用高强度的螺栓（8.8级以上）紧固，选用内六角头的紧固螺栓在确保强度的同时减小了所需的扳手空间。装配时还一定不要忘了装密封圈。
国内工业液压装置习用的方形法兰接头不仅无法与泵和马达直接连接，在管道中间段和三通之类的连接件上也应避免使用。
对于通径较小的控制和回油、泄油等管道，推荐使用卡套式或由其衍生的类似原理的接头，卡套式接头的弹性预紧力使它在振动环境中有很高的联结可靠性，而且在通径相同的各种接头中外廓尺寸（扳手尺寸）最小。
但这种靠本身变形来实现密封的接头对管道材料品质和制造精度以及装配技能的要求均较高。
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文中提到油路系统中的
污染物来源是哪些？
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