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1、第四章 液压执行元件的选用,第一节 挖掘机液压执行元件的选用,返回,第一节 挖掘机液压执行元件的选用,一、任务引入 液压挖掘机如图 所示， 主要由液压系统、工作装置、行走装置、发动机和电气控制等部分组成。液压系统由液压泵、控制阀、液压缸、液压马达、管路、油箱等组成。工作装置是直接完成挖掘任务的装置， 它由动臂、斗杆、铲斗等三部分铰接而成。动臂起落、斗杆伸缩和铲斗转动都用往复式双作用液压缸控制。回转与行走装置是液压挖掘机的机体， 转台上部设有动力装置和传动系统。,下一页,返回,第一节 挖掘机液压执行元件的选用,发动机是液压挖掘机的动力源， 液压传动系统通过液压泵将发动机的动力传递给液压缸、液压马
2、达等执行元件， 推动工作装置动作， 主要用于实现机构的直线往复运动， 也可以实现摆动， 从而完成各种作业， 如铲土、提升、回转动作。 二、任务分析 执行元件是把液压能转换为机械能的装置。做直线往复运动的执行元件称为液压缸， 做旋转运动的执行元件称为液压马达。 液压执行元件一般需要根据具体工作要求专门设计， 这点与液压阀等元件有所不同。在挖掘机中， 什么样的液压执行元件能够满足需要呢？,上一页,下一页,返回,第一节 挖掘机液压执行元件的选用,液压缸的合理选择对挖掘机的铲土、提升、回转动作的实现起着十分重要的作用。 三、基本知识 （一） 液压缸的作用与分类 液压缸（俗称油缸） 是将液压能转变成机械
3、能的做直线往复运动（或摆动） 的液压执行元件， 它结构简单， 工作可靠。用它来实现往复运动时， 可免去减速装置， 运动平稳， 因此应用非常广泛。 按运动形式的不同， 液压缸可分为直线往复运动液压缸和摆动液压缸。,上一页,下一页,返回,第一节 挖掘机液压执行元件的选用,按其作用方式不同， 液压缸可分为单作用式液压缸和双作用式液压缸两种。单作用式液压缸中液压力只能使活塞（或柱塞） 单方向运动， 反方向运动必须靠外力（如弹簧力或自重等） 实现； 双作用式液压缸可由液压力实现两个方向的运动。 按结构不同， 液压缸可分为活塞缸、柱塞缸和摆动缸三类。活塞缸和柱塞缸用以实现直线运动， 输出推力和速度； 摆动
4、缸用以实现小于的转动， 输出转矩和角速度。液压缸的分类如表 所示。 活塞缸,上一页,下一页,返回,第一节 挖掘机液压执行元件的选用,活塞缸可分为双杆式和单杆式两种结构， 其固定方式有缸体固定和活塞杆固定两种， 如图 所示。 ） 双杆式活塞缸 （） 双杆式活塞缸的工作原理。 图 所示双杆式活塞缸， 其活塞的两侧都有伸出杆。图 （） 所示为缸体固定式结构简图； 图 （） 所示为活塞杆固定式结构简图。当压力油从进、出油口交替输入液压缸左、右工作腔时， 压力油作用于活塞端面， 驱动活塞（或缸体） 运动， 并通过活塞（或缸体） 带动工作台做直线往复运动。 （） 双杆式活塞缸的特点和应用。,上一页,下一页
5、,返回,第一节 挖掘机液压执行元件的选用,当两活塞杆直径相同、缸两腔的供油压力和流量都相等时， 活塞（或缸体） 两个方向的运动速度和推力也都相等。因此， 这种液压缸常用于要求往复运动速度和负载相同的场合， 如各种磨床。 缸体固定式结构， 其工作台的运动范围略大于缸的有效行程的 倍， 一般用于行程短或小型液压设备上； 活塞杆固定式结构， 其工作台的运动范围略大于缸的有效行程的 倍， 所以工作台运动时所占空间面积较小， 适用于行程长的大、中型液压设备。 设缸的有效工作面积为， 活塞直径为， 活塞杆直径为， 进油压力和流量分别为和， 回油至油箱， 压力近似为零。此时， 推力 和速度 可按下式计算：,
6、上一页,下一页,返回,第一节 挖掘机液压执行元件的选用,） 单杆式活塞缸 （） 单杆式活塞缸的工作原理。 图 所示单杆式活塞缸， 其活塞的一侧有伸出杆， 因此两腔的有效工作面积不相等。 当无杆腔进压力油， 有杆腔回油时， 如图 （） 所示， 活塞推力和运动速度分别为,上一页,下一页,返回,第一节 挖掘机液压执行元件的选用,当有杆腔进压力油， 无杆腔回油时， 如图 （） 所示， 活塞推力 和运动速度分别为,上一页,下一页,返回,第一节 挖掘机液压执行元件的选用,（） 单杆式活塞缸的特点和应用。 比较上面公式可知， ， ， 即无杆腔进压力油工作时， 推力大， 速度低； 有杆腔进压力油工作时， 推力
7、小， 速度高。因此， 单杆式活塞缸常用于一个方向有较大负载但运行速度较低， 另一方向为空载快速退回运动的设备如各种金属切削机床的液压系统。 单杆式活塞缸不论是缸体固定还是活塞杆固定， 工作台的活动范围都略大于缸有效行程的 倍。 单杆式活塞缸的差动连接如图 所示。,上一页,下一页,返回,第一节 挖掘机液压执行元件的选用,当压力油同时进入液压缸的左右两腔， 由于无杆腔工作面积比有杆腔工作面积大， 活塞向右的推力大于向左的推力， 故其向右移动， 这种连接方式称为液压缸的差动连接， 作差动连接的单杆式活塞缸简称为差动缸。差动连接时， 活塞的推力为 若活塞的速度为， 则无杆腔的进油量为 1， 有杆腔的出
8、油量为， 因而有 故,上一页,下一页,返回,第一节 挖掘机液压执行元件的选用,由上面可知， ， ， 这说明单杆活塞缸差动连接时能使运动部件获得较高的速度和较小的推力。因此， 单杆活塞缸还常用于需要实现“快进（差动连接）工进（无杆腔进压力油）快退（有杆腔进压力油）” 工作循环的组合机床等设备的液压系统中。这时， 通常要求“快进” 和“快退” 的速度相等， 即 。由上述公式可知， ， 即 （或 .）。 柱塞缸 由于活塞缸缸体内孔加工精度要求很高， 当缸体较长时加工比较困难， 因而常采用柱塞缸。,上一页,下一页,返回,第一节 挖掘机液压执行元件的选用,（） 柱塞缸的工作原理。 柱塞缸的结构如图 （）
9、 所示， 它由缸筒、柱塞、导向套、压盖和密封圈等零件组成。柱塞与工作部件连接， 缸筒可固定在机体上， 当压力油进入缸筒时， 推动柱塞伸出， 带动运动部件运动。 （） 柱塞缸的特点和应用。 柱塞缸在工作过程中， 柱塞端面受压， 为了能输出较大的推力， 需要较大的端面面积， 因此柱塞一般比较粗重。如水平安装柱塞缸， 柱塞易产生单边磨损， 因此柱塞缸适宜于垂直安装使用。当其水平安装时， 为防止柱塞因自重而下垂， 常制成空心柱塞并设置支承架和托架。,上一页,下一页,返回,第一节 挖掘机液压执行元件的选用,柱塞缸只能实现单向运动（单作用）， 它的回程需借助自重（在立式缸中） 或其他外力（如弹簧力） 来实
10、现。在龙门刨床、导轨磨床、大型拉床等大行程设备的液压系统中， 为了使工作台得到双向运动， 柱塞缸常成对使用， 如图 （） 所示。 柱塞由导向套导向， 与缸筒内壁不接触， 没有配合要求， 因而缸体内孔不需要精加工，工艺性好， 成本低， 特别适用于行程较长的场合。 摆动缸 摆动缸用于将油液的压力能转变为输出轴往复摆动（转动角度小于） 的机械能。,上一页,下一页,返回,第一节 挖掘机液压执行元件的选用,图 所示为单叶片式摆动液压缸， 定子块 由螺钉和柱销固定在缸体 上， 嵌在定子块 槽内的弹簧把密封件压紧在花键轴套的外圆柱面上， 起密封作用。叶片 用螺钉固定在花键轴套上。当压力油进入上面的油孔 时，
11、 推动转子连同花键轴套做顺时针方向旋转， 转子另一侧的回油从下面的油孔排出。如压力油从下面油孔 进入， 转子做逆时针方向旋转。 单叶片式摆动液压缸的摆动角度一般不超过。摆动缸常用于机床的送料装置、间歇进给机构、回转夹具、工业机器人手臂和手腕的回转装置及工程机械回转机构等的液压系统中。 实现往复摆动的液压缸还有齿条活塞缸， 如图 所示。,上一页,下一页,返回,第一节 挖掘机液压执行元件的选用,齿条活塞缸由双活塞带动齿条活塞杆运动， 以带动齿轮及其传动轴运动。它将活塞的直线往复运动转变为齿轮轴的往复摆动。 （二） 液压缸的典型结构 图 所示为双作用单杆式活塞缸的典型结构。它主要有前缸盖、缸筒、后缸
12、盖、活塞 及活塞杆 等零件组成。缸筒 的一端与前缸盖 焊接在一起， 另一端则与后缸盖 采用螺纹连接， 以便拆装检修。进出油口 和 安排在两端， 并且都可进油或回油， 以实现往复直线运动。活塞 用卡环、套环 和弹簧挡圈 等定位连接。活塞 与缸筒 之间采用一对 形密封圈 密封， 形密封圈 用以防止活塞杆 与活塞 内孔配合处的泄漏。,上一页,下一页,返回,第一节 挖掘机液压执行元件的选用,活塞杆 靠导向套 导向， 避免活塞 因受不平衡的侧向力而损伤缸壁和密封件， 同时也能改善活塞杆 运动时的摩擦状况。导向套 的外径和内径都有密封圈密封。后缸盖 上安装有防尘圈， 用以防止活塞杆 缩回时其上面黏附的污物
13、进入缸内。活塞杆 的左端设有缓冲柱塞， 目的是减轻活塞在行程终点对缸盖的撞击。 由上述可知， 液压缸的结构主要包括缸体组件、活塞组件、密封装置、缓冲装置和排气装置五部分组成。 缸体组件 缸体组件包括前后端盖和导向套等。,上一页,下一页,返回,第一节 挖掘机液压执行元件的选用,缸筒和缸盖的常用连接方式有法兰连接、卡环连接和螺纹连接。 活塞组件 活塞组件由活塞、活塞杆和连接件等组成。活塞和活塞杆连接方式主要有整体式结构、焊接式连接、锥销式连接和卡环式连接。 密封装置 ） 密封的作用及意义 在液压传动系统及其元件中， 液压缸的泄漏直接影响到液压缸的工作性能和效率， 甚至使整个系统无法工作， 因此，
14、要求液压缸有良好的密封性能。安置密封装置和密封元件的作用在于防止工作介质泄漏及外界尘埃和异物侵入。,上一页,下一页,返回,第一节 挖掘机液压执行元件的选用,设置于密封装置中、起密封作用的元件称为密封件。 ） 密封的分类 常用的密封方法有间隙密封和密封元件的密封。 间隙密封是靠相对运动部件之间很小的配合间隙来保证密封的。这种密封方法的摩擦力小， 但密封性能差， 加工精度要求较高， 只适用于尺寸较小、压力较低、运动速度较高的场合。 密封元件的密封是液压系统中应用最广泛的一种密封方法， 它是用“” 形、“” 形、“” 形及组合式密封圈密封。 ） 常用的密封元件,上一页,下一页,返回,第一节 挖掘机液
15、压执行元件的选用,常用的密封元件按其断面形状可分为 形密封圈和唇形密封圈， 而唇形密封圈又可分为 形、 形密封圈等。 （） 形密封圈。 形密封圈简称 形圈， 截面呈圆形。 形密封圈一般由耐油橡胶（丁腈橡胶、聚氨酯橡胶等） 制成， 与常用的石油基液压油有良好的相容性。它主要用于静密封和滑动密封， 而在转动密封中用得较少。在用于滑动密封时， 形圈的使用速度要求为. . 。 形密封圈的内、外侧及端部都能起密封作用， 其密封原理如图 所示。当 形圈装入密封槽后， 其截面受压缩变形。,上一页,下一页,返回,第一节 挖掘机液压执行元件的选用,在无液体压力时， 靠 形圈的弹性对接触面产生预接触压力 来实现初始密封， 如图 （）所示； 在密封腔充满压力油后， 在液压力的作用下， 形圈在油压作用下被挤向密封槽的一侧， 封闭了间隙， 同时变形增大，密封面上的压力上升到， 所以 形圈具有良好的密封作用， 如图 （） 所示。 密封圈在安装时必须保证适当的预压缩量。预压缩量过小不能起密封作用， 过大则会使摩擦力增大， 且易损坏。因此， 安装密封圈的沟槽形状、尺寸和表面加工精度必须按有关手册给出的数据进行
