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1、1,第四章 液压执行元件,液压与气压传动,2,本章主要内容为 ：, 液压马达的工作原理与性能参数。, 高速液压马达及低速大扭矩马达。, 液压缸的类型及特点,通过本章的学习，要求掌握这几种马达的工作原理、结构特点、及主要性能特点；了解不同类型的马达之间的性能差异及适用范围，掌握液压缸设计中应考虑的主要问题，包括结构类型的选择和参数计算等，为日后正确选用奠定基础。,3,4.1 液压马达,马达的符号,4,液压马达和液压泵在结构上基本相同，也是靠密封容积的变化进行工作的。常见的液马达也有齿轮式、叶片式和柱塞式等几种主要形式；从转速转矩范围分,可有高速马达和低速大扭矩马达之分。马达和泵在工作原理上是互逆
2、的，当向泵输入压力油时，其轴输出转速和转矩就成为马达。,由于二者的任务和要求有所不同，故在实际结构上只有少数泵能做马达使用。,4.1 液压马达,5,4.1.1 液压马达的主要性能参数,马达轴每转一周，由其密封容腔有效体积变化而排出的液体体积称为马达的排量。,6,容积效率和转速,7,输出转矩,因马达实际存在机械摩擦，故实际输出转矩应考虑机械效率。,8,功率和总效率,由上式可见，液压马达的总效率亦同于液压泵的总效率，等于机械效率与容积效率的乘积。,9,4.1.2 高速液压马达,一般来说，额定转速高于500r/min的马达属于高速马达，额定转速低于500r/min的马达属于低速马达。,高速液压马达基
3、本型式：齿轮式、叶片式和轴向柱塞式等。,它们的主要特点是转速高，转动惯量小，便于启动、制动、调速和换向。通常高速马达的输出转矩不大，最低稳定转速较高，只能满足高速小扭矩工况。,10,柱塞式马达的工作原理,当压力油输入液压马达时，处于压力腔的柱塞被顶出，压在斜盘上，斜盘对柱塞产生反力，该力可分解为轴向分力和垂直于轴向的分力。其中，垂直于轴向的分力使缸体产生转矩。,11,柱塞式马达的扭矩计算,12,柱塞式马达的扭矩计算,13,柱塞式马达的扭矩计算,可以看出，液压马达总的输出转矩等于处在马达压力腔半圆内各柱塞瞬时转矩的总和。 由于柱塞的瞬时方位角呈周期性变化，液压马达总的输出转矩也周期性变化，所以液
4、压马达输出的转矩是脉动的，通常只计算马达的平均转矩。,14,4.1.3 低速大扭矩液压马达,低速大扭矩液压马达是相对于高速马达而言的，通常这类马达在结构形式上多为径向柱塞式,其特点是：最低转速低，大约在510转/分；输出扭矩大，可达几万牛顿米；径向尺寸大，转动惯量大。,它可以直接与工作机构直接联接，不需要减速装置，使传动结构大为简化。低速大扭矩液压马达广泛用于起重、运输、建筑、矿山和船舶等机械上。,低速大扭矩液压马达的基本形式有三种：它们分别是曲柄连杆马达、静力平衡马达和多作用内曲线马达。,15,4.1.3.1 曲柄连杆低速大扭矩液压马达,曲柄连杆式低速大扭矩液压马达应用较早，同类型号为JMZ
5、型，其额定压力16MPa，最高压力21MPa，理论排量最大可达6.140 r/min。,16,马达由壳体、曲柄连杆活塞组件、偏心轴及配油轴组成。壳体1内沿圆周呈放射状均匀布置了五只缸体，形成星形壳体；缸体内装有活塞2，活塞2与连杆3通过球绞连接，连杆大端做成鞍型圆柱瓦面紧贴在曲轴4的偏心圆上，液压马达的配流轴5与曲轴通过十字键连结在一起，随曲轴一起转动，马达的压力油经过配流轴通道，由配流轴分配到对应的活塞油缸。,17,腔通压力油，活塞受到压力油的作用。 腔与排油窗口接通。 受油压作用的柱塞通过连杆对偏心圆中心作用一个力N，推动曲轴绕旋转中心转动，对外输出转速和扭矩； 随着驱动轴、配流轴转动，配
6、流状态交替变化。在曲轴旋转过程中，位于高压侧的油缸容积逐渐增大，而位于低压侧的油缸的容积逐渐缩小，因此，高压油不断进入液压马达，从低压腔不断排出。,18,4.1.3.2 静力平衡式低速大扭矩液压马达,静力平衡式低速大扭矩马达也叫无连杆马达，是从曲柄连杆式液压马达改进、发展而来的，它的主要特点是取消了连杆，并且在主要摩擦副之间实现了油压静力平衡，所以改善了工作性能。,国外把这类马达称为罗斯通（Roston）马达，国内也有不少产品，并已经在船舶机械、挖掘机以及石油钻探机械上使用。,19,液压马达的偏心轴与曲轴的形式相类似，既是输出轴，又是配流轴。五星轮3套在偏心轴的凸轮上，高压油经配流轴中心孔道通
7、到曲轴的偏心配流部分，然后经五星轮中的径向孔进入油缸的工作腔内。,20,4.1.3.3 多作用内曲线马达,液压马达由定子1、转子2、配流轴4与柱塞组3等主要部件组成，定子1的内壁有若干段均布的、形状完全相同的曲面组成。,每一相同形状的曲面又可分为对称的两边，其中允许柱塞副向外伸的一边称为进油工作段，与它对称的另一边称为排油工作段。,21,22,每个柱塞在液压马达每转中往复的次数等于定子曲面数X ，称 X 为该液压马达的作用次数。 Z 个柱塞缸孔，每个缸孔的底部都有一配流窗口，并与它的中心配流轴4相配合的配流孔相通。,配流轴4中间有进油和回油的孔道，它的配流窗口的位置与导轨曲面的进油工作段和回油
8、工作段的位置相对应，所以在配流轴圆周上有2X个均布配流窗口。,23,4.2 液压缸,液压缸的分类,按供油方向分：单作用缸和双作用缸。 按结构形式分：活塞缸、柱塞缸、伸缩套筒缸、摆动液压缸。 按活塞杆形式分：单活塞杆缸、双活塞杆缸。,24,液压缸（油缸）主要用于实现机构的直线往复运动，也可以实现摆动，其结构简单，工作可靠，应用广泛。,液压缸的输入量是液体的流量和压力，输出量是速度和力。 液压缸和液压马达都是液压执行元件， 其职能是将液压能转换为机械能。,25,理想液压缸,26,4.2.1 活塞式液压缸,活塞式液压缸可分为双杆式和单杆式两种结构形式，其安装又有缸筒固定和活塞杆固定两种方式。,4.2
9、.1.1 双杆活塞液压缸,双活塞杆液压缸的活塞两端都带有活塞杆，分为缸体固定和活塞杆固定两种安装形式，如图31所示。,27,因为双活塞杆液压缸的两活塞杆直径相等，所以当输入流量和油液压力不变时，其往返运动速度和推力相等。则缸的运动速度V和推力F分别为：,（3.1）,（3.2）,式中:,、d 分别为活塞直径和活塞杆直径；,q 输入流量；,A活塞有效工作面积。,这种液压缸常用于要求往返运动速度相同的场合。,28,4.2.1.2单活塞杆液压缸,单活塞杆液压缸的活塞仅一端带有活塞杆，活塞双向运动可以获得不同的速度和输出力，其简图及油路连接方式如图3.2所示。,29,无杆腔进油,（3.3）,（3.4）,
10、活塞的运动速度 和推力 分别为:,30,有杆腔进油,活塞的运动速度 和推力 分别为:,（3.5）,（3.6）,31,比较上述各式，可以看出： , ；液压缸往复运动时的速度比为：,（3.7）,上式表明：当活塞杆直径愈小时，速度比接近1，在两个方向上的速度差值就愈小。,32,两腔进油,差动联接,当单杆活塞缸两腔同时通入压力油时，由于无杆腔有效作用面积大于有杆腔的有效作用面积，使得活塞向右的作用力大于向左的作用力，因此，活塞向右运动，活塞杆向外伸出；与此同时，又将有杆腔的油液挤出，使其流进无杆腔，从而加快了活塞杆的伸出速度，单活塞杆液压缸的这种连接方式被称为差动连接。,33,两腔进油,差动联接,（3
11、.8）,（3.9）,在忽略两腔连通油路压力损失的情况下，差动连接液压缸的推力为：,等效,活塞的运动速度为：,34,两腔进油,差动联接,等效,差动连接时,液压缸的有效作用面积是活塞杆的横截面积，工作台运动速度比无杆腔进油时的大，而输出力则较小。,差动连接是在不增加液压泵容量和功率的条件下，实现快速运动的有效办法。,35,差动液压缸计算举例,例3.1：已知单活塞杆液压缸的缸筒内径D=100mm，活塞杆直径d=70mm，进入液压缸的流量q=25min，压力P1=2Mpa，P2=0。液压缸的容积效率和机械效率分别为0.98、0.97，试求在图3.2(a)、(b)、(c)所示的三种工况下，液压缸可推动的
12、最大负载和运动速度各是多少？并给出运动方向。,解：在图3.2（a）中，液压缸无杆腔进压力油，回油腔压力为零，因此，可推动的最大负载为：,液压缸向左运动，其运动速度为：,36,在图3.2（b）中，液压缸为有杆腔进压力油，无杆腔回油压力为零，可推动的负载为：,液压缸向左运动，其运动速度为：,在图3.2（c）中，液压缸差动连接，可推动的负载力为：,液压缸向左运动，其运动速度为：,37,4.2.2 柱塞式液压缸,图3.3柱塞式液压缸,当活塞式液压缸行程较长时，加工难度大,使得制造成本增加。 某些场合所用的液压缸并不要求双向控制,柱塞式液压缸正是满足了这种使用要求的一种价格低廉的液压缸。,38,图3.3
13、柱塞式液压缸,如图3.3（a）所示，柱塞缸由缸筒、柱塞、导套、密封圈和压盖等零件组成，柱塞和缸筒内壁不接触，因此缸筒内孔不需精加工，工艺性好，成本低。,39,柱塞式液压缸是单作用的，它的回程需要借助自重或弹簧等其它外力来完成。如果要获得双向运动，可将两柱塞液压缸成对使用为减轻柱塞的重量，有时制成空心柱塞。,式中：d柱塞直径，p1进油压力，p2另一缸的回油压力。,p1,p2,40,4.2.3 摆动式液压缸,图4.4摆动液压缸,摆动液压缸能实现小于360角度的往复摆动运动，由于它可直接输出扭矩，故又称为摆动液压马达，主要有单叶片式和双叶片式两种结构形式。,41,图4.4摆动液压缸,单叶片摆动液压缸
14、主要由定子块1、缸体2、摆动轴3、叶片4、左右支承盘和左右盖板等主要零件组成。定子块固定在缸体上，叶片和摆动轴固连在一起，当两油口相继通以压力油时，叶片即带动摆动轴作往复摆动。,42,图4.4摆动液压缸,当考虑到机械效率时，单叶片缸的摆动轴输出转矩为,p1,p2,43,图3.4摆动液压缸,q,根据能量守恒原理,结合式(3.10)得输出角速度为,44,q,单叶片摆动液压缸的摆角一般不超过280 ，双叶片摆动液压缸的摆角一般不超过150 。,当输入压力和流量不变时，双叶片摆动液压缸摆动轴输出转矩是相同参数单叶片摆动缸的两倍，而摆动角速度则是单叶片的一半。,45,q,摆动缸结构紧凑，输出转矩大，但密
15、封困难，一般只用于中、低压系统中往复摆动，转位或间歇运动的地方。,46,4.2.4 伸缩式液压缸,伸缩式单作用缸,47,伸缩式液压缸的特点是：活塞杆伸出的行程长，收缩后的结构尺寸小，适用于翻斗汽车，起重机的伸缩臂等。,48,伸缩式双作用缸,缸体两端有进、出油口A和B。当A口进油，B口回油时，先推动一级活塞向右运动。一级活塞右行至终点时，二级活塞在压力油的作用下继续向右运动。,49,50,4.1.5 齿条活塞缸,齿条活塞缸由带有齿条杆的双作用活塞缸和齿轮齿条机构组成，活塞往复移动经齿条、齿轮机构变成齿轮轴往复转动。,图4.6齿条活塞液压缸的结构图 1 紧固螺帽；2 调节螺钉；3 端盖；4 垫圈；
16、5 O形密封圈； 6 挡圈；7 缸套；8 齿条活塞；9 齿轮；l0 传动轴；11 缸体；12 螺钉,51,4.3 液压缸的结构,图 4.9 双作用单活塞杆液压缸结构图 l 缸底；2 卡键；3、5、9、11 密封圈；4 活塞；6 缸筒； 7 活塞杆；8 导向套；10 缸盖；12 防尘圈；13 耳轴,52,图 4.9 双作用单活塞杆液压缸结构图 l 缸底；2 卡键；3、5、9、11 密封圈；4 活塞；6 缸筒； 7 活塞杆；8 导向套；10 缸盖；12 防尘圈；13 耳轴,单活塞杆液压缸主要由缸底1、缸筒6、缸盖10、活塞4、活塞杆7和导向套8等组成。缸筒一端与缸底焊接，另一端与缸盖采用螺纹连接。活塞与活塞杆采用卡键连接。为了保证液压缸的可靠密封，在相应部位设置了密封圈3、5、9、11和防尘圈12。,53,4.3.1.1 缸筒与端
