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1、第四章 液压执行元件 液压与气压传动 1 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。 2 4.1 4.1 液压马达液压马达 T 输出参量输出参量 转矩 T 角速度 马达的符号马达的符号 马达 p Q 马达的输入参量马达的输入参量 流量 Q 压力 p 3 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
2、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 4.1 液压马达液压马达 4 工作压力 马达入口油液的实际压力称为马达的工作压力，马 达入口压力和出口压力的差值称为马达的工作压差。 4.1.1 4.1.1 液压马达的主要性能参数液压马达的主要性能参数 流量和排量 马达入口处的流量称为马达的实际流量。马达密封腔 容积变化所需要的流量称为马达的理论流量。实际流量和 理论流量之
3、差即为马达的泄漏量。 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。 5 容积效率和转速 因马达实际存在泄漏，由实际流量 q 计算转速 n 时，应 考虑马达的容积效率 。当液压马达的泄漏流量为 ，马 达的实际流量为 ，则液压马达的容积效率为： （2.29） 马达的输出转速等于理论流量 与排量 的比值，即 （2.30） （2.31） 机械效率 6 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。 设马达的出口压力为零，入口工作压力为p，排量为V ，则马达的理论输出转矩与泵有相同的表达形式,即 （2.32） 马达的实际输出转矩小于理论输出转矩： （2.
4、33） 7 功率和总效率 马达的输入功率为 （2.34） 马达的输出功率为 （2.35） 马达的总效率为 （2.36） 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。 8 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。 9 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
5、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。 10 柱塞式马达的扭矩计算 当压力油输入液压马达后，所产生的轴向分力为： （2.37） 使缸体3产生转矩的垂直分力为： p gg ptgdtgFFt 2 4 =（2.38） 11 柱塞式马达的扭矩计算 单个柱塞产生的瞬时转矩为： （2.39） 液压马达总的输出转矩： （2.40） R 柱塞在缸体的分布圆半径； d 柱塞直径 ； N 压力腔半圆内的柱塞数 12 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
6、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，所以液压马达输出的转矩是 脉动的，通常只计算马达的平均转矩。 13 4.1.3 4.1.3 低速大扭矩液压马达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
7、内曲线马达。 14 4.1.3.1 4.1.3.1 曲柄连杆低速大扭矩液压马达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型，其额定压力16MPa，最高压力21MPa， 理论排量最大可达6.140 r/min。 15 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。 16 腔
8、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。 配流轴过渡 密封间隔的方位 和曲轴的偏心方 向保持一致 17 4.1.3.2 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
9、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。 18 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。 19 4.1.3.3 多作用内曲线马达 缸体 压油口 配油轴 定子 柱塞 回油口 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
10、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。 20 缸体 压油口 配油轴 定子 柱塞 回油口 上死点上死点 上死点上死点 下死下死点点 下死下死点点 21 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。 缸体 压油口 配油轴 定子 柱塞 回油口 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 油工作段和回油工 作段的位置相对应 ，所以在配流轴圆 周上有2X个均布配
11、流窗口。 22 4.2 液压缸 液压缸的分类液压缸的分类 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。 单杆液压缸 双杆液压缸 柱塞式液压缸 23 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。 p1p2 F V d Q A 液压缸 压力p 流量Q 液压功率 作用力F 速度V 机械功率 24 理想液压缸 理想单杆液压缸 PQ
12、=Pv 理想双杆液压缸 PQ=Pv 理想油缸 数学模型 / () A 单位位移排量 油缸有效工作面积 _ A AQv PF vFQP = = = 25 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。 4.2.1.1 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。 (a)缸筒固定式 (b)活塞杆固定式 26 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
13、 : 、分别为缸的进、回油压力； 分别为缸的容积效率和机械效率；、 、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。 27 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。 (a)无杆腔进油 D d q (b)有杆腔进油 q 28 无杆腔进油 （3.3） （3.4） 活塞的运动速度 和推力 分别为: (a)无杆腔进油 D d q 29 有杆腔进油 活塞的运动速度 和推力 分别为: (b)有杆腔进油 q （3.5 ） （3.6）
14、 30 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。 (a)无杆腔进油 D d q (b)有杆腔进油 q 31 两腔进油, 差动联接 (c)差动联接 q 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。 32 两腔进油,差动联接 (c)差动联接 q （3
15、.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： q 等效 活塞的运动速度为： 33 两腔进油,差动联接 (c)差动联接 q q 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。 34 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
16、)、(c)所示的三种工况下， 液压缸可推动的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： 35 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： 36 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。 37 图3.3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 ，
