学习情境3 全液压钻机液压系统的构建任务任务1全液压钻机液压马达的选用全液压钻机液压马达的选用 任务任务2 压力控制阀选用压力控制阀选用 任务任务3 流量控制阀的选用流量控制阀的选用 任务任务4 全液压钻机液压系统的构建全液压钻机液压系统的构建 主要内容任务任务1 全液压钻机液压系统的构建全液压钻机液压系统的构建 能力目能力目标标 知识知识目标目标掌握液压马达的工作原理及特点掌握液压马达的工作原理及特点 掌握液压马达主要性能参数掌握液压马达主要性能参数 能正确选用液压马达能正确选用液压马达 教学目标教学目标任务导入任务导入图3-1架柱式全液压钻机图3-1所示为一种架柱式全液压钻机，它是通过钻杆和钻头旋转、动力头前进和后退完成钻孔作业的在钻孔作业过程中，全液压钻机的是靠什么执行元件来实现钻杆和钻头的旋转的呢？任务分析任务分析对于全液压钻机，一般要求具有钻进能力大，对于全液压钻机，一般要求具有钻进能力大，钻进速度快，操作简单，工作稳定可靠，移动安钻进速度快，操作简单，工作稳定可靠，移动安装方便和安全显然选择适当的液压马达，通过装方便和安全显然选择适当的液压马达，通过液压马达来驱动钻杆和钻头，来完成钻机的钻孔液压马达来驱动钻杆和钻头，来完成钻机的钻孔任务是很好的决策。
任务是很好的决策 相关知识相关知识液压马达是液压执行元件，它和液压缸一样，都是将液体的压力能转变为机械能输出，驱动工作机构做工液压马达能实现连续的旋转运动，输出扭矩和转速一、液压马达的特点及分类一、液压马达的特点及分类液压马达和液压泵在结构类型上的分类一样，有齿轮式、叶片式、柱塞式和螺杆式等基本型式液压马达按其额定转速分为高速和低速两大类，额定转速高于500r/min的属于高速液压马达，额定转速低于500r/min的属于低速液压马达高速液压马达的基本型式有齿轮式、螺杆式、叶片式和轴向柱塞式等它们的主要特点是转速较高、转动惯量小，便于启动和制动，调速和换向的灵敏度高通常高速液压马达的输出转矩不大（仅几十Nm到几百Nm），所以又称为高速小转矩液压马达低速液压马达的基本型式是径向柱塞式，例如单作用曲轴连杆式、液压平衡式和多作用内曲线式等此外在轴向柱塞式、叶片式和齿轮式中也有低速的结构型式低速液压马达的主要特点是排量大、体积大、转速低（有时可达每分种几转甚至零点几转），因此可直接与工作机构连接，不需要减速装置，使传动机构大为简化，通常低速液压马达输出转矩较大（可达几千Nm到几万Nm），所以又称为低速大转矩液压马达。
职能符号图：1.排量、流量和容积效率排量、流量和容积效率二、液压马达的性能参数二、液压马达的性能参数习惯上将马达的轴每转一周，按几何尺寸计算所进入的液体容积，称为马达的排量V，有时称之为几何排量、理论排量，即不考虑泄漏损失时的排量液压马达的排量表示出其工作容腔的大小，它是一个重要的参数因为液压马达在工作中输出的转矩大小是由负载转矩决定的但是，推动同样大小的负载，工作容腔大的马达的压力要低于工作容腔小的马达的压力，所以说工作容腔的大小是液压马达工作能力的主要标志，也就是说，排量的大小是液压马达工作能力的重要标志2022/6/2根据液压执行元件的工作原理可知，马达转速n、理论流量qi与排量V之间具有下列关系（3-1）式中ql为理论流量，m3/s；n转速，r/min； V排量，m3/s为了满足转速要求，马达实际输入流量q大于理论输入流量，则有：（3-2）式中q泄漏流量所以得实际流量（3-3）（3-4）2022/6/22.液压马达输出的理论转矩液压马达输出的理论转矩根据排量的大小，可以计算在给定压力下液压马达所能输出的转矩的大小，也可以计算在给定的负载转矩下马达的工作压力的大小当液压马达进、出油口之间的压力差为P，输入液压马达的流量为q，液压马达输出的理论转矩为Tl，角速度为，如果不计损失，液压马达输入的液压功率应当全部转化为液压马达输出的机械功率，即：（3-5）又因为=2n，所以液压马达的理论转矩为：（3-6）式中P马达进出口之间的压力差。
2022/6/23.液压马达的机械效率液压马达的机械效率由于液压马达内部不可避免地存在各种摩擦，实际输出的转矩T总要比理论转矩Tl小些，即：（3-7）（3-8）式中m液压马达的机械效率液压马达的启动机械效率m0 液压马达的启动机械效率是指液压马达由静止状态起动时，马达实际输出的转矩T0与它在同一工作压差时的理论转矩Tl之比即：2022/6/2液压马达的启动机械效率表示出其启动性能的指标因为在同样的压力下，液压马达由静止到开始转动的启动状态的输出转矩要比运转中的转矩大，这给液压马达带载启动造成了困难，所以启动性能对液压马达是非常重要的，启动机械效率正好能反映其启动性能的高低启动转矩降低的原因，一方面是在静止状态下的摩擦因数最大，在摩擦表面出现相对滑动后摩擦因数明显减小，另一方面也是最主要的方面是因为液压马达静止状态润滑油膜被挤掉，基本上变成了干摩擦一旦马达开始运动，随着润滑油膜的建立，摩擦阻力立即下降，并随滑动速度增大和油膜变厚而减小实际工作中都希望启动性能好一些，即希望启动转矩和启动机械效率大一些现将不同结构形式的液压马达的启动机械效率m0的大致数值列入表3-1中 由表3-1可知，多作用内曲线马达的启动性能最好，轴向柱塞马达、曲轴连杆马达和静压平衡马达居中，叶片马达较差，而齿轮马达最差。
2022/6/2表3-1液压马达的启动机械效率液压马达的结构形式液压马达的结构形式启动机械效率启动机械效率m0/%齿轮马达齿轮马达老结构老结构0.600.80新结构新结构0.850.88叶片马达叶片马达高速小扭矩型高速小扭矩型0.750.85轴向柱塞马达轴向柱塞马达滑履式滑履式0.800.90非滑履式非滑履式0.820.92曲轴连杆马达曲轴连杆马达老结构老结构0.800.85新结构新结构0.830.90静压平衡马达静压平衡马达老结构老结构0.800.85新结构新结构0.830.90多作用内曲线马达多作用内曲线马达由由横横梁梁的的滑滑动动摩摩擦擦副副传传递递切切向力向力0.900.94传传递递切切向向力力的的部部位位具具有有滚滚动动副副0.950.982022/6/24.液压马达的转速液压马达的转速液压马达的转速取决于供液的流量和液压马达本身的排量V，可用下式计算：（3-9）（3-10）式中nl理论转速，r/min由于液压马达内部有泄漏，并不是所有进入马达的液体都推动液压马达做功，一小部分因泄漏损失掉了所以液压马达的实际转速要比理论转速低一些式中n液压马达的实际转速，r/min； v液压马达的容积效率。
2022/6/25.最低稳定转速最低稳定转速最低稳定转速是指液压马达在额定负载下，不出现爬行现象的最低转速所谓爬行现象，就是当液压马达工作转速过低时，往往保持不了均匀的速度，进入时动时停的不稳定状态液压马达在低速时产生爬行现象的原因是：（1）摩擦力的大小不稳定通常的摩擦力是随速度增大而增加的，而对静止和低速区域工作的马达内部的摩擦阻力，当工作速度增大时非但不增加，反而减少，形成了所谓“负特性”的阻力另一方面，液压马达和负载是由液压油被压缩后压力升高而被推动的，因此，可用图3-2（a）所示的物理模型表示低速区域液压马达的工作过程：以匀速v0推弹簧的一端（相当于高压下不可压缩的工作介质），使质量为m的物体（相当于马达和负载质量、转动惯量）克服“负特性”的摩擦阻力而运动当物体静止或速度很低时阻力大，弹簧不断压缩，增加推力只有等到弹簧压缩到其推力大于静摩擦力时才开始运动一旦物体开始运动，阻力突然减小，物体突然加速跃动，其结果又使弹簧的压缩量减少，推力减小，物体依靠惯性前移一段路程后停止下来，直到弹簧的移动又使弹簧压缩，推力增加，物体就再一次跃动为止，形成如图3-2（b）所示的时动时停的状态，对液压马达来说，这就是爬行现象。
2022/6/2图3-2液压马达爬行的物理模型（2）泄漏量大小不稳定液压马达的泄漏量不是每个瞬间都相同，它也随转子转动的相位角度变化作周期性波动由于低速时进入马达的流量小，泄漏所占的比重就增大，泄漏量的不稳定就会明显地影响到参与马达工作的流量数值，从而造成转速的波动当马达在低速运转时，其转动部分及所带的负载表现出的惯性较小，上述影响比较明显，因而出现爬行现象实际工作中，一般都期望最低稳定转速越小越好2022/6/26.最高使用转速最高使用转速液压马达的最高使用转速主要受使用寿命和机械效率的限制，转速提高后，各运动副的磨损加剧，使用寿命降低，转速高则液压马达需要输入的流量就大，因此各过流部分的流速相应增大，压力损失也随之增加，从而使机械效率降低对某些液压马达，转速的提高还受到背压的限制例如曲轴连杆式液压马达，转速提高时，回油背压必须显著增大才能保证连杆不会撞击曲轴表面，从而避免了撞击现象随着转速的提高，回油腔所需的背压值也应随之提高但过分的提高背压，会使液压马达的效率明显下降为了使马达的效率不致过低，马达的转速不应太高2022/6/27.调速范围调速范围液压马达的调速范围用最高使用转速和最低稳定转速之比表示，即：（3-11）三、液压马达的工作原理三、液压马达的工作原理常用的液压马达的结构与同类型的液压泵很相似，下面对齿轮马达、叶片马达、轴向柱塞马达和摆动马达的工作原理作一介绍。
图3-3外啮合齿轮马达的工作原理1.齿轮马达齿轮马达图3-3为外啮合齿轮马达的工作原理图，l为转矩输出齿轮，其节圆半径R1；II为空转齿轮，其节圆半径R2；啮合点C到两齿轮中心的距离分别为Rc1和Rc2当高压油（压力为ph）输入马达时处于高压腔内的轮齿受到压力油作用出于Rc1Ra1，Rc2Ra2，故互相啮合的两个齿面只有部分处于高压腔这样使液压作用于两个处于高压腔的轮齿上的转矩不相等若对两齿轮产生的有效推动转矩分别为T1、T2；同埋，处于低压腔的轮齿上的转矩也不相等，其产生的有效推动转矩为反方向转矩T1、T2此时齿轮I上的不平衡转矩T1T1- T1，齿轮II上的不平衡转矩为T2T2- T2所以马达输出轴上产生总转矩为，从而克服负载转矩而按技图中箭头所示方向旋转，随着齿轮旋转油液从高压腔被带到低压腔排出2.叶片马达叶片马达图3-4叶片马达的工作原理图图3-4所示为叶片液压马达的工作原理图2022/6/2当压力为p的油液从进油口进入叶片1和3之间时，叶片2因两面均受液压油的作用所以不产生转矩叶片1、3上，一面作用有压力油，另一面为低压油由于叶片3伸出的面积大于叶片1伸出的面积，因此作用于叶片3上的总液压力大于作用于叶片1上的总液压力，于是压力差使转子产生顺时针的转矩。
同样道理，压力油进入叶片5和7之间时，叶片7伸出的面积大于叶片5伸出的面积，也产生顺时针转矩这样，就把油液的压力能转变成了机械能，这就是叶片马达的工作原理当输油方向改变时，液压马达就反转当定子的长短径差值越大，转子的直径越大，以及输入的压力越高时，叶片马达输出的转矩也越大在图3-4中，叶片2、4、6、8两侧的压力相等，无转矩产生叶片3、7产生的转矩为T1，方向为顺时针方向假设马达出口压力为零，则：（3-12）2022/6/2式中B叶片宽度；R1定子长半径；r转子半径； p马达的进口压力叶片1、5产生的转矩为T2，方向为逆时针方向，则：（3-13）由式（3-12）、式（3-13）看出，对结构尺寸已确定的叶片马达，其输出转矩T决定于输入油液的压力2022/6/2由叶片泵的理论流量ql的公式：得：（3-14）式中ql液压马达的理论流量，ql=qv；q液压马达的实际流量，即进口流量由式（3-14）看出，对结构尺寸已确定的叶片马达，其输出转速n决定于输入油的流量叶片马达的体积小，转动惯量小，因此动作灵敏，可适应的换向频率较高但泄漏较大，不能在很低的转速下工作，因此，叶片马达一般用于转速高、转矩小和动作灵敏的场合。
3.轴向柱塞马达轴向柱塞马达图3-5斜盘式轴向柱塞马达的工作原理。