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1、第四章执行元件第四章执行元件直线运动执行元件的类型、特点和工作原理直线运动执行元件的类型、特点和工作原理液液 压压 缸缸旋转运动执行元件的类型、特点和工作原理旋转运动执行元件的类型、特点和工作原理液压马达液压马达 液压缸将液压能转变为机械能的装置，它将液压能转变为直线运动或液压缸将液压能转变为机械能的装置，它将液压能转变为直线运动或摆动的机械能。摆动的机械能。一、液压缸的分类一、液压缸的分类1.按结构形式分：按结构形式分：活塞缸活塞缸 又分单杆活塞缸、双杆活塞缸又分单杆活塞缸、双杆活塞缸柱塞缸柱塞缸2.按作用方式分：按作用方式分：单作用液压缸单作用液压缸 一个方向的运动依靠液压作用力实现，另一
2、一个方向的运动依靠液压作用力实现，另一个方向依靠弹簧力、重力等实现；个方向依靠弹簧力、重力等实现；双作用液压缸双作用液压缸 两个方向的运动都依靠液压作用力来实现。两个方向的运动都依靠液压作用力来实现。执行元件 概述 液压缸的分类4.1 4.1 概述概述二、双杆活塞缸二、双杆活塞缸 双双双杆活塞缸活塞两侧都有活塞杆伸出，根据安装方式不同又双杆活塞缸活塞两侧都有活塞杆伸出，根据安装方式不同又分为活塞杆固定式和缸筒固定式两种分为活塞杆固定式和缸筒固定式两种。执行元件概述双杆活塞缸双杆活塞缸的速度推力特性双杆活塞缸的速度推力特性v q / A 4 qv /（D 2 d 2） 缸在左右两个方向上输出的速
3、度相等，缸在左右两个方向上输出的速度相等，v为缸的容积效率。为缸的容积效率。F A（p1 p2）m（D 2d 2）（）（p1 p2）m /4缸在左右两个方向上输出的推力相等，缸在左右两个方向上输出的推力相等，m为缸的机械效率。为缸的机械效率。 当缸筒固定时，运动部件当缸筒固定时，运动部件移动范围是活塞有效行程的移动范围是活塞有效行程的三倍；当活塞杆固定时，运三倍；当活塞杆固定时，运动部件移动范围是活塞有效动部件移动范围是活塞有效行程的两倍行程的两倍 。 执行元件概述双杆活塞缸的速度推力特性三、单杆活塞缸三、单杆活塞缸三、单杆活塞缸三、单杆活塞缸单杆活塞缸速度推力特性单杆活塞缸速度推力特性 向右
4、运动速度向右运动速度 v1 qv /A1 4 qv /D 2 向右运动推力向右运动推力 F1 （A1p1 A2p2）m 向左运动速度向左运动速度 v2 qv /A2 4 qv /（D 2 d 2） 向左运动推力向左运动推力 F2 （A2 p1 A1p2）m 往返速比往返速比 v v2 / v11/1（d /D）2 式中式中v为缸的容积效率为缸的容积效率，m为缸的机械效率为缸的机械效率 单杆活塞缸只有一端带单杆活塞缸只有一端带活塞杆，它也有缸筒固定活塞杆，它也有缸筒固定和活塞杆固定两种安装方和活塞杆固定两种安装方式，两种方式的运动部件式，两种方式的运动部件移动范围均为活塞有效行移动范围均为活塞有
5、效行程的两倍。程的两倍。执行元件概述单杆活塞缸差动差动连接连接 单活塞杆缸两腔同时通压单活塞杆缸两腔同时通压力油，称为差动连接。差动连力油，称为差动连接。差动连接的缸只能一个方向运动。图接的缸只能一个方向运动。图示为向右运动。示为向右运动。执行元件概述差动连接n运动速度运动速度 v3（q q）/ A1（q A2v3）/ A1 整理得：整理得：v3 q /（A1A2）4 q /d 2 如果要求如果要求 差动缸向右运动速度差动缸向右运动速度v3非差动连接向左运动速度非差动连接向左运动速度 v2 则则 D =2 1/2 d 活塞推力活塞推力F3 p1（A1A2）m 适用于机床液压系统空载快进工况。适
6、用于机床液压系统空载快进工况。四、柱塞缸四、柱塞缸1. 1. 柱塞缸的特点柱塞缸的特点n 柱塞与缸筒无配合关系，缸筒内孔不需精加工，只是柱柱塞与缸筒无配合关系，缸筒内孔不需精加工，只是柱塞与缸盖上的导向套有配合关系。塞与缸盖上的导向套有配合关系。n 为减轻重量，减少弯曲变形，柱塞常做成空心。为减轻重量，减少弯曲变形，柱塞常做成空心。执行元件概述柱塞缸 柱塞缸只能作单作用缸，要求往复运动时，需成对使用。柱塞缸只能作单作用缸，要求往复运动时，需成对使用。 特别适用在行程较长的场合。特别适用在行程较长的场合。执行元件概述柱塞缸2. 柱塞缸的速度推力特性柱塞缸的速度推力特性 柱塞运动速度柱塞运动速度
7、v qv /A 4 qv /d 2 柱塞推力柱塞推力 F pAmp（d 2 / 4 ）m 式中式中 A 柱塞的有效工作面积柱塞的有效工作面积(m2)； d 柱塞直径柱塞直径(m)； p 缸筒内油液的工作压力缸筒内油液的工作压力(N/m2)； q 输入柱塞缸的油液流量输入柱塞缸的油液流量(m3/s)。五、伸缩液压缸五、伸缩液压缸执行元件概述伸缩液压缸 两个或多个活塞式缸套两个或多个活塞式缸套装而成，前一级活塞缸的活塞装而成，前一级活塞缸的活塞杆是后一级活塞缸的缸筒。各杆是后一级活塞缸的缸筒。各级活塞依次伸出可获得很长的级活塞依次伸出可获得很长的行程，当依次缩回时缸的轴向行程，当依次缩回时缸的轴向
8、尺寸很小。尺寸很小。 除除双作用伸缩液压缸外，双作用伸缩液压缸外，还有单作用伸缩液压缸还有单作用伸缩液压缸。不同。不同点是单作用回程靠外力，而双点是单作用回程靠外力，而双作用靠液压作用力。作用靠液压作用力。六、齿条活塞缸六、齿条活塞缸 齿条活塞缸是活塞缸与齿轮齿条机构组成的复合式缸。它将活塞的直线齿条活塞缸是活塞缸与齿轮齿条机构组成的复合式缸。它将活塞的直线往复运动转变为齿轮的旋转运动，用在机床的进刀机构、回转工作台转位、往复运动转变为齿轮的旋转运动，用在机床的进刀机构、回转工作台转位、液压机械手等液压机械手等。液压缸概述齿条活塞缸七、增压缸七、增压缸液压缸概述齿条活塞缸增压缸是活塞缸与柱塞缸
9、组成的复合缸，但它不是能量转换装置，增压缸是活塞缸与柱塞缸组成的复合缸，但它不是能量转换装置，只是一个增压器件。只是一个增压器件。增压比为大活塞与小柱塞的面积比增压比为大活塞与小柱塞的面积比 KD 2/d 2 小柱塞缸输出的压力小柱塞缸输出的压力 pb paKm增压能力是以降低有效流量为代价的。增压能力是以降低有效流量为代价的。八、摆动式液压缸八、摆动式液压缸八、摆动式液压缸八、摆动式液压缸液压缸摆动缸概述 当通入液压油，它的主轴能输出小于当通入液压油，它的主轴能输出小于360的摆动运动的缸称为的摆动运动的缸称为摆动式液压缸。常用于辅助装置，如送料和转位装置、液压机械手摆动式液压缸。常用于辅助
10、装置，如送料和转位装置、液压机械手及间歇进给机构。及间歇进给机构。 当通入液压油，它的主轴能输出小于当通入液压油，它的主轴能输出小于360的摆动运动的缸称为的摆动运动的缸称为摆动式液压缸。常用于辅助装置，如送料和转位装置、液压机械手摆动式液压缸。常用于辅助装置，如送料和转位装置、液压机械手及间歇进给机构。及间歇进给机构。 双叶片式：摆动角度一般小于双叶片式：摆动角度一般小于150。但在相同条件下，输出转。但在相同条件下，输出转矩是单叶片摆动缸的两倍，输出角速度是单叶片缸的一半。矩是单叶片摆动缸的两倍，输出角速度是单叶片缸的一半。 单叶片式：摆动角度较大，可达单叶片式：摆动角度较大，可达300输
11、出转矩输出转矩 T（R22R12）pmb / 2 输出角速度输出角速度 2qv / b（R22 R12）液压缸摆动缸概述4.2 4.2 液压缸液压缸一、液压缸的典型结构一、液压缸的典型结构1缸底；缸底；2弹簧挡圈；弹簧挡圈；3套环；套环；4卡环；卡环；5活塞；活塞；6O形密封形密封圈；圈；7支承环；支承环；8挡圈；挡圈；9YX 形密封圈；形密封圈；10缸体；缸体；11管接管接头；头；12导向套；导向套；13缸盖；缸盖；14防尘圈；防尘圈；15活塞杆；活塞杆；16定位定位螺钉；螺钉；17耳环耳环液压缸液压缸的典型结构执行元件半半环环连连接接式式 优点优点 缺点缺点1. 1. 结构简单结构简单 键
12、槽使缸筒壁的强度键槽使缸筒壁的强度2. 2. 易装卸易装卸 有所削弱有所削弱 执行元件缸体组件液压缸1.缸体组件缸体组件包括缸筒、缸盖，其结构形式和其使用的材料有关。常用的结构形式有：包括缸筒、缸盖，其结构形式和其使用的材料有关。常用的结构形式有：法法兰兰式式连连接接 优点优点 缺点缺点 1. 1. 结构较简单结构较简单 1. 1. 比螺纹联接重比螺纹联接重2. 2. 易加工易加工 2. 2. 外形较大外形较大 3. 3. 易装卸易装卸执行元件液压缸典型结构液压缸焊焊接接连连接接式式 优点优点 缺点缺点 1. 重量较轻重量较轻 端部结构复杂端部结构复杂2. 外形较小外形较小 装卸要用专门工具装
13、卸要用专门工具拉拉杆杆式式连连接接 优点优点 缺点缺点 1. 缸筒最易加工缸筒最易加工 重量较重，外形尺寸重量较重，外形尺寸2. 最易装卸最易装卸 外形尺寸较大外形尺寸较大3.结构通用性大结构通用性大执行元件液压缸活塞组件2.2.活塞组件活塞组件 液压缸行程较短、且活塞与活塞杆直径相差不多时，可将活塞与液压缸行程较短、且活塞与活塞杆直径相差不多时，可将活塞与活塞杆做成整体，但在大多数情况下，活塞与活塞杆是分开的。在一活塞杆做成整体，但在大多数情况下，活塞与活塞杆是分开的。在一般工作条件下，这两者采用螺纹固定。当缸工作压力较高或负载较大，般工作条件下，这两者采用螺纹固定。当缸工作压力较高或负载较
14、大，而活塞杆直径又较小时，活塞杆的螺纹可能过载；另外工作机械振动而活塞杆直径又较小时，活塞杆的螺纹可能过载；另外工作机械振动较大时，固定活塞的螺母可能松动，因此需采用半环连接或弹簧挡圈较大时，固定活塞的螺母可能松动，因此需采用半环连接或弹簧挡圈连接包括活塞与活塞杆等零件，常见的连接方式有半环式连接、螺纹连接包括活塞与活塞杆等零件，常见的连接方式有半环式连接、螺纹式连接及锥销式连接。式连接及锥销式连接。锥销连接螺纹连接 执行元件密封装置液压缸3.3.密封装置密封装置 有活塞与缸筒、活塞杆与缸盖的密封，用以防止油液的泄漏。一有活塞与缸筒、活塞杆与缸盖的密封，用以防止油液的泄漏。一般要求密封装置应具
15、有良好的密封性、尽可能长的寿命、制造简单、般要求密封装置应具有良好的密封性、尽可能长的寿命、制造简单、拆装方便、成本低。常见的密封装置有间隙密封（依靠运动件间的微拆装方便、成本低。常见的密封装置有间隙密封（依靠运动件间的微小间隙来防止泄漏）、活塞环密封（依靠在活塞上的活塞环在小间隙来防止泄漏）、活塞环密封（依靠在活塞上的活塞环在O形圈形圈弹力作用下贴紧缸壁而防止泄漏）、密封圈密封（有弹力作用下贴紧缸壁而防止泄漏）、密封圈密封（有Y形圈、形圈、V形圈形圈等，利用橡胶和塑料的弹性使各种截面的环形圈贴紧在静、动配合面等，利用橡胶和塑料的弹性使各种截面的环形圈贴紧在静、动配合面之间来防止泄漏）。之间来
16、防止泄漏）。缓冲装置执行元件液压缸4.4.缓冲装置缓冲装置 其作用原理就是当活塞行程到终点而接近缸盖时，增大液压缸其作用原理就是当活塞行程到终点而接近缸盖时，增大液压缸回油阻力，使回油腔中产生足够大的缓冲压力，使活塞减速，从而回油阻力，使回油腔中产生足够大的缓冲压力，使活塞减速，从而防止活塞撞击缸盖。防止活塞撞击缸盖。图图a a) )为为间隙缓冲间隙缓冲，缓冲柱塞进入缸端孔时，孔内油液从柱塞与孔壁间，缓冲柱塞进入缸端孔时，孔内油液从柱塞与孔壁间的环形间隙挤出，形成缓冲压力，吸收惯性引起的机械动能。的环形间隙挤出，形成缓冲压力，吸收惯性引起的机械动能。图图b)b)为为可变节流缓冲可变节流缓冲。缓
17、冲柱塞进入缸端孔时，回油路封闭，迫使回。缓冲柱塞进入缸端孔时，回油路封闭，迫使回油经由缓冲柱塞上的节流口油经由缓冲柱塞上的节流口( (轴向三角槽轴向三角槽) )流出而建立缓冲压力。节流流出而建立缓冲压力。节流口面积随柱塞行程而变化。口面积随柱塞行程而变化。图图c c) )为为可调节缓冲可调节缓冲。缓冲柱塞进入缸端孔时，封闭了回油通路，迫使。缓冲柱塞进入缸端孔时，封闭了回油通路，迫使回油通过一个可调节流阀而建立缓冲压力。回油通过一个可调节流阀而建立缓冲压力。缓冲装置执行元件液压缸执行元件液压缸排气装置5.5.排气装置排气装置 通常有两种：一种是在液压缸的最高部位处开排气孔，并用管道通常有两种：一
18、种是在液压缸的最高部位处开排气孔，并用管道连接排气阀进行排气；另一种是在液压缸的最高部位安放排气塞。连接排气阀进行排气；另一种是在液压缸的最高部位安放排气塞。液压缸执行元件液压缸的设计计算二、液压缸的设计计算二、液压缸的设计计算1. .液压缸设计中应注意的问题液压缸设计中应注意的问题1 1）尽量使活塞杆，在受拉状态）尽量使活塞杆，在受拉状态下承受最大负载。下承受最大负载。2 2）考虑液压缸行程终了处的缓）考虑液压缸行程终了处的缓冲问题和液压缸排气问题。冲问题和液压缸排气问题。3 3）正确确定液压缸的安装、固）正确确定液压缸的安装、固定方式。定方式。4 4）液压缸各部分的结构需根据）液压缸各部分
19、的结构需根据推荐的结构形式和设计标准进行推荐的结构形式和设计标准进行设计。设计。2.液压缸主要尺寸的确定液压缸主要尺寸的确定1）缸筒内径）缸筒内径D 根据负载的大小和选定工根据负载的大小和选定工作压力，依公式计算后，再从作压力，依公式计算后，再从GB2348-80标准中选取。标准中选取。2 2）活塞杆直径）活塞杆直径d d 当速度比当速度比 有要求时，则有要求时，则式中式中 q q 缸所需流量缸所需流量(m(m3 3/s)/s)；v v1 1、v v2 2 活塞的伸出、缩回运动速度活塞的伸出、缩回运动速度 ( (m/sm/s) )。液压缸液压缸的设计计算执行元件3 3）液压缸缸筒长度）液压缸缸
20、筒长度L L 由最大工作行程长度决定。由最大工作行程长度决定。4 4）最小导向长度）最小导向长度 当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到导向当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离。套滑动面中点的距离。 L缸的最大工作行程。 1）缸筒壁厚校核）缸筒壁厚校核 当当 时为薄壁，按下式进行校核时为薄壁，按下式进行校核 式中式中缸筒壁厚；缸筒壁厚； D缸筒内径；缸筒内径； P Py y 缸筒实验压力；缸筒实验压力； 缸筒材料的许用应力。缸筒材料的许用应力。 当缸筒为厚壁时，按下式进行校核当缸筒为厚壁时，按下式进行校核液压缸的设计计算液压缸执行元件3.强度校核强度校核执行元件液压缸的
21、设计计算液压缸2）活塞杆直径校核）活塞杆直径校核式中式中 F活塞杆上的作用力；活塞杆上的作用力； 活塞杆材料的许用应力。活塞杆材料的许用应力。3 3）液压缸盖固定螺栓直径校核）液压缸盖固定螺栓直径校核式中式中 F液压缸总负载；液压缸总负载； z固定螺栓个数；固定螺栓个数； k螺纹拧紧系数，螺纹拧紧系数，k=1.121.5； s材料的屈服极限。材料的屈服极限。= s /（1.22.5)4）缓冲计算）缓冲计算 液压缸在缓冲时，缓冲腔内产生的液压能液压缸在缓冲时，缓冲腔内产生的液压能E1 和工作部件产生和工作部件产生的机械能的机械能E 2分别为分别为 式中式中lc缓冲长度；缓冲长度； pc 缓冲腔中
22、的平均缓冲压力；缓冲腔中的平均缓冲压力； pp高压腔中油液压力；高压腔中油液压力； Ac、 Ap缓冲腔、高压腔的有效工作面积；缓冲腔、高压腔的有效工作面积； m工作部件总质量；工作部件总质量； Vo工作部件运动速度；工作部件运动速度； Ff 摩擦力。摩擦力。 当当E1 =E 2时，工作部件的机械能全部被缓冲腔液体所吸收，则时，工作部件的机械能全部被缓冲腔液体所吸收，则执行元件液压缸液压缸的设计计算4.3 4.3 旋转运动执行元件工作运力、类型和特点旋转运动执行元件工作运力、类型和特点液压马达是将液体压力能转换为机械能的装置液压马达是将液体压力能转换为机械能的装置, ,输出转矩和转速输出转矩和转
23、速，是，是液压系统的执行元件。液压系统的执行元件。马达与泵在原理上有可逆性，但因用途不同结构上有些差别马达与泵在原理上有可逆性，但因用途不同结构上有些差别：马达要：马达要求正反转，其结构具有对称性；而泵为了保证其自吸性能，结构上采求正反转，其结构具有对称性；而泵为了保证其自吸性能，结构上采取了某些措施。取了某些措施。马达的分类：马达的分类：n ns s500r/min 500r/min 为高速液压马达：齿轮马达，叶片马达，轴向柱塞为高速液压马达：齿轮马达，叶片马达，轴向柱塞马达马达n ns s 500r/min 500r/min 为低速液压马达：径向柱塞马达（单作用连杆型为低速液压马达：径向柱
24、塞马达（单作用连杆型径向柱塞马达，多作用内曲线径向柱塞马达）径向柱塞马达，多作用内曲线径向柱塞马达）执行元件旋转运动执行元件工作运力、类型和特点执行元件旋转运动执行元件工作运力、类型和特点齿轮马达一、齿轮马达一、齿轮马达 1. 结构特点结构特点 进出油口相等，有单独的泄油口；进出油口相等，有单独的泄油口； 为减少摩擦力矩，采用滚动轴承；为减少摩擦力矩，采用滚动轴承； 为减少转矩脉动，齿数较泵的齿数多。为减少转矩脉动，齿数较泵的齿数多。由于密封性能差，容积效率较低，不能产生较大的转矩，且瞬时转速和转由于密封性能差，容积效率较低，不能产生较大的转矩，且瞬时转速和转矩随啮合点而变化，因此矩随啮合点而
25、变化，因此仅用于高速小转矩的场合仅用于高速小转矩的场合，如工程机械、农业机，如工程机械、农业机械及对转矩均匀性要求不高的设备。械及对转矩均匀性要求不高的设备。2. 应用应用二、轴向柱塞马达二、轴向柱塞马达应用应用应用应用执行元件旋转运动执行元件工作运力、类型和特点轴向柱塞马达1. 工作原理工作原理 （如图）（如图）2. 结构特点结构特点轴向柱塞泵和轴向轴向柱塞泵和轴向柱塞马达是互逆的。柱塞马达是互逆的。配流盘为对称结构配流盘为对称结构3. 应用应用 作变量马达。作变量马达。改变斜盘倾角，不仅影响马达的转矩，而且影响它的转速和转向，改变斜盘倾角，不仅影响马达的转矩，而且影响它的转速和转向，斜盘倾
26、角越大，产生的转矩越大，转速越低。斜盘倾角越大，产生的转矩越大，转速越低。三、叶片马达三、叶片马达执行元件旋转运动执行元件工作运力、类型和特点叶片马达1. 结构特点结构特点 进出油口相等；进出油口相等； 叶片径向放置；叶片径向放置； 在高低压油腔通入叶片底部。在高低压油腔通入叶片底部。2. 应用应用 转动惯量小，反应灵敏，能适应较高频率的换向。但泄漏大，转动惯量小，反应灵敏，能适应较高频率的换向。但泄漏大，低速时不够稳定低速时不够稳定.适用于转矩小、转速高、机械性能要求不严格的场合。适用于转矩小、转速高、机械性能要求不严格的场合。二、液压马达的特性参数二、液压马达的特性参数 1.工作压力与额定
27、压力工作压力与额定压力工作压力工作压力 p 大小取决于马达负载，马达进出口压力的差值称为马大小取决于马达负载，马达进出口压力的差值称为马达的压差达的压差p。额定压力额定压力 ps 能使马达连续正常运转的最高压力。能使马达连续正常运转的最高压力。执行元件旋转运动执行元件工作运力、类型和特点液压马达的特性参数2. 流量与容积效率流量与容积效率 输入马达的实际流量输入马达的实际流量 qMqMtq其中其中 qMt为理论流量，马为理论流量，马达在没有泄漏时，达在没有泄漏时， 达到要求转速所需进口流量。达到要求转速所需进口流量。容积效率容积效率Mv qMt / qM 1 q / qM 执行元件旋转运动执行元件工作运力、类型和特点特性参数 3.排量与转速排量与转速 排量排量V为为MV等于等于1 时输出轴旋转一周所需油液体积。时输出轴旋转一周所需油液体积。转速转速 n qMt/ V qMMV / V4.转矩与机械效率转矩与机械效率 实际输出转矩实际输出转矩 TTt-T 理论输出转矩理论输出转矩 Ttp VMm/ 2机械效率机械效率MmTM/TMt5.功率与总效率功率与总效率 M PMo/ PMiT 2n/ p qM MvM式中式中 PMo为马达输出功率，为马达输出功率，PMi为马达输入功率。为马达输入功率。
