第3章液壓執(zhí)行元件課件

液壓缸的分類液壓缸的結(jié)構(gòu)液壓缸的設(shè)計液壓馬達的分類高速液壓馬達低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達本章主要內(nèi)容為：第三章液壓執(zhí)行元件液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件是把液體壓力能轉(zhuǎn)換成機械能以驅(qū)動工作機構(gòu)的元件，包括液壓缸和液壓馬達。液壓缸可以實現(xiàn)直線運動或者往復(fù)擺動。液壓缸的輸入量是液體的流量和壓力，輸出量是速度和力。液壓馬達可以實現(xiàn)連續(xù)的轉(zhuǎn)動。液壓馬達的輸入量是液體的流量和壓力，輸出量是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。3.1液壓缸的分類圖3.1液壓缸實物圖3.2液壓挖掘機

液壓缸（油缸）具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、工作可靠、維修方便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各類液壓系統(tǒng)。按運動形式的不同分：往復(fù)直線運動液壓缸和擺動液壓缸。按供油方向分：單作用式液壓缸和雙作用式液壓缸。按結(jié)構(gòu)形式分：活塞缸、柱塞缸、擺動缸、組合缸等。

液壓缸的分類3.1.1活塞式液壓缸活塞式液壓缸可分為雙活塞桿式和單活塞桿式兩種結(jié)構(gòu)形式，其安裝方式又分缸筒固定和活塞桿固定兩種。3.1.1.1雙活塞桿式液壓缸

雙活塞桿液壓缸的活塞兩端都帶有活塞桿。原理動畫原理動畫

通常雙活塞桿液壓缸的兩活塞桿直徑相等，即其左右兩腔的有效工作面積相等，所以當輸入流量和油液壓力不變時，其往返運動速度和推力相等。則液壓缸的運動速度v和推力F分別為：3.1.1.2單活塞桿式液壓缸

單活塞桿液壓缸的活塞僅一端帶有活塞桿，活塞雙向運動可以獲得不同的速度和推力。單杠活塞缸動畫-1.avi(1)無桿腔進油活塞的運動速度v1和F1分別為:(2)有桿腔進油活塞的運動速度v2和F2分別為:比較上述各式，可得：v1<v2，F(xiàn)1>F2。作為液壓缸的設(shè)計參數(shù)，定義液壓缸往復(fù)運動的速度比為：

(3)差動連接

當單桿活塞缸兩腔同時通入壓力油時，由于無桿腔有效作用面積大于有桿腔的有效作用面積，使得活塞向右的作用力大于向左的作用力，活塞向右運動，活塞桿外伸；同時，又將有桿腔的油液擠出，與液壓泵輸送來的壓力油一起流進無桿腔，從而加快了活塞桿的伸出速度，單活塞桿液壓缸的這種連接方式稱為差動連接。原理動畫進入無桿腔的流量：活塞的運動速度為：在忽略兩腔連通油路壓力損失的情況下，差動連接液壓缸的推力為：差動連接能夠在不增加泵流量的條件下，實現(xiàn)液壓缸的快速運動。

[例3.1]：

假設(shè)有一雙作用單桿活塞缸，要求其差動快進和快退(有桿腔進油，無桿腔回油)時速度均為0.1m/s；若供油流量為30.2L/min，不計摩擦損失和泄漏，試確定活塞與活塞桿的直徑。液壓缸計算舉例解：差動快進時：所以：快退時：由v1＝v2得：即：所以：活塞式液壓缸3.1.2柱塞式液壓缸

柱塞缸由缸筒、柱塞、導(dǎo)套、密封圈和壓蓋等零件組成，柱塞套在導(dǎo)套里，和缸筒內(nèi)壁不接觸，因此缸筒內(nèi)孔不需精加工，制造成本低。

柱塞式液壓缸是單作用的，回程需借助自重或彈簧力或其它力來完成。如果要獲得雙向運動，可將兩柱塞液壓缸成對使用，如圖3.6(b)所示，每個柱塞缸控制一個方向的運動。原理動畫原理動畫3.1.3擺動式液壓缸

擺動液壓缸又稱為擺動液壓馬達，能實現(xiàn)小于360°的往復(fù)擺動，輸出扭矩。主要有單葉片式、雙葉片式和三葉片式三種結(jié)構(gòu)形式。

原理動畫在相同體積下，當輸入油液壓力和流量不變時，隨著葉片數(shù)的增加，輸出轉(zhuǎn)矩相應(yīng)增加，而擺動角速度則相應(yīng)減小。輸出角速度為：單葉片缸的擺動軸輸出轉(zhuǎn)矩為1—葉片；2—缸體；3—擺動軸；4—隔板；5—端蓋；6—密封件；7—端蓋3.1.4組合式液壓缸3.1.4.1伸縮缸：

伸縮缸又稱多級缸，它由兩級或多級活塞缸套裝而成。圖3.8所示為兩級伸縮式液壓缸的結(jié)構(gòu)圖，它由兩級活塞缸組成。原理動畫3.1.4.2增壓缸圖3.9增壓液壓缸工作原理增壓液壓缸又稱增壓器?？蓪⒌蛪河娃D(zhuǎn)變?yōu)楦邏河凸┬枰邏旱挠吐肥褂谩Ｓ苫钊氖芰ζ胶饪傻?/p>

(3.1)(3.2)增壓缸使輸出的壓力增高，但輸出的流量卻相應(yīng)減小，所以增壓缸只能增壓，不能增功率。原理動畫3.1.4.3齒條活塞缸圖3.10齒條活塞液壓缸結(jié)構(gòu)圖1—緊固螺帽；2—調(diào)節(jié)螺釘；3—端蓋；4—墊圈；5—O形密封圈；6—擋圈；7—缸套；8—齒條活塞；9—齒輪；l0—傳動軸；11—缸體；12—螺釘齒條活塞缸由帶有齒條桿的雙作用活塞缸和齒輪齒條機構(gòu)組成。當液壓缸左腔進油右腔回油時，齒條活塞向右運動，齒條帶動齒輪逆時針旋轉(zhuǎn)；進回油反向，齒輪則順時針旋轉(zhuǎn)。齒條活塞液壓缸原理動畫qω3.2液壓缸的結(jié)構(gòu)根據(jù)液壓缸各部分的結(jié)構(gòu)特點和功能，可將其劃分為缸筒組件、活塞組件、密封裝置、緩沖裝置、排氣等五個部分。圖3.11雙作用單活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)圖l—缸底；2—卡鍵；3、5、9、11—密封圈；4—活塞；6—缸筒；7—活塞桿；8—導(dǎo)向套；10—缸蓋；12—防塵圈；13—耳軸3.2.1缸體組件3.2.1.1缸筒組件的基本要求缸體組件包括缸筒和缸蓋。缸筒是液壓缸的主體，其內(nèi)孔一般采用鏜削、絞孔、滾壓或珩磨等精密加工工藝制造，使活塞及其密封件、支承件能夠在其中順利滑動和保證密封效果。端蓋裝在缸筒兩端，與缸筒形成封閉油腔，也承受很大的液壓力，所以端蓋及其連接件都應(yīng)有足夠的強度。導(dǎo)向套對活塞桿或柱塞起導(dǎo)向和支承作用，一般用耐磨性較好、摩擦系數(shù)較小的鋁錫青銅制成。3.2.1.2缸筒和缸蓋的連接方式圖3.12缸筒與缸蓋的連接形式(a)法蘭式；(b)外半環(huán)式；(c)外螺紋式；(d)拉桿式；(e)焊接式

3.2.1.3缸筒的安裝固定方式液壓缸的安裝固定方式有：底座型、軸銷型、法蘭型、耳環(huán)型及球頭型等。圖3.13缸筒的安裝固定形式(a)尾部法蘭型；(a)中間銷軸型；(c)尾部雙耳環(huán)型；(d)軸向底座型；(e)尾部球頭型3.2.2活塞組件活塞組件由活塞、密封件、活塞桿和連接件等組成?；钊c活塞桿的常用方式有螺紋式、半環(huán)式、整體式結(jié)構(gòu)、焊接式結(jié)構(gòu)、錐銷式連接等。圖3.14活塞與活塞桿的連接形式a)1—活塞桿；2—活塞；3—密封圈；4—彈簧圈；5—螺母b)1—卡鍵；2—套環(huán)；3—彈簧卡圈3.2.3密封裝置密封裝置是液壓系統(tǒng)中必不可少的組成部分，其作用是防止液壓系統(tǒng)中工作介質(zhì)的內(nèi)、外泄漏以及外界雜質(zhì)侵入液壓系統(tǒng)。3.2.4緩沖裝置當液壓缸帶動質(zhì)量較大的部件作快速運動時，由于運動部件慣性較大，當活塞運動到液壓缸終端時，會與端蓋發(fā)生機械碰撞，引起沖擊和噪聲，甚至造成液壓缸或者被驅(qū)動件的損害，所以應(yīng)采取緩沖措施。一般在液壓缸中設(shè)置緩沖裝置，必要時還需在液壓系統(tǒng)中設(shè)計緩沖回路。緩沖裝置的原理是當活塞或者缸筒接近行程終點時，在回油腔內(nèi)增大回油阻力，從而降低速度，避免活塞與缸蓋相撞。3.2.5排氣裝置對于速度穩(wěn)定性要求較高的液壓缸和大型液壓缸，常在液壓缸的最高處設(shè)置專門的排氣裝置，如排氣孔、排氣閥等。對于要求不高的液壓缸，可在液壓缸的最高處設(shè)置進出油口把氣帶走。圖3.15

液壓缸緩沖裝置(a)環(huán)形間隙式；(b)可調(diào)節(jié)流孔式；(c)可變節(jié)流槽式；3.3液壓缸的設(shè)計液壓缸的設(shè)計是在對液壓系統(tǒng)完成工況分析、負載計算和確定了系統(tǒng)工作壓力的基礎(chǔ)上進行的。首先根據(jù)使用要求確定液壓缸的結(jié)構(gòu)形式和安裝方式，再按負載和運動速度和行程要求確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，必要時需對部分零件進行強度、剛度、穩(wěn)定性驗算，最后完成結(jié)構(gòu)設(shè)計。液壓缸的主要尺寸包括液壓缸的內(nèi)徑D、活塞桿直徑d和缸的行程L。3.3.1液壓缸主要尺寸的確定計算缸筒內(nèi)徑時，要考慮設(shè)備的類型。對于動力較大的機床要滿足對牽引力的要求，計算時以力為主；對于輕載高速的機床要滿足速度的要求，計算時以速度為主。液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d可根據(jù)最大總負載和選取的工作壓力來定，對單桿缸而言，無桿腔進油并不考慮機械效率時

(3.1)有桿腔進油且不考慮機械效率時

(3.2)取回油背壓p2=0時，可簡化上面兩式，即無桿腔進油時

(3.3)有桿腔進油時(3.23)對有桿腔進油時的活塞桿直徑d，可根據(jù)其壓力選取，見表3.1；當液壓缸的往復(fù)速度比有要求時(往復(fù)速度比推薦值見表3.2)還可以由下式計算d，即(3.24)

計算出的液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d應(yīng)該圓整為標準系列。液壓缸長度L要綜合考慮活塞長度、活塞最大行程、導(dǎo)向套長度、活塞桿密封長度及其它一些裝置(如緩沖裝置)長度后才能得出。其中，活塞長度B=(0.6～1)D，導(dǎo)向套長度C：當D﹤80mm時，C=(0.6～1.5)D；當D≥80mm時，C=(0.6～1)d。液壓缸長度L應(yīng)盡量采用國家標準規(guī)定的標準系列值。一般液壓缸缸體長度L不大于缸內(nèi)徑D的20倍。3.3.2液壓缸強度和剛度校核(1)缸筒的壁厚校核:

在低壓系統(tǒng)或者當缸筒內(nèi)徑和壁厚δ之比D/δ＞10時，為薄壁缸筒，按下式校核:

式中，Py為試驗壓力，當缸的額定壓力Pn≤16MPa時，取Py＝1.5Pn

；

Pn>16MPa時，取Py

＝1.25Pn；[σ]——缸筒材料的許用應(yīng)力，為材料抗拉強度，n為安全系數(shù)，一般取n=5。當D/δ<10時為厚壁缸筒，可按下式校核

(2)活塞桿強度及穩(wěn)定性校核

活塞桿強度按下列公式校核:式中，F(xiàn)為活塞桿上的作用力；[σ]為活塞桿上的許用應(yīng)力，

當活塞桿長徑比

L/d≥10時稱為細長桿，其受壓時軸向力超過某一臨界值時會失去穩(wěn)定性，因此需進行穩(wěn)定性校核，詳細過程可查閱液壓設(shè)計手冊。3.4液壓馬達的分類3.4.1液壓馬達的分類

液壓馬達根據(jù)排量是否可變，分為定量馬達和變量馬達。按照排油方向分，進出油口不變的是單向馬達，進出油口可交換的是雙向液壓馬達。液壓馬達的分類按其結(jié)構(gòu)類型分:齒輪式、葉片式、柱塞式和螺桿式等。按液壓馬達的額定轉(zhuǎn)速分:高速和低速兩大類。高速液壓馬達的基本型式有齒輪式、螺桿式、葉片式和軸向柱塞式等。低速液壓馬達的基本型式是徑向柱塞式。3.4.2液壓馬達的主要性能參數(shù)(1)壓力液壓馬達入口油液的實際壓力稱為馬達的工作壓力。馬達入口壓力和出口壓力的差值稱為馬達的工作壓差。(2)排量馬達軸每轉(zhuǎn)一周，由其密封容腔有效體積變化而排出的液體體積稱為馬達的排量。(3)流量

馬達入口處的流量稱為馬達的實際流量，字母q表示。馬達密封腔容積變化所需要的流量稱為馬達的理論流量，用字母qt表示。實際流量和理論流量之差即為馬達的泄漏量，用字母Δq表示。則(4)功率馬達的輸入功率為:式中

是馬達的進、出油口壓強差值；q為輸入馬達的流量。馬達的輸出功率為:(5)效率馬達的總效率為:3.5高速液壓馬達葉片式液壓馬達外形尺寸小、轉(zhuǎn)動慣量小、動作靈敏、可適用于換向頻率較高的場合；缺點是泄漏量較大、不能在很低的轉(zhuǎn)速下工作。因此葉片式液壓馬達一般用于高轉(zhuǎn)速、小轉(zhuǎn)矩小和動作要求靈敏的液壓系統(tǒng)中。3.5.1葉片式液壓馬達原理動畫3.4.2軸向柱塞式液壓馬達

軸向柱塞馬達的結(jié)構(gòu)基本上與同類型的液壓泵相似，斜盤和配流盤固定不動，柱塞在缸體的孔內(nèi)移動。齒輪馬達原理動畫3.6.1曲柄連桿式液壓馬達

曲柄連桿徑向柱塞式液壓馬達其結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，價格較低，但體積較大，低速穩(wěn)定性較差。斯達發(fā)（Staffa）3.6低速大扭矩液壓馬達原理動畫液壓馬達的偏心軸與曲軸的形式相類似，既是輸出軸，又是配流軸。五星輪3套在偏心軸的凸輪上，高壓油經(jīng)配流軸中心孔道通到曲軸的偏心配流部分，然后經(jīng)五星輪中的徑向孔進入油缸的工作腔內(nèi)。3章動畫\靜力平衡式低速大扭矩液壓馬達原理動畫.swf動畫靜力平衡式低速大扭矩液壓馬達

羅斯通(Roston)

3.6.2徑向球塞液壓馬達

圖3.20是QJM型徑向球塞式液壓馬達的結(jié)構(gòu)原理圖，該型馬達是多作用內(nèi)曲線式低速大扭矩馬達，為軸轉(zhuǎn)型馬達。轉(zhuǎn)子壓油口配流軸定子柱塞回油口上死點上死點下死點下死點

[3.1]活塞式液壓缸有幾種形式？有什么特點？它們分別用在什么場合？[3.2]已知單活塞桿液壓缸的缸筒內(nèi)徑D=100mm，活塞桿直徑d=80