液壓與氣壓傳動03液壓執(zhí)行元件

液壓執(zhí)行元件是將液壓泵提供的液壓能轉變?yōu)闄C械能的能量轉換裝置,它包括液壓缸和液壓馬達。第三章液壓執(zhí)行元件第一節(jié)液壓馬達液壓馬達是將液體壓力能轉換為機械能的裝置,輸出轉矩和轉速，是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件。馬達與泵在原理上有可逆性，但因用途不同結構上有些差別：馬達要求正反轉，其結構具有對稱性；而泵為了保證其自吸性能，結構上采取了某些措施。馬達的分類：ns＞500r/min為高速液壓馬達：齒輪馬達，葉片馬達，軸向柱塞馬達ns＜500r/min為低速液壓馬達：徑向柱塞馬達（單作用連桿型徑向柱塞馬達，多作用內(nèi)曲線徑向柱塞馬達）液壓馬達圖形符號第一節(jié)液壓馬達液壓馬達的特性參數(shù)工作壓力與額定壓力

工作壓力p

大小取決于馬達負載，馬達進出口壓力的差值稱為馬達的壓差Δp。額定壓力ps

能使馬達連續(xù)正常運轉的最高壓力。流量與容積效率

輸入馬達的實際流量qM＝qMt＋Δq

其中qMt為理論流量，馬達在沒有泄漏時，達到要求轉速所需進口流量。容積效率ηMv＝qMt

/qM＝1－Δq/qM排量與轉速排量V為ηMV等于1時輸出軸旋轉一周所需油液體積。轉速轉矩與機械效率

實際輸出轉矩T＝Tt-ΔT

理論輸出轉矩Tt＝ΔpV/2π機械效率ηMm＝TM/TMt功率與總效率ηM＝PMo/Pmi＝ηMvηMm式中PMo為馬達輸出功率，Pmi為馬達輸入功率。

例、某液壓馬達排量為250mL/r，入口壓力為10MPa，

出口壓力為0.5MPa，容積效率和機械效率均為0.9，

若輸入流量為100L/min，

試求(1)液壓馬達的實際輸出轉矩；

(2)液壓馬達的實際輸出轉速。

(1)液壓馬達實際輸出轉矩

TM解根據(jù)公式(2)液壓馬達實際輸出轉速

n根據(jù)公式答：(1)液壓馬達的實際輸出轉矩為340N.m；

(2)液壓馬達的實際輸出轉速為360r/min。

1.齒輪馬達結構特點進出油口相等，有單獨的泄油口；為減少摩擦力矩，采用滾動軸承；為減少轉矩脈動，齒數(shù)較泵的齒數(shù)多。且瞬時轉速和轉矩隨嚙合點而變化，因此僅用于高速小轉矩的場合，及對轉矩均勻性要求不高的設備。應用由于密封性能差，容積效率較低，葉片馬達

結構特點

進出油口相等，有單獨的泄油口；葉片徑向放置，葉片底部設置有彈簧；

應用轉動慣量小，反應靈敏，能適應較高頻率的換向。但泄漏大，低速時不夠穩(wěn)定。適用于轉矩小、轉速高、機械性能要求不嚴格的場合。葉片式馬達軸向柱塞馬達

結構特點軸向柱塞泵和軸向柱塞馬達是互逆的。配流盤為對稱結構。

應用作變量馬達。改變斜盤傾角，不僅影響馬達的轉矩，而且影響它的轉速和轉向。斜盤傾角越大，產(chǎn)生的轉矩越大，轉速越低。軸向柱塞馬達低速大扭矩馬達

單作用連桿型徑向柱塞馬達呈五星狀（或七星狀）的殼體內(nèi)均勻分布著柱塞缸。柱塞與連桿鉸接，連桿的另一端與曲軸偏心輪外圓接觸。高壓油進入部分柱塞缸頭部，高壓油作用在柱塞上的作用力對曲軸旋轉中心形成轉矩。另外部分柱塞缸與回油口相通。曲軸為輸出軸。配流軸隨曲軸同步旋轉，各柱塞缸依次與高壓進油和低壓回油相通（配流套不轉），保證曲軸連續(xù)旋轉。排量公式

v=πd2ez/2d

為柱塞直徑；e

為曲軸偏心距；z

為柱塞數(shù)。應用結構簡單，工作可靠，可以是殼體固定曲軸旋轉，也可以是曲軸固定殼體旋轉（可驅(qū)動車輪或卷筒），但體積重量較大，轉矩脈動，低速穩(wěn)定性較差。結構原理低速大扭矩馬達

多作用內(nèi)曲線徑向柱塞馬達徑向柱塞馬達結構原理殼體內(nèi)環(huán)由x個導軌曲面組成，每個曲面分為a、b兩個區(qū)段；缸體徑向均布有z個柱塞孔，柱塞球面頭部頂在滾輪組橫梁上，使之在缸體徑向槽內(nèi)滑動；柱塞、滾輪組組成柱塞組件，a段導軌對柱塞組件的法向反力的切向分力對缸體產(chǎn)生轉矩；配流軸圓周均布2x個配流窗口，其中x個窗口對應于a段，通高壓油，液壓缸（油缸）主要用于實現(xiàn)機構的直線往復運動，也可以實現(xiàn)擺動，其結構簡單，工作可靠，應用廣泛。液壓缸的輸入量是液體的流量和壓力，輸出量是速度和力。液壓缸和液壓馬達都是液壓執(zhí)行元件，其職能是將液壓能轉換為機械能。p1p2FVdQA液壓缸壓力p

流量Q液壓功率作用力F速度V機械功率第二節(jié)液壓缸一液壓缸的類型及特點液壓缸的分類按供油方向分：單作用缸和雙作用缸。按結構形式分：活塞缸、柱塞缸、伸縮套筒缸、擺動液壓缸。按活塞桿形式分：單活塞桿缸、雙活塞桿缸。單桿液壓缸雙桿液壓缸柱塞式液壓缸1活塞式液壓缸

活塞式液壓缸可分為雙桿式和單桿式兩種結構形式，其安裝又有缸筒固定和活塞桿固定兩種方式。雙桿活塞液壓缸雙活塞桿液壓缸的活塞兩端都帶有活塞桿，分為缸體固定和活塞桿固定兩種安裝形式。(a)缸筒固定式(b)活塞桿固定式因為雙活塞桿液壓缸的兩活塞桿直徑相等，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。則缸的運動速度V和推力F分別為：式中:、—分別為缸的進、回油壓力；—分別為缸的容積效率和機械效率；、、d—分別為活塞直徑和活塞桿直徑；q

—輸入流量；A—活塞有效工作面積。這種液壓缸常用于要求往返運動速度相同的場合。2單活塞桿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輸出力，其簡圖及油路連接方式。(a)無桿腔進油Ddq(b)有桿腔進油q活塞的運動速度和推力分別為:(a)無桿腔進油Ddq無桿腔進油活塞的運動速度和推力分別為:有桿腔進油(b)有桿腔進油q比較上述各式，可以看出：>,>；液壓缸往復運動時的速度比為：（3.7）上式表明：當活塞桿直徑愈小時，速度比接近1，在兩個方向上的速度差值就愈小。(a)無桿腔進油Ddq(b)有桿腔進油q兩腔進油,差動聯(lián)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，因此，活塞向右運動，活塞桿向外伸出；與此同時，又將有桿腔的油液擠出，使其流進無桿腔，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被稱為差動連接。(c)差動聯(lián)接q(c)差動聯(lián)接q（3.8）（3.9）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：q等效活塞的運動速度為：(c)差動聯(lián)接qq等效差動連接時,液壓缸的有效作用面積是活塞桿的橫截面積，工作臺運動速度比無桿腔進油時的大，而輸出力則較小。差動連接是在不增加液壓泵容量和功率的條件下，實現(xiàn)快速運動的有效辦法。二、柱塞式液壓缸

圖3.3柱塞式液壓缸當活塞式液壓缸行程較長時，加工難度大,使得制造成本增加。某些場合所用的液壓缸并不要求雙向控制,柱塞式液壓缸正是滿足了這種使用要求的一種價格低廉的液壓缸。

圖3.3柱塞式液壓缸

如圖3.3（a）所示，柱塞缸由缸筒、柱塞、導套、密封圈和壓蓋等零件組成，柱塞和缸筒內(nèi)壁不接觸，因此缸筒內(nèi)孔不需精加工，工藝性好，成本低。

柱塞式液壓缸是單作用的，它的回程需要借助自重或彈簧等其它外力來完成。如果要獲得雙向運動，可將兩柱塞液壓缸成對使用為減輕柱塞的重量，有時制成空心柱塞。

圖3.3柱塞式液壓缸QQVdd式中：d—柱塞直徑，p1—進油壓力，p2—另一缸的回油壓力。p1p23擺動式液壓缸

圖3.4擺動液壓缸擺動液壓缸能實現(xiàn)小于360°角度的往復擺動運動，由于它可直接輸出扭矩，故又稱為擺動液壓馬達，主要有單葉片式和雙葉片式兩種結構形式。

圖3.4擺動液壓缸

單葉片擺動液壓缸主要由定子塊1、缸體2、擺動軸3、葉片4、左右支承盤和左右蓋板等主要零件組成。定子塊固定在缸體上，葉片和擺動軸固連在一起，當兩油口相繼通以壓力油時，葉片即帶動擺動軸作往復擺動。

圖3-8擺動液壓缸當考慮到機械效率時，單葉片缸的擺動軸輸出轉矩為p1p2D—缸體內(nèi)孔直徑；d—擺動軸直徑；b—

葉片寬度；

圖3.4擺動液壓缸q根據(jù)能量守恒原理,結合式(3.10)得輸出角速度為D—缸體內(nèi)孔直徑；d—擺動軸直徑；b—

葉片寬度；ω

單葉片擺動液壓缸的擺角一般不超過280o

，雙葉片擺動液壓缸的擺角一般不超過150o

。當輸入壓力和流量不變時，雙葉片擺動液壓缸擺動軸輸出轉矩是相同參數(shù)單葉片擺動缸的兩倍，而擺動角速度則是單葉片的一半。

擺動缸結構緊湊，輸出轉矩大，但密封困難，一般只用于中、低壓系統(tǒng)中往復擺動，轉位或間歇運動的地方。缸體4伸縮式液壓缸

伸出縮回套筒活塞活塞伸縮式單作用缸伸出縮回伸縮式液壓缸的特點是：活塞桿伸出的行程長，收縮后的結構尺寸小，適用于翻斗汽車，起重機的伸縮臂等。伸縮式雙作用缸伸出BA二級活塞

缸體兩端有進、出油口A和B。當A口進油，B口回油時，先推動一級活塞向右運動。一級活塞右行至終點時，二級活塞在壓力油的作用下繼續(xù)向右運動。伸出BA二級活塞3.1.5齒條活塞缸

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組成，活塞往復移動經(jīng)齒條、齒輪機構變成齒輪軸往復轉動。圖3.6齒條活塞液壓缸的結構圖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qω液壓缸的結構

圖3.9雙作用單活塞桿液壓缸結構圖l—缸底；2—卡鍵；3、5、9、11—密封圈；4—活塞；6—缸筒；7—活塞桿；8—導向套；10—缸蓋；12—防塵圈；13—耳軸圖3.9雙作用單活塞桿液壓缸結構圖l—缸底；2—卡鍵；3、5、9、11—密封圈；4—活塞；6—缸筒；7—活塞桿；8—導向套；10—缸蓋；12—防塵圈；13—耳軸單活塞桿液壓缸主要由缸底1、缸筒6、缸蓋10、活塞4、活塞桿7和導向套8等組成。缸筒一端與缸底焊接，另一端與缸蓋采用螺紋連接?；钊c活塞桿采用卡鍵連接。為了保證液壓缸的可靠密封，在相應部位設置了密封圈3、5、9、11和防塵圈12。缸筒與端蓋的連接

圖3.8缸體與缸蓋的連接結構3.2.1缸體組件

（2）半環(huán)式連接，分為外半環(huán)連接和內(nèi)半環(huán)連接兩種連接形式。

(1）法蘭式連接（3）螺紋式連接外螺紋連接內(nèi)螺紋連接（5）焊接式連接（4）拉桿式連接缸筒

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，要求表面粗造度在0.1m~0.4m。端蓋

裝在缸筒兩端，與缸筒形成封閉油腔，同樣承受很大的液壓力，因此，端蓋及其連接件都應有足夠的強度。導向套

對活塞桿或柱塞起導向和支承作用，有些液壓缸不設導向套，直接用端蓋孔導向。

缸筒，端蓋和導向套的材料選擇和技術要求可參考液壓設計手冊。3.2.3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活塞桿的連接形式如圖3.9所示，活塞與活塞桿的連接最常用的有螺紋連接和半環(huán)連接形式，除此之外還有整體式結構、焊接式結構、錐銷式結構等。

1一活塞桿；2一活塞；3一密封圈；4一彈簧圈；5一螺母1一卡鍵；2一套環(huán)；3一彈簧卡圈活塞裝置主要用來防止液壓油的泄漏。對密封裝置的基本要求是具有良好的密封性能，并隨壓力的增加能自動提高密封性。除此以外，摩擦阻力要小，耐油。油缸主要采用密封圈密封，密封圈有O形、V形、Y形及組合式等數(shù)種，其材料為耐油橡膠、尼龍、聚氨脂等。（1）O形密封圈

O形密封圈的截面為圓形，主要用于靜密封。與唇形密封圈相比，運動阻力較大，作運動密封時容易產(chǎn)生扭轉，故一般不單獨用于油缸運動密封。（1）O形密封圈圖3.10O型密封圈的結構原理（a）普通型（b）有擋板型

O形圈密封的原理：任何形狀的密封圈在安裝時，必須保證適當?shù)念A壓縮量，過小不能密封，過大則摩擦力增大，且易于損壞。因此，安裝密封圈的溝槽尺寸和表面精度必須按有關手冊給出的數(shù)據(jù)嚴格保證。在動密封中，當壓力大于10MPa時，O形圈就會被擠入間隙中而損壞，為此需在O形圈低壓側設置聚四氟乙烯或尼龍制成的擋圈，雙向受高壓時，兩側都要加擋圈。（a）普通型（b）有擋板型圖3.10O型密封圈的結構原理

V形圈的截面為V形，如圖3.11所示，V形密封裝置是由壓環(huán)、V形圈和支承環(huán)組成。當工作壓力高于10MPa時，可增加V形圈的數(shù)量，提高密封效果。安裝時，V形圈的開口應面向壓力高的一側。（2）V形密封圈

a)壓環(huán)b)V型圈c)支承環(huán)圖3.11V形密封圈

Y形密封圈的截面為Y形，屬唇形密封圈。它是一種摩擦阻力小、壽命較長的密封圈，應用普遍。Y形圈主要用于往復運動的密封。根據(jù)截面長寬比例的不同，Y形圈可分為寬斷面和窄斷面兩種形式，圖3.12所示為寬斷面Y形密封圈。（3）Y（Yx）形密封圈

圖3.12Y形密封圈

圖3.12Y形密封圈

Y形圈安裝時，唇口端面應對著液壓力高的一側。當壓力變化較大，滑動速度較高時，要使用支承環(huán)，以固定密封圈，如圖3.12（b）所示。3.2.3緩沖裝置

為了防止這種危害，保證安全，應采取緩沖措施，對液壓缸運動速度進行控制。

當液壓缸帶動質(zhì)量較大的部件作快速往復運動時，由于運動部件具有很大的動能，因此當活塞運動到液壓缸終端時，會與端蓋碰撞，而產(chǎn)生沖擊和噪聲。這種機械沖擊不僅引起液壓缸的有關部分的損壞，而且會引起其它相關機械的損傷。3.2.3緩沖裝置

圖3.13液壓缸緩沖裝置當活塞移至端部，緩沖柱塞開始插入缸端的緩沖孔時，活塞與缸端之間形成封閉空間，該腔中受困擠的剩余油液只能從節(jié)流小孔或緩沖柱塞與孔槽之間的節(jié)流環(huán)縫中擠出，從而造成背壓迫使運動柱塞降速制動，實現(xiàn)緩沖。3.2.4排氣裝置

液壓傳動系統(tǒng)往往會混入空氣，使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，產(chǎn)生振動、爬行或前沖等現(xiàn)象，嚴重時會使系統(tǒng)不能正常工作。因此，設計液壓缸時，必須考慮空氣的排除。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置專門的排氣裝置，如排氣塞、排氣閥等。當松開排氣塞或閥的鎖緊螺釘后，低壓往復運動幾次，帶有氣泡的油液就會排出，空氣排完后擰緊螺釘，液壓缸便可正常。3.3液壓缸的設計與計算液壓缸的計算及驗算方法

首先根據(jù)使用要求確定液壓缸的類型，再按負載和運動要求確定液壓缸的主要結構尺寸，必要時需進行強度驗算，最后進行結構設計。

液壓缸的主要尺寸包括液壓缸的內(nèi)徑D、缸的長度L、活塞桿直徑d。主要根據(jù)液壓缸的負載、活塞運動速度和行程等因素來確定上述參數(shù)。液壓缸工作壓力的確定

液壓缸要承受的負載包括有效工作負載、摩擦阻力和慣性力等。液壓缸的工作壓力按負載確定。對于不同用途的液壓設備，由于工作條件不同，采用的壓力范圍也不同。設計時，液壓缸的工作壓力可按負載