第四章 液壓執(zhí)行元件

第三章液壓執(zhí)行元件

本章主要介紹液壓系統(tǒng)中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件——液壓馬達(dá)和液壓缸。本章是以后學(xué)習(xí)和分析液壓基本回路和系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。

重點(diǎn)：1.液壓馬達(dá)的選用。2.單活塞桿液壓缸的工作原理和結(jié)構(gòu)；3.液壓缸基本參數(shù)的確定。難點(diǎn)：?jiǎn)位钊麠U液壓缸的差動(dòng)連接。本章計(jì)劃學(xué)時(shí)：4學(xué)時(shí)

液壓馬達(dá)和液壓缸是將液壓系統(tǒng)中的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，都是執(zhí)行元件。液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使系統(tǒng)輸出一定的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；液壓缸實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，輸出推力和速度。第一節(jié)液壓馬達(dá)

液壓馬達(dá)和液壓泵在結(jié)構(gòu)上基本相同，并且也是靠密封容積的變化來(lái)工作的。馬達(dá)和泵在工作原理上是互逆的，當(dāng)向泵輸入壓力油時(shí)，其軸輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩則成為馬達(dá)。但由于二者的功能和要求有所不同，而實(shí)際結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)也有所差異，故有少數(shù)泵能直接做馬達(dá)使用。液壓泵與液壓馬達(dá)關(guān)系

功用上—相反結(jié)構(gòu)上—相似

原理上—互逆

液壓馬達(dá)的分類

ns＞500r/min為高速液壓馬達(dá)：齒輪馬達(dá)，葉片馬達(dá)，軸向柱塞馬達(dá)。

ns＜500r/min為低速液壓馬達(dá)：徑向柱塞馬達(dá)（單作用連桿型徑向柱塞馬達(dá)，多作用內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)）。齒輪馬達(dá)葉片馬達(dá)柱塞馬達(dá)按結(jié)構(gòu)分為按轉(zhuǎn)速分為定量馬達(dá)變量馬達(dá)排量是否可調(diào)另外，有些液壓馬達(dá)只能作小于某一角度的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，稱為擺動(dòng)式液壓馬達(dá)或擺動(dòng)缸。工作原理：由于兩個(gè)齒輪的受壓面積存在差值，因而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。T=Fr=pArF1=pb(h–x)F2=pb(h–y)二、典型液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1．齒輪液壓馬達(dá)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)出油口相等，有單獨(dú)的泄油口；為減少摩擦力矩，采用滾動(dòng)軸承；為減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，齒數(shù)較泵的齒數(shù)多。應(yīng)用由于密封性能差，容積效率較低，不能產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，且瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩隨嚙合點(diǎn)而變化，因此僅用于高速小轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合，如工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械及對(duì)轉(zhuǎn)矩均勻性要求不高的設(shè)備。二、典型液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1．齒輪液壓馬達(dá)1）工作原理F=pA=p(R-r0)b-p(r-r0

)b=p(R-r)brr0R葉片馬達(dá)葉片馬達(dá)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)出油口相等，有單獨(dú)的泄油口；葉片徑向放置（正反轉(zhuǎn)）

，葉片底部設(shè)置有彈簧；應(yīng)用

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，反應(yīng)靈敏，能適應(yīng)較高頻率的換向。但泄漏大，低速時(shí)不夠穩(wěn)定。適用于轉(zhuǎn)矩小、轉(zhuǎn)速高、力學(xué)性能要求不嚴(yán)格的場(chǎng)合。軸向柱塞馬達(dá)工作原理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)軸向柱塞泵和軸向柱塞馬達(dá)是互逆的配流盤為對(duì)稱結(jié)構(gòu)改變供油方向——馬達(dá)反轉(zhuǎn)。雙向馬達(dá)改變斜盤傾角——排量變，轉(zhuǎn)速變。變量馬達(dá)輸入的高壓油通過(guò)柱塞作用在斜盤上。斜盤給柱塞的反作用力的徑向分力，使缸體產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。通過(guò)輸出軸帶動(dòng)負(fù)載做功。擺動(dòng)式液壓馬達(dá)當(dāng)通入液壓油，它的主軸能輸出小于360°的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的缸稱為擺動(dòng)式液壓馬達(dá)。雙葉片式擺動(dòng)角度一般小于150°。單葉片式擺動(dòng)角度較大，可達(dá)300°三、液壓馬達(dá)的主要參數(shù)工作壓力與額定壓力工作壓力p大小取決于馬達(dá)負(fù)載，馬達(dá)進(jìn)出口壓力的差值稱為馬達(dá)的壓差Δp；額定壓力ps能使馬達(dá)連續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的最高壓力。排量、流量與容積效率

-排量：習(xí)慣上將馬達(dá)的軸每轉(zhuǎn)一周。按幾何尺寸計(jì)算的所進(jìn)入的液體體積。-輸入馬達(dá)的實(shí)際流量qM＝qMt＋Δq式中qMt為理論流量，馬達(dá)在沒有泄漏時(shí)，達(dá)到轉(zhuǎn)速所需進(jìn)口流量。-容積效率ηMv＝qMt

/qM＝1－Δq/qM排量與轉(zhuǎn)速

排量V為ηMV等于1時(shí)輸出軸旋轉(zhuǎn)一周所需油液體積。轉(zhuǎn)速n＝qMt/V＝qMηMV/V轉(zhuǎn)矩與機(jī)械效率

實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩T＝Tt–ΔT

理論輸出轉(zhuǎn)矩Tt＝ΔpVηMm/2π機(jī)械效率ηMm＝TM/TMt功率與總效率ηM＝PMo/Pmi＝T2πn/Δp

qM＝ηMvηM式中PMo為馬達(dá)輸出功率，Pmi為馬達(dá)輸入功率。

液壓馬達(dá)的啟動(dòng)機(jī)械效率ηmm0=最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速:液壓馬達(dá)在額定負(fù)載下，不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象的最低轉(zhuǎn)速。最高使用轉(zhuǎn)速：調(diào)速范圍：第二節(jié)液壓缸

液壓缸的類型液壓缸典型結(jié)構(gòu)和組成液壓缸的設(shè)計(jì)和計(jì)算液壓缸液壓缸三梁四柱式壓力機(jī)液壓缸塑料注射成型機(jī)液壓缸作用：壓力能——機(jī)械能用于實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)活塞缸單桿雙桿柱塞缸伸縮缸液壓缸的類型分類單作用雙作用按作用方式按結(jié)構(gòu)一、活塞式液壓缸（一）、單桿活塞缸1.結(jié)構(gòu)：缸體、活塞、活塞桿、密封、缸蓋等2.工作原理：工作原理：因兩側(cè)有效作用面積或油液壓力不等，活塞在液壓力的作用下，作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。無(wú)桿腔進(jìn)油腔回油腔有桿腔職能符號(hào)：?jiǎn)螚U單作用活塞缸單桿雙作用活塞缸雙向液壓驅(qū)動(dòng)單向液壓驅(qū)動(dòng)，回程靠外力。3.基本參數(shù)1）推力式中：p1——進(jìn)油壓力p2——回油壓力2）速度特點(diǎn)：同樣q

，v1<v2；

p

一樣，F(xiàn)1>F2。4.應(yīng)用：往返運(yùn)動(dòng)速度及推力不同的場(chǎng)合。例：液壓刨床差動(dòng)缸推力：速度：特點(diǎn)：v3>v1；F3<F1。結(jié)論：差動(dòng)連接后，速度大，推力小。正是利用這一點(diǎn)，可使在不加大油源流量的情況下，獲得較快的運(yùn)動(dòng)速度。代入上式：q1q2pq活塞只有一個(gè)，設(shè)此時(shí)的速度為v3差動(dòng)缸如令：則有：結(jié)論：當(dāng)時(shí)，快進(jìn)、快退速度相等?；騿位钊麠U液壓缸可以是缸筒固定，活塞運(yùn)動(dòng)；也可以是活塞桿固定缸筒運(yùn)動(dòng)。無(wú)論采用其中哪一種形式，液壓缸運(yùn)動(dòng)所占空間長(zhǎng)度都是兩倍行程。（見下圖）1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩側(cè)有效工作面積一樣。(二)、雙桿活塞缸2.基本參數(shù)：雙桿活塞缸

雙桿活塞缸活塞兩側(cè)都有活塞桿伸出;

根據(jù)安裝方式不同又分為活塞桿固定式缸筒固定式l——活塞有效工作行程。缸固定L=3l桿固定

L=2l3）應(yīng)用：職能符號(hào)：兩個(gè)方向力和速度一樣的場(chǎng)合。柱塞與缸筒無(wú)配合關(guān)系，缸筒內(nèi)孔不需精加工，只是柱塞與缸蓋上的導(dǎo)向套有配合關(guān)系。特別適合行程較長(zhǎng)的場(chǎng)合。柱塞缸只能作單作用缸，要求往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，需成對(duì)使用。三、柱塞式液壓缸（一）單柱塞缸●單向液壓驅(qū)動(dòng)，回程靠外力。（二）雙柱塞缸●雙向液壓驅(qū)動(dòng)（三）參數(shù)計(jì)算推力：速度：應(yīng)用：行程較長(zhǎng)的場(chǎng)合。職能符號(hào)：●柱塞粗、受力好。●簡(jiǎn)化加工工藝（缸體內(nèi)孔和柱塞沒有配合，不需精加工；柱塞外圓面比內(nèi)孔加工容易。）（１）它是一種單作用式液壓缸，靠液壓力只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重；（２）柱塞只靠缸套支承而不與缸套接觸，這樣缸套極易加工，故適于做長(zhǎng)行程液壓缸；（３）工作時(shí)柱塞總受壓，因而它必須有足夠的剛度；（４）柱塞重量往往較大，水平放置時(shí)容易因自重而下垂，造成密封件和導(dǎo)向單邊磨損，故其垂直使用更有利。柱塞式液壓缸特點(diǎn)：四、其他形式的液壓缸增壓比為大活塞與小柱塞的面積比K＝D2/d2

增壓能力是在降低有效流量的基礎(chǔ)上得到的。

增壓缸（增壓器）伸縮式液壓缸它由兩個(gè)或多個(gè)活塞式缸套裝而成，前一級(jí)活塞缸的活塞桿是后一級(jí)活塞缸的缸筒

，如圖所示。伸縮式液壓缸中活塞伸出的順序式從大到小，而空載縮回的順序則一般是從小到大。伸縮缸可實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的行程，而縮回時(shí)長(zhǎng)度較短，結(jié)構(gòu)較為緊湊。此種液壓缸常用于工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械上。無(wú)活塞桿油壓缸液壓缸典型結(jié)構(gòu)和組成（一）液壓缸典型結(jié)構(gòu)典型液壓缸的結(jié)構(gòu)（二）液壓缸的組成缸體組件：缸體、前后端蓋活塞組件：活塞、活塞桿密封裝置：密封環(huán)，密封圈等緩沖裝置排氣裝置缸體和缸蓋活塞和活塞桿密封裝置液壓缸中的密封主要指活塞和缸體之間，活塞桿和端蓋之間的密封，用于防止內(nèi)、外泄漏。密封裝置的要求：(1)在一定工作壓力下，具有良好的密封性能。(2)相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面之間的摩擦力要小，且穩(wěn)定。(3)要耐磨，工作壽命長(zhǎng)，或磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償。(4)使用維護(hù)簡(jiǎn)單，制造容易，成本低。密封形式：間隙密封；活塞環(huán)密封；密封圈密封。1、間隙密封：三角形環(huán)形槽（平衡槽）2、活塞環(huán)密封（開口金屬環(huán)）：適用于高壓、高速或密封性能要求較高的場(chǎng)合3、密封圈密封：1）優(yōu)點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，成本低；

(2)能自動(dòng)補(bǔ)償磨損；

(3)密封性能可隨壓力加大而提高，密封可靠；

(4)被密封的部位，表面不直接接觸，所以加工精度可以放低

(5)既可用于固定件，也可用于運(yùn)動(dòng)件。3、密封圈密封：2）材料要求：密封圈的材料應(yīng)具有較好的彈性，適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度，耐熱耐磨性能好，摩擦系數(shù)小，與金屬接觸不互相粘著和腐蝕，與液壓油有很好的“相容性”。材料：耐油橡膠；尼龍聚氨脂3、密封圈密封：3）密封圈形狀：“O”形；“Y”形；“V”形。緩沖裝置1、型式：1）間隙緩沖裝置；2）可調(diào)節(jié)流緩沖裝置；3）可變節(jié)流緩沖裝置。2、緩沖原理：當(dāng)活塞接近端蓋時(shí)，增大液壓缸回油阻力，使緩沖油腔內(nèi)產(chǎn)生足夠的緩沖壓力，使活塞減速，從而防止活塞撞擊端蓋。為了排除聚集在液壓缸內(nèi)的空氣，可在缸的兩端最高部位各裝一只排氣塞。排氣裝置液壓缸的設(shè)計(jì)和計(jì)算是在對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)進(jìn)行工況分析，計(jì)算了最大負(fù)載力，先定了工作壓力的基礎(chǔ)上進(jìn)行的（后續(xù)章節(jié)講授）。因此，首先要根據(jù)使用要求確定結(jié)構(gòu)類型，再按照負(fù)載情況，運(yùn)動(dòng)要求決定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，最后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或型號(hào)選擇。液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算1、確定液壓缸的類型和各部分的結(jié)構(gòu)形式3、液壓缸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度計(jì)算和校核2、確定液壓缸的工作參數(shù)和主要尺寸（D\d\L)4、液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟：直線運(yùn)動(dòng)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)活塞缸單桿雙桿雙作用差動(dòng)柱塞缸單作用伸縮缸擺動(dòng)缸（擺動(dòng)馬達(dá)）齒輪缸液壓缸類型

1、工作壓力的確定

根據(jù)液壓缸的實(shí)際工況，計(jì)算出外負(fù)載大小，然后參考下表選取適當(dāng)?shù)墓ぷ鲏毫Α?/p>

一、液壓缸主要尺寸的確定液壓缸要承受的負(fù)載包括有效工作負(fù)載和克服摩擦阻力、慣性力和回油腔背壓力等。液壓缸的工作壓力按負(fù)載決定，對(duì)于不同用途的液壓設(shè)備，由于工作條件不同，采用的壓力范圍也不相同。設(shè)計(jì)時(shí)．液壓缸的壓力可按負(fù)載大小由表確定2、活塞桿直徑d與缸筒內(nèi)徑D的計(jì)算

受拉時(shí)：d=(0.3-0.5)D受壓時(shí)：d=(0.5-0.55)D(p1<5mpa)d=(0.6-0.7)D(5mpa<p1<7mpa)d=0.7D(p1>7mpa)當(dāng)確定了液壓缸的工作壓力p和總負(fù)載力F后，按缸的類型計(jì)算出缸筒內(nèi)徑D，再根據(jù)液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度或速比,冉計(jì)算活塞桿直徑d，也可按活塞桿的受力情況確定活塞桿的直徑3、液壓缸缸筒壁厚和外徑的計(jì)算在—般中低壓液壓系統(tǒng)中。液壓缸缸筒壁厚往往由結(jié)構(gòu)工藝上的要求確定．強(qiáng)度問(wèn)題是次要的，一般不需計(jì)算。但在高壓系統(tǒng)中當(dāng)缸徑和壁厚之比大于等于10時(shí)．可按薄壁圓筒計(jì)算公式進(jìn)行校核，當(dāng)小于10時(shí)，按厚壁圓筒校核。