液壓執(zhí)行元件

1/1液壓執(zhí)行元件第三章液壓執(zhí)行元件

液壓執(zhí)行元件是將液壓泵提供的液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，它包括液壓缸和液壓馬達(dá)。液壓馬達(dá)習(xí)慣上是指輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液壓執(zhí)行元件，而把輸出直線運(yùn)動(dòng)(其中包括輸出擺動(dòng)運(yùn)動(dòng))的液壓執(zhí)行元件稱為液壓缸。

第一節(jié)液壓馬達(dá)

一、液壓馬達(dá)的特點(diǎn)及分類

從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)來(lái)看，液壓泵與液壓馬達(dá)是可逆工作的液壓元件，向任何一種液壓泵輸入工作液體，都可使其變成液壓馬達(dá)工況；反之，當(dāng)液壓馬達(dá)的主軸由外力矩驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，也可變?yōu)橐簤罕霉r。因?yàn)樗鼈兙哂型瑯拥幕窘Y(jié)構(gòu)要素--密閉而又可以周期變化的容積和相應(yīng)的配油機(jī)構(gòu)。

但是，由于液壓馬達(dá)和液壓泵的工作條件不同，對(duì)它們的性能要求也不一樣，所以同類型的液壓馬達(dá)和液壓泵之間，仍存在許多差別。首先液壓馬達(dá)應(yīng)能夠正、反轉(zhuǎn)，因而要求其內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)稱；液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速范圍需要足夠大，特別對(duì)它的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速有一定的要求。因此，它通常都采用滾動(dòng)軸承或靜壓滑動(dòng)軸承；其次液壓馬達(dá)由于在輸入壓力油條件下工作，因而不必具備自吸能力，但需要一定的初始密封性，才能提供必要的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由于存在著這些差別，使得液壓馬達(dá)和液壓泵在結(jié)構(gòu)上比較相似，但不能可逆工作。

液壓馬達(dá)按其結(jié)梅類型來(lái)分可以分為齒輪式、葉片式、柱塞式和其它型式。按液壓馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)速分為高速和低速兩大類。額定轉(zhuǎn)速高于500r／min的屬

于高速液壓馬達(dá)，額定轉(zhuǎn)速低于500r／min的屬于低速液壓馬達(dá)。高速液壓馬達(dá)的基本型式有齒輪式、螺桿式、葉片式和軸向柱塞式等。它們的主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速較高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，便于啟動(dòng)和制動(dòng)，調(diào)節(jié)(調(diào)速及換向)靈敏度高。通常高速液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩不大(僅幾十N·m到幾百N·m)所以又稱為高速小轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)。低速液壓馬達(dá)的基本型式是徑向柱塞式，此外在軸向柱塞式、葉片式和齒輪式中也有低速的結(jié)構(gòu)型式，低速液壓馬達(dá)的主要特點(diǎn)是排量大、體積大轉(zhuǎn)速低(有時(shí)可達(dá)每分鐘幾轉(zhuǎn)甚至零點(diǎn)幾轉(zhuǎn))，因此可直接與工作機(jī)構(gòu)連接，不需要減速裝置，使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，通常低速液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩較大(可達(dá)幾千N·m到幾萬(wàn)N·m)，所以又稱為低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)。

二、液壓馬達(dá)的工作原理

1.葉片式液壓馬達(dá)

由于壓力油作用，受力不平衡使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。葉片式液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩與液壓馬達(dá)的排量和液壓馬達(dá)進(jìn)出油口之間的壓力差有關(guān)，其轉(zhuǎn)速由輸入液壓馬達(dá)的流量大小來(lái)決定。

由于液壓馬達(dá)一般都要求能正反轉(zhuǎn)，所以葉片式液壓馬達(dá)的葉片要徑向放置。為了使葉片根部始終通有壓力油，在回、壓油腔通人葉片根部的通路上應(yīng)設(shè)置單向閥，為了確保葉片式液壓馬達(dá)在壓力油通人后能正常啟動(dòng)，必須使葉片頂部和定子內(nèi)表面緊密接觸，以保證良好的密封，因此在葉片根部應(yīng)設(shè)置預(yù)緊彈簧。

口進(jìn)入缸體２的柱塞孔時(shí)，柱塞３在壓力油作用下外伸，緊貼斜盤１斜盤1對(duì)柱塞３產(chǎn)生一個(gè)法向反力ｐ，此力可分解為軸向分力及和垂直分力凡。凡與柱塞上液壓力相平衡，而凡則使柱塞對(duì)缸體中心產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)馬達(dá)軸逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。軸向柱塞馬達(dá)產(chǎn)生的瞬時(shí)總轉(zhuǎn)矩是脈動(dòng)的。若改變馬達(dá)壓力油輸入方向，則馬達(dá)軸５按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。斜盤傾角ａ的改變、即排量的變化，不僅影響馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩，而且影響它的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。斜盤傾角越大，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩越大，轉(zhuǎn)速越低。

4．齒輪液壓馬達(dá)

齒輪馬達(dá)在結(jié)構(gòu)上為了適應(yīng)正反轉(zhuǎn)要求，進(jìn)出油口相等、具有對(duì)稱性、有單獨(dú)外泄油口將軸承部分的泄漏油引出殼體外；為了減少啟動(dòng)摩擦力矩，采用滾動(dòng)軸承；為了減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)１齒輪液壓馬達(dá)的齒數(shù)比泵的齒數(shù)要多。

齒輪液壓馬達(dá)由干密封性差，容租效率較低，輸入油壓力不能過高，不能產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩。

并且瞬間轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩隨著嚙合點(diǎn)的位置變化而變化，因此齒輪液壓馬達(dá)僅適合于高速小轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合。一般用干工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械以及對(duì)轉(zhuǎn)矩均勻性要求不高的機(jī)械設(shè)備上。

三、液壓馬達(dá)的基本參數(shù)和基本性能

1．液壓馬達(dá)的排量、排量和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

達(dá)開始運(yùn)動(dòng)，隨著潤(rùn)滑油膜的建立，摩擦阻力立即下降，并隨滑動(dòng)速度增大和油膜變厚而減少。

液壓馬達(dá)啟動(dòng)性能的指標(biāo)用啟動(dòng)機(jī)械效率0mη表示，其表達(dá)式為

式中0T為液壓馬達(dá)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

不同類型的液壓馬達(dá)，內(nèi)部受力部件的力平衡情況不同，摩擦力的大小不同，所以0mη也不盡相同。同一類型的液壓馬達(dá)，摩擦副的力平衡設(shè)計(jì)不同，其0mη也有高低之分。例如有的齒輪式液壓馬達(dá)0mη只有0．6左右，而高性能的低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)卻可達(dá)到90.00=mη左右，相差頗大。所以，如果液壓馬達(dá)帶載啟動(dòng)，必須注意到所選擇的液壓馬達(dá)的啟動(dòng)性能。

3．液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和低速穩(wěn)定性

液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速取決于供液的流量ｑ和液壓馬達(dá)本身的排量Ｖ。由于液壓馬達(dá)內(nèi)部有泄漏，并不是所有進(jìn)入馬達(dá)的液體都推動(dòng)液壓馬達(dá)做功，一小部分液體因泄漏損失掉了，所以馬達(dá)的實(shí)際轉(zhuǎn)速要比理想情況低一些。

式中Vη為液壓馬達(dá)的容積效率。

在工程實(shí)際中，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和液壓泵的轉(zhuǎn)速一樣，其計(jì)量單位多用r／min(轉(zhuǎn)／分)表示。

當(dāng)液壓馬達(dá)工作轉(zhuǎn)速過低時(shí)，往往保持不了均勻的速度，進(jìn)入時(shí)動(dòng)時(shí)停的不穩(wěn)定狀態(tài)，這就是所謂爬行現(xiàn)象。若要求高速液壓馬達(dá)不超過10r／min低速大

轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)不超過3r／min的速度工作，并不是所有的液壓馬達(dá)都能滿足要求的。

一般地說(shuō)，低速大-轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)的低速穩(wěn)定性要比高速馬達(dá)為好。低速大轉(zhuǎn)矩馬達(dá)的排量大，因而尺寸大，即便是在低轉(zhuǎn)速下工作摩擦副的滑動(dòng)速度也不致過低，加之馬達(dá)排量大，泄漏的影響相對(duì)變小，馬達(dá)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，所以容易得到較好的低速穩(wěn)定性。

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4．調(diào)速范圍

當(dāng)負(fù)載從低速到高速在很寬的范圍內(nèi)工作時(shí)，也要求液壓馬達(dá)能在較大的調(diào)速范圍下工作，否則就需要有能換檔的變速機(jī)構(gòu)，使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜化。液壓馬達(dá)的調(diào)速范圍以允許的最大轉(zhuǎn)速和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之比表示，即

顯然，調(diào)速范圍寬的液壓馬達(dá)應(yīng)當(dāng)既有好的高速性能又有好的低速穩(wěn)定性。

第二節(jié)液壓缸

液壓缸是將液壓泵輸出的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的執(zhí)行元件，它主要是用來(lái)輸出直線運(yùn)動(dòng)（也包括擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)）。

一、液壓缸的分類

液壓缸按其結(jié)構(gòu)形式，可以分為活塞缸、柱塞缸和擺動(dòng)缸三類。活塞缸和柱塞缸實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，輸出推力和速度，擺動(dòng)缸則能實(shí)現(xiàn)小于360度的往復(fù)擺動(dòng)，

輸出轉(zhuǎn)矩和角速度。液壓缸除單個(gè)使用外，還可以幾個(gè)組合起來(lái)或和其它機(jī)構(gòu)組合起來(lái)，以完成特殊的功用。

（一）活塞式液壓缸

活塞式液壓缸分為雙桿式和單桿式兩種。

1.雙桿式活塞缸

雙桿式活塞缸的活塞兩端都有一根直徑相等的活塞桿伸出，它根據(jù)安裝方式不同又可以分為缸筒固定式和活塞桿固定式兩種。如圖3-4a所示的為缸筒固定式的雙桿活塞缸。

它的進(jìn)、出油口布置在缸筒兩端，活塞通過活塞桿帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，當(dāng)活塞的有效行程為ｌ時(shí)，整個(gè)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍為3ｌ，所以機(jī)床占地面積大，一般適用于小型機(jī)床。當(dāng)工作臺(tái)行程要求較長(zhǎng)時(shí)，可采用圖3-4b所示的活塞桿固定的形式，這時(shí)，缸體與工作臺(tái)相連，活塞桿通過支架固定的機(jī)床上，動(dòng)力由缸體傳出。這種安裝形式中，工作臺(tái)的移動(dòng)范圍只等于液壓缸有效行程ｌ的兩倍(2ｌ)，因此占地面積小。進(jìn)出油口可以設(shè)置在固定不動(dòng)的空心的-活塞桿的兩端，使油液從活塞桿中進(jìn)出，也可設(shè)置在缸體的兩端，但必須使用軟管連接。

由于雙桿活塞缸兩端的活塞桿直徑通常是相等的，因此它左、右兩腔的有效面積也相等。當(dāng)分別向左、右腔輸入相同壓力和相同流量的油液時(shí)，液壓缸左、右兩個(gè)方向的推力和速度相等，當(dāng)活塞的直徑為Ｄ，活塞桿的直徑為ｄ，液壓缸

進(jìn)、出油腔的壓力為ｐ1和ｐ2，輸入流量為ｑ時(shí)，雙桿活塞缸的推力Ｆ和速度ｖ為

式中Ａ為活塞的有效工作面積。

雙桿活塞缸在工作時(shí)，設(shè)計(jì)成一個(gè)活塞桿是受拉的，而另一個(gè)活塞桿不受力，因此這種液壓缸的活塞桿可以做得細(xì)些。

2.單桿式活塞缸

如圖3-5所示，活塞只有一端帶活塞桿，單桿液壓缸也有缸體固定和活塞桿固定兩種形式，但它們的工作臺(tái)移動(dòng)范圍都是活塞有效行程的兩倍。

單桿活塞缸由于活塞兩端有效面積不等。如果以相同流量的壓力油分別進(jìn)入液壓缸的左、右腔，活塞移動(dòng)的速度與進(jìn)油腔的有效面積成反比，即油液進(jìn)入無(wú)桿腔時(shí)有效面積大，速度慢，進(jìn)入有桿腔時(shí)有效面積小，速度快；而活塞上產(chǎn)生的推力則與進(jìn)油腔的有效面積成正比。如圖