第3章-液壓執(zhí)行元件課件

第三章液壓執(zhí)行元件液壓缸的分類液壓缸的結(jié)構(gòu)液壓缸的設(shè)計(jì)液壓馬達(dá)的分類高速液壓馬達(dá)低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)本章主要內(nèi)容為：液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件是把液體壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能以驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)的元件，包括液壓缸和液壓馬達(dá)。液壓缸可以實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)或者往復(fù)擺動(dòng)。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(dá)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)。液壓馬達(dá)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(shí)物圖3.2液壓挖掘機(jī)

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(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類液壓系統(tǒng)。按運(yùn)動(dòng)形式的不同分：往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)液壓缸和擺動(dòng)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(dòng)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。

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(dāng)輸入流量和油液壓力不變時(shí)，其往返運(yùn)動(dòng)速度和推力相等。則液壓缸的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)可以獲得不同的速度和推力。(1)無桿腔進(jìn)油活塞的運(yùn)動(dòng)速度v1和F1分別為:(2)有桿腔進(jìn)油活塞的運(yùn)動(dòng)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(jì)參數(shù)，定義液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度比為：

(3)差動(dòng)連接

當(dāng)單桿活塞缸兩腔同時(shí)通入壓力油時(shí)，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(yùn)動(dòng)，活塞桿外伸；同時(shí)，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(jìn)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(dòng)連接。進(jìn)入無桿腔的流量：活塞的運(yùn)動(dòng)速度為：在忽略兩腔連通油路壓力損失的情況下，差動(dòng)連接液壓缸的推力為：

[例3.1]：

假設(shè)有一雙作用單桿活塞缸，要求其差動(dòng)快進(jìn)和快退(有桿腔進(jìn)油，無桿腔回油)時(shí)速度均為0.1m/s；若供油流量為30.2L/min，不計(jì)摩擦損失和泄漏，試確定活塞與活塞桿的直徑。液壓缸計(jì)算舉例解：差動(dòng)快進(jìn)時(shí)：所以：快退時(shí)：由v1＝v2得：即：所以：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(yùn)動(dòng)，可將兩柱塞液壓缸成對(duì)使用，如圖3.6(b)所示，每個(gè)柱塞缸控制一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。3.1.3擺動(dòng)式液壓缸

擺動(dòng)液壓缸又稱為擺動(dòng)液壓馬達(dá)，能實(shí)現(xiàn)小于360°的往復(fù)擺動(dòng)，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。

在相同體積下，當(dāng)輸入油液壓力和流量不變時(shí)，隨著葉片數(shù)的增加，輸出轉(zhuǎn)矩相應(yīng)增加，而擺動(dòng)角速度則相應(yīng)減小。輸出角速度為：單葉片缸的擺動(dòng)軸輸出轉(zhuǎn)矩為3.1.4組合式液壓缸3.1.4.1伸縮缸：

伸縮缸又稱多級(jí)缸，它由兩級(jí)或多級(jí)活塞缸套裝而成。圖3.8所示為兩級(jí)伸縮式液壓缸的結(jié)構(gòu)圖，它由兩級(jí)活塞缸組成。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?。由活塞的受力平衡可?/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。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(dòng)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(jī)構(gòu)組成。當(dāng)液壓缸左腔進(jìn)油右腔回油時(shí)，齒條活塞向右運(yùn)動(dòng)，齒條帶動(dòng)齒輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；進(jìn)回油反向，齒輪則順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。3.2液壓缸的結(jié)構(gòu)根據(jù)液壓缸各部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(gè)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(dòng)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(qiáng)度。導(dǎo)向套對(duì)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缸筒與缸蓋的連接形式(a)尾部法蘭型；(a)中間銷軸型；(c)頭部耳環(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。活塞與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(dāng)液壓缸帶動(dòng)質(zhì)量較大的部件作快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)部件慣性較大，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到液壓缸終端時(shí)，會(huì)與端蓋發(fā)生機(jī)械碰撞，引起沖擊和噪聲，甚至造成液壓缸或者被驅(qū)動(dòng)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(shí)還需在液壓系統(tǒng)中設(shè)計(jì)緩沖回路。緩沖裝置的原理是當(dāng)活塞或者缸筒接近行程終點(diǎn)時(shí)，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(duì)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(duì)于要求不高的液壓缸，可在液壓缸的最高處設(shè)置進(jìn)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(jì)液壓缸的設(shè)計(jì)是在對(duì)液壓系統(tǒng)完成工況分析、負(fù)載計(jì)算和確定了系統(tǒng)工作壓力的基礎(chǔ)上進(jìn)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(fù)載和運(yùn)動(dòng)速度和行程要求確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，必要時(shí)需對(duì)部分零件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性驗(yàn)算，最后完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(jì)算缸筒內(nèi)徑時(shí)，要考慮設(shè)備的類型。對(duì)于動(dòng)力較大的機(jī)床要滿足對(duì)牽引力的要求，計(jì)算時(shí)以力為主；對(duì)于輕載高速的機(jī)床要滿足速度的要求，計(jì)算時(shí)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(fù)載和選取的工作壓力來定，對(duì)單桿缸而言，無桿腔進(jìn)油并不考慮機(jī)械效率時(shí)

(3.1)有桿腔進(jìn)油且不考慮機(jī)械效率時(shí)

(3.2)取回油背壓p2=0時(shí)，可簡化上面兩式，即無桿腔進(jìn)油時(shí)

(3.3)有桿腔進(jìn)油時(shí)(3.23)對(duì)有桿腔進(jìn)油時(shí)的活塞桿直徑d，可根據(jù)其壓力選取，見表3.1；當(dāng)液壓缸的往復(fù)速度比有要求時(shí)(往復(fù)速度比推薦值見表3.2)還可以由下式計(jì)算d，即(3.24)

計(jì)算出的液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d應(yīng)該圓整為標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)D﹤80mm時(shí)，C=(0.6～1.5)D；當(dāng)D≥80mm時(shí)，C=(0.6～1)d。液壓缸長度L應(yīng)盡量采用國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度和剛度校核(1)缸筒的壁厚校核:

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

式中，Py為試驗(yàn)壓力，當(dāng)缸的額定壓力Pn≤16MPa時(shí)，取Py＝1.5Pn

；

Pn>16MPa時(shí)，取Py

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

(2)活塞桿強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核

活塞桿強(qiáng)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(dāng)活塞桿長徑比

L/d≥10時(shí)稱為細(xì)長桿，其受壓時(shí)軸向力超過某一臨界值時(shí)會(huì)失去穩(wěn)定性，因此需進(jìn)行穩(wěn)定性校核，詳細(xì)過程可查閱液壓設(shè)計(jì)手冊。3.4液壓馬達(dá)的分類3.4.1液壓馬達(dá)的分類

液壓馬達(dá)根據(jù)排量是否可變，分為定量馬達(dá)和變量馬達(dá)。按照排油方向分，進(jìn)出油口不變的是單向馬達(dá)，進(jìn)出油口可交換的是雙向液壓馬達(dá)。液壓馬達(dá)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(dá)的額定轉(zhuǎn)速分:高速和低速兩大類。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。低速液壓馬達(dá)的基本型式是徑向柱塞式。3.4.2液壓馬達(dá)的主要性能參數(shù)(1)壓力液壓馬達(dá)入口油液的實(shí)際壓力稱為馬達(dá)的工作壓力。馬達(dá)入口壓力和出口壓力的差值稱為馬達(dá)的工作壓差。(2)排量馬達(dá)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(dá)的排量。(3)流量

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

是馬達(dá)的進(jìn)、出油口壓強(qiáng)差值；q為輸入馬達(dá)的流量。馬達(dá)的輸出功率為:(5)效率馬達(dá)的總效率為:3.5高速液壓馬達(dá)葉片式液壓馬達(dá)外形尺寸小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)作靈敏、可適用于換向頻率較高的場合；缺點(diǎn)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(dá)一般用于高轉(zhuǎn)速、小轉(zhuǎn)矩小和動(dòng)作要求靈敏的液壓系統(tǒng)中。3.5.1葉片式液壓馬達(dá)3.4.2軸向柱塞式液壓馬達(dá)

軸向柱塞馬達(dá)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(dòng)，柱塞在缸體的孔內(nèi)移動(dòng)。3.6.1曲柄連桿式液壓馬達(dá)

曲柄連桿徑向柱塞式液壓馬達(dá)其結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，價(jià)格較低，但體積較大，低速穩(wěn)定性較差。3.6低速大扭矩液壓馬達(dá)3.6.2徑向球塞液壓馬達(dá)

圖3.20是QJM型徑向球塞式液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)原理圖，該型馬達(dá)是多作用內(nèi)曲線式低速大扭矩馬達(dá)，為軸轉(zhuǎn)型馬達(dá)。

[3.1]活塞式液壓缸有幾種形式？有什么特點(diǎn)？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=80mm，進(jìn)入液壓缸的流量q=30L/min，壓力p1=3MPa，p