《液壓與氣動技術》課件第3章 液壓執(zhí)行元件

第一節(jié)液壓馬達第二節(jié)液壓缸

第4章液壓執(zhí)行元件液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件是把液壓傳動系統(tǒng)中的液壓能轉換成機械能的能量轉換元件，它驅動機構作直線往復或旋轉（或擺動）運動，其輸入為壓力和流量，輸出力和速度，或轉矩和轉速。液壓執(zhí)行元件按其運動方式可分為液壓缸和液壓馬達。第一節(jié)液壓馬達3

液壓泵和馬達功用：液壓泵：

將電動機或其它原動機輸入的機械能轉換為

液體的壓力能，向系統(tǒng)供油。液壓馬達：將泵輸入的液壓能轉換為機械能而對負載

做功。液壓泵與液壓馬達關系：

功用上—相反；結構上—相似；

原理上—互逆。

從能量轉換的觀點來看，液壓泵與液壓馬達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工況；反之，當液壓馬達的主軸由外力矩驅動旋轉時，也可變?yōu)橐簤罕霉r。

因為它們具有同樣的基本結構要素:

密閉而又可以周期變化的容積

相應的配油機構。

一液壓馬達的特點及分類但是，由于液壓馬達和液壓泵的工作條件不同，對它們的性能要求也不一樣，所以同類型的液壓馬達和液壓泵之間，仍存在許多差別。1.首先液壓馬達應能夠正、反轉，因而要求其內部結構對稱；液壓馬達的轉速范圍需要足夠大，特別對它的最低穩(wěn)定轉速有一定的要求。因此，它通常都采用滾動軸承或靜壓滑動軸承；2.液壓泵的吸油腔為真空，一般液壓泵的吸油口比出油口的尺寸大。而液壓馬達低壓腔的壓力稍高于大氣壓力，所以沒有上述要求。3.液壓馬達要求能在很寬的轉速范圍內正常工作，因此，應采用液動軸承或靜壓軸承。因為當馬達速度很低時，若采用動壓軸承，就不易形成潤滑膜。4.液壓泵在結構上需保證具有自吸能力，而液壓馬達就沒有這一要求。5.液壓馬達必須具有較大的起動扭矩。所謂起動扭矩，就是馬達由靜止狀態(tài)起動時，馬達軸上所能輸出的扭矩，該扭矩通常大于在同一工作壓差時處于運行狀態(tài)下的扭矩，所以，為了使起動扭矩盡可能接近工作狀態(tài)下的扭矩，要求馬達扭矩的脈動小，內部摩擦小。由于存在著這些差別，使得液壓馬達和液壓泵在結構上比較相似，但不能可逆工作。

液壓馬達按其結構類型來分可以分為齒輪式、葉片式、柱塞式和其它型式。按液壓馬達的額定轉速分為高速和低速兩大類。額定轉速高于500r/min的屬于高速液壓馬達，額定轉速低于500r/min的屬于低速液壓馬達。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。它們的主要特點是轉速較高、轉動慣量小，便于啟動和制動，調節(jié)(調速及換向)靈敏度高。通常高速液壓馬達輸出轉矩不大(僅幾十N·m到幾百N·m)所以又稱為高速小轉矩液壓馬達。

低速液壓馬達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構型式，低速液壓馬達的主要特點是排量大、體積大轉速低，因此可直接與工作機構連接，不需要減速裝置，使傳動機構大為簡化，通常低速液壓馬達輸出轉矩較大(可達幾千N·m到幾萬N·m)，所以又稱為低速大轉矩液壓馬達。液壓馬達圖形符號8

單向定量雙向定量單向變量雙向變量二、液壓馬達的性能參數(shù)工作壓力和額定壓力工作壓力是指馬達實際工作時的壓力。

額定壓力是指馬達在正常工作條件下，按試驗標準規(guī)定能連續(xù)運轉的最高壓力。排量和理論流量排量是指在沒有泄漏的情況下，馬達軸旋轉一周所需輸入的液體體積。

理論流量是指在沒有泄漏的情況下，達到要求轉速所需輸入液體的流量。效率和功率

由于有泄漏損失，為了達到液壓馬達所要求的轉速，實際輸入的流量q必須大于理論輸入流量qt。機械效率：由于有磨擦損失，液壓馬達的實際輸出轉矩T一定小于理論轉矩Tt。機械效率為

液壓馬達的總效率為

液壓馬達的輸入功率為

液壓馬達的輸出功率為

轉矩和轉速

轉矩和轉速是液壓馬達輸出的兩個最重要物理量，是輸出機械能的表現(xiàn)形式。

液壓馬達產(chǎn)生的理論轉矩為

液壓馬達輸出的實際轉矩為

液壓馬達輸出的轉速為

式中，Δp—液壓馬達進、出口的壓力差；Ω，n—液壓馬達的角速度和轉速。η=ηvηmPi=△pqPo=TΩ=2πnT1.葉片式液壓馬達

由于壓力油作用，受力不平衡使轉子產(chǎn)生轉矩。葉片式液壓馬達的輸出轉矩與液壓馬達的排量和液壓馬達進出油口之間的壓力差有關，其轉速由輸入液壓馬達的流量大小來決定。

三、液壓馬達的工作原理

由于液壓馬達一般都要求能正反轉，所以葉片式液壓馬達的葉片要徑向放置。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設置單向閥，為了確保葉片式液壓馬達在壓力油通人后能正常啟動，必須使葉片頂部和定子內表面緊密接觸，以保證良好的密封，因此在葉片根部應設置預緊彈簧。

葉片式液壓馬達體積小，轉動慣量小，動作靈敏，可適用于換向頻率較高的場合，但泄漏量較大，低速工作時不穩(wěn)定。因此葉片式液壓馬達一般用于轉速高、轉矩小和動作要求靈敏的場合。

2.徑向柱塞式液壓馬達

軸向柱塞液壓馬達的工作原理，如圖4-1-3所示。當壓力油輸入時，處于高壓腔中的柱塞被頂出，壓在斜盤上。設斜盤作用在柱塞上的反力為F，力F的軸向分力Fx與柱塞上的液壓力平衡，而徑向分力Fy則使處于高壓腔中的每個柱塞都對轉子中心產(chǎn)生一個轉矩，使缸體和馬達軸旋轉。如果改變液壓馬達壓力油的輸入方向，馬達軸則反轉。圖4-1-3軸向柱塞馬達工作原理圖液壓馬達的實際輸出的總扭矩可用下式計算：

從式中可看出，當輸入液壓馬達的油液壓力一定時，液壓馬達的輸出扭矩僅和每轉排量有關。因此，提高液壓馬達的每轉排量，可以增加液壓馬達的輸出扭矩。改變輸入油液方向，可以改變液壓馬達轉動方向。

軸向柱塞式液壓馬達結構簡單，體積小，重量輕，工作壓力高，轉速范圍寬，低速穩(wěn)定性好，啟動機械效率高。

一般來說，軸向柱塞馬達都是高速馬達，輸出扭矩小，因此，必須通過減速器來帶動工作機構。如果我們能使液壓馬達的排量顯著增大，也就可以使軸向柱塞馬達做成低速大扭矩馬達。3．液壓馬達與液壓泵相比

（1）相同點

均是利用“密封”容積的交替變化進行工作的，均需要有配流裝置，油箱要和大氣相通；工作中均會產(chǎn)生困油現(xiàn)象和徑向不平衡力、液壓沖擊和液體泄漏等現(xiàn)象；兩者都是能量轉換裝置；理論上他們的輸入與輸出量具有相同的數(shù)學關系式；兩者重要的參數(shù)都是壓力和流量。

（2）不同點

驅動動力不同：液壓泵是電機帶動，液壓馬達是液體壓力驅動。

結構不同：液壓泵為保證其性能，一般是非對稱結構；液壓馬達需要正反轉，結構必須具有對稱性。

自吸能力要求不同：馬達依靠壓力油工作，不需要有自吸能力，而液壓泵必須要有自吸能力。

泄漏形式不同：液壓泵采用內泄漏形式，馬達必須采用外泄漏式結構。

容積效率不同：為了提高馬達的機械效率，其軸向間隙補償裝置的壓緊力比液壓泵小，所以液壓馬達容積效率比液壓泵低。第二節(jié)液壓缸

液壓缸是將液壓泵輸出的壓力能轉換為機械能的執(zhí)行元件，它主要是用來輸出直線運動（也包括擺動運動）。

一、液壓缸的分類

液壓缸按其結構形式，可以分為活塞缸、柱塞缸和伸縮式三類。按作用方式又可分為單作用式和雙作用式兩種。在單作用式液壓缸中，壓力油只供入液壓缸的一腔，使缸實現(xiàn)單向運動，反方向運動則依靠外力（彈簧力、自重或外部載荷等）來實現(xiàn)。在雙作用式液壓缸中，壓力油則交替供入液壓缸的兩腔，使缸實現(xiàn)正反兩個方向的往復運動。二、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。

活塞兩側的活塞桿直徑是相等的，進、出油口位于缸筒兩端。

左圖所示安裝形式占地面積大，適用于較大型機械。

進、出油口可以在活塞桿上，也可以用軟管連接在缸筒兩端。

左圖所示安裝形式占地面積小，適用于小型機械。

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。當分別向左、右腔輸入相同壓力和相同流量的油液時，液壓缸左、右兩個方向的推力和速度相等，當活塞的直徑為D，活塞桿的直徑為d，液壓缸進、出油腔的壓力為p1和p2，輸入流量為q時，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，設計成一個活塞桿是受拉的，而另一個活塞桿不受力，因此這種液壓缸的活塞桿可以做得細些。

2.單桿式活塞缸

單桿活塞缸的基本結構如右圖所示。其特點是只在活塞的一端有活塞桿，缸的兩腔有效工作面積不相等。它的安裝也有缸筒固定和活塞桿固定兩種，進、出油口根據(jù)安裝方式而定。但工作臺移動范圍都為活塞有效行程的兩倍。當輸入液壓缸的油液流量為q，液壓缸進出油口壓力分別為p1和p2時，其活塞上所產(chǎn)生的推力F1和速度v1為由上式可知，由于A1>A2

，所以F1>F2

。若把兩個方向上的輸出速度V1和V2

的比值稱為速度比，記作λv

，則因此，活塞桿直徑越小，越接近于1，活塞兩個方向的速度差值也就越小，如果活塞桿較粗，活塞兩個方向運動的速度差值就較大。在已知D和

λυ的情況下，也就可以較方便地確定d。

當油液從如動畫所示的右腔(有桿腔)輸入時，其活塞上所產(chǎn)生的推力F2和速度v2為

差動缸

工程中，經(jīng)常遇到單活塞桿液壓缸左右兩腔同時接通壓力油的情況，這種連接方式稱為差動連接，此缸稱為差動缸。差動連接的顯著特點是在不增加輸入流量的情況下提高活塞的運動速度。盡管此時液壓缸兩腔壓力相等（不計管路壓力損失），但兩腔活塞的工作面積不相等，因此，活塞將向有桿腔方向運動（缸體固定時）。有桿腔排出的油液和油源輸入的油液一起進入無桿腔，增加了進入無桿腔的流量，從而提高了活塞的運動速度。由上式可知，差動連接時液壓缸的推力比非差動連接時小，速度比非差動連接時大，正好利用這一點，可使在不加大油源流量的情況下得到較快的運動速度，這種連接方式被廣泛應用于組合機床的液壓動力滑臺和其它機械設備的快速運動中。如果要求快速運動和快速退回速度相等即V3=V2

，則必須使三、柱塞缸

柱塞式液壓缸的結構如圖所示。它具有以下特點：

（1）柱塞式液壓缸是單作用液壓缸，即靠液壓力只能實現(xiàn)一個方向的運動，回程要靠自重（當液壓缸垂直放置時）或其它外力，因此柱塞缸常成對使用；

（2）柱塞運動時，由缸蓋上的導向套來導向，因此，柱塞和缸筒的內壁不接觸，缸筒內孔只需粗加工即可；

（3）柱塞重量往往比較大，水平放置時容易因自重而下垂，造成密封件和導向件單邊磨損，故柱塞式液壓缸垂直使用較為有利；

（4）當柱塞行程特別長時，僅靠導向套導向就不夠了，為此可在缸筒內設置各種不同形式的輔助支承，起到輔助導向的作用。

當柱塞的直徑為d，輸入液壓油的流量為q，壓力為p時，其柱塞上所產(chǎn)生的推力F和速度v為

柱塞式液壓缸的主要特點是柱塞與缸筒無配合要求，缸筒內孔不需精加工，甚至可以不加工。運動時由缸蓋上的導向套來導向，所以它特別適用在行程較長的場合。四、其他形式的液壓缸1、擺動缸

擺動式液壓缸也稱擺動液壓馬達。當它通人壓力油時，它的主軸能輸出小于360度的擺動運動，常用于夾緊裝置、送料裝置、轉位裝置以及需要周期性進給的系統(tǒng)中。左圖所示為單葉片式擺動缸，它的擺動角度較大，可達300度。當擺動缸進出油口壓力為p1和p2，輸人流量為q時，它的輸出轉矩T和角速度ω各為式中b為葉片的寬度，R1、R2為葉片底部、頂部的回轉半徑。雙葉片式擺動缸的擺動角度小于150°。在相同情況下，輸出轉矩是單葉片式的兩倍，角速度是單葉片式的一半。雙葉片式擺動缸2、伸縮式液壓缸

伸縮式液壓缸又稱多級液壓缸。它是由兩個或多個活塞套裝而成，前一級活塞桿是后一級活塞缸的缸筒。伸出時，可以獲得很長的工作行程，縮回時可保持很小的結構尺寸.如圖所示為一種伸縮缸，在各級活塞依次伸出時，液壓缸的有效面積是逐級變化的。在輸入流量和壓力不變的情況下，液壓缸的輸出推力和速度也是逐級變化的。其值為式中，i—第i級活塞缸。

顯然，這種液壓缸起動時，活塞有效面積最大，因此，輸出推力也最大，隨著行程逐級增長，推力隨之減小。這種推力變化情況，正適合于自動裝卸車對推力的要求。五、液壓缸的典型結構和組成液壓缸的結構形式很多，這里以一種典型液壓缸為例，說明液壓缸的基本組成。

圖4-2-6所示為單桿活塞缸的結構。由圖可見，缸體和前后兩個缸蓋是可分開的，這便于加工缸體的內孔。活塞、活塞桿和導套上都裝有密封圈，因而液壓缸被分隔為兩個互不相通的油腔。當活塞腔通入高壓油而活塞桿腔回油時，可實現(xiàn)工作行程，當從相反方向進油和排油時，則實現(xiàn)回程。所以它是雙作用液壓缸。此外，在缸的兩端還裝有緩沖裝置，當活塞高速運動時，能保證在行程終點上準確定位并防止沖擊。當活塞退回左端時，活塞頭部的緩沖柱塞插入頭側端蓋1的孔內，活塞腔的油必須經(jīng)過節(jié)流閥13才能排出，所以在活塞腔形成了回油阻力，使活塞得到緩沖。調整節(jié)流閥13的開口，可以得到合適的回油阻力。單向閥14可使活塞在左端終點位置上開始伸出時，油流不受節(jié)流閥的影響。當活塞運動到右端終點位置時，活塞桿上的加粗部分插入桿側端蓋8的孔中，使油從節(jié)流閥中排出，緩沖原理與前相同。11是活塞桿的導向套，它對活塞桿起導向和支承作用，為了便于磨損后進行更換，設計為可拆卸結構。缸體組件包括缸筒、端蓋及連接件。常見的缸體組件連接形式如圖4-2-7所示。法蘭式結構簡單，加工和裝拆方便，連接可靠。其徑向尺寸和質量較大，適用于大型液壓缸。螺紋式連接分外外螺紋和內螺紋兩種。其特點是外徑小，質量小，結構緊湊；但端部結構負責，裝拆需專用工具，旋端蓋時易損傷密封圈，常用與小型液壓缸。拉桿式連接通用性好，缸筒加工簡單，裝拆方便；但端蓋的體積大，質量較大，且拉桿受力會產(chǎn)生變形。它常用與短行程液壓缸。焊接式連接外形尺寸小，結構簡單；但易引起焊接變形，且不可拆。它主要用于柱塞式液壓缸。

半環(huán)式連接分內半環(huán)和外半環(huán)兩種。半環(huán)連接工藝性好，連接可靠，結構緊湊，裝拆方便。開半環(huán)槽對缸筒強度有影響，常用在無縫鋼管與端蓋的連接。（二）液壓缸的組成1.缸體組件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。如圖4-2-8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。3.緩沖裝置

當液壓缸帶動質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。為了防止這種危害，保證安全，必須設置緩沖裝置，對液壓缸運動速度進行控制。

緩沖裝置是利用活塞或缸筒移動到接近兩側端蓋時，將活塞與端蓋間的部分油液封住，迫使油液從縫隙獲小孔中流出，從而造成回油阻力，這個阻力使移動部件減速制動，防止與端蓋相撞。常見緩沖裝置分為節(jié)流口可調式和節(jié)流口變化式，其結構原理如圖4-2-9所示。圖4-2-9（a）為節(jié)流口可調式緩沖裝置，當活塞上的緩沖柱塞進入端蓋凹腔后，圓環(huán)形的回油腔中的油液只能通過針形節(jié)流閥流出，這就使活塞制動。調節(jié)節(jié)流閥的開口，可改變制動阻力的大小。這種緩沖裝置起始緩沖效果好，隨著活塞向前移動，緩沖效果逐漸減弱，因此它的制動行程較長。而圖4-2-9（b）所示為節(jié)流口變化式的緩沖裝置，它的緩沖柱塞上開有變截面的軸向三角形節(jié)流槽。當活塞移近端蓋時，回油腔油液只能經(jīng)過三角槽流出，因而使活塞受到制動作用。隨著活塞的移動，三角槽通流截面逐漸變小，阻力作用增大，因此，緩沖作用均勻，沖擊壓力較小，制動位置精度高。4.排氣裝置由于液體中混有空氣或液壓缸停止使用時空氣侵入，在液壓缸的最高部位常會聚積空氣，若不排除就會使缸的運動不平穩(wěn)，引起爬行和振動，嚴重時會使液體氧化腐蝕液壓元件。排氣裝置就是為解決此問題而設置的，常用的排氣裝置如圖所示。排氣閥和排氣塞都要安裝在液壓缸的最高部位。

應當指出，并非所有的液壓缸都設置排氣裝置，對于要求不高的液壓缸往往不設專門的排氣裝置，而是將通油口布置在缸筒兩端的最高處，使缸中的空氣隨油液的流動而排走。對于速度穩(wěn)定性要求較高以及較大型的液壓缸，則必須設置。密封裝置

液壓缸中的密封是指活塞、活塞桿和缸蓋等處的密封。它是用來防止液壓缸內部和外部的泄漏。液壓缸中密封設計的好壞，對液壓缸的性能有著重要影響。活塞密封

是指活塞外表面與缸筒內表面之間的密封，用來防止液壓缸中高壓容腔的油液向低壓容腔中泄漏。間隙密封這是一種最簡單的密封形式，常用在活塞直徑較小、工作壓力較低的液壓缸中。在活塞上開出的若干道深0.3mm至0.5mm的環(huán)形槽，可以增大油液從高壓腔向低壓腔泄漏的阻力，從而減小泄漏。活塞環(huán)密封這種密封是通過在活塞外表面的環(huán)形槽中放置切了口的金屬環(huán)來實現(xiàn)的。金屬環(huán)依靠彈性變形緊貼在缸筒內表面上，在高溫、高壓和高速運動場合有很好的密封性能。缺點是制造工藝比較復雜。橡膠圈密封這是一種結構簡單、磨損后能自動補償、并且密封性能會隨著壓力的加大而提高的密封方式，在工程中得到了非常廣泛的應用。六、液壓缸的設計和計算

液壓缸一般來說是標準件，但有時也需要自行設計。本節(jié)主要介紹液壓缸主要尺寸的計算及強度，剛度的驗算方法。

液壓缸的設計是在對所設計的液壓系統(tǒng)進行工況分析、負載計算和確定了其工作壓力的基礎上進行的。首先根據(jù)使用要求確定液壓缸的類型，再按負載和運送要求確定液壓缸的主要結構尺寸，必要是需進行強度驗算，最后進行結構設計。

液壓缸的主要尺寸包括：缸筒內徑D、活塞桿直徑d及缸筒長度L