液壓與氣壓傳動 課件 第4章 液壓馬達與液壓缸

第4章

液壓馬達與液壓缸液壓與氣壓傳動液壓馬達：回轉(zhuǎn)運動，輸出回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速液壓缸：直線運動，輸出推力和直線運動速度液壓缸液壓馬達目的任務(wù)

了解液壓傳動中各種執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)形式、工作原理掌握執(zhí)行元件的特點和工作參數(shù)計算方法重點難點

液壓馬達的輸出參數(shù)計算單桿活塞液壓缸的結(jié)構(gòu)、工作形式和工作參數(shù)計算

4.1液壓馬達

本節(jié)內(nèi)容4.1.1液壓馬達概述4.1.2高速液壓馬達4.1.3低速液壓馬達4.1.4液壓馬達的應(yīng)用實例

液壓泵和液壓馬達都是液壓傳動系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換元件

液壓泵

機械能

壓力能，是液壓系統(tǒng)的動力源

液壓馬達

壓力能

機械能，是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件液壓輸出J液壓馬達液壓泵機械輸入液壓輸入機械輸出4.1.1液壓馬達概述1.液壓馬達的特點及分類（1）液壓馬達的特點液壓輸出J液壓馬達液壓泵機械輸入液壓輸入機械輸出液壓馬達與液壓泵在工作原理上有可逆性，但因用途不同在結(jié)構(gòu)上有些差別。1）液壓馬達工作中需要正反轉(zhuǎn)，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有對稱性，并具有單獨的泄油口。2）液壓泵由原動機驅(qū)動，而液壓馬達由具有一定壓力的液壓油驅(qū)動，因此要求時刻保證進油腔和排油腔可靠隔離。3）液壓馬達不能僅靠切斷進出油口實現(xiàn)制動，需依靠機械制動裝置的輔助實現(xiàn)可靠制動。4）液壓馬達必須有較大的起動扭矩，要求保證初始密封性。如：葉片馬達必須在葉片根部裝上彈簧，以保證葉片始終貼緊定子內(nèi)表面，以便馬達能正常起動。5）液壓泵在結(jié)構(gòu)上需保證具有自吸能力，而液壓馬達沒有這一要求。（2）液壓馬達的分類ns＞500r/min

ns<500r/min

2.液壓馬達的主要性能參數(shù)1）工作壓力p

：液壓馬達輸入油液的實際壓力。大小取決于液壓馬達負載，液壓馬達進、出口壓力的差值稱為液壓馬達的壓差Δp。2）額定壓力ps：按試驗標(biāo)準(zhǔn)，能使馬達連續(xù)正常運轉(zhuǎn)的最高壓力。（2）流量與容積效率

1）實際流量qm

：

馬達入口處流量為馬達的實際流量。

2）理論流量

qmt

：

不計泄漏時，達到要求轉(zhuǎn)速所需的進口流量。

qm＝qmt＋Δq

Δq為泄漏量

3）容積效率

ηmv＝qmt

/qm

＝1-Δq/qm（1）工作壓力和額定壓力（3）液壓馬達的排量與轉(zhuǎn)速

1）排量V：為ηmv等于1時，輸出軸旋轉(zhuǎn)一周所需油液體積。

2）轉(zhuǎn)速：液壓馬達的轉(zhuǎn)速取決于供液的流量和液壓馬達本身的排量。爬行現(xiàn)象：當(dāng)液壓馬達工作轉(zhuǎn)速過低時，往往保持不了均勻的速度，進入時動時停的不穩(wěn)定狀態(tài)3）最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速：指液壓馬達在額定負載下，不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象的最低轉(zhuǎn)速。4）最高使用轉(zhuǎn)速：

受馬達使用壽命和機械效率的限制

由能量守恒定律知

實際輸出轉(zhuǎn)矩機械效率5）液壓馬達的功率、轉(zhuǎn)矩與機械效率液壓馬達輸入液壓功率液壓馬達輸出機械功率總效率3.液壓馬達圖形符號

（a）單向定量馬達（b）單向變量馬達（c）雙向定量馬達（d）雙向變量馬達4.1.2高速液壓馬達

基本形式齒輪馬達、葉片馬達和柱塞馬達等。特點結(jié)構(gòu)和泵相同或相近，二者的零部件通用程度高。工作轉(zhuǎn)速高，最高可達6000r/min轉(zhuǎn)動慣量小，便于啟動和制動，調(diào)節(jié)（調(diào)速和換向）靈敏度高。高速馬達配置減速器，得到比低速大扭矩馬達更好的低速穩(wěn)定性，節(jié)省徑向安裝空間。1.葉片馬達葉片馬達的結(jié)構(gòu)與工作原理初始狀態(tài)：葉片伸出頂靠在定子內(nèi)表面密閉容腔：葉片、轉(zhuǎn)子、定子和兩側(cè)配流盤右端進油：順時針旋轉(zhuǎn)左端進油：逆時針旋轉(zhuǎn)1-傳動軸；2-燕式彈簧；3-配油盤；4-葉片；5-轉(zhuǎn)子；6-后端蓋；7-前端蓋；8-軸承；9-密封；10-軸承

結(jié)構(gòu)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(shè)置有燕式彈簧；在高低壓油腔通入葉片底部的通路上裝有梭閥保證葉片根部始終通高壓油。1.葉片

2.銷子

3.燕式彈簧葉片梭閥定子燕式彈簧

應(yīng)用轉(zhuǎn)動慣量小，反應(yīng)靈敏，能適應(yīng)較高頻率的換向。但泄漏大，低速時不夠穩(wěn)定。適用于轉(zhuǎn)矩小、轉(zhuǎn)速高、機械性能要求不嚴(yán)格的場合。2.軸向柱塞馬達工作原理

結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。

應(yīng)用

變量馬達。改變斜盤傾角，不僅影響馬達的轉(zhuǎn)矩，而且影響它的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。斜盤傾角越大，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩越大，轉(zhuǎn)速越低。變排量3.齒輪馬達結(jié)構(gòu)特點1.進出油口相等，有單獨的泄油口2.為減少起動摩擦力矩，采用滾動軸承3.為減少轉(zhuǎn)矩脈動，齒數(shù)較泵的齒數(shù)多

齒數(shù)z》14。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，且瞬時轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩隨嚙合點而變化，因此僅用于高速小轉(zhuǎn)矩的場合，如工程機械、農(nóng)業(yè)機械及對轉(zhuǎn)矩均勻性要求不高的設(shè)備。定排量p4.1.3低速液壓馬達特點：最低轉(zhuǎn)速低，大約在5~10r/min輸出扭矩大，可達幾萬牛頓米；徑向尺寸大，轉(zhuǎn)動慣量大。可以直接與工作機構(gòu)直接聯(lián)接，不需要減速裝置，傳動結(jié)構(gòu)大為簡化。低速大扭矩液壓馬達廣泛用于起重、運輸、建筑、礦山和船舶等機械上。低速液壓馬達的基本形式：徑向柱塞式馬達和擺線式馬達等。1.擺線馬達利用行星減速機構(gòu)原理（即少齒差原理）的內(nèi)嚙合擺線齒輪液壓馬達配流軸式擺線馬達結(jié)構(gòu)組成1-配流軸2-輔助配流盤3-轉(zhuǎn)定子副

擺線馬達具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點。由于這種馬達的單位質(zhì)量功率比大、轉(zhuǎn)速范圍寬，使用可靠、低速穩(wěn)定性較好、性價比高，在工程機械、農(nóng)業(yè)機械等行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用。2.多作用內(nèi)曲線徑向柱塞馬達結(jié)構(gòu)組成凸輪環(huán)（定子）橫梁滾輪組缸體工作原理優(yōu)點：輸出轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)速低，平穩(wěn)性好。缺點：配油軸磨損后不能補償，使效率下降。缸體壓油口配油軸定子柱塞回油口上死點上死點下死點下死點abba4.1.4液壓馬達的應(yīng)用實例1.盾構(gòu)刀盤液壓驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動扭矩：5000kN·m~9000kN·m；轉(zhuǎn)速：3~6r/min。實現(xiàn)刀盤正、反轉(zhuǎn)要求，刀盤在規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可實現(xiàn)無級調(diào)速。因安裝空間限制，不能直接采用低速大扭矩馬達，故采用高速馬達加減速器的方案，以實現(xiàn)減速增扭。系統(tǒng)采用多臺大排量斜軸式軸向柱塞變量馬達作為執(zhí)行機構(gòu)，經(jīng)過減速機、大齒輪驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)，滿足刀盤低速和超大扭矩需求。目前采用的軸向柱塞馬達最大排量達到500mL/r，額定壓力35MPa。該馬達可以無級設(shè)定最大、最小排量，X口外接控制油使馬達在最大、最小排量之間切換。柱塞馬達4.1.4液壓馬達的應(yīng)用實例2.甘蔗收割機液壓系統(tǒng)13個動作：甘蔗聯(lián)合收割機液壓系統(tǒng)要求實現(xiàn)行走、扶蔗、收割、壓倒梳理、撿拾、剝?nèi)~、分葉、輸出、切尾、切尾分葉、扶蔗升降、切尾升降和機架升降

。收割過程：裝在收割機前端的扶蔗機構(gòu)將倒伏的甘蔗扶起后，由切尾分葉裝置將蔗梢引至切尾圓盤刀處，由高度可調(diào)的旋轉(zhuǎn)圓盤切尾刀切去蔗梢，同時在與壟面平齊或壟面以下6~10厘米處，雙圓盤式切蔗刀將蔗稈從根部切斷，隨后由甘蔗撿拾、剝?nèi)~和分葉通道輸出到運輸車內(nèi)。采用液壓馬達形式：行走部分采用高速柱塞馬達加減速器，扶蔗、梳理、撿拾、分葉機構(gòu)因要求速度小于300r/min扭矩小于100N·m，因此采用了低速擺線馬達。第4章

液壓馬達與液壓缸液壓與氣壓傳動4.2液壓缸本節(jié)重點內(nèi)容1.液壓缸的作用2.液壓缸的基本組成3.液壓缸的推力及速度計算4.液壓缸的特點和應(yīng)用

液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的執(zhí)行裝置，將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動或擺動的機械能。液壓缸輸入為壓力和流量，輸出為力和速度按結(jié)構(gòu)形式分為活塞式柱塞式回轉(zhuǎn)式雙作用式按作用方式分單作用式

4.2.1常用液壓缸的類型和速度推力特性（1）雙桿活塞液壓缸基本組成：兩側(cè)都有活塞桿伸出缸筒固定活塞桿固定1.活塞缸

分為雙桿活塞液壓缸和單桿活塞液壓缸兩種工作原理運動部件移動范圍是活塞有效行程的三倍運動部件移動范圍是活塞有效行程的兩倍缸筒固定活塞桿固定雙活塞桿液壓缸的速度、推力特性推力特性速度特性適用于要求往復(fù)運動速度和輸出力相同的工況。應(yīng)用

當(dāng)兩活塞桿直徑相同、缸兩腔的供油壓力和流量都相等時，活塞(或缸體)兩個方向的推力和運動速度也都相等。特點缸筒固定：活塞桿帶動工作臺移動活塞桿固定：缸筒與工作臺相連（2）單桿活塞液壓缸缸筒固定活塞桿固定活塞桿固定工作原理

缸筒固定：左腔連續(xù)輸入壓力油時，當(dāng)油的壓力足以克服活塞桿上的所有負載時，活塞桿以一定速度向右伸出，活塞桿對外界做功。反之亦然?；钊麠U固定：左腔連續(xù)輸入壓力油時，則缸筒向左方向運動。反之亦然。缸筒固定活塞桿固定工作臺移動范圍是活塞有效行程的兩倍。單桿活塞缸的三種工作形式無桿腔進油有桿腔進油

差動連接單活塞桿液壓缸的速度、推力特性1）無桿腔進油速度推力

2）有桿腔進油速度推力由上式知：由于A1>A2，故F1>F2，V1<V2，即：活塞桿伸出時，推力較大，速度較??；

活塞桿縮回時，推力較小，速度較大。兩種工作方式比較速度推力特點和應(yīng)用

供油壓力和流量不變時，活塞在兩個方向的運動速度和輸出推力皆不相等。適用于伸出時承受工作載荷，縮回時為空載或輕載的場合。（3）差動連接

單活塞桿缸兩腔同時通壓力油差動連接的缸能雙向運動？圖示運動方向？向右運動差動連接時實際起有效作用的面積是活塞桿的橫截面積。活塞推力運動速度由此可知，差動連接時的推力F3

比非差動連接時的推力F1

要小。前進（伸出）差動前進（伸出）后退（縮回）三種工作方式推力分析（不考慮損失）可見，差動連接時的速度v3

比非差動連接時的速度v1

要快。三種工作方式速度分析（不考慮損失）要使活塞往返運動速度相等，即V2=V3，則A1=2A2前進（伸出）后退（縮回）差動前進（伸出）差動缸差動連接特點在不增加油源流量的情況下，可以提高運行速度差動連接時，只能單方向運動退回時，必須解除差動連接2.柱塞缸柱塞缸的工作原理與特點圖形符號向右運動雙向運動1）是一種單作用式液壓缸，柱塞回程靠其它外力或柱塞的自重；柱塞缸只能作單作用缸，要求往復(fù)運動時，需成對使用；2）柱塞只靠缸套支承而不與缸筒接觸，這樣缸筒內(nèi)孔不需精加工，故適于做長行程液壓缸；3）工作時柱塞總受壓，因而它必須有足夠的剛度；4）為減輕重量，減少彎曲變形，柱塞常做成空心。

柱塞缸的推力和速度計算（不考慮效率）推力速度1.增壓液壓缸

增壓缸=活塞缸+柱塞缸增壓缸不是將液壓能轉(zhuǎn)換成機械能，而是液壓能的傳遞，使之增壓，是一個增壓器件，不是執(zhí)行元件。4.2.2其他形式液壓缸K：增壓比K＝D2/d2增壓原理增壓能力是在降低有效流量的基礎(chǔ)上得到的。輸出壓力輸出流量局部區(qū)域獲得高壓特點增壓缸作為油路中間環(huán)節(jié)，用在低壓系統(tǒng)能滿足有局部高壓油路的場合。如粉末冶金行業(yè)，壓力機，金剛石壓機等。

應(yīng)用由兩個或多個活塞式缸套裝而成，前一級活塞缸的活塞桿是后一級活塞缸的缸筒。分類：雙作用伸縮缸:回程靠液壓作用力單作用伸縮缸:回程靠外力2.伸縮液壓缸圖形符號單作用伸縮液壓缸雙作用伸縮液壓缸特點1）伸縮缸中各級活塞依次伸出可獲得很長的行程，當(dāng)依次縮回時缸的軸向尺寸很小。2）當(dāng)輸入流量相同時，外伸速度逐次增大；3）當(dāng)負載恒定時，液壓缸的工作壓力逐次增高。

應(yīng)用常用于安裝空間小而行程要求很長的場合，特別適用于工程機械及自動線步進式輸送裝置。3.齒條活塞液壓缸活塞缸與齒輪齒條機構(gòu)組成的復(fù)合式缸。它將活塞的直線往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)辇X輪的旋轉(zhuǎn)運動，用在機床的進刀機構(gòu)、回轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn)位、液壓機械手等。圖形符號4.擺動液壓缸

工作原理圖形符號

（a）單葉片式(b)雙葉片式擺動液壓缸的特點

當(dāng)通入液壓油，它的主軸能輸出小于360°的擺動運動的缸。常用于輔助裝置，如送料和轉(zhuǎn)位裝置、液壓機械手及間歇進給機構(gòu)。單葉片式擺動角度較大，可達300°雙葉片式擺動角度一般小于150°。在相同條件下，雙葉片式的輸出轉(zhuǎn)矩是單葉片擺動缸的兩倍，輸出角速度是單葉片缸的一半。4.2.3液壓缸的典型結(jié)構(gòu)和組成1.液壓缸的典型結(jié)構(gòu)活塞桿活塞缸體油口油口密封密封端蓋雙作用單活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)缸筒2.液壓缸的組成(1)缸筒和缸蓋(a)法蘭連接式(b)半環(huán)連接式(c)螺紋連接式

(d)拉桿連接式(e)焊接連接式1-缸蓋；2-缸筒；3-壓板；4-半環(huán)；5-防松螺帽；6-拉桿缸筒和缸蓋結(jié)構(gòu)2.液壓缸的組成(2)活塞與活塞桿可以把短行程的液壓缸的活塞桿與活塞做成一體，這是最簡單的形式。但當(dāng)行程較長時，這種整體式活塞組件的加工較費事，所以常把活塞與活塞桿分開制造，然后再連接成一體。2.液壓缸的組成(3)密封裝置液壓缸中需要密封的部位有活塞、活塞桿和端蓋等處。(a)間隙密封(b)橡膠組合密封(c)O形圈密封(d)V形圈密封

普通型防塵圈1-內(nèi)唇2-防塵唇3-防塵圈4-軸（活塞桿）1-格萊圈2-O型圈

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