第4章-液壓執(zhí)行元件

第4章液壓執(zhí)行元件

HydraulicActuator

液壓馬達(dá)和液壓缸是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件。是將液壓泵提供的液壓能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置。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。液壓缸是指輸出直線運(yùn)動(dòng)的液壓執(zhí)行元件。第4章

液壓執(zhí)行元件(HydraulicActuator)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)第4章

液壓執(zhí)行元件(HydraulicActuator)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)

按供油方向分：

單作用缸和雙作用缸。液壓缸的分類

單活塞桿式液壓缸雙活塞桿式液壓缸4.1液壓缸的類型和特點(diǎn)(Classificationandcharacteristics)按活塞桿形式分：

單活塞桿缸、雙活塞桿缸。湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)

按結(jié)構(gòu)形式分：

活塞缸、柱塞缸、伸縮套筒缸、擺動(dòng)液壓缸。液壓缸的分類柱塞式液壓缸

單活塞桿式液壓缸雙活塞桿式液壓缸彈簧復(fù)位式液壓缸4.1液壓缸的類型和特點(diǎn)(Classificationandcharacteristics)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)

活塞式液壓缸可分為雙桿式和單桿式兩種結(jié)構(gòu)形式，其安裝又有缸筒固定和活塞桿固定兩種方式。4.1.1活塞式液壓缸(Pistoncylinders)1、雙活塞桿液壓缸湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)1、雙活塞桿液壓缸雙活塞桿液壓缸的活塞兩端都帶有活塞桿，分為缸體固定和活塞桿固定兩種安裝形式。(a)缸筒固定式

(b)活塞桿固定式

4.1.1活塞式液壓缸(Pistoncylinders)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)活塞桿的推力和速度計(jì)算：式中：A—活塞的有效工作面積；

D—活塞的直徑；d—活塞桿的直徑；P1、P2—液壓缸進(jìn)、出油腔的壓力；Q—輸入流量圖形符號(hào)4.1.1活塞式液壓缸(Pistoncylinders)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)(a)無桿腔進(jìn)油

Ddq(b)有桿腔進(jìn)油

q2、單活塞桿液壓缸圖形符號(hào)4.1.1活塞式液壓缸(Pistoncylinders)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)無桿腔進(jìn)油有桿腔進(jìn)油（4-4）（4-3）（4-6）（4-5）4.1.1活塞式液壓缸(Pistoncylinders)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)比較上述各式，可以看出：>,>；液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度比為：（4.7）

上式表明：當(dāng)活塞桿直徑愈小時(shí)，速度比接近1，在兩個(gè)方向上的速度差值就愈小。

4.1.1活塞式液壓缸(Pistoncylinders)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)4.1.1活塞式液壓缸(Pistoncylinders)差動(dòng)連接：?jiǎn)位钊麠U缸兩腔同時(shí)通壓力油，p1=p2。差動(dòng)連接的液壓缸只能向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)差動(dòng)連接（4-8）（4-9）4.1.1活塞式液壓缸(Pistoncylinders)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)如要求單活塞桿液壓缸在差動(dòng)連接時(shí)的活塞伸出速度與活塞縮回（非差動(dòng)連接）的速度相等，即。則有：可得：按這種比例做的單桿缸稱為差動(dòng)液壓缸。4.1.1活塞式液壓缸(Pistoncylinders)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)

圖4.5柱塞缸

當(dāng)活塞式液壓缸行程較長(zhǎng)時(shí)，加工難度大,使得制造成本增加。某些場(chǎng)合所用的液壓缸并不要求雙向控制,柱塞式液壓缸正是滿足了這種使用要求的一種價(jià)格低廉的液壓缸。4.1.2柱塞式液壓缸(Plungercylinders)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)

如圖所示，柱塞缸由缸筒、柱塞、導(dǎo)套、密封圈和壓蓋等零件組成，柱塞和缸筒內(nèi)壁不接觸，因此缸筒內(nèi)孔不需精加工，工藝性好，成本低。4.1.2柱塞式液壓缸(Plungercylinders)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)如果要獲得雙向運(yùn)動(dòng)，可將兩柱塞液壓缸成對(duì)使用。為減輕柱塞的重量，有時(shí)制成空心柱塞。式中：d—柱塞直徑，p1—進(jìn)油壓力，p2—另一缸的回油壓力。4.1.2柱塞式液壓缸(Plungercylinders)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)1.伸縮式液壓缸

Telescopiccylinders

結(jié)構(gòu)：由兩個(gè)或多個(gè)活塞缸或柱塞缸套裝而成，前一級(jí)活塞缸的活塞是后一級(jí)活塞缸的缸筒，可獲得很長(zhǎng)的工作行程。伸縮缸廣泛的用于起重運(yùn)輸車輛上。有單作用和雙作用之分。b)雙作用伸縮缸a)單作用伸縮缸4.1.3其他液壓缸(Cylindersofothertypes)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)結(jié)構(gòu)：4.1.3其他液壓缸(Cylindersofothertypes)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)2齒條活塞缸

Rack-pistoncylinders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，活塞往復(fù)移動(dòng)經(jīng)齒條、齒輪機(jī)構(gòu)變成齒輪軸往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。4.1.3其他液壓缸(Cylindersofothertypes)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)3增速缸

Boostingcylinders增速缸是活塞缸與柱塞缸組成的復(fù)合缸，活塞缸的活塞內(nèi)腔是柱塞缸的缸筒，柱塞固定在活塞缸的缸筒上。增速缸可用于快速運(yùn)動(dòng)回路，在不增加泵的流量的前提下，使執(zhí)行元件獲得盡可能大的工作速度。4.1.3其他液壓缸(Cylindersofothertypes)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)4.2液壓缸的典型結(jié)構(gòu)和組成(Typicalconstructionsandmakeups)液壓缸的典型結(jié)構(gòu)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)液壓缸由缸體組件、活塞組件、密封件和連接件等基本部分組成。此外，根據(jù)缸的需要還設(shè)有緩沖裝置和排氣裝置。4.2液壓缸的典型結(jié)構(gòu)和組成(Typicalconstructionsandmakeups)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)1缸體組件的連接形式4.2.1缸體組件(Cylinderblockassembly)缸體組件通常由缸筒、缸蓋、導(dǎo)向環(huán)和支承環(huán)等組成。湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)

缸筒

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，要求表面粗糙度在0.1

m~0.4

m。

端蓋

裝在缸筒兩端，與缸筒形成封閉油腔，同樣承受很大的液壓力，因此，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，有些液壓缸不設(shè)導(dǎo)向套，直接用端蓋孔導(dǎo)向。缸筒，端蓋和導(dǎo)向套的材料選擇和技術(shù)要求可參考液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)。

2.缸筒、缸蓋和導(dǎo)向套4.2.1缸體組件(Cylinderblockassembly)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)4.3.2活塞組件

(Pistonassembly)

活塞組件由活塞、密封件、活塞桿和連接件等組成。1活塞與活塞桿的連接形式

如圖所示，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(jié)構(gòu)、焊接式結(jié)構(gòu)、錐銷式結(jié)構(gòu)等。

1一活塞桿；2一活塞；3一密封圈；4一彈簧圈；5一螺母1一卡鍵；2一套環(huán)；3一彈簧卡圈4.2.2活塞組件(Pistonassembly)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)4.2.2活塞組件(Pistonassembly)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)螺紋式連接半環(huán)式連接

螺紋式連接：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便，但在高壓大負(fù)載下備有螺帽防松裝置。

半環(huán)式連接：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，裝拆不便，但工作較可靠?；钊突钊麠U制成整體式結(jié)構(gòu)：只適用于尺寸較小的場(chǎng)合。活塞一般用耐磨鑄鐵制造，活塞桿不論是空心的還是實(shí)心的，大多用鋼料制造。4.2.2活塞組件(Pistonassembly)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)

密封按其工作原理可分為非接觸式密封和接觸式密封。

前者主要指間隙密封，后者指密封件密封。1間隙密封(Clearancesealing)：

它依靠運(yùn)動(dòng)件間的微小間隙來防止泄漏。

為了提高這種裝置的密封能力，常在活塞表面制出幾條細(xì)小的環(huán)形槽，以增大油液通過間隙時(shí)的阻力。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，摩擦阻力小，可耐高溫，但泄漏大，加工要求高，磨損后無法恢復(fù)原有能力，只有在尺寸較小、壓力較低、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較高的缸筒和活塞間使用。4.2.3密封裝置(Sealsandsealingdevices)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)在活塞的環(huán)槽中放置金屬活塞環(huán)，活塞環(huán)有一個(gè)開口，依靠其彈性變形所產(chǎn)生的張力緊貼缸筒內(nèi)壁來實(shí)現(xiàn)密封。這種密封具有自動(dòng)補(bǔ)償磨損的功能，密封效果好，能適應(yīng)較大的壓力與速度變化，耐高溫、使用壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)是制造工藝復(fù)雜，因此，它適用于高壓、高速或密封性能要求高的場(chǎng)合。2活塞環(huán)密封4.2.3密封裝置(Sealsandsealingdevices)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)

它利用橡膠或塑料的彈性使各種截面的環(huán)形圈緊貼在靜、動(dòng)配合面之間來防止泄漏。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，磨損后有自動(dòng)補(bǔ)償能力，性能可靠，在缸筒和活塞之間、缸蓋和活塞之間、活塞和活塞桿之間、缸筒和缸蓋之間都能使用。

常用的密封件密封裝置主要有：O形密封圈、Y型密封圈、v型密封圈、防塵圈及組合密封圈等。3密封圈密封4.2.3密封裝置(Sealsandsealingdevices)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)（1）O形密封圈(“O”ringseal)0形密封圈的截面為圓形，主要制造材料為耐油橡膠。主要用于靜密封和滑動(dòng)密封（轉(zhuǎn)動(dòng)密封用得較少）。適用速度范圍為0.005~0.3m/s。圖4-13O形圈密封當(dāng)工作壓力較高時(shí)（用于動(dòng)密封，壓力＞10MPa，用于靜密封，壓力＞32MPa），為防止O形圈被擠入間隙而損壞，可在密封圈低壓側(cè)設(shè)置由聚四氟乙烯或尼龍制作的檔圈4.2.3密封裝置(Sealsandsealingdevices)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)a）Y形圈一般安裝；b）帶支承環(huán)安裝a）等高唇通用型；b）軸用型Yx形圈；c）孔用型Yx形圈（2）Y形密封圈類型：寬斷面、窄斷面密封原理：唇口端對(duì)著高壓側(cè)，壓力使唇口貼緊壁面。特點(diǎn)：密封性、穩(wěn)定性和耐壓性較好，阻力小，壽命較長(zhǎng)，唇邊磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償。材料：丁晴橡膠、氟橡膠、聚氨酯橡膠。應(yīng)用：往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封，寬斷面＜20MPa，窄斷面＜32MPa。軸用密封裝在孔的槽內(nèi)，短唇與軸相對(duì)滑動(dòng)?？子妹芊庋b在軸的槽內(nèi)，短唇與孔相對(duì)滑動(dòng)。4.2.3密封裝置(Sealsandsealingdevices)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)（3）V形密封圈組成：壓環(huán)、V形環(huán)、支撐環(huán)密封原理：開口端對(duì)應(yīng)高壓側(cè)；壓環(huán)、支撐環(huán)壓力使V形圈唇口貼緊壁面。特點(diǎn)：封性好、耐壓高、壽命長(zhǎng)。應(yīng)用：適用＜50MPa的活塞及活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封，工作溫度為-40~80℃

。油液泄露時(shí)，可調(diào)整壓環(huán)壓力補(bǔ)償V形環(huán)接觸應(yīng)力。4.2.3密封裝置(Sealsandsealingdevices)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)（4）防塵圈圖4-17普通防塵圈1—內(nèi)唇；2—防塵唇；3—防塵圈；4—軸位置：活塞桿或柱塞密封外側(cè)。作用：防止外界塵埃、砂粒等異物侵入油缸，導(dǎo)致元件損壞或工作介質(zhì)污染。類型：無骨架式、骨架式無骨架式應(yīng)用為多，其工作速度≤1m/s，溫度范圍-30~+110℃。4.2.3密封裝置(Sealsandsealingdevices)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)

為了防止這種危害，保證安全，應(yīng)采取緩沖措施，對(duì)液壓缸運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行控制。

當(dāng)液壓缸帶動(dòng)質(zhì)量較大的部件作快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)部件具有很大的動(dòng)能，因此當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到液壓缸終端時(shí)，會(huì)與端蓋碰撞，而產(chǎn)生沖擊和噪聲。這種機(jī)械沖擊不僅引起液壓缸的有關(guān)部分的損壞，而且會(huì)引起其它相關(guān)機(jī)械的損傷。4.2.4緩沖裝置(Cushiondevices)4.2.4緩沖裝置湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)液壓缸中緩沖裝置的工作原理：利用活塞或缸筒在其走向行程終端時(shí)，在活塞和缸蓋之間封住一部分油液，強(qiáng)迫它從小孔或細(xì)縫中擠出，以產(chǎn)生很大的阻力，使工作部件受到制動(dòng)，逐漸減慢運(yùn)動(dòng)速度，達(dá)到避免活塞和缸蓋相互撞擊的目的。常用的緩沖裝置：

圓柱形環(huán)隙式緩沖裝置、圓錐形環(huán)隙式緩沖裝置、可變節(jié)流槽式緩沖裝置和可調(diào)節(jié)流孔式緩沖裝置。4.2.4緩沖裝置(Cushiondevices)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)4.2.4緩沖裝置(Cushiondevices)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)往往會(huì)混入空氣，使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，產(chǎn)生振動(dòng)、爬行或前沖等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)不能正常工作。

因此，設(shè)計(jì)液壓缸時(shí)，必須考慮空氣的排除。

對(duì)于速度穩(wěn)定性要求較高的液壓缸和大型液壓缸：4.2.5排氣裝置(Ventingdevices)

對(duì)于要求不高的液壓缸：4.2.5排氣裝置常在液壓缸的最高處設(shè)置專門的排氣裝置，如排氣塞、排氣閥等。不設(shè)計(jì)專門的排氣裝置，將油口布置在缸筒端的最高處，使空氣隨油液排往油箱，再?gòu)挠拖湟莩?。湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)當(dāng)松開排氣塞或閥的鎖緊螺釘后，低壓往復(fù)運(yùn)動(dòng)幾次，帶有氣泡的油液就會(huì)排出，空氣排完后擰緊螺釘，液壓缸便可正常。4.2.5排氣裝置(Ventingdevices)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)液壓馬達(dá)（進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換）輸入液壓功率輸出機(jī)械功率p；qT；ω（n）

液壓馬達(dá)是液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件,在一定流量的壓力油推動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，將液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。

4.3液壓馬達(dá)(HydraulicMotors)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)液壓馬達(dá)按結(jié)構(gòu)分為：齒輪式、葉片式、柱塞式和其它型式。

液壓馬達(dá)按額定轉(zhuǎn)速分為：高速和低速。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)的基本類型有齒輪式、葉片式、柱塞式等，又稱為高速小轉(zhuǎn)距液壓馬達(dá)。

低速液壓馬達(dá)的基本型式是徑向柱塞式，又稱為低速大轉(zhuǎn)距液壓馬達(dá)。液壓馬達(dá)的分類4.3液壓馬達(dá)(HydraulicMotors)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)液壓馬達(dá)與同類型的液壓泵在結(jié)構(gòu)和工作原理等方面是相似的，從能量轉(zhuǎn)換的角度看，二者是可逆的。但由于液壓馬達(dá)和液壓泵的用途和工作條件不同，對(duì)它們的性能要求也不一樣，二者還是存在著許多差別的。例如：葉片馬達(dá)4.3液壓馬達(dá)(HydraulicMotors)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)FN所產(chǎn)生的軸向分力F：垂直于軸向的分力FT：某一柱塞產(chǎn)生的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩為：4.3液壓馬達(dá)(HydraulicMotors)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)圖形符號(hào)：4.3液壓馬達(dá)(HydraulicMotors)湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)

1、工作壓力和額定壓力

4.3.1液壓馬達(dá)的主要性能參數(shù)

工作壓力：馬達(dá)的實(shí)際工作壓力即輸入油液的壓力。在計(jì)算時(shí)應(yīng)是馬達(dá)進(jìn)口壓力和出口壓力之差。

額定壓力：正常工作條件下，按試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最高壓力即額定壓力，超過這個(gè)最高壓力就叫做超載。2、排量和流量

排量：馬達(dá)軸轉(zhuǎn)一周，由其密封容積幾何尺寸變化計(jì)算而得到的液體體積。實(shí)際流量：馬達(dá)入口處的流量。理論流量：馬達(dá)密封容積變化所需要的流量。

額定流量:在額定轉(zhuǎn)速和額定壓力下輸入到馬達(dá)的流量。由于有泄漏損失，輸入馬達(dá)的實(shí)際流量必須大于它的理論流量。馬達(dá)的實(shí)際流量（即進(jìn)口流量）－泄漏流量＝馬達(dá)的理論流量。湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)3、容積效率和轉(zhuǎn)速

馬達(dá)內(nèi)部各間隙的泄漏所引起的損失稱為容積損失，用表示。為保證馬達(dá)的轉(zhuǎn)速滿足要求，輸入馬達(dá)的實(shí)際流量應(yīng)為4.3.1液壓馬達(dá)的主要性能參數(shù)液壓馬達(dá)的理論輸入流量與實(shí)際輸入流量之比稱為容積效率，即馬達(dá)的理論輸出轉(zhuǎn)速等于輸入馬達(dá)的流量與排量V的比值，即馬達(dá)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速為：湖南工程學(xué)院——液壓與氣壓傳動(dòng)馬達(dá)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩T必然小于理論輸出轉(zhuǎn)矩Tt，機(jī)械效率為：4.3.1液壓馬達(dá)