第3章液壓執(zhí)行元件

1、第3章液壓執(zhí)行元件 第三章 液壓執(zhí)行元件 本章主要介紹液壓系統(tǒng)中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件液壓馬達(dá)和液壓缸。本章是以后學(xué)習(xí)和分析液壓基本回路和系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。重點(diǎn)：1. 液壓馬達(dá)的主要性能參數(shù)：壓力、流量、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、容積效率、機(jī)械效率、總效率；2. 液壓馬達(dá)的選用。3. 單活塞桿液壓缸的工作原理和結(jié)構(gòu)；4. 液壓缸基本參數(shù)的確定。難點(diǎn)：1. 液壓馬達(dá)的容積效率；2. 單活塞桿液壓缸的差動(dòng)連接。本章計(jì)劃學(xué)時(shí)：4學(xué)時(shí) 第3章液壓執(zhí)行元件 液壓馬達(dá)和液壓缸是將液壓系統(tǒng)中的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，都是執(zhí)行元件。液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的回轉(zhuǎn)（或擺動(dòng)）運(yùn)動(dòng)，使系統(tǒng)輸出一定的轉(zhuǎn)

2、矩和轉(zhuǎn)速；液壓缸實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，輸出推力和速度。第一節(jié) 液壓馬達(dá)(Motor) 液壓馬達(dá)和液壓泵在原理上可逆，結(jié)構(gòu)上類似，但由于用途不同，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上有一定差別。常用的液壓馬達(dá)有柱塞式、葉片式和齒輪式等。第3章液壓執(zhí)行元件 圖4-1軸向柱塞馬達(dá)工作原理1-斜盤 2-缸體 3-柱塞 4-配油盤 5-馬達(dá)軸壓力油回油一、液壓馬達(dá)的工作原理 以斜盤式軸向柱塞馬達(dá)為例說(shuō)明液壓馬達(dá)的工作原理。如圖4-1所示。第3章液壓執(zhí)行元件 設(shè)第i個(gè)柱塞和缸體的垂直中心線夾角為,柱塞在缸體中的分布圓半徑為R，則在該柱塞上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為 液壓馬達(dá)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩應(yīng)是處于高壓腔柱塞產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的總和，即 隨著角的變化，每個(gè)柱塞產(chǎn)生

3、的轉(zhuǎn)矩也發(fā)生變化，故液壓馬達(dá)產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩也是脈動(dòng)的，它的脈動(dòng)情況和討論液壓泵流量脈動(dòng)時(shí)的情況相似。sinsintgRFRFrFTxyyisintgRFTx第3章液壓執(zhí)行元件 二、二、液壓馬達(dá)的主要性能參數(shù) （一）工作壓力和額定壓力 1工作壓力液壓馬達(dá)實(shí)際工作時(shí)的壓力。 2額定壓力液壓馬達(dá)在正常工作條件下，按試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)所允許的最高壓力。 （二）排量和流量 1理論（或幾何）排量液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)一周，由其密封容積幾何尺寸變化計(jì)算而得的、需輸進(jìn)液體的體積。 2空載排量 在規(guī)定的最低工作壓力下，用兩種不同轉(zhuǎn)速測(cè)出流量，計(jì)算出排量取平均值。 3流量液壓馬達(dá)在單位時(shí)間內(nèi)，需輸進(jìn)液體的體積，也有理論和實(shí)

4、際流量之分。理論流量qT是指在沒(méi)有泄漏的情況下，達(dá)到要求轉(zhuǎn)速所需輸入液體的流量。其值由理論排量和轉(zhuǎn)速計(jì)算而得。由于有泄漏損失，實(shí)際輸入的流量q必須大于理論流量。第3章液壓執(zhí)行元件（三）效率和功率1容積效率Mv馬達(dá)的理論流量qT與實(shí)際輸入流量q的比值。 式中：q馬達(dá)的泄漏量。2機(jī)械效率Mm 由于有摩擦損失，液壓馬達(dá)實(shí)際輸出的轉(zhuǎn)矩T小于理論轉(zhuǎn)矩TT。如果損失轉(zhuǎn)矩T，則實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩M和機(jī)械效率Mm為 qqqqqTTTMv1TTTTTTTTMmTTTTTTT111第3章液壓執(zhí)行元件 3馬達(dá)的總效率M 4馬達(dá)的輸入功率Pi 5馬達(dá)的輸出功率Po 式中：p馬達(dá)進(jìn)、出口的壓力差；,n馬達(dá)的角速度和轉(zhuǎn)速。 （

5、四）輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速 1液壓馬達(dá)軸理論輸出的轉(zhuǎn)矩Tt和實(shí)際輸出的轉(zhuǎn)矩T為 2馬達(dá)軸實(shí)際輸出的轉(zhuǎn)速n為式中：V馬達(dá)的排量MmMvMqpPiTnTPo22VpTMmVpT2VqVqnvMT第3章液壓執(zhí)行元件 三、液壓馬達(dá)的類型 與液壓泵類似，從結(jié)構(gòu)上看，常用的液壓馬達(dá)有柱塞式、葉片式和齒輪式等三大類。根據(jù)其排量是否可調(diào)，可分為定量馬達(dá)和變量馬達(dá)；根據(jù)轉(zhuǎn)速高低和轉(zhuǎn)矩大小，液壓馬達(dá)又分為高速小轉(zhuǎn)矩和低速大轉(zhuǎn)矩馬達(dá)等。另外，有些液壓馬達(dá)只能作小于某一角度的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，稱為擺動(dòng)式液壓馬達(dá)。各類液壓馬達(dá)圖形符號(hào)見(jiàn)圖4-2。（a）定量馬達(dá)（b）變量馬達(dá)（c）雙向定量馬達(dá)（d）雙向變量馬達(dá)圖4-2 液壓馬達(dá)圖形符

6、號(hào)（e）擺動(dòng)液壓馬達(dá)第3章液壓執(zhí)行元件 四、典型液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)和工作原理 1齒輪液壓馬達(dá)hbpKao1o2圖 4-3 齒輪馬達(dá)工作原理圖h第3章液壓執(zhí)行元件2葉片馬達(dá)45132p圖 4-4 葉片馬達(dá)的工作原理第3章液壓執(zhí)行元件 3擺動(dòng)式液壓馬達(dá) 擺動(dòng)式液壓馬達(dá)是將油液的壓力能轉(zhuǎn)變成為擺動(dòng)形式的機(jī)械能。特點(diǎn)：動(dòng)力是靠葉片的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞的，輸出的是周期性的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，單葉片回轉(zhuǎn)角小于300,雙葉片回轉(zhuǎn)角小于150,密封性差。應(yīng)用：低壓、送料夾緊和回轉(zhuǎn)夾具等輔助裝置。圖 4-5 擺動(dòng)液壓馬達(dá)工作原理12312（a） 單葉片式（b） 雙葉片式1葉片 2-定子塊 3-缸筒3ab第3章液壓執(zhí)行元件 單葉片和

7、雙葉片擺動(dòng)液壓馬達(dá)動(dòng)畫:第3章液壓執(zhí)行元件第二節(jié)液壓缸(Cylinder) 液壓缸是將液壓系統(tǒng)的壓力能轉(zhuǎn)換成直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)械能。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，在各種機(jī)械的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 分類: 根據(jù)常用液壓缸的結(jié)構(gòu)形式，可以分為活塞缸、柱塞缸和伸縮缸等。 結(jié)構(gòu)及工作原理 圖4-6（a）是工程機(jī)械采用的一種單活塞桿液壓缸,圖4-6（b）是它的圖形符號(hào)。第3章液壓執(zhí)行元件 1A23 4357-防塵圈 8-活塞桿 1098（b）圖 4-6（a）單活塞桿式液壓缸基本結(jié)構(gòu) 1-端蓋 2-缸筒 3-支撐環(huán) 4、9、10-密封圈 5-活塞 6-導(dǎo)向套B67第3章液壓執(zhí)行元件一、液壓缸的分類及其特點(diǎn)（

8、一）活塞式液壓缸1雙桿活塞缸(雙作用) 特點(diǎn):圖形符號(hào)見(jiàn)圖4-7。如果兩腔分別通入相同流量和壓力油液時(shí)，則活塞往返兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)速度和推力均相等，即 應(yīng)用: 缸體固定結(jié)構(gòu) 活塞桿固定結(jié)構(gòu)CmppdDppAFF)()(4)(21222121CvdDqvv)(412221圖 4-7雙活塞桿液壓缸圖形符號(hào)第3章液壓執(zhí)行元件2.單桿活塞液壓缸(分單作用和雙作用) 單作用特點(diǎn)及應(yīng)用雙作用特點(diǎn)及應(yīng)用CmpdDpDApApF)(42221222111CmpDpdDApApF)(4221221212式中：F1、F2壓力油分別進(jìn)入無(wú)桿腔，有桿腔時(shí)的推力； p1、p2高壓腔、回油腔的壓力； A1、A2活塞無(wú)桿腔、

9、有桿腔的活塞有效面積； D、d活塞和活塞桿直徑； cm液壓缸的機(jī)械效率。第3章液壓執(zhí)行元件 當(dāng)分別給兩腔通入相同流量時(shí)，兩方向得到的運(yùn)動(dòng)速度、也不相等，如圖4-8所示。如果液壓缸容積效率為cv，其往返速度分別為 在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度有一定要求的情況下，單活塞桿液壓缸的活塞桿直徑d通常根據(jù)無(wú)桿腔和有桿腔活塞有效面積比A1/A2（速度比）的要求以及缸內(nèi)徑D來(lái)確定。 CvDqv214 CvdDqv)(42222122111DdvvAA1 Dd圖 4-8 液壓缸推力和速度計(jì)算（a）從左腔通壓力油 （b）從右腔通壓力油12v1212vppppF1F2qq第3章液壓執(zhí)行元件 差動(dòng)連接:當(dāng)液壓油同時(shí)通入單活塞

10、桿液壓缸的兩腔時(shí)（圖4-8），由于作用在活塞兩側(cè)端面上的推力不等，無(wú)桿腔的作用力較大，使活塞桿向右伸出，此時(shí)有桿腔排出的油液與泵供給油液匯合后進(jìn)入液壓缸的無(wú)桿腔，從而提高了運(yùn)動(dòng)速度。這種工況稱為差動(dòng)連接，差動(dòng)連接時(shí)的推力F3和差動(dòng)速度v3為CmAApF)(2113CmpdDD1222)(4Cmpd124CvAqqv13322)(4vdDqCvdqv234圖 4-9 差動(dòng)連接A1A2v3qF3p1q第3章液壓執(zhí)行元件 柱塞式液壓缸（單作用）伸出靠油壓，回程靠外力（成對(duì)使用）。 如圖4-10，柱塞缸有下列特點(diǎn)： 1.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易。 2. 應(yīng)用：用于行程較長(zhǎng)的場(chǎng)合 1234 5687圖 4-1

11、0 (a) 柱塞式液壓缸(b) 圖形符號(hào)5、6-密封壓緊裝置 7-防塵圈 8-泄油口1-缸體 2-柱塞 3-導(dǎo)向套 4-密封裝置第3章液壓執(zhí)行元件 伸縮式液壓缸234B567A圖 4-11 伸縮式液壓缸結(jié)構(gòu)示意圖 1-活塞 2-套筒 3-小缸 4-套筒 5-大活塞 6-大缸 7-缸蓋 1第3章液壓執(zhí)行元件 增速缸圖 4-12 增速缸結(jié)構(gòu)示意圖1-柱塞 2-活塞 3-缸筒IIII1II32acb第3章液壓執(zhí)行元件第3章液壓執(zhí)行元件 二 、液壓缸的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)算 液壓缸的設(shè)計(jì)是在對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)進(jìn)行工況分析，編制了負(fù)載圖，選定了工作壓力的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。因此它首先根據(jù)使用上要求確定結(jié)構(gòu)類型,再依照負(fù)載

12、的情況、運(yùn)動(dòng)要求、最大行程以及各種壓力等決定主要尺寸，最后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定缸筒壁厚，驗(yàn)算液壓缸的穩(wěn)定性。 主要零件的結(jié)構(gòu)1. 缸體組件 缸蓋尺寸沒(méi)有嚴(yán)格規(guī)定，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定它的尺寸，設(shè)計(jì)時(shí)可采用類比法。缸筒和缸蓋的聯(lián)接方式很多，常用的有焊接、法蘭，半環(huán)、螺紋等聯(lián)接（圖4-13）。圖4-13 缸筒和端蓋連接結(jié)構(gòu)（d）（c）（a）（b）第3章液壓執(zhí)行元件 2. 活塞組件 活塞和活塞桿一般采用螺紋和半環(huán)聯(lián)接（圖4-14）。4521341（d）322（a）13圖 4-14 活塞和活塞桿連接的結(jié)構(gòu)（c）（b）第3章液壓執(zhí)行元件 緩沖裝置 當(dāng)液壓缸所驅(qū)動(dòng)的工作部件質(zhì)量較大,移動(dòng)速度較快時(shí),由于具有的

13、動(dòng)量大,致使在行程終了時(shí),活塞與端蓋發(fā)生撞擊,造成液壓沖擊和噪聲,甚至嚴(yán)重影響工作精度和發(fā)生破壞性事故,因此在大型、高速或要求較高的液壓缸中往往須設(shè)置有緩沖裝置，如圖4-15。（b）圖 4-15 液壓缸的緩沖裝置（a）v2（c）11第3章液壓執(zhí)行元件 排氣裝置 當(dāng)液壓系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間停止工作，系統(tǒng)中的油液由于本身重量的作用和其它原因而流出時(shí)，易使空氣吸入系統(tǒng)，如果液壓缸中有空氣或油中混入空氣，都會(huì)使液壓缸運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，因此一般在工作前應(yīng)使系統(tǒng)中的空氣排出,為此可在液壓缸的最高部位（那里往往是空氣聚積的地方）設(shè)置排氣裝置 排氣裝置通常有兩種：一種是在液壓缸的最高部位處開(kāi)排氣孔，并用管道連接排氣閥進(jìn)行排氣

14、，當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)該閥應(yīng)關(guān)閉（圖4-16 a）。另一種是在液壓缸的最高部位處裝排氣閥（圖4-16 b、c）（a）（c）（b）圖 4-16 排氣裝置1-缸蓋 2-放氣小孔 3-缸筒 4-活塞桿1234第3章液壓執(zhí)行元件 二、液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)液壓缸需要注意的問(wèn)題1) 要盡量縮小外型尺寸，使結(jié)構(gòu)緊湊；2) 設(shè)計(jì)活塞桿最好受拉，不受壓，以免產(chǎn)生縱向彎曲；3) 選擇合適的密封方式，減小摩擦損失，提高密封效果，防止泄漏；4) 根據(jù)具體情況適當(dāng)考慮緩沖裝置（防止終了活塞桿端部與缸蓋撞擊）和排氣裝置。 (一) 液壓缸主要尺寸的確定 液壓缸的主要尺寸有缸筒內(nèi)徑、活塞桿直徑和缸筒長(zhǎng)度等。1. 缸筒內(nèi)徑根據(jù)負(fù)載大

15、小和選定的工作壓力、運(yùn)動(dòng)速度和輸入流量，按本章有關(guān)公式計(jì)算確定后，再?gòu)腉B/T2348-93標(biāo)準(zhǔn)中選取相近尺寸加以圓整。2. 活塞桿直徑按工作時(shí)受力情況來(lái)決定,見(jiàn)教材表4-2。對(duì)單活塞桿液壓缸，值也可由和速度比來(lái)決定。按GB/T2348-93標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整。第3章液壓執(zhí)行元件3. 缸筒長(zhǎng)度L(20-30)D 由最大工作行程決定及結(jié)構(gòu)上的需要確定，液壓缸筒長(zhǎng)度=活塞行程+活塞長(zhǎng)度+活塞導(dǎo)向長(zhǎng)度+活塞桿密封及導(dǎo)向長(zhǎng)度+其它長(zhǎng)度。其中活塞長(zhǎng)度B=（0.61）D；活塞桿導(dǎo)向長(zhǎng)度A=（0.61.5）d。其它長(zhǎng)度是指一些特殊裝置所需長(zhǎng)度，例如液壓缸兩端緩沖裝置所需長(zhǎng)度等。對(duì)某些單桿活塞缸有時(shí)提出最小導(dǎo)向長(zhǎng)度

16、H的問(wèn)題，見(jiàn)圖4-17，要求式中L活塞最大行程；其它符號(hào)見(jiàn)圖。為了滿足這一要求，圖中增加一個(gè)環(huán)C。圖 4-17 最小導(dǎo)向長(zhǎng)度KABCHLdD220DLH第3章液壓執(zhí)行元件3液壓缸強(qiáng)度計(jì)算與 校核 對(duì)于液壓缸的缸筒壁厚、端蓋處固定螺釘?shù)穆菁y強(qiáng)度和活塞桿直徑，在高壓系統(tǒng)中，必須進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。對(duì)于液壓缸的缸筒壁厚、端蓋處固定螺釘?shù)穆菁y強(qiáng)度和活塞桿直徑，在高壓系統(tǒng)中，必須進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。（1）缸筒壁厚計(jì)算在中、低壓液壓系統(tǒng)中，缸筒壁厚往往由結(jié)構(gòu)工藝要求決定，一般不要求校核計(jì)算。在高壓系統(tǒng)中，可按下列情況分別進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)缸筒壁厚/D 0.08時(shí)，可按薄壁缸筒的實(shí)用計(jì)算公式計(jì)算，即 當(dāng)壁厚/D =0.080

17、.3時(shí)當(dāng)壁厚/D 0.3時(shí) 式中：pmax最高允許壓力（MPa），當(dāng)額定壓力pn16MPa時(shí)，取pmax=1.5；當(dāng)額定壓力pn16MPa時(shí),取p max=1.25;軍用產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定pmax=（22.5） 缸筒材料的許用應(yīng)力 （MPa),b為缸筒材料的抗拉強(qiáng)度（MPa) n-安全系數(shù),n=5(薄壁) 2maxDp maxmax33 . 2pDp 13 . 14 . 02maxmaxppD nb/ 第3章液壓執(zhí)行元件（2）活塞桿的穩(wěn)定性校核 活塞桿受軸向壓力作用時(shí)，有可能產(chǎn)生彎曲，當(dāng)活塞桿最大工作負(fù)荷達(dá)到或超過(guò)某一臨界負(fù)荷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)壓桿不穩(wěn)定現(xiàn)象。臨界負(fù)荷的大小與活塞桿長(zhǎng)度和直徑以及液壓缸的安裝方式等因素有關(guān)。當(dāng)液壓缸安裝長(zhǎng)度l（