液壓馬達的工作原理

1、液壓馬達工作原理、液壓馬達的特點及分類液壓馬達是把液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置，從原理上講，液壓泵可以作液壓馬達用，液壓馬達也可作液壓泵用。 但事實上同類型的液壓泵和液壓馬達雖然在結(jié)構(gòu)上相似，但由于兩者的工作情況不同，使得兩者在結(jié)構(gòu)上也有某些差異。例如：1. 液壓馬達一般需要正反轉(zhuǎn)， 所以在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有對稱性，而液壓泵一般是單方向旋轉(zhuǎn)的，沒有這一要求。2. 為了減小吸油阻力， 減小徑向力，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(zhuǎn)速范圍內(nèi)正常工作，因此，應(yīng)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

2、壓軸承，就不易形成潤滑滑膜。4. 葉片泵依靠葉片跟轉(zhuǎn)子一起高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力使葉片始終貼緊定子的內(nèi)表面，起封油作用，形成工作容積。若將其當馬達用，必須在液壓馬達的葉片根部裝上彈簧，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，而液壓馬達就沒有這一要求。6. 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(nèi)部摩擦小。由于液壓馬達與液壓泵具有上述不同的特點，使得很多類型的液壓馬達和

3、液壓泵不能互 逆使用。500r/mi n的屬于高速液液壓馬達按其額定轉(zhuǎn)速分為高速和低速兩大類，額定轉(zhuǎn)速高于壓馬達，額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn) 速較高、轉(zhuǎn)動慣量小，便于啟動和制動， 調(diào)速和換向的靈敏度高。 通常高速液壓馬達的輸出 轉(zhuǎn)矩不大（僅幾十牛米到幾百牛米 ），所以又稱為高速小轉(zhuǎn)矩液壓馬達。高速液壓馬達的基本型式是徑向柱塞式，例如單作用曲軸連桿式、液壓平衡式和多作用內(nèi)曲線式等。此外在軸向柱塞式、葉片式和齒輪式中也有低速的結(jié)構(gòu)型式。低速液壓馬達的主要特點是排量大、體積大、轉(zhuǎn)速低（有時可達每

4、分種幾轉(zhuǎn)甚至零點幾轉(zhuǎn)），因此可直接與工 作機構(gòu)連接，不需要減速裝置，使傳動機構(gòu)大為簡化，通常低速液壓馬達輸出轉(zhuǎn)矩較大（可達幾千牛頓米到幾萬牛頓米 ），所以又稱為低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達。液壓馬達也可按其結(jié)構(gòu)類型來分，可以分為齒輪式、葉片式、柱塞式和其他型式。二、液壓馬達的性能參數(shù)液壓馬達的性能參數(shù)很多。下面是液壓馬達的主要性能參數(shù)：1. 排量、流量和容積效率 習慣上將馬達的軸每轉(zhuǎn)一周，按幾何尺寸計算所進入的液體 容積，稱為馬達的排量 V,有時稱之為幾何排量、理論排量，即不考慮泄漏損失時的排量。液壓馬達的排量表示出其工作容腔的大小，它是一個重要的參數(shù)。因為液壓馬達在工作中輸出的轉(zhuǎn)矩大小是由負載轉(zhuǎn)矩決定

5、的。但是，推動同樣大小的負載，工作容腔大的馬達的壓力要低于工作容腔小的馬達的壓力，所以說工作容腔的大小是液壓馬達工作能力的主要標志，也就是說，排量的大小是液壓馬達工作能力的重要標志。根據(jù)液壓動力元件的工作原理可知，馬達轉(zhuǎn)速n、理論流量qi與排量V之間具有下列關(guān)q i=nV(4-1);V為排量(m3/s)。q大于理論輸入流量，則有:式中：qi為理論流量(m3/s);n 為轉(zhuǎn)速(r/min)為了滿足轉(zhuǎn)速要求，馬達實際輸入流量(4-2)q= q i + A q式中： q為泄漏流量。(4-3)n v=qi/q=1/(1 + A q/ qj所以得實際流量q=qi/ n v(4-4)2. 液壓馬達輸出的理

6、論轉(zhuǎn)矩根據(jù)排量的大小，可以計算在給定壓力下液壓馬達所能輸出的轉(zhuǎn)矩的大小，也可以計算在給定的負載轉(zhuǎn)矩下馬達的工作壓力的大小。當液壓馬達進、出油口之間的壓力差為A P,輸入液壓馬達的流量為q,液壓馬達輸出的理論轉(zhuǎn)矩為Tt，角速度為 3,如果不計損失，液壓馬達輸入的液壓功率應(yīng)當全部轉(zhuǎn)化為液壓馬達輸出的機械 功率，即：-5)A Pq=Tt 3(4又因為3 =2n n,所以液壓馬達的理論轉(zhuǎn)矩為：-6)T=A P- V/2 n(4式中：A P為馬達進出口之間的壓力差。3. 液壓馬達的機械效率由于液壓馬達內(nèi)部不可避免地存在各種摩擦，實際輸出的轉(zhuǎn)矩T總要比理論轉(zhuǎn)矩 Tt小些，即：T=Tt n m(4-7)式中

7、：n m為液壓馬達的機械效率()。4. 液壓馬達的啟動機械效率n m液壓馬達的啟動機械效率是指液壓馬達由靜止狀態(tài)起動時，馬達實際輸出的轉(zhuǎn)矩T0與它在同一工作壓差時的理論轉(zhuǎn)矩Tt之比。即：n m0=T/T t(4-8)液壓馬達的啟動機械效率表示出其啟動性能的指標。因為在同樣的壓力下， 液壓馬達由靜止到開始轉(zhuǎn)動的啟動狀態(tài)的輸出轉(zhuǎn)矩要比運轉(zhuǎn)中的轉(zhuǎn)矩大，這給液壓馬達帶載啟動造成了困難，所以啟動性能對液壓馬達是非常重要的，啟動機械效率正好能反映其啟動性能的高低。啟動轉(zhuǎn)矩降低的原因， 一方面是在靜止狀態(tài)下的摩擦因數(shù)最大，在摩擦表面出現(xiàn)相對滑動后摩擦因數(shù)明顯減小，另一方面也是最主要的方面是因為液壓馬達靜止狀

8、態(tài)潤滑油膜被擠 掉，基本上變成了干摩擦。一旦馬達開始運動，隨著潤滑油膜的建立，摩擦阻力立即下降， 并隨滑動速度增大和油膜變厚而減小。實際工作中都希望啟動性能好一些，即希望啟動轉(zhuǎn)矩和啟動機械效率大一些?，F(xiàn)將不同結(jié)構(gòu)形式的液壓馬達的啟動機械效率nmo的大致數(shù)值列入表4-1中。表4-1液壓馬達的啟動機械效率液壓馬達的結(jié)構(gòu)形式啟動機械效率n m(/%齒輪馬達老結(jié)構(gòu)0.60 -0.80新結(jié)構(gòu)0.85 -0.88葉片馬達高速小扭矩型0.75 -0.85軸向柱塞馬達滑履式0.80 -0.90非滑履式0.82 -0.92曲軸連桿馬達老結(jié)構(gòu)0.80 -0.85新結(jié)構(gòu)0.83 -0.90靜壓平衡馬達老結(jié)構(gòu)0.80

9、 -0.85新結(jié)構(gòu)0.83 -0.90多作用內(nèi)曲線馬達由橫梁的滑動摩擦副傳遞切 向力0.90 -0.94傳遞切向力的部位具有滾動 副0.95 -0.98由表4-1可知，多作用內(nèi)曲線馬達的啟動性能最好，軸向柱塞馬達、曲軸連桿馬達和 靜壓平衡馬達居中，葉片馬達較差，而齒輪馬達最差。V,可用5. 液壓馬達的轉(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下式計算：(4-9)n t=qi/V 式中：nt為理論轉(zhuǎn)速(r/min)。一小部分由于液壓馬達內(nèi)部有泄漏，并不是所有進入馬達的液體都推動液壓馬達做功， 因泄漏損失掉了。所以液壓馬達的實際轉(zhuǎn)速要比理論轉(zhuǎn)速低一些。n=nt -n v(4-10)式中

10、：n為液壓馬達的實際轉(zhuǎn)速(r/min) ； n v為液壓馬達的容積效率()。6. 最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速是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。所謂爬行現(xiàn)象，就是當液壓馬達工作轉(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)。液壓馬達在低速時產(chǎn)生爬行現(xiàn)象的原因是：(1)摩擦力的大小不穩(wěn)定。通常的摩擦力是隨速度增大而增加的，而對靜止和低速區(qū)域工作的馬達內(nèi)部的摩擦阻力，當工作速度增大時非但不增加，反而減少,形成了所謂“負特性”的阻力。另一方面，液壓馬達和負載是由液壓油被壓縮 后壓力升高而被推動的，因此，可用圖4-1(a)所示的物理模型表示低速區(qū)域液壓馬達的工作過程：以勻速

11、V0推彈簧的一端(相當于高壓下不可壓縮的工作介質(zhì))，使質(zhì)量為m的物體(相當于馬達和負載質(zhì)量、 轉(zhuǎn)動慣量)克服“負特性”的 摩擦阻力而運動。當物體靜止或速度很低時阻力大，彈簧不斷壓縮，增加推力。只有等到彈簧壓縮到其推力大于靜摩擦力時才開始運動。一旦物體開始運動， 阻力突然減小，物體突然加速躍動， 其結(jié)果又使彈簧的壓縮量減少，推力減小,物體依靠慣性前移一段路程后停止下來，直到彈簧的移動又使彈簧壓縮，推力 增加，物體就再一次躍動為止，形成如圖4-1(b)所示的時動時停的狀態(tài)，對液壓馬達來說，這就是爬行現(xiàn)象。77777777777777777777777許M何1b)圖4-1液壓馬達爬行的物理模型(2)

12、泄漏量大小不穩(wěn)定。液壓馬達的泄漏量不是每個瞬間都相同，它也隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的相位角度變化作周期性波 動。由于低速時進入馬達的流量小，泄漏所占的比重就增大，泄漏量的不穩(wěn)定就會明顯地影響到參與馬達工作的流量數(shù)值，從而造成轉(zhuǎn)速的波動。當馬達在低速運轉(zhuǎn)時，其轉(zhuǎn)動部分及所帶的負載表現(xiàn)出的慣性較小，上述影響比較明顯，因而出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。實際工作中，一般都期望最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速越小越好。7. 最高使用轉(zhuǎn)速液壓馬達的最高使用轉(zhuǎn)速主要受使用壽命和機械效率的限制，轉(zhuǎn)速提高后，各運動副的磨損加劇，使用壽命降低，轉(zhuǎn)速高則液壓馬達需要輸入的流量就大，因此各 過流部分的流速相應(yīng)增大，壓力損失也隨之增加，從而使機械效率降低。對某些液壓馬

13、達，轉(zhuǎn)速的提高還受到背壓的限制。例如曲軸連桿式液壓馬達，轉(zhuǎn)速提高時， 回油背壓必須顯著增大才能保證連桿不會撞擊曲軸表面，從而避免了撞擊現(xiàn)象。隨著轉(zhuǎn)速的提高，回油腔所需的背壓值也應(yīng)隨之提高。但過分的提高背壓，會使液壓馬達的效率明顯下降。為了使馬達的效率不致過低，馬達的轉(zhuǎn)速不應(yīng)太高。8. 調(diào)速范圍液壓馬達的調(diào)速范圍用最高使用轉(zhuǎn)速和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之比表示，即：i=n max/n min(4-11)三、液壓馬達的工作原理F面對葉片馬達、軸向柱塞馬達和擺常用的液壓馬達的結(jié)構(gòu)與同類型的液壓泵很相似, 動馬達的工作原理作一介紹。1. 葉片馬達圖4-2所示為葉片液壓馬達的工作原理圖。卩圖4-2葉片馬達的工作原理

14、圖17葉片當壓力為P的油液從進油口進入葉片1和3之間時，葉片2因兩面均受液壓油的作用所以不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。葉片 1、3上，一面作用有壓力油，另一面為低壓油。由于葉片3伸出的面積大于葉片1伸出的面積，因此作用于葉片 3上的總液壓力大于作用于葉片1上的總液壓力，于是壓力差使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生順時針的轉(zhuǎn)矩。同樣道理，壓力油進入葉片5和7之間時，葉片7伸出的面積大于葉片 5伸出的面積，也產(chǎn)生順時針轉(zhuǎn)矩。這樣，就把油液的壓力能轉(zhuǎn)變成了 機械能，這就是葉片馬達的工作原理。當輸油方向改變時，液壓馬達就反轉(zhuǎn)。當定子的長短徑差值越大，轉(zhuǎn)子的直徑越大，以及輸入的壓力越高時， 轉(zhuǎn)矩也越大。在圖4-2中，葉片2、4、6、8兩側(cè)的壓力

15、相等，無轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生。葉片T1,方向為順時針方向。假設(shè)馬達出口壓力為零，則：T12(R1 r)B P?"(RF2 2B(R2R2 ) P葉片馬達輸出的3、7產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為(4-12)式中：B為葉片寬度；R1為定子長半徑；r為轉(zhuǎn)子半徑；P為馬達的進口壓力。 葉片1、5產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為T2，方向為逆時針方向，則：2 2(4-13)其輸出轉(zhuǎn)矩T決定于輸入油的T Ti T2 B(RiR2 ) P由式(4-12)、式(4-13)看出，對結(jié)構(gòu)尺寸已確定的葉片馬達，壓力。由葉片泵的理論流量 qi的公式：2 2qi =2n Bn(Ri -R2)(4-14)得：n=qi/2 n B(Ri2-R22)式中：q為液

16、壓馬達的理論流量，qi=q-n v； q為液壓馬達的實際流量，即進口流量。由式(4-14)看出，對結(jié)構(gòu)尺寸已確定的葉片馬達，其輸出轉(zhuǎn)速n決定于輸入油的流量。葉片馬達的體積小，轉(zhuǎn)動慣量小，因此動作靈敏，可適應(yīng)的換向頻率較高。但泄漏較大， 不能在很低的轉(zhuǎn)速下工作，因此，葉片馬達一般用于轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)矩小和動作靈敏的場合。2. 軸向柱塞馬達軸向柱塞馬達的結(jié)構(gòu)形式基本上與軸向柱塞泵一樣，故其種類與軸向柱塞泵相同，也分為直軸式軸向柱塞馬達和斜軸式軸向柱塞馬達兩類。4-3所示。目A'A軸向柱塞馬達的工作原理如圖圖4-3斜盤式軸向柱塞馬達的工作原理圖為柱塞面積)，通過滑靴壓向斜盤, 與柱塞所受液壓力平衡

17、；另一分力 這個力便產(chǎn)生驅(qū)動馬達旋轉(zhuǎn)的力矩。當壓力油進入液壓馬達的高壓腔之后，工作柱塞便受到油壓作用力為PA(P為油壓力，A其反作用為N。N力分解成兩個分力， 沿柱塞軸向分力P,F,與柱塞軸線垂直向上，它與缸體中心線的距離為r ,F力的大小為：F=p Ata n Y式中：丫為斜盤的傾斜角度(° )。 這個F力使缸體產(chǎn)生扭矩的大小，的垂直中心線成 0角，則該柱塞使缸體產(chǎn)生的扭矩由柱塞在壓油區(qū)所處的位置而定。設(shè)有一柱塞與缸體T為： T=Fr=FRsin 0 =pARta門丫 sin 0 式中：R為柱塞在缸體中的分布圓半徑(m)。(4-15)隨著角度0的變化， 柱塞產(chǎn)生的扭矩也跟著變化。整

18、個液壓馬達能產(chǎn)生的總扭矩，是所有處于壓力油區(qū)的柱塞產(chǎn)生的扭矩之和，因此，總扭矩也是脈動的，當柱塞的數(shù)目較多且為單數(shù)時，脈動較小。液壓馬達的實際輸出的總扭矩可用下式計算：-16)(4T=n mpV/2式中： P為液壓馬達進出口油液壓力差 (N/m2) ; V為液壓馬達理論排量(m3/r) ; n m為液壓 馬達機械效率。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(zhuǎn)排量有關(guān)。因此，提高液壓馬達的每轉(zhuǎn)排量，可以增加液壓馬達的輸出扭矩。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(gòu)。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。1.1.擺動馬達擺動液壓馬達的工作原理見圖4-4。圖4-4擺動缸擺動液壓馬達的工作原理圖圖4-4(a)是單葉片擺動馬達。若從油口 I通入高壓油，葉片2作逆時針擺動，低壓力lOMPa擺動角度小于280°。由于徑向力不平衡，葉片 限制了其工作壓力的進一步提高，從而也限制了輸出轉(zhuǎn)從油口n排出。因葉片與輸出軸連在一