1、 第三章 液压执行元件 本章主要介绍液压系统中做旋转运动或做直线往复运动的执行元件液压马达和液压缸。本章是以后学习和分析液压基本回路和系统的重要基础。重点：1.液压马达的主要性能参数：压力、流量、转速、转矩、功率、容积效率、机械效率、总效率；2.液压马达的选用。3.单活塞杆液压缸的工作原理和结构；4.液压缸基本参数的确定。难点：1.液压马达的容积效率；2.单活塞杆液压缸的差动连接。本章计划学时：4学时 液压马达和液压缸是将液压系统中的压力能转换成机械能的能量转换装置，都是执行元件。液压马达驱动机构实现连续的回转（或摆动）运动，使系统输出一定的转矩和转速；液压缸实现直线往复运动，输出推力和速度。
2、第一节 液压马达(Motor)液压马达和液压泵在原理上可逆，结构上类似，但由于用途不同，它们在结构上有一定差别。常用的液压马达有柱塞式、叶片式和齿轮式等。图 4-1轴 向 柱 塞 马 达 工 作 原 理1-斜 盘 2-缸 体 3-柱 塞 4-配 油 盘 5-马 达 轴压 力 油回 油一、液压马达的工作原理 以斜盘式轴向柱塞马达为例说明液压马达的工作原理。如图4-1所示。设第i个柱塞和缸体的垂直中心线夹角为,柱塞在缸体中的分布圆半径为R，则在该柱塞上产生的转矩为 液压马达产生的转矩应是处于高压腔柱塞产生转矩的总和，即 随着角的变化，每个柱塞产生的转矩也发生变化，故液压马达产生的总转矩也是脉动的，
3、它的脉动情况和讨论液压泵流量脉动时的情况相似。sinsintgRFRFrFTxyyisintgRFTx 二、二、液压马达的主要性能参数 （一）工作压力和额定压力 1工作压力液压马达实际工作时的压力。2额定压力液压马达在正常工作条件下，按试验标准规定能连续运转所允许的最高压力。（二）排量和流量 1理论（或几何）排量液压马达转一周，由其密封容积几何尺寸变化计算而得的、需输进液体的体积。2空载排量 在规定的最低工作压力下，用两种不同转速测出流量，计算出排量取平均值。3流量液压马达在单位时间内，需输进液体的体积，也有理论和实际流量之分。理论流量qT是指在没有泄漏的情况下，达到要求转速所需输入液体的流量
4、。其值由理论排量和转速计算而得。由于有泄漏损失，实际输入的流量q必须大于理论流量。（三）效率和功率1容积效率Mv马达的理论流量qT与实际输入流量q的比值。式中：q马达的泄漏量。2机械效率Mm 由于有摩擦损失，液压马达实际输出的转矩T小于理论转矩TT。如果损失转矩T，则实际输出转矩M和机械效率Mm为 qqqqqTTTMv1TTTTTTTTMmTTTTTTT111 3马达的总效率M 4马达的输入功率Pi 5马达的输出功率Po 式中：p马达进、出口的压力差；,n马达的角速度和转速。（四）输出的转矩和转速 1液压马达轴理论输出的转矩Tt和实际输出的转矩T为 2马达轴实际输出的转速n为式中：V马达的排量
5、MmMvMqpPiTnTPo22VpTMmVpT2VqVqnvMT 三、液压马达的类型 与液压泵类似，从结构上看，常用的液压马达有柱塞式、叶片式和齿轮式等三大类。根据其排量是否可调，可分为定量马达和变量马达；根据转速高低和转矩大小，液压马达又分为高速小转矩和低速大转矩马达等。另外，有些液压马达只能作小于某一角度的摆动运动，称为摆动式液压马达。各类液压马达图形符号见图4-2。（a）定 量 马 达（b）变 量 马 达（c）双 向 定 量 马 达（d）双 向 变 量 马 达图 4-2 液 压 马 达 图 形 符 号（e）摆 动 液 压 马 达 四、典型液压马达的结构和工作原理 1齿轮液压马达hbpK
6、ao1o2图 4-3 齿 轮 马 达 工 作 原 理 图h2叶片马达45132p图 4-4 叶片马达的工作原理 3摆动式液压马达 摆动式液压马达是将油液的压力能转变成为摆动形式的机械能。特点：动力是靠叶片的回转运动传递的，输出的是周期性的回转运动，单叶片回转角小于300,双叶片回转角小于150,密封性差。应用：低压、送料夹紧和回转夹具等辅助装置。图 4-5 摆动液压马达工作原理12312（a）单叶片式（b）双叶片式1叶片 2-定子块 3-缸筒3ab 单叶片和双叶片摆动液压马达动画:第二节液压缸(Cylinder)液压缸是将液压系统的压力能转换成直线往复运动形式的机械能。它结构简单，工作可靠，在
7、各种机械的液压系统中得到广泛应用。分类:根据常用液压缸的结构形式，可以分为活塞缸、柱塞缸和伸缩缸等。结构及工作原理 图4-6（a）是工程机械采用的一种单活塞杆液压缸,图4-6（b）是它的图形符号。1A234357-防 尘 圈 8-活 塞 杆 1098（b）图 4-6（a）单 活 塞 杆 式 液 压 缸 基 本 结 构 1-端 盖 2-缸 筒 3-支 撑 环 4、9、10-密 封 圈 5-活 塞 6-导 向 套B67一、液压缸的分类及其特点（一）活塞式液压缸1双杆活塞缸(双作用)特点:图形符号见图4-7。如果两腔分别通入相同流量和压力油液时，则活塞往返两个方向的运动速度和推力均相等，即 应用:缸
8、体固定结构 活塞杆固定结构CmppdDppAFF)()(4)(21222121CvdDqvv)(412221图 4-7双活塞杆液压缸图形符号2.单杆活塞液压缸(分单作用和双作用)单作用特点及应用双作用特点及应用CmpdDpDApApF)(42221222111CmpDpdDApApF)(4221221212式中：F1、F2压力油分别进入无杆腔，有杆腔时的推力；p1、p2高压腔、回油腔的压力；A1、A2活塞无杆腔、有杆腔的活塞有效面积；D、d活塞和活塞杆直径；cm液压缸的机械效率。当分别给两腔通入相同流量时，两方向得到的运动速度、也不相等，如图4-8所示。如果液压缸容积效率为cv，其往返速度分别
9、为 在活塞往复运动速度有一定要求的情况下，单活塞杆液压缸的活塞杆直径d通常根据无杆腔和有杆腔活塞有效面积比A1/A2（速度比）的要求以及缸内径D来确定。CvDqv214 CvdDqv)(42222122111DdvvAA1 Dd图 4-8 液压缸推力和速度计算（a）从左腔通压力油 （b）从右腔通压力油12v1212vppppF1F2qq 差动连接:当液压油同时通入单活塞杆液压缸的两腔时（图4-8），由于作用在活塞两侧端面上的推力不等，无杆腔的作用力较大，使活塞杆向右伸出，此时有杆腔排出的油液与泵供给油液汇合后进入液压缸的无杆腔，从而提高了运动速度。这种工况称为差动连接，差动连接时的推力F3和差
10、动速度v3为CmAApF)(2113CmpdDD1222)(4Cmpd124CvAqqv13322)(4vdDqCvdqv234图 4-9 差 动 连 接A1A2v3q F3p1q 柱塞式液压缸（单作用）伸出靠油压，回程靠外力（成对使用）。如图4-10，柱塞缸有下列特点：1.结构简单，制造容易。2.应用：用于行程较长的场合 1 2345 68 7图 4-1 0 (a)柱 塞 式 液 压 缸(b)图 形 符 号5、6-密 封 压 紧 装 置 7-防 尘 圈 8-泄 油 口1-缸 体 2-柱 塞 3-导 向 套 4-密 封 装 置 伸缩式液压缸234B567A图 4-11 伸缩式液压缸结构示意图
11、1-活塞 2-套筒 3-小缸 4-套筒 5-大活塞 6-大缸 7-缸盖 1 增速缸图 4-12 增 速 缸 结 构 示 意 图1-柱 塞 2-活 塞 3-缸 筒IIII1II32acb 二、液压缸的结构和设计计算 液压缸的设计是在对整个液压系统进行工况分析，编制了负载图，选定了工作压力的基础上进行的。因此它首先根据使用上要求确定结构类型,再依照负载的情况、运动要求、最大行程以及各种压力等决定主要尺寸，最后再进行结构设计确定缸筒壁厚，验算液压缸的稳定性。主要零件的结构1.缸体组件 缸盖尺寸没有严格规定，一般根据经验来确定它的尺寸，设计时可采用类比法。缸筒和缸盖的联接方式很多，常用的有焊接、法兰，
12、半环、螺纹等联接（图4-13）。图 4-13 缸 筒 和 端 盖 连 接 结 构（d）（c）（a）（b）2.活塞组件 活塞和活塞杆一般采用螺纹和半环联接（图4-14）。4521341（d）322（a）13图 4-14 活 塞 和 活 塞 杆 连 接 的 结 构（c）（b）缓冲装置 当液压缸所驱动的工作部件质量较大,移动速度较快时,由于具有的动量大,致使在行程终了时,活塞与端盖发生撞击,造成液压冲击和噪声,甚至严重影响工作精度和发生破坏性事故,因此在大型、高速或要求较高的液压缸中往往须设置有缓冲装置，如图4-15。（b）图 4-15 液 压 缸 的 缓 冲 装 置（a）v2（c）11 排气装置
13、当液压系统长时间停止工作，系统中的油液由于本身重量的作用和其它原因而流出时，易使空气吸入系统，如果液压缸中有空气或油中混入空气，都会使液压缸运动不平稳，因此一般在工作前应使系统中的空气排出,为此可在液压缸的最高部位（那里往往是空气聚积的地方）设置排气装置 排气装置通常有两种：一种是在液压缸的最高部位处开排气孔，并用管道连接排气阀进行排气，当系统工作时该阀应关闭（图4-16 a）。另一种是在液压缸的最高部位处装排气阀（图4-16 b、c）（a）（c）（b）图 4-16 排气装置1-缸盖 2-放气小孔 3-缸筒 4-活塞杆1234 二、液压缸的设计计算 设计液压缸需要注意的问题1)要尽量缩小外型尺
14、寸，使结构紧凑；2)设计活塞杆最好受拉，不受压，以免产生纵向弯曲；3)选择合适的密封方式，减小摩擦损失，提高密封效果，防止泄漏；4)根据具体情况适当考虑缓冲装置（防止终了活塞杆端部与缸盖撞击）和排气装置。(一)液压缸主要尺寸的确定 液压缸的主要尺寸有缸筒内径、活塞杆直径和缸筒长度等。1.缸筒内径根据负载大小和选定的工作压力、运动速度和输入流量，按本章有关公式计算确定后，再从GB/T2348-93标准中选取相近尺寸加以圆整。2.活塞杆直径按工作时受力情况来决定,见教材表4-2。对单活塞杆液压缸，值也可由和速度比来决定。按GB/T2348-93标准进行圆整。3.缸筒长度L(20-30)D 由最大工
15、作行程决定及结构上的需要确定，液压缸筒长度=活塞行程+活塞长度+活塞导向长度+活塞杆密封及导向长度+其它长度。其中活塞长度B=（0.61）D；活塞杆导向长度A=（0.61.5）d。其它长度是指一些特殊装置所需长度，例如液压缸两端缓冲装置所需长度等。对某些单杆活塞缸有时提出最小导向长度H的问题，见图4-17，要求式中L活塞最大行程；其它符号见图。为了满足这一要求，图中增加一个环C。图 4-17 最小 导向长度KABCHLdD220DLH3液压缸强度计算与 校核 对于液压缸的缸筒壁厚、端盖处固定螺钉的螺纹强度和活塞杆直径，在高压系统中，必须进行强度计算。对于液压缸的缸筒壁厚、端盖处固定螺钉的螺纹强
16、度和活塞杆直径，在高压系统中，必须进行强度计算。（1）缸筒壁厚计算在中、低压液压系统中，缸筒壁厚往往由结构工艺要求决定，一般不要求校核计算。在高压系统中，可按下列情况分别进行计算。当缸筒壁厚/D 0.08时，可按薄壁缸筒的实用计算公式计算，即 当壁厚/D=0.080.3时当壁厚/D 0.3时 式中：pmax最高允许压力（MPa），当额定压力pn16MPa时，取pmax=1.5；当额定压力pn16MPa时,取p max=1.25;军用产品规范规定pmax=（22.5）缸筒材料的许用应力 （MPa),b为缸筒材料的抗拉强度（MPa)n-安全系数,n=5(薄壁)2maxDp maxmax33.2pD
17、p 13.14.02maxmaxppD nb/（2）活塞杆的稳定性校核 活塞杆受轴向压力作用时，有可能产生弯曲，当活塞杆最大工作负荷达到或超过某一临界负荷时，会出现压杆不稳定现象。临界负荷的大小与活塞杆长度和直径以及液压缸的安装方式等因素有关。当液压缸安装长度l（1015）d时，须考虑活塞杆的弯曲稳定性验算。活塞杆通常是细长杆体，因此活塞杆的弯曲计算一般可按“欧拉公式”进行。活塞杆弯曲失稳临界负荷，可按下式计算在弯曲失稳临界负荷时，活塞杆将纵向弯曲。因此活塞杆最大工作负荷应按下式验证式中：K安装及导向系数，其值见表4-1；E活塞杆材料的弹性模数（MPa），钢材：E=210103（MPa）；J活塞杆横截面惯性矩（m4）；圆截面：（m4）；ncr安全系数，一般取；ncr=26l安装长度，其值与安装方式有关，见表4-2。crcrnFF)(102262NlKJEFcr44049.064ddJ安装形式 类型 安装及导向系数 一端自由，一端刚性固定两端铰接，刚性导向一端铰接，刚性导向。一端刚性固定两端刚性固定和导向 k=2 k=1 k0.707 k=0.5 llllllllFFFF表 4-1 液压缸安装及导向系数K
