液压传动与控制第4章教学文案

1、液压传动与控制第4章 图图4.1.1 液压作动筒的工作原理液压作动筒的工作原理1筒体；筒体；2活塞；活塞；3活塞杆；活塞杆；4端盖；端盖；5密封；密封；6进出管道进出管道4.1.1 液压作动筒的基本原理和结构液压作动筒的基本原理和结构n 基本原理基本原理结论：结论：作动筒是利用液体压力来克服负载的（包括摩擦作动筒是利用液体压力来克服负载的（包括摩擦力），利用液体流量维持运动速度。力），利用液体流量维持运动速度。 输人作动筒的输人作动筒的液体压力液体压力和和流量流量是作动筒的输入参数，是作动筒的输入参数，是液压功率；作动筒的输出是液压功率；作动筒的输出力力和和速度速度（或位移）是其输（或位移）是

2、其输出参数，是机械功率。出参数，是机械功率。n 构成构成缸体组件（筒体缸体组件（筒体+端盖）端盖）活塞组件（活塞活塞组件（活塞+活塞杆）活塞杆）密封装置密封装置缓冲装置缓冲装置排气装置排气装置间隙密封间隙密封活塞环密封活塞环密封密封圈密封密封圈密封间隙密封间隙密封活塞环密封活塞环密封O型圈型圈V型圈型圈Y型圈型圈4.1.2 液压作动筒的特性与分析1122Fp Ap An 输出力输出力 定义：定义：指液压作动筒克服其内部各种阻力以后所发出的机械指液压作动筒克服其内部各种阻力以后所发出的机械 力的大小。力的大小。（4-1）1122p AFp Ap1p2A1A2F理论输出力为理论输出力为（4-2）式

3、中，式中，F为理论输出力；为理论输出力；p1为供油压力；为供油压力；p2为回油压力；为回油压力；A1为为p1压力作用的有效面积；压力作用的有效面积；A2为为p2压力作用的有效面积。压力作用的有效面积。4.1.2 液压作动筒的特性与分析1122()sbmFp Ap A由于活塞运动具有摩擦阻力，所以其实际输出力的表达式应为由于活塞运动具有摩擦阻力，所以其实际输出力的表达式应为式中，式中，Fsb为实际输出力；为实际输出力； m为机械效率。为机械效率。结论：结论：提高供油压力或者是增大活塞有效面积，均可以使作动提高供油压力或者是增大活塞有效面积，均可以使作动筒的输出力增大。筒的输出力增大。（4-3）4

4、.1.2 液压作动筒的特性与分析n 输出速度输出速度 定义：定义：指活塞相对于筒体的运动速度。指活塞相对于筒体的运动速度。（4-4）QvAAv式中，式中，v为输出速度；为输出速度；Q为进人作动筒的液体流量；为进人作动筒的液体流量；A为活塞为活塞的有效面积。的有效面积。作动简的输出运动速度取决于输入流量的大小，即作动简的输出运动速度取决于输入流量的大小，即4.1.2 液压作动筒的特性与分析因为作动筒内部存在泄漏，因此引人容积效率因为作动筒内部存在泄漏，因此引人容积效率（4-5）Av式中，式中，v为容积效率；为容积效率；Q1为作动筒内部的油液泄漏量。为作动筒内部的油液泄漏量。实际作动筒的输出速度为

5、实际作动筒的输出速度为111vQQQQQ 1vQQQvAA（4-6）vQvAn 作动时间和输出行程作动时间和输出行程 定义：定义：作动筒完成作动所用的时间称为作动筒完成作动所用的时间称为作动时间作动时间，作动筒，作动筒 完成该动作时活塞在筒内扫过的距离称为完成该动作时活塞在筒内扫过的距离称为作动行程作动行程。（4-7）Lvt式中，式中，l为作动筒的内腔长度；为作动筒的内腔长度；l1为活塞厚度；为活塞厚度；l为设计时为设计时为防止活塞和顶盖碰撞而预留的行程余量。为防止活塞和顶盖碰撞而预留的行程余量。式中，式中，L为输出行程；为输出行程；t为作动时间。为作动时间。1Llll （4-9）（4-8）作

6、动时间作动时间（4-10）最小供油流量最小供油流量vLLAtvQ（4-11）minvLAQt1scsrmvmvPPp Q n 功率和效率功率和效率 作动筒的输出功率表征的是作动筒对外做功的速度作动筒的输出功率表征的是作动筒对外做功的速度（4-12）scPFv式中，式中，Psr为输人功率；为输人功率；p1为输人压力；为输人压力；Q为输人流量；为输人流量； m为为机械效率；机械效率；v为容积效率。为容积效率。式中，式中，Psc为输出功率；为输出功率；F为输出力；为输出力；v为输出速度。为输出速度。mv （4-14）（4-13）作动筒的总效率为作动筒的总效率为n 按结构形式按结构形式活塞缸活塞缸，分

7、为单杆活塞缸、双杆活塞缸，分为单杆活塞缸、双杆活塞缸柱塞缸柱塞缸摆动缸摆动缸，分单叶片摆动缸、双叶片摆动缸，分单叶片摆动缸、双叶片摆动缸n 按作用方式按作用方式单作用液压缸单作用液压缸，一个方向的运动依靠液压作用力实现，另，一个方向的运动依靠液压作用力实现，另一个方向依靠弹簧力、重力等实现；一个方向依靠弹簧力、重力等实现；双作用液压缸双作用液压缸，两个方向的运动都依靠液压作用力来实现；，两个方向的运动都依靠液压作用力来实现；复合式缸复合式缸，活塞缸与活塞缸的组合、活塞缸与柱塞缸的组，活塞缸与活塞缸的组合、活塞缸与柱塞缸的组合、活塞缸与机械结构的组合等。合、活塞缸与机械结构的组合等。1. 活塞式

8、液压缸活塞式液压缸n 双杆液压缸双杆液压缸（a）缸体固定，活塞杆移动缸体固定，活塞杆移动图图4.1.2 双杆活塞缸双杆活塞缸 （b）活塞杆固定，缸体移动活塞杆固定，缸体移动 因双杆液压缸的两端活塞杆直径相等，所以当输入流量和因双杆液压缸的两端活塞杆直径相等，所以当输入流量和油液压力不变时，其往返运动速度和推力相等。油液压力不变时，其往返运动速度和推力相等。 液压缸活塞的实际推力液压缸活塞的实际推力 (4-15) 221212()()()4mmFA ppDdppp1p2AAF (4-16)式中：式中：A液压缸的有效面积；液压缸的有效面积；m液压缸的机械效率；液压缸的机械效率； V液压缸的容积效率

9、；液压缸的容积效率；D活塞直径；活塞直径；d活塞杆直径；活塞杆直径；q输入液压缸的流量；输入液压缸的流量；p1进油腔压力；进油腔压力；p2回油腔压力。回油腔压力。224()vqvDd液压缸活塞的运动速度液压缸活塞的运动速度 (a)液压缸无杆腔进油液压缸无杆腔进油图图4.1.3 单杆活塞缸单杆活塞缸n 单杆液压缸单杆液压缸11122m22212m()()4Fp Ap AD pDdp 当当无杆腔进油无杆腔进油且有杆腔回油且有杆腔回油时，活塞的推力时，活塞的推力F1和运动速度和运动速度 1分别为分别为1vv214qqAD(4-17)(4-19)式中，式中，A1、A2无杆腔和有杆腔无杆腔和有杆腔的有效

10、面积；的有效面积；m、V液压缸的液压缸的机械效率和容积效率。机械效率和容积效率。 (b)液压缸有杆腔进油液压缸有杆腔进油图图4.1.3 单杆活塞缸单杆活塞缸 当当有杆腔进油有杆腔进油且无杆腔回油且无杆腔回油时，活塞的推力时，活塞的推力F2和运动速度和运动速度 2分别为分别为21221m22212m()4Fp Ap ADdpD pv2v2224qqADd(4-18)(4-20)式中，式中，A1、A2无杆腔和有杆腔无杆腔和有杆腔的有效面积；的有效面积；m、V液压缸的液压缸的机械效率和容积效率。机械效率和容积效率。V1和和V2之比称为速度比之比称为速度比 上式表明，当活塞杆直径愈小时，速度比愈接近于

11、上式表明，当活塞杆直径愈小时，速度比愈接近于1，在，在两个方向上的速度差值就愈小。两个方向上的速度差值就愈小。 22111vdD（4-21）1vv214qqADv2v2224qqADd 当单杆活塞缸两腔同时当单杆活塞缸两腔同时通入压力油时，由于无杆通入压力油时，由于无杆腔受力面积大于有杆腔的腔受力面积大于有杆腔的受力面积，使得活塞向右受力面积，使得活塞向右的作用力大于向左的作用的作用力大于向左的作用力，因此活塞杆作伸出运力，因此活塞杆作伸出运动，并将有杆腔的油液挤动，并将有杆腔的油液挤出，流进无杆腔，这样加出，流进无杆腔，这样加快了活塞杆的伸出速度，快了活塞杆的伸出速度，单杆活塞液压缸的这种连

12、单杆活塞液压缸的这种连接方式被称为接方式被称为差动连接差动连接。 (c)差动液压缸差动液压缸图图4.1.3 单杆活塞缸单杆活塞缸 差动连接在忽略两腔连通回路压力损失的情况下，差动连接在忽略两腔连通回路压力损失的情况下，p2 p1，并考虑到机械效率并考虑到机械效率 m时，活塞的推力时，活塞的推力F3和运动速度和运动速度 3分别为分别为2233vv21()44qDdqqAD22223112m1m1m()()44Fp AADDdpd p（4-22）整理后得整理后得3v24qd（4-23）推力推力F运动速度运动速度v222112m()4FD pDdp1v24qD222212m4FDdpD pv2224

13、qDd231m4Fd p3v24qd单杆活塞缸的推力和运动速度单杆活塞缸的推力和运动速度差动连接时液压缸实际的有效作用面积是活塞杆的横截面积。差动连接时液压缸实际的有效作用面积是活塞杆的横截面积。与非差动连接无杆腔进油工况相比，在输入油液压力和流量与非差动连接无杆腔进油工况相比，在输入油液压力和流量都不变的条件下，活塞杆伸出速度较大而推力较小。差动连都不变的条件下，活塞杆伸出速度较大而推力较小。差动连接是在不增加液压泵容量和功率的情况下，实现系统快速运接是在不增加液压泵容量和功率的情况下，实现系统快速运动的有效方法。它的应用常见于组合机床和各类专用机床中。动的有效方法。它的应用常见于组合机床和

14、各类专用机床中。 在实际应用中，液压传动系统常通过控在实际应用中，液压传动系统常通过控制阀来改变单杆活塞缸的油路连接，使制阀来改变单杆活塞缸的油路连接，使它有不同的工作方式，从而获得快进它有不同的工作方式，从而获得快进（差动连接）工进（无杆腔进油）快退（差动连接）工进（无杆腔进油）快退（有杆腔进油）的工作循环。（有杆腔进油）的工作循环。Dd2 如果液压缸正向采用差动连接，反向为有杆腔进油，要求如果液压缸正向采用差动连接，反向为有杆腔进油，要求这两个速度相等即这两个速度相等即 3 = 2 ，则，则 活塞直径活塞直径D和活塞杆直径和活塞杆直径d的关系为的关系为vv22244qqdDd2. 柱塞柱塞

15、式式液压缸液压缸图图4.1.4 （a）单柱塞缸单柱塞缸（b）双柱塞缸双柱塞缸当柱塞直径为当柱塞直径为d，输入液压油流量为，输入液压油流量为q，压力为，压力为p时，柱塞上所时，柱塞上所产生的推力产生的推力F和速度和速度v分别为：分别为： 24mmFpApd24vvqqvAd（4-24）（4-25）3. 摆动液压缸摆动液压缸 摆动缸也称摆动液压马达，主要用来驱动作间歇回转运动摆动缸也称摆动液压马达，主要用来驱动作间歇回转运动的工作机构。主要有单叶片式和双叶片式两种结构形式。的工作机构。主要有单叶片式和双叶片式两种结构形式。（a）单叶片式单叶片式 （b）双叶片式双叶片式图图4.1.5 摆动缸摆动缸1

16、定子块；定子块；2缸体；缸体；3摆动轴；摆动轴；4叶片叶片单 叶 片 式 摆单 叶 片 式 摆动缸，它只有动缸，它只有一个叶片，其一个叶片，其摆动角度较大，摆动角度较大，可达可达300。双 叶 片 式 摆双 叶 片 式 摆动缸，它有二动缸，它有二个叶片，其摆个叶片，其摆动角一般小于动角一般小于150。 单叶片式摆动缸输出转矩单叶片式摆动缸输出转矩TM和角速度和角速度分别为：分别为：222112()()2MmbTRRpp22212()vqb RR式中，式中， p1、p2进出口油液压力；进出口油液压力；q输入输入流量；流量；b叶片宽度；叶片宽度；R1、R2 叶片底部和叶片底部和顶部回转半径；顶部回

17、转半径；v、m容积和机械效率。容积和机械效率。（4-26）（4-27） 当输入压力和流量不变时，双叶片摆动当输入压力和流量不变时，双叶片摆动缸输出转矩是单叶片摆动缸的缸输出转矩是单叶片摆动缸的2倍，而摆动倍，而摆动角速度则是单叶片摆动缸的一半。角速度则是单叶片摆动缸的一半。例例1 如图所示两个结构和尺寸均相同相互串联的液压缸，无杆如图所示两个结构和尺寸均相同相互串联的液压缸，无杆腔面积腔面积A1=110-2m2，有杆腔面积，有杆腔面积A2=0.810-2m2时，输人油压时，输人油压力力p1=0.9MPa，输人流量，输人流量q1=12L/min。不计损失和泄漏，试求。不计损失和泄漏，试求:1）两

18、缸承受相同负载时（）两缸承受相同负载时（F1=F2），负载和速度各为多少），负载和速度各为多少?2）缸）缸1不受负载时（不受负载时（F1=0），缸），缸2能承受多少负载？速度？能承受多少负载？速度？3）缸）缸2不受负载时（不受负载时（F2=0），缸），缸1能承受多少负载？速度？能承受多少负载？速度？4.2.1 单作用式作动筒单作用式作动筒 单作用式作动筒的活塞在液压作用下只能向一个方向运动，单作用式作动筒的活塞在液压作用下只能向一个方向运动，然后由弹簧作用返回。然后由弹簧作用返回。 单作用式作动筒常用作刹车作动筒。单作用式作动筒常用作刹车作动筒。图图4.2.1 单作用式作动简单作用式作动简 双

19、作用式作动筒能利用油液推动部件做往复运动。双作用式作动筒能利用油液推动部件做往复运动。 双向单杆式作动筒常用于在两个方向上需要不同传动力的双向单杆式作动筒常用于在两个方向上需要不同传动力的地方。如在起落架收放系统，常采用此种形式的作动筒。地方。如在起落架收放系统，常采用此种形式的作动筒。 图图4.2.2 双向单杆作动简双向单杆作动简 双向双杆式作动筒在活塞两边装有同样粗细的活塞杆，使双向双杆式作动筒在活塞两边装有同样粗细的活塞杆，使两腔油液的有效工作面积相同。两腔油液的有效工作面积相同。 当作动筒两端的输人压力相同时，其双向克服负载的能力当作动筒两端的输人压力相同时，其双向克服负载的能力相同。

20、当活塞两端输人流量相同时，其活塞往返运动速度相同。相同。当活塞两端输人流量相同时，其活塞往返运动速度相同。所以，在操纵系统和前轮转弯操纵中的液压作动筒常采用双向所以，在操纵系统和前轮转弯操纵中的液压作动筒常采用双向双杆式作动筒，以保证作动筒活塞往返速度相同。双杆式作动筒，以保证作动筒活塞往返速度相同。 图图4.2.3 双向双杆作动简双向双杆作动简图图4.2.4 单杆活塞缸结构单杆活塞缸结构 1头侧端盖；头侧端盖；2活塞密封圈；活塞密封圈；3活塞头；活塞头；4活塞杆；活塞杆；5缸体；缸体；6拉杆；拉杆；7活塞杆密封圈；活塞杆密封圈；8杆侧端盖；杆侧端盖；9防尘圈；防尘圈；10泄油口；泄油口；11

21、导向套；导向套；12固定密封圈；固定密封圈；13节流阀；节流阀；14单向阀单向阀4.3.1 缓冲装置缓冲装置 缝隙节流缓冲缝隙节流缓冲图图4.3.1 带缝隙节流凸台的作动筒带缝隙节流凸台的作动筒 在作动筒主活塞前后各有一个直径比主活塞略小的缓冲在作动筒主活塞前后各有一个直径比主活塞略小的缓冲凸台，当作动筒到达行程末端时，凸台将一部分油液封死，凸台，当作动筒到达行程末端时，凸台将一部分油液封死，被封闭的油液通过凸台与缸壁间的环形间隙流出，产生液压被封闭的油液通过凸台与缸壁间的环形间隙流出，产生液压阻力，减缓作动筒的速度，起到缓冲的作用。阻力，减缓作动筒的速度，起到缓冲的作用。 节流阀缓冲节流阀缓

22、冲图图4.3.2 带单向节流阀的作动筒带单向节流阀的作动筒 节流阀缓冲装置的基本节流阀缓冲装置的基本工作原理工作原理：在作动筒行程末端安装：在作动筒行程末端安装节流阀，限制回流流量，使之产生反压力，从而减缓部件的运节流阀，限制回流流量，使之产生反压力，从而减缓部件的运动速度。动速度。排气装置排气装置（a）排气阀）排气阀 （b）排气塞）排气塞 液压系统在安装过程或长时间停放之后会有空气渗入，由液压系统在安装过程或长时间停放之后会有空气渗入，由于气体存在，使执行元件产生爬行、噪声和发热等一系列不正于气体存在，使执行元件产生爬行、噪声和发热等一系列不正常现象。为消除空气对系统的影响，必须排除积留在作

23、动筒内常现象。为消除空气对系统的影响，必须排除积留在作动筒内的空气。的空气。n 液压马达和液压泵在结构上基本相同，并且也是靠密封容积液压马达和液压泵在结构上基本相同，并且也是靠密封容积的变化来工作的。的变化来工作的。n 液压马达输入的是液压马达输入的是压力压力和和流量流量，输出，输出转矩转矩和和转速转速。n 液压马达的分类：液压马达的分类：按结构分：齿轮式、叶片式和柱塞式；按结构分：齿轮式、叶片式和柱塞式；按工作特性分：高速马达和低速马达；按工作特性分：高速马达和低速马达；按马达的排量是否可变分：定量马达和变量马达。按马达的排量是否可变分：定量马达和变量马达。单向定量液压马达单向定量液压马达

24、双向定量液压马达双向定量液压马达单向变量液压马达单向变量液压马达 双向变量液压马达双向变量液压马达液压马达图形符号液压马达图形符号n 液压马达的工作压力和额定压力液压马达的工作压力和额定压力液压马达的液压马达的工作压力工作压力pM：是指它的输人油液的实际压力，：是指它的输人油液的实际压力，其大小取决于液压马达的负载。其大小取决于液压马达的负载。液压马达的液压马达的额定压力额定压力pMn：是指马达在正常工作条件下，：是指马达在正常工作条件下，按试验标准规定能连续运转的最高压力。按试验标准规定能连续运转的最高压力。马达的马达的压差压差pM ：是指马达进出口压力的差值。：是指马达进出口压力的差值。n

25、 液压马达的排量和理论流量液压马达的排量和理论流量液压马达的排量液压马达的排量VM ：是指在没有泄漏的情况下，马达轴：是指在没有泄漏的情况下，马达轴旋转一周所输人的油液体积。旋转一周所输人的油液体积。理论流量理论流量qMt：是指在没有泄漏的情况下，马达达到转速：是指在没有泄漏的情况下，马达达到转速nM，所输人油液的流量。，所输人油液的流量。MtMMqV n（4-28）n 液压马达的功率和效率液压马达的功率和效率 功率功率 马达输入功率马达输入功率PMi为为 (4-32) 马达输出功率马达输出功率PM0为为 (4-33) MiMMPp q 02MMMMMPTn T 效率效率 容积效率容积效率液压

26、马达也有泄漏液压马达也有泄漏qM存在，其实际输入流量存在，其实际输入流量qM大于理论流大于理论流量量液压马达的理论流量与实际流量之比称为液压马达的容积效液压马达的理论流量与实际流量之比称为液压马达的容积效率率MVMM tMqqq1MtMMMMVMMMqqqqqqq （4-29） 机械效率机械效率 液压马达转矩损失液压马达转矩损失TM，其实际输出转矩，其实际输出转矩因此液压马达的机械效率为因此液压马达的机械效率为总效率总效率M是指液压马达的输出功率与输入功率之比，即是指液压马达的输出功率与输入功率之比，即MMtMTTT 1MtMMMMmMtMtMtTTTTTTT 0MMMMMVMmMiMMPTP

27、p q（4-30）（4-31）n 液压马达的转矩和转速液压马达的转矩和转速液压马达能产生的理论转矩液压马达能产生的理论转矩TMt为为即即液压马达输出的实际转矩液压马达输出的实际转矩TM为为液压马达的实际输入流量为液压马达的实际输入流量为qM时，其转速时，其转速nM为为2MMtMtMMtMp qTTn12MtMMTp V 12MMMMmTp V（4-34）（4-35）MMVMMqnV（4-36）1. 工作原理工作原理 1斜盘；斜盘；2缸体；缸体；3活塞；活塞；4配流盘；配流盘；5轴轴图图4.4.1 斜盘式轴向柱塞马达的工作原理斜盘式轴向柱塞马达的工作原理F 斜盘对每个柱塞的反作用力斜盘对每个柱塞

28、的反作用力F是垂直于斜盘端面的，该反作是垂直于斜盘端面的，该反作用力可分解为两个分力：水平分力用力可分解为两个分力：水平分力Fx，它和作用在柱塞上的液，它和作用在柱塞上的液压推力相平衡；另一个为垂直分力压推力相平衡；另一个为垂直分力Fy。分别由下式求得。分别由下式求得24xFd p2ytantan4xFFd p式中，式中，d为柱塞直径；为柱塞直径；p为输入为输入马达的油液压力；马达的油液压力；为斜盘的倾为斜盘的倾斜角。斜角。F2. 转矩和转速转矩和转速2iysintansintansin4yxTF rF RF Rd pR设第设第i个柱塞和缸体的垂直中心线夹角为个柱塞和缸体的垂直中心线夹角为，则在柱塞上产生，则在柱塞上产生的转矩为的转矩为式中，式中，R为柱塞在缸体中的分布圆半径。为柱塞在缸体中的分布圆半径。液压马达产生转矩液压马达产生转矩2tansin4Td pR随着角的变化，每个柱塞产生的转矩也随着角的变化，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是发生变化