《液压与气动技术》-第4章 液压执行元件

1第4章液压执行元件液压马达概述常用液压马达的工作原理液压缸的基本类型与工作原理液压缸的典型结构及设计计算4.14.24.34.42液压执行元件是将流体的压力能转换为机械能的元件，用以驱动机构作直线往复（摆动）或旋转运动。执行元件包括液压马达和液压缸两类，其中，作直线往复运动的称为液压缸，作旋转运动的称为液压马达。两者输入都为压力与流量，输出为力与速度或转矩与转速。应达成的能力要求：理解并掌握液压马达与液压缸的工作特点、分类以及使用的范围掌握常用液压马达及液压缸的工作原理及相关特性参数的计算。熟悉液压缸的构成与设计计算及校核。4.1液压马达概述3

液压马达是输出旋转运动的执行元件。液压马达的特点及分类排量、流量和转速功率与总效率马达的转矩和机械效率工作压力与额定压力包括：液压马达的基本参数及性能44.1.1液压马达的特点及分类图4-1.液压马达符号

特点：从理论上讲，液压马达与液压泵是功能可逆的液压元件，因为它与液压泵具有同样的结构要素，即：密闭可周期变化的容积及相应的配油机构。但是，在工程实际中，两者的工作条件不同，因而对它们的性能要求也不一样，所以同类型的液压马达和液压泵之间不能可逆工作。12345

分类：液压马达按其结构类型可分为：齿轮式、叶片式、柱塞式和其它型式。按其排量是否可变可分为：定量马达和变量马达。按其旋转方向又可分为：单向马达和双向马达。此外，按额定转速又可分为：高速液压马达和低速液压马达，其中额定转速高于500r/min的归为高速液压马达，额定转速低于500r/min的归为低速液压马达。高速液压马达的结构形式主要有齿轮式、螺杆式、叶片式和轴向柱塞式等，该类马达转速较高、转动惯量小、便于起动、制动、调速及换向灵敏度高。通常高速液压马达输出转矩较小，所以又称为高速小转矩液压马达。低速液压马达的结构形式主要有径向柱塞式、轴向柱塞式、叶片式和齿轮式等，这类马达排量大、体积大、转速低。可不需减速装置直接与工作机构连接，传动机构简单。通常低速液压马达输出转矩较大，故又称为低速大转矩液压马达。4.1.1液压马达的特点及分类64.1.2液压马达的基本参数及性能4.1.2.1排量、流量和转速

74.1.2液压马达的基本参数及性能液压马达的泄漏量通常随工作压力的升高而增加，因此，马达的容积效率会随工作压力的升高而降低。

84.1.2.2功率与总效率4.1.2液压马达的基本参数及性能

94.1.2.3马达的转矩和机械效率4.1.2液压马达的基本参数及性能（1）理论转矩。如果不计损失，液压泵输出的液压功率应当全部转化为液压马达输出的机械功率，由式(4-4)和式(4-5)有

104.1.2液压马达的基本参数及性能由黏性摩擦和机械摩擦而产生的转矩损失与油液的黏性、工作压力以及马达的转速有关，当油液黏度越大、转速越大、工作压力越大时，转矩损失就越大，机械效率就越低。4.1.2.4工作压力与额定压力马达输入油液的实际压力称为马达的工作压力，其大小取决于马达的负载。马达进口压力与出口压力的差值称为马达的压差∆p。按实验标准规定，能使马达连续正常运转的最高压力称为马达的额定压力。

4.2常用液压马达的工作原理11液压马达的结构与同类型的液压泵十分相似，本节将以齿轮液压马达、叶片式、轴向柱塞式液压马达、连杆式径向柱塞液压马达以及内曲线径向柱塞液压马达为例，对其结构和工作原理进行介绍。包括：齿轮液压马达叶片式液压马达轴向柱塞马达连杆式径向柱塞马达多作用内曲线径向柱塞马达124.2.1齿轮液压马达图4-2齿轮液压马达的工作原理齿轮液压马达是常用的马达之一，该类马达结构简单、体积小、重量轻，转速范围宽泛，在工程机械上应用较为广泛，但转矩脉动以及泄漏较大，故常用于要求不高的场合。pppCO1O2hⅠⅡ134.2.1齿轮液压马达

144.2.2叶片式液压马达叶片式液压马达也是常用的马达之一，其中双作用式又最为常见。该类马达体积小，转动惯量小，反应灵敏，但在实际工作中，泄漏较大，低速稳定性较差，因而常用于频繁换向、小转矩、高转速等对机械性能要求不高的场合。图4-3为双作用式液压马达的工作原理图。图4-3叶片液压马达的工作原理1,2,3,4,5,6,7,8-叶片回油口进油口p12345678154.2.2叶片式液压马达

164.2.3轴向柱塞马达轴向柱塞马达常用于负载转矩小、运动速度大、有不同运行速度要求及对低速平稳性要求较高的场合。图4-4为轴向柱塞马达的结构图。图4-4轴向柱塞马达的结构图1-斜盘，2-缸体，3-柱塞，4-配油盘，5-马达轴1BBα2345AAFyFyFyFyFNFXθ

n

B—BA—A回油进油174.2.3轴向柱塞马达

184.2.4连杆式径向柱塞马达连杆式径向柱塞马达为单作用式，马达轴旋转一周，柱塞只做一次往复运动。该类马达结构简单、工作可靠，输出扭矩大，但体积和重量较大、转矩脉动大、且低速稳定性较差，因此常用于矿山、船舶、建筑等低速大扭矩场合。近些年，通过对其主要摩擦副进行优化，如采用静压支承或静压平衡结构等，其低速稳定性得到了很大的提升。图4-5为单作用连杆式液压马达的工作原理图。图4-5单作用连杆式径向液压马达1-壳体，2-活塞，3-连杆，4-曲轴，5-进油腔，6-配油轴AEDCBpe123OO1O1φFrFNFt4ABCDE56194.2.4连杆式径向柱塞马达

204.2.4连杆式径向柱塞马达如图所示，接通高压油的三个柱塞所处位置不同，所产生的转矩大小也不同。但这些大小不同的转矩都同向作用在曲轴之上，因此曲轴输出的总转矩等于接通高压油的柱塞所产生转矩的总和。在马达运行时，曲轴旋转的同时会带动配油轴同步旋转，并使得马达的配流状态不断变化，从而保证曲轴连续旋转。如果对换液压马达的进、回油口，马达的旋转方向也会变化。此外，如果将马达的轴固定，进、回油口直接接通到配油轴中就能达到外壳旋转的目的，该类工况常用于车轮马达。214.2.5多作用内曲线径向柱塞马达多作用内曲线径向柱塞马达为低速大扭矩马达，具有转矩脉动小、径向力平衡、起动转矩大、低速稳定性好等诸多优点，普遍用于工程、建筑、起重运输、煤矿、船舶、农业等机械设备。图4-6为多作用内曲线径向柱塞马达的典型结构图。图4-6多作用内曲线径向柱塞马达1-定子，2-转子，3-柱塞，4-横梁，5-滚轮，6-配油轴123456ABFNFNFrFrFtFt进油区回油区224.2.5多作用内曲线径向柱塞马达

234.2.5多作用内曲线径向柱塞马达

4.3液压缸的基本类型与工作原理24包括：液压缸的特点及分类活塞缸

液压缸是输出直线往复运动的执行元件。双杆活塞缸单杆式活塞缸柱塞缸摆动缸其他液压缸254.3.1液压缸的特点及分类液压缸是输出直线运动或摆动的执行元件，种类繁多，且分类方法也各有不同。按其结构形式可分为活塞缸、柱塞缸和摆动缸三类，按作用方式又可分为单作用缸和双作用缸。活塞缸和柱塞缸实现直线往复运动，输出速度和推力；摆动缸实现小于360度的往复摆动，输出角速度和转矩。液压缸除单个使用外，还可以通过组合实现特殊用途。264.3.2活塞缸双杆活塞缸是活塞两侧都有活塞杆的液压缸。根据安装方式又分为活塞杆固定和缸筒固定两种，其工作原理如图4-7所示。4.3.2.1双杆活塞缸(a)(b)图4-7双杆活塞缸图4-7(a)为缸筒固定的双杆活塞缸，其进、出油口位于缸筒两端，并通过活塞杆驱动工作机构移动。这种固定方式下，工作机构的移动范围约等于活塞有效行程的三倍，占地面积大，因而只适用于小型设备。图4-7(b)为活塞杆固定的双杆活塞缸。活塞杆通过支架固定在vvlllll274.3.2活塞缸

284.3.2活塞缸

294.3.2活塞缸图4-9单杆活塞缸DA1A2q’qq+q’F3v3

304.3.2活塞缸

314.3.3柱塞缸柱塞缸是一种单作用液压缸，跟活塞缸一样也分为缸筒固定和柱塞固定两种安装方式，其工作原理如图4-10所示。当压力油进入缸筒时，推动柱塞向右运动。由于它只能单方向移动，反向退回时必需靠外力或自重动才能完成。图4-10柱塞缸

vFpq缸筒柱塞324.3.3柱塞缸图4-11成对反向布置柱塞缸在加工制造时，活塞缸的活塞与缸筒内孔之间通常要求很高的配合精度，当缸筒较长时，加工很困难。而柱塞缸的柱塞与缸筒则无配合精度要求，缸筒内孔不需精加工，甚至可以不加工，运动时由缸盖上的导向套来导向，所以非常适合行程较长的场合。vFqp缸筒柱塞

334.3.4摆动缸摆动缸也被称作摆动液压马达，常用于夹紧装置、送料装置、分度机械装置以及需要周期性进给的系统。摆动缸分为单叶片式和双叶片式两种。如图4-12(a)所示为单叶片式摆动缸，4-12(b)为双叶片式摆动缸。(a)(b)图4-12摆动缸R1R1R2R2344.3.4摆动缸

354.3.5其他液压缸伸缩式液压缸一般由两个或多个活塞式液压缸套装构成，前一级活塞缸的活塞是后一级活塞缸的缸筒。伸缩缸在各级活塞伸出时可获得很长的行程，而缩回时又可保持很小的轴向尺寸，因而被广泛用于起重运输设备。图4-13是伸缩缸的原理图。当压力油进入缸筒的左腔或右腔时，各级活塞按其有效作用面积的大小依次动作，其中作用面积大的先动，小的后动。随着工作级数增多，外伸缸筒直径越来越小，工作油液压力随之升高，外伸速度也将变快。伸缩缸也分为单作用式（图4-13(a)）和双作用式（图4-13(b)），前者靠外力回程，后者靠液压力回程。伸缩缸各级活塞的运动速度和推力可按活塞缸的有关公式计算。4.3.5.1伸缩缸(a)(b)图4-13伸缩缸364.3.5.2增压缸增压缸又称增压器，有单作用和双作用两种形式，且常与低压大流量液压泵配合使用。图4-14为由活塞缸和柱塞缸组合而成的增压缸，其功能是使低压系统能在短时或者局部区域获得高压。4.3.5.1伸缩缸图4-14增压缸图

Ddpapb374.3.5.2增压缸

384.3.5.3齿轮缸齿轮缸又称无杆式活塞缸，由两个活塞和一套齿条齿轮传动装置组成。如图4-15所示，当压力油进入液压缸后，推动具有齿条的活塞做直线运动，齿条与齿轮啮合并带动齿轮旋转，并最终驱动工作部件往复摆动。这种液压缸常用于机床回转工作台等机械设备。图4-15齿轮缸4.4液压缸的典型结构及设计计算39包括：液压缸的典型结构液压缸的种类繁多，构成部件也比较复杂，以下将以单杆活塞缸为例进行说明。缸体组件活塞组件密封装置缓冲装置排气装置液压缸的组成液压缸的设计和计算404.4.1液压缸的典型结构下图为单杆活塞缸的结构装配图。1-缸底，2-单向阀，3、10-法兰，4-格来圈密封，5-导向环，6-缓冲套，7-缸筒，8-活塞杆，9，13，23-O形密封圈，11-缓冲节流阀，12-导向套，14-缸盖，15-斯特圈密封，16-防尘圈，17-Y形密封圈，18-缸头，19-护环，20-Yx形密封圈，21-活塞，22-导向环，24-无杆端缓冲套，25-连接螺钉12345678910111213141516171819202122232425进出油口进出油口414.4.2液压缸的组成液压缸由缸体组件、活塞组件、密封装置、缓冲装置和排气装置等5个主要部分组成，下面将对各部分进行简要介绍。4.4.2.1缸体组件

(a)(b)(c)图4-17缸筒与缸盖结构1-缸盖，2-缸筒，3-半环，4-压板，5-防送螺母121432125424.4.2液压缸的组成缸体组件包括缸筒、缸盖和一些连接零件。在设计过程中，缸筒与缸盖采用何种连接方式主要取决于工作压力、缸筒材料和工作条件。当工作压力小于10MPa时，常使用铸铁缸筒，且多采用法兰连接（如图4-17(a)所示），这类连接方式加工、拆装方便，但外形尺寸较大。当工作压力小于20MPa时，缸筒多采用无缝钢管制成，当工作压力高于20MPa时，则多采用铸钢或锻钢缸筒。这两个工作压力下，多采用半环连接（如图4-17(b)所示）或螺纹连接（如图4-17(c)所示）。其中，半环连接拆装方便，但缸筒壁需开槽而削弱了强度，需加厚缸壁；螺纹式连接外形尺寸小，但拆装不方便。此外，缸筒在与缸盖还有拉杆连接和焊接连接等方式。434.4.2液压缸的组成活塞与活塞杆连接主要有螺纹和半环两种方式。图4-18(a)所示为螺纹连接，该连接方式结构简单，装拆方便，但一般需备有螺母防松装置；图4-18(b)所示为半环式连接，其连接强度高，但结构复杂，装拆不方便，多用于高压和振动较大的场合。此外，还有整体式或焊接连接等方式。4.4.2.2活塞组件图4-18活塞与活塞杆结构1-缸筒，2-活塞杆，3-活塞，4-螺母，5-密封圈，6-套环，7-弹簧卡圈，8-半环134276815444.4.2液压缸的组成液压缸一般不允许外泄，同时对内泄漏也有严格要求。密封装置的主要作用就是防止油液的泄漏，其性能直接影响液压缸的静态和动态性能。因此，密封性能是密封装置的主要指标。另外，对密封装置的寿命，制造工艺，拆装，成本也有严格的要求。本书后续章节将对密封装置的结构设计、材料、安装等进行详细介绍。4.4.2.3密封装置4.4.2.4缓冲装置缓冲装置主要用于避免液压缸在行程终端运行时的机械碰撞。当液压缸在大负载、高速度等工况下运行时，一般应在液压缸中设缓冲装置，必要时还需设置缓冲回路。缓冲装置的基本原理是，当活塞或缸筒接近行程终端时，在排油腔内增大回油阻力，从而降低液压缸的运动速度，避免活塞与缸盖碰撞。454.4.2液压缸的组成图4-19(a)为圆柱形环隙式缓冲装置。当缓冲柱塞进入缸盖内孔时，缸盖和缓冲活塞间的封闭油液只能从环形间隙δ挤压排出。挤压作用会使回油压力升高，并形成缓冲压力，使活塞的运动速度减慢实现减速缓冲。这种装置结构简单，制造成本低，但实现减速所需的行程较长，适用于运动部件惯性大、运动速度不高的场合。图4-19(a)圆柱形环隙式缓冲装置δv464.4.2液压缸的组成图4-19(b)为圆锥形环隙式缓冲装置。如图所示，缓冲柱塞为圆锥形，所以缓冲环形间隙δ随位移量而改变，节流面积随缓冲行程的增大而缩小，使得机械能的吸收比较均匀，缓冲效果较好。图4-19(b)圆锥形环隙式缓冲装置v474.4.2液压缸的组成图4-19(c)为可变节流槽式缓冲装置。该装置在缓冲柱塞上开有由浅入深的三角节流槽，节流面积随着缓冲行程的增大而逐渐减小，缓冲压力变化平缓。图4-19(c)可变节流槽式缓冲装置v484.4.2液压缸的组成图4-19(d)为可调节流孔式缓冲装置。当活塞上的凸台进入端盖内孔后，封闭在活塞与端盖间的油液只能从针形节流阀排出，调节节流孔的大小，可控制缓冲腔内缓冲压力的大小。这种缓冲装置可以适应液压缸不同的负载和速度工况对缓冲的要求。同时，当活塞反向运动时，高压油可从单向阀进入