第三章-液压马达

12液压马达分类•液压马达是将液体压力能转换为机械能的装置,输出转矩和转速，是液压系统的执行元件。•马达与泵在原理上有可逆性，但因用途不同结构上有些差别：马达要求正反转，其结构具有对称性；而泵为了保证其自吸性能，结构上采取了某些措施。•马达的分类：–ns＞500r/min为高速液压马达：齿轮马达，叶片马达，轴向柱塞马达–ns＜500r/min为低速液压马达：径向柱塞马达（单作用连杆型径向柱塞马达，多作用内曲线径向柱塞马达）3输出参量转矩T角速度ω液压马达的符号马达的输入参量流量Q压力p单向定量单向变量双向定量双向变量4液压马达的特性参数•工作压力与额定压力–工作压力p大小取决于马达负载，马达进出口压力的差值称为马达的压差Δp。–额定压力ps能使马达连续正常运转的最高压力。•流量与容积效率–输入马达的实际流量qM＝qMt＋Δq其中qMt为理论流量，马达在没有泄漏时，达到要求转速所需进口流量。–容积效率ηMv＝qMt/qM＝1－Δq/qM5•排量与转速–排量V为ηMV等于1时输出轴旋转一周所需油液体积。–转速n＝qMt/V＝qMηMV/V•转矩与机械效率–实际输出转矩TM＝TMt-ΔT–理论输出转矩TMt＝ΔpVηMm/2π–机械效率ηMm＝TM/TMt•功率与总效率–ηM＝PMo/Pmi＝T2πn/ΔpqM＝ηMvηM式中PMo为马达输出功率，Pmi为马达输入功率。6齿轮马达结构特点进出油口相等，有单独的泄油口；为减少摩擦力矩，采用滚动轴承；为减少转矩脉动，齿轮马达齿数较多。应用由于密封性能差，容积效率较低，不能产生较大的转矩，且瞬时转速和转矩随啮合点变化而变化，因此仅用于高速小转矩的场合，如工程机械、农业机械及对转矩均匀性要求不高的设备。7叶片马达结构特点进出油口相等，有单独的泄油口；叶片径向放置，叶片底部设置有燕式弹簧；在高低压油腔通入叶片底部的通路上装有梭阀。应用转动惯量小，反应灵敏，能适应较高频率的换向。但泄漏大，低速时不够稳定。适用于转矩小、转速高、机械性能要求不严格的场合。8轴向柱塞马达结构特点轴向柱塞泵和轴向柱塞马达是互逆的。配流盘为对称结构。应用作变量马达。改变斜盘倾角，不仅影响马达的转矩，而且影响它的转速和转向。斜盘倾角越大，产生的转矩越大，转速越低。9低速大扭矩马达单作用连杆型径向柱塞马达10•结构原理–呈五星状（或七星状）的壳体内均匀分布着柱塞缸。–柱塞与连杆铰接，连杆的另一端与曲轴偏心轮外圆接触。高压油进入部分柱塞缸头部，高压油作用在柱塞上的作用力对曲轴旋转中心形成转矩。另外部分柱塞缸与回油口相通。–曲轴为输出轴。–配流轴随曲轴同步旋转，各柱塞缸依次与高压进油和低压回油相通（配流套不转），保证曲轴连续旋转。11•排量公式v=πd2ez/2–d为柱塞直径；e为曲轴偏心距；z为柱塞数。•应用–结构简单，工作可靠，可以是壳体固定曲轴旋转，也可以是曲轴固定壳体旋转（可驱动车轮或卷筒），但体积重量较大，转矩脉动，低速稳定性较差。–采用静压支承或静压平衡后最低转速可达3r/min。12低速大扭矩马达多作用内曲线径向柱塞马达13•结构原理–壳体内环由x个导轨曲面组成，每个曲面分为a、b两个区段；–缸体径向均布有z个柱塞孔，柱塞球面头部顶在滚轮组横梁上，使之在缸体径向槽内滑动；柱塞、滚轮组组成柱塞组件，a段导轨对柱塞组件的法向反力的切向分力对缸体产生转矩；配流轴圆周均布2x个配流窗口，其中x个窗口对应于a段，通高压油，x个窗口对应于b段，通低压油（x≠z)；输出轴，缸体与输出轴连成一体。14•排量公式v=（πd2/4）sxyz–s为柱塞行程；x为作用次数；y为柱塞排数；z为每排柱塞数。•应用转矩脉动小，径向力平衡，启动转矩大，能在低速下稳定运转，普遍用于工程、建筑、起重运输、煤矿、船舶、农业等机械中。15液压泵的工作特点液压泵的吸油腔压力过低将会产生吸油不足、异常噪声，甚至无法工作。液压泵的工作压力取决于外负载，为了防止压力过高，泵的出口常常要采取限压措施。变量泵可以通过调节排量来改变流量，定量泵只有用改变转速的办法来调节流量。液压泵的流量脉动。液压泵（齿轮泵）“困油现象”。液压泵及液压马达的工作特点16液压马达的工作特点马达应能正、反运转，因此，就要求液压马达在设计时具有结构上的对称性。当液压马达的惯性负载大、转速高，并要求急速制动或反转时，会产生较高的液压冲击，应在系统中设置必要的安全阀或缓冲阀。内部泄漏不可避免，因此将马达的排油口关闭而进行制动时，仍会有缓慢的滑转，所以，需要长时间精确制动时，应另行设置防止滑转的制动器（机械）。某些型式的液压马达必须在回油口具有足够的背压才能保证正常工作。17液压缸•液压缸与马达一样，也是将液压能转变为机械能的装置，它将液压能转变为直线运动或摆动的机械能。图形符号18液压缸（油缸）主要用于实现机构的直线往复运动，也可以实现摆动，其结构简单，工作可靠，应用广泛。液压缸的输入量是液体的流量和压力，输出量是速度和力。p1p2FVdQ21pppA液压缸压力p流量Q液压功率作用力F速度V机械功率19液压缸的类型及特点液压缸的分类按供油方向分：单作用缸和双作用缸。按结构形式：活塞缸、柱塞缸、伸缩套筒缸、摆动液压缸。按活塞杆形式分：单活塞杆缸、双活塞杆缸。AFQPv单杆液压缸AFQPv双杆液压缸AFQPv柱塞式液压缸3.4摆动液压缸Dd1234432411伸出缩回20理想液压缸AFQPv理想单杆液压缸PQ=FvAFQPv理想双杆液压缸ΔPQ=FvFQPvA1理想油缸数学模型A/()A单位位移排量油缸有效工作面积__AAQvPFvFQP×××ΔP21活塞式液压缸活塞式液压缸可分为双杆式和单杆式两种结构形式，其安装又有缸筒固定和活塞杆固定两种方式。双杆活塞液压缸双活塞杆液压缸的活塞两端都带有活塞杆，分为缸体固定和活塞杆固定两种安装形式，如图3.1所示。AFqv(a)缸筒固定式1P2PAFqv(b)活塞杆固定式1P2P图3.1双杆活塞液压缸22因为双活塞杆液压缸的两活塞杆直径相等，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。则缸的运动速度V和推力F分别为：vvdDqAqv)(422mppdDF))((42122式中:、1p2p—分别为缸的进、回油压力；vm—分别为缸的容积效率和机械效率；、D、d—分别为活塞直径和活塞杆直径；q—输入流量；A—活塞有效工作面积。这种液压缸常用于要求往返运动速度相同的场合。AFqv活塞杆固定式1P2PAFqv(a)缸筒固定式1P2P23单活塞杆液压缸单活塞杆液压缸的活塞仅一端带有活塞杆，活塞双向运动可以获得不同的速度和输出力，其简图及油路连接方式如图3.2所示。2A1F1v(a)无杆腔进油1P2P1ADdq2A2F(b)有杆腔进油1P2P1A2vq图3.2单杆活塞液压缸24无杆腔进油vvDqAqv2114mmpdDpDApApF])([4)(22212221111v1F活塞的运动速度和推力分别为:2A1F1v(a)无杆腔进油1P2P1ADdq25有杆腔进油活塞的运动速度和推力分别为:2v2F2A2F(b)有杆腔进油1P2P1A2vqvvdDqAqv)(42222mmpDpdDApApF])[(4)(122221122226比较上述各式，可以看出：,；液压缸往复运动时的速度比为：2v1v1F2F22212dDDvv上式表明：当活塞杆直径愈小时，速度比接近1，在两个方向上的速度差值就愈小。2A1F1v(a)无杆腔进油1P2P1ADdq2A2F(b)有杆腔进油1P2P1A2vq27两腔进油,差动联接2A3F(c)差动联接1P1A3vq当单杆活塞缸两腔同时通入压力油时，由于无杆腔有效作用面积大于有杆腔的有效作用面积，使得活塞向右的作用力大于向左的作用力，因此，活塞向右运动，活塞杆向外伸出；与此同时，又将有杆腔的油液挤出，使其流进无杆腔，从而加快了活塞杆的伸出速度，单活塞杆液压缸的这种连接方式被称为差动连接。ΔP28两腔进油,差动联接2A3F(c)差动联接1P1A3vqvvdqAAqv22134vmpdAApF1221134)(在忽略两腔连通油路压力损失的情况下，差动连接液压缸的推力为：3F1P21AA3vq等效活塞的运动速度为：ΔP？29两腔进油,差动联接2A3F(c)差动联接1P1A3vq3F1P21AA3vq等效差动连接时,液压缸的有效作用面积是活塞杆的横截面积，工作台运动速度比无杆腔进油时的大，而输出力则较小。差动连接是在不增加液压泵容量和功率的条件下，实现快速运动的有效办法。ΔP30差动液压缸计算举例例：已知单活塞杆液压缸的缸筒内径D=100mm，活塞杆直径d=70mm，进入液压缸的流量q=25L/min，压力P1=2Mpa，P2=0。液压缸的容积效率和机械效率分别为0.98、0.97，试求在图3.2(a)、(b)、(c)所示的三种工况下，液压缸可推动的最大负载和运动速度各是多少？并给出运动方向。31•解：在图3.2（a）中，液压缸无杆腔进压力油，回油腔压力为零，因此，可推动的最大负载为：•液压缸向右运动，其运动速度为：)(1523797.01021.04462121NpDFm)/(052.0601.098.01025442321smDqvv2A1F1v(a)无杆腔进油1P2P1ADdq32)(777197.0102)07.01.0(4)(46221222NpdDFm)/(102.060)07.01.0(98.010254)(4223222smdDqvm在图3.2（b）中，液压缸为有杆腔进压力油，无杆腔回油压力为零，可推动的负载为：液压缸向左运动，其运动速度为：2A2F(b)有杆腔进油2P1P1A2vq33•在图3.2（c）中，液压缸差动连接，可推动的负载力为：•液压缸向右运动，其运动速度为：)(6466097.010207.04462123NpdFm)/(106.06007.098.01025442323smdqvv2A3F(c)差动联接1P1A3vq3F1P21AA3vq等效34柱塞式液压缸当活塞式液压缸行程较长时，加工难度大,使得制造成本增加。柱塞pq缸筒A（a）图3.3柱塞式液压缸某些场合所用的液压缸并不要求双向控制,柱塞式液压缸正是满足了这种使用要求的一种价格低廉的液压缸。2A2F(b)有杆腔进油2P1P1A2vq35如图3.3所示，柱塞缸由缸筒、柱塞、导套、密封圈和压盖等零件组成，柱塞和缸筒内壁不接触，因此缸筒内孔不需精加工，工艺性好，成本低。柱塞pq缸筒A（a）图3.3柱塞式液压缸36柱塞式液压缸是单作用的，它的回程需要借助自重或弹簧等其它外力来完成。如果要获得双向运动，可将两柱塞液压缸成对使用。为减轻柱塞的重量，有时制成空心柱塞。图3.3柱塞式液压缸QQVdd24dQV2214)(dppF式中：d—柱塞直径，p1—进油压力，p2—另一缸的回油压力。p1p2柱塞pq缸筒A（a）图3.3柱塞式液压缸37摆动式液压缸3.4摆动液压缸Dd1234432411摆动液压缸能实现小于360°角度的往复摆动运动，由于它可直接输出扭矩，故又称为摆动液压马达，主要有单叶片式和双叶片式两种结构形式。38图3.4摆动液压缸Dd1234432411单叶片摆动液压缸主要由定子块1、缸体2、摆动轴3、叶片4、左右支承盘和左右盖板等主要零件组成。定子块固定在缸体上，叶片和摆动轴固连在一起，当两油口相继通以压力油时，叶片即带动摆动轴作往复摆动。39图3.4摆动液压缸Dd1234432411当考虑到机械效率时，单叶片缸的摆动轴输出转矩为p1p2mppdDbT))((82122D—缸体内孔直径；d—摆动轴直径；b—叶片宽度；