第4章-液压执行元件

第4章液压执行元件液压和气压传动与控制本章主要介绍高速液压马达及低速大扭矩马达、液压缸的类型及特点、液压缸的设计计算、液压缸的典型结构、液压缸的密封。◆内容提要：◆教学基本要求：通过本章的学习，要求掌握马达的工作原理（马达怎样产生转速、转矩）、结构特点、及主要性能特点；了解不同类型的马达之间的性能差异及适用范围，为日后正确选用奠定基础。要求掌握液压缸设计中应考虑的主要问题，包括结构类型的选择和参数计算等，为液压缸设计打下基础。本章重点内容:通过本章学习，要求掌握液压马达的工作原理、功能、性能参数、性能特点及应用范围。本章的难点:液压缸的设计计算。◆重点和难点：液压马达4.1液压缸4.2◆本章内容目录：液压马达和液压泵在结构上基本相同，也是靠密封容积的变化进行工作的。常见的液马达也有齿轮式、叶片式和柱塞式等几种主要形式；从转速转矩范围分,可有高速马达和低速大扭矩马达之分。马达和泵在工作原理上是互逆的，当向泵输入压力油时，其轴输出转速和转矩就成为马达。由于二者的任务和要求有所不同，故在实际结构上只有少数泵能做马达使用。4.1液压马达4.1.1液压马达的工作原理及分类Tω输出参量转矩T角速度ω马达的符号马达pQ马达的输入参量流量Q压力p液压马达的职能符号a–单向定量马达b–单向变量马达c–双向定量马d–双向变量马达Q液压输出pQJ液压马达液压泵机械输入ppTpQ液压输入mmT机械输出液压马达是实现连续旋转运动的执行元件，从原理上讲，向容积式泵中输入压力油，迫使其转轴转动，就成为液压马达，即容积式泵都可作液压马达使用。但在实际中由于性能及结构对称性等要求不同，一般情况下，液压泵和液压马达不能互换。•工作压力马达入口油液的实际压力称为马达的工作压力，马达入口压力和出口压力的差值称为马达的工作压差。4.1.2液压马达的主要性能参数•流量和排量马达入口处的流量称为马达的实际流量。马达密封腔容积变化所需要的流量称为马达的理论流量。实际流量和理论流量之差即为马达的泄漏量。马达轴每转一周，由其密封容腔有效体积变化而排出的液体体积称为马达的排量。•容积效率和转速因马达实际存在泄漏，由实际流量q计算转速n时，应考虑马达的容积效率。当液压马达的泄漏流量为，马达的实际流量为，则液压马达的容积效率为：vlqltqqqqqqqltv1马达的输出转速等于理论流量与排量的比值，即tqVvtVqVqntftmTTTT1•机械效率对液压马达来说，输入液压马达的实际流量必然大于它的理论流量即，它的容积效率为：qtqltqqqvtqqqqqqqqqlltv1马达容积损失马达容积损失vtqq:d理想马达P马达的角度排量dVVqT×××/())(dtVqtPTtt马达的机械损失mtTT对于液压马达来说，由于摩擦损失的存在，其实际输出转矩小于理论转矩，它的机械效率为TtTmtftfttmTTTTTTT1马达的机械损失mtTT液压马达的总效率等于其容积效率和机械效率的乘积。液压泵、马达的容积效率和机械效率在总体上与油液的泄漏和摩擦副的摩擦损失有关。mv•输出转矩因马达实际存在机械摩擦，故实际输出转矩应考虑机械效率。设马达的出口压力为零，入口工作压力为p，排量为V，则马达的理论输出转矩与泵有相同的表达形式,即2pVTt马达的实际输出转矩小于理论输出转矩：mpVT2•功率和总效率马达的输入功率为pqNi马达的输出功率为nTNo2马达的总效率为mviopqnTNN2由上式可见，液压马达的总效率亦同于液压泵的总效率，等于机械效率与容积效率的乘积。4.1.3高速液压马达一般来说，额定转速高于500r/min的马达属于高速马达，额定转速低于500r/min的马达属于低速马达。高速液压马达基本型式：齿轮式、叶片式和轴向柱塞式等。它们的主要特点是转速高，转动惯量小，便于启动、制动、调速和换向。通常高速马达的输出转矩不大，最低稳定转速较高，只能满足高速小扭矩工况。齿轮式马达柱塞式马达的工作原理当压力油输入液压马达时，处于压力腔的柱塞被顶出，压在斜盘上，斜盘对柱塞产生反力，该力可分解为轴向分力和垂直于轴向的分力。其中，垂直于轴向的分力使缸体产生转矩。tFNFFFtFtFtF柱塞式马达的扭矩计算NF当压力油输入液压马达后，所产生的轴向分力为：pdF24FF使缸体3产生转矩的垂直分力为：ggptgdtgFFt24tFtFtFtF柱塞式马达的扭矩计算单个柱塞产生的瞬时转矩为：itipRtgdRFTgsin4sin2液压马达总的输出转矩：NiiNiipRtgdTT121sin4gR—柱塞在缸体的分布圆半径；d—柱塞直径；NFFFtFtFtFtFN—压力腔半圆内的柱塞数柱塞式马达的扭矩计算NFFFtFtFtFtF可以看出，液压马达总的输出转矩等于处在马达压力腔半圆内各柱塞瞬时转矩的总和。由于柱塞的瞬时方位角呈周期性变化，液压马达总的输出转矩也周期性变化，所以液压马达输出的转矩是脉动的，通常只计算马达的平均转矩。4.1.4低速大扭矩液压马达低速大扭矩液压马达是相对于高速马达而言的，通常这类马达在结构形式上多为径向柱塞式,其特点是：最低转速低，大约在5~10转/分；输出扭矩大，可达几万牛顿米；径向尺寸大，转动惯量大。它可以直接与工作机构直接联接，不需要减速装置，使传动结构大为简化。低速大扭矩液压马达广泛用于起重、运输、建筑、矿山和船舶等机械上。低速大扭矩液压马达的基本形式有三种：它们分别是曲柄连杆马达、静力平衡马达和多作用内曲线马达。1.曲柄连杆低速大扭矩液压马达曲柄连杆式低速大扭矩液压马达应用较早，同类型号为JMZ型，其额定压力16MPa，最高压力21MPa，理论排量最大可达6.140L/min。曲柄连杆低速大扭矩液压马达马达由壳体、曲柄—连杆—活塞组件、偏心轴及配油轴组成。壳体1内沿圆周呈放射状均匀布置了五只缸体，形成星形壳体；缸体内装有活塞2，活塞2与连杆3通过球绞连接，连杆大端做成鞍型圆柱瓦面紧贴在曲轴4的偏心圆上，液压马达的配流轴5与曲轴通过十字键连结在一起，随曲轴一起转动，马达的压力油经过配流轴通道，由配流轴分配到对应的活塞油缸。①②③腔通压力油，活塞受到压力油的作用。④⑤腔与排油窗口接通。受油压作用的柱塞通过连杆对偏心圆中心作用一个力N，推动曲轴绕旋转中心转动，对外输出转速和扭矩；随着驱动轴、配流轴转动，配流状态交替变化。在曲轴旋转过程中，位于高压侧的油缸容积逐渐增大，而位于低压侧的油缸的容积逐渐缩小，因此，高压油不断进入液压马达，从低压腔不断排出。配流轴过渡密封间隔的方位和曲轴的偏心方向保持一致2.静力平衡式低速大扭矩液压马达静力平衡式低速大扭矩马达也叫无连杆马达，是从曲柄连杆式液压马达改进、发展而来的，它的主要特点是取消了连杆，并且在主要摩擦副之间实现了油压静力平衡，所以改善了工作性能。国外把这类马达称为罗斯通（Roston）马达，国内也有不少产品，并已经在船舶机械、挖掘机以及石油钻探机械上使用。液压马达的偏心轴与曲轴的形式相类似，既是输出轴，又是配流轴。五星轮3套在偏心轴的凸轮上，高压油经配流轴中心孔道通到曲轴的偏心配流部分，然后经五星轮中的径向孔进入油缸的工作腔内。3.多作用内曲线马达缸体压油口配油轴定子柱塞回油口液压马达由定子1、转子2、配流轴4与柱塞组3等主要部件组成，定子1的内壁有若干段均布的、形状完全相同的曲面组成。每一相同形状的曲面又可分为对称的两边，其中允许柱塞副向外伸的一边称为进油工作段，与它对称的另一边称为排油工作段。内曲线马达内曲线马达原理图缸体压油口配油轴定子柱塞回油口上死点上死点下死点下死点每个柱塞在液压马达每转中往复的次数等于定子曲面数X，称X为该液压马达的作用次数。Z个柱塞缸孔，每个缸孔的底部都有一配流窗口，并与它的中心配流轴4相配合的配流孔相通。缸体压油口配油轴定子柱塞回油口配流轴4中间有进油和回油的孔道，它的配流窗口的位置与导轨曲面的进油工作段和回油工作段的位置相对应，所以在配流轴圆周上有2X个均布配流窗口。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。由于内部泄漏不可避免，因此将马达的排油口关闭而进行制动时，仍会有缓惯的滑转，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。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。选择液压马达时，应根据液压系统所确定的压力、排量、设备结构尺寸、使用要求、工作环境等合理选定马达的具体类型和规格。若工作机构速度高、负载小，宜选用齿轮马达或叶片马达；速度平稳性要求高时，选用双作用叶片马达；当负载较大时，则宜选用轴向柱塞马达。若工作机构速度低、负载大，则有两种方案选择：一种是用高速小扭矩马达，配合减速装置来驱动工作机构；一种是选用低速大扭矩马达，直接驱动工作机构，到底选用那种方案，要经过技术经济比较才能确定。4.1.5各类马达的性能比较及其选用表4-1常用液压马达性能比较类型压力排量转速扭矩性能及适用工况齿轮马达中低小高小结构简单，价格低，抗污染性好，效率低，用于负载扭矩不大，速度平稳性要求不高，噪音限制不大及环境粉尘较大的场合叶片马达中小高小结构简单，噪声和流量脉动小，适于负载扭矩不大，速度平稳性和噪声要求较高的条件轴向柱塞马达高小高较大结构复杂，价格高，抗污染性差，效率高，可变量，用于高速运转，负载较大，速度平稳性要求较高的场合曲柄连杆式径向柱塞马达高大低大），对运动平稳性要求不高的场合静力平衡马达高大低大），对运动平稳性要求不高的场合内曲线径向柱塞马达高大低大），对运动平稳性要求高的场合，用于直接驱动工作机构液压缸（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。液压缸和液压马达都是液压执行元件，其职能是将液压能转换为机械能。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4.2液压缸4.2.1液压缸的分类及计算液压缸的分类按供油方向分：单作用缸和双作用缸。按结构形式分：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×××1.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。1）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，如下图所示。AFqv(a)缸筒固定式1P2PAFqv(b)活塞杆固定式1P2P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。2）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下图所示。2A1F1v(a)无杆腔进油1P2P1ADdq2A2F(b)有杆腔进油1P2P1A2vq无杆腔进油vvDqAqv2114mmpdDpDApApF])([4)(22212221111v1F活塞的运动速度和推力