机械基础电子教案第18章

第18章液压缸和液压马达第18章液压缸和液压马达18.1液压缸的类型和特点18.2液压缸的结构18.3液压马达第18章液压缸和液压马达18.1液压缸的类型和特点分类：1、按结构特点分：活塞式、柱塞式、摆动式、组合式。2、按作用方式分：单作用式、双作用式。18.1.1活塞式液压缸1.双杆活塞式液压缸如图18-1所示为双杆活塞式液压缸的原理图，活塞两侧均装有活塞杆。当两活塞杆直径相同（即有效工作面积相等）、供油压力和流量不变时，那么活塞往返运动时两个方向的推力和运动速度均相等，即)(422dDqAquvv（18-1）第18章液压缸和液压马达))((4)(212221ppdDAppF（18-2）式中：u——活塞（或缸体）的运动速度；qv——供油流量；F——活塞(或缸体)上的推力；p1、p2——分别为液压缸进、出口压力；A——液压缸有效工作面积；D、d——分别为活塞、活塞杆直径。这种两个方向等速、等力的特性使双杆液压缸可以用于双向负载基本相等的场合，如磨床液压系统。第18章液压缸和液压马达图18-1双杆活塞式液压缸第18章液压缸和液压马达2.单杆活塞式液压缸如图18-2所示为双作用单杆活塞式液压缸。它只在活塞的一侧装有活塞杆，因而，两腔有效作用面积不同。当向两腔分别供油，且供油压力和流量不变时，活塞在两个方向的运动速度和推力都不相等。第18章液压缸和液压马达图18-2(a)无杆腔进油；(b)有杆腔进油；(c)差动连接第18章液压缸和液压马达（1）当无杆腔进油时，活塞的运动速度u1和推力F1分别为：2114DqAquvv222122212221114)(42)(44pdppDpdDpDApApF（18-3）（18-4）第18章液压缸和液压马达（2）当有杆腔进油时，活塞的运动速度u2和推力F2分别为：)(42222dDqAquvv（18-5）1221222122122124)(44)(4pdppDpDpdDApApF（18-6）式中：qv——供油流量；p1、p2——分别为液压缸进、出口压力；D、d——分别为活塞、活塞杆直径。A1、A2——分别是液压缸无杆腔和有杆腔的活塞有效作用面积。第18章液压缸和液压马达（3）液压缸两腔同时供入压力油（如图18-2（c）所示），由于无杆腔工作面积比有杆腔工作面积大，活塞向右的推力大于向左的推力，故其向右移动。液压缸的这种连接方式称为差动连接，差动连接时，活塞的速度和推力分别为：22134dqAAquvv1212212221134)(44pdpdDpDApApF（18-7）（18-8）差动连接时，实际起有效作用的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相同的条件下，活塞杆的伸出速度较大而推力较小。第18章液压缸和液压马达18.1.2柱塞式液压缸如图18-3所示，柱塞缸由缸筒1、柱塞2、导向套3、密封圈4和压盖5等零件所组成。优点：结构简单、制造容易、维修方便、常用于大行程设备。第18章液压缸和液压马达图18-3柱塞式液压缸第18章液压缸和液压马达18.1.3摆动式液压缸摆动式液压缸也称摆动马达，是输出转矩并实现往复摆动的执行元件，有单叶片和双叶片两种形式。如图18-4(a)所示为单叶片式摆动缸，它的摆动角较大，可达300°。当摆动缸进出油口压力分别为p1和p2，且输入流量为qv时，它的输出转矩T和角速度ω各为))((2212122ppRRbT)(22122RRbqv（18-9）（18-10）式中：b为叶片的宽度；R1、R2分别为叶片底部、顶部的回转半径。第18章液压缸和液压马达图18-4(a)单叶片式摆动缸；(b)双叶片式摆动缸；(c)图形符号第18章液压缸和液压马达18.1.41.伸缩缸也称多级缸，它由两极或两极以上活塞缸套装而成，如图18-5所示，前一级活塞缸的活塞就是后一级活塞缸的缸筒。当伸缩缸逐个伸出时，有效工作面积依次减小，因此，当输入流量相同时，外伸速度依次增大；当负载恒定时，液压缸的工作压力逐渐升高。空载收回的顺序一般是从小活塞到大活塞，活塞全部收回后，总长度较短，结构紧凑，适用于安装空间受到限制而行程要求很长的场合，如起重机伸缩臂液压缸、自卸汽车举升液压缸等。第18章液压缸和液压马达图18-5伸缩缸第18章液压缸和液压马达2.齿条活塞缸如图18-6所示为齿条活塞缸，又称无杆活塞缸，它由带齿条杆的双活塞缸和齿轮齿条机构所组成。这种液压缸的特点是：将活塞的直线往复运动经过齿轮、齿条机构转换为回转运动。第18章液压缸和液压马达图18-6齿条活塞缸第18章液压缸和液压马达18.2液压缸的结构如图18-7所示为液压滑台液压缸的典型结构，它由缸筒、活塞、活塞杆、端盖等组成。归纳起来，液压缸由缸体组件、活塞组件、密封件和连接件等基本部分所组成，此外，一般液压缸还设有缓冲装置和排气装置。第18章液压缸和液压马达图18-7液压滑台液压缸第18章液压缸和液压马达18.2.11.缸体组件常见的连接形式如图18-8所示。⑴法兰式结构：结构简单、拆装和加工方便、连接可靠、大液压缸普遍采用这种连接。⑵半环式连接：半环连接工艺性好，连接可靠，结构紧凑，拆装方便。但半环槽对缸筒强度有所削弱，需加厚缸壁，常用于无缝钢管、缸筒与端盖的连接。⑶螺纹式连接：其特点是重量轻，外径小，结构紧凑，但缸筒端部结构复杂，装卸需专用工具，旋端盖时易损坏密封圈，一般用于小型液压缸。⑷拉杆式连接：结构通用性好，缸筒加工方便，拆装容易，但端盖的体积较大，拉杆受力后会拉伸变形，影响端部密封效果，只适用于长度不大的中低压缸。⑸焊接式连接：外形尺寸较大，结构简单，但焊接时易引起缸筒变形，主要用于柱塞式液压缸。第18章液压缸和液压马达图18-8(a)法兰式；(b)半环式；(c)外螺纹式；(d)内螺纹式；(e)拉杆式；(f)焊接式第18章液压缸和液压马达图18-9活塞与活塞杆的连接形式(a)整体式；(b)焊接式；(c)锥销式；(d)、(e)螺纹式；(f）、（g)半环式第18章液压缸和液压马达18.2.2密封装置作用：是用来防止液压油的泄漏。分类：1、根据两个需要密封的偶合面间有无相对运动：①动密封②静密封2、常见的密封方法主要有：①间隙密封②活塞环密封③密封圈密封。第18章液压缸和液压马达1.间隙密封间隙密封是依靠相对运动零件配合面间的微小间隙来防止泄漏实现密封的，因此，可用减小间隙的办法来减少泄漏。一般的间隙为0.01～0.05mm，间隙密封的特点是结构简单，摩擦阻力小，磨损小，润滑性能好，但对零件的加工精度要求较高，密封效果较差，因此，间隙密封仅适用于尺寸较小，压力较低，运动速度较高的活塞与缸体内孔间的密封。第18章液压缸和液压马达2.活塞环密封活塞环密封是依靠装在活塞环形槽内的弹性金属环紧贴缸筒内壁实现密封，如图18-10所示。优点：其密封效果较间隙密封好，适应的压力和温度范围宽，能自动补偿磨损和温度变化的影响，能在高速条件下工作，摩擦阻力小，使用寿命长，工作可靠。缺点：因活塞环与其对应的滑动面之间为金属接触，故不能完全密封，且活塞环加工复杂，缸筒内表面加工精度要求高，一般用于高压、高温、高速的场合。第18章液压缸和液压马达图18-10活塞环密封(a)活塞环的安装；(b)活塞环第18章液压缸和液压马达3.密封圈密封（1）O形密封圈。O形圈在安装时必须保证适当的预压缩量，压缩量的大小直接影响O形圈的使用性能和寿命，过小不能密封，过大则摩擦力增大，且易损坏。在静密封中，当压力大于32MPa时，或在静密封中，当压力大于10MPa时，O形圈就会被挤入间隙中而损坏，以致密封效果降低或失去密封作用，为此在O形圈低压侧需设置由聚四氟乙烯或尼龙制成的挡圈（如图18-12所示），其厚度为1.25～2.5mm。当双向受高压时，两侧都要加挡圈。第18章液压缸和液压马达图18-11O形圈密封原理第18章液压缸和液压马达图18-12挡圈的设置第18章液压缸和液压马达（2）Y形密封圈。Y形密封圈的截面呈Y形，属唇形密封圈，它主要用于往复运动的密封。Y形圈从低压到高压的压力范围内都表现了良好的密封性能，还能自动补偿唇边的磨损。当Y形圈安装时，唇口端对应着液压力高的一侧。当压力变化较大，且滑动速度较快时，为避免翻转，要使用支撑环，以固定密封圈，如图18-13所示。第18章液压缸和液压马达图18-13Y(a)Y形圈一般安装(b)Y形圈带支撑环安装第18章液压缸和液压马达（3）V形密封圈。V形密封圈的截面是V形，如图18-14所示，安装时，V形圈的开口应向压力高的一侧。优点：V形圈的密封性能良好、耐高压、寿命长、通过选择适当的V形圈的数量和调节压紧力，可获得最佳的密封效果，缺点：V形圈的摩擦阻力及轴向结构尺寸较大，它主要用于活塞杆的往复运动密封。第18章液压缸和液压马达图18-14V形密封圈第18章液压缸和液压马达（4）防尘圈。防尘圈设置在活塞杆或柱塞密封圈的外部，防止外界灰尘、沙粒等异物进入液压缸内，以避免影响液压系统的工作液压元件的使用寿命。第18章液压缸和液压马达图18-15防尘圈第18章液压缸和液压马达18.2.41.如图18-16(a)所示，当缓冲柱塞A进入缸盖上的内孔时，缸盖和活塞间形成环形缓冲油腔B，被封闭的油液只能经环形间隙δ排出，产生缓冲压力，从而实现减速缓冲。缺点：由于回油通道的节流面积不变，故缓冲开始时产生的缓冲制动力很大，其缓冲效果较差，液压冲击较大，且实现减速所需行程较长。第18章液压缸和液压马达2.圆锥形环隙式缓冲装置如图18-16(b)所示，由于缓冲柱塞A为圆锥形，所以，缓冲环形间隙δ随位移量不同而改变，即节流面积随缓冲行程的增大而缩小，使机械能的吸收较均匀，其缓冲效果较好，但仍有液压冲击。3.可变节流槽式缓冲装置如图18-16(c)所示，在缓冲柱塞A上开有三角节流沟槽，节流面积随着缓冲行程的增大而逐渐减小，其缓冲压力变化较平缓。第18章液压缸和液压马达4.可调节流孔式缓冲装置如图18-16(d)所示，当缓冲柱塞A进入到缸盖内孔时，回油口被柱塞堵住，只能通过节流阀C回油，调节节流阀的开度，可以控制回油量，从而控制活塞的缓冲速度。当活塞反向运动时，压力油通过单向阀D很快进入到液压缸内。第18章液压缸和液压马达图18-16(a)圆柱形环隙式；(b)圆锥形环隙式；(c)可变节流槽式；(d)可调节流孔式第18章液压缸和液压马达18.2.5排气装置问题：液压系统往往会混入空气，使系统工作不稳定，并产生振动、噪声及工作部件爬行和前冲等现象，严重时会使系统不能正常工作。方法：如图18-17所示为两种排气塞。当松开排气塞螺钉后，让液压缸全行程空载往复运动若干次，带有气泡的油液就会被排出，然后再拧紧排气塞螺钉，液压缸便可正常工作。第18章液压缸和液压马达图18-17排气塞第18章液压缸和液压马达18.3液压马达18.3.11.液压马达的转速和容积效率由于马达存在泄漏，输入马达的实际流量qv应大于理论流量qvt，故液压马达的容积效率为vvtvqq（18-11）将qv=Vn代入上式，可得液压马达的转速为：vvVqn（18-12）第18章液压缸和液压马达2.液压马达的转矩和机械效率因为液压马达工作时存在摩擦，所以它的实际输出转矩T必然小于理论转矩Tt，故液压马达的机械效率为tmTT（18-13）设马达进、出口间的压差为Δp，则马达的理论功率为Pt=2πnTt=Δpqvt=ΔpVn，因而有2pVTt第18章液压缸和液压马达将上式代入式（18-13），可得液压马达的输出转矩公式为mpVT2（18-14）第18章液压缸和液压马达3.液压马达的总效率液压马达的输入功率Pi=Δpqv，输出功率Po=2πnT。马达的总效率η为输出功率Po与输入功率Pi的比值，即vmvvipVTpqnTPP220（18-15）从上式可知，液压马达的总效率等于液压马达的机械效率ηm和容积效率