液压执行元件解析.pptx

第三章 液压执行元件 本章主要介绍液压系统中做旋转运动或做直线往复运动的执行元件液压马达和液压缸。本章是以后学习和分析液压基本回路和系统的重要基础。重点：1.液压马达的选用。2.单活塞杆液压缸的工作原理和结构；3.液压缸基本参数的确定。难点：单活塞杆液压缸的差动连接。本章计划学时：4学时 液压马达和液压缸是将液压系统中的压力能转换成机械能的能量转换装置，都是执行元件。液压马达驱动机构实现连续的回转运动，使系统输出一定的转矩和转速；液压缸实现直线往复运动，输出推力和速度。第一节 液压马达 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。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则成为马达。但由于二者的功能和要求有所不同，而实际结构细节也有所差异，故有少数泵能直接做马达使用。液压泵与液压马达关系液压泵与液压马达关系 功用上功用上 相反相反 结构上结构上 相似相似 原理上原理上 互逆互逆 液压马达的分类液压马达的分类 n ns s500r/min 500r/min 为高速液压马达为高速液压马达：齿轮马达，叶片：齿轮马达，叶片马达，轴向柱塞马达。马达，轴向柱塞马达。n ns s 500r/min 500r/min 为低速液压马达为低速液压马达：径向柱塞马达：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（单作用连杆型径向柱塞马达，多作用内曲线径向柱塞马达）。塞马达）。齿轮马达齿轮马达叶片马达叶片马达柱塞马达柱塞马达按结构分为按结构分为按转速分为按转速分为定量马达定量马达变量马达变量马达排量是否可调排量是否可调另外，有些液压马另外，有些液压马达只能作小于某一达只能作小于某一角度的摆动运动，角度的摆动运动，称为摆动式液压马称为摆动式液压马达或摆动缸。达或摆动缸。工作原理：由于两个齿轮的受压面积存在差值，因而产生转矩，推动齿轮转动。T=F r=p A r F1=p b(h x)F2=p b(h y)二、典型液压马达的结构和工作原理 1齿轮液压马达结构特点结构特点 进出油口相等，有单独的泄油口；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；为减少摩擦力矩，采用滚动轴承；为减少转矩脉动，齿数较泵的齿数多。为减少转矩脉动，齿数较泵的齿数多。应用应用 由于密封性能差，容积效率较低，不能产生较大的由于密封性能差，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而变化，因此仅用于高转矩，且瞬时转速和转矩随啮合点而变化，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。要求不高的设备。二、典型液压马达的结构和工作原理 1齿轮液压马达1）工作原理 F=p A =p(R-r0)b-p(r-r0)b =p(R-r)brr0R叶片马达叶片马达叶片马达叶片马达结构特点结构特点 进出油口相等，有单独的进出油口相等，有单独的泄油口；泄油口；叶片径向放置叶片径向放置（正反转），叶片底部，叶片底部设置有弹簧；设置有弹簧；应用应用 转动惯量小，反应灵敏，能适应较高频率的换向。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、但泄漏大，低速时不够稳定。适用于转矩小、转速高、力学性能要求不严格的场合。力学性能要求不严格的场合。轴向柱塞马达轴向柱塞马达工作原理工作原理结构特点结构特点 轴向柱塞泵和轴向柱塞马达是互逆的轴向柱塞泵和轴向柱塞马达是互逆的 配流盘为对称结构配流盘为对称结构改变供油方向马达反转。双向马达改变斜盘倾角排量变，转速变。变量马达 输入的高压油通过柱塞作用在斜盘上。斜盘给柱塞的反作用力的径向分力，使缸体产生转矩。通过输出轴带动负载做功。摆动式液压马达当通入液压油，它的主轴能输出小于360的摆动运动的缸称为摆动式液压马达。双叶片式 摆动角度一般小于150。单叶片式 摆动角度较大，可达300三、液压马达的主要参数三、液压马达的主要参数工作压力与额定压力工作压力与额定压力工作压力工作压力 p p 大小取决于马达负载，马达进出口压力的差值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称为马达的压差p p；额定压力额定压力 p ps s 能使马达连续正常运转的最高压力。能使马达连续正常运转的最高压力。排量、流量与容积效率排量、流量与容积效率 -排量：习惯上将马达的轴每转一周。按几何尺寸计排量：习惯上将马达的轴每转一周。按几何尺寸计算的所进入的液体体积。算的所进入的液体体积。-输入马达的实际流量输入马达的实际流量 q qMq qMtq q 式中式中q qMt为理论流量，为理论流量，马达在没有泄漏时，马达在没有泄漏时，达到转速所需进口流量。达到转速所需进口流量。-容积效率容积效率Mv v q qMt /q qM 1 1 q q/q qM排量与转速排量与转速 排量排量V V为为MV V等于等于1 1 时输出轴旋转一周所需油液时输出轴旋转一周所需油液体积。体积。转速转速 n n q qMt t/V V q qMMV V/V V转矩与机械效率转矩与机械效率 实际输出转矩实际输出转矩 T TT Tt tT T 理论输出转矩理论输出转矩 T Tt tp Vp VMmm/2 2机械效率机械效率MmmT TM/T TMt t功率与总效率功率与总效率MM P PMo o/P PmimiT 2T 2n n/p p q qM Mv vM式中式中 P PMo o为马达输出功率，为马达输出功率，P Pmimi为马达输入功率。为马达输入功率。液压马达的启动机械效率液压马达的启动机械效率mm0mm0=最低稳定转速最低稳定转速:液压马达在额定负载下，不出现爬行现象的最低转速。最高使用转速：最高使用转速：调速范围：调速范围：第二节第二节 液压缸液压缸 液压缸的类型液压缸的类型液压缸典型结构和组成液压缸典型结构和组成液压缸的设计和计算液压缸的设计和计算 液压缸 液压缸三三梁梁四四柱柱式式压压力力机机 液压缸塑料注射成型机塑料注射成型机液压缸作用：压力能机械能 用于实现直线往复运动活塞缸单杆双杆柱塞缸伸缩缸液压缸的类型分类单作用双作用按作用方式按结构一、活塞式液压缸（一）、单杆活塞缸1.结构：缸体、活塞、活塞杆、密封、缸盖等2.工作原理：工作原理：因两侧有效作用面积或油液压力不等，活塞在液压力的作用下，作直线往复运动。无杆腔进油腔回油腔有杆腔职能符号：n单杆单作用活塞缸n单杆双作用活塞缸双向液压驱动 单向液压驱动，回程靠外力。3.基本参数1）推力式中：p1进油压力 p2回油压力2）速度n特点：同样 q，v1 F2。4.应用：往返运动速度及推力不同的场合。例：液压刨床差动缸推力：速度：n特点：v3 v1；F3 F1。结论：差动连接后，速度大，推力小。正是利用这一点，可使在不加大油源流量的情况下，获得较快的运动速度。代入上式：q1q2p q活塞只有一个，设此时的速度为v3差动缸如令：则有：结论：当时，快进、快退速度相等。或 单活塞杆液压缸可以是缸筒固定，活塞单活塞杆液压缸可以是缸筒固定，活塞运动；也可以是活塞杆固定缸筒运动。无论运动；也可以是活塞杆固定缸筒运动。无论采用其中哪一种形式，液压缸运动所占空间采用其中哪一种形式，液压缸运动所占空间长度都是两倍行程。（见下图）长度都是两倍行程。（见下图）1.结构特点：两侧有效工作面积一样。(二)、双杆活塞缸2.基本参数：双杆活塞缸 双杆活塞缸活塞两侧都有活塞杆伸出;根据安装方式不同又分为 活塞杆固定式 缸筒固定式l活塞有效工作行程。缸固定 L=3 l杆固定 L=2 l3）应用：职能符号：两个方向力和速度一样的场合。柱塞与缸筒无配合关系，缸筒内孔不需精加工，只柱塞与缸筒无配合关系，缸筒内孔不需精加工，只是柱塞与缸盖上的导向套有配合关系。特别适合行是柱塞与缸盖上的导向套有配合关系。特别适合行程较长的场合。程较长的场合。柱塞缸只能作单作用缸，要求往复运动时，需成对柱塞缸只能作单作用缸，要求往复运动时，需成对使用。使用。三、柱塞三、柱塞式液压缸式液压缸（一）单柱塞缸单向液压驱动，回程靠外力。（二）双柱塞缸双向液压驱动（三）参数计算推力：速度：应用：行程较长的场合。职能符号：柱塞粗、受力好。简化加工工艺（缸体内孔和柱塞没有配合，不需精加工；柱塞外圆面比内孔加工容易。）（）它是一种单作用式液压缸，靠液压力只能实（）它是一种单作用式液压缸，靠液压力只能实 现一个方向的运动，柱塞回程要靠其它外力或柱塞现一个方向的运动，柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重；的自重；（）柱塞只靠缸套支承而不与缸套接触，这样缸（）柱塞只靠缸套支承而不与缸套接触，这样缸套极易加工，故适于做长行程液压缸；套极易加工，故适于做长行程液压缸；（）工作时柱塞总受压，因而它必须有足够的刚（）工作时柱塞总受压，因而它必须有足够的刚度；度；（）柱塞重量往往较大，水平放置时容易因自重（）柱塞重量往往较大，水平放置时容易因自重而下垂，造成密封件和导向单边磨损，故其垂直使而下垂，造成密封件和导向单边磨损，故其垂直使用更有利。用更有利。柱塞式液压缸特点：柱塞式液压缸特点：四、其他形式的液压缸增压比为大活塞与小柱塞的面积比增压比为大活塞与小柱塞的面积比 KD 2/d 2 增压能力是在降低有效流量的基础上得到的。增压能力是在降低有效流量的基础上得到的。增压缸（增压器）增压缸（增压器）伸缩式液压缸伸缩式液压缸它由两个或多个活塞式缸套装而成，前一级活塞缸的活塞杆是它由两个或多个活塞式缸套装而成，前一级活塞缸的活塞杆是后一级活塞缸的缸筒后一级活塞缸的缸筒，如图所示。伸缩式液压缸中活塞伸出的，如图所示。伸缩式液压缸中活塞伸出的顺序式从大到小，而空载缩回的顺序则一般是从小到大。伸缩顺序式从大到小，而空载缩回的顺序则一般是从小到大。伸缩缸可实现较长的行程，而缩回时长度较短，结构较为紧凑。此缸可实现较长的行程，而缩回时长度较短，结构较为紧凑。此种液压缸常用于工程机械和农业机械上。种液压缸常用于工程机械和农业机械上。无活塞杆油压缸无活塞杆油压缸液压缸典型结构和组成液压缸典型结构和组成（一）液压缸典型结构（一）液压缸典型结构典型液压缸的结构典型液压缸的结构（二）液压缸的组成（二）液压缸的组成缸体组件：缸体、前后端盖缸体组件：缸体、前后端盖活塞组件：活塞、活塞杆活塞组件：活塞、活塞杆密封装置：密封环，密封圈等密封装置：密封环，密封圈等缓冲装置缓冲装置排气装置排气装置缸体和缸盖缸体和缸盖活塞和活塞杆密封装置密封装置液压缸中的密封主要指活塞和缸体之间，液压缸中的密封主要指活塞和缸体之间，活塞杆和端盖之间的密封，用于防止内、活塞杆和端盖之间的密封，用于防止内、外泄漏。外泄漏。密封装置的要求：密封装置的要求：密封装置的要求：密封装置的要求：(1)(1)在一定工作压力下，具有良好的密封性能。在一定工作压力下，具有良好的密封性能。(2)(2)相对运动表面之间的摩擦力要小，且稳定。相对运动表面之间的摩擦力要小，且稳定。(3)(3)要耐磨，工作寿命长，或磨损后能自动补偿。要耐磨，工作寿命长，或磨损后能自动补偿。(4)(4)使用维护简单，制造容易，成本低。使用维护简单，制造容易，成本低。密封形式：密封形式：密封形式：密封形式：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。1、间隙密封：、间隙密封：三角形环形槽三角形环形槽（平衡槽）（平衡槽）2、活塞环密封（开口金属环）：、活塞环密封（开口金属环）：适用于高压、高速适用于高压、高速 或密封性能要求较高的或密封性能要求较高的场合场合3、密封圈密封：、密封圈密封：1）优点：）优点：(1)结构简单，制造方便，成本低；结构简单，制造方便，成本低；(2)能自动补偿磨损；能自动补偿磨损；(3)密封性能可随压力加大而提高，密封可密封性能可随压力加大而提高，密封可靠；靠；(4)被密封的部位，表面不直接接触，所以被密封的部位，表面不直接接触，所以加加 工精度可以放低工精度可以放低(5)既可用于固定件，也可用于运动件。既可用于固定件，也可用于运动件。3、密封圈密封：、密封圈密封：2）材料要求：）材料要求：密封圈的材料应具有较好的弹性，适当密封圈的材料应具有较好的弹性，适当的机械强度，耐热耐磨性能好，摩擦系数的机械强度，耐热耐磨性能好，摩擦系数小，与金属接触不互相粘着和腐蚀，与液小，与金属接触不互相粘着和腐蚀，与液压油有很好的压油有很好的“相容性相容性”。材料：耐油橡胶；材料：耐油橡胶；尼龙尼龙 聚氨脂聚氨脂3、密封圈密封：、密封圈密封：3）密封圈形状：）密封圈形状：“O”形；形；“Y”形；形；“V”形。形。缓冲装置缓冲装置1、型式：、型式：1）间隙缓冲装置；）间隙缓冲装置；2）可调节流缓冲装置；）可调节流缓冲装置；3）可变节流缓冲装置。）可变节流缓冲装置。2、缓冲原理：、缓冲原理：当活塞接近端盖时，增大液压缸回油阻力，使缓冲油腔内产生当活塞接近端盖时，增大液压缸回油阻力，使缓冲油腔内产生足够的缓冲压力，使活塞减速，从而防止活塞撞击端盖。足够的缓冲压力，使活塞减速，从而防止活塞撞击端盖。为了排除聚集在液压缸内的空气，可在缸为了排除聚集在液压缸内的空气，可在缸的两端最高部位各装一只排气塞。的两端最高部位各装一只排气塞。排气装置排气装置 液压缸的设计和计算是在对整个液压系统液压缸的设计和计算是在对整个液压系统进行工况分析，计算了最大负载力，先定了工进行工况分析，计算了最大负载力，先定了工作压力的基础上进行的（后续章节讲授）。因作压力的基础上进行的（后续章节讲授）。因此，此，首先要根据使用要求确定结构类型，再按首先要根据使用要求确定结构类型，再按照负载情况，运动要求决定液压缸的主要结构照负载情况，运动要求决定液压缸的主要结构尺寸，最后进行结构设计或型号选择。尺寸，最后进行结构设计或型号选择。液压缸的设计计算 1、确定液压缸的类型和各部分的结构形式确定液压缸的类型和各部分的结构形式3、液压缸的结构强度、刚度计算和校核液压缸的结构强度、刚度计算和校核2、确定液压缸的工作参数和主要尺寸（确定液压缸的工作参数和主要尺寸（DdL)4、液压缸的结构设计、液压缸的结构设计设计步骤：设计步骤：直线运动摆动运动活塞缸单杆双杆双作用差动柱塞缸单作用伸缩缸摆动缸（摆动马达）齿轮缸液压缸类型 1 1、工作压力的确定、工作压力的确定 根据液压缸的实际工况，计算出外负载大小，根据液压缸的实际工况，计算出外负载大小，然后参考下表选取适当的工作压力。然后参考下表选取适当的工作压力。一、液压缸主要尺寸的确定一、液压缸主要尺寸的确定 液压缸要承受的负载包括有效工作负载和克服摩擦阻力、惯性力和回油腔背压力等。液压缸的工作压力按负载决定，对于不同用途的液压设备，由于工作条件不同，采用的压力范围也不相同。设计时液压缸的压力可按负载大小由表确定2 2、活塞杆直径、活塞杆直径d d与缸筒内径与缸筒内径D D的计算的计算 受拉时：受拉时：d=(0.3-0.5)Dd=(0.3-0.5)D 受压时：受压时：d=(0.5-0.55)D(pd=(0.5-0.55)D(p1 15mpa)5mpa)d=(0.6-0.7)D (5mpa pd=(0.6-0.7)D (5mpa p1 17mpa)7mpa)7mpa)当确定了液压缸的工作压力p和总负载力F后，按缸的类型计算出缸筒内径D，再根据液压缸往复运动速度或速比,冉计算活塞杆直径d，也可按活塞杆的受力情况确定活塞杆的直径3 3、液压缸缸筒壁厚和外径的计算、液压缸缸筒壁厚和外径的计算 在般中低压液压系统中。液压缸缸筒壁厚往往由结构工艺上的要求确定强度问题是次要的，一般不需计算。但在高压系统中当缸径和壁厚之比大于等于10时可按薄壁圆筒计算公式进行校核，当小于10时，按厚壁圆筒校核。时，为薄壁筒（无缝钢管）式中：py 实验压力缸筒壁厚 n 安全系数 n=5 pn 缸的额定压力 许用应力，b 抗拉强度3 3、液压缸缸筒壁厚和外径的计算、液压缸缸筒壁厚和外径的计算注意：圆整为标准壁厚 1）铸造：满足最小尺寸 2）无缝钢管：查手册 (无缝钢管外径不需加工）时，为厚壁筒（铸造）缸筒外径：3 3、液压缸缸筒壁厚和外径的计算、液压缸缸筒壁厚和外径的计算4、活塞杆的校核1）强度校核式中：活塞杆材料的许用应力 n 安全系数 n=1.4 2b 抗拉强度稳定性校核时，强度校核即可时，要进行稳定性计算稳定条件：式中：F 活塞杆所受最大压力 Fk 活塞杆的稳定临界力 nk 稳定安全系数 nk =2 4dF4、活塞杆的校核5 5、液压缸缸筒长度的确定、液压缸缸筒长度的确定 缸筒长度根据所需最大工作行程而定。活塞缸筒长度根据所需最大工作行程而定。活塞杆长度根据缸筒长度而定。杆长度根据缸筒长度而定。对于工作行程受压的活塞杆，当活塞杆长对于工作行程受压的活塞杆，当活塞杆长度与活塞杆直径之比大于度与活塞杆直径之比大于1515时，应按材料力学时，应按材料力学有关公式对活塞进行压杆稳定性验算。有关公式对活塞进行压杆稳定性验算。作业4.7，4.8，4.9，4.10，4.11，4.12