第四章 液压缸与液压马达DOC.docx
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第四章液压缸与液压马达DOC
第4章液压缸与液压马达
液压缸是液压传动系统中的又一类执行元件，将液压泵供给的液压能转换为机械能而对负载做功，是用来实现工作机构直线往复运动或小于360摆动运动的能量转换装置。
液压缸结构简单、工作可靠、在液压系统中得到广泛的应用。
Ø液压缸的输入量是液体的流量和压力，输出量是速度和力。
Ø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。
4.1液压缸
4.1.1常用液压缸及特点
按作用方式分为单作用式和双作用式。
单作用式：
液体或气体只控制缸一腔单向运动；
双作用式：
液体或气体控制缸两腔实现双向运动。
单作用液压缸是指其中一个方向的运动用油压实现，返回时靠自重或弹簧等外力，这种油缸的两个腔只有一端有油，另一端则与空气接触。
双作用液压缸就是两个腔都有油，两个方向的动作都要靠油压来实现。
（1）双杆式活塞缸。
活塞两端都有一根直径相等的活塞杆伸出的液压缸称为双杆式活塞缸，它一般由缸体、缸盖、活塞、活塞杆和密封件等零件构成。
根据安装方式不同可分为缸筒固定式和活塞杆固定式两种。
如图4-5（a）所示的为缸筒固定式的双杆活塞缸。
它的进、出口布置在缸筒两端，活塞通过活塞杆带动工作台移动，当活塞的有效行程为l时，整个工作台的运动范围为3，所以机床占地面积大，一般适用于小型机床，当工作台行程要求较长时，可采用图4-5（b）所示的活塞杆固定的形式，这时，缸体与工作台相连，活塞杆通过支架固定在机床上，动力由缸体传出。
这种安装形式中，工作台的移动范围只等于液压缸有效行程l的两倍，因此占地面积小。
进出油口可以设置在固定不动的空心的活塞杆的两端，但必须使用软管连接。
由于双杆活塞缸两端的活塞杆直径通常是相等的，因此它左、右两腔的有效面积也相等，当分别向左、右腔输入相同压力和相同流量的油液时，液压缸左、右两个方向的推力和速度相等。
当活塞的直径为D，活塞杆的直径为d，液压缸进、出油腔的压力为p1和p2，输入流量为q时，双杆活塞缸的推力F和速度v为：
F=A（p1-p2）=π（D2-d2）（p1-p2）/4（4-18）
v=q/A=4q/π（D2-d2）（4-19）
式中：
A为活塞的有效工作面积。
双杆活塞缸在工作时，设计成一个活塞杆是受拉的，而另一个活塞杆不受力，因此这种液压缸的活塞杆可以做得细些。
（2）单杆式活塞缸。
如图4-6所示，活塞只有一端带活塞杆，单杆液压缸也有缸体固定和活塞杆固定两种形式，但它们的工作台移动范围都是活塞有效行程的两倍。
图4-6单杆式活塞缸
由于液压缸两腔的有效工作面积不等，因此它在两个方向上的输出推力和速度也不等，其值分别为：
F1=（p1A1-p2A2）=π［（p1-p2）D2-p2d2］/4（4-20）
F1=（p1A1-p2A2）=π［（p1-p2）D2-p2d2］/4（4-21）
v1=q/A1=4q/πD2（4-22）
v2=q/A2=4q/π（D2-d2）（4-23）
由式（4-20）～式（4-23）可知，由于A1＞A2，所以F1＞F2，v1＜v2。
如把两个方向上的输出速度v2和v1的比值称为速度比，记作λv，则λv=v2/v1=1/［1-（d/D）2］。
因此，
。
在已知D和λv时，可确定d值。
1.双作用单活塞杆式液压缸
特点：
1）两腔面积不等，A1>A2
2）压力相同时，推力不等；流量相同时，速度不等；即不具有等推力等速度特性。
∵A1>A2
∴v1F2
故活塞杆伸出时，推力较大，速度较小。
活塞杆缩回时，推力较小，速度较大。
因而：
活塞杆伸出时，适用于重载慢速。
活塞杆缩回时，适用于轻载快速。
单活塞杆液压缸简单连接结论：
活塞杆直径越小，两个方向速度差值越小。
固定方式和工作过程皆与双杆活塞液压缸相同。
运动行程皆为两倍的活塞或缸体的有效行程。
图4-7差动缸
（3）差动油缸。
单杆活塞缸在其左右两腔都接通高压油时称为：
“差动连接”，如图4-7所示。
差动连接缸左右两腔的油液压力相同（前提条件），但是由于左腔（无杆腔）的有效面积大于右腔（有杆腔）的有效面积，故活塞向右运动，同时使右腔中排出的油液（流量为q′）也进入左腔，加大了流入左腔的流量（q+q′），从而也加快了活塞移动的速度。
实际上活塞在运动时，由于差动连接时两腔之间的管路中有压力损失，所以右腔中油液的压力稍大于左腔
油液压力，而这个差值一般都较小，可以忽略不计，则差动连接时活塞推力F3和运动速度v3为：
F3=p1（A1-A2）=p1πd2/4（4-24）
进入无杆腔的流量q1=
v3=4q/πd2（4-25）
由式（4-24）、式（4-25）可知，差动连接时液压缸的推力比非差动连接时小，速度比非差动连接时大，正好利用这一点，可使在不加大油源流量的情况下得到较快的运动速度，这种连接方式被广泛应用于组合机床的液压动力系统和其他机械设备的快速运动中。
如果要求机床往返快速相等时，则由式（4-23）和式（4-25）得：
即：
D=
（4-26）
把单杆活塞缸实现差动连接，并按D=
d设计缸径和杆径的油缸称之为差动液压缸。
差动连接式液压缸：
单杆活塞液压缸两腔同时通入流体时，利用两端面积差进行工作的连接形式。
差动连接特点：
在不增加流量的前提下，实现快速运动。
在缸体内作相对往复运动的组件为活塞的液压缸。
1、活塞式液压缸（未注明的一律缸筒固定）
（1）活塞向右行
（2）活塞向左行
（3）差动连接（一般
）
比较
（1）、
（2）、（3），可知
，
。
差动连接适用于快速、小负载的工况，如液压机床中的快速推进。
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。
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。
2.双作用双活塞杆式液压缸
特点：
1）两腔面积相等；
2）压力相同时，推力相等；流量相同时，速度相等。
即具有等推力等速度特性。
推力、速度计算：
v=q/A=4q/π（D2-d2）
F=（p1-p2）A=π（D2-d2）（p1-p2）/4
3.单作用柱塞式液压缸
自重
只能单向运动，回程需靠外力<
弹簧力
需双向运动时，常成对使用。
柱塞式液压缸速度、推力计算：
v=q/A=4q/πd2
F=pA=πd2p/4
柱塞式液压缸特点：
∵柱塞工作时总是受压，一般较粗
∴水平放置易下垂，产生单边磨损
故常垂直放置，有时可做成空心
又∵缸体内壁与柱塞不接触
∴可不加工或只粗加工，工艺性好
龙门刨床
故常用于长行程机床，如<导轨磨床
大型拉床
4.伸缩式液压缸
伸缩套筒式液压缸系多级液压缸，行程大而体积小，它有单作用柱塞式和双作用活塞式两种结构。
由于各级套筒的有效面积不等，因此当压力油进入套筒缸的下腔时，各级套筒缸按直径大小，先大后小依次回缩。
这种缸常用于自卸汽车和汽车式起重机的伸缩臂。
多级缸结构：
由两个或多个活塞缸或柱塞缸套装而成，有单作用和双作用之分。
多级缸工作原理：
活塞或柱塞伸出时，从大到小，
速度逐渐增大，推力逐渐减小。
活塞或柱塞缩回时，从小到大。
多级缸特点应用：
∵工作时可伸很长，不工作时缩短
∴占地面积小，且推力随行程增加而减小
故起重机伸缩臂、自动倾卸卡车、火箭发射台等皆用。
缸体两端有进、出油口A和B。
当A口进油，B口回油时，先推动一级活塞向右运动。
一级活塞右行至终点时，二级活塞在压力油的作用下继续向右运动。
5.齿条液压缸
工作原理：
左腔进油，右腔回油时，齿条右移，齿轮带动工作台逆转。
右腔进油，左腔回油时，齿条左移，齿轮带动工作台顺转。
应用：
常用于需要回转运动的场合，如：
自动线、磨床。
图3－10所示，它由两个柱塞和一套齿轮齿条传动装置组成，当液压油推动活塞左右往复运动时，齿条就推动齿轮往复转动，从而由齿轮驱动工作部件作往复旋转运动。
实现有限角度的旋转运动。
6.增压缸
增压缸作用：
得到高于泵压的输出压力。
增压缸结构：
单作用、双作用
增压缸增压原理：
A1p1=A2p2
p1πD2/4=p2πd2/4
p2=A1/A2p1=p1（D/d）2=Kp1K—增压比
增压缸特点：
在不pp的前提下，靠A来p单作用断续增压、双作用连续增压。
增压液压缸又称增压器，它利用活塞和柱塞有效面积的不同使液压系统中的局部区域获得高压。
它有单作用和双作用两种型式，单作用增压缸的工作原理如图4-9（a）所示，当输入活塞缸的液体压力为p1，活塞直径为D，柱塞直径为d时，柱塞缸中输出的液体压力为高压，其值为：
p2=p1（D/d）2=Kp1（4-29）
式中：
K=D2/d2，称为增压比，它代表其增压程度。
显然增压能力是在降低有效能量的基础上得到的，也就是说增压缸仅仅是增大输出的压力，并不能增大输出的能量。
单作用增压缸在柱塞运动到终点时，不能再输出高压液体，需要将活塞退回到左端位置，再向右行时才又输出高压液体，为了克服这一缺点，可采用双作用增压缸，如图4-9（b）所示，由两个高压端连续向系统供油。
图4-9增压缸
增压缸：
在某些短时或局部需要高压的液压系统中，常用增压缸与低压大流量泵配合作用，单作用增压缸的工作原理如图3－8a所示，输入低压力p1的液压油，输出高压力为p2的液压油，
增大压力关系如式（3－12）。
单作用增压缸不能连续向系统供油，图3－8b为双作用式增压缸，可由两个高压端连续向系统供油。
4.1.2液压缸设计
1.选液压缸种类、选用
类型
按运动形式分
按作用方式分
a单作用活塞缸b单作用柱塞缸c双作用单杆活塞缸d双作用双杆活塞缸
按结构形式分
2液压缸的缓冲装置
液压缸的组成:
从上面所述的液压缸典型结构中可以看到，液压缸的结构基本上可以分为缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置和排气装置五个部分，分述如下。
（4）缓冲装置。
液压缸一般都设置缓冲装置，特别是对大型、高速或要求高的液压缸，为了防止活塞在行程终点时和缸盖相互撞击，引起噪声、冲击，则必须设置缓冲装置。
为了防止活塞在行程的终点与前后端盖板发生碰撞，引起噪音，影响工件精度或使液压缸损坏，常在液压缸前后端盖上设有缓冲装置，以使活塞移到快接近行程终点时速度减慢下来终至停止。
缓冲装置的工作原理：
是利用活塞或缸筒在其走向行程终端时封住活塞和缸盖之间的部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出，以产生很大的阻力，使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度，达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。
缓冲的必要性：
∵在质量较大、速度较高（v>12m/min），由于惯性力较大，活塞运动到终端时会撞击缸盖，产生冲击和噪声，严重影响加工精度，甚至使液压缸损坏。
∴常在大型、高速、或高精度液压缸中设置缓冲装置或在系统中设置缓冲回路。
缓冲原理：
利用节流方法在液压缸的回油腔产生阻力，减小速度，避免撞击。
缝隙节流和小孔节流两种缓冲装置。
当活塞右行至缸端部时，即缓冲活塞开始插入缸端的缓冲孔时，活塞与缸端之间形成封闭空间A。
A腔中受困的油液只能从缓冲柱塞与孔槽之间的节流环缝（或节流小孔）中挤出，从而造成回油背压，迫使运动的柱塞减速制动，实现缓冲。
2.密封装置
活塞装置主要用来防止液压油的泄漏。
对密封装置的基本要求是具有良好的密封性能，并随压力的增加能自动提高密封性。
除此以外，摩擦阻力要小，耐油。
油缸主要采用密封圈密封，密封圈有O形、V形、Y形及组合式等数种，其材料为耐油橡胶、尼龙、聚氨脂等。
液压缸中常见的密封装置如图4-16所示。
图4-16（a）所示为间隙密封，它依靠运动间的微小间隙来防止泄漏。
为了提高这种装置的密封能力，常在活塞的表面上制出几条细小的环形槽，以增大油液通过间隙时的阻力。
它的结构简单，摩擦阻力小，可耐高温，但泄漏大，加工要求高，磨损后无法恢复原有能力，只有在尺寸较小、压力较低、相对运动速度较高的缸筒和活塞间使用。
图4-16（b）所示为摩擦环密封，它依靠套在活塞上的摩擦环（尼龙或其他高分子材料制成）在O形密封圈弹力作用下贴紧缸壁而防止泄漏。
这种材料效果较好，摩擦阻力较小且稳定，可耐高温，磨损后有自动补偿能力，但加工要求高，装拆较不便，适用于缸筒和活塞之间的密封。
图4-16（c）、图4-16（d）所示为密封圈（O形圈、V形圈等）密封，它利用橡胶或塑料的弹性使各种截面的环形圈贴紧在静、动配合面之间来防止泄漏。
它结构简单，制造方便，磨损后有自动补偿能力，性能可靠，在缸筒和活塞之间、缸盖和活塞杆之间、活塞和活塞杆之间、缸筒和缸盖之间都能使用。
O形圈装入密封槽后，其截面受到压缩后变形。
在无液压力时，靠O形圈的弹性对接触面产生预接触压力，实现初始密封，当密封腔充入压力油后，在液压力的作用下，O形圈挤向槽一侧，密封面上的接触压力上升，提高了密封效果。
V形圈的截面为V形，如图3.11所示，V形密封装置是由压环，V形圈和支承环组成。
当工作压力高于10MPa时，可增加V形圈的数量，提高密封效果。
安装时，V形圈的开口应面向压力高的一侧。
a）压环 b）V型圈 C）支承环
图3.11V形密封圈
形密封圈的截面为Y形，属唇形密封圈。
它是一种密封性、稳定性和耐压性较好、摩擦阻力小、寿命较长的密封圈，故应用也很普遍。
Y形圈主要用于往复运动的密封，根据截面长宽比例的不同，Y形圈可分为宽断面和窄断面两种形式，图3.12所示为宽断面Y形密封圈。
图3.12Y形密封圈
Y形圈的密封作用依赖于它的唇边对藕合面的紧密接触，并在压力油作用下产生较大的接触压力，达到密封目的。
当液压力升高时，唇边与藕合面贴得更紧，接触压力更高，密封性能更好。
Y形圈安装时，唇口端面应对着液压力高的一侧，当压力变化较大，滑动速度较高时，要使用支承环，以固定密封圈，如图3.12（b）所示。
宽断面Y形圈一般适用于工作压力P<20MPa的场合；窄断面Y形圈一般适用于工作压力P<32MPa下工作。
液压缸一般由后端盖、缸筒、活塞杆、活塞组件、前端盖等主要部分组成；为防止油液向液压缸外泄或由高压腔向低压腔泄漏，在缸筒与端盖、活塞与活塞杆、活塞与缸筒、活塞杆与前端盖之间均设置有密封装置，在前端盖外側，还装有防尘装置；为防止活塞快速退回到行程终端时撞击后缸盖，液压缸端部还设置缓冲装置；有时还需设置排气装置。
O型密封圈
密封原理：
利用密封圈的安装变形来密封
特点应用：
∵O型圈截面为圆形，结构简单，制造方便，密封性能好，摩擦力小。
∴一般安装在外圆或内圆上截面为距形的沟槽内以实现密封。
又∵O型圈一般为橡胶制成
运动密封（动）-p>10Mpa
∴压力高时〈
固定密封（静）-p>32Mpa，
时，应设置挡圈（塑料、尼龙）
既可用于动密封
故O型圈应用相当广泛〈
又可用于静密封
（2）Y型密封圈
密封原理：
密封圈受油压作用使两唇张开并贴紧在轴或孔的表面实现密封。
Y形圈的密封作用依赖于它的唇边对藕合面的紧密接触，并在压力油作用下产生较大的接触压力，达到密封目的。
当液压力升高时，唇边与藕合面贴得更紧，接触压力更高，密封性能更好。
宽断面
分类：
根据截面长宽比例不同〈
窄断面
特点应用：
∵Y型圈靠唇边张开后实现密封
∴安装时唇边必须对着压力油腔
又∵Y型圈密封可靠，摩擦力小，寿命长
∴常用于速度较高的液压缸
宽断面Y型密封圈：
p<20MpaT在-300-+1000
通常v<0.5/s〈
窄断面Y型密封圈：
p<32MpaT在-300-+1000
（3）V型密封圈
结构：
截面为V型，由支承环、密封环、压紧环叠合而成，开口面向高压侧。
密封原理：
当压紧环压紧密封环时，支承环使密封环产生变形而实现密封。
特点应用：
∵V型密封圈是组合装置
∴密封效果良好，耐高压，寿命长，增加密封环可提高密封效果，但摩擦阻 力增大，尺寸大，成本高。
常用于压力较高（p<50Mp），温度为-400-+800，运动速度较低的场合实现密封。
3.排气装置
排气的必要性：
∵系统在安装或停止工作后常会渗入空气
∴使液压缸产生爬行、振动和前冲，换向精度降低等。
故必须设置排气装置。
排气方法：
1排气孔油口设置在液压缸最高处
2排气塞象螺钉（如暖气包上的放气阀）
3排气阀使液压缸两腔经该阀与油箱相通启动时，拧开排气阀使液压缸空载往复运动几次即可。
放气装置：
在安装过程中或停止工作的一段时间后，空气将渗入液压系统内，缸筒内如存留空气，将使液压缸在低速时产生爬行、颤抖现象，换向时易引起冲击，因此在液压缸结构上要能及时排除缸内留存的气体。
一般双作用式液压缸不设专门的放气孔，而是将液压油出入口布置在前后盖板的最高处。
大型双作用式液压缸则必须在前后端盖板设放气栓塞。
对于单作用式液压缸液压油出入口一般设在缸筒底部，在最高处设放气栓塞。
4.连接结构
缸体与端盖的连接：
∵工作压力、缸体材料、工作条件不同
∴连接形式很多低压，铸铁缸体，外形尺寸大
缸体与端盖的连接形式：
法兰连接：
高压，需焊接法兰盘，较杂。
内半环—结构简单、紧凑、装卸方便（但因缸体上开了环行槽，强度削弱）
半环连接<
外半环
内螺纹
螺纹连接<>重量轻，外径小，但端部复杂，
外螺纹装卸不便，需专用工具
焊接连接
法兰连接：
在无缝钢管的缸体上焊上法兰盘，再用螺钉与端盖紧固。
这种连接结构简单，加工和装拆都很方便，其外形尺寸和重量比拉杆式连接要小些，但比螺纹连接和半环连接要大些，此种结构应用最广，中压液压缸均采用这种结构。
半环连接
螺纹连接
拉杆连接：
前、后端盖装在缸体两边，用四根拉杆（螺栓）将其紧固。
这种连接结构简单，装拆方便，但外形尺寸较大，重量较大，通常只用于较短的液压缸。
通用性好，缸体加工方便，装拆方便，但端盖体积大，重量也大，拉杆受力后会拉伸变形，影响端部密封效果，只适于低压。
焊接连接：
其优点是结构简单、尺寸小、工艺性好；缺点是清洗缸体内孔较为困难，同时由于焊接可能造成缸体变形。
一般短行程液压缸多用焊接，不少液压缸的底盖都采用焊接。
对于自制的中小型非标准型液压缸，一般采用法兰连接、螺纹连接和焊接连接的结构较多。
活塞与活塞杆连接：
活塞与活塞杆的连接大多采用下图所示的方法。
其中（a）所示为螺纹连接结构。
这种连接形式结构简单实用，应用较为普遍。
当油缸工作压力较大，工作机械振动较大时，常采用图（b）所示的卡键连接结构。
这种连接方法可以使活塞在活塞杆上浮动，使活塞与缸体不易卡住，它比螺纹连接要好，但结构稍复杂些。
5.头部结构
4.2液压马达
液压马达是使负载作连续旋转的执行元件，其内部构造与液压泵类似，差别仅在于液压泵的旋转是由电机所带动，输出的是液压油；液压马达则是输入液压油，输出的是转矩和转速。
因此，液压马达和液压泵在细部结构上存在一定的差别。
1.液压马达与泵的相同点
2.泵与马达的不同点
液压马达是把液体的压力能转换为机械能的装置，从原理上讲，液压泵可以作液压马达用，液压马达也可作液压泵用。
但事实上同类型的液压泵和液压马达虽然在结构上相似，但由于两者的工作情况不同，使得两者在结构上也有某些差异。
例如：
1.液压马达一般需要正反转，所以在内部结构上应具有对称性，而液压泵一般是单方向旋转的，没有这一要求。
2.为了减小吸油阻力，减小径向力，一般液压泵的吸油口比出油口的尺寸大。
而液压马达低压腔的压力稍高于大气压力，所以没有上述要求。
3.液压马达要求能在很宽的转速范围内正常工作，因此，应采用液动轴承或静压轴承。
因为当马达速度很低时，若采用动压轴承，就不易形成润滑滑膜。
4.叶片泵依靠叶片跟转子一起高速旋转而产生的离心力使叶片始终贴紧定子的内表面，起封油作用，形成工作容积。
若将其当马达用，必须在液压马达的叶片根部装上弹簧，以保证叶片始终贴紧定子内表面，以便马达能正常起动。
5.液压泵在结构上需保证具有自吸能力，而液压马达就没有这一要求。
6.液压马达必须具有较大的起动扭矩。
所谓起动扭矩，就是马达由静止状态起动时，马达轴上所能输出的扭矩，该扭矩通常大于在同一工作压差时处于运行状态下的扭矩，所以，为了使起动扭矩尽可能接近工作状态下的扭矩，要求马达扭矩的脉动小，内部摩擦小。
由于液压马达与液压泵具有上述不同的特点，使得很多类型的液压马达和液压泵不能互逆使用。
4.2.1液压马达的分类及特点
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。
液压马达的图形符号：
在第7个文件夹中，第二单元第65张
4.2.2液压马达工作原理
1.叶片马达
图4-2所示为叶片液压马达的工作原理图。
图4-2叶片马达的工作原理图
1～7—叶片
当压力为p的油液从进油口进入叶片1和3之间时，叶片2因两面均受液压油的作用所以不产生转矩。
叶片1、3上，一面作用有压力油，另一面为低压油。
由于叶片3伸出的面积大于叶片1伸出的面积，因此作用于叶片3上的总液压力大于作用于叶片1上的总液压力，于是压力差使转子产生顺时针的转矩。
同样道理，压力油进入叶片5和7之间时，叶片7伸出的面积大于叶片5伸出的面积，也产生顺时针转矩。
这样，就把油液的压力能转变成了机械能，这就是叶片马达的工作原理。
当输油方向改变时，液压马达就反转。
当定子的长短径差值越大，转子的直径越大，以及输入的压力越高时，叶片马达输出的转矩也越大。
在图4-2中，叶片2、4、6、8两侧的压力相等，无转矩产生。
叶片3、7产生的转矩为T1，方向为顺时针方向。
假设马达出口压力为零，则：
（4-12）
式中：
B为叶片宽度；R1为定子长半径；r为转子半径；p为马达的进口压力。
叶片1、5产生的转矩为T2，方向为逆时针方向，则：
（4-13）
由式（4-12）、式（4-13）看出，对结构尺寸已确定的叶片马达，其输出转矩T决定于输入油的压力
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