第四章液压执行元件

1、第四章 执行元件4.1 4.1 概概 述述4.2 4.2 液压缸的典型结构及组成液压缸的典型结构及组成4.3 4.3 液压缸的设计计算液压缸的设计计算4.4 4.4 液压马达液压马达4.5 4.5 气缸和气马达气缸和气马达执行元件是将液、气压能转变为机械能的装置。4.1 4.1 概述概述l在液气压传动系统中，实现 往复直线运动，输出推力（或拉力）和直线运动速度 的执行元件 液压缸、气缸；l实现 旋转运动，输出转矩和转速 的执行元件 液压马达、气马达；l实现 往复摆动，输出角速度 的执行元件 摆动液压缸、摆动气缸。执行元件执行元件概述概述1. 按结构形式分： 活塞缸 又分单杆活塞缸、双杆活塞缸

2、柱塞缸2. 按作用方式分： 单作用液压缸 双作用液压缸一、液压缸的分类一、液压缸的分类执行元件执行元件概述概述二、二、 特点特点a. 结构简单，工作可靠；b. 易于获得直线往复运动；c. 可实现频繁换向，且运动平稳，没有间隙；d. 可免除减速装置；执行元件执行元件概述概述三、单杆活塞缸三、单杆活塞缸 单杆活塞缸只有一端带活塞杆，它有 缸筒固定和活塞杆 固定两种安装方式，两种方式的运动部件移动范围均为活塞有效行程的两倍。1.简单连接单杆活塞缸的特点执行元件执行元件概述概述简单连接单杆活塞缸速度推力特性 向右运动速度 v1 qv /A1 4 qv /D 2 向右运动推力 F1 （A1p1 A2p2

3、）m 向左运动速度 v2 qv /A2 4 qv /（D 2 d 2） 向左运动推力 F2 （A2 p1 A1p2）m 往返速比 v v2 / v1D2 /（D 2 d 2） 式中: v为缸的容积效率，m为缸的机械效率执行元件执行元件概述概述 液压刨床液压刨床执行元件执行元件概述概述3.差动连接单杆活塞缸的特点 单活塞杆缸两腔同时通压力油，称为差动连接。 差动连接的目的。执行元件执行元件概述概述？ 运动速度 v v3 3 q q / /（A A1 1A A2 2）4 q4 q / /d d 2 2 活塞推力 F F3 3 p p1 1（A A1 1A A2 2）m m4.差动连接单杆活塞缸速度

4、推力特性执行元件执行元件概述概述2224()VqvDd324Vqvd5.不同连接方式单杆活塞缸的比较及应用执行元件执行元件概述概述四、双杆活塞缸四、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和缸筒固定式。执行元件执行元件概述概述 当缸筒固定时，运动部件移动范围是活塞有效行程的三倍； 当活塞杆固定时，运动部件移动范围是活塞有效行程的两倍 。 1.双杆活塞缸的特点执行元件执行元件概述概述执行元件执行元件概述概述 运动速度 v q / A 4 qv /（D 2 d 2） 活塞推力 F A（p1 p2）m（D 2d 2）（p1 p2）m /42. 双杆活塞缸的速度推

5、力特性“等推力等速度”特性执行元件执行元件概述概述五、柱塞缸五、柱塞缸1.柱塞缸的特点n 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。n 为减轻重量，减少弯曲变形，柱塞常做成空心。n柱塞缸只能作单作用缸，要求往复运动时，需成对使用。n特别适用在行程较长的场合。执行元件执行元件概述概述2.柱塞缸的速度推力特性 柱塞运动速度 v qv /A 4 qv /d 2 柱塞推力 F pAmp（d 2 / 4 ）m执行元件执行元件概述概述六、伸缩液压缸六、伸缩液压缸 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。 各级活塞依次伸出可获得很长的行程，当

6、依次缩回时缸的轴向尺寸很小。特别适用于工程机械、自卸式货车及火箭发射台等。执行元件执行元件概述概述1. 单作用伸缩液压缸执行元件执行元件概述概述2. 双作用伸缩液压缸执行元件执行元件概述概述七、齿条活塞缸七、齿条活塞缸 齿条活塞缸是活塞缸与齿轮齿条机构组成的复合式缸。它将活塞的直线往复运动转变为齿轮的旋转运动，用于机床的进刀机构、回转工作台转位、液压机械手等。执行元件执行元件概述概述 增压缸是活塞缸与柱塞缸组成的复合缸，但它不是能量转换装置，只是一个增压器件。八、增压缸八、增压缸u 增压比：大活塞与小柱塞的面积比 K KD D 2 2/ /d d 2 2 u 小柱塞缸输出的压力： p pb b

7、 KpKpa am m执行元件执行元件概述概述一、液压缸的典型结构4.2 4.2 液压缸液压缸执行元件执行元件液压缸液压缸二、液压缸的组成根据液压缸各部分的结构和功用，可将液压缸划分为以下几个部分：根据液压缸各部分的结构和功用，可将液压缸划分为以下几个部分：缸体组件（缸筒和缸盖） 活塞组件（活塞和活塞杆）密封装置排气装置缓冲装置执行元件执行元件液压缸液压缸1.1.缸体组件（缸筒和缸盖）缸体组件（缸筒和缸盖） 缸筒和缸盖的结构形式与其使用的材料有关：工作压力 p（MPa）材 料连 接 方 式20铸钢螺纹连接锻钢半环式连接执行元件执行元件液压缸液压缸法兰式连接法兰式连接 半环连接式半环连接式 螺纹

8、连接式螺纹连接式 拉杆式连接拉杆式连接 焊接连接式焊接连接式执行元件执行元件液压缸液压缸2. 2. 活塞组件（活塞和活塞杆）活塞组件（活塞和活塞杆）活塞一般用耐磨铸铁制造，也可用钢或铝合金制造；活塞杆则大多采用钢制造。 活塞应有一定的导向长度，一般取活塞长度为缸筒内径的（0.61.0）倍。 半环式连接，包括单半环及双半环形式。其最常用的连接方式有： 螺纹式连接。 在高压大负载下，螺纹式连接必须设置有锁紧装置。执行元件执行元件液压缸液压缸执行元件执行元件液压缸液压缸3. 3. 密封装置密封装置液压缸的密封主要是指活塞、活塞杆处的 动密封 和缸盖等处的 静密封 。用于防止液压缸内部（活塞与缸筒内孔

9、的配合面）和外部的泄漏。 采用的密封方式有：间隙密封：依靠运动件间的微小间隙来防止泄漏，仅用在尺寸较小、压力较低、相对运动速度较高的缸筒和活塞之间；执行元件执行元件液压缸液压缸活塞环密封：依靠在活塞上的活塞环在O形圈弹力作用下贴紧缸壁而防止泄漏。适用于高速、高压且不要求保压的液压缸密封；l-缸筒;2-螺母;3-活塞;4-活塞杆;5-活塞环执行元件执行元件液压缸液压缸密封件密封：利用橡胶和塑料的弹性使各种截面的环形圈（有O型，Y型、V型圈等 ）紧贴在静、动配合面之间来防止泄漏。其应用最广泛。O型圈V型圈Y型圈执行元件执行元件液压缸液压缸4.4.缓冲装置缓冲装置当液压缸速度较高且驱动质量较大的部件

10、时，其惯性很大。活塞运动到液压缸终端停止时，会产生很大的冲击和噪声，严重的可能使活塞和端盖发生撞击，使液压元件受损。为消除和减少冲击，防止碰撞，必须采取适当的制动和缓冲装置。缓冲装置的工作原理 为：当活塞行程接近端盖时，利用对油液的节流作用，增大液压缸的回油阻力，使回油腔中产生足够大的缓冲压力，使活塞减速，从而防止活塞撞击缸盖。执行元件执行元件液压缸液压缸(a)圆柱环形缝隙式圆柱环形缝隙式(b)圆锥环形缝隙式圆锥环形缝隙式(c)可变节流槽式可变节流槽式(d)(d)可调节流孔式可调节流孔式常用缓冲装置类型：执行元件执行元件液压缸液压缸5.5.排气装置排气装置通常有两种：一种是在液压缸的最高部位处

11、开排气孔，并用管道连接排通常有两种：一种是在液压缸的最高部位处开排气孔，并用管道连接排气阀进行排气；另一种是在液压缸的最高部位安放排气塞。气阀进行排气；另一种是在液压缸的最高部位安放排气塞。执行元件执行元件液压缸液压缸 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，确定了工作压力的基础上进行的。4.3 4.3 液压缸的设计计算液压缸的设计计算设计过程中，首先根据使用要求选择液压缸的结构类型，然后按负载情况、运动要求、最大行程等确定其主要工作尺寸，进行强度、稳定性和缓冲验算，最后再进行结构设计。执行元件执行元件液压缸的设计计算液压缸的设计计算液压缸主要尺寸的确定液 压 缸

12、 校 核p 缸体壁厚校核p 活塞杆直径d校核p 液压缸盖固定螺栓直径d s校核p 液压缸内径（D） p 液压缸缸体长度（L） p 活塞杆直径（d） p 液压缸最小导向长度（H） 液压缸的设计计算的主要内容包括两方面：执行元件执行元件液压缸的设计计算液压缸的设计计算一、 液压缸主要尺寸的确定p 缸筒内径（缸筒内径（D D）1 根据最大总负载和选取的工作压力来确定 以单杆缸为例（不考虑损失）： 无杆腔进油时 D =4F1/(p1-p2)-p2d2/p1-p2 有杆腔进油时 D =4F2/(p1-p2)+p1d2/p1-p2 若初步选取回油压力p2=0，则上面两式简化为： 无杆腔进油时 D =4F1

13、/p1 有杆腔进油时 D =4F2/p1+d2执行元件执行元件液压缸的设计计算液压缸的设计计算p 缸筒内径（缸筒内径（D D） 根据执行机构的速度要求和选定的液压泵流量来确定 无杆腔进油时： D=4q/v1 有杆腔进油时： D=4q/v2+ d2 计算所得液压缸的内径（即活塞直径）应圆整为标准系列值。执行元件执行元件液压缸的设计计算液压缸的设计计算p 活塞杆直径（活塞杆直径（d d）原则：活塞杆直径可根据工作压力或设备类型选取。当液压缸的往复速度比有一定要求时，d = D（v-1）/v计算所得活塞杆直径d亦应圆整为标准系列值。p 最小导向长度（最小导向长度（H H）当活塞杆全部外伸时，从活塞支

14、承面中点到导向套滑动面中点的距离。220DLH执行元件执行元件液压缸的设计计算液压缸的设计计算p 缸筒长度（）缸筒长度（）原则：由液压缸最大工作行程长度、活塞宽度、活塞杆导向套长度、活塞杆密封长度和特殊要求的其它长度确定。其中：活塞宽度 =（0.6 1.0）D；最小导向长度H：HL/20 + D/2； D80mm时，A=(0.6-10)D； 导向套滑动面长度A D80mm时，A=(0.6-1)d；为减小加工难度，一般液压缸缸体长度不应大于内径的2030倍。执行元件执行元件液压缸的设计计算液压缸的设计计算二、二、 液压缸校核液压缸校核校核方法： 1、 薄壁缸体（无缝钢管） 当 D/ 10 时：

15、pyD/2p 缸体壁厚缸体壁厚校核校核 中低压系统，无需校核 原则 高压大直径时，必须校核缸筒材料的许用应力= b/ n n为安全系数，一般n=5执行元件执行元件液压缸的设计计算液压缸的设计计算 p y 缸筒试验压力， 缸的额定压力pn16MPa， p y=1.5pn ; 缸的额定压力pn16MPa， p y=1.25pn ; 2、 厚壁缸体（铸造缸体） 当 D/ 10 时：D/2（+ 0.4 py/ -1.3py-1 ） 执行元件执行元件液压缸的设计计算液压缸的设计计算p 活塞杆直径活塞杆直径d d校核校核4 FdF 活塞杆上的作用力； 活塞杆材料的许用应力， = b/ 1.4 ；注意：对于

16、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15时，应按材料力学有关公式对活塞进行压杆稳定性验算。执行元件执行元件液压缸的设计计算液压缸的设计计算p 液压缸盖固定螺栓直径液压缸盖固定螺栓直径d ds s校核校核5.2skFdz 液压缸盖固定螺栓在工作过程中同时承受拉应力和扭应力，其螺栓直径可按下式校核：F 液压缸总负载；z 固定螺栓个数 ； 螺栓材料的许用应力， = s/ （1.21.5） ；k 螺纹拧紧系数，k=1.121.5 ；执行元件执行元件液压缸的设计计算液压缸的设计计算p 缓冲计算缓冲计算液压缸的缓冲计算主要是估计缓冲时液压缸内出现的最大冲击压力，以便用来校核缸筒强度、制动

17、距离是否负荷要求。 液压缸在缓冲时，缓冲腔内产生的液压能（E1）和工作部件产生的机械能（E2）分别为：1cccEp A l22012ppcfcEpA lm vF ll c 缓冲长度；pp 高压腔中油液压力；pc 缓冲腔中的平均缓冲压力；Ac 、Ap 缓冲腔、高压腔中的有效工作面积；Ff 摩擦力；V0 工作部件运动速度； m 工作部件总质量； 缓冲计算中，如发现工作腔中的液压能和工作部件的动能不能全部被缓冲腔缩吸收时，制动时就可能产生活塞和缸盖相碰现象。执行元件执行元件液压缸的设计计算液压缸的设计计算3. 液压缸设计中应注意的问题液压缸设计中应注意的问题 尽量使活塞杆，在受拉状态下承受最大负载，

18、或在受压状态下，具有良好的纵向稳定性。 考虑液压缸的行程终了处的缓冲问题和液压缸的排气问题。 正确确定液压缸的安装、固定方式。 液压缸各部分的结构需根据推荐的结构形式和设计标准进行设计，尽可能做到结构简单、紧凑、加工和装配、维修方便。执行元件执行元件液压缸的设计计算液压缸的设计计算4.4 4.4 液压马达液压马达一、一、 液压马达的类型、特点和工作原理液压马达的类型、特点和工作原理 1 1、马达与泵、马达与泵结构上 相似 和液压泵的区别原理上 互逆执行元件执行元件液压马达液压马达 ns500r/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

19、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）执行元件执行元件液压马达液压马达2 2、马达的分类、马达的分类特特 点点功功 用用轴向柱塞马达额定转速较高，容积效率较高，调速范围较大，低速稳定额定转速较高，容积效率较高，调速范围较大，低速稳定性好，便于启动和制动；调速及换向灵敏度高；但转矩不性好，便于启动和制动；调速及换向灵敏度高；但转矩不大，耐冲击性能稍差；价格高。大，耐冲击性能稍差；价格高。适用于压力较适用于压力较大的高压系统大的高压系统径向柱塞马达排量大，体积大，转速低，故可直接与工作机相连，不需排量大，体积大，转速低，故可直接与工作机相连，不需减速装置，使传动机构大卫简

20、化，且输减速装置，使传动机构大卫简化，且输出扭矩较大，工作可靠，耐冲击性好，寿命长，出扭矩较大，工作可靠，耐冲击性好，寿命长，价格低，但结构复杂，尺寸及重量较大。价格低，但结构复杂，尺寸及重量较大。适用于低速适用于低速大扭矩系统大扭矩系统叶片式马达转动惯量小，动作灵敏，但容积效率不高，转动惯量小，动作灵敏，但容积效率不高，机械特性软。机械特性软。适用于中速，转矩不适用于中速，转矩不大，需频繁换向和启大，需频繁换向和启动的场合。动的场合。齿轮马达结构简单，价格便宜，但转矩小，泄漏大。结构简单，价格便宜，但转矩小，泄漏大。适用于高速小转矩和适用于高速小转矩和运动平稳性要求高的运动平稳性要求高的场合

21、。场合。执行元件执行元件液压马达液压马达3. 3. 马达的工作原理马达的工作原理以轴向柱塞马达为例说明马达的结构特点和工作原理。p 轴向柱塞马达的结构特点轴向柱塞马达的结构特点（1）轴向柱塞泵和轴向柱塞马达是互逆的。（2）配流盘为对称结构。执行元件执行元件液压马达液压马达轴向分力： Fx =pd2/4 ；径向分力： Fy = F tan=d2p /4 tan；压力油通入马达后，柱塞受油压作用压紧斜盘，斜盘对柱塞产生一反作用力，此力可分解为两个分力:F Fx x与液压力平衡，与液压力平衡，F Fy y对缸体中心产生转矩，使缸体带动马达旋转。对缸体中心产生转矩，使缸体带动马达旋转。p 轴向柱塞马达

22、的工作原理轴向柱塞马达的工作原理执行元件执行元件液压马达液压马达 柱塞的方位角是变量，T按正弦规律变化 液压马达的输出的瞬时转矩是脉动的，它的脉动情况和泵流量脉动时的情况相似。 一个柱塞产生的瞬时转矩为：柱塞马达的 总 转 矩 ：211tansin4mmyiiiidTF rpR2sintansin4yiyiidTF rF RpR 执行元件执行元件液压马达液压马达p 若倾角大小改变，排量改变；p 若马达的进、回油口互换，则其转向改变；p 若倾角方向改变，其转向改变，则成为双向变量马达。执行元件执行元件液压马达液压马达 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

23、转矩越大，转速越低。3. 3. 应用应用作变量马达.注意注意执行元件执行元件液压马达液压马达二、低速大扭矩马达的结构特点和工作原理二、低速大扭矩马达的结构特点和工作原理 现以横梁传力式多作用内曲线径向柱塞马达为例，说明低速液压马达的结构组成及基本工作原理。执行元件执行元件液压马达液压马达壳体内环由x 个导轨曲面组成，每个曲面分为上升区段、过渡区段和下降区段三个区段；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：上升区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 个窗口对应于上升区段，通

24、高压油，x 个窗口对应于下降区段，通回油。需注意的是每组配流窗口的数目=定子曲面的段数，且柱塞总数总是大于曲面段数；1.1.结构特点结构特点执行元件执行元件液压马达液压马达2.2.排量公式排量公式 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。式中式中 HH柱塞行程；柱塞行程； dd柱塞直径；柱塞直径； mm内曲线段数；内曲线段数； zz柱塞数。柱塞数。zmHdv)4/(23.3.应用应用执行元件执行元件液压马达液压马达三、液压马达的特性参数三、液压马达的特性参数 2. 2.流量与容积效率流量与容积效率 输入马达的实际流量 qMqMtq 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Mv qMt / qM 1 q / qM 1.1.工作压力与额定压力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p。 额定压力 ps 能使马达连续正常运转的最高压力。执行元件执行元件液压马达液压马达 3.3.排量与转速排量与转速 排量V：不考虑泄漏时（