机械设备第四章

1、第四章 液压缸与液压马达 在液压传动系统中，将液压泵提供的液压能转变为机械能的能量转换装置称为液压执行元件，它包括液压缸和液压马达。液压马达习惯上是指输出旋转运动的液压执行元件，而把输出直线运动(其中包括输出摆动运动)的液压执行元件称为液压缸。目录4.1 液压缸4.1.1 液压缸的类型和特点(b) 4.12 几种常用的液压缸(c) 4.1.3 其他液压缸(d) 4.1.4 液压缸的典型结构和组成(e) 4.1.5 液压缸的安装、调整、常见故障和排除方法4.2 液压马达(a) 4.2.1 液压马达的特点和分类(b) 4.2.2 液压马达的工作原理(c) 4.2.3 液压马达的基本参数和性能指标4

2、.1 液压缸液压缸是将液压泵输出的压力能转换为机械能的能量转换装置，它主要是可使运动部件实现往复运动或摆动。4.1.1 液压缸的类型和特点4.12 几种常用的液压缸1活塞式液压 活塞式液压缸根据其使用要求不同分为双杆式和单杆式两种。其固定方式有缸体固定和活塞杆固定两种。（1）双杆式活塞缸双杆式活塞缸的活塞两端都有一根直径相等的活塞杆伸出，它根据安装方式不同又可以分为缸体固定式和活塞杆固定式两种。 图 4-1 双杆活塞式液压缸(a) 缸体固定,活塞杆运动 (b) 活塞杆固定，缸体运动 如图4-1（a）所示的为缸筒固定式的双杆活塞缸。它的进、出油口布置在缸筒两端，活塞通过活塞杆带动工作台移动，当缸

3、的左腔进压力油，右腔回油时，活塞带动工作台向右移动；反之，右腔进压力油，左腔回油时，活塞带动工作台向左移动。 图4-1（b）所示的活塞杆固定的双杆活塞缸。其缸体与工作台相连，活塞杆通过支架固定在机床上，动力由缸体传递。在这种安装形式中，当缸的左腔进压力油，右腔回油时，缸体带动工作台向左移动；反之，缸体带动工作台向右移动。 图 4-2 单杆活塞式液压缸(a) 无杆腔进油; (b) 有杆腔进油 （2）单杆式活塞缸 如图4-2（a）所示，无杆腔进压力油，有杆腔回油，当输入液压缸的油液流量为v，液压缸进出油口压力分别为1和2时，其活塞上所产生的推力1和速度1为 如图3-5（b）所示，当有杆腔进压力油，

4、无杆腔回油时，即油液从如图3-5b所示的右腔(有杆腔)输入时，其活塞上所产生的推力2和速度2为图4-3差动连接液压缸 如果向单杆活塞缸的左右两腔同时通压力油，如图4-3所示，即所谓的差动连接，作差动连接的单出杆液压缸称为差动液压缸。开始工作时差动缸左右两腔的油液压力相同，但是由于左腔(无杆腔)的工作面积比右腔(有杆腔)的工作面积大，活塞向右的推力大于向左的推力，故其活塞向右运动，同时使右腔中排出的油液(流量为qv)也进入左腔，加大了流入左腔的流量(qv+qv)，从而也加快了活塞移动的速度。实际上活塞在运动时，由于差动缸两腔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

5、一般都较小可以忽略不计，则差动缸活塞推力F3 和运动速度 v3为： 比较上式(4-4)、式(4-9)可知，31；比较上式(4-3)、式(4-8)可知，F3 F1。这说明在输入流量和工作压力相同的情况下，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，也就是单杆活塞缸差动连接时能使其速度提高，同时其推力下降。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滑台和其它机械设备的快速运动中。如果要求快速运动和快速退回速度相等，即需v2=v3，则推导出条件为:2. 柱塞缸 柱塞缸是一种单作用液压缸，在液压力的作用下只能实现单方向的

6、运动，它的回程需要借助其他外力来实现。其工作原理如图4-4（a）所示，柱塞与工作部件连接，缸筒固定在机体上。当压力油进入缸筒时，推动柱塞带动运动部件向右运动，但反向退回时必须靠其它外力或自重驱动。若需要实现双向运动，则柱塞缸通常必须成对反向布置使用，如图4-4(b)所示。图 4-4 柱塞式液压缸 柱塞式液压缸的主要特点是柱塞与缸筒无配合要求，缸筒内孔不需精加工，甚至可以不加工。运动时由缸盖上的导向套来导向，所以它特别适用于行程较长的场合。 当柱塞的直径为，输入液压油的流量为，压力为时，其柱塞上所产生的推力和速度为3摆动缸图4-5（a）所示为单叶片式摆动缸，它的摆动角度较大，可达300。图 4-

7、5 摆动缸(a）单叶片式 (b）双叶片式 (c）图形符号 摆动式液压缸也称摆动液压马达。用于将液压油的压力能转变为其输出轴往复摆动的机械能。 当摆动缸进出油口压力为1和2，输人流量为v时，它的输出转矩和角速度各为4.1.3 其他液压缸1. 增压液压缸 增压液压缸又称增压器。图4-6所示是一种由活塞缸和柱塞缸组成的增压缸，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4-6(a)所示 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，

8、如图4-6（b）所示，由两个高压端连续向系统供油。图4-6 增压缸（a）单作用增压缸 （b）双作用增压缸2伸缩缸 伸缩缸又称多级缸，它一般由两个或多个活塞缸套装而成，前一级活塞缸的活塞杆内孔是后一级活塞缸的缸筒，伸出时可获得很长的工作行程，缩回时可保持很小的结构尺寸，伸缩缸被广泛用于起重运输车辆上。图4-7 伸缩缸（a）单作用式 （b）双作用式 伸缩缸可以分为如图4-7（a）所示的单作用式，以及如图4-7(b）所示的双作用式，前者靠外力回程，后者靠液压回程。 伸缩缸的外伸动作是逐级进行的。首先是最大直径的缸筒以最低的油液压力开始外伸，当到达行程终点后，稍小直径的缸筒开始外伸，直径最小的末级最后

9、伸出。随着工作级数变大，外伸缸筒直径越来越小，工作油液压力随之升高，工作速度变快。即在通入有压流体时各级活塞按有效面积大小依次先后动作，并在其输入流量不变的情况下，输出推力逐级减小，速度逐级加大，其值为：3齿轮齿条缸 齿轮齿条活塞缸又称无杆式液压缸，它由带有齿条杆的双活塞缸和齿轮齿条机构所组成，如图4-8所示。活塞的往复移动经齿轮齿条机构转换成齿轮轴的周期性往复转动。用于实现工作部件的往复摆动或间歇进给运动。它多用于自动生产线、组合机床等的转位或分度机构中。 图 4-8 齿轮齿条活塞缸4.1.4 液压缸的典型结构和组成1液压缸的典型结构举例 图4-9所示为一个较常用的双作用单活塞杆液压缸。它是

10、由缸底20、缸筒10、缸盖兼导向套9、活塞11和活塞杆18组成。缸筒一端与缸底焊接，另一端缸盖(导向套)与缸筒用卡键6、套5和弹簧挡圈4固定，以便拆装检修，两端设有油口A和B。活塞11与活塞杆18利用卡键15、卡键帽16和弹簧挡圈17连在一起。活塞与缸孔的密封采用的是一对Y形聚氨酯密封圈12，由于活塞与缸孔有一定间隙，采用由尼龙1010制成的耐磨环(又叫支承环)13定心导向。杆18和活塞11的内孔由密封圈14密封。较长的导向套9则可保证活塞杆不偏离中心，导向套外径由O形圈7密封，而其内孔则由Y形密封圈8和防尘圈3分别防止油外漏和灰尘带入缸内。缸与杆端销孔与外界连接，销孔内有尼龙衬套抗磨。图4-

11、9双作用单活塞杆液压缸1耳环2螺母3防尘圈4、17弹簧挡圈5套6、15卡键7、14O形密封圈8、12Y形密封圈9缸盖兼导向套10缸筒11活塞13耐磨环16卡键帽18活塞杆19衬套20缸底 图4-10 所示为单杆活塞缸的典型结构。 当压力油从a孔或b孔进入缸筒3时，可使活塞实 现往复运动，并利用设在缸两端的缓冲及排气装置，减少冲击和振动。为了防止泄漏，在缸筒与活塞、活塞杆与导向套以及缸筒与缸盖等处均安装了密封圈，并利用拉杆将缸筒、缸盖等连接在一起。 图 4-10 单杆活塞缸的典型结构 1前缸盖 2活塞 3缸筒 4后缸盖 5缸头 6导向套7拉杆 8活塞杆2液压缸的组成液压缸的结构基本上可以分为:

12、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。1）缸筒和缸盖 缸筒是液压缸的主体，它与端盖、活塞等零件构成密闭的容腔，承受油压，因此要有足够的强度和刚度，以便抵抗油液压力和其它外力的作用。缸筒内孔一般采用镗削、铰孔、滚压或珩磨等精密加工工艺制造，要求表面粗糙度Ra值为0.10.4m，以使活塞及其密封件、支承件能顺利滑动和保证密封效果，减少磨损。为了防止腐蚀，缸筒内表面有时需镀铬。 端盖装在缸筒两端，与缸筒形成密闭容腔，同样承受很大的液压力，因此它们及其连接部件都应有足够的强度。设计时既要考虑强度，又要选择工艺性较好的结构形式。 一般而言，缸筒和缸盖的结构形式和其使用的材料有关

13、。工作压力p10MPa时，使用铸铁；p20MPa时，使用无缝钢管；p20MPa时，使用铸钢或锻钢。图4-11所示为缸筒和缸盖的常见结构形式。图4-11 缸筒和缸盖结构(a)法兰连接式 (b)半环连接式 (c)螺纹连接式 (d)拉杆连接式 (e)焊接连接式1缸盖 2缸筒 3压板 4半环 5防松螺帽 6拉杆2）活塞与活塞杆 活塞受油压的作用在缸筒内作往复运动，因此，活塞必须具备一定的强度和良好的耐磨性。活塞一般用铸铁制造。活塞的结构通常分为整体式和组合式两类。 活塞杆是连接活塞和工作部件的传力零件，它必须具有足够的强度和刚度。活塞杆无论是实心的还是空心的，通常都用钢料制造。活塞杆在导向套内往复运动

14、，其外圆表面应当耐磨并有防锈能力，故活塞杆外圆表面有时需镀铬。 行程比较短的液压缸往往把活塞杆与活塞做成一体，这是最简单的形式。但当行程较长时，这种整体式活塞组件的加工较费事，所以常把活塞与活塞杆分开制造，然后再连接成一体。（a）螺母连接 （b）卡环式连接1-活塞 2-螺母 3活塞杆 1-弹簧卡 2-轴套 3-半环 4-活塞 5-活塞杆 （c）卡环式连接 （d）径向销式连接1-活塞杆 2-密封圈座 3-活塞 4-半环 1-锥销 2-活塞 3-活塞杆图4-12常见的活塞组件结构形式（3）密封装置。 液压缸的密封装置用以防止油液的泄漏，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。

15、常采用O形密封圈和Y形密封圈。 液压缸中常见的密封装置如图4-13所示。 对于活塞杆外伸部分来说，由于它很容易把脏物带入液压缸，使油液受污染，使密封件磨损，因此常需在活塞杆密封处增添防尘圈，并放在向着活塞杆外伸的一端。 图4-13密封装置间隙密封(b)摩擦环密封(c)O形圈密封(d)V形圈密封（4）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

16、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。图 4-14 液压缸的缓冲装置(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 如图4-14(a)所示为圆柱形环隙式缓冲装置。如图4-14(b)所示为圆锥形环隙式缓冲装置。如图4-14(c)所示为可变节流槽式缓冲装置。如图4-14(d)所示为可调节流孔式缓冲装置。（5）排气装置。 在液压系统安装时或停止工作后又重新启动时，液压缸里和管道系统中会渗入空气，为了防止执行元件出现爬行，噪声和发热等不正常现象，必须把液压系统中的空气排出去。对于要求不高的液压缸往往不设专门的排气装置，而

17、是将油口布置在缸筒两端的最高处，通过回油使缸内的空气排往油箱，再从油面逸出，对于速度稳定性要求较高的液压缸或大型液压缸，常在液压缸两侧的最高位置处(该处往往是空气聚积的地方)设置专门的排气装置。常用的排气装置有两种形式，如图4-15 所示。 图4-15排气装置1缸盖 2放气小孔 3缸体 4活塞杆4.1.5 液压缸的安装、调整、常见故障和排除方法1液压缸的装配与安装液压缸装配和安装合理与否，对系统工作性能有很大影响。在装配和安装时，应注意以下几点：装配前应清洗零件和去除其毛刺；活塞与活塞杆组装好后，应检测两者的同轴度(一般应小于0.04mm)和活塞杆的直线度(一般应小于0.1/1000)；缸盖装

18、上后，应调整活塞与缸体内孔、缸盖导孔的同轴度，均匀紧固螺钉，以使活塞在全行程内移动轻重一致；液压缸装配符合要求，在机床上安装好后，必须检测液压缸轴线对机床导轨面的平行度。同时还应保证轴线与负载作用轴线的同轴度，以免因存在侧向力而导致密封件、活塞和缸体内孔过早磨损损坏；对于较长液压缸，应考虑热变形和受力变形对液压缸工作性能的影响；液压缸的密封圈不应调得过紧(特别是V形密封圈)。若过紧，活塞运动阻力会增大，同时因密封圈工作面无油润滑也会导致其严重磨损(伸出的活塞杆上能见到油膜，但无泄漏，即认为密封圈松紧合适)。2液压缸的调整液压缸安装完毕应进行整个液压装置的试运行。在检查液压缸各个部位无泄漏及其它

19、异常之后，应排除液压缸内的空气。有排气塞(阀)的液压缸，先将排气塞(阀)打开，对压力高的液压系统应适当降低压力(一般为0.5l.0MPa)，让液压缸空载全程快速往复运动，使缸内(包括管道内)空气排尽后，再将排气塞(阀)关闭。对于有可调式缓冲装置的液压缸，还需调整起缓冲作用的节流阀，以便获得满意的缓冲效果。调整时，先将节流阀通流面积调至较小，然后慢慢地调大，调整合适后再锁紧。在试运行中，应检查进、回油口配管部位和密封部位有无漏油，以及各连接处是否牢固可靠，以防事故发生。3液压缸的常见故障及排除方法 液压缸的故障有很多种，液压缸在试运行时除泄漏现象能发现外，其余故障多在液压系统工作时才能暴露出来。

20、现将液压缸的常见故障和排除方法列于表4-5。表4-5 液压缸的常见故障及排除方法故障现象产 生 原 因排 除 方 法爬行空气混入活塞杆的密封圈(见图3.2)压得太紧活塞杆与活塞同轴度过低活塞杆弯曲变形安装精度破坏缸体内孔圆柱度超差活塞杆两端螺母(见图3.2)太紧，导致活塞与缸体内孔同轴度降低采用间隙密封的活塞，其压力平衡槽局部被磨损掉，不能保证活塞与缸体孔同轴导轨润滑不良0.1/1000检查和调整液压缸轴线对导轨面的平行度及与负载作用线的同轴性镗磨缸体内孔，然后配制活塞(或增装0形密封圈)活塞杆两端的螺母不宜太紧，一般应保证在液压缸未工作时活塞杆处于自然状态更换活塞适当增加导轨的润滑油量(或采

21、用具有防爬性能的L-HG液压油)推力不足或速度逐渐下降甚至停止缸体内孔和活塞的配合隙太小，或活塞上装O形密封圈的槽与活塞不同轴缸体内孔和活塞配合间隙太大或O形密封圈磨损严重工作时经常用某一段，造成缸体内孔圆柱度误差增大活塞杆弯曲，造成偏心环状间隙活塞杆的密封圈(见图3.2)压得太紧油温太高，油液粘度降低太大导轨润滑不良单配活塞保证间隙，或修正活塞密封圈槽使之与活塞外圆同轴单配活塞保证间隙，或更换0形密封圈镗磨缸体内孔，单配活塞校直(或更换)活塞杆调整密封圈压紧力，以不漏油为限(允许徽量渗油)分析油温太高的原因，消除温升太高的根源调整润滑油量4.2 液压马达 液压马达（简称马达）是将液压能转换为

22、机械能的能量转换装置，以旋转运动向外输出机械能，得到输出轴上的转矩和转速。其图形符号见图4-16所示。（a）液压马达一般符号 （b）单向定量马达 （c）双向定量马达 （d）单向变量马达 （e）为双向变量马达图4-16 液压马达图形符号4.2.1 液压马达的特点和分类 液压马达是把液体的压力能转换为机械能的装置。 液压马达按其结构类型来分可以分为齿轮式、叶片式、柱塞式和其它型式。 按液压马达的额定转速分为高速和低速两大类。额定转速高于500rmin的属于高速液压马达，额定转速低于500rmin的属于低速液压马达。4.2.2 液压马达的工作原理1叶片式液压马达 图4-17 叶片马达的工作原理图 叶

23、片1、5产生的转矩为T2，方向为逆时针方向，则：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。由叶片泵的理论流量的公式： 在图4-17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：2径向柱塞式液压马达图4-18 径向柱塞马达工作原理1-柱塞 2-马达 3-缸体 4-配油轴 图4-18所示为径向柱塞式液压马达工作原理图，当压力油经固定的配油轴4的窗口进入缸体3内柱塞1的底部时，柱塞向外伸出，紧紧顶住定子2的内壁，由于定子与缸体存在一偏心距。在柱塞与定子接触处，定子对柱塞的反作用力为。 力可分解为和两个分力。

24、当作用在柱塞底部的油液压力为，柱塞直径为，力和之间的夹角为时，它们分别为：力 对缸体产生一转矩，使缸体旋转。缸体再通过端面连接的传动轴向外输出转矩和转速。 上面分析的是一个柱塞产生转矩的情况，由于在压油区作用有好几个柱塞，在这些柱塞上所产生的转矩都使缸体旋转，并输出转矩。径向柱塞液压马达多用于低速大转矩的情况下。3轴向柱塞马达 图4-19斜盘式轴向柱塞马达的工作原理图 轴向柱塞马达的结构形式基本上与轴向柱塞泵一样，故其种类与轴向柱塞泵相同，也分为直轴式轴向柱塞马达和斜轴式轴向柱塞马达两类。轴向柱塞马达的工作原理如图4-19所示。4摆动马达 图4-20(a)所示为单叶片摆动马达。当从油口通入高压

25、油，叶片2作逆时针摆动，低压力从油口排出。由于叶片与输出轴连在一起，输出轴摆动同时输出转矩、克服负载。所以单叶片摆动马达的工作压力小于10MPa，摆动角度小于280。由于径向力不平衡，叶片和壳体、叶片和挡块之间密封困难，其工作压力的进一步提高受到了限制，从而也限制了输出转矩的进一步提高。 图4-20(b)所示为双叶片式摆动马达。在径向尺寸和工作压力相同的条件下，分别是单叶片式摆动马达输出转矩的两倍，但其回转角度要相应减少，双叶片式摆动马达的回转角度一般小于120。 叶片摆动马达的总效率=70%95%，对单叶片摆动马达来说。 设其机械效率为1，出口背压为零，则它的输出转矩为式中：P为单叶片摆动马达的进口压力；B为叶片宽度；R1为叶片轴外半径，叶片内半径；R2为叶片外半径。图4-20摆动缸摆动液压马达的工作原理图摆动液压马达的工作原理见图4-20。4.2.3 液压马达的基本参数和性能指标1液压马达的排量、排量和转矩的关系 液压马达在工作中输出的转矩大小是