《液压执行元》PPT课件

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1、 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 主 要 性 能 参 数 ： 压 力 、 流 量 、 转 速 、 转 矩 、 功 率 、容 积 效 率 、 机 械 效 率 、 总 效 率 ；2. 液 压 马 达 的 选 用 。3. 单 活 塞 杆 液 压 缸 的 工 作 原 理 和 结 构 ；4. 液 压 缸 基 本 参 数 的

2、 确 定 。难 点 ：1. 液 压 马 达 的 容 积 效 率 ；2. 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 （ 或 摆 动 ） 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 (Motor) 液 压 马 达

3、和 液 压 泵 在 原 理 上 可 逆 ， 结 构 上 类 似 ，但 由 于 用 途 不 同 ， 它 们 在 结 构 上 有 一 定 差 别 。 常 用的 液 压 马 达 有 柱 塞 式 、 叶 片 式 和 齿 轮 式 等 。 图 4-1轴 向 柱 塞 马 达 工 作 原 理1-斜 盘 2-缸 体 3-柱 塞 4-配 油 盘 5-马 达 轴 压 力 油 回 油 一 、 液 压 马 达 的 工 作 原 理 以 斜 盘 式 轴 向 柱 塞 马 达 为 例 说 明 液 压 马 达 的 工 作 原 理 。 如 图4-1所 示 。 设 第 i个 柱 塞 和 缸 体 的 垂 直 中 心 线 夹 角 为 ,

4、柱 塞 在 缸 体 中 的 分布 圆 半 径 为 R， 则 在 该 柱 塞 上 产 生 的 转 矩 为 液 压 马 达 产 生 的 转 矩 应 是 处 于 高 压 腔 柱 塞 产 生 转 矩 的 总 和 ，即 随 着 角 的 变 化 ， 每 个 柱 塞 产 生 的 转 矩 也 发 生 变 化 ， 故 液压 马 达 产 生 的 总 转 矩 也 是 脉 动 的 ， 它 的 脉 动 情 况 和 讨 论 液 压 泵流 量 脉 动 时 的 情 况 相 似 。 sinsin tgRFRFrFT xyyi sintgRFT x 二 、 液 压 马 达 的 主 要 性 能 参 数 （ 一 ） 工 作 压 力

5、和 额 定 压 力 1 工 作 压 力 液 压 马 达 实 际 工 作 时 的 压 力 。 2 额 定 压 力 液 压 马 达 在 正 常 工 作 条 件 下 ， 按 试 验 标 准 规 定 能 连续 运 转 所 允 许的 最 高 压 力 。 （ 二 ） 排 量 和 流 量 1 理 论 （ 或 几 何 ） 排 量 液 压 马 达 转 一 周 ， 由 其 密 封 容 积 几 何 尺寸 变 化 计 算 而 得 的 、 需 输 进 液 体 的 体 积 。 2 空 载 排 量 在 规 定 的 最 低 工 作 压 力 下 ， 用 两 种 不 同 转 速 测 出 流量 ， 计 算 出 排 量 取 平 均

6、值 。 3 流 量 液 压 马 达 在 单 位 时 间 内 ， 需 输 进 液 体 的 体 积 ， 也 有 理 论和 实 际 流 量 之 分 。 理 论 流 量 q T是 指 在 没 有 泄 漏 的 情 况 下 ， 达 到 要 求转 速 所 需 输 入 液 体 的 流 量 。 其 值 由 理 论 排 量 和 转 速 计 算 而 得 。 由 于有 泄 漏 损 失 ， 实 际 输 入 的 流 量 q必 须 大 于 理 论 流 量 。 （ 三 ） 效 率 和 功 率1 容 积 效 率 Mv 马 达 的 理 论 流 量 qT与 实 际 输 入 流 量 q的 比 值 。 式 中 ： q马 达 的 泄 漏

7、 量 。2 机 械 效 率 Mm 由 于 有 摩 擦 损 失 ， 液 压 马 达 实 际 输 出 的 转 矩 T小 于 理论 转 矩 TT。 如 果 损 失 转 矩 T， 则 实 际 输 出 转 矩 M和 机 械 效 率 Mm为 qq qqq T TTMv 1TTT T TTTTMm TTT TTTT 11 1 3 马 达 的 总 效 率 M 4 马 达 的 输 入 功 率 Pi 5 马 达 的 输 出 功 率 Po 式 中 ： p马 达 进 、 出 口 的 压 力 差 ； ,n马 达 的 角 速 度 和转 速 。 （ 四 ） 输 出 的 转 矩 和 转 速 1 液 压 马 达 轴 理 论 输

8、 出 的 转 矩 T t和 实 际 输 出 的 转 矩 T为 2 马 达 轴 实 际 输 出 的 转 速 n为 式 中 ： V马 达 的 排 量 MmMvM qpPi TnTPo 2 2 VpT MmVpT 2 VqVqn vMT 三 、 液 压 马 达 的 类 型 与 液 压 泵 类 似 ， 从 结 构 上 看 ， 常 用 的 液 压 马 达 有 柱 塞 式 、 叶 片 式 和 齿 轮 式等 三 大 类 。 根 据 其 排 量 是 否 可 调 ， 可 分 为 定 量 马 达 和 变 量 马 达 ； 根 据 转 速 高 低和 转 矩 大 小 ， 液 压 马 达 又 分 为 高 速 小 转 矩

9、和 低 速 大 转 矩 马 达 等 。 另 外 ， 有 些 液压 马 达 只 能 作 小 于 某 一 角 度 的 摆 动 运 动 ， 称 为 摆 动 式 液 压 马 达 。 各 类 液 压 马 达图 形 符 号 见 图 4-2。 （ a） 定 量 马 达 （ b） 变 量 马 达 （ c） 双 向 定 量 马 达 （ d） 双 向 变 量 马 达图 4-2 液 压 马 达 图 形 符 号 （ e） 摆 动 液 压 马 达 四 、 典 型 液 压 马 达 的 结 构 和 工 作 原 理 1 齿 轮 液 压 马 达 hb pKa o1o 2图 4-3 齿 轮 马 达 工 作 原 理 图h 2 叶

10、片 马 达 45 1 3 2 p 图 4-4 叶 片 马 达 的 工 作 原 理 3 摆 动 式 液 压 马 达 摆 动 式 液 压 马 达 是 将 油 液 的 压 力 能 转 变 成 为 摆 动 形 式 的 机 械 能 。特 点 ： 动 力 是 靠 叶 片 的 回 转 运 动 传 递 的 ， 输 出 的 是 周 期 性 的 回 转 运 动 ， 单叶 片 回 转 角 小 于 300 ,双 叶 片 回 转 角 小 于 150 ,密 封 性 差 。应 用 ： 低 压 、 送 料 夹 紧 和 回 转 夹 具 等 辅 助 装 置 。 图 4-5 摆动液压马达工作原理1 2 31 2（ a） 单 叶 片

11、 式 （ b） 双 叶 片 式1 叶 片 2-定 子 块 3-缸 筒3ab 单 叶 片 和 双 叶 片摆 动 液 压 马 达 动 画 : 第 二 节 液 压 缸 (Cylinder) 液 压 缸 是 将 液 压 系 统 的 压 力 能 转 换 成 直 线 往 复 运 动 形 式 的 机 械能 。 它 结 构 简 单 ， 工 作 可 靠 ， 在 各 种 机 械 的 液 压 系 统 中 得 到 广 泛 应用 。 分 类 : 根 据 常 用 液 压 缸 的 结 构 形 式 ， 可 以 分 为 活 塞 缸 、 柱 塞 缸 和伸 缩缸 等 。 结 构 及 工 作 原 理 图 4-6（ a） 是 工 程

12、机 械 采 用 的 一 种 单 活 塞 杆 液 压 缸 ,图 4-6（ b）是 它 的 图 形 符 号 。 1 A 2 3 4 3 5 7-防 尘 圈 8-活 塞 杆 10 9 8 （ b）图 4-6（ a） 单 活 塞 杆 式 液 压 缸 基 本 结 构 1-端 盖 2-缸 筒 3-支 撑 环 4、 9、 10-密 封 圈 5-活 塞 6-导 向 套 B 6 7 一 、 液 压 缸 的 分 类 及 其 特 点（ 一 ） 活 塞 式 液 压 缸1 双 杆 活 塞 缸 (双 作 用 ) 特 点 :图 形 符 号 见 图 4-7。 如 果 两 腔 分 别 通 入 相 同 流 量 和 压 力油 液

13、时 ， 则 活 塞 往 返 两 个 方 向 的 运 动 速 度 和 推 力 均 相 等 ， 即 应 用 : 缸 体 固 定 结 构 活 塞 杆 固 定 结 构 CmppdDppAFF )()(4)( 21222121 CvdDqvv )(41 2221 图 4-7双 活 塞 杆 液 压 缸 图 形 符 号 2.单 杆 活 塞 液 压 缸 (分 单 作 用 和 双 作 用 ) 单 作 用 特 点 及 应 用 双 作 用 特 点 及 应 用 CmpdDpDApApF )(4 2221222111 CmpDpdDApApF )(4 221221212式 中 ： F 1、 F2压 力 油 分 别 进

14、入 无 杆 腔 ， 有 杆 腔 时 的 推 力 ； p1、 p2高 压 腔 、 回 油 腔 的 压 力 ； A1、 A2活 塞 无 杆 腔 、 有 杆 腔 的 活 塞 有 效 面 积 ； D、 d活 塞 和 活 塞 杆 直 径 ； cm液 压 缸 的 机 械 效 率 。 当 分 别 给 两 腔 通 入 相 同 流 量 时 ， 两 方 向 得 到 的 运 动 速 度 、 也 不 相 等 ，如 图 4-8所 示 。 如 果 液 压 缸 容 积 效 率 为 cv， 其 往 返 速 度 分 别 为 在 活 塞 往 复 运 动 速 度 有 一 定 要 求 的 情 况 下 ， 单 活 塞 杆 液 压 缸

15、的 活 塞 杆直 径 d通 常 根 据 无 杆 腔 和 有 杆 腔 活 塞 有 效 面 积 比 A 1/A2（ 速 度 比 ） 的 要求 以 及缸 内 径 D来 确 定 。 CvDqv 21 4 CvdD qv )( 4 222 21221 1 1 DdvvAA 1 Dd图 4-8 液压缸推力和速度计算（a）从左腔通压力油 （b）从右腔通压力油1 2 v1 2 1 2vp p p pF1 F2q q 差 动 连 接 :当 液 压 油 同 时 通 入 单 活 塞 杆 液 压 缸 的 两 腔 时 （ 图 4-8） ， 由 于作 用 在 活 塞 两 侧 端 面 上 的 推 力 不 等 ， 无 杆 腔

16、 的 作 用 力 较 大 ， 使 活 塞 杆 向右 伸 出 ， 此 时 有 杆 腔 排 出 的 油 液 与 泵 供 给 油 液 汇 合 后 进 入 液 压 缸 的 无 杆腔 ， 从 而 提 高 了 运 动 速 度 。 这 种 工 况 称 为 差 动 连 接 ， 差 动 连 接 时 的 推 力F3和 差 动 速 度 v3为 CmAApF )( 2113 CmpdDD 1222 )(4 Cmpd 124 CvAqqv 1 3 322 )(4 vdDq Cvdqv 23 4图 4-9 差 动 连 接 A1 A2 v3q F3p1q 柱 塞 式 液 压 缸 （ 单 作 用 ）伸 出 靠 油 压 ， 回

17、 程 靠 外 力 （ 成 对 使 用 ） 。 如 图 4-10， 柱 塞 缸 有 下 列 特 点 ： 1.结 构 简 单 ， 制 造 容 易 。 2. 应 用 ： 用 于 行 程 较 长的 场 合 1 2 3 4 568 7图 4-10 (a) 柱 塞 式 液 压 缸 (b) 图 形 符 号5、6-密封压紧装置 7-防尘圈 8-泄油口1-缸体 2-柱塞 3-导向套 4-密封装置 伸 缩 式 液 压 缸2 3 4 B 5 6 7A图 4-11 伸 缩 式 液 压 缸 结 构 示 意 图 1-活 塞 2-套 筒 3-小 缸 4-套 筒 5-大 活 塞 6-大 缸 7-缸 盖 1 增 速 缸 图 4

18、-12 增 速 缸 结 构 示 意 图1-柱 塞 2-活 塞 3-缸 筒IIII 1 II 32 ac b 二 、 液 压 缸 的 结 构 和 设 计 计 算 液 压 缸 的 设 计 是 在 对 整 个 液 压 系 统 进 行 工 况 分 析 ， 编 制 了 负 载 图 ， 选定 了 工 作 压 力 的 基 础 上 进 行 的 。 因 此 它 首 先 根 据 使 用 上 要 求 确 定 结 构 类 型 ,再 依 照 负 载 的 情 况 、 运 动 要 求 、 最 大 行 程 以 及 各 种 压 力 等 决 定 主 要 尺 寸 ， 最后 再 进 行 结 构 设 计 确 定 缸 筒 壁 厚 ， 验

19、 算 液 压 缸 的 稳 定 性 。 主 要 零 件 的 结 构1. 缸 体 组 件 缸 盖 尺 寸 没 有 严 格 规 定 ，一 般 根 据 经 验 来 确 定 它的 尺 寸 ， 设 计 时 可 采 用类 比 法 。 缸 筒 和 缸 盖 的联 接 方 式 很 多 ， 常 用 的有 焊 接 、 法 兰 ， 半 环 、螺 纹 等 联 接 （ 图 4-13） 。 图 4-13 缸 筒 和 端 盖 连 接 结 构（ d）（ c）（ a） （ b） 2. 活 塞 组 件 活 塞 和 活 塞 杆 一 般 采 用 螺 纹 和 半 环 联 接 （ 图 4-14） 。4 5213 4 1 （ d） 322（

20、a） 13图 4-14 活塞和活塞杆连接的结构（ c） （ b） 缓 冲 装 置 当 液 压 缸 所 驱 动 的 工 作 部 件 质 量 较 大 ,移 动 速 度 较 快 时 ,由 于 具 有 的 动 量 大 ,致 使 在 行 程 终 了 时 ,活 塞 与 端 盖 发 生 撞 击 ,造 成 液 压 冲 击 和 噪 声 ,甚 至 严 重 影 响 工 作精 度 和 发 生 破 坏 性 事 故 ,因 此 在 大 型 、 高 速 或 要 求 较 高 的 液 压 缸 中 往 往 须 设 置 有 缓冲 装 置 ， 如 图 4-15。 （ b） 图 4-15 液压缸的缓冲装置（ a）v 2（ c） 11 排

21、 气 装 置 当 液 压 系 统 长 时 间 停 止 工 作 ， 系 统 中 的 油 液 由 于 本 身 重 量 的 作 用 和其 它 原 因 而 流 出 时 ， 易 使 空 气 吸 入 系 统 ， 如 果 液 压 缸 中 有 空 气 或 油 中 混入 空 气 ， 都 会 使 液 压 缸 运 动 不 平 稳 ， 因 此 一 般 在 工 作 前 应 使 系 统 中 的 空气 排 出 ,为 此 可 在 液 压 缸 的 最 高 部 位 （ 那 里 往 往 是 空 气 聚 积 的 地 方 ） 设 置排 气 装 置 排 气 装 置 通 常 有 两 种 ： 一 种 是 在 液 压 缸 的 最 高 部 位

22、处 开 排 气 孔 ， 并 用管 道 连 接 排 气 阀 进 行 排 气 ， 当 系 统 工 作 时 该 阀 应 关 闭 （ 图 4-16 a） 。 另一 种 是 在 液 压 缸 的 最 高 部 位 处 装 排 气 阀 （ 图 4-16 b、 c） （ a） （ c）（ b）图 4-16 排 气 装 置1-缸 盖 2-放 气 小 孔 3-缸 筒 4-活 塞 杆1 2 3 4 二 、 液 压 缸 的 设 计 计 算 设 计 液 压 缸 需 要 注 意 的 问 题1) 要 尽 量 缩 小 外 型 尺 寸 ， 使 结 构 紧 凑 ；2) 设 计 活 塞 杆 最 好 受 拉 ， 不 受 压 ， 以 免

23、 产 生 纵 向 弯 曲 ； 3) 选 择 合 适 的 密 封 方 式 ， 减 小 摩 擦 损 失 ， 提 高 密 封 效 果 ， 防 止 泄 漏 ；4) 根 据 具 体 情 况 适 当 考 虑 缓 冲 装 置 （ 防 止 终 了 活 塞 杆 端 部 与 缸 盖 撞 击 ） 和 排 气 装置 。 (一 ) 液 压 缸 主 要 尺 寸 的 确 定 液 压 缸 的 主 要 尺 寸 有 缸 筒 内 径 、 活 塞 杆 直 径 和 缸 筒 长 度 等 。1. 缸 筒 内 径 根 据 负 载 大 小 和 选 定 的 工 作 压 力 、 运 动 速 度 和 输 入 流 量 ， 按 本 章 有关 公 式 计

24、 算 确 定 后 ， 再 从 GB/T2348-93标 准 中 选 取 相 近 尺 寸 加 以 圆 整 。2. 活 塞 杆 直 径 按 工 作 时 受 力 情 况 来 决 定 ,见 教 材 表 4-2。 对 单 活 塞 杆 液 压 缸 ， 值也 可 由 和 速 度 比 来 决 定 。 按 GB/T2348-93标 准 进 行 圆 整 。 3. 缸 筒 长 度 L(20-30)D 由 最 大 工 作 行 程 决 定 及 结 构 上 的 需 要 确 定 ， 液 压 缸 筒 长 度 =活 塞 行 程 +活 塞长 度 +活 塞 导 向 长 度 +活 塞 杆 密 封 及 导 向 长 度 +其 它 长 度

25、 。 其 中 活 塞 长 度 B=（ 0.6 1） D； 活 塞 杆 导 向 长 度 A=（ 0.6 1.5） d。 其 它 长 度 是 指 一 些 特 殊 装置 所 需 长 度 ， 例 如 液 压 缸 两 端 缓 冲 装 置 所 需 长 度 等 。 对 某 些 单 杆 活 塞 缸 有 时 提 出 最 小 导 向 长 度 H的 问 题 ， 见 图 4-17， 要 求 式 中 L活 塞 最 大 行 程 ； 其 它 符 号 见 图 。 为 了 满 足 这 一 要 求 ， 图 中 增 加 一 个 环 C。图 4-17 最 小 导 向 长 度K A BCH Ld D220 DLH 3 液 压 缸 强

26、度 计 算 与 校 核 对 于 液 压 缸 的 缸 筒 壁 厚 、 端 盖 处 固 定 螺 钉 的 螺 纹 强 度 和 活 塞 杆 直 径 ， 在 高压 系 统 中 ， 必 须 进 行 强 度 计 算 。 对 于 液 压 缸 的 缸 筒 壁 厚 、 端 盖 处 固 定 螺 钉 的 螺 纹 强 度 和 活 塞 杆 直 径 ， 在 高 压系 统 中 ， 必 须 进 行 强 度 计 算 。 （ 1） 缸 筒 壁 厚 计 算 在 中 、 低 压 液 压 系 统 中 ， 缸 筒 壁 厚 往 往 由 结 构 工 艺 要 求 决 定 ， 一 般 不 要 求 校核 计 算 。 在 高 压 系 统 中 ， 可

27、按 下 列 情 况 分 别 进 行 计 算 。 当 缸 筒 壁 厚 /D 0.08时 ， 可 按 薄 壁 缸 筒 的 实 用 计 算 公 式 计 算 ， 即 当 壁 厚 /D =0.08 0.3时 当 壁 厚 /D 0.3时 式 中 ： pmax最 高 允 许 压 力 （ MPa） ， 当 额 定 压 力 pn16MPa时 ， 取 pmax=1.5；当 额 定 压 力 pn 16MPa时 ,取 p max=1.25;军 用 产 品 规 范 规 定 pmax=（ 2 2.5） 缸 筒 材 料 的 许 用 应 力 （ MPa), b为 缸 筒 材 料 的 抗 拉 强 度 （ MPa) n-安 全

28、系 数 ,n=5(薄 壁 ) 2max Dp maxmax 33.2 pDp 13.1 4.02 maxmaxppD nb / （ 2） 活 塞 杆 的 稳 定 性 校 核 活 塞 杆 受 轴 向 压 力 作 用 时 ， 有 可 能 产 生 弯 曲 ， 当 活 塞 杆 最 大 工 作 负 荷 达 到 或超 过 某 一 临 界 负 荷 时 ， 会 出 现 压 杆 不 稳 定 现 象 。 临 界 负 荷 的 大 小 与 活 塞 杆 长 度 和直 径 以 及 液 压 缸 的 安 装 方 式 等 因 素 有 关 。 当 液 压 缸 安 装 长 度 l（ 10 15） d时 ，须 考 虑 活 塞 杆 的

29、 弯 曲 稳 定 性 验 算 。 活 塞 杆 通 常 是 细 长 杆 体 ， 因 此 活 塞 杆 的 弯 曲 计算 一 般 可 按 “ 欧 拉 公 式 ” 进 行 。活 塞 杆 弯 曲 失 稳 临 界 负 荷 ， 可 按 下 式 计 算 在 弯 曲 失 稳 临 界 负 荷 时 ， 活 塞 杆 将 纵 向 弯 曲 。 因 此 活 塞 杆 最 大 工 作 负 荷应 按 下 式 验 证 式 中 ： K安 装 及 导 向 系 数 ， 其 值 见 表 4-1； E活 塞 杆 材 料 的 弹 性 模 数 （ MPa） ， 钢 材 ： E=210 103（ MPa） ； J活 塞 杆 横 截 面 惯 性 矩

30、 （ m4） ； 圆 截 面 ： （ m4） ； ncr安 全 系 数 ， 一 般 取 ； ncr=2 6 l安 装 长 度 ， 其 值 与 安 装 方 式 有 关 ， 见 表 4-2。 crcrnFF )(1022 62 NlK JEFcr 44 049.064 ddJ 安 装 形 式 类 型 安 装 及 导 向 系 数 一 端 自 由 ， 一 端 刚 性 固定两 端 铰 接 ， 刚 性 导 向一 端 铰 接 ， 刚 性 导 向 。 一 端 刚 性 固 定两 端 刚 性 固 定 和 导 向 k=2 k= 1 k0.707 k=0.5 l ll ll lll FFFF 表 4-1 液 压 缸 安 装 及 导 向 系 数K