液压与气动技术第4章 液压系统的执行元件

不计摩擦力，根据力平衡关系，可有如下等式：
A1 P1 A2 P2
p2
A1 A2
p1
比值 A1 / A2 称为增压比。
由于 A1 / A2 1 因此压力 p2 被放大，从而起到增压的作用。
各种类型液压缸的选择
机器的往复直线运动直接采用液压缸来实现是最简单方便的。 要求往返运动速度和承受负载相同，采用双活塞杆式液压缸； 要求单向负载较大的工进、另一方负载较小的快速退回， 则宜用单活塞杆式液压缸，并可考虑用差动连接。 行程较长时，可采用柱塞缸，以减少加工的困难； 系统的压力比较低，局部需要较大的压力，可用增压缸； 往复摆动运动可用直线式液压缸加连杆机构或齿轮—齿条机构 来实现，也可用摆动式液压缸。
(2)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；
(3)工作时柱塞总受压，因而它必须有足够的刚度；
(4)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，故其垂直使用更有利。
三、组合式液压缸
伸缩缸的外伸动作是逐级进 1.伸缩式液压缸
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。
液压与气动技术
模块四：液压执行元件 液压缸、液压马达
内容：
4.1 液压缸的类型和工作原理 4.2 液压缸的结构 4.3 液压马达概述及类型 4.4 液压缸、液压马达、液压泵的对比
重点：
活塞式液压缸应用广泛，是诸缸中的重点； 与缸结构相关的问题：液压缸的排气、缓冲。
翻
液压缸简介
斗 车
机
液压缸是液压执行元件，
可分为缸体组件、活塞组件、密封
4.2 液压缸的结构 装置、缓冲装置和排气装置等。
拉 杆 液 压 缸 结 构
缸体组件
缸体组件与活塞组件构成密封的容腔，承受油压。因此缸体 组件要有足够的强度，较高的表面精度和可靠的密封性。
法兰连接
半环连接
螺纹连接
活塞组件
活塞组件由活塞、活塞杆 和连接件等组成
密封装置
根据安装方式不同分为:
1.双杆活塞缸 缸筒固定式和活塞杆固定式
缸筒固定，活塞运动：工作台运动所占空间长度为活塞有 效行程的三倍（图a）。一般多用于小机床； 活塞杆固定，缸筒运动：工作台运动所占空间长度为液压 缸有效行程的两倍（图b），适用于中型及大型机床。
双杆活塞缸的速度推力特性
当两活塞杆直径相同，供油压力 和流量不变时，活塞式液压缸在 左右两个方向上的运动速度和推 力都相等。
伸缩缸结构较为紧凑。此种液压缸常用于工程机械和农 业机械上。
2.齿条活塞缸
由两个活塞缸和一套齿条传动装置 组成的复合式缸。
齿轮齿条传动装置将活塞的移动变成齿轮的传动， 用于实现工作部件的往复摆动或间歇进给运动。
用在机床的进刀机构、回转工作台转位、分度装置、 液压机械手等。
3.增压缸
增压缸能将输入的低压油转变为 高压油供液压系统中的高压支路 使用。但它不是能量转换装置， 只是一个增压器件。
p2 m
F2
A2 p1
A1 p2
m
4
D2 d 2 p1 D2 p2 m
1
q A1
4q D2
2
q A2
4q D2 d2
差动连接
F3
A1 A2 p1m
4
d
2
p1 m
3
A1
q
A2
V
4q d2
V
由上得，差动连接比简单连接：液压缸的推力小，速
度高，正好利用这一点，可使在不加大油源流量的情况下
要求液压缸所选用的密封元件，在工作压力下具有良好的 密封性能。并且，密封性能应随着压力升高而自动提高，使 泄漏不致因压力升高而显著增加。
液压缸常用的密封方法： 间隙密封 密封元件的密封
间隙密封
缓冲结构示例
缓冲装置是在运动速度决、惯 性大的液压缸上所设置的一种 减缓冲击的装置。
液压缸在缓冲时通过回油腔节流口的作用，将进油腔液压油的 压力能、运动部件的动能转化成缓冲腔液压油的压力能。这种 压力能可以用节流口流量通用公式分析。
构
将液压能转变为机械能的、机 床 做直线往复运动或摆动。 工
作
结构简单、工作可靠。用 台
往
它来实现往复运动可免去 复 减速装置，且无传动间隙，运 动
运动平稳，因此在各种机
械的液压系统中得到广泛
应用。
4.1 液压缸的类型和工作原理
一、活塞式液压缸
双杆活塞缸 单杆活塞缸
双杆活塞缸的两端都有活塞杆伸出。一般由缸筒、缸盖、 活塞、活塞杆和密封件等零件构成。缸筒与缸盖用法兰 连接，活塞与缸筒内壁之间采用间隙密封。
（1）简单连接式
无杆腔进油时 有杆腔进油时 两种进油方式比较
q p1
p2
（1）简单连接式
无杆腔进油时 有杆腔进油时 两种进油方式比较
q p2
p1
（1）简单连接式
无杆腔进油时
有杆腔进油时
两种进油方式比较
1）由于两腔面积不等,A1 > A2，所以F1＞F2，v1＜v2。 2）流量相同速度不等；压力相同推力不等。
即不具有等推力等速度特性。 3）活塞杆伸出时，F较大，v较小，适用于重载慢速;
活塞杆缩回时，F较小，v较大，适用于轻载快速。
单杆活塞缸简单连接结论
活塞杆直径越小，两个方向速度差值越小。
若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：
v
v2 v1
1 1 d
2
D
d D v 1 v
p2 Am
4
D2 d 2 p1 p2 m
2.单杆活塞缸
只有一端有活塞杆。其两端进出油口 都可通压力油或回油，以实现双向运 动，故又称为双作用单杆活塞缸。
简单连接式（a,b）
差动连接式 (c)
（1）简单连接式
无杆腔进油时 有杆腔进油时 两种进油方式比较
q 前提条件：不论哪腔进油，供油流量为 ；
排气装置
对于长期不使用的缸或者新使用的缸， 其内部会存有气体，引起缸的振动和爬 行，有时影响缸的运动平稳。
方法主要有：排气阀排气、排气塞排气、进出油口排气
注意：气体比油轻这个道理，应当将排气装置安装于 缸工作腔的最高位置，否则排气无效。
4.3 液压马达概述及类型
一、
二、液压马达性能参数
三、常见的液压马达
2.液压马达一般需要正反转，故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。
3.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。而液压马达没有上述要求。
液压缸、液压泵、液压马达的共性
油缸油泵油马达，工作原理属一家： 能量转化共同点，均靠容积来变化； 出油容积必缩小，进油容积则扩大。 油泵输出压力油，出油当然是高压， 缸和马达与泵反，出油自然是低压。 工作压差看负载，负载含义要记下： 油泵不仅看外载，管路阻力也得加， 缸和马达带负载，压差只是克服它。 流量大小看速度，再看排量小与大， 单位位移需油量，排量含义就是它。
单杆活塞液压缸连接不同速度不同，可实现如下工作循 环：
（差动连接） （无杆腔进油） （有杆腔进油）
快进
→
工进
→
快退
v3、F3
v1、F1
v2、F2
由缸筒、柱塞、导套和压盖等组成，柱塞
和缸筒无配合关系，只是柱塞与缸盖上的
二、柱塞式液压缸
导向套有配合关系。故缸筒内壁不需精加 工，特适用于行程较长的场合。
速度和推力为：
运动速度
流量连续性方程
3
q q, A1
v
q
A23
A1
v
3
A1
q
A2
V
4q
d2
V
活塞推力
F3
特点
A1
A2 p1m
4
d 2 p1m
差动连接是在不增加液压泵容量和功 率的条件下，实现快速运动的好办法。
简单连接
F1
A1 p1
A2 p2
m
4
D2 p1
D2 d 2
q；
A
F p1 p2 A;
q A
；
F p1 p2 Am
双杆活塞缸的速度推力特性
当两活塞杆直径相同，供油压力
和流量不变时，活塞式液压缸在
左右两个方向上的运动速度和推
力都相等。
q A
；
F p1 p2 Am ;
A= 1 (D2 d2）
4
qA
4q
Dλv时，可确定d值。
固定方式和工作过程皆与双杆活塞液压缸相同。
无论采用其中哪一种形式，液压缸 运动所占空间长度都是两倍活塞或 缸体的行程。
（2）差动连 接
单杆活塞缸两腔同 时通入流体时，利 用两端面积差进行 工作的连接形式。
差动连接的缸只能一个方向运动，图示向右。
有杆腔排出流量进入无杆腔，液压缸的运动
为减轻重量，减少弯曲变形， 柱塞常做成空心。 柱塞缸只能作单作用缸，要 求往复运动时，需成对使用。
柱塞缸的速度推力特性：
柱塞缸运动速度：
v
4qv d 2
类似差动缸
柱塞缸输出的推力：
F
4
d2
p1m
F
(
p1
p2 )
4
d
2
柱塞式液压缸特点：
(1)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的自重；
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，即：简单连接向左
运动速度V2 =差动缸向右运动速度V3，则
4q 4q
(D2 d 2 ) d 2
D 2d
无杆腔进油
单
速度最慢
杆
活
塞
缸
应
用
有杆腔进油 速度居中
差动连接 速度最快
进口压力油为 ，大p于1 出口压力油 。 p2
（1）简单连接式
无杆腔进油时
有杆腔进油时
两种进油方式比较
1）由于两腔面积不等,A1 > A2，所以F1＞F2，v1＜v2。 2）流量相同速度不等；压力相同推力不等。
即不具有等推力等速度特性。 3）活塞杆伸出时，F较大，v较小，适用于重载慢速;
活塞杆缩回时，F较小，v较大，适用于轻载快速。
1.
2.高速小转矩马达—叶片式马达
工作时，叶片1、3两 侧的一面为压力油， 另一面为低压油，均 能形成转矩，但3上的 作用力更大，因此， 叶片带动转子顺时针 旋转；同理，叶片7比 5的作用力更大，也作 顺时针旋转。叶片2、 4、6、8两侧受力相等， 不产生转矩。
3.
液压马达是把液体的压力能转换为机
械能的装置。同类型的液压泵和液压
4.3 液压泵与液压马 马达结构上相似，但工作情况不同，
达的对比
使得结构上也有差异。
相同点： 1、从能量转换角度看，二者可逆； 2、从结构上看，二者相似；
3、从工作原理上看，均是利用密封容积的变化完成进、排油。
不同点： 1.泵：密封容积增大，吸入低压油；密封容积减小，输出高压油 （p,q）。将机械能→压力能，是动力元件，希望容积效率高。 马达：密封容积增大，吞入高压油；密封容积减小，输出低压油 （T,n）。将压力能→机械能，是执行元件，希望机械效率高。