第四章液压执行元件

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4.2.3 液压缸设计计算
根据使用要求确定其类型 按工作压力、负载和运动要求确定主要结构尺寸 进行强度、稳定性校核 结构设计
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液压缸主要结构尺寸的确定
1、缸筒内径D应根据负载和工作压力p来确定，参考前 述液压缸输出力的有关公式来计算。（表4.2） 2 、活塞杆直径 d ，对于往复运动，有速比要求的按速 比确定；若无速比要求，则按活塞杆受力状况确定
液压缸视频资料
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一、液压马达
1、概述 液压马达与液压泵工作原理相似，都是依靠密 封工作容积变化实现能量的转换，都属于容积 式，同样具有配流机构。 理论上讲，相同结构形式的液压泵和液压马达 可互逆使用(阀式配流的除外)。但实际上，由 于使用目的和性能要求不同，结构上仍有细小 差别，一般不能互逆使用。 液压马达分类依据与液压泵相同。
R tan sin T F r F R sin F
轴向柱塞式液压马达的工 作原理 1—斜盘 2—缸体 3—柱 塞 4—配油盘 5—马达轴
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低速大扭矩马达 作为自学内容
液压马达的选用 见p61表4.1
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马达部分作业
有一径向柱塞液压马达，其平均输出扭矩 T=24.5Nm，工作压力p=5MPa，最小转速 nmin=2 r/min，最大转速nmax=300 r/min，容 积效率ηv=0.9，求所需的最小流量和最大流 量为多少？
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液压马达回路
A
B
T
P 液压泵
溢流阀
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液压马达符号
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液压马达基本性能参数
压力：输入液体的压力，大小取决于马达的 负载 排量：含义同泵排量。相同功率情况下，高速小
扭矩马达排量小。
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转速：流量/排量。实际转速还得乘容积效率 扭矩： 计算不做要求。 功率 效率：存在泄露损失和摩擦损失，分别用容 积效率mV和机械效率 mJ 表示。总效率为此两 项之和。
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解：
1）F1=F2 2）F1=2F2 3）F1=0时，F2=？
对缸1，有： D p1 F1 D d p2 4 4
2 2 2




对缸2，有： D p2 F2 4
2
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其余部分，留作今天 的作业。
4.2.2液压缸结构
较常见的双作用单活塞杆液压缸结构图：主要由缸底1、缸 筒6、缸盖10、活塞4、活塞杆7和导向套8等零部件组成，缸筒一 端与缸底焊接，另—端与缸盖采用螺纹连接。活塞与活塞杆采用 半环（卡键）2连接。为了保证液压缸的可靠密封，在相应部位 设置了密封圈和防尘圈12。
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组合式-伸缩式液压缸
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增压式液压缸
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摆动液压缸
摆动液压缸是一种实现往复 摆动的液压执行元件。它有 单叶片式和双叶片式两种结 构。
右图a所示为单叶片式摆动液压 缸，压力油从进油口进入缸筒3， 推动叶片1和轴一起作逆时针方 向转动，回油从缸筒的回油口 排出。其摆动角度小于300°， 分隔片2用以隔开高低压腔。当 进回油口互换时，马达反转。


单杆缸进出油方式不同对速度的影响
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双活塞杆液压缸
通常两侧活塞杆直径相等，两侧有效作用 面积也相等。因此双向运动的推力和速度 也相同。 推力和速度计算，基本同单活塞杆液压缸 计算公式。
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柱塞式液压缸
结构比活塞式简单，缸筒加工要求低，适 用于行程较长的场合。 缺点是只能单作用，且柱塞在缸筒内呈悬 臂状态，支承状况不好。
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轴向柱塞式液压马达
斜盘 和配油盘4固定不动，柱塞3可在缸体2 设第 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 i1 个柱塞和缸体的垂直中心线夹角为 θ的孔内移动，斜盘中心 ，则在柱塞上产生 线与缸体中心线相交一个倾角δ 。高压油经配油盘的窗口进入缸体 的转矩为
T Fx R tan sin 的柱塞孔时，处在高压腔中的柱塞被顶出，压在斜盘上，斜盘对柱 i F可分解为两个分力，轴向分力 y y 塞的反作用力 Fx x和作用在柱塞上的 随着角θ 的变化，每个柱塞产生的转矩也发生变化，故液压马达产 液压力平衡，垂直分力Fy使缸体产生转矩，带动马达轴5转动。 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 式中 R——柱塞在缸体中的分布圆半径。 情况相似。
D
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最小导向长度的确定
最小导向长度是指当活塞杆全部伸出时， 从活塞宽度的中点到导向套滑动面中点的 距离。 导向长度太小，会使液压缸因径向间隙引 起的初始挠度增大，影响液压缸工作的稳 定性。公式见4.17
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缸筒长度和活塞杆长度的确定
缸筒长度根据最大行程、活塞宽度、导向 长度和其他结构（如缓冲装置）的总体需 要确定。一般长度不超过内径的20倍。 活塞杆长度根据缸筒长度、活塞宽度、导 向套和缸盖的有关尺寸，以及活塞杆的连 接方法来确定。
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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。（仅当活塞运动速 度高或运动部件质量较大时，才必须设置缓冲装置。）
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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。
2
4 4q v1 2 D
F2
F1

D p
2

4
(D2 d 2 ) p
p-液压缸工作压力
4q v2 2 2 (D d )
q-液压缸输入流量
D-活塞直径 d-活塞杆直径
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单活塞缸的差动连接
利用方向阀将两液压 缸两腔连通，可以实 现差动连接。 方向阀的作用在于， 回程时将其恢复成普 通双作用单活塞液压 缸形式。
第四章 液压执行元件
主讲：邓晓刚
单位：机械工程学院机械电子教研室
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液 压 执 行 元 件
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液压马达(略讲)
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液压缸（重点）
本章主要内容和学习目的
液压马达和液压缸总称液压执行元件。其功用 是将液压泵供给的液压能转变为机械能输出，驱 动工作机构做功。二者的不同在于： 液压马达是实现旋转运动，输出机械能的形 式是扭矩和转速；又称油马达 液压缸是实现往复直线运动(或往复摆动)， 输出机械能的形式是力和速度；又称油缸。
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液压马达分类及特点
液压马达按其结构类型来分可以分为齿轮式、叶片式、柱 塞式等其它形式。 也可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 500r/min 的属高速液压马达，额定转 速低于500r/min的属于低速液压马达。 高速液压马达的基本形式有齿轮式、螺杆式、叶片 式和轴向柱塞式等。高速液压马达的主要特点是转速高、 转动惯量小，便于启动和制动。通常高速液压马达输出 转矩不大（仅几十N.m到几百N.m），所以又称为高速小 转矩马达。 低速液压马达的基本形式是径向柱塞式，低速液压 马达的主要特点是排量大、体积大、转速低（可达每分 钟几转甚至零点几转）、输出转矩大（可达几千N.m到几 万N.m）,所以又称为低速大转矩液压马达。
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4.2液压缸
液压缸是使负载作往复运动（直线或摆动）的执行元件。 液压缸分类 按运动方式的不同：
– 往复直线运动液压缸（又称推力缸）； – 往复摆动液压缸；
按液压力作用方式分：
– 分为单作用式液压缸； – 双作用式液压缸；
单作用式液压缸又分为无弹簧式、附弹簧式、柱塞式三种， 如图所示。 双作用式液压缸又分为单杆形，双杆形两种，如图所示。 按结构特点分：活塞式、柱塞式、组合式。前两种是基本形 式。
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液压缸的参数计算
缸体固定，油从A口进入作用在活塞上，产生一 推力F，通过活塞杆以克服负荷W，活塞以速度υ 向前推进，同时将活塞杆侧内的油液通过B口流 回油箱。相反，如油从B口进入，则活塞后退。
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单活塞杆液压缸
如右图，分为单作用 和双作用 速比φ
v2 D 2 2 v1 D d
高速小扭矩液压马达
1、齿轮式液压马达
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2、叶片式马达
叶片式马达结构、工作原理 基本同叶片泵。 不同之处在于：
– 为适应马达正反转的需要，马达叶片均径向安 装。 – 为防止马达启动时，高低压腔串通，叶片槽底 部装有弹簧，以便使叶片始终伸出贴紧定子。 – 为保证叶片槽底部始终与高压相通，油路设有 单向阀。
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液压马达与液压泵的区别
液压泵：将电动机或其它原动机输入的机械能 转换为液压能的能量转换装置。 液压泵：其为液压系统提供具有一定压力和流 量的液压液，是液压系统的重要组成部分。 液压泵：其性能好坏直接影响液压系统工作的 可靠性和稳定性。
液压马达：是液压系统中实现连续旋转或摆动 的执行元件，它把输入油液的压力能转换 为输出轴转动的机械能，用来推动负载作 功。
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液压马达与液压泵的区别
从原理上讲，液压泵与液压马达可以互换，但结 构有差异 1、泵的进油口比出油口大，马达的进、出油口相同
2、结构上要求泵有自吸能力
3、马达要正反转，结构具有对称性；泵单方向转， 不要对称 4、要求马达的结构及润滑，能保证在宽速度范围内 正常工作 5、液压马达应有较大的起动扭矩和较小的脉动
摆动液压马达 a）单叶片式 b）双叶片式 1—叶片 2—分隔片 3—缸筒
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液压电梯
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齿轮缸
齿轮缸由双活塞和—套齿轮齿条传动装置 组成，柱塞的移动经齿轮齿条传动变成齿 轮的传动，用于实现工作部件的往复摆动 或间歇进给运动。
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两个结构完全相同的液压缸相互串联，无杆腔面积为 100mm2，有杆腔面积为50mm2，缸1的输入压力为 1MPa，输入流量为15L/min，不计损失和泄漏，且视作 活塞做匀速运动。求： 1）缸承受相同负载时，负载值为多少，两缸运动速度为 多少？ 2）缸2的负载为缸1的一半时，两缸分别能承受多少负载？ 3）F1=0时，缸2能承受多大负载？
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缸筒与缸盖连接形式
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活塞与活塞杆
活塞应有足够的强度、较好的润滑及耐磨性。活塞的 结构应当适应它与缸筒内壁接触和密封，以及与活 塞杆的连接。常用连接为卡环连接和螺纹连接。 活塞的材料通常用钢或铸铁，也可采用铝合金。活塞 和缸筒内壁间需要密封，采用的密封件有O形环、V 形油封、U形油封、X形油封和活塞环等。而活塞应 有一定的导向长度，一般取活塞长度为缸筒内径的 （0.6～1.0）倍。 活塞杆是重要的传力零件，有实心杆和空心杆两种。
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典型结构
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液压缸主要结构-缸筒
1、缸筒是液压缸的主体，应有足够的强度、耐磨性和几何精度， 以承受液体压力和活塞往复运动的摩擦，并保证良好的密封。 2、缸体的结构形式，主要是指缸筒和缸底的连接方式。一般来 说，缸筒和缸盖的结构及连接形式与使用的材料有联系。压 力小于10兆帕，一般用铸铁；工作压力 <20z兆帕，使用无缝 钢管；工作压力>20兆帕，使用铸钢或锻钢。 3 、缸筒内要经过精细加工，表面粗糙度 Ra<0.08um ，以减少密 封件的摩擦。 4、缸盖：通常由钢材制成，有前端盖和后端盖，安装在缸筒的 前后两端，缸盖和缸筒的连接方法有焊接、拉杆、法兰、螺 纹连接等。
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活 塞 与 活 塞 杆 的 连 接 形 式
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密封装置
密封的意义：固定部件的连接处、相对运动部件的配 合处容易发生泄漏。泄漏会使液压缸的容积效率降 低和油液发热。外泄漏还会污染工作环境。严重时 会影响液压缸的工作性能。因此，液压缸的密封十 分重要。另外，为防止空气和污染物进入液压缸， 也必须设置密封装置。 液压缸的密封装置可分为动密封和静密封；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。常采用O形密封圈和Y形密封圈。
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差动连接双作用液压缸作用力和速 度计算
差动连接活塞杆外伸 推力F3：
F3

4
[D D d ] p
2 2 2



4
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D 4
2
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2 2 4 q D d v3 4q q 4 v3 D 2 D 2 4q v3 2 d