1、液压与气压传动,机械电子工程系 王化明,授课计划,一、绪论及流体力学基础（8学时） 二、液压元件（23学时） 三、液压基本回路（8学时） 四、典型液压系统（2学时） 五、气压传动系统（7学时）,第二部分 液压元件,动力元件(8学时) 执行元件(3学时) 控制元件(12学时) 辅助元件(1学时),液压执行元件,液压马达,液压马达概述,叶片式液压马达,齿轮液压马达,液压缸,液压缸概述,活塞式液压缸,柱塞式液压缸,液压缸组成及结构,3.1 液压马达概述,3.1.1液压马达,液压泵和液压马达都是液压传动系统中的能量转换元件。,液压输出,液压输入,机械输出,3.1 液压马达概述,3.1.2液压马达与液压
2、泵的关系,能量转换上互逆,特点相似可周期变化的密封容积及相应的配流机构,马达充入高压油时进油腔增大，回油腔减小时排出低压油,泵输出压力能，马达输出机械能,泵密封容积增大时吸油，减小时压油。,3.1 液压马达概述,结构,马达常要求能正、反转，因而要求其内部结构对称(进出油口一样大、泄漏油单独外引、叶片径向放置）,液压马达的转速范围需要足够大，特别对它的最低稳定转速有一定的要求。因此，它通常都采用滚动轴承或静压滑动轴承；,液压马达由于在输入压力油条件下工作，因而不必具备自吸能力，但需要一定的初始密封性，才能提供必要的起动转矩。,液压马达要求有很大的启动转矩,3.1 液压马达概述,3.1.3分类,按
3、结构类型：齿轮式、叶片式、柱塞式等,按额定转速,高速(500rpm)：齿轮式、螺杆式、叶片式、轴向柱塞式,低速(500rpm)：径向柱塞式等,特点：转速高、惯量小，易于起动和制动，灵敏度高、扭矩小,特点：排量大、体积大、转速低、扭矩大,3.1 液压马达概述,3.1.4参数,排量：在无泄漏的情况下，使输出轴旋转一周所需的油液的体积，V,理论流量：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，qt,实际流量：由于有泄漏，达到要求转速所需输入液体的流量，q,流量及容积效率,3.1 液压马达概述,容积效率,3.1 液压马达概述,工作压力：马达入口处的实际压力，P,理论扭矩：无摩擦损失情况下产生
4、的扭矩，Tt,实际扭矩：在有摩擦损失的情况下产生的扭矩，T,机械效率,压力及机械效率,3.1 液压马达概述,输入功率,输出功率,总效率,理论功率,功率及效率,3.1 液压马达概述,马达与泵的能量转换图,3.1 液压马达概述,低速稳定性,爬行现象：马达在工作转速过低时，往往保持不了均匀的速度，进入时动时停的不稳定状态。,3.1.5基本性能要求,原因：,低速摩擦阻力不稳定,排量及泄漏的波动,低速马达的低速稳定性要较高速马达好,3.1 液压马达概述,启动性能,静摩擦系数大，静止状态润滑油膜被挤掉,调速范围,起动机械效率,启动转矩小,马达带负载启动，必须注意到马达的启动性能,3.1 液压马达概述,ql
5、,3.1 液压马达概述,3.2 齿轮马达,3.2.1工作原理,3.2 齿轮马达,3.2.2结构特点,进出油口通道对称，大小相等,单独的泄油口（外泄漏油孔）,为减少启动摩擦力矩,采用滚动轴承,为减少转矩脉动,齿数比泵的齿数多,轴向间隙补偿的浮动侧板，必须是正反都能工作的结构，卸荷槽必须是对称布置的结构。,3.2 齿轮马达,3.2.1优缺点,体积小，重量轻，结构简单，工艺性好； 对污染不敏感； 耐冲击，惯性小等优点。,优点：,缺点：,密封性差，容积效率低；,输入压力不能过高，不能产生大转矩；,瞬时转矩与速度随啮合点位置变化，有脉动；,一般都用于高转速低转矩的情况下。在矿山、工程机械及农业机械上广泛
6、使用。,3.3 叶片马达,3.3.1工作原理,3.3.2力矩计算,3.3 叶片马达,3.3 叶片马达,3.3.3结构特点,叶片径向放置，叶片顶部呈对称圆弧型,叶片底部通压力油，使叶片与定子紧密接触。为了使马达正反转时，叶片底部总是与高压油相通，在高低压腔通入叶片底部的油路上装有单向阀；,为保证在压力油通入后能正常启动（高低压腔不串通，必须使叶片顶部与定子内表面紧密接触，以保证良好密封），在叶片根部设预紧弹簧；,对泄漏油采用外部回油,3.3 叶片马达,3.3.4优缺点,优点：体积小，转动惯量小，动作灵敏，允许频繁换向（甚至可以在千分之几秒内换向）。,缺点：泄漏较大，不能在低转速下工作。 所以叶片
7、式马达一般用于高转速、低扭矩以及动作要求灵敏的场合。,3.3 叶片马达,3.4轴向柱塞式液压马达,3.4.1工作原理,3.4轴向柱塞式液压马达,使缸体3产生转矩的垂直分力为：,当压力油输入液压马达后，所产生的轴向分力为：,3.4.2力矩计算,3.4轴向柱塞式液压马达,单个柱塞产生的瞬时转矩为：,液压马达总的输出转矩：,3.4轴向柱塞式液压马达,3.4.3特点,容积效率高，调速范围大，因此，必须通过减速器来带动工作机构。 结构尺寸和转动惯量小，换向灵敏度高，输出扭矩小。,适用于扭矩小、转速高和换向频繁的场合。,3.5 液压缸概述,3.5.1分类,活塞缸,柱塞缸,摆动缸,输出力和速度,输出转矩和角
8、速度,按结构分,3.6 活塞式液压缸,3.6.1双杆式活塞缸,分类,缸筒固定,活塞固定,占地面积大,适用于小型机床,占地面积小,适用于大型机床,特点：两端的活塞杆直径通常是相等的,3.6 活塞式液压缸,力与速度计算,3.6.2单杆式活塞缸,分类,按安装方式分,缸筒固定,活塞固定,工作台移动范围均为活塞有效行程的两倍,3.6 活塞式液压缸,力与速度计算,无杆腔进油,3.6 活塞式液压缸,有杆腔进油,速度比：,3.6活塞式液压缸,推力:,差动连接,速度:,3.6活塞式液压缸,差动连接时,液压缸的有效作用面积是活塞杆的横截面积，工作台运动速度比无杆腔进油时的大，而输出力则较小。,差动连接是在不增加液
9、压泵容量和功率的条件下，实现快速运动的有效办法。,3.6活塞式液压缸,单活塞杆液压缸的活塞直径D为活塞杆直径的两倍，则缸差动连接的快进速度等于非差动连接的前进速度的 倍；差动连接的快进速度是快退速度的 倍。,3.7 柱塞缸,特点,分类,单作用 双作用,柱塞内孔不需要精加工 运动由导向套来导向,3.8 摆动缸,分类,单叶片式,双叶片式,用途,3.8摆动缸,计算,单叶片摆动缸的摆角一般不超过280，双叶片摆动缸的摆角一般不超过150。,当输入压力和流量不变时，双叶片摆动缸轴输出转矩是相同参数单叶片缸的两倍，而摆动角速度则是单叶片的一半。,摆动缸结构紧凑，输出转矩大，但密封困难，一般只用于中、低压系
10、统中往复摆动，转位或间歇运动的地方。,3.9其它液压缸,增压缸,增压能力是在降低有效流量的基础上得到的，仅仅是增大输出的压力，并不能增大输出的能量。,用于某些短时或局部需要高压液体的场合。,单作用式 双作用式,3.9其它液压缸,伸缩缸,齿轮缸,可以获得很长的工作行程，保持较小的结构尺寸，常用于起重车辆中,可以实现周期性的往复旋转运动,3.10液压缸组成,3.10液压缸组成,3.10.1缸体组件,缸筒与缸盖的连接方式,法兰连接,半环连接,螺纹连接,结构简单，易加工、装卸 外形尺寸大,结构简单，易装卸 环形槽削弱缸筒强度,质量轻，外形尺寸小 端部结构复杂，装卸需要专门的工具,3.10液压缸组成,拉
11、杆连接,焊接式,缸筒容易加工，最易装卸，结构通用性大 质量较大，外形尺寸较大,结构简单，外形尺寸较小 缸筒可能变形，缸底内径不易加工,3.10液压缸组成,导向套,用以保证活塞杆不偏离散轴心线，材料为青铜、黄铜等。,缸筒,工作压力20MPa时用铸钢或锻钢。 表面粗糙度为0.2-0.4，缸筒入口处和有密封圈滑过的孔口，均作15oC的坡口。,缸盖,材料用35、45、ZG35、ZG45、HT25-47等,3.10液压缸组成,3.10.2活塞组件,1一活塞杆；2一活塞；3一密封圈； 4一弹簧圈；5一螺母,整体式,分体式,螺纹连接式,结构简单，装拆方便，高压下要备有防松装置，适用于负载较小，受力较平稳的液
12、压缸中,3.10液压缸组成,1一半环；2一套环；3一弹簧卡圈,非螺纹连接,结构复杂，装拆不便，但工作可靠，适用于高压系统,活塞杆,采用35、45、40Cr等材料 活塞杆表面可镀铬并抛光，提高耐磨性和防锈性,活塞,用耐磨铸铁制造,3.10液压缸组成,3.10.3密封装置,密封性能最好随压力增加自动提高； 摩擦力小且稳定，不能卡死或运动不稳定； 元件耐热、耐磨、能自动补偿，抗腐蚀性能好，寿命高； 使用、维护、制造方便。,基本要求,缸的泄漏途径,3.10液压缸组成,密封形式,间隙密封,三角形环形槽（平衡槽）,特点：,1）磨损后无法补偿； 2）泄漏量随着压力升高而增加；,3.10液压缸组成,槽的作用：
13、,1）提高间隙密封效果，从高压到低压侧，油路截面突变，在小槽中形成旋涡而形成阻力，从而使油液的泄漏量减小；,2）防止活塞中心线的偏移。槽能保证油压沿活塞周向分布均匀，使径向力保持平衡，从而保证活塞中心线与液压缸中心线重合。,3.10液压缸组成,活塞环密封,又称活塞涨圈，密封效果好，可用于压力高达20MPa的场合，耐高温，允许相对移动速度较高。,3.10液压缸组成,密封圈密封,1)结构简单，制造方便，成本低； 2)能自动补偿磨损； 3)密封性能可随压力加大而提高，密封可靠； 4)既可用于固定件，也可用于运动件。,优点：,3.10液压缸组成,材料：耐油橡胶；尼龙聚氨脂,密封圈形式,“O”形； “Y
14、”形； “V”形。,材料要求,应具有较好的弹性，适当的机械强度，耐热耐磨性能好，摩擦系数小，与金属接触不互相粘着和腐蚀，与液压油有很好的“相容性”。,3.10液压缸组成,3.10.4缓冲装置,原因,运动部件质量大，速度快，在行程终了时活塞和端盖发生撞击，造成液压冲击和噪声。,原理,当活塞接近端盖时，增大液压缸回油阻力，使回油腔内产生足够的缓冲压力，使活塞减速，从而防止活塞撞击端盖。,3.10液压缸组成,方式,3.10液压缸组成,3.10.5排气装置,油液中混入空气或长期不用时外界侵入空气，会使系统工作不稳定，产生振动、爬行或前冲等现象，严重时会使系统不能正常工作。,危害,3.10液压缸组成,常
15、在液压缸的最高处设置专门的排气装置，如排气塞、排气阀等。当松开排气塞或阀的锁紧螺钉后，低压往复运动几次，带有气泡的油液就会排出，空气排完后拧紧螺钉，液压缸便可正常。,措施,低压辅助泵使变量泵的吸油管和液压马达的出油管压力保持在p0=0.4MPa，变量泵的最大排量Vpmax=100mL/r，转速np=1000r/min，容积效率vp为0.9，机械效率mp为0.85，马达排量为VM=50mL/r，容积效率vM为0.95，机械效率mM为0.9。不计管道损失，当马达的输出转矩为TM=40Nm，转速nM=160r/min时，求变量泵的排量、工作压力和输入功率。,1)9.36mL/r 2)5.98MPa 3)1.03KW,
