1、Chapter 4 Hydraulic Actuators液压执行元件,4.1 Hydraulic Motors液压马达 4.2 Hydraulic Cylinders液压缸,4.1 Hydraulic Motor 液压马达,把液压能变为机械能，输出扭矩 T 与转速 n。,1. Introduction Functions 作用Transfer hydraulic energy into mechanical energy。,Characteristic parameters 性能参数,Volumetric efficiency 容积效率Mv指经容积损失后的功率与损失前的功率之比。Mv= qM
2、tp/(qMp)= qMt /qM式中：qMt 理论流量 qMt = VMnM （VM:马达排量）qM 实际流量p 马达进、出口压差（ 而泵的容积效率pv= q/qt ）,Mechanical efficiency 机械效率Mm,除泄漏外的各种损失都归之为机械损失。Mm = PMo /(qMtp）= TMo/(TMt)= TMo/TMt式中：PMo马达输出功率TMt 理论输出扭矩TMo 实际输出扭矩 马达输出角速度 （泵的机械效率pm= Tt /T）,Overall efficiency 总效率M,M= PMo/PMi=MvMm式中：PMi马达输入功率 (p=pvpm),Output torq
3、ue 输出扭矩 TMoTMo =p VMMm/(2)（可由 2nMTMo =p qMtMm 推导出）qMt= VMnM Motor revolution 马达转速 nMnM = qMMv/VM Output power 输出功率 PMoPMo = qMpM= TMo= TMo(2)nM （而泵的输出功率 Ppo= pq）,Classification 分类,According to structures 按结构形式不同 Gear, vane and piston types齿轮、叶片和柱塞式 According to delivery types 按排量是否可调Fixed and variab
4、le delivery motors定量马达和变量马达 According to working performances 按输出参数High-speed and lower-speed large torque motors 高速马达和低速大扭矩马达,Graphic symbols of motor 马达图形符号,2. Operating principle of hydraulic motors 马达工作原理,Axial piston motors 轴向柱塞马达 Swash plate axial piston motor Fig. 4-2 斜盘式轴向柱塞马达,滑靴结构,结构：与泵相同，反
5、用即为马达。 工作原理：柱塞在压力油作用下外伸紧压在斜盘上，斜盘对柱塞的反作用力垂直于斜盘表面，其轴向分力Fx 与柱塞所受的液压推力相平衡，径向分力Fy 使每个高压区的柱塞对缸体中心产生转矩。,Structure and operating principle 构造与工作原理,斜轴式轴向柱塞马达,Vane motors 叶片马达 Double-acting vane motor 双作用叶片马达 Fig. 4-3Similar to vane pump，differences: Springs used to push vane touches with stator inner surface
6、弹簧保证叶片与定子内表面接触 Zero vane angle for two direction running叶片零度安装便于双向旋转 Pressure oil is led to vane bottom to keep the vanes touch with stator surface tightly 压力油引入叶片底部确保叶片紧贴定子内表面,Fig. 4-3,Operating principle 工作原理压力油作用在过渡区叶片上的面积不同，产生力矩推动转子带动输出轴旋转。,Specialties 特点体积小，惯性小，动作灵敏，但泄漏较大。适用于转矩低、转速高、要求动作灵敏的场合。,
7、叶片泵和液压马达比较表,Gear motors 齿轮马达External gear pump 外啮合齿轮马达 Fig. 4-4Similar to gear pump，differences：与齿轮泵类似，区别： Leakage oil to tank separately泄漏油单独回油箱 Same size for the inlet and outlet ports进、出油口大小相同,Fig. 4-4,Operating principle 工作原理由于受压力油作用的齿面面积不同而产生转矩。Specialties 特点与齿轮泵类似，多用于转速高、扭矩小的场合。, 【课题练习】 外啮合齿轮泵
8、作马达用，原进油口改作出油口，原出油口改作进油口，则马达的转向（ ）。A. 与作泵时转向相同 B. 与作泵时转向相反C. 转向无法确定 D. 根本转不起来, 【课堂练习】 外啮合齿轮泵作马达用，原进油口改作出油口，原出油口改作进油口，则马达的转向（ ）。A. 与作泵时转向相同 B. 与作泵时转向相反C. 转向无法确定 D. 根本转不起来,B,Pintle 配油轴,Crank shaft 偏心轮,Crisscross Coupling 十字联轴节,Rod 连杆,Saddle surface 马鞍形面 (hydraulic bearing)(静压支承),Piston 柱塞,Ball articul
9、ated球铰(hydraulic bearing),Cylinder缸室,Reciprocate in radial 径向往复伸缩,Radial piston motors 径向柱塞马达(Low-speed motors) Single-acting connecting rod type 曲柄连杆马达Structure 结构,Fig. 4-5 曲柄连杆马达工作原理,Fig. 3-5,Operating principle 工作原理 Fig.4-5,High pressure pushes rod by piston to produce torque on cam。 高压油推柱塞外伸对凸轮(
10、输出轴)产生扭矩。Cam pushes pistons in low pressure area by rodto drain low pressure oil into tank。 偏心轮通过连杆推柱塞使低压油排出。,液压力的合力通过偏心圆几何中心，对曲轴 回转中心产生力矩。,压力油 活塞 连杆 曲轴偏心圆表面,Stable low speed 低速稳定,Low mechanical efficiency in low speed starting低速启动效率低,Specialties 特点,High torque, low speed 低速大扭矩,Unbalanced radial for
11、ce 径向力不平衡,High stress on two side of rod 连杆两端接触应力大,Incurve multiple-acting radial piston motors 多作用内曲线径向柱塞马达 Fig. 4-6,Structure 构造,1. Piston(reciprocates in radial) 柱塞,2. Cylinder block(stationary)缸体,3. Roller(rolls on cam) 滚轮,4. Rotating valve(runs)配油轴,5. Inlet port 进油口,6. Outlet port 出油口,7. multi-
12、lobed cam (turns)多曲轨面,Specialties 特点,Fine low speed performance 低速稳定性好,Working safely and reliable 工作安全可靠,High request for cam manufacturing 内曲面轨道制造难度大,Radial force balanced 径向力平衡,Operating principle 工作原理,Pressure oil pushes roller by piston against curve surface to produce torque driving cam runnin
13、g 压力油推滚轮驱动轨道旋转,泵和马达的排量标准系列 （单位：mL/r）, ，10，12.5，（14），16，（18），20， （22.5），25，（28），31.5，（35.5），40， ，4000，（4500），5000，（5600），6300，（7100），8000，9000， 。,【例1】如图所示为定量泵和定量马达系统，已知泵的输出压力 pp10MPa，排量 Vp10mL/r，转速 np1450r/min，容积效率pv0.9，机械效率pm0.9，液压马达排量 Vm10mL/r，容积效率mv0.9，机械效率mm0.9，泵出口与马达进口间管道压力损失为0.5MPa，其它损失不计，试求：,例
14、 题,（1）液压泵的驱动功率 Pip；（2）液压泵的输出功率 Pop；（3）液压马达的输出转速 nM、转矩 TM和输出功率 Pom。,解：（1）液压泵驱动功率 Pip（2）液压泵输出功率 Pop（3）液压马达输出转速 nM,液压马达输出转矩TM液压马达输出功率Pom,【例2】图示系统中，已知泵的排量Vp40 mL/r，转速 np=1450 r/min，机械效率和容积效率均为0.9；变量马达的排量范围为 Vm40 100 mL/r，机械效率和容积效率为0.9，马达的负载扭矩 Tm 40 Nm。不计管 道损失，试求：1 泵的输出流量 q p；2 马达最大进口压力 p m；3 马达转速 n m 的范
15、围；4 液压系统的最大输入功率 P i。,解：1 泵的输出流量qp= npVppv= 1450604010 -60.9= 8.710-4（m3/s）= 52.2 L/min2 马达的最大进口压力 pm马达的负载扭矩恒定，因此当马达排量调至最小时，在马达进出口两端具有最大的压力降。马达出口直通油箱，其进口压力即为马达的进出口压差，故有：,3 马达的转速范围系统的最大工作压力低于溢流阀的调定压力，在不考虑管道损失的情况下，油泵的输出流量即为马达的输入流量。当马达的排量调至最大时，其转速最低：nm min= qpmv/Vm max = 8.710 -40.9(10010 -6) = 7.83 (r/
16、s)= 469.8 rpm,马达的排量调至最小时，其转速最高为nm max= qpmv/Vm min= 8.710 -40.9(4010 -6)=19.575 (r/s)=1174.5 rpm因此，马达的转速范围为nm=469.81174.5 rpm。4 液压系统的最大输入功率 Pi 当系统的工作压力最大时，定量泵系统的输入功率最大。故有：Pi = qpppmax/op = 8.710 -4710 6(0.90.9)= 7518.5 (W),【例3】图示系统中，施加在马达上的负载是不断变化的(即TM为变量)，则在进行调速(Vp变化)时，( )。A. 液压马达的转速随负载的增加而减小 B. 油泵
17、的工作压力随负载的增加而增加 C. 液压马达输出转矩随液压泵排量的增加而增加D. 液压马达输出功率随负载和液压泵排量的增加而减小,B,Exercises： 4-1、4-2、4-3（Pg. 351）,1. Functions 作用Transform hydraulic energy to mechanical energy to achieve reciprocating motion。液压缸可实现往复直线运动，输出推力 F 及速度 v；或实现往复摆动，输出扭矩T与摆动角速度.,4.2 Hydraulic Cylinders 液压缸,液压缸的应用,2. Types 类型,Plunger cyli
18、nder 柱塞缸 Fig. 4-9,Rotary cylinder 摆动缸 Fig. 4-20,Telescopic cylinder 伸缩缸 Fig. 4 -10 、11,Single-acting,Double-acting, Cylinder 缸体； rack piston rod 齿条活塞杆； gear shaft 齿轮轴； air bleeding valve 排气阀。,Rack and pinion cylinder 齿条活塞式摆动液压缸 Fig. 4 -12,Superchange cylinder 增压缸 Fig. 4 -13,增 速 缸,单活塞杆式液压缸,双活塞杆式液压缸,弹
19、簧复位式液压缸,柱塞式液压缸,增压缸,串联式液压缸,伸缩式液压缸,齿条活塞缸,Graphic symbols 图形符号单杆双作用活塞缸 摆动缸,3. Typical constructions and makeups 液压缸典型结构与组成 Fig. 4 -14,单杆双作用缸由缸筒(Tube) 、活塞(Piston)、活塞杆(Piston rod)、导向套(Guide sleeve)前端盖(Cylinder head) 及后端盖(Cylinder cap)等组成。,Cylinder block assembly 缸体组件,Components 组成Consists of a cylinder b
20、arrel , two cylinder lids , etc.缸体组件包括缸筒、端盖等零件。 Connection of lid and barrel 缸筒与端盖的连接 Fig.4 -15a) Flange type 法兰连接简单、可靠，加工和拆装方便，但外形尺寸 大。是常用的连接方式。,b) Semi-ring type 半环式连接工艺性好，结构紧凑，但削弱缸筒强度。多用于无缝钢管缸筒的连接。 c）Thread type 螺纹连接结构紧凑、体积小，缸筒端部结构复杂，拆需专用工具。常用于要求外形尺寸小、质量轻的场合。 d）Pull-rod type 拉杆式简单，工艺性但笨重，适用于短行程的中
21、低压缸。 e）Welding type 焊接式结构简单，连接牢固可靠；但焊接变形，维修性差。,Piston assembly 活塞组件 Fig. 4 -16,b）Semi-ring linkage 半环连接,a）Thread connection 螺纹连接,1-piston rod 活塞杆；2-piston 活塞；3-seal 密封圈； 4-against looseness gasket 防松垫圈；5-nut 螺母； 6-clip key 半环键；7-ring set 挡环， 8-spring collar 弹簧卡圈,Cushion devices 端部缓冲装置当负载质量较大、运动速度较高，
22、或换向平 稳性要求较高时，应设置端部缓冲装置。 Cushion principle 缓冲原理 活塞接近端盖时，增大回油阻力，以降低液压缸的运动速度，避免活塞与端盖相撞。,Cylinder cushion devices 缓冲装置 Fig. 4 -17 由活塞凸台（圆锥或带槽圆柱）和端盖凹槽构成。对于可调节流孔式缓冲装置，在端盖上还设置有单向节流阀。,Venting devices 排气装置 Fig. 4 -18 在油缸的最高部位装设排气装置（如Venting plug排气塞、Venting valve 排气阀等）。,4. Seals in linear actuator 密封装置(Pg. 19
23、4 196),液压缸中的密封，是指活塞、活塞杆、端盖(导向套)等处的密封，用来防止液压缸内部或外部的泄漏，或防止灰尘、水、空气等侵入缸体内。Types 密封类型根据需密封的两表面间有无相对运动分为：Dynamic seals 动密封如活塞与缸筒内壁之间的密封。Static seals 静密封活塞与活塞杆、缸筒与端盖等处的密封,Sealing devices 密封方法,Clearance sealing 间隙密封 Fig. 6 -11依靠两配合面间的微小间隙来防止泄漏。间隙密封结构简单，摩擦力小，但密封性能差，加工精度要求高。适用于尺寸较小、压力较低、运动速度高的场合。,密封圈密封,O - ri
24、ng seals O 形密封圈 Fig. 6 -12一般用耐油橡胶制成，截面呈圆形。安装时应保证其截面具有一定的压缩变形。,O 形密封圈结构简单紧凑，安装方便，成本低，但启动时阻力较大。主要用于静密封和速度较低的滑动密封。,O 形密封圈密封原理,Ystyle seals Y型密封圈 Fig. 6 -14、15、16,Y 型密封圈,工作时压力油作用于Y型密封圈的唇边内表面，使两唇边外张而贴紧密封表面，产生密封作用。Y型密封圈的密封性能好，摩擦阻力小，安装简易，常用于轴、孔作相对滑动且运动速度较高的场合。,V-style seals V型密封圈 Fig. 6 -17,由支承环（Support ri
25、ng）、密封环（Sealing ring）和压环（Press ring）三部分组成。当压环压紧密封环时，支承环可使密封环产生变形而起密封作用。,Fig. 6 -17,支承环,密封环,压 环,V型密封圈耐高压，密封性能好，但摩擦阻力大，结构较复杂。可用于压力高、往返速度不大的密封处。Y型密封圈与V型密封圈均属于唇形密封圈(Lip style sealing)，只能实现单向密封。此类密封圈的唇边开口应迎着压力油的方向安装，并有少量的预压缩量，以保持自紧密封功能。,Glide ring seals 活塞环,开口的金属环依靠其弹性变形所产生的张力紧贴在缸体内壁，实现密封作用。耐高温，能适应较大的压力变
26、化和速度变化，寿命长。但加工要求高。,5. Cylinder calculation and design 液压缸的设计计算,Calculation of cylinder velocity and output force 液压缸输出力与运动速度的计算设单杆双作用液压缸的缸体固定，各种损失忽略不计。,Pressurized oil is put into the non-rod chamber 外伸 压力油从无杆腔输入,Pressurized oil is put into the rod chamber 内缩 压力油从有杆腔输入,Differential connection 差动连接 两
27、腔同时输入压力油,Cylinder main dimension calculation 液压缸主要尺寸计算液压缸的主要尺寸为缸筒内径 D、活塞杆直径 d 和液压缸长度 L 等。这些参数可根据液压缸最大总负载 F、选定的工作压力 p、运动部件速度 v 和液压缸的行程 l 决定。对于单杆活塞缸，设回油背压 p20，当无杆腔进油时缸筒内径为：,有杆腔进油时活塞杆直径 d 可根据受力情况和工作压力查表选取，若液压缸往返速度的比值 确定，则有：计算所得的液压缸内径 D 和活塞杆直径 d 应圆整为标准系列。,缸径标准系列（单位：mm）8，10，12，16，20，25，32，40，50，63，80，（90
28、），100，（110），125，（140），160，（180），200，（220），250，320，400，500，630， 活塞杆直径标准系列（单位：mm）4，5，6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，32，40，45，50，56，63，70，80，90，100，110，125，140，160，180，200，220，250，280，320，360，400， ,Check cylinders 液压缸的校核,Check on wall thickness of barrel 缸筒壁厚验算液压缸的壁厚可根据结构和工艺上的需要确定。当液压缸的工作压力较高或直径较大时，还应对
29、壁厚进行强度校核。 Thin wall barrel 薄壁缸（D/10）按薄壁圆筒公式校核：,式中：壁厚（m）D缸筒内径（m）py试验压力（Pa）1.5 p（ p16MPa ）py= （ p为油缸的最大工作压力）1.25 p（ p 16MPa ）许用应力（Pa）= b/n，b为抗拉强度，n为安全系数（一般取 n = 5）,Thick wall barrel 厚壁缸（D / 10）,脆性材料（如铸铁）：塑性材料（如 ZG45）：,Diameter of the piston (d)rod checking 活塞杆校核,Check on rod tension 活塞杆强度校核对于粗短缸（活塞杆长径
30、比 l /d10），只进行强度校核：式中：d 活塞杆直径（m）F活塞杆所受的最大负载（N）活塞杆材料许用应力（Pa）（一般取=b/4）,Check on rod stability 压杆稳定性校核,对于工作行程受压的活塞杆，当活塞杆的长径比 l /d 10时，需要考虑压杆的纵向稳定性。压杆稳定性校核可根据材料力学的有关公式进行。欧拉公式（Euler formula)：K =2EI/Sk （N）FK/S （N）,式中：K Critical load 临界稳定力，NSk Free buckling length 自由弯曲长度，m与安装情况有关注：l 为安装长度（两支点间的距离）S Safety f
31、actor 安全系数（一般取 2.5 3.5）EElasticity modular 弹性模量，Pa（钢的弹性模量为 2.110 11 Pa）F Push force 液压缸最大推力，NI Moment of inertia 截面惯性矩，m4 对于圆截面 I = d 4/64 （m4）,A：B：C：D：,【例4】 图示为组合式液压缸，图(a)和(b)中液压缸的内径均为D，活塞杆直径为d。若输入的流量均为q，工作压力均为 p，出口压力均为零，不计泄漏和一切摩擦损失，比较它们输出力和速度的大小及方向。,例 题,解：图 (a)：图 (b)：,大小比较：,故知两液压缸输出的力和速度方向相反，且有 ，
32、。（ 可进一步证得： ， ）,【例5】图示差动液压缸，已知输入流量q =25 L/min，压力 p = 5 MPa。如果 d = 5 cm，D= 8 cm，试求活塞移动的速度及可以输出的最大推力。 （忽略液压缸泄漏及摩擦损失）,解：活塞移动的速度 最大推力,【例6】图示柱塞缸，柱塞固定而缸体运动，压力油从空心柱塞中流入。已知：进油压力 p = 3 MPa，流量 q = 25 L/min，柱塞外径 d = 200 mm，内孔 d0 = 100 mm，试求缸体运动速度v和产生的推力 F。,解：单位时间内，流入缸体的液体体积量，应等于柱塞外伸使缸体有效容积的增大量，故有：缸体运动速度,柱塞缸产生的推
33、力,【例7】图示为两个结构相同且串联的液压缸。设无杆腔面积A1=100cm 2，有杆腔面积A2=80cm2，缸1输入压力p1=910 6Pa，输入流量q1=12L/min，若不计损失和泄漏，问：1）两缸承受相同负载时（F1= F2），该负载的数值及两缸的运动速度各为多少?2）缸2的输入压力是缸1的一半时( p2= 0.5 p1)，两缸各能承受多少负载?3）缸1不承受负载时（F1= 0），缸2能承受多少负载?,A1 缸1 缸2v1 v2F1 F2p2p1 q1 A2,解：1）当两缸承受相同负载时（即F1 = F2），有：p1 A1- p2 A2= p2 A1= F1将数据代入上式，可求得p2 =
34、 510 6（Pa），F1 = 50000（N）因此两缸承受的相同负载为 50000 N。缸1的运动速度v1= q1/A1 = 1210-360(10010-4)= 0.02（m/s）,缸2的运动速度v2= v1A2/A1 = 0.028010 -4(10010 -4)= 0.016（m/s）2）缸2的输入压力是缸1的一半时（p2= 0.5 p1），缸1承受的负载为：F1 = p1 A1- p2 A2= 910 610010 -4 - 4.51068010 -4= 54000（N）,缸2承受的负载：F2= p2 A1 = 4.510 610010 -4= 45000（N）3）缸 1 不承受负载（F1=0），则有：p1 A1- p2 A2= 0解得： p2 = 1.12510 7 （Pa）此时缸 2 能承受的负载为：F2= p2 A1 = 1.12510 610010 -4=112500（N）,Exercises： 4 - 4、4 - 6、4 - 8 （Pg. 351 352）,Exercises：48,
