7-3 液压元件和液压油

武汉理工大学轮机工程系wangke第三节液压马达一、工作性能二、低速大扭矩液压马达的构造和工作原理1）连杆式2）五星轮式3）内曲线式武汉理工大学轮机工程系wangke液压马达是将液压能转换为机械能的装置，可以实现连续的旋转运动，其结构与液压泵相似，并且也是靠密封容积的变化进行工作的。常见的液压马达也有齿轮式、叶片式和柱塞式等几种主要形式；从转速、转矩范围分，有高速马达和低速大扭矩马达。马达和泵在工作原理上是互逆的，当向泵内输入压力油时，其轴就输出转速和转矩成为马达。但由于二者的任务和要求有所不同，故在实际中只有少数泵能作马达使用。液压马达简介第三节液压马达武汉理工大学轮机工程系wangkeW式中：P—液压马达的进排油压差，Pa；Q—供入液压马达的油流量，m3／s。60/22thththththMnMp而其理论输出功率则可表达为：W式中；Mth——液压马达的理论扭矩，Nm；ωth——液压马达的理论角速度，rad/s；nth——液压马达的理论转速，r/min。液压马达输入的液压能，可用工作油的压力P和流量Q来表示，而其输出的机械能，则以输出轴的扭矩M和转速n来度量。为了说明液压马达的工作性能，我们可先假设液压马达不存在任何能量损失的理想情况进行了讨论，这时液压马达的输入功率，就可用下式来表示：PQPth1第三节液压马达一、工作性能武汉理工大学轮机工程系wangkemin//60rqQnthQQe/容积损失可用容积效率来度量，即式中：Qe—扣除漏泄损失后供入马达的有效流量，m3／s。NmpqMth2/因此，可求得液压马达的理论扭矩然而，任何实际的液压马达，运转时总存在着各种损失，包括密封缝隙的漏泄损失，油流流动时的压力损失以及各运动接触部件之间的摩擦损失等。第三节液压马达一、工作性能现假设液压马达按几何尺寸确定的每转排量为q(ms/r)，则液压马达的理论转速为显然，在不考虑液压马达中所有能量损失的情况下，液压马达的理论输出功率就等于其输入功率。武汉理工大学轮机工程系wangke在液压马达中，常把压力损失和摩擦损失合并在一起，称之为机械损失，由于存在着机械损失，液压马达的实际输出扭矩M也就比理论扭矩要小，而实际扭矩与理论扭矩之比，称之为液压马达的机械效率ηm，即：因此，实际扭矩：min//60/60rqQqQnepQpQMnPvm60/22实际的输出功率：式中：η是考虑液压马达中所有能量损失的总效率。thmMM/2/mmthpqMM因此，液压马达的实际转速：第三节液压马达一、工作性能武汉理工大学轮机工程系wangke讨论：液压马达的实际转速n，主要取决于供入液压马达的流量Q、液压马达的工作容积(即每转排量)q和容积效率ηv。因此，要改变液压马达的转速，可采用的方法有容积调速——采用变量油泵，改变其流量，或采用变量油马达，改变其排量，也可以采用节流调速——通过流量控制阀来改变供入油马达的流量；液压马达的扭矩M，主要取决于工作油的压力p和液压马达的每转排量q。提高工作油压p，不仅可增大液压马达的输出扭矩M，而且还可在功率不变的前提下，使液压元件和和管路的尺寸相应减小，但是也受到强度与密封等的条件限制，并给管理工作带来不利的影响；增大液压马达的容积，亦即提高液压马达的每转排量q，则可在工作油压不变的情况下增大扭矩，而转速则相应较低，从而构成低速大扭矩液压马达。一般认为额定转速低于500r／min即属于低速马达，高于500的属于高速马达。后者用于船舶甲板机械往往需要增加机械减速机构。第三节液压马达一、工作性能武汉理工大学轮机工程系wangke低速大扭矩液压马达低速大扭矩液压马达是相对于高速马达而言的，通常这类马达在结构形式上多为径向柱塞式，其特点是：最低转速低，大约在5~10r／min，输出扭矩大，可达几万N·m；径向尺寸大，转动惯量大。由于上述特点，它可以直接与工作机构联接，不需要减速装置，使传动结构大为简化。低速大扭矩液压马达广泛用于起重、运输、建筑、矿山和船舶等机械上。低速大扭矩液压马达的基本形式有三种：它们分别是曲柄连杆马达、静力平衡马达和多作用内曲线马达。下面分别予以介绍。第三节液压马达一、工作性能武汉理工大学轮机工程系wangke1.曲柄连杆低速大扭矩液压马达曲柄连杆式低速大扭矩液压马达应用较早，国外称为斯达发液压马达。我国的同类型号为JMZ型，其额定压力16MPa，最高压力21MPa，理论排量最大值可达6.140L/r。下图是曲柄连杆式液压马达的工作原理。第三节液压马达二、低速大扭矩液压马达的构造和工作原理连杆式液压马达原理演示武汉理工大学轮机工程系wangke马达由壳体1、连杆3、活塞组件2、曲轴4及配流轴5等组成。壳体内沿圆周呈放射状均匀布置了五只缸体，形成星形壳体；缸体内装有活塞，活塞与连杆通过球铰连接，连杆大端做成鞍形圆柱瓦面紧贴在曲轴的偏心圆上。1.曲柄连杆低速大扭矩液压马达第三节液压马达二、低速大扭矩液压马达的构造和工作原理武汉理工大学轮机工程系wangke根据曲柄连杆机构运动原理，受油压作用的柱塞就通过连杆对偏心圆中心O1作用一个力N，推动曲轴绕旋转中心O转动，对外输出转速和扭矩，其余的活塞油缸则与排油窗口接通；如果进、排油口对换，液压马达也就反向旋转。1.曲柄连杆低速大扭矩液压马达第三节液压马达二、低速大扭矩液压马达的构造和工作原理武汉理工大学轮机工程系wangke随着驱动轴、配流轴转动，配油状态交替变化。在曲轴旋转过程中，位于高压侧的油缸容积逐渐增大，而位于低压侧的油缸容积逐渐缩小，因此，在工作时高压油不断进入液压马达，然后由低压腔不断排出。高压起点低压起点1.曲柄连杆低速大扭矩液压马达第三节液压马达二、低速大扭矩液压马达的构造和工作原理武汉理工大学轮机工程系wangke总之，由于配流轴过渡密封间隔的方位与曲轴的偏心方向一致，并且同时旋转，所以配流轴颈的进油窗口始终对着偏心线OO1一边的二只或三只油缸，吸油窗口对着偏心线OO1另一边的其余油缸，总的输出扭矩是叠加所有柱塞对曲轴中心所产生的扭矩，该扭矩使得旋转运动得以持续下去。1.曲柄连杆低速大扭矩液压马达第三节液压马达二、低速大扭矩液压马达的构造和工作原理武汉理工大学轮机工程系wangke以上讨论的是壳体固定、轴旋转的情况。如果将轴固定，进、排油直接通到配流轴中，就能达到外壳旋转的目的，构成了所谓的车轮马达。1.曲柄连杆低速大扭矩液压马达第三节液压马达二、低速大扭矩液压马达的构造和工作原理武汉理工大学轮机工程系wangke曲柄连杆低速大扭矩液压马达武汉理工大学轮机工程系wangke静力平衡式低速大扭矩马达也叫无连杆马达，是从曲柄连杆式液压马达改进、发展而来的，它的主要特点是取消了连杆，并且在主要摩擦副之间实现了油压静力平衡。所以改善了工作性能。国外把这类马达称为罗斯通(Roston)马达，国内也有不少产品，并已经在船舶机械、挖掘机以及石油钻探机械上使用。2.静力平衡式低速大扭矩液压马达第三节液压马达二、低速大扭矩液压马达的构造和工作原理五星轮式液压马达原理演示武汉理工大学轮机工程系wangke这种液压马达的工作原理用图来说明，液压马达的偏心轴与曲轴的形式相类似，既是输出轴，又是配流轴，五星轮3套在偏心轴的凸轮上，在它的五个平面中各嵌装一个压力环4，压力环的上平面与空心柱塞2的底面接触，柱塞中间装有弹簧。静力平衡式低速大扭矩马达1-壳体；2-柱塞；3-五星轮；4-压力环；5-配流轴；6-弹簧2.静力平衡式低速大扭矩液压马达第三节液压马达二、低速大扭矩液压马达的构造和工作原理武汉理工大学轮机工程系wangke以防止液压马达启动或空载运转时柱塞底面与压力环脱开。高压油经配流轴中心孔道通到曲轴的偏心配油部分，然后经五星轮中的径向孔、压力环、柱塞底部的贯通孔而进入油缸的工作腔内。在图示位置时，配流轴上方的三个油缸通高压油，下方的两个油缸通低压回油。（原理演示）静力平衡式低速大扭矩马达1-壳体；2-柱塞；3-五星轮；4-压力环；5-配流轴；6-弹簧2.静力平衡式低速大扭矩液压马达第三节液压马达二、低速大扭矩液压马达的构造和工作原理武汉理工大学轮机工程系wangke在这种结构中，五星轮取代了曲柄连杆式液压马达中的连杆，压力油经过配流轴和五星轮再到空心柱塞中去，液压马达的柱塞与压力环、五星轮与曲轴之间可以大致做到静压平衡。在工作过程中，这些零件还要起密封和传力作用。由于是通过油压直接作用于偏心轴而产生输出扭矩，因此，称为静力平衡液压马达。事实上，只有当五星轮上液压力达到完全平衡，使得五星轮处于“悬浮”状态时，液压马达的扭矩才是完全由液压力直接产生的；否则，五星轮与配流轴之间仍然有机械接触的作用力及相应的摩擦力矩存在。2.静力平衡式低速大扭矩液压马达第三节液压马达二、低速大扭矩液压马达的构造和工作原理武汉理工大学轮机工程系wangke多作用内曲线液压马达的结构形式很多，就使用方式而言，有轴转、壳转与直接装在车轮的轮毂中的车轮式液压马达等形式。而从内部的结构来看，根据不同的传力方式和柱塞部件的结构可有多种形式，但是，液压马达的主要工作过程是相同的。ⅠⅡⅠⅡ3.多作用内曲线马达第三节液压马达二、低速大扭矩液压马达的构造和工作原理武汉理工大学轮机工程系wangke缸体2与输出轴3通过螺栓连成一体，柱塞、横梁、两个滚轮组成柱塞组件，放于缸体径向孔中，配油轴由微调凸轮7限制其相对壳体周向固定不动。ⅠⅡⅠⅡ(1)结构组成:3.多作用内曲线马达第三节液压马达二、低速大扭矩液压马达的构造和工作原理柱塞底部油腔的进排油由配油轴控制，配油轴上有两组配油窗口，每组的窗口数同导轨曲线段数相同，两组配油窗口的位置应分别与导轨曲线上的工作区段和排油区段的位置严格对应。武汉理工大学轮机工程系wangke工作时，油液通过配油轴上的配油窗口分配到工作区段的柱塞底部油腔，压力油使柱塞组的滚轮顶紧导轨表面，在接触点上导轨对滚轮产生法向反作用力N，其方向垂直导轨表面并通过滚轮中心，(2)内曲线多作用马达工作原理（原理演示）该力可分解为两个分力，沿柱塞轴向的分力P和垂直于柱塞轴线的分力T，它通过横梁侧面传给缸体，对缸体产生力矩。进排油口互换，则马达反转。3.多作用内曲线马达第三节液压马达二、低速大扭矩液压马达的构造和工作原理武汉理工大学轮机工程系wangke主轴转一周，柱塞往复运动多次（图中为6次），因而在柱塞直径数目和行程相同情况下，其输出扭矩较单作用式柱塞马达增加了作用次数的倍数。即6倍。除单排柱塞外，还可做成双排、三排柱塞，所以容易达到排量大、尺寸小的要求。(2)内曲线多作用马达工作原理（原理演示）3.多作用内曲线马达第三节液压马达二、低速大扭矩液压马达的构造和工作原理武汉理工大学轮机工程系wangke若将液压马达的进、出油口对调，液压马达将反转；若将驱动轴固定，则定子、配流轴和壳体将旋转，通常称为壳转工况，变为车轮马达。除了上述几种典型低速大扭矩马达外，尚有介于高速马达和低速马达中间的摆线液压马达，此处不再赘述。(2)内曲线多作用马达工作原理（原理演示）3.多作用内曲线马达第三节液压马达二、低速大扭矩液压马达的构造和工作原理武汉理工大学轮机工程系wangke液压泵的工作特点：(1)液压泵的吸油腔压力过低将会产生吸油不足，异常噪声，甚至无法工作。因此，除了在泵的结构设计上尽可能减小吸油管路的液阻外，为了保证泵的正常运行，a)应该使泵的安装高度不超过允许值；b)避免吸油滤油器及管路形成过大的压降；c)限制泵的使用转速在额定转速以内。(2)液压泵的工作压力取决于外负载，若负载为零，则泵的工作压力为零。随着排油量的增加，泵的工作压力根据负载大小自动增加，泵的最高工作压力主要受结构强度和使用寿命的限制。为了防止压力过高而使泵、系统受到损害，液压泵的出口常常要采取限压措施。第三节液压马达武汉理工大学轮机工程系wangke液压泵的工作特点：(3)变量泵可以通过调节排量来改变流量，定量泵