第4章液压执行元件

第4章液压执行元件液压执行元件包括液压缸和液压马达，它们都是把液体的压力能转换成机械能的一种能量转换装置，对系统外的工作机构做功。驱动工作机构作往复直线运动和往复摆动的液压执行元件是液压缸；驱动工作机构作旋转运动的液压执行元件是液压马达。4.1液压缸4.1.1液压缸的分类液压缸可分为单作用式液压缸和双作用式液压缸两类。单作用式液压缸又可分为无弹簧式、附弹簧式和柱塞式三种，如图4-1所示；双作用式液压缸又可分为单杆式和双杆式两种，如图4-2所示。(a)无弹簧式(b)附弹簧式(c)柱塞式图4-1单作用液压缸(a)单杆式（b)双杆式图4-2双作用式液压缸4.1.2液压缸的结构单杆双作用式液压缸主要由缸筒、盖板、活塞、活塞杆、导向套、缓冲装置、放气装置、及密封装置组成，其结构简图如图4-3所示。图4-3单杆双作用式液压缸1-后端盖；2-缸筒；3-活塞；4-缓冲环；5-可调节流阀；6-单向阀；7-放气装置；8-导向套；9-密封圈；10-拉杆；11防尘圈；12-活塞杆(1)缸筒缸筒是液压缸的主体，它与端盖及活塞构成了液压缸的前后压力腔，需要承受很大的工作压力，因此缸筒要有足够的强度和刚度。缸筒主要由无缝钢管制成。为减小活塞与缸筒内壁的摩擦，缸筒内壁需要进行要精密加工，其表面粗糙度Ra0.4nm。(2)端盖液压缸的端盖除了也要承受液压缸前后压力腔的工作压力外，同时，它也是液压缸的紧固件，所以，需要有很高的强度和刚度。端盖通常由锻钢、铸钢、铸铁和铝合金等材料制成。端盖和缸筒之间的连接有法兰、半环、外螺纹、内螺纹、拉杆和焊接等多种形式，如图4-4所示。图4-4端盖和缸筒之间的连接(a)法连接兰(b)半环连接(c)外螺纹连接(d)内螺纹连接(e)拉杆连接(f)焊接连接(3)活塞活塞是液压缸内沿钢筒内壁作往反运动的动态受力零件，它除了需要一定的强度和刚度以外，对于采用间隙密封的活塞，还需要具有良好的耐磨性。活塞的材料通常是钢材、耐磨铸铁及铝合金等。为了保证活塞的平稳运行，活塞应有一定的导向长度，一般为缸筒内径的0.6～1.0(4)活塞杆活塞杆是连接活塞和工作部件的传力零件，它同样须要足够的强度和刚度。活塞杆通常是由实心圆钢和无缝钢管制成，为了耐磨和防锈，其表面需进行淬火、镀铬及抛光处理。(5)导向套导向套是对活塞杆起导向和支承作用的金属圆套，需要具有良好的耐磨性。导向套的常用的材料是铸造青铜、耐磨铸铁和含油粉末冶金等。(6)缓冲装置缓冲装置是液压缸最核心的组成部分。在液压系统中，液压油的强大压力推动液压缸的活塞前进，当活塞运行到终点时，如果没有缓冲装置，就会直接冲撞端盖，产生强烈的噪声和液压冲击，降低液压系统的运动质量和工作精度，缩短液压缸的使用寿命。所以液压缸必须设置缓冲装置。缓冲装置由缓冲环、可调节流孔和单向阀组成，如图4-3中4、5、6所示。缓冲装置的工作原理如下：当快速运行的活塞接近端盖时，缓冲环首先插入端盖的出油口，把液压缸的出油通道堵住，迫使液压缸腔内的压力油只能从可调节流孔中缓慢流出。于是，在活塞与端盖之间就形成了一层由液压油组成的缓冲油垫，从而使活塞获得缓冲。当活塞需要离开端盖时，对于较大型液压缸，由活塞于面积大，活塞运动时的推力和流量要求都很大，仅靠压力油推动缓冲环的端面和从可调节流孔流入缸内的微小流量，很难轻松快速地推动活塞。所以，在较大型液压缸的端盖上还要安置单向阀，压力油可通过单向阀进入液压缸腔内，推动活塞快速离开端盖。中小型液压缸因活塞面积不大，推力较小，通常不需要单向阀。(7)排气装置在液压缸组装到液压系统时，必须把液压缸内的空气排除干净，所以排气也是液压缸在使用中遇到的重要问题之一。在较大型或大型液压缸的前、后端盖上都安装有专用的排气装置，如图4-3中7所示。排气装置由排气孔和排气螺栓组成，排气螺栓安装在排气孔上，其结构如图4-5所示。在图4-5中，将排气螺栓适当松动，液压缸腔内即可与外部相通，向外排出空气。中小型液压缸一般不设专门的排气孔，而是将液压缸的两进出油口布置在前后盖板的最高处，用以排气。图4-5液压缸的排气装置(8)密封装置液压缸的密封有动密封和静密封两种。活塞与缸筒之间的密封以及活塞杆与导向套之间的密封是动密封，缸筒与端盖之间的密封是静密封。其中，活塞与缸筒之间的密封又分为间隙密封和密封圈密封两种。图4-6液压缸的间隙密封1-缸筒；2-活塞图4-7常用的密封圈间隙密封主要是依靠运动件之间的微小间隙来防止泄漏，实现密封。为了提高防止泄漏的效果，常在间隙密封的活塞表面加工几条三角形或矩形环槽，以增大从高压腔向低压腔泄漏的阻力，如图4-6所示。间隙密封结构简单，摩擦力小，耐高温，但对零件的加工精度要求高，而且不可避免地存在泄漏，所以一般只适用于低压，小直径，快速运行的液压缸。活塞与缸筒之间的密封圈密封通常采用“O”型，“Y”形和“V”型密封圈，如图4-7中(a)(b)(c)所示。活塞杆与导向套之间的动密封，通常也采用“O”型，“Y”形和“V”型密封圈密封。钢筒与端盖之间的静密封通常采用“O”型密封圈密封4.1.3液压缸的参数计算液压缸的参数计算主要包括两个方面：一是当供给液压缸的流量一定时，求活塞的运动速度；二是当供油压力一定时，求液压缸的承载能力。液压缸的种类很多，下面仅以单杆双作用式液压缸为例进行这两个参数的计算。单杆双作用式液压缸有四种工作状态，即：当液压缸回油压力为零时，活塞有前进和后退两种状态，当液压缸回油压力不为零时，活塞也有前进和后退两种状态。图4-8(a)(b)为单杆双作用式液压缸回油压力为零时，活塞的前进和后退状态。图4-8双作用单杆式液压缸的工作原理1(a)无回油压力时活塞前进(a)无回油压力时活塞后退在图4-8中，A1，A2为无杆腔和有杆腔的活塞面积，D为活塞的直径，d为活塞杆直径，F为负载力，u为活塞的运动速度，P1和Q1为输入的压力和流量。于是有：图4-9(a)(b)为单杆双作用式液压缸回油压力不为零时，活塞的前进和后退状态图4-9双作用单杆式液压缸的工作原理2(a)有回油压力时活塞前进(b)有回油压力时活塞后退图中，A1，A2，D，d，F，u，p1和Q1的含义同图4-8，p2为回油压力。于是有：在以上单杆双作用液压缸的四种工作状态中，u1=u3，u2=u4，这再一次说明了在液压系统中，执行元件的运行速度取决于流量的大小，而与系统的工作压力无关。4.1.4单杆式液压缸的差动联接单杆式液压缸的差动联接如图4-10所示，他是液压系统中使用频率很高的一种联接方式。差动联接是将有杆腔的输油口与无杆腔的输油口直接连在一起。当给液压缸提供压力油时，由于无杆腔比有杆腔活塞的受力面积大，压力油只会推动活塞向右运动。此时，有杆腔排出的油液可与泵提供的油液汇合后一起进入液压缸的无杆腔，推动活塞快速右移。图4–10液压缸的差动连接由图4–10可得：比较式4-9与4-1，显然差动联接比非差动联接时活塞的运动速度快得多。比较式4-10与4-2，显然差动联接比非差动联接的推力小得多。因为差动联接时活塞的运动速度快，推力小，所以差动联接广泛用于空载快进的场合。4.1.5其他液压缸(1)摆动缸摆动式液压缸也称摆动马达，它是输出转矩并实现往复摆动的执行元件。摆动缸有单叶片和双叶片式两种。图４-11(a)单叶片式摆动缸；(b)双叶片式摆动缸；(c)职能符号图4-11(a)所示为单叶片式摆动缸。单叶片式摆动缸只有一个叶片，固定在中心轴上，叶片1和封油隔板2将摆动缸的内部空间分成了两腔，每一腔各有一个输油口。当一个输油口给腔内输入压力油时，叶片1则在油压的作用下产生转矩，推动中心轴摆动，同时，另一腔的油液就会从另一输油口流出。图4-11(b)所示为双叶片式摆动缸，它比单叶片式摆动缸多了一个叶片和一个封油隔板，内部空间分成了四腔，有两腔可同时从一个输油口输入压力油，另外两腔内的油液可同时从另一输油口流出。双叶片摆动缸的摆动角度比单叶片小，但输出的转矩要比单叶片大1倍。单叶片摆动缸的摆动角度一般不超过280°；双叶片摆动缸的摆动角度一般不超过100°。图4-11(c)所示为摆动的缸职能符号(2)增压缸有些液压系统，需要为某些支路提供短时或局部高压，通常需要采用一种可以增加局部支路压力的执行元件，这就是增压缸。增压缸的工作原理如图4-12所示，它是由直径不同的两个液压缸串连而成，大缸为原动缸，小缸为输出缸，输入的低压油可通过大小缸转换成输出的高压油。图4-12增压缸的工作原理在图4-12中，A1为原动缸的活塞面积，D为原动缸的直径；p1为原动缸（也是增压缸）的输入压力，Q1为原动缸（也是增压缸）的输入流量；A2为输出缸的活塞面积，d为输出缸的活塞直径；p2为输出缸（也是增压缸）的输出压力，Q2为输出缸（也是增压缸）的输出流量。在以上参数中，增压缸的输出压力p2和输出流量Q2决定了后续执行元件的承载能力和运动速度，是增压缸需要求取的二个主要参数，其计算方法如下：1)求增压缸的输出压力p2根据力的平衡关系可得显然，增压缸的输出压力p2大于输入压力p1，p2是p1的A1/A2(或D2/d2)倍。2)求增压缸的输出流量Q2因为增压缸大小活塞连在一起，运动的速度都为u3显然，增压缸的输出流量Q2小于输入流量Q1，Q2是Q1的A2/A1(或d2/D2)倍。(3)伸缩缸伸缩缸又称为多级缸，他由两个或多个活塞式液压缸由大到小套装而成，前一级大活塞缸的活塞是后一级小活塞缸的缸筒，各级活塞可依次伸出和缩回。图4-13为三级伸缩缸的基本结构原理。图4-13伸缩缸的工作原理在图4-13中，当压力油从A口进入，则可推动伸缩缸伸出。伸缩缸伸出时的顺序是由大到小；当压力油从B口进入时，则可推动伸缩缸缩回，伸缩缸缩回时的顺序通常是由小到大。伸缩缸从大到小逐级伸出时，由于缸体的活塞直径在逐级减小，所以当输入流量相同时，外伸的速度会逐级增大；当负载恒定时，伸缩缸的工作压力也会在外伸时逐级升高。伸缩缸结构紧凑，体积小，但制造技术要求高，常用于空间有限而行程又很长的场合，例如起重机的伸缩臂，自卸汽车的举升杠等。(4)齿轮缸图４-１4齿轮缸图4-14所示为齿轮缸，它由两个活塞和一套齿轮齿条传动装置组成。当压力油推动活塞左右往复运动时，齿条可同时带动齿轮往复摆动，从而驱动工作机构往复摆动。改变活塞行程即可改变齿轮的转角大小，常用的齿轮缸旋转角度通常可达720°。齿轮缸多用于自动线，组合机床等设备的转位或分度机构中。4.2液压马达液压马达是使负载作连续旋转运动的执行元件，其基本结构与液压泵类似。但液压泵的输入是由电动机提供的转速和转矩，输出的是压力油；而液压马达的输入是压力油，输出则是转速和转矩。4.2.1液压马达的分类液压马达按其结构可以分为齿轮式、叶片式、柱塞式等；按液压马达的额定转速又可分为高速和低速两类：额定转速高于500r/min属于高速液压马达，额定转速低于500r/min属于低速液压马达。目前，常习惯于按液压马达的额定转速进行分类。高速液压马达主要有齿轮式、叶片式和轴向柱塞式，他们的主要特点是转速高，转动惯量小，便于启动和制动。高速液压马达输出转矩小（仅几十牛·米到几百牛·米），所以又称为高速小转矩液压马达。低速液压马达主要是径向柱塞式，其主要特点是体积大，排量大，转速低（几转甚至零点几转每分钟）。低速液压马达输出转矩大（可达几千牛·米到几万牛·米），所以又称为低速大转矩液压马达。4.2.2高速小转矩液压马达(1)齿轮马达齿轮马达主要是指外啮合齿轮马达，其结构形式与外啮合齿轮泵非常相似。齿轮马达体积小，重量轻，结构简单，工艺性好，耐冲击，惯性小，对液压油的污染不敏感。但是齿轮马达效率较低，转矩脉动较大，低速稳定性差，所以一般用于工作质量要求不太高的高速低转矩场合。1)齿轮式液压马达的工作原理齿轮马达的工作原理如图4-15所示。图4.15齿轮马达的工作原理在图4-15中，当压力油进入齿轮马达的进油口后，有的轮齿双面受压，两齿面受压相互抵消，不会推动齿轮转动。有的轮齿则是单面受压或部分单面受压(如图中箭头指向面所示)，由于单面受压的轮齿推动齿轮朝