第四章第四章 液压执行元件液压执行元件液压执行元件是将液压泵提供的液压能转变成机械能的能量转换装置。它包括液压缸和液压马达。液压马达习惯上是指旋转运动的液压执行元件，而把输出直线运动的液压执行元件称为液压缸。441 1 液压马达液压马达一一液压马达的特点和分类液压马达的特点和分类从能量转换的观点来看，液压泵和液压马达是可逆的液压元件。因为它们具有同样的基本结构要素密闭而又可以周期变化的容积和相应的配油机构。但是，由于液压泵和液压马达的工作条件不同，对它们的性能要求也不一样，所以同类型的液压马达和液压泵之间，仍存在许多差别。液压马达和液压泵的差别为：液压马达应该能够正、反转，因而要求其内部结构对称；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，它通常采用滚动轴承或滑动轴承；液压马达由于在输入压力油条件下工作，因此不必具备自吸能力，但需要一定的初始密封性，才能提供必要的起动转距。因此液压泵和液压马达不能可逆工作。液压马达按结构分为：齿轮式、叶片式、柱塞式和其它型式。液压马达按额定转速分为：高速和低速。额定转速高于500r/min的属于高速液压马达，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类型有齿轮式、叶片式、柱塞式等。它们的主要特点是转速较高，转动惯量小，便于启动和制动，调节（调速和换向）灵敏度高，而输出转距不大（仅几十Nm到几百Nm），所以又称为高速小转距液压马达。低速液压马达的基本型式是径向柱塞式，它的主要特点是排量大，体积大，转速低，因此可直接与工作机构连接，不需要减速装置，使传动机构大为简化，通常低速液压马达输出转距较大（可达几千Nm到几万Nm），所以又称为低速大转距液压马达。二二高速液压马达的工作原理高速液压马达的工作原理常用的高速液压马达的结构与同类型的液压泵很相似。齿轮式、叶片式、柱塞式液压马达的工作原理。三三液压马达的基本参数和基本性能液压马达的基本参数和基本性能（一）液压马达的基本参数1.1.压力（压力（MPaMPa）工作压力 液压马达实际工作时输入的压力。工作压力取决于外负载大小。额定压力 液压马达长期连续运转能正常工作所允许使用的最高工作压力，其值受液压马达的容积效率和使用寿命的限制。极限压力 液压马达在短时间内超载所允许使用的最高压力，其值受液压马达效率、零件强度和使用寿命等所限制。2.2.排量和流量排量和流量排量V（ml/r）在不考虑泄漏的情况小，液压马达每转一转所输入的液体体积。它只与液压马达的工作容积的几何尺寸有关。理论流量qt（l/min）在不考虑泄漏的情况小，液压马达在单位时间内所输入的液体体积的平均值。qt=Vn实际流量q（l/min）液压马达在某一具体工况下，单位时间内所输入的液体体积。它等于理论流量qt加上泄漏和压缩损失后的流量ql，即q=qtql由于泄漏量ql随着压力p的增大而增大，所以实际流量q随着压力p的增大而减小。额定流量qn（ml/min）液压马达在额定压力和额定转速下所输入的实际平均流量。3.3.功率和效率功率和效率液压马达的功率损失液压马达的功率损失包括容积损失和机械损失。容积损失和容积效率容积损失主要是液体泄漏造成的功率损失。液体的泄漏是因为液压马达相对运动零件之间的缝隙造成的。一般来说，泄漏量与液压马达的输出压力及间隙的三次方成正比，而与液体的粘度成反比。液压马达的容积损失用容积效率来表征。vq qq qqtttlql qt1 1q=qt/v=Vn/vv随着压力的增大而降低。机械损失和机械效率机械损失是因摩擦而造成的功率损失。其中包括轴承、密封、相对运动构件之间的摩擦损失以及液体流动（粘性）造成的压力损失等。机械损失用机械效率来表征，它等于液压马达的实际输出转距T与理论转距Tt之比，设转距损失为Tl，则液压马达的机械效率为 mT TTT TT Ttttlttlt 1T=Ttm液压马达的功率输入功率Pi 作用在液压泵主轴上的功率。Ppq 60 式中p单位为MPa； q单位为l/min P单位为Kw。输出功率P 液压泵在工作过程中的实际吸、压油口间的压差p和输出流量q的乘积，即PT iiTni9550 式中Ti单位为N.m; n单位为r/min; Pi单位为Kw。总效率液压马达的实际输出功率与其输入功率的比值，即 P PT pqT vmitm pq v因此，可以得到：T pqTttpq npV 22液压马达的各个参数和压力之间的关系如图42所示。（二）液压马达的基本性能（二）液压马达的基本性能1.1.液压马达的启动机械效率液压马达的启动机械效率在同样的压力下，液压马达由静止到开始转动的启动状态的输出的转距要比运转中的转距小，这给液压马达带载启动造成了困难，所以启动性能对液压马达是很重要的。启动转距降低的原因是在静止状态下摩擦系数最大，在摩擦表面出现相对滑动后摩擦系数明显减小，这是机械摩擦的一般性质。对液压马达来说，更为主要的是静止状态润滑油膜被挤掉，基本上变成了干摩擦。一旦液压马达开始运动，随着润滑油膜的建立，摩擦阻力立即下降，并随着滑动速度增大和油膜变厚而减少。液压马达启动性能的指标用启动机械效率mo表示，其表达式为moTo/Tt式中 To为液压马达的启动转距。齿轮液压马达mo为0.6左右，而高性能的低速大转距液压马达mo为0.9。2.2.液压马达的转速和低速稳定性液压马达的转速和低速稳定性液压马达转速取决于进入液压马达的流量q和液压马达本身的排量V。由于液压马达内部有泄漏，并不是所有进入液压马达的液体都推动液压马达做功。n=qv/V当液压马达工作转速过低时，往往保持不了均匀的速度，进入时动时停的不稳定状态，称为爬行现象。产生爬行现象的原因和其低速摩擦阻力特性有关。通常的阻力是随着速度的增大而增加的，而在静止和低速区域工作的液压马达内部的摩擦阻力当工作速度增大时非但不增加，反而减少，形成了所谓“负特性”的阻力。另一方面，液压马达和负载是由液压油被压缩后压力升高而被推动的。相当于质量和弹簧的物理模型。另外，液压马达的泄漏量也在随着转子转动的相位角变化作周期性波动，这也会造成液压马达转速的波动。当液压马达在低速运转时这种转速的波动难以为转动惯量所掩盖，被清楚地表现出来，形成爬行现象。3.3.调速范围调速范围当负载从低速到高速在很宽的范围内工作时，也要求液压马达能在较大的调速范围下工作，否则就需要有换档的变速机构，使传动机构复杂化。液压马达的调速范围以允许的最大转速和最低转速之比表示，即i=nmax/nmin显然，调速范围宽的液压马达应当既有好的高速性能又有好低速稳定性。四四低速液压马达低速液压马达1.1.曲轴连杆液压马达曲轴连杆液压马达JMD型液压马达：额定压力为16MPa，最高压力为22MPa，转速范围为0400r/min，排量为0.2016.140L/r。如图43所示。壳体1内沿圆周均匀布置了五个液压缸，形成星形壳体。连杆2与柱塞3以球头铰接，并用卡环10锁紧。连杆2大端做成鞍形圆柱面，紧贴在曲轴5的偏心圆上，并用两个挡圈夹持住。曲轴5支承在两个滚柱轴承6上，其一端外伸，即为输出轴，另一端通过十字联轴节9与配油轴7连接，使配油轴7和偏心轴5一起转动。工作原理如44所示。压力油经油槽A进入柱塞液压缸一、二的顶部，柱塞一、二便受到高压油的作用，柱塞三处于过渡状态，与高低压腔均不相通，柱塞四、五处于排油状态。受到高压油作用的柱塞一、二通过连杆对偏心轮中心O1各作用一个F力，这两个F力分别对曲轴旋转中心产生转距，推动曲轴旋转。随着曲轴旋转，配油轴也同步旋转，使配油状态发生变化。例如配油转到图44b位置时，柱塞一、二、三处于高压状态，对曲轴中心产生转距，柱塞四、五处于排油状态。当配油转到图44c位置时，柱塞二、三处于高压状态，对曲轴中心产生转距，柱塞四、五处于排油状态，柱塞一处于过渡状态。如此循环往复，推动曲轴连续转动。若将进、出油口交换，液压马达就反转。曲轴连杆液压马达的排量计算：V=d2ez/2 式中 d-柱塞直径；e-曲轴的偏心距；z-柱塞数。为使流量变化均匀，减小输出转距的脉动，柱塞数宜取奇数，一般为5个或7个柱塞。曲轴连杆液压马达的特点：结构比较简单，柱塞所受侧向力小，工作可靠，是应用较多的一种低速液压马达。其缺点：连杆底部与偏心轮之间磨损严重；配油轴与壳体间隙较大，因而泄漏较大。滚针轴承承受较大的径向力，成为容易磨损破坏的薄弱环节。这种低速液压马达最低稳定转速比较高，一般不宜在10r/min以下工作。由于润滑条件差，摩擦力大，所以启动转距也小。只有理论转距的8085。但在具有静压支承的液压马达中，这些现象有所减轻，其最低稳定转速可达到35r/min。2.2.静力平衡式低速大扭距液压马达静力平衡式低速大扭距液压马达静力平衡液压马达与曲轴连杆液压马达比较，主要特点是取消了连杆，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。工作原理如图45所示，静力平衡马达有五个油缸组成，中间是偏心轴又是配油轴5。以主轴心与偏心轴中心的连线O-O为界，上部为进入压力油区，下部为排出低压油区。该型式马达是由液压力直接作用于曲轴偏心轮上，产生如图所示旋转方向的扭矩。液压力作用在偏心轮的弧面上，其合力中心通过偏心轮中心O。由于活塞2与压力环4；压力环4与五星轮3；五星轮3与曲轴偏心轮5之间接合面均都做到静压平衡，所以这些运动副之间没有机械接触的作用力。而这些运动副实际只起密封作用。随着曲轴的旋转，活塞 一、二、三依次向中心移动；活塞是空心的，向中心移动是活塞内的弹簧的预紧力所驱动（图中未画出来）。五星轮、活塞、压力环的静压平衡原理：五星轮的内表面的液压撑开力D与二至三个压力环的液压作用力相平衡。在活塞上的液压作用力可以做成上下相等，但由于作用线不重合，故产生一力偶，此力偶是由活塞与缸体之间机械接触产生一平衡力偶所平衡。由于运动副之间均采用了静压平衡，所以油液的清洁度要求高一些。只有完全静压平衡，五星轮等等零件才处于“悬浮”状态。3.3.多作用内曲线液压马达多作用内曲线液压马达它具有尺寸小、重量轻、起动效率高、最低稳定转速低（1r/min以下）等等特点。高压油输入液压马达后进入配油轴的进油通道，经配油窗口通入处于工作段的各柱塞孔中，柱塞组件底部受到高压油作用，使其顶部滚轮压向定子曲面，同时定子曲面对柱塞组件产生反作用力FN，该力作用在定子曲线与滚轮接触处的法向方向上。力FN可分解为径向力Fp和圆周力 FT，Fp与柱塞底部的液压力相平衡，FT力则克服负载力矩驱动转子2旋转。柱塞组件3随转子旋转的同时沿转子柱塞孔向外伸出，使高压油不断流入柱塞孔。由于定子和配油轴固定不动。当柱塞组件运动到定子曲面的回油段时，便向里退回，将油液通过配油轴排出。柱塞组件处于定子曲面工作段和回油段之间的圆弧过渡面时，柱塞孔与进油、排油通道切断，使高低压腔互不相通。若将马达进排油方向对调，马达将方向旋转。如果把转子固定，使定子和配油轴旋转，就能构成壳转马达。内曲线马达的排量计算V=d2/4 Hxyz 式中 d-柱塞直径； H-柱塞行程；x-作用次数；（6次） y-柱塞排数；z-单排柱塞数。 442 2 液压缸液压缸液压缸按其结构形式，可分为活塞缸、柱塞缸和摆动缸三类。活塞缸和柱塞缸实现往复运动，输出推力和速度，摆动缸则能实现小于360的往复运动，输出转距和角速度。液压缸除单个使用外，还可以几个组合起来或和其它机构组合起来，以完成特殊的功用。一一活塞式液压缸活塞式液压缸活塞式液压缸根据其使用要求不同可分为双出杆式、和单出杆式两种。1.1.双出杆式活塞