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1、第第3章液压执行元件章液压执行元件及辅助元件及辅助元件现在学习的是第1页，共73页 3.1 液压缸液压缸 3.1.1 液压缸分类液压缸分类液液压压缸缸可可分分为为单单作作用用式式液液压压缸缸和和双双作作用用式式液液压压缸缸两两类类。单单作作用用式式液液压压缸缸又又可可分分为为无无弹弹簧簧式式、附附弹弹簧簧式式、柱柱塞塞式式三三种种，如如图图3-1所所示示；双双作作用用式式液液压压缸缸又又可可分分为为单杆形，双杆形两种，如图单杆形，双杆形两种，如图3-2所示。所示。现在学习的是第2页，共73页图3-1 单作用液压缸现在学习的是第3页，共73页图3-2 双作用式液压缸(a)单杆形；(b)双杆形 现
2、在学习的是第4页，共73页3.1.2 液压缸结构液压缸结构 如如图图 3-3所所示示为为液液压压缸缸，它它由由缸缸筒筒、盖盖板板、活活塞塞、活活塞塞杆杆、缓缓冲冲装装置置、放放气气装装置置和和密密封封装装置置等等组组成成。选选用用液液压压缸缸时时，首首先先应应考考虑虑活活塞塞杆杆的的长长度度(由由行行程程决决定定)，再再根据回路的最高压力选用适合的液压缸。根据回路的最高压力选用适合的液压缸。图图3-3 液压缸结构液压缸结构(a)外观；外观；(b)结构；结构；(c)职能符号职能符号 现在学习的是第5页，共73页(1)缸缸筒筒。缸缸筒筒主主要要由由钢钢材材制制成成。缸缸筒筒内内要要经经过过精精细细
3、加加工，表面粗糙度工，表面粗糙度RaA2，所以v1F2。图3-5 单杆活塞缸 现在学习的是第14页，共73页图图3-6所所示示为为单单杆杆活活塞塞的的另另一一种种联联结结方方式式。它它把把右右腔腔的的回回油油管管道道和和左左腔腔的的进进油油管管道道接接通通。这这种种联联结结方方式式称为差动联结。称为差动联结。活塞前进的速度活塞前进的速度v及推力及推力F为为则有(3-8)(3-9)现在学习的是第15页，共73页图3-6 差动缸 现在学习的是第16页，共73页3.1.4 其他液压缸其他液压缸1.摆动缸摆动缸 摆摆动动式式液液压压缸缸也也称称摆摆动动马马达达。当当它它通通入入液液压压油油时时，它的主
4、轴输出小于它的主轴输出小于360的摆动运动。的摆动运动。如如图图3-7(a)所所示示为为单单叶叶片片式式摆摆动动缸缸，它它的的摆摆动动角角度度较较大大，可可达达300。当当摆摆动动缸缸进进、出出油油口口压压力力为为p1和和p2，输输入入流量为流量为Q时，它的输出转矩时，它的输出转矩T和角速度和角速度为为(3-10)(3-11)现在学习的是第17页，共73页 式式中中，b为为叶叶片片的的宽宽度度，R1，R2为为叶叶片片底底部部和和顶顶部部的的回转半径。回转半径。图图3-7(b)所所示示为为双双叶叶片片式式摆摆动动缸缸，它它的的摆摆动动角角度度和和角角速速度度为为单单叶叶片片式式的的一一半半，而而
5、输输出出转转矩矩是是单单叶叶片片式式的的两两倍倍。如如3-7(c)所示为摆动缸的职能符号。所示为摆动缸的职能符号。图3-7 摆动缸(a)单片式摆动缸；单片式摆动缸；(b)双叶片式摆动缸；双叶片式摆动缸；(c)职能符号职能符号 现在学习的是第18页，共73页2.增压缸增压缸在在某某些些短短时时或或局局部部需需要要高高压压的的液液压压系系统统中中，常常用用增增压压缸缸与与低低压压大大流流量量泵泵配配合合作作用用，单单作作用用增增压压缸缸的的工工作作原原理理如如图图3-8(a)所所示示，输输入入低低压压力力为为p1的的液液压压油油，输输出高压力为出高压力为p2的液压油，增大的压力关系为的液压油，增大
6、的压力关系为 单单作作用用增增压压缸缸不不能能连连续续向向系系统统供供油油。如如图图3-8(b)所所示示为为双双作作用用式式增增压压缸缸，可可由由两两个个高高压压端端连连续续向向系系统统供供油。油。(3-12)现在学习的是第19页，共73页图3-8 增压缸(a)单作用式增压缸；(b)双作用式增压缸现在学习的是第20页，共73页3.伸缩缸伸缩缸如如图图3-9所所示示，伸伸缩缩式式液液压压缸缸由由两两个个或或多多个个活活塞塞式式液液压压缸缸套套装装而而成成，前前一一级级活活塞塞缸缸的的活活塞塞是是后后一一级级活活塞塞缸缸的的缸缸筒筒，可可获获得得很很长长的的工工作作行行程程。伸伸缩缩缸缸可可广广泛
7、泛用用于于起起重重运运输输车车辆辆上上。如如图图3-9(a)所所示示是是单单作作用用式式伸伸缩缩缸缸，图图3-9(b)是双作用式伸缩缸。是双作用式伸缩缸。现在学习的是第21页，共73页图3-9 伸缩缸(a)单作用式伸缩缸；(b)双作用式伸缩缸现在学习的是第22页，共73页4.齿轮缸齿轮缸如如图图3-10所所示示为为齿齿轮轮缸缸。它它由由两两个个柱柱塞塞和和一一套套齿齿轮轮齿齿条条传传动动装装置置组组成成，当当液液压压油油推推动动活活塞塞左左右右往往复复运运动动时时，齿齿条条就就推推动动齿齿轮轮往往复复转转动动，从从而而由由齿齿轮轮驱驱动动工工作作部部件件作作往复旋转运动。往复旋转运动。图3-1
8、0 齿轮缸现在学习的是第23页，共73页3.2 液压马达液压马达 3.2.1 液压马达分类及特点液压马达按其结构类型来分，可以分为齿轮式、叶片式、柱塞式等形式；也可按液压马达的额定转速分，可分为高速和低速两大类：额定转速高于500 r/min的属于高速液压马达，额定转速低于500 r/min的属于低速液压马达。高速液压马达的基本形式有齿轮式、螺杆式、叶片式和轴向柱塞式等。高速液压马达的主要特点是转速高，转动惯量小，便于启动和制动等。通常高速液压马达输出转矩不大（仅几十牛米到几百牛米），所以又称为高速小转矩马达。现在学习的是第24页，共73页低速液压马达的基本形式是径向柱塞式，低速液压马达的主要
9、特点是排量大，体积大，转速低（几转甚至零点几转每分钟），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。3.2.2 液压马达职能符号液压马达职能符号如图3-11所示。现在学习的是第25页，共73页图3-11 液压马达的职能符号(a)单向定量液压马达；(b)单向变量液压马达；(c)双向定量液压马达；(d)双向变量液压马达 现在学习的是第26页，共73页3.2.3 液压马达参数计算因为理论上液压马达输入、输出功率相等，所以有如下关系：pQac=Tth (3-13)即有pqn=Tth2n (3-14)式中，Qac表示输入液压马达的实际流量（m3/min）；表示马达角速度(r/mi
10、n)；Tth表示理论转矩(Nm)；p表示马达的输入压力与马达出口压力差（Pa）。现在学习的是第27页，共73页所以有式中，Tac表示液压马达实际输出转矩（Nm）；q表示马达排量（m3/r）;m表示液压马达的机械效率。式中，n表示马达转速（r/min）；V表示液压马达的容积效率。(3-15)(3-16)（3-17）现在学习的是第28页，共73页（3-18）式中，Pr表示液压马达输出功率。现在学习的是第29页，共73页3.3 液压辅助元件液压辅助元件 3.3.1 油箱油箱的主要功能是储存油液，此外，还有散热(以控制油温)，阻止杂质进入，沉淀油中杂质，分离气泡等功能。油箱容量如果太小，就会使油温上升
11、。油箱容量一般设计为泵每分钟流量的24倍，或所有管路及元件均充满油，且油面高出过滤器50100 mm，而液面高度只占油箱高度的80%时的油箱容积。现在学习的是第30页，共73页1)油箱形式油箱可分为开式和闭式两种，开式油箱中油的油液面和大气相通，而闭式油箱中的油液面和大气隔绝。液压系统中大多数采用开式油箱。2)油箱结构开式油箱大部分是由钢板焊接而成的，图3-12所示为工业上使用的典型焊接式油箱3)隔板及配管的安装位置 隔板装在吸油侧和回油侧之间，如图3-13所示，以起到沉淀杂质、分离气泡及散热的作用。现在学习的是第31页，共73页图3-12 焊接式油箱现在学习的是第32页，共73页图3-13
12、隔板的位置 现在学习的是第33页，共73页油箱中常见的配油管有回油管、吸油管及排泄管等，有关安装尺寸见图3-14所示。吸油管的口径应为其余供油管径的1.5倍，以免泵吸入不良。回油管末端要浸在液面下，且其末端切成45倾角并面向箱壁，以使回油冲击箱壁而形成回流，这样有利于冷却油温和沉淀杂质。系统中排泄管应尽量单独接入油箱。各类控制阀的排泄管端部应在液面以上，以免产生背压；泵和马达的外泄油管其端部应在液面之下，以免吸入空气。现在学习的是第34页，共73页图3-14 配管的安装及尺寸 现在学习的是第35页，共73页4)附设装置为了监测液面，油箱侧壁应装油面指示计。为了检测油温，一般在油箱上装温度计，且
13、温度计直接浸入油中。在油箱上亦装有压力计，可用以指示泵的工作压力。3.3.2 滤油器1.滤油器的结构滤油器（filter）一般由滤芯(或滤网)和壳体构成。其通流面积由滤芯上无数个微小间隙或小孔构成。当混入油中的污物（杂质）大于微小间隙或小孔时，杂质被阻隔而滤清出来。若滤芯使用磁性材料时，则可吸附油中能被磁化的铁粉杂质。现在学习的是第36页，共73页滤油器可以安装在油泵的吸油管路上或某些重要零件之前，也可安装在回油管路上。滤油器可分成液压管路中使用的和油箱中使用的两种。油箱内部使用的滤油器亦称为滤清器和粗滤器，是用来过滤掉一些太大的，容易造成泵损坏的杂质（在0.1mm3以上）的，图3-15为壳装
14、滤清器（strainer），装在泵和油箱吸油管途中。如图3-16所示为无外壳滤清器，安装在油箱内，拆装不方便，但价格便宜。现在学习的是第37页，共73页图3-15 壳装滤清器(a)结构；(b)职能符号现在学习的是第38页，共73页图3-16 无外壳滤清器(a)外观；(b)结构；(c)职能符号现在学习的是第39页，共73页 管用滤油器有压力管用滤油器及回油管用滤油器。如图3-17所示为压力管用滤油器，因要受压力管路中的高压力，所以耐压力问题必须考虑；回油管用滤油器是装在回油管路上的，压力低，只需注意冲击压力的发生即可。就价格而言，压力管用滤油器较回油管用滤油器贵出许多。现在学习的是第40页，共7
15、3页图3-17 压力管用滤油器(a)外观；(b)结构现在学习的是第41页，共73页2.滤油器的选用选用滤油器时应考滤到如下问题：(1)过滤精度。原则上大于滤芯网目的污染物是不能通过滤芯的。滤油器上的过滤精度常用能被过滤掉的杂质颗粒的公称尺寸大小来表示。系统压力越高，过滤精度越低。表3-1为液压系统中建议采用的过滤精度。(2）液压油通过的能力。液压油通过的流量大小和滤芯的通流面积有关。一般可根据要求通过的流量选用相对应规格的滤油器。（为降低阻力，滤油器的容量为泵流量的2倍以上。)现在学习的是第42页，共73页表3-1 建议采用的过滤精度 现在学习的是第43页，共73页(3）耐压。选用滤油器时必须
16、注意系统中冲击压力的发生。而滤油器的耐压包含滤芯的耐压和壳体的耐压。一般滤芯的耐压为0.010.1 MPa，这主要靠滤芯有足够的通流面积，使其压降小，以避免滤芯被破坏。滤芯被堵塞，压降便增加。必须注意：滤芯的耐压和滤油器的使用压力是不同的，当提高使用压力时，要考虑壳体是否承受得了，而与滤芯的耐压无关。现在学习的是第44页，共73页3.滤油器的安装位置如图3-18所示为液压系统中滤油器的几种可能安装位置。图3-18 滤油器的安装位置现在学习的是第45页，共73页 (1)滤油器（滤清器）1：安装在泵的吸入口，其作用如前文所述。(2)滤油器2：安装在泵的出口，属于压力管用滤油器，用来保护泵以外的其他
17、元件。一般装在溢流阀下游的管路上或和安全阀并联，以防止滤油器被堵塞时泵形成过载。(3)滤油器3：安装在回油管路上，属于回油管用滤油器，此滤油器的壳体耐压性可较低。现在学习的是第46页，共73页(4)滤油器4：安装在溢流阀的回油管上，因其只通泵部分的流量，故滤油器容量可较小。如滤油器2、3的容量相同，则通过流速降低，过滤效果会更好。(5)滤油器5：为独立的过滤系统，其作用是不断净化系统中的液压油，常用在大型的液压系统里。3.3.3 空气滤清器为防止灰尘进入油箱，通常在油箱的上方通气孔装有空气滤清器。有的油箱利用此通气孔当注油口，如图3-19所示为带注油口的空气滤清器。空气滤清器的容量必须能使当液
18、压系统达到最大负荷状态时，仍能保持大气压力的程度。现在学习的是第47页，共73页图3-19 带注油口的空气滤清器(a)外观；(b)结构；(c)职能符号现在学习的是第48页，共73页3.3.4 油冷却器液压油的工作温度以40 60 为宜，最高不得大于60，最低不得低于15，液压系统在运转时难免会有能量损失，其损失大部分变成了热量。热量一小部分由元件或管路等表面散掉了，另外大部分被液压油带回油箱而促使油温上升。油温如超过60，将加速液压油的恶化，促使系统性能下降。如果油箱的表面散热量能够和所产生的热量相平衡，那么油温就不会过高，否则必须加油冷却器来抑制油温的上升。现在学习的是第49页，共73页一般
19、说来，由于油箱散热面积不够，必须采用油冷却器来抑制油温有如下三个原因：(1）因机械整体的体积和空间使油箱的大小受到限制。(2）因经济原因，需要限制油箱的大小等。(3）要把液压油的温度控制得更低。油冷却器可分成水冷式和气冷式两大类。1.水冷式油冷却器水冷式油冷却器通常采用壳管式（shellandtube type）油冷却器。它是由一束小管子（冷却管）装置在一个外壳里所构成的。现在学习的是第50页，共73页壳管式油冷却器有多种形式，但一般都采用直管形油冷却器，如图3-20所示。其构造是把直管冷却管装在一外壳内，两端再用可移动的端盖（管帽）封闭，金属隔板装置在内，使液压油产生垂直于冷却管流动以加强热
20、的传导。冷却管通常由小直径管子组成（1）。材料可用铝、钢、不锈钢等无缝钢管，但为增加热传效果，一般采用铜管，并在铜管上滚牙以增进散热面积。冷却管的安装分为固定式安装和可移动式安装两种。可移动式冷却器可由外壳中抽出来清洗或修理；固定式冷却器被固定在内不能取出。冷却器的外壳是由230开口的管子构成的，材料可用铝、铜或不锈钢管等。现在学习的是第51页，共73页图3-20 水冷式直管型油冷却器 (a)外观；(b)结构现在学习的是第52页，共73页2.气冷式油冷却器气冷式冷却器的构造如图3-21所示，由风扇和许多带散热片的管子所构成。油在冷却管中流动，风扇使空气穿过管子和散热片表面，以冷却液压油。其冷却
21、效率较水冷低，但如果在冷却水不易取得或水冷式油冷却器不易安装的场所，有时还必须采用气冷式，尤以行走机械的液压系统使用较多。现在学习的是第53页，共73页图3-21 气冷式油冷却器现在学习的是第54页，共73页3.油冷却器安装的场所油冷却器安装在热发生体附近，且液压油流经油冷却器时，压力不得大于1 MPa。有时必须用安全阀来保护，以使它免于高压的冲击而造成损坏。一般将油冷却器安装在如下一些场所：(1）热发生源，如溢流阀附近，如图3-22所示。(2）发热为配管的磨擦阻抗产生热以及外来的辐射热，常把油冷却器装在配管的回油侧，如图3-23所示。图中切断阀为保养用，方便油冷却器拆装。单向阀在防止油冷却器
22、受各自机器的冲击力的破坏以及在大流量时，仅让需要流量通过油冷却器。现在学习的是第55页，共73页图3-22 冷却溢流阀流出来的油的回路 现在学习的是第56页，共73页图3-23 冷却溢流阀流出来的油的回路 现在学习的是第57页，共73页(3）当液压装置很大且运转的压力很高时，使用独立的冷却系统，如图3-24所示。图3-24 独立冷却回路现在学习的是第58页，共73页4.油冷却器的冷却水 为防止冷却器累积过多的水垢而影响热交换效率，可在冷却器内装一滤油器。冷却水要用清洁的软水。3.3.5 蓄能器 1.蓄能器（accumulators）功用 蓄能器是液压系统中的一种储存油液压力能的装置，其主要功用
23、如下：(1)作辅助动力源。(2)保压和补充泄漏。(3)吸收压力冲击和消除压力脉动。现在学习的是第59页，共73页2.蓄能器的分类和选用蓄能器有弹簧式、重锤式和充气式三类。常用的是充气式，它利用气体的压缩和膨胀储存、释放压力能，在蓄能器中，气体和油液被隔开，而根据隔离的方式不同，充气式又分为活塞式、皮囊式和气瓶式等三种。下面主要介绍常用的活塞式和皮囊式两种蓄能器。1)活塞式蓄能器如图3-25(a)所示为活塞式蓄能器，用缸筒2内浮动的活塞l将气体与油液隔开，气体(一般为惰性气体氮气)经充气阀3进入上腔，活塞1的凹部面向充气阀，以增加气室的容积，蓄能器的下腔油口a充液压油。现在学习的是第60页，共7
24、3页 图3-25 充气式蓄能器(a)活塞式；(b)皮囊式；(c)职能符号现在学习的是第61页，共73页2)皮囊式蓄能器如图3-25(b)所示为皮囊式蓄能器，采用耐油橡胶制成的气囊2内腔充入一定压力的惰性气体，气囊外部液压油经壳体1底部的限位阀4通入，限位阀还保护皮囊不被挤出容器之外。此蓄能器的气、液是完全隔开的，皮囊受压缩储存压力能的影响，其惯性小，动作灵敏，适用于储能和吸收压力冲击，工作压力可达32 MPa。如图3-25(c)所示为蓄能器的职能符号。现在学习的是第62页，共73页3.3.6 油管与管接头1.油管油管材料可用金属或橡胶，选用时由耐压、装配的难度来决定。吸油管路和回油管路一般用低
25、压的有缝钢管，也可使用橡胶和塑料软管，但当控制油路中流量小时，多用小铜管，考虑配管和工艺方便，在中、低压油路中也常使用铜管，高压油路一般使用冷拔无缝钢管，必要时也采用价格较贵的高压软管。高压软管是由橡胶中间加一层或几层钢丝编织网制成的。高压软管比硬管安装方便，且可以吸收振动。现在学习的是第63页，共73页管路内径的选择主要考虑降低流动时的压力损失。对于高压管路，通常流速在34 m/s范围内，对于吸油管路，考虑泵的吸入和防止气穴，通常流速在0.61.5 m/s范围内。在装配液压系统时，油管的弯曲半径不能太小，一般应为管道半径的35倍。应尽量避免小于90弯管，平行或交叉的油管之间应有适当的间隔，并
26、用管夹固定，以防振动和碰撞。现在学习的是第64页，共73页2.管接头管接头有焊接接头、卡套式接头、扩口接头、扣压式接头、快速接头等几种形式，如图3-26至图3-30所示，一般由具体使用需要来决定采用何种连接方式。图3-26 焊接管接头现在学习的是第65页，共73页图3-27 卡套管接头 现在学习的是第66页，共73页 图3-28 扩口管接头现在学习的是第67页，共73页图3-29 扣压式胶管接头 现在学习的是第68页，共73页图3-30 快速接头 现在学习的是第69页，共73页思考题与习题思考题与习题3-1 简述液压缸的分类。3-2 液压缸由哪几部分组成？3-3 哪种液压马达属于高速低扭矩马达
27、？哪些液压马达属于低速高扭矩马达？3-4 简述油箱以及油箱内隔板的功能。3-5 油箱上装空气滤清器的目的是什么？现在学习的是第70页，共73页3-6 根据经验，开式油箱有效容积为泵流量的多少倍？3-7 滤油器在选择时应该注意哪些问题？3-8 简述液压系统中安装冷却器的原因。3-9 油冷却器依冷却方式分为哪两大类？3-10 简述蓄能器的功能。3-11 蓄能器有哪几类？常用的是哪一类？3-12 如题图3-12所示，试分别计算图3-12(a)、图3-12(b)中的大活塞杆上的推力和运动速度。现在学习的是第71页，共73页题图3-12 现在学习的是第72页，共73页3-13 某一差动液压缸，求在（1）v快 进=v快 退，（2）v快进=2v快退两种条件下活塞面积A1和活塞杆面积A2之比。3-14 单叶片摆动液压马达的供油压力p1=2MPa，供油流量Q=25L/min，回油压力p2=0.3MPa，缸体内径D=240 mm，叶片安装轴直径d=80mm，设输出轴的回转角速度=0.7rad/s，试求叶片的宽度b和输出轴的转矩T。3-15 已知某液压马达的排量q=250mL/r，液压马达入口压力为p1=10.5MPa，出口压力p2=1.0Ma，其总效率=0.9，容积效率V=0.92，当输入流量Q=22L/min时，试求液压马达的实际转速n和液压马达的输出转矩T。现在学习的是第73页，共73页