认识液压执行元件

液压执行元件是将液体液力能转换为机械能，用以实现工作装置运动的一种装置，通常包括液压缸和液压马达两种形式。液压缸用来实现工作装置的直线往复运动或摆动，液压马达用来实现工作装置的旋转运动。

1.活塞式液压缸的结构原理分析

液压缸又称为油缸，它是液压系统中的一种重要的执行元件，其功能就是将液压能转变成直线往复式的机械运动。液压缸按其结构不同分为活塞缸、柱塞缸和摆动缸三类。工程机械常用活塞缸。

活塞缸用以实现直线运动，输出推力和速度。活塞缸又可分为双杆式和单杆式两种结构，双杆式指的是活塞的两侧都有伸出杆，单杆式指的是活塞的一侧有伸出杆。活塞缸的固定方式有缸体固定和活塞杆固定两种，如图2－19所示。

图2－19　双杆式活塞缸

（a）缸体固定；（b）活塞杆固定

活塞式液压缸根据其使用要求不同可分为双杆式和单杆式两种。

（1）双杆式活塞缸

活塞两端都有一根直径相等的活塞杆伸出的液压缸称为双杆式活塞缸，它一般由缸体、缸盖、活塞、活塞杆和密封件等构成。根据安装方式不同可分为缸筒固定式和活塞杆固定式两种。

图2－19（a）所示为缸筒固定式的双杆活塞缸。它的进、出口布置在缸筒两端，活塞通过活塞杆带动工作台移动，当活塞的有效行程为l时，整个工作台的运动范围为3l，所以机床占地面积大，一般适用于小型机床。当工作台行程要求较长时，可采用如图2－19（b）所示的活塞杆固定的形式，这时缸体与工作台相连，活塞杆通过支架固定在机床上，动力由缸体传出。这种安装形式中，工作台的移动范围只等于液压缸有效行程的两倍（2l），因此占地面积小；进、出油口可以设置在固定不动的空心的活塞杆的两端，但必须使用软管连接。

由于双杆活塞缸两端的活塞杆直径通常是相等的，因此它左、右两腔的有效面积也相等，当分别向左、右腔输入相同压力和相同流量的油液时，液压缸左、右两个方向的推力和速度相等。当活塞的直径为D，活塞杆的直径为d，液压缸进、出油腔的压力为p1和p2，输入流量为q时，双杆活塞缸的推力F和速度v为

式中：A——活塞的有效工作面积。

双杆活塞缸在工作时，一个活塞杆受拉而另一个活塞杆不受力，因此这种液压缸的活塞杆可以做得细些。

（2）单杆式活塞缸

如图2－20所示，单杆式活塞缸中活塞只有一端带活塞杆，其有缸体固定和活塞杆固定两种形式，但它们的工作台移动范围都是活塞有效行程的两倍。

图2－20　单杆式活塞缸

由于液压缸两腔的有效工作面积不同，因此它在两个方向上的输出推力和速度也不同，其值分别为

由于A1＞A2，故F1＞F2，v1＞v2。如把两个方向上的输出速度v2和v1的比值称为速度比，记作λv，则λv＝1－（d／D）2。因此，若已知D和λv，则可确定d值。

差动缸：单杆式活塞缸在其左、右两腔都接通高压油时称为差动连接缸，如图2－21所示。

差动连接缸左、右两腔的油液压力相同，但是由于左腔（无杆腔）的有效面积大于右腔（有杆腔）的有效面积，故活塞向右运动，同时使右腔中排出的油液（流量为q′）也进入左腔，加大了流入左腔的流量（q＋q′），从而也加快了活塞移动的速度。实际上活塞在运动时，由于差动连接时两腔间的管路中有压力损失，所以右腔中油液的压力稍大于左腔中油液压力，而这个差值一般都较小，可以忽略不计，则差动连接时活塞推力F3和运动速度v3为

进入无杆腔的流量为

图2－21　差动缸

由式（2－22）、式（2－23）可知，差动连接时液压缸的推力比非差动连接时小，速度比非差动连接时大，利用这一点，可使在不加大油源流量的情况下得到较快的运动速度，这种连接方式被广泛应用于组合机床的液压动力系统和其他机械设备的快速运动中。如果要求机床往返速度相等，则由式（2－22）和式（2－23）得

即D＝

（3）液压缸拆装训练

①液压缸的拆卸。

第一步：将液压缸两端的端盖与缸筒连接螺栓取下；

微课7　双作用液压缸拆装（上）

第二步：依次取下端盖、活塞组件、端盖与缸筒端面之间的密封圈、缸筒；

第三步：分解端盖、活塞组件等；

第四步：拆除连接件；

第五步：依次取下活塞、活塞杆及密封元件。

②主要零部件分析。

a.缸筒组件：由缸筒、端盖、密封件及连接件等组成。工程机械液压缸的缸筒通常用无缝钢管制成，缸筒内径需较高的加工精度，外部表面可不加工。缸盖一般采用35号、45号钢锻件或ZG35、ZG45铸件。缸筒与端盖的连接形式有法兰式、卡环式、拉杆式、焊接式和螺纹式等，如图2－22所示。

b.活塞组件：活塞组件由活塞、活塞杆、密封元件及其连接件组成。活塞材料通常采用钢或铸铁；活塞杆可用35号、40号钢或无缝钢管制成，为了提高耐磨性和防锈性，活塞杆表面需镀铬并抛光。对挖掘机、推土机或装载机用的液压缸的活塞杆，由于碰撞机会多，故工作表面应先经过高频淬火，然后再镀铬。活塞与活塞杆的连接形式有螺纹连接和卡环式连接等，如图2－23所示。

微课8　双作用液压缸拆装（下）

图2－22　缸筒与端盖的连接形式

（a）法兰式；（b）卡环式；（c）外螺纹式；（d）内螺纹式；（e）拉杆式；（f）焊接式

图2－23　活塞和活塞杆的连接

c.密封装置：液压缸的密封装置的作用是防止油液泄漏。液压缸的密封部位主要指缸筒与端盖、活塞与缸筒、活塞与活塞杆及活塞杆与端盖（或导向套）之间的密封。常见的密封元件有O型密封圈、Y型密封圈、V型密封圈、滑环式组合密封圈和J型防尘圈等。滑环式组合密封圈由聚四氟乙烯滑环和弹性体组成，弹性体有O型和矩形橡胶密封圈两种。此外，滑环与金属的摩擦系数小，因而耐磨。常用的密封方式如图2－24所示，其中图2－24（a）所示为非接触式密封，图2－24（b）～图2－24（d）所示为接触式密封。

图2－24　密封装置

（a）非接触式密封；（b），（c），（d）接触式密封

d.缓冲装置：液压缸一般用以带动质量较大的部件运动，运动速度较快，当活塞运动到液压缸两端时，将与端部发生冲击，产生噪声，甚至严重影响工作精度和引起整个系统及元件损伤。为此在大型、高速或要求较高的液压缸中往往要设置缓冲装置。尽管液压缸中的缓冲装置结构形式很多，但它们的工作原理是相同的，即当活塞运动到接近端部时，增大液压缸回油阻力将使回油腔中产生足够大的缓冲压力，令活塞减速，从而防止活塞撞击缸盖。几种常见的缓冲装置如图2－25所示。

图2－25　缓冲装置

（a）间隙式缓冲装置；（b）可调节流缓冲装置；（c）可变节流缓冲装置

e.排气装置：液压缸在安装过程中或长时间停放重新工作时，液压缸里和管道系统中会渗入空气，为了防止执行元件出现爬行、噪声和发热等不正常现象，需把缸中和系统中的空气排出。一般可在液压缸的最高处设置进出油口把空气带走，也可在最高处设置如图2－26（a）所示的排气孔或专门的排气阀［见图2－26（b）、（c）］。

图2－26　排气装置

1—缸盖；2—排气小孔；3—缸体；4—活塞杆

③液压缸的装配。

a.对待装零件进行合格性检查，特别是运动副的配合精度和表面状态。注意去除所有零件上的毛刺、飞边、污垢，清洗要彻底、干净。

b.在缸筒内表面及密封圈上涂上润滑脂。

c.将活塞组件按结构组装好。将活塞组件装入缸筒内，检查活塞在缸筒内的移动情况，应运动灵活，无阻滞和轻重不均匀现象。

d.将左、右端盖和缸筒组装好。拧紧端盖连接螺钉时，要依次对称地施力，且用力要均匀，要使活塞杆在全长运动范围内可灵活运动。

2.柱塞式液压缸及其他类型液压缸结构原理分析

（1）柱塞缸

图2－27（a）所示为柱塞缸，它只能实现一个方向的液压传动，反向运动要靠外力。若需要实现双向运动，则必须成对使用。如图2－27（b）所示，这种液压缸中的柱塞和缸筒不接触，运动时由缸盖上的导向套来导向，因此缸筒的内壁无须精加工，它特别适用于行程较长的场合。

图2－27　柱塞缸

柱塞缸输出的推力和速度分别为

（2）其他液压缸

①增压液压缸：增压液压缸又称增压器，它利用活塞和柱塞有效面积的不同使液压系统中的局部区域获得高压。它有单作用式和双作用式两种，单作用式增压液压缸的工作原理如图2－28（a）所示，当输入活塞缸的液体压力为p1、活塞直径为D、柱塞直径为d时，柱塞缸中输出的液体压力为高压，其值为

式中：k——增压比，代表其增压程度，k＝D2／d2。

显然增压能力是在降低有效能量的基础上得到的，也就是说增压液压缸仅仅是增大输出的压力，并不能增大输出的能量。(www.xing528.com)

单作用式增压液压缸在柱塞运动到终点时，不能再输出高压液体，需要将活塞退回到左端位置，再向右行时才又输出高压液体。为了克服这一缺点，可采用双作用式增压液压缸，如图2－28（b）所示，其由两个高压端连续向系统供油。

②伸缩缸：伸缩缸由两个或多个活塞缸套装而成，前一级活塞缸的活塞杆内孔是后一级活塞缸的缸筒，伸出时可获得很长的工作行程，缩回时可保持很小的结构尺寸，伸缩缸被广泛用于起重运输车辆上。

伸缩缸可以是如图2－29（a）所示的单作用式，也可以是如图2－29（b）所示的双作用式，前者靠外力回程，后者靠液压回程。

图2－28　增压液压缸

（a）单作用式；（b）双作用式

图2－29　伸缩缸

（a）单作用式；（b）双作用式

伸缩缸的外伸动作是逐级进行的。首先是最大直径的缸筒以最低的油液压力开始外伸，当到达行程终点后，稍小直径的缸筒开始外伸，直径最小的末级最后伸出。随着工作级数变大，外伸缸筒直径越来越小，工作油液压力随之升高，工作速度变快。其值为

式中：下标i——i级活塞缸。

③齿轮缸：它由两个柱塞缸和一套齿条传动装置组成，如图2－30所示。柱塞的移动经齿轮齿条传动装置变成齿轮的传动，用于实现工作部件的往复摆动或间歇进给运动。

3.液压马达结构原理分析

（1）液压马达的概述

动画18　叶片式液压马达图

液压马达的作用是将液压油的压力能转换成旋转的机械能，是液压系统的执行元件。因为液压马达和液压泵在原理上是可逆的，故在结构和原理上有很多类似之处，但由于两者的工作情况不同，故使得两者在结构上也有一些差异。例如：

①液压马达一般需要正反转，所以在内部结构上应具有对称性，而液压泵一般是单方向旋转的，故没有这一要求。

②为了减小吸油阻力、减小径向力，一般液压泵的吸油口比出油口的尺寸大，而液压马达低压腔的压力稍高于大气压力，所以没有上述要求。

图2－30　齿轮缸

动画19　液压马达图

③液压马达要求能在很宽的转速范围内正常工作，因此应采用液动轴承或静压轴承。因为当马达速度很低时，若采用动压轴承，则不易形成润滑膜。

④叶片泵依靠叶片跟转子一起高速旋转而产生的离心力使叶片始终紧贴定子的内表面，起封油作用，形成工作容积。若将其当马达用，则必须在液压马达的叶片根部装上弹簧，保证叶片始终紧贴定子内表面，以便马达能正常启动。

⑤液压泵在结构上需保证具有自吸能力，而液压马达就没有这一要求。

⑥液压马达必须具有较大的启动扭矩。所谓启动扭矩，就是马达由静止状态启动时，马达轴上所能输出的扭矩，该扭矩通常大于在同一工作压差时处于运行状态下的扭矩，所以为了使启动扭矩尽可能接近工作状态下的扭矩，要求马达扭矩的脉动小、内部摩擦小。

通过上述不同的特点，可以看出很多类型的液压马达和液压泵是不能互逆使用的。

（2）液压马达的性能参数

①工作压力与额定压力：马达输入油液的实际压力称为马达的工作压力，其大小取决于马达的负载。马达进口压力与出口压力的差值称为马达的压差。

按试验标准规定，能使马达连续正常运转的最高压力称为马达的额定压力。

②排量、流量、转速和容积效率：习惯上将马达的轴每转一周，按几何尺寸计算所进入的液体的容积，称为马达的排量V，有时也称为几何排量、理论排量，即不考虑泄漏损失时的排量。根据液压动力元件的工作原理可知，马达转速n、理论流量qmt与排量V之间具有下列关系：

为了满足转速要求，马达实际输入流量qm应大于理论输入流量，故有

式中：Δq——泄漏量。

马达的理论流量qmt与马达实际输入流量qm之比为马达的容积效率：

马达转速：

③液压马达机械效率和转矩。

液压马达的机械效率为

设马达进、出口间的工作压差为Δp，则马达的理论功率pmt（当忽略能量损失时）的表达式为

因而有

将式（2－34）代入式（2－36），可得液压马达的输出转矩公式为

由式（2－37）可知，在机械效率一定的情况下，提高输出转矩的主要途径就是提高工作压力和增加排量。但由于工作压力的提高受到结构形式、强度、磨损泄漏等因素的限制，因此在压力一定的情况下，要求液压马达具有较大的输出转矩。

④液压马达的功率与总效率：马达的输入功率为Pmi＝ΔPqm，输出功率为Pmo＝2πnTm，马达的总效率η为输出功率Pmo与输入功率Pmi的比值，即

由式（2－38）可见，液压马达的总效率与液压泵的总效率一样，等于机械效率与容积效率的乘积。

（3）液压马达的分类及工作原理

液压马达按其额定转速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。它们的主要特点是转速较高、转动惯量小、便于启动和制动、调速和换向的灵敏度高。通常高速液压马达的输出转矩不大（仅几十N·m到几百N·m），所以又称为高速小转矩液压马达。

低速液压马达的基本形式是径向柱塞式，此外在轴向柱塞式、叶片式和齿轮式中也有低速的结构形式。低速液压马达的主要特点是排量大、体积大、转速低（有时可达每分钟几转甚至零点几转），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矩较大（可达几千N·m到几万N·m），所以又称为低速大转矩液压马达。

液压马达也可按其结构类型来分类，可以分为齿轮式、叶片式、柱塞式和其他形式。

常用液压马达的结构与同类型的液压泵很相似，下面对叶片马达、轴向柱塞马达和摆动马达的工作原理进行介绍。

①叶片马达。

图2－31所示为叶片马达的工作原理。

图2－31　叶片马达的工作原理

1，2，3，4，5，6，7，8—叶片

当压力为p的油液从进油口进入叶片1和3之间时，叶片2因两面均受液压油的作用，所以不产生转矩。在叶片1、3上，一面作用有高压油，另一面作用低压油。由于叶片3伸出的面积大于叶片1伸出的面积，因此作用于叶片3上的总液压力大于作用于叶片1上的总液压力，于是压力差使转子产生顺时针的转矩。同样道理，压力油进入叶片5和7之间时，叶片7伸出的面积大于叶片5伸出的面积，也产生顺时针转矩，这样就把油液的压力能转变成了机械能，这就是叶片马达的工作原理。当输油方向改变时，液压马达就反转。

叶片马达的体积小，转动惯量小，因此动作灵敏，可适应的换向频率较高。但泄漏较大，不能在很低的转速下工作，因此叶片马达一般用于转速高、转矩小和动作灵敏的场合。

②轴向柱塞马达。

轴向柱塞马达的结构形式基本上与轴向柱塞泵一样，故其种类与轴向柱塞泵相同，也分为直轴式轴向柱塞马达和斜轴式轴向柱塞马达两类。斜盘式轴向柱塞马达的工作原理如图2－32所示。

图2－32　斜盘式轴向柱塞马达的工作原理

当压力油进入液压马达的高压腔之后，工作柱塞便受到pA（p为油压力，A为柱塞面积）的油压作用，通过滑靴压向斜盘，其反作用力为N，N沿水平和竖直方向分解成两个力，即沿柱塞轴向的分力p和与柱塞轴线垂直的分力F，其中p与柱塞所受液压力平衡；分力F与柱塞轴线垂直向上，它使柱塞对缸体中心产生一个转矩，带动马达逆时针旋转。

一般来说，轴向柱塞马达都是高速马达，输出扭矩小，因此必须通过减速器来带动工作机构。如果我们能使液压马达的排量显著增大，也就可以使轴向柱塞马达做成低速大扭矩马达。

③摆动马达。

摆动液压马达的工作原理如图2－33所示，图2－33（a）所示为单叶片摆动马达，若从油口Ⅰ通入高压油，则叶片做逆时针摆动，低压力从油口Ⅱ排出。因叶片与输出轴连在一起，故在帮输出轴摆动的同时输出转矩、克服负载。

此类摆动马达的工作压力小于10 MPa，摆动角度小于280°。由于径向力不平衡，故叶片和壳体、叶片和挡块之间密封困难，限制了其工作压力的进一步提高，从而也限制了输出转矩的进一步提高。

图2－33（b）所示为双叶片式摆动马达，在径向尺寸和工作压力相同的条件下，其输出转矩是单叶片式摆动马达输出转矩的2倍，但回转角度要相应减少，双叶片式摆动马达的回转角度一般小于120°。

图2－33　摆动液压马达的工作原理及符号