第4章 液壓執行元件及選用

4.1?液壓馬達

液壓馬達是將輸入的液體壓力能轉換成機械能的能量轉換裝置,常置于液壓系統的輸出端,直接或間接驅動負載連續回轉而做功。因此,液壓馬達的輸入參量為液壓參量(壓力p和流量q),輸出參量為機械參量(轉矩T和轉速n)。液壓馬達工作條件對主要性能的要求:①液壓馬達對負載產生輸出轉矩,注重機械效率;②液壓馬達輸出軸要求正、反向旋轉,許多液壓馬達還要求能以泵方式運轉以達到制動的目的,結構要求對稱;③液壓馬達工作時要求轉速范圍較寬,特別對低速穩定性要求高;④液壓馬達在低速甚至零速下要求輸出高壓的液流;⑤液壓馬達在輸入壓力油的條件下工作,不必具備自吸能力,但應該有一定的初始密封以提供足夠的啟動轉矩;⑥許多液壓馬達直接裝在輪子上或與帶輪、鏈輪、齒輪相連時,其主軸承受較高的徑向載荷;⑦液壓馬達可以長期空運轉或停止運轉,可能要遭受頻繁的溫度沖擊。

4.1.1　液壓馬達的分類

液壓馬達按轉速和結構形式分類如下:

液壓馬達的一般圖形符號如圖4?1所求。

4.1.2　液壓馬達的工作原理

液壓馬達和液壓泵在結構上基本相同,其作用原理是互逆的。由于二者的任務和要求不同,因而,除少數泵可作為馬達用以外,大部分液壓馬達在結構上與同種類型的液壓泵是不同的。當輸入壓力油時,馬達軸旋轉以驅動負載。

下面以軸向柱塞式液壓馬達為例說明液壓馬達的工作原理。在圖4?2中,當壓力油輸入時,處在高壓腔中的柱塞2被頂出,壓在斜盤1上。設斜盤作用在柱塞上的反力為FN,FN可分解為兩個力,軸向分力F和作用在柱塞上的液壓作用力相平衡,另一個分力FT使缸體3產生轉矩。設柱塞和缸體的垂直中心線成φ角,則此柱寬產生的轉矩為

式中,R為柱塞在缸體中的分布圓半徑。而液壓馬達發出的轉矩應是處于高壓腔柱塞產生轉矩的總和,即

隨著角φ的變化,柱塞產生的轉矩也發生變化,故液壓馬達產生的總轉矩也是脈動的,它的脈動情況和討論泵流量脈動時的情況相似。

4.1.3　液壓馬達的主要技術參數和計算公式

(1)液壓馬達的主要參數

①　排量(m3/r,常用單位為mL/r)和流量(m3/s,常用單位為L/min)

a.排量V：馬達軸每轉一轉,由其密封容腔幾何尺寸變化量計算而得的輸入液體的體積,又稱理論排量、幾何排量。

b.理論流量qt：在單位時間內為產生指定轉速,密封容腔幾何尺寸變化所需要輸入液體的體積,工程上又稱空載流量。

c.實際流量q：在實際工作條件下,馬達入口處實際輸入的流量。

②　壓力(差)(Pa,常用單位為MPa)

a.額定壓力pn：在正常工作條件下,按試驗標準規定能連續運轉的最高輸入壓力。

b.最高壓力pmax：按試驗標準規定,允許短暫運行的最高輸入壓力。

c.工作壓力p：在實際工作條件下,馬達入口處的實際輸入壓力。

d.壓力差：輸入壓力與輸出壓力之差值。

③　轉矩(N·m)

a.理論轉矩Tt：液體壓力作用于馬達轉子所形成的液壓轉矩。

b.實際轉矩T：馬達的理論轉矩克服摩擦轉矩后實際輸出的轉矩。

④?功率(W,常用單位為kW)

a.輸入功率Pi：馬達入口處輸入的液壓功率,其值為實際輸入流量與工作壓力差的乘積。

b.輸出功率Po：液壓馬達輸出軸上實際輸出的機械功率。

⑤　效率

a.容積效率ηv：理論流量與實際輸入流量的比值。

b.機械效率ηm：實際輸出轉矩與理論轉矩的比值。

c.總效率η：輸出機械功率與輸入液壓功率的比值。

⑥　轉速(r/s,常用單位r/min)

a.額定轉速nn：在額定壓力下,能連續長時間正常運轉的最高轉速。

b.最高轉速nmax：在額定壓力下,超過額定轉速而允許短暫正常運轉的最高轉速。　

c.最低轉速nmin：能正常運轉(不出現爬行現象)的最低轉速。

(2)液壓馬達的常用計算公式

液壓馬達主要參數的常用計算公式見表4?1。

4.1.4　齒輪馬達

(1)齒輪馬達的工作原理和主要特點

齒輪馬達一般為外嚙合齒輪馬達。它的工作原理和主要特點見表4?2。

表4?2　齒輪馬達的工作原理和主要特點

外嚙合齒輪馬達有中壓和高壓兩種典型結構。

高壓外嚙合齒輪馬達如圖4?3所示。這種馬達具有軸向和徑向間隙都可自動補償的特點。齒輪1和10的齒頂與殼體8不接觸,只在低壓區附近一個小范圍內(二個齒)與徑向間隙密封塊2接觸(反轉時則2'起同樣作用),通過密封塊2形成徑向間隙的自動補償作用。浮動軸套7和11(兼作滾針軸承座),可進行軸向間隙的自動補償。O形密封圈4的作用是從軸向將低壓區限制在一個很小的范圍內,從而限制軸套背面的受壓面積,達到使軸套兩面所受液壓力基本平衡的目的,反轉時,O形密封圈4'起同樣作用。這種馬達由于在軸向和徑向都減少了摩擦面,因而提高了機械效率和輸出轉矩,改善了啟動性能。

(3)齒輪馬達產品介紹

①　型號說明

③　外形和安裝尺寸

a.　CMG2系列齒輪馬達:CMG(2040~2100)系列齒輪馬達外形及安裝尺寸見表4?4。

b. CMG3系列齒輪馬達:CMG3系列齒輪馬達外形及安裝尺寸見表4?5。

c.　CM?C系列齒輪馬達:CM?C系列齒輪馬達外形及安裝尺寸見表4?6。

d. CM?D系列齒輪馬達　CM?D系列齒輪馬達外形及安裝尺寸見表4?7。

4.1.5　葉片馬達

(1)葉片馬達的工作原理和主要特點

葉片馬達一般為雙作用葉片馬達。它們的工作原理和主要特點見表4?8。

表4?8　葉片馬達的工作原理及主要特點

定量葉片馬達的結構與雙作用葉片泵相似,其典型結構如圖4?4所示。與雙作用葉片泵的不同之處:葉片沿轉子的徑向安裝(安裝角θ=0°),葉片頂端雙向對稱倒角,以適應雙向回轉的要求;燕式彈簧5用銷4固定在轉子的兩端面,將葉片推出,使其始終與定子表面接觸,以防啟動時高、低壓油腔串通;葉片根部通入進油口的壓力油,以保證葉片能與定子表面可靠接觸(因葉片頂部存在反推油壓);還用了一組特殊結構的單向閥(圖中1、2、3,右下圖是其原理圖),以保證變換進出油口(反轉)時葉片根部始終通以進油口的壓力油,確保任何時候葉片都不脫離定子表面。

YMF系列葉片馬達的額定壓力為16MPa,圖4?5是其結構原理。其主要特點是采用了四作用結構和定子配流結構,定子上裝有四個滑動葉片(底部裝有彈簧),將高壓區與低壓區隔開;轉子上的所有葉片底部都裝有彈簧,保證任何時候葉片都緊貼于定子內表面上。該馬達體積小、排量大,輸出轉矩大。

(3)葉片馬達產品介紹

型號說明如下。

①名稱:葉片馬達(YM);②系列:A;③排量，mL/r;④壓力等級，MPa:B—2.5~8;⑤安裝方式:F——法蘭安裝,J——腳架安裝;⑥連接形式:F——法蘭連接,L—螺紋連接。

①名稱:葉片馬達(YM);②排量，mL/r。

YM型葉片馬達的技術參數見表4?9。

YMF?E系列馬達的外形及安裝尺寸見圖4?6。

YM型葉片馬達的外形及安裝尺寸見表4?10。

4.1.6　柱塞馬達

(1)概述

柱塞馬達是通過圓柱形的柱塞上的液壓推力經斜盤機構或連桿機構轉換為輸出軸的轉矩的。其主要工作構件是柱塞和缸體,它們均是易于加工的圓柱形,容易保證精密的間隙配合,因而能保證在高壓下仍有較高的容積效率,因此,柱塞馬達一般都制成高壓系列。柱塞馬達一般都是可逆的(小部分為不可逆)。按柱塞的排列與運動方向,柱塞馬達可以分成軸向柱塞式和徑向柱塞式,前者的柱塞與傳動軸平行或相交成一銳角,后者柱塞與傳動軸垂直。

(2)柱塞馬達的配流方式和主要特點

柱塞馬達的配流方式一般有兩種:端面配流、軸配流。柱塞馬達的配流方式及其主要特點見表4?11。

(3)軸向柱塞馬達

①?工作原理和主要特點　?軸向柱塞馬達可分為斜盤式和斜軸式,斜盤式馬達的柱塞中心線與傳動軸線平行且靠斜盤作用使柱塞作軸向往復運動,斜軸式馬達的柱塞中心線與傳動軸線相交(夾角不大于40°);斜盤式馬達分為通軸式、不通軸式、滑履式和點接觸式;斜軸式馬達按傳動形式可分為雙鉸式、無鉸式、無連桿式和有連桿式等。它們的工作原理和主要特點見表4?12。

②?典型結構　?軸向柱塞泵一般都能作馬達使用,其轉速高、輸出轉矩小。圖4?7為ZM型斜盤式軸向柱塞馬達結構,圖4?8為斜軸式軸向柱塞馬達結構。

另外還有一類軸向球塞式馬達,其結構與斜盤式軸向柱塞馬達相似,只是軸向球塞式馬達中用鋼球和端面凸輪盤分別代替了斜盤式軸向柱塞馬達的滑履和斜盤,以兩者的滾動代替滑履和斜盤的滑動。此外,滑履在斜盤上運動一周柱塞只作一次往復運動,而球塞在凸輪盤上可作多次往復運動,從而增大了馬達輸出轉矩。圖4?9為鋼球作為柱塞的軸向球塞式馬達結構。

圖4?10是軸配流的軸向球塞式馬達結構,缸體上有幾個柱塞孔,每個孔的兩端有球塞組件,鋼球分別頂在兩邊凸輪盤上,推動殼體與缸體一起旋轉,配流軸通過螺釘和鍵等固定于機器的支架上,凸輪盤滾道曲線采用三作用等加速曲線。

③?選用基本原則及應注意的主要問題　?軸向柱塞馬達的品種、規格繁多,性能差異較大,因此它們的選擇和使用差別也較大,其基本原則可參閱“4.1.8液壓馬達的選用”部分及有關產品說明書的要求綜合考慮,擇優選用。

另外,軸向柱塞馬達在選用時還應特別注意:使用壓力、轉速不能采用最高值,應留有一定的余量,更不得同時使用最高值;泄油壓力應嚴格遵照產品說明書的規定。總之,具體參數的選擇應根據產品說明書所提供的詳細參數和選用指導性圖表與使用要求綜合比較、全面考慮,選擇能發揮最大設備效益和取得最大經濟效益的液壓馬達,做到既能滿足使用要求，安全、可靠、壽命較長,又有較高的經濟效益。

(4)徑向柱塞馬達

①?工作原理和主要特點?　徑向柱塞馬達是通過柱塞上的液壓力直接作用于偏心軸或曲軸而輸出轉矩的。按柱塞的配置情況可分為柱塞裝在轉子中、缸體旋轉和柱塞裝在定子中、缸體固定兩種結構,前者一般采用軸配流,后者采用閥配流,改變轉子與定子間的偏心距可改變排量,改變偏心方向可改變轉向。工作原理和主要特點見表4?13。

②?典型結構

a.曲軸連桿式徑向柱塞馬達。曲軸連桿式徑向柱塞馬達是使用最早的低速大轉矩單作用馬達,有定量、變量形式,變量中分有級雙速、有級三速、無級恒功率、無級變速等。圖4?11是曲軸連桿式徑向柱塞馬達的結構。這種馬達的缸體9與柱塞缸做成一體,連桿10與柱塞11間采用球鉸連接,連桿另一端做成鞍形圓柱面裝在曲軸4的偏心軸頸上。曲軸通過尾部的十字聯軸器7與配流軸8相連,以保證配流軸與輸出軸同步旋轉。連桿球頭部分用高壓油強制潤滑,連桿與偏心軸間的支承面采用降壓支承以減小磨損。當壓力油由配流軸進入馬達的柱塞缸時,作用于柱塞上的液壓力通過連桿推動曲軸旋轉,從而驅動工作機械。

b.內曲線徑向柱塞馬達。圖4?12所示的橫梁傳力式內曲線徑向柱塞馬達是最常用的內曲線馬達。壓力油通過配流軸1分配給進油區的各柱塞,柱塞4在壓力油推動下帶動橫梁5和滾輪6沿徑向向外運動,使滾輪壓緊于導軌曲線,并在接觸處產生接觸反力,反力的切向分力通過滾輪、橫梁、柱塞傳給缸體,推動缸體帶動輸出軸旋轉而輸出轉矩。處于排油區的柱塞則沿徑向向缸體中心運動而實現排油。

圖4?13是滾輪傳力式內曲線徑向柱塞馬達的結構。這種馬達的柱塞4通過連桿3與橫梁2連接,橫梁上除有兩個滾輪5與導軌曲線7接觸外,還有兩個滾輪1在缸體6的導軌槽內滾動并傳遞切向力,從而推動缸體和輸出軸旋轉。

圖4?14是滾柱傳力式內曲線徑向柱塞馬達的結構。這種馬達由滾柱2代替前兩種馬達中的橫梁或滾輪傳遞切向力,滾柱起著滾輪和橫梁的雙重作用。

球塞傳力式內曲線徑向柱塞馬達的結構如圖4?15所示。這種馬達的特點是以鋼球代替滾輪和橫梁,甚至起著柱塞的作用。

c.選用基本原則及應注意的主要問題。徑向柱塞泵與徑向柱塞馬達選擇和使用的基本原則可參閱“4.1.8液壓馬達的選用”部分及有關產品說明書的要求綜合考慮,擇優選用,做到既能滿足使用要求,安全、可靠、壽命較長,又有較高的經濟效益。

另外,選擇使用徑向柱塞馬達時還應注意到:需要低速、超低速及大轉矩低速穩定性要求高的場合應選用多作用的內曲線柱塞馬達,而其中的橫梁傳力、球塞傳力結構使用較普遍,橫梁傳力結構多用于高壓、大轉矩和軸承承受徑向力的場合;徑向柱塞馬達的主回油口應保持一定的背壓以保證滾輪或柱塞不脫空;泄油壓力既不能高又不能形成負壓,因此,泄油管必須單獨引回油另外,選擇使用徑向柱塞馬達時還應注意到:需要低速、超低速及大轉矩低速穩定性要求高的場合應選用多作用的內曲線柱塞馬達,而其中的橫梁傳力、球塞傳力結構使用較普遍,橫梁傳力結構多用于高壓、大轉矩和軸承承受徑向力的場合;徑向柱塞馬達的主回油口應保持一定的背壓以保證滾輪或柱塞不脫空;泄油壓力既不能高又不能形成負壓,因此,泄油管必須單獨引回油箱,并保證殼體內泄油液位超過軸承最高位回油箱(泄油口向上、泄油管稍上彎后再下引),以保證軸承潤滑良好。

(5)柱塞馬達產品介紹

型號說明如下。

a.斜盤式軸向柱塞馬達

①排量(mL/r)。②變量形式:M——定量;S——手動變量;C——伺服變量;Y——壓力補償變量;Z——液控變量;D——電動變量;L——零位對中液動變量;P——恒壓變量;MY——定級變量(高低壓組合);B——電液比例變量;Y——閥控壓力補償變量(恒功率)。③壓力等級:C——32MPa。④名稱:M——液壓馬達。⑤類型:14——缸體轉動的軸向柱塞馬達。⑥結構代號;1——第一種結構代號。⑦改進號:B。

①形式:無——普通;Q——輕型。②名稱:XM——斜盤式軸向柱塞馬達。③變量形式:無(M)——定量;S——手動變量;C——伺服變量;Y——液控變量;N——恒功率變量;PB——內控恒壓變量;P——外控恒壓變量;E——電磁閥伺服變量;SC——手動伺服;SU——手動杠桿雙向變量;QP——流量和壓力補償變量。④補液泵:無——不帶補液泵;V——帶補液泵。⑤壓力等級(MPa):C——6.3;E——16;F——20;H——31.5。⑥排量(mL/r)。

①名稱:SXM——雙斜盤式軸向柱塞馬達。②壓力等級(MPa):D——10;E——16;F——20;G——25。③排量(mL/r)。④安裝方式:無——法蘭安裝;J——腳架安裝。⑤軸伸形式:F——帶鍵和外螺紋的1∶10圓錐形軸伸;G——軸端帶內螺紋軸伸(可不注);H——矩形花鍵軸伸。

b.斜軸式軸向柱塞馬達

①名稱:ZM——柱塞馬達。②排量(mL/r)。③控制方式:N——恒功率;P——恒壓;E——電磁;Y——液壓;BE——比例電磁鐵;SC——手輪控制;SR——總功率控制;ER——分功率控制;HD——液控。④轉向:R——順時針;L——逆時針。

c.徑向柱塞馬達

①名稱:JM——徑向柱塞馬達。②連接形式:1——球鉸連接;2——無連桿;3——柱銷連接(靜壓偏心配流)。③型譜序號。④壓力等級(MPa):E——16;F——20。⑤排量(mL/r)。⑥連接方式:F——法蘭連接。⑦軸伸結構:K——漸開線花鍵;H——矩形花鍵;省略——圓柱平鍵。⑧制動形式:D——液壓式機械制動。⑨液壓制動器最小開啟壓力(MPa)。

①　柱塞數:1——五柱塞。②名稱:JMD——徑向柱塞馬達。③柱塞直徑(mm)。

柱塞馬達的技術參數見表4?14。

NJM型柱塞馬達外形尺寸見圖4?17。

1JMD型柱塞馬達外形尺寸見圖4?18。

PJM型柱塞馬達外形尺寸見圖4?19。

QJM型柱塞馬達外形尺寸見圖4?20。

4.1.7　擺線馬達

(1)工作原理和主要特點

擺線液壓馬達是一種利用行星減速原理的內嚙合多點接觸的齒輪馬達,屬中速中轉矩液壓馬達。按配流方式的不同,擺線馬達可分為軸配流式和端面配流式兩種類型,它們的工作原理和主要特點見表4?15。

(2)擺線液壓馬達的典型結構

①?軸配流式擺線液壓馬達　?圖4?21所示為軸配流式擺線液壓馬達的典型結構。這種馬達的配流軸同時又是輸出軸,使得其結構簡單、體積小。但由于配流部分高、低壓腔之間的密封間隙會因軸受徑向力作用而增大,因此內泄漏較大,加之無間隙補償裝置而使泄漏隨軸的磨損而增大,所以容積效率和總效率都較低,使用壓力受到限制,承載能力較小。

②?端面配流式擺線液壓馬達　?圖4?22所示為端面配流式擺線液壓馬達的典型結構。這種馬達的配流盤利用靜壓支撐原理,采用端面間隙自動補償的平面密封,密封性能好,容積效率高;配流盤采用專用短花鍵軸帶動,消除了整體花鍵軸因磨損而產生的誤差,使得配流精度高,提高了機械效率。輸出采用了圓錐滾柱軸承,剛性好,能承受較大的軸向力和徑向力。另外,配流盤上還施加了一定的預壓緊力,使得啟動可靠。

③?擺線液壓馬達產品介紹

a.技術參數見表4?16。

b.外形和安裝尺寸見表4?17、表4?18、圖4?23、圖4?24。

4.1.8　液壓馬達的選用

液壓馬達選擇時需要考慮的因素很多,如轉矩、轉速、工作壓力、排量、外形及連接尺寸、容積效率、總效率等。

(1)齒輪馬達的選用

齒輪馬達結構簡單,制造容易,但轉速脈動較大,齒輪馬達負載轉矩不大。速度平衡平穩性要求不高,噪聲限制不嚴,適用于高轉速低轉矩的情況。所以,齒輪馬達一般用于鉆床、通風設備中。

(2)葉片馬達的選用

葉片馬達結構緊湊,外形尺寸小,運動平穩,噪聲小,負載轉矩小,一般用于磨床回轉工作臺,機床操縱機構。

(3)柱塞馬達的選用

軸向柱塞馬達結構緊湊,徑向尺寸小,轉動慣量小,轉速較高,負載大,有變速要求,負載轉矩較小,低速平穩性要求高，所以一般用于起重機、絞車、鏟車、內燃機車、數控機床、行走機械;徑向柱塞馬達負載轉矩大,速度中等,徑向尺寸大,較多應用于塑料機械、行走機械等;內曲線徑向馬達負載轉矩較大,轉速低,平穩性高,用于挖掘機、拖拉機、起重機、采煤機等;曲軸連桿式徑向柱塞馬達負載轉矩大,轉速低,啟動性差,用于塑料機械、起重機、采煤機牽引部件等。

(4)擺線馬達的選用

負載速度中等,體積要求小,一般適用于塑料機械、煤礦機械、挖掘機。

液壓馬達的種類很多,可針對不同的工況進行選擇。???????

低速運轉工況可選擇低轉速馬達,也可以采用高速馬達加減速裝置。在這兩種方案的選擇上,應根據結構及空間情況、設備成本、驅動轉矩是否合理等進行選擇。確定所采用馬達的種類后,可根據液壓馬達產品的技術參數概覽表選出幾種規格,然后進行綜合分析,加以選擇。