第4章 液压执行元件及选用

4.1 液压马达

液压马达是将输入的液体压力能转换成机械能的能量转换装置,常置于液压系统的输出端,直接或间接驱动负载连续回转而做功。因此,液压马达的输入参量为液压参量(压力p和流量q),输出参量为机械参量(转矩T和转速n)。液压马达工作条件对主要性能的要求:①液压马达对负载产生输出转矩,注重机械效率;②液压马达输出轴要求正、反向旋转,许多液压马达还要求能以泵方式运转以达到制动的目的,结构要求对称;③液压马达工作时要求转速范围较宽,特别对低速稳定性要求高;④液压马达在低速甚至零速下要求输出高压的液流;⑤液压马达在输入压力油的条件下工作,不必具备自吸能力,但应该有一定的初始密封以提供足够的启动转矩;⑥许多液压马达直接装在轮子上或与带轮、链轮、齿轮相连时,其主轴承受较高的径向载荷;⑦液压马达可以长期空运转或停止运转,可能要遭受频繁的温度冲击。

4.1.1　液压马达的分类

液压马达按转速和结构形式分类如下:

液压马达的一般图形符号如图4⁃1所求。

4.1.2　液压马达的工作原理

液压马达和液压泵在结构上基本相同,其作用原理是互逆的。由于二者的任务和要求不同,因而,除少数泵可作为马达用以外,大部分液压马达在结构上与同种类型的液压泵是不同的。当输入压力油时,马达轴旋转以驱动负载。

下面以轴向柱塞式液压马达为例说明液压马达的工作原理。在图4⁃2中,当压力油输入时,处在高压腔中的柱塞2被顶出,压在斜盘1上。设斜盘作用在柱塞上的反力为FN,FN可分解为两个力,轴向分力F和作用在柱塞上的液压作用力相平衡,另一个分力FT使缸体3产生转矩。设柱塞和缸体的垂直中心线成φ角,则此柱宽产生的转矩为

式中,R为柱塞在缸体中的分布圆半径。而液压马达发出的转矩应是处于高压腔柱塞产生转矩的总和,即

随着角φ的变化,柱塞产生的转矩也发生变化,故液压马达产生的总转矩也是脉动的,它的脉动情况和讨论泵流量脉动时的情况相似。

4.1.3　液压马达的主要技术参数和计算公式

(1)液压马达的主要参数

①　排量(m3/r,常用单位为mL/r)和流量(m3/s,常用单位为L/min)

a.排量V：马达轴每转一转,由其密封容腔几何尺寸变化量计算而得的输入液体的体积,又称理论排量、几何排量。

b.理论流量qt：在单位时间内为产生指定转速,密封容腔几何尺寸变化所需要输入液体的体积,工程上又称空载流量。

c.实际流量q：在实际工作条件下,马达入口处实际输入的流量。

②　压力(差)(Pa,常用单位为MPa)

a.额定压力pn：在正常工作条件下,按试验标准规定能连续运转的最高输入压力。

b.最高压力pmax：按试验标准规定,允许短暂运行的最高输入压力。

c.工作压力p：在实际工作条件下,马达入口处的实际输入压力。

d.压力差：输入压力与输出压力之差值。

③　转矩(N·m)

a.理论转矩Tt：液体压力作用于马达转子所形成的液压转矩。

b.实际转矩T：马达的理论转矩克服摩擦转矩后实际输出的转矩。

④ 功率(W,常用单位为kW)

a.输入功率Pi：马达入口处输入的液压功率,其值为实际输入流量与工作压力差的乘积。

b.输出功率Po：液压马达输出轴上实际输出的机械功率。

⑤　效率

a.容积效率ηv：理论流量与实际输入流量的比值。

b.机械效率ηm：实际输出转矩与理论转矩的比值。

c.总效率η：输出机械功率与输入液压功率的比值。

⑥　转速(r/s,常用单位r/min)

a.额定转速nn：在额定压力下,能连续长时间正常运转的最高转速。

b.最高转速nmax：在额定压力下,超过额定转速而允许短暂正常运转的最高转速。　

c.最低转速nmin：能正常运转(不出现爬行现象)的最低转速。

(2)液压马达的常用计算公式

液压马达主要参数的常用计算公式见表4⁃1。

4.1.4　齿轮马达

(1)齿轮马达的工作原理和主要特点

齿轮马达一般为外啮合齿轮马达。它的工作原理和主要特点见表4⁃2。

表4⁃2　齿轮马达的工作原理和主要特点

外啮合齿轮马达有中压和高压两种典型结构。

高压外啮合齿轮马达如图4⁃3所示。这种马达具有轴向和径向间隙都可自动补偿的特点。齿轮1和10的齿顶与壳体8不接触,只在低压区附近一个小范围内(二个齿)与径向间隙密封块2接触(反转时则2'起同样作用),通过密封块2形成径向间隙的自动补偿作用。浮动轴套7和11(兼作滚针轴承座),可进行轴向间隙的自动补偿。O形密封圈4的作用是从轴向将低压区限制在一个很小的范围内,从而限制轴套背面的受压面积,达到使轴套两面所受液压力基本平衡的目的,反转时,O形密封圈4'起同样作用。这种马达由于在轴向和径向都减少了摩擦面,因而提高了机械效率和输出转矩,改善了启动性能。

(3)齿轮马达产品介绍

①　型号说明

③　外形和安装尺寸

a.　CMG2系列齿轮马达:CMG(2040~2100)系列齿轮马达外形及安装尺寸见表4⁃4。

b. CMG3系列齿轮马达:CMG3系列齿轮马达外形及安装尺寸见表4⁃5。

c.　CM⁃C系列齿轮马达:CM⁃C系列齿轮马达外形及安装尺寸见表4⁃6。

d. CM⁃D系列齿轮马达　CM⁃D系列齿轮马达外形及安装尺寸见表4⁃7。

4.1.5　叶片马达

(1)叶片马达的工作原理和主要特点

叶片马达一般为双作用叶片马达。它们的工作原理和主要特点见表4⁃8。

表4⁃8　叶片马达的工作原理及主要特点

定量叶片马达的结构与双作用叶片泵相似,其典型结构如图4⁃4所示。与双作用叶片泵的不同之处:叶片沿转子的径向安装(安装角θ=0°),叶片顶端双向对称倒角,以适应双向回转的要求;燕式弹簧5用销4固定在转子的两端面,将叶片推出,使其始终与定子表面接触,以防启动时高、低压油腔串通;叶片根部通入进油口的压力油,以保证叶片能与定子表面可靠接触(因叶片顶部存在反推油压);还用了一组特殊结构的单向阀(图中1、2、3,右下图是其原理图),以保证变换进出油口(反转)时叶片根部始终通以进油口的压力油,确保任何时候叶片都不脱离定子表面。

YMF系列叶片马达的额定压力为16MPa,图4⁃5是其结构原理。其主要特点是采用了四作用结构和定子配流结构,定子上装有四个滑动叶片(底部装有弹簧),将高压区与低压区隔开;转子上的所有叶片底部都装有弹簧,保证任何时候叶片都紧贴于定子内表面上。该马达体积小、排量大,输出转矩大。

(3)叶片马达产品介绍

型号说明如下。

①名称:叶片马达(YM);②系列:A;③排量，mL/r;④压力等级，MPa:B—2.5~8;⑤安装方式:F——法兰安装,J——脚架安装;⑥连接形式:F——法兰连接,L—螺纹连接。

①名称:叶片马达(YM);②排量，mL/r。

YM型叶片马达的技术参数见表4⁃9。

YMF⁃E系列马达的外形及安装尺寸见图4⁃6。

YM型叶片马达的外形及安装尺寸见表4⁃10。

4.1.6　柱塞马达

(1)概述

柱塞马达是通过圆柱形的柱塞上的液压推力经斜盘机构或连杆机构转换为输出轴的转矩的。其主要工作构件是柱塞和缸体,它们均是易于加工的圆柱形,容易保证精密的间隙配合,因而能保证在高压下仍有较高的容积效率,因此,柱塞马达一般都制成高压系列。柱塞马达一般都是可逆的(小部分为不可逆)。按柱塞的排列与运动方向,柱塞马达可以分成轴向柱塞式和径向柱塞式,前者的柱塞与传动轴平行或相交成一锐角,后者柱塞与传动轴垂直。

(2)柱塞马达的配流方式和主要特点

柱塞马达的配流方式一般有两种:端面配流、轴配流。柱塞马达的配流方式及其主要特点见表4⁃11。

(3)轴向柱塞马达

① 工作原理和主要特点　 轴向柱塞马达可分为斜盘式和斜轴式,斜盘式马达的柱塞中心线与传动轴线平行且靠斜盘作用使柱塞作轴向往复运动,斜轴式马达的柱塞中心线与传动轴线相交(夹角不大于40°);斜盘式马达分为通轴式、不通轴式、滑履式和点接触式;斜轴式马达按传动形式可分为双铰式、无铰式、无连杆式和有连杆式等。它们的工作原理和主要特点见表4⁃12。

② 典型结构　 轴向柱塞泵一般都能作马达使用,其转速高、输出转矩小。图4⁃7为ZM型斜盘式轴向柱塞马达结构,图4⁃8为斜轴式轴向柱塞马达结构。

另外还有一类轴向球塞式马达,其结构与斜盘式轴向柱塞马达相似,只是轴向球塞式马达中用钢球和端面凸轮盘分别代替了斜盘式轴向柱塞马达的滑履和斜盘,以两者的滚动代替滑履和斜盘的滑动。此外,滑履在斜盘上运动一周柱塞只作一次往复运动,而球塞在凸轮盘上可作多次往复运动,从而增大了马达输出转矩。图4⁃9为钢球作为柱塞的轴向球塞式马达结构。

图4⁃10是轴配流的轴向球塞式马达结构,缸体上有几个柱塞孔,每个孔的两端有球塞组件,钢球分别顶在两边凸轮盘上,推动壳体与缸体一起旋转,配流轴通过螺钉和键等固定于机器的支架上,凸轮盘滚道曲线采用三作用等加速曲线。

③ 选用基本原则及应注意的主要问题　 轴向柱塞马达的品种、规格繁多,性能差异较大,因此它们的选择和使用差别也较大,其基本原则可参阅“4.1.8液压马达的选用”部分及有关产品说明书的要求综合考虑,择优选用。

另外,轴向柱塞马达在选用时还应特别注意:使用压力、转速不能采用最高值,应留有一定的余量,更不得同时使用最高值;泄油压力应严格遵照产品说明书的规定。总之,具体参数的选择应根据产品说明书所提供的详细参数和选用指导性图表与使用要求综合比较、全面考虑,选择能发挥最大设备效益和取得最大经济效益的液压马达,做到既能满足使用要求，安全、可靠、寿命较长,又有较高的经济效益。

(4)径向柱塞马达

① 工作原理和主要特点 　径向柱塞马达是通过柱塞上的液压力直接作用于偏心轴或曲轴而输出转矩的。按柱塞的配置情况可分为柱塞装在转子中、缸体旋转和柱塞装在定子中、缸体固定两种结构,前者一般采用轴配流,后者采用阀配流,改变转子与定子间的偏心距可改变排量,改变偏心方向可改变转向。工作原理和主要特点见表4⁃13。

② 典型结构

a.曲轴连杆式径向柱塞马达。曲轴连杆式径向柱塞马达是使用最早的低速大转矩单作用马达,有定量、变量形式,变量中分有级双速、有级三速、无级恒功率、无级变速等。图4⁃11是曲轴连杆式径向柱塞马达的结构。这种马达的缸体9与柱塞缸做成一体,连杆10与柱塞11间采用球铰连接,连杆另一端做成鞍形圆柱面装在曲轴4的偏心轴颈上。曲轴通过尾部的十字联轴器7与配流轴8相连,以保证配流轴与输出轴同步旋转。连杆球头部分用高压油强制润滑,连杆与偏心轴间的支承面采用降压支承以减小磨损。当压力油由配流轴进入马达的柱塞缸时,作用于柱塞上的液压力通过连杆推动曲轴旋转,从而驱动工作机械。

b.内曲线径向柱塞马达。图4⁃12所示的横梁传力式内曲线径向柱塞马达是最常用的内曲线马达。压力油通过配流轴1分配给进油区的各柱塞,柱塞4在压力油推动下带动横梁5和滚轮6沿径向向外运动,使滚轮压紧于导轨曲线,并在接触处产生接触反力,反力的切向分力通过滚轮、横梁、柱塞传给缸体,推动缸体带动输出轴旋转而输出转矩。处于排油区的柱塞则沿径向向缸体中心运动而实现排油。

图4⁃13是滚轮传力式内曲线径向柱塞马达的结构。这种马达的柱塞4通过连杆3与横梁2连接,横梁上除有两个滚轮5与导轨曲线7接触外,还有两个滚轮1在缸体6的导轨槽内滚动并传递切向力,从而推动缸体和输出轴旋转。

图4⁃14是滚柱传力式内曲线径向柱塞马达的结构。这种马达由滚柱2代替前两种马达中的横梁或滚轮传递切向力,滚柱起着滚轮和横梁的双重作用。

球塞传力式内曲线径向柱塞马达的结构如图4⁃15所示。这种马达的特点是以钢球代替滚轮和横梁,甚至起着柱塞的作用。

c.选用基本原则及应注意的主要问题。径向柱塞泵与径向柱塞马达选择和使用的基本原则可参阅“4.1.8液压马达的选用”部分及有关产品说明书的要求综合考虑,择优选用,做到既能满足使用要求,安全、可靠、寿命较长,又有较高的经济效益。

另外,选择使用径向柱塞马达时还应注意到:需要低速、超低速及大转矩低速稳定性要求高的场合应选用多作用的内曲线柱塞马达,而其中的横梁传力、球塞传力结构使用较普遍,横梁传力结构多用于高压、大转矩和轴承承受径向力的场合;径向柱塞马达的主回油口应保持一定的背压以保证滚轮或柱塞不脱空;泄油压力既不能高又不能形成负压,因此,泄油管必须单独引回油另外,选择使用径向柱塞马达时还应注意到:需要低速、超低速及大转矩低速稳定性要求高的场合应选用多作用的内曲线柱塞马达,而其中的横梁传力、球塞传力结构使用较普遍,横梁传力结构多用于高压、大转矩和轴承承受径向力的场合;径向柱塞马达的主回油口应保持一定的背压以保证滚轮或柱塞不脱空;泄油压力既不能高又不能形成负压,因此,泄油管必须单独引回油箱,并保证壳体内泄油液位超过轴承最高位回油箱(泄油口向上、泄油管稍上弯后再下引),以保证轴承润滑良好。

(5)柱塞马达产品介绍

型号说明如下。

a.斜盘式轴向柱塞马达

①排量(mL/r)。②变量形式:M——定量;S——手动变量;C——伺服变量;Y——压力补偿变量;Z——液控变量;D——电动变量;L——零位对中液动变量;P——恒压变量;MY——定级变量(高低压组合);B——电液比例变量;Y——阀控压力补偿变量(恒功率)。③压力等级:C——32MPa。④名称:M——液压马达。⑤类型:14——缸体转动的轴向柱塞马达。⑥结构代号;1——第一种结构代号。⑦改进号:B。

①形式:无——普通;Q——轻型。②名称:XM——斜盘式轴向柱塞马达。③变量形式:无(M)——定量;S——手动变量;C——伺服变量;Y——液控变量;N——恒功率变量;PB——内控恒压变量;P——外控恒压变量;E——电磁阀伺服变量;SC——手动伺服;SU——手动杠杆双向变量;QP——流量和压力补偿变量。④补液泵:无——不带补液泵;V——带补液泵。⑤压力等级(MPa):C——6.3;E——16;F——20;H——31.5。⑥排量(mL/r)。

①名称:SXM——双斜盘式轴向柱塞马达。②压力等级(MPa):D——10;E——16;F——20;G——25。③排量(mL/r)。④安装方式:无——法兰安装;J——脚架安装。⑤轴伸形式:F——带键和外螺纹的1∶10圆锥形轴伸;G——轴端带内螺纹轴伸(可不注);H——矩形花键轴伸。

b.斜轴式轴向柱塞马达

①名称:ZM——柱塞马达。②排量(mL/r)。③控制方式:N——恒功率;P——恒压;E——电磁;Y——液压;BE——比例电磁铁;SC——手轮控制;SR——总功率控制;ER——分功率控制;HD——液控。④转向:R——顺时针;L——逆时针。

c.径向柱塞马达

①名称:JM——径向柱塞马达。②连接形式:1——球铰连接;2——无连杆;3——柱销连接(静压偏心配流)。③型谱序号。④压力等级(MPa):E——16;F——20。⑤排量(mL/r)。⑥连接方式:F——法兰连接。⑦轴伸结构:K——渐开线花键;H——矩形花键;省略——圆柱平键。⑧制动形式:D——液压式机械制动。⑨液压制动器最小开启压力(MPa)。

①　柱塞数:1——五柱塞。②名称:JMD——径向柱塞马达。③柱塞直径(mm)。

柱塞马达的技术参数见表4⁃14。

NJM型柱塞马达外形尺寸见图4⁃17。

1JMD型柱塞马达外形尺寸见图4⁃18。

PJM型柱塞马达外形尺寸见图4⁃19。

QJM型柱塞马达外形尺寸见图4⁃20。

4.1.7　摆线马达

(1)工作原理和主要特点

摆线液压马达是一种利用行星减速原理的内啮合多点接触的齿轮马达,属中速中转矩液压马达。按配流方式的不同,摆线马达可分为轴配流式和端面配流式两种类型,它们的工作原理和主要特点见表4⁃15。

(2)摆线液压马达的典型结构

① 轴配流式摆线液压马达　 图4⁃21所示为轴配流式摆线液压马达的典型结构。这种马达的配流轴同时又是输出轴,使得其结构简单、体积小。但由于配流部分高、低压腔之间的密封间隙会因轴受径向力作用而增大,因此内泄漏较大,加之无间隙补偿装置而使泄漏随轴的磨损而增大,所以容积效率和总效率都较低,使用压力受到限制,承载能力较小。

② 端面配流式摆线液压马达　 图4⁃22所示为端面配流式摆线液压马达的典型结构。这种马达的配流盘利用静压支撑原理,采用端面间隙自动补偿的平面密封,密封性能好,容积效率高;配流盘采用专用短花键轴带动,消除了整体花键轴因磨损而产生的误差,使得配流精度高,提高了机械效率。输出采用了圆锥滚柱轴承,刚性好,能承受较大的轴向力和径向力。另外,配流盘上还施加了一定的预压紧力,使得启动可靠。

③ 摆线液压马达产品介绍

a.技术参数见表4⁃16。

b.外形和安装尺寸见表4⁃17、表4⁃18、图4⁃23、图4⁃24。

4.1.8　液压马达的选用

液压马达选择时需要考虑的因素很多,如转矩、转速、工作压力、排量、外形及连接尺寸、容积效率、总效率等。

(1)齿轮马达的选用

齿轮马达结构简单,制造容易,但转速脉动较大,齿轮马达负载转矩不大。速度平衡平稳性要求不高,噪声限制不严,适用于高转速低转矩的情况。所以,齿轮马达一般用于钻床、通风设备中。

(2)叶片马达的选用

叶片马达结构紧凑,外形尺寸小,运动平稳,噪声小,负载转矩小,一般用于磨床回转工作台,机床操纵机构。

(3)柱塞马达的选用

轴向柱塞马达结构紧凑,径向尺寸小,转动惯量小,转速较高,负载大,有变速要求,负载转矩较小,低速平稳性要求高，所以一般用于起重机、绞车、铲车、内燃机车、数控机床、行走机械;径向柱塞马达负载转矩大,速度中等,径向尺寸大,较多应用于塑料机械、行走机械等;内曲线径向马达负载转矩较大,转速低,平稳性高,用于挖掘机、拖拉机、起重机、采煤机等;曲轴连杆式径向柱塞马达负载转矩大,转速低,启动性差,用于塑料机械、起重机、采煤机牵引部件等。

(4)摆线马达的选用

负载速度中等,体积要求小,一般适用于塑料机械、煤矿机械、挖掘机。

液压马达的种类很多,可针对不同的工况进行选择。       

低速运转工况可选择低转速马达,也可以采用高速马达加减速装置。在这两种方案的选择上,应根据结构及空间情况、设备成本、驱动转矩是否合理等进行选择。确定所采用马达的种类后,可根据液压马达产品的技术参数概览表选出几种规格,然后进行综合分析,加以选择。