2.2 液压缸和液压马达

学习目标

1.了解液压缸的功用和工作原理，熟悉液压缸类型、特点、应用场合及图形符号。

2.能根据要求对液压缸进行速度、推力的计算。

3.了解液压缸的密封、缓冲和排气。

4.了解液压马达的工作原理，掌握液压马达的结构特点、功用及图形符号。

内容提要

液压缸和液压马达是液压系统的执行元件，是将液体压力能转换为机械能的能量转换装置。液压缸一般用于实现直线运动或摆动，液压马达用于实现旋转运动。

液压缸分为单作用缸和双作用缸两类。在压力油作用下只能作单方向运动的液压缸称为单作用缸。单作用缸的回程要借助运动件的自重或其他外力（如弹簧力）的作用实现。往复两个方向的运动都由压力油作用实现的液压缸称为双作用缸。

一、液压缸的类型

1.活塞式液压缸

（1）液压缸类型、图形符号、特点及应用场合

按固定方式不同可分为缸体固定和活塞杆固定两种（表2-2-1）。

表2-2-1 活塞式液压缸类型

（2）液压缸速度、推力的计算

①双活塞杆液压缸的速度、推力计算。

无论缸体固定还是活塞杆固定，无论哪腔进油，其有效面积一律按有杆腔面积（活塞面积-活塞杆面积）计算（图2-2-1）。

缸体（或活塞）的运动速度

缸体（或活塞）的推力

②单活塞杆液压缸的速度、推力计算。

无杆腔进油（图2-2-2（a）所示）：

活塞（或缸体）运动速度

v1==

活塞（或缸体）推力

F1=pA1=p

有杆腔进油（图2-2-2（b）所示）：

活塞（或缸体）运动速度

活塞（或缸体）推力

F2=pA2=p

（3）差动液压缸的速度、推力计算（图2-2-3）。

活塞（或缸体）运动速度

v3===

活塞（或缸体）推力

F3=pA3=p

式中，qV——输入液压缸的流量；

p——输入液压缸的压力；

A1——无杆腔有效面积（活塞的面积），A1=；

A2——有杆腔的有效面积（A2=A1-A3）；

A3——活塞杆的有效面积，A3=；

D——活塞直径（或缸体内径）；

d——活塞杆的直径。

2.柱塞式液压缸

（1）结构特点：内壁不需要精加工，柱塞及其支承部分进行精加工。柱塞一般只能单向运动，若要实现双向运动，柱塞液压缸应成对使用，如图2-2-4所示。

（2）应用场合：适用行程较长的导轨磨床、龙门刨床和液压机等设备。

3.摆动式液压缸

（1）功用：将油液的压力能转换为能回转一定角度（＜360°）的机械能，输出转矩并能实现往复摆动，如图2-2-5所示。

（2）结构特点：结构简单、紧凑，输出转矩大，但密封困难。

（3）应用场合：中低压系统，如机械手、转位机构及机床回转夹具中。

4.伸缩式液压缸

（1）结构特点：是一种多级液压缸，活塞杆伸出行程长，收缩后机构紧凑，如图2-2-6所示。

（2）应用场合：自卸汽车、起重机伸缩臂、自动线的输送带及火箭发射台等装置。

二、液压缸的结构

1.液压缸的密封

密封是为了减少泄漏，提高液压传动的工作性能和效率，常用的密封形式有间隙密封和密封圈密封。

（1）间隙密封：依靠相对运动零件之间配合间隙来保证密封，防止泄漏，一般配合间隙为0.02～0.05mm。仅用于尺寸较小、压力较低、运动速度较高的缸体内孔与活塞之间的密封（图2-2-7）。

（2）密封圈密封：是液压系统中应用最广泛的一种密封方法。常用的密封圈有O、Y、V型。

O型密封圈是截面形状为圆形的密封元件，其结构简单、制造容易、摩擦力小、密封性能好、应用较广。但当压力较高或沟槽尺寸选择不当，密封圈容易被挤出而造成剧烈磨损。当工作压力大于10MPa时，要在其侧面放置挡圈。

Y型密封圈是截面形状为Y形的密封元件，常用于运动速度较高，压力变化较大的液压缸，可用于液压缸与活塞以及活塞杆密封。

V型密封圈由形状不同的支撑环、密封环和压环组成。接触面大、密封性能好，但摩擦力大，在移动速度不高的液压缸中应用较多。

Y、V型密封圈安装时应使唇边面向压力高的一侧，使密封性能随压力升高而提高。

2.液压缸的缓冲

（1）缓冲原理：当活塞将要到达终点接近缸盖时，增大回油阻力，以降低活塞的运动速度，从而减小和避免活塞撞击缸盖。

（2）缓冲结构：由活塞凸台和缸盖凹槽组成，如图2-2-8所示。

3.液压缸的排气

（1）排气原因：系统渗入空气后，会影响运动的平稳性，引起活塞低速运动时的爬行、换向精度下降等，甚至在开车时，会产生运动部件突然冲击现象。

（2）排气方法：油液从液压缸的最高点引入和引出。对运动平稳性要求较高的液压缸常在两端装有排气塞，如图2-2-9所示。

三、液压马达

液压马达的作用是将液压能转化成旋转的机械能。

从原理上讲，液压马达和液压泵是可逆的，即输入压力油，液压泵就变成了液压马达，就可输出转速和转矩，但在结构上，液压泵和液压马达还是有些差异的。有一种液压泵就对应有一种液压马达。

（1）类型、结构特点

齿轮式液压马达：输出转矩和转速的脉动性较大，径向力不平衡，在低速旋转及负载改变时稳定性较差，常用于高转速、小转矩的场合。

叶片式液压马达：体积小、惯性小、动作灵敏、允许换向性频率高，但泄漏较大，低速不稳定，适用于高转速、低转矩、频繁换向和要求动作灵敏的场合。

柱塞式液压马达：一般柱塞泵均可作液压马达使用，排量较小、输出转矩不大。

（2）液压马达的图形符号

例题解析

【例2-2-1】 已知单活塞杆液压缸两腔有效面积A1=2A2，液压泵供油量为qV，如果采用差动连接活塞实现快进，那么进入液压缸无杆腔的流量是（ ）。

A.0.5qV B.1.5qV C.2qV D.2.5qV

【要点解析】 本题主要考查对差动液压缸的理解；通过中间参数活塞运动速度v3来解决。因为液压缸两腔有效面积关系为A1=2A2，则活塞的面积A1为活塞杆面积A3的2倍，即A1=2A3；因为v3=qV/A3，则进入无杆腔的流量为A1v3=A1qV/A3=2qV。

【解】 C。

【例2-2-2】 要实现工作台往复运动速度不一致，可采用（ ）。

A.双出杆活塞式液压缸

B.组合柱塞缸

C.活塞面积为活塞杆面积2倍的差动液压缸

D.单出杆活塞式液压缸

【要点解析】 本题主要考查活塞式液压缸的运动特性。双出杆活塞式液压缸的活塞或缸体往复移动的速度相等，单出杆活塞式液压缸的活塞或缸体往复移动的速度不相等，而差动液压缸当或A1=2A3时，快进与快退的速度相等。

【解】 D。

【例2-2-3】 如图2-2-10所示液压装置，已知活塞A所受压力G=20kN，活塞A以速度V=6×10-3m/s匀速向下移动，活塞面积A=1×10-2m2，液压缸活塞面积A1=7×10-3 m2，A2=4×10-3m2，试解答：

（1）液压缸两腔的压力p1、p2；

（2）活塞上输出的牵引力F（推力）有多大？活塞u将向何方运动，其运动速度v1为多少？

（3）若活塞A向下移动了0.06mm，活塞u移动的距离L为多少？

【要点解析】 本题是差动液压缸连接的计算。该液压装置由上腔、左腔和右腔三个腔组成，三腔互通，活塞A因压重G下移，液压缸形成差动连接，此时液压缸的有效作用面积为活塞杆的面积。根据静压传递原理，三腔压力处处相等，即p1=p2=p，左腔流量等于上腔流量与右腔流量之和，推动活塞u向右移动。

【解】 （1）液压缸两腔压力

p1=p2=p=G/A=20×103/1×10-2=2×106Pa=2MPa

（2）因下面液压缸形成差动连接，所以推力

F=p（A1-A2）=2×106×（7×10-3-4×10-3）=6×103N=6kN

活塞u向右移动（即向有杆腔方向运动）。

活塞u运动速度

（3）因为（A1-A2）L=A×0.06

所以L=A×0.06/（A1-A2）=1×10-2×0.06/（7×10-3-4×10-3）=0.2m

【例2-2-4】 如图2-2-11所示为两个结构相同且互相串联的液压缸，无杆腔的面积A1=100cm2，有杆腔的面积A2=80cm2，缸Ⅰ输入流量qV=12L/min，F1=5kN，F2=4kN，不计损失和泄漏，求：

（1）两缸的工作压力p1、p2；

（2）两活塞的运动速度v1、v2。

【要点解析】 本题是两个液压缸串联，主要考查液流连续性原理和静压传递原理的应用，以及液压缸的速度、压力的计算。对于求运动速度v1、v2，利用缸Ⅰ输入的流量求出v1，再利用缸Ⅰ输出的流量等于进入缸Ⅱ的流量即可求出v2；而对于求p1、p2，则先利用缸Ⅱ的二力平衡求出p2，然后利用缸Ⅰ受到三力平衡求出p1。

【解】 （1）由缸Ⅱ活塞受到二力平衡，则

对于缸Ⅰ活塞来说受到三力平衡，则有

（2）缸Ⅰ活塞的运动速度

缸Ⅱ活塞的运动速度

巩固练习

一、单项选择题

1.液压系统的执行元件是（ ）。

A.电动机 B.液压泵 C.液压缸或液压马达 D.控制阀

2.为了实现液压缸的差动连接，需要采用（ ）液压缸。

A.单活塞杆 B.双活塞杆 C.摆动式 D.柱塞式

3.为了便于排除积在液压缸内的空气，油液最好从液压缸的（ ）进入和引进。

A.最高点 B.最低点 C.中部 D.其他

4.液压元件的密封装置中，结构简单，密封效果较好而且使用最广的是（ ）。

A.间隙密封 B.V型密封圈 C.Y型密封圈 D.O型密封圈

5.若单活塞杆液压缸的活塞直径为活塞杆直径的两倍，则差动连接的快进速度等于非差动连接前进速度的（ ）。

A.1倍 B.2倍 C.3倍 D.4倍

6.移动速度不高的液压缸与活塞间采用（ ）密封较好。

A.Y型密封圈 B.V型密封圈 C.O型密封圈 D.间隙密封

7.对于行程较长的机床，考虑到缸体的孔加工困难，所以采用（ ）液压缸。

A.单活塞杆 B.双活塞杆 C.柱塞式 D.摆动式

8.液压元件若双向受力，压力过高，应在O型密封圈（ ）设置挡圈。

A.单侧面 B.外圈 C.内圈 D.两侧面

9.将油液的压力能转换为旋转的机械能的液压执行元件为（ ）。

A.液压马达 B.液压缸 C.液压泵 D.控制阀

10.油缸的有效面积为500000mm2，工作压力为25Pa，则油缸的推力为（ ）。

A.1.25N B.12.5N C.12.5kN D.1.25kN

11.液压机床开动时，运动部件产生突然冲击的现象通常是（ ）。

A.正常现象，随后会自行消除 B.油液混入空气

C.液压缸的缓冲装置出故障 D.系统其他部分有故障

12.如图2-2-12所示的液压传动系统中，若液压泵型号和液压缸的尺寸相同时，液压缸内油液压力的关系是（ ）。

A.pa＞pb＞pc B.pa＜pb＜pc C.pa＞pb=pc D.pa=pb＞pc

二、判断题

13.液压缸间隙密封的密封性能差，摩擦阻力小，要求活塞与缸壁间隙通常在0.2～ 0.5mm。（ ）

14.差动液压缸往返速度相等的必要条件是活塞直径为活塞杆直径的两倍。（ ）

15.空心双出杆活塞缸，由于工作台所占的空间面积大，所以适用于行程较长的大中型液压设备上。（ ）

16.液压缸常用的缓冲结构可由活塞凸台和缸盖凹槽构成。（ ）

17.对运动平稳性要求高的液压缸常在两端装有排气塞。（ ）

18.单出杆活塞缸活塞两个方向所受的推力不相等，当活塞慢速运动时，将获得较小推力，工作台快速运动时，活塞获得的推力大。（ ）

19.液压马达与摆动式液压缸能实现同样的功能。（ ）

20.液压缸的缓冲装置用于防止系统压力突然变化。（ ）

21.液压马达将液体的压力能转化为旋转的机械能。（ ）

22.液压马达与液压泵从能量转化的观点看是可逆的，因此所有的液压泵均可以用来做液压马达使用。（ ）

三、填空题

23.液压缸常用的密封方法有________和________两种。

24.组合机床常采用液压缸________形式实现快进、工进、快退运动。

25.液压缸的缓冲原理是活塞在接近缸盖时，增大________，以降低活塞的________，从而避免活塞撞击缸盖。

26.空心双活塞杆液压缸的运动范围均为其有效行程的________倍。空心双活塞杆液压缸和单活塞杆液压缸的运动范围均为其有效行程的________倍。

27.液压系统中渗入空气后，会影响运动的________，引起活塞低速运动的________和________下降。

28.液压缸是液压系统的________元件，是能量转换装置。液压缸一般用于实现运动________或________，液压马达用于实现________运动。

29.差动液压缸是将两腔同时输入液压油，利用活塞两侧________进行工作的________液压缸。

30.液压马达输入的是压力油，输出的是________和________。

31.图形符号的名称为________，图形符号的名称为________。

四、计算题

32.单出杆活塞式液压缸，活塞直径为0.08m，活塞杆直径为0.04m，如果输入油液压力p=15×105Pa，流量qV=3×10-4m3/s，求：

（1）往复运动时的最大推力和最大速度；

（2）如将液压缸连成差动连接，则推力和速度又是多少？

33.一差动液压缸，已知泵的公称流量为50L/min，公称压力为6.5MPa，工作台快进、快退的速度为10m/min。试计算：

（1）液压缸内径D和活塞杆直径d；

（2）当快进时的负载为50kN时液压缸的压力。

34.如图2-2-13所示，三个液压缸尺寸相同，无杆腔面积A1=8×10-2m2活塞，活塞杆面积A3=5×10-2m2，提供油液的流量qV=4×10-4m3/s，压力p=2.5MPa，试解答：

（1）求各缸活塞运动速度va、vb和vc，以及图2-2-13（c）中活塞杆的推力Fc；

（2）图2-2-13（c）是何种连接？活塞向何方运动？

35.如图2-2-14所示两个结构相同且相互串联的液压缸，无杆腔面积A1=100cm2，有杆腔面积A2=80cm2，缸1输入压力p1=0.9MPa，输入流量qV1=12L/min，不计损失和泄漏，求：

（1）两缸负载相同时，该负载的数值F1=F2=？

（2）缸2输入压力是缸1压力的一半时（p2=0.5p1），两缸各能承受的负载F1=？ F2=？

（3）当缸1负载F1=0时，缸2能承受的负载F2=？

（4）上述三种情况活塞的速度是否相同，是多少？

36.如图2-2-15所示的液压系统中，液压缸无杆腔面积A1=100cm2，有杆腔面积A2=60cm2，大活塞面积A=160cm2，液压缸负载F=6kN。大活塞上的重物G=32kN，试计算：

（1）压力表上指示压力p；

（2）若液压缸活塞运动了0.02m，求大活塞被上推的距离H。