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第三節(jié)液壓馬達(dá),一、工作性能二、低速大扭矩液壓馬達(dá)的構(gòu)造和工作原理,1）連桿式2）五星輪式3）內(nèi)曲線式,液壓馬達(dá)是將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)與液壓泵相似，并且也是靠密封容積的變化進(jìn)行工作的。常見的液壓馬達(dá)也有齒輪式、葉片式和柱塞式等幾種主要形式；從轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩范圍分，有高速馬達(dá)和低速大扭矩馬達(dá)。馬達(dá)和泵在工作原理上是互逆的，當(dāng)向泵內(nèi)輸入壓力油時(shí)，其軸就輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩成為馬達(dá)。但由于二者的任務(wù)和要求有所不同，故在實(shí)際中只有少數(shù)泵能作馬達(dá)使用。,液壓馬達(dá)簡介,第三節(jié)液壓馬達(dá),,,W式中：P—液壓馬達(dá)的進(jìn)排油壓差，Pa；Q—供入液壓馬達(dá)的油流量，m3／s。,而其理論輸出功率則可表達(dá)為：W式中；Mth——液壓馬達(dá)的理論扭矩，Nm；ωth——液壓馬達(dá)的理論角速度，rad/s；nth——液壓馬達(dá)的理論轉(zhuǎn)速，r/min。,液壓馬達(dá)輸入的液壓能，可用工作油的壓力P和流量Q來表示，而其輸出的機(jī)械能，則以輸出軸的扭矩M和轉(zhuǎn)速n來度量。為了說明液壓馬達(dá)的工作性能，我們可先假設(shè)液壓馬達(dá)不存在任何能量損失的理想情況進(jìn)行了討論，這時(shí)液壓馬達(dá)的輸入功率，就可用下式來表示：,第三節(jié)液壓馬達(dá),一、工作性能,容積損失可用容積效率來度量，即式中：Qe—扣除漏泄損失后供入馬達(dá)的有效流量，m3／s。,因此，可求得液壓馬達(dá)的理論扭矩然而，任何實(shí)際的液壓馬達(dá)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)總存在著各種損失，包括密封縫隙的漏泄損失，油流流動(dòng)時(shí)的壓力損失以及各運(yùn)動(dòng)接觸部件之間的摩擦損失等。,第三節(jié)液壓馬達(dá),一、工作性能,現(xiàn)假設(shè)液壓馬達(dá)按幾何尺寸確定的每轉(zhuǎn)排量為q(ms/r)，則液壓馬達(dá)的理論轉(zhuǎn)速為顯然，在不考慮液壓馬達(dá)中所有能量損失的情況下，液壓馬達(dá)的理論輸出功率就等于其輸入功率。,在液壓馬達(dá)中，常把壓力損失和摩擦損失合并在一起，稱之為機(jī)械損失，由于存在著機(jī)械損失，液壓馬達(dá)的實(shí)際輸出扭矩M也就比理論扭矩要小，而實(shí)際扭矩與理論扭矩之比，稱之為液壓馬達(dá)的機(jī)械效率ηm，即：因此，實(shí)際扭矩：,實(shí)際的輸出功率：式中：η是考慮液壓馬達(dá)中所有能量損失的總效率。,因此，液壓馬達(dá)的實(shí)際轉(zhuǎn)速：,第三節(jié)液壓馬達(dá),一、工作性能,討論：,液壓馬達(dá)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n，主要取決于供入液壓馬達(dá)的流量Q、液壓馬達(dá)的工作容積(即每轉(zhuǎn)排量)q和容積效率ηv。因此，要改變液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，可采用的方法有容積調(diào)速——采用變量油泵，改變其流量，或采用變量油馬達(dá)，改變其排量，也可以采用節(jié)流調(diào)速——通過流量控制閥來改變供入油馬達(dá)的流量；液壓馬達(dá)的扭矩M，主要取決于工作油的壓力p和液壓馬達(dá)的每轉(zhuǎn)排量q。提高工作油壓p，不僅可增大液壓馬達(dá)的輸出扭矩M，而且還可在功率不變的前提下，使液壓元件和和管路的尺寸相應(yīng)減小，但是也受到強(qiáng)度與密封等的條件限制，并給管理工作帶來不利的影響；增大液壓馬達(dá)的容積，亦即提高液壓馬達(dá)的每轉(zhuǎn)排量q，則可在工作油壓不變的情況下增大扭矩，而轉(zhuǎn)速則相應(yīng)較低，從而構(gòu)成低速大扭矩液壓馬達(dá)。一般認(rèn)為額定轉(zhuǎn)速低于500r／min即屬于低速馬達(dá)，高于500的屬于高速馬達(dá)。后者用于船舶甲板機(jī)械往往需要增加機(jī)械減速機(jī)構(gòu)。,第三節(jié)液壓馬達(dá),一、工作性能,低速大扭矩液壓馬達(dá),低速大扭矩液壓馬達(dá)是相對(duì)于高速馬達(dá)而言的，通常這類馬達(dá)在結(jié)構(gòu)形式上多為徑向柱塞式，其特點(diǎn)是：最低轉(zhuǎn)速低，大約在5~10r／min，輸出扭矩大，可達(dá)幾萬Nm；徑向尺寸大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大。由于上述特點(diǎn)，它可以直接與工作機(jī)構(gòu)聯(lián)接，不需要減速裝置，使傳動(dòng)結(jié)構(gòu)大為簡化。低速大扭矩液壓馬達(dá)廣泛用于起重、運(yùn)輸、建筑、礦山和船舶等機(jī)械上。低速大扭矩液壓馬達(dá)的基本形式有三種：它們分別是曲柄連桿馬達(dá)、靜力平衡馬達(dá)和多作用內(nèi)曲線馬達(dá)。下面分別予以介紹。,第三節(jié)液壓馬達(dá),一、工作性能,1.曲柄連桿低速大扭矩液壓馬達(dá),曲柄連桿式低速大扭矩液壓馬達(dá)應(yīng)用較早，國外稱為斯達(dá)發(fā)液壓馬達(dá)。我國的同類型號(hào)為JMZ型，其額定壓力16MPa，最高壓力21MPa，理論排量最大值可達(dá)6.140L/r。下圖是曲柄連桿式液壓馬達(dá)的工作原理。,第三節(jié)液壓馬達(dá),二、低速大扭矩液壓馬達(dá)的構(gòu)造和工作原理,連桿式液壓馬達(dá)原理演示,馬達(dá)由殼體1、連桿3、活塞組件2、曲軸4及配流軸5等組成。,殼體內(nèi)沿圓周呈放射狀均勻布置了五只缸體，形成星形殼體；缸體內(nèi)裝有活塞，活塞與連桿通過球鉸連接，連桿大端做成鞍形圓柱瓦面緊貼在曲軸的偏心圓上。,1.曲柄連桿低速大扭矩液壓馬達(dá),第三節(jié)液壓馬達(dá),二、低速大扭矩液壓馬達(dá)的構(gòu)造和工作原理,根據(jù)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理，受油壓作用的柱塞就通過連桿對(duì)偏心圓中心O1作用一個(gè)力N，推動(dòng)曲軸繞旋轉(zhuǎn)中心O轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)外輸出轉(zhuǎn)速和扭矩，其余的活塞油缸則與排油窗口接通；如果進(jìn)、排油口對(duì)換，液壓馬達(dá)也就反向旋轉(zhuǎn)。,1.曲柄連桿低速大扭矩液壓馬達(dá),第三節(jié)液壓馬達(dá),二、低速大扭矩液壓馬達(dá)的構(gòu)造和工作原理,隨著驅(qū)動(dòng)軸、配流軸轉(zhuǎn)動(dòng)，配油狀態(tài)交替變化。在曲軸旋轉(zhuǎn)過程中，位于高壓側(cè)的油缸容積逐漸增大，而位于低壓側(cè)的油缸容積逐漸縮小，因此，在工作時(shí)高壓油不斷進(jìn)入液壓馬達(dá)，然后由低壓腔不斷排出。,1.曲柄連桿低速大扭矩液壓馬達(dá),第三節(jié)液壓馬達(dá),二、低速大扭矩液壓馬達(dá)的構(gòu)造和工作原理,總之，由于配流軸過渡密封間隔的方位與曲軸的偏心方向一致，并且同時(shí)旋轉(zhuǎn)，所以配流軸頸的進(jìn)油窗口始終對(duì)著偏心線OO1一邊的二只或三只油缸，吸油窗口對(duì)著偏心線OO1另一邊的其余油缸，總的輸出扭矩是疊加所有柱塞對(duì)曲軸中心所產(chǎn)生的扭矩，該扭矩使得旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)得以持續(xù)下去。,1.曲柄連桿低速大扭矩液壓馬達(dá),第三節(jié)液壓馬達(dá),二、低速大扭矩液壓馬達(dá)的構(gòu)造和工作原理,以上討論的是殼體固定、軸旋轉(zhuǎn)的情況。如果將軸固定，進(jìn)、排油直接通到配流軸中，就能達(dá)到外殼旋轉(zhuǎn)的目的，構(gòu)成了所謂的車輪馬達(dá)。,1.曲柄連桿低速大扭矩液壓馬達(dá),第三節(jié)液壓馬達(dá),二、低速大扭矩液壓馬達(dá)的構(gòu)造和工作原理,曲柄連桿低速大扭矩液壓馬達(dá),靜力平衡式低速大扭矩馬達(dá)也叫無連桿馬達(dá)，是從曲柄連桿式液壓馬達(dá)改進(jìn)、發(fā)展而來的，它的主要特點(diǎn)是取消了連桿，并且在主要摩擦副之間實(shí)現(xiàn)了油壓靜力平衡。,所以改善了工作性能。國外把這類馬達(dá)稱為羅斯通(Roston)馬達(dá)，國內(nèi)也有不少產(chǎn)品，并已經(jīng)在船舶機(jī)械、挖掘機(jī)以及石油鉆探機(jī)械上使用。,2.靜力平衡式低速大扭矩液壓馬達(dá),第三節(jié)液壓馬達(dá),二、低速大扭矩液壓馬達(dá)的構(gòu)造和工作原理,五星輪式液壓馬達(dá)原理演示,這種液壓馬達(dá)的工作原理用圖來說明，液壓馬達(dá)的偏心軸與曲軸的形式相類似，既是輸出軸，又是配流軸，五星輪3套在偏心軸的凸輪上，在它的五個(gè)平面中各嵌裝一個(gè)壓力環(huán)4，壓力環(huán)的上平面與空心柱塞2的底面接觸，柱塞中間裝有彈簧。,靜力平衡式低速大扭矩馬達(dá)1-殼體；2-柱塞；3-五星輪；4-壓力環(huán)；5-配流軸；6-彈簧,2.靜力平衡式低速大扭矩液壓馬達(dá),第三節(jié)液壓馬達(dá),二、低速大扭矩液壓馬達(dá)的構(gòu)造和工作原理,以防止液壓馬達(dá)啟動(dòng)或空載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)柱塞底面與壓力環(huán)脫開。高壓油經(jīng)配流軸中心孔道通到曲軸的偏心配油部分，然后經(jīng)五星輪中的徑向孔、壓力環(huán)、柱塞底部的貫通孔而進(jìn)入油缸的工作腔內(nèi)。在圖示位置時(shí)，配流軸上方的三個(gè)油缸通高壓油，下方的兩個(gè)油缸通低壓回油。,（原理演示）,靜力平衡式低速大扭矩馬達(dá)1-殼體；2-柱塞；3-五星輪；4-壓力環(huán)；5-配流軸；6-彈簧,2.靜力平衡式低速大扭矩液壓馬達(dá),第三節(jié)液壓馬達(dá),二、低速大扭矩液壓馬達(dá)的構(gòu)造和工作原理,在這種結(jié)構(gòu)中，五星輪取代了曲柄連桿式液壓馬達(dá)中的連桿，壓力油經(jīng)過配流軸和五星輪再到空心柱塞中去，液壓馬達(dá)的柱塞與壓力環(huán)、五星輪與曲軸之間可以大致做到靜壓平衡。在工作過程中，這些零件還要起密封和傳力作用。由于是通過油壓直接作用于偏心軸而產(chǎn)生輸出扭矩，因此，稱為靜力平衡液壓馬達(dá)。,事實(shí)上，只有當(dāng)五星輪上液壓力達(dá)到完全平衡，使得五星輪處于“懸浮”狀態(tài)時(shí)，液壓馬達(dá)的扭矩才是完全由液壓力直接產(chǎn)生的；否則，五星輪與配流軸之間仍然有機(jī)械接觸的作用力及相應(yīng)的摩擦力矩存在。,2.靜力平衡式低速大扭矩液壓馬達(dá),第三節(jié)液壓馬達(dá),二、低速大扭矩液壓馬達(dá)的構(gòu)造和工作原理,多作用內(nèi)曲線液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)形式很多，就使用方式而言，有軸轉(zhuǎn)、殼轉(zhuǎn)與直接裝在車輪的輪轂中的車輪式液壓馬達(dá)等形式。而從內(nèi)部的結(jié)構(gòu)來看，根據(jù)不同的傳力方式和柱塞部件的結(jié)構(gòu)可有多種形式，但是，液壓馬達(dá)的主要工作過程是相同的。,3.多作用內(nèi)曲線馬達(dá),第三節(jié)液壓馬達(dá),二、低速大扭矩液壓馬達(dá)的構(gòu)造和工作原理,缸體2與輸出軸3通過螺栓連成一體，柱塞、橫梁、兩個(gè)滾輪組成柱塞組件，放于缸體徑向孔中，配油軸由微調(diào)凸輪7限制其相對(duì)殼體周向固定不動(dòng)。,(1)結(jié)構(gòu)組成:,3.多作用內(nèi)曲線馬達(dá),第三節(jié)液壓馬達(dá),二、低速大扭矩液壓馬達(dá)的構(gòu)造和工作原理,柱塞底部油腔的進(jìn)排油由配油軸控制，配油軸上有兩組配油窗口，每組的窗口數(shù)同導(dǎo)軌曲線段數(shù)相同，兩組配油窗口的位置應(yīng)分別與導(dǎo)軌曲線上的工作區(qū)段和排油區(qū)段的位置嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。,工作時(shí)，油液通過配油軸上的配油窗口分配到工作區(qū)段的柱塞底部油腔，壓力油使柱塞組的滾輪頂緊導(dǎo)軌表面，在接觸點(diǎn)上導(dǎo)軌對(duì)滾輪產(chǎn)生法向反作用力N，其方向垂直導(dǎo)軌表面并通過滾輪中心，,(2)內(nèi)曲線多作用馬達(dá)工作原理（原理演示）,該力可分解為兩個(gè)分力，沿柱塞軸向的分力P和垂直于柱塞軸線的分力T，它通過橫梁側(cè)面?zhèn)鹘o缸體，對(duì)缸體產(chǎn)生力矩。進(jìn)排油口互換，則馬達(dá)反轉(zhuǎn)。,3.多作用內(nèi)曲線馬達(dá),第三節(jié)液壓馬達(dá),二、低速大扭矩液壓馬達(dá)的構(gòu)造和工作原理,主軸轉(zhuǎn)一周，柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)多次（圖中為6次），因而在柱塞直徑數(shù)目和行程相同情況下，其輸出扭矩較單作用式柱塞馬達(dá)增加了作用次數(shù)的倍數(shù)。即6倍。除單排柱塞外，還可做成雙排、三排柱塞，所以容易達(dá)到排量大、尺寸小的要求。,,(2)內(nèi)曲線多作用馬達(dá)工作原理（原理演示）,3.多作用內(nèi)曲線馬達(dá),第三節(jié)液壓馬達(dá),二、低速大扭矩液壓馬達(dá)的構(gòu)造和工作原理,若將液壓馬達(dá)的進(jìn)、出油口對(duì)調(diào)，液壓馬達(dá)將反轉(zhuǎn)；若將驅(qū)動(dòng)軸固定，則定子、配流軸和殼體將旋轉(zhuǎn)，通常稱為殼轉(zhuǎn)工況，變?yōu)檐囕嗰R達(dá)。除了上述幾種典型低速大扭矩馬達(dá)外，尚有介于高速馬達(dá)和低速馬達(dá)中間的擺線液壓馬達(dá)，此處不再贅述。,(2)內(nèi)曲線多作用馬達(dá)工作原理（原理演示）,3.多作用內(nèi)曲線馬達(dá),第三節(jié)液壓馬達(dá),二、低速大扭矩液壓馬達(dá)的構(gòu)造和工作原理,液壓泵的工作特點(diǎn)：(1)液壓泵的吸油腔壓力過低將會(huì)產(chǎn)生吸油不足，異常噪聲，甚至無法工作。因此，除了在泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上盡可能減小吸油管路的液阻外，為了保證泵的正常運(yùn)行，a)應(yīng)該使泵的安裝高度不超過允許值；b)避免吸油濾油器及管路形成過大的壓降；c)限制泵的使用轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)。(2)液壓泵的工作壓力取決于外負(fù)載，若負(fù)載為零，則泵的工作壓力為零。隨著排油量的增加，泵的工作壓力根據(jù)負(fù)載大小自動(dòng)增加，泵的最高工作壓力主要受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命的限制。為了防止壓力過高而使泵、系統(tǒng)受到損害，液壓泵的出口常常要采取限壓措施。,第三節(jié)液壓馬達(dá),液壓泵的工作特點(diǎn)：(3)變量泵可以通過調(diào)節(jié)排量來改變流量，定量泵只有用改變轉(zhuǎn)速的辦法來調(diào)節(jié)流量，但是轉(zhuǎn)速的增大受到吸油性能、泵的使用壽命、效率等的限制。例如，工作轉(zhuǎn)速低時(shí)，雖然對(duì)壽命有利，但是會(huì)使容積效率降低，并且對(duì)于需要利用離心力來工作的葉片泵來說，轉(zhuǎn)速過低會(huì)無法保證正常工作。(4)液壓泵的流量具有某種程度的脈動(dòng)性質(zhì)，其脈動(dòng)情況取決于泵的形式及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。為了減小脈動(dòng)的影響，除了從造型上考慮外，必要時(shí)可在系統(tǒng)中設(shè)置蓄能器或液壓濾波器。(5)液壓泵靠工作腔的容積變化來吸、排油，如果工作腔處在吸、排油之間的過渡密封區(qū)時(shí)存在容積變化，就會(huì)產(chǎn)生壓力急劇升高或降低的“困油現(xiàn)象”，從而影響容積效率，產(chǎn)生壓力脈動(dòng)、噪聲及工作構(gòu)件上的附加動(dòng)載荷，這是液壓泵設(shè)計(jì)中需要注意的一個(gè)共性問題。,第三節(jié)液壓馬達(dá),液壓馬達(dá)的工作特點(diǎn)：,(1)在一般工作條件下，液壓馬達(dá)的進(jìn)、出口壓力都高于大氣壓，因此不存在液壓泵那樣的吸入性能問題，但是，如果液壓馬達(dá)可能在泵工況下工作，它的進(jìn)油口應(yīng)有最低壓力限制，以免產(chǎn)生汽蝕。(2)馬達(dá)應(yīng)能正、反運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，就要求液壓馬達(dá)在設(shè)計(jì)時(shí)具有結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性。(3)液壓馬達(dá)的實(shí)際工作壓差取決于負(fù)載力矩的大小，當(dāng)被驅(qū)動(dòng)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、轉(zhuǎn)速高，并要求急速制動(dòng)或反轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的液壓沖擊，為此，應(yīng)在系統(tǒng)中設(shè)置必要的安全閥、緩沖閥。(4)由于內(nèi)部泄漏不可避免，因此將馬達(dá)的排油口關(guān)閉而進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，仍會(huì)有緩慢的滑轉(zhuǎn)，所以，需要長時(shí)間精確制動(dòng)時(shí)，應(yīng)另行設(shè)置防止滑轉(zhuǎn)的制動(dòng)器。(5)某些形式的液壓馬達(dá)必須在回油口具有足夠的背壓才能保證正常工作，并且轉(zhuǎn)速越高所需背壓也越大，背壓的增高意味著油源的壓力利用率低，系統(tǒng)的損失大。,第三節(jié)液壓馬達(dá),