机械传动与液压传动.doc

第二章 机械传动与液压传动 第一节 机械传动 一、机械传动的作用和类型 机器通常由原动机、传动系统、控制系统和工作机四部分组成。传动系统是将原动机的运动和动力传给工作机的中间装置，它是机器的重要组成部分。 按工作原理，可将传动分为机械传动、流体传动和电传动三类。机械传动是一种最基本的传动方式，其作用是通过减速（或增速）、变速、换向或变换运动形式，将原动机的运动和动力传递并分配给工作机，使工作机获得所需要的运动形式和生产能力。 机械传动的型式有很多种，发展甚为迅速，新型传动不断涌现。按工作原理，机械传动分为推压传动、摩擦传动和啮合传动三类。表2-1给出了常见的机械传动。 表2-1 机械传动的类型 传动类型 主要型式 推压传动 连杆机构 铰链四杆机构、滑块四杆机构、多杆机构 凸轮机构 盘形凸轮机构、移动凸轮机构、圆柱凸轮机构 间歇机构 槽轮机构、棘轮机构 组合机构 齿轮连杆机构、齿轮凸轮机构、凸轮连杆机构 摩擦传动 直接接触传动 摩擦轮传动 圆柱形、圆锥形、圆盘形、槽形 摩擦式无级变速传动 定轴、动轴 挠性件传动 带传动 平带、V带、圆带、多楔带 绳传动 线绳、钢丝绳 啮合传动 直接接触传动 齿轮传动 圆柱齿轮传动 啮合形式内啮合、外啮合、齿轮齿条 齿形曲线渐开线、圆弧、摆线 齿向曲线直齿、斜齿 圆锥齿轮传动 啮合形式内啮合、外啮合 齿形曲线渐开线、圆弧 齿向曲线直齿、斜齿、弧齿 蜗杆传动 圆柱蜗杆、圆弧面蜗杆、锥蜗杆 螺旋传动 挠性件传动 链传动 滚子链、齿形链、圆环链 同步齿形带传动 二、齿轮传动概述 1.齿轮传动的速比 齿轮传动是应用最多的机械传动形式之一，如图2-1所示，当一对齿轮相互啮合时，主动轮O1的轮齿（1、2、3）通过力F的作用逐个地推动从动轮O2的轮齿（1’、2’、3’）2-1 齿轮传动 使从动轮转动，因而将主动轴的动力和运动传递给从动轴。 设主动齿轮的转速为n1，齿数为z1；从动齿轮的转速n2，齿数为z2，则传动的速比（传动比）为 （2-1） 一对齿轮传动的速比不宜过大，否则会使结构过于庞大，不利于制造和安装。通常，一对圆柱齿轮传动的速比i≤5，一对圆椎齿轮传动的速比i≤3。 2.齿轮传动的类型 按照两轴相对位置和轮齿的倾斜方向，齿轮传动可分为以下的类型（参见图2-2） 外啮合（图2-2a） 直齿 内啮合（图2-2b） 齿轮齿条（图2-2c） 两轴平行的齿轮传动圆柱齿轮传动 外啮合（图2-2d） （平面齿轮机构） 斜齿 内啮合 齿轮齿条 齿轮传动 人字齿（图2-2e） 直齿（图2-2f） 两轴相交的齿轮机构圆锥齿轮传动 两轴不平行的机构 曲齿（图2-2g） （空间齿轮机构） 螺旋齿轮传动（图2-2h） 两轴交错的齿轮机构 蜗轮蜗杆传动（图2-2i） 3.齿轮传动的特点及应用 齿轮传动与其它机械传动相比，主要优点是（1）传动速比准确；（2）传动效率高（一般为0.94 ～0.99）；（3）传递功率范围较大（功率可达几万kW）；（4）工作可靠，寿命较长；（5）结构紧凑，外廓尺寸小。 齿轮传动的主要缺点是（1）制造和安装精度要求较高，成本较高，且高速运转时噪音较大；（2）当轴间距离较大时，传动装置较庞大。 齿轮传动的类型很多，可实现空间任意两轴间的传动，广泛应用于各种机械中。大部分齿轮传动用于传递回转运动，齿轮齿条传动则可将回转运动变换成直线运动，或者将直线运动变换成回转运动。 图2-2 齿轮传动的类型 a外啮合圆柱直齿齿轮传动；b内啮合圆柱直齿齿轮传动；c直齿齿轮齿条传动； d外啮合圆柱斜齿齿轮传动；e人字齿轮传动；f直齿锥齿轮传动； g曲齿锥齿轮传动；h螺旋齿轮传动；i蜗杆蜗轮传动 三、轮系及传动比的计算 1.轮系及分类 在机械设备中，只用一对齿轮进行传动往往是难以满足工作需要的。为了获得较大的传动比、或变速和换向，一般需要采用多对齿轮进行传动。这种由多对齿轮所组成的传动系统称为轮系。 按照轮系运转时各个齿轮的轴线位置是否固定，轮系分为定轴轮系和周转轮系两种基本类型。 传动时所有齿轮的轴线位置都是固定的，这种轮系称为定轴轮系，如图2-3所示。 图2-3 定轴轮系 传动时至少有一个齿轮的轴线不是固定的，它绕另一齿轮的固定轴线转动，这种轮系称为周转轮系。如图2-4所示，齿轮2的轴线绕齿轮1、3和构件H的共同轴线转动。 图2-4 周转轮系 下面我们只讨论定轴轮系传动比的计算。 2.定轴轮系传动比的计算 轮系始端主动轮与末端从动轮的转速之比值，称为轮系的传动比，用i1k表示。 （2-2） 式中 n1始端主动轮1的转速，r/min。 nk末端从动轮k的转速，r/min。 在图2-3所示的定轴轮系中，轮1为始端主动轮，轮5为末端从动轮，设各轮的齿数分别为z1、z2、z2、z3、z3、z4、z5，各轮的转速分别为n1、n2、n2、n3、n3、n4、n5，各对齿轮传动的传动比为 由于，故得 上式表明，该定轴轮系的传动比为各级传动比的连乘积，其大小等于各对齿轮中从动轮齿数连乘积与主动轮齿数连乘积之比。 图2-3中的齿轮4同时与两个齿轮啮合，与齿轮3’啮合时为从动轮，与齿轮5啮合时为主动轮，故在传动比计算式的分子分母中同时出现z4而相互抵消，这说明齿轮4的齿数多少不影响传动比的大小。这种齿轮称为惰轮或过桥齿轮。 上述结论适用于所有的定轴轮系。设齿轮1为始端主动轮，齿轮k为末端从动轮，则轮系传动比大小的计算通式为 （2-3） 例图2-5为装载机行走机构的传动系统。求传动比i17和车轴的转速n7。 图2-5 装载机行走机构的传动系统 解装载机行走机构传动系统是由圆柱齿轮组成的定轴轮系，传动比大小按式（2-3）计算。 第二节 液压传动 一、液压传动概述 1.液压传动的工作原理 液压传动是以液体作为工作介质，利用液体压力来传递运动和动力的一种传动方式。 液压千斤顶是液压传动较简单的例子，如图2-6所示。它的工作过程如下 图2-6 液压千斤顶 工作时向上提起杠杆1，活塞3就被带动上升，油箱12中的油液在大气压力的作用下，推开单向阀4（钢球）并沿吸油管道进入油腔6。用力压下杠杆1时，活塞3下移，油腔6的密封容积减少，油液产生压力，迫使单向阀4关闭，并使单向阀7的钢球受到一个向上的作用力。当这个作用力大于油腔10中油液对钢球的作用力时，钢球被推开，油腔6中的油液就被压入油腔10，从而推动活塞8连同重物一起上升。反复提压杠杆就能不断地将油液压入油腔10，使活塞8和重物不断上升，从而达到提升重物的目的。 若转动放油阀11，油腔10和油箱接通，则油液在重物作用下流回油箱，活塞8就下降，并恢复到原位置。 从千斤顶的工作过程可以看出，液压传动的工作原理就是以油液作为工作介质，依靠密封容积的变化和油液的压力来传递运动和动力。 2.液压传动系统的组成 由图2-6可知，一般液压系统按各液压元件的功能可分为四个部分。 1）动力元件 指液压泵，其作用是将原动机输入的机械能转换成液体的压力能（即有吸油和排油的功能），为系统提供动力。图中的1、2、3、4、7就组成了液压泵（该部分能将油箱里的油吸入泵内，再将压力油排到油腔10中）。 2）执行元件 指液压缸和液压马达，其作用是将液压能再转换为机械能，输出力和速度或转矩和转速。图中的8、9就组成液压缸，从而使油腔10中的压力油顶起活塞和重物（把液压能转换为机械能输出）。 3）控制元件 指压力、流量和方向控制阀，其作用是控制和调节系统中液压的压力、流量和流动方向，以保证执行元件达到所要求的输出力（或力矩）、运动速度和运动方向，如图中的阀11。 4）辅助元件 包括管道、管接头、油箱或储气罐、过滤器和压力计等，起连接、输油、储存压力能、测量等作用，保证液压系统可靠和稳定的工作。 5）工作介质 指液压油，既是转换、传递能量的介质，也起着润滑运动零件和冷却传动系统的作用。 3.液压系统的图形符号 图2-6所示的是千斤顶的结构原理示意图，它比较直观，容易理解，但绘制较复杂，特别是当系统中元件数量较多时更是如此。为了简化液压原理图的绘制，我国制定了一套液压元件图形符号，将各液压元件都用相应的符号表示。这些符号只表示元件的职能（即功能）、连接系统的通路，不表示元件的具体结构和参数，并规定各符号所表示的都是相应元件的静止位置或零位置，我们称这种符号为职能符号。如图2-7就是用职能符号表示的液压千斤顶，它使系统图绘制起来更加方便，也更简洁明了。常用液压元件的职能符号在后面介绍元件时再作介绍。 图2-7 液压千斤顶的液压 传动系统图 4.液压传动的特点 液压传动与机械、电力等传动相比，有以下的优点优点 1）可以在运行过程中实现大范围的无级调速。 2）在同等输出功率下，液压传动装置的体积小、重量轻、运动惯量小、动态性能好。 3）液压传动可实现无间隙传动，运动平稳。 4）便于实现自动工作循环和自动过载保护。 5）由于一般采用油作为传动介质，因此液压元件有自我润滑作用，因而具有较长的使用寿命。 6）液压元件都是标准化、系列化的产品，便于设计、制造和推广应用。 液压传动的主要缺点是 1）能量损失大、效率低、不宜作远距离传动。 2）油的泄漏和可压缩性会影响元件运动的准确性，不能保证定比传动。 3）对温度变化较敏感，不宜在很高和很低的条件下工作。当采用油作为传动介质时还需要注意防火问题。 4）液压元件加工精度要求高，造价高。 5）液压系统的故障比较难查找，对操作人员的技术水平要求高。 二、液压传动的基本参数 通过对液压千斤顶的工作原理的分析可知，顶起重物的大小与液体的压力有关，重物上升的速度与液体的流量有关。液压传动最基本的技术参数是工作液体的压力和流量。 （一）液体的压力 1.液体的压力 液体在单位面积上所承受的法向作用力，称为压力。设液体在面积A上所受的作用力为F，则液体的压力p为 （2-4） 在国际单位制（SI）中，压力的单位是N/m2（牛顿/米2），称为帕斯卡，简称为帕（Pa）。由于此单位太小，工程上使用很不方便，因此常常采用的单位是兆帕（Mpa）。 我国过去在工程上使用压力单位有巴（bar）、工程大气压（kgf/cm2）、水柱高度（mH2O）、汞柱高度（mmHg）等。各压力单位的换算关系如下 2.压力的传递 压力的传递是由帕斯卡定律来描述的。在密闭容器中，施加于静止液体的压力可以等值地传递到液体各点，这就是帕斯卡定律。 在千斤顶举起重物时，泵缸和工作缸之间相当于一个密封的连通器，如图2-8所示。图中大、小活塞的面积分别为A1、A2，在小活塞上加一外力F1，在大活塞上有重力W，则小液压缸中液体的压力为 图2-8 帕斯卡定律的应用 大液压缸中液体的压力为 根据帕斯卡原理，则有 （2-5） 由可知，若重力W0，则p20。根据帕斯卡原理，这时p1必须为零，F1力施加不上去，即负载为零时系统建立不起压力。这说明，液压系统中的压力是与负载（重量W）的大小有关的。负载大，压力大；负载小，压力小；若负载为零，压力为零。这是液压传动的一个基本概念。 但是系统的压力也不是可以无限制地随着外载而增大的，它受到封闭容器和管路等强度的限制。为使系统工作可靠，往往在系统内设置安全阀来保护系统。 从式（2-5）可以看出，若F1一定，两个活塞面积A2/A1之比越大，使大活塞抬起的作用力就越大。也就是说，在小活塞上施加较小的力，就可以在大活塞上产生较大的作用力。可见液压传动还具有力（或力矩）的放大作用。液压千斤顶就是利用这个原理来进行起重工作的。 二流量和平均流速 流量和平均流速是描述液体流动的两个主要参数。 流量是指单位时间内流过管道或液压缸某一截面的液体体积。流量的常用代号为q，单位为m3/s,实际中常用的单位为L/min或L/s，它们之间的换算关系为 1m3/s6104 L/min 1103 L/s 液体在流动时，管道中某一截面上各点的速度一般是不相等的，为了方便计算，用平均流速来替代实际流速，即假设截面上各点的速度相等，液体以平均流速流过断面A的流量等于实际流速流过的流量。平均流速v可用下式计算 （2-6） 液压缸工作时，活塞运动的速度就等于缸内液体的平均流速，由此可见，当液压缸的有效面积一定时，活塞运动速度的大小由输入液压缸的流量来决定。在液压系统中，如能改变泵的流量，就可使工作缸活塞的运动速度发生变化，液压系统的调速就是基于这种关系实现的。 三、液压元件 液压传动系统是由液压泵、液压缸、液压控制阀和液压辅件等液压元件组成的。 （一）液压泵 图2-9 液压泵的工作原理 液压泵是提供一定流量、一定压力的液压能量装置，即把电动机输出的机械能转换成液体的压力能的装置，是液压系统中的动力元件。 1.液压泵的工作原理 图2-9所示的是一个简单的液压泵工作原理图，活塞3和泵体2构成密封的容积4。当提起杠杆活塞随之上升时，密封容积4增大，产生局部真空，油池内的油在大气压力作用下，通过单向阀5进入液压泵内，这就是吸油；当活塞向下运动时，密封容积减小，吸入液压泵内的油通过单向阀7被挤出，这就是压油。因此液压泵的基本工作原理是依靠密封工作容积的形成和周期性变化来实现吸油和压油。 2.液压泵的类型及图形符号 液压泵的类型很多，按其输出的流量能否可调节分为定量泵和变量泵；按泵的输油方向能否改变可分为单向和双向泵；按额定压力的高低可分为低、中、高压泵；按结构形式分为齿轮泵、叶片泵和柱塞泵等。每类中还有很多形式，如齿轮泵有外啮合式和内啮合式、叶片泵有单作用式和双作用式、柱塞泵有径向式和轴向式等。 液压泵的图形符号如图2-10所示，图（a）中只有一个黑三角形，其尖头朝外，表示单向定量泵；图（b）中有两个黑三角形，表示双向定量泵；图（c）和图（d）中多一45斜箭头，分别表示单向变量泵和双向变量泵。 （a） （b） （c） （d） 图2-10 液压泵的图形符号 3.常用泵的结构及原理 （1）齿轮泵 图2-11所示为外啮合齿轮泵的工作原理图。它是由装在壳体内的一对齿轮所组成，齿轮两端面靠端盖密封。当电动机带动主动齿轮2按图示方向旋转时，从动齿轮4也一起旋转。右侧为进油腔，因为相互啮合的齿轮从啮合到脱下，工作空间的容积增大，形成局部真空，油箱中的油液在大气压力的作用下进入进油腔，并填满齿槽而被带到左侧压油腔（出油腔），又因在左侧的压油腔齿轮逐渐进入啮合，工作空间的容积逐渐变小，所以齿间的油液被挤压出去，如此连续不断地循环，即形成吸油和压油。 图2-11 齿轮泵的工作原理 1压油腔；2主动齿轮；3进油腔；4从动齿轮 齿轮泵是液压泵中结构最简单的一种，它的自吸能力好，对油液的污染不敏感（一般齿轮泵、叶片泵和柱塞泵对油液的过滤精度要求分别为40,25和15m），工作可靠，制造容易，体积小，价格便宜，故获得广泛应用。齿轮泵最初用在机器的润滑系统上，工作压力较低，采掘机械中应用的齿轮泵大都是额定压力在8MPa以上的中高压齿轮泵。近年发展了浮动侧板等结构，允许在高速和高压下运转，最高压力可达25Mpa以上。齿轮泵最大的缺点是不能变量。 图2-12 单作用叶片泵的工作原理 1一转子；2一定子；3一叶片 （2）叶片泵 叶片泵按结构分有两类，即单作用叶片泵和双作用叶片泵。单作用叶片泵的主轴转动一周时，各密封容积吸排油液一次，双作用叶片泵则吸排油液各两次。单作用叶片泵多为变量泵，双作用叶片泵是定量泵。 图2-12为单作用叶片泵工作原理图。其结构由转子1、定子2、叶片3和端盖等零件组成。转子偏心装在定子中间，叶片装在转子槽中，并可在槽内灵活滑动。当转子回转时，由于离心力和叶片根部压力油的作用，叶片顶部紧贴在定子内表面上，这样就在定子、转子、叶片和端盖间形成若干个密封的工作空间。当转子按图示逆时针方向回转时，在图的右部叶片逐渐伸出，叶片间的工作空间逐渐增大，产生局部真空，油箱中的油液在大气压力作用下由进油口进油，完成吸油功能。在图的左部，叶片被定子内表面逐渐推人转子的槽内，工作空间逐渐缩小，腔内油液受到压缩，将工作油液从压油口压出，即把压力油输送出去。 和齿轮泵相比较，叶片泵的流量较均匀。但对油液的污染比较敏感，因为不清洁的油液会影响叶片在槽内自由滑动，甚至破坏泵的工作。 在采掘机械中，叶片泵应用较少。在ZC-60B全液压侧卸式铲斗装载机中，使用定量叶片泵提供压力油。早期的80型采煤机上使用变量叶片泵。 （3）柱塞泵 柱塞泵是利用柱塞的往复运动，改变柱塞缸内的容积而实现吸、排油液的。根据柱塞数的多少和柱塞的排列型式不同，有单柱塞泵、三柱塞泵、轴向柱塞泵和径向柱塞泵等类型，后两类属多柱塞泵。由于柱塞和缸孔都是圆柱面，加工比较方便，精度容易保证，可以获得很小的滑动配合间隙。因此，和其它类型泵相比，柱塞泵能达到较高的工作压力和容积效率。在采掘机械中，尤其是综采机械设备中，柱塞泵得到广泛的应用。 1）单柱塞泵 图2-13为单柱塞泵工作原理图。柱塞泵是由曲轴1通过连杆2带动柱塞3复运动进行吸油排油。当柱塞向右运动时，柱塞腔的容积由小变大，产生真空，进行吸油；当柱塞向左运动时，柱塞腔的容积由大变小，把吸进油液排出去。为了保证油液的流向，在柱塞腔装有两个方向相反的单向阀，一个为吸油阀4，一个为排油阀5。 图2-13 柱塞泵工作原理 1曲轴；2连杆；3柱塞；4吸油阀；5排油阀 2）轴向柱塞泵 轴向柱塞泵是柱塞平行于缸体轴线的多柱塞泵。这种泵工作压力高，径向尺寸小，而且容易实现变量，所以得到广泛应用。在采掘机械中，压力高于15MPa的采煤机牵引部液压系统，大都采用轴向柱塞泵。轴向柱塞泵根据传动轴与缸体的位置关系有直轴式（即斜盘式）和斜轴式两种基本型式。 图2-14 轴向柱塞泵的结构和原理 图2-14所示为斜盘式轴向柱塞泵的结构和原理图。主要由主轴1、柱塞泵体2、固定不动的配流盘3、柱塞4、滑履5、斜盘6和弹簧7等零件组成。缸体上沿圆周均匀分布有平行于其轴线的若干个 （一般为711个）柱塞孔，柱塞装入其中而形成密封空间，斜盘的倾斜角g是可以调节的，柱塞在弹簧的作用下通过其头部的滑履压向斜盘。主轴带动缸体按图示方向旋转时，处在最下位置的柱塞将随着缸体旋转的同时向外伸出，使柱塞底腔的密封容积增大，从而经底部窗口和配流盘腰形吸油槽吸入油液，直至柱塞转到最高位置；当柱塞随缸体继续从最高位置转到最低位置时，斜盘就迫使柱塞向缸孔回缩，使密封容积减小，油液压力升高，经配流盘另一腰形排油槽挤出。缸体旋转一周，每一柱塞都经历此过程。因此泵输出的流量便趋向均匀。 斜盘式轴向柱塞泵可以通过调节斜盘倾角g的大小和方向，来改变泵的流量和流向。改变斜盘的倾角g，就改变了柱塞的行程，从而改变泵的流量。当斜盘倾角g0时，柱塞不动作，液压泵的流量为零。若使斜盘倾角由g变到-g；在缸体旋向不变的情况下，则泵的进油口和排油口互换，液压泵就改变了流向。 （二）液压马达 液压马达是液压系统中的一种执行元件，它将液压泵提供的液压能转变为机械能。因此，从能量转换的观点看，液压马达和液压泵是相互可逆工作的液压元件，即向液压泵输入压力油，输出的是转矩和转速，成为马达工况；反之，当液压马达主轴由外力矩驱动旋转时，也可成为泵工况。但是，由于马达和泵的工作条件不同，对它们的性能要求也不一举，所以同结构类型的马达与泵之间仍有差别。因此，实际工作中，液压马达和液压泵是不可以互逆使用的。 1.液压马达的类型及图形符号 液压马达在分类上与液压泵基本一样。按其结构也可分为齿轮式液压马达、叶片式液压马达、柱塞式液压马达等。其中柱塞式液压马达又可分为轴向柱塞式和径向柱塞式两种。在实际工作中，人们常把输出扭矩M1502OOr/min的液压马达称为高速小扭矩马达；输出扭矩Ml5OONm，输出转速n150200r/min的液压马达称为低速大扭矩马达。常用的高速小扭矩马达有齿轮式马达，叶片式马达和轴向柱塞式马达。一般的低速大扭矩马达多为径向柱塞式马达。 液压马达的图形符号如图2-15所示。 （a） （b） （c） （d） 图2-15 液压泵的图形符号 （a）单向定量马达；（b）双向定量马达；（c）单向变量马达；（d）双向变量马达 2.液压马达的结构和原理 （1）轴向柱塞马达 轴向柱塞马达也有斜盘式和斜轴式两种类型，其基本结构与同类型的柱塞泵相类似但要比泵简单得多。 图2-16 轴向柱塞马达示意图 1－配油盘；2柱塞；3斜盘；4主轴 图2-16为一斜盘式轴向柱塞马达的示意图。压力油液经配油盘1将处在高压腔位置的柱塞2推出，压在斜盘3上。假定斜盘给予柱塞的反作用力为N，则N可分解为两个分力轴向分力Fa和径向分力Ft。其中轴向分力Fa和作用在柱塞后端的液压力相平衡；径向分力Ft产生转矩使缸体旋转，带动主轴并输出扭矩。从图中可以看出，在7个柱塞中有4个处在配油盘的进油槽上，液压马达的输出转矩就等于这4个柱塞产生转矩的总和。 （2）内曲线马达 内曲线马达是内曲线径向柱塞液压马达的简称。它的特点是输出轴转速低、扭矩大，一般不需要减速装置就可以直接驱动工作机构，简化了机器的传动结构，在输出功率和速比相同的情况下，具有重量轻、体积小的特点，此外，它还具有良好的低速稳定性能。内曲线马达在工程机械、矿山机械和起重机械中得到了广泛地应用。 如图2-17所示，内曲线马主要由转子1、滚轮2及柱塞、定子3、配油轴等部件组成。在转子1上，沿径向均匀分布有多个柱塞孔，每个孔的底部有一配油窗口，与配油轴4上的配油口相通。柱塞装在转子的柱塞孔中并可在孔中往复运动，柱塞的外端通过滚轮与定子1的内曲线接触。定子的内壁由若干段均匀分布的曲面形成，每一曲面可以分成对称的两边，一边为进油区段a，另一边为回油区段b。 图2-17 内曲线马达工作原理图 1转子；2滚轮；3定子；4配油轴；5回油口；6进油口 压力油进入配油轴4的孔后，经进油口6分别进入柱塞①、⑤柱塞孔，推动柱塞①、⑤压向内曲线a段；与次同时，柱塞③、⑦柱塞孔与回油口5相连通。因此，内曲线a段为高压区，b段为低压区。柱塞②、④、⑥、⑧处于过渡状态。 压力油使柱塞①、⑤伸出顶紧在定子曲面上，曲面就会给它一个反作用力N，其方向垂直于曲面并通过滚轮的中心。反力N可以分解为径向力P和切向力T，径向力P沿柱塞轴向方向，与柱塞底部的液压力平衡，切向力T垂直于柱塞轴线，对转子1的旋转中心产生力矩，推动转子顺时针旋转。同时，处于回油区段b的柱塞③、⑦受压后缩，把低压油从回油窗口排出。 转子每转一周，每个柱塞往复移动若干次。所以任一瞬时总有一部分柱塞处于进油区段，使转子转动。 （三）液压缸 液压缸的功用和液压马达类似，在液压传动系统中作为执行元件，带动工作机构实现直线往复运动。液压缸在采掘机械中应用十分广泛，凡是用液压传动的采掘机械，几乎都有液压缸，如综采工作面的液压支架，它的立柱和各种千斤顶都是液压缸。 液压缸的种类很多，常用的液压缸类型如表2-2所示。按结构特点可分为柱塞缸、活塞缸、摆动缸和组合缸等。按作用方式又可分单作用和双作用两种。单作用液压缸的活塞杆只是一个方向动作时（通常是向外伸出）时，靠压力油推动，回程则靠自重或外力（如弹簧力等）将活塞杆推回，单作用液压缸只有一根油管。采煤机调斜油缸、装煤机各油缸以及单体液压支柱等都是单作用液压缸。双作用液压缸的活塞杆不论伸出或缩回均靠压力油的控制来实现，双作用液压缸则有两根油管。采煤机调高油缸、移溜器油缸都是双作用液压缸。 表2-2 常用的液压缸类型 分类 名称 符号 单作用液压缸 柱塞式 活塞式 伸缩套筒式 双作用液压缸 单活塞杆式 双活塞杆式 伸缩套筒式 组合液压缸 齿条活塞式 1.单杆活塞液压缸 （a） （b） 图2-18 单杆活塞液压缸 1、13缸盖；2、7、8、11、12密封件；3、4、5挡圈；6活塞； 9缸筒；10活塞杆；14防尘圈；A、B进出油口 这种液压缸仅有一端有活塞杆，其的结构如图2-18（a）所示。它主要由缸筒、活塞、活塞杆、密封件、缸盖等组成。活塞靠密封件7、8将缸筒分隔成左右两腔。当油口A进入压力油时，推动活塞向右运动，活塞向外伸出，此时右腔的低压油经油口B回油箱；反之，当油口B进入压力油时，则推动活塞向左运动，活塞杆缩回，此时左腔的低压油经油口A回油箱。图2-18（b）为双作用单杆活塞液压缸的图形符号。 这种液压缸活塞两侧的有效作用面积不相等，在相同的液压力和流量作用时，活塞杆往复移动速度不相等，两个方向的推力也不相等。 图2-19 单杆活塞液压缸推力及速度计算简图 无杆腔进油时，如图2-19所示，活塞伸出的运动速度、推力和时间分别为 （2-7） （2-8） （2-9） 有杆腔进油时，活塞缩回的运动速度、拉力和时间分别为 （2-10） （2-11） （2-12） 式中 q输入液压缸的流量，mL/min； p油液的压力，Mpa； D活塞的直径（即缸筒内径），mm； d活塞杆的直径，mm ； s活塞杆的行程，mm。 例某采煤机调高千斤顶的缸径D140mm，活塞杆径d85mm，行程s600mm，液压泵工作压力p12Mpa，实际流量Q6.68L/min。试求其推力、拉力、推拉速度和时间。 解 1）由公式（2-8）得活塞的推力为 2）由公式（2-11）得活塞的拉力为 3）由公式（2-7）得活塞的伸出的速度为 4）由公式（2-10）得活塞的缩回的速度为 5）由公式（2-9）得活塞的伸出的时间为 6）由公式（2-12）得活塞的缩回的时间为 2.双活塞杆液压缸 这种液压缸的两端都有活塞杆伸出，图形符号如图2-20所示。因为活塞杆直径相等，当输入液压缸两腔的流量、压力相等时，则活塞往复移动的速度、推力相等。 图2-20 双活塞杆液压缸 图2-21 柱塞缸 3.柱塞缸 柱塞缸是单作用液压缸，为了得到双向运动，柱塞缸需成对使用。其图形符号如图2-21所示。柱塞端面是受压面，其面积大小决定了柱塞缸的输出速度和推力。 柱塞缸产生的推力F和运动速度v分别为 （2-13） （2-14） 式中 d柱塞直径，mm。 其它符号意义同前。 （三）液压控制阀 液压控制阀是液压系统中的控制元件，用于控制系统中的油液的压力、流量和流动方向。一个液压系统中使用的液压控制阀很多，它们的具体作用和名称可能各不相同，但按照它们在系统中所起的作用可分为三类方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀。 各种液压阀的阀口数量因阀而异，有各种功能，一般可分为五种，分别用六个拼音字母表示。它们所表示的功能分别说明如下 压力油口（P） 指的是进入压力油的油口，但有些阀（如减压阀、顺序阀）的出油口也是压力油口； 回油口（O） 是低压油口。阀内的低压油从此流出，流向下一个元件或油箱； 泄油口（L） 也是低压油口。阀体中漏到空腔中的低压油经它回到油箱； 工作油口 一般指方向阀的A、B油口，由它连接执行元件； 控制油口K 使控制阀动作的外接控制压力油由此进入。 1.方向控制阀 在液压系统中，用于控制液压系统中油液流动的方向的阀称为方向控制阀，简称为方向阀。它分为单向阀和换向阀两大类。 （1）单向阀 单向阀的作用是控制油液只能向一个方向流动，而不允许反向流动。分普通单向阀和液控单向阀。 普通单向阀的结构与工作原理见图2-22（a）。它是由阀体1、阀芯2和弹簧3等零件构成。当压力油到达进油口时，克服弹簧压力，推开阀芯，可从出油口流出。反向时，即压力油到达右端的油口时，阀芯在压力油和弹簧的作用下，始终压紧在阀座上（不能推开阀芯），所以压力油也就不可能从右端进入而从左端流出。其图形符号见图（b）。 （a） （b） 图2-22 普通单向阀 1阀体；2阀芯；3弹簧 液控单向阀的职能符号如图2-23所示，与普通单向阀相比多了一个控制油口k（方框外的虚线）。当控制油口不接通压力液体时，油液只能由p1口进入， p2口流出，这与普通单向阀是一样的。如果控制油口接通压力油时，油口p1、p2相互连通，油液可以在两个方向自由通流。 在实际应用中，往往使用两个液控单向阀构成组合阀，称为双向液压锁（简称液压锁），如图2-24所示。液压锁可以在液压泵停止工作以后，仍使液压缸或其它执行元件长时间地停在某一位置。在煤矿液压支架、采煤机的调高机构以及许多工程机械中常常采用液压锁来闭锁执行元件。 图2-23 液控单向阀符号 图2-24 双向液压锁 （2）换向阀 换向阀的作用是利用阀芯和阀体间的相对运动，来变换油液的流动方向，接通或关闭油路。换向阀的应用很广，种类也很多，具体分类见表2-3。 表2-3 换向阀的分类 分类方式 型式 阀芯运动形式 滑阀、转阀、锥阀 阀的工作位置数 二位、三位、多位 阀的通路数 二通、三通、四通、五通、多通 阀的操作方式 手动、机动、电动、液动、电液动 阀的安装方式 管式、板式、法兰式 滑阀式换向阀是目前应用最普遍的一种换向阀（又称滑阀）。它是靠直线移动阀芯，改变阀芯在阀体内的相对位置来改变油流方向的。如图2-25所示为滑阀式换向阀的工作原理图，当阀芯处于图示位置时，油口P、A、B、T1、T2互不相通，液压缸的活塞处于停止状态；当阀芯向右移动一定的距离时，由液压泵输出的压力油从阀的P口经A口输向液压缸左腔，液压缸右腔的油经口B、T2口流回油箱，液压缸向右移动；反之，阀芯向左移动一定的距离时，液压缸向左移动。 （a） （b） 图2-25 滑阀工作原理 图2-25（a）中的换向阀可绘制成如图2-25（b）所示的职能符号图。换向阀职能符号的含义如下 1）方框表示阀的工作位置，有几个方框，表示就有几“位”。 2）方框内的箭头表示在这一位置上油路处于连通状态，但不表示流向。“⊥”或“Т”表示油路不通。 3）在一个方框内，箭头、“⊥”或“Т”符号与方框的交点数为油路的通路数，即“通”数。 4）P表示压力油的进口；T表示与油箱连通的回油口；A、B表示连接阀与执行元件的工作油口。 5）方框的两端是控制方式和复位弹簧的符号。 常用换向阀的位和通路的符号图如图2-26所示，常用换向阀操纵方式符号如图2-27所示，两者符号组合就可以得到不同的换向阀，如三位四通电磁换向阀、二位二通机动换向阀等。 二位二通 二位三通 二位四通 二位五通 三位四通 三位五通 图2-26 换向阀的位和通路符号 图2-27 换向阀操纵方式符号 a）手动；b）机动；c）电磁动；d）弹簧；e）液动；f）液压先导式；g）电磁液压先导控制 2.压力控制阀 在液压系统中，压力控制阀用于控制油液压力, 以满足执行机构的力或力矩的需要。常用的压力阀有溢流阀、减压阀、顺序阀等。 （1）溢流阀 溢流阀应用很广，它的主要作用有两个一是在定量泵节流调节系统中，用来保持液压泵出口压力恒定，并将液压泵多余的油液溢流回油箱，这时溢流阀起定压溢流作用；二是在容积调速系统中，用来限制系统的最高工作压力，在正常工作压力下，溢流阀关闭，当系统压力超过溢流阀的调定压力时，溢流阀开启，以保护系统的安全。 根据结构不同，溢流阀可分为直动式和先导式两类。 溢流阀的工作原理如图2-28（a）所示，溢流阀在系统正常工作时，阀芯在上端弹簧力作用下下移，使阀口关闭，此时泵所输出的油液不能通过溢流阀流回油箱，而是全部进入系统（图申箭头方向）。当泵的工作压力随负载的增加而使系统的压力p增加时，阀芯下端的液压推力FppA（A为阀芯下端的有效面积）增加，则克服上端的弹簧压力使阀芯向上移动，在系统压力达到溢流阀调定压力时，阀口被打开，油液经溢流阀直接排回油箱，使泵的工作压力不超过溢流阀的调定压力，从而防止系统的过载，保护泵和整个系统的安全。故又称溢流阀为安全阀。图2-28（b）为直动式溢流阀的职能符号，图2-28c为先导式溢流阀的职能符号。 （c） 图2-28 溢流阀的工作原理及职能符号 （2）减压阀 在液压系统中，常由一个液压泵向几个执行元件供油，各执行元件需要不同的压力油时，通常在支路上就需要使用减压阀。减压阀的作用是将主回路中的高压工作液体的压力减低到所需要的压力，以满足系统分支执行元件的需