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液气压传动与控制


液气压传动与控制
贵州大学机械工程学院

第四章
液 压缸 气 缸

执行元件

直线运动执行元件的类型、特点和工作原理

旋转运动执行元件的类型、特点和工作原理 液压马达

气 马达

4.1 概述
液压缸将液压能转变为机械能

的装置,它将液压能转变为直线运动或 摆动的机械能。

一、液压缸的分类
1.按结构形式分:

? 活塞缸
? 柱塞缸

又分单杆活塞缸、双杆活塞缸

2.按作用方式分:

? 单作用液压缸
? 双作用液压缸

一个方向的运动依靠液压作用力实现,另一

个方向依靠弹簧力、重力等实现; 两个方向的运动都依靠液压作用力来实现。

执行元件

概述

液压缸的分类

二、双杆活塞缸

? 双双杆活塞缸活塞两侧都有活塞杆伸出,根据安装方式不同又
分为活塞杆固定式和缸筒固定式两种。

执行元件

概述

双杆活塞缸

?

当缸筒固定时,运动部件

?移动范围是活塞有效行程的 ?三倍;当活塞杆固定时,运

?动部件移动范围是活塞有效 ?行程的两倍 。
? 双杆活塞缸的速度推力特性 v = q / A = 4 qηv /π(D 2- d 2) 缸在左右两个方向上输出的速度相等,ηv为缸的容积效率。 F = A(p1- p2)ηm=π(D 2-d 2)(p1- p2)ηm /4 缸在左右两个方向上输出的推力相等,ηm为缸的机械效率。
执行元件 概述 双杆活塞缸的速度推力特性

三、单杆活塞缸

?

单杆活塞缸只有一端

带活塞杆,它也有缸筒固 定和活塞杆固定两种安装 方式,两种方式的运动部 件移动范围均为活塞有效 行程的两倍。 ? 单杆活塞缸速度推力特性 向右运动速度 v1 = qηv /A1= 4 qηv /πD 向右运动推力 F1= (A1p1 - A2p2)ηm
2

向左运动速度 v2 = qηv /A2= 4 qηv /π(D 2- d 2)

向左运动推力 F2 =(A2 p1 - A1p2)ηm
往返速比 λv= v2 / v1=1/[1-(d /D)2 ] 式中η 概述 执行元件 v为缸的容积效率,ηm为缸的机械效率 单杆活塞缸

?差动连接
?
单活塞杆缸两腔同时通压 力油,称为差动连接。差动

连接的缸只能一个方向运动。
图示为向右运动。
?运动速度

v3=(q + q`)/ A1=(q +A2v3)/ A1 整理得:v3= q /(A1-A2)=4 q /πd 2 如果要求 差动缸向右运动速度v3=非差动连接向左运动速度 v2 则 D =2 1/2 d 活塞推力F3= p1(A1-A2)ηm

适用于机床液压系统空载快进工况。
执行元件 概述
差动连接

四、柱塞缸

1. 柱塞缸的特点
?

柱塞与缸筒无配合关系,缸筒内孔不需精加工,只是柱

塞与缸盖上的导向套有配合关系。
?

为减轻重量,减少弯曲变形,柱塞常做成空心。

柱塞缸只能作单作用缸,要求往复运动时,需成对使用。 特别适用在行程较长的场合。
执行元件

概述

柱塞缸

2. 柱塞缸的速度推力特性 柱塞运动速度 柱塞推力 v = qηv /A= 4 qηv /πd 2 F= pAηm=p(πd 2 / 4 )ηm

式中 A ——柱塞的有效工作面积(m2); d ——柱塞直径(m); p ——缸筒内油液的工作压力(N/m2); q ——输入柱塞缸的油液流量(m3/s)。

执行元件

概述

柱塞缸

五、伸缩液压缸
两个或多个活塞式缸套

装而成,前一级活塞缸的活塞
杆是后一级活塞缸的缸筒。各 级活塞依次伸出可获得很长的

行程,当依次缩回时缸的轴向
尺寸很小。 除双作用伸缩液压缸外, 还有单作用伸缩液压缸。不同 点是单作用回程靠外力,而双 作用靠液压作用力。

执行元件

概述

伸缩液压缸

六、齿条活塞缸

?

齿条活塞缸是活塞缸与齿轮齿条机构组成的复合式缸。它将活塞的直

线往复运动转变为齿轮的旋转运动,用在机床的进刀机构、回转工作台转 位、液压机械手等。

液压缸

概述

齿条活塞缸

七、增压缸

增压缸是活塞缸与柱塞缸组成的复合缸,但它不是能量转换装置,

只是一个增压器件。
增压比为大活塞与小柱塞的面积比 小柱塞缸输出的压力 K=D 2/d 2 pb= paKηm

增压能力是以降低有效流量为代价的。
液压缸 齿条活塞缸

概述

八、摆动式液压缸
当通入液压油,它的主轴能输出小于360°的摆动运动的缸称 为摆动式液压缸。常用于辅助装置,如送料和转位装置、液压机械 手及间歇进给机构。

液压缸

概述

摆动缸

当通入液压油,它的主轴能输出小于360°的摆动运动的缸称

为摆动式液压缸。常用于辅助装置,如送料和转位装置、液压机械
手及间歇进给机构。 双叶片式:摆动角度一般小于150°。但在相同条件下,输出 转矩是单叶片摆动缸的两倍,输出角速度是单叶片缸的一半。 单叶片式:摆动角度较大,可达300° 输出转矩 T=(R22-R12)Δpηmb / 2

输出角速度 ω=2qηv / b(R22- R12)

液压缸

概述

摆动缸

4.2 液压缸
一、液压缸的典型结构

1-缸底;2-弹簧挡圈;3-套环;4-卡环;5-活塞;6-O形密 封圈;7-支承环;8-挡圈;9-YX 形密封圈;10-缸体;11-管 接头;12-导向套;13-缸盖;14-防尘圈;15-活塞杆;16-定 位螺钉;17-耳环
执行元件

液压缸

液压缸的典型结构

1.缸体组件
包括缸筒、缸盖,其结构形式和其使用的材料有关。常用的结构形式有:

法 兰 式 连 接

半 环 连 接 式

优点 1. 结构较简单 2. 易加工 3. 易装卸
执行元件 液压缸

缺点 1. 比螺纹联接重 2. 外形较大

优点 1. 结构简单 2. 易装卸

缺点 键槽使缸筒壁的强度 有所削弱

缸体组件

焊 接 连 接 式

优点
1. 重量较轻 2. 外形较小

缺点
端部结构复杂 装卸要用专门工具

优点 拉 杆 式 连 接 1. 缸筒最易加工 2. 最易装卸

缺点 重量较重,外形尺寸 外形尺寸较大

3.结构通用性大

执行元件

液压缸

液压缸典型结构

2.活塞组件
液压缸行程较短、且活塞与活塞杆直径相差不多时,可将活塞与

活塞杆做成整体,但在大多数情况下,活塞与活塞杆是分开的。在一
般工作条件下,这两者采用螺纹固定。当缸工作压力较高或负载较大, 而活塞杆直径又较小时,活塞杆的螺纹可能过载;另外工作机械振动 较大时,固定活塞的螺母可能松动,因此需采用半环连接或弹簧挡圈 连接包括活塞与活塞杆等零件,常见的连接方式有半环式连接、螺纹 式连接及锥销式连接。

螺纹连接
执行元件 液压缸 活塞组件

锥销连接

3.密封装置

有活塞与缸筒、活塞杆与缸盖的密封,用以防止油液的泄漏。

一般要求密封装置应具有良好的密封性、尽可能长的寿命、制造简单、
拆装方便、成本低。常见的密封装置有间隙密封(依靠运动件间的微 小间隙来防止泄漏)、活塞环密封(依靠在活塞上的活塞环在O形圈 弹力作用下贴紧缸壁而防止泄漏)、密封圈密封(有Y形圈、V形圈 等,利用橡胶和塑料的弹性使各种截面的环形圈贴紧在静、动配合面

之间来防止泄漏)。

执行元件

液压缸

密封装置

4.缓冲装置
其作用原理就是当活塞行程到终点而接近缸盖时,增大液压缸 回油阻力,使回油腔中产生足够大的缓冲压力,使活塞减速,从而 防止活塞撞击缸盖。

执行元件

液压缸

缓冲装置

图a)为间隙缓冲,缓冲柱塞进入缸端孔时,孔内油液从柱塞与孔壁间 的环形间隙挤出,形成缓冲压力,吸收惯性引起的机械动能。 图b)为可变节流缓冲。缓冲柱塞进入缸端孔时,回油路封闭,迫使回 油经由缓冲柱塞上的节流口(轴向三角槽)流出而建立缓冲压力。节流 口面积随柱塞行程而变化。 图c)为可调节缓冲。缓冲柱塞进入缸端孔时,封闭了回油通路,迫使 回油通过一个可调节流阀而建立缓冲压力。
执行元件 液压缸 缓冲装置

5.排气装置

通常有两种:一种是在液压缸的最高部位处开排气孔,并用管道 连接排气阀进行排气;另一种是在液压缸的最高部位安放排气塞。

执行元件

液压缸

排气装置

二、液压缸的设计计算
1.液压缸设计中应注意的问题 1)尽量使活塞杆,在受拉状态 下承受最大负载。 2)考虑液压缸行程终了处的缓 冲问题和液压缸排气问题。 3)正确确定液压缸的安装、固 定方式。 4)液压缸各部分的结构需根据 推荐的结构形式和设计标准进 行设计。 2.液压缸主要尺寸的确定 1)缸筒内径D 根据负载的大小和选定工 作压力,依公式计算后,再从GB2348-80 标准中选取。
执行元件 液压缸 液压缸的设计计算

2)活塞杆直径d 当速度比

有要求时,则

? 式中 q ——缸所需流量(m3/s); ? v1、v2 ——活塞的伸出、缩回运动速度 (m/s)。 3)液压缸缸筒长度L 由最大工作行程长度决定。 4)最小导向长度 当活塞杆全部外伸时,从活塞支承面中点到导向 L——缸的最大工作行程。

套滑动面中点的距离。

执行元件

液压缸

液压缸的设计计算

3.强度校核

1)缸筒壁厚校核



时为薄壁,按下式进行校核

式中δ—缸筒壁厚; D—缸筒内径; [σ]—缸筒材料的许用应力。 当缸筒为厚壁时,按下式进行校核

Py —缸筒实验压力;

执行元件

液压缸

液压缸的设计计算

2)活塞杆直径校核

式中 F—活塞杆上的作用力;

[σ]—活塞杆材料的许用应力。

3)液压缸盖固定螺栓直径校核 式中 F—液压缸总负载;

z—固定螺栓个数;
k—螺纹拧紧系数,k=1.12~1.5; σs—材料的屈服极限。[σ]= σs /(1.2~2.5)

执行元件

液压缸

液压缸的设计计算

4)缓冲计算 液压缸在缓冲时,缓冲腔内产生的液压能E1 和工作部件产生 的机械能E 2分别为

式中lc—缓冲长度; pc —缓冲腔中的平均缓冲压力; pp—高压腔中油液压力; Ac、 Ap—缓冲腔、高压腔的有效工作面积; m—工作部件总质量; Vo—工作部件运动速度; Ff —摩擦力。 当E1 =E 2时,工作部件的机械能全部被缓冲腔液体所吸收,则

执行元件

液压缸

液压缸的设计计算

4.3 旋转运动执行元件工作运力、类型和特点
? 液压马达是将液体压力能转换为机械能的装置,输出转矩和转速,是

液压系统的执行元件。
? 马达与泵在原理上有可逆性,但因用途不同结构上有些差别:马达要 求正反转,其结构具有对称性;而泵为了保证其自吸性能,结构上采

取了某些措施。
? 马达的分类: ? ns>500r/min 为高速液压马达:齿轮马达,叶片马达,轴向柱塞

马达
? ns< 500r/min 为低速液压马达:径向柱塞马达(单作用连杆型 径向柱塞马达,多作用内曲线径向柱塞马达)

执行元件

旋转运动执行元件工作运力、类型和特点

一、齿轮马达
1. 结构特点

进出油口相等,有单独的泄油口;
为减少摩擦力矩,采用滚动轴承; 为减少转矩脉动,齿数较泵的齿数多。 2. 应用 由于密封性能差,容积效率较低,不能产生较大的转矩,且瞬时转速和转 矩随啮合点而变化,因此仅用于高速小转矩的场合,如工程机械、农业机 械及对转矩均匀性要求不高的设备。

执行元件

旋转运动执行元件工作运力、类型和特点

齿轮马达

二、轴向柱塞马达
1. 工作原理 (如图)

2. 结构特点 轴向柱塞泵和轴向 柱塞马达是互逆的。

配流盘为对称结构
3. 应用 作变量马达。

应用

改变斜盘倾角,不仅影响马达的转矩,而且影响它的转速和转向, 斜盘倾角越大,产生的转矩越大,转速越低。

执行元件

旋转运动执行元件工作运力、类型和特点

轴向柱塞马达

三、叶片马达
1. 结构特点

进出油口相等,有单独的泄油口;
叶片径向放置,叶片底部设置有燕式弹簧; 在高低压油腔通入叶片底部的通路上装有梭阀。

2. 应用 转动惯量小,反应灵敏,能适应较高频率的换向。但泄漏大, 低速时不够稳定. 适用于转矩小、转速高、机械性能要求不严格的场合。

执行元件

旋转运动执行元件工作运力、类型和特点

叶片马达

4.4 液压马达
一、低速大扭矩马达 ? 多作用内曲线径向柱塞马达

执行元件

液压马达

低速大转矩马达

1.结构原理
?

壳体内环由x 个导轨曲面组成,

每个曲面分为a、b两个区段;
?

缸体径向均布有z 个柱塞孔, 柱塞球面头部顶在滚轮组横梁上, 使之在缸体径向槽内滑动 ;

?

柱塞、滚轮组组成柱塞组件, a段导轨对柱塞组件的法向反力的切向分力对缸体产生转矩;

?

配流轴圆周均布2x 个配流窗口,其中x 个窗口对应于a段,通高
压油,x 个窗口对应于b段,通回油(x≠z );

?

输出轴 ,缸体与输出轴连成一体。
旋转运动执行元件工作运力、类型和特点 结构原理

执行元件

2.排量公式 v =(πd 2/4)ZmH

式中 H——柱塞行程;
d——柱塞直径; m——内曲线段数;

Z——柱塞数。

3.应用

转矩脉动小,径向力平衡,启动转矩大,

能在低速下稳定运转,普遍用于工程、建筑、起重

运输、煤矿、船舶、农业等机械中。

执行元件

旋转运动执行元件工作运力、类型和特点

排量公式

?单作用连杆型径向柱塞马达

执行元件

旋转运动执行元件工作运力、类型和特点

1. 结构原理
呈五星状(或七星状)的壳体内均匀分布着柱塞缸。 柱塞与连杆铰接,连杆的另一端与曲轴偏心轮外圆接触。高压

油进入部分柱塞缸头部,高压油作用在柱塞上的作用力对曲轴
旋转中心形成转矩。另外部分柱塞缸与回油口相通。 曲轴为输出轴。 配流轴随曲轴同步旋转,各柱塞缸依次与高压进油和低压回油 相通(配流套不转),保证曲轴连续旋转。

执行元件

旋转运动执行元件工作运力、类型和特点

2. 排量公式 v =πd 2e z / 2

d 为柱塞直径;e 为曲轴偏心距;z 为柱塞
数。

3. 应用
结构简单,工作可靠,可以是壳体固定曲轴旋转,

也可以是曲轴固定壳体旋转(可驱动车轮或卷
筒),但体积重量较大,转矩脉动,低速稳定性 较差。采用静压支承或静压平衡后最低转速可达3 r/min。
执行元件 旋转运动执行元件工作运力、类型和特点

二、液压马达的特性参数
1.工作压力与额定压力

? 工作压力 p 大小取决于马达负载,马达进出口压力的差值称为马
达的压差Δp。 ? 额定压力 ps 能使马达连续正常运转的最高压力。 2. 流量与容积效率 输入马达的实际流量 qM=qMt+Δq其中 qMt为理论流量, 马达在没有泄漏时, 达到要求转速所需进口流量。

容积效率ηMv= qMt / qM= 1- Δq / qM

执行元件

旋转运动执行元件工作运力、类型和特点

液压马达的特性参数

3.排量与转速 排量V为ηMV等于1 时输出轴旋转一周所需油液体积。 转速 n = qMt/ V = qMηMV / V

4.转矩与机械效率 实际输出转矩 T=Tt-ΔT

理论输出转矩 Tt=Δp VηMm/ 2π
机械效率ηMm=TM/TMt 5.功率与总效率 式中 ηM= PMo/ PMi=T 2πn/ Δp qM= ηMvηM

PMo为马达输出功率,PMi为马达输入功率。
旋转运动执行元件工作运力、类型和特点 特性参数

执行元件

4.5 气缸
气动执行元件是将压缩空气的压力能转换为机械能的装 置。包括气缸和气马达。实现直线运动和做功的是气缸; 实现旋转运动和做功的是气马达。

执行元件

气缸

气缸的分类及典型结构

一、气缸的分类及典型结构
1. 普通气缸

2. 薄膜片气缸是一种用压缩空气推动 非金属膜片作往复运动的气缸,可以 是单作用式,也可以是双作用式。适 用于气动夹具、自动调节阀及短行程 工作场合。

执行元件

气缸

气缸的分类及典型结构

3. 冲击气缸 由缸筒、活塞和固定在缸筒上的中盖组成,中盖上有一喷嘴。它能产 生相当大的冲力,可以充当冲床使用。整个工作过程分为三个阶段: ? 复位段 气源由孔A 供气,孔B 排气,活塞上升至密封垫封住喷嘴, 气缸上腔成为密封的储气腔。 ? 储能段 气源改由孔B 进气,孔A 排气。由于上腔气压作用在喷嘴上 面积较小,而下腔气压作用面积大,故使上腔贮存很高的能量。 ? 冲击段 上腔压力继续升高,下腔压力继续降低,当上下腔压力比大 于活塞与喷嘴面积比时,活塞离开喷嘴,上腔气体迅速充入活塞与中 盖间的空间。活塞将以极大的加速度向下运动。气体的压力能转换为 活塞的动能,产生很大的冲击力。

执行元件

气缸

冲击气缸

二、气缸的工作特性 ? 气缸的速度
在运动过程中气缸活塞的速度是变化的,通常说气缸速度是指 活塞平均速度。 ? 气缸的理论输出力 其计算公式与液压缸相同。 ? 气缸的效率和负载率 气缸实际所能输出的力受摩擦力的影响,其影响程度用气缸效 率η表示,η与缸径D和工作压力p有关,D增大、p提高,η增大, 一般在0.7~0.95之间。 在研究气缸性能和确定缸径时,常用到负载率β的概念,定义β =(气缸实际负载F/气缸理论输出力F0)% 。β的选取与气缸的负 载性质及运动速度有关 ? 气缸的耗气量 指气缸在往复运动时所消耗的压缩空气量,其大小与气缸性能无 关,是选择空压机排量的重要依据。
执行元件 气缸 气缸的工作特性


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