1、 第三章 执行元件 机电工程系 概述 液压与气动系统中的执行元件 是将流体的压力能转化为机械能的元件 执行元件驱动机构作直线往复或旋转 或摆动 运动 执行元件 压力 流量 力 转矩 速度 转速 第一节直线往复运动执行元件 一 液压缸 一 液压缸的类型 实现直线的往复运动 1 活塞式液压缸 双杆活塞缸 单杆活塞缸 2 柱塞式液压缸 3 伸缩式液压缸 按结构形式 可以分为 继续 双杆活塞缸 活塞两侧的活塞杆直径相等 工作台移动范围约为活塞有效行程的三倍 进 出油口位于缸筒两端 工作台移动范围约为活塞有效行程的二倍 进 出油口在活塞杆上 或用软管连接在缸筒两端 双杆活塞缸 当活塞左右运动对应的油压和
2、输入流量相同时 两个方向上输出的推力和速度就是相等的 设 A 活塞的有效面积 D d 活塞和活塞杆的直径 q 输入流量 p1 p2 进 出口压力 m v 缸的机械效率 容积效率 返回 单杆活塞缸 只在活塞一端有活塞杆 缸的两腔有效工作面积不相等 安装也有缸筒固定和活塞杆固定两种 进 出油口根据安装方式而定 工作台移动范围都为活塞有效行程的两倍 单杆活塞缸 速度和推力计算式 单杆活塞缸 单活塞杆液压缸左右两腔同时接通压力油 这种连接方式称为差动连接 此缸称为差动缸 此时液压缸两腔压力相等 但两腔活塞的工作面积不相等 活塞将向有杆腔方向运动 向液压缸右腔输油 左腔通油箱 活塞向左运动 单杆活塞缸
3、单活塞杆液压缸左右两腔同时接通压力油 这种连接方式称为差动连接 此缸称为差动缸 1 在不增加输入流量的情况下提高活塞的运动速度 2 输出力降低了 特点 返回 柱塞液压缸 1 柱塞式液压缸是单作用液压缸 即靠液压力只能实现一个方向的运动 回程要靠自重 当液压缸垂直放置时 或其它外力 2 用两个柱塞缸组合 也能用压力油实现往复运动 特点 柱塞液压缸 3 柱塞运动时 由缸盖上的导向套来导向 因此 柱塞和缸筒的内壁不接触 缸筒内孔只需粗加工即可 特点 返回 伸缩式液压缸 1 由两个或多个活塞套装而成 前一级活塞杆是后一级活塞缸的缸筒 2 伸出时 可以获得很长的工作行程 缩回时可保持很小的结构尺寸 特点
4、 伸缩式液压缸 特点 3 在各级活塞依次伸出时 液压缸的有效面积是逐级变化的 在输入流量和压力不变的情况下 液压缸的输出推力和速度逐级变化 伸缩式液压缸 4 起动时活塞有效面积最大 输出推力也最大 随着行程逐级增长 推力随之减小 这种推力变化情况 正适合于自动装卸车对推力的要求 特点 返回 液压缸类型 小结 1 活塞式液压缸 2 柱塞式液压缸 3 伸缩式液压缸 双作用 单作用 双杆 单杆 双作用 单作用 弹簧复位 一 液压缸 液压缸的结构形式很多 在此以单杆活塞缸为例 说明液压缸的基本组成 二 液压缸的结构 一 液压缸 只有一端有活塞杆 两端进出口油口都可通压力油或回油 以实现双向运动 故为双
5、作用缸 二 液压缸的结构 一 液压缸 由缸筒 前后缸盖 活塞 活塞杆 密封装置 缓冲装置等主要零件组成 二 液压缸的结构 缸体组件包括缸筒 缸盖和一些连接零件 缸体组件 缸筒和缸盖的常见连接方式如图所示 缸筒可以用铸铁 低压时 和无缝钢管 高压时 制成 法兰连接 加工和拆装都很方便 只是外形尺寸大些 缸体组件 半环连接 要求缸筒有足够的壁厚 螺纹连接 外形尺寸小 但拆装不方便 要有专用工具 拉杆式连接 拆装容易 但外形尺寸大 缸体组件 焊接连接 结构简单 尺寸小 但可能会有因焊接有一些变形 螺纹式连接结构简单 但要防止螺母脱落 活塞和活塞杆 活塞和活塞杆的常见连接方式如图所示 半环式连接结构复
6、杂 但工作可靠 活塞通常是用铸铁制成的 活塞杆通常用钢料制成 根据密封位置不同 密封装置有 密封装置 液压缸中的密封是指活塞 活塞杆和缸盖等处的密封 它是用来防止液压缸内部和外部的泄漏 液压缸中密封设计的好坏 对液压缸的性能有着重要影响 活塞密封 活塞杆密封 缸盖密封 继续 活塞密封 指活塞外表面与缸筒内表面之间的密封 用来防止液压缸中高压容腔的油液向低压容腔中泄漏 活塞密封 在活塞上开出的若干道深0 3mm至0 5mm的环形槽 可以增大油液从高压腔向低压腔泄漏的阻力 从而减小泄漏 间隙密封 间隙密封是一种最简单的密封形式 常用在活塞直径较小 工作压力较低的液压缸中 活塞密封 通过在活塞外表面
7、的环形槽中放置切了口的金属环来实现密封 活塞环密封 金属环依靠弹性变形紧贴在缸筒内表面上 在高温 高压和高速运动场合有很好的密封性能 缺点是制造工艺比较复杂 活塞密封 橡胶圈密封 磨损后能自动补偿 并且密封性能会随着压力的加大而提高 结构简单 应用广泛 左图采用了Y形橡胶圈 使两唇面向油压 以便在压力油作用下使两唇张开 如果压力波动较大 运动速度较高 则须考虑在Y形密封圈中添加支撑件 活塞密封 橡胶圈密封 磨损后能自动补偿 并且密封性能会随着压力的加大而提高 结构简单 应用广泛 上图中采用的是O形橡胶圈 返回 活塞杆密封 指活塞和活塞杆之间的密封 活塞杆密封 V形和Y形密封圈在安装时都须将两唇
8、面向油压 注意 返回 缸盖密封 一般采用O形圈密封 返回 缓冲装置 利用活塞或缸筒移动到接近终点时 将活塞和缸盖之间的一部分液体封住 迫使液体从小孔或缝隙中挤出 从而产生很大的阻力 使工作部件制动 避免活塞和缸盖的相互碰撞 常用的缓冲装置有 节流口可调式缓冲装置 节流口变化式缓冲装置 继续 当活塞上的凸台进入端盖凹腔后 圆环形回油腔中的液体只能通过针形节流阀流出 从而使活塞制动 调节节流阀开口 可改变制动阻力大小 节流口可调式缓冲装置 这种缓冲装置起始缓冲效果好 随着活塞向前移动 缓冲效果逐渐减弱 因此它的制动行程较长 返回 活塞上开有变截面的轴向三角节流槽 节流口变化式缓冲装置 返回 活塞移
9、近端盖时 回油腔油液只能经过三角槽流出 使活塞受到制动作用 随着活塞的移动 三角槽通流截面逐渐变小 阻力作用增大 因此 缓冲作用均匀 冲击压力较小 制动位置精度高 排气装置 由于液体中混有空气或液压缸停止使用时空气侵入 在液压缸的最高部位常会聚积空气 若不排除就会使缸的运动不平稳 引起爬行和振动 严重时会使液体氧化腐蚀液压元件 排气装置 排气阀和排气塞都要安装在液压缸的最高部位 并非所有的液压缸都设置排气装置 注意 对于要求不高的液压缸往往不设专门的排气装置 而是将通油口布置在缸筒两端的最高处 使缸中的空气随油液的流动而排走 第一节直线往复运动执行元件 二 气缸 气缸以压缩空气为动力 驱动机构
10、作直线往复运动 气缸是气动系统中使用最多的执行元件 一 气缸的类型 普通气缸在缸筒内只有一个活塞和一个活塞杆 也有单作用和双作用之分 二 普通气缸 回程靠弹簧实现 二 普通气缸 由于气缸活塞杆初始位置处于退回的位置 因此也称为预缩型单作用气缸 有无杆气缸 磁性气缸 开关气缸 制动气缸 坐标气缸 手指气缸 气液阻尼气缸等 三 其他形式气缸 与液体相比 气体具有可压缩性 因此 在外载荷发生变化时会导致气缸的输出运动产生 爬行 或 自移 现象 气液阻尼气缸 在要求气缸有较高的位置和速度精度时 宜使用气液阻尼缸 气液阻尼缸是一种由气缸和液压缸构成的组合缸 气液阻尼气缸 气液阻尼缸有串联式和并联式两种结
11、构 由气缸产生驱动力 用液压缸的阻尼调节作用获得平稳运动 串联式 并联式 继续 在液压缸的进 出口处连接了调速用的液压单向节流阀 通过调节液压缸的排油量 从而调节活塞运动的速度 气液阻尼气缸 气缸活塞和液压缸活塞用一根活塞杆串联起来 两缸之间用中盖6隔开 防止空气与液压油互窜 串联式 气液阻尼气缸 工作进给时 气缸右腔进气 活塞杆左行 液压缸左腔排油 串联式 由于此时单向阀4关闭 所以排油路线只能经由节流阀3进入液压缸右腔 由此 调节节流阀3的开口量大小 就可调节活塞的运动速度 气液阻尼气缸 返回时 气缸左腔进气 活塞杆右行 液压缸右腔排油 串联式 由于此时单向阀4打开 所以排油路线可经单向阀
12、4快速进入液压缸左腔 实现快退 气液阻尼气缸 一般将双活塞杆腔作为液压缸 使液压缸左右两腔进排油量相等 串联式 贮油杯内的油液只用于补充因液压缸泄漏而减少的流量 返回 工作原理和特性与串联式气液阻尼缸相同 气液阻尼气缸 液压缸与气缸用刚性连接板并联在一起 但液压缸活塞杆可在连接板内浮动一段行程 可调节 并联式 注意使气缸活塞杆轴线应与负载作用线处在同一轴线上 从而减小附加力矩对运动平稳性的影响 气液阻尼气缸 结构紧凑 气缸和液压缸之间没有窜气现象 并联式 返回 第二节旋转运动执行元件 一 液压马达 一 液压马达的工作原理 输出连续旋转或摆动的执行元件 一 液压马达的工作原理 以轴向柱塞式液压马
13、达为例 高压油经配油盘的窗口进入缸体的柱塞孔时 高压腔的柱塞被顶出 压在斜盘上 斜盘1和配油盘4固定不动 柱塞3可在缸体2的孔内移动 斜盘中心线和缸体中心线相交一个倾角 一 液压马达的工作原理 液压马达产生的转矩应为所有处于高压腔的柱塞产生的转矩之和 即 斜盘对柱塞的反作用力F分解为轴向分力FN和垂直分力FT FN与作用在柱塞上的液压力平衡 FT则产生使缸体发生旋转的转矩 带动轴5转动 一 液压马达的工作原理 液压马达对外输出的总的转矩也是脉动的 随着柱塞和缸体垂直中心线的夹角的变化 每个柱塞产生的转矩是变化的 一 液压马达的工作原理 说明 因为考虑到压力平衡 间隙密封的自动补偿等因素 液压泵
14、吸 排油腔的结构多是不对称的 只能单方向旋转 但作为液压马达 通常要求正 反向旋转 要求结构对称 从工作原理上讲 相同形式的液压泵和液压马达是可以相互代换的 但是 一般情况下未经改进的液压泵不宜用作液压马达 二 液压马达的主要性能参数 1 工作压力和额定压力 工作压力是指马达实际工作时的压力 额定压力是指马达在正常工作条件下 按试验标准规定能连续运转的最高压力 2 排量和理论流量 排量是指在没有泄漏的情况下 马达轴旋转一周所需输入的液体体积 理论流量是指在没有泄漏的情况下 达到要求转速所需输入液体的流量 二 液压马达的主要性能参数 3 效率和功率 容积效率 由于有泄漏损失 为了达到液压马达所要
15、求的转速 实际输入的流量q必须大于理论输入流量qt 机械效率 由于有摩擦损失 液压马达的实际输出转矩T一定小于理论转矩Tt 二 液压马达的主要性能参数 3 效率和功率 液压马达的总效率 液压马达的输入功率 液压马达的输出功率 p 液压马达进 出口的压力差 n 液压马达的角速度和转速 二 液压马达的主要性能参数 4 转矩和转速 液压马达产生的理论转矩 液压马达输出的实际转矩 转矩和转速是液压马达输出的两个最重要物理量 是输出机械能的表现形式 液压马达输出的实际转矩 三 其它类型的液压马达 液压马达按结构可以分为齿轮式 叶片式和柱塞式等 按工作性能可分为高速马达和低速马达两大类 高速液压马达转子转
16、动惯量小 反应迅速 额定转速大于500r min 但输出的转矩相对较小 低速液压马达旋转速度低 转矩大 三 其它类型的液压马达 属于高速马达 齿轮式液压马达 为了减小输出转矩的脉动 齿轮式液压马达中齿轮的齿数比泵的齿数多 三 其它类型的液压马达 齿轮式液压马达 由于齿轮马达的容积效率比较低 输入油压不能过高 因此输出转矩较低 通常适用于高速小转矩的场合 例如工程机械和农业机械中 三 其它类型的液压马达 属于高速马达 叶片式液压马达 叶片式液压马达转动惯量小 动作灵敏 运转均匀脉动小 缺点是泄漏较大 不能在很低的转速下工作 机械特性较软 即当负载增加时转速将迅速降低 三 其它类型的液压马达 属于
17、高速马达 叶片式液压马达 叶片式液压马达转动惯量小 动作灵敏 运转均匀脉动小 适用于低转矩 高转速的场合 其最高转速可达2000r min 三 其它类型的液压马达 一般多采用径向柱塞式 低速液压马达 特点是输入压力高 排量大 因此输出转矩很大 可达几百N m到几千N m 低速液压马达可在10r min以下平稳运转 所以又称低速大扭矩液压马达 三 其它类型的液压马达 摆动液压马达 摆动液压马达也称摆动式液压缸 是一种输出轴作往复摆动 不是连续回转 的液压执行元件 摆动液压马达有单叶片和双叶片两种结构 三 其它类型的液压马达 摆动液压马达 单叶片式摆动马达的摆动角度小于300 双叶片式摆动马达的摆动角度小于150 在相同情况下 双叶片式的输出转矩是单叶片式的两倍 角速度是单叶片式的一半 第二节旋转运动执行元件 一 液压马达 二 气动马达 气动马达是将压缩空气的能量转换为回转运动的气动执行元件 气动马达的转动惯量很小 可频繁做正 反方向转动 第二节旋转运动执行元件 一 液压马达 二 气动马达 图示为叶片式气动马达 一般在高速回转的范围使用 其输出功率为0 1 20KW 转速为500 25000r min 叶片式气动马达的启动特性和低速特性不好 主要用于矿山机械和气动工具 第三节设计计算 自学 作业 P133 3 2 本章结束 佛山职业技术学院机电工程系
