（机械设计及理论专业论文）气—液复合及流体—机械复合传动技术的研究与创新设计.pdf

气一液复合及流体一机械复合传动技术的研究与创新设计 摘要 分析了复合传动的技术特点，对机械、液压及气压传动的技术性能与优缺点进行 了较为系统的综合分析，分别在以下三个方面对复合传动技术进行研究，设计出了多 种新型的复合传动系统，并对其中的大部分系统进行了力学建模及分析计算，给出了 能够指导工程设计的力学计算公式。 ( 1 ) 气一液复合传动系统。利用对称性原则对气一液复合传动系统进行合理配 置，形成双作用气一液复合传动系统，相对于传统的单作用系统，可以显著减小装置 体积；具有双级液体压力输出的气一液复合传动系统，能实现低压大流量到高压小流 量的自动切换。所设计的新型系统有：串联式双作用双级气一液复合传动系统、并联 式双作用双级气一液复合传动系统。 ( 2 ) 液压一机械复合传动系统。利用机械增力机构的力放大作用，与液压传动技 术相结合，在输出力及液压缸直径一定的条件下，能显著降低系统压力；而在输出力 及系统压力一定的条件下，则能显著减小液压缸的直径。所设计的新型系统有：基于 斜楔一铰杆串联组合增力机构的液压一机械复合传动系统、单缸双活塞液压一机械复 合传动系统、基于无杆活塞缸的液压一机械复合传动系统、过临界点铰杆增力自锁型 液压一机械复合传动系统。 ( 3 ) 气动一机械复合传动系统。将气压传动与机械增力传动机构合理组合，能相 对弥补气压传动系统压力较低的缺点，可部分代替容易造成环境污染的液压传动系 统。所设计的新型系统有：基于多级串联增力机构的气动一机械复合传动系统、增力 自锁型气动一机械复合传动系统、基于气动肌腱的气动一机械复合传动系统。 通过扬长避短及优势互补，复合传动技术能够弥补单一传动技术的各自缺点。对 其继续进行较为系统的研究与技术创新，可以开发出大量符合生产实际的新装置来。 关键词：复合传动；气压传动；液压传动；机械传动；铰杆机构；斜楔机构；杠 杆机构；气动肌腱 作者：王兵 指导教师：钟康民 a b s t r a c t 气一液复合及流体一机械复合传动技术的研究与创新设计 a b s t r a c t t h et e c h n i cf e a t u r eo fc o m p o s i t et r a n s m i s s i o ns y s t e mi sa n a l y s e d t h em e c h a n i s m t r a n s m i s s i o n 、h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o na n dp n e u m a t i ct r a n s m i s s i o nt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s a r er e l a t i v e l ys y s t e m a t i cd i s c u s s e d 、t a k i n gt h es t u d ya n dd e s i g nm a n yc o m p o s i t e t r a n s m i s s i o ns y s t e mf r o mt h r e ea s p e c t 丛f o l l o w s m o s to fs y s t e mh a db e e nm e e h a n i c s m o d e l i n ga n da n a c o m 雹1 ec a l e u l a t i n gf o r m u l a et h a tc a nb eg u i d i n ge n g i n e e r i n gd e s i g na r e g i v e n - ( 1 ) p n e u m a t i c - h y d r a u l i cc o m p o s i t et r a n s m i s s i o ns y s t e m f i tt o g e t h e rp n e u m a t i c - m e c h a n i s mc o m p o s i t ei nr e a s o nb ys y m m e t r yp r i n c i p l ec o m ei n t ob e i n gd o u b l e - a c t i n g p n e u m a t i c h y d r a u l i cc o m p o s i t et r a n s m i s s i o ns y s t e m r e l a t i v et ot r a d i t i o n a ls i n g l ea c t i o n s y s t e m i tc a nd e c r e a s es y s t e m sv o l u m e 1 1 1 ep n e u m a t i c - h y d r a u l i cc o m p o s i t et r a n s m i s s i o n s y s t e mw i t ht w o - s t e po u t p u tl i q u i dp r e s s u r ea u t o m a t i cs w i t c h o v e rf r o ml o wp r e s s u r ea n d m a s sn o wt o1 l i 西p r e s s u r ea n dl i t t l ef l o w t h em a i nc o n t e n t s a r et a n d e mp o s i t i o n d o u b l e - a c t i n gp n e u m a t i c - h y d r a u l i cc o m p o s i t et r a n s m i s s i o ns y s t e mw i t ht w o - s t e po u t p u t l i q u i dp i e 昭峨p a r a l l e ld o u b l e - a c t i n gp n e u m a t i c - h y d r a u l i cc o m p o s i t et r a n s m i s s i o ns y s t e m w i t ht w o - s t e po u t p u tl i q u i dp r e s s u r e ( 2 ) t h eh y d r o - m e c h a n i s mc o m p o s i t et r a n s m i s s i o ns y s t e m c o m b i n e dw i t hf o r c e a m p l i f i e rm e c h a n i s ma n dh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , w h e no u t p u tf o r c e a n d h y d r a u l i cc y l i n d e r sd i a m e t e ra r el i m i t e di tc a nd e c r e a s es y s t e mp r e s s u r e ；w h e no u t p u t f o r c ea n ds y s t e mp r e 8 s u r ea r el i m i t e d i tc a nd e c r e a s eh y d r a u l i cc y l i n d e r sd i a m 就e r n e w s y s t e m 嬲f o l l o w s ：t l l eh y d r o - m e c h a n i s mc o m p o s i t et r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do n c o m b i n e dw i t ht o g g l ea n dw e d g ei ns e r i e s ，t h eh y d r o m e c h a n i s mc o m p o s i t et r a n s m i s s i o n s y s t e mb a s e d0 1 1d o u b l ep i s t i o na n ds i n g l ec y l i n d e f t h eh y d r o - m e c h a n i s mc o m p o s i t e t r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do nr o d - l e s sp i s t o nc y l i n d e r , 啊1 eh y d r o - m e c h a n i s mc o m p o s i t e t r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do nt h et o g g l ew i 也s e l f - l o c k i n gf u n c t i 0 1 1o np a s s i n gt h ec r i t i c a l p o s i t i o n ( 3 ) p n e u m a t i c - m e c h a n i s mc o m p o s i t et r a n s m i s s i o ns y s t e m c o m b i n e dw i t hf o r c e a m p l i f i e rm e c h a n i s ma n dh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o ni nr e a s o nc a n f b t c hu dt h ed i s a d v a n t a g eo f l o wp r e s s u r eo fp n e u m a t i ct r a n s m i s s i o n i tc a np a r t l yr e p l a c eh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o nt h a t c a ne a s yb r i n gp o l l s u t i o n w ed e s i g nn e ws y s t e mi n c l u d et h ep n e u m a t i c m e c h a n i s m c o m p o s i t et r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do nm u l t i s t a g ef o r c ea m p l i f i e rm e c h a n i s mi ns e r i a s ， t h ep n e u m a t i c - m e c h a n i s mc o m p o s i t et r a n s m i s s i o ns y s t e m w i t hf o r c ea m p l i f i e ra n d s e l f - l o c k i n gf u n c t i o n t h ep n e u m a t i c m e c h a n i s mc o m p o s i t et r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do r p n e u m a t i c m u s c l e b yc o m b i n e di nr e a s o na n db r i n gi n t op l a ya d v a n t a g ec o m p o s i t et r a n s m i s s i o nc a n f e t c hu pe a c hd i s a d v a n t a g eo fs i n g l ed r i v et e c h n o l o g y k e e p0 1 1s t u d y i n ga n dt e c h n i q u e i n n o v a t i o n ，m a n ya c c o r dw i t ha c t u a lp r o d u c t i o nn e we q u i p m e n t w i l lb ed e s i g n e d k e yw o r d s ：c o m p o s i t et r a n s m i s s i o n ；p n e u m a t i ct r a n s m i s s i o n ；l l y c t r a u l i c t r a n s m i s s i o n ；m e c h a n i s mt r a n s m i s s i o n ；t o g g l e ；w e d g e ；l e v e r ；p n e u m a t i cm u s c l e i i w r i t t e nb y ：w a n g b i n g s u p e r v i s e db y ：z h o n g k a n g m i n 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：舅越日期；五竺妲 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 日期：墨翌曼! 丝 日期：五! ! 厶! 兰 气一液复合及流体一机械复合传动技术的研究与创新设计 第1 章绪论 1 1 什么是复合传动与复合传动学 当我们对机械传动、电气传动、流体传动( 包括液压传动、气压传动、液力传动 等) 、磁力传动、液体粘性传动等都比较熟悉的时候，复合传动这一名词也只是在一 些文献中也偶尔出现。但关于它的定义、研究内容与方法至今尚无一个比较确切的 说法。然而实际上在工厂及有关部门的技术员，尤其是总设计师们总是自觉或不自 觉地用复合传动与控制的思路，解决机器传动设计的总体设计问题，并不断发明、 创造出很多新型复合元件、复合机构和具有复合型特色的机器来。比如在流体传动 与控制领域内常常采用气一液复合传动、机一液复合传动、电液复合传动或机一 电一液一气等复合传动。目前由于科学技术的迅猛发展，已能实现机、电、液、气、 磁、声、光等各种学科技术的相互交叉、渗透、优势互补、有机组合、合理匹配， 使设计对象达到整体综合优化，从而创造出全新的技术综合体一复合传动新元件、 新机构、新机器。 为了更好地推动复合传动的研究与发展，我们有必要对复合传动以及复合传动 学的定义、内容加以探讨。通常我们所熟悉的传动型式，如以气体作为传动介质的 气压传动、以液体作为传动介质的液压传动、以电作为传动介质的电气传动、以固 体或柔索作为传动介质的机械传动等都是属于单一介质的传动型式。而有时即使是 同一介质传动，仍可分为各种不同结构的传动型式，如机械传动中的连杆机构、凸 轮机构、齿轮机构等。因此，我们可以把不可再分割的单一传动外的一切传动型式 都归结为复合传动。而对复合传动定义，目前尚无准确的说法。从上面的讨论可以 看出，我们对复合传动的定义归纳为，在各种不可再分割的单一传动型式不能满足 产品性能的需要时，采用与其他传动型式组合优化而发展起来的一种新的传动型式。 复合传动学，就是为适应某种工程目标，考虑到在人、机环境的相互协调的基础上， 将现有的各种传动机构或元件，扬长避短，优势互补，有机组合，合理匹配，以求 得机器最优创新设计的一种横向学科。 气一液复台及流体一机械复合传动技术的研究与创新设计 1 2 复合传动特点 复合传动与其他单一的各种传动技术相比具有以下特点【l l ： ( 1 ) 复合传动是在各类传动纵深研究的基础上，致力于从总体上对比分析研究各 类传动的本质特性，并使其扬长避短、优势互补、有机匹配地用于机器的总体分析 与设计的研究。所以它是从横向上研究各种传动技术合理匹配与应用的科学。 ( 2 ) 复合传动的研究涉及非常广泛的知识和技术领域，但其研究的主要特点之一 就是经常将全系统作为考虑问题的重点，这与现在各种传统的传动机构分析或设计 有明显的差异。例如，传统的传动机构分析仅是静态和动态特性分析或者说它是停 留在内部系统即机构本身上的。而复合传动优先考虑的是所设计或分析的机构在全 系统中占有什么位置，受到什么干涉和相互影响，应满足社会上哪些要求( 功能、经 费、工期、尺寸等) 和约束条件( 环境、资金、材料、信息、技术、法律等) ，要从所 有角度来探讨这些问题。这种从全系统的立场出发，决定对内部系统的要求，称为 外部设计。而内部设计与传统的设计概念并没有什么不同，而外部设计复合传动与 控制或分析才是复合传动与控制技术研究所特有的。 ( 3 ) 从全系统的立场出发，决定对内部系统的要求，其实质就是方案研究。方案 在很大程度上决定了机器的工作性能、经济效益和应用前景。方案研究的目的在于 创新。为了创新，对现有大量机器传动方案的分析评估有重要意义。当前在生产上 正在运行的设备虽然可用，但不一定是最优的，完全相同的机构在不同的人、机、 环境条件下会有完全不同的效果。所以在进行方案评估时，应以系统工程的观点， 从全局( 整体性) 的角度、相互联系性的角度、环境适应性的角度来研究各组成部分之 间合理匹配的规律与效果，如价值寿命比、功能成本比、造价维护费用比等 指标，看其是否达到了整体优化的目的。 ( 4 ) 复合传动是一种不可再分割的单一传动的有机组合、合理匹配的技术综合 体。现在在技术领域里还有联合传动( 或称混合传动) ，即在一台机器上同时采用好几 种传动方式，如一些机床上既采用液压传动也用气动或电气传动，的确发挥了各种 传动的优势，但它们并不是有机地匹配，严格不可分割的技术综合体，所以不符合 复合传动的严格定义，只能叫广义复合传动。自然，机构组合也是一种广义复合传 气一液复合及流体一机械复合传动技术的研究与创新设计 动。 ( 5 ) 即使在单一传动内，仍存在小列机构或元件的有机组合、合理匹配的复合传 动。有时，即使机构或元件相同，但通过改变尺寸大小使其有机组合、合理匹配， 会得出与原来机构特性完全不同的新结构的复合传动。这就是说，一些简单、平凡 的机构或元件，通过有机组合、合理匹配仍可能创造出奇迹。匹配是复合传动的核 心技术。 ( 6 ) 复合传动技术与其他高新技术如现代设计方法、机电一体化等，既存在着紧 密联系，又有着重大差别。以机电一体化来说，它的任务是研究机械的电子化和机 械电子结合一体化。后者也是复合传动的任务之一。但值得注意的是，目前机电一 体化主要强调发展机械电子化，而我们认为机械传动是一切传动的基础，也是复合 传动的基础，在一定生产条件下采用机械单一传动方式会比复合传动或其他型式传 动在结构上更简单、可靠。复合传动技术将以现代设计方法为手段，不断完善、深 化复合传动机构与系统的综合分析研究。 1 3 复合传动技术的当前发展现状 目前同一介质组成的复合传动有机械复合传动、液压复合传动、电气、气压复 合传动等。不同介质组成的复合传动含两种的组合如机一电复合传动、气一液复合 传动、液压一机械复合传动等，或三种以上的组合如机一电一液一气复合传动等。 下面我们就本课题所要研究创新的气一液复合传动与流体一机械复合传动的内容， 分别结合图形就它们的发展现状作简单讨论【1 2 3 4 5 1 。 1 3 1 气一液复合传动 气一液复合传动与其他复合传动的不同地方在于，因气体液体同为流体，且此 两者结合时界面转换十分容易，因此气一液复合传动比其他传动型式的复合更为合 理，这也就是为什么近几年来气一液复合传动与控制有了长足发展的原因。下面是 一些最新的发展动态： 气一液复合及流体一机械复合传动技术的研究与创新设计 ( 1 ) 气控液压复合传动。 它以广泛应用于我国工 程机械、轻化工、冶金、石油 等工业领域。 ( 2 ) 气液锤 ( 3 ) 人工心脏驱动回路 ( 4 ) 气液伺服纠偏机构 图1 2 气液锤的工作原理图 图1 4 气液伺服纠偏机构 4 图1 1 气控液压换向阀 蔷譬 霸 寰) 引庸谢整 供气 图1 3 人工心脏驱动回路 芯 发动机 甫嫩器 图1 5 液压一机械复合传动 新型汽车机构 气一液复合及流体一机械复合传动技术的研究与创新设计 1 3 2 液压一机械复合传动 图1 5 所示是柏林工业大学研制的机械一液压复合传动新型公共汽车结构。 1 3 3 液力一机械复合传动 液力一机械复合传动( 主要是液力偶合器和液力变矩器与机械匹配而成的复合传 动) 具有的特点是： ( 1 ) 具有自适应性； ( 2 ) 液体工作介质能吸收并消除原动机及外载荷的振动和冲击； ( 3 ) 提高加速性能和通过性能，并使原动机有载起动，起动平稳，同时可避免由 外载的突然增大而使发动机熄火； ( 4 ) 可实现无级变速。 图1 6 调速型液力偶合器在高炉鼓风机上的应用 1 4 研究与创额气一液复合、流体一机械复合传动的必要性与意义 在一定的场合下各种传动技术以其各自特有的优点，在近几十年来都获得了长足 的发展，但单一的传动技术在近几年来受到了严重挑战。比如流体传动技术，由于能 量利用率低下、噪声污染及液压传动因油液挥发造成环境污染，均与基于可持续发展 理念的绿色化方向相悖。此外，人们习惯上往往认为，用提高液压系统压力的方法， 来提高液压缸的输出力，是极为方便的事。但具体到实际工程问题时，却发现过高的 气一液复合及流体一机械复合传动技术的研究与创新设计 系统压力，会导致泵、阀等元件的价格及密封系统的成本急剧上扬。 机械传动种类丰富，形式多样，特性各异，速比准确，使用可靠，传动效率高， 而且通过组合机构，能获得各种复杂的运动轨迹，得到各种各样的速度特性，这些特 点恰好是液压、气动所不及的。但由于其结构复杂，遥控困难，安装位置自由度少， 因而产品的改造更新困难，而这些正是液压、气动流体传动的优点。将流体传动和机 械传动两种不同传动介质和传动方式进行有机结合，可以实现其特定的功能。利用机 械增力机构的力放大作用，与流体传动技术相结合，在输出力及液压缸( 或气缸) 直径 一定的条件下，能显著降低系统压力；而在输出力及系统压力一定的条件下，则能显 著减小液压缸( 或气缸) 的直径。这对于要求输出力较大的设备，如工程机械、压力机 等，具有特殊意义。 复合传动与单一传动形式相比它具有较大综合优势。毋庸置疑，采用复合传动技 术可以大幅度提高系统的性能，特别是表现在工作效率、耐用度、可控性、环境的适 应性及绿色特性等方面。如何根据不同传动介质和传动形式的特点，从整体性、相互 联系性、环境适应性等角度来考虑，来实现各组成部分间的合理匹配、优势互补昵? 如何结合流体、机械两种不同的传动型式，并对它们进行适当的组合配置，充分发挥 两种传动型式的优点，以实现在特定场合下的特殊的功能呢? 这是设计复合传动系统 的关键之处，也是本论文研究与创新气一液复合传动、流体一机械复合传动系统的意 义所在。 气一液复合及流体一机械复合传动技术的研究与创新设计常见的传动型式及特性分析 第2 章常见的传动型式及特性分析 2 1 常见传动型式分类及性能比较 因复合传动是实现各种传动型式的有机组合、合理匹配，显然，这种组合匹配首 先也应当是各种传动特性的合理匹配，所以各种单一传动介质的特性以及各种传动型 式特性的分析研究，也就是研究和创新复合传动系统的前提了。 在目前工业生产及生活中，常见的传动型式主要是流体、电气、磁力和机械四种， 以下是对常见的四种传动型式细分。 图2 1 常见传动型式分类 根据气动、液压、电气和机械在当前工程领域的应用情况，下面我们以表格形 式对四种传动方式通用性、稳定性、操作性、高速性、经济性以及销售性做一粗略 的比较( 当然，这些比较在某些具体的条件下顺序会有所变动) 【6 7 1 。 圆圆圆圆圆一一一 囫。 团 圈圃 常见的传动型式及特性分析 气一液复合及流体一机械复合传动技术的研究与创新设计 表2 2 四种传动型式粗略比较 传动型式通用性稳定性操作性高速性经济性销售性 机械差优差优 中 差 气动 由 差 中 良优优 液压良 由 良差良 由 电气优良优中差良 下面我们对四种传动型式在工作情况下的具体性能作一般比较。 表2 3 四种传动型式技术的性能对比 项目 气动 液压 机械电气 执行元件的输出力 最小最大较大中等 动作快慢 较快较慢一般最快 负载变化影响 大小没有几乎没有 控制性能( 准确、稳定性) 最差中等最好较好 结构的简化程度最简单较简单最复杂复杂 远距离操纵中距离短距离短距离 远距离 工作环境条件 适应性强，可适 不怕振_ 般 要求高 应恶劣环境1 无级变速 较好良好困难良好 产品更新及自动化的容易程度 容易较容易一般较难 寿命 长一般较短一般 价格 低 由 高最高 维修容易较复杂容易最复杂 2 2 机械、液压及气动三种传动型式的优缺点分析 通过对常见四种传动型式技术性能的一般对比，下面我们仅就本论文所要采用的 机械、液压及气动三种传动型式的特点做具体的分析讨论。 2 2 1 机械传动特点分析 机械传动按工作原理可分为摩擦传动和啮合传动，而按结构形式可分为摩擦轮传 动，带传动、链传动，齿轮传动和蜗杆传动等类型，机械传动形式多样，而不同的形 式又具有不同的优缺点，下面是我们对机械传动形式的特点、性能作一大体的概括得 气一液复合及流体一机械复合传动技术的研究与创新设计常见的传动型式及特性分析 出机械传动具有以下特点 6 7 】： ( 1 ) 机械传动速比准确，使用可靠、传动效率高，而且通过组合机构，能获得各 种复杂的运动轨迹，得到各种各样的速度特性，是实现高传动精度、高可靠性、高稳 定性机构的最佳手段。 ( 2 ) 通过现有机构、机构组合、组合机构等设计基本上能满足所有机器提出的运 动轨迹、速度特性等一系列要求。对复杂轨迹、特殊的速度特性，如通过电气或液压、 气动来实现，其机构之复杂、成本之高，可能叫人无法接受。 ( 3 ) 机械传动是一切传动的基础，也是复合传动的基础。机械传动最本质的特性 是它的传动介质的剐度非常高，其他传动介质根本无法与其相比，由此而产生速比准 确、可靠性、稳定性高的一系列优点。同时，通过机构设计可满足机器设计轨迹、速 度特性以及力学特性的要求也是它特别突出的优势。 ( 4 ) 与液压、气动或电气相比，对于传动比要求十分准确的地方，如螺纹加工、 齿轮加工等，机械传动还仍然是唯一可行的方案。而机械传动所面临的主要问题是结 构复杂，遥控困难，安装位置的自由度少，词而产品的改造更新困难，而这些正是液 压、气动和电气传动的优点。 2 2 2 液压传动特点分析 液压传动之所以在工程实际中应用广泛，是因为它与机械传动等相比，具有许多 优点【8 9 1 们。 ( 1 ) 液压传动可在运行过程中方便地实现大范围的无级调速，调速范围可达 1 0 0 0 ：1 。液压传动装置可在极低的速度下输出很大的力。例如，液压马达当转速达 l r m i n 时仍具有良好的特性，这是电气传动不能实现的，如果采用机械传动装置减 速，其减速器结构往往十分庞大。 ( 2 ) 在输出相同功率的情况下，液压传动装置的体积小、质量轻、结构紧凑、惯 性小。由于液压系统中的压力比电枢磁场中单位面积上的磁力大3 0 倍4 0 倍，液压 传动装置的体积和质量只占相同功率电动机的1 2 左右。因此，液压传动易于实现 快速启动、制动及频繁换向，每分钟的换向次数可达5 0 0 次( 左右摆动) 、1 0 0 0 次( 往 常见的传动型式及特性分析气一液复合及流体一机械复合传动技术的研究与刨新设计 复移动) 。 ( 3 ) 液压传动易于实现自动化，特别是采用电液和气液传动时，可实现复杂的自 动控制。 ( 4 ) 液压装置易于实现过载保护。当液压系统超负荷( 或系统承受液压冲击) 时， 液压油可以经溢流阀排回油箱，系统得到过载保护。 ( 5 ) 易于设计、制造。液压元件已实现了标准化、系列化和通用化。液压系统的 设计、制造和使用都比较方便。液压元件的排列布置也有很大的灵活性。 液压传动也存在着一些缺点： ( 1 ) 不能保证严格的传动比。这是由于液压介质的不可压缩性和不可避免的泄漏 等因素引起的。 ( 2 ) 系统工作时，对温度的变化较为敏感。液压介质的粘性随温度变化而变化， 从而使液压系统不易保证在高温和低温下都具有良好的工作稳定性。 ( 3 ) 在液压传动中，能量需经过两次变换，且液压能在传递过程中有流量和压力 损失，所以系统能量损失较大，传输效率较低。 ( 4 ) 元件的制造精度高、造价高，对其使用和维护提出了较高的要求。 2 2 3 气压传动的特点分析 气压传动具有以下独特的优点【8 9 - 1 0 】： ( 1 ) 空气作为工作介质，取之不尽，来源方便，用过以后直接排人大气，不会污 染环境，且可少设置或不必设置回气管道。 ( 2 ) 工作环境适应性好。无论在易燃、易爆、多尘埃、辐射、强磁、振动、冲击 等恶劣的环境中，气压传动系统工作安全可靠。对于要求高净化、无污染的场合，如 食品加工、印刷、精密检测等更具有独特的适应能力，优于液压、电子、电气控制。 ( 3 ) 空气粘度小，只有油的万分之一，流动阻力小，管路损失仅为油路损失的千 分之一，便于介质集中供应和远距离输送。 ( 4 ) 气动控制动作迅速，反应快，可在较短的时间内达到所需的压力和速度。在 一定的超载运行下也能保证系统安全工作，并且不易发生过热现象。 0 气一液复合及流体机械复合传动技术的研究与创新设计常见的传动型式及特性分析 ( 5 ) 气动元件结构简单，易于加工制造，使用寿命长，可靠性高，适于标准化、 系列化、通用化。 ( 6 ) 维护简单，管道不易堵塞，不存在介质变质、补充和更换等问题。 气压传动也存在如下的缺点： ( 1 ) 由于空气压缩性大，气缸的动作速度易随负载的变化而变化，稳定性较差， 给位置控制和速度控制精度带来较大影响。 ( 2 ) 目前气动系统的压力级( 一般小于o 8 m p a ) 不高，总的输出力不太大。 ( 3 ) 工作介质一空气具有润滑性，系统中必须采取措施进行给油润滑。 ( 4 ) 噪声大，尤其在超声速排气时，需要加装消声器。 本章小结 常见的传动型式可以分成四种，即流体传动、电气传动、磁力传动和机械传动。 四种传动型式在通用性、稳定性、操作性、高速性、经济性以及销售性等技术性能方 面各有不同。就本论文所要研究的两种传动型式即流体( 气体、液体) 传动和机械传动， 我们做了详细的分析比较，通过这样的分析比较，得出它们单一传动形式在不同的应 用环境下所具有的各自的优缺点，并以此作为在组合创新时进行优势互补、合理匹配 的前提，充分发挥气体、液体和机械不同传动介质的优点，组合新的复合传动系统， 以实现在特定场合下的特殊的功能。 气一液复合传动系统的研究与创新设计气一液复合及流体一机械复合传动技术的研究与创新设计 第3 章气一液复合传动系统的研究与创新设计 直接或通过气液转换元件将气体动力转换成液体动力的各种传动方式都叫气一 液复合传动。 与液压传动相比，气压传动可以说是一种“准绿色”的传动技术【1 1 】。因为它所使 用的介质是清洁的压缩空气。但是，气压传动也有一个其自身难以克服的严重缺点， 就是系统压力不可能太高( 一般p = 0 4 - 0 7 i r m a ) ，因而容易造成装置体积过于庞 大。因此，在要求输出压力较大的场合，人们往往面临两种选择：一是直接采用液压 传动，二是采用气一液传动增压装置将气体压力进行放大，即气液复合传动。在可 持续发展理念不断深入人心的今天，后一种选择理论上应该日益突显出其特有的优 势。但令人极为尴尬的客观现实是，目前气一液复合传动在工程应用方面，仍然难望 液压传动之项背。究其原因，我们认为是现有的气一液传动增压技术在技术性能方面 不尽人意f 1 2 1 3 1 。 工程上绝大多数工况对液压传动系统的要求，是既能在空行程阶段提供低压大流 量液体，以使执行元件快速到达工作位置，又能在工作行程阶段，根据负载变化自动 转换为提供高压小流量液体，以使执行元件获得较大的输出力。常见的单作用单级及 双作用单级气一液传动增压装置，根本不具备这样的功能，而单作用双级气一液传动 增压装置，尽管勉强能实现上述功能，但结构上较为复杂，且由于是单向作用而导致 工作效率极低。另外，传统的气一液传 动增压装置多数采用的是气缸活塞与 液压缸i 舌窘同轴布置，压缩气体空气容 易进入液压缸，而引起气液两相混合， 造成系统元件性能变坏，工作不稳定， 寿命大大缩短【1 4 - 1 5 1 6 17 1 。基于以上考 虑，我们从常见的最简单的单作用式气 动一液压复合传动系统( 或称之为气一 液增压装置) 开始，创新设计既能避免 气液两相混合，又具有双级液体压力输 图3 1 单作用单级气一液复合传动系统 气一液复合及流体一机械复合传动技术的研究与刨新设计气一液复合传动系统的研究与创新设计 出的并联式的双作用气一液复合传动系统。 3 1 单作用单级气一液复合传动系统 3 1 1 系统工作原理及工作特性分析 图3 1 是我们常见的最简单的单作用式单级气一液复合传动系统( 或称之为气一 液增压装置) ，从图中不难理解，当气动换向阀处于图示左位工作状态时，压缩空气 进入气缸左腔，推动活塞杆向右运动，挤压右侧液体，此时，单向阀1 关闭，单向阀 2 打开向外输出所需压力的液体，当气动换向阀换向，压缩空气进入气缸右腔，推动 活塞杆向左运动，此时，单向阀2 关闭，单向阀1 打开吸入液体。 从以上分析中，我们可以看出，活塞往复一次，系统向外输出一次压力液体。 输出的液体压力p ，为： r d 、2 见2 l 刮p 式中：p 。一压缩气体压力； p ：一输出液体压力； d 一气缸内活塞直径； d 一液压缸内活塞直径。 液体获得一级增压，因此，我们可 以称之为单作用单级气一液增压系统。 3 2 双作用单级气一液复合传 动系统 我们以上面的单作用单级气一液 复合传动系统为基础，对该系统的布局 进行对称性设计【1 8 1 9 2 02 1 2 2 1 ，使之实 ( 3 1 ) 现双向压力液体输出的单级气一液复合传动系统。 图3 2 双作用单级气一液 复合传动系统 气一液复合传动系统的研究与创新设计气一液复合及流体一机械复合传动技术的研究与创新设计 3 2 1 系统工作原理及工作特性分析 在图3 1 的基础上，我们再布置一个相同的活塞杆，并对称的设计液压回路，如 图3 2 所示，气动换向阀处于图示左位工作状态时，压缩空气进入气缸左腔。活塞在 空气压力的推动下向右运动，挤压右侧液体，此时，单向阀1 、4 关闭，单向阀3 打 开向外输出所需压力的液体，单向阀2 打开，左侧液压缸从油箱中吸入液体。当气动 换向阀抉向，压缩空气进入气缸右腔，推动活塞向左运动，此时，单向阀2 、3 关闭， 单向阀1 打开，向外输出所需压力的液体，单向阀4 打开，右侧液压缸从油箱中吸入 液体。 与图3 1 所示系统相比较，图3 2 所示系统，在活塞往复行程中，可以实现向外 不间断的输出压力液体，因此，可以看成是双作用的方式。两输出的液体压力p ， p ：= ( 刳2 p 。 c s 国 式中：p l 压缩气体压力； p ：输出液体压力； d 气缸内活塞直径； d 一液压缸内活塞直径。 液体获得的仍然是一级增压，因此，我们可以称之为双作用单级气一液增压系统。 3 3 串联式双作用双级气一液复合传动系统 图3 2 所示系统虽能实现活塞往复都有压力液体的输出，即所谓的双作用，但工 程中绝大多数工况对液压传动系统的要求，是既能在空行程阶段提供低压大流量液 体，以使执行元件快速达到工作位置，又能在工作行程阶段根据负载变化，自动转换 为提供高压小流量液体，以使执行元件获得较大的输出力。图3 2 所示双作用单级气 液复合传动系统仍然不能实现双级液体压力的输出，基于以上考虑，我们对图3 2 所 示系统再进行设计创新，仍然采用对称的方法，布置活塞杆与液压回路，系统如图3 3 所示【2 3 】。 气一液复合及流体一机械复合传动技术的研究与创新设计气一液复合传动系统的研究与创新设计 3 3 1 系统工作原理分析 由图3 3 所示可见，该 装置中的活塞在轴向上呈 对称阶梯状。中间至两端 依次为气缸活塞、液压缸 大腔活塞、液压缸小腔活 塞。当气缸活塞在压缩空 气作用下左右运动时，单 向阀1 、3 或2 、4 吸入液 体，液压缸大腔与小腔通 过单向阀6 、8 或5 、7 ， 图3 3串联式双作用双级气一液复合传动系统 同时向外排出低压液体，汇合后进入执行装置，使执行元件快速趋近工作部位。一旦 执行元件遇到负载而使系统压力升高，单向阀6 或5 会自动关闭，而顺序阀1 0 或9 会自动打开；液压缸大腔的液体经相应的顺序阀流回油箱，实现所谓卸荷；液压缸小 腔经单向阀8 或7 排出高压小流量液体，进入执行装置，从而使执行元件获得所需要 的输出力。 3 3 2 系统工作特性分析 低压供油时的输出压力p 一为： d 2 d 2 p l 。i r _ p a d ， 高压供油时的输出压力为p ： d 2 一d 1 2 p 22 。i p “ d 。 低压大流量供油时的输出流量q 。为： 酽譬咖。 ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 气一液复合传动系统的研究与创新设计 气一液复合及流体一机械复合传动技术的研究与创新设计 高压小流量供油时的输出流量q 2 为： q 2 ；牟n l r l v ( 3 6 )= v ( 3 6 ) 式中：d 。一液压缸大腔活塞直径； d ，一液压缸小腔活塞直径； d 一气缸活塞直径； p 一气缸内压缩空气的压力； 万一单位时间内活塞往复行程数； ，一活塞行程长度； 机一容积效率。 图3 3 所示串联式双作用双级气一液复合传动系统的主要优点，一是具有双级压 力液体输出，且高低压的切换根据负载变化自动进行，能较好地满足工程上绝大多数 工况对液压传动系统的性能要求；二是双向作用，效率较高。与液压传动相比，该系 统便于实现液压油的封闭式循环，可以避免采用开式油箱，油液挥发及泄漏环节少， 故能显著降低环境污染。此外，该系统中单向阀与顺序阀的位置分布极为规律，可较 为方便地设计在缸体内部，从而能提高整体结构的集成度。活塞的往复运动，可以通 过行程控制等方式，使气动换向阀自动换向，从而实现自动循环。 3 4 并联式双作用双级气一液复合传动系统 如果从气体与液体串并联的角度来分析，以上三种方案都是气体与液体串联式的 组合，对气缸与液压缸的同轴度有很高的要求，在加工过程中也无法保证活塞与缸体 之间的完全密封，压缩空气很容易进入到液压缸中，而产生气液两相混合，加速系统 元件的损坏，造成系统工作不稳定，缩短使用寿命。因此，我们有必要对气体与液体 的组合方式进行创新设计，避免气体与液体两相混合。而显然采用中间机构使气体与 液体并联组合就能很好的解决这一问题，图3 4 与图3 5 是我们分别采用浮动支点杠 杆与齿轮作为中间机构，有效的避免了这一问题，下面结合图形来说明我们设计的并 联式双作用双级气一液复合传动系统工作原理、输出流量、输出压力以及工作性能等。 气一液复合及流体一机械复合传动技术的研究与创新设计气一液复合传动系统的研究与创新设计 3 4 1 系统的工作原理分析 如图3 4 所示可见【2 们，该系统分为上下两个部分。下部为驱动气缸，上部为液压 缸，气缸活塞通过一浮动支点杠杆驱动液压缸活塞【2 卯。在液压缸中，中间大直径部分 为大腔活塞，两端小直径部分为小腔活塞。当气动换向阀处于图示左位工作状态时， 压缩空气进入气缸左腔，推动气缸活塞向右运动，在杠杆作用下使得液压缸活塞向左 运动；此时，单向阀2 、4 吸入液体，而单向阀5 、7 同时向外排出低压液体，会合后 进入执行装置，使执行元件快速趋进工作部位。当换向阀处于右位工作状态时，则单 向阀1 、3 吸入液体，单向阀6 、8 排出低压液体。一旦执行元件遇到负载，系统压力 升高，此时单向阀5 或6 便会自动关闭，而顺序阀9 或1 0 会自动打开，液压缸大腔 液体经相应顺序阀流回油箱，实现所谓的卸荷。液压缸小腔经单向阀7 或8 排出高压 小流量液体进入执行装置，使执行元件获得所需的输出力。活塞的往复运动可以通过 行程控制等方式使气动换向阀自动换向，从而实现自动循环。因此，该系统实质上是 一种气压驱动，脉动方式持续供液的双作用双级柱塞液压泵。 图3 4 基于浮动支点杠杆的并联式双作用双级气一液复合传动系统 ! 燮蔓鱼堡塑墨统的研究与创新设计气一液复合及流体机械复合传动技术的研究与刨新设计 需要说明的是，气缸活塞径向孔内放置浮动支点杠杆球头的支承套，是因装配与 制造原因而设置的，它的外径与气缸活塞径向孔之间为过盈配合。 3 4 2 系统的工作特性分析 图3 4 所示系统低压大流量供油时输出流量为q 。，高压小流量供油时输出流量为 q ：，可由以下两式计算： g l ：堕蔓厅切， (37)91 鼋l 2 f 耐玑 ( 3 。7 ) 9 2 _ 警咖，( 3 - s ) g z2 1 产耐仉 式中：西一液压缸大腔活塞直径； 吐一液压缸小腔活塞直径； 万一单位时间内气缸活塞往复行程数； ，一气缸活塞行程长度； 仉一容积效率； 图中杠杆主动臂长度； ，一图中杠杆被动臂长度。 低压供油时输出压力p 。，高压供油时输出压力p ：，计算公式分别如下 胪鲁 c s -