液压与气压传动3_王积伟教授_东南大学ppt课件.ppt

SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Chapter3执行元件本章主要内容 3 1液压缸3 2气缸3 3液压马达3 4气动马达3 5液压缸的设计计算3 6气缸的工作特性及计算 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 了解液压与气压传动中各种执行元件的结构形式 工作原理 掌握执行元件的设计计算方法和特点 单杆活塞液压缸 密封 缓冲 排气 目的任务 重点难点 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 1液压缸 液压缸是实现直线往复运动的执行元件 液压与气压传动中的执行元件是将流体的压力能转化为机械能的元件 它驱动机构作直线往复或旋转 或摆动 运动 其输入为压力和流量 输出为力和速度 或转矩和转速 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 1 1液压缸的类型 液压缸按其结构形式 可以分为活塞缸 柱塞缸和伸缩缸等 1 活塞式液压缸 1 双杆活塞缸图3 1a所示为缸筒固定的双杆活塞缸 活塞两侧的活塞杆直径相等它的进 出油口位于缸筒两端 当工作压力和输入流量相同时 两个方向上输出的推力F和速度v是相等的 其值为 图3 1双杆活塞缸a 缸筒固定 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 式中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 缸的进 出口压力 m V 缸的机械效率 容积效率 3 1 3 2 1 双杆活塞缸 这种安装形式 工作台移动范围约为活塞有效行程的三倍 占地面积大 适用于小型机械 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 图3 1b所示为活塞杆固定的双杆活塞缸 它的进 出油液可经活塞杆内的通道输入液压缸或从液压缸流出 也可以用软管连接 进 出口就位于缸的两端 它的推力和速度与缸筒固定的形式相同 但是其工作台移动范围为缸筒有效行程的两倍 故可用于较大型的机械 图3 1双杆活塞缸b 活塞杆固定 1 双杆活塞缸 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 2 单杆活塞缸图3 2所示为单杆活塞缸 由于只在活塞的一端有活塞杆 使两腔的有效工作面积不相等 因此在两腔分别输入相同流量的情况下 活塞的往复运动速度不相等 它的安装也有缸筒固定和活塞杆固定两种 进 出口的布置根据安装方式而定 但工作台移动范围都为活塞有效行程的两倍 2 单杆活塞缸 图3 2单杆活塞缸a 向右运动b 向左运动 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 2 单杆活塞缸 单杆活塞缸的推力和速度计算式如下 3 3 3 4 3 5 3 6 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 在液压缸的活塞往复运动速度有一定要求的情况下 活塞杆直径d通常根据液压缸速度比 v2 v1的要求以及缸内径D来确定 由式 3 5 和式 3 6 得 2 单杆活塞缸 3 7 3 8 由此可见 速比 v越大 活塞杆直径d越大 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 图3 3差动液压缸 单杆活塞缸的左右腔同时接通压力油 如图3 3所示 称为差动连接 此缸称为差动液压缸 差动液压缸左 右腔压力相等 但左 右腔有效面积不相等 因此 活塞向右运动 差动连接时因回油腔的油液进入左腔 从而提高活塞运动速度 其推力和速度按下式计算 3 差动液压缸 3 9 向液压缸右腔输油 而左腔通油箱活塞便向左运动 推力和速度与式 3 4 式 3 6 相同 如要求v3和活塞向左运动的速度v2相等 即v3 v2 则必须使D SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 2 柱塞式液压缸 Part3 1 1液压缸的类型 图3 4柱塞式液压缸a 单柱塞缸b 双柱塞缸1 缸筒2 柱塞 单柱塞缸只能实现一个方向运动 反向要靠外力 如图3 4a所示 用两个柱塞缸组合 如图3 4b所示 也能用压力油实现往复运动 柱塞运动时 由缸盖上的导向套来导向 因此 缸筒内壁不需要精加工 它特别适用于行程较长的场合 3 11 3 12 式中d 柱塞直径 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 3 伸缩式液压缸 Part3 1 1液压缸的类型 伸缩式液压缸由两上或多个活塞套装而成 前一级缸的活塞杆是后一级缸的缸筒 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 图3 5 见书P111 所示为一种双作用式普通伸缩缸 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 则液压缸的输出推力和速度也逐级变化 其值为 3 13 3 14 式中i 第i级活塞 这种液压缸起动时 活塞有效面积最大 因此 输出推力也最大 随着行程逐级增长 推力随之逐级减小 速度则逐级增快 如欲推力和速度始终保持恒定 可采用同步伸缩液压缸 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 图3 6单作用式三级同步伸缩液压缸1 外缸筒2 一级活塞缸筒3 二级活塞缸筒4 三级活塞 3 伸缩式液压缸 Part3 1 1液压缸的类型 图3 6所示为单作用式三级同步伸缩液压缸的工作原理图 该缸的各级活塞面积设计成A1 2A2 A2 2A3 A3 2A4 并在一级和二级活塞缸筒的左端各设一带有顶杆的单向阀 而在其缸筒右侧壁面各开有小孔 正常工作时赣阀均关闭 当压力油进入B腔时 一级活塞2向左移动 C腔油通过小孔进入D腔 推动二级活塞3以相同速度向左移动 同样原理 三级活塞4也以同一速度向左移动 若因泄漏原因 二级或三级活塞没有移动到最左位置 则相应的单向阀开启 补充液压油使其到位 外力推其向右移动时各活塞动作与向左移动时相反 一级和二级活塞运动到最右端时 两个单向闪的顶杆使其开启 从而恢复各级间的平衡状态 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 1 2液压缸的结构 图3 7所示为单杆活塞式液压缸 它由缸筒26 活塞杆1 前后缸盖22 29 活塞杆导向环4 活塞前缓冲9等主要零件组成 活塞与活塞杆用螺纹连接 并用止动销14固死 前 后缸盖通过法兰23和螺钉 图中未示 压紧在缸筒的两端 为了提高密封性能并减少摩擦力 在活塞与缸筒之间 活塞杆与导向环之间 导向环与前缸盖这间 活塞杆与导向环之间 导向环与前缸盖之间 前后缸盖与缸筒之间装有各种动 静密封圈 当活塞移动接近左右终端时 液压缸回油腔的油只能通过缓冲柱塞上通流面积逐渐减小的轴向三角槽和可调缓冲器24回油箱 对移动部件起制动缓冲作用 缸中空气经可调缓冲器中的排气通道排出 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 从图3 7可以看到 液压缸的结构可以分为缸筒和缸盖 活塞和活塞杆 密封装置 缓冲装置和排气装置五个部分 Part3 1 2液压缸的结构 图3 7单杆活塞式液压缸结构1 活塞杆2 防尘圈3 活塞杆密封4 活塞杆导向环5 7 16 19 反衬密封圈6 8 10 17 18 O型密封9 活塞前缓冲11 活塞12 活塞密封13 15 低摩密封14 螺钉止动销20 止动销21 密封圈22 前缸盖23 法兰24 可调缓冲器25 螺纹止动销26 缸筒27 后缓冲套28 后止动环29 后缸盖 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 1 缸筒和缸盖 Part3 1 2液压缸的结构 缸筒和缸盖的常见连接结构形式如图3 8所示 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 2 活塞和活塞杆 Part3 1 2液压缸的结构 活塞和活塞杆的结构形式很多 有螺纹式连接和半环式连接等 如图3 9所示 前者结构简单 但需有螺母防松装置 后者结构复杂 但工作较可靠 此外 在尺寸较小的场合 活塞和活塞杆也有制成整体式结构的 图3 9活塞和活塞杆的结构a 螺纹式连接b 半环式连接1 弹簧卡圈2 轴套3 螺母4 半环5 压板6 活塞7 活塞杆 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 1 2液压缸的结构 3 密封装置 密封装置用来防止液压系统油液的内外泄漏和防止外界杂质侵入 它的密封机理 结构等将在第五章中详述 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 1 2液压缸的结构 4 缓冲装置 缓冲装置是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油液封住 迫使油液从小孔或缝隙中挤出 从而产生很大的阻力 使工作部件平稳制动 并避免活塞和缸盖的相互碰撞 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 1 2液压缸的结构 4 缓冲装置 1 节流口可调式缓冲装置 图3 10d 当活塞上的缓冲柱塞进入端盖凹腔后 圆环形的回油腔中的油液只能通过针形节流阀流出 这就使活塞制动 调节节流阀的开口 可改变制动阻力的大小 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 图3 10液压缸缓冲装置的工作原理 缓冲柱塞的形式 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 1 2液压缸的结构 4 缓冲装置 2 节流口变化式缓冲装置 图3 10c 它的缓冲柱塞上开有变截面的轴向三角形节流槽 当活塞移近端盖时 回油腔油液只能经过三角槽流出 因而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 图3 10液压缸缓冲装置的工作原理 缓冲柱塞的形式 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 1 2液压缸的结构 5 排气装置 排气装置用来排除积聚在液压缸内的空气 常用的排气装置如图3 12所示 图3 12a所示为在液压缸的最高部位设置排气孔与排气阀连接进行排气 图3 12b为在液压缸的最高部位处安装排气塞 图3 12排气装置a 排气阀b 排气塞 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 1 3液压缸的特性 液压缸的特性是指它在稳态下工作时的各项参数间的关系 1 液压缸的推力和速度 液压缸的推力和速度的数值由液压缸类型和工作方式决定 由本章第一节有关公式求出 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 1 3液压缸的特性 2 容积效率 机械效率和总效率 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 2气缸 气缸是气动系统中使用最多的执行元件 它以压缩空气为动力驱动机构作直线往复运动 Part3 2 1气缸的类型 气缸的分类如表3 1所示 表3 1气缸的类型 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 2 2普通气缸 普通气缸是在缸筒内只有一个活塞和一根活塞杆的气缸 有单作用气缸和双作用气缸两种 图3 13所示为普通型双作用气缸的结构 气缸一般由缸筒11 前后缸盖13 1 活塞8 活塞杆10 密封件和紧固件等零件组成 缸筒在前后缸盖之间由四根拉杆和螺母将其紧固锁定 图中未画出 活塞与活塞杆相连 活塞上装有密封圈4 导向环5及磁性环6 为防止漏气和外部粉尘的侵入 前缸盖上装有活塞杆用防尘组合密封圈15 磁性环用来产生磁场 使活塞接近磁性开关时发出电信号 即在普通气缸上装了磁性开关就构成开关气缸 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 2 2普通气缸 图3 13普通型单活塞杆双作用气缸1 后缸盖2 缓冲节流阀3 7 密封圈4 活塞密封圈5 导向环6 磁性环8 活塞9 缓冲柱塞10 活塞杆11 缸筒12 缓冲密封圈13 前缸盖14 导向套15 防尘组合密封圈 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 2 2普通气缸 图3 14所示为普通型单作用气缸结构原理图 在活塞5的一侧装有使活塞杆9退回的弹簧7 在前缸盖10上开有呼吸孔 除此之外 其结构基本上和双作用气缸相同 图示单作用气缸的缸筒6和前后缸盖之间采用滚压铆接方式固定 弹簧装在有杆腔 气缸活塞杆初始位置处于退回的位置 这种气缸称为预缩型单作用气缸 图3 14普通型单活塞杆单作用气缸1 后缸盖2 8 橡胶缓冲垫3 活塞密封圈4 导向环5 活塞6 缸筒7 弹簧9 活塞杆10 前缸盖11 螺母12 导向套13 卡环 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 2 3其他形式气缸 1 无杆气缸 无杆气缸没有普通气缸的刚性活塞杆 它利用活塞直接或间接实现往复直线运动 这种气缸最大优点是节省了安装空间 特别适用于小缸径长行程的场合 在自动化系统 气动机器人中获得了大量应用 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 图3 15无杆气缸1 节流阀2 缓冲柱塞3 密封带4 防尘不锈钢带5 活塞6 滑块7 管状体 图3 15所示为无杆气缸结构原理图 在气缸筒轴向开有一条槽 在气缸两端设置空气缓冲装置 活塞5带动与负载相连的滑块6一起在槽内移动 且借助缸体上的一个管状沟槽防止其产生旋转 因防泄漏和防尘的需要 在开口部采用聚氨酯密封带3和防尘不锈钢带4固定在两侧端盖上 Part3 2 3其他形式气缸 1 无杆气缸 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 这种气缸适用缸径8 80mm 最大行程在缸径不小于40mm时可达6m 气缸运动速度高 可达2m s 由于负载与活塞是和在气缸槽内运动的滑块连接的 因此在使用中必须考虑滑块上所受的径向和轴向负载 为了增加承载能力 必须增加导向机构 若需用无杆气缸构成气动伺服定位系统 可用内置式位移传感器的无杆气缸 Part3 2 3其他形式气缸 1 无杆气缸 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 2 3其他形式气缸 2 磁性气缸 图3 16所示为一种磁性耦合的无活塞杆气缸 在活塞上安装了一组高磁性的稀土永久磁环 磁力线穿过薄壁筒 不锈钢或铝合金非导磁材料 作用在缸筒外面的另一组磁环套上 由于两组磁环极性相反 两者间具有很强的吸力 当活塞在输入气压作用下移时 则通过磁力线带动缸筒外的磁环套与负载一起移动 在气缸行程两端设有空气缓冲装置 图3 16磁性气缸 它的特点是 体积小 质量轻 无外部空气泄漏 维护保养方便 当速度快 负载大时 内外磁环不易吸住 且磁性耦合的无杆气缸中间不可能增加支承点 因此最大行程受到限制 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 2 3其他形式气缸 3 开关气缸 开关气缸又称带磁性开关气缸 是指在气缸活塞上置有永久磁环 利用直接安装在缸筒上的行程开关来检测气缸活塞位置的一种气缸 一般的普通气缸 无杆气缸 磁性气缸 制动气缸 摆动马达 手指气缸等都能构成开关气缸 与以往在活塞杆端部设置挡块用行程控制阀发讯来检测行程的方法相比 用开关气缸使位置检测更加方便 且结构紧凑 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 图3 17所示为开关气缸 用于气缸发讯的行程开关有三种 电子舌簧式行程开关 气动舌簧式行程开关和非接触式电感行程开关 无论何种行程开关 在使用时都必须了解它的开关性能 Part3 2 3其他形式气缸 3 开关气缸 图3 17开关气缸1 磁铁2 舌簧开关3 显示器4 保护电路 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 2 3其他形式气缸 3 开关气缸 图3 18开关特性1 永久磁环2 缸筒3 开关接通4 开关断开5 开关中心 图3 18表示了行程开关的开关特性 开关从接通状态至断开状态活塞上磁环移动的距离称为开关动作距离s 若活塞朝一个方向移动使开关接通后 再朝反方向移动使开关断开 这两个状态之间的距离称为迟滞h SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 2 3其他形式气缸 3 开关气缸 若在一个开关气缸上同时安装两个行程开关 其间的最小距离应是hmax 3mm 3mm为安全裕量 开关气缸用于在行程中途检测开关信号时 气缸所允许的活塞最大速度v由下式决定 式中v 允许的活塞最大速度 单位为m s s 开关动作距离 单位为mm t 负载动作时间 单位为ms 当行程开关所带的感性负载 如电磁阀 继电器 断开时 在断开的瞬间会产生一个脉冲电压 这将损害行程开关的舌簧片电极而影响工作的可靠性 因此 行程开关必须带保护电路 3 14 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 2 3其他形式气缸 4 制动气缸 带有制动装置的气缸称为制动气缸 也称锁紧气缸 制动装置一般安装在普通气缸的前端 其结构有偏心凸轮 卡套锥面等多种形式 按制地劝方式有弹簧制动 气压制动和弹簧气压制动三种方式 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 2 3其他形式气缸 4 制动气缸 图3 19所示为一种制动装置工作原理图 制动装置有两个工作状态 即自由状态 松闸 和制动状态 图3 19制动装置工作原理a 自由状态b 制动状态1 复位弹簧2 制动钳3 制动弹簧4 制动活塞5 活塞杆 自由状态 图3 19a 气缸运动时 在C口输入气压 使制动活塞4下移 则制动钳2处于放松状态 气缸活塞杆5可以自由移动 制动状态 图3 19b 当气缸活塞杆从运动状态进入制动状态时 C口迅速排气 复位弹簧1使制动钳在制动弹簧3的作用下张开 卡紧活塞杆5使之停止运动 由动作原理可知 制动装置是靠弹簧力使活塞杆停在任意位置的 因此在动力源出现故障的情况下 制动装置仍能自动而且可靠地保持制动力 同时 在交变载荷或存在工作压力脉动以及系统出现泄漏的情况下 制动装置仍可使活塞杆长时间地精确制动和定位 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 2 3其他形式气缸 5 坐标气缸 坐标气缸是一种单活塞杆双作用气缸 具有精密的导向功能 极强的抗扭性能和良好的负载性能 位置重复精度高达0 01mm 常用来构成各种加工 定位的坐标系统 故称为坐标气缸 又称为直线驱动装置 坐标气缸是构成模块化气动机械手水平移动和垂直移动的驱动模块 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 2 3其他形式气缸 5 坐标气缸 图3 20所示为坐标气缸的结构 该缸中导向筒可移动 而相对应的活塞杆是固定的 在工作气压作用下 导向筒带动挡块4一起运动 当到达行程终端时即停止 由图可见 终端固定接块可用来调整气缸的行程 在其内装置液压缓冲器和接近式传感器 图3 20坐标气缸1 活塞杆2 导向筒3 精密导向滚珠轴承4 挡块 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 这种气缸的特点有 1 气缸内置导向筒及防转动结构 精密导向有四个独立的 无间隙的滚珠轴承 保证了高的弯曲强度 低振动及超精密定位 2 气缸在全行程上位置可调 且行程位置的调整并不影响气缸行程终端的缓冲 3 行程终端设有液压缓冲器 使速度减至最小 4 内置接近式传感器可检测活塞行程位置 Part3 2 3其他形式气缸 5 坐标气缸 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 2 3其他形式气缸 5 坐标气缸 气动手指气缸能实现各种抓取功能 是现代气动机械手的关键部件 图3 21所示的手指气缸的特点有 所有的结构都是双作用的 能实现双向抓取 可自动对中 重复精度高 抓取力矩恒定 在气缸两侧可安装非接触式行程检测开关 有多种安装 连接方式 耗气量少 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 图3 21手指气缸a 平行手指 Part3 2 3其他形式气缸 6 手指气缸 图3 21a所示为平行手指气缸 平行手指通过两个活塞工作 每个活塞由一个滚轮和一个双曲柄与气动手指相连 形成一个特殊的驱动单元 这样 气缸手指总是径向移动 每个手指是不能单独移动的 如果手指反向移动 则先前受压的活塞处于排气状态 而另一个活塞处于受压状态 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 图3 21手指气缸b 摆动手指 Part3 2 3其他形式气缸 6 手指气缸 图3 21b所示为摆动手指气缸 活塞杆上有一个环形槽 由于手指耳轴与环形槽相连 因而手指可同时移动且自动对中 并确保抓取力矩始终恒定 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 图3 21手指气缸c 旋转手指 Part3 2 3其他形式气缸 6 手指气缸 图3 21c所示为旋转手指气缸 其动作和齿轮齿条的啮合原理相似 活塞与一根可上下移动的轴固定在一起 轴的末端有三个环形槽 这些槽与两个驱动轮的齿啮合 因而 两个手指可同时移动并自动对中 其齿轮齿条啮合原理确保了抓取力矩始终恒定 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 2 3其他形式气缸 7 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 由气缸产生驱动力 而用液压缸的阻尼调节作用获得平稳的运动 这种气缸常用于机床和切削加工的进给驱动装置 克服普通气缸在负载变化较大时容易产生的 爬行 或 自移 现象 满足驱动刀具进行切削加工的要求 气液阻尼缸有串联式和并联式两种结构 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 2 3其他形式气缸 7 气液阻尼缸 图3 22气液阻尼缸a 串联式b 速度特性1 负载2 液压缸3 节流阀4 单向阀5 贮油杯6 中盖7 气缸 1 串联式气液阻尼缸图3 22a b所示为这种气液阻尼缸的工作原理图及其速度特性 它由一根活塞杆将气缸活塞和液压缸活塞串联在一起 两缸之间用中盖6隔开 防止空气与液压油互窜 在液压缸的进出口处连接了调速用的液压单向节流阀 由节流阀3和单向阀4组成的节流机构可调节液压缸的排油量 从而调节活塞运动的速度 当气缸活塞向右退回运动时 液压缸右腔排油 此时单向阀打开 回油快 使活塞快速退回 图示节流机构能实现慢进 快退的速度特性 如图3 22b所示 若图中去掉单向阀 则能实现慢进 慢退的速度特性 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 2 3其他形式气缸 7 气液阻尼缸 图3 22气液阻尼缸c 并联式 2 并联式气液阻尼缸图3 22c所示为这种气液阻尼缸的工作原理图 其特点是液压缸与气缸并联 用刚性连接板相联 液压缸活塞杆可在连接板内浮动一段行程 或调节 其工作原理和速度特性与串联式气液阻尼缸相同 这种结构特点是 缸体长度短 占空间位置小 消除了气缸和液压缸之间的窜通现象 液压缸能单独制造 便于选用 使用时应注意 液压缸活塞杆与气缸活塞杆轴线以及负载作用线应处在同一轴线上 否则运动时会产生附加力矩 引起运动速度的不稳定等现象 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 2 3其他形式气缸 8 仿生气动肌腱MAS MuscleActuatorSinale 仿生气动肌腱是一种新型的拉伸型执行元件 是2000年新概念气动元件 如同人类的肌肉那样仿生气动肌腱能产生很强的收缩力 其以崭新的设计构思突破了气动驱动器做功必须由气体介质 流体 推动活塞这一传统概念 从结构上看 传统的气缸具有活塞 活塞杆 密封圈 缸筒 端盖等零部件 而仿生气动肌腱却 简单 很多 一段加强的纤维管两端由连接器固定 见图3 23 因为没有运动的机械零件和外部摩擦 故寿命比一般气缸更长 更耐用 应用范围更广 图3 23仿生气动肌腱 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 2 3其他形式气缸 8 仿生气动肌腱MAS MuscleActuatorSinale 1 工作原理仿生气动肌腱并不如其外形所示那样似乎仅是一根普通的橡胶管 而是一个能量转换装置 如上所述 仿生气动肌腱实质上是由一根包囊着特殊纤维格栅网的橡胶织物管与两端连接接头组成 这种特殊材质纤维格栅网预先嵌入在能承受高负载 高吸收能力的橡胶材料之中 即预先与具有高强度 高弹性能力的橡胶硫化在其中 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 2 3其他形式气缸 8 仿生气动肌腱MAS MuscleActuatorSinale 2 技术特性 仿生气动肌腱相当于一个单作用驱动执行元件 其拉伸力是同样直径普通单作用气缸的10倍 而质量仅为普通单作用气缸的几分之一 与产生相等力的气缸相比 其耗气量仅为普通气缸的40 密封性好 抗污 抗尘 抗沙能力强 携带方便 是世界上惟一能被卷折起来的气动驱动器 能根据用户要求 用剪刀随时度量其长度制作成所需的气动驱动器 无粘性 滑动影响 工作时动态特性优越 具体表现在 当工作行程临近终点时无蠕动现象 在低速运动时 无爬行 粘沾现象 也无猛冲不稳定现象 尽管仿生气动肌腱结构简单 但根据输入压力大小 也可作定位用 不是十分精确的定位 无运动部件 因此无泄漏现象 清洁优势十分突出 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 2 3其他形式气缸 8 仿生气动肌腱MAS MuscleActuatorSinale 3 应用简介 仿生气动肌腱的独特优势使它在工业自动化领域有着广泛的应用 其较适合于夹紧技术 搬移技术 定位机构 制定器 注射机 汽车技术 仿真技术 机器人 仿生 平台机械 建筑技术 甚至体育 健康服务等 典型应用如图3 25 教材P121 所示 此外 气动肌腱还可以用于制作动感电影院的动态椅子等 可以大大增加观众身临其境的感觉 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 3液压马达 液压马达是实现连续旋转或摆动的执行元件 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 3 1液压马达的工作原理 图3 26所示为轴向柱塞式液压马达的工作原理 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 斜盘中心线与缸体中心线相交一个倾角 高压油经配油盘的窗口进入缸体的柱塞孔时 处在高压腔中的柱塞被顶出 压在斜盘上 斜盘对柱塞的反作用力F可分解为两个分力 轴向分力Fx和作用在柱塞上的液压力平衡 垂直分力Fy使缸体产生转矩 带动马达轴5转动 图3 26轴向柱塞式液压马达的工作原理1 斜盘2 缸体3 柱塞4 配油盘5 马达轴 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 图3 26轴向柱塞式液压马达的工作原理1 斜盘2 缸体3 柱塞4 配油盘5 马达轴 Part3 3 1液压马达的工作原理 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 3 2液压马达的主要性能参数 1 工作压力和额定压力 工作压力是指液压马达实际工作时进口处的压力 额定压力是指液压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V是指液压马达轴转一周由其各密封工作腔容积变化的几何尺寸计算得到的油液体积 理论流量qt是指在没有泄漏的情况下 由液压马达排量计算得到指定转速所需输入油液的流量 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 3 2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 为了达到液压马达要求的转速 实际输入的流量q须大于理论流量qt 容积效率为 3 22 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 因此机械效率为 3 23 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 3 2液压马达的主要性能参数 3 效率和功率 液压马达的总效率为 液压马达输入功率Pi为 液压马达输出功率Po为 式中 p 液压马达进 出口的压力差 n 液压马达的角速度和转速 3 24 3 25 3 26 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 3 2液压马达的主要性能参数 4 转矩和转速 液压马达能产生的理论转矩Tt为 3 27 液压马达输出的实际转矩T为 3 28 液压马达的实际输入流量为q时 马达的转速为 3 29 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 3 3液压马达的分类和结构 液压马达和液压泵结构基本相同 按结构分有齿轮式 叶片式和柱塞式等几种 按工作特性可分为高速小转矩马达和低速大转矩马达两大类 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 3 3液压马达的分类和结构 1 高速液压马达 高速液压马达的结构形式通常为外啮合齿轮式 双作用叶片式和轴向柱塞式等 其特点是转速高 一般高于500r min 转动惯量小 输出转矩不大 故又称高速小转矩液压马达 外啮合齿轮式液压马达具有结构简单 质量轻 体积小 价格低及对油液污染不敏感等优点 其缺点是噪声大 脉动较大且难以变量 低速稳定性较差等 双作用叶片式液压马达具有结构紧凑 体积小 噪声较小 寿命较长及脉动率小等优点 其缺点是抗污染能力较差 对油液的清洁度要求较高 目前 叶片式液压马达的最高转速有的已达4000r min 轴向柱塞式液压马达具有单位功率质量轻 工作压力高 效率高和容易实现变量等优点 其缺点是结构比较复杂 对油液污染敏感 过滤精度要求较高 价格较贵 按其结构特点又可分为斜盘式和斜轴式两类 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 3 3液压马达的分类和结构 1 高速液压马达 图3 27轴向点接触柱塞式液压马达结构图1 轴2 斜盘3 轴承4 鼓轮5 弹簧6 传动销7 缸体8 配油盘9 柱塞10 推杆 图3 27所示是轴向点接触柱塞式液压马达的典型结构 在缸体7和斜盘2间装入鼓轮4 在鼓轮的圆周上均匀分布着推杆10 液压力作用在柱塞上并通过推杆作用的斜盘上 推杆在斜盘反作用力的作用下产生一个对轴1的转矩 迫使鼓轮转动 又通过传动键带动马达轴 同时通过传动销6带动缸体旋转 缸体在弹簧5和柱塞孔内的压力油作用下贴紧在配油盘8上 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 3 3液压马达的分类和结构 2 低速液压马达 低速液压马达的特点是输入油液压力高 排量大 可靠性高 可在马达轴转速为10r min以下平稳运转 低速稳定性好 输出转矩大 可达几百牛 米 所以又称低速大转矩液压马达 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 低速大转矩液压马达分为单作用和多作用两大类 单作用液压马达 转子旋转一周 每个柱塞往复工作一次 它又有径向和轴向之分 径向柱塞式单作用液压马达 主轴是偏心的 多作用液压马达 设有导轨曲线 曲线的数目就是作用次数 转子旋转一周 每个柱塞往复工作多次 它同样有径向和轴向之分 单作用马达结构比较简单 工艺性较好 造价较低 但存在输出转矩和转速的脉动 低速稳定性不如多作用液压马达 多作用马达单位功率的质量较轻 若设计合理 可得无脉动输出 但其制造工艺较复杂 造价高于单作用马达 Part3 3 3液压马达的分类和结构 2 低速液压马达 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 3 3液压马达的分类和结构 2 低速液压马达 图3 28连杆型单作用径向柱塞式液压马达原理图1 壳体2 柱塞3 连杆4 曲轴5 配油轴 图3 28所示为连杆型单作用径向柱塞液压马达的结构原理图 在壳体1内有五个沿径向均匀分布的柱塞缸 柱塞2通过球铰与连杆3相连接 连杆的另一端与曲轴4的偏心轮外圆接触 配油轴5与曲轴用联轴器相连 压力油经配油轴进入马达的进油腔后 通过壳体槽 进入相应的柱塞缸的顶部 作用在柱塞上的液压作用力FN通过连杆作用于偏心轮中心O1 它的切向分力Fr对曲轴旋转中心O形成转矩T 使曲轴逆时针方向旋转 由于三个柱塞缸位置不同 所以产生的转矩大小也不同 曲轴输出的总转矩等于与进油腔相通的柱塞所产生的转矩之和 此时柱塞缸 与排油腔相通 油液经配油轴流回油箱 曲轴旋转时带动配油轴同步旋转 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 3 3液压马达的分类和结构 2 低速液压马达 图3 29多作用内曲线径向柱塞液压马达结构原理图1 缸体2 配油轴3 柱塞4 横梁5 衬套6 滚轮7 定子 图3 29所示为多作用内曲线径向柱塞液压马达的结构原理图 马达的配油轴2是固定的 其上有进油口和排油口 压力油经配油窗口穿过衬套5进入缸体1的柱塞孔中 并作用于柱塞3的底部 柱塞3与横梁4之间无刚性连接 在液压力的作用下 柱塞3的顶部球面与横梁4的底部相接触 从而使横梁4两端的滚轮6压向定子7的内壁 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 3 4摆动液压马达 摆动液压马达是一种实现往复摆动的执行元件 常用的有单叶片式和双叶片式两种结构 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 图3 30a所示为单叶片式摆动液压马达 压力油从进油口进入缸筒3 推动叶片1和轴一起作逆时针方向转动 回油从缸筒的回油口排出 其摆动角度小于300 分隔片2用以隔开高低压腔 图3 30摆动液压马达a 单叶片式1 叶片2 分隔片3 缸筒 Part3 3 4摆动液压马达 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 图3 30摆动液压马达a 单叶片式b 双叶片式1 叶片2 分隔片3 缸筒 Part3 3 4摆动液压马达 图3 30b所示为双叶片式摆动液压马达 它有两个进 出油口 其摆动角度小于150 在相同的条件下 它的输出转矩是单叶片式的两倍 角速度是单叶片式的一半 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 3 4摆动液压马达 三叶片式摆液压马达的三个叶片等分布置 它的输出转矩是单叶片式的三倍 机械效率与双叶片式马达相同但泄漏增大 容积效率降低 其摆动角度小于60 如果在液压缸的活塞杆上带有齿条 使之和一小齿轮相啮合 则当活塞杆伸缩时便能使小齿轮作旋转运动 这种结构的液压缸也称为摆动马达 其摆角可以超过360 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 4气动马达 气动马达是将压缩空气的能量转换为旋转或摆动运动的执行元件 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 4 1气动马达的分类 气动马达分类如表3 2所示 表3 2气动马达的分类 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 4 2叶片式气动马达 1 工作原理 图3 31所示为叶片式气动马达结构原理图 其主要由转子1 定子2 叶片3及壳体构成 压缩空气从输入口A进入 作用在工作腔两侧的叶片上 由于转子偏心安装 气压作用在两侧叶片上产生转矩差 使转子按逆时针方向旋转 做功后的气体从输出口B排出 若改变压缩空气输入方向 即可改变转子的转向 图3 31叶片式气动马达1 转子2 定子3 叶片 叶片式气动马达一般在中 小容量 高速旋转的范围使用 其输出功率为0 1 20kW 转速为500 25000r min 叶片式气动马达起动及低速时的特性不好 在转速500r min以下场合使用时 必须要用减速机构 叶片式气动马达主要用于矿山机械和气动工具中 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 图3 32叶片式气动马达的基本特性曲线T n 转矩曲线p n 功率曲线qV n 流量曲线 Part3 4 2叶片式气动马达 2 特性曲线 图3 32所示为叶片式气动马达的基本特性曲线 该曲线表明 在一定的工作压力下 气动马达的转速及功率都随外负载转矩变化而变化 由特性曲线可知 叶片式气动马达的特性较软 当外负载转矩为零 即空转 时 此时转速达最大值nmax 气动马达的输出功率为零 当外负载转矩等于气动马达最大转矩Tmax时 气动马达停转 转速为零 此时输出功率也为零 当外负载转矩约等于气动马达最大转矩的一半时 其转速为最大转速的一半 此时气动马达输出功率达最大值 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 3 工作特性与工作压力的关系 Part3 4 2叶片式气动马达 气动马达的转速 转矩与工作压力的关系可分别用下列式子表示 3 32 3 33 式中n T 实际工作压力下的转速 转矩 n0 T0 设计工作压力下的转速 转矩 p 实际工作压力 p0 设计工作压力 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 4 3齿轮式气动马达 齿轮式气动马达有双齿轮式和多齿轮式 以双齿轮式应用最多 齿轮可采用直齿轮 斜齿轮和人字齿轮 直齿轮气动马达可以正反旋转 斜齿轮和人字齿轮的气动马达则不能反转 但它们的效率比直齿轮的要高 齿轮式气动马达具有体积小 质量轻 结构简单 对气源质量要求低 耐冲击及惯性小等优点 但转矩脉动较大 效率较低 小型气动马达转速能高达10000r min 大型的能达到1000r min 功率可达50kW 齿轮式气动马达主要用于矿山工具 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 4 4摆动气动马达 摆动气动马达的工作原理 结构形式 计算公式均与摆动液压马达相似 这里不再赘述 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 5液压缸的设计计算 设计液压缸时 要在分析液压系统工作情况的基础上 根据液压缸在机构中所要完成的任务来选择液压缸的结构形式 然后按负载 运动要求 最大行程等确定主要尺寸 进行强度 稳定性和缓冲验算 最后进行具体的结构设计 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学机械工程学院 第三章执行元件 液压与气压传动 Part3 5 1应注意的问题 1 尽量使活塞杆在受拉力状态下承受最大负载 或在受压状态下活塞杆应具有良好的纵向稳定性 2 液压缸各部分的结构尽可能按推荐的结构形式和设计标准进行设计 尽量做到结构简单 紧凑 加工 装配和维修方便 3 考虑液压缸行程终端处的制动和液压缸的排气问题 4 正确确定液压缸的安装和固定方式 考虑液压缸的热变形 它只能一端定位 SchoolofMechanicalEngineering 东南大学