液压与气动技术第3章 执行元件

第3章执行元件,3.1直线往复运动执行元件3.2旋转运动执行元件,3.1直线往复运动执行元件,3.1.1液压缸的作用与分类液压缸(俗称油缸)是将液压能转变成机械能的做直线往复运动(或摆动)的液压执行元件.它结构简单、工作可靠.用它来实现往复运动时.可免去减速装置.运动平稳.因此应用非常广泛。按运动形式的不同.液压缸可分为直线往复运动液压缸和摆动液压缸。按其作用方式不同.液压缸可分为单作用式和双作用式两种。按结构的不同.液压缸可分有活塞缸、柱塞缸和摆动缸3类。,下一页,返回,3.1直线往复运动执行元件,3.1.2活塞缸活塞缸可分为双杆式和单杆式两种结构.其固定方式有缸体固定和活塞固定两种。1.双杆活塞缸(1)工作原理图3-1所示为双杆活塞缸原理.其活塞的两侧都有伸出杆。图3-1(a)所示为缸体固定式结构简图;图3-1(b)所示为活塞固定式结构简图。当压力油(p为压力.q为排量)从进、出油口交替输入液压缸左、右工作腔时.压力油作用于活塞端面.驱动活塞(或缸体)运动.并通过活塞(或缸体)带动工作台做直线往复运动。,上一页,下一页,返回,3.1直线往复运动执行元件,(2)特点和应用当两活塞杆直径相同、缸两腔的供油压力和流量都相等时.活塞(或缸体)两个方向的运动速度和推力也都相等。因此.这种液压缸常用于要求往复运动速度和负载相同的场合.如各种磨床。缸体固定式结构.其工作台的运动范围略大于缸有效行程的3倍一般用于行程短或小型液压设备上;活塞固定式结构.其工作台的运动范围略大于缸有效行程的2倍.所以工作台运动时所占空间面积较小.适用于行程长的大、中型液压设备。,上一页,下一页,返回,3.1直线往复运动执行元件,2.单杆活塞缸(1)工作原理图3-2所示为单杆活塞缸原理.其活塞的一侧有伸出杆.因此两腔的有效工作面积不相等。当无杆腔进压力油、有杆腔回油(图3-2(a)时.活塞推力F和运动速度v1分别为当有杆腔进压力油.无杆腔油(图3-2(b)时.活塞推力F2和运动速度v2分别为式中.A1和A2分别为液压缸无杆腔和有杆腔的有效工作面积。,上一页,下一页,返回,（3.3）,（3.4）,3.1直线往复运动执行元件,(2)特点和应用比较上面公式可知,v1F2.即无杆腔进压力油工作时.推力大.速度低;有杆腔进压力油工作时.推力小.速度高。因此.单杆活塞缸常用于一个方向有较大负载但运行速度较低.另一个方向为空载快速退回运动的设备。例如.各种金属切削机床等液压系统。单杆活塞缸不论是缸体固定还是活塞杆固定.工作台的活动范围都略大于缸有效行程的两倍。,上一页,下一页,返回,3.1直线往复运动执行元件,(3)单杆活塞缸的差动连接如图3-3所示，当压力油同时进入液压缸的左、右两腔，由于无杆腔工作面积比有杆腔工作面积大.活塞向右的推力大于向左的推力.故其向右移动.这种连接方式称为液压缸的差动连接.做差动连接的单杆活塞缸简称为差动缸。差动连接时.活塞的推力F为,上一页,下一页,返回,（3.5）,3.1直线往复运动执行元件,若活塞的速度为v3.则无杆腔的进油量为v3A1.有杆腔的出油量为v3A2.因而有故由上面可知.v3v1,F316MPa时.取py=1.25pn,上一页,下一页,返回,3.1直线往复运动执行元件,缸筒材料许用应力,b为材料抗拉强度.n为安全系数一般取n=5。当时.按厚壁筒公式来进行校核,即液压缸外径D1便可由式(3.10)求出.即D1=D+2D1值也应按有关标准圆整为标准值。,上一页,下一页,返回,(3.9),(3.10),3.1直线往复运动执行元件,4.液压缸其他部位尺寸的确定如图3-8所示.液压缸其他部位尺寸按下列公式确定:导向长度(L为液压缸最大行程);活塞宽度B=(0.61.0)D;导向套滑轮面长度A=(0.61.6)D(D80mm)如装有隔套K时.C=H-(A+B)/2活塞杆长度根据液压缸最大行程L而定。,上一页,下一页,返回,3.1直线往复运动执行元件,3.1.7液压缸常见故障及其排除方法液压缸常见故障及其排除方法见表3-4.3.1.8气缸的分类及其工作原理1.气缸的分类气缸主要由缸筒、活塞、活塞杆、关后端盖及密封件等组成.图3-9所示为普通气缸结构。按作用方式分为单作用气缸和双作用气缸。按结构特点分为活塞式气缸、柱塞式气缸、叶片式气缸、摆动式气缸、薄膜式气缸等。按安装方式分为法协式气缸、轴销式气缸、凸缘式气缸、耳座式气缸、嵌入式气缸、回转式气缸等。按功能分为普通式气缸、缓冲式气缸、气一液阻尼式气缸、冲击式气缸、数字式气缸、摆动式气缸等。,上一页,下一页,返回,3.1直线往复运动执行元件,2.气缸的工作原理以图3-9所示双作用气缸为例加以介绍。所谓双作用是指活塞的往复运动均由压缩空气来推动。在单伸出活塞杆的动力缸中.因活塞右边面积比较大.当空气压力作用在右边时.提供一慢速的和作用力大的工作行程;返回行程时.由于活塞左边的面积较小.所以速度较快而作用力变小此类气缸的使用最为广泛一般用于包装机械、食品机械、加工机械等设备上。,上一页,下一页,返回,3.1直线往复运动执行元件,大多数气缸的工作原理与液压缸相同.因此这里只介绍几种具有特殊功能的气缸。(1)气一液阻尼缸普通气缸工作时.由于气体具有可压缩性.当外界负载变化较大时.气缸可能产生“爬行”或“自走”现象.因此.气缸不易获得平衡的运动;也不易使活塞有准确的停止位置。而液压缸则相对运动平衡.且速度调节方便。在气压传动中.需要准确的位置控制和速度控制时.可采用气一液阻尼缸。,上一页,下一页,返回,3.1直线往复运动执行元件,(2)薄膜式气缸薄膜式气缸是一种利用膜片在压缩空气作用下产生变形来推动活塞杆做直线运动的气缸.其结构如图3-11所示.由缸体1,膜片2,膜盘3及活塞杆1等组成.其功能类似活塞式气缸.有单作用式和双作用式两种。(3)回转式气缸回转式气缸的工作原理如图3-12所示.它由导气头9,缸体3,活塞2,活塞杆1,缸盖6等组成这种气缸的缸体连同缸盖及导气头可被携带一同回转;活塞及活塞杆只能做直线往复运动;导气头的外接管路固定不动。它实际上是一个具有回转接头的气缸.转动是由其他驱动机构带动的。,上一页,下一页,返回,3.1直线往复运动执行元件,(4)冲击式气缸冲击式气缸是一种较新型的气动执行元件它是把压缩空气的压力能转化为活塞运动的动能.可完成型材下料、弯曲、冲孔、墩粗、破碎、模锻等多种作业。工作原理如图3-13所示.它由缸体8、中盖5,活塞和活塞杆7等主要零件组成。中盖与缸体连接在一起.它和活塞把气缸容积分隔成3部分.即蓄能腔3,活塞腔2和活塞杆腔1.中盖中心开有一喷嘴口生.当压缩空气刚进入蓄能腔时.其压力只能通过喷嘴口的小面积作用在活塞上.还不能克服活塞杆腔的排气压力所产生的向上推力以及活塞和缸体间的摩擦阻力.活塞不运动。蓄能腔中充气压力逐渐升高.当压力升高到作用在喷嘴口面积上的总推力能克服活塞杆腔的排气压力和摩擦力的总和时.活塞向下移动.积聚在蓄能腔中的压缩空气通过喷嘴口突然作用在活塞的全部面积上.活塞需作为控制信号孔使用。,上一页,下一页,返回,3.1直线往复运动执行元件,(5)磁性无活塞杆气缸图3-14所示为磁性无活塞杆气缸。磁性无活塞杆气缸由缸体、活塞组件和移动支架组件3部分组成。其中活塞组件中有内磁环4.移动支架组件中有外磁环2.内、外磁环产生磁性吸力.当压缩空气推动活塞组件运动就带动移动支架组件运动。磁性无杆气缸应用在空间较小的地方。3.气缸实物的结构剖视图机械接触式无活塞杆气缸结构如图3-15所示。,上一页,下一页,返回,3.1直线往复运动执行元件,3.1.9标准化气缸简介1.标准化气缸的系列和标记标准化气缸的标记是用符号“QG”表示气缸.用符号A,B,C,D,H表示5种系列。2.标准化气缸的系列QGA无缓冲普通气缸(见图3-16)QGB细杆(标准杆)缓冲气缸QGC粗杆缓冲气缸QGD气一液阻尼缸QGH回转式气缸,上一页,下一页,返回,3.1直线往复运动执行元件,3.气缸的选用根据工作任务对机构运动的要求选择气缸的结构形式及安装方式(见表3-5和表3-6)。根据工作机构所需力的大小来确定活塞杆的推力和拉力。根据工作机构任务的要求确定行程一般不使用满行程。推荐气缸工作速度在0.5-1m/s范围内.并按此原则选择管路及控制元件。,上一页,返回,3.2旋转运动执行元件,3.2.1液压马达的分类液压马达的结构如液压泵一样也可分为齿轮式、叶片式和柱塞式3大类若按转速来分.一般认为.额定转速高于600r/min的液压马达属于高速马达;额定转速低于600r/min的液压马达属于低速马达。通常.高速液压马达的输出转矩不大.故又称为高速小转矩液压马达。低速液压马达的输出转矩较大.所以又称为低速大转矩液压马达。液压马达的分类如图3-20所示。,下一页,返回,3.2旋转运动执行元件,3.2.2液压马达的工作原理和结构特点液压马达同样有单向和双向、定量和变量之分。由于结构上的差异.不同的马达其基本特性和适用范围也有所不同.液压马达和液压泵从工作原理上来说是一致的.都是通过密封工作腔的容积变化来实现能量转换。从原理上来说.除阀式配流的液压泵(具有单向性)外.其他形式的液压泵和液压马达可以通用下面以叶片式液压马达为例.对液压马达的工作原理作简单介绍。,上一页,下一页,返回,3.2旋转运动执行元件,叶片式液压马达的结构一般是双作用定量马达.在图3-19中.当压力油进入压油腔后.在叶片1,3,5,7上一面作用有压力油.另一面为排油腔的低压油。由于叶片1,5受力面积大于叶片3,7.从而由叶片受力差构成的转矩推动转子做顺时钊方向转动。改变压力油的进入方向.马达反向旋转。与叶片泵相比.叶片式液压马达的叶片伸缩除靠压力油作用外.还要靠弹簧的作用力使叶片压紧在定子内表面上.因为在启动时.转子不转动.无离心力.如叶片末贴紧定子内表面.进油腔和排油腔相通.就不能形成油压.也不能输出转矩因此.在叶片根部应设置预紧弹簧。,上一页,下一页,返回,3.2旋转运动执行元件,叶片式液压马达的另一个结构特点是叶片在转子中是径向放置的.因为马达要求正、反转。此外.为了使叶片的底部始终都通压力油.不受液压马达转动方向的影响.在回、压油腔通入叶片根部的通路上应设置单向阀。叶片式液压马达体积小.转动惯量小.动作灵敏.适用于换向频率较高的场合;但其泄漏量较大.低速工作时不稳定。因此.叶片式液压马达一般用于转速高、转矩小和动作要求灵敏的场合。,上一页,下一页,返回,3.2旋转运动执行元件,3.2.3液压马达的主要技术参数和计算公式1.液压马达的主要技术参数排量马达轴每转一转所需输入的液体体积。额定压力在额定转数范围内连续运转.能达到设计寿命的最高输入压力。最高压力允许短暂运行的最高压力。背压液压马达运转时出油口侧的压力.能保证马达稳定运转时最低出油口侧的压力称为最低背压。额定转速在额定压力、规定背压条件下.能够连续运转并能达到设计寿命的最高转速。,上一页,下一页,返回,3.2旋转运动执行元件,最低转数在额定压力下能稳定运转的最低运转数。额定转数在额定压力作用下液压马达能稳定运转的转数。最大转矩允许短暂运行的最高压力输入马达后所产生的转矩。功率液压马达输出轴上输出的机械功率。容积效率液压马达理论流量与实际流量的比值。11）总效率液压马达的输出功率与输入功率的比值。2.液压马达主要参数的计算公式其主要计算公式如表3-7所列。,上一页,下一页,返回,3.2旋转运动执行元件,3.液压马达主要技术参数概览其主要技术参数概览如表3-8所列。4.液压马达的选择选择液压马达时需考虑的因索较多.如转矩、转数、工作压力、排量、外形及连接尺寸、容积效率、总效率等。低速运转工况可选低转速马达.也可以采用高速马达加速机装置。在两种选择上.应根据结构及空间情况、设备成本、驱动转矩是否合理等进行选择。确定所采用马达的种类后.可根据液压马达产品技术参数概览表选出几种规格.然后进行综合分析.分析中应优先考虑既满足转矩要求又使系统流量较小、压力较低.以便降低制造成本。其次对同类产品应选择总效率高的、压降低的.最终选择一个较合适的产品。,上一页,下一页,返回,3.2旋转运动执行元件,5.液压马达的基本图形符号液压马达的基本图形符号如图3-22所示。3.2.4液压马达常见故障及其排除方法液压马达常见故障及其排除方法见表3-10。3.2.5气动马达1.叶片式气动马达叶片式气动马达主要由定子、转子和叶片组成。叶片马达体积小、重量轻、结构简单.但耗气量较大一般用于中、小容量.高转速的场合。图3-23所示为双向旋转叶片式气马达的工作原理。,上一页,下一页,返回,3.2旋转运动执行元件,图3-24是在一定工作压力下作出的叶片式气马达的特性曲线。转矩T与转速n成反比.功率P与转速n成抛物线关系,排量增加q转速n增加。图3-25也是叶片式气马达工作原理。叶片式马达一般有310个叶片.它们可以在转子的径向槽内活动。转子和输出轴固连在一起.装入偏心的定子中。当压缩空气从A口进入定子腔后一部分进入叶片底部.将叶片推出.使叶片在气压推力和离心力综合作用下.抵在定子内壁上。另一部分进入密封工作腔作用在叶片的外伸部分.产生力矩。由于叶片外伸面积不等.转子受到不平衡力矩而逆时针旋转。做功后的气体由定子孔C排出.剩余残余气体经孔H排出改变压缩空气输入进气孔(H孔进气).马达则反向旋转。,上一页,下一页,返回,3.2旋转运动执行元件,2.活塞式气动马达活塞式气动马达是一种通过曲柄或斜盘将多个气缸活塞的输出力转换为回转运动的气动马达。活塞式气动马达中为达到力的平衡.气缸数目大多为偶数。气缸可以径向配置和轴向配置.称为径向活塞式气动马达和轴向活塞式气动马达。活塞式气动马达有较大的启动力矩和功率.但结构复杂、成本高.且输出力矩和速度必然存在一定的脉动.主要用于低速大转矩的场合。,上一页,下一页,返回,3.2旋转运动执行元件,3.气动马达的特点可以无级调速。工作安全。气动马达具有结构简单、体积小、重量轻、操纵容易、维修方便等特点.其用过的空气也不需处理.不会造成污染。气动马达有很宽的功率和速度调节范围。正、反转实现方便。具有过载保护功能.不会因为过载而发生故障。气动马达能长期满载工作.由于压缩空气绝热膨胀的冷却作用.能降低滑动摩擦部分的发热.因此气动马达能在高温环境下运行.其温升较小。气动马达.特别是叶片式气动马达转速高.零、部件磨损快.需及时检修、清洗或更换零部件气动马达还具有输出功率小、耗气量大、效率低、噪声大和易产生振动等缺点。,上一页,下一页,返回,3.2旋转运动执行元件,4.气马达的选择、应用及润滑(1)气马达的选择选择气马达主要从载荷状态出发。在变载荷的场合使用时.应注意考虑的因索是速度范围及力矩.均应满足工作需要。在均衡载荷下作用时.其工作速度则是最重要的因索。叶片式气动马达比活塞式气动马达转速高.当工作转速低于空载时最大转速的25%时.最好选用活塞式气动马达选择时可参考表3-11。,上一页,下一页,返回,3.2旋转运动执行元件,(2)气马达的应用与润滑气马达适用于要求安全、无级调速、经常改变旋转方向、启动频繁以及防爆、负载启动.适用于有过载可能性的场合.以及适用于恶劣工作条件.如高温、潮湿及不便于入工直接操作的地方。当要求多种速度运转.瞬时启动和制动.或可能经常发生失速和过负载的情况时.采用气马达要比别的类似设备价格便宜维修简单。目前.气马达在矿山机械中应用较多;在专业性成批生产的机械制造业、油川、化工、造纸、冶金、电站等行业均有较多使用;工程建筑、筑路、建桥、隧道开凿等均有应用;许多风动工具如风钻、风扳手、风砂轮及风动铲刮机等均装有气马达。,上一页,下一页,返回,3.2旋转运动执行元件,润滑是气马达所不可缺少的。气马达必须得到良好的润滑后才可正常运转.良好的润滑可保证马达在检修期内长时间运转无误。一般在整个气动系统回路中.在气马达操纵阀前面均设置油雾器.使油雾器与压缩空气混合再进入气马达.从而达到充分润滑的目的。注意保证油雾器内正常油位.应及时添加新油。(3)气马达的典型产品气马达的典型产品如表3-12所示。,上一页,返回,图3-1双杆活塞缸,返回,图3-2单杆