液压与气动技术 - 项目四

液压与气动技术主编赵江涛王珊谢强常用执行元件

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CONTENTS01常用液压缸02液压缸的结构03液压马达PARTONE常用液压缸一、活塞式液压缸

按结构形式的不同,液压缸可分为活塞式、柱塞式、摆动式、伸缩式等,其中活塞式液压缸应用最广泛。活塞式液压缸主要有双出杆式、单出杆式两种。(一)双活塞杆式液压缸活塞两端都带有活塞杆的液压缸,称为双活塞杆式液压缸,如图4-1所示。(二)单活塞杆式液压缸

只有一端带活塞杆的液压缸为单活塞杆式液压缸。如图4-2所示为单活塞杆式液压缸的工作原理图,右侧为它对应的职能符号。(三)活塞式液压缸的推力和速度计算1.双活塞杆式液压缸的推力和速度当工作压力和输入流量相同时,无论从哪个腔进油或出油,两个方向的液压推力F和运动速度v相等。式中ηcm———液压缸的机械效率,主要是机械摩擦等因素引起的,一般取ηm=0.9;ηcv———液压缸的容积效率,主要是进油腔通过活塞与缸体的密封间隙向出油腔泄漏引起的,一般取ηcv≈0.98。2.单活塞杆式液压缸的推力和速度

单活塞杆式液压缸的推力和速度计算要复杂一些,因为它的两腔工作面积不相等。一般我们将有活塞杆的一侧称为“有杆腔”,无活塞杆的一侧称为“无杆腔”,可以分为三种情况来计算,如图4-3所示。

液压缸按压力油作用情况,还常被分为双作用式和单作用式液压缸。双作用式液压缸是指它的两个方向运动都是在压力油的作用下实现的,如图4-4(a)所示。单作用式液压缸是指它的一个方向运动是在压力油的作用下实现的,另一个方向运动是以其他方式(如弹簧力或其他外力)实现的,如图4-4(b)所示。二、其他种类的液压缸(一)柱塞式液压缸

柱塞式液压缸一般为单作用式液压缸。一般设备中较多地采用活塞式液压缸,但活塞式液压缸内孔的加工精度要求高,行程较长时缸筒加工较困难,制造成本较高。因此,对于长行程的场合,宜采用柱塞式液压缸。

如图4-5(a)所示为柱塞式液压缸的工作原理图。它由缸筒1、柱塞2、导向套和端盖3等组成,也有缸固式和杆固式两种形式。图4-5(b)为它的职能符号。(二)摆动式液压缸

摆动式液压缸也称摆动马达。摆动式液压缸是一种能输出转矩和角速度并实现往复摆动的液压执行元件。常有单叶片式和双叶片式两种结构形式,如图4-6所示。当它通入液压油时,它的主轴输出能完成小于300°的摆动运动。

如图4-6(a)所示为单叶片式摆动缸,它的摆动角度较大,可达300°。

如图4-6(b)所示为双叶片式摆动缸,它的摆动角度和角速度为单叶片式的一半,而输出转矩是单叶片式的两倍。

如图4-6(c)所示为摆动缸的职能符号。(三)伸缩式液压缸

如图4-7所示,伸缩式液压缸由两个或多个活塞式液压缸套装而成,前一级活塞缸的活塞是后一级活塞缸的缸筒,可获得较长的工作行程。例如,伸缩缸在起重运输车辆上有广泛的应用。

如图4-7(a)所示是单作用式伸缩缸,如图4-7(b)所示是双作用式伸缩缸。PARTTWO液压缸的结构一、活塞式液压缸主要尺寸的确定

在选择液压缸时,一般已知缸的最大负载F,并根据系统工况和经验来选取一个适当的工作压力p。根据具体情况,可以通过式(4.1)、式(4.3)或式(4.5)来计算确定缸筒内径和活塞杆直径。

在计算中,活塞杆直径d可以参考表4-1来确定,然后代入公式中计算。计算出缸筒内径和活塞杆直径后,均应按表4-2、表4-3圆整成标准值,否则所设计出的液压缸将无法选购,或自制的液压缸将无法选用标准密封件。二、液压缸的结构

活塞式液压缸的空心活塞杆是固定的,缸筒可移动,如图4-8所示。当压力油从b、d孔进入缸筒右腔时,使缸筒向右运动,左腔油液从c、a孔排出;反之则缸筒向左运动。由于孔c、d与活塞端面保持一定的距离,当缸移动到两头时,两孔通流口逐渐减小,起到节流缓冲的作用。缸盖3上开设有排气孔(图中未示出)。

如图4-8所示,在活塞式液压缸的结构中,除缸体组件、活塞及活塞杆组件外,还有密封装置、缓冲装置和排气装置等。这里主要介绍一下活塞式液压缸的密封装置、缓冲装置和排气装置。(一)液压缸的密封装置

密封装置在液压缸中的作用是防泄漏和防污染,对提高液压系统的使用寿命有很重要的作用。

在液压缸中,活塞与缸筒间、端盖间,活塞杆与端盖间等都需要密封。常用的有以下几种密封形式。1.间隙密封

间隙密封是一种最简单的密封方法,如图4-9所示,属于非接触式密封,是依靠相对运动工件配合表面之间的微小间隙σ来防止泄漏的。2.O形密封圈

O形密封圈的截面为圆形,如图4-10所示。其内、外侧面和端面都能起密封作用。由于O形密封圈是依靠装配所产生的压缩变形来实现密封的,所以密封性能好,使用广泛。3.V形密封圈

V形密封圈是组合式密封件,其结构形式如图4-11所示,由支承环[如图(a)所示]、V形密封环[如图(b)所示]和压环[如图(c)所示]三部分组成。4.Y形密封圈

Y形密封圈的截面为Y形,如图4-12(a)所示,它是利用唇边对配合表面的过盈量来实现密封的。(二)缓冲装置

缓冲装置的作用是在活塞与缸盖接近时,利用节流阻尼作用使回油腔产生一定的缓冲压力(回油阻力),而使活塞运动受阻减速,避免活塞与缸盖碰撞而产生冲击和噪声,以免影响设备的工作精度甚至损坏零件。

如图4-13(a)所示为圆环状间隙式缓冲装置。

如图4-13(b)所示为可调节流阀缓冲装置。

如图4-13(c)所示为可变节流槽式缓冲装置。(三)排气装置

常用的排气装置有两种形式,如图4-14所示。一种是在液压缸的最高部位处开排气孔2,用长管道通向远处的排气阀排气,机床上大多采用这种形式。另一种是在缸盖的最高部位处直接安装排气阀,如图4-14(b)、图4-14(c)所示的排气阀结构。在液压系统正式工作前,打开排气阀,让液压缸全行程空载往复运动多次,以排出空气并关闭排气阀,液压缸便可正常工作了。PARTTHREE液压马达

液压马达是利用液体的压力能做回转运动的液压执行元件。液压马达与液压泵在工作原理上是可逆的,内部构造类似,但也存在一定的差别。液压泵的旋转是由电机带动的,且输出的是液压油;液压马达输入的是液压油,输出的是转矩和转速。

液压马达按其结构形式也分为齿轮式、叶片式和柱塞式等,按其排量是否可调也分为变量式液压马达和定量式液压马达。如图4-15所示为液压马达的四种职能符号。二、轴向柱塞式液压马达

图4-17为斜盘式轴向柱塞马达的工作原理图。轴向柱塞液压马达在液压系统中应用较多,其结构和轴向柱塞泵基本相同。三、液压马达的主要性能参数

压力、排量、流量均是指液压马达进油口处的输入值,它们的定义与液压泵相同。与液压泵不同液压马达中输入的实际流量因泄漏等损失要比理论流量大,因此容积效率ηMV和转速nM为

进入马达的流量通过传动轴输出转矩。但实际上因机械摩擦损失,使马达的实际输出转矩要比理论输出转矩小,因此,机械效率和输出转矩为

液压马达输入功率为液压能,PM=pMqM;输出功率为机械能,PMo=ωTM=2πnMTM。若不考虑能量损失,则输入功率和输出功率相等。但实际是有损失的,功率损失即总效率为四、液压马达与液压泵的相似性和差异性比较

液压马达与液压泵,一个是执行装置,一个是动力装置,作用完全不同,但工作原理是可逆的,结构上也有相似性。在了解液压泵的结构和工作原理后,比较一下液压马达和液压泵的相似性和差异性,有助于更好地理解液压马达。(一)液压马达与液压泵的相似性

液压马达和液压泵都必须满足两个工作条件,即必须有密封且可周期性变化的容积空间,必须有配流机构。

液压元件中常见的困油、径向力不平衡现象、液压冲击、流量脉动和泄漏等现象,几乎存在于所有的液压泵和液压马达中。

作为将机械能和压力能互相转换的装置,因为在能量转换过程中都有能量损失,所以液压马达和液压泵都有容积效率、机械效率和总效率。三个效率之间关系也相同。

在进行效率计算时,最容易出现的问题是对输入量与输出量关系理解错误。例如,液压泵的流量是输出量,而液压马达的流量是输入量。(一)液压马达与液压泵的相似性

液压马达和液压泵都必须满足两个工作条件,即必须有密封且可周期性变化的容积空间,必须有配流机构。

液压元件中常见的困油、径向力不平衡现象、液压冲击、流量脉动和泄漏等现象,几乎存在于所有的液压泵和液压马达中。

作为将机械能和压力能互相转换的装置,因为在能量转换过程中都有能量损失,所以液压马达和液压泵都有容积效率、机械效率和总效率。三个效率之间关系也相同。

在进行效率计算时,最容易出现的问题是对输入量与输出量关系理解错误。例如,液压泵的流量是输出量,而液压马达的流量是输入量。(二)液压马达与液压泵的差异性

液压马达是靠输入液体压力来起动工作的,而液压泵是由电机等其他动力装置直接带动的。因为液压马达有正转、反转要求,所以配流盘一般是对称设计的,即进出油口孔径相等。液压泵一般是由电机带动着单向旋转,配流盘及其卸荷槽可以不对称。

在自吸性要求上不同。液压马达是依靠输入压力油来工作,不需要有自吸