第4章 执行元件.ppt

1、2020/7/23,液压与气压传动,德州学院机电工程系 卫 江 红,第4章 液压与气压传动 执行元件,教学要求,掌握液压缸的作用和工作原理 掌握液压缸的类型、特点和参数计算 了解液压缸的结构和设计计算,重点、难点,液压缸的作用和工作原理 液压缸的参数计算 各类液压缸的特点及应用,4.1 液压缸的分类和特点 4.2 液压缸的结构 4.3 液压缸的设计计算 4.4 液压马达,目 录,4.1 液压缸的分类和特点,液压缸（油缸）将液压能转变为直线运动或摆动的机械能，其结构简单，工作可靠，应用广泛。,液压缸的输入量是液体的流量和压力，输出量是速度和力。,p1,p2,F,V,d,Q,A,液压缸的分类,按结

2、构形式分：活塞缸、柱塞缸、摆动液压缸,摆动缸,按供油方向（作用方式）分： 单作用缸、双作用缸,单作用式：液体只通向缸的一腔，实现单向运动，反方向的运动需要依靠外力（弹簧力或自重）实现。 双作用式：液体通向缸的两腔，实现双向运动,一、活塞缸,因为双活塞杆液压缸的两活塞杆直径相等，所以当输入流量和油液压力不变时，其往返运动速度和推力相等。则缸的运动速度V和推力F分别为：,1、双杆活塞缸,双活塞杆缸在活塞的两侧都有活塞杆,1） 两腔面积相等； 2） 压力相同时，推力相等， 流量相同时，速度相等。 即具有等推力等速度特性,这种液压缸常用于要求往返运动速度相同的场合。,双杆活塞缸特点：,实心双杆活塞缸缸

3、体固定式（a）,进油腔 回油腔 运动方向 占地范围 应用场合 左 右 活塞右移 三倍于L 中小型设备 右 左 活塞左移 进油腔位置与活塞运动方向相反,空心双杆活塞缸活塞杆固定式（b）,进油腔 回油腔 运动方向 占地范围 应用场合 左 右 缸体左移 两倍于L 大中型设备 右 左 缸体右移 进油腔位置与缸筒运动方向相同,2、单杆活塞缸,单活塞杆缸的活塞仅一端带有活塞杆，活塞双向运动可以获得不同的速度和输出力。,无杆腔进油,活塞的运动速度 和推力 分别为:,有杆腔进油,活塞的运动速度 和推力 分别为:,比较上述各式，可以看出： , ；液压缸往复运动时的速度比为：,上式表明：当活塞杆直径愈小时，速度比

4、接近1，在两个方向上的速度差值就愈小。,两腔进油,差动联接,当单杆活塞缸两腔同时通入压力油时，由于无杆腔有效作用面积大于有杆腔的有效作用面积，使得活塞向右的作用力大于向左的作用力，因此，活塞向右运动，活塞杆向外伸出；与此同时，又将有杆腔的油液挤出，使其流进无杆腔，从而加快了活塞杆的伸出速度，单活塞杆液压缸的这种连接方式被称为差动连接。,在忽略两腔连通油路压力损失的情况下，差动连接液压缸的推力为：,活塞的运动速度为：,差动连接时,液压缸的有效作用面积是活塞杆的横截面积，工作台运动速度比无杆腔进油时的大，而输出力则较小。,差动连接是在不增加液压泵容量和功率的条件下，实现快速运动的有效办法。,单杆活

5、塞液压缸应用,单杆活塞液压缸不同连接，可实现如下工作循环： （差动连接） （无杆腔进油）（有杆腔进油） 快进 工进 快退 v3、F3 v1、F1 v2、F2,动画演示,液压刨床,结构：缸体、柱塞、导向套、钢丝卡圈等,当活塞式液压缸行程较长时，加工难度大,使得制造成本增加。 某些场合所用的液压缸并不要求双向控制,柱塞式液压缸正是满足了这种使用要求的一种价格低廉的液压缸。,二、柱塞缸,柱塞缸的特点 柱塞与缸筒无配合关系，缸筒内孔不需精加工，只是柱塞与缸盖上的导向套有配合关系，常用于长行程机床。 为减轻重量，减少弯曲变形，柱塞常做成空心。 柱塞缸只能作单作用缸，要求往复运动时，需成对使用。,动画演示

6、,三、摆动缸,摆动液压缸能实现小于360角度的往复摆动运动，由于它可直接输出扭矩，故又称为摆动液压马达，常用于辅助装置，如送料和转位装置、液压机械手及间歇进给机构。主要有单叶片式和双叶片式两种结构形式。,摆动缸主要由定子块1、缸体2、摆动轴3、叶片4、左右支承盘和左右盖板等主要零件组成。定子块固定在缸体上，叶片和摆动轴固连在一起，当两油口相继通以压力油时，叶片即带动摆动轴作往复摆动。,单叶片摆动液压缸的摆角一般不超过280 ，双叶片摆动液压缸的摆角一般不超过150 。,四、增压缸,增压缸是活塞缸与柱塞缸组成的复合缸，但它不是能量转换装置，只是一个增压器件。 增压比为大活塞与小柱塞的面积比 小柱

7、塞缸输出的压力 增压能力是以降低有效流量为代价的。,五、伸缩液压缸（多级缸）,两个或多个活塞式缸套装而成，前一级活塞缸的活塞杆是后一级活塞缸的缸筒。 有单作用伸缩液压缸和双作用伸缩液压缸。不同点是单作用回程靠外力，而双作用靠液压作用力。,伸缩式液压缸的特点是：活塞杆伸出的行程长，收缩后的结构尺寸小，适用于翻斗汽车，起重机的伸缩臂等。,六、齿条活塞缸,齿条活塞缸是活塞缸与齿轮齿条机构组成的复合式缸。它将活塞的直线往复运动转变为齿轮的旋转运动，用在机床的进刀机构、回转工作台转位、液压机械手等。,1 紧固螺帽；2 调节螺钉；3 端盖；4 垫圈；5 O形密封圈； 6 挡圈；7 缸套；8 齿条活塞；9

8、齿轮；l0 传动轴；11 缸体；12 螺钉,4.2 液压缸的结构（活塞缸）,双作用单活塞杆液压缸主要由缸底2、缸筒11、缸盖15、导向套13、活塞8、活塞杆12等组成。缸筒一端与缸底焊接，另一端与缸盖采用螺纹连接。活塞与活塞杆采用卡键连接。为了保证液压缸的可靠密封，在相应部位设置了密封圈6、10、14、16和防尘圈19。,一、缸体组件,包括缸筒、缸底、缸盖、导向环、支撑环等。,缸筒：液压缸的主体，其内孔一般采用镗削、绞孔、滚压或珩磨等精密加工工艺制造，要求表面粗造度在0.1m-0.4m。,端盖：装在缸筒两端，与缸筒形成封闭油腔，同样承受很大的液压力，因此，端盖及其连接件都应有足够的强度。,导向

9、套：对活塞杆或柱塞起导向和支承作用，有些液压缸不设导向套，直接用端盖孔导向。,缸筒，端盖和导向套的材料选择和技术要求可参考液压设计手冊。,(2)半环连接式,优点 缺点 1. 结构简单 1.键槽使缸筒壁的强度 2. 易装卸 有所削弱 2.零件较多,(1)法兰式连接,优点 缺点 1. 结构较简单 外形较大 2. 易加工 3. 连接可靠，易装卸,缸筒与缸盖的连接 ：,(3)焊接连接式,优点 缺点 1. 连接强度高 易引起缸筒变形 2. 制造简单,(4)拉杆式连接,优点 缺点 1. 缸筒最易加工 重量较重 2. 最易装卸 外形尺寸较大 3. 结构通用性大,(5) 螺纹连接式,外螺纹连接,内螺纹连接,优

10、点 缺点 1. 重量较轻 端部结构复杂 2. 外形较小 装卸要用专门工具,缸筒,缸筒,二、活塞组件,活塞组件由活塞、活塞杆和连接件等组成。,活塞与活塞杆的连接形式：,活塞与活塞杆的连接最常用的有螺纹连接和半环连接形式。,液压缸行程较短、且活塞与活塞杆直径相差不多时，可将活塞与活塞杆做成整体，但在大多数情况下，活塞与活塞杆是分开的。,在一般工作条件下，活塞和活塞杆采用螺纹固定。当缸工作压力较高或负载较大，而活塞杆直径又较小时，活塞杆的螺纹可能过载；另外工作机械振动较大时，固定活塞的螺母可能松动，因此需采用半环连接。,三、密封装置,有活塞与缸筒、活塞杆与缸盖的密封，用以防止油液的泄漏。一般要求密封

11、装置应具有良好的密封性、尽可能长的寿命、制造简单、拆装方便、成本低。 常见的密封装置有： 间隙密封（依靠运动件间的微小间隙来防止泄漏）、 活塞环密封（依靠在活塞上的活塞环在O形圈弹力作用下贴紧缸壁而防止泄漏） 密封圈密封（有Y形圈、V形圈等，利用橡胶和塑料的弹性使各种截面的环形圈贴紧在静、动配合面之间来防止泄漏）。,四、缓冲装置,为了防止这种危害，保证安全，应采取缓冲措施，对液压缸运动速度进行控制。,当液压缸带动质量较大的部件作快速往复运动时，由于运动部件具有很大的动能，因此当活塞运动到液压缸终端时，会与端盖碰撞，而产生冲击和噪声。这种机械冲击不仅引起液压缸的有关部分的损坏，而且会引起其它相关

12、机械的损伤。,当活塞移至端部，缓冲柱塞开始插入缸端的缓冲孔时，活塞与缸端之间形成封闭空间，该腔中受困挤的剩余油液只能从节流小孔或缓冲柱塞与孔槽之间的节流环缝中挤出，从而造成背压迫使运动柱塞降速制动，实现缓冲。,图a)、b)为间隙缓冲，缓冲柱塞进入缸端孔时，孔内油液从柱塞与孔壁间的环形间隙挤出，形成缓冲压力，吸收惯性引起的机械动能。,图c)为可变节流槽式缓冲。缓冲柱塞进入缸端孔时，回油路封闭，迫使回油经由缓冲柱塞上的节流口(轴向三角槽)流出而建立缓冲压力。节流口面积随柱塞行程而变化。 图d)为可调节流孔缓冲。缓冲柱塞进入缸端孔时，封闭了回油通路，迫使回油通过一个可调节流阀而建立缓冲压力。,液压传

13、动系统往往会混入空气，使系统工作不稳定，产生振动、爬行或前冲等现象，严重时会使系统不能正常工作。,五、排气装置,通常有两种：一种是在液压缸的最高部位处开排气孔，并用管道连接排气阀进行排气；另一种是在液压缸的最高部位安放排气塞。,液压缸的计算及验算方法（顺序）： 根据使用要求确定液压缸的类型 按负载、运动和最大行程要求确定液压缸的主要尺寸 必要时需进行强度验算 最后进行结构设计,4.3 液压缸的设计计算,液压缸的主要尺寸包括液压缸的内径D、缸的长度L、活塞杆直径d。,一、液压缸主要尺寸的确定,液压缸总负载和工作压力的确定：,液压缸的工作压力按负载确定。液压缸要承受的负载包括有效工作负载、摩擦阻力

14、和惯性力等。 对于不同用途的液压设备，由于工作条件不同，采用的压力范围也不同。,1、缸筒内径D和活塞杆直径d,根据最大总负载和选取的工作压力来定。 对单杆缸而言：,活塞杆直径d可根据工作压力选取：,计算所得的液压缸内经D和活塞杆直经d应圆整为标准系列，参见新编液压工程手册。,液压缸的缸筒长度由活塞最大行程、活塞长度、活塞杆导向套长度和特殊要求的长度确定。其中活塞长度为（0.6-1.0）D，导向套长度为（0.6-1.5）d。为减少加工难度，一般液压缸缸筒长度不应大于内径的20-30倍。,2、缸筒长度,二、液压缸校核,1、缸筒壁厚校核,薄壁缸,厚壁缸,式中 缸筒壁厚； D缸筒内径； Py 缸筒实验

15、压力； 缸筒材料的许用应力。,2、活塞杆校核,杆受拉时：,杆受压时：,稳定性验算,4.4 液压马达,液压泵与液压马达关系：,原理上 互逆 功用上 相反 结构上 相似,液压马达是将液体压力能转换为机械能的装置，输出转矩和转速。,液压马达分类：,按输出流量能否调节： 定量 变量 按结构形式 ：齿轮式 叶片式 柱塞式 按输油方向能否改变： 单向 双向 按转速： 高速小转矩液压马达（额定转速高于500rmin） 低速大转矩液压马达（额定转速低于500rmin）,1、齿轮马达,结构特点： 进出油口相等，有单独的泄油口； 为减少摩擦力矩，采用滚动轴承； 为减少转矩脉动，齿数较泵的齿数多。,由于密封性能差，

16、容积效率较低，不能产生较大的转矩，且瞬时转速和转矩随啮合点而变化，因此仅用于高速小转矩的场合，如工程机械、农业机械及对转矩均匀性要求不高的设备。,应用：,一、高速小转矩液压马达,2、轴向柱塞马达,应用,应用,工作原理： （如图）,结构特点： 轴向柱塞泵和轴向 柱塞马达是互逆的。 配流盘为对称结构,应用： 作变量马达,改变斜盘倾角，不仅影响马达的转矩，而且影响它的转速和转向，斜盘倾角越大，产生的转矩越大，转速越低。,3、叶片马达,结构特点： 进出油口相等，有单独的泄油口； 叶片径向放置，叶片底部设置有燕式弹簧；,应用： 转动惯量小，反应灵敏，能适应较高频率的换向。但泄漏大，低速时不够稳定.,适用

17、于转矩小、转速高、机械性能要求不严格的场合。,二、低速大转矩液压马达,低速大转矩马达可以直接与工作机构相连，不需要减速装置，广泛应用于行走机械、卷扬机、搅拌机等机械中。,低速大转矩马达的基本结构是径向柱塞式。,单作用曲轴型,多作用内曲线型,1、单作用曲轴连杆型径向柱塞马达,呈五星状（或七星状）的壳体内均匀分布着柱塞缸。 柱塞与连杆铰接，连杆的另一端与曲轴偏心轮外圆接触。高压油进入部分柱塞缸头部，高压油作用在柱塞上的作用力对曲轴旋转中心形成转矩。另外部分柱塞缸与回油口相通。 曲轴为输出轴。 配流轴随曲轴同步旋转，各柱塞缸依次与高压进油和低压回油相通，保证曲轴连续旋转。,结构原理,2、多作用内曲线径向柱塞马达,壳体内环由x 个导轨曲面组成， 每个曲面分为a、b两个区段； 缸体径向均布有z 个柱塞孔， 柱塞球面头部顶在滚轮组横梁上， 使之在缸体径向槽内滑动 ； 柱塞、滚轮组组成柱塞组件， a段导轨对柱塞组件的法向反力的切向分力对缸体产生转矩； 配流轴圆周均布2x 个配流窗口，其中x 个窗口对应于a段，通高