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1、机械电子工程原理,第五章 液压与气动执行装置,2,液压与气动执行装置的组成,液压与气动执行装置分别以液体和气体作为工作介质进行能量传动和控制，通常，它们由不同的元件（如阀、缸、马达、泵、管路等）构成基本回路，进而组成为有机整体。 液压与气动执行装置一般由四部分组成 ：,3,液压与气动执行装置的组成,能源装置：将机械能转换为流体的压力能的装置，常见的设备包括空气压缩机和液压泵。 执行元件：将流体的压力能转换为机械能输出的装置，它可以是做直线运动的液压缸或气缸，也可以是做回转运动的液压马达或气压马达。 控制元件：对系统中流体压力、流量和流动方向进行控制或调节的装置，还包括实现信号转换、逻辑运算等功
2、能的信号控制元件，主要是指各种阀。 辅助元件：保证系统正常运行的辅助装置，如液压系统的蓄能器、滤油器、油箱和管件以及气动系统的空气过滤器、油雾器、消声器等。,4,液压与气压传动的优点,液压传动具备有功率密度大的突出优点。在同等输出功率下具有体积小、质量小、运动惯性小、动态性能好的特点。 液压与气动元件的布置不受严格的空间位置限制，系统中各部分用管道连接，布局安装有很大的灵活性，能构成用其它方法难以组成的复杂系统。 可以在运行过程中实现大范围的无级调速。减速比可达2000：1。 液压传动和液气联动传递运动均匀平稳，易于实现快速启动、制动和频繁的换向。 操作控制方便，易于实现自动控制、中远距离控制
3、、过载保护。 液压与气动元件属机械工业基础件，标准化、系列化、通用化程度较高，有利于缩短机器的设计、制造周期和降低成本。 此外，气压传动还有以空气做工作介质，处理方便、无介质费用、泄漏污染环境小、不需要考虑介质变质及补充等问题等突出的优点。,5,液压与气压传动的缺点,在传动过程中，能量需经两次转换，传动效率偏低。 由于传动介质的可压缩性和泄漏等因素的影响，不能严格保证定比传动。 液压传动性能对温度比较敏感，油温变化会引起液压油的粘度变化，从而影响运动速度；系统不能在高温下工作，采用石油基液压油作传动介质时还需注意防火问题。 液压与气动元件制造精度高，系统工作过程中发生故障不易诊断。,6,5.1
4、能源装置,液压能源装置 气动能源装置,7,5.1.1液压能源装置,液压泵利用容积大小的变化吸油和压油，将机械能转变成液压能，是液压系统的主要能源装置。 液压泵的种类很多，按其结构型式，主要有齿轮泵、叶片泵、柱塞泵等类型 。,8,液压泵的分类,按照泵的排量能否改变，液压泵分为定量泵和变量泵。,9,常用液压泵的主要性能,10,常用泵符号,液压泵是向液压系统提供一定流量和压力的油液的动力元件，它是每个液压系统不可缺少的核心元件，合理的选好液压泵对于降低液压系统的能耗、提高系统的效率、降低噪声、改善工作性能和保证系统的可靠工作都十分重要,a) 单向定量泵 b) 双向定量泵 c)单向变量泵 d) 双向变
5、量泵,11,液压泵的选择,选择液压泵的原则是：根据主机工况、功率大小和系统对工作性能的要求，首先确定的压泵的类型，然后按系统所要求的压力、流量大小确定其规格型号 。 一般在负载小、功率小、精度要求不高的机械设备中，可用价格便宜的齿轮泵、双作用叶片泵； 精度较高的机械设备（如磨床）可用螺杆泵、双作用叶片泵；在负载较大并有快速和慢速工作行程的机械设备中（如组合机床）可使用限压式变量叶片泵； 负载大、功率大的机械设备（如龙门刨床、拉床）可使用柱塞泵，对于功率密度要求高、结构复杂的系统（如飞机发动机地面模拟系统）也多采用价格昂贵的柱塞泵； 而机械设备的辅助装置，如机床送料、夹紧等不重要的地方，可使用价
6、廉的齿轮泵。,12,液压泵的选择,选择液压泵时，按下式确定液压泵的油压pp: 式中，p1为执行液压件最大工作油压； 为进油沿程油压损失。 按下式选取液压泵供油量（流量）qp : 式中， 为各个执行液压件同时工作时所需的最大流量；K为考虑系统泄漏的修正系数；qmin为溢流阀所需最小溢流量。 液压泵的功率P为(液压泵总效率为p),13,5.1.2气动能源装置,空气压缩机是气动执行装置的动力源，它把电机输出的机械能转换成气压能输送给气动系统。 空气压缩机的种类很多，但按工作原理主要可分为容积式和速度式（叶片式）两类。在容积式压缩机中，气体压力的提高是由于压缩机内部的工作容积被缩小，使单位体积内气体的
7、分子密度增加而形成的；而在速度式压缩机中，气体压力的提高是由于气体分子在高速流动时突然受阻而停滞下来，使动能转化为压力能而达到的。,14,气动能源装置,空气压缩机是气动执行装置的动力源，它把电机输出的机械能转换成气压能输送给气动系统。 空气压缩机的种类很多，但按工作原理主要可分为容积式和速度式（叶片式）两类。在容积式压缩机中，气体压力的提高是由于压缩机内部的工作容积被缩小，使单位体积内气体的分子密度增加而形成的；而在速度式压缩机中，气体压力的提高是由于气体分子在高速流动时突然受阻而停滞下来，使动能转化为压力能而达到的。 容积式压缩机按结构不同又可分为活塞式、膜片式和螺杆式等；速度式按结构不同可
8、分为离心式和轴流式等，目前，使用最广泛的是活塞式压缩机。,15,气动能源装置,一般规定：排气量大于或等于612m3/min时，就应独立设置压缩空气站；若排气量低于6m3/min时，可将压缩机或气泵直接安装在主机旁。 气压传动系统所使用的压缩空气必须经过干燥和净化处理，因为压缩空气中的水分、油污和灰尘等杂质会混合而成胶体渣质，若不经处理而直接进入管路系统时，可能会造成不良后果。,空气压缩机的图形符号,16,空气压缩机的选择,选择空气压缩机的主要性能指标是工作压力的额定排气量应大于气动系统的工作压力和所需的自由空气消耗量。供气量q为 式中，qmax为系统中一台设备的最大自由空气消耗量；Z为系统中气
9、动设备数量； Kl为漏损系数，一般取1.151.5；K2为备用系数，一般取1.31.6； 为利用系数，Z越大越低，对应Zl80，有=1.00.4,17,5.2执行元件,液压执行元件 液压马达 液压缸 气动执行元件 气动马达 气缸,18,5.2.1液压执行元件,液压执行元件是将液压泵提供的液压能转变为机械能的能量转换装置，主要包括液压缸和液压马达。 液压马达习惯上是指输出旋转运动的液压执行元件，而把输出直线运动（包括输出摆动运动）的液压执行元件称为液压缸。,常用的液压马达的符号,(a) 单作用定量马达 (b) 双作用定量马达 (c) 单作用变量马达,19,液压马达,从能量转换的观点来看，液压马达
10、与液压泵是可逆工作的液压元件 。因为它们具有同样的基本结构要素密闭而又可以周期变化的容积和相应的配油机构。 但是，由于液压马达和液压泵的工作条件不同，对它们的性能要求也不一样，所以同类别的液压马达和液压泵之间，仍存在许多差别。 首先液压马达应能够正、反转，因而要求其内部结构对称；液压马达的转速范围需要足够大，特别对它的最低稳定转速有一定的要求，因此，它通常都采用滚动轴承或静压滑动轴承。 其次液压马达由于在输入压力油条件下工作，因而不必具备自吸能力，但需要一定的初始密封性，才能提供必要的起动转矩。,20,液压马达的分类,液压马达按其结构类型来分可以分为齿轮式、叶片式、柱塞式和其它型式。 按液压马
11、达的额定转速分为高速和低速两大类。 额定转速高于500rmin属于高速液压马达，额定转速低于500rmin的属于低速液压马达。 高速液压马达的基本型式有齿轮式、螺杆式、叶片式和轴向柱塞式等。它们的主要特点是转速较高、转动惯量小，便于启动和制动，调节（调速及换向）灵敏度高。 低速液压马达的基本型式是径向柱塞式，主要特点是排量大、体积大、转速低（有时可达每分钟几转甚至零点几转），可直接与工作机构连接，不需要减速装置，使传动机构大为简化，通常低速液压马达输出转矩较大（可达几千到几万Nm），所以又称为低速大转矩液压马达。,21,液压马达规格的参数,液压马达的实际角速度m为： 式中，qm为液压马达实际流
12、量；Vm为液压马达每转排量；为容积效率。 液压马达的输出转矩Tm为 式中，pm为液压马达的油压；m为液压马达的机械效率。 液压马达的输入功率为 Pim=pmqm 液压马达的输出功率为 Pom=Tmm,22,液压马达规格的选择,在伺服系统中，既要求大功率又要求快速响应的情况极少。 因此在负载和功率比较大的情况下，液压马达规格的选择主要是满足负载要求，而在要求响应快的小负载或完成计算功能的液压伺服系统中，液压马达的规格就根据液压固有频率值来确定。,23,(1) 按最大功率或最大负载力矩选择,为了使动力元件在整个工作循环中都能满足负载要求，应使其输出特性曲线能包围全部负载曲线。 按照负载匹配条件，有
13、： 式中TL*为最大功率点的负载力矩；L*为最大功率点的负载速度；ps为供油压力；qom为伺服阀空载流量；Dm为液压马达每弧度排量，Dm=Vm/2 若按最大负载力矩选择，则通过对系统工作循环分析，作出位移、速度、加速度时间图，再按负载条件就可求出负载力矩时间图，从而确定出最大负载转矩。,或,或,24,(2) 根据液压固有频率选择：,需要针对特定的系统，在确定系统的固有频率h后，计算出马达的每弧度排量，从而确定马达的规格。如对于四通阀控液压马达组合，Dm计算公式为： 式中，Vt为液压马达两腔的总容积；Ke为油液等效体积模量；Jt为折算到液压马达轴上的转动惯量。 液压固有频率根据系统要求的频宽确定
14、，可以根据经验推断。,25,液压缸,液压缸是将液体的压力能转换成机械能，用于驱动工作机构作直线往复运动或往复摆动的液压执行元件。其结构简单、工作可靠，与杠杆、连杆、齿轮齿条、棘轮棘爪、凸轮等机构配合能实现多种机械运动，在液压系统中得到广泛的应用。 液压缸按其结构形式，可以分为活塞缸、柱塞缸和摆动缸三类。活塞缸和柱塞缸实现直线住复运动，输出推力和速度，摆动缸则能实现小于360的往复摆动，输出转矩和角速度。,26,液压缸的符号及说明,27,液压缸规格的选择原则,液压缸规格的选择原则与液压马达相同，只要把式(5.7)和式(5.8)中的Dm换成Ap（液压缸活塞有效面积），TL*换成大功率点的负载力，L
15、*换成最大功率点的负载速度； 式(5.9)中，把Jt换成负载质量m，Dm换成Ap，就可以计算出Ap，再确定液压缸的规格。 一般说来，阀控液压缸的液压固有频率随活塞行程变化。当行程较长时，固有频率就降低。此时宜用液压马达驱动，通过丝杠或齿轮齿条装置把旋转运动变成直线运动。,28,5.2.2气动执行元件,气动执行元件是将压缩空气的压力能转化为机械能的元件，它驱动机构实现直线往复、摆动或回转运动，其输出为力（转矩）和速度（角速度），主要包括气缸和气动马达。,常用的气动马达的符号,常用的气缸符号,29,气动马达,气动马达将压缩空气的压力能转换成旋转的机械运动，在气压传动中使用最广泛的是叶片式和活塞式气
16、动马达。 由于气动马达具有一些比较突出的特点，在某些工业场合，它比电动马达和液压马达更适用，这些特点是： 具有防爆性能。由于气动马达的工作介质空气本身的特性和结构设计上的考虑，能够在工作中不产生火花，故适合于有爆炸、高温、灰尘的场合，并能用于空气极潮湿的环境，而无漏电的危险。 马达本身的软特性使之能长期满载工作，温升较小，且有过载保护的性能。 有较高的起动转矩，能带载启动。 换向容易，操作简单，可以实现无级调速。 与电动机相比，单位功率尺寸小，重量轻，适用于安装在位置狭小的场合及手工工具上。 但气动马达也具有输出功率小，耗气量大，效率低、噪声大和易产生振动等缺点。,30,气缸,与液压传动相比较，气缸的工作介质是空气，既廉价又不污染环境，管路不易堵塞，回气可随意排入大气； 具有防火、防爆性能，高温下能可靠安全工作； 空气粘度小，所以管道压力损失小，便于集中供气向中远距离输送； 动作迅速，反应快；可靠性高，寿命长； 结构简单，维
