《液气压传动与控制第4章执行元件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《液气压传动与控制第4章执行元件（83页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第第4章章 执行元件执行元件在液压和气压传动系统中，液压缸及气缸统称动力缸，是实现直线往复运动的执行元件。而液压马达和气压马达是实现旋转运动的执行元件。这些执行元件是把流体的压力能转换成机械能的能量转换装置。14.1 4.1 直线运动执行元件的类型、特点和工作原理直线运动执行元件的类型、特点和工作原理动力缸种类繁多，分类方法各不相同。按其作用方式，可以分为两类：单作用缸及双作用缸。单作用缸只是向活塞一侧输入压力流体实现单向运动，而反方向的运动则靠自重、弹簧或其他外力实现。双作用缸是交替地向活塞两侧输入压力流体实现往复运动。按动力缸的结构形式分类可分为活塞式、柱塞式两类，对气缸而言还有薄膜式。2
2、34.1.1 活塞缸活塞缸是应用最多的动力缸。在机床、液压机、包装机、气动加工机械及工程机械中都得到了广泛的应用。根据使用要求不同可分为双杆式、单杆式两种。（1）双杆活塞缸图 4.1（a）所示为缸筒固定的双杆活塞缸。它的流体进、出口布置在缸筒两端，两活塞杆的直径是相等的，因此，当工作压力和输入流量不变时，两个方向上输出的推力和速度是相等的（因此又称为对称缸），其值为456（2）单杆活塞缸如图 4.2所示是单杆活塞缸，它的流体进、出口的布置视其安装方式而定，可以缸筒固定，也可以活塞杆固定，工作台的移动范围都是活塞（或缸筒）有效行程的两倍。7894.1.2 柱塞缸一般设备中，较多地使用活塞式动力缸
3、，但活塞缸的缸孔要求精加工，行程长时加工困难。因此，在长行程的场合可采用柱塞缸。图 4.3 所示柱塞缸，它只能实现一个方向的运动，反向运动要靠外力，通常成对反向布置使用。10114.1.3 其他动力缸（1）增压缸图 4.4是一种由活塞缸和柱塞缸组成的增压缸，它利用活塞和柱塞有效面积的不同使液压和气压系统中的局部区域获得高压。当输入活塞缸的流体压力为 p1、活塞直径为D、柱塞直径为 d 时，柱塞缸中输出的流体压力为高压，其值为12（2）伸缩缸伸缩缸由两个或多个活塞缸套装而成，前一级活塞缸的活塞是后一级的缸筒，伸出时可获得很长的工作行程，缩回时可保持很小的结构尺寸。图 4.5是一种双作用式伸缩缸。
4、通入有压流体时各级活塞按有效面积大小依次先后动作，并在输入流量不变的情况下，输出推力逐级减小，速度逐级加大，其值为1314（3）齿轮齿条缸它由两个活塞缸和一套齿轮齿条传动装置组成，如图 4.6所示。活塞的移动经齿轮齿条传动装置变成齿轮的转动，用于实现工作部件的往复摆动或间歇进给运动。154.2.1 液压缸的典型结构和组成（1）液压缸典型结构举例图 4.7是工程机械采用的一种活塞杆液压缸的结构图。这种缸主要由缸筒 10、活塞 5、活塞杆 16、缸底 1和缸盖 13等组成。无缝钢管制成的缸筒和缸底焊接在一起，另一端缸盖与缸筒则采用半环连接，以便拆装检修。两端进出油口 A 和 B 都可以通压力油或回
5、油，以实现双向运动。活塞用卡环 4（两个半环）、套筒 3和弹簧挡圈 2等定位。4.2 4.2 液液 压压 缸缸1617（2）液压缸的组成1）缸筒和缸盖一般来说，缸筒和缸盖的结构形式和其使用的材料有关。工作压力 p 10M Pa时使用铸铁，10M Pa p 20M Pa时使用铸钢和锻钢。图 4.8 是常见的结构形式。图 4.8（a）为法兰连接式，结构简单，容易加工，也容易装拆，但外形尺寸和重量都较大，常用于铸铁制的缸筒上。1819202）活塞和活塞杆活塞和活塞杆的结构形式很多，常见的除图 4.7所示的半环式连接外，还有螺纹式连接和锥销连接（图 4.9）等多种。螺纹式连接结构简单，装拆方便，但在高
6、压大负载下需备有螺帽防松装置。半环式连接结构较复杂，装拆不便，但工作较可靠。3）密封装置液压缸的密封装置用以防止油液的泄漏（液压缸一般不允许外泄并要求内泄漏尽可能小），密封装置设计的好坏对于液压缸的静、动态性能有着重要的影响。一般要求密封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。液压缸的密封主要指活塞、活塞杆处的动密封和缸盖等处的静密封。21224.2.2 液压缸的设计计算液压缸的设计是在对整个液压系统进行了工况分析，编制了负载图，选定了工作压力之后进行的（详见第 9章）。先根据使用要求选择结构类型，然后按负载情况、运动要求、最大行程等确定其主要工作尺寸，进行强度、稳
7、定性和缓冲验算，最后再进行结构设计。（1）液压缸设计中应注意的问题液压缸的设计和使用正确与否，直接影响到它的性能和可靠性。在这方面，经常碰到的是液压缸安装不当、活塞杆承受偏载、液压缸或活塞下垂以及活塞杆的压杆失稳等问题。因此，在设计液压缸时，必须注意如下几点：23尽量使活塞杆，在受拉状态下承受最大负载，或在受压状态下，具有良好的纵向稳定性。考虑液压缸的行程终了处的缓冲问题和液压缸的排气问题。缸内如无缓冲装置和排气装置，系统中需有相应的措施。正确确定液压缸的安装、固定方式。如承受弯曲的活塞杆不能用螺纹连接，要用止口连接。液压缸不能在两端用键或销定位，只能在一端定位，为的是不致阻碍它在受热时的膨胀
8、。如冲击载荷使活塞杆压缩，定位件需设置在活塞杆端，如为拉伸则设置在缸盖端。液压缸各部分的结构需根据推荐的结构形式和设计标准进行设计，尽可能做到结构简单、紧凑、加工、装配维修方便。24（2）液压缸主要尺寸的确定缸筒内径 D 以单出杆双作用缸为例，如图 4.2所示，液压缸的缸筒内径 D，是根据负载的大小和选定的工作压力，或运动速度和输入的流量，依式（4.3）式（4.6）有关公式计算之后，再从 GB234880标准中选取最近的标准值而得出的。活塞杆直径 d 液压缸活塞杆的直径 d通常先满足液压缸速度或速度比的要求来选择，然后再校核其结构强度和稳定性，如果把两个方向的速度比值记作v，则v= v2v1=
9、11-（dD）2，因此，2526液压缸缸筒长度 L 液压缸的缸筒长度 L 由最大工作行程长度决定，缸筒的长度一般最好不超过其内径的 20倍。最小导向长度 当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度 H（如图 4.12）。27（3）强度校核液压缸的缸筒壁厚、活塞杆直径 d 和缸盖处固定螺栓的直径，在高压系统中必须进行强度校核。1）缸筒壁厚校核液压缸缸筒壁厚校核时分薄壁和厚壁两种情况。当 D /10时为薄壁，壁厚按下式进行校核282）活塞杆直径校核活塞杆直径 d 的校核按下式进行3）液压缸盖固定螺栓直径校核液压缸缸盖固定螺栓在工作过程中同时承受拉应力和扭应力，其螺
10、栓直径可按下式校核29（4）缓冲计算液压缸的缓冲计算主要是，估计缓冲时液压缸内出现的最大冲击压力，以便用来校核缸筒强度、制动距离是否符合要求。缓冲计算中，如发现工作腔中的液压能和工作部件的动能不能全部被缓冲腔所吸收时，制动时就可能产生活塞和缸盖相碰现象。30（5）稳定性校核对受压的活塞杆来说，一般其直径 d应不小于长度l的1/15。当 ld15时，须进行稳定性校核，应使活塞所承受的负载力 F 小于使其保持工作稳定的临界负载力FK，FK的值与活塞杆的材料、截面形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。验算可按材料力学有关公式进行，此处不再赘述。314.2.3 液压缸的缓冲与排气（1）缓冲装
11、置当液压缸所驱动的工作部件质量较大，移动速度较快时，由于具有的动量大，致使在行程终了时，活塞与端盖发生撞击，造成液压冲击和噪声，甚至严重影响工作精度和引起整个系统及元件的损坏，为此在大型、高速或要求较高的液压缸中往往要设置缓冲装置。323334（2）排气装置当液压系统长时间停止工作，系统中的油液由于本身重量的作用和其他原因而流出，这时易使空气进入系统，如果液压缸中有空气或油液中混入空气，都会使液压缸运动不平稳，低速时引起爬行，高速时引起冲击，换向时降低精度。35364.3.1 常用气缸常用气缸中的活塞缸、柱塞缸及其组合和液压缸类似，已在 4.1节中作了介绍。此外，还有薄膜气缸、冲击气缸及多种形
12、式的气缸。根据工程实际的需要，近几年来又研制出了几种结构特殊且具有各种功能的新型气缸，如气动夹、无杆气缸、锁定气缸、测长缸、磁性开关缸等。（1）薄膜气缸如图 4.17所示为薄膜气缸，它是一种单作用气缸，回程靠弹簧。主要由膜片和中间硬芯相连来代替普通气缸中的活塞，依靠膜片在气压作用下的变形来使活塞秆前进。4.3 4.3 气气 缸缸3738（2）冲击气缸图 4.18所示为普通型冲击气缸的结构示意图。它与普通气缸相比增加了储能腔以及带有喷嘴和具有排气小孔的中盖。它的工作原理及工作过程可简述为如下三个阶段，如图 4.19所示。（3）气动夹气动夹，主要是针对机械手的用途而设计的。它可以用来抓取物体，实现
13、机械手的各种动作。图 4.20为平行开闭内外径把持式气动夹工作原理图，图示位置为气动夹闭合状态。此时压缩空气由进气口 B 输入，推动活塞 F 向左运动，通过传动杠杆带动卡爪沿导轨向外张开，活塞 E 在传动杠杆及滚子的带动下向右运动，活塞腔内的气体由排气口 A 排出。39404142（4）锁定气缸图 4.21为锁定气缸工作原理图，图示为开放状态。锁定汽动缸实际上是起一个气压锁的作用。当压缩空气由 A 口输入，推动锥形制动活塞向左运动，通过滚子带动制动臂运动，制动臂在支点的作用下，向内产生一个锁定力，锁住活塞杆。（5）带磁性开关的气缸带磁性开关气缸是，将磁性开关装在气缸的缸筒外侧。气缸可以是各种型
14、号的气缸，但缸筒必须是导磁弱、隔磁性强的材料，如硬铝、不锈钢、黄铜等。在非磁性体的活塞上安装一个永久磁铁的磁环，随活塞移动的磁环靠近开关时，舌簧开关的两根簧片被磁化而相互吸引，触点闭合；当磁环移开开关后，簧片去磁，触点断开。434445（6）气-液阻尼缸由于气动缸采用的工作介质是可压缩的空气，其特点是动作快，但速度不易受控制。当负载变化较大时，容易产生“爬行”或“自走”现象。而液压缸通常认为是不可压缩的液压油作为工作介质，易于实现速度和位置控制，不易产生“爬行”或“自走”现象。464.3.2 气缸的计算和工作特性（1）气缸设计计算步骤根据工作机构运动和结构的要求，参阅有关设计手册，选择气缸的类
15、型、结构形式及安装固定方式；根据工作机构工作力的要求，确定气缸的输出力大小，并选择气源或系统的工作压力。根据所选气源或系统的工作压力和工作机构运动速度要求，确定气缸的主要尺寸，如气缸直径、活塞杆直径等，并圆整为标准尺寸。根据工作机构任务的要求，确定行程、活塞杆长度及缸筒长度。47根据执行机构活塞运动速度的要求，求出耗气量。根据气源或系统工作压力选择气缸材料，并进行气缸的结构设计、计算缸筒壁厚尺寸、紧固螺栓尺寸、缓冲装置及各主要部件尺寸。根据气源压力及工作速度要求，选择适当的密封装置。如选用标准缸，只要确定了气缸的类型、安装形式、输出力及行程之后，便可根据有关厂家的产品样本来选取。48（2）气缸
16、的工作特性气缸的工作特性是指气缸的输出力、气缸内压力的变化、气缸的运动速度以及静态和动态特性。它们是进行气缸设计计算的依据和条件。由于它们的影响因素很多，有很多问题尚在研究之中，因而在此仅作一些简单的介绍。1）气缸的输出力单作用式气缸在图 4.24（a）中的输出推力为49502）气缸的压力特性气缸的压力特性是指气缸内压力变化的情形。气缸通常被活塞分为进气腔和排气腔，当向进气腔输入压缩空气时，排气腔处于排气状态。当两腔的压力差所形成的力刚好克服各种阻力负载 时，活 塞 就 开 始 运 动。3）气缸的速度由于活塞两侧压力 p1，p2 的变化比较复杂，因而推动活塞的力的变化也比较复杂，再加上气体的可
17、压缩性，要使气缸保持准确的运动速度是比较困难的。通常，气缸的平均运动速度 v可按进气量的大小求出，即51524）气缸的耗气量气缸的耗气量与气缸的活塞直径 D、活塞杆直径 d、活塞的行程 L 以及单位时间往复次数N 有关。以图 4.24（b）所示的单出杆双作用式气缸为例，活塞杆伸出和退回行程的耗气量分别为53（3）气缸的主要尺寸及结构设计1）气缸的主要尺寸设计设计气缸时，只有保证气缸的下述几个主要尺寸，才能实现气缸的功能。54气缸直径 D气缸的直径也就是气缸的内径，可根据外负载 F 的大小来确定，当气源供气压力为 p时，气缸的内径 D 为55活塞行程 L活塞的行程 L一般根据实际需要来确定，通常
18、 L值取（0.55）D。气缸进、排气口直径 d0气缸进、排气口直径 d0的大小，直接决定了气缸进气速度，也就是决定了活塞的运行速度，设计中，应予以充分的重视。直径 d0的确定可根据空气流经排气口的速度v来计算，一般取v=1025ms，因而 d0为56572）气缸的主要结构设计在设计气缸各部分机械结构时，要确定各部分的结构形式及主要尺寸。气缸筒的结构尺寸设计气缸筒的主要作用是提供压缩空气的储存与膨胀空间及对活塞实现导向，从而通过活塞将压力能转化为机械能。气缸筒均为圆状，要确定的尺寸有：气缸筒直径（即为气缸内径）D 可由式（4.34）求出；5859活塞的结构设计活塞的功用是将压缩空气的压力能转变为
19、机械能。因此，它要提供足够的换能面积，由于活塞要频繁往复运动，又要间隔两腔空气，因而就必须保证其耐磨和密封、目前多采用铸铁活塞及 O 型或 Y 型密封圈实现密封。活塞杆及其强度校核活塞杆的功用是将活塞转换出的机械能，以机械力的形式推动负载运动。对活塞杆，不仅要进行结构设计（与活塞和外接负载的连接方式等），还要进行强度校核。60（4）气缸的缓冲装置及计算为防止气缸在行程末端时，活塞以很大的速度（一般为 1ms左右）撞击端盖，引起气缸振动和损坏，常采用带有缓冲装置的缓冲气缸。6162（5）气缸的其他结构设计在气缸的设计中，除了上述几个问题外，还有缸体与缸盖、活塞与活塞杆之间的连接、缸盖本身的结构等
20、方面的问题，在设计中需充分考虑。尤其要注意气缸内的几处密封结构的设计。不仅要保证其密封可靠，还要考虑到使用寿命及启动力等。63在液压及气动传动系统中，液压及气压马达（以下简称马达）把流体的压力能转换成旋转运动的机械能，输出扭矩和转速。马达和泵一样都是容积式元件，具有同样的基本要素工作腔密闭而又可以周期变化的容积和相应的配油方法，因而马达和泵从原理上讲是可逆的，二者的主要性能特点基本相同。同类型的泵和马达之间在结构上类似，但由于用途不同仍有一定的差别。4.4 4.4 旋转运动执行元件的工作原理、类型和特点旋转运动执行元件的工作原理、类型和特点 64656667684.5.1 低速液压马达的结构和
21、属性图 4.29表示了横梁传力式内曲线径向柱塞马达的工作原理。它是一种低速大扭矩马达，普遍应用于建筑、起重运输、煤矿、船舶、农业等机械中。4.5 4.5 液压马达液压马达69704.5.2 液压马达的性能参数液压马达输出的是机械能，所以它的主要性能参数是转速和转矩。液压马达的转速和转矩都和其排量 V 有关，故 V 是液压马达与结构有关的重要参数。由于马达和泵结构和性能的相似性，原理的可逆性，马达的性能参数的计算公式可用泵的计算公式倒算而来。（1）马达的转速液压马达的转速取决于输入的流量 q和液压马达本身的排量 V，由于液压马达内部有泄漏，并不是所有进入马达的液体，都推动液压马达做功，一小部分液
22、体因泄漏损失了。设容积效率为v，所以马达的实际转速比理论值小。71（2）马达的转矩设液压马达的进、回油腔的压差为P，排量为 V，机械效率为m，则液压马达的理论转矩为72（3）调速范围当负载从低速到高速在很宽范围内工作时，也要求液压马达能在较大的调速范围下工作，否则就需要有能换挡的变速机构，使传动机构复杂化。液压马达的调速范围以允许的最高转速和最低稳定转速之比来表示，即734.6.1 气马达的类型及特点气马达是将压缩空气的压力能转换成旋转机械能的装置。相同结构类型的气马达和液压马达的工作原理很相似，在各种结构形式的气马达中，使用最广泛的是叶片式、活塞式和薄膜式气马达。它们的特点和应用范围见表 4
23、.5所示：4.6 4.6 气气 马马 达达74751）优点可长时间满载工作，而温升较小。功率范围大，可实现几分之一马力到几十马力。转速范围大，可实现每分钟几转到每分钟上万转。工作安全可靠，适用于易燃、易爆场所，且不受高温及振动影响。具有较高的启动力矩，可直接带负载启动。加速性能好，出力惯性小，失速力矩一定。结构简单，容易实现正反转，维修性好，成本低。使用于变负载变转速场合。因过载能自动停转，所以不容易损坏。762）缺点难于控制稳定速度。耗气量大，效率低，噪声大，易产生振动。774.6.2 典型气马达叶片式气马达是应用较广的气马达之一。下面以叶片式气马达为例说明气马达的工作原理和特征。（1）叶片式气马达的结构及工作原理叶片式气马达与叶片式液压马达原理很相似。其结构及工作原理如图 4.30 所示。叶片式气马达主要由定子 2、转子 3、叶片 15 及 16 等零件组成。定子上有进排气用的配气槽孔。转子上铣有径向槽，槽内装有叶片。定子两端有密封盖，密封盖上有弧形槽与两个进排气孔A，B 与各叶片相通（见图 4.30的 4和 8）。787980（2）叶片式气马达的特性图 4.31是叶片式气马达的特性曲线，此曲线是在一定工作压力下作出的。若压力变化，特性曲线也随着会有较大变化。当气压不变时，它的转速、转矩、功率均随外负载变化而变化，这种特性曲线最大特点是具有软特性。818283
