液压与气压传动3-王积伟教授-东南大学

SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第三章执行元件液压与气压传动Chapter3执行元件本章主要内容：3.1液压缸3.2气缸3.3液压马达3.4气动马达3.5液压缸的设计计算3.6气缸的工作特性及计算SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第三章执行元件液压与气压传动了解液压与气压传动中各种执行元件的结构形式、工作原理；掌握执行元件的设计计算方法和特点。单杆活塞液压缸；密封、缓冲、排气。目的任务:重点难点:SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第三章执行元件液压与气压传动Part3.1液压缸液压缸是实现直线往复运动的执行元件。液压与气压传动中的执行元件是将流体的压力能转化为机械能的元件。它驱动机构作直线往复或旋转（或摆动）运动，其输入为压力和流量，输出为力和速度，或转矩和转速。SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第三章执行元件液压与气压传动Part3.1.1液压缸的类型液压缸按其结构形式，可以分为活塞缸、柱塞缸和伸缩缸等。1.活塞式液压缸1）双杆活塞缸图3-1a所示为缸筒固定的双杆活塞缸，活塞两侧的活塞杆直径相等它的进、出油口位于缸筒两端。当工作压力和输入流量相同时，两个方向上输出的推力F和速度v是相等的。其值为：图3-1双杆活塞缸a）缸筒固定SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第三章执行元件液压与气压传动式中A—活塞的有效面积；D、d—活塞和活塞杆的直径；q—输入流量；p1、p2—缸的进、出口压力；ηm、ηV—缸的机械效率、容积效率。221212m12mπ()()()4FFppAppDdV12V224π()qqvvADd（3-1）（3-2）1）双杆活塞缸这种安装形式，工作台移动范围约为活塞有效行程的三倍，占地面积大，适用于小型机械。SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第三章执行元件液压与气压传动图3-1b所示为活塞杆固定的双杆活塞缸。它的进、出油液可经活塞杆内的通道输入液压缸或从液压缸流出。也可以用软管连接，进、出口就位于缸的两端。它的推力和速度与缸筒固定的形式相同。但是其工作台移动范围为缸筒有效行程的两倍，故可用于较大型的机械。图3-1双杆活塞缸b）活塞杆固定1）双杆活塞缸SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第三章执行元件液压与气压传动2）单杆活塞缸图3-2所示为单杆活塞缸。由于只在活塞的一端有活塞杆，使两腔的有效工作面积不相等，因此在两腔分别输入相同流量的情况下，活塞的往复运动速度不相等。它的安装也有缸筒固定和活塞杆固定两种，进、出口的布置根据安装方式而定；但工作台移动范围都为活塞有效行程的两倍。2）单杆活塞缸图3-2单杆活塞缸a）向右运动b）向左运动SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第三章执行元件液压与气压传动2）单杆活塞缸单杆活塞缸的推力和速度计算式如下：22211122m12mππ()()44FpApApDpDd22221221m12m()()44FpApApDdpD1VV214πqqvADV2V2224π()qqvADd（3-3）（3-4）（3-5）（3-6）SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第三章执行元件液压与气压传动在液压缸的活塞往复运动速度有一定要求的情况下，活塞杆直径d通常根据液压缸速度比λν=v2/v1的要求以及缸内径D来确定。由式（3-5）和式（3-6）得：2）单杆活塞缸vDdvv21211vvDd1（3-7）（3-8）由此可见，速比λv越大，活塞杆直径d越大。SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第三章执行元件液压与气压传动图3-3差动液压缸单杆活塞缸的左右腔同时接通压力油，如图3-3所示，称为差动连接，此缸称为差动液压缸。差动液压缸左、右腔压力相等，但左、右腔有效面积不相等，因此，活塞向右运动。差动连接时因回油腔的油液进入左腔，从而提高活塞运动速度，其推力和速度按下式计算：3）差动液压缸23112m1mπ()4FpAApd3231vAqvA3212π4qqvAAd（3-9）考虑容积效率ηV3V24πqvd（3-10）向液压缸右腔输油，而左腔通油箱活塞便向左运动，推力和速度与式（3-4）式（3-6）相同。如要求v3和活塞向左运动的速度v2相等，即v3=v2，则必须使D=d2SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第三章执行元件液压与气压传动2.柱塞式液压缸Part3.1.1液压缸的类型图3-4柱塞式液压缸a）单柱塞缸b）双柱塞缸1—缸筒2—柱塞单柱塞缸只能实现一个方向运动，反向要靠外力，如图3-4a所示。用两个柱塞缸组合，如图3-4b所示，也能用压力油实现往复运动。柱塞运动时，由缸盖上的导向套来导向，因此，缸筒内壁不需要精加工。它特别适用于行程较长的场合。mmπ4FpApdVV24πqqvAd（3-11）（3-12）式中d—柱塞直径SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第三章执行元件液压与气压传动3.伸缩式液压缸Part3.1.1液压缸的类型伸缩式液压缸由两上或多个活塞套装而成，前一级缸的活塞杆是后一级缸的缸筒。伸出时，可以获得很长的工作行程，缩回时可保持很小的结构尺寸。图3-5（见书P111）所示为一种双作用式普通伸缩缸，在各级活塞依次伸出时，液压缸的有效面积是逐级变化的。在输入流量和压力不变的情况下，则液压缸的输出推力和速度也逐级变化。其值为：2mπ4iiiFpD24πViiiqvD（3-13）（3-14）式中i—第i级活塞这种液压缸起动时，活塞有效面积最大，因此，输出推力也最大。随着行程逐级增长，推力随之逐级减小；速度则逐级增快。如欲推力和速度始终保持恒定，可采用同步伸缩液压缸。SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第三章执行元件液压与气压传动图3-6单作用式三级同步伸缩液压缸1—外缸筒2—一级活塞缸筒3—二级活塞缸筒4—三级活塞3.伸缩式液压缸Part3.1.1液压缸的类型图3-6所示为单作用式三级同步伸缩液压缸的工作原理图。该缸的各级活塞面积设计成A1=2A2、A2=2A3、A3=2A4，并在一级和二级活塞缸筒的左端各设一带有顶杆的单向阀，而在其缸筒右侧壁面各开有小孔。正常工作时赣阀均关闭。当压力油进入B腔时，一级活塞2向左移动，C腔油通过小孔进入D腔，推动二级活塞3以相同速度向左移动；同样原理，三级活塞4也以同一速度向左移动，若因泄漏原因，二级或三级活塞没有移动到最左位置，则相应的单向阀开启，补充液压油使其到位。外力推其向右移动时各活塞动作与向左移动时相反。一级和二级活塞运动到最右端时，两个单向闪的顶杆使其开启，从而恢复各级间的平衡状态。这种同步伸缩缸输出的推力和速度为：24mmπ4FpApdVV244πqqvAd（3-15）（3-16）SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第三章执行元件液压与气压传动Part3.1.2液压缸的结构图3-7所示为单杆活塞式液压缸，它由缸筒26，活塞杆1，前后缸盖22、29，活塞杆导向环4，活塞前缓冲9等主要零件组成。活塞与活塞杆用螺纹连接，并用止动销14固死。前、后缸盖通过法兰23和螺钉（图中未示）压紧在缸筒的两端。为了提高密封性能并减少摩擦力，在活塞与缸筒之间、活塞杆与导向环之间、导向环与前缸盖这间、活塞杆与导向环之间、导向环与前缸盖之间、前后缸盖与缸筒之间装有各种动、静密封圈。当活塞移动接近左右终端时，液压缸回油腔的油只能通过缓冲柱塞上通流面积逐渐减小的轴向三角槽和可调缓冲器24回油箱，对移动部件起制动缓冲作用。缸中空气经可调缓冲器中的排气通道排出。SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第三章执行元件液压与气压传动从图3-7可以看到，液压缸的结构可以分为缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置和排气装置五个部分。Part3.1.2液压缸的结构图3-7单杆活塞式液压缸结构1—活塞杆2—防尘圈3—活塞杆密封4—活塞杆导向环5、7、16、19—反衬密封圈6、8、10、17、18—O型密封9—活塞前缓冲11—活塞12—活塞密封13、15—低摩密封14—螺钉止动销20—止动销21—密封圈22—前缸盖23—法兰24—可调缓冲器25—螺纹止动销26—缸筒27—后缓冲套28—后止动环29—后缸盖SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第三章执行元件液压与气压传动1.缸筒和缸盖Part3.1.2液压缸的结构缸筒和缸盖的常见连接结构形式如图3-8所示。图3-8a采用法兰连接，结构简单、加工和装拆都方便，但外形尺寸和质量都大。图3-8b为半环连接，加工和装拆方便，但是，这种结构须在缸筒外部开有环形槽而削弱其强度，有时要为此增加缸的壁厚。图3-8缸筒和缸盖结构1—缸盖2—缸筒3—压板4—半环5—防松螺母6—拉杆图3-8缸筒和缸盖结构1—缸盖2—缸筒3—压板4—半环5—防松螺母6—拉杆图3-8c为外螺纹连接，图3-8d为内螺纹连接。螺纹连接装拆时要使用专用工具，适用于较小的缸筒。图3-8e为拉杆式连接，容易加工和装拆，但外形尺寸较大，且较重。图3-8f为焊接式连接结构简单，尺寸小，但缸底处内径不易加工，且可能引起变形。图3-8缸筒和缸盖结构1—缸盖2—缸筒3—压板4—半环5—防松螺母6—拉杆SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第三章执行元件液压与气压传动2.活塞和活塞杆Part3.1.2液压缸的结构活塞和活塞杆的结构形式很多，有螺纹式连接和半环式连接等，如图3-9所示。前者结构简单，但需有螺母防松装置。后者结构复杂，但工作较可靠。此外，在尺寸较小的场合，活塞和活塞杆也有制成整体式结构的图3-9活塞和活塞杆的结构a）螺纹式连接b）半环式连接1—弹簧卡圈2—轴套3—螺母4—半环5—压板6—活塞7—活塞杆SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第三章执行元件液压与气压传动Part3.1.2液压缸的结构3.密封装置密封装置用来防止液压系统油液的内外泄漏和防止外界杂质侵入。它的密封机理、结构等将在第五章中详述。SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院第三章执行元件液压与气压传动Part3.1.2液压缸的结构4.缓冲装置缓冲装置是利用活塞或缸筒移动到接近终点时，将活塞和缸盖之间的一部分油液封住，迫使油液从小孔或缝隙中挤出，从而产生很大的阻力，使工作部件平稳制动，并避免活塞和缸盖的相互碰撞。液压缸缓冲装置的工作原理如图3-10所示。理想的缓冲装置应在其整个工作过程中保持缓冲压力恒定不变，实际的缓冲装置则很难做到这点。图3-10液压缸缓冲装置的工作原理（缓冲柱塞的形式）a）反抛物线式b）阶梯圆柱式c）节流口变化式d）单圆柱式e）环形缝隙f）圆锥台式图3-11所示为上述各种形式缓冲装置的缓冲压力曲线。由图可见，反抛物线式性能曲线最接近于理想曲线，缓冲效果最好。但是，这种缓冲装置需要根据液压缸的具体工作情况进行专门设计和制造，通用性差。阶梯圆柱式的缓冲效果也很好。最常用的则是节流可调的单圆柱式和节流口变化式。图3-11各种缓冲装置的缓冲压力曲线1—单圆柱式2—圆锥台式3—阶梯圆柱式4—反抛物线式5—理想曲线Sc