第三章 执行元件.pptx

1、液 压 与 气 动 技 术（Hydraulic and Pneumatic Technology）,陈建松 机械工程学院工业发展与培训中心 ,直线往复运动执行元件液压缸(气缸） 旋转运动执行元件液压马达（气动马达） 设计计算 密封件,第三章 执行元件,2020/8/5,东南大学机械工程学院,2,2012/2/18,东南大学机械工程学院,3,执行元件的功能及种类,执行元件的功能是：将流体的压力能转变成机械能的元件， 用来驱动机械设备或机构，以实现直线、旋转或摆动等运动。,执行元件的输入功率：一定压力及流量的有压流体 输出功率：直线运动的力和速度 旋转运动的转矩和转速,2012/2/18,东南大学

2、机械工程学院,4,执行元件的功能及种类,液压执行元件,直线往复运动执行元件 （液压缸）,旋转或摆动执行元件（液压马达）,活塞式,柱塞式,伸缩式,齿轮式,柱塞式,叶片式,摆动式,其它式,以液压执行元件为例，执行元件的主要种类有：,2012/2/18,东南大学机械工程学院,5,液压缸的工作原理及设计计算,液压缸是用液压油的压力实现机构的直线往复运动 按照结构形式，液压缸类型有： 活塞缸 柱塞缸 伸缩缸 摆动缸 活塞缸和柱塞缸实现往复运动，输出推力及速度； 摆动缸实现小于360往复摆动，输出转矩和角速度； 伸缩缸由两个或多个活塞式液压缸套装组成，可以获得长 的工作行程。,2012/2/18,东南大学

3、机械工程学院,6,液压缸的工作原理及设计计算,单作用液压缸：,双作用液压缸：,2012/2/18,东南大学机械工程学院,7,液压缸的工作原理及设计计算,柱塞式液压缸,单活塞杆式液压缸,双活塞杆式液压缸,伸缩式液压缸,单作用液压缸,2012/2/18,东南大学机械工程学院,8,液压缸的工作原理及设计计算,单活塞杆式液压缸,双活塞杆式液压缸,伸缩式液压缸,双作用液压缸,2020/8/5,9,液压缸的工作原理及设计计算,增压缸,弹簧复位式液压缸,串联式液压缸,伸缩式液压缸,东南大学机械工程学院,2012/2/18,东南大学机械工程学院,10,活塞式液压缸分类：,按伸出活塞杆不同,双杆,单杆,无杆,按

4、固定方式不同,缸体固定,活塞杆固定,液压缸的工作原理及设计计算,2012/2/18,东南大学机械工程学院,11,（1）双杆活塞缸,特点： 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！ 适用于要求往复运动速度和输出力相同的工况,液压缸的工作原理及设计计算,2012/2/18,东南大学机械工程学院,12,（1）双杆活塞缸 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和速度是相等的。,液压缸的工作原理及设计计算,2012/2/18,东南大学机械工程学院,13,F1

5、=F2=(p1-p2)Am=(p1-p2)(/4)(D2-d2)m 1=2= = 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； m、缸的机械效率、容积效率。,推力、速度计算,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。,液压缸的工作原理及设计计算,2012/2/18,东南大学机械工程学院,14,活塞杆固定的双杆活塞缸 其进、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

6、机械。,液压缸的工作原理及设计计算,2012/2/18,东南大学机械工程学院,15,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流量相同的情况下，活塞的往复运动速度不相等。,单杆活塞缸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。,液压缸的工作原理及设计计算,2012/2/18,东南大学机械工程学院,16,单杆活塞缸的推力： F1=(p1A1-p2A2)m=p1 D2-p2 (D2-d2)m F2=(p1A2-p2A1)m=p1 (D2-d2)-p2 D2m 单杆活塞缸的速度： (3),（1

7、）,（2）,推力、速度计算,(4),液压缸的工作原理及设计计算,2012/2/18,东南大学机械工程学院,17,单活塞杆液压缸比较, A1 A2 v1 F2 故 活塞杆伸出时，推力较大，速度较小 活塞杆缩回时，推力较小，速度较大 因而：活塞杆伸出时，适用于重载慢速 活塞杆缩回时，适用于轻载快速,液压缸的工作原理及设计计算,2012/2/18,东南大学机械工程学院,18,单活塞杆液压缸简单连接结论,活塞杆直径越小，两个方向速度差值越小； 固定方式和工作过程皆与双杆活塞液压缸相同； 运动行程皆为两倍的活塞或缸体的有效行程。,液压缸的工作原理及设计计算,2012/2/18,东南大学机械工程学院,19

8、,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 v=2/1的要求以及缸内径D来确定。 由式（3）和（4），得 （5） 由此可见，速比v 越大，活塞杆直径d越大。,液压缸的工作原理及设计计算,2012/2/18,东南大学机械工程学院,20,差动液压缸 单杆活塞缸的左右腔同时接通压力油，如右图所示，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。,特点： 利用两端面积差进行工作！ 在不增加流量的前提下，实现快速运动！,液压缸的工作原理及设计计算

9、,2012/2/18,东南大学机械工程学院,21,F3=p1(A1-A2)m=p1 d2m (6) 由图可知： A1v3=q+A2v3 v3= 考虑容积效率v v3= v (7) 向液压缸右腔输油，而左腔通油箱，活箱便向左运动，推力和速度与式（2）式（4）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= 。,差动液压缸的推力、速度计算,液压缸的工作原理及设计计算,2012/2/18,东南大学机械工程学院,22,液压缸的工作原理及设计计算,差动液压缸的特点：,差动液压缸推力比非差动连接小，速度比非差动连接大； 差动缸可以在不加大油源流量的前提下得到较快的运动速度； 差动连

10、接方式广泛应用于组合机床的液压动力滑台及其它机械设备的快速运动中； 如果要求差动缸快速运动和快速退回的速度相等，即v3v2，则需使 。,2012/2/18,东南大学机械工程学院,23,单杆活塞液压缸应用,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、F2,2012/2/18,东南大学机械工程学院,24,柱塞式液压缸,单柱塞缸只能实现一个方向运动，反向要靠外力（自重或弹簧力），如下图a所示。 需双向运动时，常成对使用，即用两个柱塞缸组合，如下图b所示，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

11、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。,单柱塞缸,双柱塞缸,2012/2/18,东南大学机械工程学院,25,柱塞式液压缸,柱塞缸输出的推力和速度为： F =pAm=p d2m = 式中 d柱塞直径。,2012/2/18,东南大学机械工程学院,26,柱塞式液压缸的特点, 柱塞工作时总是受压，一般较粗 水平放置易下垂，产生单边磨损 故 常垂直放置，有时可做成空心 又 缸体内壁与柱塞不接触 可不加工或只粗加工，工艺性好,常用于长行程机床，如,龙门刨床,导轨磨床,大型拉床,2012/2/18,东南大学机械工程学院,27,伸缩式液压缸,伸缩式液压缸定义： 由两个或多个活塞缸或柱塞

12、缸套 装而成。 有单作用和双作用之分。,工作原理： 活塞或柱塞伸出时，从大到小， 速度逐渐增大，推力逐渐减小。 活塞或柱塞缩回时，从小到大。,2012/2/18,东南大学机械工程学院,28,伸缩式液压缸,伸缩式液压缸由两个或多个活塞套装而成，前一级活塞缸的活塞杆是后一级活塞缸的缸筒。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。 下图所示为一种双作用式伸缩缸，在各级活塞依次伸出时，液压缸的有效面积是逐渐变化的。在输入流量和压力不变的情况下，液压缸的输出推力和速度也逐级变化。,图3-5 伸缩缸,2012/2/18,东南大学机械工程学院,29,伸缩式液压缸,伸缩式液压缸输出的推力和速

13、度为： Fi=p1 D2imi vi= 式中 i i 级活塞缸。,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。这种推力变化情况，适合于自动卸装车对推力的要求。,2020/8/5,30,齿轮式液压缸,齿轮式液压缸也称为无杆式液压缸。它由两个柱塞缸和一套齿轮齿条传动装置组成。,工作原理：液压油推动活塞作左右往复运动；与活塞相连的齿条推动齿轮作往复旋转运动；由齿轮驱动执行部件（如旋转工作台）作周期性的往复旋转运动。,东南大学机械工程学院,2020/8/5,31,摆动式液压缸,也称为摆动液压马达。,当输入液压油时，液压缸主轴可以输出小于360度的摆动运

14、动。,东南大学机械工程学院,2020/8/5,32,摆动式液压缸,摆动式液压缸输出特性的计算：,输出转矩：,输出角速度：,常用于工具夹紧、送料装置以及需要周期性进给系统中。,东南大学机械工程学院,2012/2/18,东南大学机械工程学院,33,液压缸的典型结构,液压缸结构 下图所示为空心双杆活塞式液压缸，它由缸筒10，活塞8，两空心活塞杆1、15，缸盖18、24，密封圈4、7、17，导向套6、19，压板11、20等主要零件组成。压力油经油口b、左端活塞杆的中心孔和孔a进入液压缸左腔，推动缸筒向左移动。液压缸右腔的回油经孔c和右端活塞杆中心孔，从油口d排出。反之则向右移动。当缸筒移动到左右终端时

15、，径向孔a和c的开口逐渐减小，对移动部件起制动缓冲作用。,这种液压缸活塞杆固定，缸筒带动工作台作往复运动。活塞用锥销9、22与空心活塞杆连接，并用堵头2堵死活塞杆的一头，缸筒两端外圆上套有钢丝环12、21，用于阻止压板11、20向外，这样通过螺钉分别将缸盖18、24压紧在缸筒的两端。缸筒相对活塞杆运动，由左右导向套导向。为了提高密封性能，在活塞和缸筒之间、缸盖和活塞杆之间、缸盖和缸筒之间装有密封圈和纸垫。,为了排除缸中空气，缸盖上设有排气孔14和5，经导向套环槽的侧面孔道（图中未示）引出与排气阀相连。,2012/2/18,东南大学机械工程学院,34,液压缸结构,液压缸的结构可以分为： 缸筒和缸

16、盖 活塞和活塞杆 密封装置 缓冲装置 排气装置,2012/2/18,东南大学机械工程学院,35,缸筒缸盖连接结构形式,缸筒和缸盖的常见连接结构形式。,图a采用法兰连接，结构简单、加工和装拆方便，但外形尺寸和重量都大。,图b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d为拉杆式连接，容易加工和装拆，但外形尺寸较大，且较重。,2012/2/18,东南大学机械工程学院,36,活塞活塞杆连接结构形式,活塞和活塞杆连接的结构形式很多，除了上例的锥销式连接 外，还有螺纹式连接和半环式连接等。前者结构简单，但需有 螺母防松装置。后者结构复杂，但工

17、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。,缓冲装置必要性： 在质量较大、速度较高(v12m/min）， 由于惯性力较大，活塞运动到终端时会撞击缸盖，产生冲击和噪声，严重影响加工精度，甚至使液压缸损坏。 常在大型、高速、或高精度液压缸中设置缓冲装置或在系统中设置缓冲回路。 缓冲原理：利用节流方法在液压缸的回油腔产生阻力，减小速度，避免撞击。 缓冲装置类型：如图310所示。,缓冲装置,2020/8/5,东南大学机械工程学院,37,排气的必要性： 系统在安装或停止工作后常会渗入空气，使液压缸产生爬行、振动和前冲，换向精度降低等。 故 必须设置排气装置。因此在液压缸结构上

18、要能及时排除缸内留存的气体。 排气方法： 1 排气孔 油口设置在液压缸最高处 2 排气塞 象螺钉（如暖气包上的放气阀） 3 排气阀 使液压缸两腔经该阀与油 箱相通启动时，拧开排气阀使液压缸空载往复运动几次即可 。,排气装置,2020/8/5,东南大学机械工程学院,38,密封装置：液压缸的密封装置用以防止油液的泄漏和外界杂质侵入。 液压缸的密封主要是指活塞、活塞杆处的动密封和缸盖等处的静密封。常采用O形密封圈和Y形密封圈。,密封装置,2020/8/5,东南大学机械工程学院,39,2020/8/5,东南大学机械工程学院,40,第五章 密封件,本章要领 密封的作用及分类 密封件材料的性能要求 常用密

19、封件及其特点,2020/8/5,东南大学机械工程学院,41,密封的作用及分类,密封件的功用,定义：设置于密封装置中，起密封作用的元件,功用： 防止工作介质的泄漏，减少环境污染，提高系统（容积）效率及工作性能 阻止外界尘埃及异物进入系统内，延长系统寿命,2020/8/5,东南大学机械工程学院,42,密封的作用及分类,密封的原理,尽可能地减小或封堵结合面的间隙 切断泄漏通道 增加泄漏通道中的阻力,设置作功元件，增加泄漏介质的流动压力，平衡泄漏通道的压力差,2020/8/5,东南大学机械工程学院,43,密封的作用及分类,密封件的分类,2020/8/5,东南大学机械工程学院,44,密封的作用及分类,2

20、020/8/5,东南大学机械工程学院,45,密封件材料的性能要求,对密封件及其材料的性能要求,2020/8/5,东南大学机械工程学院,46,密封件材料的性能要求,2020/8/5,东南大学机械工程学院,47,密封件材料的性能要求,2020/8/5,东南大学机械工程学院,48,常用密封件,间隙密封 利用相对运动件配合面之间的微小间隙进行密封，常用于柱 塞、活塞或阀的圆柱配合副中。 特点：摩擦力小，磨损后不能自动补偿，主要用于直径较小 的圆柱面之间。,O形密封圈 O形圈一般由耐油橡胶制成，截面呈圆形。 特点：密封性能好，内外侧及端面都有密封作用，结构紧凑，运动件的摩擦阻力小，制造容易，成本低，应用

21、广泛。 O形圈的密封槽有矩形、V形、燕尾形、半圆形、三角形等。,2020/8/5,东南大学机械工程学院,49,常用密封件,O形圈静密封的工作原理：,2020/8/5,东南大学机械工程学院,50,常用密封件,O形圈动密封的工作原理：,O形圈的安装：,2020/8/5,东南大学机械工程学院,51,常用密封件,2020/8/5,东南大学机械工程学院,52,常用密封件,唇形密封圈,根据形状，可以分为Y形、V形、U形、L形等。 特点： 能随着工作压力的变化自动调整密封性能； 压力越高，则唇边被压地更紧，密封性能越好； 当压力下降时，唇边的压紧程度也随之下降，从而有利于减少摩擦阻力和功率损耗； 具有自动补

22、偿唇边磨损的能力。,2020/8/5,东南大学机械工程学院,53,常用密封件,安装时，唇边开口应面对压力油，从而使得两唇张开，紧贴在机件的表面上。,2020/8/5,东南大学机械工程学院,54,常用密封件,组合式密封 由两个或两个以上的密封元件构成的密封。 组合式密封结合了不同密封件的优点，有利于得到更好的综合性能及性价比。,2012/2/18,东南大学机械工程学院,55,液压缸的设计计算,液压缸的设计和计算,液压缸是液压传动系统的执行元件，液压缸设计是液压系统 设计的重要内容。 设计液压缸之前，需要对液压系统的工况进行分析，以确定液压系统的负载、工作压力等。 根据任务要求确定液压缸的结构形式

23、，按负载状况、运动要求、行程等确定液压缸的主要工作尺寸，之后进行强度、稳定性及缓冲验算，最后进行结构设计。,2012/2/18,东南大学机械工程学院,56,液压马达的工作原理及性能参数,液压马达是一种旋转运动执行元件。它的工作原理与液压泵相反，是利用压力油来驱动转子，以便向外输出旋转运动和扭矩，从而将液体的压力能转化为机械能。 从能量转换的观点，液压泵和液压马达是可逆工作的液压元件。 它们具有相同的基本结构要素，如密封且周期变化的容积、配流机构等。 但是，液压马达和液压泵的工作条件不同，性能要求也不一样，两者之间存在很多区别。,2012/2/18,东南大学机械工程学院,57,液压马达的工作原理

24、及性能参数,液压马达应能够实现正、反转，因而要求内部结构对称 液压马达的转速范围较大，且对低速稳定运转有较高要求 液压马达是在输入压力油的条件下工作，不必具备自吸条件,结论：虽然液压泵与液压马达结构相似，但不能可逆地工作。,根据结构类型，液压马达可以分为：齿轮式、叶片式、柱塞式以及其它形式。 按照额定转速，液压马达可以分为高速和低速两大类。一般地，转速高于500r/min的称为高速马达，其余为低速马达。,2012/2/18,东南大学机械工程学院,58,液压马达的工作原理及性能参数,高速液压马达也称为高速小转矩液压马达。它的基本型式有齿轮式、螺杆式和轴向柱塞式等。 特点是：转速较高、转动惯量小、

25、启动及制动容易、调速及换向的灵敏度高、输出转矩较小（数十到数百N.m之间）。 低速液压马达也称为低速大转矩液压马达。它的主要型式是径向柱塞式，也有部分为叶片式及齿轮式。 特点是：排量大、体积大、转速低、转矩大（数千到数万N.m之间）可直接与工作机构相连，无需减速装置，传动机构简单。,2012/2/18,东南大学机械工程学院,59,液压马达的工作原理及性能参数,液压马达的工作原理举例,轴向柱塞式液压马达工作原理,马达的输出转矩：,2012/2/18,东南大学机械工程学院,60,液压马达的工作原理及性能参数,液压马达的基本性能参数 工作压力、额定压力 工作压力是指液压马达实际工作时的压力 额定压力

26、是指马达在正常工作条件下，按照相关标准规定能 连续运转的最高压力。,效率 容积效率（v）：由于存在泄漏现象，液压马达的实际输入流量q一定大于理论流量qt，容积效率为,2012/2/18,东南大学机械工程学院,61,液压马达的工作原理及性能参数,机械效率（m）：由于存在摩擦损失，液压马达的实际输出转 矩T一定小于理论转矩Tt，机械效率为,总效率（）：,排量、转矩 液压马达在工作中输出转矩的大小由负载转矩决定。 但是，推动同样大小的负载，工作容腔大的马达压力要低于工作 容腔小的马达。因此，工作容腔大小是液压马达工作能力的重要标志。,2012/2/18,东南大学机械工程学院,62,液压马达的工作原理

27、及性能参数,根据排量，可以计算给定压力下液压马达所输出的转矩的大小， 也可以计算在给定负载转矩下马达的工作压力。 设液压马达进、出油口之间的压力差p，输入液压马达的流量 为q，液压马达输出的理论转矩为Tt，角速度为。 若不计功率损失，则输入的液压功率应等于输出的机械功率：,排量（V）是指在没有泄漏的前提下，马达轴转动一周所需要输入的油液的体积,2012/2/18,东南大学机械工程学院,63,液压马达的工作原理及性能参数,液压马达输出的实际转矩为：,液压马达的转速取决于供液的流量q和液压马达的排量V。考虑到容积效率，马达的转速为:,调速范围 液压马达的调速范围以允许的最大转速和最低转速之比表示,调速范围宽的液压马达应既具有好的高速性能，又具有好的低速稳定性。,2012/2/18,东南大学机械工程学院,64,液压马达的工作原理