液压与气压传动分析解析

液压与气压传动分析解析
3.1 液压缸的分类及基本计算
液压缸是液压传动系统中应用最多的执行元件，它 将油液的压力能转换为机械能，实现往复直线运动 或摆动，输出力或扭矩。 其作用方式可分为单作用式和双作用式两种。 单作用式液压缸——液压油只能使液压缸实现单向运 动，即压 力油只是通向液压缸的一腔，而反方向运 动则必须依靠外力来实现，如复位弹簧力、自重或 其它外部作用。 双作用式液压缸——在两个方向上的运动都由液压油 的压力推动来实现。
•为减轻柱塞的重量，有 时制成空心柱塞。柱塞 缸结构简单，制造方便， 常用于工作行程较长的 场合，如大型拉床，矿 用液压支架等。
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3.1.3 摆动式液压缸
•摆动式液压缸输出转矩，并实现往复摆动，有时也称为摆 动马达，在结构上有单叶片和双叶片两种形式，如图3.5所 示。单叶片式摆动液压缸由定子块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。
原理演示
缸固定
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v
qAV
4qV (D2d2)
F (p 1 p 2 )A m 4 (D 2 d 2 )p 1 ( p 2 )m
式中 v——液压缸的运动速度(m／s)； F——液压缸的推力(N)；
ηv——液压缸的容积效率；
缸固定
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•ηm——液压缸的机械效率； • q——液压缸的流量(m3／s)； • A——液压缸的有效工作面积(m2)，也可看成 单位位移 排量(m3／m)； •p1——进油压力(Pa)； • p2——回油压力(Pa)； •D——活塞直径，即缸筒直径(m)； • d——活塞杆直径(m)。 •这种液压缸常用于要求往返运动速度相同的场合。
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液压缸的分类
1、单作用活塞式液压缸
单向液压驱动，回程靠自重、弹簧或其 它外力。
2、单作用柱塞式液压缸
柱塞较粗，受力较好，稳定性好，单向 进油驱动，回程靠外力。
3、单作用伸缩式液压缸
液压油进入后，将活塞从大到小逐节推 出，然后靠自重从小到大逐节缩回，这 种液压缸的特点是缸筒短，伸出长。缸 筒不受安装位置所限。例：自卸汽车
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• 单一的柱塞缸只能制成单作用缸，如果要获得双向运动， 可采用图3.4(b)所示的复合式柱塞缸结构，即将两柱塞液压 缸成对使用，每个柱塞缸控制一个方向的运动参数。柱塞 缸的柱塞端面是受压面，其面积大小决定了柱塞缸的输出 速度和推力。为保证柱塞缸有足够的推力和稳定性，一般 柱塞较粗，重量较大，水平安装时易产生单边磨损，故柱 塞缸适宜于垂直安装使用。
•的比速较度上比述为各式，可以看出v2>v1, F1>F2;液压缸往复运动时
= v2
v1
D2 =(D2 d2)
•上式表明，活塞杆直径愈小，速度 比愈接近1，液压缸在两个方向上的 速度差值就愈小。
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• 如图3.3所示，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。
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•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°。 •当输入压力和流量不变时，双叶片摆动液压缸摆动轴输出 转矩是相同参数单叶片摆动缸的两倍，而摆动角速度则是 单叶片的一半，摆动缸结构紧凑，输出转矩大，但密封困 难，一般只用于中、低压系统中往复摆动、转位或间歇运 动的地方。 组合式液压缸
缸固定
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• 图3.1(b)为活塞杆固定式结构，当液压缸的左腔进油时，推 动缸体向左移动，右腔回油；反之，当液压缸的右腔进油 时，缸体则向右运动。 原理演示 图3.1(a)为缸体固定式结构，当液压缸的左腔进油，推动 活塞向右移动，右腔活塞杆向外伸出，左腔活塞杆向内缩 进，液压缸右腔油液回油箱；反之，活塞反向运动。 这类液压缸常用于中小型设备中。
b）杆固定 a)缸固定
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3.1.1.2 单杆活塞式液压缸
•图3.2所示为双作用单活塞杆液压缸，活塞杆只从 液压缸的一端伸出，液压缸的活塞在两腔有效作 用面积不相等，当向液压缸两腔分别供油，且压 力和流量都不变时，活塞在两个方向上的运动速 度和推力都不相等，即运动具有不对称性。
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• 8、串联液压缸 小直径的液压缸获得大的作用面积， 提高牵引力。
•9、增压液压缸 从低压系统可获得高压系统的能力。
•10、多位液压缸 可获得几个长度准确的行程，例如， 用于排挡、换挡。
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11、单叶片摆动液压缸 回转往复运动，最大摆角300。 12、双叶片摆动液压缸 回转往复运动，最大摆角150。
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3.1.4.3 齿条活塞缸
•齿条活塞缸由带有齿条杆的双活塞缸和齿轮齿条机构 组成，如图所示。齿条活塞往复移动带动齿轮 9并驱动 传动轴10往复摆动，它多用于自动线、组合机床等转 位或分度机构中。原理演示
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[例3.2] 如图3.5所示单叶片摆动液压缸，供油压力p1＝10 MPa， 流量q=25L／min，回油压力p2=0.5 MPa，D=100 mm，d＝ 40 mm，若输出轴的角速度为7 rad／s，摆动液压缸的容积 效率和机械效率分别为0.96和0.98，求摆动液压缸的叶片宽 度和输出扭矩是多少?
3.1.4 组合式液压缸
•上述为液压缸的三种基本形式，为满足特定的 需要，还可以在这三种基本液压缸的基础上构 成各种组合式液压缸。 3.1.4.1 增压缸 增压缸也称增压器，它 能将输入的低压油转变 为高压油供液压系统中 的高压支路使用，增压 缸如图所示。
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•它由有效面积为A1的大液压缸和有效作用面积为A2的 小液压缸在机械上串联而成，大缸作为原动缸，输入
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液压缸可以看作是直线马达(或摆动马达)， 其单位位移排量即为液压缸的有效面积A。
当液压缸的回油压力为零且不计损失时， 输入液压功率p ·q等于输出机械功率F·v 。
液压缸有多种结构，但根据其具体结构 特点可分为活塞式、柱塞式和摆动式三类基 本形式，除此以外，还有在基本形式上发展 起来的各种特殊用途的组合液压缸。
[解] b（ 8 D q 2 vd2)7 8 ( 0 .2 1 2 5 1 0 .0 3 0 2)0 4 .9 6 6 0 0 .0(5 m )4
T
b（D2 8
d2)(p1
p2)m
0.0
5
4(0.12
0.0
42)
(1
00.5)1
06
0.9
p2
8
8
528(Nm)
8qv
p1q
b（D2 d ) ysu-20120
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•当考虑到机械效率时，单叶片缸的摆动轴输出转矩为
T 2 pV m b 8 （ D 2 d2)p (1p 2)m
•根据能量守恒原理，得输出角速度为
2n2V qvb（ 8 D q 2 vd2)
•式中 D—缸体内孔直径(m)；
• d—摆动轴直径(m)；
p2
• b—叶片宽度(m)。
•V—每转排量，Vb（D2 d2) p1q
在输入油压力和流量不变的条件下， 活塞杆伸出速度较大，而推力较小。 实际应用中，液压传动系统常通过 控制阀来改变单活塞杆液压缸的油 路连接，使它有不同的工作方式， 从而获得快进+工进+快退的工作循 环。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。
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• [例题3.1] 已知单活塞杆液压缸的缸筒内径 D=100mm，活 塞杆直径 d=70mm，进入液压缸的流量 q=25L／min，压力 p1=2MPa，p2=0液压缸的容积效率和机械效率分别为0.98、 0.97，试求在图3.2和图3.3所示的三种工况下，液压缸可推 动的最大负载和运动速度各是多少?并给出运动方向。
在差动连接时，有杆腔排出流量 进入无杆腔，根据流量连续性方 程可导出液压缸的运动速度v3为
v3A1qA2V 4dq2V
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原理演示
百度文库
• 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F3为
F 3(A 1A 2)p1m4d2p1m
•由上两式可知，差动连接时，液压缸的有效作用面积是活 塞杆的横截面积，与非差动连接无杆腔进油工况相比，
v1 Aq1V 4Dq2 V
425103 0.980.052(m/s)
0.12 60
F1 4[D2p1(D2 d2)p2]m
[0.1221060]0.97152(3N7)
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F2
(A2p1A1p2)m
[(D2
4
d2)p1D2p2]m
[(0.12 0.072)2106 0]0.97
压力为p1，小缸作为输出缸，输出压力为p2。若不计摩 擦力，根据力平衡关系，可有如下等式：
A1 p1 A2 p 2
或
p2
A1 A2
p1
比值A1／A2称为增压比，由 于A1／A2>1，压力p2被放大， 从而起到增压的作用。
图3.6 增压液压缸
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3.1.4.2 多级缸
• 多级缸又称伸缩缸．它由两级或多级活塞缸 套装而成，如图所示。
• 如图所示，当无杆腔进油时，活塞的运动 速度v1和推力F1分别为
v1 Aq1V 4Dq2V
F1 (A1p1A2p2)m 4[D2p1(D2 d2)p2]m
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• 如力图 F2分3.2别(b为)所示，当有杆v2 腔进油A q2时，V活塞的(D 运42动q速d度2)v2和V推
F 2 (A 2 p 1 A 1 p 2 )m 4 [D ( 2 d 2 )p 1 D 2 p 2 ]m
F1152(3N)7 F2777(N1) F3 =746(N 6) v10.05 (m 2 /s) v20.10 (m 2 /s)v3=0.10(m 6/s)
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3.1.2 柱塞式液压缸
• 活塞式液压缸应用非常广泛，但这种液压缸由于缸孔加 工精度要求很高，当行程较长时，加工难度大，使得制 造成本增加。在生产实际中，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。 • 如图3.4(a)所示，柱塞缸由缸筒、柱塞、导套、密封圈 和压盖等零件组成，柱塞和缸筒内壁不接触，因此缸筒 内孔不需精加工，工艺性好，成本低。
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• 前一级缸的活塞杆就是后一级缸的缸套，活塞伸出的顺序
是从大到小，相应的推力也是从大到小，而伸出的速度则 是由慢变快。 • 空载缩回的顺序一般是从小活塞到大活塞，收缩后液压缸 总长度较短，占用空间较小，结构紧凑。多级缸适用于工 程机械和其它行走机械，如起重机伸缩臂、车辆自卸等。
多级伸缩缸
13、齿条液压缸 原理演示
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3.1.1 活塞式液压缸
•活塞式液压缸可分为双杆式和单杆式两种结构形式，其安 装方式有缸筒固定和活塞杆固定两种形式。 •液压缸的基本参数：液压缸往复运动的速度v和牵引力F。
•3.1.1.1 双杆活塞式液压缸 图3.1所示为双杆活塞式液压缸的工作原理图。当两活 塞杆直径相同，供油压力和流量不变时，活塞式液压 缸在两个方向上的运动速度和推力都相等，即
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777(1N)
v2
q A2
V
(
D
4
2
q
d
2
)
V
4 (0.12
25 10 3 0.07 2 )
60
0.98
0.102 (m / s)
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v 34 d q 2V 4 2 0 .0 1 5 2 3 7 0 0 .9 8 0 .1(0 m /s 6 )
F 3 4 d 2 p 1m 4 0 .02 7 2 16 0 0 .9 7 4 (N )
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4、双作用单活塞杆液压缸 双向液压驱动，往复速度、力不等。
5、差动液压缸 差动液压缸主要是靠油路的连接方式构 成差动。可加大活塞杆的伸出速度，推 力相应减小。
6、双杆双作用液压缸 可实现等速往复运动。
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7、双作用伸缩式液压缸
它是自卸汽车所用的双作用伸缩液 压缸，由一节活塞缸和一节柱塞缸 组成。