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文檔簡介

1、 第第 二二 章章 氣氣 動動 執(zhí)執(zhí) 行行 元元 件件執(zhí)行元件為傳動裝置,將壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,驅(qū)動機(jī)構(gòu)實執(zhí)行元件為傳動裝置,將壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,驅(qū)動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)直線往復(fù)運動、擺動、旋轉(zhuǎn)或沖擊運動?,F(xiàn)直線往復(fù)運動、擺動、旋轉(zhuǎn)或沖擊運動。分為氣缸和氣動馬達(dá)。分為氣缸和氣動馬達(dá)。 一般氣缸由缸體、活塞、活塞桿、前端蓋、后端蓋及密封一般氣缸由缸體、活塞、活塞桿、前端蓋、后端蓋及密封裝置等構(gòu)成。裝置等構(gòu)成。一、氣缸的分類一、氣缸的分類 壓縮空氣對活塞的作用力單作用雙作用式按氣缸的結(jié)構(gòu)特征活塞式薄膜式柱塞式無桿汽缸氣缸的功能普通氣缸薄膜氣缸沖擊氣缸氣-液阻尼缸緩沖氣缸擺動氣缸2-1 氣缸的分類及工作原理氣

2、缸的分類及工作原理1、普通型氣缸、普通型氣缸:柱塞式、緩沖式、擺動式:柱塞式、緩沖式、擺動式表表2-1普通氣缸的結(jié)構(gòu)型及特點普通氣缸的結(jié)構(gòu)型及特點2、組合型氣缸、組合型氣缸 普通氣缸普通氣缸 單桿雙作用氣缸由缸筒、前后缸蓋、活塞、活塞桿、密封件和緊固件等零件組成。其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。T 圖2-1 雙作用氣缸 二、常見氣缸的工作原理及用途二、常見氣缸的工作原理及用途1、單作用氣缸、單作用氣缸一端進(jìn)氣,推動活塞運動,而活塞的返回借助于彈簧力,膜片一端進(jìn)氣,推動活塞運動,而活塞的返回借助于彈簧力,膜片張力,外力,重力等見圖張力,外力,重力等見圖2-2、圖、圖2-2 。特點:。特點:(1)一端進(jìn)氣,

3、結(jié)構(gòu)簡單,耗氣量小;一端進(jìn)氣,結(jié)構(gòu)簡單,耗氣量??; (2)用彈簧或膜片復(fù)位、輸出力?。挥脧椈苫蚰て瑥?fù)位、輸出力小; (3)縮短有效行程;縮短有效行程; (4)行程中推力及速度變化。行程中推力及速度變化。應(yīng)用于氣吊、氣動卡盤等。應(yīng)用于氣吊、氣動卡盤等。2、雙作用氣缸、雙作用氣缸雙作用:活塞往復(fù)運動均由壓縮空氣推動雙作用:活塞往復(fù)運動均由壓縮空氣推動.分為單、雙活塞桿式、分為單、雙活塞桿式、雙活塞、緩沖氣壓缸。雙活塞、緩沖氣壓缸。 薄膜式氣缸薄膜式氣缸 薄膜式氣缸是一種利用壓縮空氣通過膜片推動活塞桿作往復(fù)直線運動的氣缸。它由缸體、膜片、膜盤和活塞桿等主要零件組成。其功能類似于活塞式氣缸,它分單作用

4、式和雙作用式兩種。a)單作用式b)雙作用式圖2-2 薄膜式氣缸結(jié)構(gòu)簡圖1缸體 2膜片 3膜盤 4活塞桿 (a)雙活塞桿雙作用氣缸雙活塞桿雙作用氣缸活塞桿直徑相同活塞受力面兩邊相同時氣缸在往復(fù)行程中輸出力活塞桿直徑相同活塞受力面兩邊相同時氣缸在往復(fù)行程中輸出力及速度相同。及速度相同??晒潭ǜ祝部晒潭ɑ钊?。可固定缸,也可固定活塞。 活塞桿活塞桿 彈簧彈簧 活塞活塞缸體缸體活塞桿活塞桿活塞活塞缸體缸體圖圖2-4雙活塞桿雙作用氣缸雙活塞桿雙作用氣缸圖圖2-3單作用氣缸單作用氣缸(b)雙活塞雙作用氣缸雙活塞雙作用氣缸(串聯(lián)串聯(lián))增加輸出力,且缸徑宜增大的場合。增加輸出力,且缸徑宜增大的場合。(c)緩沖

5、氣缸:緩沖氣缸:利用空氣被壓縮來吸收運動部件的能量達(dá)到緩沖目的。節(jié)流口安裝調(diào)節(jié)節(jié)流閥,正常起動,進(jìn)氣口安裝單向閥。圖圖2-5雙活塞雙作用氣缸雙活塞雙作用氣缸圖圖2-6緩沖氣缸緩沖氣缸活塞桿活塞桿 活塞活塞缸體缸體活塞桿活塞桿活塞活塞 緩沖柱塞緩沖柱塞節(jié)流孔節(jié)流孔 d d 氣氣- -液阻尼缸液阻尼缸 氣液阻尼缸是由氣缸和油缸組合而成,它的工作原理見下圖2-7。圖2-7 氣-液阻尼缸的工作原理1油杯 2單向閥 3節(jié)流閥 4液壓油5空氣兩缸活塞采用同一活塞桿;兩缸活塞采用同一活塞桿;輸出力輸出力=壓縮空氣推力壓縮空氣推力(拉力拉力)-液壓缸中油的阻力。液壓缸中油的阻力。液壓缸本身不提供油源,只是被氣

6、缸活塞帶動液壓缸本身不提供油源,只是被氣缸活塞帶動產(chǎn)生阻產(chǎn)生阻 尼,調(diào)節(jié)速度。尼,調(diào)節(jié)速度。調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度,就可以調(diào)節(jié)活塞的運動速調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度,就可以調(diào)節(jié)活塞的運動速度。度。e e 沖擊氣缸沖擊氣缸 沖擊氣缸是一種體積小、結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、耗氣功率小但能產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊力的一種特殊氣缸。 與普通氣缸相比,沖擊氣缸的結(jié)構(gòu)特點是增加了一個具有一定容積的蓄能腔和噴嘴。 (f)氣動夾氣動夾圖2.7、左右兩活塞B進(jìn)氣、B左移、A右移卡爪沿導(dǎo)軌張開,A排氣。A進(jìn)氣、B右移,卡爪閉合,輸出夾緊力,實行平行開閉內(nèi)外徑把持動作。(g)鎖定氣缸:圖示為開放狀態(tài)鎖定氣缸:圖示為開放狀態(tài)A、B、為進(jìn)排氣孔:A

7、進(jìn)氣,推動錐型制動活塞左移,通過滾子的作用制動臂繞支點上移,前端下移鎖住活塞桿,B口排氣,松開時,B口進(jìn)氣,A口排氣。 h h 無桿氣缸無桿氣缸 無桿氣缸沒有活塞桿,它利用活塞直接或間接地驅(qū)動缸筒上的滑塊,實現(xiàn)往復(fù)運動,占有的安裝空間也只有1.2L ( L 為滑塊行程)。大大節(jié)省了安裝空間。 特別適用于小缸徑、長行程的場合,而且運動精度高,與其他氣缸組合方便。 無桿氣缸有機(jī)械接觸式和磁性耦合式兩種。 圖13-5 機(jī)械接觸式無桿氣缸 1節(jié)流閥 2緩沖柱塞 3密封帶 4防塵不銹鋼帶 5活塞 6滑塊 7活塞架2-2 氣缸的特性及計算氣缸的特性及計算 一、氣缸的推力及效率一、氣缸的推力及效率1、氣缸的

8、理論推力、氣缸的理論推力F1推力F2拉力2、氣缸的實際推力、氣缸的實際推力 F1=(D2/4)P-Fz F2=/4(D2-d2) PFz 排氣力排氣力Pz0Fz氣缸工作的總阻力,包括摩擦力、慣性力、背壓阻力氣缸工作的總阻力,包括摩擦力、慣性力、背壓阻力3、氣缸效率:、氣缸效率:=F實實/F理理 考慮動特性考慮動特性=0.30.5;只考慮總阻力,只考慮總阻力,=0.70.8521144FFDPDP22222244()(0.16 0.4)(1.011.09)4FFFDdPDd dDPP4、氣缸的耗氣量、氣缸的耗氣量Q壓=A(有效面積) S(活塞行程) n(每分鐘往復(fù)運動次數(shù)) 103(l/min)

9、Q自= Q壓(P+0.1013)/0.1013(l/min) Q實=Q自/容積(取0.70.85)=(1.21.5)Q自例:雙作用單活塞桿(50/20)300 每分鐘往復(fù)運動10次 P氣源=0.6MPa求耗氣量。解:A1=(/4)D2=/40.52=0.196A2=/4(D2-d2)= /4(0.52-0.22)=0.165Q壓=( A1+ A2)310=(0.196+0.165)310=10.84 l/minQ自=10.84(0.6+0.1)/0.1=75.88 l/min二、氣缸的工作特性二、氣缸的工作特性1、靜特性與缸的輸出力耗氣量密切相關(guān)的最低工作壓力、靜特性與缸的輸出力耗氣量密切相關(guān)

10、的最低工作壓力Pmin ,摩,摩 擦阻力等靜態(tài)參數(shù)擦阻力等靜態(tài)參數(shù)(1)無負(fù)載工作特性無負(fù)載工作特性 最低工作壓力最低工作壓力Pmin 測試條件:測試條件:P=0.1MPa v=50mm/s合格結(jié)果:平穩(wěn)、無爬行合格結(jié)果:平穩(wěn)、無爬行衡量缸的加工、裝配質(zhì)量、對緩沖缸衡量缸的加工、裝配質(zhì)量、對緩沖缸 將緩沖閥全部打開將緩沖閥全部打開(2)帶載工作特性帶載工作特性測試條件上:80%最大載荷P=0.7 MPa v=150mm/s 結(jié)果:平穩(wěn)、無漏氣衡量強度、耐沖擊性、對緩沖缸,將緩沖閥全部打開 進(jìn)行氣缸速度的調(diào)節(jié)時,因為氣體是可壓縮的,所以預(yù)先很難設(shè)定,為了防止活塞到缸的端部產(chǎn)生沖擊,需設(shè)置緩沖機(jī)構(gòu)

11、。圖2-19是裝有逆止閥的氣缸緩沖裝置。緩沖部分的長度為0.015 0.04,當(dāng)活塞達(dá)到缸的端部時,封入部分氣體一經(jīng)活塞繼續(xù)壓縮,具有一定背壓,這樣既緩沖了活塞對端蓋的撞擊破壞又吸收了活塞運動的能量。對于設(shè)有緩沖裝置的氣缸,能否吸收由于活塞運動產(chǎn)生的沖擊能量,要通過分析計算。 設(shè)計計算的出發(fā)點是使活塞等運動部件產(chǎn)生的全部機(jī)械能E1小于緩沖裝置所能吸收的能量E2。下面對E1及E2進(jìn)行計算E1=Ed+EmEg-Ef式中Ed氣源壓力作用在活塞上產(chǎn)生的氣壓能,即: Ed=P1A1S1106(J);P1氣缸工作壓力(MPa);A1活塞的有效面積(m2);S1緩沖行程長度(m);Em慣性力產(chǎn)生的運動部件能

12、,即:2211( )22mGEmuuJgm運動部件總質(zhì)量(kg);G運動部件總重量(N);g重力加速度(m/s2);Eg運動部件重力產(chǎn)生正向或反向能量,即Eg=G1S1(J)G氣缸豎直安裝時,運動部件總重量在缸軸線方向上的分力,計算下方緩沖時取+Eg,計算上方緩沖時取Eg,氣缸水平安裝時Eg=0;E1與運動方向相反的摩擦能,此值總為負(fù),即E1=F1S1(J);F1總摩擦力(N)緩沖裝置借助緩沖柱塞堵住柱塞孔4(見圖2-19),氣缸只能通過節(jié)流閥6排氣時,使密封的環(huán)形氣室內(nèi)的氣體被壓縮,從而吸收所需緩沖的能量。由于壓縮過程時間短,故可認(rèn)為是絕熱過程,其緩沖特性見圖2-20所示。緩沖裝置所能吸收的

13、能量大小,要根據(jù)氣缸的強度而定。在絕熱過程式中,緩沖裝置的緩沖氣室容許吸收的能量為: 3322122211ppRppkEvdppvdpp111112232()11kkkp vppk 13222()()11kkpk p vkp0.286322223.5()1pEp vp (J) (J)式中P2氣缸排氣側(cè)背壓(絕對壓力)(MPa); P3緩沖氣室內(nèi)最后達(dá)到的氣體壓力(MPa); v2緩沖柱塞死柱塞孔時,環(huán)形緩沖氣室的容積(m3); k氣體絕熱指數(shù),對空氣k=1.4。緩沖裝置滿足使用要求的條件是:E1E2即 Ed+EmEg-EfE2由于氣缸強度的限制,而且不應(yīng)使氣缸過于笨重。因而,用緩沖氣室吸收的能

14、量是有限的,尤其對于高速、大運動能量的負(fù)載應(yīng)采取其它有效方法進(jìn)行緩沖。2、運動特性、運動特性-氣缸各腔壓力變化、活塞速度變化、動作時間3、緩沖特性、緩沖特性緩沖計算、原理、運動部件總動能緩沖裝置允許吸收的壓力能 E k EpEk= Ed(氣壓能)+ Em(動能)Eg(重力能)- Ef(摩擦力產(chǎn)生的能量)P1A1S1(緩沖行程) mu2= G/g u2 下方緩沖取 + 、 上方緩沖取 絕熱過程:K絕熱指數(shù) K空氣=1.4P3緩沖氣室中最后達(dá)到的壓力(氣體壓力最大值)P2緩沖前的壓力 V2緩沖前的體積若Ep E k 可滿足緩沖要求22)21162221(42120000.5 10(0.10.045

15、 ) 0.0150.2474.151.1429.81kdmGEEEPDd lvgJ220.286326220.2863.5()1193.5 0.3 10(0.10.042 ) 0.015 ()170.8543ppEp vpJP排PI三、幾種常見氣缸的設(shè)計計算三、幾種常見氣缸的設(shè)計計算1、單作用氣缸、單作用氣缸如圖2-21所示,根據(jù)力平衡原理,氣壓作用于氣缸活塞上的總推力必須克服彈簧反作用力,摩擦副的摩擦陰力和活塞桿工作時的總阻力(負(fù)載),即621104FD pFF反摩式中F1作用在活塞桿上的負(fù)載力(N); D活塞直徑(m); F摩摩擦副之間的摩擦力(N); F反彈簧的反作用力(N);即F反C(

16、0+S); C彈簧剛度(N/m); 0彈簧預(yù)壓縮量(m); S活塞行程(m)。如果把摩擦力用效率考慮則:26110()4FD pFN反式中考慮摩擦阻力的效率。由式(由式(2-14)可導(dǎo)出單作用氣缸的內(nèi)徑為:)可導(dǎo)出單作用氣缸的內(nèi)徑為:計算出缸徑后,按表2-5取標(biāo)準(zhǔn)直徑。表2-5 缸筒內(nèi)徑系列614()10( )FFDmp反注:無括號的數(shù)值為優(yōu)先選用值。2、雙作用氣缸、雙作用氣缸單出桿雙作用氣缸的設(shè)計計算單出桿雙作用氣缸是一種最能常用的普通氣缸,如圖2-22所示。(1)輸出力的計算)輸出力的計算根據(jù)力的平衡原理,活塞桿上的輸出力必須克服活塞桿工作時的總阻力,因只有一端出桿,所以壓縮空氣作用在活塞

17、兩側(cè)的有效面積是不相等的。活塞桿產(chǎn)生推力F推,活塞右行時,產(chǎn)生拉力F拉,其值分別為: 6262210()410()()4FDpNFDdpN推拉式中d活塞桿直徑(m);其他符號同前。(2)活塞直徑)活塞直徑D的計算的計算由前兩式可求得活塞直徑。當(dāng)推力作功時, 6410( )FDmp推當(dāng)拉力作功時, 62410( )FDdmp拉(3)活塞運動速度的計算)活塞運動速度的計算 60QuA (m/s)式中Q輸入的壓縮空氣量(m3/min); A活塞有效受力面積(m2); u活塞運動速度(m/s)。如兩端供氣量相等, 121122QQQu Au A即則1122uAuA即活塞運動速度與有效面積成反比。222

18、12;();44ADADd則于2221221 ()uDdduDD 則因此,對同樣供氣量,活塞桿伸出慢,退回快。(4)氣缸耗氣量計算)氣缸耗氣量計算根據(jù)式(2-8)計算310(0.1013)/0.1013QASn p自式中 12AAA22222()(2)444ADDdDd32210(2)(0.1013)/0.1013( /min)4QDdSn pl自上式為每分鐘耗自由空氣量,這里是理論值,實際值應(yīng)考慮漏損等,即為(1.2 1.5)QQ自實(5)缸筒計算)缸筒計算主要計算缸筒的壁厚,因一般氣缸工作壓力較低,壁厚與內(nèi)徑主要計算缸筒的壁厚,因一般氣缸工作壓力較低,壁厚與內(nèi)徑之比往往小于之比往往小于 所

19、以氣缸壁厚可按下面的薄壁筒計算:所以氣缸壁厚可按下面的薄壁筒計算:式中式中氣缸筒壁厚(氣缸筒壁厚(m););缸筒材料的許用應(yīng)力(缸筒材料的許用應(yīng)力(Pa););D氣缸內(nèi)徑(氣缸內(nèi)徑(m););p氣缸工作壓力(氣缸工作壓力(MPa)。)。計算出的厚可能很薄,應(yīng)根據(jù)工藝要示適當(dāng)加厚,并參都已有計算出的厚可能很薄,應(yīng)根據(jù)工藝要示適當(dāng)加厚,并參都已有同類氣缸壁厚確定。同類氣缸壁厚確定。11:10()10D6102 Dp表2-6中所列數(shù)值僅供計算和選取氣缸壁厚時參考。表2-6 氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑(1)輸出力 (2)缸徑 (3)活塞運動速度V=Q/A (4)耗氣量 (5)缸筒壁厚計算常/D1/10 按薄壁

20、筒(缸筒壁厚)=(DPp)/2 106Pp實驗壓力Pp=1.5P 缸筒材料許用應(yīng)力=b/sb抗拉強度 s安全系數(shù)材料:鑄鐵HT1533 Q235 20# 鋁合金ZL3 不銹鋼(6)活塞桿計算活塞桿計算材質(zhì):45# 不銹鋼 40Cr一般要求鍍鉻處理a、按強度條件(L10d)強度檢驗使活塞桿所承受的應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力,即式中 F1活塞桿上總推力(N); 活塞桿材料的許用應(yīng)力(N/m2)。12 4Fd則 14 Fd (m) b、按穩(wěn)定性(L10d)穩(wěn)定性校驗桿長L10d時為細(xì)長桿,應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗,按下式進(jìn)行22216kpmEdAL n式中pk穩(wěn)定極限軸向力(N);A活塞桿斷面積(m2);E材料

21、的彈性模數(shù)(N/m2);L活塞桿的計算長度(m);m活塞桿的安裝系數(shù)(0.254)與安裝形式有關(guān);n安全系數(shù)(一般取24)。由(2-27)式可以確定L和d的關(guān)系,符合這個關(guān)系式的活塞桿是穩(wěn)定的。3、雙出桿雙作用氣缸、雙出桿雙作用氣缸(自己看自己看)4、伸縮氣缸、伸縮氣缸 特點:推力和速度隨工作行程變化而變化第一行程:力大,速度慢 第二行程:力小,速度快 可做翻斗缸5、擺動氣缸、擺動氣缸 P1 P2R1R2rdr作用在葉片上的扭轉(zhuǎn)力矩21221212211()() ()2RmmRTPP brdrPP b RRP1、P2供、排氣腔壓力R1、R2葉片內(nèi)外徑B葉片的寬度m擺動缸的機(jī)械效率耗氣量Q 2221()4DDQb nv n(每分鐘葉片擺動次數(shù))擺動角速度 2221242(/ )60()60nQ vWrad sDDb擺次一次所需時間 tW 擺角弧度四、氣缸設(shè)計步驟四、氣缸設(shè)計步驟1、工作任務(wù)、工作任務(wù):結(jié)構(gòu)要求結(jié)構(gòu)要求氣缸類型、安裝形式氣缸類型、安裝形式2、工作力、工作力氣缸輸出力、氣源壓力 缸徑、桿徑(標(biāo)準(zhǔn)尺寸)、缸壁厚度、緩沖3、行程、行程缸的行程缸的行程4、運動速度、運動速度耗氣量耗氣量標(biāo)準(zhǔn)氣缸:類型、安裝、缸徑、行程、即

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