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8液壓系統(tǒng)的設(shè)計8.1液壓系統(tǒng)簡介機(jī)械手的液壓傳動是以有壓力的油液作為傳遞動力的工作介質(zhì)。電動機(jī)帶動油泵輸出壓力油,是將電動機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進(jìn)入油缸,推動活塞桿運(yùn)動,從而使手臂作伸縮、升降等運(yùn)動,將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。手臂在運(yùn)動時所能克服的摩擦阻力大小,以及夾持式手部夾緊工件時所需保持的握力大小,均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關(guān)。手臂做各種運(yùn)動的速度決定于流入密封油缸中油液容積的多少。這種借助于運(yùn)動著的壓力油的容積變化來傳遞動力的液壓傳動稱為容積式液壓傳動,機(jī)械手的液壓傳動系統(tǒng)都屬于容積式液壓傳動。8.2液壓系統(tǒng)的組成液壓傳動系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成:=1\*GB3①油泵它供給液壓系統(tǒng)壓力油,將電動機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能,用這壓力油驅(qū)動整個液壓系統(tǒng)工作。=2\*GB3②液動機(jī)壓力油驅(qū)動運(yùn)動部件對外工作部分。手臂做直線運(yùn)動,液動機(jī)就是手臂伸縮油缸。也有回轉(zhuǎn)運(yùn)動的液動機(jī)一般叫作油馬達(dá),回轉(zhuǎn)角小于360°的液動機(jī),一般叫作回轉(zhuǎn)油缸(或稱擺動油缸)。=3\*GB3③控制調(diào)節(jié)裝置各種閥類,如單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等,各起一定作用,使機(jī)械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運(yùn)動。8.3機(jī)械手液壓系統(tǒng)的控制回路機(jī)械手的液壓系統(tǒng),根據(jù)機(jī)械手自由度的多少,液壓系統(tǒng)可繁可簡,但是總不外乎由一些基本控制回路組成。這些基本控制回路具有各種功能,如工作壓力的調(diào)整、油泵的卸荷、運(yùn)動的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運(yùn)動等。8.3.1壓力控制回路=1\*GB3①調(diào)壓回路在采用定量泵的液壓系統(tǒng)中,為控制系統(tǒng)的最大工作壓力,一般都在油泵的出口附近設(shè)置溢流閥,用它來調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力,并將多余的油液溢流回油箱。=2\*GB3②卸荷回路在機(jī)械手各油缸不工作時,油泵電機(jī)又不停止工作的情況下,為減少油泵的功率損耗,節(jié)省動力,降低系統(tǒng)的發(fā)熱,使油泵在低負(fù)荷下工作,所以采用卸荷回路。此機(jī)械手采用二位二通電磁閥控制溢流閥遙控口卸荷回路。=3\*GB3③減壓回路為了是機(jī)械手的液壓系統(tǒng)局部壓力降低或穩(wěn)定,在要求減壓的支路前串聯(lián)一個減壓閥,以獲得比系統(tǒng)壓力更低的壓力。=4\*GB3④平衡與鎖緊回路在機(jī)械液壓系統(tǒng)中,為防止垂直機(jī)構(gòu)因自重而任意下降,可采用平衡回路將垂直機(jī)構(gòu)的自重給以平衡。為了使機(jī)械手手臂在移動過程中停止在任意位置上,并防止因外力作用而發(fā)生位移,可采用鎖緊回路,即將油缸的回油路關(guān)閉,使活塞停止運(yùn)動并鎖緊。本機(jī)械手采用單向順序閥做平衡閥實現(xiàn)任意位置鎖緊的回路。=5\*GB3⑤油泵出口處接單向閥在油泵出口處接單向閥。其作用有二:第一是保護(hù)油泵。液壓系統(tǒng)工作時,油泵向系統(tǒng)供應(yīng)高壓油液,以驅(qū)動油缸運(yùn)動而做功。當(dāng)一旦電機(jī)停止轉(zhuǎn)動,油泵不再向外供油,系統(tǒng)中原有的高壓油液具有一定能量,將迫使油泵反方向轉(zhuǎn)動,結(jié)果產(chǎn)生噪音,加速油泵的磨損。在油泵出油口處加設(shè)單向閥后,隔斷系統(tǒng)中高壓油液和油泵時間的聯(lián)系,從而起到保護(hù)油缸的作用。第二是防止空氣混入系統(tǒng)。在停機(jī)時,單向閥把系統(tǒng)能夠和油泵隔斷,防止系統(tǒng)的油液通過油泵流回油箱,避免空氣混入,以保證啟動時的平穩(wěn)性。8.3.2速度控制回路液壓機(jī)械手各種運(yùn)動速度的控制,主要是改變進(jìn)入油缸的流量Q。其控制方法有兩類:一類是采用定量泵,即利用調(diào)節(jié)節(jié)流閥的通流截面來改變進(jìn)入油缸或油馬達(dá)的流量;另一類是采用變量泵,改變油泵的供油量。本機(jī)械手采用定量油泵節(jié)流調(diào)速回路。根據(jù)各油泵的運(yùn)動速度要求,可分別采用LI型單向節(jié)流閥、LCI型單向節(jié)流閥或QI型單向調(diào)速閥等進(jìn)行調(diào)節(jié)。節(jié)流調(diào)速閥的優(yōu)點(diǎn)是:簡單可靠、調(diào)速范圍較大、價格便宜。其缺點(diǎn)是:有壓力和流量損耗,在低速負(fù)荷傳動時效率低,發(fā)熱大。采用節(jié)流閥進(jìn)行節(jié)流調(diào)速時,負(fù)荷的變化會引起油缸速度的變化,使速度穩(wěn)定性差。其原因是負(fù)荷變化會引起油缸速度的變化,使速度穩(wěn)定性差。其原因是負(fù)荷變化會引起節(jié)流閥進(jìn)出油口的壓差變化,因而使通過節(jié)流閥的流量以至油缸的速度變化。調(diào)速閥能夠隨負(fù)荷的變化而自動調(diào)整和穩(wěn)定所通過的流量,使油缸的運(yùn)動速度不受負(fù)荷變化的影響,對速度的平穩(wěn)性要求高的場合,宜用調(diào)速閥實現(xiàn)節(jié)流調(diào)速。8.3.3方向控制回路在機(jī)械手液壓系統(tǒng)中,為控制各油缸、馬達(dá)的運(yùn)動方向和接通或關(guān)閉油路,通常采用二位二通、二位三通、二位四通電磁閥和電液動滑閥,由電控系統(tǒng)發(fā)出電信號,控制電磁鐵操縱閥芯換向,使油缸及油馬達(dá)的油路換向,實現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動和正反向轉(zhuǎn)動。目前在液壓系統(tǒng)中使用的電磁閥,按其電源的不同,可分為交流電磁閥(D型)和直流電磁閥(E型)兩種。交流電磁閥的使用電壓一般為220V(也有380V或36V),直流電磁閥的使用電壓一般為24V(或110V)。這里采用交流電磁閥。交流電磁閥起動性能好,換向時間短,接線簡單,價廉,但是如吸不上時容易燒壞,可靠性差,換向時有沖擊,允許換向頻率底,壽命較短。8.4機(jī)械手的液壓傳動系統(tǒng)液壓系統(tǒng)圖的繪制是設(shè)計液壓機(jī)械手的主要內(nèi)容之一。液壓系統(tǒng)圖是各種液壓元件為滿足機(jī)械手動作要求的有機(jī)聯(lián)系圖。它通常由一些典型的壓力控制、流量控制、方向控制回路加上一些專用回路所組成。繪制液壓系統(tǒng)圖的一般順序是:先確定油缸和油泵,再布置中間的控制調(diào)節(jié)回路和相應(yīng)元件,以及其他輔助裝置,從而組成整個液壓系統(tǒng),并用液壓系統(tǒng)圖形符號,畫出液壓原理圖。8.4.1上料機(jī)械手的動作順序本液壓傳動上料機(jī)械手主要是從一個地方拿到工件后,橫移一定的距離后把工件給立式精鍛機(jī)進(jìn)行加工。它的動作順序是:待料(即起始位置。手指閉合,待夾料立放)→插定位銷→手臂前伸→手指張開→手指夾料→手臂上升→手臂縮回→立柱橫移→手腕回轉(zhuǎn)115°→拔定位銷→手臂回轉(zhuǎn)115°→插定位銷→手臂前伸→手臂中停(此時立式精鍛機(jī)的卡頭下降→卡頭夾料,大泵卸荷)→手指松開(此時精鍛機(jī)的卡頭夾著料上升)→手指閉合→手臂縮回→手臂下降→手腕反轉(zhuǎn)(手腕復(fù)位)→拔定位銷→手臂反轉(zhuǎn)(上料機(jī)械手復(fù)位)→立柱回移(回到起始位置)→待料(一個循環(huán)結(jié)束)卸荷。上述動作均由電控系統(tǒng)發(fā)信控制相應(yīng)的電磁換向閥,按程序依次步進(jìn)動作而實現(xiàn)的。該電控系統(tǒng)的步進(jìn)控制環(huán)節(jié)采用步進(jìn)選線器,其步進(jìn)動作是在每一步動作完成后,使行程開關(guān)的觸點(diǎn)閉合或依據(jù)每一步動作的預(yù)設(shè)停留時間,使時間繼電器動作而發(fā)信,使步進(jìn)器順序“跳步”控制電磁閥的電磁鐵線圈通斷電,使電磁鐵按程序動作(見電磁鐵動作程序表)實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自動控制。8.4.2自動上料機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理介紹圖9機(jī)械手液壓系統(tǒng)圖液壓系統(tǒng)原理如圖8所示。該系統(tǒng)選用功率N=7.5千瓦的電動機(jī),帶動雙聯(lián)葉片泵YB-35/18,其公稱壓力為60*10帕,流量為35升/分+18升/分=53升/分,系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)為30*10帕,油箱容積選為250升。手臂的升降油缸及伸縮油缸工作時兩個油泵同時供油;手臂及手腕的回轉(zhuǎn)和手指夾緊用的拉緊油缸以及手臂回轉(zhuǎn)的定位油缸工作時只有小油泵供油,大泵自動卸荷。手臂伸縮、手臂升降、手臂回轉(zhuǎn)、手臂橫向移動和手腕回轉(zhuǎn)油路采用單向調(diào)速閥(QI-63B、QI-25B、QI-10B)回程節(jié)流,因而速度可調(diào),工作平穩(wěn)。手臂升降油缸支路設(shè)置有單向順序閥(XI-63B),可以調(diào)整順序閥的彈簧力使之在活塞、活塞桿及其所支承的手臂等自重所引起的油液壓力作用下仍保持?jǐn)嗦?。工作時油泵輸出的壓力油進(jìn)入升降油缸上腔,作用在順序閥的壓力增加使之接通,活塞便向下運(yùn)動。當(dāng)活塞要上升時,壓力油液經(jīng)單向閥進(jìn)入升降油缸下腔而不會被順序閥所阻,這樣采用單向順序閥克服手臂等自重,以防下滑,性能穩(wěn)定可靠。手指夾緊油缸支路裝有液控單向閥(IY-25B),使手指夾緊工件時不受系統(tǒng)壓力波動的影響,保證保證手指夾持工件牢靠。當(dāng)反向進(jìn)油時,油箱通過控制油路將單向閥芯頂開,使回油路接通,油液流回油箱。在手臂回轉(zhuǎn)后的定位所用的定位油缸支路要比系統(tǒng)壓力低,為此在定位油缸支路前串有減壓閥(J-10),使定位油缸獲得適應(yīng)壓力為15—18*10帕,同時還給電液動滑閥(或稱電液換向閥,34DY-63B)來實現(xiàn),空載卸荷不致使油溫升高。系統(tǒng)的壓力由溢流閥來調(diào)節(jié)。此系統(tǒng)四個主壓力油路的壓力測量,是通過轉(zhuǎn)換壓力表開關(guān)(K-3B)的位置來實現(xiàn)的,被測量的四個主油路的壓力值,分別從壓力表(Y-60)上表示出來。下面以上料機(jī)械手的一個典型動作程序為例,結(jié)合圖9來說明其動作循環(huán)。當(dāng)電動機(jī)啟動,帶動雙聯(lián)葉片泵3和8回轉(zhuǎn),油液從油箱1中通過網(wǎng)式濾油器2和7,經(jīng)過葉片泵被送到工作油路中去,如果機(jī)械手還未啟動,則油液通過二位二通電磁閥5和10(電磁鐵11DT和12DT通電)進(jìn)行卸荷。當(dāng)熱棒料到達(dá)上料的位置后,由于1150℃的熱料使光電繼電器發(fā)出電信號(或經(jīng)過人工啟動),經(jīng)過步進(jìn)選線器跳步,使機(jī)械手開始按程序動作。此時卸荷停止(二位二通電磁閥5和10的電磁鐵斷電),電磁鐵8DT通電,壓力油進(jìn)到定位油缸的無桿腔進(jìn)行定位動作。定位后此支油路系統(tǒng)壓力升高,壓力繼電器40發(fā)出電信號,經(jīng)過步進(jìn)選線器跳步使電磁鐵1DT通電,電液換向閥25從“O”型滑滑機(jī)能狀態(tài)變成通路,壓力油泵從3和8經(jīng)單向閥6、14和13,經(jīng)過電液換向閥25右邊通道進(jìn)入手臂伸縮油缸的右腔,使活塞桿帶動導(dǎo)向桿作前伸運(yùn)動(因活塞缸固定),手臂前伸到適當(dāng)位置,裝在手臂上的碰鐵碰行程開關(guān)發(fā)出電信號,經(jīng)步進(jìn)選線器和時間繼電器延時,是電磁鐵3DT通電,手指張開;手臂靠慣性滑行,手指移到待上料的中心位置。在延時結(jié)束時,3DT斷電,手指夾緊料;并同時發(fā)信、跳步,使電磁鐵4DT通電,壓力油從工作油路39經(jīng)電液換向閥33右邊通道、單向調(diào)速閥34的單向閥及單向順序閥35的單向閥進(jìn)入手臂升降油缸的下腔,推動手臂上升。在手臂上升到預(yù)定位置,碰行程開關(guān),使電磁鐵4DT斷電,電液換向閥33復(fù)位成“O”型滑閥機(jī)能狀態(tài),發(fā)出電信號經(jīng)步進(jìn)選線器跳步,使電磁鐵2DT通電,電液換向閥25左邊接通油路,壓力油通過電液換向閥25左邊通道,經(jīng)過單向調(diào)速閥26的單向閥進(jìn)入受臂伸縮油缸左腔使受臂縮回。同時發(fā)信、跳步,使電磁鐵13DT通電,壓力油通過電液換向閥41的左腔,推動手臂橫向移動。當(dāng)橫向移動機(jī)構(gòu)上的碰鐵碰到行程開關(guān),使13DT斷電,并發(fā)出電信號經(jīng)步進(jìn)選線器跳步使6DT通電,則換向閥18右邊接通油路,壓力油通過單向調(diào)速閥19的單向閥進(jìn)入手腕回轉(zhuǎn)油缸一腔,使手腕回轉(zhuǎn)115°,手腕上的碰鐵碰行程開關(guān)使6DT斷電,換向閥18復(fù)位成“O”型滑閥機(jī)能狀態(tài),同時亦使8DT斷電,定位油缸復(fù)位(拔銷);壓力繼電器復(fù)位,發(fā)出電信號。經(jīng)步進(jìn)選線器跳步,使電磁鐵9DT通電,換向閥28右邊通道接通油路,壓力油經(jīng)QI(31)的單向閥進(jìn)入手臂回轉(zhuǎn)油缸一腔使手臂回轉(zhuǎn)115°。當(dāng)手臂的回轉(zhuǎn)碰鐵碰行程開關(guān)使9 DT斷電,換向閥28復(fù)位成“O”型滑閥機(jī)能狀態(tài);并發(fā)出電信號。步進(jìn)選線器跳步,使8DT通電,定位油缸17動作,插定位銷,壓力繼電器40發(fā)出電信號經(jīng)發(fā)出電信號。經(jīng)步進(jìn)選線器跳步,使電磁鐵1DT通電,手臂前伸;當(dāng)手臂將棒料送到立式精鍛機(jī)的夾頭軸線前的適當(dāng)距離,手臂的碰鐵碰行程開關(guān),1DT斷電,手臂靠滑行和定位螺釘使手臂將棒料送到夾頭軸線處;并發(fā)出電信號、跳步使12DT通電,大泵卸荷,手臂處于“中?!蔽恢茫瑫r發(fā)出電信號使立式精鍛機(jī)啟動,夾頭下降,行程開關(guān)發(fā)信,通過時間繼電器使夾頭閉合將棒料夾牢,精鍛機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)信,給機(jī)械手電控系統(tǒng),經(jīng)過選線器跳步,時間繼電器延時使3DT通電,機(jī)械手手指松開(同時,精鍛機(jī)的電控系統(tǒng)發(fā)信使夾頭提升),延時到3DT斷電,手指閉合,并發(fā)出電信號,步選器跳步,2DT通電,手臂縮回。當(dāng)手筆碰鐵碰到行程開關(guān)時,2DT斷電(手臂縮回停);并發(fā)出電信號和跳步,使5DT通電,電液換向閥33的左邊通道接通油路,壓力油經(jīng)QI(36)的單向閥進(jìn)到升降缸的上腔,使手臂下降,當(dāng)升降導(dǎo)套上的碰鐵碰行程開關(guān)時,5DT斷電(手臂下降停);并發(fā)出電信號和跳步,使7DT通電,換向罰18的左邊通道接通油路,壓力油QI(20)的單向閥進(jìn)入手腕回轉(zhuǎn)油缸的另一腔,使手腕反轉(zhuǎn)115°;手腕上的碰鐵碰行程開關(guān),使7DT斷電并發(fā)出電信號、跳步,使8DT斷電(拔定位銷),壓力繼電器復(fù)位發(fā)出電信號、跳步,使10DT通電,換向閥28左邊通道接通油路,壓力油經(jīng)QI(29)的單向閥進(jìn)入手臂回轉(zhuǎn)油缸的另一腔,使手臂反轉(zhuǎn)115°(機(jī)械手復(fù)位)。當(dāng)手臂上的回轉(zhuǎn)碰鐵碰行程開關(guān)時,10DT斷電,并發(fā)出信號,跳步,使14DT通電,立柱回移(回到原位,機(jī)械手回到原來位置);步進(jìn)選線器跳步,使11DT和12DT通電(兩個油泵同時卸荷),機(jī)械手的動作循環(huán)結(jié)束。8.5機(jī)械手液壓系統(tǒng)的簡單計算計算的主要內(nèi)容是,根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所要求的輸出力和運(yùn)動速度,確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸和所需流量、確定液壓系統(tǒng)所需的油壓與總的流量,以及選擇油泵的規(guī)格和選擇油泵電動機(jī)的功率。確定各個控制閥的通流量和壓力以及輔助裝置的某些參數(shù)等。在本機(jī)械手中,用到的油缸有活塞式油缸(往復(fù)直線運(yùn)動)和回轉(zhuǎn)式油缸(可以使輸出軸得到小于360°的往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動)及無桿活塞油缸(亦稱齒條活塞油缸)。8.5.1雙作用單桿活塞油缸圖10雙作用單桿活塞桿油缸計算簡圖=1\*GB3①流量、驅(qū)動力的計算當(dāng)壓力油輸入無桿腔,使活塞以速度V1運(yùn)動時所需輸入油缸的流量Q1為Q1=DV1對于手臂伸縮油缸:Q1=0.98cm/s,對于手指夾緊油缸:Q1=1.02cm/s,對于手臂升降油缸:Q1=0.83cm/s油缸的無桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力P1即油缸的驅(qū)動力為:P1=Dp1對于手臂伸縮油缸:p1=196N,對于手指夾緊油缸:p1=126N,對于手臂升降油缸:p1=320N當(dāng)壓力油輸入有桿腔,使活塞以速度V2運(yùn)動時所需輸入油缸的流量Q2為:Q2=(D-d)V2對于手臂伸縮油缸:Q1=0.87cm/s,對于手指夾緊油缸:Q1=0.96cm/s,對于手臂升降油缸:Q1=0.72cm/s油缸的有桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力P2即油缸的驅(qū)動力為:P2=(D-d)p1對于手臂伸縮油缸:p1=172N,對于手指夾緊油缸:p1=108N,對于手臂升降油缸:p1=305N=2\*GB3②計算作用在活塞上的總機(jī)械載荷機(jī)械手手臂移動時,作用在機(jī)械手活塞上的總機(jī)械載荷P為P=P工+P導(dǎo)+P封+P慣+P回其中P工為工作阻力P導(dǎo)導(dǎo)向裝置處的摩擦阻力P封密封裝置處的摩擦阻力P慣慣性阻力P回背壓阻力P=83+125+66+80+208=562(N)=3\*GB3③確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸=1\*GB4㈠油缸內(nèi)徑的計算油缸工作時,作用在活塞上的合成液壓力即驅(qū)動力與活塞桿上所受的總機(jī)械載荷平衡,即P=P1(無桿腔)=P2(有桿腔)油缸(即活塞)的直徑可由下式計算D==1.13厘米(無桿腔)對于手臂伸縮油缸:D=50mm,對于手指夾緊油缸:D=30mm,對于手臂升降油缸:D=80mm,對于立柱橫移油缸:D=40mm或D=厘米(有桿腔)=2\*GB4㈡油缸壁厚的計算:依據(jù)材料力學(xué)薄壁筒公式,油缸的壁厚可用下式計算:=厘米P計為計算壓力油缸材料的許用應(yīng)力。對于手臂伸縮油缸:=6mm,對于手指夾緊油缸:=17mm,對于手臂升降油缸:=16mm,對于立柱橫移油缸:=17mm=3\*GB4㈢活塞桿的計算可按強(qiáng)度條件決定活塞直徑d。活塞桿工作時主要承受拉力或壓力,因此活塞桿的強(qiáng)度計算可近似的視為直桿拉、壓強(qiáng)度計算問題,即=≦即d≧厘米對于手臂伸縮油缸:d=30mm,對于手指夾緊油缸:d=15mm,對于手臂升降油缸:d=50mm,對于立柱橫移油缸:d=16mm8.5.2無桿活塞油缸(亦稱齒條活塞油缸)圖11齒條活塞缸計算簡圖=1\*GB3①流量、驅(qū)動力的計算Q=當(dāng)D=103mm,d=40mm,=0.95rad/s時Q=952N=2\*GB3②作用在活塞上的總機(jī)械載荷PP=P工+P封+P慣+P回其中P工為工作阻力P封密封裝置處的摩擦阻力P慣慣性阻力P回背壓阻力P=66+108+208=382(N)=3\*GB3③油缸內(nèi)徑的計算根據(jù)作用在齒條活塞上的合成液壓力即驅(qū)動力與總機(jī)械載荷的平衡條件,求得D=(厘米)D=45mm8.5.3單葉片回轉(zhuǎn)油缸在液壓機(jī)械手上實現(xiàn)手腕、手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動的另一種常用機(jī)構(gòu)是單葉片回轉(zhuǎn)油缸,簡稱回轉(zhuǎn)油缸,其計算簡圖如下:圖12回轉(zhuǎn)油缸計算簡圖=1\*GB3①流量、驅(qū)動力矩的計算當(dāng)壓力油輸入回轉(zhuǎn)油缸,使動片以角速度運(yùn)動時,需要輸入回轉(zhuǎn)油缸的流量Q為:Q=當(dāng)D=100mm,d=35mm,b=35mm,=0.95rad/s時Q=0.02m/s回轉(zhuǎn)油缸的進(jìn)油腔壓力油液,作用在動片上的合成液壓力矩即驅(qū)動力矩M:M=得M=0.8(N

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