液压与气动展示平台设计说明书

压 与 液 动 展 示 平 台

设计者：胡龙飞，崔国庆，汪金龙，李维龙，黄大庆

指导教师：查长礼，张兰芳

安庆师范学院 物理与电气工程学院

摘要：设计了一种集气压、液动系统为一体的多功能演示教具，使学生对气压与液动的知识点理解更加深刻。教具以齿轮泵为模具的驱动装置，带动伸缩式液压缸的运动，推动自卸车结构自卸和车门开闭结构开闭。模型的调示结果表明：多功能教具展示的气压液动传动机构原理，形象而又生动，是教师教学过程中的好帮手。

关键词：气压；液动；伸缩式液压缸；车门开闭结构；自卸车结构

1 研制的背景及意义

当代机、电、液一体化技术应用于现代机械，构成了现代机械产品的重要特点。本套教具组合主要是应用液压和气压的有关知识。

1、液压传动：液压传动是利用液体的静压来传递和控制动力和运动

2、气动传动：气动传动是利用压缩空气的静压能传递及控制动力和运动。 液压与气压传动技术在各类机械上得到了广泛的应用。

为了教学方便，我们设计组合这套液压气动组合的，这种教学用具微型化方便老师携带和教学，方便了学生对液压和气动传动的理解。

2 总体设计构想

活塞气泵连接着两个接口，一个出口导管输出气体，另一个导管吸入气体，将出气口通到密闭的水箱，相当于给水箱加压，这样就会把水压到吸入气体的水管中，水会随导管流入水槽，当水槽达到一定容量时，关闭活塞气泵。接着打开齿轮泵，齿轮泵将水压入换向阀，如果将换向阀旋转至1处，导管的水会流到伸缩式液压缸的自卸车模型机构处，伸缩液压缸开始工作，将自卸车机构抬起。如果将换向阀旋转至2处，导管的水会流到车门开闭机构处，可以轻松的打开“车门”，再次按下开关后，齿轮泵反向旋转，实现车门闭合或自卸车机构复位。总体结构如图1所示。

图1 总体结构图

3 机械零件设计

3.1车门开闭结构

双曲柄车门开闭机构

此类车门启闭机构利用了反平行四边形双曲柄中两曲柄反向运动的特点。运动简图如图所示，杆AB与左边门固结，CD与右边门固结，主动曲柄AB转动时，通过连杆BC带动从动曲柄CD朝着相反方向转动，门随即打开，并且此机构可以保证两扇门同时开启关闭。车门开闭机构如图2所示

图2 车门开闭结构

车门开闭模型如图3所示。

图3 车门开闭模型

试说明车门同时开闭的条件。

使车门同时打开，则AB杆与CD杆有同样的角速度B点与C点速度一致。 作BC杆的速度瞬心P，为AB杆与CD杆的延长线交点。

使B点与C点速度一致，则必须PB=PC。 三角形PBC为等腰三角形。

所以，车门能同时开闭的条件是：

当车门关闭时，角ABC与角DCB的和为180度，且AB=DC。

3.2活塞泵

图4活塞泵机构

活塞泵机构如图4所示，电机经蜗杆以及齿轮减速（总减速比约125:1）后再经过凸轮变成直线运动，给活塞提供动力。活塞拉伸时液体或气体经由进口吸入，暂存在缸体内，活塞压缩时将液体或气体从出口压出，两个黑色的特殊橡胶是单向阀（结构简单，寿命长）。

3.3水槽

图5 水槽

水槽结构如图5所示，用亚克力板制作成长x宽x高60x60x10的无盖水槽。

3.4齿轮泵

图6 齿轮泵

齿轮泵的工作及结构如图6所示，当齿轮泵主动齿轮转动，吸油腔齿轮脱开啮合，齿轮的轮齿退出齿间，使密封容积增大，形成局部真空，油箱中的油液在外界大气压的作用下，经吸油管路、吸油腔进入齿间。随着齿轮转动，吸入齿间的油液被带到另一侧，进入压油腔。这是齿轮进入啮合，使密封性逐渐减小，齿轮间部分的油液被挤出，形成了齿轮的压油过程。齿轮啮合时齿向接触线把吸油腔和压油腔分开，起配油作用。当齿轮泵的主动齿轮有电机带动不断转动时，齿轮脱开啮合一侧，由于密封容积变大，则不断从油箱中吸油，轮齿进入啮合的一侧，由于密封容积减小则不断地排油，形成一个连续的循环的过程。

3.5溢流阀

图7 溢流阀

定压溢流作用：在定量泵节流调节系统中，定量泵提供的是恒定流量。当系统压力增大时，会使流量需求减小。此时溢流阀开启，使多余流量溢回油箱，保证溢流阀进口压力，即泵出口压力恒定（阀口常随压力波动开启）。 安全保护作用：系统正常工作时，阀门关闭。

只有负载超过规定的极限（系统压力超过调定压力）时开启溢流，进行过载保护，使系统压力不再增加（通常使溢流阀的调定压力比系统最高工作压力高10％～20％）。溢流阀结构如图7所示。

图8 旋转换向阀示意图

3.6旋转式换向阀

换向阀是具有两种以上流动形式和两个以上油口的方向控制阀。是实现液压油流的沟通、切断和换向，以及压力卸载和顺序动作控制的阀门。旋转换向阀如图8所示。

3.7伸缩式液压缸

图9伸缩式液压缸

伸缩式液压缸机构如图9所示，当压力油从无杆腔进入，活塞受力推动杆伸出；或者从有杆腔和无杆腔同时进入，形成差动。伸缩式液压缸结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。

3.8车厢

图10 车厢

车厢结构示意图如图10所示，主参数： 长x宽x高 100x50x100mm 侧边短高25mm 侧边长高50mm

4 理论设计计算 4.1、活塞泵的参数

工作电压 3v—6v

6v时电流400mA, 转速是100r/min D=10mm 水槽 长宽高6x6x2=72（cm3）

N1=100r/min 涡轮传动比i1=1/50 偏心轮传动比i2=25/14.5 总传动比i总=i1Xi2=1/29 N2=N1Xi总=100/29

V=ΠdN2=3.14X10X100/29=108mm/min A=ΠXD2/4=78.5mm2

Q=AV=108X78.5/100=85mm3/min T=V/Q=85/72=1.2min 即注满水槽需要1.2min

4.2、伸缩式液压的参数

最低的工作压力0.7Mpa 直径0.4cm ○1自卸车结构总重为F1=10N

顶杆到定轴的距离L1=100mm,重心到定轴距离L2=50mm. 自卸车所需顶起最小压力为F2 F1XL2=F2XL1 =>F2=5N

L1伸缩缸提供的最低压力为：

F=PS=0.7X106XΠ（0.2X10-2）2=8.8〉5 可行

○2 车门开闭结构F=8.8N 定轴到阀芯的距离为L3=5mm

T=FXL3Sinθ 当θ=30时 提供最小的转矩 Tmin=0.2N· m 自动门所需转矩为T2 轴承及其他阻力f=3N T2=fXL3=0.15N·m4.3、齿轮泵的参数

向上射程3.5m 最高压力2kg 流量33kg/h 空管吸程1.2m管内吸满水后吸程4---5m 实际吸程24cm 高度10cm

现验证此齿轮泵能否伸缩式液压缸提供足够的压力： D=4mm F=20N

P=F/S=5Mpa>>0.7Mpa可行

4.4、车门开闭结构

门 长x宽 100x50mm

四连杆 短杆x1 长x宽30x10mm 长杆x2 长x宽100x10mm 导杆x1 长x宽100x10mm 孔加工D=5mm

长杆孔间距90mm 短杆孔间距25mm

门的设计符合四连杆机构的逆平行

5零件的选择

（1）自卸车结构：精雕机精雕亚克力板成型，用胶水粘结成型，固定轴用螺纹连接固定 （2）车门开闭结构：精雕机精雕门板和四连杆机构及打孔。门轴选择长为10cm，直径为4mm的钢杆，门的支座用亚克力板制作，铣床铣出长x宽x高 25x30x1mm的长方体。轴承选择6000型 624 的轴承。

（3）水槽用亚克力板制作成长x宽x高60x60x10的无盖水槽

（4）电路板自制使按下左开关齿轮泵正传，按下右开关电机停止转动，再按下左开关齿轮泵反转

（5）底座用亚克力板制作成长x宽450x320的矩形底座，再用亚克力板铣出长x宽x高 40x35x20的支座

（6）水箱 利用废旧的塑料矿泉水瓶

（7）齿轮泵 向上射程3.5m 最高压力2kg 流量33kg/h （8）溢流阀 溢流压力为6Mpa的微型溢流阀 （9）换向阀 三位四通旋转微型换向阀

（9）气泵 工作电压 3v—6v 6v时电流400mA, 转速是100r/min D=10mm

6创新点及应用 6.1 创新点

1、 此套教具易拆分、组装，并且融合了液压与气动的工作原理，不仅使课堂趣味性显著增加而且，实现了教具的系统化

2、 质量轻，体积小，真正实现了微型化，老师方便携带。

3、 与传统教具相比，这套教具多采用亚克力板制造，易加工，成本较低。

6.2应用

此多功能教具可以用在高校机械课堂上，能实现不同运动功能的演示，重复使用率高。有助于学生对机械理论知识的理解，是高校教师不可或缺的帮手。此外，该教具结构简单、做工方便、重量轻、功能多，利于批量生产，具有很好的市场前景。

参考文献

[1] 石望远，李斌，郑广花.液压与气动传动.北京：国防科技大学.2012 [2] 濮良贵，纪名刚. 机械设计.北京：高等教育出版社.2006

[3] 孙恒，陈作模，葛文杰．机械原理．北京：高等教育出版社.2006

[4] 熊良山，张福润．机械制造技术基础．武汉：大华中科技大学出版社．2012

附录 实物图

活塞气泵

伸缩式液压缸

齿轮泵

车门开闭结构