第四章液壓缸(流體傳動)

1、重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院主講：劉振軍 博士 教授流體傳動與控制流體傳動與控制2011年9月重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院2第第4章章 液壓缸液壓缸重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院3功用功用：將壓力能轉換為機械能而對負載作功，實現(xiàn)直線往復：將壓力能轉換為機械能而對負載作功，實現(xiàn)直線往復運動。運動。4.1 類型及特點類型及特點結構形式結構形式活塞式活塞式柱塞式柱塞式組合式組合式單作用式單作用式作用方式作用方式雙作用式雙作用式重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院4 只有一腔能進出壓力油，活塞（缸體）只能依靠液壓力只有一腔能

2、進出壓力油，活塞（缸體）只能依靠液壓力作單向運動，回程需借助自重作單向運動，回程需借助自重/ /外力的液壓缸外力的液壓缸單作用式單作用式單作用式又分為單作用式又分為無彈簧式無彈簧式附彈簧式附彈簧式柱塞式柱塞式4.1 類型及特點類型及特點重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院5 兩腔均能進出壓力油，活塞（缸體）能作正、反兩個方向兩腔均能進出壓力油，活塞（缸體）能作正、反兩個方向移動。移動。雙作用式又分兩種雙作用式又分兩種雙作用式雙作用式雙桿形雙桿形單桿形單桿形4.1 類型及特點類型及特點重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院6柱塞式液壓缸柱塞式液壓缸單活塞桿式液壓缸單活塞桿式液壓缸雙活塞桿式

3、液壓缸雙活塞桿式液壓缸伸縮式液壓缸伸縮式液壓缸4.1 類型及特點類型及特點重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院7單活塞桿式液壓缸單活塞桿式液壓缸雙活塞桿式液壓缸雙活塞桿式液壓缸伸縮式液壓缸伸縮式液壓缸彈簧復位式液壓缸彈簧復位式液壓缸4.1 類型及特點類型及特點重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院8增壓缸增壓缸串聯(lián)式液壓缸串聯(lián)式液壓缸齒輪缸齒輪缸4.1 類型及特點類型及特點重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院9擺動缸擺動缸4.1 類型及特點類型及特點重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院104.1 類型及特點類型及特點重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院114.1 類型及特點類

4、型及特點重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院121-缸底 2-彈簧擋圈 3-套環(huán) 4-卡環(huán) 5-活塞 6- 型密封圈 7-支承環(huán) 8-擋圈 9-形密封圈 10-缸筒 11-管接頭 12-導向套 13-缸蓋 14-防塵圈 15-活塞桿 16-定位螺釘 17-耳環(huán) 1.1.活塞缸活塞缸 單活塞桿液壓缸只有一端有活塞桿。兩端進出油口單活塞桿液壓缸只有一端有活塞桿。兩端進出油口A和和B都都可通壓力油或回油，以實現(xiàn)雙向運動，故稱為雙作用缸。可通壓力油或回油，以實現(xiàn)雙向運動，故稱為雙作用缸。4.1 類型及特點類型及特點重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院13重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院

5、144.1 類型及特點類型及特點重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院15當供給液壓缸的流量當供給液壓缸的流量Q一定時，活塞兩個方向的運動速度為：一定時，活塞兩個方向的運動速度為：v1 = Q/A1 = 4 Q/D2 (向左）向左）v2 = Q/A2 = 4 Q/(D2-d2) (向右）向右）當供油壓力當供油壓力 p 一定，回油壓力為零時作用力一定，回油壓力為零時作用力F1 = p.A1 = p.D2/4 (向右）向右）F2 = p.A2 = p.(D2-d2)/4 (向左）向左）A1 F3A2dv1Dv2F14.1 類型及特點類型及特點重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院16當差動連接

6、時，作用力為：當差動連接時，作用力為：F3 = p(A1-A2) = p.(d2/4)速度速度: v3 = (Q+Q2)/A1 = (Q+v3.A2)/A1v3 = Q/(A1-A2) = 4Q/d2 差 動 連 接 的 單 活 塞 桿 液 壓 缸P2QA1Q1P1Q2A2F3V34.1 類型及特點類型及特點重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院174.1 類型及特點類型及特點重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院18 單活塞桿液壓缸可以是缸筒固定，活塞運動；也可以是活單活塞桿液壓缸可以是缸筒固定，活塞運動；也可以是活塞桿固定缸筒運動。無論采用其中哪一種形式，液壓缸運動所塞桿固定缸筒運動。

7、無論采用其中哪一種形式，液壓缸運動所占空間長度都是兩倍行程。占空間長度都是兩倍行程。單活塞桿液壓缸運動所占空間4.1 類型及特點類型及特點重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院19雙活塞桿式液壓缸雙活塞桿式液壓缸11活塞桿活塞桿 2 2堵頭堵頭 3 3托架托架 4 4、17V17V形密封圈形密封圈 5 5、1414排氣孔排氣孔 6 6、1919導向套導向套 7O7O形密封圈形密封圈 8 8活塞活塞 9 9、2222錐銷錐銷 10 10缸體缸體 11 11、2020壓板壓板 12 12、2121鋼絲環(huán)鋼絲環(huán) 1313、2323紙墊紙墊 15 15活塞桿活塞桿 16 16、2525壓蓋壓蓋1 8

8、1 8、2424缸蓋缸蓋 雙活塞桿液壓缸的兩端都有活塞伸出，組成與單活塞桿液壓雙活塞桿液壓缸的兩端都有活塞伸出，組成與單活塞桿液壓缸基本相同。缸筒與缸蓋用法蘭連接，活塞與缸筒內壁之間采用缸基本相同。缸筒與缸蓋用法蘭連接，活塞與缸筒內壁之間采用間隙密封。間隙密封。4.1 類型及特點類型及特點重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院201活塞桿 2壓蓋 3缸蓋 4缸筒 5活塞 6密封圈雙活塞桿液壓缸結構4.1 類型及特點類型及特點重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院21 雙活塞桿液壓缸的兩活塞桿直徑通常相等，活塞兩端有效雙活塞桿液壓缸的兩活塞桿直徑通常相等，活塞兩端有效面積相同。如果供油壓力不

9、變，那么活塞反復運動時兩個方向面積相同。如果供油壓力不變，那么活塞反復運動時兩個方向的作用力和速度相等。的作用力和速度相等。v = Q/A = 4Q/ (D2-d2) F = p.A = p . (D2-d2) /4這種液壓缸在傳動時活塞桿只承受拉力，多數(shù)用于機床。這種液壓缸在傳動時活塞桿只承受拉力，多數(shù)用于機床。4.1 類型及特點類型及特點重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院222. 柱塞式液壓缸柱塞式液壓缸柱塞式液壓缸特點柱塞式液壓缸特點(1) 一種單作用式液壓缸，靠液壓力只能實現(xiàn)一個方向的運一種單作用式液壓缸，靠液壓力只能實現(xiàn)一個方向的運動，柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重；動，柱塞

10、回程要靠其它外力或柱塞的自重；4.1 類型及特點類型及特點重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院23(2) 柱塞只靠缸套支承而不與缸套接觸，這樣缸套極易加工，柱塞只靠缸套支承而不與缸套接觸，這樣缸套極易加工，故適于做長行程液壓缸；故適于做長行程液壓缸；(3) 工作時柱塞總受壓，因而它必須有足夠的剛度；工作時柱塞總受壓，因而它必須有足夠的剛度；(4) 柱塞重量往往較大，水平放置時容易因自重而下垂，造成柱塞重量往往較大，水平放置時容易因自重而下垂，造成密封件和導向單邊磨損，故其垂直使用更有利。密封件和導向單邊磨損，故其垂直使用更有利。柱塞上有效作用力柱塞上有效作用力F為：為：24p dFpA24

11、QQvAd柱塞運動速度為：柱塞運動速度為：4.1 類型及特點類型及特點重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院241活塞 2套筒 3O形密封圈 4缸筒 5缸蓋伸縮式液壓缸結構示意圖3. 伸縮式液壓缸伸縮式液壓缸 具有二級或多級活塞，如伸縮式缸活塞伸出順序從大到小，具有二級或多級活塞，如伸縮式缸活塞伸出順序從大到小，而空載縮回的順序則一般從小到大?？蓪崿F(xiàn)較長的行程，而縮而空載縮回的順序則一般從小到大?？蓪崿F(xiàn)較長的行程，而縮回時長度較短，結構較為緊湊。常用于工程機械和農業(yè)機械上。回時長度較短，結構較為緊湊。常用于工程機械和農業(yè)機械上。4.1 類型及特點類型及特點重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程

12、學院254.1 類型及特點類型及特點重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院264.1 類型及特點類型及特點重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院27缸筒缸筒主要是由鋼材制成，主要是由鋼材制成，工作壓力p10MPa 鑄鐵缸筒 10MPap20MPa 無縫鋼管 p20MPa 鑄鋼或鍛鋼4.2 液壓缸的典型結構液壓缸的典型結構 缸筒內要經過精細加工，表面粗糙度缸筒內要經過精細加工，表面粗糙度Ra0.08 m，以以減少密封件的摩擦減少密封件的摩擦。重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院28通常由鋼材制成，有前端蓋和后端蓋，安裝在缸筒的前后兩端，通常由鋼材制成，有前端蓋和后端蓋，安裝在缸筒的前后兩

13、端，蓋板和缸筒的連接方法有焊接、拉桿、法蘭、羅紋連接等。蓋板和缸筒的連接方法有焊接、拉桿、法蘭、羅紋連接等。4.2 液壓缸的典型結構液壓缸的典型結構缸蓋缸蓋重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院29活塞活塞 活塞的材料通常用鋼或鑄鐵，也可采用鋁合金?；钊麘幸换钊牟牧贤ǔＳ娩摶蜩T鐵，也可采用鋁合金?；钊麘幸欢ǖ膶蜷L度，一般取活塞長度為缸筒內徑的（定的導向長度，一般取活塞長度為缸筒內徑的（0.61.0）倍倍。 活塞桿是由鋼材做成實心桿或空心桿，表面經淬火再鍍鉻處活塞桿是由鋼材做成實心桿或空心桿，表面經淬火再鍍鉻處理并拋光。短行程的液壓缸的活塞桿與活塞做成一體。理并拋光。短行程的液壓缸的活

14、塞桿與活塞做成一體。4.2 液壓缸的典型結構液壓缸的典型結構活塞桿活塞桿重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院30活塞與活塞桿的連接活塞與活塞桿的連接螺母連接螺母連接 結構簡單，適用負載較小，受力無沖擊結構簡單，適用負載較小，受力無沖擊的缸中，安裝方便可靠，但在活塞桿上車的缸中，安裝方便可靠，但在活塞桿上車螺紋將削弱其強度。螺紋將削弱其強度。法蘭連接法蘭連接高壓，需焊接法蘭盤，較復雜高壓，需焊接法蘭盤，較復雜結構簡單，軸向尺寸緊湊，但損壞后需整體更換結構簡單，軸向尺寸緊湊，但損壞后需整體更換整體式整體式4.2 液壓缸的典型結構液壓缸的典型結構重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院31卡環(huán)式

15、連接卡環(huán)式連接 活塞桿上開有一個環(huán)形槽，槽內裝有兩個半圓環(huán)活塞桿上開有一個環(huán)形槽，槽內裝有兩個半圓環(huán)3以夾緊以夾緊活塞活塞4，半環(huán)，半環(huán)3由軸套由軸套2套住，而軸套套住，而軸套2的軸向位置用彈簧卡的軸向位置用彈簧卡圈圈1來固定。來固定。4.2 液壓缸的典型結構液壓缸的典型結構重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院32徑向銷式連接徑向銷式連接 用錐銷用錐銷1把活塞把活塞2固連在活塞桿固連在活塞桿3上。特別適用于雙出桿式上。特別適用于雙出桿式活塞。活塞。 4.2 液壓缸的典型結構液壓缸的典型結構重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院33緩沖裝緩沖裝置置作用：防止活塞在行程的終點與前后端蓋板發(fā)生

16、碰撞，引起防止活塞在行程的終點與前后端蓋板發(fā)生碰撞，引起噪音，影響工件精度或使液壓缸損壞。噪音，影響工件精度或使液壓缸損壞。前后端蓋上設緩沖裝置前后端蓋上設緩沖裝置緩沖原理：利用節(jié)流方法在液壓缸的利用節(jié)流方法在液壓缸的回油腔產生阻力，減小速回油腔產生阻力，減小速度，避免撞擊。度，避免撞擊。4.2 液壓缸的典型結構液壓缸的典型結構重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院34 凡是兩個零件連接處或相對運動表面都應設置密封裝置凡是兩個零件連接處或相對運動表面都應設置密封裝置靜密封靜密封O形圈形圈動密封動密封O形圈形圈、V形密封、形密封、U形密封形密封、 Y形密封、復合密封、形密封、復合密封、活塞環(huán)。

17、活塞環(huán)。密封裝置密封裝置用以防止油液的泄漏用以防止油液的泄漏4.2 液壓缸的典型結構液壓缸的典型結構重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院35放氣裝置放氣裝置 在安裝過程中或停止工作的一段時間后，空氣將滲入液壓在安裝過程中或停止工作的一段時間后，空氣將滲入液壓系統(tǒng)內，缸筒內如存留空氣，將使液壓缸在低速時產生爬行、系統(tǒng)內，缸筒內如存留空氣，將使液壓缸在低速時產生爬行、顫抖現(xiàn)象，換向時易引起沖擊，因此在液壓缸結構上要能及時顫抖現(xiàn)象，換向時易引起沖擊，因此在液壓缸結構上要能及時排除缸內留存的氣體。排除缸內留存的氣體。 雙作用式液壓缸不設雙作用式液壓缸不設專門的放氣孔，將液壓油專門的放氣孔，將液壓油

18、出入口布置在前后蓋板的出入口布置在前后蓋板的最高處。最高處。 大型雙作用式液壓缸則必須在前后端蓋板設放氣栓塞。對大型雙作用式液壓缸則必須在前后端蓋板設放氣栓塞。對于單作用式液壓缸液壓油出入口一般設在缸筒底部，在最高處于單作用式液壓缸液壓油出入口一般設在缸筒底部，在最高處設放氣栓塞。設放氣栓塞。4.2 液壓缸的典型結構液壓缸的典型結構重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院36 液壓缸的設計和計算液壓缸的設計和計算 選擇結構類型，按負載情況、運動要求、最大行程等確定其選擇結構類型，按負載情況、運動要求、最大行程等確定其主要工作尺寸，進行強度、穩(wěn)定性和緩沖驗算，最后再進行結構主要工作尺寸，進行強度

19、、穩(wěn)定性和緩沖驗算，最后再進行結構設計。設計。 液壓缸的設計內容和步驟液壓缸的設計內容和步驟(1)(1)選擇液壓缸的類型和各部分結構形式選擇液壓缸的類型和各部分結構形式 (2)(2)確定液壓缸的工作參數(shù)和結構尺寸確定液壓缸的工作參數(shù)和結構尺寸 (3)(3)結構強度、剛度的計算和校核結構強度、剛度的計算和校核 (4)(4)導向、密封、防塵、排氣和緩沖等裝置的設計導向、密封、防塵、排氣和緩沖等裝置的設計 (5)(5)繪制裝配圖、零件圖、編寫設計說明書繪制裝配圖、零件圖、編寫設計說明書 4.3 設計計算設計計算重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院37 計算液壓缸的結構尺寸計算液壓缸的結構尺寸 三

20、個主要結構尺寸三個主要結構尺寸缸筒內徑缸筒內徑D活塞桿外徑活塞桿外徑d缸筒長度缸筒長度L(1)缸筒內徑缸筒內徑D 負載負載工作壓力工作壓力 往返速度比往返速度比 有效工作面積有效工作面積 缸筒內徑缸筒內徑D 取標準值取標準值 以無桿腔作工作腔時以無桿腔作工作腔時 max4IFDp4.3 設計計算設計計算重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院38以有桿腔作工作腔時以有桿腔作工作腔時 2max4dpFDI(2)活塞桿外徑活塞桿外徑d 先從滿足速度或速度比的要求來選擇，然后再校核其結構強先從滿足速度或速度比的要求來選擇，然后再校核其結構強度和穩(wěn)定性。度和穩(wěn)定性。 vvD1(3)缸筒長度缸筒長度L

21、由最大工作行程長度加上各種結構需要來確定由最大工作行程長度加上各種結構需要來確定 L=l+B+A+M+C最大工作行程最大工作行程 活塞寬度活塞寬度 一般為一般為(0.6-1)D 桿導向長度桿導向長度 取取(0.6-1.5)D 活塞桿密封長度活塞桿密封長度 其他長度其他長度 4.3 設計計算設計計算重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院39(4)最小導向長度的確定最小導向長度的確定 活塞桿全部外伸時，活塞支承面中點到導向套滑動面中點活塞桿全部外伸時，活塞支承面中點到導向套滑動面中點的距離。的距離。保證穩(wěn)定性的最小長度保證穩(wěn)定性的最小長度 HL/20+D/2 4.3 設計計算設計計算重慶大學機械

22、工程學院重慶大學機械工程學院40隔套寬度隔套寬度C 2ABCH 強度校核強度校核 在高壓系統(tǒng)中必須對液壓缸的缸筒壁厚在高壓系統(tǒng)中必須對液壓缸的缸筒壁厚、活塞桿直徑、活塞桿直徑d和缸和缸蓋固定螺栓的直徑進行強度校核。中低壓系統(tǒng)，無需校核。蓋固定螺栓的直徑進行強度校核。中低壓系統(tǒng)，無需校核。(1)缸筒壁厚校核缸筒壁厚校核 D/10時，壁厚按薄壁進行校核：時，壁厚按薄壁進行校核：=py D/2 D/ 10，按壁厚進行校核，按壁厚進行校核 0.412 1.3ttpDp4.3 設計計算設計計算重慶大學機械工程學院重慶大學機械工程學院41(2)活塞桿直徑校核活塞桿直徑校核 4 Fd (3)液壓缸蓋固定螺栓直徑校核液壓缸蓋固定螺栓直徑校核 5.2 kFdZ 穩(wěn)定性校核穩(wěn)定性校核 F Fk 緩沖計算緩沖計算 4.3 設計計算設計計算重慶大