液壓傳動及控制第四章

1、第四章 動力油缸（液壓缸） 油馬達(dá)輸出的是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩,是連續(xù)的轉(zhuǎn)動；有些工作機(jī)要求的是力和往復(fù)直線運(yùn)動或者是轉(zhuǎn)矩和小的往復(fù)擺動，這就是動力油缸。第一節(jié)液壓油缸的類型及特點(diǎn)一、分類動力油缸 單作用油缸 活塞式 柱塞式 伸縮式 雙作用油缸 單活塞桿 差動 雙活塞桿 伸縮式 組合油缸 串聯(lián) 增壓 多位 齒條傳動 擺動油缸 單葉片式 雙葉片式以運(yùn)動形式分兩種;往復(fù)直線運(yùn)動,往復(fù)擺動。二、活塞式液壓缸二、活塞式液壓缸 結(jié)構(gòu)由缸筒、活塞、活塞桿、端蓋、支架和密封件等組成。當(dāng)壓力油從左油口進(jìn)入缸的左缸時,推動活塞向右運(yùn)動,從而通過活塞桿帶動工作臺也向右運(yùn)動。缸左腔的油則從右口排出。若從右口進(jìn)壓力油,則工作臺

2、會產(chǎn)生反向(左)運(yùn)動,左口就會成為排油口。 1 1、雙活塞桿液壓缸、雙活塞桿液壓缸缸的職能符號： 1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩側(cè)有效工作面積一樣。L缸筒固裝在機(jī)架上,活塞桿與工作臺相連。這種安裝方式當(dāng)活塞桿的有效行程為l時,整個工作臺的運(yùn)動范圍是3l,所以機(jī)器占地面積較大。 2）安裝方式：兩種 活塞桿固裝在機(jī)架上,缸筒則與工作臺相連。這樣,工作臺的移動范圍只等于活塞有效行程l的2倍(2l),所以機(jī)器占地面積較小。 L 雙活塞桿液壓缸的兩端直徑通常是相等的,因而液壓缸左右兩腔的有效面積相同。若供油壓力和流量不變,則活塞往復(fù)運(yùn)動時兩個方向的作用力和速度是相等的。作用力和速度的計(jì)算式如下:(設(shè)回油壓力為零) F

3、ApDdp422()vQDd1422（)式中：p供油壓力; A活塞有效面積; Q供油量; d活塞桿直徑; D活塞直徑; 3）基本參數(shù)：2 2、單活塞桿液壓缸、單活塞桿液壓缸1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 這種液壓缸的活塞只有一端從缸的端頭伸出。其結(jié)構(gòu)組成與雙活塞桿液壓缸相似職能符號：2）工作原理：無桿腔進(jìn)油腔回油腔有桿腔因兩側(cè)有效作用面積或油液壓力不等，活塞在液壓力的作用下，作直線往復(fù)運(yùn)動。3）安裝方式：4）基本參數(shù)： 這種液壓缸由于左、右腔的活塞有效工作面積不相等,因而以相同的壓力和流量先后分別向左、右腔供油,則活塞向右、向左產(chǎn)生的推力和速度是不相同的。各種情況下的推力和速度的計(jì)算方法如下 :（1）從大腔（

4、無桿腔）進(jìn)油,小腔（有桿腔）回油,則 Fp AA pD pDdpvQD11122212221244()（2）從小腔進(jìn)油, 大腔回油(如圖),則有 Fp AA pDdpD pvQDd212122212222244()()式中 F1 F2壓力油進(jìn)入大腔、小腔時活塞的推力或拉力; v1 v2 壓力油分別進(jìn)入大腔、小腔時活塞的運(yùn)動速度; p1 p2供油壓力或回油壓力,俗稱背壓; （3）v2、v1之比稱為速度比212)(11Ddvvv可見單活塞桿液壓缸左、右兩個方向的工作性能是不對稱的。 例：液壓刨床）差動液缸 若要得到對稱的工作特性, 對單活塞桿液壓缸來說可采用差動工作方式來實(shí)現(xiàn)。所謂差動工作方式,就

5、是把油路接成如圖所示的差動連接,即壓力油同時進(jìn)入大腔和小腔。這時兩腔的壓力雖然相同,但由于兩腔有效面積不同,故而推動活塞向右的力大于推活塞向左的力,因此活塞會產(chǎn)生向右的運(yùn)動。 活塞向右運(yùn)動中,小腔排出的油流量為Q,這股流量與供油流量合在一起進(jìn)入大腔,使活塞向右運(yùn)動的速度加快。其計(jì)算方法如下。 Q1p1Q1QvQQAQv AA31321vQAAQd31224v3v2差動連接的單活塞桿液壓缸也稱差動液壓缸。由式可見,對差動液缸,可以得到幾點(diǎn)結(jié)論：a只要改變活塞桿的直徑就可改變運(yùn)動速度,因此,采用差動液壓缸可以方便地實(shí)現(xiàn)所要求的快速運(yùn)動，比單從大油腔單獨(dú)供油時的速度大；b只要有A1=2A2 （即：

6、）的關(guān)系,差動連接的運(yùn)動速度v3可以等于小腔進(jìn)油(供油流量不變)大腔回油時的運(yùn)動速度； dD222c這種缸的活塞推力計(jì)算公式為： 根據(jù)以上F2公式，如果回油壓力p2 =0，則返回時： 122134)(pdAApF1222122212124)(4pdpDpdDpAApF 即可以F2=F3，可見，差動液缸可以實(shí)現(xiàn)活塞左右運(yùn)動時的推力相等。而且推力比非差動連接小。 總上是說，差動油缸克服了由于活塞桿面積對往復(fù)運(yùn)動力與速度的影響。 6）活塞式液壓缸典型結(jié)構(gòu)1缸底 2卡鍵 3、5、9、11密封圈 4活塞 6缸筒7活塞桿 8導(dǎo)向套 10缸蓋 12防塵圈 13耳軸3、無活塞桿液壓缸又稱齒條活塞液壓缸 三、柱

7、塞式液壓缸三、柱塞式液壓缸 柱塞式液壓缸由缸筒1、活塞2、缸套3和彈簧卡圈4等零件組成。壓力油從唯一的油口進(jìn)入缸筒,推動柱塞向下運(yùn)動,壓力油泄掉,柱塞不會自動向左運(yùn)動。 由此可見這種液壓缸的工作有如下特點(diǎn):(1)它是一種單作用式液壓缸,靠液壓力只能實(shí)現(xiàn)一個方向的運(yùn)動,柱塞的回程要靠其它的外力或柱塞的自重(當(dāng)液壓缸垂直放置時);(2)柱塞只靠缸套支承而不與缸筒接觸,這樣缸筒極易加工,故適于做長行程液壓缸;(3)工作時液壓缸總受壓,因而它必須具有足夠的剛度;(4)柱塞端面是受油壓的工作面,所以:柱塞上有效作用力為:柱塞的運(yùn)動速度為:式中:d柱塞直徑。其它符號意義同前。 FpAd p42vQAQd4

8、2（5）柱塞式液壓缸是單作用式的，它的回程需要借助自重（垂直放置時）、彈簧力等其它外力來完成。 為了實(shí)現(xiàn)雙向往復(fù)運(yùn)動，即實(shí)現(xiàn)兩個方向的液壓驅(qū)動,可采用雙柱塞缸并排安裝的方案 .（6）柱塞只靠鋼套支撐而不與缸體接觸，這樣缸筒易于加工，故適于做長行程的液壓缸。太長，有時需要加輔助導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。 四四. .擺動式液壓缸擺動式液壓缸 擺動式液壓缸是一種作往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的執(zhí)行元件。 符號： 單片式擺動式液壓缸，由于結(jié)構(gòu)的限制,其旋轉(zhuǎn)的角度小于360。 雙片式擺動液壓缸，擺動角度小于180，但與單片式相比，在結(jié)構(gòu)尺寸相同的情況下，其輸出轉(zhuǎn)矩增大一倍，并具有徑向液壓力平衡的優(yōu)點(diǎn)。兩者都可使輸出軸作逆時針旋轉(zhuǎn)和作順

9、時針旋轉(zhuǎn)。 擺動式液壓缸的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速計(jì)算方法如下:MpbrdrpbDdpb Ddpb DdtdD2222222212221818()() ()()由于存在摩擦 MQt，所以容積效率為：VtQQMVQDdb()22式中-D缸體內(nèi)孔直徑; d-輸出軸外圓的直徑; b-葉片的寬度;其它符號意義同前。 要增加擺動式液壓缸的輸出扭矩,可用增加葉片的數(shù)目來實(shí)現(xiàn)。葉片的數(shù)目應(yīng)成對增加（考慮對稱徑向液壓力平衡）。若葉片的對數(shù)為Z,在其它條件不變的情況下,擺動缸的輸出扭矩將增大倍,但轉(zhuǎn)速將減小倍。 五、伸縮液壓缸1一級缸筒 2一級活塞 3二級缸筒 4二級活塞六.液壓缸的維護(hù)（1）在拆卸液壓缸前，先松開溢流閥

10、，將系統(tǒng)壓力降為零，再切斷電源。（2）放掉液壓缸兩腔油液，一般應(yīng)先松開端蓋的連接螺栓，然后按順序拆卸。（3）拆卸時，不能損傷進(jìn)、出油口螺紋，活塞桿表面和頭部螺紋。（4）拆卸后，應(yīng)檢查各配合表面及密封（5）組裝液壓缸前，將各部分用汽油或煤油洗凈晾干。（6）組裝液壓缸時特別注意密封元件的安裝（7）耐壓試驗(yàn)后應(yīng)再次緊固有關(guān)螺栓。七、液壓缸常見故障和排除方法故障現(xiàn)象產(chǎn) 生 原 因排 除 方 法爬行1外界空氣進(jìn)入缸內(nèi)2密封壓得太緊3活塞與活塞桿不同軸4活塞桿彎曲變形5缸筒內(nèi)壁拉毛，局部磨損嚴(yán)重或腐蝕6安裝位置有誤差7雙活塞桿兩端螺母擰得太緊8導(dǎo)軌潤滑不良1開動系統(tǒng)，打開排氣塞（閥）強(qiáng)迫排氣2調(diào)整密封，保

11、證活塞桿能用手拉動而試車時無泄漏即可3校正或更換，使同軸度小于0.04mm4校正活塞桿，保證直線度小于0.1/10005適當(dāng)修理，嚴(yán)重者重磨缸孔，按要求重配活塞6校正7調(diào)整8適當(dāng)增加導(dǎo)軌潤滑油量推力不足，速度不夠或逐漸下降1缸與活塞配合間隙過大或形密封圈破壞2工作時經(jīng)常用某一段，造成局部幾何形狀誤差增大，產(chǎn)生泄漏3缸端活塞桿密封壓得過緊，摩擦力太大4活塞桿彎曲，使運(yùn)動阻力增加1更換活塞或密封圈，調(diào)整到合適間隙2鏜磨修復(fù)缸孔內(nèi)徑，重配活塞3放松、調(diào)整密封4校正活塞桿沖擊1活塞與缸筒間用間隙密封時，間隙過大，節(jié)流閥失去作用2端部緩沖裝置中的單向閥失靈，不起作用1更換活塞，使間隙達(dá)到規(guī)定要求，檢查緩

12、沖節(jié)流閥2修正、配研單向閥與閥座或更換外泄漏1密封圈損壞或裝配不良使活塞桿處密封不嚴(yán)2活塞桿表面損傷3管接頭密封不嚴(yán)4缸蓋處密封不良1檢查并更換或重裝密封圈2檢查并修復(fù)活塞桿3檢查并修整4檢修密封圈及接觸面 第二節(jié) 液壓缸的構(gòu)造 本節(jié)將對液壓缸的各組成部分作進(jìn)一步介紹,同時還介紹一些改善液壓缸工作性能的裝置,如緩沖和放氣裝置等。一、一、 缸筒與缸蓋的連接缸筒與缸蓋的連接 鑄鐵缸筒通常用法蘭連接。用無縫鋼管做成的缸筒雖然也可以焊上法蘭從而采用法蘭連接,但一般多采用螺紋或半環(huán)連接等形式。一些手冊介紹了缸筒與缸蓋的各種連接形式,供設(shè)計(jì)工作中參考。 二、液壓缸的密封方法二、液壓缸的密封方法 進(jìn)入液壓缸

13、的壓力油可能通過活塞桿與缸蓋的連接處向外泄漏,另外還可以通過活塞與缸筒間的配合而使高壓腔的壓力油流向低壓腔(稱為內(nèi)泄漏)。為了防止泄漏,提高液壓缸的工作性能與效率,在可能泄漏的地方需要安裝密封裝置。對密封裝置一般有以下要求： 具有良好的密封性能,保證無(或少)泄漏; 有相對運(yùn)動的密封處摩擦阻力要小; 密封件要耐磨,或磨損后能自動補(bǔ)償; 使用維護(hù)簡單、工藝性好、成本低。 常用的密封方法有以下幾種: 1 間隙密封 2 活塞環(huán)密封3 密封圈密封 活塞桿與缸蓋之間也有密封的問題 三、活塞組件三、活塞組件活塞加上活塞桿構(gòu)成了活塞組件,短行程的液壓缸可以把活塞桿與活塞做成一體,這是最簡單的一種形式。 活塞

14、與活塞桿之間的螺紋連接,它適用于負(fù)載較小,受力無沖擊的液壓缸中。 卡環(huán)連接方式。 徑向銷式連接結(jié)構(gòu),用錐銷把活塞固定在活塞桿上。這種連接方式特別適用于雙活塞桿式活塞。 四、緩沖裝置四、緩沖裝置 為避免活塞在液壓缸的行程終端現(xiàn)缸蓋發(fā)生撞擊,需要緩沖裝置。對大型、高速或要求高的液壓缸則必須有緩沖裝置。盡管各種緩沖裝置的結(jié)構(gòu)形式不同,但它們的工作原理則是相似的。幾乎都是利用活塞接近缸蓋時增大液壓缸的回油阻力,使活塞減速,從而防止活塞撞擊缸蓋。五、放氣裝置五、放氣裝置 第三節(jié)第三節(jié) 液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 液壓缸的設(shè)計(jì)是整個液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)之一，本節(jié)要介紹如何利用前面的知識來設(shè)計(jì)液壓缸的

15、方法與步驟。實(shí)際中，靠計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的輔助軟件也不少。 要作好設(shè)計(jì)工作,還必須事先作好調(diào)查研究,掌握必要的原始資料,譬如:主機(jī)的用途和工作條件;執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、負(fù)載大小、行程范圍和動作要求;材料、器材的供應(yīng)情況和生產(chǎn)加工條件;國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范等。設(shè)計(jì)液壓缸一般要作以下幾方面的工作:1選擇液壓缸的類型和結(jié)構(gòu)形式; 選擇液壓缸的類型是進(jìn)行以后各項(xiàng)設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)。這步工作可參考前面兩節(jié)介紹的內(nèi)容來進(jìn)行。 2確定液壓缸的工作參數(shù); 1)液壓缸的工作壓力 2)液壓缸的工作速度 3)液壓缸的行程3計(jì)算液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸; 1)缸筒內(nèi)徑 (1)根據(jù)負(fù)載來確定缸筒內(nèi)徑 (2)根據(jù)工作速度來確定缸筒內(nèi)徑 2)活

16、塞桿外徑 （1）活塞桿直徑除滿足強(qiáng)、剛度要求外,對于單桿液壓缸來說往往以滿足工作速度的速比來確定活塞桿直徑,然后再校核其強(qiáng)度和穩(wěn)定性 (2)活塞桿直徑還可按缸的工作壓力來確定。 3)缸筒長度L 缸筒長度由活塞行程加上各種結(jié)構(gòu)來確定 4)計(jì)算缸筒壁厚 5)連接螺栓 4結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的計(jì)算和校核;5液壓缸的結(jié)構(gòu)裝配圖設(shè)計(jì);6繪制零件圖、編寫設(shè)計(jì)說明書。 三三. .液壓缸設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題液壓缸設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題(1)在保證能滿足運(yùn)動行程和負(fù)載力的條件下,應(yīng)盡可能地縮小液壓缸的輪廓尺寸。(2)要保證密封可靠、防塵良好。(3)液壓缸的活塞桿最好在受拉的情況下工作,以免產(chǎn)生縱向彎曲。對受壓的細(xì)長活塞桿則

17、應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性校核。若活塞很長而又水平放置時,由于自重產(chǎn)生的撓度一般應(yīng)小于0.001L(L為活塞桿長度),以防破壞密封裝置。也可用加中間支承的方法來減小垂度。(4)液壓缸的熱脹冷縮應(yīng)不受防礙。液壓傳動系統(tǒng)中由于功率損耗、機(jī)械摩擦及油的粘性摩擦都會使油發(fā)熱。液壓缸受熱后便膨脹伸長,因此對長行程的液壓缸在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮它有自由伸縮的余地,以免液壓缸受到額外的熱應(yīng)力。一般將液壓缸固定在機(jī)架上時,只能固定一端的缸蓋,而讓另一端自由伸縮。(5)根據(jù)需要設(shè)置緩沖裝置和放氣裝置。緩沖和放氣不是任何情況下都 需要 的, 一定要根據(jù)液壓缸的使用條件來決定有無必要設(shè)置這兩種裝置,以免使液壓缸的結(jié)構(gòu)造成不必要 的復(fù)雜化。(6)盡量縮短進(jìn)、出油管的長度,以減少壓力損失。進(jìn)、出油口的位置要恰當(dāng),不要被活塞運(yùn)動到終端時把它堵死。 總之,液壓缸的設(shè)計(jì)內(nèi)容不是一成不變的,根據(jù)具體情況有些內(nèi)容可不做或少做,但又可能增加一些別的設(shè)計(jì)內(nèi)容。設(shè)計(jì)步驟也是靈活的,往往前后還有交叉,甚至經(jīng)過反復(fù)修改,才能得到正確、合理的設(shè)計(jì)結(jié)果。 1 思考題：何為差動連