第五章液壓缸.

1、 液壓執(zhí)行元件是將液壓泵提供的液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置,它包括和。 液壓缸又稱為油缸，它是液壓系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件，其功能就是將液壓能轉(zhuǎn)變成直線往復(fù)式的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。液壓缸壓力p,流量Q液壓功率作用力F,速度V機(jī)械功率輸入量：壓力和流量（液壓功率）輸出量：力和速度（機(jī)械功率）液壓缸根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的不同可分為和兩種。1.1.活塞缸活塞缸活塞式液壓缸根據(jù)其使用要求不同可分為和兩種結(jié)構(gòu)形式；按其安裝不同又分為和兩種方式。(1)(1)單桿式活塞缸單桿式活塞缸 活塞僅一端帶有活塞桿。單桿液壓缸有缸體固定和活塞桿固定兩種形式，但它們的工作臺(tái)移動(dòng)范圍都是活塞(或缸體)有效行程的兩倍。 無(wú)桿腔進(jìn)油活塞運(yùn)動(dòng)

2、速度v1和推力F1分別為：22122111224ppDp dFp Ap A1214qqvAD22121212214ppDp dFp Ap A22224qqvADd有桿腔進(jìn)油活塞運(yùn)動(dòng)速度v2和推力F2分別為：A1A2 v1F2液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度比v22212dDDvvv(2)(2)差動(dòng)活塞缸差動(dòng)活塞缸 單桿活塞缸在其左右兩腔都接通高壓油時(shí)稱為“差動(dòng)連接”。 兩腔壓力相等,活塞兩側(cè)有效面積不等,活塞向右運(yùn)動(dòng)。 4)(221dpAApF4)(42221dDvqDvq12vAvAq2214dqAAqv由上可知，差動(dòng)連接時(shí)液壓缸的推力比非差動(dòng)連接時(shí)小,速度比非差動(dòng)連接時(shí)大?？墒乖诘那闆r下得到。 若

3、,即 ,則差動(dòng)連接缸在兩個(gè)方向上的速度相等，輸出力也相等。212AA dD2(3)(3)雙桿式活塞缸雙桿式活塞缸 活塞兩端都有一根直徑相等的活塞桿伸出的液壓缸稱為雙桿式活塞缸，分為缸筒固定式和活塞桿固定式兩種安裝方式?；钊ㄟ^(guò)活塞桿帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng),當(dāng)活塞的有效行程為l時(shí),整個(gè)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍為3l,所以機(jī)床占地面積大,一般適用于小型機(jī)床。 缸體與工作臺(tái)相連,活塞桿通過(guò)支架固定在機(jī)床上。這時(shí),工作臺(tái)的移動(dòng)范圍只等于液壓缸有效行程l的兩倍(2l),因此占地面積小。 因?yàn)殡p桿活塞缸的兩活塞桿直徑相等，所以當(dāng)輸入流量和油液壓力不變時(shí)，其往返運(yùn)動(dòng)速度和推力相等，則液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度v和推力F分別為2212

4、124DdFA pppp224qqvADd 因此,這種液壓缸常用于要求往返運(yùn)動(dòng)速度相同的場(chǎng)合。 當(dāng)活塞式液壓缸行程較長(zhǎng)時(shí),加工難度大,制造成本高。 某些場(chǎng)合所用的液壓缸并不要求雙向控制,柱塞式液壓缸正是滿足了這種使用要求的一種價(jià)格低廉的液壓缸。2.2.柱塞缸柱塞缸柱塞缸由缸筒、柱塞、導(dǎo)向套、密封圈和壓蓋等組成。柱塞和缸筒內(nèi)壁不接觸,因此缸筒內(nèi)孔不需要精加工,工藝性好,成本低。 柱塞式液壓缸是單作用的,它的回程需要借助自重或彈簧等其他外力來(lái)完成。如果要獲得雙向運(yùn)動(dòng),可將兩柱塞液壓缸成對(duì)使用以減輕柱塞的重量,有時(shí)制成空心柱塞。柱塞缸的推力F和速度為v：24dqAqv24dFpAp單作用雙作用4)(

5、221dppF動(dòng)畫(huà)演示 它利用活塞和柱塞有效面積的不同使液壓系統(tǒng)中的局部區(qū)域獲得高壓。它有單作用和雙作用兩種型式。3.3.其他液壓缸其他液壓缸(1)(1)增壓缸增壓缸( (增壓器增壓器) )442221dpDp1212)(KpdDpp增壓比，反映增壓強(qiáng)度注意：增壓缸僅僅能增大輸出壓力,并不能增大輸出能量單作用增壓缸在柱塞運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)時(shí),不能再輸出高壓液體,需要將活塞退回到左端位置,再向右行時(shí)才又輸出高壓液體,為了克服這一缺點(diǎn),可采用雙作用增壓缸,由兩個(gè)高壓端連續(xù)向系統(tǒng)供油。 伸縮缸由兩個(gè)或多個(gè)活塞缸套裝而成，前一級(jí)活塞缸的活塞桿內(nèi)孔是后一級(jí)活塞缸的缸筒。(2)(2)伸縮缸伸縮缸：活塞桿伸出的行程

6、長(zhǎng)，收縮后的結(jié)構(gòu)尺寸小，適用于翻斗汽車、起重機(jī)的伸縮臂等。單作用式靠外力回程雙作用式靠液壓回程 伸縮缸的外伸動(dòng)作是逐級(jí)進(jìn)行的。首先是最大直徑的缸筒以最低的油液壓力開(kāi)始外伸，當(dāng)?shù)竭_(dá)行程終點(diǎn)后，稍小直徑的缸筒開(kāi)始外伸，直徑最小的末級(jí)最后伸出。隨著工作級(jí)數(shù)變大，外伸缸筒直徑越來(lái)越小，工作油液壓力隨之升高，工作速度變快。 其推力F和速度v分別為：24iiqVD42iiDpF動(dòng)畫(huà)演示5.2.1 5.2.1 液壓缸的典型結(jié)構(gòu)液壓缸的典型結(jié)構(gòu)單活塞桿液壓缸主要由缸筒、缸蓋、活塞、活塞桿和導(dǎo)向套等組成。缸筒一端與缸底焊接,另一端與缸蓋采用螺紋連接?；钊c活塞桿采用螺紋連接。為了保證液壓缸的可靠密封,在相應(yīng)部位

7、設(shè)置了密封圈和防塵圈。 液壓缸的結(jié)構(gòu)基本上可以分為缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置和排氣裝置五個(gè)部分。 (1) 可以把短行程的液壓缸的活塞桿與活塞做成一體，這是最簡(jiǎn)單的形式。但當(dāng)行程較長(zhǎng)時(shí)，常把活塞與活塞桿分開(kāi)制造，然后再連接成一體。 活塞與活塞桿的連接最常用的有螺紋連接和半環(huán)連接形式,除此以外還有整體式結(jié)構(gòu)、焊接式結(jié)構(gòu)、錐銷式結(jié)構(gòu)。5.2.2 5.2.2 液壓缸的組成液壓缸的組成(2) 缸筒和缸蓋承受油液的壓力，因此要有足夠的強(qiáng)度、較高的表面精度和可靠地密封性。其具體結(jié)構(gòu)形式和使用材料有關(guān)。p10MPa 鑄鐵10MPap20MPa 無(wú)縫鋼管p20MPa 鑄鋼或鍛鋼法蘭式連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

8、單,易加工裝拆,連接可靠,但質(zhì)量和尺寸較大半環(huán)式連接的缸筒壁部因開(kāi)了環(huán)形槽而削弱了強(qiáng)度,為此有時(shí)要加厚缸壁,它易加工裝拆,重量較輕 螺紋連接的缸筒端部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,外徑加工時(shí)要求保證內(nèi)外徑同心,裝拆要使用專用工具,外形尺寸和重量都較小拉桿式連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,通用性大,易加工裝拆,但質(zhì)量和尺寸較大,且拉桿受力后拉伸變長(zhǎng),影響密封性 焊接式連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，強(qiáng)度高，但缸底處內(nèi)徑不易加工，且可能引起變形(3) 當(dāng)工作機(jī)構(gòu)質(zhì)量較大、轉(zhuǎn)速較高時(shí)，由于慣性力較大，行程終了時(shí)，活塞與缸蓋發(fā)生撞擊，引起破壞性事故或嚴(yán)重影響機(jī)械精度。為此，大型、高速或高精度的液壓缸常設(shè)有緩沖裝置。 工作原理是當(dāng)活塞接近缸蓋時(shí)，在活

9、塞和缸蓋之間封住一部分油液，強(qiáng)迫它從小孔或細(xì)縫中擠出，以產(chǎn)生很大的阻力，使工作部件受到制動(dòng)，逐漸減慢運(yùn)動(dòng)速度，從而避免活塞和缸蓋相互撞擊。當(dāng)緩沖柱塞進(jìn)入缸蓋上的內(nèi)孔時(shí),孔中的液壓油只能通過(guò)間隙排出,使活塞速度降低,起緩沖作用 被封在活塞和缸蓋間的油液經(jīng)可調(diào)節(jié)流閥的小孔排出,調(diào)節(jié)節(jié)流孔大小,可控制緩沖腔內(nèi)緩沖壓力的大小,以適應(yīng)液壓缸不同負(fù)載和速度時(shí)對(duì)緩沖的不同要求在緩沖柱塞上開(kāi)有三角槽,隨著柱塞逐漸進(jìn)入配合孔中,其節(jié)流面積越來(lái)越小,解決了在行程最后階段緩沖作用過(guò)弱的問(wèn)題 (4) 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)往往會(huì)混入空氣，使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，產(chǎn)生振動(dòng)、爬行或前沖等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)不能正常工作。 因此，設(shè)計(jì)液壓

10、缸時(shí)，必須考慮空氣的排出。 一般可在液壓缸的最高處設(shè)置進(jìn)出油口在液壓缸的最高處設(shè)置進(jìn)出油口把氣帶走，或可設(shè)置專門(mén)的放氣孔或排氣裝置專門(mén)的放氣孔或排氣裝置，如排氣塞、排氣閥等。兩種排氣裝置都是在液壓缸排氣時(shí)打開(kāi)（讓它全行程往復(fù)移動(dòng)數(shù)次），排氣完畢后關(guān)閉。1-活塞桿 2-堵頭 3-托架 4、17-V形密封圈 5、14-排氣孔 6、19-導(dǎo)向套 7-O形密封圈 8-活塞9、22-錐銷 10-缸體 11、20-壓板 12、21-鋼絲環(huán) 13、23-紙墊 15-活塞桿 16、25-壓蓋 18、24-缸蓋空心雙活塞桿液壓缸(5)活塞裝置上的密封件主要用來(lái)防止液壓油的泄露。對(duì)密封裝置的基本要求是具有良好的密

11、封性能，并隨壓力的增加能自動(dòng)提高密封性。除此以外，摩擦阻力要小，耐油。依靠運(yùn)動(dòng)件的微小間隙來(lái)防止泄漏。為了提高這種裝置的密封能力,常在活塞的表面上制出幾條細(xì)小的環(huán)形槽,以增大油液通過(guò)間隙時(shí)的阻力 依靠套在活塞上的摩擦環(huán)(尼龍或其他高分子材料制成)在O形密封圈彈力作用下貼緊缸壁而防止泄漏 它利用橡膠或塑料的彈性使各種截面的環(huán)形圈貼緊在靜、動(dòng)配合面之間來(lái)防止泄漏 在活塞桿和缸蓋密封處增添防塵圈,并放在向著活塞桿外伸的一端。單桿雙作用液壓缸雙桿雙作用液壓缸單桿單作用液壓缸單作用伸縮液壓缸雙作用伸縮液壓缸 液壓缸的設(shè)計(jì)是整個(gè)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一部分,它是在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了工況分析,編制了負(fù)載圖,選定了工

12、作壓力之后進(jìn)行的,設(shè)計(jì)過(guò)程可分為以下五個(gè)步驟：(1)選擇液壓缸的類型和各部分結(jié)構(gòu)形式；(2)確定液壓缸的工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸；(3)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的計(jì)算和校核；(4)導(dǎo)向、密封、防塵、排氣和緩沖等裝置的設(shè)計(jì)；(5)繪制裝配圖、零件圖、編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 1.1.液壓缸設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題液壓缸設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題 液壓缸的設(shè)計(jì)和使用正確與否,直接影響到它的性能和是否易于發(fā)生故障。所以,在設(shè)計(jì)液壓缸時(shí),必須注意以下幾點(diǎn):(1)盡量使液壓缸的活塞桿在受拉狀態(tài)下承受最大負(fù)載，或在受壓狀態(tài)下具有良好的穩(wěn)定性。(2)考慮液壓缸行程終了處的制動(dòng)問(wèn)題和液壓缸的排氣問(wèn)題。(3)正確確定液壓缸的安裝、固定方式。 (4)

13、液壓缸各部分的結(jié)構(gòu)需根據(jù)推薦的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡可能做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、加工、裝配和維修方便。(5)在保證能滿足運(yùn)動(dòng)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。(6)要保證密封可靠，防塵良好。2.2.計(jì)算液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 (1) 根據(jù)負(fù)載的大小來(lái)選定工作壓力或往返運(yùn)動(dòng)速度比,求得液壓缸的有效工作面積,從而得到缸筒內(nèi)徑D,再?gòu)腉B2348-80標(biāo)準(zhǔn)中選取最近的標(biāo)準(zhǔn)值作為所設(shè)計(jì)的缸筒內(nèi)徑。 以無(wú)桿腔作工作腔時(shí)pFD4以有桿腔作工作腔時(shí)液壓缸的有效工作面積為24DpFA24dpFD(2)通常先從滿足速度或速度比的要求來(lái)選擇，然后再校核其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。1v

14、vdD也可根據(jù)活塞桿受力狀況來(lái)確定:受拉力作用時(shí)，d=0.30.5D。受壓力作用時(shí)，則有 v若速度比為 ，則 l為活塞的最大工作行程；B為活塞寬度，一般為(0.61)D；A為活塞桿導(dǎo)向長(zhǎng)度，取(0.61.5)D；M為活塞桿密封長(zhǎng)度，由密封方式定；C為其他長(zhǎng)度。 (3) 缸筒長(zhǎng)度L由最大工作行程長(zhǎng)度加上各種結(jié)構(gòu)需要來(lái)確定，即：CMABlL注意注意：從制造工藝考慮，缸筒的長(zhǎng)度最好不超過(guò)其內(nèi)徑的20倍。 對(duì)液壓缸的缸筒壁厚、活塞桿直徑d和缸蓋固定螺栓的直徑，在高壓系統(tǒng)中必須進(jìn)行強(qiáng)度校核。3.3.強(qiáng)度校核強(qiáng)度校核 (1) 缸筒壁厚校核分薄壁和厚壁兩種情況。當(dāng)D/10時(shí)為薄壁，壁厚按下式進(jìn)行校核： 2t

15、p D當(dāng)D/10時(shí)為厚壁，壁厚按下式進(jìn)行校核： 0.4121.3ttpDppt：缸筒試驗(yàn)壓力，隨缸的額定壓力的不同取不同的值D：缸筒內(nèi)徑:缸筒材料許用應(yīng)力(3) 液壓缸蓋固定螺栓直徑按下式計(jì)算：(2) 活塞桿的直徑d按下式進(jìn)行校核： 4Fd 5.2kFdZF：液壓缸負(fù)載k:螺紋擰緊系數(shù)(1.121.5)Z：固定螺栓個(gè)數(shù):螺栓材料許用應(yīng)力4.4.液壓缸穩(wěn)定性校核液壓缸穩(wěn)定性校核 活塞桿軸向受壓時(shí)，其直徑d一般不小于長(zhǎng)度L的1/15。當(dāng)L/d15時(shí)，須進(jìn)行穩(wěn)定性校核，應(yīng)使活塞桿承受的力F不能超過(guò)使它保持穩(wěn)定工作所允許的臨界負(fù)載Fk,以免發(fā)生縱向彎曲，破壞液壓缸的正常工作。 Fk的值與活塞桿材料性質(zhì)、截面形狀、直徑和長(zhǎng)度以及缸的安裝方式等因素有關(guān)，驗(yàn)算可按材料力學(xué)有關(guān)公式進(jìn)行。kknFF 當(dāng)活塞桿當(dāng)活塞桿細(xì)長(zhǎng)比細(xì)長(zhǎng)比 當(dāng)活塞桿當(dāng)活塞桿細(xì)長(zhǎng)比細(xì)長(zhǎng)比21/krl時(shí)，則時(shí)，則222lEJFk21/krl ，且且1202021221kkrlAfFnl-安裝長(zhǎng)度，其值與安裝方式有關(guān)；n1-柔性系數(shù)，對(duì)鋼取1=85；n2-末端系數(shù)，由液壓缸支承方式?jīng)Q定；nE-活塞桿材料的彈性模量，對(duì)鋼取E=2.06 1011Pa；nJ-活塞桿橫截面慣性矩；nA-活塞桿橫截