黑版第4章液壓缸

第4章液壓缸

4.1液壓缸的工作原理、類型與特點(diǎn)4.2液壓缸的典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.3液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算4.4液壓缸的常見(jiàn)故障與排除重點(diǎn)：理解：液壓缸的工作原理；活塞式液壓缸的特點(diǎn)和應(yīng)用掌握：活塞式液壓缸的推力和速度計(jì)算難點(diǎn)：液壓缸的推力和速度計(jì)算，結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算考點(diǎn)：液壓缸的類型，特點(diǎn)和應(yīng)用，活塞式液壓缸推力和速度計(jì)算液壓缸是將液壓泵輸出的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的執(zhí)行元件，它主要是用來(lái)輸出直線運(yùn)動(dòng)（擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)）。液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。活塞缸柱塞缸擺動(dòng)缸—按其結(jié)構(gòu)形式分按供油方向按活塞桿形式液壓缸的分類單活塞桿缸雙活塞桿缸單作用缸雙作用缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，輸出推力和速度，實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)，輸出轉(zhuǎn)矩和角速度主要性能參數(shù)壓力P、流量q、力F和速度V壓力p流量Q液壓功率液壓缸作用力F速度v機(jī)械功率一、活塞式液壓缸（一）雙桿式活塞缸（活塞兩端都有一根直徑相等的活塞桿伸出）1.分類根據(jù)安裝方式分缸筒固定式（動(dòng)畫演示）活塞桿固定式能量轉(zhuǎn)換：PQ＝Fv液壓缸的推力：F＝PA液壓缸運(yùn)動(dòng)速度：v＝Q/AA-油缸的有效作用面積（1）實(shí)心雙桿活塞式液壓缸——缸體固定式進(jìn)油腔回油腔運(yùn)動(dòng)方向占地范圍應(yīng)用場(chǎng)合

左右活塞右移3L中小型設(shè)備

右左活塞左移缸體固定——工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)范圍為活塞有效行程的三倍（L＝3l）。（2）空心雙桿活塞式液壓缸——桿固定式進(jìn)油腔回油腔運(yùn)動(dòng)方向占地范圍應(yīng)用場(chǎng)合

左右缸體左移2L大中型設(shè)備

右左缸體右移活塞桿固定——工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)范圍為活塞有效行程的兩倍（L＝2l）。這種液壓缸常用于往返速度相同且推力不大的場(chǎng)合，如用來(lái)驅(qū)動(dòng)外圓磨麻的工作臺(tái)等。2.輸出的推力和速度推力速度：式中：A—活塞的有效面積；q—輸入流量；D—活塞直徑；d—活塞桿直徑P2—缸的出口壓力ηv—容積效率ηm—機(jī)械效率P1—缸的進(jìn)口壓力3.特點(diǎn)1）兩腔面積相等；2）壓力相同時(shí)，推力相等；

流量相同時(shí)，速度相等。即具有等推力等速度特性。（二）單桿式活塞缸1.結(jié)構(gòu)1-缸筒;2-缸蓋兼導(dǎo)向套;3-活塞;4-密封件;5-活塞桿;6-缸底2.推力和速度只在活塞的一端有活塞桿，缸兩腔有效工作面積不相等。

有缸筒固定和活塞桿固定兩種。

工作臺(tái)移動(dòng)范圍都為活塞有效行程的兩倍。當(dāng)輸入液壓缸的流量ｑ，進(jìn)出油口壓力分別為ｐ1和ｐ2時(shí)，（1）無(wú)桿腔進(jìn)油速度V1推力Ｆ1無(wú)桿腔面積有桿腔面積（2）有桿腔進(jìn)油推力Ｆ2速度ｖ2

特點(diǎn)：

兩腔面積不等，A1＞A2壓力相同時(shí)，推力不等；流量相同時(shí)，速度不等，即不具有等推力等速度特性。比較：有桿腔進(jìn)油由于A1＞A2

，所以F1＞F2，V1＜V2

（慢進(jìn)快退）無(wú)桿腔進(jìn)油把V1和V2的比值稱為速度比，記作λv，則d越小，λv越接近于1，V1和V2差值越??；d較粗，V1和V2差值越大。已知Ｄ和λ、υ，就可以較方便地確定ｄ。（3）差動(dòng)缸單活塞桿液壓缸左右兩腔同時(shí)接通壓力油的連接方式稱為差動(dòng)連接。差動(dòng)連接的液壓缸稱為差動(dòng)缸。即：

所以：

考慮油缸效率時(shí)，活塞的運(yùn)動(dòng)速度：液壓缸的推力即：

實(shí)際中，單活塞桿液壓缸常用在需要實(shí)現(xiàn)“快進(jìn)一工進(jìn)一快退”工作循環(huán)的組合機(jī)床液壓系統(tǒng)中。若要求活塞往返運(yùn)動(dòng)速度相等，則：v2＝v3，得：則特點(diǎn)：＜1＞液壓缸的有效作用面積

，V3＞V2，F(xiàn)3＜F1。＜2＞在不增加液壓泵容量和功率的條件下，實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)的有效辦法。應(yīng)用：廣泛用于組合機(jī)床的液壓動(dòng)力滑臺(tái)和其他機(jī)械設(shè)備的快速運(yùn)動(dòng)中。二、柱塞缸1.特點(diǎn)：（1）單作用液壓缸，靠液壓力只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，回程要靠自重或其它外力，因此柱塞缸常成對(duì)使用；（2）柱塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，由缸蓋上的導(dǎo)向套來(lái)導(dǎo)向，因此，柱塞和缸筒的內(nèi)壁不接觸，缸筒內(nèi)孔只需粗加工即可；（3）柱塞重量往往比較大，水平放置時(shí)容易因自重而下垂，造成密封件和導(dǎo)向件單邊磨損，故柱塞式液壓缸垂直使用較為有利；（4）當(dāng)柱塞行程特別長(zhǎng)時(shí)，僅靠導(dǎo)向套導(dǎo)向就不夠了，為此可在缸筒內(nèi)設(shè)置各種不同形式的輔助支承，起到輔助導(dǎo)向的作用。推力Ｆ速度ｖ2.應(yīng)用柱塞式液壓缸的主要特點(diǎn)是柱塞與缸筒無(wú)配合要求，缸筒內(nèi)孔不需精加工，甚至可以不加工。運(yùn)動(dòng)時(shí)由缸蓋上的導(dǎo)向套來(lái)導(dǎo)向，所以它特別適用在行程較長(zhǎng)的場(chǎng)合。三、擺動(dòng)式液壓缸擺動(dòng)式液壓缸是輸出轉(zhuǎn)矩并實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)的執(zhí)行元件。當(dāng)通入壓力油時(shí)，它的主軸能輸出小于3600的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。雙葉片式1-定子塊；2-缸體；3-擺動(dòng)軸；4-葉片單葉片式1.單葉片式擺動(dòng)缸當(dāng)擺動(dòng)缸進(jìn)出油口壓力為ｐ1和ｐ2，輸入流量為ｑ時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩Ｔ和角速度ω各為b—葉片寬度；D—缸體內(nèi)徑；d—擺動(dòng)軸直徑2.雙葉片式擺動(dòng)缸雙葉片式擺動(dòng)缸在徑向尺寸和工作壓力相同的條件下，分別是單葉片式擺動(dòng)缸輸出轉(zhuǎn)矩的2倍，但回轉(zhuǎn)角度要相應(yīng)減少，雙葉片式擺動(dòng)缸的回轉(zhuǎn)角度一般不超過(guò)150°。特點(diǎn)和應(yīng)用：結(jié)構(gòu)緊湊、輸出轉(zhuǎn)矩大的特點(diǎn)，但密封困難。一般只用于中、低壓系統(tǒng)中的往復(fù)擺動(dòng)，轉(zhuǎn)位或間歇運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合。如：機(jī)床回轉(zhuǎn)夾具、送料裝置等。其它液壓缸類型1.伸縮式液壓缸（多級(jí)液壓缸）它是由兩個(gè)或多個(gè)活塞套裝而成，前一級(jí)活塞桿是后一級(jí)活塞缸的缸筒。伸出時(shí)，可以獲得很長(zhǎng)的工作行程，縮回時(shí)可保持很小的結(jié)構(gòu)尺寸。圖示伸縮缸，各級(jí)活塞依次伸出時(shí)，液壓缸的有效面積逐級(jí)變化。輸入q和p不變時(shí)，輸出F和V逐級(jí)變化。式中，i—第i級(jí)活塞缸。這種液壓缸起動(dòng)時(shí)，活塞有效面積最大，因此，輸出推力也最大，隨著行程逐級(jí)增長(zhǎng)，推力隨之減小。這種推力變化情況，正適合于自動(dòng)裝卸車對(duì)推力的要求。2.增壓缸它有單作用和雙作用兩種型式。單作用增壓缸的工作原理：當(dāng)?shù)蛪簽閜1的油液推動(dòng)大活塞時(shí)，小活塞輸出壓力為p2的高壓液體；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。當(dāng)大活塞直徑為D，小活塞直徑為d時(shí)，K＝D/d—增壓比。

單作用增壓缸不能連續(xù)輸出高壓液體，要將活塞退回，再右行時(shí)才輸出高壓液體，即只能在一次行程中輸出高壓液體。雙作用增壓缸可以實(shí)雙向增壓。壓力關(guān)系3.齒輪缸齒輪式液壓缸又稱無(wú)桿式活塞缸，它由兩個(gè)柱塞缸和一套齒輪齒條傳動(dòng)裝置組成。當(dāng)壓力油推動(dòng)活塞左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，齒條就推動(dòng)齒輪往復(fù)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)工作部件的往復(fù)擺動(dòng)或間歇進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。液壓缸的選擇在選擇液壓缸的類型時(shí)，要從機(jī)器設(shè)備的動(dòng)作特點(diǎn)、行程長(zhǎng)短、運(yùn)動(dòng)性能等要求出發(fā)，同時(shí)還要考慮到主機(jī)的結(jié)構(gòu)特征給液壓缸提供的安裝空間和具體位置。機(jī)器的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)—液壓缸。要求往返運(yùn)動(dòng)速度相同的場(chǎng)合—雙活塞桿式液壓缸有快速返回的要求——單活塞桿式液壓缸或差動(dòng)連接行程較長(zhǎng)——柱塞缸，以減少加工的困難行程較長(zhǎng)但負(fù)載不大——用傳動(dòng)裝置來(lái)擴(kuò)大行程往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)——擺動(dòng)式液壓缸或直線式液壓缸＋齒輪一齒條機(jī)構(gòu)液壓缸的計(jì)算1.某單出桿液壓缸的活塞直徑為100mm，活塞桿直徑為63mm，用流量q＝40L/min、壓力p＝5MPa的液壓泵供油驅(qū)動(dòng)。求①液壓缸能推動(dòng)的最大負(fù)載。

②差動(dòng)工作時(shí)，液壓缸的速度。解：①以無(wú)桿腔進(jìn)油，有桿腔回油時(shí)，液壓缸產(chǎn)生的推力最大。此時(shí)能推動(dòng)的負(fù)載為：②差動(dòng)連接時(shí)液壓缸的速度為：2.串聯(lián)液壓缸，左缸和右缸的有效工作面積：A1＝100cm2，A2＝80cm2，兩液壓缸的外負(fù)載分別為F1＝30kN，F(xiàn)2＝20kN，輸入流量q1＝15L/min。求：①液壓缸的工作壓力;②液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度。解：①右缸力平衡方程：

p2A2＝F2列左缸的力平衡方程：則：②活塞的運(yùn)動(dòng)速度：3.如圖所示，兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的液壓缸串聯(lián)起來(lái)，無(wú)桿腔的有效工作面積，有桿腔的有效工作面積，缸1輸入的油壓，流量，不考慮損失。試求：（1）兩缸負(fù)載相同時(shí)，兩缸的負(fù)載和速度各為多少？（2）缸2不受負(fù)載時(shí)，缸1能承受多少負(fù)載？解：1.負(fù)載計(jì)算缸2缸1因?yàn)樗?.速度計(jì)算缸1缸23.負(fù)載計(jì)算F2＝0則P2＝0F1＝P1A1＝18×105×100×10-4＝18KN4.某一差動(dòng)液壓缸，要求①V快進(jìn)＝V快退;②V快進(jìn)＝2V快退，求活塞面積A1和活塞桿面積A2之比為多少?解：差動(dòng)液壓缸的速度為快進(jìn)時(shí)：快退時(shí)：①當(dāng)V快進(jìn)＝V快退時(shí)，即：代入化簡(jiǎn)得：②當(dāng)V快進(jìn)＝2V快退時(shí)，即：

代入化簡(jiǎn)得：4.2液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、典型液壓缸結(jié)構(gòu)由缸筒10，活塞8，活塞桿1、15，缸蓋18、24，密封圈4、7、17，導(dǎo)向套6、19，壓板11、20等主要零件組成。這種液壓缸活塞桿固定，缸筒帶動(dòng)工作臺(tái)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；钊缅F銷9、22與空心活塞桿連接，并用堵頭2堵死活塞桿的一頭。缸筒兩端外圓上套有鋼絲環(huán)12、21，用于阻止壓板11、20向外移動(dòng)，通過(guò)螺栓將缸蓋18、24與壓板相連，把缸蓋壓緊在缸筒的兩端。在液壓缸中可能發(fā)生泄漏的結(jié)合面放了密封圈和紙墊?？招幕钊麠U和其上的油口a、c提供了液壓缸的進(jìn)、出油口。當(dāng)缸筒移動(dòng)到左、右終端時(shí)，油口a、c的開度減小，回油阻力增大，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件起到制動(dòng)緩沖作用。在缸蓋上有與排氣閥相連的排氣孔5、14，排出液壓缸中的空氣，使運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。由此可知，液壓缸按結(jié)構(gòu)組成可以分為缸體組件、活塞組件、密封裝置、緩沖裝置和排氣裝置等。1.缸體組件缸體組件包括缸筒、缸蓋和一些連接零件。低壓時(shí)：缸筒用鑄鐵制成高壓時(shí)：缸筒用無(wú)縫鋼管制成。a.法蘭連接：加工和拆裝都很方便，單外形尺寸大。用于鑄鐵制缸筒上。b.半環(huán)連接：要求缸筒有足夠的壁厚。用于無(wú)縫缸管的缸筒上。c.螺紋連接：外形尺寸小，但拆裝不方便，要有專用工具。d.拉桿式連接：拆裝容易，通用性好，但外形尺寸大。e.焊接連接：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，但缸底處內(nèi)徑不易加工，焊接一變形。2.活塞組件包括活塞和活塞桿兩部分?；钊Ｓ描T鐵制成，活塞桿常用鋼料制成?；钊M件的連接方式除了前面提到的錐銷式連接以外，還有整體式、螺紋式連接和半環(huán)式連接。整體式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠，在尺寸較小的場(chǎng)合常用。螺紋式連接：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但要防止螺母脫落。半環(huán)式連接：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但工作可靠。3.密封裝置液壓缸中的密封是指活塞、活塞桿和缸蓋等處的密封。用來(lái)防止液壓缸內(nèi)部和外部的泄漏。（1）間隙密封最簡(jiǎn)單的密封形式,常用在活塞直徑較小、工作壓力較低的液壓缸中。在活塞上開出的若干道深0.3mm至0.5mm的環(huán)形槽，增大油液從高壓腔向低壓腔泄漏的阻力，從而減小泄漏。（2）密封圈密封這是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償、并且密封性能會(huì)隨著壓力的加大而提高的密封方式，在工程中得到了非常廣泛的應(yīng)用。密封圈有O型、V型、Y型及組合式等數(shù)種，其材料為耐油橡膠、尼龍、聚氨醋等。1）0型密封圈截面為圓形，主要用于靜密封。安裝方便，價(jià)格便宜，但作運(yùn)動(dòng)密封時(shí)容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，故一般與其他密封件組合使用。2）V型密封圈截面為V型，1、2、3組成一套使用，P≤50MPa。安裝時(shí)，開口面向高壓側(cè)。1233）Y型密封圈截面為Y型，屬唇型密封圈。密封性、穩(wěn)定性和耐壓性（P≤20MPa）好、壽命較長(zhǎng)，應(yīng)用普遍。Y型圈主要用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的密封。Y型密封圈4.緩沖裝置利用活塞或缸筒移動(dòng)到接近終點(diǎn)時(shí)，將活塞和缸蓋之間的一部分液體封住，迫使液體從小孔或縫隙中擠出，從而產(chǎn)生很大的阻力，使工作部件制動(dòng)，避免活塞和缸蓋的相互碰撞。當(dāng)活塞移到端部,緩沖柱塞開始插入缸端的緩沖孔時(shí)，活塞與缸端之間形成封閉空間，該腔中的剩余油液只能從節(jié)流小孔或緩沖柱塞與孔槽之間的節(jié)流環(huán)縫中擠出，迫使運(yùn)動(dòng)柱塞降速制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)緩沖。目前普遍采用在缸進(jìn)出口設(shè)單向節(jié)流閥（圖<d>），可調(diào)節(jié)緩沖效果。液壓缸緩沖裝置5.排氣裝置液壓缸在安裝過(guò)程中或長(zhǎng)時(shí)間停放重新工作時(shí)，液壓缸和管道系統(tǒng)中會(huì)滲入空氣，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)液壓缸時(shí)，必須考慮空氣的排除。一般可在液壓缸的最高處設(shè)置進(jìn)出油口把氣帶走，或在最高處設(shè)置放氣孔或?qū)ｉT的放氣閥。4.3液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)于不同的機(jī)器和機(jī)構(gòu)，液壓缸具有不同的用途和工作要求。在設(shè)計(jì)液壓缸之前，必須對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)進(jìn)行工況分析，編制負(fù)載圖，選定系統(tǒng)的工作壓力，然后根據(jù)使用要求選擇結(jié)構(gòu)類型，按負(fù)載情況、運(yùn)動(dòng)要求、最大行程等確定其主要工作尺寸，進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性和緩沖驗(yàn)算，最后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一、設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟1.選液壓缸的類型和各部分結(jié)構(gòu)形式（根據(jù)使用要求）。2.確定液壓缸主要結(jié)構(gòu)尺寸和工作參數(shù)（按負(fù)載，運(yùn)動(dòng)速度和行程要求）。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、編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書。二、液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸主要有：缸筒內(nèi)徑D、活塞桿外徑d和缸筒長(zhǎng)度L等。1.液壓缸內(nèi)徑D根據(jù)液壓缸總負(fù)載力F和工作壓力p來(lái)計(jì)算。工作壓力P按負(fù)載大小或按液壓設(shè)備類型確定。設(shè)備類型磨床組合機(jī)床車床銑床鏜床拉床龍門刨床農(nóng)業(yè)機(jī)械小型工程機(jī)械液壓機(jī)重型機(jī)械起重運(yùn)輸機(jī)械工作壓力p10.8～23～52～48～102～810～1620～32負(fù)載F/N＜50005000～1000010000～2000020000～3000030000～50000＞50000缸工作壓力P1/MPa＜0.8～11.5～22.5～33～44～5≥～72.活塞直徑d（1）根據(jù)液壓缸往返速比λv來(lái)確定（2）也可按活塞桿的受力情況確定當(dāng)活塞桿受拉時(shí)：當(dāng)活塞桿受壓時(shí)：3.缸筒長(zhǎng)度L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，即式中

L—活塞的最大工作行程；B—活塞寬度，一般為（0.6－1）D；A—活塞桿導(dǎo)向長(zhǎng)度，?。?.6－1.5）D；M—活塞桿密封長(zhǎng)度，由密封方式定；C—其他長(zhǎng)度。一般缸筒的長(zhǎng)度最好不超過(guò)內(nèi)徑的20倍。4.最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定H當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支承面中點(diǎn)到導(dǎo)向套滑動(dòng)面中點(diǎn)的距離。如果導(dǎo)向長(zhǎng)度過(guò)小，使液壓缸的間隙引起的撓度增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性。導(dǎo)向長(zhǎng)度（L為液壓缸最大行程）；其他部位尺寸按下列公式確定：活塞寬度B＝（0.6～1.0）D；導(dǎo)向套滑動(dòng)面長(zhǎng)度A＝（0.6～1.0）D（D＜80mm）A＝（0.6～1.0）d（D＞80mm）如裝有隔套K時(shí)：C＝H－（A＋B）/2活塞桿長(zhǎng)度根據(jù)液壓缸最大行程L而定。三、強(qiáng)度校核包括缸筒壁厚δ、活塞桿直徑d和缸蓋固定螺栓的直徑。1.缸筒壁厚δ在中、低壓系統(tǒng)中，缸筒壁厚由結(jié)構(gòu)工藝決定，一般不做校核。在高壓系統(tǒng)中需按下列情況進(jìn)行校核。當(dāng)D/δ≥10時(shí)為薄壁，δ按下式校核式中，D-缸筒內(nèi)徑；[σ]—缸筒材料的許用應(yīng)力，[σ]＝σb/n，σb是材料的抗拉強(qiáng)度，一般取n＝5；pt—試驗(yàn)壓力，當(dāng)缸的額定壓力Pn≤16MPa時(shí)，Pt＝1.5P