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4.2液壓缸的典型結構設計

4.3液壓缸的設計計算4.4液壓缸的常見故障與排除重點：理解：液壓缸的工作原理；活塞式液壓缸的特點和應用掌握：活塞式液壓缸的推力和速度計算難點：液壓缸的推力和速度計算，結構尺寸計算考點：液壓缸的類型，特點和應用，活塞式液壓缸推力和速度計算液壓缸是將液壓泵輸出的壓力能轉換為機械能的執(zhí)行元件，它主要是用來輸出直線運動（擺動運動）。液壓馬達實現(xiàn)旋轉運動。活塞缸柱塞缸擺動缸—按其結構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現(xiàn)直線運動，輸出推力和速度，實現(xiàn)往復擺動，輸出轉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（動畫演示）活塞桿固定式能量轉換：PQ＝Fv液壓缸的推力：F＝PA液壓缸運動速度：v＝Q/AA-油缸的有效作用面積（1）實心雙桿活塞式液壓缸——缸體固定式進油腔回油腔運動方向占地范圍應用場合

左右活塞右移3L中小型設備

右左活塞左移缸體固定——工作臺往復運動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——桿固定式進油腔回油腔運動方向占地范圍應用場合

左右缸體左移2L大中型設備

右左缸體右移活塞桿固定——工作臺往復運動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合，如用來驅動外圓磨麻的工作臺等。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—機械效率P1—缸的進口壓力3.特點1）兩腔面積相等；2）壓力相同時，推力相等；

流量相同時，速度相等。即具有等推力等速度特性。（二）單桿式活塞缸1.結構1-缸筒;2-缸蓋兼導向套;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。

工作臺移動范圍都為活塞有效行程的兩倍。當輸入液壓缸的流量ｑ，進出油口壓力分別為ｐ1和ｐ2時，（1）無桿腔進油速度V1推力Ｆ1無桿腔面積有桿腔面積（2）有桿腔進油推力Ｆ2速度ｖ2

特點：

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

，所以F1＞F2，V1＜V2

（慢進快退）無桿腔進油把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差值越小；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）差動缸單活塞桿液壓缸左右兩腔同時接通壓力油的連接方式稱為差動連接。差動連接的液壓缸稱為差動缸。即：

所以：

考慮油缸效率時，活塞的運動速度：液壓缸的推力即：

實際中，單活塞桿液壓缸常用在需要實現(xiàn)“快進一工進一快退”工作循環(huán)的組合機床液壓系統(tǒng)中。若要求活塞往返運動速度相等，則：v2＝v3，得：則特點：＜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，實現(xiàn)快速運動的有效辦法。應用：廣泛用于組合機床的液壓動力滑臺和其他機械設備的快速運動中。二、柱塞缸1.特點：（1）單作用液壓缸，靠液壓力只能實現(xiàn)一個方向的運動，回程要靠自重或其它外力，因此柱塞缸常成對使用；（2）柱塞運動時，由缸蓋上的導向套來導向，因此，柱塞和缸筒的內壁不接觸，缸筒內孔只需粗加工即可；（3）柱塞重量往往比較大，水平放置時容易因自重而下垂，造成密封件和導向件單邊磨損，故柱塞式液壓缸垂直使用較為有利；（4）當柱塞行程特別長時，僅靠導向套導向就不夠了，為此可在缸筒內設置各種不同形式的輔助支承，起到輔助導向的作用。推力Ｆ速度ｖ2.應用柱塞式液壓缸的主要特點是柱塞與缸筒無配合要求，缸筒內孔不需精加工，甚至可以不加工。運動時由缸蓋上的導向套來導向，所以它特別適用在行程較長的場合。三、擺動式液壓缸擺動式液壓缸是輸出轉矩并實現(xiàn)往復擺動的執(zhí)行元件。當通入壓力油時，它的主軸能輸出小于3600的擺動運動。雙葉片式1-定子塊；2-缸體；3-擺動軸；4-葉片單葉片式1.單葉片式擺動缸當擺動缸進出油口壓力為ｐ1和ｐ2，輸入流量為ｑ時，輸出轉矩Ｔ和角速度ω各為b—葉片寬度；D—缸體內徑；d—擺動軸直徑2.雙葉片式擺動缸雙葉片式擺動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缸輸出轉矩的2倍，但回轉角度要相應減少，雙葉片式擺動缸的回轉角度一般不超過150°。特點和應用：結構緊湊、輸出轉矩大的特點，但密封困難。一般只用于中、低壓系統(tǒng)中的往復擺動，轉位或間歇運動的場合。如：機床回轉夾具、送料裝置等。其它液壓缸類型1.伸縮式液壓缸（多級液壓缸）它是由兩個或多個活塞套裝而成，前一級活塞桿是后一級活塞缸的缸筒。伸出時，可以獲得很長的工作行程，縮回時可保持很小的結構尺寸。圖示伸縮缸，各級活塞依次伸出時，液壓缸的有效面積逐級變化。輸入q和p不變時，輸出F和V逐級變化。式中，i—第i級活塞缸。這種液壓缸起動時，活塞有效面積最大，因此，輸出推力也最大，隨著行程逐級增長，推力隨之減小。這種推力變化情況，正適合于自動裝卸車對推力的要求。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?shù)蛪簽閜1的油液推動大活塞時，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。當大活塞直徑為D，小活塞直徑為d時，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雙向增壓。壓力關系3.齒輪缸齒輪式液壓缸又稱無桿式活塞缸，它由兩個柱塞缸和一套齒輪齒條傳動裝置組成。當壓力油推動活塞左右往復運動時，齒條就推動齒輪往復旋轉，從而實現(xiàn)工作部件的往復擺動或間歇進給運動。液壓缸的選擇在選擇液壓缸的類型時，要從機器設備的動作特點、行程長短、運動性能等要求出發(fā)，同時還要考慮到主機的結構特征給液壓缸提供的安裝空間和具體位置。機器的往復直線運動—液壓缸。要求往返運動速度相同的場合—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連接行程較長——柱塞缸，以減少加工的困難行程較長但負載不大——用傳動裝置來擴大行程往復擺動運動——擺動式液壓缸或直線式液壓缸＋齒輪一齒條機構液壓缸的計算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的液壓泵供油驅動。求①液壓缸能推動的最大負載。

②差動工作時，液壓缸的速度。解：①以無桿腔進油，有桿腔回油時，液壓缸產(chǎn)生的推力最大。此時能推動的負載為：②差動連接時液壓缸的速度為：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液壓缸的運動速度。解：①右缸力平衡方程：

p2A2＝F2列左缸的力平衡方程：則：②活塞的運動速度：3.如圖所示，兩個結構相同的液壓缸串聯(lián)起來，無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）兩缸負載相同時，兩缸的負載和速度各為多少？（2）缸2不受負載時，缸1能承受多少負載？解：1.負載計算缸2缸1因為所以2.速度計算缸1缸23.負載計算F2＝0則P2＝0F1＝P1A1＝18×105×100×10-4＝18KN4.某一差動液壓缸，要求①V快進＝V快退;②V快進＝2V快退，求活塞面積A1和活塞桿面積A2之比為多少?解：差動液壓缸的速度為快進時：快退時：①當V快進＝V快退時，即：代入化簡得：②當V快進＝2V快退時，即：

代入化簡得：4.2液壓缸的結構設計一、典型液壓缸結構由缸筒10，活塞8，活塞桿1、15，缸蓋18、24，密封圈4、7、17，導向套6、19，壓板11、20等主要零件組成。這種液壓缸活塞桿固定，缸筒帶動工作臺作往復運動?；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，通過螺栓將缸蓋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、出油口。當缸筒移動到左、右終端時，油口a、c的開度減小，回油阻力增大，對運動部件起到制動緩沖作用。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，使運動更加平穩(wěn)。由此可知，液壓缸按結構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：缸筒用鑄鐵制成高壓時：缸筒用無縫鋼管制成。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：結構簡單，尺寸小，但缸底處內徑不易加工，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。整體式結構簡單、使用可靠，在尺寸較小的場合常用。螺紋式連接：結構簡單，但要防止螺母脫落。半環(huán)式連接：結構復雜，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。用來防止液壓缸內部和外部的泄漏。（1）間隙密封最簡單的密封形式,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構簡單、磨損后能自動補償、并且密封性能會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，價格便宜，但作運動密封時容易產(chǎn)生扭轉，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，開口面向高壓側。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，應用普遍。Y型圈主要用于往復運動的密封。Y型密封圈4.緩沖裝置利用活塞或缸筒移動到接近終點時，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，避免活塞和缸蓋的相互碰撞。當活塞移到端部,緩沖柱塞開始插入缸端的緩沖孔時，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，迫使運動柱塞降速制動，實現(xiàn)緩沖。目前普遍采用在缸進出口設單向節(jié)流閥（圖<d>），可調節(jié)緩沖效果。液壓缸緩沖裝置5.排氣裝置液壓缸在安裝過程中或長時間停放重新工作時，液壓缸和管道系統(tǒng)中會滲入空氣，使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，產(chǎn)生振動，爬行或前沖等現(xiàn)象，嚴重時會使系統(tǒng)不能正常工作。因此，設計液壓缸時，必須考慮空氣的排除。一般可在液壓缸的最高處設置進出油口把氣帶走，或在最高處設置放氣孔或專門的放氣閥。4.3液壓缸的設計計算對于不同的機器和機構，液壓缸具有不同的用途和工作要求。在設計液壓缸之前，必須對整個液壓系統(tǒng)進行工況分析，編制負載圖，選定系統(tǒng)的工作壓力，然后根據(jù)使用要求選擇結構類型，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，最后再進行結構設計。一、設計內容和步驟1.選液壓缸的類型和各部分結構形式（根據(jù)使用要求）。2.確定液壓缸主要結構尺寸和工作參數(shù)（按負載，運動速度和行程要求）。3.結構強度、剛度的計算和校核。4.導向、密封、防塵、排氣和緩沖等裝置的設計。5.繪制裝配圖、零件圖、編寫設計說明書。二、液壓缸的結構尺寸液壓缸的結構尺寸主要有：缸筒內徑D、活塞桿外徑d和缸筒長度L等。1.液壓缸內徑D根據(jù)液壓缸總負載力F和工作壓力p來計算。工作壓力P按負載大小或按液壓設備類型確定。設備類型磨床組合機床車床銑床鏜床拉床龍門刨床農業(yè)機械小型工程機械液壓機重型機械起重運輸機械工作壓力p10.8～23～52～48～102～810～1620～32負載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來確定（2）也可按活塞桿的受力情況確定當活塞桿受拉時：當活塞桿受壓時：3.缸筒長度L缸筒長度L由最大工作行程長度加上各種結構需要來確定，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—活塞桿導向長度，取（0.6－1.5）D；M—活塞桿密封長度，由密封方式定；C—其他長度。一般缸筒的長度最好不超過內徑的20倍。4.最小導向長度的確定H當活塞桿全部外伸時，從活塞支承面中點到導向套滑動面中點的距離。如果導向長度過小，使液壓缸的間隙引起的撓度增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性。導向長度（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；導向套滑動面長度A＝（0.6～1.0）D（D＜80mm）A＝（0.6～1.0）d（D＞80mm）如裝有隔套K時：C＝H－（A＋B）/2活塞桿長度根據(jù)液壓缸最大行程L而定。三、強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，缸筒壁厚由結構工藝決定，一般不做校核。在高壓系統(tǒng)中需按下列情況進行校核。當D/δ≥10時為薄壁，δ按下式校核式中，D-缸筒內徑；[σ]—缸筒材料的許用應力，[σ]＝σb/n，σb是材料的抗拉強度，一般取n＝5；pt—試驗壓力，當缸的額定壓力Pn≤16MPa時，Pt＝1.5P