液壓-第03章液壓缸

第三章液壓缸（hydrauliccylinders）

液壓缸的類型及特點(diǎn)

液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算

液壓缸的典型結(jié)構(gòu)液壓缸的密封本章主要內(nèi)容為：1液壓-第03章液壓缸

液壓缸（油缸）主要用于實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的直線往復(fù)運(yùn)動，也可以實(shí)現(xiàn)擺動，其結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，應(yīng)用廣泛。液壓缸的輸入量是液體的流量和壓力，輸出量是速度和力。液壓缸和液壓馬達(dá)都是液壓執(zhí)行元件，其職能是將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。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p1p2F(負(fù)載)VdQAF2液壓-第03章液壓缸3.1液壓缸的類型及特點(diǎn)

液壓缸的分類按供油方向分：單作用缸和雙作用缸。按結(jié)構(gòu)形式分：活塞缸、柱塞缸、伸縮套筒缸、擺動液壓缸。按活塞桿形式分：單活塞桿缸、雙活塞桿缸。雙桿液壓缸單桿液壓缸柱塞式液壓缸3液壓-第03章液壓缸理想液壓缸理想油缸數(shù)學(xué)模型/()A單位位移排量油缸有效工作面積__AAQvPFvFQP===×××理想單桿液壓缸PQ=Pv理想雙桿液壓缸ΔPQ=Pv4液壓-第03章液壓缸3.1.1活塞式液壓缸

活塞式液壓缸可分為雙桿式和單桿式兩種結(jié)構(gòu)形式，其安裝又有缸筒固定和活塞桿固定兩種方式。3.1.1.1雙桿活塞液壓缸

雙活塞桿液壓缸的活塞兩端都帶有活塞桿，分為缸體固定和活塞桿固定兩種安裝形式，如圖3．1所示。(a)缸筒固定式(b)活塞桿固定式5液壓-第03章液壓缸

因?yàn)殡p活塞桿液壓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，其往返運(yùn)動速度和推力相等。則缸的運(yùn)動速度V和推力F分別為：（3.1）（3.2）式中:、—分別為缸的進(jìn)、回油壓力；—分別為缸的容積效率和機(jī)械效率；、、d—分別為活塞直徑和活塞桿直徑；q—輸入流量；A—活塞有效工作面積。這種液壓缸常用于要求往返運(yùn)動速度相同的場合。6液壓-第03章液壓缸3.1.1.2單活塞桿液壓缸

單活塞桿液壓缸的活塞僅一端帶有活塞桿，活塞雙向運(yùn)動可以獲得不同的速度和輸出力，其簡圖及油路連接方式如圖3.2所示。(a)無桿腔進(jìn)油Ddq(b)有桿腔進(jìn)油q7液壓-第03章液壓缸無桿腔進(jìn)油（3.3）（3.4）活塞的運(yùn)動速度和推力分別為:(a)無桿腔進(jìn)油Ddq8液壓-第03章液壓缸有桿腔進(jìn)油活塞的運(yùn)動速度和推力分別為:（3.5）（3.6）(b)有桿腔進(jìn)油q9液壓-第03章液壓缸

比較上述各式，可以看出：>,>；液壓缸往復(fù)運(yùn)動時的速度比為：（3.7）

上式表明：當(dāng)活塞桿直徑愈小時，速度比接近1，在兩個方向上的速度差值就愈小。(a)無桿腔進(jìn)油Ddq(b)有桿腔進(jìn)油q10液壓-第03章液壓缸兩腔進(jìn)油,差動聯(lián)接

當(dāng)單桿活塞缸兩腔同時通入壓力油時，由于無桿腔有效作用面積大于有桿腔的有效作用面積，使得活塞向右的作用力大于向左的作用力，因此，活塞向右運(yùn)動，活塞桿向外伸出；與此同時，又將有桿腔的油液擠出，使其流進(jìn)無桿腔，從而加快了活塞桿的伸出速度，單活塞桿液壓缸的這種連接方式被稱為差動連接。(c)差動聯(lián)接q11液壓-第03章液壓缸兩腔進(jìn)油,差動聯(lián)接（3.8）（3.9）

在忽略兩腔連通油路壓力損失的情況下，差動連接液壓缸的推力為：活塞的運(yùn)動速度為：(c)差動聯(lián)接q等效q12液壓-第03章液壓缸兩腔進(jìn)油,差動聯(lián)接

差動連接時,液壓缸的有效作用面積是活塞桿的橫截面積，工作臺運(yùn)動速度比無桿腔進(jìn)油時的大，而輸出力則較小。

差動連接是在不增加液壓泵容量和功率的條件下，實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動的有效辦法。(c)差動聯(lián)接q等效q13液壓-第03章液壓缸

差動液壓缸計(jì)算舉例

例3.1：已知單活塞桿液壓缸的缸筒內(nèi)徑D=100mm，活塞桿直徑d=70mm，進(jìn)入液壓缸的流量q=25min，壓力P1=2Mpa，P2=0。液壓缸的容積效率和機(jī)械效率分別為0.98、0.97，試求在圖3.2(a)、(b)、(c)所示的三種工況下，液壓缸可推動的最大負(fù)載和運(yùn)動速度各是多少？并給出運(yùn)動方向。

解：在圖3.2（a）中，液壓缸無桿腔進(jìn)壓力油，回油腔壓力為零，因此，可推動的最大負(fù)載為：

液壓缸向左運(yùn)動，其運(yùn)動速度為：14液壓-第03章液壓缸

在圖3.2（b）中，液壓缸為有桿腔進(jìn)壓力油，無桿腔回油壓力為零，可推動的負(fù)載為：

液壓缸向左運(yùn)動，其運(yùn)動速度為：

在圖3.2（c）中，液壓缸差動連接，可推動的負(fù)載力為：

液壓缸向左運(yùn)動，其運(yùn)動速度為：15液壓-第03章液壓缸3.1.2柱塞式液壓缸

圖3.3柱塞式液壓缸

當(dāng)活塞式液壓缸行程較長時，加工難度大,使得制造成本增加。某些場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格低廉的液壓缸。16液壓-第03章液壓缸

圖3.3柱塞式液壓缸

如圖3.3（a）所示，柱塞缸由缸筒、柱塞、導(dǎo)套、密封圈和壓蓋等零件組成，柱塞和缸筒內(nèi)壁不接觸，因此缸筒內(nèi)孔不需精加工，工藝性好，成本低。17液壓-第03章液壓缸

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它外力來完成。如果要獲得雙向運(yùn)動，可將兩柱塞液壓缸成對使用為減輕柱塞的重量，有時制成空心柱塞。

圖3.3柱塞式液壓缸QQVdd式中：d—柱塞直徑，p1—進(jìn)油壓力，p2—另一缸的回油壓力。p1p218液壓-第03章液壓缸3.1.3擺動式液壓缸

圖3.4擺動液壓缸

擺動液壓缸能實(shí)現(xiàn)小于360°角度的往復(fù)擺動運(yùn)動，由于它可直接輸出扭矩，故又稱為擺動液壓馬達(dá)，主要有單葉片式和雙葉片式兩種結(jié)構(gòu)形式。19液壓-第03章液壓缸

圖3.4擺動液壓缸

單葉片擺動液壓缸主要由定子塊1、缸體2、擺動軸3、葉片4、左右支承盤和左右蓋板等主要零件組成。定子塊固定在缸體上，葉片和擺動軸固連在一起，當(dāng)兩油口相繼通以壓力油時，葉片即帶動擺動軸作往復(fù)擺動。20液壓-第03章液壓缸

圖3.4擺動液壓缸當(dāng)考慮到機(jī)械效率時，單葉片缸的擺動軸輸出轉(zhuǎn)矩為p1p2（3.10）D—缸體內(nèi)孔直徑；d—擺動軸直徑；b—

葉片寬度；21液壓-第03章液壓缸

圖3.4擺動液壓缸q根據(jù)能量守恒原理,結(jié)合式(3.10)得輸出角速度為D—缸體內(nèi)孔直徑；d—擺動軸直徑；b—

葉片寬度；（3.11）ω22液壓-第03章液壓缸qω

單葉片擺動液壓缸的擺角一般不超過280o

，雙葉片擺動液壓缸的擺角一般不超過150o

。

當(dāng)輸入壓力和流量不變時，雙葉片擺動液壓缸擺動軸輸出轉(zhuǎn)矩是相同參數(shù)單葉片擺動缸的兩倍，而擺動角速度則是單葉片的一半。23液壓-第03章液壓缸qω

擺動缸結(jié)構(gòu)緊湊，輸出轉(zhuǎn)矩大，但密封困難，一般只用于中、低壓系統(tǒng)中往復(fù)擺動，轉(zhuǎn)位或間歇運(yùn)動的地方。24液壓-第03章液壓缸缸體3.1.4伸縮式液壓缸

伸出縮回套筒活塞活塞伸縮式單作用缸25液壓-第03章液壓缸伸出縮回

伸縮式液壓缸的特點(diǎn)是：活塞桿伸出的行程長，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。26液壓-第03章液壓缸伸縮式雙作用缸伸出BA二級活塞

缸體兩端有進(jìn)、出油口A和B。當(dāng)A口進(jìn)油，B口回油時，先推動一級活塞向右運(yùn)動。一級活塞右行至終點(diǎn)時，二級活塞在壓力油的作用下繼續(xù)向右運(yùn)動。27液壓-第03章液壓缸伸出BA二級活塞28液壓-第03章液壓缸3.1.5齒條活塞缸

齒條活塞缸由帶有齒條桿的雙作用活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)組成，活塞往復(fù)移動經(jīng)齒條、齒輪機(jī)構(gòu)變成齒輪軸往復(fù)轉(zhuǎn)動。圖3.6齒條活塞液壓缸的結(jié)構(gòu)圖1—緊固螺帽；2—調(diào)節(jié)螺釘；3—端蓋；4—墊圈；5—O形密封圈；6—擋圈；7—缸套；8—齒條活塞；9—齒輪；l0—傳動軸；11—缸體；12—螺釘qω29液壓-第03章液壓缸3.2液壓缸的結(jié)構(gòu)

圖3.9雙作用單活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)圖l—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30液壓-第03章液壓缸

圖3.9雙作用單活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)圖l—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

單活塞桿液壓缸主要由缸底1、缸筒6、缸蓋10、活塞4、活塞桿7和導(dǎo)向套8等組成。缸筒一端與缸底焊接，另一端與缸蓋采用螺紋連接。活塞與活塞桿采用卡鍵連接。為了保證液壓缸的可靠密封，在相應(yīng)部位設(shè)置了密封圈3、5、9、11和防塵圈12。31液壓-第03章液壓缸3.2.1.1缸筒與端蓋的連接

圖3.8缸體與缸蓋的連接結(jié)構(gòu)3.2.1缸體組件

32液壓-第03章液壓缸（2）半環(huán)式連接，分為外半環(huán)連接和內(nèi)半環(huán)連接兩種連接形式。

(1）法蘭式連接33液壓-第03章液壓缸（3）螺紋式連接外螺紋連接內(nèi)螺紋連接34液壓-第03章液壓缸（5）焊接式連接（4）拉桿式連接35液壓-第03章液壓缸

缸筒是液壓缸的主體，其內(nèi)孔一般采用鏜削、絞孔、滾壓或珩磨等精密加工工藝制造，要求表面粗造度在0.1m~0.4m。

端蓋裝在缸筒兩端，與缸筒形成封閉油腔，同樣承受很大的液壓力，因此，端蓋及其連接件都應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。

導(dǎo)向套對活塞桿或柱塞起導(dǎo)向和支承作用，有些液壓缸不設(shè)導(dǎo)向套，直接用端蓋孔導(dǎo)向。

缸筒，端蓋和導(dǎo)向套的材料選擇和技術(shù)要求可參考液壓設(shè)計(jì)手冊。36液壓-第03章液壓缸3.2.3活塞組件

活塞組件由活塞、密封件、活塞桿和連接件等組成。活塞與活塞桿的連接形式

如圖3.9所示，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，除此之外還有整體式結(jié)構(gòu)、焊接式結(jié)構(gòu)、錐銷式結(jié)構(gòu)等。

1一活塞桿；2一活塞；3一密封圈；4一彈簧圈；5一螺母1一卡鍵；2一套環(huán)；3一彈簧卡圈37液壓-第03章液壓缸

活塞裝置主要用來防止液壓油的泄漏。對密封裝置的基本要求是具有良好的密封性能，并隨壓力的增加能自動提高密封性。除此以外，摩擦阻力要小，耐油。油缸主要采用密封圈密封，密封圈有O形、V形、Y形及組合式等數(shù)種，其材料為耐油橡膠、尼龍、聚氨脂等。

（1）O形密封圈O形密封圈的截面為圓形，主要用于靜密封。與唇形密封圈相比，運(yùn)動阻力較大，作運(yùn)動密封時容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，故一般不單獨(dú)用于油缸運(yùn)動密封。38液壓-第03章液壓缸

（1）O形密封圈圖3.10O型密封圈的結(jié)構(gòu)原理（a）普通型（b）有擋板型39液壓-第03章液壓缸

O形圈密封的原理：任何形狀的密封圈在安裝時，必須保證適當(dāng)?shù)念A(yù)壓縮量，過小不能密封，過大則摩擦力增大，且易于損壞。因此，安裝密封圈的溝槽尺寸和表面精度必須按有關(guān)手冊給出的數(shù)據(jù)嚴(yán)格保證。在動密封中，當(dāng)壓力大于10MPa時，O形圈就會被擠入間隙中而損壞，為此需在O形圈低壓側(cè)設(shè)置聚四氟乙烯或尼龍制成的擋圈，雙向受高壓時，兩側(cè)都要加擋圈。

（a）普通型（b）有擋板型圖3.10O型密封圈的結(jié)構(gòu)原理40液壓-第03章液壓缸

V形圈的截面為V形，如圖3.11所示，V形密封裝置是由壓環(huán)、V形圈和支承環(huán)組成。當(dāng)工作壓力高于10MPa時，可增加V形圈的數(shù)量，提高密封效果。安裝時，V形圈的開口應(yīng)面向壓力高的一側(cè)。（2）V形密封圈

a)壓環(huán)b)V型圈c)支承環(huán)圖3.11V形密封圈41液壓-第03章液壓缸Y形密封圈的截面為Y形，屬唇形密封圈。它是一種摩擦阻力小、壽命較長的密封圈，應(yīng)用普遍。Y形圈主要用于往復(fù)運(yùn)動的密封。根據(jù)截面長寬比例的不同，Y形圈可分為寬斷面和窄斷面兩種形式，圖3.12所示為寬斷面Y形密封圈。（3）Y（Yx）形密封圈

圖3.12Y形密封圈42液壓-第03章液壓缸

圖3.12Y形密封圈Y形圈安裝時，唇口端面應(yīng)對著液壓力高的一側(cè)。當(dāng)壓力變化較大，滑動速度較高時，要使用支承環(huán)，以固定密封圈，如圖3.12（b）所示。43液壓-第03章液壓缸3.2.3緩沖裝置

為了防止這種危害，保證安全，應(yīng)采取緩沖措施，對液壓缸運(yùn)動速度進(jìn)行控制。

當(dāng)液壓缸帶動質(zhì)量較大的部件作快速往復(fù)運(yùn)動時，由于運(yùn)動部件具有很大的動能，因此當(dāng)活塞運(yùn)動到液壓缸終端時，會與端蓋碰撞，而產(chǎn)生沖擊和噪聲。這種機(jī)械沖擊不僅引起液壓缸的有關(guān)部分的損壞，而且會引起其它相關(guān)機(jī)械的損傷。44液壓-第03章液壓缸3.2.3緩沖裝置

圖3.13液壓缸緩沖裝置45液壓-第03章液壓缸

當(dāng)活塞移至端部，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，該腔中受困擠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，從而造成背壓迫使運(yùn)動柱塞降速制動，實(shí)現(xiàn)緩沖。46液壓-第03章液壓缸3.2.4排氣裝置

液壓傳動系統(tǒng)往往會混入空氣，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(yán)重時會使系統(tǒng)不能正常工作。

因此，設(shè)計(jì)液壓缸時，必須考慮空氣的排除。

對于速度穩(wěn)定性要求較高的液壓缸和大型液壓缸，常在液壓缸的最高處設(shè)置專門的排氣裝置，如排氣塞、排氣閥等。當(dāng)松開排氣塞或閥的鎖緊螺釘后，低壓往復(fù)運(yùn)動幾次，帶有氣泡的油液就會排出，空氣排完后擰緊螺釘，液壓缸便可正常。47液壓-第03章液壓缸3.3液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算液壓缸的計(jì)算及驗(yàn)算方法首先根據(jù)使用要求確定液壓缸的類型，再按負(fù)載和運(yùn)動要求確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，必要時需進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，最后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

液壓缸的主要尺寸包括液壓缸的內(nèi)徑D、缸的長度L、活塞桿直徑d。主要根據(jù)液壓缸的負(fù)載、活塞運(yùn)動速度和行程等因素來確定上述參數(shù)。48液壓-第03章液壓缸液壓缸工作壓力的確定

液壓缸要承受的負(fù)載包括有效工作負(fù)載、摩擦阻力和慣性力等。液壓缸的工作壓力按負(fù)載確定。對于不同用途的液壓設(shè)備，由于工作條件不同，采用的壓力范圍也不同。設(shè)計(jì)時，液壓缸的工作壓力可按負(fù)載大小及液壓設(shè)備類型參考表3.1來確定。49液壓-第03章液壓缸3.3.1液壓缸主要尺寸的確定

液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d可根據(jù)最大總負(fù)載和選取的工作壓力來定，對單桿缸而言，有：有桿腔進(jìn)油時：（3.17）（3.16）無桿腔進(jìn)油時50液壓-第03章液壓缸有桿腔進(jìn)油時：（3.17）（3.16）無桿腔進(jìn)油時

式（3.17）中的桿徑d可根據(jù)工作壓力選取，見表3.4；當(dāng)液壓缸的往復(fù)速度比有一定要求時，由式（3.7）得桿徑為（3.18）51液壓-第03章液壓缸

計(jì)算所得的液壓缸內(nèi)經(jīng)D和活塞桿直經(jīng)d應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列，參見《新編液壓工程手冊》。液壓缸的缸筒長度由活塞最大行程、活塞長度、活塞桿導(dǎo)向套長度、活塞桿密封長度和特殊要求的長度確定。其中活塞長度為（0.6-1.0）D，導(dǎo)向套長度為（0.6-1.5）d。為減少加工難度，一般液壓缸缸筒長度不應(yīng)大于內(nèi)徑的20-30倍。52液壓-第03章液壓缸3.3.2液壓缸的校核

3.3.2.1缸筒壁厚的驗(yàn)算

中、高壓液壓缸一般用無縫鋼管做缸筒，大多屬薄壁筒，即/D0.08。此時，可根據(jù)材料力學(xué)中薄壁圓筒的計(jì)算公式驗(yàn)算缸筒的壁厚，即（3.19）

當(dāng)