液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)課件：液壓執(zhí)行元件的分析、選用與故障排除

液壓執(zhí)行元件的分析、

選用與故障排除任務(wù)一液壓馬達(dá)分析任務(wù)二液壓缸分析任務(wù)三液壓缸的設(shè)計(jì)任務(wù)四液壓缸的安裝、調(diào)整及常見故障排除

知識(shí)目標(biāo):

1.掌握液壓馬達(dá)的特點(diǎn)、分類及主要性能參數(shù)。

2.掌握液壓馬達(dá)與液壓泵的區(qū)別。

3.掌握液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)及工作原理。

4.掌握液壓缸的特點(diǎn)、分類及主要性能參數(shù)。

5.掌握單桿活塞缸的差動(dòng)連接。

6.掌握液壓缸的典型結(jié)構(gòu)及組件。

7.掌握液壓缸的設(shè)計(jì)方法。

8.掌握液壓缸的選用、拆卸、裝配、調(diào)整及故障排除。

技能目標(biāo):

1.能分析常用液壓馬達(dá)和液壓缸。

2.能根據(jù)工作條件來設(shè)計(jì)液壓缸。

3.能進(jìn)行常用的液壓缸和液壓馬達(dá)的選用、拆卸、裝配、調(diào)整及故障排除。

3.在完成上述任務(wù)的過程中,能夠自覺遵守安全操作規(guī)范。

任務(wù)一液壓馬達(dá)分析

液壓馬達(dá)是液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件,是將液壓泵提供的液壓能(壓力p和流量q)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能(轉(zhuǎn)矩T、轉(zhuǎn)速n)的能量轉(zhuǎn)換裝置。

一、液壓馬達(dá)的特點(diǎn)及分類

1.液壓馬達(dá)的特點(diǎn)

從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)來看,液壓泵與液壓馬達(dá)是可逆工作的液壓元件,向任何一種液壓泵輸入工作液體,都可使其變成液壓馬達(dá)工況;反之,當(dāng)液壓馬達(dá)的主軸由外力矩驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí),也可變?yōu)橐簤罕霉r。因?yàn)樗鼈兙哂型瑯拥幕窘Y(jié)構(gòu)要素——密閉而又可以周期變化的容積和相應(yīng)的配油機(jī)構(gòu)。但是,由于液壓馬達(dá)和液壓泵的工作條件不同,因此對(duì)它們的性能要求也不一樣,從而同類型的液壓馬達(dá)和液壓泵之間,仍存在許多差別,具體如下。

(1)液壓泵是動(dòng)力元件,液壓馬達(dá)是執(zhí)行元件,液壓泵將機(jī)械能(轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)速n)轉(zhuǎn)換為液壓能(壓力p和流量q);液壓馬達(dá)將液壓能(pM、qM)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能(TM、n)。

(2)液壓泵的結(jié)構(gòu)需保證自吸能力,而液壓馬達(dá)無此要求。液壓泵的吸油腔一般為真空,為改善吸油性和抗氣蝕能力,通常進(jìn)口尺寸大于出口;液壓馬達(dá)排油腔的壓力稍高于大氣壓

力,沒有特殊要求,所以液壓馬達(dá)的進(jìn)出油口尺寸相同。

(3)液壓馬達(dá)需要正反轉(zhuǎn)(內(nèi)部結(jié)構(gòu)需對(duì)稱),液壓泵一般是單向旋轉(zhuǎn)。

(4)液壓馬達(dá)的軸承結(jié)構(gòu)、潤滑形式需保證在很寬的速度范圍內(nèi)使用,而液壓泵的轉(zhuǎn)速雖相對(duì)比較高,但變化小,故無此苛刻要求。

(5)液壓泵的啟動(dòng)靠外機(jī)械動(dòng)力;液壓馬達(dá)啟動(dòng)需克服較大的靜摩擦力,因此要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小,內(nèi)部摩擦小(如齒輪馬達(dá)的齒數(shù)比齒輪泵多)。

(6)液壓泵需容積效率高;液壓馬達(dá)需機(jī)械效率高。一般地,液壓馬達(dá)的容積效率比液壓泵低,液壓泵的機(jī)械效率比液壓馬達(dá)低。

(7)液壓泵與原動(dòng)機(jī)裝在一起,主軸不受額外的徑向負(fù)載。而液壓馬達(dá)主軸常受徑向負(fù)載(輪子或皮帶、鏈輪、齒輪直接裝在液壓馬達(dá)上時(shí))。

2.液壓馬達(dá)的分類

液壓馬達(dá)按其結(jié)構(gòu)類型來分可以分為齒輪式、葉片式、柱塞式和其他形式。也可按照其輸出轉(zhuǎn)速的不同分為高速液壓馬達(dá)和低速液壓馬達(dá),一般來說,額定輸出轉(zhuǎn)速高于500r/min的液壓馬達(dá)屬于高速馬達(dá),額定轉(zhuǎn)速低于500r/min的液壓馬達(dá)屬于低速馬達(dá)。

高速液壓馬達(dá)的基本形式有齒輪式、螺桿式、葉片式和軸向柱塞式等,它們的主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、便于啟動(dòng)和制動(dòng)、調(diào)速和換向時(shí)靈敏度高。通常高速液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩不大,所以又稱為高速小轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)。

低速液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩通常都較大(可達(dá)數(shù)千至數(shù)萬?！っ?,所以又稱為低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)。低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)的主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩大,低速穩(wěn)定性好(一般可在10r/min以

下平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn),有的可低到0.5r/min以下),因此可以直接與工作機(jī)構(gòu)連接(如直接驅(qū)動(dòng)車輪或絞車軸),不需要減速裝置,使傳動(dòng)結(jié)構(gòu)大為簡化。低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)廣泛用于工程、運(yùn)

輸、建筑和船舶等機(jī)械(如行走機(jī)械、卷揚(yáng)機(jī)、攪拌機(jī))上,其基本結(jié)構(gòu)為徑向柱塞式,通常分為單作用曲軸型和多作用內(nèi)曲線型兩種類型。

液壓馬達(dá)的圖形符號(hào)如圖5－1所示。

圖5－1液壓馬達(dá)的圖形符號(hào)

二、液壓馬達(dá)的主要性能參數(shù)

液壓馬達(dá)的基本性能參數(shù)主要包括液壓泵的壓力、排量、流量、功率、效率、轉(zhuǎn)矩等。

1.壓力

(1)工作壓力。液壓馬達(dá)入口油液的實(shí)際壓力稱為液壓馬達(dá)的工作壓力。液壓馬達(dá)入口壓力與出口壓力的差值稱為液壓馬達(dá)的工作壓差,該值是由外負(fù)載決定的。在液壓馬達(dá)出口直接通油箱的情況下,為便于定性分析問題,通常近似認(rèn)為液壓馬達(dá)的工作壓力就等于工作壓差。

(2)額定壓力。液壓馬達(dá)在正常工作條件下,按試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最高壓力稱為液壓馬達(dá)的額定壓力。與液壓泵相同,液壓馬達(dá)的額定壓力也受泄漏和強(qiáng)度的制約,工作壓

力超過額定壓力時(shí)就會(huì)過載。

2.排量和流量

(1)排量。液壓馬達(dá)排量VM是指其轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周,液壓馬達(dá)理論上輸入液體的體積,其大小由密封容腔幾何尺寸變化計(jì)算而得,故又稱液壓馬達(dá)的幾何排量,其單位為m3/

r,工程上常用mL/r。排量可調(diào)節(jié)的液壓馬達(dá)稱為變量馬達(dá),排量不可調(diào)節(jié)的稱為定量馬達(dá)。

(2)流量。液壓馬達(dá)的流量是指單位時(shí)間輸入馬達(dá)的液體體積,其單位為m3/s,工程上常用L/min。流量有理論流量qM0與實(shí)際流量qM之分,并且理論流量為

式中,n為馬達(dá)軸轉(zhuǎn)速(r/s)。

3.效率和轉(zhuǎn)速

(1)容積效率。由于液壓馬達(dá)實(shí)際存在泄漏,因此輸入液壓馬達(dá)的油液有一部分沒有做功,直接從高壓口流向低壓口或泄漏口。由實(shí)際流量qM計(jì)算轉(zhuǎn)速n時(shí),應(yīng)考慮這部分泄漏。當(dāng)液壓馬達(dá)的泄漏流量為ΔqM時(shí),則液壓馬達(dá)的實(shí)際流量為qM=qM0+ΔqM0。液壓馬達(dá)的容積效率ηMV等于理論輸入流量qM0與實(shí)際輸入流量qM的比值,即

(2)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速n等于理論輸入流量與排量的比值,即

變量馬達(dá)的調(diào)速范圍用最高使用轉(zhuǎn)速和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之比表示。

4.轉(zhuǎn)矩和機(jī)械效率

液壓馬達(dá)的理論轉(zhuǎn)矩與液壓泵的理論轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式的形式相同,即

由于液壓馬達(dá)實(shí)際存在機(jī)械損失,故實(shí)際轉(zhuǎn)矩TM等于理論轉(zhuǎn)矩與機(jī)械損失轉(zhuǎn)矩之差,即

5.功率和總效率

液壓馬達(dá)輸入功率為pMqM,輸出功率為2πnTM,液壓馬達(dá)的總效率ηM即輸出功率與輸入功率的比值,即

由式(5－7)可見,液壓馬達(dá)的總效率等于機(jī)械效率與容積效率的乘積。

圖5－2所示為液壓馬達(dá)的特性曲線。從式(5－3)和式(5－4)可以看出,對(duì)于定量液壓馬達(dá),VM為定值,在qM和pM不變的情況下,輸出轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩TM皆不可變;對(duì)于變量液壓馬達(dá),VM的大小可以調(diào)節(jié),因而它的輸出轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩TM是可以改變的。在qM和pM不變的情況下,若使VM增大,則n減小,TM增大。圖5－2液壓馬達(dá)的特性曲線

三、液壓馬達(dá)的典型結(jié)構(gòu)及工作原理

1.齒輪馬達(dá)

齒輪馬達(dá)結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、造價(jià)便宜,可以在比較惡劣的條件下工作。但與齒輪泵一樣,齒輪馬達(dá)的密封性較差,容積效率低,只適宜于在高速小轉(zhuǎn)矩工況下使用。

1)工作原理

齒輪馬達(dá)的工作原理如圖5－3所示。圖中P為兩齒輪的嚙合點(diǎn)。設(shè)輪齒的高度為h,嚙合點(diǎn)到兩齒輪齒根的距離分別為a和b,由于a和b都小于h,所以壓力油作用在齒面上時(shí)(如圖中箭頭所示,凡齒面兩邊受壓力平衡的部分都未用箭頭表示),在兩個(gè)齒輪上就各有一個(gè)使它們產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的作用力pB(h-a)和pB(h-b),其中p為輸入油液的壓力,B為齒寬。圖5－3齒輪馬達(dá)工作原理圖

2)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

齒輪馬達(dá)可以分兩種類型,一種是以齒輪泵為基礎(chǔ)的齒輪馬達(dá),另一種是專門設(shè)計(jì)的齒輪馬達(dá)。以泵為基礎(chǔ)的齒輪馬達(dá)和齒輪泵差別不大,而專門設(shè)計(jì)的齒輪馬達(dá)由于考慮了馬達(dá)的一些特殊要求(如馬達(dá)往往需要帶負(fù)載啟動(dòng),外載荷的沖擊、振動(dòng)比較嚴(yán)重而且還要能夠正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)),因此在實(shí)際結(jié)構(gòu)方面和齒輪泵相比還有些差別。概括起來,專門設(shè)計(jì)的齒輪馬達(dá)大致具有如下結(jié)構(gòu)特點(diǎn):

(1)齒輪馬達(dá)要求正、反兩個(gè)方向回轉(zhuǎn),因此齒輪馬達(dá)要求有左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。

(2)通常都有外泄油口,因?yàn)辇X輪馬達(dá)的回油腔的油壓往往高于大氣壓力,如果采用內(nèi)泄油結(jié)構(gòu)可能會(huì)把軸端油封沖壞。特別是當(dāng)齒輪馬達(dá)反轉(zhuǎn)時(shí),原來的回油腔變成了高壓腔,

情況會(huì)更為嚴(yán)重。

(3)齒輪馬達(dá)多數(shù)采用滾動(dòng)軸承,這不僅對(duì)減少磨損有利,對(duì)于改善啟動(dòng)性能也有很大的好處。

(4)有的不采用端面補(bǔ)償裝置,以免增大摩擦力矩,使齒輪馬達(dá)的機(jī)械效率降低、啟動(dòng)性能變壞;如果仍舊采用端面補(bǔ)償裝置,則還需要設(shè)置壓力油道自動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu),以適應(yīng)正反方向旋轉(zhuǎn),始終保證將壓力油引向浮動(dòng)軸套或撓性側(cè)板的背面。

(5)齒輪馬達(dá)的低壓腔的油液是通過齒輪帶出的,所以不會(huì)像齒輪泵那樣因吸入流速過高產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象,也就是說,齒輪馬達(dá)的進(jìn)、出油口都可以做得較小從而使軸承的徑向負(fù)荷減小,提高了軸承壽命。

(6)齒輪馬達(dá)要求輸出力矩脈動(dòng)小,因此齒數(shù)z不能太小,一般取z=10~14。

在選用齒輪馬達(dá)時(shí),要注意以下兩個(gè)問題:

(1)齒輪馬達(dá)的啟動(dòng)性能不好,通常啟動(dòng)時(shí)的機(jī)械效率為70%~80%,也就是說啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是理論轉(zhuǎn)矩的70%~80%。

(2)齒輪馬達(dá)低速性能差。由于齒輪馬達(dá)流量脈動(dòng)大、密封性差、容積效率低,因此它的低速性能不好,當(dāng)轉(zhuǎn)速在50~100r/min以下時(shí)就不穩(wěn)定,因此一般選用轉(zhuǎn)速不低于150~400r/min的齒輪馬達(dá)。

2.葉片馬達(dá)

1)工作原理

雙作用葉片馬達(dá)的工作原理如圖5－4所示。當(dāng)壓力為p1的油液從配油窗口進(jìn)入相鄰兩葉片間的密封工作腔時(shí),位于進(jìn)油腔的葉片2、6因兩面所受的壓力相同,故不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。位于回油腔的葉片8、4也同樣不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。而位于封油區(qū)的葉片1、5和3、7因一面受壓力油作用,另一面受回油的低壓作用,故可產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,且葉片1、5的轉(zhuǎn)矩方向與葉片3、7的相反,但因葉片3、7的承壓面積大、轉(zhuǎn)矩大,因此轉(zhuǎn)子沿著葉片3、7的轉(zhuǎn)矩方向作順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。圖5－4雙作用葉片馬達(dá)的工作原理

2)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

葉片馬達(dá)是高速小轉(zhuǎn)矩馬達(dá),其結(jié)構(gòu)類似于雙作用式葉片泵,屬雙作用定量式。葉片馬達(dá)具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲低、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、轉(zhuǎn)子徑向液壓力

平衡、軸承負(fù)荷小、可靠性好、壽命長、轉(zhuǎn)動(dòng)部分慣性小、回轉(zhuǎn)跟隨性好、啟動(dòng)和制動(dòng)迅速及能承受頻繁的正反轉(zhuǎn)切換;葉片頂部磨損后能自動(dòng)伸出補(bǔ)償,保持與定子內(nèi)表面的接觸,一般不影響正常工作等一系列優(yōu)點(diǎn)。由于以上特點(diǎn),葉片馬達(dá)在各種工業(yè)設(shè)備和車輛液壓系統(tǒng)中都獲得了廣泛應(yīng)用,其輸出轉(zhuǎn)矩范圍一般在齒輪馬達(dá)和柱塞馬達(dá)之間,屬中型液壓馬達(dá)。

葉片馬達(dá)的缺點(diǎn)是:葉片頂端對(duì)定子內(nèi)表面的摩擦磨損大;泄漏量較大,原因是泄漏環(huán)節(jié)較多,其泄漏量比柱塞馬達(dá)大,比葉片泵大;加工精度要求高,對(duì)油液清潔度要求較高。

葉片馬達(dá)雖然與葉片泵非常相似,但由于所完成的功能不同,仍然存在一些差異,主要區(qū)別在于:

(1)葉片馬達(dá)必須有葉片壓緊機(jī)構(gòu),使啟動(dòng)時(shí)葉片能緊貼定子內(nèi)表面,形成密閉的工作容腔。

(2)葉片泵只需單方向旋轉(zhuǎn),葉片馬達(dá)常需正、反向旋轉(zhuǎn),為此對(duì)馬達(dá)有以下要求:

①在殼體上設(shè)有單獨(dú)的泄漏口。由于泵只沿規(guī)定方向單向旋轉(zhuǎn),吸油口恒為低壓,所以定量泵常將內(nèi)泄漏油在泵內(nèi)引回吸油腔。馬達(dá)反轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)、出油口要對(duì)換,原來低壓的回油腔將變?yōu)楦邏旱倪M(jìn)油腔,故不能將泄漏油引到回油腔,而必須從泄漏口引出,經(jīng)外部配管流回油箱。

②葉片一律沿轉(zhuǎn)子半徑方向放置,葉片頂端形狀左右對(duì)稱。

③進(jìn)、出油口大小相同。

3.柱塞馬達(dá)

1)軸向柱塞馬達(dá)

圖5－5所示為軸向柱塞馬達(dá)的工作原理。斜盤1和配油盤4固定不動(dòng),柱塞2可在缸體3的孔內(nèi)移動(dòng),斜盤中心線與缸體中心線相交一個(gè)傾角β。高壓油經(jīng)配油盤的窗口進(jìn)入缸體的柱塞孔時(shí),處在高壓腔中的柱塞被頂出,壓在斜盤上,斜盤對(duì)柱塞的反作用力F可分解為兩個(gè)分力,軸向分力Fx與作用在柱塞上的液壓力平衡,垂直分力Fy使缸體產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,帶動(dòng)馬達(dá)軸5轉(zhuǎn)動(dòng)。圖5－5軸向柱塞馬達(dá)工作原理

2)多作用內(nèi)曲線液壓馬達(dá)

用具有特殊曲線的凸輪環(huán),使每個(gè)柱塞在缸體每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)作多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)的徑向柱塞液壓馬達(dá),稱為多作用內(nèi)曲線徑向柱塞液壓馬達(dá)(簡稱內(nèi)曲線液壓馬達(dá))。多作用內(nèi)曲線液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)形式很多,就使用方式而言,有軸轉(zhuǎn)、殼轉(zhuǎn)與直接裝在車輪的輪轂中的車輪式液壓馬達(dá)等形式。而從內(nèi)部的結(jié)構(gòu)來看,根據(jù)不同的傳力方式和柱塞部件的結(jié)構(gòu)可有多種形式,但液壓馬達(dá)的主要工作過程是相同的。

圖5－6所示為多作用內(nèi)曲線徑向柱塞液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)。圖5－6多作用內(nèi)曲線徑向柱塞液壓馬達(dá)結(jié)構(gòu)圖

任務(wù)二液壓缸分析

一、液壓缸的類型和特點(diǎn)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),其固定方式有缸體固定和活塞桿固定兩種。

1)雙桿活塞缸

圖5－7所示為雙桿活塞式液壓缸的原理圖?；钊麅蓚?cè)均裝有活塞桿。當(dāng)兩活塞桿直徑相同,供油壓力和流量不變時(shí),活塞(或缸體)在兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)速度和推力也都相等,即

式中:v為活塞(或缸體)的運(yùn)動(dòng)速度;q為輸入液壓缸的流量;A為液壓缸的有效工作面積;D為活塞直徑;d為活塞桿直徑;F為活塞(或缸體)上的液壓推力;p1為液壓缸的進(jìn)油壓力;

p2為液壓缸的回油壓力。

這種兩個(gè)方向等速、等力的特性使雙桿活塞式液壓缸特別適合應(yīng)用于雙向負(fù)載基本相等而又要求往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度相同的場合,如平面磨床液壓系統(tǒng)。

圖5－7(a)所示為缸體固定方式。缸體固定時(shí),液壓缸上某一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)行程約等于活塞有效行程的三倍,一般用于中、小型設(shè)備。圖5－7(b)所示為活塞桿固定方式?；钊麠U固定時(shí),液壓缸上某一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)行程約等于缸體有效行程的兩倍,常用于大、中型設(shè)備。圖5－7雙桿活塞式液壓缸

2)單桿活塞缸

圖5－8所示為雙作用單桿活塞式液壓缸,缸體固定。它只在活塞的一側(cè)裝有活塞桿,因而兩腔有效作用面積不同,當(dāng)向缸的兩腔分別供油,供油壓力和流量不變時(shí),活塞在兩個(gè)方

向的運(yùn)動(dòng)速度和輸出推力皆不相等。圖5－8單桿活塞式液壓缸

無桿腔進(jìn)油時(shí)(見圖5－8(a)),有桿腔回油。設(shè)活塞的運(yùn)動(dòng)速度為v1,推力為F1,則有

有桿腔進(jìn)油時(shí)(見圖5－8(b)),無桿腔回油。設(shè)活塞的運(yùn)動(dòng)速度為v2,推力為F2,則有

式中:q為輸入液壓缸的流量;D為活塞直徑(即缸體內(nèi)徑);d為活塞桿直徑;A1、A2分別為液壓缸無桿腔和有桿腔的活塞有效作用面積;F1、F2為活塞(或缸體)上的液壓推力;p1為液壓缸的進(jìn)油壓力;p2為液壓缸的回油壓力。

液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度比為

3)單桿活塞缸差動(dòng)連接

單桿活塞缸還有另外一種非常重要的工作方式,即兩腔同時(shí)通入壓力油,如圖5－9所示,這種油路連接方式稱為差動(dòng)連接。在忽略兩腔連通油路壓力損失的情況下,差動(dòng)連接時(shí)

液壓缸兩腔的油液壓力相等。但由于無桿腔受力面積大于有桿腔,活塞向右的作用力大于向左的作用力,活塞桿作伸出運(yùn)動(dòng),并將有桿腔的油液擠出,流進(jìn)無桿腔,加快了活塞桿的伸出速度。圖5－9單桿活塞缸差動(dòng)連接

由式(5－15)和式(5－16)可知,差動(dòng)連接時(shí)實(shí)際起作用的有效面積是活塞桿的橫截面積。若要使活塞往、返速度相等,即v3=v2,則D=2d2。

與非差動(dòng)連接無桿腔進(jìn)油工況相比,在輸入油液壓力和流量相同的條件下,活塞桿伸出速度較大而推力較小。利用差動(dòng)連接,可以在不加大油源流量的情況下得到較快的運(yùn)動(dòng)速度。這種連接方式被廣泛應(yīng)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。

單桿缸與雙桿活塞缸一樣,也有兩種固定方式。兩種固定方式下,往復(fù)運(yùn)動(dòng)范圍均約為有效行程的兩倍,其結(jié)構(gòu)緊湊,應(yīng)用廣泛。

2.柱塞式液壓缸

柱塞缸是單作用液壓缸,其工作原理如圖5－10(a)所示。柱塞與工作部件連接,缸筒固定在機(jī)體上(也可以改變固定方式,使柱塞固定,缸筒帶動(dòng)工作部件運(yùn)動(dòng))。油液進(jìn)入缸筒,推動(dòng)柱塞向右運(yùn)動(dòng),但反方向時(shí)必須依靠其他外力或自重驅(qū)動(dòng)。為了得到雙向運(yùn)動(dòng),柱塞缸常成對(duì)、反向地布置使用,如圖5－10(b)所示。當(dāng)柱塞直徑為d,輸入液壓油的流量為q,壓

力為p時(shí),其產(chǎn)生的速度v和推力F為圖5－10柱塞式液壓缸

3.擺動(dòng)缸

擺動(dòng)缸也稱擺動(dòng)液壓馬達(dá),它有單葉片和雙葉片兩種結(jié)構(gòu)形式,如圖5－11所示。結(jié)構(gòu)中定子塊1固定在缸體4上,葉片2與擺動(dòng)軸3連為一體。當(dāng)兩油口交替通入壓力油時(shí),在葉片的帶動(dòng)下,它的主軸能輸出小于360°的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

圖5－11(a)所示為單葉片式擺動(dòng)缸,它的擺動(dòng)角度較大,可達(dá)300°。當(dāng)擺動(dòng)缸進(jìn)、出油口油液壓力為p1和p2,輸入流量為q時(shí),它的輸出轉(zhuǎn)矩T和角速度ω各為

式中:b為葉片的寬度,R1、R2分別為葉片底部、頂部的回轉(zhuǎn)半徑。

圖5－11(b)所示為雙葉片式擺動(dòng)缸,它的擺動(dòng)角度較小,可達(dá)150°,它的輸出轉(zhuǎn)矩是單葉片式的兩倍,而角速度則是單葉片式的一半。

擺動(dòng)缸常用于工夾具的夾緊裝置、送料裝置、轉(zhuǎn)位裝置及需要周期性進(jìn)給的系統(tǒng)。圖5－11擺動(dòng)缸

4.組合式液壓缸

1)伸縮缸

伸縮缸又稱多級(jí)缸,它由兩級(jí)或多級(jí)活塞缸套裝而成,前一級(jí)活塞缸的活塞是后一級(jí)活塞缸的缸筒。圖5－12所示為其結(jié)構(gòu)示意圖。工作時(shí)外伸動(dòng)作逐級(jí)進(jìn)行,首先是最大直徑的缸筒外伸,當(dāng)其達(dá)到行程終點(diǎn)的時(shí)候,稍小直徑的缸筒開始外伸,這樣各級(jí)缸筒依次外伸。由于有效工作面積逐次減小,因此,當(dāng)輸入流量相同時(shí),外伸速度逐次增大;當(dāng)負(fù)載恒定時(shí),

液壓缸的工作壓力逐次增高。圖5－12伸縮缸

2)齒條活塞缸

齒條活塞缸又稱無桿式液壓缸,它由帶有齒條桿的雙活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)所組成,如圖5－13所示?；钊耐鶑?fù)移動(dòng)經(jīng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成齒輪軸的周期性往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。它多用于自動(dòng)生產(chǎn)線、組合機(jī)床等的轉(zhuǎn)位或分度機(jī)構(gòu)中。圖5－13齒條活塞缸

二、液壓缸的典型結(jié)構(gòu)和組件

1.液壓缸的典型結(jié)構(gòu)

圖5－14所示為雙桿活塞缸的典型結(jié)構(gòu)。它由缸筒7,前、后缸蓋3,前、后壓蓋11,前、后導(dǎo)向套4,活塞5,活塞桿1、10,兩套V形密封圈9及O形密封圈8等主要部分組成。圖5－14雙桿活塞缸的典型結(jié)構(gòu)

圖5－15所示為單桿活塞缸的典型結(jié)構(gòu)。它主要由缸筒3,活塞2,活塞桿8,前、后缸蓋1、4,導(dǎo)向套6,拉桿7等組成。當(dāng)壓力油從a孔或b孔進(jìn)入缸筒3時(shí),可使活塞實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng),并利用設(shè)在缸兩端的緩沖及排氣裝置,減少?zèng)_擊和振動(dòng)。為了防止泄漏,在缸筒與活塞、活塞桿與導(dǎo)向套以及缸筒與缸蓋等處均安裝了密封圈,并利用拉桿將缸筒、缸蓋等連接在一起。圖5－15單桿活塞缸的典型結(jié)構(gòu)

2.缸體組件

缸體組件包括缸筒、端蓋及其連接件。

1)缸體組件的連接形式

常見的缸體組件的連接形式如圖5－16所示。圖5－16缸體組件的連接形式

2)缸筒、端蓋和導(dǎo)向套

缸筒是液壓缸的主體,它與端蓋、活塞等零件構(gòu)成密閉的容腔,承受油壓,因此要有足夠的強(qiáng)度和剛度,以便抵抗油液壓力和其他外力的作用。缸筒內(nèi)孔一般采用膛削、鉸孔、滾

壓或珩磨等精密加工工藝制造,要求表面粗糙度Ra值為0.

1~0.4μm,以使活塞及其密封件、支承件能順利滑動(dòng)和保證密封效果,減少磨損。為了防止腐蝕,缸筒內(nèi)表面有時(shí)需鍍鉻。

端蓋裝在缸筒兩端,與缸筒形成密閉容腔,同樣承受很大的液壓力,因此它們及其連接部件都應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮強(qiáng)度,又要選擇工藝性較好的結(jié)構(gòu)形式。

3.活塞組件

活塞組件由活塞、活塞桿和連接件等組成。隨工作壓力、安裝方式和工作條件的不同活塞組件有多種連接形式。

1)活塞組件的連接形式

活塞與活塞桿的連接形式如圖5－17所示。

整體式連接(圖5－17(a))和焊接式連接(圖5－17(b))結(jié)構(gòu)簡單,軸向尺寸緊湊,但損壞后需整體更換。錐銷式連接(圖5－17(c))加工容易,裝配簡單,但承載能力小,且需要必

要的防止脫落措施。螺紋式連接(圖5－17(d))結(jié)構(gòu)簡單,裝拆方便,但一般需備有螺母防松裝置。半環(huán)式連接(圖5－17(e))強(qiáng)度高,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

2)活塞和活塞桿

活塞受油壓的作用在缸筒內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng),因此,活塞必須具備一定的強(qiáng)度和良好的耐磨性?；钊话阌描T鐵制造?；钊慕Y(jié)構(gòu)通常分為整體式和組合式兩類。

活塞桿是連接活塞和工作部件的傳力零件,它必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度?；钊麠U無論是實(shí)心的還是空心的,通常都用鋼料制造?；钊麠U在導(dǎo)向套內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng),其外圓表面應(yīng)當(dāng)耐磨并有防銹能力,故活塞桿外圓表面有時(shí)需鍍鉻?；钊突钊麠U的技術(shù)要求可參考有關(guān)手冊(cè)。圖5－17活塞與活塞桿的連接形式

4.密封裝置

液壓缸的密封裝置用以防止油液的泄漏(液壓缸一般不允許外泄,并要求內(nèi)泄漏盡可能小)。密封裝置設(shè)計(jì)的好壞對(duì)于液壓缸的靜、動(dòng)態(tài)性能有著重要的影響。一般要求密封裝置應(yīng)具有良好的密封性、盡可能長的壽命,要制造簡單,拆裝方便,成本低。液壓缸的密封主要指活塞、活塞桿處的動(dòng)密封和缸蓋等處的靜密封,如圖5－14中的O形密封圈和V形密封圈,以及組合式密封裝置。有關(guān)密封裝置的內(nèi)容詳見項(xiàng)目七的任務(wù)五。

5.緩沖裝置

當(dāng)液壓缸拖動(dòng)質(zhì)量較大的部件作快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),運(yùn)動(dòng)部件具有很大的動(dòng)能,這樣,當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到液壓缸的終端時(shí),會(huì)與端蓋發(fā)生機(jī)械碰撞,產(chǎn)生很大的沖擊和噪聲,引起液壓缸

的損壞。故一般應(yīng)在液壓缸內(nèi)設(shè)置緩沖裝置,或在液壓系統(tǒng)中設(shè)置緩沖回路。

緩沖的一般原理是:當(dāng)活塞快速運(yùn)動(dòng)到接近缸蓋時(shí),通過節(jié)流的方法增大回油阻力,使液壓缸的排油腔產(chǎn)生足夠的緩沖壓力,活塞因運(yùn)動(dòng)受阻而減速,從而避免與缸蓋快速相撞。

常見的緩沖裝置如圖5－18所示。

1)圓柱形環(huán)隙式緩沖裝置

圓柱形環(huán)隙式緩沖裝置如圖5－18(a)所示。當(dāng)緩沖柱塞A進(jìn)入缸蓋上的內(nèi)孔時(shí),缸蓋和活塞間形成環(huán)形緩沖油腔B,被封閉的油液只能經(jīng)環(huán)形間隙δ排出,產(chǎn)生緩沖壓力,從而

實(shí)現(xiàn)減速緩沖。這種裝置在緩沖過程中,由于回油通道的節(jié)流面積不變,因而緩沖開始時(shí)產(chǎn)生的緩沖制動(dòng)力很大,其緩沖效果較差,液壓沖擊較大,且實(shí)現(xiàn)減速需較長行程。但這種裝

置結(jié)構(gòu)簡單,便于設(shè)計(jì)和降低成本,所以在一般系列化的成品液壓缸中常采用這種緩沖裝置。圖5－18液壓缸的緩沖裝置

2)圓錐形環(huán)隙式緩沖裝置

圓錐形環(huán)隙式緩沖裝置如圖5－18(b)所示。由于緩沖柱塞A為圓錐形,因此緩沖環(huán)形間隙δ隨位移量不同而改變,即節(jié)流面積隨緩沖行程的增大而縮小,使機(jī)械能的吸收較均勻,其緩沖效果較好,但仍有液壓沖擊。

3)可變節(jié)流槽式緩沖裝置可變節(jié)流槽式緩沖裝置如圖5－18(c)所示。在緩沖柱塞A上開有三角節(jié)流溝槽,節(jié)流面

積隨著緩沖行程的增大而逐漸減小,其緩沖壓力變化較平緩。

4)可調(diào)節(jié)流孔式緩沖裝置

可調(diào)節(jié)流孔式緩沖裝置如圖5－18(d)所示。當(dāng)緩沖柱塞A進(jìn)入到缸蓋內(nèi)孔時(shí),回油口被柱塞堵住,只能通過節(jié)流閥C回油,調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度可以控制回油量,從而控制活塞的緩沖速度。當(dāng)活塞反向運(yùn)動(dòng)時(shí),壓力油通過單向閥D很快進(jìn)入液壓缸內(nèi),并作用在活塞的整個(gè)有效面積上,故活塞不會(huì)因推力不足而產(chǎn)生啟動(dòng)緩慢現(xiàn)象。這種緩沖裝置可以根據(jù)負(fù)載情況調(diào)整節(jié)流閥開度的大小,改變緩沖壓力的大小,因此適用范圍較廣。

6.排氣裝置

在液壓系統(tǒng)安裝時(shí)或停止工作后又重新啟動(dòng)時(shí),必須把液壓系統(tǒng)中的空氣排出去。對(duì)于要求不高的液壓缸往往不設(shè)專門的排氣裝置,而是將油口布置在缸筒兩端的最高處,通過回油使缸內(nèi)的空氣排往油箱,再從油面逸出。對(duì)于速度穩(wěn)定性要求較高的液壓缸或大型液壓缸,常在液壓缸兩側(cè)的最高位置處(該處往往是空氣聚積的地方)設(shè)置專門的排氣裝置。常用的排氣裝置有兩種形式,如圖519所示。

一種是在液壓缸的最高部位處開排氣孔2(見圖5－19(a)),用長管道通向遠(yuǎn)處的排氣閥排氣,機(jī)床上大多采用這種形式。另一種是在液壓缸的最高部位直接安裝排氣閥(見圖5－19(b)、(c))。在液壓系統(tǒng)正式工作前,松開排氣閥螺釘

后,讓液壓缸全行程空載往復(fù)運(yùn)動(dòng)若干次,帶有氣泡的油液就會(huì)排出。然后再擰緊排氣閥螺釘,液壓缸便可正常工作。

圖5－19液壓缸的排氣結(jié)構(gòu)

任務(wù)三液壓缸的設(shè)計(jì)

一、液壓缸設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題不同的液壓缸有不同的設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求,一般在設(shè)計(jì)液壓缸時(shí)應(yīng)注意以下問題:(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,若是受壓狀態(tài),應(yīng)具有良好的縱向穩(wěn)定性。

(2)根據(jù)實(shí)際工況,考慮液壓缸行程終了處的制動(dòng)問題和液壓缸的排氣問題。

(3)根據(jù)主機(jī)的工作要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求,正確選擇液壓缸的安裝和固定方式。但考慮到液壓缸的熱脹冷縮,液壓缸只能一端定位。

(4)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)簡單、緊湊,加工、裝配和維修方便。

二、液壓缸主要尺寸的計(jì)算

液壓缸的主要幾何尺寸包括液壓缸內(nèi)徑D、活塞桿直徑d和液壓缸缸筒長度L。

1.液壓缸內(nèi)徑D

液壓缸內(nèi)徑D根據(jù)最大總負(fù)載和選取的工作壓力來確定。一般液壓缸設(shè)計(jì)中,常初步選取回油壓力為0,則對(duì)單桿缸而言,無桿腔進(jìn)油時(shí):

有桿腔進(jìn)油時(shí):

式中各符號(hào)含義同前。計(jì)算所得的液壓缸內(nèi)徑D(即活塞直徑)應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列值(可查液壓設(shè)計(jì)手冊(cè))。

2.活塞桿直徑d

活塞桿直徑d可根據(jù)工作壓力或設(shè)備類型選取,見表5－1和表5－2。當(dāng)液壓缸的往復(fù)速度比λv有一定要求時(shí):

推薦液壓缸的往復(fù)速度比如表5－3所示。

3.液壓缸缸筒長度

液壓缸的缸筒長度L