液压缸结构及原理.ppt

第5章液压缸 第 章液压缸 液压缸是完成往复直线运动的执行元件 它是将液体的压力能转换成机械能的能量转换装置 其输入参数主要是压力和流量 输出参数主要是力和位移 液压缸结构简单 工作可靠 应用广泛 第 章液压缸 第 章液压缸 液压缸的类型较多 按其作用方式分类 可分为单作用式和双作用式两大类 单作用式液压缸在液压力作用下只能朝着 个方向运动 其反向运动需要依靠重力或弹簧等外力实现 双作用式液压缸依靠液压力可实现正 反两个方向的运动 液压缸按其结构形式的不同 可分为活塞式 柱塞式 摆动式 伸缩式等形式 其中以活塞式液压缸应用最多 活塞式液压缸有双杆活塞缸和单杆活塞缸两种结构 双杆活塞缸的两端都有活塞杆伸出 按其安装方式的不同 有缸固定和杆固定两种 4 1 1活塞式液压缸 4 1液压缸的类型与特点 1 双杆活塞缸 第 章液压缸 双杆活塞缸采用缸固定如图4 1所示 液压缸的缸筒1 活塞2 活塞杆3和工作台4 工作台与活塞杆连接成一体 若油液进入液压缸的左腔 液压缸右腔的油液回油箱 则在油液压力的作用下 活塞连同工作台一起向右运动 若改变油液进 出液压缸的方向 则液压缸及工作台一起向左运动 图中虚线位置 从图4 1可知 双杆活塞缸采用缸固定其工作台的最大活动范围约为活塞有效行程的三倍 因此这种安装方式占地面积较大 常用于小型机床设备 图4 1双杆活塞缸采用缸固定1 缸筒2 活塞3 活塞杆4 工作台 第 章液压缸 第 章液压缸 双杆活塞缸采用杆固定如图4 2所示 图4 2a中 活塞杆3为实心并且固定 缸筒1和工作台4连接在一起 若油液进入液压缸的左腔 液压缸的右腔回油箱 则在油液压力的作用下 缸筒和工作台一起向左运动 但是 由于缸筒是运动的 与其相连的进 出油管需要采用软管连接 为了避免油管运动 可将活塞杆做成空心的 如图4 2b所示 此时油管与活塞杆相连 从图4 2可以看出 这种活塞缸工作台的最大活动范围约为液压缸有效行程的两倍 因此占地面积较小 适用于中型及大型机床 第 章液压缸 图4 2双杆活塞缸采用杆固定a 实心双杆式b 空心双杆式1 缸筒2 活塞3 活塞杆4 工作台 a b 第 章液压缸 第 章液压缸 双杆活塞缸的推力及速度的计算 一般情况下两个活塞杆的直径相等 当液压缸一腔进油而另一腔回油时 两个方向的运动速度和推力是相等的 当油液的输入流量为q 输入压力为p1和输出压力为p2时 液压缸的推力F和速度v分别为 4 1 4 2 式中A 活塞的有效工作面积 A D2 d2 4 p1 液压缸的进油腔压力 p2 液压缸的回油腔压力 若液压缸的出口直接接油箱 p2 0 D 活塞的直径 d 活塞杆的直径 F 液压缸的推力 v 液压缸的运动速度 q 输入液压缸的流量 第 章液压缸 4 3 式中Al 无杆腔的有效工作面积 A1 d2 4 2 单杆活塞缸单杆活塞缸也有缸固定式和杆固定式两种安装方式 无论是缸固定还是杆固定 其工作台的最大活动范围约为活塞有效工作行程的两倍 单杆活塞缸左右两腔的有效工作面积不相等 因此 两个方向产生的推力和速度也都不相等 下面以缸固定式为例分别予以讨论 无杆腔进油 如图4 3a所示 液压油从无杆腔进入 其进油压力为p1 流量为q 有杆腔回油 其回油压力为p 推动活塞向右运动 则液压缸产生的推力F1和速度v1为 4 4 A2 有杆腔的有效工作面积 A2 4 3 第 章液压缸 a b c a 无杆腔进油b 有杆腔进油c 差动连接 图4 3单杆活塞缸 第 章液压缸 第 章液压缸 第 章液压缸 第 章液压缸 如图4 3b所示 液压油从有杆腔进入 其压力为p1 流量为q 无杆腔回油 其压力为p2 推动活塞向左运动 则液压缸产生的推力F2和速度v2为 4 5 4 6 如果把两个方向上输出速度v2和v1的比值称为速比系数 并记作 则 4 7 故活塞杆直径越小 速比系数越小 活塞在两个方向上的运动速度差值越小 有杆腔进油 第 章液压缸 当单杆活塞缸左右两腔相互接通并同时输入液压油时 称为 差动连接 采用差动连接的液压缸称为差动液压缸 如图4 3c所示 假设液压缸固定 因差动液压缸无杆腔的液压力大于有杆腔的液压力 故活塞向右移动 同时使有杆腔的油液流入无杆腔 此时液压缸产生的推力F3和速度v3为 4 8 4 9 若将F1 F2 F3和v1 v2 v3分别比较便可看出 Fl F2 F3 v1 v2 v3 即无杆腔进油时产生的推力大 速度低 差动连接和有杆腔进油时产生的推力小 速度高 所以 单杆活塞缸常用在 快进 差动连接 工进 无杆腔进油 快退 有杆腔进油 的液压系统中 如果要求v2 v3时 可得 d 0 707D 上述活塞缸都是双作用式的 双杆活塞缸在机床中应用较多 单杆活塞缸则广泛地应用于各种工程机械中 液压缸的差动连接 第 章液压缸 a b 图4 4柱塞缸a 单向液压驱动b 双向液压驱动1 柱塞2 缸筒3 工作台 柱塞式液压缸如图4 4a所示 图中柱塞1 缸筒2 工作台3 这是 种单作用式液压缸 其柱塞1和缸筒2不直接接触 运动时由缸盖上的导向套来导向 因此缸筒内壁只需粗加工 而柱塞为外圆表面容易加工 故加工工艺性好 它特别适用于行程较长的场合 如龙门刨床 此外 常应用于液压升降机 自卸卡车 叉车和轧机平衡系统 为了实现工作台的双向运动 柱塞缸可成对反向布置 如图4 4b所示 4 1 2柱塞式液压缸 第 章液压缸 第 章液压缸 第 章液压缸 柱塞缸产生的推力F和运动速度v分别为 4 10 4 11 式中A 柱塞缸的有效工作面积 A d2 4 p 液压缸的进油压力 d 柱塞的直径 F 液压缸的推力 v 液压缸的运动速度 q 输入液压缸的流量 第 章液压缸 摆动式液压缸又称为摆动式液压马达 其输出运动为摆动运动 输出参数为转矩和角速度 如图4 5所示 其主要由缸筒1 叶片轴2 定位块3和叶片4等组成 图4 5a为单叶片式摆动缸 其摆动角度可达300 它的理论输出转矩T和角速度 分别为 T 4 13 4 12 式中R1 叶片轴半径 R2 缸筒半径 b 叶片宽度 4 1 3摆动式液压缸 第 章液压缸 a b 图4 5摆动缸a 单叶片式b 双叶片式1 缸筒2 叶片轴3 定位块4 叶片 图4 5b为双叶片式摆动缸 其摆角最大可达150 它的理论输出转矩是单叶片式的两倍 在同等输入流量下的角速度则是单叶片式的 半 摆动式液压缸的主要特点是结构紧凑 但加工制造比较复杂 在机床上 可用于回转夹具 送料装置 间歇进刀机构等 在液压挖掘机 装载机上 可用于铲斗的回转机构 第 章液压缸 p2 p1 D d 2 Kp1 4 l4 式中K 增压比 K D d 2 4 1 4其他液压缸 1 增压缸增压缸也叫增压器 在液压系统不增加高压能源的情况下 采用增压缸可以获得比液压系统能源压力高得多的油液压力 图4 6为一增压缸 它是利用大小活塞的有效工作面积之比来使液压系统中局部区域获得高压的 当活塞缸左腔输入的油液压力为p1 右腔输出的油液压力为p2 大活塞直径为D 小活塞直径为d时 则有 第 章液压缸 图4 6增压缸图4 7伸缩缸 2 伸缩式液压缸伸缩式液压缸又称为多级液压缸 是由两个或多个活塞套装而成的 如图4 7所示 它是把活塞杆作成前一级的缸筒 伸出时活塞按有效工作面积由大到小依次伸出 可获得很长的工作行程 缩回时活塞由小到大依次缩回 长度则较短 故结构较紧凑 由于各级活塞的有效工作面积不同 在输入油液压力和流量不变的情况下 液压缸的推力和速度是分级变化的 伸出时 先动作的活塞速度低 推力大 后动作的推力小 速度高 伸缩式液压缸常用于工程机械 如翻斗汽车 起重机等 和农业机械上 第 章液压缸 第 章液压缸 第 章液压缸 3 齿条活塞缸齿条活塞缸如图4 8所示 它是由两个活塞缸和一套齿条齿轮传动装置组成 当液压油进入液压缸左腔 右腔回油时 油液压力产生的推动使活塞向右移动 活塞杆上的齿条便推动齿轮作逆时针方向转动 当油路换向时 则齿轮反向转动 齿条活塞缸常用于组合机床的回转工作台 回转夹具及数控机床机械手的转位机构等 图4 8齿条缸图4 9多位液压缸 第 章液压缸 第 章液压缸 4 多位液压缸多位液压缸一般为双杆活塞缸 且左右活塞杆直径相等 缸筒两端开有a b两个进油口 以及C1 C2 C3 C4 C5等回油口 每个回油口均可通过换向阀与油箱通断 如图4 9所示 若所有回油口均与油箱断开 此时液压缸两腔同时进油并且压力相等 则液压缸左右腔液压力相等 活塞不动并停留在原虚线位置 若将回油口C4与油箱接通 则液压缸右腔油液通过C4回油箱 右腔压力迅速降低 在液压力的作用下活塞右移 直至堵住油口C4 此时两腔液压力再次相等 活塞不动 因此 该液压缸能够按要求停留在所需的位置上 在加工中可用于多工位 不等距离的送料机构 第 章液压缸 由于液压缸的行程和使用条件的限制 液压缸往往需要自行设计 由专业厂家制造 设计液压缸所需的原始资料主要有负载大小 运动速度和行程长短以及液压缸的结构形式和安装要求等 因此 设计时必须首先对整个液压系统进行工况分析 编制负载图 选定工作压力 确定液压缸的结构类型 行程和液压缸的主要尺寸 最后再进行结构设计 确定缸筒壁厚 验算活塞杆强度和稳定性 验算螺栓强度等 4 2液压缸的设计与计算 第 章液压缸 当有杆腔进油驱动负载时 1 大型动力设备 如组合机床 拉床 压力机等 由液压缸的推力公式 F pA 其工作压力p可以参见表4 1和表4 2 通过类比法确定 或通过试验法获得 然后根据进油情况进行计算 D 4 15 当无杆腔进油驱动负载时 D 4 16 式中 活塞杆的直径d与液压缸内径D的比值 d D 其取值范围可见表4 3 4 2 1液压缸内径D和活塞杆直径d的确定 第 章液压缸 液压缸压力与负载的关系 表4 2各类设备液压缸常用的压力 表4 3系数 的推荐值 表4 1 第 章液压缸 2 小型动力设备 如磨床 研磨机床等 由于按上述方法求解出的数值较小 故一般按结构需要先确定活塞杆直径d 再按照速比公式 4 7 计算液压缸内径D 4 17 注意 计算得出的D d须圆整并取标准值 见表4 4 表4 5 以便于零件互换 同时 对于受载时速度较低的液压缸要验算最小稳定速度 不能保证的要适当增大液压缸内径 第 章液压缸 液压缸缸筒内径尺寸系列 D mm 表4 5液压缸活塞杆直径尺寸系列 d mm 表4 4 第 章液压缸 液压缸缸筒的长度由最大工作行程和结构确定 通常 L 活塞最大行程l 活塞长度B 活塞杆导向长度l1 活塞杆密封长度l2 其他长度 其中 活塞长度B 0 6 1 D 活塞杆导向长度l1 0 6 1 5 d 其他长度是指一些特殊装置所需长度 例如液压缸两端缓冲装置所需长度等 一般缸筒长度最好不大于其内径的20 30倍 4 2 2 液压缸缸筒长度L的确定 第 章液压缸 在中 低压液压系统中 液压缸缸筒的壁厚由结构工艺要求决定 强度一般都满足 故通常不须验算 当液压缸工作压力较高或缸筒内径较大时 需对其最薄处的壁厚进行强度校核 校核方法为 当D 10时 可按薄壁圆筒公式校核 即 当D 10时 可按厚壁圆筒公式校核 即 4 18 4 19 4 2 3 缸筒壁厚的确定与校核 第 章液压缸 式中 缸筒壁厚 D 缸筒内径 或活塞直径 py 缸筒试验压力 一般比最大工作压力高20 30 缸筒材料的许用应力 b s b为材料抗拉强度 查有关手册 s为安全系数 一般取s 3 5 5 应当注意 算出的壁厚 般还要根据无缝钢管标准或有关标准作适当的修正 第 章液压缸 1 强度校核活塞杆强度按下式校核 d 4 20 式中d 活塞杆直径 F 液压缸负载 活塞杆材料的许用应力 b s b为材料抗拉强度 s为安全系数 一般取s 1 4 2 稳定性验算对于长度与直径之比大于15的受压活塞杆 应按材料力学公式进行稳定性校核计算 即活塞杆所能承受的负载F 应小于使它保持工作稳定的临界负载Fk Fk的值与活塞杆材料的性质 截面形状 直径和长度 以及液压缸的安装方式等因素有关 可参考材料力学中的有关公式进行计算 4 2 4 活塞杆的强度和稳定性校核 第 章液压缸 缸筒与端盖的连接方法很多 其中以螺栓连接应用最广 当缸筒与缸盖采用法兰连接时 要验算连接螺栓的强度 根据受轴向工作载荷的紧螺栓连接强度校核公式 d 4 21 式中F 液压缸负载 K 螺纹拧紧系数 K 1 25 1 5 Z 螺栓个数 螺栓材料的许用应力 s s s为材料的屈服极限 查有关手册 s为安全系数 一般取s 1 2 2 5 4 2 5螺栓强度的校核 第 章液压缸 单杆活塞缸结构如图4 10所示 它主要应用于机床上 其结构由缸筒 端盖 活塞 活塞杆等主要部分组成 缸筒11和前后端盖2 17用四个拉杆和螺栓1紧固连成一体 活塞9通过半环6 轴套5和轴用挡圈4构成的半环连接固定在活塞杆12上 这种连接方式工作可靠 为了保证形成的油腔具有可靠的密封和防止泄漏 在前后端盖和缸筒之间 缸筒和活塞之间 活塞和活塞杆之间及活塞杆与后端盖之间都分别设置了相应的密封圈3 7 8和15 为了防止活塞杆在运动时发生轴线偏斜 后端盖和活塞杆之间还装有导向套14 同时安装防尘圈16 目的是防止脏物和灰尘进入液压缸内部 缓冲套10可以使活塞及活塞杆在右移行程终端处减速 以防止或减弱活塞对端盖的撞击 端盖上开设的油口布置在缸筒的最上方 以便于回油时将油液中夹杂的少量空气带回油箱溢出 4 3 1液压缸的典型结构 4 3液压缸的结构设计 第 章液压缸 1 螺栓2 前端盖3 8 O形密封圈4 轴用挡圈5 轴套6 半环7 15 Y形密封圈9 活塞10 缓冲套11 缸筒12 活塞杆13 进出油口14 导向套16 防尘圈17 后端盖 图4 10单杆活塞缸结构图 第 章液压缸 从上面的例子可以看到 液压缸的结构基本上由缸筒组件 活塞组件 密封装置 缓冲装置和排气装置等五大部分组成 缸筒组件包括缸筒和前后端盖 这一部分的结构问题主要是缸筒和端盖的连接形式 缸筒与端盖连接的各种典型结构如图4 11所示 各种连接具备不同的特点 图4 11a为焊接连接 用于永久连接的场合 连接强度高 但易产生焊接变形 所以多用于较短的液压缸 图4 11b为法兰连接 这种结构易于加工和装配 但外形尺寸较大 一般用于铸铁材料的缸筒 图4 11c为螺纹连接 这种连接方式具有重量轻 外径尺寸小等优点 但端部结构复杂 工艺要求较高 图4 11d为半环连接 这种连接方式加工和装配方便 但开槽削弱了缸筒的强度 一般用于无缝钢管材料的缸筒 图4 11e为拉杆连接 用四根拉杆将前 后端盖和缸筒紧固 径向尺寸大 这种连接通常只用于较短的液压缸 4 3 2液压缸的组成 1 缸筒组件 第 章液压缸 a 焊接式b 法兰式c 螺纹式d 半环式e 拉杆式 图4 11缸筒与端盖连接形式 第 章液压缸 2 活塞组件活塞组件由活塞和活塞杆及连接件等组成 根据工作压力 安装固定方式及工作条件的不同 活塞和活塞杆的连接方法主要采用如图4 12所示 图4 12a为整体式 将活塞和活塞杆做成整体结构 这种结构虽然简单 可靠 但加工比较复杂 常用于小直径的液压缸中 图4 12b为锥销连接 这种连接形式加工装配方便 一般用于轻载场合的双杆活塞缸 图4 12c为螺纹连接 这种连接形式在机床上应用较多 但这种结构由于螺纹会使活塞杆强度削弱 因此不适用于高压系统 常用于单杆活塞缸 图4 12d为焊接式连接 这种连接形式结构简单 但易变形 图4 12e为半环连接 这种连接形式结构复杂 装拆不便 但工作可靠 适用于高压系统 第 章液压缸 a b c d e a 整体式b 锥销式c 螺纹式d 焊接式e 半环式 图4 12活塞与活塞杆的连接形式 第 章液压缸 液压缸在工作时 由于压差的作用以及元件配合存在着间隙 因此 为了减少油液泄漏 液压缸需要密封 液压缸的端盖和缸筒 活塞和活塞杆需要静密封 一般采用 O 形密封圈 液压缸的活塞与缸筒 活塞杆与端盖需要动密封 一般采用 Y V 形密封圈 密封装置的结构特点及选用详见第六章 液压缸的泄漏有内泄漏和外泄漏 内泄漏是液压缸内部油液高压区向低压区的泄漏 内泄漏将使油液发热 液压缸的容积效率降低 外泄漏是液压缸内部油液向大气中泄漏 外泄漏不但使油液损失影响环境 而且有着火的危险 液压缸设置缓冲装置可以使活塞部件行程至末端时减速并使速度接近于零 以便减少活塞运动部件的惯性力 减轻活塞与端盖之间的机械撞击 从而减少噪声和振动 防止液压缸损坏 4 缓冲装置 3 密封装置 第 章液压缸 缓冲装置的工作原理是在活塞运动至接近缸盖时 使低压腔内油液通过节流装置来使活塞降速 从而达到缓冲的效果 如图4 13所示 图4 13a为圆柱环状间隙式缓冲装置 当缓冲柱塞进入缸盖上的内孔时 油液必须通过柱塞与端盖之间的环状配合间隙排出 从而使活塞速度降低 由于环状配合间隙是不变的 因此随着活塞运动速度的降低 其缓冲效果逐渐减弱 图4 13b为圆锥环状间隙式缓冲装置 由于柱塞与端盖之间