液压缸的分类及基本计算.ppt

ysu 2010 3 1液压缸的分类及基本计算3 2液压缸的结构本章小结作业 液压缸 ysu 2010 3 1液压缸的分类及基本计算液压缸是液压传动系统中应用最多的执行元件 它将油液的压力能转换为机械能 实现往复直线运动或摆动 输出力或扭矩 其作用方式可分为单作用式和双作用式两种 单作用式液压缸 液压油只能使液压缸实现单向运动 即压力油只是通向液压缸的一腔 而反方向运动则必须依靠外力来实现 如复位弹簧力 自重或其它外部作用 双作用式液压缸 在两个方向上的运动都由液压油的压力推动来实现 ysu 2010 液压缸可以看作是直线马达 或摆动马达 其单位位移排量即为液压缸的有效面积A 当液压缸的回油压力为零且不计损失时 输入液压功率p q等于输出机械功率F v 液压缸有多种结构 但根据其具体结构特点可分为活塞式 柱塞式和摆动式三类基本形式 除此以外 还有在基本形式上发展起来的各种特殊用途的组合液压缸 ysu 2010 液压缸的分类 1 单作用活塞式液压缸单向液压驱动 回程靠自重 弹簧或其它外力 2 单作用柱塞式液压缸柱塞较粗 受力较好 稳定性好 单向进油驱动 回程靠外力 3 单作用伸缩式液压缸液压油进入后 将活塞从大到小逐节推出 然后靠自重从小到大逐节缩回 这种液压缸的特点是缸筒短 伸出长 缸筒不受安装位置所限 例 自卸汽车 点击播放动画 ysu 2010 4 双作用单活塞杆液压缸双向液压驱动 往复速度 力不等 5 差动液压缸差动液压缸主要是靠油路的连接方式构成差动 可加大活塞杆的伸出速度 推力相应减小 6 双杆双作用液压缸可实现等速往复运动 7 双作用伸缩式液压缸它是自卸汽车所用的双作用伸缩液压缸 由一节活塞缸和一节柱塞缸组成 点击图片播放动画 动画CAI exe 点击播放动画 点击播放动画 ysu 2010 8 串联液压缸小直径的液压缸获得大的作用面积 提高牵引力 9 增压液压缸从低压系统可获得高压系统的能力 10 多位液压缸可获得几个长度准确的行程 例如 用于排挡 换挡 点击播放动画 ysu 2010 11 单叶片摆动液压缸回转往复运动 最大摆角300 12 双叶片摆动液压缸回转往复运动 最大摆角150 13 齿条液压缸 原理演示 ysu 2010 缸固定 3 1 1活塞式液压缸 活塞式液压缸可分为双杆式和单杆式两种结构形式 其安装方式有缸筒固定和活塞杆固定两种形式 液压缸的基本参数 液压缸往复运动的速度v和牵引力F 3 1 1 1双杆活塞式液压缸图3 1所示为双杆活塞式液压缸的工作原理图 当两活塞杆直径相同 供油压力和流量不变时 活塞式液压缸在两个方向上的运动速度和推力都相等 即 原理演示 ysu 2010 缸固定 式中v 液压缸的运动速度 m s F 液压缸的推力 N v 液压缸的容积效率 ysu 2010 m 液压缸的机械效率 q 液压缸的流量 m3 s A 液压缸的有效工作面积 m2 也可看成单位位移排量 m3 m p1 进油压力 Pa p2 回油压力 Pa D 活塞直径 即缸筒直径 m d 活塞杆直径 m 这种液压缸常用于要求往返运动速度相同的场合 缸固定 ysu 2010 图3 1 b 为活塞杆固定式结构 当液压缸的左腔进油时 推动缸体向左移动 右腔回油 反之 当液压缸的右腔进油时 缸体则向右运动 b 杆固定 a 缸固定 图3 1 a 为缸体固定式结构 当液压缸的左腔进油 推动活塞向右移动 右腔活塞杆向外伸出 左腔活塞杆向内缩进 液压缸右腔油液回油箱 反之 活塞反向运动 这类液压缸常用于中小型设备中 原理演示 ysu 2010 3 1 1 2单杆活塞式液压缸 图3 2所示为双作用单活塞杆液压缸 活塞杆只从液压缸的一端伸出 液压缸的活塞在两腔有效作用面积不相等 当向液压缸两腔分别供油 且压力和流量都不变时 活塞在两个方向上的运动速度和推力都不相等 即运动具有不对称性 ysu 2010 如图所示 当无杆腔进油时 活塞的运动速度v1和推力F1分别为 ysu 2010 如图3 2 b 所示 当有杆腔进油时 活塞的运动速度v2和推力F2分别为 比较上述各式 可以看出v2 v1 F1 F2 液压缸往复运动时的速度比为 上式表明 活塞杆直径愈小 速度比愈接近1 液压缸在两个方向上的速度差值就愈小 ysu 2010 如图3 3所示 当单杆活塞缸两腔同时通入压力油时 由于无杆腔有效作用面积大于有杆腔的有效作用面积 使得活塞向右的作用力大于向左的作用力 因此 活塞向右运动 活塞杆向外伸出 与此同时 又将有杆腔的油液挤出 使其流进无杆腔 从而加快了活塞杆的伸出速度 单活塞杆液压缸的这种连接方式被称为差动连接 在差动连接时 有杆腔排出流量进入无杆腔 根据流量连续性方程可导出液压缸的运动速度v3为 原理演示 ysu 2010 在忽略两腔连通油路压力损失的情况下 差动连接液压缸的推力F3为 由上两式可知 差动连接时 液压缸的有效作用面积是活塞杆的横截面积 与非差动连接无杆腔进油工况相比 在输入油压力和流量不变的条件下 活塞杆伸出速度较大 而推力较小 实际应用中 液压传动系统常通过控制阀来改变单活塞杆液压缸的油路连接 使它有不同的工作方式 从而获得快进 工进 快退的工作循环 差动连接是在不增加液压泵容量和功率的条件下 实现快速运动的有效办法 ysu 2010 例题3 1 已知单活塞杆液压缸的缸筒内径D 100mm 活塞杆直径d 70mm 进入液压缸的流量q 25L min 压力p1 2MPa p2 0液压缸的容积效率和机械效率分别为0 98 0 97 试求在图3 2和图3 3所示的三种工况下 液压缸可推动的最大负载和运动速度各是多少 并给出运动方向 ysu 2010 ysu 2010 ysu 2010 3 1 2柱塞式液压缸 活塞式液压缸应用非常广泛 但这种液压缸由于缸孔加工精度要求很高 当行程较长时 加工难度大 使得制造成本增加 在生产实际中 某些场合所用的液压缸并不要求双向控制 柱塞式液压缸正是满足了这种使用要求的一种价格低廉的液压缸 如图3 4 a 所示 柱塞缸由缸筒 柱塞 导套 密封圈和压盖等零件组成 柱塞和缸筒内壁不接触 因此缸筒内孔不需精加工 工艺性好 成本低 ysu 2010 单一的柱塞缸只能制成单作用缸 如果要获得双向运动 可采用图3 4 b 所示的复合式柱塞缸结构 即将两柱塞液压缸成对使用 每个柱塞缸控制一个方向的运动参数 柱塞缸的柱塞端面是受压面 其面积大小决定了柱塞缸的输出速度和推力 为保证柱塞缸有足够的推力和稳定性 一般柱塞较粗 重量较大 水平安装时易产生单边磨损 故柱塞缸适宜于垂直安装使用 为减轻柱塞的重量 有时制成空心柱塞 柱塞缸结构简单 制造方便 常用于工作行程较长的场合 如大型拉床 矿用液压支架等 ysu 2010 摆动式液压缸输出转矩 并实现往复摆动 有时也称为摆动马达 在结构上有单叶片和双叶片两种形式 如图3 5所示 单叶片式摆动液压缸由定子块1 缸体2 摆动轴3 叶片4 左右支承盘和左右盖板等主要零件组成 定子块固定在缸体上 叶片和摆动轴固连在一起 当两油口相继通以压力油时 叶片即带动摆动轴作往复摆动 3 1 3摆动式液压缸 ysu 2010 根据能量守恒原理 得输出角速度为 当考虑到机械效率时 单叶片缸的摆动轴输出转矩为 式中D 缸体内孔直径 m d 摆动轴直径 m b 叶片宽度 m V 每转排量 ysu 2010 单叶片摆动液压缸的摆角一般不超过280 双叶片摆动液压缸的摆角一般不超过150 当输入压力和流量不变时 双叶片摆动液压缸摆动轴输出转矩是相同参数单叶片摆动缸的两倍 而摆动角速度则是单叶片的一半 摆动缸结构紧凑 输出转矩大 但密封困难 一般只用于中 低压系统中往复摆动 转位或间歇运动的地方 组合式液压缸 ysu 2010 例3 2 如图3 5所示单叶片摆动液压缸 供油压力p1 10MPa 流量q 25L min 回油压力p2 0 5MPa D 100mm d 40mm 若输出轴的角速度为7rad s 摆动液压缸的容积效率和机械效率分别为0 96和0 98 求摆动液压缸的叶片宽度和输出扭矩是多少 解 ysu 2010 3 1 4组合式液压缸 上述为液压缸的三种基本形式 为满足特定的需要 还可以在这三种基本液压缸的基础上构成各种组合式液压缸 3 1 4 1增压缸增压缸也称增压器 它能将输入的低压油转变为高压油供液压系统中的高压支路使用 增压缸如图所示 ysu 2010 它由有效面积为A1的大液压缸和有效作用面积为A2的小液压缸在机械上串联而成 大缸作为原动缸 输入压力为p1 小缸作为输出缸 输出压力为p2 若不计摩擦力 根据力平衡关系 可有如下等式 图3 6增压液压缸 比值A1 A2称为增压比 由于A1 A2 1 压力p2被放大 从而起到增压的作用 ysu 2010 3 1 4 2多级缸 多级缸又称伸缩缸 它由两级或多级活塞缸套装而成 如图所示 ysu 2010 前一级缸的活塞杆就是后一级缸的缸套 活塞伸出的顺序是从大到小 相应的推力也是从大到小 而伸出的速度则是由慢变快 空载缩回的顺序一般是从小活塞到大活塞 收缩后液压缸总长度较短 占用空间较小 结构紧凑 多级缸适用于工程机械和其它行走机械 如起重机伸缩臂 车辆自卸等 多级伸缩缸 ysu 2010 3 1 4 3齿条活塞缸 齿条活塞缸由带有齿条杆的双活塞缸和齿轮齿条机构组成 如图所示 齿条活塞往复移动带动齿轮9并驱动传动轴10往复摆动 它多用于自动线 组合机床等转位或分度机构中 图3 8齿条活塞液压缸的结构图1 紧固螺帽 2 调节螺钉 3 端壁 4 垫圈 5 O形密封圈 6 挡圈 7 缸套 8 齿条活塞 9 齿轮 10 传动轴 11 缸体 12 螺钉 原理演示 ysu 2010 3 2液压缸的结构 液压缸通常由后端盖 缸筒 活塞杆 活塞组件 前端盖等主要部分组成 为防止油液向液压缸外泄漏或由高压腔向低压腔泄漏 在缸筒与端盖 活塞与活塞杆 活塞与缸筒 活塞杆与前端盖之间均设置有密封装置 在前端盖外侧 还装有防尘装置 为防止活塞快速退回到行程终端时撞击缸盖 液压缸端部还设置缓冲装置 有时还需设置排气装置 ysu 2010 图3 9为双作用单活塞杆液压缸的结构图 该液压缸主要由缸底1 缸筒6 缸盖10 活塞4 活塞杆7和导向套8等组成 缸筒一端与缸底焊接 另一端与缸盖采用螺纹连接 活塞与活塞杆采用卡键连接 为了保证液压缸的可靠密封 在相应位置设置了密封圈3 5 9 11和防尘圈12 下面对液压缸的结构具体分析 ysu 2010 3 2 1缸体组件 缸体组件与活塞组件形成的密封容腔承受油压作用 因此 缸体组件要有足够的强度 较高的表面精度可靠的密封性 ysu 2010 3 2 1 1缸筒与端盖的连接形式 常见的缸体组件连接形式如图3 10所示 1 法兰式连接 结构简单 加工方便 连接可靠 它是常用的一种连接形式 2 半环式连接 分为外半环连接和内半环连接两种连接形式 半环连接工艺性好 连接可靠 结构紧凑 但削弱了缸筒强度 ysu 2010 3 螺纹式连接 有外螺纹连接和内螺纹连接两种 其特点是体积小 重量轻 结构紧凑 一般用于要求外形尺寸小 重量轻的场合 4 拉杆式连接 结构简单 工艺性好 通用性强 适用于长度不大的中 低压液压缸 5 焊接式连接 强度高 制造简单 但焊接时易引起缸筒变形 ysu 2010 3 2 1 2缸筒 端盖和导向套的基本要求 缸筒是液压缸的主体 其内孔一般采用镗削 绞孔 滚压或珩磨等精密加工工艺制造 要求表面粗糙度在0 1 0 4 m 使活塞及其密封件 支承件能顺利滑动 从而保证密封效果 减少磨损 缸筒要承受很大的液压力 因此 应具有足够的强度和刚度 端盖装在缸筒两端 与缸筒形成封闭油腔 同样承受很大的液压力 因此 端盖及其连接件都应有足够的强度 设计时既要考虑强度 又要选择工艺性较好的结构形式 ysu 2010 导向套对活塞杆或柱塞起导向和支承作用 如果不设导向套 直接用端盖孔导向 这种结构简单 但磨损后必须更换端盖 3 2 2活塞组件活塞组件由活塞 活塞杆和连接件等组成 随液压缸的工作压力 安装方式和工作条件的不同 活塞组件有多种结构形式 ysu 2010 3 2 2 1活塞与活塞杆的连接形式 如图所示 活塞与活塞杆的连接最常用的有 螺纹式连接如图 a 所示 结构简单 装拆方便 但一般需备螺母防松装置 半环式连接如图 b 所示 连接强度高 但结构复杂 装拆不便 半环连接多用于高压和振动较大的场合 ysu 2010 3 2 2 2活塞组件的密封 活塞装置主要用来防止液压油的泄漏 良好的密封是液压缸传递动力 正常动作的保证 根据两个需要密封的耦合面间有无相对运动 可把密封分为动密封和静密封两大类 设计或选用密封装置的基本要求是具有良好的密封性能 并随压力的增加能自动提高密封性 除此以外 摩擦阻力要小 耐油 抗腐蚀 耐磨 寿命长 制造简单 拆装方便 常见的密封方法有以下几种 ysu 2010 1 间隙密封 间隙密封是依靠相对运动零件配合面间的微小间隙来防止泄漏 由环形缝隙轴向流动理论可知 泄漏量与间隙的三次方成正比 因此可用减小间隙的办法来减小泄漏 一般间隙为0 01 0 05mm 这就要求配合面有很高的加工精度 在活塞的外圆表面一般开几道宽0 3 0 5mm 深0 5 lmm 间距2 5mm的环形沟槽 称平衡槽 其作用如下 间隙密封 ysu 2010 a 使活塞具有自位性能 由于活塞的几何形状和同轴度误差 工作压力油在密封间隙中的不对称分布将形成一个径向不平衡力 称为液压卡紧力 将使摩擦力增大 开平衡槽后 使得径向油压力趋于平衡 使活塞能够自动对中 减小了摩擦力 b 由于同心环缝的泄漏要比偏心环缝小得多 活塞的对中减少了油液的泄漏量 提高了密封性能 间隙密封 c 自润滑作用 油液储存在平衡槽内 使活塞能自动润滑 间隙密封的特点是结构简单 摩擦力小 耐用 但对零件的加工精度要求较高 且难以完全消除泄漏 只适用于低压 小直径的快速液压缸 ysu 2010 2 活塞环密封 活塞环密封依靠装在活塞环形槽内的弹性金属环紧贴缸筒内壁实现密封 如图所示 它的密封效果较间隙密封好 适用的压力和温度范围很宽 能自动补偿磨损和温度变化的影响 能在高速条件下工作 摩擦力小 工作可靠 寿命长 但不能完全密封 活塞环的加工复杂 缸筒内表面加工精度要求高 一般用于高压 高速和高温的场合 图3 12活塞环密封l 缸筒 2 螺母 3 活塞 4 活塞杆 5 活塞环 ysu 2010 3 密封圈密封 密封圈密封是液压系统中应用最广泛的一种密封 密封圈有O形 V形 Y形及组合式等数种 其材料为耐油橡胶 尼龙 聚氨酯等 O形密封圈O形密封圈的截面为圆形 主要用于静密封和速度较低的滑动密封 其结构简单紧凑 安装方便 价格便宜 可在 40 120 C的温度范围内工作 O形圈密封的原理如图所示 O形圈装入密封槽后 其截面受到压缩后变形 普通型 ysu 2010 在无液压力时 靠O形圈的弹性对接触面产生预接触压力 实现初始密封 当密封腔充入压力油后 在液压力的作用下 O形圈挤向槽一侧 密封面上的接触压力上升 提高了密封效果 任何形状的密封圈在安装时 必须保证适当的预压缩量 过小不能密封 过大则摩擦力增大 且易于损坏 因此 安装密封圈的沟槽尺寸和表面精度必须按有关手册给出的数据严格保证 普通型 ysu 2010 在动密封中 当压力大于10MPa时 O形圈就会被挤入间隙中而损坏 为此需在O形圈低压侧设置聚四氟乙烯或尼龙制成的挡圈 其厚度为1 25 2 5mm 双向受高压时 两侧都要加挡圈 其结构如图所示 ysu 2010 V形密封圈 V形圈的截面为V形 如图所示 V形密封装置是由压环 V形圈和支承环组成 当工作压力高于10MPa时 可增加V形圈的数量 提高密封效果 安装时 V形圈的开口应面向压力高的一侧 V形圈密封性能良好 耐高压 寿命长 主要用于活塞杆的往复运动密封 它适宜在工作压力p 50MPa 温度 40 80 的条件下工作 ysu 2010 Y形密封圈 Y形密封圈的截面为Y形 属唇形密封圈 它是一种密封性 稳定性和耐压性较好 摩擦阻力小 寿命较长的密封圈 故应用很普遍 Y形圈主要用于往复运动的密封 根据截面长宽比例的不同 Y形圈可分为宽断面和窄断面两种形式 宽断面Y形圈一般适用于工作压力p 20MPa 窄断面Y形圈一般适用于工作压力p 32MPa 图3 15所示为宽断面Y形密封圈 ysu 2010 Y形圈的密封作用取决于它的唇边对耦合圆的紧密接触程度 在压力油作用下 唇边对耦合面产生较大的接触压力 从而达到密封的目的 当液压力升高时 唇边与藕合面贴得更紧 接触压力更高 密封性能更好 Y形圈安装时 唇口端面应对着压力高的一侧 当压力变化较大 滑动速度较高时 要使用支承环 以固定密封圈 如图3 15 b 所示 ysu 2010 3 2 3缓冲装置 当液压缸拖动负载的质量较大 速度较高时 一般应在液压缸中设缓冲装置 必要时还需在液压传动系统中设缓冲回路 以免在行程终端发生过大的机械碰撞 导致液压缸损坏 缓冲的原理是当活塞或缸筒接近行程终端时 在排油腔内增大回油阻力 从而降低液压缸的运动速度 避免活塞与缸盖相撞 液压缸中常用的缓冲装置如图所示 图3 16液压缸缓冲装置 a 圆柱形环隙式 b 圆锥形环隙式 c 可变节流槽式 d 可调节流孔式 ysu 2010 3 2 3 1圆柱形环隙式缓冲装置 如图 a 当缓冲柱塞进入缸盖上的内孔时 缸盖和缓冲活塞间形成缓冲油腔 被封闭油液只能从环形间隙 排出 产生缓冲压力 从而实现减速缓冲 这种装置结构简单 制造成本低 所以在系列化的成品液压缸中多采用这种缓冲装置 演示 a 圆柱形环隙式 ysu 2010 3 2 3 2圆锥形环隙式缓冲装置 如图 b 由于缓冲柱塞为圆锥形 所以缓冲环形间隙 随位移量而改变 即节流面积随缓冲行程的增大而缩小 使机械能的吸收较均匀 其缓冲效果较好 b 圆锥形环隙式 ysu 2010 3 2 3 3可变节流槽式缓冲装置 如图3 16 c 在缓冲柱塞上开有由浅渐深的三角节流槽 节流面积随着缓冲行程的增大而逐渐减小 缓冲压力变化平缓 c 可变节流槽式 ysu 2010 3 2 3 4可调节流孔式缓冲装置 如图3 16 d 在缓冲过程中 缓冲腔油液经小孔节流排出 调节节流孔的大小 可控制缓冲腔内缓冲压力的大小 以适应液压缸不同的负载和速度工况对缓冲的要求 同时当活塞反向运动时 高压油从单向阀进入液压缸内 活塞也不会因推力不足而产生启动缓慢或困难等现象