第五章液压缸

1、 液压执行元件是将液压泵提供的液压能转变为 机械能的能量转换装置,它包括和。 液压缸又称为油缸，它是液压系统中的一种执行 元件，其功能就是将液压能转变成直线往复式的机械 运动。 液压缸 压力p,流量Q 液压功率 作用力F,速度V 机械功率 输入量：压力和流量 （液压功率） 输出量：力和速度 （机械功率） 液压缸根据其结构形式的不同可分为和 两种。 1.1.活塞缸活塞缸 活塞式液压缸根据其使用要求不同可分为和 两种结构形式；按其安装不同又分为和 两种方式。 (1)(1)单杆式活塞缸单杆式活塞缸 活塞仅一端带有活塞杆。单杆液压缸有缸体固定和 活塞杆固定两种形式，但它们的工作台移动范围都是活 塞(或

2、缸体)有效行程的两倍。 无杆腔进油 活塞运动速度v1和推力F1分别为： 22 122 11122 4 ppDp d Fp Ap A 1 2 1 4qq v AD 22 121 21221 4 ppDp d Fp Ap A 2 22 2 4qq v ADd 有杆腔进油 活塞运动速度v2和推力F2分别为： A1A2 v1F2 液压缸往复运动时的速度比 v 22 2 1 2 dD D v v v (2)(2)差动活塞缸差动活塞缸 单杆活塞缸在其左右两腔都接通高压油时称为“差 动连接”。 两腔压力相等,活塞两侧有效面积不等,活 塞向右运动。 4 )( 2 21 d pAApF 4 )( 4 222 1

3、 dD vq D vq 12 vAvAq 2 21 4 d q AA q v 由上可知，差动连接时液压缸的推力比非差动连接时小,速 度比非差动连接时大。 可使在的情况下得到。 若 ,即 ,则差动连 接缸在两个方向上的速度相等， 输出力也相等。 2 12 AA dD2 (3)(3)双杆式活塞缸双杆式活塞缸 活塞两端都有一根直径相等的活塞杆伸出的液压缸 称为双杆式活塞缸，分为缸筒固定式和活塞杆固定式两 种安装方式。 活塞通过活塞杆带动工作台移 动,当活塞的有效行程为l时,整 个工作台的运动范围为3l,所以 机床占地面积大,一般适用于小 型机床。 缸体与工作台相连,活塞杆通过 支架固定在机床上。这时

4、,工作 台的移动范围只等于液压缸有 效行程l的两倍(2l),因此占地面 积小。 因为双杆活塞缸的两活塞杆直径 相等，所以当输入流量和油液压 力不变时，其往返运动速度和推 力相等，则液压缸的运动速度v 和推力F分别为 22 1212 4 Dd FA pppp 22 4qq v ADd 因此,这种液压缸常用于要求往返运动速度相同的场合。 当活塞式液压缸行程较长时,加工难度大,制造成本高。 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。 2.2.柱塞缸柱塞缸 柱塞缸由缸筒、柱塞、导 向套、密封圈和压盖等组 成。柱塞和缸筒内壁不接 触,因此缸筒内孔不

5、需要精 加工,工艺性好,成本低。 柱塞式液压缸是单作用的,它的回程 需要借助自重或弹簧等其他外力来完成。 如果要获得双向运动,可将两柱塞液压缸 成对使用以减轻柱塞的重量,有时制成空 心柱塞。 柱塞缸的推力F和速度为v： 2 4 d q A q v 2 4 d FpAp 单作用 双作用 4 )( 2 21 d ppF 动画演示 它利用活塞和柱塞有效面积的不同使液压系统中的 局部区域获得高压。它有单作用和双作用两种型式。 3.3.其他液压缸其他液压缸 (1)(1)增压缸增压缸( (增压器增压器) ) 44 2 2 2 1 d p D p 1 2 12 )(Kp d D pp 增压比，反 映增压强度

6、 注意：增压缸仅仅能增大输出压力,并不能增大输出能量 单作用增压缸在柱塞运动到终 点时,不能再输出高压液体,需 要将活塞退回到左端位置,再向 右行时才又输出高压液体,为了 克服这一缺点,可采用双作用增 压缸,由两个高压端连续向系统 供油。 伸缩缸由两个或多个活塞缸套装而成，前一级活塞缸 的活塞杆内孔是后一级活塞缸的缸筒。 (2)(2)伸缩缸伸缩缸 ：活塞杆伸出的行程长，收缩后的结构尺寸小，适用 于翻斗汽车、起重机的伸缩臂等。 单作用式 靠外力回程 双作用式 靠液压回程 伸缩缸的外伸动作是逐级进行的。首先是最大直 径的缸筒以最低的油液压力开始外伸，当到达行程终 点后，稍小直径的缸筒开始外伸，直径

7、最小的末级最 后伸出。随着工作级数变大，外伸缸筒直径越来越小， 工作油液压力随之升高，工作速度变快。 其推力F和速度v分别为： 2 4 i i q V D 4 2 i i D pF 动 画 演 示 5.2.1 5.2.1 液压缸的典型结构液压缸的典型结构 单活塞杆液压缸主要由缸筒、缸盖、活塞、活塞杆和导向套等组成。缸筒一端与 缸底焊接,另一端与缸盖采用螺纹连接。活塞与活塞杆采用螺纹连接。为了保 证液压缸的可靠密封,在相应部位设置了密封圈和防尘圈。 液压缸的结构基本上可以分为缸筒和缸盖、活塞 和活塞杆、密封装置、缓冲装置和排气装置五个部分。 (1) 可以把短行程的液压缸的活塞杆与活 塞做成一体，

8、这是最简单的形式。但当行程较长时，常把 活塞与活塞杆分开制造，然后再连接成一体。 活塞与活塞杆的连接最常用的有螺纹连接和半环连接 形式,除此以外还有整体式结构、焊接式结构、锥销式结构。 5.2.2 5.2.2 液压缸的组成液压缸的组成 (2) 缸筒和缸盖承受油液的压力，因此要有 足够的强度、较高的表面精度和可靠地密封性。其具体结 构形式和使用材料有关。 p10MPa 铸铁 10MPap20MPa 无缝钢管 p20MPa 铸钢或锻钢 法兰式连接结构简单, 易加工装拆,连接可靠, 但质量和尺寸较大 半环式连接的缸筒壁部因开了环形 槽而削弱了强度,为此有时要加厚 缸壁,它易加工装拆,重量较轻 螺纹连

9、接的缸筒端部结构复杂,外径加 工时要求保证内外径同心,装拆要使用 专用工具,外形尺寸和重量都较小 拉杆式连接结构简单,通用性大,易 加工装拆,但质量和尺寸较大,且拉 杆受力后拉伸变长,影响密封性 焊接式连接结构简单，尺寸 小，强度高，但缸底处内径 不易加工，且可能引起变形 (3) 当工作机构质量较大、转速较高时，由于 惯性力较大，行程终了时，活塞与缸盖发生撞击，引起破 坏性事故或严重影响机械精度。为此，大型、高速或高精 度的液压缸常设有缓冲装置。 工作原理是当活塞接近缸盖时，在活塞和缸盖之间封 住一部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出，以产生很大 的阻力，使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度，从

10、而 避免活塞和缸盖相互撞击。 当缓冲柱塞进入缸盖上的内 孔时,孔中的液压油只能通 过间隙排出,使活塞速度 降低,起缓冲作用 被封在活塞和缸盖间的油液经可调节流 阀的小孔排出,调节节流孔大小,可控制 缓冲腔内缓冲压力的大小,以适应液压缸 不同负载和速度时对缓冲的不同要求 在缓冲柱塞上开有三角槽,随着柱塞逐渐进 入配合孔中,其节流面积越来越小,解决了在 行程最后阶段缓冲作用过弱的问题 (4) 液压传动系统往往会混入空气，使系统工 作不稳定，产生振动、爬行或前冲等现象，严重时会使系 统不能正常工作。 因此，设计液压缸时，必须考虑空气的排出。 一般可在液压缸的最高处设置进出油口在液压缸的最高处设置进出

11、油口把气带走，或 可设置专门的放气孔或排气装置专门的放气孔或排气装置，如排气塞、排气阀等。 两种排气装置都是在液压缸排气时打开（让它全行程往复 移动数次），排气完毕后关闭。 1-活塞杆 2-堵头 3-托架 4、17-V形密封圈 5、14-排气孔 6、19-导向套 7-O形密封圈 8-活塞 9、22-锥销 10-缸体 11、20-压板 12、21-钢丝环 13、23-纸垫 15-活塞杆 16、25-压盖 18、24-缸盖 空心双活塞杆液压缸 (5)活塞装置上的密封件主要用来防止液压油 的泄露。对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

12、油。 依靠运动件的微小间隙来防止泄漏。为 了提高这种装置的密封能力,常在活塞 的表面上制出几条细小的环形槽,以增 大油液通过间隙时的阻力 依靠套在活塞上的摩擦环(尼龙或 其他高分子材料制成)在O形密封圈 弹力作用下贴紧缸壁而防止泄漏 它利用橡胶或塑料的弹性使各 种截面的环形圈贴紧在静、动 配合面之间来防止泄漏 在活塞杆和缸盖密封处增添防尘圈,并放在向着活塞杆外伸的一端。 单杆双作用 液压缸 双杆双作用 液压缸 单杆单作用 液压缸 单作用 伸缩液压缸 双作用 伸缩液压缸 液压缸的设计是整个液压系统设计中的一部分,它 是在对整个系统进行了工况分析,编制了负载图,选定了 工作压力之后进行的,设计过程

13、可分为以下五个步骤： (1)选择液压缸的类型和各部分结构形式； (2)确定液压缸的工作参数和结构尺寸； (3)结构强度、刚度的计算和校核； (4)导向、密封、防尘、排气和缓冲等装置的设计； (5)绘制装配图、零件图、编写设计说明书。 1.1.液压缸设计中应注意的问题液压缸设计中应注意的问题 液压缸的设计和使用正确与否,直接影响到它的性 能和是否易于发生故障。所以,在设计液压缸时,必须 注意以下几点: (1)尽量使液压缸的活塞杆在受拉状态下承受最大负载， 或在受压状态下具有良好的稳定性。 (2)考虑液压缸行程终了处的制动问题和液压缸的排气 问题。 (3)正确确定液压缸的安装、固定方式。 (4)液

14、压缸各部分的结构需根据推荐的结构形式和设 计标准进行设计，尽可能做到结构简单、紧凑、加工、 装配和维修方便。 (5)在保证能满足运动行程和负载力的条件下，应尽 可能地缩小液压缸的轮廓尺寸。 (6)要保证密封可靠，防尘良好。 2.2.计算液压缸的结构尺寸计算液压缸的结构尺寸 (1) 根据负载的大小来选定工作压力或往返 运动速度比,求得液压缸的有效工作面积,从而得到缸筒内 径D,再从GB2348-80标准中选取最近的标准值作为所设计 的缸筒内径。 以无杆腔作工作腔时 p F D 4 以有杆腔作工作腔时 液压缸的有效工作面积为 2 4 D p F A 2 4 d p F D (2)通常先从满足速度或

15、速度比的要求来 选择，然后再校核其结构强度和稳定性。 1 v v dD 也可根据活塞杆受力状况来确定: 受拉力作用时，d=0.30.5D。 受压力作用时，则有 v 若速度比为 ，则 l为活塞的最大工作行程； B为活塞宽度，一般为(0.61)D； A为活塞杆导向长度，取(0.61.5)D； M为活塞杆密封长度，由密封方式定； C为其他长度。 (3) 缸筒长度L由最大工作行程长度加上各种 结构需要来确定，即： CMABlL 注意注意：从制造工 艺考虑，缸筒的 长度最好不超过 其内径的20倍。 对液压缸的缸筒壁厚、活塞杆直径d和缸盖固定 螺栓的直径，在高压系统中必须进行强度校核。 3.3.强度校核强

16、度校核 (1) 缸筒壁厚校核分薄壁和厚壁两种情况。 当D/10时为薄壁，壁厚按下式进行校核： 2 t p D 当D/10时为厚壁，壁厚按下式进行校核： 0.4 1 21.3 t t pD p pt：缸筒试验压力， 随缸的额定压力的 不同取不同的值 D：缸筒内径 :缸筒材料许用 应力 (3) 液压缸盖固定螺栓直 径按下式计算： (2) 活塞杆的直径d按下式进行校核： 4F d 5.2kF d Z F：液压缸负载 k:螺纹拧紧系数(1.121.5) Z：固定螺栓个数 :螺栓材料许用应力 4.4.液压缸稳定性校核液压缸稳定性校核 活塞杆轴向受压时，其直径d一般不小于长度L的1/15。 当L/d15时

17、，须进行稳定性校核，应使活塞杆承受的力 F不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载Fk,以免发 生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。 Fk的值与活塞杆材料性质、截面形状、直径和长度以 及缸的安装方式等因素有关，验算可按材料力学有关公式 进行。 k k n F F 当活塞杆当活塞杆细长比细长比 当活塞杆当活塞杆细长比细长比 21 / k rl 时，则时，则 2 2 2 l EJ F k 21 / k rl ，且且 12020 21 2 2 1 k k r l Af F nl-安装长度，其值与安装方式有关； n1-柔性系数，对钢取1=85； n2-末端系数，由液压缸支承方式决 定； nE-活塞杆材料的弹性模量，对钢取 E=2.06 1011Pa； nJ-活塞杆横截面惯性矩； nA-活塞杆横截