第5章_液压缸结构及原理

1、第第5章章 液压缸液压缸第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、液压缸按其结构形式的不同，可分为活塞式、柱塞式，摆动式、伸缩式等伸缩式等

2、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 活塞式液压缸活塞式液压缸4.1 液压缸的类型与特点液压缸的类型与特点1.双杆活塞缸双杆活塞缸第章液压缸第章液压缸 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

3、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。lllp 、qp 123v4图图4-1 双杆活塞缸采用缸固定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

4、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。 第章液压缸第章液压缸llp 、qp 2v12344321llp 、qp 2v图图4-24-2双杆活塞缸采用双杆活塞缸采用杆杆固定固定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第章液压缸第章液压缸2122214ppdDAppF224dDqAqv 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

5、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，p20； 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。第章液压缸第章液压缸222122211144pdDpDApApF2114DqAqv224dD (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 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

6、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液压缸产生的推力F1和速度和速度v1为为：(4-4)A2有杆腔的有效工作面积，A2 =(4-3)第章液压缸第章液压缸a) b) c) a)无杆腔进油b)有杆腔进油c)差动连接图图4-3 单杆活塞缸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第章液压缸第章液压缸第章液压缸第章液压缸221221221244pDpdDApApF22224dDqAqv222212/

7、11DddDDvv ，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。则液压缸产生的则液压缸产生的推力推力F2和速度和速度v2为为： (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第章液压缸1221134pdAApF22134dqAAqv ，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

8、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，此时液压缸液压缸产生的推力产生的推力F F3 3和速度和速度v v3 3为：为：(4-8)(4-9) 若将F1、F2、F3和v1、v2、v3分别比较便可看出：FlF2、F3，v1v2、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

9、液压缸第章液压缸a)a) b)b)图图4-4 4-4 柱塞缸柱塞缸a)a)单向液压驱动单向液压驱动 b)b)双向液压驱动双向液压驱动1 1柱塞柱塞2 2缸筒缸筒3 3工作台工作台 柱塞式液压缸柱塞式液压缸如图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 柱塞式液压缸柱塞式液压缸第章

10、液压缸第章液压缸第章液压缸第章液压缸第章液压缸第章液压缸pdF2424dqv柱塞缸产生的推力柱塞缸产生的推力F F和运动速度和运动速度v v分别为分别为 (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。第章液压缸第章液压缸21222RRbq= 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

11、分别为：2121222ppRRbT = (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 摆动式液压缸摆动式液压缸第章液压缸第章液压缸1221p、qp、q1234RRRR a) b)图图4-54-5摆动缸摆动缸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。第章液压缸第章

12、液压缸p2 = p1(D/d)2 =Kp1(4-l4)式中 K增压比，K =(D/d)2。 4.1.4 其他液压缸其他液压缸1. 增压缸增压缸 增压缸也叫增压器增压缸也叫增压器 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，则有第章液压缸第章液压缸A1Ap 、q11p 、q22vFvF11p 、q2212p 、q图4-6 增压缸 图4-7 伸缩缸2.伸缩式液压缸伸缩式液压

13、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第章液压缸第章液压缸第章液压缸3.3.齿条活塞缸齿条活塞缸 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

14、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。C12CC34CC521ppab图4-8 齿条缸 图4-9 多位液压缸第章液压缸第章液压缸第章液压缸第章液压缸 4.多位液压缸多位液压缸 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

15、，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

16、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液压缸的设计与计算第章液压缸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，pF4D =(4-15)当无杆腔进油驱动负载时：pF214D =(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 液压缸内径液压缸内径D和活塞杆直径和活塞杆直径d的确定的确定第章液压缸第章液压缸液压缸压

17、力与负载的关系液压缸压力与负载的关系负载F/kN551010202030305050工作压力p/MPa0.811.522.533446710表表4-2 各类设备液压缸常用的压力各类设备液压缸常用的压力设备类型磨床车、铣、钻、镗床组合机床龙门刨床拉床农业机械小型工程机械液压机、重型机械起重运输机械工作压力p/MPa0.8224352881010162032表表4-3 系数系数的推荐值的推荐值活塞杆受力情况受拉时受压时工作压力p/MPa不限55770.30.450.50.550.60.70.7表表4-1第章液压缸第章液压缸ddD12212. 小型动力设备(如磨床、研磨机床等) 由于按上述方法求解出

18、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) 注注 意：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。第章液压缸第章液压缸810121620253240506380100125160200250320400456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400液压缸缸筒内径尺寸系列液压缸缸筒内径尺寸系列(D/mm)表

19、表4-5 液压缸活塞杆直径尺寸系列液压缸活塞杆直径尺寸系列(d/mm)表表4-4第章液压缸第章液压缸 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=(0.61)D；活塞杆导向长度l1=(0.61.5)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2030倍。4.2.2.液压缸缸筒长度液压缸缸筒长度L的确定的确定第章液压缸第章液压缸 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

20、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2Dpy(4-18) 13.14.02yyppD(4-19)4.2.3.缸筒壁厚的确定与校核缸筒壁厚的确定与校核第章液压缸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=3.55。 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。第章液压缸第章液压缸 1.强度校核强度校核 活塞杆强度

21、按下式校核F4d(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，=bs，b为材料抗拉强 度，s为安全系数，一般取s1.4。2. 稳定性验算稳定性验算 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活塞杆的强度和稳定性校核第章液压缸第章液压缸 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

22、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：ZKF2.5d(4-21)式中F液压缸负载； K螺纹拧紧系数,K=1.251.5； Z螺栓个数； 螺栓材料的许用应力，=ss，s为材料的屈服 极限(查有关手册)，s为安全系数，一般取s=1.22.5。4.2.5螺栓强度的校核螺栓强度的校核第章液压缸第章液压缸 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

23、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 液压缸的典型结构液压缸的典型结构4.3液压缸的结构设计液压缸的结构设计第章液压缸第章液压缸12345678910111213141516171螺栓 2前端盖 3、8

24、O形密封圈 4轴用挡圈 5轴套 6半环 7、15Y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后端盖图图4-10 单杆活塞缸结构图单杆活塞缸结构图第章液压缸第章液压缸 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

25、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 液压缸的组成液压缸的组成1.缸筒组件缸筒组件 第章液压缸第章液压缸a)焊接式 b)法兰式 c)螺纹式 d)半环式 e)拉杆式图图4-11 缸筒与端盖连接形式缸筒与端盖连接形式第章液压缸第章液压缸 2.活塞组件活塞组件 活塞组件由活塞

26、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。 第章液压缸第章

27、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)半环式图图4-12 活塞与活塞杆的连接形式活塞与活塞杆的连接形式第章液压缸第章液压缸 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，

28、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.缓冲装置缓冲装置3.密封装置密封装置第章液压缸第章液压缸 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

29、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的配合间隙随缓冲柱塞的深入而逐渐减小，故缓冲效果较好。图4-13c为节流口可调式缓冲装置，当缓冲柱塞进入配合孔后，油液回油必须经过节流阀才能排出，由于节流阀1是可调的，故缓冲作用也可调，但仍不能解决速度减低后缓冲作用减弱的缺点。图4-13d为节流口可变式缓冲装置，在缓冲柱塞上开有三角沟槽，其节流孔通流断面越来越小，解决了在行程最后阶段缓冲作用过弱的问题，同时冲击压力小，制动位置精度高。第章液压缸第章液压缸12a) b)a)圆柱环状间隙 b)圆锥环状间隙 c)节流口可调式 d)节流口可变式1节流阀 2单向阀 c) d) 必须指出，上述缓

30、冲装置，只能在液压缸行程至端盖时才起缓冲作用，当执行元件在中间行程位置运动停止时，上述缓冲装置不起作用，这时可通过在回油路上设置背压阀来解决。 图图4-13 液压缸的缓冲装置液压缸的缓冲装置第章液压缸第章液压缸 液压缸内最高部位常常会聚积空气，这是由于液压油中混有空气，或者液压缸长期不用而空气侵入液压缸所致，空气的存在会使液压缸运动不平稳，产生振动或爬行。为此，设计液压缸时要考虑空气的排除。对于水平放置要求不高的液压缸一般不设置专门的排气装置，可将进出油口设置在缸筒两端的最高处，利用回油使空气随油液一起排往油箱，再经油箱排出。对速度稳定性要求较高的液压缸或大型液压缸，需要在液压缸两侧最高部位设置排气装置，如排气孔或排气阀。如图4-14所示为常用排气阀的典型结构，两种排气阀都是在液压缸排气时打开，排气完毕后关闭。 在上述五大组成部分中，有的可能在整个液压系统中统一考虑，有的根据工作性质、特点可能不需要设置，在结构设计时应注意到这点5.5.排气装置排气装置第章液压缸第章液压缸a)螺塞式 b)钢球式a) b)图图4-14 液压缸的排气装置液压缸的排气装置第章液压缸第章液压缸液压缸常见故障现象、原因及排除方法见表4-6所示。故障故障现象现