液压传动及控制第四章

1、第四章 动力油缸（液压缸） 油马达输出的是转速和转矩,是连续的转动；有些工作机要求的是力和往复直线运动或者是转矩和小的往复摆动，这就是动力油缸。第一节液压油缸的类型及特点一、分类动力油缸 单作用油缸 活塞式 柱塞式 伸缩式 双作用油缸 单活塞杆 差动 双活塞杆 伸缩式 组合油缸 串联 增压 多位 齿条传动 摆动油缸 单叶片式 双叶片式以运动形式分两种;往复直线运动,往复摆动。二、活塞式液压缸二、活塞式液压缸 结构由缸筒、活塞、活塞杆、端盖、支架和密封件等组成。当压力油从左油口进入缸的左缸时,推动活塞向右运动,从而通过活塞杆带动工作台也向右运动。缸左腔的油则从右口排出。若从右口进压力油,则工作台

2、会产生反向(左)运动,左口就会成为排油口。 1 1、双活塞杆液压缸、双活塞杆液压缸缸的职能符号： 1）结构特点：两侧有效工作面积一样。L缸筒固装在机架上,活塞杆与工作台相连。这种安装方式当活塞杆的有效行程为l时,整个工作台的运动范围是3l,所以机器占地面积较大。 2）安装方式：两种 活塞杆固装在机架上,缸筒则与工作台相连。这样,工作台的移动范围只等于活塞有效行程l的2倍(2l),所以机器占地面积较小。 L 双活塞杆液压缸的两端直径通常是相等的,因而液压缸左右两腔的有效面积相同。若供油压力和流量不变,则活塞往复运动时两个方向的作用力和速度是相等的。作用力和速度的计算式如下:(设回油压力为零) F

3、ApDdp422()vQDd1422（)式中：p供油压力; A活塞有效面积; Q供油量; d活塞杆直径; D活塞直径; 3）基本参数：2 2、单活塞杆液压缸、单活塞杆液压缸1）结构特点： 这种液压缸的活塞只有一端从缸的端头伸出。其结构组成与双活塞杆液压缸相似职能符号：2）工作原理：无杆腔进油腔回油腔有杆腔因两侧有效作用面积或油液压力不等，活塞在液压力的作用下，作直线往复运动。3）安装方式：4）基本参数： 这种液压缸由于左、右腔的活塞有效工作面积不相等,因而以相同的压力和流量先后分别向左、右腔供油,则活塞向右、向左产生的推力和速度是不相同的。各种情况下的推力和速度的计算方法如下 :（1）从大腔（

4、无杆腔）进油,小腔（有杆腔）回油,则 Fp AA pD pDdpvQD11122212221244()（2）从小腔进油, 大腔回油(如图),则有 Fp AA pDdpD pvQDd212122212222244()()式中 F1 F2压力油进入大腔、小腔时活塞的推力或拉力; v1 v2 压力油分别进入大腔、小腔时活塞的运动速度; p1 p2供油压力或回油压力,俗称背压; （3）v2、v1之比称为速度比212)(11Ddvvv可见单活塞杆液压缸左、右两个方向的工作性能是不对称的。 例：液压刨床）差动液缸 若要得到对称的工作特性, 对单活塞杆液压缸来说可采用差动工作方式来实现。所谓差动工作方式,就

5、是把油路接成如图所示的差动连接,即压力油同时进入大腔和小腔。这时两腔的压力虽然相同,但由于两腔有效面积不同,故而推动活塞向右的力大于推活塞向左的力,因此活塞会产生向右的运动。 活塞向右运动中,小腔排出的油流量为Q,这股流量与供油流量合在一起进入大腔,使活塞向右运动的速度加快。其计算方法如下。 Q1p1Q1QvQQAQv AA31321vQAAQd31224v3v2差动连接的单活塞杆液压缸也称差动液压缸。由式可见,对差动液缸,可以得到几点结论：a只要改变活塞杆的直径就可改变运动速度,因此,采用差动液压缸可以方便地实现所要求的快速运动，比单从大油腔单独供油时的速度大；b只要有A1=2A2 （即：

6、）的关系,差动连接的运动速度v3可以等于小腔进油(供油流量不变)大腔回油时的运动速度； dD222c这种缸的活塞推力计算公式为： 根据以上F2公式，如果回油压力p2 =0，则返回时： 122134)(pdAApF1222122212124)(4pdpDpdDpAApF 即可以F2=F3，可见，差动液缸可以实现活塞左右运动时的推力相等。而且推力比非差动连接小。 总上是说，差动油缸克服了由于活塞杆面积对往复运动力与速度的影响。 6）活塞式液压缸典型结构1缸底 2卡键 3、5、9、11密封圈 4活塞 6缸筒7活塞杆 8导向套 10缸盖 12防尘圈 13耳轴3、无活塞杆液压缸又称齿条活塞液压缸 三、柱

7、塞式液压缸三、柱塞式液压缸 柱塞式液压缸由缸筒1、活塞2、缸套3和弹簧卡圈4等零件组成。压力油从唯一的油口进入缸筒,推动柱塞向下运动,压力油泄掉,柱塞不会自动向左运动。 由此可见这种液压缸的工作有如下特点:(1)它是一种单作用式液压缸,靠液压力只能实现一个方向的运动,柱塞的回程要靠其它的外力或柱塞的自重(当液压缸垂直放置时);(2)柱塞只靠缸套支承而不与缸筒接触,这样缸筒极易加工,故适于做长行程液压缸;(3)工作时液压缸总受压,因而它必须具有足够的刚度;(4)柱塞端面是受油压的工作面,所以:柱塞上有效作用力为:柱塞的运动速度为:式中:d柱塞直径。其它符号意义同前。 FpAd p42vQAQd4

8、2（5）柱塞式液压缸是单作用式的，它的回程需要借助自重（垂直放置时）、弹簧力等其它外力来完成。 为了实现双向往复运动，即实现两个方向的液压驱动,可采用双柱塞缸并排安装的方案 .（6）柱塞只靠钢套支撑而不与缸体接触，这样缸筒易于加工，故适于做长行程的液压缸。太长，有时需要加辅助导向机构。 四四. .摆动式液压缸摆动式液压缸 摆动式液压缸是一种作往复旋转运动的执行元件。 符号： 单片式摆动式液压缸，由于结构的限制,其旋转的角度小于360。 双片式摆动液压缸，摆动角度小于180，但与单片式相比，在结构尺寸相同的情况下，其输出转矩增大一倍，并具有径向液压力平衡的优点。两者都可使输出轴作逆时针旋转和作顺

9、时针旋转。 摆动式液压缸的输出扭矩和转速计算方法如下:MpbrdrpbDdpb Ddpb DdtdD2222222212221818()() ()()由于存在摩擦 MQt，所以容积效率为：VtQQMVQDdb()22式中-D缸体内孔直径; d-输出轴外圆的直径; b-叶片的宽度;其它符号意义同前。 要增加摆动式液压缸的输出扭矩,可用增加叶片的数目来实现。叶片的数目应成对增加（考虑对称径向液压力平衡）。若叶片的对数为Z,在其它条件不变的情况下,摆动缸的输出扭矩将增大倍,但转速将减小倍。 五、伸缩液压缸1一级缸筒 2一级活塞 3二级缸筒 4二级活塞六.液压缸的维护（1）在拆卸液压缸前，先松开溢流阀

10、，将系统压力降为零，再切断电源。（2）放掉液压缸两腔油液，一般应先松开端盖的连接螺栓，然后按顺序拆卸。（3）拆卸时，不能损伤进、出油口螺纹，活塞杆表面和头部螺纹。（4）拆卸后，应检查各配合表面及密封（5）组装液压缸前，将各部分用汽油或煤油洗净晾干。（6）组装液压缸时特别注意密封元件的安装（7）耐压试验后应再次紧固有关螺栓。七、液压缸常见故障和排除方法故障现象产 生 原 因排 除 方 法爬行1外界空气进入缸内2密封压得太紧3活塞与活塞杆不同轴4活塞杆弯曲变形5缸筒内壁拉毛，局部磨损严重或腐蚀6安装位置有误差7双活塞杆两端螺母拧得太紧8导轨润滑不良1开动系统，打开排气塞（阀）强迫排气2调整密封，保

11、证活塞杆能用手拉动而试车时无泄漏即可3校正或更换，使同轴度小于0.04mm4校正活塞杆，保证直线度小于0.1/10005适当修理，严重者重磨缸孔，按要求重配活塞6校正7调整8适当增加导轨润滑油量推力不足，速度不够或逐渐下降1缸与活塞配合间隙过大或形密封圈破坏2工作时经常用某一段，造成局部几何形状误差增大，产生泄漏3缸端活塞杆密封压得过紧，摩擦力太大4活塞杆弯曲，使运动阻力增加1更换活塞或密封圈，调整到合适间隙2镗磨修复缸孔内径，重配活塞3放松、调整密封4校正活塞杆冲击1活塞与缸筒间用间隙密封时，间隙过大，节流阀失去作用2端部缓冲装置中的单向阀失灵，不起作用1更换活塞，使间隙达到规定要求，检查缓

12、冲节流阀2修正、配研单向阀与阀座或更换外泄漏1密封圈损坏或装配不良使活塞杆处密封不严2活塞杆表面损伤3管接头密封不严4缸盖处密封不良1检查并更换或重装密封圈2检查并修复活塞杆3检查并修整4检修密封圈及接触面 第二节 液压缸的构造 本节将对液压缸的各组成部分作进一步介绍,同时还介绍一些改善液压缸工作性能的装置,如缓冲和放气装置等。一、一、 缸筒与缸盖的连接缸筒与缸盖的连接 铸铁缸筒通常用法兰连接。用无缝钢管做成的缸筒虽然也可以焊上法兰从而采用法兰连接,但一般多采用螺纹或半环连接等形式。一些手册介绍了缸筒与缸盖的各种连接形式,供设计工作中参考。 二、液压缸的密封方法二、液压缸的密封方法 进入液压缸

13、的压力油可能通过活塞杆与缸盖的连接处向外泄漏,另外还可以通过活塞与缸筒间的配合而使高压腔的压力油流向低压腔(称为内泄漏)。为了防止泄漏,提高液压缸的工作性能与效率,在可能泄漏的地方需要安装密封装置。对密封装置一般有以下要求： 具有良好的密封性能,保证无(或少)泄漏; 有相对运动的密封处摩擦阻力要小; 密封件要耐磨,或磨损后能自动补偿; 使用维护简单、工艺性好、成本低。 常用的密封方法有以下几种: 1 间隙密封 2 活塞环密封3 密封圈密封 活塞杆与缸盖之间也有密封的问题 三、活塞组件三、活塞组件活塞加上活塞杆构成了活塞组件,短行程的液压缸可以把活塞杆与活塞做成一体,这是最简单的一种形式。 活塞

14、与活塞杆之间的螺纹连接,它适用于负载较小,受力无冲击的液压缸中。 卡环连接方式。 径向销式连接结构,用锥销把活塞固定在活塞杆上。这种连接方式特别适用于双活塞杆式活塞。 四、缓冲装置四、缓冲装置 为避免活塞在液压缸的行程终端现缸盖发生撞击,需要缓冲装置。对大型、高速或要求高的液压缸则必须有缓冲装置。尽管各种缓冲装置的结构形式不同,但它们的工作原理则是相似的。几乎都是利用活塞接近缸盖时增大液压缸的回油阻力,使活塞减速,从而防止活塞撞击缸盖。五、放气装置五、放气装置 第三节第三节 液压缸的设计与计算液压缸的设计与计算 液压缸的设计是整个液压系统设计任务之一，本节要介绍如何利用前面的知识来设计液压缸的

15、方法与步骤。实际中，靠计算机设计的辅助软件也不少。 要作好设计工作,还必须事先作好调查研究,掌握必要的原始资料,譬如:主机的用途和工作条件;执行机构的结构特点、负载大小、行程范围和动作要求;材料、器材的供应情况和生产加工条件;国家标准和技术规范等。设计液压缸一般要作以下几方面的工作:1选择液压缸的类型和结构形式; 选择液压缸的类型是进行以后各项设计工作的基础。这步工作可参考前面两节介绍的内容来进行。 2确定液压缸的工作参数; 1)液压缸的工作压力 2)液压缸的工作速度 3)液压缸的行程3计算液压缸的结构尺寸; 1)缸筒内径 (1)根据负载来确定缸筒内径 (2)根据工作速度来确定缸筒内径 2)活

16、塞杆外径 （1）活塞杆直径除满足强、刚度要求外,对于单杆液压缸来说往往以满足工作速度的速比来确定活塞杆直径,然后再校核其强度和稳定性 (2)活塞杆直径还可按缸的工作压力来确定。 3)缸筒长度L 缸筒长度由活塞行程加上各种结构来确定 4)计算缸筒壁厚 5)连接螺栓 4结构强度、刚度的计算和校核;5液压缸的结构装配图设计;6绘制零件图、编写设计说明书。 三三. .液压缸设计中应注意的问题液压缸设计中应注意的问题(1)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。(2)要保证密封可靠、防尘良好。(3)液压缸的活塞杆最好在受拉的情况下工作,以免产生纵向弯曲。对受压的细长活塞杆则

17、应进行稳定性校核。若活塞很长而又水平放置时,由于自重产生的挠度一般应小于0.001L(L为活塞杆长度),以防破坏密封装置。也可用加中间支承的方法来减小垂度。(4)液压缸的热胀冷缩应不受防碍。液压传动系统中由于功率损耗、机械摩擦及油的粘性摩擦都会使油发热。液压缸受热后便膨胀伸长,因此对长行程的液压缸在结构设计时应考虑它有自由伸缩的余地,以免液压缸受到额外的热应力。一般将液压缸固定在机架上时,只能固定一端的缸盖,而让另一端自由伸缩。(5)根据需要设置缓冲装置和放气装置。缓冲和放气不是任何情况下都 需要 的, 一定要根据液压缸的使用条件来决定有无必要设置这两种装置,以免使液压缸的结构造成不必要 的复杂化。(6)尽量缩短进、出油管的长度,以减少压力损失。进、出油口的位置要恰当,不要被活塞运动到终端时把它堵死。 总之,液压缸的设计内容不是一成不变的,根据具体情况有些内容可不做或少做,但又可能增加一些别的设计内容。设计步骤也是灵活的,往往前后还有交叉,甚至经过反复修改,才能得到正确、合理的设计结果。 1 思考题：何为差动连接