黑版第4章液压缸

第4章液压缸

4.1液压缸的工作原理、类型与特点4.2液压缸的典型结构设计

4.3液压缸的设计计算4.4液压缸的常见故障与排除重点：理解：液压缸的工作原理；活塞式液压缸的特点和应用掌握：活塞式液压缸的推力和速度计算难点：液压缸的推力和速度计算，结构尺寸计算考点：液压缸的类型，特点和应用，活塞式液压缸推力和速度计算液压缸是将液压泵输出的压力能转换为机械能的执行元件，它主要是用来输出直线运动（摆动运动）。液压马达实现旋转运动。活塞缸柱塞缸摆动缸—按其结构形式分按供油方向按活塞杆形式液压缸的分类单活塞杆缸双活塞杆缸单作用缸双作用缸实现直线运动，输出推力和速度，实现往复摆动，输出转矩和角速度主要性能参数压力P、流量q、力F和速度V压力p流量Q液压功率液压缸作用力F速度v机械功率一、活塞式液压缸（一）双杆式活塞缸（活塞两端都有一根直径相等的活塞杆伸出）1.分类根据安装方式分缸筒固定式（动画演示）活塞杆固定式能量转换：PQ＝Fv液压缸的推力：F＝PA液压缸运动速度：v＝Q/AA-油缸的有效作用面积（1）实心双杆活塞式液压缸——缸体固定式进油腔回油腔运动方向占地范围应用场合

左右活塞右移3L中小型设备

右左活塞左移缸体固定——工作台往复运动范围为活塞有效行程的三倍（L＝3l）。（2）空心双杆活塞式液压缸——杆固定式进油腔回油腔运动方向占地范围应用场合

左右缸体左移2L大中型设备

右左缸体右移活塞杆固定——工作台往复运动范围为活塞有效行程的两倍（L＝2l）。这种液压缸常用于往返速度相同且推力不大的场合，如用来驱动外圆磨麻的工作台等。2.输出的推力和速度推力速度：式中：A—活塞的有效面积；q—输入流量；D—活塞直径；d—活塞杆直径P2—缸的出口压力ηv—容积效率ηm—机械效率P1—缸的进口压力3.特点1）两腔面积相等；2）压力相同时，推力相等；

流量相同时，速度相等。即具有等推力等速度特性。（二）单杆式活塞缸1.结构1-缸筒;2-缸盖兼导向套;3-活塞;4-密封件;5-活塞杆;6-缸底2.推力和速度只在活塞的一端有活塞杆，缸两腔有效工作面积不相等。

有缸筒固定和活塞杆固定两种。

工作台移动范围都为活塞有效行程的两倍。当输入液压缸的流量ｑ，进出油口压力分别为ｐ1和ｐ2时，（1）无杆腔进油速度V1推力Ｆ1无杆腔面积有杆腔面积（2）有杆腔进油推力Ｆ2速度ｖ2

特点：

两腔面积不等，A1＞A2压力相同时，推力不等；流量相同时，速度不等，即不具有等推力等速度特性。比较：有杆腔进油由于A1＞A2

，所以F1＞F2，V1＜V2

（慢进快退）无杆腔进油把V1和V2的比值称为速度比，记作λv，则d越小，λv越接近于1，V1和V2差值越小；d较粗，V1和V2差值越大。已知Ｄ和λ、υ，就可以较方便地确定ｄ。（3）差动缸单活塞杆液压缸左右两腔同时接通压力油的连接方式称为差动连接。差动连接的液压缸称为差动缸。即：

所以：

考虑油缸效率时，活塞的运动速度：液压缸的推力即：

实际中，单活塞杆液压缸常用在需要实现“快进一工进一快退”工作循环的组合机床液压系统中。若要求活塞往返运动速度相等，则：v2＝v3，得：则特点：＜1＞液压缸的有效作用面积

，V3＞V2，F3＜F1。＜2＞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。应用：广泛用于组合机床的液压动力滑台和其他机械设备的快速运动中。二、柱塞缸1.特点：（1）单作用液压缸，靠液压力只能实现一个方向的运动，回程要靠自重或其它外力，因此柱塞缸常成对使用；（2）柱塞运动时，由缸盖上的导向套来导向，因此，柱塞和缸筒的内壁不接触，缸筒内孔只需粗加工即可；（3）柱塞重量往往比较大，水平放置时容易因自重而下垂，造成密封件和导向件单边磨损，故柱塞式液压缸垂直使用较为有利；（4）当柱塞行程特别长时，仅靠导向套导向就不够了，为此可在缸筒内设置各种不同形式的辅助支承，起到辅助导向的作用。推力Ｆ速度ｖ2.应用柱塞式液压缸的主要特点是柱塞与缸筒无配合要求，缸筒内孔不需精加工，甚至可以不加工。运动时由缸盖上的导向套来导向，所以它特别适用在行程较长的场合。三、摆动式液压缸摆动式液压缸是输出转矩并实现往复摆动的执行元件。当通入压力油时，它的主轴能输出小于3600的摆动运动。双叶片式1-定子块；2-缸体；3-摆动轴；4-叶片单叶片式1.单叶片式摆动缸当摆动缸进出油口压力为ｐ1和ｐ2，输入流量为ｑ时，输出转矩Ｔ和角速度ω各为b—叶片宽度；D—缸体内径；d—摆动轴直径2.双叶片式摆动缸双叶片式摆动缸在径向尺寸和工作压力相同的条件下，分别是单叶片式摆动缸输出转矩的2倍，但回转角度要相应减少，双叶片式摆动缸的回转角度一般不超过150°。特点和应用：结构紧凑、输出转矩大的特点，但密封困难。一般只用于中、低压系统中的往复摆动，转位或间歇运动的场合。如：机床回转夹具、送料装置等。其它液压缸类型1.伸缩式液压缸（多级液压缸）它是由两个或多个活塞套装而成，前一级活塞杆是后一级活塞缸的缸筒。伸出时，可以获得很长的工作行程，缩回时可保持很小的结构尺寸。图示伸缩缸，各级活塞依次伸出时，液压缸的有效面积逐级变化。输入q和p不变时，输出F和V逐级变化。式中，i—第i级活塞缸。这种液压缸起动时，活塞有效面积最大，因此，输出推力也最大，随着行程逐级增长，推力随之减小。这种推力变化情况，正适合于自动装卸车对推力的要求。2.增压缸它有单作用和双作用两种型式。单作用增压缸的工作原理：当低压为p1的油液推动大活塞时，小活塞输出压力为p2的高压液体；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。当大活塞直径为D，小活塞直径为d时，K＝D/d—增压比。

单作用增压缸不能连续输出高压液体，要将活塞退回，再右行时才输出高压液体，即只能在一次行程中输出高压液体。双作用增压缸可以实双向增压。压力关系3.齿轮缸齿轮式液压缸又称无杆式活塞缸，它由两个柱塞缸和一套齿轮齿条传动装置组成。当压力油推动活塞左右往复运动时，齿条就推动齿轮往复旋转，从而实现工作部件的往复摆动或间歇进给运动。液压缸的选择在选择液压缸的类型时，要从机器设备的动作特点、行程长短、运动性能等要求出发，同时还要考虑到主机的结构特征给液压缸提供的安装空间和具体位置。机器的往复直线运动—液压缸。要求往返运动速度相同的场合—双活塞杆式液压缸有快速返回的要求——单活塞杆式液压缸或差动连接行程较长——柱塞缸，以减少加工的困难行程较长但负载不大——用传动装置来扩大行程往复摆动运动——摆动式液压缸或直线式液压缸＋齿轮一齿条机构液压缸的计算1.某单出杆液压缸的活塞直径为100mm，活塞杆直径为63mm，用流量q＝40L/min、压力p＝5MPa的液压泵供油驱动。求①液压缸能推动的最大负载。

②差动工作时，液压缸的速度。解：①以无杆腔进油，有杆腔回油时，液压缸产生的推力最大。此时能推动的负载为：②差动连接时液压缸的速度为：2.串联液压缸，左缸和右缸的有效工作面积：A1＝100cm2，A2＝80cm2，两液压缸的外负载分别为F1＝30kN，F2＝20kN，输入流量q1＝15L/min。求：①液压缸的工作压力;②液压缸的运动速度。解：①右缸力平衡方程：

p2A2＝F2列左缸的力平衡方程：则：②活塞的运动速度：3.如图所示，两个结构相同的液压缸串联起来，无杆腔的有效工作面积，有杆腔的有效工作面积，缸1输入的油压，流量，不考虑损失。试求：（1）两缸负载相同时，两缸的负载和速度各为多少？（2）缸2不受负载时，缸1能承受多少负载？解：1.负载计算缸2缸1因为所以2.速度计算缸1缸23.负载计算F2＝0则P2＝0F1＝P1A1＝18×105×100×10-4＝18KN4.某一差动液压缸，要求①V快进＝V快退;②V快进＝2V快退，求活塞面积A1和活塞杆面积A2之比为多少?解：差动液压缸的速度为快进时：快退时：①当V快进＝V快退时，即：代入化简得：②当V快进＝2V快退时，即：

代入化简得：4.2液压缸的结构设计一、典型液压缸结构由缸筒10，活塞8，活塞杆1、15，缸盖18、24，密封圈4、7、17，导向套6、19，压板11、20等主要零件组成。这种液压缸活塞杆固定，缸筒带动工作台作往复运动。活塞用锥销9、22与空心活塞杆连接，并用堵头2堵死活塞杆的一头。缸筒两端外圆上套有钢丝环12、21，用于阻止压板11、20向外移动，通过螺栓将缸盖18、24与压板相连，把缸盖压紧在缸筒的两端。在液压缸中可能发生泄漏的结合面放了密封圈和纸垫。空心活塞杆和其上的油口a、c提供了液压缸的进、出油口。当缸筒移动到左、右终端时，油口a、c的开度减小，回油阻力增大，对运动部件起到制动缓冲作用。在缸盖上有与排气阀相连的排气孔5、14，排出液压缸中的空气，使运动更加平稳。由此可知，液压缸按结构组成可以分为缸体组件、活塞组件、密封装置、缓冲装置和排气装置等。1.缸体组件缸体组件包括缸筒、缸盖和一些连接零件。低压时：缸筒用铸铁制成高压时：缸筒用无缝钢管制成。a.法兰连接：加工和拆装都很方便，单外形尺寸大。用于铸铁制缸筒上。b.半环连接：要求缸筒有足够的壁厚。用于无缝缸管的缸筒上。c.螺纹连接：外形尺寸小，但拆装不方便，要有专用工具。d.拉杆式连接：拆装容易，通用性好，但外形尺寸大。e.焊接连接：结构简单，尺寸小，但缸底处内径不易加工，焊接一变形。2.活塞组件包括活塞和活塞杆两部分。活塞常用铸铁制成，活塞杆常用钢料制成。活塞组件的连接方式除了前面提到的锥销式连接以外，还有整体式、螺纹式连接和半环式连接。整体式结构简单、使用可靠，在尺寸较小的场合常用。螺纹式连接：结构简单，但要防止螺母脱落。半环式连接：结构复杂，但工作可靠。3.密封装置液压缸中的密封是指活塞、活塞杆和缸盖等处的密封。用来防止液压缸内部和外部的泄漏。（1）间隙密封最简单的密封形式,常用在活塞直径较小、工作压力较低的液压缸中。在活塞上开出的若干道深0.3mm至0.5mm的环形槽，增大油液从高压腔向低压腔泄漏的阻力，从而减小泄漏。（2）密封圈密封这是一种结构简单、磨损后能自动补偿、并且密封性能会随着压力的加大而提高的密封方式，在工程中得到了非常广泛的应用。密封圈有O型、V型、Y型及组合式等数种，其材料为耐油橡胶、尼龙、聚氨醋等。1）0型密封圈截面为圆形，主要用于静密封。安装方便，价格便宜，但作运动密封时容易产生扭转，故一般与其他密封件组合使用。2）V型密封圈截面为V型，1、2、3组成一套使用，P≤50MPa。安装时，开口面向高压侧。1233）Y型密封圈截面为Y型，属唇型密封圈。密封性、稳定性和耐压性（P≤20MPa）好、寿命较长，应用普遍。Y型圈主要用于往复运动的密封。Y型密封圈4.缓冲装置利用活塞或缸筒移动到接近终点时，将活塞和缸盖之间的一部分液体封住，迫使液体从小孔或缝隙中挤出，从而产生很大的阻力，使工作部件制动，避免活塞和缸盖的相互碰撞。当活塞移到端部,缓冲柱塞开始插入缸端的缓冲孔时，活塞与缸端之间形成封闭空间，该腔中的剩余油液只能从节流小孔或缓冲柱塞与孔槽之间的节流环缝中挤出，迫使运动柱塞降速制动，实现缓冲。目前普遍采用在缸进出口设单向节流阀（图<d>），可调节缓冲效果。液压缸缓冲装置5.排气装置液压缸在安装过程中或长时间停放重新工作时，液压缸和管道系统中会渗入空气，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，必须考虑空气的排除。一般可在液压缸的最高处设置进出油口把气带走，或在最高处设置放气孔或专门的放气阀。4.3液压缸的设计计算对于不同的机器和机构，液压缸具有不同的用途和工作要求。在设计液压缸之前，必须对整个液压系统进行工况分析，编制负载图，选定系统的工作压力，然后根据使用要求选择结构类型，按负载情况、运动要求、最大行程等确定其主要工作尺寸，进行强度、稳定性和缓冲验算，最后再进行结构设计。一、设计内容和步骤1.选液压缸的类型和各部分结构形式（根据使用要求）。2.确定液压缸主要结构尺寸和工作参数（按负载，运动速度和行程要求）。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。二、液压缸的结构尺寸液压缸的结构尺寸主要有：缸筒内径D、活塞杆外径d和缸筒长度L等。1.液压缸内径D根据液压缸总负载力F和工作压力p来计算。工作压力P按负载大小或按液压设备类型确定。设备类型磨床组合机床车床铣床镗床拉床龙门刨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p10.8～23～52～48～102～810～1620～32负载F/N＜50005000～1000010000～2000020000～3000030000～50000＞50000缸工作压力P1/MPa＜0.8～11.5～22.5～33～44～5≥～72.活塞直径d（1）根据液压缸往返速比λv来确定（2）也可按活塞杆的受力情况确定当活塞杆受拉时：当活塞杆受压时：3.缸筒长度L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，即式中

L—活塞的最大工作行程；B—活塞宽度，一般为（0.6－1）D；A—活塞杆导向长度，取（0.6－1.5）D；M—活塞杆密封长度，由密封方式定；C—其他长度。一般缸筒的长度最好不超过内径的20倍。4.最小导向长度的确定H当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离。如果导向长度过小，使液压缸的间隙引起的挠度增大，影响液压缸的稳定性。导向长度（L为液压缸最大行程）；其他部位尺寸按下列公式确定：活塞宽度B＝（0.6～1.0）D；导向套滑动面长度A＝（0.6～1.0）D（D＜80mm）A＝（0.6～1.0）d（D＞80mm）如装有隔套K时：C＝H－（A＋B）/2活塞杆长度根据液压缸最大行程L而定。三、强度校核包括缸筒壁厚δ、活塞杆直径d和缸盖固定螺栓的直径。1.缸筒壁厚δ在中、低压系统中，缸筒壁厚由结构工艺决定，一般不做校核。在高压系统中需按下列情况进行校核。当D/δ≥10时为薄壁，δ按下式校核式中，D-缸筒内径；[σ]—缸筒材料的许用应力，[σ]＝σb/n，σb是材料的抗拉强度，一般取n＝5；pt—试验压力，当缸的额定压力Pn≤16MPa时，Pt＝1.5P