第三章液压执行元件液压缸2015

第三章液压执行元件-液压缸作用：将液压能转换为机械能的能量转换装置

包括{液压缸：输出的是直线运动液压马达：输出的是旋转运动液压缸的输入量是液体的流量和压力，输出量是速度和力。p1p2FVdQA液压缸压力p

流量Q液压功率作用力F速度V机械功率液压缸3.1缸的分类及特点

液压缸的分类按作用方式分：单作用缸和双作用缸。按结构形式分：活塞缸、柱塞缸、摆动液压缸。按活塞杆形式分：单杆活塞缸、双杆活塞缸。单杆液压缸双杆液压缸柱塞式液压缸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，其固定方式有缸筒固定和活塞杆固定两种方式。3.1.1.1双杆活塞缸

双活塞杆液压缸的活塞两端都带有活塞杆，分为缸体固定和活塞杆固定两种固定形式，如图所示。(a)缸体固定，活塞杆移动(b)活塞杆固定缸体移动，双杆活塞缸缸筒固定与活塞杆固定的比较：

因为双活塞杆液压缸的两活塞杆直径相同，所以当输入流量和油液压力不变时，活塞（或缸体）在两个方向上的运动速度V和推力F都相等，即：（3.1）（3.2）式中:、—分别为缸的进、出口压力；—分别为缸的容积效率和机械效率；、、d—分别为活塞直径和活塞杆直径；q—缸的输入流量；A—活塞有效作用面积。这种液压缸常用于要求往返运动速度相同的场合。3.1.1.2单杆活塞缸

单杆活塞缸的活塞仅一端带有活塞杆，活塞双向运动可以获得不同的速度和输出力，其简图及油路连接方式如图所示。(a)无杆腔进油Ddq(b)有杆腔进油q单杆活塞缸分解图

其一端伸出活塞杆，两腔有效面积不相等，当向缸两腔分别供液体，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。图3.2单杆活塞缸无杆腔进油（4.3）（4.4）活塞的运动速度和推力分别为:(a)无杆腔进油Ddq有杆腔进油活塞的运动速度和推力分别为:(b)有杆腔进油q（4.5）（4.6）

比较上述各式，可以看出：>,>；液压缸往复运动时的速度比为：

（4.7）

上式表明：当活塞杆直径愈小时，速度比接近1，在两个方向上缸的速度差值就愈小。(a)无杆腔进油Ddq(b)有杆腔进油q两腔进油,差动联接(c)差动联接缸q

当单杆活塞缸两腔同时通入相同压力的液体时，由于无杆腔受力面积大于有杆腔受力面积，使得活塞向右的作用力大于向左的作用力，因此活塞杆作伸出运动，并将有杆腔的液体挤出，流进无杆腔，加快了活塞杆的伸出速度，缸的这种连接方式被称为差动连接。图3.3差动连接缸(c)差动联接q（4.8）（4.9）

在忽略两腔连通回路压力损失的情况下，差动连接液压缸的推力为：q等效活塞杆的伸出速度为：(c)差动联接qq等效

差动连接时,液压缸的有效作用面积是活塞杆的横截面积，工作台运动速度比无杆腔进油时的大，而输出力则较小。

差动连接是在不增加液压泵流量的条件下，实现快速运动的有效办法。3.1.2柱塞缸

活塞缸内孔和尺寸精度很高，并且要求表面光滑，大型或超长行程的液压缸不易实现这种要求，在这种情况下可以采用柱塞缸。图3.4柱塞液压缸

图3.5柱塞式液压缸

如图4.5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。

柱塞式液压缸是单作用缸，柱塞端面是受压面。其面积大小决定了缸的输出速度和推力。如果要得到双向运动，可将两柱塞缸成对使用为减轻柱塞的重量，有时制成空心活塞。

图3.6柱塞式液压缸QQVddp1p23.1.3摆动缸

图3.7摆动缸

摆动液压缸能实现往复摆动运动，主要有单叶片式和双叶片式两种结构形式。图3.8

单叶片摆动液压缸（马达）1.叶片2.限位块3.缸筒

为了满足特定需要，可由上述三种基本形式和机械传动或其它传动形式组合特种缸来满足要求3.2其它型式的常用缸3.2.1增压缸增压缸又称增压器。它能将输入的低压转变为高压供液压传动。3.2.2多级缸

多级缸又称伸缩式套筒缸，它由两级活塞缸套装而成，具有活塞杆的伸出行程长度比缸体长度大，占用空间较小，结构紧凑的特点。伸出缩回图3.9伸缩式液压缸

前一级缸的活塞是后一级缸的缸套，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。图3.10伸缩式液压缸伸出BA二级活塞3.2.3齿条活塞缸

齿条活塞缸由带有齿条杆的双作用活塞缸和齿轮齿条机构组成，活塞往复移动经齿条、齿轮机构变成齿轮轴往复转动。图3.11齿条活塞液压缸的结构图1—紧固螺帽；2—调节螺钉；3—端盖；4—垫圈；5—O形密封圈；6—挡圈；7—缸套；8—齿条活塞；9—齿轮；l0—传动轴；11—缸体；12—螺钉qω缸的典型结构

图3.12双作用单活塞杆液压缸结构图l—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

单活塞杆液压缸主要由缸底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，在相应部位设置了密封圈3、5、9、11和防尘圈12。3.3缸的结构液压缸的组成基本结构分为缸筒和缸盖活塞和活塞杆密封装置缓冲装置排气装置3.3.1.1缸筒与端盖的连接

图4.12缸体与缸盖的连接结构3.3.1缸体组件

（2）半环式连接

(1）法兰式连接要求缸筒端部有直径足够大的凸缘，用以安装螺栓或螺钉。是一种常用的连接方式。分为外半环连接和内半环连接两种连接形式。用于无缝钢管缸筒与端盖的连接。（3）螺纹式连接外螺纹连接内螺纹连接

分为外螺纹和内螺纹连接两种形式。缸筒端部结构复杂。一般用于外形尺寸小，重量轻的场合。（5）焊接式连接（4）拉杆式连接易于拆装，但端盖的体积和重量较大，只适用于长度不大的中低压缸。连接强度高，制造简单，焊接时易引起缸筒变形。

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0.1m~0.4m。

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。

导向套对活塞杆或柱塞起导向和支承作用，有些液压缸不设导向套，直接用端盖孔导向。缸筒，端盖和导向套的材料选择和技术要求可参考液压设计手冊3.3.2活塞组件

活塞组件由活塞、活塞杆和连接件等组成。3.3.2.1活塞与活塞杆的连接形式

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，除此之外还有整体式结构、焊接式结构、锥销式结构等。

1一活塞杆；2一活塞；3一密封圈；4一弹簧圈；5一螺母1一卡键；2一套环；3一弹簧卡圈3.3.2.2活塞和活塞杆

活塞受压力在缸筒内作往复运动，活塞必须具有一定的强度和良好的耐磨性。活塞一般用铸铁或钢制造。活塞的结构通常分为整体式和组合式。

活塞杆是连接活塞和工作部件的传力零件，必须有足够的强度和刚度。活塞杆无论是实心还是空心的，通常用钢制造，活塞杆在导向套内往复运动，其外圆表面应当耐磨并具有防腐性能，因此活塞杆外圆表面有时需镀铬。活塞和活塞杆的技术要求可参考有关手册。

活塞装置主要用来防止液压油的泄漏。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，耐油。油缸主要采用密封圈密封，密封圈有O形、V形、Y型及组合式等数种，其材料为耐油橡胶、尼龙、聚氨脂等。

（1）O形密封圈

O形密封圈的截面为圆形，主要用于静密封。与唇形密封圈相比，运动阻力较大，作运动密封时容易产生扭转，故一般不单独用于油缸运动密封。3.3.2.3活塞的密封形式(自学）

（1）O形密封圈图3.14O型密封圈的结构原理

（a）普通型（b）有挡板型

O形圈密封的原理：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。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，双向受高压时，两侧都要加挡圈。

（a）普通型（b）有挡板型图3.15O型密封圈的结构原理

V形圈的截面为V形，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。（2）V形密封圈a)压环

b)V型圈c)支承环图3.16V形密封圈Y形密封圈的截面为Y形，属唇形密封圈。它是一种摩擦阻力小、寿命较长的密封圈，应用普遍。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，图3.17所示为宽断面Y形密封圈。（3）Y（Yx）形密封圈

图3.17Y形密封圈图3.17Y形密封圈Y形圈安装时，唇口端面应对着液压力高的一侧。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3.17（b）所示。3.3.3缓冲装置

为了防止这种危害，保证安全，应采取缓冲措施，对液压缸运动速度进行控制。

当缸拖动负载质量较大的部件作快速往复运动时，由于运动部件具有很大的动能，因此当活塞运动到液压缸终端时，会与端盖碰撞，而产生冲击和噪声。这种机械冲击不仅引起液压缸的有关部分的损坏，而且会引起其它相关机械的损伤。缓冲装置

图3.18液压缸缓冲装置（1）圆柱形环隙式（2）圆锥形环隙缓冲装置（3）可变节流槽式缓冲装置（4）可调节流孔式缓冲装置3.3.4排气装置

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，必须考虑空气的排除。

对于速度稳定性要求较高的液压缸和大型液压缸，常在液压缸的最高处设置专门的排气装置，如排气塞、排气阀等。当松开排气塞或阀的锁紧螺钉后，低压往复运动几次，带有气泡的油液就会排出，空气排完后拧紧螺钉，液压缸便可正常。放气阀结构液压缸工作压力的确定

液压缸的工作压力按负载确定。

液压缸的主要尺寸包括液压缸的内径D、缸的长度L、活塞杆直径d。主要根据液压缸的负载、活塞运动速度和行程等因素来确定上述参数。3.4液压缸的设计与计算（自学）液压缸的类型及特点液压缸输出参数的计算液压缸的组成

通过本章的学习，要求掌握液压缸设计中应考虑的主要问题，包括结构类型的选择和参数计算等，为液压缸设计打下基础。本章主要内容为：本章重点作业：3-3,3-4

举例：

例3.3：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=25min/L，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(a)、(b)、(c)所示的三种工况，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。