《液压与气压传动》第四章 液压执行元件的选用

第四章液压执行元件的选用第一节挖掘机液压执行元件的选用返回第一节挖掘机液压执行元件的选用一、任务引入液压挖掘机如图４－１所示，主要由液压系统、工作装置、行走装置、发动机和电气控制等部分组成。液压系统由液压泵、控制阀、液压缸、液压马达、管路、油箱等组成。工作装置是直接完成挖掘任务的装置，它由动臂、斗杆、铲斗等三部分铰接而成。动臂起落、斗杆伸缩和铲斗转动都用往复式双作用液压缸控制。回转与行走装置是液压挖掘机的机体，转台上部设有动力装置和传动系统。下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用发动机是液压挖掘机的动力源，液压传动系统通过液压泵将发动机的动力传递给液压缸、液压马达等执行元件，推动工作装置动作，主要用于实现机构的直线往复运动，也可以实现摆动，从而完成各种作业，如铲土、提升、回转动作。二、任务分析执行元件是把液压能转换为机械能的装置。做直线往复运动的执行元件称为液压缸，做旋转运动的执行元件称为液压马达。液压执行元件一般需要根据具体工作要求专门设计，这点与液压阀等元件有所不同。在挖掘机中，什么样的液压执行元件能够满足需要呢？上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用液压缸的合理选择对挖掘机的铲土、提升、回转动作的实现起着十分重要的作用。三、基本知识（一）液压缸的作用与分类液压缸（俗称油缸）是将液压能转变成机械能的做直线往复运动（或摆动）的液压执行元件，它结构简单，工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，运动平稳，因此应用非常广泛。按运动形式的不同，液压缸可分为直线往复运动液压缸和摆动液压缸。上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用按其作用方式不同，液压缸可分为单作用式液压缸和双作用式液压缸两种。单作用式液压缸中液压力只能使活塞（或柱塞）单方向运动，反方向运动必须靠外力（如弹簧力或自重等）实现；双作用式液压缸可由液压力实现两个方向的运动。按结构不同，液压缸可分为活塞缸、柱塞缸和摆动缸三类。活塞缸和柱塞缸用以实现直线运动，输出推力和速度；摆动缸用以实现小于３６０°的转动，输出转矩和角速度。液压缸的分类如表４－１所示。１．活塞缸上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用活塞缸可分为双杆式和单杆式两种结构，其固定方式有缸体固定和活塞杆固定两种，如图４－２所示。１）双杆式活塞缸（１）双杆式活塞缸的工作原理。图４－２所示双杆式活塞缸，其活塞的两侧都有伸出杆。图４－２（ａ）所示为缸体固定式结构简图；图４－２（ｂ）所示为活塞杆固定式结构简图。当压力油从进、出油口交替输入液压缸左、右工作腔时，压力油作用于活塞端面，驱动活塞（或缸体）运动，并通过活塞（或缸体）带动工作台做直线往复运动。（２）双杆式活塞缸的特点和应用。上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用当两活塞杆直径相同、缸两腔的供油压力和流量都相等时，活塞（或缸体）两个方向的运动速度和推力也都相等。因此，这种液压缸常用于要求往复运动速度和负载相同的场合，如各种磨床。缸体固定式结构，其工作台的运动范围略大于缸的有效行程的３倍，一般用于行程短或小型液压设备上；活塞杆固定式结构，其工作台的运动范围略大于缸的有效行程的２倍，所以工作台运动时所占空间面积较小，适用于行程长的大、中型液压设备。设缸的有效工作面积为Ａ，活塞直径为Ｄ，活塞杆直径为ｄ，进油压力和流量分别为ｐ和ｑ，回油至油箱，压力近似为零。此时，推力Ｆ和速度ｖ可按下式计算：上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用２）单杆式活塞缸（１）单杆式活塞缸的工作原理。图４－３所示单杆式活塞缸，其活塞的一侧有伸出杆，因此两腔的有效工作面积不相等。当无杆腔进压力油，有杆腔回油时，如图４－３（ａ）所示，活塞推力Ｆ１和运动速度ｖ１分别为上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用当有杆腔进压力油，无杆腔回油时，如图４－３（ｂ）所示，活塞推力Ｆ２和运动速度ｖ２分别为上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用（２）单杆式活塞缸的特点和应用。比较上面公式可知，ｖ１＜ｖ２，Ｆ１＞Ｆ２，即无杆腔进压力油工作时，推力大，速度低；有杆腔进压力油工作时，推力小，速度高。因此，单杆式活塞缸常用于一个方向有较大负载但运行速度较低，另一方向为空载快速退回运动的设备如各种金属切削机床的液压系统。单杆式活塞缸不论是缸体固定还是活塞杆固定，工作台的活动范围都略大于缸有效行程的２倍。单杆式活塞缸的差动连接如图４－４所示。上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用当压力油同时进入液压缸的左右两腔，由于无杆腔工作面积比有杆腔工作面积大，活塞向右的推力大于向左的推力，故其向右移动，这种连接方式称为液压缸的差动连接，作差动连接的单杆式活塞缸简称为差动缸。差动连接时，活塞的推力Ｆ３为若活塞的速度为ｖ３，则无杆腔的进油量为ｖ３Ａ1，有杆腔的出油量为ｖ３Ａ２，因而有故上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用由上面可知，ｖ３＞ｖ１，Ｆ３＜Ｆ１，这说明单杆活塞缸差动连接时能使运动部件获得较高的速度和较小的推力。因此，单杆活塞缸还常用于需要实现“快进（差动连接）→工进（无杆腔进压力油）→快退（有杆腔进压力油）”工作循环的组合机床等设备的液压系统中。这时，通常要求“快进”和“快退”的速度相等，即ｖ３＝ｖ２。由上述公式可知，Ａ３＝Ａ２，即Ｄ＝２ｄ（或ｄ＝０.７１Ｄ）。２．柱塞缸由于活塞缸缸体内孔加工精度要求很高，当缸体较长时加工比较困难，因而常采用柱塞缸。上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用（１）柱塞缸的工作原理。柱塞缸的结构如图４－５（ａ）所示，它由缸筒、柱塞、导向套、压盖和密封圈等零件组成。柱塞与工作部件连接，缸筒可固定在机体上，当压力油进入缸筒时，推动柱塞伸出，带动运动部件运动。（２）柱塞缸的特点和应用。柱塞缸在工作过程中，柱塞端面受压，为了能输出较大的推力，需要较大的端面面积，因此柱塞一般比较粗重。如水平安装柱塞缸，柱塞易产生单边磨损，因此柱塞缸适宜于垂直安装使用。当其水平安装时，为防止柱塞因自重而下垂，常制成空心柱塞并设置支承架和托架。上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用柱塞缸只能实现单向运动（单作用），它的回程需借助自重（在立式缸中）或其他外力（如弹簧力）来实现。在龙门刨床、导轨磨床、大型拉床等大行程设备的液压系统中，为了使工作台得到双向运动，柱塞缸常成对使用，如图４－５（ｃ）所示。柱塞由导向套导向，与缸筒内壁不接触，没有配合要求，因而缸体内孔不需要精加工，工艺性好，成本低，特别适用于行程较长的场合。３．摆动缸摆动缸用于将油液的压力能转变为输出轴往复摆动（转动角度小于３６０°）的机械能。上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用图４－６所示为单叶片式摆动液压缸，定子块２由螺钉和柱销固定在缸体４上，嵌在定子块２槽内的弹簧把密封件压紧在花键轴套的外圆柱面上，起密封作用。叶片３用螺钉固定在花键轴套上。当压力油进入上面的油孔Ａ时，推动转子连同花键轴套做顺时针方向旋转，转子另一侧的回油从下面的油孔排出。如压力油从下面油孔Ｂ进入，转子做逆时针方向旋转。单叶片式摆动液压缸的摆动角度一般不超过２８０°。摆动缸常用于机床的送料装置、间歇进给机构、回转夹具、工业机器人手臂和手腕的回转装置及工程机械回转机构等的液压系统中。实现往复摆动的液压缸还有齿条活塞缸，如图４－７所示。上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用齿条活塞缸由双活塞带动齿条活塞杆运动，以带动齿轮及其传动轴运动。它将活塞的直线往复运动转变为齿轮轴的往复摆动。（二）液压缸的典型结构图４－８所示为双作用单杆式活塞缸的典型结构。它主要有前缸盖１、缸筒１０、后缸盖１３、活塞５及活塞杆１５等零件组成。缸筒１０的一端与前缸盖１焊接在一起，另一端则与后缸盖１３采用螺纹连接，以便拆装检修。进出油口Ａ和Ｂ安排在两端，并且都可进油或回油，以实现往复直线运动。活塞５用卡环４、套环３和弹簧挡圈２等定位连接。活塞５与缸筒１０之间采用一对ＹＸ形密封圈９密封，Ｏ形密封圈６用以防止活塞杆１５与活塞５内孔配合处的泄漏。上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用活塞杆１５靠导向套１２导向，避免活塞５因受不平衡的侧向力而损伤缸壁和密封件，同时也能改善活塞杆１５运动时的摩擦状况。导向套１２的外径和内径都有密封圈密封。后缸盖１３上安装有防尘圈１４，用以防止活塞杆１５缩回时其上面黏附的污物进入缸内。活塞杆１５的左端设有缓冲柱塞，目的是减轻活塞在行程终点对缸盖的撞击。由上述可知，液压缸的结构主要包括缸体组件、活塞组件、密封装置、缓冲装置和排气装置五部分组成。１．缸体组件缸体组件包括前后端盖和导向套等。上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用缸筒和缸盖的常用连接方式有法兰连接、卡环连接和螺纹连接。２．活塞组件活塞组件由活塞、活塞杆和连接件等组成。活塞和活塞杆连接方式主要有整体式结构、焊接式连接、锥销式连接和卡环式连接。３．密封装置１）密封的作用及意义在液压传动系统及其元件中，液压缸的泄漏直接影响到液压缸的工作性能和效率，甚至使整个系统无法工作，因此，要求液压缸有良好的密封性能。安置密封装置和密封元件的作用在于防止工作介质泄漏及外界尘埃和异物侵入。上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用设置于密封装置中、起密封作用的元件称为密封件。２）密封的分类常用的密封方法有间隙密封和密封元件的密封。间隙密封是靠相对运动部件之间很小的配合间隙来保证密封的。这种密封方法的摩擦力小，但密封性能差，加工精度要求较高，只适用于尺寸较小、压力较低、运动速度较高的场合。密封元件的密封是液压系统中应用最广泛的一种密封方法，它是用“Ｏ”形、“Ｙ”形、“Ｖ”形及组合式密封圈密封。３）常用的密封元件上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用常用的密封元件按其断面形状可分为Ｏ形密封圈和唇形密封圈，而唇形密封圈又可分为Ｙ形、Ｖ形密封圈等。（１）Ｏ形密封圈。Ｏ形密封圈简称Ｏ形圈，截面呈圆形。Ｏ形密封圈一般由耐油橡胶（丁腈橡胶、聚氨酯橡胶等）制成，与常用的石油基液压油有良好的相容性。它主要用于静密封和滑动密封，而在转动密封中用得较少。在用于滑动密封时，Ｏ形圈的使用速度要求为０.００５～０.３００ｍ／ｓ。Ｏ形密封圈的内、外侧及端部都能起密封作用，其密封原理如图４－９所示。当Ｏ形圈装入密封槽后，其截面受压缩变形。上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用在无液体压力时，靠Ｏ形圈的弹性对接触面产生预接触压力ｐ０来实现初始密封，如图４－９（ａ）所示；在密封腔充满压力油后，在液压力ｐ的作用下，Ｏ形圈在油压作用下被挤向密封槽的一侧，封闭了间隙，同时变形增大，密封面上的压力上升到ｐｍ，所以Ｏ形圈具有良好的密封作用，如图４－９（ｂ）所示。密封圈在安装时必须保证适当的预压缩量。预压缩量过小不能起密封作用，过大则会使摩擦力增大，且易损坏。因此，安装密封圈的沟槽形状、尺寸和表面加工精度必须按有关手册给出的数据进行确定。Ｏ形密封圈是液压系统中应用最广泛的一种密封元件，具有以下一些特点：上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用①密封性好，寿命较长；②用一个密封圈即可起到双向密封的作用；③动摩擦阻力较小；④对油液的种类、温度和压力适应性强；⑤体积小，质量小，成本低；⑥结构简单，装拆方便；⑦既可作动密封，又可作静密封；⑧可在－４０℃～１２０℃较大的温度范围内工作。但与唇形密封圈相比，Ｏ形密封圈的寿命较短，密封装置机械部分的精度要求高。上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用（２）Ｙ形密封圈。Ｙ形密封圈如图４－１０所示，整体呈圆形，截面呈Ｙ形，简称Ｙ形圈。它属于唇形密封圈类，一般用耐油的丁腈橡胶制成。它是一种密封性、稳定性和耐压性较好，摩擦阻力小，寿命较长的密封圈，故应用比较普遍，Ｙ形密封圈主要用于做往复运动装置的密封。根据截面长宽比不同，Ｙ形圈可分为宽断面和窄断面两种形式。宽断面Ｙ形圈一般适用于工作压力不大于２０ＭＰａ、工作温度为－３０℃～１００℃、使用速度不大于０.５ｍ／ｓ的场合。窄断面ＹＸ形圈是宽断面Ｙ形圈的改型产品。其截面的长宽比大于２，因而不易翻转，稳定性好。上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用ＹＸ又有孔用和轴用之分，其短唇与密封面接触，滑动摩擦阻力小，耐磨性好，寿命长；其长唇与非运动表面有较大的预压缩量，摩擦阻力大，工作时不易窜动。ＹＸ形圈一般适用于工作压力不大于３２ＭＰａ、使用温度为－３０℃～１００℃的条件的工作。Ｙ形圈的密封作用是依赖于它的唇边对耦合面的紧密接触，并在压力油作用下产生较大的接触压力，达到密封的目的。当液压力升高时，唇边与耦合面贴得更紧，接触压力更高，并且Ｙ形圈在磨损后有一定的自动补偿能力，故具有较好的密封性能。Ｙ形圈安装时，唇口端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。上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用（３）Ｖ形密封圈。Ｖ形密封圈由多层涂胶织物压制而成，它的截面为Ｖ形。图４－１１所示为Ｖ形密封圈装置，由压环、Ｖ形圈和支承环组成，使用时必须成套使用。它适宜在工作压力不大于５０ＭＰａ、温度为－４０℃～８０℃的条件下工作。当工作压力高于１０ＭＰａ时，可增加Ｖ形圈的数量，但最多不超过６个，以提高密封效果。安装时，Ｖ形圈的开口应面向压力高的一侧。Ｖ形密封圈密封具有以下优点：①性能良好，耐高压，寿命长；②通过调节压紧力，可获得最佳的密封效果；上一页下一页返回第一节挖掘机液压执行元件的选用③能在偏心状态下可靠密封；④当无法从轴向装入时，可切交错开口安装，不影响密封效果。但Ｖ形密封装置的摩擦阻力及结构尺寸较大，检修和拆装不方便。它主要用于活塞及活塞杆的往复运动密封。４．缓冲装置