第3章液壓缸

1、復(fù)習(xí)：１、液壓泵工作的必備條件是什么？液壓泵工作的主要參數(shù)是什么？２、齒輪泵、葉片泵、柱塞泵的工作原理怎樣？有哪些結(jié)構(gòu)特點？３、什么是液壓馬達(dá)？它與液壓泵有何區(qū)別？,1,2,第3章液壓缸,3,本章提要,液壓缸的類型及特點 液壓缸的設(shè)計計算 液壓缸的典型結(jié)構(gòu) 液壓缸的密封,通過本章的學(xué)習(xí)，要求掌握液壓缸設(shè)計中應(yīng)考慮的主要問題，包括結(jié)構(gòu)類型的選擇和參數(shù)計算等，為液壓缸設(shè)計打下基礎(chǔ)。,本章主要內(nèi)容為：,4,液壓缸（油缸）主要用于實

2、現(xiàn)機構(gòu)的直線往復(fù)運動，也可以實現(xiàn)擺動，其結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，應(yīng)用廣泛。,液壓缸的輸入量是液體的流量和壓力，輸出量是速度和力。液壓缸和液壓馬達(dá)都是液壓執(zhí)行元件， 其職能是將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能。,5,3.1 液壓缸的類型及工作原理,液壓缸的分類,按供油方向分：單作用缸和雙作用缸。按結(jié)構(gòu)形式分：活塞缸、柱塞缸、伸縮套筒缸、擺動液壓缸。按活塞桿形式分：單活塞桿缸、雙活塞桿缸。,6,理想液壓缸,,7,一、 活塞式液壓缸,活塞式液壓缸可分為

3、雙桿式和單桿式兩種結(jié)構(gòu)形式，其安裝又有缸筒固定和活塞桿固定兩種方式。,1. 雙桿活塞液壓缸,雙活塞桿液壓缸的活塞兩端都帶有活塞桿，分為缸體固定和活塞桿固定兩種安裝形式，如圖3．1所示。,8,因為雙活塞桿液壓缸的兩活塞桿直徑相等，所以當(dāng)輸入流量和油液壓力不變時，其往返運動速度和推力相等。則缸的運動速度V和推力F分別為：,（3.1）,（3.2）,式中:,、d —分別為活塞直徑和活塞桿直徑；,q —輸入流量；,A—活塞有效工作面積。,這種液壓

4、缸常用于要求往返運動速度相同的場合。,9,雙活塞桿液壓缸特點：（1）往復(fù)運動的推力相等；（2）往復(fù)運動速度相等；（3）運動范圍：當(dāng)缸體固定時，工作臺的活動范圍約為行程的3倍，當(dāng)活塞桿固定時，工作臺的活動范圍約為行程的2倍。,10,2.單活塞桿液壓缸,單活塞桿液壓缸的活塞僅一端帶有活塞桿，活塞雙向運動可以獲得不同的速度和輸出力，其簡圖及油路連接方式如圖3.2所示。,11,,無桿腔進(jìn)油,（4-5）,（4-3）,活塞的運動速度

5、和推力 分別為:,12,,有桿腔進(jìn)油,活塞的運動速度 和推力 分別為:,（4-7）,（4-6）,13,比較上述各式，可以看出： > , > ；液壓缸往復(fù)運動時的速度比為：,（4-7）,,上式表明：當(dāng)活塞桿直徑愈小時，速度比接近1，在兩個方向上的速度差值就愈小。,14,兩腔進(jìn)油,差動聯(lián)接,,,當(dāng)單桿活塞缸兩腔同時通入壓力油時，由于無桿腔有效作用面積大于有桿腔的有效

6、作用面積，使得活塞向右的作用力大于向左的作用力，因此，活塞向右運動，活塞桿向外伸出；與此同時，又將有桿腔的油液擠出，使其流進(jìn)無桿腔，從而加快了活塞桿的伸出速度，單活塞桿液壓缸的這種連接方式被稱為差動連接。,15,,兩腔進(jìn)油,差動聯(lián)接,,（3.8）,（3.9）,在忽略兩腔連通油路壓力損失的情況下，差動連接液壓缸的推力為：,,等效,活塞的運動速度為：,16,,兩腔進(jìn)油,差動聯(lián)接,,,等效,差動連接時,液壓缸的有效作用面積是活塞桿的橫截面積，

7、工作臺運動速度比無桿腔進(jìn)油時的大，而輸出力則較小。,差動連接是在不增加液壓泵容量和功率的條件下，實現(xiàn)快速運動的有效辦法。,17,單活塞桿液壓缸工作特點：（1）往復(fù)運動的推力不相等；（2）往復(fù)運動速度相等；（3）運動范圍：不論是缸體固定，還是活塞桿固定，其工作臺的活動范圍均為行程的2倍。（4）當(dāng)將單活塞桿液壓缸兩個工作腔連接可實現(xiàn)差動連接，可獲得較大的運動速度，常用于機床的快速進(jìn)給。,18,差動液壓缸計算舉例,例3.1：已知單活塞

8、桿液壓缸的缸筒內(nèi)徑D=100mm，活塞桿直徑d=70mm，進(jìn)入液壓缸的流量q=25L/min，壓力P1=2Mpa，P2=0。液壓缸的容積效率和機械效率分別為0.98、0.97，試求在圖3.2(a)、(b)、(c)所示的三種工況下，液壓缸可推動的最大負(fù)載和運動速度各是多少？并給出運動方向。,解：在圖3.2（a）中，液壓缸無桿腔進(jìn)壓力油，回油腔壓力為零，因此，可推動的最大負(fù)載為：,液壓缸向左運動，其運動速度為：,19,在圖3.2（b）中，液

9、壓缸為有桿腔進(jìn)壓力油，無桿腔回油壓力為零，可推動的負(fù)載為：,液壓缸向左運動，其運動速度為：,在圖3.2（c）中，液壓缸差動連接，可推動的負(fù)載力為：,液壓缸向左運動，其運動速度為：,20,二、 柱塞式液壓缸,圖3.3柱塞式液壓缸,當(dāng)活塞式液壓缸行程較長時，加工難度大,使得制造成本增加。 某些場合所用的液壓缸并不要求雙向控制,柱塞式液壓缸正是滿足了這種使用要求的一種價格低廉的液壓缸。,,21,圖3.3柱塞式液壓缸,如圖3.3（a）所示

10、，柱塞缸由缸筒、柱塞、導(dǎo)套、密封圈和壓蓋等零件組成，柱塞和缸筒內(nèi)壁不接觸，因此缸筒內(nèi)孔不需精加工，工藝性好，成本低。,,22,柱塞式液壓缸是單作用的，它的回程需要借助自重或彈簧等其它外力來完成。如果要獲得雙向運動，可將兩柱塞液壓缸成對使用為減輕柱塞的重量，有時制成空心柱塞。,,式中：d—柱塞直徑，p1—進(jìn)油壓力，p2—另一缸的回油壓力。,p1,p2,23,三、 擺動式液壓缸,圖3.4擺動液壓缸,擺動液壓缸能實現(xiàn)小于360°角度

11、的往復(fù)擺動運動，由于它可直接輸出扭矩，故又稱為擺動液壓馬達(dá)，主要有單葉片式和雙葉片式兩種結(jié)構(gòu)形式。,,,24,圖3.4擺動液壓缸,,,單葉片擺動液壓缸主要由定子塊1、缸體2、擺動軸3、葉片4、左右支承盤和左右蓋板等主要零件組成。定子塊固定在缸體上，葉片和擺動軸固連在一起，當(dāng)兩油口相繼通以壓力油時，葉片即帶動擺動軸作往復(fù)擺動。,25,圖3.4擺動液壓缸,,當(dāng)考慮到機械效率時，單葉片缸的擺動軸輸出轉(zhuǎn)矩為,p1,p2,26,圖3.4擺動液壓缸

12、,,q,根據(jù)能量守恒原理,結(jié)合式(3.10)得輸出角速度為,27,,q,單葉片擺動液壓缸的擺角一般不超過280 º ，雙葉片擺動液壓缸的擺角一般不超過150 º 。,當(dāng)輸入壓力和流量不變時，雙葉片擺動液壓缸擺動軸輸出轉(zhuǎn)矩是相同參數(shù)單葉片擺動缸的兩倍，而擺動角速度則是單葉片的一半。,擺動液壓缸工作特點：,28,,q,擺動缸結(jié)構(gòu)緊湊，輸出轉(zhuǎn)矩大，但密封困難，一般只用于中、低壓系統(tǒng)中往復(fù)擺動，轉(zhuǎn)位或間歇運動的地方。如機床

13、送料裝置、間歇機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、回轉(zhuǎn)夾具、工業(yè)機器人手臂和手腕等。,29,四、 伸縮式液壓缸,,伸縮式單作用缸,30,,伸縮式液壓缸的特點是：活塞桿伸出的行程長，收縮后的結(jié)構(gòu)尺寸小，適用于翻斗汽車，起重機的伸縮臂等。,31,伸縮式雙作用缸,缸體兩端有進(jìn)、出油口A和B。當(dāng)A口進(jìn)油，B口回油時，先推動一級活塞向右運動。一級活塞右行至終點時，二級活塞在壓力油的作用下繼續(xù)向右運動。,32,33,3.2 液壓缸的結(jié)構(gòu),圖 3.9 雙作用單

14、活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)圖l — 缸底；2 — 卡鍵；3、5、9、11 — 密封圈；4 — 活塞；6 — 缸筒；7 — 活塞桿；8 — 導(dǎo)向套；10 — 缸蓋；12 — 防塵圈；13 — 耳軸,,,,34,圖 3.9 雙作用單活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)圖l — 缸底；2 — 卡鍵；3、5、9、11 — 密封圈；4 — 活塞；6 — 缸筒；7 — 活塞桿；8 — 導(dǎo)向套；10 — 缸蓋；12 — 防塵圈；13 — 耳軸,,,,單活塞桿液壓缸主要由

15、缸底1、缸筒6、缸蓋10、活塞4、活塞桿7和導(dǎo)向套8等組成。缸筒一端與缸底焊接，另一端與缸蓋采用螺紋連接?；钊c活塞桿采用卡鍵連接。為了保證液壓缸的可靠密封，在相應(yīng)部位設(shè)置了密封圈3、5、9、11和防塵圈12。,35,1. 缸筒與端蓋的連接,圖4-9缸體與缸蓋的連接結(jié)構(gòu),一、 缸體組件,36,（2）半環(huán)式連接，分為外半環(huán)連接和內(nèi)半環(huán)連接兩種連接形式。,(1）法蘭式連接,37,（3）螺紋式連接,外螺紋連接,內(nèi)螺紋連接,38,（5）

16、焊接式連接,（4）拉桿式連接,39,缸筒 是液壓缸的主體，其內(nèi)孔一般采用鏜削、絞孔、滾壓或珩磨等精密加工工藝制造，要求表面粗造度在0.1?m~0.4?m。,端蓋 裝在缸筒兩端，與缸筒形成封閉油腔，同樣承受很大的液壓力，因此，端蓋及其連接件都應(yīng)有足夠的強度。,導(dǎo)向套 對活塞桿或柱塞起導(dǎo)向和支承作用，有些液壓缸不設(shè)導(dǎo)向套，直接用端蓋孔導(dǎo)向。,缸筒，端蓋和導(dǎo)向套的材料選擇和技術(shù)要求可參考液壓設(shè)計手冊。,40,二、 活塞組件,活塞組

17、件由活塞、密封件、活塞桿和連接件等組成。,活塞與活塞桿的連接形式,如圖3.9所示，活塞與活塞桿的連接最常用的有螺紋連接和半環(huán)連接形式，除此之外還有整體式結(jié)構(gòu)、焊接式結(jié)構(gòu)、錐銷式結(jié)構(gòu)等。,41,三、液壓缸的密封液壓缸的密封作用： 阻止液壓缸的內(nèi)外泄漏，防止外界空氣、灰塵、污垢與異物的侵入。內(nèi)泄漏：指液壓缸高低壓腔串油，會使壓力建立不起來，容積效率降低，設(shè)備無法正常工作。外泄漏：導(dǎo)致流量減少，污染環(huán)境，引起火災(zāi)，嚴(yán)重時可能

18、引起設(shè)備故障和人身事故。,42,活塞裝置主要用來防止液壓油的泄漏。對密封裝置的基本要求是具有良好的密封性能，并隨壓力的增加能自動提高密封性。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形及組合式等數(shù)種，其材料為耐油橡膠、尼龍、聚氨脂等。,（1）O形密封圈,O形密封圈的截面為圓形，主要用于靜密封。與唇形密封圈相比，運動阻力較大，作運動密封時容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，故一般不單獨用于油缸運動密封。,43

19、,（1）O形密封圈,圖3.10 O型密封圈的結(jié)構(gòu)原理,（a）普通型,（b）有擋板型,,,,44,O形圈密封的原理：任何形狀的密封圈在安裝時，必須保證適當(dāng)?shù)念A(yù)壓縮量，過小不能密封，過大則摩擦力增大，且易于損壞。因此，安裝密封圈的溝槽尺寸和表面精度必須按有關(guān)手冊給出的數(shù)據(jù)嚴(yán)格保證。 在動密封中，當(dāng)壓力大于10MPa時，O形圈就會被擠入間隙中而損壞，為此需在O形圈低壓側(cè)設(shè)置聚四氟乙烯或尼龍制成的擋圈，雙向受高壓時，兩側(cè)都要加擋圈

20、。,（a）普通型 （b）有擋板型圖3.10 O型密封圈的結(jié)構(gòu)原理,45,V形圈的截面為V形，如圖3.11所示，V形密封裝置是由壓環(huán)、V形圈和支承環(huán)組成。當(dāng)工作壓力高于10MPa時，可增加V形圈的數(shù)量，提高密封效果。安裝時，V形圈的開口應(yīng)面向壓力高的一側(cè)。,（2）V形密封圈,a)壓環(huán)

21、 b)V型圈 c)支承環(huán)圖3.11 V形密封圈,46,Y形密封圈的截面為Y形，屬唇形密封圈。它是一種摩擦阻力小、壽命較長的密封圈，應(yīng)用普遍。Y形圈主要用于往復(fù)運動的密封。根據(jù)截面長寬比例的不同，Y形圈可分為寬斷面和窄斷面兩種形式，圖3.12所示為寬斷面Y形密封圈。,（3） Y（Yx）形密封圈,圖3.12 Y形密封圈,47,圖3.12 Y形密封圈,Y形圈安裝時，唇口

22、端面應(yīng)對著液壓力高的一側(cè)。當(dāng)壓力變化較大，滑動速度較高時，要使用支承環(huán)，以固定密封圈，如圖3.12（b）所示。,48,四、 緩沖裝置,為了防止這種危害，保證安全，應(yīng)采取緩沖措施，對液壓缸運動速度進(jìn)行控制。,緩沖裝置作用： 防止液壓缸帶動質(zhì)量較大的部件作快速往復(fù)運動時，由于運動部件具有很大的動能，液壓缸活塞運動到終端時與端蓋碰撞，影響設(shè)備使用壽命而設(shè)的裝置。,49,緩沖裝置結(jié)構(gòu),圖3.13 液壓缸緩沖裝置,50,當(dāng)活塞移至端部，緩沖柱塞

23、開始插入缸端的緩沖孔時，活塞與缸端之間形成封閉空間，該腔中受困擠的剩余油液只能從節(jié)流小孔或緩沖柱塞與孔槽之間的節(jié)流環(huán)縫中擠出，從而造成背壓迫使運動柱塞降速制動，實現(xiàn)緩沖。,,51,五、 排氣裝置,液壓傳動系統(tǒng)往往會混入空氣，使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，產(chǎn)生振動、爬行或前沖等現(xiàn)象，嚴(yán)重時會使系統(tǒng)不能正常工作。,因此，設(shè)計液壓缸時，必須考慮空氣的排除。,對于速度穩(wěn)定性要求較高的液壓缸和大型液壓缸，常在液壓缸的最高處設(shè)置專門的排氣裝置，如排氣塞、

24、排氣閥等。當(dāng)松開排氣塞或閥的鎖緊螺釘后，低壓往復(fù)運動幾次，帶有氣泡的油液就會排出，空氣排完后擰緊螺釘，液壓缸便可正常。,52,3.3 液壓缸的設(shè)計與計算,液壓缸的計算及驗算方法 首先根據(jù)使用要求確定液壓缸的類型，再按負(fù)載和運動要求確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，必要時需進(jìn)行強度驗算，最后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。 液壓缸的主要尺寸包括液壓缸的內(nèi)徑D、缸的長度L、活塞桿直徑d。主要根據(jù)液壓缸的負(fù)載、活塞運動速度和行程等因素

25、來確定上述參數(shù)。,53,一、液壓缸工作壓力的確定,若系統(tǒng)的額定壓力已確定，則取系統(tǒng)額定壓力為設(shè)計壓力。 液壓缸的工作壓力按負(fù)載參照表4-1選取，也可以根據(jù)設(shè)備類型參照表4-2選取。 液壓件的額定壓力是在指定的工作條件下液壓件能長期正常工作的壓力，又稱公稱壓力。液壓缸設(shè)計壓力的數(shù)值等于額定壓力。,54,二、 液壓缸主要尺寸的確定,1、液壓缸內(nèi)徑D可根據(jù)最大總負(fù)載和選取的工作壓力來定，對單桿缸而言，有：,有桿

26、腔進(jìn)油時：,無桿腔進(jìn)油時,從表4-3中規(guī)定的系列，選取合適的標(biāo)準(zhǔn)值圓整而得到。,55,有桿腔進(jìn)油時：,2.活塞桿直徑d 在單桿活塞中，d值可由D和 求得。一般推薦 ?；钊\動速度受結(jié)構(gòu)限制，范圍是,56,活塞直徑也可以按其工作時的受力情況由表4-4初步選取。 計算的活塞直徑可按表4-5圓整。 液壓缸的缸筒長度由活塞最大行程、活塞長度、活塞桿導(dǎo)向套長度、活塞桿密封長度和特殊要求的長度

27、確定。 通常，缸筒長度=活塞最大行程+活塞長度+活塞桿導(dǎo)向套長度+活塞桿密封長度+其它長度,57,缸筒直徑D小于80mm時，活塞導(dǎo)向套長度為LA=（0.6-1.0）D；缸筒直徑D大于80mm時，活塞導(dǎo)向套長度為LA=（0.6-1.5）D；活塞長度B=（0.6-1.0）D，隔套K的寬度C=H-0.5（LA+B）。為減少加工難度，一般液壓缸缸筒長度不應(yīng)大于內(nèi)徑的20-30倍。符號見圖4-15,58,三、液壓缸的強度和剛度校核

28、1、活塞桿的計算（1）強度校核 活塞桿強度按下式校核一般取,59,(2)剛度校核 活塞桿受到軸向壓縮負(fù)載時，它所承受的力F不能超過使它保持穩(wěn)定工作所允許的某一臨界負(fù)載Fk，否則會發(fā)生縱向彎曲而失穩(wěn)。Fk的值與活塞桿材料的性質(zhì)、橫截面形狀、直徑、長度以及液壓缸的安裝方式等相關(guān)。當(dāng)活塞桿長細(xì)比 時當(dāng)活塞桿長細(xì)比 ，且 時,60,2、

29、缸筒壁厚的驗算,中、高壓液壓缸一般用無縫鋼管做缸筒，大多屬薄壁筒，即?/D?0.08。此時，可根據(jù)材料力學(xué)中薄壁圓筒的計算公式驗算缸筒的壁厚，即,當(dāng)?/D?0.3時，可用下式校核缸筒壁厚,61,當(dāng)液壓缸采用鑄造缸筒時，壁厚由鑄造工藝確定，這時應(yīng)按厚壁圓筒計算公式驗算壁厚。當(dāng)?/D=0.08-0.3時，可用下式校核缸筒的壁厚,小 結(jié),液壓缸用于實現(xiàn)往復(fù)直線運動和擺動，是液壓系統(tǒng)中最廣泛應(yīng)用的一種液壓執(zhí)行元件。液壓缸有時需專門設(shè)