第三章液壓

1、1,2,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：,3,液壓缸（油缸）主要用于實現(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。液壓缸和液壓馬達都是液壓執(zhí)行元件， 其職能是將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能

2、。,4,3.1 液壓缸的類型及特點,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。,5,理想液壓缸,,6,3.1.1 活塞式液壓缸,活塞式液壓缸可分為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。,3.1.1.1 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

3、所示。,7,因為雙活塞桿液壓缸的兩活塞桿直徑相等，所以當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。,這種液壓缸常用于要求往返運動速度相同的場合。,8,3.1.1.2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.

4、2所示。,9,,無桿腔進油,（3.3）,（3.4）,活塞的運動速度 和推力 分別為:,10,,有桿腔進油,活塞的運動速度 和推力 分別為:,（3.5）,（3.6）,11,比較上述各式，可以看出： > , > ；液壓缸往復(fù)運動時的速度比為：,（3.7）,,上式表明：當活塞桿直徑愈小時，速度比接近1，在兩個方向上的速度差值就愈小。,12,兩腔進油,差動聯(lián)接,,,當

5、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。,13,,兩腔進油,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：,14,,兩腔進油,差

6、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，工作臺運動速度比無桿腔進油時的大，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。,15,差動液壓缸計算舉例,例3.1：已知單活塞桿液壓缸的缸筒內(nèi)徑D=100mm，活塞桿直徑d=70mm，進入液壓缸的流量q=25min，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)、

7、(c)所示的三種工況下，液壓缸可推動的最大負載和運動速度各是多少？并給出運動方向。,解：在圖3.2（a）中，液壓缸無桿腔進壓力油，回油腔壓力為零，因此，可推動的最大負載為：,液壓缸向左運動，其運動速度為：,16,在圖3.2（b）中，液壓缸為有桿腔進壓力油，無桿腔回油壓力為零，可推動的負載為：,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，可推動的負載力為：,液壓缸向左運動，其運動速度為：,17,3.1.2 柱塞式液

8、壓缸,圖3.3柱塞式液壓缸,當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。,,18,圖3.3柱塞式液壓缸,如圖3.3（a）所示，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。,,19,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。

9、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—進油壓力，p2—另一缸的回油壓力。,p1,p2,20,3.1.3 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，主要有單葉片式和雙葉片式兩種結(jié)構(gòu)形式。,,,21,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

10、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。,22,圖3.4擺動液壓缸,,當考慮到機械效率時，單葉片缸的擺動軸輸出轉(zhuǎn)矩為,p1,p2,23,圖3.4擺動液壓缸,,q,根據(jù)能量守恒原理,結(jié)合式(3.10)得輸出角速度為,24,,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 。,

11、當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。,25,,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。,26,3.1.4 伸縮式液壓缸,,伸縮式單作用缸,27,,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。,28,伸縮式雙作用缸,缸體兩端有進、出油口A和B。當

12、A口進油，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。,29,30,3.1.5 齒條活塞缸,齒條活塞缸由帶有齒條桿的雙作用活塞缸和齒輪齒條機構(gòu)組成，活塞往復(fù)移動經(jīng)齒條、齒輪機構(gòu)變成齒輪軸往復(fù)轉(zhuǎn)動。,圖3.6齒條活塞液壓缸的結(jié)構(gòu)圖1 —緊固螺帽；2 —調(diào)節(jié)螺釘；3 —端蓋；4 —墊圈；5 — O形密封圈；6 —擋圈；7 —缸套；8 — 齒條活塞；9 —齒輪；l0 —傳動軸；11 —

13、缸體；12 —螺釘,31,3.2 液壓缸的結(jié)構(gòu),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,,,,32,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；1

14、0 — 缸蓋；12 — 防塵圈；13 — 耳軸,,,,單活塞桿液壓缸主要由缸底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。,33,3.2.1.1 缸筒與端蓋的連接,圖3.8缸體與缸蓋的連接結(jié)構(gòu),3.2.1 缸體組件,34,（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

15、連接形式。,(1）法蘭式連接,35,（3）螺紋式連接,外螺紋連接,內(nèi)螺紋連接,36,（5）焊接式連接,（4）拉桿式連接,37,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

16、，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。,38,3.2.3 活塞組件,活塞組件由活塞、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。,39,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。

17、 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。,40,（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,,,,41,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?shù)念A(yù)壓縮量，過小不能密封，

18、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)嚴格保證。 在動密封中，當壓力大于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。,（a）普通型 （b）有擋板型圖3.10 O型密封圈的結(jié)構(gòu)

19、原理,42,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)。,43,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。,44,圖3.12 Y形密封

20、圈,Y形圈安裝時，唇口端面應(yīng)對著液壓力高的一側(cè)。當壓力變化較大，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。,45,3.2.3 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行控制。,當液壓缸帶動質(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，因此當活塞運動到液壓缸終端時，會與端蓋碰撞，而產(chǎn)生沖擊和噪聲。這種機械沖擊不僅引起液壓缸的有關(guān)部分的損壞，而且會引起其它相關(guān)機械的

21、損傷。,46,3.2.3 緩沖裝置,圖3.13 液壓缸緩沖裝置,47,當活塞移至端部，緩沖柱塞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。,,48,3.2.4 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

22、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、排氣閥等。當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。,49,3.3 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，必要時需進行強度驗算，最后進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。 液壓

23、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)液壓缸的負載、活塞運動速度和行程等因素來確定上述參數(shù)。,50,液壓缸工作壓力的確定,液壓缸要承受的負載包括有效工作負載、摩擦阻力和慣性力等。液壓缸的工作壓力按負載確定。對于不同用途的液壓設(shè)備，由于工作條件不同，采用的壓力范圍也不同。設(shè)計時，液壓缸的工作壓力可按負載大小及液壓設(shè)備類型參考表3.1來確定。,51,3.3.1 液壓缸主要尺寸的確定,液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d

24、可根據(jù)最大總負載和選取的工作壓力來定，對單桿缸而言，有：,52,式（3.17）中的桿徑d可根據(jù)工作壓力選取，見表3.4；當液壓缸的往復(fù)速度比有一定要求時，由式（3.7）得桿徑為,（3.18）,53,計算所得的液壓缸內(nèi)經(jīng)D和活塞桿直經(jīng)d應(yīng)圓整為標準系列，參見《新編液壓工程手冊》。 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確定。其中活塞長度為（0.6-1.0）D，導(dǎo)向套長度為（0.

25、6-1.5）d。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。,54,3.3.2 液壓缸的校核,3.3.2.1 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,（3.19）,當?/D?0.3時，可用下式校核缸筒壁厚,(3.20),55,當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

26、?/D=0.08-0.3時，可用下式校核缸筒的壁厚,56,活塞桿長度根據(jù)液壓缸最大行程L而定。對于工作行程中受壓的活塞桿，當活塞桿長度L與其直徑d之比大于15時，應(yīng)對活塞桿進行穩(wěn)定性驗算。 關(guān)于穩(wěn)定性驗算的內(nèi)容可查閱液壓設(shè)計手冊。,3.2.2.2 液壓缸穩(wěn)定性驗算,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)計。,設(shè)計液壓缸的主要內(nèi)容,1．根據(jù)需要的推力計算液