第四章 氣壓缸 (教室版本)

1、第4章 液壓執(zhí)行(zhxng)元件液壓缸的類型及特點(diǎn) 液壓缸的設(shè)計(jì)(shj)計(jì)算 液壓缸的典型結(jié)構(gòu) 液壓缸的密封1 通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，要求掌握液壓缸設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的主要問(wèn)題，包括結(jié)構(gòu)類型的選擇和參數(shù)計(jì)算等，為液壓缸設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。本章主要內(nèi)容為：結(jié)構(gòu)性能原理應(yīng)用學(xué)習(xí)注意四個(gè)要點(diǎn)共六十頁(yè)2 液壓缸（油缸）主要(zhyo)用于實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，也可以實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，應(yīng)用廣泛。液壓缸的輸入量是液體(yt)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(jī)械能。p1p2FVdQA液壓缸壓力p 流量Q液壓功率作用力F 速度V機(jī)械功率共六十頁(yè)34.

2、1 液壓缸的類型(lixng)及特點(diǎn) 液壓缸的分類(fn li)按供油方向分：?jiǎn)巫饔酶缀碗p作用缸。按結(jié)構(gòu)形式分：活塞缸、柱塞缸、伸縮套筒缸、擺動(dòng)液壓缸。按活塞桿形式分：?jiǎn)位钊麠U缸、雙活塞桿缸。單桿液壓缸雙桿液壓缸柱塞式液壓缸共六十頁(yè)4理想(lxing)液壓缸理想單桿液壓缸PQ=Fv理想雙桿液壓缸PQ=Fv理想油缸數(shù)學(xué)模型/()A單位位移排量油缸有效工作面積_AAQvPFvFQP=共六十頁(yè)54.1.1 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(gdng)和活塞桿固定(gdng)兩種方式。4.1.1.1 雙桿活塞(husi)液壓缸 雙活塞桿液壓缸的活塞兩端都帶

3、有活塞桿，分為缸體固定和活塞桿固定兩種安裝形式，如圖31所示。(a)缸筒固定式(b)活塞桿固定式共六十頁(yè)6 因?yàn)?yn wi)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(shí)，其往返運(yùn)動(dòng)速度和推力相等。則缸的運(yùn)動(dòng)速度V和推力F分別為：（4.1）（4.2）式中:、分別為缸的進(jìn)、回油壓力；分別為缸的容積效率和機(jī)械效率；、d 分別為活塞直徑和活塞桿直徑；q 輸入(shr)流量；A活塞有效工作面積。這種液壓缸常用于要求往返運(yùn)動(dòng)速度相同的場(chǎng)合。共六十頁(yè)74.1.1.2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(yùn)動(dòng)可以(ky)獲得不同的速度和輸出力，其簡(jiǎn)圖及油路連接方式

4、如圖3.2所示。(a)無(wú)桿腔進(jìn)油Ddq(b)有桿腔進(jìn)油q共六十頁(yè)8無(wú)桿腔進(jìn)油（4.3）（4.4）活塞的運(yùn)動(dòng)速度(sd) 和推力 分別為:(a)無(wú)桿腔進(jìn)油Ddq共六十頁(yè)9有桿腔進(jìn)油活塞的運(yùn)動(dòng)速度(sd) 和推力 分別為:(b)有桿腔進(jìn)油q（4.5）（4.6）共六十頁(yè)10 比較上述各式，可以看出： , ；液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度比為： （3.7） 上式表明：當(dāng)活塞桿直徑(zhjng)愈小時(shí)，速度比接近1，在兩個(gè)方向上的速度差值就愈小。(a)無(wú)桿腔進(jìn)油Ddq(b)有桿腔進(jìn)油q共六十頁(yè)11兩腔進(jìn)油,差動(dòng)聯(lián)接(lin ji)(c)差動(dòng)聯(lián)接q 當(dāng)單桿活塞缸兩腔同時(shí)通入壓力油時(shí)，由于無(wú)桿腔有效作用面積大于有桿

5、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(yùn)動(dòng)，活塞桿向外伸出；與此同時(shí)，又將有桿腔的油液擠出，使其流進(jìn)無(wú)桿腔，從而加快了活塞桿的伸出速度(sd)，單活塞桿液壓缸的這種連接方式被稱為差動(dòng)連接。共六十頁(yè)12兩腔進(jìn)油,差動(dòng)聯(lián)接(lin ji)(c)差動(dòng)聯(lián)接q（4.8）（4.9） 在忽略兩腔連通油路壓力損失的情況(qngkung)下，差動(dòng)連接液壓缸的推力為：q等效活塞的運(yùn)動(dòng)速度為：共六十頁(yè)13兩腔進(jìn)油,差動(dòng)聯(lián)接(lin ji)(c)差動(dòng)聯(lián)接qq等效(dn xio) 差動(dòng)連接時(shí),液壓缸的有效作用面積是活塞桿的橫截面積，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度比無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)的大，而輸出力則較小。 差動(dòng)

6、連接是在不增加液壓泵容量和功率的條件下，實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)的有效辦法。共六十頁(yè)14 差動(dòng)液壓缸計(jì)算(j sun)舉例 例4.1：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(jìn)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(jī)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(dòng)的最大負(fù)載(fzi)和運(yùn)動(dòng)速度各是多少？ 解：在圖3.2（a）中，液壓缸無(wú)桿腔進(jìn)壓力油，回油腔壓力為零，因此，可推動(dòng)的最大負(fù)載為： 液壓缸向右運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度為：共六十頁(yè)15共六十頁(yè)16 在圖3.2（b）中，液壓缸為有桿腔進(jìn)壓力油

7、，無(wú)桿腔回油壓力為零，可推動(dòng)(tu dng)的負(fù)載為： 液壓缸向左運(yùn)動(dòng)(yndng)，其運(yùn)動(dòng)(yndng)速度為： 在圖3.2（c）中，液壓缸差動(dòng)連接，可推動(dòng)的負(fù)載力為： 液壓缸向右運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度為：共六十頁(yè)174.1.2 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(zhǎng)時(shí)，加工(ji gng)難度大,使得制造成本增加。 某些場(chǎng)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(jià)格低廉的液壓缸。共六十頁(yè)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(z chn)，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

8、性好，成本低。共六十頁(yè)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(qt)外力來(lái)完成。如果要獲得雙向運(yùn)動(dòng)，可將兩柱塞液壓缸成對(duì)使用為減輕柱塞的重量，有時(shí)制成空心柱塞。圖3.3柱塞式液壓缸QQVdd式中：d柱塞直徑(zhjng)，p1進(jìn)油壓力，p2另一缸的回油壓力。p1p2共六十頁(yè)20共六十頁(yè)21缸體4.1.3 伸縮式液壓缸 伸出縮回套筒活塞活塞伸縮式單作用(zuyng)缸共六十頁(yè)22伸出縮回 伸縮式液壓缸的特點(diǎn)是：活塞桿伸出的行程(xngchng)長(zhǎng)，收縮后的結(jié)構(gòu)尺寸小，適用于翻斗汽車，起重機(jī)的伸縮臂等。共六十頁(yè)23伸縮式雙作用(zuyng)缸伸出BA二級(jí)活塞 缸體兩端有進(jìn)、

9、出油口A和B。當(dāng)A口進(jìn)油，B口回油時(shí)，先推動(dòng)一級(jí)活塞向右運(yùn)動(dòng)。一級(jí)活塞右行至(xn zh)終點(diǎn)時(shí)，二級(jí)活塞在壓力油的作用下繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)。共六十頁(yè)24伸出BA二級(jí)活塞共六十頁(yè)254.1.4 齒條(ch tio)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(jī)構(gòu)組成，活塞往復(fù)移動(dòng)(ydng)經(jīng)齒條、齒輪機(jī)構(gòu)變成齒輪軸往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。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(dòng)軸；11 缸體；12 螺釘q共六十頁(yè)264.1.5 擺動(dòng)(bidng)式液壓缸圖3.4擺動(dòng)液壓缸 擺動(dòng)液壓缸能實(shí)現(xiàn)小于3

10、60角度的往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，由于它可直接輸出扭矩，故又稱為擺動(dòng)液壓馬達(dá)(md)，主要有單葉片式和雙葉片式兩種結(jié)構(gòu)形式。共六十頁(yè)27圖3.4擺動(dòng)(bidng)液壓缸 單葉片擺動(dòng)液壓缸主要由定子(dngz)塊1、缸體2、擺動(dòng)軸3、葉片4、左右支承盤(pán)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(dòng)軸固連在一起，當(dāng)兩油口相繼通以壓力油時(shí)，葉片即帶動(dòng)擺動(dòng)軸作往復(fù)擺動(dòng)。共六十頁(yè)28圖3.4擺動(dòng)(bidng)液壓缸當(dāng)考慮到機(jī)械效率時(shí)，單葉片缸的擺動(dòng)(bidng)軸輸出轉(zhuǎn)矩為p1p2（4.10）D 缸體內(nèi)孔直徑；d 擺動(dòng)軸直徑；b 葉片寬度；共六十頁(yè)29圖3.4擺動(dòng)(bidng)液壓缸q根據(jù)能量守恒原理,

11、結(jié)合(jih)式(3.10)得輸出角速度為D 缸體內(nèi)孔直徑；d 擺動(dòng)軸直徑；b 葉片寬度；（4.11）共六十頁(yè)30q 單葉片擺動(dòng)(bidng)液壓缸的擺角一般不超過(guò)280 ，雙葉片擺動(dòng)液壓缸的擺角一般不超過(guò)150 。 當(dāng)輸入壓力和流量不變時(shí)，雙葉片擺動(dòng)(bidng)液壓缸擺動(dòng)(bidng)軸輸出轉(zhuǎn)矩是相同參數(shù)單葉片擺動(dòng)缸的兩倍，而擺動(dòng)角速度則是單葉片的一半。共六十頁(yè)31q 擺動(dòng)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)(wngf)擺動(dòng)，轉(zhuǎn)位或間歇運(yùn)動(dòng)的地方。共六十頁(yè)324.2 液壓缸的結(jié)構(gòu)(jigu) 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、

12、11 密封圈；4 活塞(husi)；6 缸筒；7 活塞桿；8 導(dǎo)向套；10 缸蓋；12 防塵圈；13 耳軸共六十頁(yè)33 圖 3.9 雙作用(zuyng)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(luwn)連接。活塞與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。共六十頁(yè)34拉缸液壓缸共六十頁(yè)354.2.1.1 缸筒與端

13、蓋的連接(linji) 圖3.8缸體與缸蓋的連接結(jié)構(gòu)4.2.1 缸體組件(z jin) 共六十頁(yè)36（2）半環(huán)式連接(linji)，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(linji)共六十頁(yè)37（3）螺紋(luwn)式連接外螺紋連接內(nèi)螺紋連接共六十頁(yè)38（5）焊接式連接(linji)（4）拉桿(lgn)式連接共六十頁(yè)39 缸筒 是液壓缸的主體，其內(nèi)孔一般(ybn)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0.1m0.4m。 端蓋 裝在缸筒兩端，與缸筒形成封閉油腔(yu qin)，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(qiáng)度。 導(dǎo)向套 對(duì)活

14、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(jì)手冊(cè)。共六十頁(yè)404.2.3 活塞(husi)組件 活塞(husi)組件由活塞(husi)、密封件、活塞(husi)桿和連接件等組成?；钊c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。1一活塞桿；2一活塞；3一密封圈；4一彈簧圈；5一螺母1一卡鍵；2一套環(huán)；3一彈簧卡圈共六十頁(yè)41 活塞裝置主要用來(lái)防止液壓油的泄漏。對(duì)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(dòng)提高密

15、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(cilio)為耐油橡膠、尼龍、聚氨脂等。共六十頁(yè)424.2.3 緩沖(hunchng)裝置 為了防止這種危害，保證(bozhng)安全，應(yīng)采取緩沖措施，對(duì)液壓缸運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行控制。 當(dāng)液壓缸帶動(dòng)質(zhì)量較大的部件作快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)部件具有很大的動(dòng)能，因此當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到液壓缸終端時(shí)，會(huì)與端蓋碰撞，而產(chǎn)生沖擊和噪聲。這種機(jī)械沖擊不僅引起液壓缸的有關(guān)部分的損壞，而且會(huì)引起其它相關(guān)機(jī)械的損傷。共六十頁(yè)434.2.3 緩沖(hunchng)裝置 圖3.13 液壓缸緩沖(hunchng)裝置單圓柱

16、圓錐臺(tái)環(huán)形縫隙反拋物線共六十頁(yè)44 當(dāng)活塞移至端部，緩沖柱塞開(kāi)始插入缸端的緩沖孔時(shí)，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(zo chn)背壓迫使運(yùn)動(dòng)柱塞降速制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)緩沖。共六十頁(yè)454.2.4 排氣裝置 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)往往會(huì)混入空氣，使系統(tǒng)工作(gngzu)不穩(wěn)定，產(chǎn)生振動(dòng)、爬行或前沖等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)不能正常工作(gngzu)。 因此，設(shè)計(jì)液壓缸時(shí)，必須考慮空氣(kngq)的排除。 對(duì)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(dāng)松開(kāi)排氣塞或閥的鎖緊螺釘后，低

17、壓往復(fù)運(yùn)動(dòng)幾次，帶有氣泡的油液就會(huì)排出，空氣排完后擰緊螺釘，液壓缸便可正常。共六十頁(yè)464.3 液壓缸的設(shè)計(jì)(shj)與計(jì)算液壓缸的計(jì)算及驗(yàn)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(yùn)動(dòng)要求確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，必要時(shí)需進(jìn)行強(qiáng)度(qingd)驗(yàn)算，最后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 液壓缸的主要尺寸包括液壓缸的內(nèi)徑D、缸的長(zhǎng)度L、活塞桿直徑d。主要根據(jù)液壓缸的負(fù)載、活塞運(yùn)動(dòng)速度和行程等因素來(lái)確定上述參數(shù)。共六十頁(yè)47液壓缸工作(gngzu)壓力的確定 液壓缸要承受的負(fù)載包括有效工作(gngzu)負(fù)載、摩擦阻力和慣性力等。液壓缸的工作(gngzu)壓力按負(fù)載確定。對(duì)于不同用途的液壓設(shè)備，由于工作(

18、gngzu)條件不同，采用的壓力范圍也不同。設(shè)計(jì)時(shí)，液壓缸的工作(gngzu)壓力可按負(fù)載大小及液壓設(shè)備類型參考表4-1來(lái)確定 (P104)。共六十頁(yè)484.3.1 液壓缸主要(zhyo)尺寸的確定 液壓缸內(nèi)徑(ni jn)D和活塞桿直徑d可根據(jù)最大總負(fù)載和選取的工作壓力來(lái)定，對(duì)單桿缸而言，有：有桿腔進(jìn)油時(shí)：（4.17）（4.16）無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)共六十頁(yè)49有桿腔進(jìn)油時(shí)：（4.17）（4.16）無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí) 式中的桿徑d可根據(jù)(gnj)速度或速度比選取，（4.18）共六十頁(yè)50 計(jì)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(biāo)準(zhǔn)系列，參見(jiàn)新編液壓工程(gngchng)手冊(cè)。 液壓缸的缸筒長(zhǎng)度由活塞

19、最大行程、活塞長(zhǎng)度、活塞桿導(dǎo)向套長(zhǎng)度、活塞桿密封長(zhǎng)度和特殊要求的長(zhǎng)度確定。其中活塞長(zhǎng)度為（0.6-1.0）D，導(dǎo)向套長(zhǎng)度為（0.6-1.5）d。為減少加工難度，一般液壓缸缸筒長(zhǎng)度不應(yīng)大于內(nèi)徑的20-30倍。共六十頁(yè)514.3.2 液壓缸的校核(xio h) 4.3.2.1 缸筒壁厚的驗(yàn)算(yn sun) 中、高壓液壓缸一般用無(wú)縫鋼管做缸筒，大多屬薄壁筒，即/D0.08。此時(shí)，可根據(jù)材料力學(xué)中薄壁圓筒的計(jì)算公式驗(yàn)算缸筒的壁厚，即（4.19） 當(dāng)/D0.3時(shí)，可用下式校核缸筒壁厚(4.20)共六十頁(yè)52 當(dāng)液壓缸采用(ciyng)鑄造缸筒時(shí)，壁厚由鑄造工藝確定，這時(shí)應(yīng)按厚壁圓筒計(jì)算公式驗(yàn)算壁厚。當(dāng)/D=0.08-0.3時(shí)，可用下式校核缸筒的壁厚(4.21)式中: 缸筒內(nèi)的最高工作壓力 缸筒材料的許允應(yīng)力共六十頁(yè)53 活塞桿長(zhǎng)度根據(jù)液壓缸最大行程L而定。對(duì)于工作行程中受壓的活塞桿，當(dāng)活塞桿長(zhǎng)度L與其直徑d之比大于15時(shí)，應(yīng)對(duì)活塞桿進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算(yn sun)。 關(guān)于穩(wěn)定性驗(yàn)算的內(nèi)容可