第五章 液壓缸

液壓缸第五章◆活塞缸◆柱塞缸◆組合缸按結(jié)構(gòu)形式液壓缸可分為：輸入：壓力和流量輸出：推力和速度除單個(gè)使用外，為實(shí)現(xiàn)特殊功能液壓缸還可組合或與其它機(jī)構(gòu)相結(jié)合。§5.1液壓缸的類型和特點(diǎn)液壓缸(執(zhí)行元件)：壓力能機(jī)械能實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動。

單作用式：液體或氣體只控制缸一腔單向運(yùn)動；

雙作用式：液體或氣體控制缸兩腔實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動。按作用方式可分為：一、活塞缸1.雙桿活塞缸

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩側(cè)有效工作面積一樣。推力和速度：工作壓力和輸入流量不變時(shí)，兩方向輸出的推力和速度是相等的。應(yīng)用：兩個(gè)方向力和速度一樣的場合。職能符號：l—活塞有效工作行程L—工作臺的移動范圍缸固定L=3l桿固定

L=2l安裝方式缸固定，活塞移動L

工作臺移動范圍約為活塞有效行程的3倍，適用于小型設(shè)備中?；钊麠U固定，缸移動L

工作臺移動范圍約為活塞有效行程的2倍，適用于較大型設(shè)備中。2.單桿活塞缸進(jìn)、出油口的布置據(jù)安裝方式而定?？筛淄补潭?，也可活塞桿固定。工作臺移動范圍都是活塞(或缸筒)有效行程的兩倍。無桿腔進(jìn)油腔回油腔有桿腔工作原理：因兩側(cè)有效作用面積或油液壓力不等，活塞在液壓推力的作用下，作直線往復(fù)運(yùn)動。職能符號單桿雙作用活塞缸雙向液壓驅(qū)動單桿單作用活塞缸單向液壓驅(qū)動，回程靠外力推力及速度：式中：p1—進(jìn)油壓力；p2—回油壓力。例：液壓刨床差動缸：單桿活塞缸的左右兩腔都接通高壓油時(shí)稱為“差動連接”。結(jié)論：差動連接后，速度大，推力小。q1q2pq

差動連接時(shí)活塞(或缸筒)只能向一個(gè)方向運(yùn)動，要使它反向運(yùn)動，油路接法須與非差動式連接相同。二、柱塞缸單柱塞缸：單向液壓驅(qū)動，回程靠外力。雙柱塞缸：雙向液壓驅(qū)動推力及速度：應(yīng)用：行程較長的場合。職能符號：

缸體內(nèi)孔和柱塞沒有配合，不需精加工柱塞外圓面比內(nèi)孔加工容易。三、其它液壓缸1、增壓缸：如由活塞缸和柱塞缸組成的增壓缸，利用活塞和柱塞有效面積的不同獲得局部區(qū)域的高壓。輸入活塞缸的液體壓力為p1，柱塞缸輸出的高液體壓力p2為：

2、伸縮缸：由兩個(gè)或多個(gè)活塞缸套裝而成，前一級活塞缸的活塞是后一級活塞缸的缸筒，伸出時(shí)可獲得很長的工作行程，縮回時(shí)可保持很小結(jié)構(gòu)尺寸。1．一級缸筒2．一級活塞3．二級缸筒4．二級活塞3、齒輪缸：由兩個(gè)柱塞缸和一套齒輪齒條傳動裝置組成。柱塞的移動經(jīng)齒輪齒條傳動裝置變成齒輪的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)工件的往復(fù)擺動或間歇進(jìn)給運(yùn)動。齒輪缸§5.2液壓缸的典型結(jié)構(gòu)和組成液壓缸的組成：液壓缸基本結(jié)構(gòu)可分為缸桶、缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置和排氣裝置五部分。(一)缸筒和缸蓋通常缸筒和缸蓋的結(jié)構(gòu)形式和使用的材料有關(guān)：工作壓力p<10MPa時(shí)使用鑄鐵；

p<20MPa時(shí)使用無縫鋼管；

p>20MPa時(shí)使用鑄鋼或鍛鋼缸筒缸蓋缸蓋缸蓋缸筒缸筒壓板半環(huán)缸蓋防松螺帽(二)活塞和活塞桿常見結(jié)構(gòu)形式：螺紋式、半環(huán)式和錐銷式連接等。螺紋式連接結(jié)構(gòu)簡單,裝拆方便,但在高壓大負(fù)載下需備有螺帽防松裝置。半環(huán)式連接結(jié)構(gòu)較負(fù)雜,裝拆不便,但工作較可靠?；钊牧蠟槟湍ヨT鐵?；钊麠U材料為鋼料(實(shí)心及空心)。此外,活塞和活塞桿也可制成整體結(jié)構(gòu),適用尺寸較小的場合。(三)密封裝置間隙密封：依靠運(yùn)動間的微小間隙防止泄漏。為提高密封能力，常在活塞表面上制出幾條細(xì)小環(huán)形槽，以增大油液通過間隙時(shí)的阻力。摩擦環(huán)密封：依靠套在活塞上的摩擦環(huán)在O形密封圈彈力作用下貼緊缸壁而防止泄漏。適用于缸筒和活塞之間的密封。

O形密封圈和V形密封圈：利用橡膠或塑料的彈性使各種截面的環(huán)形圈貼緊在靜、動配合面之間來防止泄漏。缸筒和活塞之間、缸蓋和活塞桿之間、活塞和活塞桿之間、缸筒和缸蓋之間都能使用。

間隙密封,摩擦環(huán)密封,O型密封,V型密封。(四)緩沖裝置工作原理：利用活塞或缸筒在其走向行程終端時(shí)，在活塞和缸蓋之間封住一部分油液,強(qiáng)迫它從小孔或細(xì)縫中擠出,以產(chǎn)生很大的阻力,使工作部件受到制動,逐漸減慢運(yùn)動速度,達(dá)到避免活塞和缸蓋相互撞擊的目的。(五)排氣裝置

在安裝過程中或長時(shí)間停放重新工作時(shí)，液壓缸和管道系統(tǒng)中會滲入空氣，為防止執(zhí)行元件出現(xiàn)爬行、噪聲和發(fā)熱等不正?，F(xiàn)象，需把缸中和系統(tǒng)中的空氣排出。§5.3液壓缸的設(shè)計(jì)和計(jì)算

經(jīng)對液壓系統(tǒng)進(jìn)行工況分析、編制負(fù)載圖及選定系統(tǒng)工作壓力后，可開始液壓缸的設(shè)計(jì)：選擇結(jié)構(gòu)類型；確定主要工作尺寸，進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性和緩沖驗(yàn)算；進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

一、液壓缸的設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟

選擇液壓缸的類型和各部分結(jié)構(gòu)形式；確定液壓缸的工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的計(jì)算和校核；導(dǎo)向、密封、防塵、排氣和緩沖等裝置的設(shè)計(jì)；繪制裝配圖、零件圖、編寫設(shè)計(jì)說明書。二、液壓缸主要尺寸的確定

液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸主要有三個(gè)：缸筒內(nèi)徑D；活塞桿外徑d；

缸筒長度L。(1)缸筒內(nèi)徑D：

根據(jù)負(fù)載大小來選定工作壓力或運(yùn)動速度和輸入的流量。求得液壓缸的有效工作面積，從而得到缸筒內(nèi)徑D，再從GB2348—2001標(biāo)準(zhǔn)中選取最近的標(biāo)準(zhǔn)值作為所設(shè)計(jì)的缸筒內(nèi)徑。※按國標(biāo)圓整為標(biāo)準(zhǔn)尺寸。以無桿腔作工作腔時(shí)：以有桿腔作工作腔時(shí)：式中：pI—缸工作腔的工作壓力，可根據(jù)機(jī)床類型或負(fù)載的大小來確定；

Fmax—最大作用負(fù)載。

按速度比λv確定：按工作壓力確定：(2)活塞桿外徑d：

可根據(jù)滿足速度或速度比的要求來選擇，也可根據(jù)活塞桿受力狀況來確定。※按國標(biāo)圓整為標(biāo)準(zhǔn)尺寸。(3)缸筒長度L：根據(jù)最大工作行程長度及各種結(jié)構(gòu)需要來確定，即：一般缸筒的長度最好不超過內(nèi)徑的20倍。L=l+B+A+M+C式中：l—活塞的最大工作行程；

B—活塞寬度，一般為(0.6-1)D;

A—活塞桿導(dǎo)向長度，取(0.6-1.5)D;

M—活塞桿密封長度，由密封方式定；

C—其他長度。三、強(qiáng)度校核

液壓缸的缸筒壁厚δ、活塞桿直徑d和缸蓋固定螺栓的直徑，在高壓系統(tǒng)中必須進(jìn)行強(qiáng)度校核。

(1)缸筒壁厚δ

：缸筒壁厚校核時(shí)分薄壁和厚壁兩種情況：式中：py—缸筒試驗(yàn)壓力[σ]—缸筒材料的許用應(yīng)力。σb—材料抗拉強(qiáng)度n—安全系數(shù)，一般取n=5缸筒外徑：※圓整為標(biāo)準(zhǔn)壁厚。(2)活塞桿直徑按下式校核：式中：[σ]—活塞桿材料的許用應(yīng)力；σb—抗拉強(qiáng)度；n—安全系數(shù)，n=1.4~2。(3)液壓缸蓋固定螺栓直徑按下式校核：式中：F—液壓缸負(fù)載；Z—固定螺栓個(gè)數(shù)；

k—螺紋擰緊系數(shù)，k=1.12～1.5；［σ］=σs/(1.2-2.5),σs—材料屈服極限。四、穩(wěn)定性校核

活塞桿受軸向壓縮負(fù)載時(shí)，應(yīng)使活塞桿承受的力F不能超過穩(wěn)定工作所允許的臨界負(fù)載Fk,以免發(fā)生縱向彎曲，破壞液壓缸的正常工作。

穩(wěn)定條件：式中：F

—活塞桿所受最大壓力；

Fk—活塞桿的穩(wěn)定臨界力；

nk—穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取nk=2~4。式中：l—安裝長度；

rk—活塞桿截面最小回轉(zhuǎn)半徑ψ1—柔性系數(shù)；ψ2

—末端系數(shù)（由液壓缸的支承方式?jīng)Q定）

E

—活塞桿材料彈性模量；

J—活塞桿截面慣性矩；

A

—活塞桿橫截面積。穩(wěn)定臨界力Fk的確定：當(dāng)細(xì)長比時(shí)：式中：f

—由材料強(qiáng)度決定的實(shí)驗(yàn)值；

a—系數(shù)，具體數(shù)值見P100表5-4。當(dāng)細(xì)長比時(shí)：五、緩沖計(jì)算

緩沖計(jì)算主要是估計(jì)緩沖時(shí)缸中出現(xiàn)的最大沖擊壓力，以便用來校核缸筒強(qiáng)度、制動距離是否符合要求。

液壓缸在緩沖時(shí)，背壓腔內(nèi)產(chǎn)生的液壓能E1和工作部件產(chǎn)生的機(jī)械能E2分別為：E1=pcAclc

式中：pc—緩沖腔中的平均緩沖壓力；

pp—高壓腔中的油液壓力；

Ac、Ap—緩沖腔、高壓腔的有效工作面積；

lc—緩沖行程長度；m—工作部件質(zhì)量；

v0—工作部件運(yùn)動速度；Ff—摩擦力。當(dāng)E1=E2時(shí)，工作部件的機(jī)械能全部被緩沖腔液體所吸收，則：pc=E2/Aclc

若緩沖裝置為節(jié)流口可調(diào)式緩沖裝置，緩沖過程中壓力逐漸降低，假定緩沖壓力線性地降低，則最大緩沖壓力即沖擊壓力為：

如緩沖裝置為節(jié)流口變化式緩沖裝置，則由于緩沖壓力Pc始終不變，最大緩沖壓力的值如上式。