第三章液壓執(zhí)行元件液壓缸2015

第三章液壓執(zhí)行元件-液壓缸作用：將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置

包括{液壓缸：輸出的是直線運(yùn)動(dòng)液壓馬達(dá)：輸出的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)液壓缸的輸入量是液體的流量和壓力，輸出量是速度和力。p1p2FVdQA液壓缸壓力p

流量Q液壓功率作用力F速度V機(jī)械功率液壓缸3.1缸的分類及特點(diǎn)

液壓缸的分類按作用方式分：單作用缸和雙作用缸。按結(jié)構(gòu)形式分：活塞缸、柱塞缸、擺動(dòng)液壓缸。按活塞桿形式分：單桿活塞缸、雙桿活塞缸。單桿液壓缸雙桿液壓缸柱塞式液壓缸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，其固定方式有缸筒固定和活塞桿固定兩種方式。3.1.1.1雙桿活塞缸

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固定形式，如圖所示。(a)缸體固定，活塞桿移動(dòng)(b)活塞桿固定缸體移動(dòng)，雙桿活塞缸缸筒固定與活塞桿固定的比較：

因?yàn)殡p活塞桿液壓缸的兩活塞桿直徑相同，所以當(dāng)輸入流量和油液壓力不變時(shí)，活塞（或缸體）在兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)速度V和推力F都相等，即：（3.1）（3.2）式中:、—分別為缸的進(jìn)、出口壓力；—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—缸的輸入流量；A—活塞有效作用面積。這種液壓缸常用于要求往返運(yùn)動(dòng)速度相同的場合。3.1.1.2單桿活塞缸

單桿活塞缸的活塞僅一端帶有活塞桿，活塞雙向運(yùn)動(dòng)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所示。(a)無桿腔進(jìn)油Ddq(b)有桿腔進(jìn)油q單桿活塞缸分解圖

其一端伸出活塞桿，兩腔有效面積不相等，當(dāng)向缸兩腔分別供液體，且壓力和流量都不變時(shí)，活塞在兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)速度和推力都不相等。圖3.2單桿活塞缸無桿腔進(jìn)油（4.3）（4.4）活塞的運(yùn)動(dòng)速度和推力分別為:(a)無桿腔進(jìn)油Ddq有桿腔進(jìn)油活塞的運(yùn)動(dòng)速度和推力分別為:(b)有桿腔進(jìn)油q（4.5）（4.6）

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：

（4.7）

上式表明：當(dāng)活塞桿直徑愈小時(shí)，速度比接近1，在兩個(gè)方向上缸的速度差值就愈小。(a)無桿腔進(jìn)油Ddq(b)有桿腔進(jìn)油q兩腔進(jìn)油,差動(dòng)聯(lián)接(c)差動(dòng)聯(lián)接缸q

當(dāng)單桿活塞缸兩腔同時(shí)通入相同壓力的液體時(shí)，由于無桿腔受力面積大于有桿腔受力面積，使得活塞向右的作用力大于向左的作用力，因此活塞桿作伸出運(yùn)動(dòng)，并將有桿腔的液體擠出，流進(jìn)無桿腔，加快了活塞桿的伸出速度，缸的這種連接方式被稱為差動(dòng)連接。圖3.3差動(dòng)連接缸(c)差動(dòng)聯(lián)接q（4.8）（4.9）

在忽略兩腔連通回路壓力損失的情況下，差動(dòng)連接液壓缸的推力為：q等效活塞桿的伸出速度為：(c)差動(dòng)聯(lián)接qq等效

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，工作臺運(yùn)動(dòng)速度比無桿腔進(jìn)油時(shí)的大，而輸出力則較小。

差動(dòng)連接是在不增加液壓泵流量的條件下，實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)的有效辦法。3.1.2柱塞缸

活塞缸內(nèi)孔和尺寸精度很高，并且要求表面光滑，大型或超長行程的液壓缸不易實(shí)現(xiàn)這種要求，在這種情況下可以采用柱塞缸。圖3.4柱塞液壓缸

圖3.5柱塞式液壓缸

如圖4.5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。

柱塞式液壓缸是單作用缸，柱塞端面是受壓面。其面積大小決定了缸的輸出速度和推力。如果要得到雙向運(yùn)動(dòng)，可將兩柱塞缸成對使用為減輕柱塞的重量，有時(shí)制成空心活塞。

圖3.6柱塞式液壓缸QQVddp1p23.1.3擺動(dòng)缸

圖3.7擺動(dòng)缸

擺動(dòng)液壓缸能實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，主要有單葉片式和雙葉片式兩種結(jié)構(gòu)形式。圖3.8

單葉片擺動(dòng)液壓缸（馬達(dá)）1.葉片2.限位塊3.缸筒

為了滿足特定需要，可由上述三種基本形式和機(jī)械傳動(dòng)或其它傳動(dòng)形式組合特種缸來滿足要求3.2其它型式的常用缸3.2.1增壓缸增壓缸又稱增壓器。它能將輸入的低壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏汗┮簤簜鲃?dòng)。3.2.2多級缸

多級缸又稱伸縮式套筒缸，它由兩級活塞缸套裝而成，具有活塞桿的伸出行程長度比缸體長度大，占用空間較小，結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。伸出縮回圖3.9伸縮式液壓缸

前一級缸的活塞是后一級缸的缸套，活塞伸出的順序是從大到小，相應(yīng)的推力也是從大到小，而伸出的速度則是由慢變快。圖3.10伸縮式液壓缸伸出BA二級活塞3.2.3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(jī)構(gòu)組成，活塞往復(fù)移動(dòng)經(jīng)齒條、齒輪機(jī)構(gòu)變成齒輪軸往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3.11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qω缸的典型結(jié)構(gòu)

圖3.12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。3.3缸的結(jié)構(gòu)液壓缸的組成基本結(jié)構(gòu)分為缸筒和缸蓋活塞和活塞桿密封裝置緩沖裝置排氣裝置3.3.1.1缸筒與端蓋的連接

圖4.12缸體與缸蓋的連接結(jié)構(gòu)3.3.1缸體組件

（2）半環(huán)式連接

(1）法蘭式連接要求缸筒端部有直徑足夠大的凸緣，用以安裝螺栓或螺釘。是一種常用的連接方式。分為外半環(huán)連接和內(nèi)半環(huán)連接兩種連接形式。用于無縫鋼管缸筒與端蓋的連接。（3）螺紋式連接外螺紋連接內(nèi)螺紋連接

分為外螺紋和內(nèi)螺紋連接兩種形式。缸筒端部結(jié)構(gòu)復(fù)雜。一般用于外形尺寸小，重量輕的場合。（5）焊接式連接（4）拉桿式連接易于拆裝，但端蓋的體積和重量較大，只適用于長度不大的中低壓缸。連接強(qiáng)度高，制造簡單，焊接時(shí)易引起缸筒變形。

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，要求表面粗糙度在0.1m~0.4m。

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(qiáng)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(jì)手冊3.3.2活塞組件

活塞組件由活塞、活塞桿和連接件等組成。3.3.2.1活塞與活塞桿的連接形式

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3.3.2.2活塞和活塞桿

活塞受壓力在缸筒內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞必須具有一定的強(qiáng)度和良好的耐磨性?；钊话阌描T鐵或鋼制造?；钊慕Y(jié)構(gòu)通常分為整體式和組合式。

活塞桿是連接活塞和工作部件的傳力零件，必須有足夠的強(qiáng)度和剛度?；钊麠U無論是實(shí)心還是空心的，通常用鋼制造，活塞桿在導(dǎo)向套內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其外圓表面應(yīng)當(dāng)耐磨并具有防腐性能，因此活塞桿外圓表面有時(shí)需鍍鉻?；钊突钊麠U的技術(shù)要求可參考有關(guān)手冊。

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(dòng)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型及組合式等數(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(yùn)動(dòng)阻力較大，作運(yùn)動(dòng)密封時(shí)容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，故一般不單獨(dú)用于油缸運(yùn)動(dòng)密封。3.3.2.3活塞的密封形式(自學(xué)）

（1）O形密封圈圖3.14O型密封圈的結(jié)構(gòu)原理

（a）普通型（b）有擋板型

O形圈密封的原理：任何形狀的密封圈在安裝時(shí)，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(dòng)密封中，當(dāng)壓力大于10MPa時(shí)，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(shí)，兩側(cè)都要加擋圈。

（a）普通型（b）有擋板型圖3.15O型密封圈的結(jié)構(gòu)原理

V形圈的截面為V形，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(shí)，可增加V形圈的數(shù)量，提高密封效果。安裝時(shí)，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)

b)V型圈c)支承環(huán)圖3.16V形密封圈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(yùn)動(dòng)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3.17所示為寬斷面Y形密封圈。（3）Y（Yx）形密封圈

圖3.17Y形密封圈圖3.17Y形密封圈Y形圈安裝時(shí)，唇口端面應(yīng)對著液壓力高的一側(cè)。當(dāng)壓力變化較大，滑動(dòng)速度較高時(shí)，要使用支承環(huán)，以固定密封圈，如圖3.17（b）所示。3.3.3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(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行控制。

當(dāng)缸拖動(dòng)負(fù)載質(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，而且會引起其它相關(guān)機(jī)械的損傷。緩沖裝置

圖3.18液壓缸緩沖裝置（1）圓柱形環(huán)隙式（2）圓錐形環(huán)隙緩沖裝置（3）可變節(jié)流槽式緩沖裝置（4）可調(diào)節(jié)流孔式緩沖裝置3.3.4排氣裝置

液壓傳動(dòng)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(dòng)、爬行或前沖等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會使系統(tǒng)不能正常工作。

因此，設(shè)計(jì)液壓缸時(shí)，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、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(yùn)動(dòng)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。放氣閥結(jié)構(gòu)液壓缸工作壓力的確定

液壓缸的工作壓力按負(fù)載確定。

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(yùn)動(dòng)速度和行程等因素來確定上述參數(shù)。3.4液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算（自學(xué)）液壓缸的類型及特點(diǎn)液壓缸輸出參數(shù)的計(jì)算液壓缸的組成

通過本章的學(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：本章重點(diǎn)作業(yè)：3-3,3-4

舉例：

例3.3：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/L，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，液壓缸可推動(dòng)的最大負(fù)載和運(yùn)動(dòng)速度各是多少？并給出運(yùn)動(dòng)方向。