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液壓與氣壓傳動(dòng)第三章液壓缸2本章提要液壓缸的類型及特點(diǎn)液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)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(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：3

液壓缸（油缸）主要用于實(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(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43.1液壓缸的分類及基本計(jì)算

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(dòng)液壓缸。按活塞桿形式分：單活塞桿缸、雙活塞桿缸。單桿液壓缸雙桿液壓缸柱塞式液壓缸5理想液壓缸理想單桿液壓缸pq=Fv理想雙桿液壓缸Δpq=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===×××63.1.1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所示。(a)缸筒固定式(b)活塞桿固定式7

因?yàn)殡p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：（3.1）（3.2）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)速度相同的場合。83.1.1.2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q9無桿腔進(jìn)油（3.3）（3.4）活塞的運(yùn)動(dòng)速度和推力分別為:(a)無桿腔進(jìn)油Ddq10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（3.5）（3.6）11

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)活塞桿直徑愈小時(shí)，速度比愈接近1，在兩個(gè)方向上的速度差值就愈小。(a)無桿腔進(jìn)油Ddq(b)有桿腔進(jìn)油q12兩腔進(jìn)油,差動(dòng)聯(lián)接(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(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(dòng)連接。13兩腔進(jìn)油,差動(dòng)聯(lián)接(c)差動(dòng)聯(lián)接q（3.8）（3.9）

在忽略兩腔連通油路壓力損失的情況下，差動(dòng)連接液壓缸的推力為：q等效活塞的運(yùn)動(dòng)速度為：14兩腔進(jìn)油,差動(dòng)聯(lián)接(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(tái)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容量和功率的條件下，實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)的有效辦法。15

差動(dòng)液壓缸計(jì)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(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(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)載和運(yùn)動(dòng)速度各是多少？并給出運(yùn)動(dòng)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(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：16

在圖3.2（b）中，液壓缸為有桿腔進(jìn)壓力油，無桿腔回油壓力為零，可推動(dòng)的負(fù)載為：

液壓缸向左運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)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：173.1.2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時(shí)，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(jià)格低廉的液壓缸。18

圖3.4柱塞式液壓缸

如圖3.4（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。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3.4柱塞式液壓缸qqvdd式中：d—柱塞直徑，p1—進(jìn)油壓力，p2—另一缸的回油壓力。p1p2203.1.3擺動(dòng)式液壓缸

圖3.5擺動(dòng)液壓缸

擺動(dòng)液壓缸能實(shí)現(xiàn)小于360°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)，主要有單葉片式和雙葉片式兩種結(jié)構(gòu)形式。21

圖3.5擺動(dòng)液壓缸

單葉片擺動(dòng)液壓缸主要由定子塊1、缸體2、擺動(dòng)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(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)。22

圖3.5擺動(dòng)液壓缸當(dāng)考慮到機(jī)械效率時(shí)，單葉片缸的擺動(dòng)軸輸出轉(zhuǎn)矩為p1p2（3.10）D—缸體內(nèi)孔直徑；d—擺動(dòng)軸直徑；b—

葉片寬度；23

圖3.4擺動(dòng)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D—缸體內(nèi)孔直徑；d—擺動(dòng)軸直徑；b—

葉片寬度；（3.11）ω24qω

單葉片擺動(dòng)液壓缸的擺角一般不超過280o

，雙葉片擺動(dòng)液壓缸的擺角一般不超過150o

。

當(dāng)輸入壓力和流量不變時(shí)，雙葉片擺動(dòng)液壓缸擺動(dòng)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。25qω

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)擺動(dòng)，轉(zhuǎn)位或間歇運(yùn)動(dòng)的地方。263.1.4其他液壓缸3.1.4.1增壓缸27缸體3.1.4伸縮式液壓缸

伸出縮回套筒活塞活塞伸縮式單作用缸28