1、第4章 液 壓 缸,液壓缸是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件，它是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換成工作機(jī)構(gòu)的機(jī)械能，用來實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或小于360的擺動(dòng)。液壓缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、配制靈活、設(shè)計(jì)、制造比較容易、使用維護(hù)方便，所以得到了廣泛的應(yīng)用。,4.1 液壓缸的類型、特點(diǎn)和基本參數(shù)計(jì)算,液壓缸的類型,4.1 液壓缸的類型、特點(diǎn)和基本參數(shù)計(jì)算,4.1 液壓缸的類型、特點(diǎn)和基本參數(shù)計(jì)算,活塞式液壓缸,活塞式液壓缸由缸筒、活塞和活塞桿、端蓋等主要部件組成。 活塞式液壓缸通常有單桿和雙桿兩種形式。又有缸筒固定、活塞移動(dòng)與活塞桿固定、缸筒移動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)方式。,4.1 液壓缸的類型、特點(diǎn)和基本參數(shù)計(jì)算,1.單桿活塞式液壓缸,4.1 液壓缸

2、的類型、特點(diǎn)和基本參數(shù)計(jì)算,單桿活塞式液壓缸有缸體固定和活塞桿固定兩種形式，但它們的工作臺(tái)移動(dòng)范圍都是活塞運(yùn)動(dòng)行程的兩倍。由于單桿液壓缸左右兩腔的活塞有效作用面積A1和A2不相等，所以，這種液壓缸具有三種連接方式，如圖所示。,單桿活塞式液壓缸,4.1 液壓缸的類型、特點(diǎn)和基本參數(shù)計(jì)算,1.單桿活塞式液壓缸,(1) 當(dāng)無桿腔進(jìn)油、有桿腔回油時(shí),4.1 液壓缸的類型、特點(diǎn)和基本參數(shù)計(jì)算,若回油腔直接接油箱，p20，則：,(2) 當(dāng)有桿腔進(jìn)油、無桿腔回油時(shí),若回油腔直接接油箱，p20，則：,4.1 液壓缸的類型、特點(diǎn)和基本參數(shù)計(jì)算,與 之比稱為液壓缸的速度比 ，即：,4.1 液壓缸的類型、特點(diǎn)和基本

3、參數(shù)計(jì)算,(3) 液壓缸左右兩腔同時(shí)進(jìn)入壓力油，即差動(dòng)連接,在差動(dòng)連接時(shí)，液壓缸左右兩腔同時(shí)進(jìn)入壓力油，但因?yàn)閮汕坏挠行ё饔妹娣e不等，故活塞向右運(yùn)動(dòng)。,整理得：,由上述可知，差動(dòng)連接比非差動(dòng)連接時(shí)的推力小而運(yùn)動(dòng)速度快，所以，這種連接形式是以減小推力為代價(jià)而獲得快速運(yùn)動(dòng)的。,4.1 液壓缸的類型、特點(diǎn)和基本參數(shù)計(jì)算,2.雙桿活塞式液壓缸,雙桿活塞式液壓缸及其安裝形式,4.1 液壓缸的類型、特點(diǎn)和基本參數(shù)計(jì)算,雙桿活塞式液壓缸，活塞兩側(cè)都裝有活塞桿，由于兩腔的有效面積相等，故活塞往返的作用力和運(yùn)動(dòng)速度都相等，即 ：,4.1 液壓缸的類型、特點(diǎn)和基本參數(shù)計(jì)算,此種形式的液壓缸在機(jī)床中常用。,柱塞式液

4、壓缸,4.1 液壓缸的類型、特點(diǎn)和基本參數(shù)計(jì)算,活塞式液壓缸的內(nèi)壁要求精加工，當(dāng)液壓缸較長(zhǎng)時(shí)加工就顯得比較困難，因此在行程較長(zhǎng)時(shí)多采用柱塞缸。柱塞缸的內(nèi)壁不需要精加工，只需要對(duì)柱塞桿進(jìn)行精加工，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，成本低。,柱塞式液壓缸示意圖,4.1 液壓缸的類型、特點(diǎn)和基本參數(shù)計(jì)算,柱塞缸的結(jié)構(gòu)如圖所示。它由缸體、柱塞、導(dǎo)套、密封圈、壓蓋等零件組成。,擺動(dòng)式液壓缸,4.1 液壓缸的類型、特點(diǎn)和基本參數(shù)計(jì)算,擺動(dòng)式液壓缸又稱為擺動(dòng)液壓電動(dòng)機(jī)或回轉(zhuǎn)液壓缸，它把油液的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閿[動(dòng)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。常用的擺動(dòng)式液壓缸有單葉片和雙葉片兩種。,單葉片擺動(dòng)式液壓缸,4.1 液壓缸的類型、特點(diǎn)和基本參數(shù)計(jì)

5、算,1隔板 2缸體 3轉(zhuǎn)動(dòng)軸 4葉片,(a) 單葉片式 (b) 雙葉片式,擺動(dòng)式液壓缸結(jié)構(gòu)圖,其他液壓缸,增力缸結(jié)構(gòu)圖,4.1 液壓缸的類型、特點(diǎn)和基本參數(shù)計(jì)算,1.增力缸,圖示為由兩個(gè)單桿活塞缸串聯(lián)在一起的增力缸，當(dāng)壓力油通入兩缸左腔時(shí)，串聯(lián)活塞向右運(yùn)動(dòng)，兩缸右腔的油液同時(shí)排出，這種油缸的推力等于兩缸推力的總和。由于增加了活塞的有效面積，因而使活塞桿上的推力或拉力得到增加。設(shè)進(jìn)油壓力為p，活塞直徑為D，活塞桿直徑為d，不考慮摩擦損失，增力缸的牽引力為,4.1 液壓缸的類型、特點(diǎn)和基本參數(shù)計(jì)算,增壓缸結(jié)構(gòu)圖,4.1 液壓缸的類型、特點(diǎn)和基本參數(shù)計(jì)算,2.增壓缸,圖示為由活塞缸和柱塞缸組合而成的

6、增壓缸，用以使液壓系統(tǒng)中的局部區(qū)域獲得高壓。在這里活塞缸中活塞的有效工作面積大于柱塞的有效工作面積，所以向活塞缸無桿腔送入低壓油時(shí)，可以在柱塞缸那里得到高壓油，它們之間的關(guān)系為：,4.1 液壓缸的類型、特點(diǎn)和基本參數(shù)計(jì)算,2.增壓缸,其中：D、d活塞、柱塞的直徑；,K增壓比K=D2/d2,伸縮式液壓缸示意圖,1活塞 2活塞 3缸體,4.1 液壓缸的類型、特點(diǎn)和基本參數(shù)計(jì)算,3. 伸縮式液壓缸,4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu),圖示為單桿液壓缸的結(jié)構(gòu)圖，它主要由缸筒4、活塞6、活塞桿7、前后端蓋8、1、密封件5等主要部件組成。缸筒與端蓋用螺栓連接，活塞與缸筒，活塞桿與端蓋之間有兩種密封形式，即為橡塑組合

7、密封與唇形密封；該液壓缸具有雙向緩沖功能，工作時(shí)壓力油經(jīng)進(jìn)油口，單向閥進(jìn)入工作腔，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞臨近終點(diǎn)時(shí)，緩沖套切斷油路，排油只能經(jīng)節(jié)流閥排出，起節(jié)流緩沖作用。 從上面所述的液壓缸典型結(jié)構(gòu)中看出，液壓缸的結(jié)構(gòu)基本上可以分為缸體組件、活塞組件、密封裝置、緩沖裝置和排氣裝置等五部分。,液壓缸的典型結(jié)構(gòu),4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu),單桿液壓缸結(jié)構(gòu)圖,1后端蓋 2緩沖節(jié)流閥 3進(jìn)出油口 4缸筒 5密封件 6活塞 7活塞桿 8前端蓋 9導(dǎo)向套 10單向閥 11緩沖套 12導(dǎo)向環(huán) 13無桿端緩沖套 14螺栓,缸體組件,4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu),缸體組件與活塞組件構(gòu)成密封的容腔，承受油壓。因此缸體組件

8、要有足夠的強(qiáng)度、較高的表面精度和可靠的密封性。缸體組件指得是缸筒與缸蓋，其使用材料、連接方式與工作壓力有關(guān)，當(dāng)工作壓力p10MPa時(shí)使用鑄鐵缸筒，當(dāng)工作壓力10MPap20MPa時(shí)使用無縫鋼管，p20MPa時(shí)使用鑄鋼或鍛鋼。,(a) (b) (c),4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu),缸筒和端蓋結(jié)構(gòu)圖,4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu),采用法蘭連接(圖a所示)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、連接可靠，但要求缸筒端部有足夠的壁厚，用以安裝螺栓或旋入螺釘。缸筒端部一般用鑄造、鐓粗或焊接方式制成粗大的外徑。 采用半環(huán)連接(圖b所示)，工藝性好、連接可靠、結(jié)構(gòu)緊湊，但削弱了缸筒強(qiáng)度。這種連接常用于無縫鋼管缸筒與缸蓋的連接中。 采

9、用螺紋連接(圖c所示)，特點(diǎn)體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，但缸筒端部結(jié)構(gòu)復(fù)雜。常用于無縫鋼管或鑄鋼的缸筒上。 拉桿連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、通用性強(qiáng)，但端蓋的體積和重量較大，拉桿受力后會(huì)變形，影響密封效果，適用于長(zhǎng)度較小的中低壓缸。 焊接式連接強(qiáng)度高，制造簡(jiǎn)單，但焊接時(shí)易引起缸筒變形，且無法拆卸。,活塞組件,(a) 螺紋式連接結(jié)構(gòu) (b) 半環(huán)式連接結(jié)構(gòu),4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu),活塞組件由活塞、活塞桿和連接件等組成?；钊突钊麠U的連接方式很多，但無論采用哪種連接方式，都必須保證連接可靠。,密封裝置,4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu),密封裝置的作用是用來阻止有壓工作介質(zhì)的泄漏；防止外界空氣、灰塵、污垢與異物

10、的侵入。其中起密封作用的元件稱密封件。通常在液壓系統(tǒng)或元件中，存在工作介質(zhì)的內(nèi)泄漏和外泄漏，內(nèi)泄漏會(huì)降低系統(tǒng)的容積效率，惡化設(shè)備的性能指標(biāo)，甚至使其無法正常工作。外泄漏導(dǎo)致流量減少，不僅污染環(huán)境，有可能引起火災(zāi)，嚴(yán)重時(shí)可能引起設(shè)備故障和人身事故。所以為了保證液壓設(shè)備工作的可靠性及提高工作壽命，密封裝置與密封件不容忽視。液壓缸的密封主要指活塞、活塞桿處的動(dòng)密封和缸蓋等處的靜密封。,間隙密封示意圖,4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu),間隙密封,4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu),密封圈密封,O形密封圈是由耐油橡膠制成的截面為圓形的圓環(huán)，它具有良好的密封性能，且結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)件的摩擦阻力小、裝卸方便、容易制造、價(jià)格便宜

11、，故在液壓系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。,O形密封圈,4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu),O形密封圈結(jié)構(gòu)圖,V形密封圈,4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu),V形密封圈由純耐油橡膠或多層夾織物橡膠壓制而成，通常由支承環(huán)、密封環(huán)和壓環(huán)組成。當(dāng)壓環(huán)壓緊密封環(huán)時(shí)，支撐環(huán)使密封環(huán)產(chǎn)生變形而起密封作用。,Y形密封圈,4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu),Y形密封圈主要用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的密封。是一種密封性、穩(wěn)定性和耐壓性較好、摩擦阻力小、壽命較長(zhǎng)的密封圈。Y形圈的密封作用依賴于它的唇邊對(duì)偶合面的緊密接觸，并在壓力油作用下產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，達(dá)到密封目的。,緩沖裝置,緩沖裝置的工作原理：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

12、從小孔或縫隙中擠出，以產(chǎn)生很大的阻力，使工作部件受到制動(dòng)逐漸減慢運(yùn)動(dòng)速度，達(dá)到避免活塞和缸蓋相互撞擊的目的。,4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu),4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu),固定節(jié)流緩沖,圖a是縫隙節(jié)流，當(dāng)活塞移動(dòng)到其端部，活塞上的凸臺(tái)進(jìn)入缸蓋的凹腔，將封閉在回油腔中的油液從凸臺(tái)和凹腔之間的環(huán)狀縫隙中擠壓出去，從而造成背壓，迫使運(yùn)動(dòng)活塞降速制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)緩沖。這種緩沖裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緩沖效果好，但沖擊壓力較大。,4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu),可變節(jié)流緩沖,可變節(jié)流緩沖油缸有多種形式，圖b在活塞上開有橫截面為三角形的軸向斜槽，當(dāng)活塞移近液壓缸缸蓋時(shí)，活塞與缸蓋間的油液需經(jīng)三角槽流出，從而在回油腔中形成背壓，達(dá)到緩沖的

13、目的。,4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu),可調(diào)節(jié)流緩沖,圖c在缸蓋中裝有針形節(jié)流閥1和單向閥2。當(dāng)活塞移近缸蓋時(shí)，凸臺(tái)進(jìn)入凹腔，由于它們之間間隙較小，所以回油腔中的油液只能經(jīng)節(jié)流閥流出，從而在回油腔中形成背壓，達(dá)到緩沖的目的。調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開口大小，就能調(diào)節(jié)制動(dòng)速度。,排氣裝置,4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu),氣體的來源,氣體對(duì)液壓系統(tǒng)的影響,4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu),一般利用空氣比重較油輕的特點(diǎn)，在液壓缸內(nèi)腔的最高部位設(shè)置排氣孔或?qū)ｉT的排氣裝置。 下圖采用排氣塞和排氣閥：當(dāng)松開排氣閥螺釘時(shí)帶著空氣的油液，便通過錐面間隙經(jīng)小孔溢出，待系統(tǒng)內(nèi)氣體排完后，便擰緊螺釘，將錐面密封，也可在缸蓋的最高部位處開排氣孔，用

14、長(zhǎng)管道向遠(yuǎn)處排氣閥排氣。所有的排氣裝置都是按此基本原理工作的。,4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu),排氣裝置示意圖,排氣裝置,4.3 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算,主要尺寸計(jì)算,液壓缸的主要尺寸包括缸的內(nèi)徑D、活塞桿直徑d、液壓缸的長(zhǎng)度和活塞桿的長(zhǎng)度等。 液壓缸的內(nèi)徑和活塞桿的直徑的確定方法與使用的液壓缸設(shè)備類型有關(guān)，通常根據(jù)液壓缸的推力(牽引力)和液壓缸的有效工作壓力來決定。 本節(jié)主要介紹液壓缸的主要尺寸的計(jì)算及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的驗(yàn)算方法。,對(duì)于單出桿的液壓缸而言 ：,無桿腔進(jìn)油并且不考慮機(jī)械效率時(shí)：,有桿腔進(jìn)油并且不考慮機(jī)械效率時(shí)：,液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d可根據(jù)液壓系統(tǒng)中的最大總負(fù)載和選取的工作壓力來確定。,

15、4.3 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算,主要尺寸計(jì)算,對(duì)于單出桿的液壓缸而言,上式中，一般選取回油背壓p2=0，于是便可簡(jiǎn)化，即無桿腔、有桿腔進(jìn)油時(shí)分別為：,或,上式中的活塞桿直徑d可根據(jù)工作壓力或設(shè)備類型選取，也可查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)。,4.3 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算,主要尺寸計(jì)算,液壓缸缸筒長(zhǎng)度由活塞最大行程L、活塞長(zhǎng)度、活塞桿導(dǎo)向長(zhǎng)度H和特殊要求的其他長(zhǎng)度確定，如圖。,導(dǎo)向長(zhǎng)度,4.3 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算,主要尺寸計(jì)算,一般液壓缸的鋼筒長(zhǎng)度不應(yīng)大于內(nèi)徑的2030倍。,4.3 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算,主要尺寸計(jì)算,必要時(shí)可在導(dǎo)向套和活塞之間裝一隔套K，,其中,導(dǎo)向套長(zhǎng)度,A=(0.61.5)D,液壓缸的校核,在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)

16、，中、高壓液壓缸一般用無縫鋼管制作缸筒， 大多屬薄壁筒，即 /D0.08 時(shí)，按材料力學(xué)薄壁圓筒公式驗(yàn)算壁 厚，即 ：,4.3 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算,1. 缸筒壁厚的校核,Pmax 缸筒內(nèi)最高工作壓力(指試驗(yàn)壓力)，考慮到液壓 缸可能承受沖擊，試驗(yàn)壓力要遠(yuǎn)大于工作壓力,D 缸筒內(nèi)徑,4.3 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算,其中, 缸筒材料的許用應(yīng)力， ，,當(dāng)液壓缸采用鑄造缸筒時(shí)，壁厚由鑄造工藝確定，這時(shí)應(yīng)按厚壁圓筒公式驗(yàn)算壁厚。,當(dāng)/D=0.080.3時(shí)，用式,當(dāng)/D0.3時(shí)，用式,4.3 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算,1. 缸筒壁厚的校核,進(jìn)行驗(yàn)算,進(jìn)行驗(yàn)算,只有當(dāng)液壓缸活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度L10d時(shí)，才進(jìn)行其縱向穩(wěn)定性的驗(yàn)算。驗(yàn)算可按材料力學(xué)有關(guān)公式進(jìn)行。,液壓缸缸蓋固定螺栓在工作過程中，同時(shí)承受拉應(yīng)力和剪切應(yīng)