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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(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: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(jiǎn)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:?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(chǎng)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(jiǎn)圖及油路連接方式如圖所示。(a)無(wú)桿腔進(jìn)油Ddq(b)有桿腔進(jìn)油q9無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(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:16

在圖3.2(b)中,液壓缸為有桿腔進(jìn)壓力油,無(wú)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(zhǎng)時(shí),加工難度大,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。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(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3.4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(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)。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(guò)280o

,雙葉片擺動(dòng)液壓缸的擺角一般不超過(guò)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

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