《液壓與氣壓傳動》第四章 液壓執(zhí)行元件的選用

第四章液壓執(zhí)行元件的選用第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用一、任務(wù)引入液壓挖掘機(jī)如圖４－１所示，主要由液壓系統(tǒng)、工作裝置、行走裝置、發(fā)動機(jī)和電氣控制等部分組成。液壓系統(tǒng)由液壓泵、控制閥、液壓缸、液壓馬達(dá)、管路、油箱等組成。工作裝置是直接完成挖掘任務(wù)的裝置，它由動臂、斗桿、鏟斗等三部分鉸接而成。動臂起落、斗桿伸縮和鏟斗轉(zhuǎn)動都用往復(fù)式雙作用液壓缸控制?；剞D(zhuǎn)與行走裝置是液壓挖掘機(jī)的機(jī)體，轉(zhuǎn)臺上部設(shè)有動力裝置和傳動系統(tǒng)。下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用發(fā)動機(jī)是液壓挖掘機(jī)的動力源，液壓傳動系統(tǒng)通過液壓泵將發(fā)動機(jī)的動力傳遞給液壓缸、液壓馬達(dá)等執(zhí)行元件，推動工作裝置動作，主要用于實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的直線往復(fù)運動，也可以實現(xiàn)擺動，從而完成各種作業(yè)，如鏟土、提升、回轉(zhuǎn)動作。二、任務(wù)分析執(zhí)行元件是把液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置。做直線往復(fù)運動的執(zhí)行元件稱為液壓缸，做旋轉(zhuǎn)運動的執(zhí)行元件稱為液壓馬達(dá)。液壓執(zhí)行元件一般需要根據(jù)具體工作要求專門設(shè)計，這點與液壓閥等元件有所不同。在挖掘機(jī)中，什么樣的液壓執(zhí)行元件能夠滿足需要呢？上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用液壓缸的合理選擇對挖掘機(jī)的鏟土、提升、回轉(zhuǎn)動作的實現(xiàn)起著十分重要的作用。三、基本知識（一）液壓缸的作用與分類液壓缸（俗稱油缸）是將液壓能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的做直線往復(fù)運動（或擺動）的液壓執(zhí)行元件，它結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。用它來實現(xiàn)往復(fù)運動時，可免去減速裝置，運動平穩(wěn)，因此應(yīng)用非常廣泛。按運動形式的不同，液壓缸可分為直線往復(fù)運動液壓缸和擺動液壓缸。上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用按其作用方式不同，液壓缸可分為單作用式液壓缸和雙作用式液壓缸兩種。單作用式液壓缸中液壓力只能使活塞（或柱塞）單方向運動，反方向運動必須靠外力（如彈簧力或自重等）實現(xiàn)；雙作用式液壓缸可由液壓力實現(xiàn)兩個方向的運動。按結(jié)構(gòu)不同，液壓缸可分為活塞缸、柱塞缸和擺動缸三類?；钊缀椭子靡詫崿F(xiàn)直線運動，輸出推力和速度；擺動缸用以實現(xiàn)小于３６０°的轉(zhuǎn)動，輸出轉(zhuǎn)矩和角速度。液壓缸的分類如表４－１所示。１．活塞缸上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用活塞缸可分為雙桿式和單桿式兩種結(jié)構(gòu)，其固定方式有缸體固定和活塞桿固定兩種，如圖４－２所示。１）雙桿式活塞缸（１）雙桿式活塞缸的工作原理。圖４－２所示雙桿式活塞缸，其活塞的兩側(cè)都有伸出桿。圖４－２（ａ）所示為缸體固定式結(jié)構(gòu)簡圖；圖４－２（ｂ）所示為活塞桿固定式結(jié)構(gòu)簡圖。當(dāng)壓力油從進(jìn)、出油口交替輸入液壓缸左、右工作腔時，壓力油作用于活塞端面，驅(qū)動活塞（或缸體）運動，并通過活塞（或缸體）帶動工作臺做直線往復(fù)運動。（２）雙桿式活塞缸的特點和應(yīng)用。上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用當(dāng)兩活塞桿直徑相同、缸兩腔的供油壓力和流量都相等時，活塞（或缸體）兩個方向的運動速度和推力也都相等。因此，這種液壓缸常用于要求往復(fù)運動速度和負(fù)載相同的場合，如各種磨床。缸體固定式結(jié)構(gòu)，其工作臺的運動范圍略大于缸的有效行程的３倍，一般用于行程短或小型液壓設(shè)備上；活塞桿固定式結(jié)構(gòu)，其工作臺的運動范圍略大于缸的有效行程的２倍，所以工作臺運動時所占空間面積較小，適用于行程長的大、中型液壓設(shè)備。設(shè)缸的有效工作面積為Ａ，活塞直徑為Ｄ，活塞桿直徑為ｄ，進(jìn)油壓力和流量分別為ｐ和ｑ，回油至油箱，壓力近似為零。此時，推力Ｆ和速度ｖ可按下式計算：上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用２）單桿式活塞缸（１）單桿式活塞缸的工作原理。圖４－３所示單桿式活塞缸，其活塞的一側(cè)有伸出桿，因此兩腔的有效工作面積不相等。當(dāng)無桿腔進(jìn)壓力油，有桿腔回油時，如圖４－３（ａ）所示，活塞推力Ｆ１和運動速度ｖ１分別為上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用當(dāng)有桿腔進(jìn)壓力油，無桿腔回油時，如圖４－３（ｂ）所示，活塞推力Ｆ２和運動速度ｖ２分別為上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用（２）單桿式活塞缸的特點和應(yīng)用。比較上面公式可知，ｖ１＜ｖ２，Ｆ１＞Ｆ２，即無桿腔進(jìn)壓力油工作時，推力大，速度低；有桿腔進(jìn)壓力油工作時，推力小，速度高。因此，單桿式活塞缸常用于一個方向有較大負(fù)載但運行速度較低，另一方向為空載快速退回運動的設(shè)備如各種金屬切削機(jī)床的液壓系統(tǒng)。單桿式活塞缸不論是缸體固定還是活塞桿固定，工作臺的活動范圍都略大于缸有效行程的２倍。單桿式活塞缸的差動連接如圖４－４所示。上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用當(dāng)壓力油同時進(jìn)入液壓缸的左右兩腔，由于無桿腔工作面積比有桿腔工作面積大，活塞向右的推力大于向左的推力，故其向右移動，這種連接方式稱為液壓缸的差動連接，作差動連接的單桿式活塞缸簡稱為差動缸。差動連接時，活塞的推力Ｆ３為若活塞的速度為ｖ３，則無桿腔的進(jìn)油量為ｖ３Ａ1，有桿腔的出油量為ｖ３Ａ２，因而有故上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用由上面可知，ｖ３＞ｖ１，Ｆ３＜Ｆ１，這說明單桿活塞缸差動連接時能使運動部件獲得較高的速度和較小的推力。因此，單桿活塞缸還常用于需要實現(xiàn)“快進(jìn)（差動連接）→工進(jìn)（無桿腔進(jìn)壓力油）→快退（有桿腔進(jìn)壓力油）”工作循環(huán)的組合機(jī)床等設(shè)備的液壓系統(tǒng)中。這時，通常要求“快進(jìn)”和“快退”的速度相等，即ｖ３＝ｖ２。由上述公式可知，Ａ３＝Ａ２，即Ｄ＝２ｄ（或ｄ＝０.７１Ｄ）。２．柱塞缸由于活塞缸缸體內(nèi)孔加工精度要求很高，當(dāng)缸體較長時加工比較困難，因而常采用柱塞缸。上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用（１）柱塞缸的工作原理。柱塞缸的結(jié)構(gòu)如圖４－５（ａ）所示，它由缸筒、柱塞、導(dǎo)向套、壓蓋和密封圈等零件組成。柱塞與工作部件連接，缸筒可固定在機(jī)體上，當(dāng)壓力油進(jìn)入缸筒時，推動柱塞伸出，帶動運動部件運動。（２）柱塞缸的特點和應(yīng)用。柱塞缸在工作過程中，柱塞端面受壓，為了能輸出較大的推力，需要較大的端面面積，因此柱塞一般比較粗重。如水平安裝柱塞缸，柱塞易產(chǎn)生單邊磨損，因此柱塞缸適宜于垂直安裝使用。當(dāng)其水平安裝時，為防止柱塞因自重而下垂，常制成空心柱塞并設(shè)置支承架和托架。上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用柱塞缸只能實現(xiàn)單向運動（單作用），它的回程需借助自重（在立式缸中）或其他外力（如彈簧力）來實現(xiàn)。在龍門刨床、導(dǎo)軌磨床、大型拉床等大行程設(shè)備的液壓系統(tǒng)中，為了使工作臺得到雙向運動，柱塞缸常成對使用，如圖４－５（ｃ）所示。柱塞由導(dǎo)向套導(dǎo)向，與缸筒內(nèi)壁不接觸，沒有配合要求，因而缸體內(nèi)孔不需要精加工，工藝性好，成本低，特別適用于行程較長的場合。３．?dāng)[動缸擺動缸用于將油液的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲚S往復(fù)擺動（轉(zhuǎn)動角度小于３６０°）的機(jī)械能。上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用圖４－６所示為單葉片式擺動液壓缸，定子塊２由螺釘和柱銷固定在缸體４上，嵌在定子塊２槽內(nèi)的彈簧把密封件壓緊在花鍵軸套的外圓柱面上，起密封作用。葉片３用螺釘固定在花鍵軸套上。當(dāng)壓力油進(jìn)入上面的油孔Ａ?xí)r，推動轉(zhuǎn)子連同花鍵軸套做順時針方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子另一側(cè)的回油從下面的油孔排出。如壓力油從下面油孔Ｂ進(jìn)入，轉(zhuǎn)子做逆時針方向旋轉(zhuǎn)。單葉片式擺動液壓缸的擺動角度一般不超過２８０°。擺動缸常用于機(jī)床的送料裝置、間歇進(jìn)給機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)夾具、工業(yè)機(jī)器人手臂和手腕的回轉(zhuǎn)裝置及工程機(jī)械回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等的液壓系統(tǒng)中。實現(xiàn)往復(fù)擺動的液壓缸還有齒條活塞缸，如圖４－７所示。上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用齒條活塞缸由雙活塞帶動齒條活塞桿運動，以帶動齒輪及其傳動軸運動。它將活塞的直線往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)辇X輪軸的往復(fù)擺動。（二）液壓缸的典型結(jié)構(gòu)圖４－８所示為雙作用單桿式活塞缸的典型結(jié)構(gòu)。它主要有前缸蓋１、缸筒１０、后缸蓋１３、活塞５及活塞桿１５等零件組成。缸筒１０的一端與前缸蓋１焊接在一起，另一端則與后缸蓋１３采用螺紋連接，以便拆裝檢修。進(jìn)出油口Ａ和Ｂ安排在兩端，并且都可進(jìn)油或回油，以實現(xiàn)往復(fù)直線運動?；钊涤每ōh(huán)４、套環(huán)３和彈簧擋圈２等定位連接。活塞５與缸筒１０之間采用一對ＹＸ形密封圈９密封，Ｏ形密封圈６用以防止活塞桿１５與活塞５內(nèi)孔配合處的泄漏。上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用活塞桿１５靠導(dǎo)向套１２導(dǎo)向，避免活塞５因受不平衡的側(cè)向力而損傷缸壁和密封件，同時也能改善活塞桿１５運動時的摩擦狀況。導(dǎo)向套１２的外徑和內(nèi)徑都有密封圈密封。后缸蓋１３上安裝有防塵圈１４，用以防止活塞桿１５縮回時其上面黏附的污物進(jìn)入缸內(nèi)?；钊麠U１５的左端設(shè)有緩沖柱塞，目的是減輕活塞在行程終點對缸蓋的撞擊。由上述可知，液壓缸的結(jié)構(gòu)主要包括缸體組件、活塞組件、密封裝置、緩沖裝置和排氣裝置五部分組成。１．缸體組件缸體組件包括前后端蓋和導(dǎo)向套等。上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用缸筒和缸蓋的常用連接方式有法蘭連接、卡環(huán)連接和螺紋連接。２．活塞組件活塞組件由活塞、活塞桿和連接件等組成。活塞和活塞桿連接方式主要有整體式結(jié)構(gòu)、焊接式連接、錐銷式連接和卡環(huán)式連接。３．密封裝置１）密封的作用及意義在液壓傳動系統(tǒng)及其元件中，液壓缸的泄漏直接影響到液壓缸的工作性能和效率，甚至使整個系統(tǒng)無法工作，因此，要求液壓缸有良好的密封性能。安置密封裝置和密封元件的作用在于防止工作介質(zhì)泄漏及外界塵埃和異物侵入。上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用設(shè)置于密封裝置中、起密封作用的元件稱為密封件。２）密封的分類常用的密封方法有間隙密封和密封元件的密封。間隙密封是靠相對運動部件之間很小的配合間隙來保證密封的。這種密封方法的摩擦力小，但密封性能差，加工精度要求較高，只適用于尺寸較小、壓力較低、運動速度較高的場合。密封元件的密封是液壓系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種密封方法，它是用“Ｏ”形、“Ｙ”形、“Ｖ”形及組合式密封圈密封。３）常用的密封元件上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用常用的密封元件按其斷面形狀可分為Ｏ形密封圈和唇形密封圈，而唇形密封圈又可分為Ｙ形、Ｖ形密封圈等。（１）Ｏ形密封圈。Ｏ形密封圈簡稱Ｏ形圈，截面呈圓形。Ｏ形密封圈一般由耐油橡膠（丁腈橡膠、聚氨酯橡膠等）制成，與常用的石油基液壓油有良好的相容性。它主要用于靜密封和滑動密封，而在轉(zhuǎn)動密封中用得較少。在用于滑動密封時，Ｏ形圈的使用速度要求為０.００５～０.３００ｍ／ｓ。Ｏ形密封圈的內(nèi)、外側(cè)及端部都能起密封作用，其密封原理如圖４－９所示。當(dāng)Ｏ形圈裝入密封槽后，其截面受壓縮變形。上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用在無液體壓力時，靠Ｏ形圈的彈性對接觸面產(chǎn)生預(yù)接觸壓力ｐ０來實現(xiàn)初始密封，如圖４－９（ａ）所示；在密封腔充滿壓力油后，在液壓力ｐ的作用下，Ｏ形圈在油壓作用下被擠向密封槽的一側(cè)，封閉了間隙，同時變形增大，密封面上的壓力上升到ｐｍ，所以Ｏ形圈具有良好的密封作用，如圖４－９（ｂ）所示。密封圈在安裝時必須保證適當(dāng)?shù)念A(yù)壓縮量。預(yù)壓縮量過小不能起密封作用，過大則會使摩擦力增大，且易損壞。因此，安裝密封圈的溝槽形狀、尺寸和表面加工精度必須按有關(guān)手冊給出的數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。Ｏ形密封圈是液壓系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種密封元件，具有以下一些特點：上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用①密封性好，壽命較長；②用一個密封圈即可起到雙向密封的作用；③動摩擦阻力較小；④對油液的種類、溫度和壓力適應(yīng)性強(qiáng)；⑤體積小，質(zhì)量小，成本低；⑥結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便；⑦既可作動密封，又可作靜密封；⑧可在－４０℃～１２０℃較大的溫度范圍內(nèi)工作。但與唇形密封圈相比，Ｏ形密封圈的壽命較短，密封裝置機(jī)械部分的精度要求高。上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用（２）Ｙ形密封圈。Ｙ形密封圈如圖４－１０所示，整體呈圓形，截面呈Ｙ形，簡稱Ｙ形圈。它屬于唇形密封圈類，一般用耐油的丁腈橡膠制成。它是一種密封性、穩(wěn)定性和耐壓性較好，摩擦阻力小，壽命較長的密封圈，故應(yīng)用比較普遍，Ｙ形密封圈主要用于做往復(fù)運動裝置的密封。根據(jù)截面長寬比不同，Ｙ形圈可分為寬斷面和窄斷面兩種形式。寬斷面Ｙ形圈一般適用于工作壓力不大于２０ＭＰａ、工作溫度為－３０℃～１００℃、使用速度不大于０.５ｍ／ｓ的場合。窄斷面ＹＸ形圈是寬斷面Ｙ形圈的改型產(chǎn)品。其截面的長寬比大于２，因而不易翻轉(zhuǎn)，穩(wěn)定性好。上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用ＹＸ又有孔用和軸用之分，其短唇與密封面接觸，滑動摩擦阻力小，耐磨性好，壽命長；其長唇與非運動表面有較大的預(yù)壓縮量，摩擦阻力大，工作時不易竄動。ＹＸ形圈一般適用于工作壓力不大于３２ＭＰａ、使用溫度為－３０℃～１００℃的條件的工作。Ｙ形圈的密封作用是依賴于它的唇邊對耦合面的緊密接觸，并在壓力油作用下產(chǎn)生較大的接觸壓力，達(dá)到密封的目的。當(dāng)液壓力升高時，唇邊與耦合面貼得更緊，接觸壓力更高，并且Ｙ形圈在磨損后有一定的自動補償能力，故具有較好的密封性能。Ｙ形圈安裝時，唇口端應(yīng)對著液壓力高的一側(cè)。當(dāng)壓力變化較大、滑動速度較高時，要使用支承環(huán)，以固定密封圈。上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用（３）Ｖ形密封圈。Ｖ形密封圈由多層涂膠織物壓制而成，它的截面為Ｖ形。圖４－１１所示為Ｖ形密封圈裝置，由壓環(huán)、Ｖ形圈和支承環(huán)組成，使用時必須成套使用。它適宜在工作壓力不大于５０ＭＰａ、溫度為－４０℃～８０℃的條件下工作。當(dāng)工作壓力高于１０ＭＰａ時，可增加Ｖ形圈的數(shù)量，但最多不超過６個，以提高密封效果。安裝時，Ｖ形圈的開口應(yīng)面向壓力高的一側(cè)。Ｖ形密封圈密封具有以下優(yōu)點：①性能良好，耐高壓，壽命長；②通過調(diào)節(jié)壓緊力，可獲得最佳的密封效果；上一頁下一頁返回第一節(jié)挖掘機(jī)液壓執(zhí)行元件的選用③能在偏心狀態(tài)下可靠密封；④當(dāng)無法從軸向裝入時，可切交錯開口安裝，不影響密封效果。但Ｖ形密封裝置的摩擦阻力及結(jié)構(gòu)尺寸較大，檢修和拆裝不方便。它主要用于活塞及活塞桿的往復(fù)運動密封。４．緩沖裝置