《液壓與氣壓傳動技術(shù)》課件第4章

第4章液壓缸4.1液壓缸的類型和特點4.2液壓缸的結(jié)構(gòu)4.3液壓缸的設(shè)計與計算4.4液壓缸常見故障及分析思考和練習(xí)題

4.1液壓缸的類型和特點

4.1.1活塞式液壓缸

1.雙桿活塞缸圖4-1所示為雙桿活塞缸的原理圖。活塞兩側(cè)均裝有活塞桿。當(dāng)兩活塞桿直徑相同，供油壓力和流量不變時，活塞(或缸體)在兩個方向的運動速度和推力也都相等，

即

(4-1)(4-2)式中:v為活塞(或缸體)的運動速度；q為輸入液壓缸的流量；A為液壓缸的有效工作面積；

D為活塞直徑；d為活塞桿直徑;F為活塞(或缸體)上的液壓推力；p1為液壓缸的進(jìn)油壓力；p2為液壓缸的回油壓力。這種兩個方向等速、等力的特性使雙桿液壓缸特別適合應(yīng)用于雙向負(fù)載基本相等而又要求往復(fù)運動速度相同的場合，如平面磨床液壓系統(tǒng)。圖4-1雙桿活塞式液壓缸(a)缸體固定;(b)活塞桿固定

2.單桿活塞缸圖4-2所示為雙作用單桿活塞缸，缸體固定。它只在活塞的一側(cè)裝有活塞桿，因而兩腔有效作用面積不同，當(dāng)向缸的兩腔分別供油，供油壓力和流量不變時，活塞在兩個方向的運動速度和輸出推力皆不相等。

圖4-2單桿活塞式液壓缸(a)無桿腔進(jìn)油;

(b)有桿腔進(jìn)油

無桿腔進(jìn)油時(見圖4-2(a))，有桿腔回油。設(shè)活塞的運動速度為v1，推力為F1,則有(4-3)(4-4)有桿腔進(jìn)油時(見圖4-2(b))，無桿腔回油。設(shè)活塞的運動速度為v2，推力為F2，則有＝(4-3)(4-4)有桿腔進(jìn)油時(見圖4-2(b))，無桿腔回油。設(shè)活塞的運動速度為v2，推力為F2，則有＝(4-5)(4-6)式中:q為輸入液壓缸的流量；D為活塞直徑(即缸體內(nèi)徑)；d為活塞桿直徑；A1、A2分別為液壓缸無桿腔和有桿腔的活塞有效作用面積；F1、F2為活塞(或缸體)上的液壓推力；p1為液壓缸的進(jìn)油壓力；p2為液壓缸的回油壓力。

液壓缸往復(fù)運動時的速度比為

(4-7)上式表明，可以通過改變活塞與活塞桿的直徑比值，

來滿足兩個方向的不同速度要求。

單桿活塞缸還有另外一種非常重要的工作方式，即兩腔同時通入壓力油，如圖4－3所示，這種油路連接方式稱為差動連接。在忽略兩腔連通油路壓力損失的情況下，差動連接時液壓缸兩腔的油液壓力相等。但由于無桿腔受力面積大于有桿腔，活塞向右的作用力大于向左的作用力，活塞桿作伸出運動，并將有桿腔的油液擠出，流進(jìn)無桿腔，加快了活塞桿的伸出速度。

差動連接時，有桿腔排出流量q′=v3A2,進(jìn)入無桿腔，則有

故活塞桿的伸出速度v3為

(4-8)差動連接時，p2≈p1，活塞推力為F3，故

(4-9)圖4－3差動連接液壓缸4.1.2柱塞式液壓缸柱塞缸是單作用液壓缸，其工作原理如圖4-4所示。柱塞與工作部件連接,缸筒固定在機(jī)體上(也可以改變固定方式,使柱塞固定,缸筒帶動工作部件運動)。油液進(jìn)入缸筒，推動柱塞向右運動，但反方向時必須依靠其它外力或自重驅(qū)動。為了得到雙向運動，柱塞缸常成對反向布置使用，如圖4-4(b)所示。當(dāng)柱塞直徑為d，輸入液壓油的流量為q，壓力為p時，其產(chǎn)生的速度v和推力F為(4-10)(4-11)圖

4-4柱塞式液壓缸

4.1.3擺動缸擺動缸也稱擺動液壓馬達(dá),它有單葉片和雙葉片兩種結(jié)構(gòu)形式，如圖4-5所示。結(jié)構(gòu)中定子塊1固定在缸體4上，葉片2與擺動軸連為一體。當(dāng)兩油口交替通入壓力油時，在葉片的帶動下，它的主軸能輸出小于360°的擺動運動。

圖4-5(a)所示為單葉片式擺動缸，它的擺動角度較大，可達(dá)300°。當(dāng)擺動缸進(jìn)、出油口油液壓力為p1和p2，輸入流量為q時，它的輸出轉(zhuǎn)矩T和角度ω各為(4-12)(4-13)圖4-5擺動缸(a）單葉片式;(b）雙葉片式;(c）圖形符號

4.1.4組合式液壓缸

1.伸縮缸伸縮缸又稱多級缸，它由兩級或多級活塞缸套裝而成，前一級活塞缸的活塞是后一級活塞缸的缸筒。圖4-6所示為其結(jié)構(gòu)示意圖。工作時外伸動作逐級進(jìn)行，首先是最大直徑的缸筒外伸，當(dāng)其達(dá)到行程終點的時候，稍小直徑的缸筒開始外伸，這樣各級缸筒依次外伸。由于有效工作面積逐次減小，因此，當(dāng)輸入流量相同時，外伸速度逐次增大；當(dāng)負(fù)載恒定時，液壓缸的工作壓力逐次增高?？蛰d縮回的順序一般是從小活塞到大活塞，收縮后液壓缸總長度較短，結(jié)構(gòu)緊湊，適用于安裝空間受到限制而行程要求很長的場合。例如起重機(jī)伸縮臂液壓缸、

自卸汽車舉升液壓缸等。

圖4-6伸縮缸

2.齒條活塞缸齒條活塞缸又稱無桿式液壓缸，它由帶有齒條桿的雙活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)所組成，如圖4-7所示?；钊耐鶑?fù)移動經(jīng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成齒輪軸的周期性往復(fù)轉(zhuǎn)動。它多用于自動生產(chǎn)線、

組合機(jī)床等的轉(zhuǎn)位或分度機(jī)構(gòu)中。

圖

4-7齒條活塞缸

4.2液壓缸的結(jié)構(gòu)

4.2.1液壓缸的典型結(jié)構(gòu)圖4-8所示為雙桿活塞缸的典型結(jié)構(gòu)。它由缸筒7，前、后缸蓋3，前、后壓蓋11，前、后導(dǎo)向套4，活塞5，活塞桿1、10，兩套V形密封圈9及O形密封圈8等主要部分組成。

圖

4-8雙桿活塞缸的典型結(jié)構(gòu)

該液壓缸活塞桿固定，缸筒運動。當(dāng)壓力油從b、d孔進(jìn)入缸筒右腔時，缸筒向右運動，左腔油液從c、a孔排出；反之，缸筒向左運動。由于孔c、d與活塞端面保持一定距離，當(dāng)缸移動到兩頭時，兩孔通流口逐漸減少，起到節(jié)流緩沖的作用。缸蓋3上設(shè)有排氣孔（圖中未示出）。為了防止泄漏，該液壓缸在活塞與缸筒接觸處采用O形密封圈進(jìn)行密封；在活塞桿和導(dǎo)向套的接觸處安裝了兩套V形密封圈進(jìn)行密封。

圖4-9所示為單桿活塞缸的典型結(jié)構(gòu)。它主要由缸筒3，活塞2，活塞桿8，前、后缸蓋1、4，導(dǎo)向套6，拉桿7等組成。當(dāng)壓力油從a孔或b孔進(jìn)入缸筒3時，可使活塞實現(xiàn)往復(fù)運動，并利用設(shè)在缸兩端的緩沖及排氣裝置，減少沖擊和振動。為了防止泄漏，在缸筒與活塞、活塞桿與導(dǎo)向套以及缸筒與缸蓋等處均安裝了密封圈，并利用拉桿將缸筒、缸蓋等連接在一起。圖

4-9單桿活塞缸的典型結(jié)構(gòu)

4.2.2缸體組件

1.缸體組件的連接形式

圖4-10缸體組件的連接形式(a)法蘭式;(b)半環(huán)式;(c)外螺紋式;(d)內(nèi)螺紋式;(e)拉桿式;(f)焊接式

2.缸筒、端蓋和導(dǎo)向套

缸筒是液壓缸的主體，它與端蓋、活塞等零件構(gòu)成密閉的容腔，承受油壓，因此要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以便抵抗油液壓力和其它外力的作用。缸筒內(nèi)孔一般采用鏜削、鉸孔、滾壓或珩磨等精密加工工藝制造，要求表面粗糙度Ra值為0.1～0.4μm，以使活塞及其密封件、支承件能順利滑動和保證密封效果，減少磨損。為了防止腐蝕，缸筒內(nèi)表面有時需鍍鉻。端蓋裝在缸筒兩端，與缸筒形成密閉容腔，同樣承受很大的液壓力，因此它們及其連接部件都應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。設(shè)計時既要考慮強(qiáng)度，又要選擇工藝性較好的結(jié)構(gòu)形式。4.2.3活塞組件

1.活塞組件的連接形式圖4-11活塞與活塞桿的連接形式(a)整體式;(b)焊接式;(c)錐銷式;(d)、

(e)螺紋式;(f)、

(g)半環(huán)式

2.活塞和活塞桿

活塞受油壓的作用在缸筒內(nèi)作往復(fù)運動，因此，活塞必須具備一定的強(qiáng)度和良好的耐磨性?；钊话阌描T鐵制造?；钊慕Y(jié)構(gòu)通常分為整體式和組合式兩類(見圖4-11)?；钊麠U是連接活塞和工作部件的傳力零件，它必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。活塞桿無論是實心的還是空心的，通常都用鋼料制造?；钊麠U在導(dǎo)向套內(nèi)往復(fù)運動，其外圓表面應(yīng)當(dāng)耐磨并有防銹能力，故活塞桿外圓表面有時需鍍鉻。

4.2.4密封裝置液壓缸的密封裝置用以防止油液的泄漏(液壓缸一般不允許外泄，并要求內(nèi)泄漏盡可能小)。密封裝置設(shè)計的好壞對于液壓缸的靜、動態(tài)性能有著重要的影響。一般要求密封裝置應(yīng)具有良好的密封性，盡可能長的壽命，要制造簡單,拆裝方便,成本低。液壓缸的密封主要指活塞、活塞桿處的動密封和缸蓋等處的靜密封,如圖4-8與圖4－9中的O形密封圈和V形密封圈，以及組合式密封裝置。

4.2.5緩沖裝置

1.圓柱形環(huán)隙式緩沖裝置(圖4-12(a))此種緩沖裝置當(dāng)緩沖柱塞A進(jìn)入缸蓋上的內(nèi)孔時，缸蓋和活塞間形成環(huán)形緩沖油腔B，被封閉的油液只能經(jīng)環(huán)形間隙δ排出，產(chǎn)生緩沖壓力，從而實現(xiàn)減速緩沖。這種裝置在緩沖過程中，由于回油通道的節(jié)流面積不變，因而緩沖開始時，產(chǎn)生的緩沖制動力很大，其緩沖效果較差，液壓沖擊較大，且實現(xiàn)減速需較長行程。但這種裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于設(shè)計和降低成本，所以在一般系列化的成品液壓缸中常采用這種緩沖裝置。

2.圓錐形環(huán)隙式緩沖裝置(圖4-12(b))此種緩沖裝置由于緩沖柱塞A為圓錐形，因此緩沖環(huán)形間隙δ隨位移量不同而改變，即節(jié)流面積隨緩沖行程的增大而縮小，使機(jī)械能的吸收較均勻，其緩沖效果較好，但仍有液壓沖擊。

3.可變節(jié)流槽式緩沖裝置(圖4-12(c))此種緩沖裝置在緩沖柱塞A上開有三角節(jié)流溝槽，節(jié)流面積隨著緩沖行程的增大而逐漸減小，其緩沖壓力變化較平緩。

4.可調(diào)節(jié)流孔式緩沖裝置(圖4-12(d))此種緩沖裝置當(dāng)緩沖柱塞A進(jìn)入到缸蓋內(nèi)孔時，回油口被柱塞堵住，只能通過節(jié)流閥C回油，調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度，可以控制回油量，從而控制活塞的緩沖速度。當(dāng)活塞反向運動時，壓力油通過單向閥D很快進(jìn)入液壓缸內(nèi)，并作用在活塞的整個有效面積上，故活塞不會因推力不足而產(chǎn)生啟動緩慢現(xiàn)象。這種緩沖裝置可以根據(jù)負(fù)載情況調(diào)整節(jié)流閥開度的大小，改變緩沖壓力的大小，

因此適用范圍較廣。

圖4-12液壓缸的緩沖裝置(a)圓柱形環(huán)隙式;(b)圓錐形環(huán)隙式;(c)可變節(jié)流槽式;(d)可調(diào)節(jié)流孔式

4.2.6排氣裝置在液壓系統(tǒng)安裝時或停止工作后又重新啟動時，必須把液壓系統(tǒng)中的空氣排出去。對于要求不高的液壓缸往往不設(shè)專門的排氣裝置，而是將油口布置在缸筒兩端的最高處，通過回油使缸內(nèi)的空氣排往油箱，再從油面逸出，對于速度穩(wěn)定性要求較高的液壓缸或大型液壓缸，常在液壓缸兩側(cè)的最高位置處(該處往往是空氣聚積的地方)設(shè)置專門的排氣裝置。常用的排氣裝置有兩種形式，如圖4-13所示。

圖4-13液壓缸的排氣結(jié)構(gòu)

4.3液壓缸的設(shè)計與計算

4.3.1液壓缸設(shè)計中應(yīng)注意的問題

(1)盡量使液壓缸的活塞桿在受拉狀態(tài)下承受最大負(fù)載，若是受壓狀態(tài),應(yīng)具有良好的縱向穩(wěn)定性。

(2)根據(jù)實際工況，考慮液壓缸行程終了處的制動問題和液壓缸的排氣問題。

(3)根據(jù)主機(jī)的工作要求和結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，正確選擇液壓缸的安裝和固定方式。但考慮到液壓缸的熱脹冷縮，液壓缸只能一端定位。

(4)液壓缸各部分的結(jié)構(gòu)需根據(jù)推薦的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，盡可能做到結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，加工、裝配和維修方便。

4.3.2液壓缸主要尺寸的計算

1．液壓缸內(nèi)徑D液壓缸內(nèi)徑D根據(jù)最大總負(fù)載和選取的工作壓力來確定。一般液壓缸設(shè)計中，常初步選取回油壓力為0，則對單桿缸而言，

無桿腔進(jìn)油時，

由式(4-4)得（4-14）

有桿腔進(jìn)油時

（4-15）

2.活塞桿直徑d活塞桿直徑d可根據(jù)工作壓力或設(shè)備類型選取，見表4-1和表4-2。當(dāng)液壓缸的往復(fù)速度比λv有一定要求時，由式(4-7)得（4-16）

表

4-1液壓缸工作壓力與活塞桿直徑

表

4-2設(shè)備類型與活塞桿直徑

表

4-3液壓缸往復(fù)速度比推薦值

3.液壓缸缸筒長度

液壓缸的缸筒長度L由液壓缸最大工作行程、活塞寬度、活塞桿導(dǎo)向套長度、活塞桿密封長度和特殊要求的其它長度確定。其中，活塞寬度B=(0.6～1.0)D；導(dǎo)向套長度在D＜80mm時，C=(0.6～1.0)D，在D≥80mm時，C=(0.6～1.0)d。為減小加工難度，一般液壓缸缸筒長度不應(yīng)超過其內(nèi)徑的20倍。4.4液壓缸常見故障及分析

液壓缸的故障有很多種，在實際使用中經(jīng)常出現(xiàn)的故障主要表現(xiàn)為推力不足或動作失靈，出現(xiàn)爬行、泄漏、液壓沖擊以及振動等。這些故障有時單個出現(xiàn)，有時會幾種現(xiàn)象同時出現(xiàn)。

液壓缸常見故障與排除方法如表4-4所示。

表

4-4液壓缸常見故障與排除方法

表

4-4液壓缸常見故障與排除方法

思考和練習(xí)題

4-1什么是液壓缸的差動連接？差動連接應(yīng)用在什么場合？

4-2當(dāng)機(jī)床工作臺的行程較長時應(yīng)采用什么類型的液壓缸？這時如何實現(xiàn)工作臺的往復(fù)運動？

4-3已知單桿液壓缸缸筒內(nèi)徑D=100mm，活塞桿直徑d=50mm，工作壓力p1=2MPa，流量q=10L/min，回油壓力p2=0.5MPa。