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第四章液压缸本章学习要求1 掌握双杆活塞缸 单杆活塞缸 柱塞缸 伸缩缸 齿条缸的工作原理 特点及应用 2 掌握液压缸的推力 速度计算 3 熟悉液压缸缸体组件 活塞组件 密封装置 缓冲装置 排气装置的常用结构 4 熟悉液压缸图形符号的规定画法 第一节液压缸的类型和特点有活塞式 柱塞式 组合式三种类型 一 活塞式液压缸1 双杆活塞式液压缸 见图4 1 1 特点 1 活塞两侧均装有活塞杆 2 当杆径相同 供油压力和流量不变时 双向等速 等力 活塞运动速度v 4qv D2 d2 活塞液压推力F D2 d2 p1 p2 4 2 应用多用于机械加工设备磨床系统 图4 1 2 单杆活塞式液压缸 见图4 2 1 特点主要是 1 在活塞的一侧装有活塞杆 两腔有效作用面积不等 2 当两腔分别供油压力 流量不变时 往返速度 推力不等 第一种情况 无杆腔进油时 v1 4qv D2F1 D2 p1 p2 4 d2p2 4第二种情况 有杆腔进油时 v2 4qv D2 d2 F2 D2 p1 p2 4 d2p1 4 图4 2 第三种情况 两腔同时通入压力油 如图4 3所示 油路差动连接 p2 p1 时 活塞杆伸出速度v3 4qv d2活塞推力F3 d2p1 4 2 应用单杆缸的上述三种油路连接情况常用于组合机床的液压动力滑台和各类专用机床的进给运动 这时 液压系统通过控制阀来改变单杆缸的油路连接 使其有不同的工作方式 从而获得快进 差动连接 工进 无杆腔进油 快退 有杆腔进油 的工作循环 二 柱塞式液压缸 1 特点主要是 1 柱塞与导向套配合 不与缸筒接触 因而工艺性好 成本低 特别适用于工作行程较长的场合 见图4 4a 2 为了得到双向运动 柱塞缸常成对使用 见图4 4b 2 应用常用于长行程机床 如龙门刨床 导轨磨床 大型拉床等 三 组合式液压虹1 伸缩缸 见图4 5 1 特点结构紧凑 但工艺性差 2 应用适用于安装空间受到限制而行程要求很长的场合 如起重机伸缩臂液压缸 自卸汽车举升液压缸等 3 增压缸 见图4 6 3 齿条活塞缸 见图4 6 1 特点活塞的往复移动经齿轮齿条机构变成齿轮轴的往复转动 2 应用多用于自动线 组合机床等设备的转位或分度机构中 第二节液压缸的结构图4 7所示为液压滑台液压缸的典型结构 它由缸体组件 缸筒 端盖等 活塞组件 活塞 活塞杆等 密封装置等基本部分所组成 有的液压缸还设有缓冲装置和排气装置 一 缸体组件 见图4 8 缸体组件包括缸筒 端盖及其连接件 1 缸体组件的连接形式2 缸筒 端盖和导向套 二 活塞组件 见图4 9 1 活塞组件的连接形式2 活塞和活塞杆 图4 9 三 密封装置密封装置主要用来防止液压油的泄漏 密封分为动密封和静密封两大类 设计或选用密封装置的基本要求是 具有良好的密封性能 摩擦阻力小 密封件耐油性 抗腐蚀性好 耐磨性好 使用寿命长 使用的温度范围广 制造简单 装拆方便 常见的密封方法有间隙密封 活塞环密封和密封圈密封 一 间隙密封 1 密封原理依靠相对运动零件配合面间的微小间隙来防止泄漏 2 环形沟槽 称平衡槽 的作用是 1 使活塞能自动对中 减少了摩擦力 2 增大了油液泄漏的阻力 减小了偏心量 提高了密封性能 3 储存油液 使活塞能自动润滑 3 特点及应用结构简单 摩擦力小 经久耐用 但对零件的加工精度要求较高 且难以完全消除泄漏 故只适用于低压 小直径的快速液压缸中 二 活塞环密封 1 密封原理活塞环密封依靠装在活塞环形槽内的弹性金属环紧贴缸筒内壁实现密封 如图4 10所示 2 特点及应用其密封效果较间隙密封好 适应的压力和温度范围很宽 能自动补偿磨损和温度变化的影响 能在高速条件下工作 摩擦力小 工作可靠 寿命长 但因活塞环与其相对应的滑动面之间为金属接触 故不能完全密封 且活塞环的加工复杂 缸筒内表面加工精度要求高 一般用于高压 高速和高温的场合 三 密封圈密封密封圈密封是液压系统中应用最广泛的一种密封形式 密封圈有O形 Y形 v形及组合式等数种 其材料为耐油橡胶 尼龙等 1 O形密封圈 1 密封原理O形密封圈的截面为圆形 它属于挤压密封 其密封原理及挡圈设置如图4 11 4 12所示 2 特点及应用结构简单紧凑 摩擦力较其它密封圈小 装拆方便 密封可靠 成本低 但寿命较短 密封装置机械部分的精度要求高 启动摩擦阻力较大 主要用于静密封和滑动密封 2 Y形密封圈 1 密封原理密封圈截面呈Y形 属唇形密封圈 Y形圈的密封作用是依赖于它的唇边对偶合面的紧密接触 在液压力的作用下产生较大的接触压力 达到密封的目的 2 特点及应用Y形密封圈的密封性 稳定性和耐压性都较好 摩擦阻力小 寿命较长 但与O形圈相比 密封装置机械部分的尺寸较大 Y形圈使用广泛 主要用于往复运动的密封 图4 13 4 14分别示出宽 窄断面Y形圈的使用安装情况 3 V形密封圈 1 密封原理V形圈的截面为V形 如图4 15所示 V形密封装置是由压环 V形圈和支承环组成 所采用的V形圈的数量可根据工作压力来选定 安装时 V形圈的开口应而向压力高的一侧 2 特点及应用V形圈密封性能良好 耐高压 寿命长 通过选择适当的V形圈个数和调节压紧力 可获得最佳的密封效果 但V形密封装置的摩擦阻力及轴向结构尺寸较大 它主要用于活塞及活塞杆的往复运动密封 4 组合式密封随着液压技术的应用日益广泛 普通的密封圈单独使用已不能很好地满足密封性能要求 特别是使用寿命和可靠性方面的要求 因此 研究和开发了组合式密封装置 图4 16a所示为O形密封圈与截面为矩形的聚四氟乙烯塑料滑环组成的组合密封装置 图4 16b所示为由支持环和O形圈组成的轴用组合密封 5 防尘圈防尘圈设置在活塞杆或柱塞密封圈的外部 防止外界灰尘 砂粒等异物进入液压缸内 目前常用的防尘圈一般为唇形 按其有无骨架分为骨架式和无骨架式两种 其中以无骨架式防尘圈应用最普遍 如图4 17所示 四 缓冲装置当液压缸拖动质量较大的部件快速运动到缸的终端时 会与端盖发生机械碰撞 产生很大的冲击和噪声 会引起液压缸的损坏 故一般应在液压缸内设置缓冲装置 或在液压系统中设置缓冲回路 缓冲的一般原理是 当活塞快速运动到接近缸盖时 通过节流的方法增大了回油阻力 使液压缸的排油腔产生足够的缓冲压力 活塞因运动受阻而减速 从而避免与缸盖快速相撞 常见的缓冲装置如图4 18所示 1 圆柱形环隙式缓冲装置 图4 18a 2 圆锥形环隙式缓冲装置 图4 18b 3 可变节流槽式缓冲装置 图4 18c 4 可调节流孔式缓冲装置 图4 18d 五 排气装置液压系统往往会混入空气 使系统工作不稳定 产生振动 噪声及工作部件爬行和前冲等现象 因此设计液压缸时必须考虑排气 对于要求不高的液压缸往往不设专门的排气装置 而是将油口布置在缸筒两端的最高处 这样能使空气随油液排往油箱 再从油面逸出 对于速度稳定性要求较高的液压缸或大型液压缸 常在液压缸两侧的最高位置处设置专门的排气装置 如排气塞 排气阀等 图4 19所示为排气塞 当松开排气塞螺钉后 让液压缸全行程空载往复运动若干次 带有气泡的油液就会排出 然后再拧紧排气塞螺钉 液压缸便可正常工作 第三节液压缸的设计与计算液压缸的结构设计可参考前一节 本节着重介绍液压缸主要尺寸的计算及强度的验算方法 一 液压虹主要尺寸的计算液压缸的主要几何尺寸 包括液压缸内径D 活塞杆直径d和液压缸缸筒长度l 一 液压缸内径D液压缸内径D的计算通常有两种方法 1 根据最大总负载和选取的工作压力来确定液压缸设计中 常初步选取回油压力p2 0 对单杠缸而言 无杆腔进油时 有D 4F1 p1 1 2有杆腔进油时 有D 4F2 p1 d2 1 2 2 根据执行机构的速度要求和选定的液压泵流量来确定同样对单杆缸而言 无杆腔进油时 D 4qv v1 1 2有杆腔进油时 D 4qv v2 d2 1 2计算所得的液压缸内径D 即活塞直径 应圆整为标准系列值 可查液压设计手册 二 活塞杆直径d活塞杆直径d可根据工作压力或设备类型选取 见表4 1和表4 2 计算所得活塞杆直径d亦应圆整为标准系列值 可查液压设计手册 三 液压缸缸筒长度L液压缸的缸筒长度L由液压缸最大行程 活塞宽度 活塞杆导向套长度 活塞杆密封长度和特殊要求的其它长度确定 其中 活塞宽度B 0 1 1 0 D 导向套长度C 当D 80mm时 C 0 6 1 0 D 当D 80mm时 C 0 6 1 0 d 为减小加工难度 一般液压缸缸筒长度不应大干内径的20 30倍 二 液压缸的校核1 缸筒壁厚 的校核对于低压系统 缸筒壁厚往往由结构要求来确定 此时壁厚一般都能满足强度要求 中 高压缸一般用无缝钢管作缸筒 属薄壁筒 D 0 08 可按材料力学薄壁圆筒公式验算壁厚 当液压缸采用铸造缸筒时 壁厚由铸造工艺确定 这时应按厚壁圆筒公式验算壁厚 当 D 0 08 0 3时 可用实用公式验算 当 D 0 3时 可用下式验算 式中D 缸筒内径 pmax 缸筒内的最高工作压力 缸筒材料的许用应力 b n b为缸筒材料的抗拉强度 n为安全系数 一般取n 3 5 5 2 液压缸缸盖固定螺栓直径d1的校核液压缸缸盖固定螺栓在工作过程中同时承受拉应