第五章 液压缸

液压缸第五章◆活塞缸◆柱塞缸◆组合缸按结构形式液压缸可分为：输入：压力和流量输出：推力和速度除单个使用外，为实现特殊功能液压缸还可组合或与其它机构相结合。§5.1液压缸的类型和特点液压缸(执行元件)：压力能机械能实现直线往复运动。

单作用式：液体或气体只控制缸一腔单向运动；

双作用式：液体或气体控制缸两腔实现双向运动。按作用方式可分为：一、活塞缸1.双杆活塞缸

结构特点：两侧有效工作面积一样。推力和速度：工作压力和输入流量不变时，两方向输出的推力和速度是相等的。应用：两个方向力和速度一样的场合。职能符号：l—活塞有效工作行程L—工作台的移动范围缸固定L=3l杆固定

L=2l安装方式缸固定，活塞移动L

工作台移动范围约为活塞有效行程的3倍，适用于小型设备中。活塞杆固定，缸移动L

工作台移动范围约为活塞有效行程的2倍，适用于较大型设备中。2.单杆活塞缸进、出油口的布置据安装方式而定。可缸筒固定，也可活塞杆固定。工作台移动范围都是活塞(或缸筒)有效行程的两倍。无杆腔进油腔回油腔有杆腔工作原理：因两侧有效作用面积或油液压力不等，活塞在液压推力的作用下，作直线往复运动。职能符号单杆双作用活塞缸双向液压驱动单杆单作用活塞缸单向液压驱动，回程靠外力推力及速度：式中：p1—进油压力；p2—回油压力。例：液压刨床差动缸：单杆活塞缸的左右两腔都接通高压油时称为“差动连接”。结论：差动连接后，速度大，推力小。q1q2pq

差动连接时活塞(或缸筒)只能向一个方向运动，要使它反向运动，油路接法须与非差动式连接相同。二、柱塞缸单柱塞缸：单向液压驱动，回程靠外力。双柱塞缸：双向液压驱动推力及速度：应用：行程较长的场合。职能符号：

缸体内孔和柱塞没有配合，不需精加工柱塞外圆面比内孔加工容易。三、其它液压缸1、增压缸：如由活塞缸和柱塞缸组成的增压缸，利用活塞和柱塞有效面积的不同获得局部区域的高压。输入活塞缸的液体压力为p1，柱塞缸输出的高液体压力p2为：

2、伸缩缸：由两个或多个活塞缸套装而成，前一级活塞缸的活塞是后一级活塞缸的缸筒，伸出时可获得很长的工作行程，缩回时可保持很小结构尺寸。1．一级缸筒2．一级活塞3．二级缸筒4．二级活塞3、齿轮缸：由两个柱塞缸和一套齿轮齿条传动装置组成。柱塞的移动经齿轮齿条传动装置变成齿轮的转动，实现工件的往复摆动或间歇进给运动。齿轮缸§5.2液压缸的典型结构和组成液压缸的组成：液压缸基本结构可分为缸桶、缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置和排气装置五部分。(一)缸筒和缸盖通常缸筒和缸盖的结构形式和使用的材料有关：工作压力p<10MPa时使用铸铁；

p<20MPa时使用无缝钢管；

p>20MPa时使用铸钢或锻钢缸筒缸盖缸盖缸盖缸筒缸筒压板半环缸盖防松螺帽(二)活塞和活塞杆常见结构形式：螺纹式、半环式和锥销式连接等。螺纹式连接结构简单,装拆方便,但在高压大负载下需备有螺帽防松装置。半环式连接结构较负杂,装拆不便,但工作较可靠。活塞材料为耐磨铸铁。活塞杆材料为钢料(实心及空心)。此外,活塞和活塞杆也可制成整体结构,适用尺寸较小的场合。(三)密封装置间隙密封：依靠运动间的微小间隙防止泄漏。为提高密封能力，常在活塞表面上制出几条细小环形槽，以增大油液通过间隙时的阻力。摩擦环密封：依靠套在活塞上的摩擦环在O形密封圈弹力作用下贴紧缸壁而防止泄漏。适用于缸筒和活塞之间的密封。

O形密封圈和V形密封圈：利用橡胶或塑料的弹性使各种截面的环形圈贴紧在静、动配合面之间来防止泄漏。缸筒和活塞之间、缸盖和活塞杆之间、活塞和活塞杆之间、缸筒和缸盖之间都能使用。

间隙密封,摩擦环密封,O型密封,V型密封。(四)缓冲装置工作原理：利用活塞或缸筒在其走向行程终端时，在活塞和缸盖之间封住一部分油液,强迫它从小孔或细缝中挤出,以产生很大的阻力,使工作部件受到制动,逐渐减慢运动速度,达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。(五)排气装置

在安装过程中或长时间停放重新工作时，液压缸和管道系统中会渗入空气，为防止执行元件出现爬行、噪声和发热等不正常现象，需把缸中和系统中的空气排出。§5.3液压缸的设计和计算

经对液压系统进行工况分析、编制负载图及选定系统工作压力后，可开始液压缸的设计：选择结构类型；确定主要工作尺寸，进行强度、稳定性和缓冲验算；进行结构设计。

一、液压缸的设计内容和步骤

选择液压缸的类型和各部分结构形式；确定液压缸的工作参数和结构尺寸；结构强度、刚度的计算和校核；导向、密封、防尘、排气和缓冲等装置的设计；绘制装配图、零件图、编写设计说明书。二、液压缸主要尺寸的确定

液压缸结构尺寸主要有三个：缸筒内径D；活塞杆外径d；

缸筒长度L。(1)缸筒内径D：

根据负载大小来选定工作压力或运动速度和输入的流量。求得液压缸的有效工作面积，从而得到缸筒内径D，再从GB2348—2001标准中选取最近的标准值作为所设计的缸筒内径。※按国标圆整为标准尺寸。以无杆腔作工作腔时：以有杆腔作工作腔时：式中：pI—缸工作腔的工作压力，可根据机床类型或负载的大小来确定；

Fmax—最大作用负载。

按速度比λv确定：按工作压力确定：(2)活塞杆外径d：

可根据满足速度或速度比的要求来选择，也可根据活塞杆受力状况来确定。※按国标圆整为标准尺寸。(3)缸筒长度L：根据最大工作行程长度及各种结构需要来确定，即：一般缸筒的长度最好不超过内径的20倍。L=l+B+A+M+C式中：l—活塞的最大工作行程；

B—活塞宽度，一般为(0.6-1)D;

A—活塞杆导向长度，取(0.6-1.5)D;

M—活塞杆密封长度，由密封方式定；

C—其他长度。三、强度校核

液压缸的缸筒壁厚δ、活塞杆直径d和缸盖固定螺栓的直径，在高压系统中必须进行强度校核。

(1)缸筒壁厚δ

：缸筒壁厚校核时分薄壁和厚壁两种情况：式中：py—缸筒试验压力[σ]—缸筒材料的许用应力。σb—材料抗拉强度n—安全系数，一般取n=5缸筒外径：※圆整为标准壁厚。(2)活塞杆直径按下式校核：式中：[σ]—活塞杆材料的许用应力；σb—抗拉强度；n—安全系数，n=1.4~2。(3)液压缸盖固定螺栓直径按下式校核：式中：F—液压缸负载；Z—固定螺栓个数；

k—螺纹拧紧系数，k=1.12～1.5；［σ］=σs/(1.2-2.5),σs—材料屈服极限。四、稳定性校核

活塞杆受轴向压缩负载时，应使活塞杆承受的力F不能超过稳定工作所允许的临界负载Fk,以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。

稳定条件：式中：F

—活塞杆所受最大压力；

Fk—活塞杆的稳定临界力；

nk—稳定安全系数，一般取nk=2~4。式中：l—安装长度；

rk—活塞杆截面最小回转半径ψ1—柔性系数；ψ2

—末端系数（由液压缸的支承方式决定）

E

—活塞杆材料弹性模量；

J—活塞杆截面惯性矩；

A

—活塞杆横截面积。稳定临界力Fk的确定：当细长比时：式中：f

—由材料强度决定的实验值；

a—系数，具体数值见P100表5-4。当细长比时：五、缓冲计算

缓冲计算主要是估计缓冲时缸中出现的最大冲击压力，以便用来校核缸筒强度、制动距离是否符合要求。

液压缸在缓冲时，背压腔内产生的液压能E1和工作部件产生的机械能E2分别为：E1=pcAclc

式中：pc—缓冲腔中的平均缓冲压力；

pp—高压腔中的油液压力；

Ac、Ap—缓冲腔、高压腔的有效工作面积；

lc—缓冲行程长度；m—工作部件质量；

v0—工作部件运动速度；Ff—摩擦力。当E1=E2时，工作部件的机械能全部被缓冲腔液体所吸收，则：pc=E2/Aclc

若缓冲装置为节流口可调式缓冲装置，缓冲过程中压力逐渐降低，假定缓冲压力线性地降低，则最大缓冲压力即冲击压力为：

如缓冲装置为节流口变化式缓冲装置，则由于缓冲压力Pc始终不变，最大缓冲压力的值如上式。