泵控液压缸技术 课件 第5章液压缸类型与设计

泵控液压缸技术泵控液压缸技术液压缸55.1液压缸分类及特点1.1液压缸原理—应用领域液压缸原理及分类第1节模拟器压机试验机冶金机械航空航天国防装备1.1液压缸原理液压缸主要包括活塞、活塞杆、缸体、端盖等。根据支撑形式、供油方向与结构形式等，液压缸类型有很多，按照供油方式可分为单作用液压缸与双作用液压缸。单作用液压缸特点是仅有一个油腔与动力源连接，液压缸在动力源压力油作用下仅可伸出或缩回，而反方向运动则需通过弹簧或者外部负载力使活塞运动。双作用液压缸的油腔均与动力源连接，在液压油作用下活塞杆可双向运动，伸出和缩回均可靠油液压力实现。液压缸原理及分类第1节液压缸结构原理1.1液压缸原理液压缸主要包括活塞、活塞杆、缸体、端盖等。根据支撑形式、供油方向与结构形式等，液压缸类型有很多，按照供油方式可分为单作用液压缸与双作用液压缸。单作用液压缸特点是仅有一个油腔与动力源连接，液压缸在动力源压力油作用下仅可伸出或缩回，而反方向运动则需通过弹簧或者外部负载力使活塞运动。双作用液压缸的油腔均与动力源连接，在液压油作用下活塞杆可双向运动，伸出和缩回均可靠油液压力实现。液压缸原理及分类第1节双作用液压缸工作原理1.2单出杆液压缸单出杆液压缸一端有活塞缸伸出，两腔有效作用面积不相等，在输出相同流量时，液压缸伸出与缩回的运动速度不同，且相同压力作用于不同油腔时，两个方向的输出力不同。液压缸原理及分类第1节活塞杆伸出时的输出力活塞杆缩回时的输出力AA—单出杆液压缸无杆腔面积AB—为单出杆液压缸有杆腔面积pA—单出杆液压缸无杆腔压力pB—单出杆液压缸有杆腔压力D—液压缸活塞直d—液压缸活塞杆直径ηm—为液压缸机械效率

1.2单出杆液压缸单出杆液压缸输入相同流量时，活塞杆伸出与缩回速度与活塞面积和活塞杆面积有关，两者面积差越大，液压缸活塞杆伸出与缩回时的速度差值越大。由于活塞面积始终大于活塞杆面积，单出杆液压缸活塞杆伸出速度始终小于缩回速度。液压缸原理及分类第1节单出杆液压缸伸出与缩回速度ve与vr分别为q—输入液压缸的流量

ηc—液压缸容积效率φ=vr/ve通常称为单出杆液压缸的往返速度比φ1.061.121.251.401.602.002.505.00d/D0.250.320.450.550.630.700.800.90表1液压缸速度比标准1.3双出杆液压缸双出杆液压缸的两个活塞杆安装于活塞两侧，活塞杆在两侧油液作用下可双向伸出或缩回。双出杆液压缸两端活塞杆直径相同，因此两腔等效作用面积相同，活塞移动过程中，双出杆液压缸两腔油液流量相同。液压缸原理及分类第1节双出杆液压缸结构原理双出杆液压缸两腔输入相同的流量和压力时，双出杆液压缸两端活塞杆输出力与速度相同。A—双出杆液压缸有效作用面积pA—双出杆液压缸左腔压力pB—双出杆液压缸右腔压力D—液压缸活塞直d—液压缸活塞杆直径ηm—为液压缸机械效率q—输入液压缸的流量

ηc—液压缸容积效率输出力速度1.4对称单出杆液压缸对称单杆液压缸的活塞与缸体、柱塞杆与中空活塞杆等配合将液压缸划分为3个容腔，分别为容腔A、容腔B与容腔C。为实现液压泵流量与对称单出杆液压缸流量相匹配，容腔A与容腔B的有效面积被设计为相等。液压缸原理及分类第1节对称单出杆液压缸结构原理对称单出杆液压缸与双出杆液压缸作用机理基本相似，当分别向对称单出杆液压缸输入相同的流量和压力时，对称杆液压缸伸出与缩回过程所受输出力与运行速度相同。对称单出杆液压缸驱动原理1.5多腔液压缸多腔液压缸主要包括缸体、活塞、中空活塞杆、柱塞杆等，柱塞杆与缸体之间形成容腔A，中空活塞杆与缸体之间形成容腔B、与缸体端部形成容腔C、与柱塞杆之间形成容腔D。液压油压力作用于多腔液压缸的容腔A和容腔C，输出力使活塞杆伸出，作用于多腔液压缸的容腔B和容腔D，输出力使活塞杆缩回。液压缸原理及分类第1节多腔液压缸结构原理多腔液压缸的输出力方程容腔C有效作用面积可与容腔B相同，当液压泵与容腔B和容腔C连通时，实现泵直驱双出杆液压缸的效果，其余两腔与其他液压驱动回路连接，实现多腔液压缸输出力控制。1.6摆动液压缸-齿条式摆动液压缸摆动液压缸是指将液压能转换为活塞轴的往复旋转运动的一种液压缸，可以分为齿条式或叶片式两种。齿条式摆动液压缸采用齿轮齿条机械传动与液压缸传动相结合的一种液压缸。齿条两端分别装配活塞，在缸体两端形成封闭油腔，齿条与齿轮啮合，齿轮连接输出轴，根据齿条数量可分为单齿条结构与双齿条结构。压力差作用下，活塞带动齿条作直线运动，齿条进一步驱动齿轮，将直线运动转换为输出轴的往复旋转运动。液压缸原理及分类第1节齿条式摆动液压缸D—齿条活塞直径

Di—齿轮分度圆直径

ηv—摆动液压缸容积效率

x—摆动液压缸行程单齿条结构双齿条结构输出转矩输出转速齿条式摆动液压缸的传动轴转动角度与活塞行程、齿轮分度圆直径有关，传动轴的摆动角度与齿条的长度成正比，因此传动轴转动角度可以任意选择，并能大于360°。输出角度1.6摆动液压缸-齿条式摆动液压缸摆动液压缸是指将液压能转换为活塞轴的往复旋转运动的一种液压缸，可以分为齿条式或叶片式两种。叶片式摆动液压缸的叶片和传动轴连接，安装于具有封闭环形槽的缸体中，环形槽内通入油液会驱动叶片双向转动，从而带动传动轴往复旋转。叶片摆动液压缸又分为单叶片摆动液压缸和多叶片摆动液压缸，受定子和叶片尺寸限制，单叶片摆动液压缸能转动的最大角度为280度，多叶片摆动液压缸能转动的最大角度为150度。液压缸原理及分类第1节叶片式摆动液压缸z—叶片数量b—叶片宽度D—缸体内部直径d—叶片轴直径输出转矩（a）单叶片摆动液压缸（b）双叶片摆动液压缸输出转速pA—容腔A压力pB—容腔B压力q—输入流量谢谢太原理工大学机电装备节能与智能控制技术团队泵控液压缸技术泵控液压缸技术液压缸55.2液压缸基本参数设计2.1基本参数设计液压缸-基本设计第2节液压缸设计负载力运动速度活塞直径活塞杆直径活塞杆行程运动范围缸体壁厚强度校核2.1基本参数设计液压缸在作业机构满负荷工况的输出力称为工作负载FR，主要包括惯性力、摩擦力、负载力等。为满足作业需求，液压缸输出力F应等于或略大于执行机构满负荷作业过程中的负载力。液压缸-基本设计第2节FL—作业机构作用于液压缸的外负载力，Ff—作业机满负荷启动时的静摩擦力，Fa—作业机构的惯性力。（1）工作负载与液压缸输出力（2）运动速度液压缸的运行速度需根据作业机构需求进行配置，同时液压缸速度受输入流量、活塞和活塞杆直径影响。若作业机构对液压缸速度有要求，应根据液压缸速度需求、活塞和活塞杆直径对液压泵参数进行选择；若作业机构对液压缸速度没有要求，液压缸的速度则根据选择的液压泵流量、活塞和活塞杆直径确定。2.1基本参数设计液压缸活塞和活塞杆直径一般根据液压系统最大输出力、工作压力、运动速度等进行设计。液压缸-基本设计第2节（3）活塞与活塞杆直径对于单出杆液压缸，无杆腔进油，当要求输出力为F1时

对于单出杆液压缸，有杆腔进油，当要求输出力为F2时

2.1基本参数设计液压缸活塞直径一般根据输出力、运动速度等进行参数设计。液压缸-基本设计第2节（3）活塞与活塞杆直径对于液压缸无杆腔，当要求输出力为F1时

对于液压缸有杆腔，当要求输出力为F2时

液压缸的活塞直径根据上述四个公式中的最大值确定。根据液压系统提供给液压缸的流量，设计液压缸的活塞直径。对于液压缸无杆腔，当要求运动速度为v1对于液压缸有杆腔，当要求运动速度为v2，活塞杆直径d首先根据液压缸速比φ进行确定2.1基本参数设计液压缸-基本设计第2节（4）液压缸导向导向套的长度一般因液压缸的大小和活塞杆密封的种类和用途而异，但一般应在活塞杆直径的0.6倍以上，以保证活塞杆有足够的稳定度。液压缸导向长度

L—液压缸最大行程在常规液压缸中，活塞的宽度一般为活塞直径的0.6-1.0倍，导向套滑动面的长度，在D＜80mm时，取A=(0.6~1.0)D，在D>80mm时，取A=(0.6~1.0)d。为保证最小导向长度，必要时可在导向套与活塞之间增设隔套，隔套的长度由最小导向长度H决定。普通导向套安装在支承座或端盖上，油槽内的压力油起润滑作用和张开密封圈唇边而起密封作用。2.2结构强度校核通过强度条件计算缸筒壁厚，从而确定液压缸缸筒外径D1。液压缸-基本设计第2节当缸筒壁厚δ与活塞直径D之比小于0.1时，成为薄壁缸筒，壁厚按材料力学薄壁圆通公式计算。σb—缸筒材料的抗拉强度极限，n为安全系数，一般取n=5当缸筒壁厚δ与活塞直径D之比大于等于0.1时

，称为厚壁缸筒，壁厚按材料力学第二强度理论计算。

液压缸缸筒壁厚确定后，便可求得液压缸缸筒外径。2.2结构强度校核液压缸-基本设计第2节液压缸的稳定临界力与活塞杆和缸体的材料、长度、刚度及其两端支撑等因素有关。当活塞杆完全伸出时，液压缸固定点之间的距离l与活塞杆直径d比值大于10时，需对液压缸稳定性进行校核。当λ=μl/r>λ1时，液压缸的临界力FK为λ—活塞杆的柔性系数，μ—长度折算系数E—活塞杆材料的纵向弹性模量，I—活塞杆端面的最小惯性矩当λ1<λ<λ2，活塞杆属于中柔度杆，按雅辛斯基公式验算。材料abλ1λ2钢（A3）310011.4010561钢（A5）460036.1710060硅钢589038.1710060铸铁770012080—表2活塞杆材料相关系数液压缸长度折算系数谢谢太原理工大学机电装备节能与智能控制技术团队泵控液压缸技术泵控液压缸技术液压缸55.3液压缸密封原理液压缸密封原理第3节选择合适的密封形式与密封件参数，对保证泵控液压缸系统运行效率和使用寿命具有重要作用。密封是解决液压系统泄漏最有效、最重要的手段，密封不良将导致液压缸外泄漏和内泄漏，影响液压缸容积效率，恶化液压缸运行平稳。若密封过渡，会增加液压缸运动摩擦阻力，降低机械效率，同时导致密封件磨损加剧。密封原理密封件损坏油液泄漏O型密封圈液压缸密封原理第3节O形圈是使用最广泛的密封件，其断面为圆形，可用于静密封与动密封，易于安装，密封沟槽设计既简易又经济。O型密封圈结构O型密封圈依靠装配时的预压缩力和油液压力作用产生弹性变形，通过弹性力紧压密封表面实现接触密封，在磨损后具有一定的补偿能力。O型密封圈液压缸密封原理第3节O型密封圈密封原理O型密封圈是典型的挤压型密封，其截面直径的压缩率和拉伸量是密封设计的主要内容，对密封性能和使用寿命有重要意义。圆柱静密封装置和往复运动式密封装置一样，一般取K=10%～15%；平面静密封装置取K=15%～30%。d0为O形密封圈自由状态下的截面直径，h为沟槽深度，即O形密封圈压缩后的截面高度。压缩率O型密封圈在装入密封沟槽后，一般都有一定的拉伸量，拉伸量的取值范围为1%-5%。拉伸量d为沟槽轴径，单位m，d1为O形密封圈内径，单位m液压缸密封原理第3节唇形密封圈唇形密封圈的唇口对着有压力的一侧，当液压缸油液压力等于零或很低时，唇形密封圈靠预压缩变形密封；油液压力升高时，唇边在压力作用下紧贴密封面密封，压力越高，唇形与密封面贴合越紧密。Y形密封圈U形密封圈V形密封圈密封原理液压缸密封原理第3节组合式密封圈的组合式密封装置是由主密封环和弹性体或者再加上挡圈和导向环组成的密封结构形式，又称为挤压型密封。组合式密封装置拥有