第五章 液压缸

1、2020/7/28,第五章 液压缸,执行元件：液压缸和液压马达 液压缸马达：压力能 转矩和转速； 液压缸：压力能 往复直线运动的机械能（摆动缸除外）。,2020/7/28,第五章 液压缸,第一节 液压缸的类型和特点 第二节 液压缸的典型结构和组成 第三节 液压缸的设计和计算,2020/7/28,第一节 液压缸的类型和特点,液压缸的类型,2020/7/28,第一节 液压缸的类型和特点,2020/7/28,第一节 液压缸的类型和特点,一、活塞缸 活塞式液压缸由缸筒、活塞和活塞杆、端盖等主要部件组成。 1、单杆活塞缸 分缸筒固定、活塞移动与活塞杆固定、缸筒移动两种运动方式。 （1）输出推力F与速度V

2、 无杆腔进油，有杆腔回油,2020/7/28,第一节 液压缸的类型和特点,若回油腔直接接油箱，p20，则：,2020/7/28,第一节 液压缸的类型和特点,有杆腔进油，无杆腔回油,若回油腔直接接油箱，p20，则：,2020/7/28,第一节 液压缸的类型和特点,活塞缸往复运动 比较上述各式，可以看出：v1F2，液压缸往复运动时的 速度比为： 则： 故可以由来 确定活塞杆直径d,2020/7/28,第一节 液压缸的类型和特点,(2) 差动缸（差动连接） 当单杆活塞缸两腔同时通入压力油时， 由于无杆腔有效作用面积大于有 杆腔的有效作用面积，使得活塞向 右的作用力大于向左的作用力，因 此，活塞向右运

3、动，活塞杆向外伸出； 与此同时，又将有杆腔的油液挤出，使其流进无杆腔，从而加快了活 塞杆的伸出速度，单活塞杆液压缸的这种连接方式被称为差动连接。,2020/7/28,第一节 液压缸的类型和特点,活塞的运动速度为： 在忽略两腔连通油路压力损失的情况下，差动连接液压缸的推力为：,等效,2020/7/28,第一节 液压缸的类型和特点,反向运动时必须正常连接 若要求反向时返回速度和差动连接速度相同，则,2020/7/28,第一节 液压缸的类型和特点,差动连接的特点 差动连接时，液压缸的有效作用面积是活塞杆的横截面积，工作台运动速度比无杆腔进油时的大，而输出力则较小（不适合大负载）； 差动连接是在不增加

4、液压泵容量和功率的条件下，实现快速运动的有效办法； 可使液压缸往返速度相等。,例：已知单活塞杆液压缸的缸筒内径D=100mm，活塞杆直径d=70mm，进入液压缸的流量q=25L/min，压力P1=2Mpa，P2=0。液压缸的容积效率和机械效率分别为0.98、0.97，试求在图(a)、(b)、(c)所示的三种工况下，液压缸可推动的最大负载和运动速度各是多少？并给出运动方向。,解：在图（a）中，液压缸无杆腔进压力油，回油腔压力为零，因此，可推动的最大负载为：,液压缸向左运动，其运动速度为：,第一节 液压缸的类型和特点,2020/7/28,在图（b）中，液压缸为有杆腔进压力油，无杆腔回油压力为零，可

5、推动的负载为：,液压缸向左运动，其运动速度为：,在图（c）中，液压缸差动连接，可推动的负载力为：,液压缸向左运动，其运动速度为：,第一节 液压缸的类型和特点,2020/7/28,2020/7/28,第一节 液压缸的类型和特点,2、双杆活塞缸 双活塞杆液压缸的活塞两端都带有活塞杆，分为缸体固定和活塞杆 固定两种安装形式：,2020/7/28,第一节 液压缸的类型和特点,2020/7/28,第一节 液压缸的类型和特点,速度和推力 双杆活塞式液压缸，活塞两侧都装有活塞杆，由于两腔的有效面积相等，故活塞往返的作用力和运动速度都相等，即 ：,2020/7/28,第一节 液压缸的类型和特点,二 柱塞缸 当

6、活塞式液压缸行程较长时，加工难度大，使得制造成本增加； 某些场合所用的液压缸并不要求双向控制，柱塞式液压缸正是满 足了这种使用要求的一种价格低廉的液压缸。 单柱塞缸和双柱塞缸 柱塞缸的结构如图所示。它由缸体、柱塞、导套、密封圈等 零件组成。,柱塞式液压缸示意图,2020/7/28,第一节 液压缸的类型和特点,（1）单柱塞缸 单柱塞式液压缸是单作用的，它的回程需要借助自重或弹簧等其它 外力来完成。 柱塞缸的速度推力特性 柱塞运动速度 v qv /A 4 qv /d 2 柱塞推力 F pAmp（d 2 / 4 ）m,2020/7/28,第一节 液压缸的类型和特点,（2）双柱塞缸,2020/7/28

7、,第一节 液压缸的类型和特点,（3）柱塞缸结构特点 导向套导向，缸筒内壁不需精加工； 柱塞端部受压，为保证稳定性，柱塞一般比较粗； 为避免单边摩擦，柱塞宜垂直安装； 水平安装，不宜采用实心柱塞。,2020/7/28,第一节 液压缸的类型和特点,三、其他液压缸 （1）增力缸,增力缸结构图,2020/7/28,第一节 液压缸的类型和特点,图示为由两个单杆活塞缸串联在一起的增力缸，当压力油通入两缸 左腔时，串联活塞向右运动，两缸右腔的油液同时排出，这种油缸的推 力等于两缸推力的总和。由于增加了活塞的有效面积，因而使活塞杆上 的推力或拉力得到增加。设进油压力为p，活塞直径为D，活塞杆直径为 d，不考虑

8、摩擦损失，增力缸的牵引力为：,2020/7/28,第一节 液压缸的类型和特点,（2）增压缸,增压缸结构图,2020/7/28,第一节 液压缸的类型和特点,图示为由活塞缸和柱塞缸组合而成的增压缸，用以使液压系统中的 局部区域获得高压。在这里活塞缸中活塞的有效工作面积大于柱塞的有 效工作面积，所以向活塞缸无杆腔送入低压油时，可以在柱塞缸那里得 到高压油，它们之间的关系为：,其中：D、d活塞、柱塞的直径；,K增压比，K=D2/d2,2020/7/28,第一节 液压缸的类型和特点,（3）伸缩缸 由两个或两个以上的活塞套装而成，可以获得较大工作行程，收缩后的结构尺寸小，适用于翻斗汽车，起重机的伸缩臂等。

9、 分单作用和双作用,活塞,套筒活塞,缸体,单作用式,第一节 液压缸的类型和特点,2020/7/28,双作用式,缸体两端有进、出油口A和B。当A口进油，B口回油时，先推动一级活塞向右运动。一级活塞左行至终点时，二级活塞在压力油的作用下继续向左运动。,第一节 液压缸的类型和特点,2020/7/28,第一节 液压缸的类型和特点,2020/7/28,（4）齿条活塞缸 齿条活塞缸由带有齿条杆的双作用活塞缸和齿轮齿条机构组成，活塞往复移动经齿条、齿轮机构变成齿轮轴往复转动。,齿条活塞液压缸的结构图 1 紧固螺帽；2 调节螺钉；3 端盖；4 垫圈；5 O形密封圈； 6 挡圈；7 缸套；8 齿条活塞；9 齿轮

10、；l0 传动轴；11 缸体；12 螺钉,第一节 液压缸的类型和特点,2020/7/28,一 典型液压缸的结构,双作用单活塞杆液压缸结构图 l 缸底；2 卡键；3、5、9、11 密封圈；4 活塞；6 缸筒； 7 活塞杆；8 导向套；10 缸盖；12 防尘圈；13 耳轴,第二节 液压缸的典型结构和组成,2020/7/28,图 双作用单活塞杆液压缸结构图 l 缸底；2 卡键；3、5、9、11 密封圈；4 活塞；6 缸筒； 7 活塞杆；8 导向套；10 缸盖；12 防尘圈；13 耳轴,单活塞杆液压缸主要由缸底1、缸筒6、缸盖10、活塞4、活塞杆7和导向套8等组成。缸筒一端与缸底焊接，另一端与缸盖采用螺

11、纹连接。活塞与活塞杆采用卡键连接。为了保证液压缸的可靠密封，在相应部位设置了密封圈3、5、9、11和防尘圈12。,第二节 液压缸的典型结构和组成,2020/7/28,二 液压缸的组成 缸筒、缸盖、活塞、活塞杆、缓冲装置、排气装置、密封装置。 1、缸筒和缸盖,图 缸体与缸盖的连接结构,第二节 液压缸的典型结构和组成,2020/7/28,（2）半环式连接，分为外半环连接和内半环连接两种连接形式。,(1）法兰式连接,第二节 液压缸的典型结构和组成,2020/7/28,（3）螺纹式连接,外螺纹连接,内螺纹连接,第二节 液压缸的典型结构和组成,2020/7/28,（5）焊接式连接,（4）拉杆式连接,第二

12、节 液压缸的典型结构和组成,2020/7/28,缸筒 是液压缸的主体，其内孔一般采用镗削、绞孔、滚压或珩磨等精密加工工艺制造，要求表面粗造度在0.1m0.4m。,端盖 装在缸筒两端，与缸筒形成封闭油腔，同样承受很大的液压力，因此，端盖及其连接件都应有足够的强度。,导向套 对活塞杆或柱塞起导向和支承作用，有些液压缸不设导向套，直接用端盖孔导向。,缸筒，端盖和导向套的材料选择和技术要求可参考液压设计手冊。,第二节 液压缸的典型结构和组成,2020/7/28,活塞和活塞杆,活塞组件由活塞、密封件、活塞杆和连接件等组成。,如图所示，活塞与活塞杆的连接最常用的有螺纹连接和半环连接形式，除此之外还有整体式

13、结构、焊接式结构、锥销式结构等。,第二节 液压缸的典型结构和组成,2020/7/28,三 缓冲装置,为了防止这种危害，保证安全，应采取缓冲措施，对液压缸运动速度进行控制。,当液压缸带动质量较大的部件作快速往复运动时，由于运动部件具有很大的动能，因此当活塞运动到液压缸终端时，会与端盖碰撞，而产生冲击和噪声。这种机械冲击不仅引起液压缸的有关部分的损坏，而且会引起其它相关机械的损伤。,第二节 液压缸的典型结构和组成,2020/7/28,图 液压缸缓冲装置 （a）环形缝隙式 （2）圆锥台式 （3）节流口变化式 （4）单圆柱式,第二节 液压缸的典型结构和组成,2020/7/28,可分节流口可调式和节流口

14、变化式,当活塞移至端部，缓冲柱塞开始插入缸端的缓冲孔时，活塞与缸端之间形成封闭空间，该腔中受困挤的剩余油液只能从节流小孔或缓冲柱塞与孔槽之间的节流环缝中挤出，从而造成背压迫使运动柱塞降速制动，实现缓冲。 理想缓冲装置：工作过程中，压力恒定不变。 缓冲压力曲线（详见课本）,第二节 液压缸的典型结构和组成,2020/7/28,气体的来源,气体对液压系统的影响,四 排气装置,第二节 液压缸的典型结构和组成,2020/7/28,一般利用空气比重较油轻的特点，在液压缸内腔的最高部位设置排气孔或专门的排气装置。 下图采用排气塞和排气阀：当松开排气阀螺钉时带着空气的油液，便通过锥面间隙经小孔溢出，待系统内气

15、体排完后，便拧紧螺钉，将锥面密封，也可在缸盖的最高部位处开排气孔，用长管道向远处排气阀排气。所有的排气装置都是按此基本原理工作的。,排气装置示意图,第二节 液压缸的典型结构和组成,2020/7/28,2020/7/28,必须指出：并非所有液压缸都有专门的排气装置，对于要求不高的液压缸，而是将通油口布置在缸筒的最高处，而使空气随油液流动排走。,第二节 液压缸的典型结构和组成,五 密封装置 1 作用及要求 密封装置主要用来防止液压油的泄漏。对密封装置的基本要求是 具有良好的密封性能，并随压力的增加能自动提高密封性。除此以 外，摩擦阻力要小，耐油。 密封类型 （1）间隙密封,特点：结构简单，摩擦阻力

16、小，可耐高温，但泄露大，加工要求高，磨损后无法自动补偿。,第二节 液压缸的典型结构和组成,2020/7/28,（2）密封件密封,图 O型密封圈的结构原理,（a）普通型,（b）有挡板型,O形密封圈,第二节 液压缸的典型结构和组成,2020/7/28,O形圈密封的原理：任何形状的密封圈在安装时，必须保证适当的预压缩量，过小不能密封，过大则摩擦力增大，且易于损坏。因此，安装密封圈的沟槽尺寸和表面精度必须按有关手册给出的数据严格保证。 在动密封中，当压力大于10MPa时，O形圈就会被挤入间隙中而损坏，为此需在O形圈低压侧设置聚四氟乙烯或尼龙制成的挡圈，双向受高压时，两侧都要加挡圈。,第二节 液压缸的典

17、型结构和组成,2020/7/28,V形圈的截面为V形，如图所示，V形密封装置是由压环、V形圈和支承环组成。当工作压力高于10MPa时，可增加V形圈的数量，提高密封效果。安装时，V形圈的开口应面向压力高的一侧。,V形密封圈,第二节 液压缸的典型结构和组成,2020/7/28,Y形密封圈的截面为Y形，属唇形密封圈。它是一种摩擦阻力小、寿命较长的密封圈，应用普遍。Y形圈主要用于往复运动的密封。根据截面长宽比例的不同，Y形圈可分为宽断面和窄断面两种形式，图所示为宽断面Y形密封圈。,Y形密封圈,第二节 液压缸的典型结构和组成,2020/7/28,Y形圈安装时，唇口端面应对着液压力高的一侧。当压力变化较大

18、，滑动速度较高时，要使用支承环，以固定密封圈，如图所示。,第二节 液压缸的典型结构和组成,2020/7/28,新型密封件和组合密封件（见课本）,（3）防尘圈：在活塞杆密封处增添密封圈，防止脏物带入液压缸。,液压缸的主要尺寸包括缸的内径D、活塞杆直径d、液压缸的长度和活塞杆的长度等。 液压缸的内径和活塞杆的直径的确定方法与使用的液压缸设备类型有关，通常根据液压缸的推力(牵引力)和液压缸的有效工作压力来决定。 本节主要介绍液压缸的主要尺寸的计算及结构强度、刚度的验算方法。,第三节 液压缸的设计和计算,2020/7/28,无杆腔进油并且不考虑机械效率时：,有杆腔进油并且不考虑机械效率时：,（1）缸筒

19、内径和活塞杆直径 液压缸内径D和活塞杆直径d可根据液压系统中的最大总负载和选取的工作压力来确定。,主要尺寸计算,对于单出杆的液压缸而言,第三节 液压缸的设计和计算,2020/7/28,上式中，一般选取回油背压p2=0，于是便可简化，即无杆腔、有杆腔进油时分别为：,或,上式中的活塞杆直径d可根据工作压力或设备类型选取，也可查机械设计手册。,第三节 液压缸的设计和计算,2020/7/28,液压缸缸筒长度由活塞最大行程L、活塞长度、活塞杆导向长度H和特殊要求的其他长度确定，如图。,导向长度,（2）其他主要尺寸计算,第三节 液压缸的设计和计算,2020/7/28,一般液压缸的钢筒长度不应大于内径的2030倍。,必要时可在导向