液压缸结构及原理

第 5章 液 压 缸 第 章 液 压 缸 液 压 缸 是 完 成 往 复 直 线 运 动 的 执 行 元 件 ，它 是 将 液 体 的 压 力 能 转 换 成 机 械 能 的 能 量 转 换装 置 ， 其 输 入 参 数 主 要 是 压 力 和 流 量 ， 输 出 参数 主 要 是 力 和 位 移 。 液 压 缸 结 构 简 单 、 工 作 可靠 ， 应 用 广 泛 。第 章 液 压 缸 第 章 液 压 缸 液 压 缸 的 类 型 较 多 ， 按 其 作 用 方 式 分 类 ， 可 分 为 单 作 用 式 和 双 作 用式 两 大 类 。 单 作 用 式 液 压 缸 在 液 压 力 作 用 下 只 能 朝 着 个 方 向 运 动 ， 其 反 向 运动 需 要 依 靠 重 力 或 弹 簧 等 外 力 实 现 。 双 作 用 式 液 压 缸 依 靠 液 压 力 可 实 现 正 、 反 两 个 方 向 的 运 动 。 液 压 缸 按 其 结 构 形 式 的 不 同 ， 可 分 为 活 塞 式 、 柱 塞 式 ， 摆 动 式 、伸 缩 式 等 形 式 ， 其 中 以 活 塞 式 液 压 缸 应 用 最 多 。 活 塞 式 液 压 缸 有 双 杆 活 塞 缸 和 单 杆 活 塞 缸 两 种 结 构 。 双 杆 活 塞 缸 的 两 端 都 有 活 塞 杆 伸 出 ， 按 其 安 装 方 式 的 不 同 ， 有 缸 固定 和 杆 固 定 两 种 。4.1.1 活 塞 式 液 压 缸 4.1 液 压 缸 的 类 型 与 特 点 1.双 杆 活 塞 缸 第 章 液 压 缸 双 杆 活 塞 缸 采 用 缸 固 定 如 图 4-1所 示 ， 液 压 缸 的 缸 筒 1、 活 塞 2、 活塞 杆 3和 工 作 台 4， 工 作 台 与 活 塞 杆 连 接 成 一 体 。 若 油 液 进 入 液 压 缸 的左 腔 ， 液 压 缸 右 腔 的 油 液 回 油 箱 ， 则 在 油 液 压 力 的 作 用 下 ， 活 塞 连 同工 作 台 一 起 向 右 运 动 。 若 改 变 油 液 进 、 出 液 压 缸 的 方 向 ， 则 液 压 缸 及工 作 台 一 起 向 左 运 动 ， 图 中 虚 线 位 置 。 从 图 4-1可 知 ， 双 杆 活 塞 缸 采 用缸 固 定 其 工 作 台 的 最 大 活 动 范 围 约 为 活 塞 有 效 行 程 的 三 倍 。 因 此 这 种安 装 方 式 占 地 面 积 较 大 ， 常 用 于 小 型 机 床 设 备 。lll p 、 q p 1 2 3 v4 图 4-1 双 杆 活 塞 缸 采 用 缸 固 定1 缸 筒 2 活 塞 3 活 塞 杆 4 工 作 台 第 章 液 压 缸 第 章 液 压 缸 双 杆 活 塞 缸 采 用 杆 固 定 如 图 4-2所 示 ， 图 4-2a中 ， 活 塞 杆 3为 实 心并 且 固 定 ， 缸 筒 1和 工 作 台 4连 接 在 一 起 ， 若 油 液 进 入 液 压 缸 的 左 腔 ，液 压 缸 的 右 腔 回 油 箱 ， 则 在 油 液 压 力 的 作 用 下 ， 缸 筒 和 工 作 台 一 起 向左 运 动 。 但 是 ， 由 于 缸 筒 是 运 动 的 ， 与 其 相 连 的 进 、 出 油 管 需 要 采 用软 管 连 接 。 为 了 避 免 油 管 运 动 ， 可 将 活 塞 杆 做 成 空 心 的 ， 如 图 4-2b所示 ， 此 时 油 管 与 活 塞 杆 相 连 。 从 图 4-2可 以 看 出 ， 这 种 活 塞 缸 工 作 台 的 最 大 活 动 范 围 约 为 液 压 缸 有 效 行 程 的 两 倍 ， 因 此 占 地 面 积 较 小 ， 适 用 于 中 型 及 大 型 机 床 。 第 章 液 压 缸l lp 、 q p 2 v1 2 3 4 4321 llp 、 q p 2v图 4-2双 杆 活 塞 缸 采 用 杆 固 定a)实 心 双 杆 式 b)空 心 双 杆 式1 缸 筒 2 活 塞 3 活 塞 杆 4 工 作 台a) b) 第 章 液 压 缸 第 章 液 压 缸 212221 4 ppdDAppF 224 dD qAqv 双 杆 活 塞 缸 的 推 力 及 速 度 的 计 算 ， 一 般 情 况 下 两 个 活 塞 杆 的 直 径 相等 ， 当 液 压 缸 一 腔 进 油 而 另 一 腔 回 油 时 ， 两 个 方 向 的 运 动 速 度 和 推 力是 相 等 的 。 当 油 液 的 输 入 流 量 为 q、 输 入 压 力 为 p1和 输 出 压 力 为 p2时 ，液 压 缸 的 推 力 F和 速 度 v分 别 为 ： (4-1)(4-2)式 中 A 活 塞 的 有 效 工 作 面 积 ， A=(D 2-d2)/4； p1 液 压 缸 的 进 油 腔 压 力 ； p2 液 压 缸 的 回 油 腔 压 力 ， 若 液 压 缸 的 出 口 直 接 接 油 箱 ， p20； D 活 塞 的 直 径 ； d 活 塞 杆 的 直 径 ； F 液 压 缸 的 推 力 ； v 液 压 缸 的 运 动 速 度 ； q 输 入 液 压 缸 的 流 量 。 第 章 液 压 缸 2221222111 44 pdDpDApApF 211 4DqAqv 224 dD (4-3)式 中 Al无 杆 腔 的 有 效 工 作 面 积 ， A1 = d2/4； 2.单 杆 活 塞 缸 单 杆 活 塞 缸 也 有 缸 固 定 式 和 杆 固 定 式 两 种 安 装 方 式 ， 无 论 是 缸 固 定还 是 杆 固 定 ， 其 工 作 台 的 最 大 活 动 范 围 约 为 活 塞 有 效 工 作 行 程 的 两 倍 。单 杆 活 塞 缸 左 右 两 腔 的 有 效 工 作 面 积 不 相 等 ， 因 此 ， 两 个 方 向 产 生 的 推力 和 速 度 也 都 不 相 等 。 下 面 以 缸 固 定 式 为 例 分 别 予 以 讨 论 。 无 杆 腔 进 油 ， 如 图 4-3a所 示 ， 液 压 油 从 无 杆 腔 进 入 ， 其 进 油 压 力为 p1、 流 量 为 q， 有 杆 腔 回 油 ， 其 回 油 压 力 为 p ， 推 动 活 塞 向 右 运 动 ，则 液 压 缸 产 生 的 推 力 F1和 速 度 v1为 ： (4-4)A2有 杆 腔 的 有 效 工 作 面 积 ， A2 = (4-3) 第 章 液 压 缸a) b) c) a)无 杆 腔 进 油 b)有 杆 腔 进 油 c)差 动 连 接图 4-3 单 杆 活 塞 缸 第 章 液 压 缸 第 章 液 压 缸 第 章 液 压 缸 第 章 液 压 缸 2212212212 44 pDpdDApApF 2222 4 dD qAqv 222 212 /1 1 DddD Dvv ， 如 图 4-3b所 示 ， 液 压 油 从 有 杆 腔 进 入 ， 其 压 力 为 p1、 流量 为 q， 无 杆 腔 回 油 ， 其 压 力 为 p2， 推 动 活 塞 向 左 运 动 。 则 液 压 缸 产 生 的推 力 F2和 速 度 v2为 ： (4-5)(4-6)如 果 把 两 个 方 向 上 输 出 速 度 v2和 v1的 比 值 称 为 速 比 系 数 ， 并 记 作 ， 则(4-7) 故 活 塞 杆 直 径 越 小 ， 速 比 系 数 越 小 ， 活 塞 在 两 个 方 向 上 的 运 动 速 度差 值 越 小 。 有 杆 腔 进 油 第 章 液 压 缸 122113 4 pdAApF 2213 4dqAA qv ， 当 单 杆 活 塞 缸 左 右 两 腔 相 互 接 通 并 同 时 输 入 液 压油 时 ， 称 为 “ 差 动 连 接 ” 。 采 用 差 动 连 接 的 液 压 缸 称 为 差 动 液 压 缸 。 如 图4-3c所 示 ， 假 设 液 压 缸 固 定 ， 因 差 动 液 压 缸 无 杆 腔 的 液 压 力 大 于 有 杆 腔 的液 压 力 ， 故 活 塞 向 右 移 动 ， 同 时 使 有 杆 腔 的 油 液 流 入 无 杆 腔 ， 此 时 液 压 缸产 生 的 推 力 F3和 速 度 v3为 ： (4-8)(4-9) 若 将 F1、 F2、 F3和 v1、 v2、 v3分 别 比 较 便 可 看 出 ： Fl F2、 F3， v1 v2、v3， 即 无 杆 腔 进 油 时 产 生 的 推 力 大 、 速 度 低 ； 差 动 连 接 和 有 杆 腔 进 油 时 产生 的 推 力 小 、 速 度 高 。 所 以 ， 单 杆 活 塞 缸 常 用 在 “ 快 进 (差 动 连 接 )工 进(无 杆 腔 进 油 )快 退 (有 杆 腔 进 油 )”的 液 压 系 统 中 。 如 果 要 求 v2=v3时 ， 可 得 ： d =0.707D。 上 述 活 塞 缸 都 是 双 作 用 式 的 ， 双 杆 活 塞 缸 在 机 床 中 应 用 较 多 ， 单 杆 活塞 缸 则 广 泛 地 应 用 于 各 种 工 程 机 械 中 。 液 压 缸 的 差 动 连 接 第 章 液 压 缸 a) b) 图 4-4 柱 塞 缸a)单 向 液 压 驱 动 b)双 向 液 压 驱 动1 柱 塞 2 缸 筒 3 工 作 台 柱 塞 式 液 压 缸 如 图 4-4a所 示 ， 图 中 柱 塞 1， 缸 筒 2， 工 作 台 3。 这 是 种 单 作 用 式 液 压 缸 。 其 柱 塞 1和 缸 筒 2不 直 接 接 触 ， 运 动 时 由 缸 盖 上 的 导向 套 来 导 向 ， 因 此 缸 筒 内 壁 只 需 粗 加 工 ， 而 柱 塞 为 外 圆 表 面 容 易 加 工 ，故 加 工 工 艺 性 好 。 它 特 别 适 用 于 行 程 较 长 的 场 合 ， 如 龙 门 刨 床 。 此 外 ，常 应 用 于 液 压 升 降 机 、 自 卸 卡 车 、 叉 车 和 轧 机 平 衡 系 统 。 为 了 实 现 工 作台 的 双 向 运 动 ， 柱 塞 缸 可 成 对 反 向 布 置 ， 如 图 4-4b所 示 。4.1.2 柱 塞 式 液 压 缸 第 章 液 压 缸 第 章 液 压 缸 第 章 液 压 缸 pdF 24 24dqv 柱 塞 缸 产 生 的 推 力 F和 运 动 速 度 v分 别 为 (4-10)(4-11)式 中 A 柱 塞 缸 的 有 效 工 作 面 积 ， A=d2/4； p 液 压 缸 的 进 油 压 力 ； d 柱 塞 的 直 径 ； F 液 压 缸 的 推 力 ； v 液 压 缸 的 运 动 速 度 ； q 输 入 液 压 缸 的 流 量 。 第 章 液 压 缸 2122 2 RRb q = 摆 动 式 液 压 缸 又 称 为 摆 动 式 液 压 马 达 ， 其 输 出 运 动 为 摆 动 运 动 ， 输 出参 数 为 转 矩 和 角 速 度 。 如 图 4-5所 示 ， 其 主 要 由 缸 筒 1、 叶 片 轴 2、 定 位 块 3和 叶 片 4等 组 成 。 图 4-5a为 单 叶 片 式 摆 动 缸 ， 其 摆 动 角 度 可 达 300 。 它 的 理 论 输 出 转矩 T和 角 速 度 分 别 为 ： 2121222 ppRRb T = (4-13)(4-12)式 中 R 1 叶 片 轴 半 径 ； R2 缸 筒 半 径 ； b 叶 片 宽 度 4.1.3 摆 动 式 液 压 缸 第 章 液 压 缸 12 21p、 q p、 q1 23 4RR RR a) b)图 4-5 摆 动 缸a)单 叶 片 式 b)双 叶 片 式1 缸 筒 2 叶 片 轴 3 定 位 块 4 叶 片 图 4-5b为 双 叶 片 式 摆 动 缸 。 其 摆 角 最 大 可 达 150 。 它 的 理 论 输 出 转矩 是 单 叶 片 式 的 两 倍 ， 在 同 等 输 入 流 量 下 的 角 速 度 则 是 单 叶 片 式 的 半 。 摆 动 式 液 压 缸 的 主 要 特 点 是 结 构 紧 凑 ， 但 加 工 制 造 比 较 复 杂 。 在 机 床上 ， 可 用 于 回 转 夹 具 、 送 料 装 置 、 间 歇 进 刀 机 构 等 ； 在 液 压 挖 掘 机 、 装载 机 上 ， 可 用 于 铲 斗 的 回 转 机 构 。 第 章 液 压 缸 p 2 = p1(D/d)2 =Kp1 (4-l4)式 中 K增 压 比 ， K =(D/d)2。 4.1.4 其 他 液 压 缸1. 增 压 缸 增 压 缸 也 叫 增 压 器 在 液 压 系 统 不 增 加 高 压 能 源 的 情 况 下 ， 采 用 增 压 缸 可 以 获 得 比液 压 系 统 能 源 压 力 高 得 多 的 油 液 压 力 。 图 4-6为 一 增 压 缸 ， 它 是 利 用 大 小 活 塞 的 有 效 工 作 面 积 之 比 来使 液 压 系 统 中 局 部 区 域 获 得 高 压 的 。 当 活 塞 缸 左 腔 输 入 的 油 液 压 力为 p1， 右 腔 输 出 的 油 液 压 力 为 p2， 大 活 塞 直 径 为 D， 小 活 塞 直 径 为 d时 ， 则 有 第 章 液 压 缸A1 Ap 、 q1 1 p 、 q2 2v F v F11p 、 q 221 2 p 、 q图 4-6 增 压 缸 图 4-7 伸 缩 缸2.伸 缩 式 液 压 缸 伸 缩 式 液 压 缸 又 称 为 多 级 液 压 缸 ， 是 由 两 个 或 多 个 活 塞 套 装 而 成 的 ，如 图 4-7所 示 ， 它 是 把 活 塞 杆 作 成 前 一 级 的 缸 筒 ， 伸 出 时 活 塞 按 有 效 工 作 面 积 由 大 到 小 依 次 伸 出 ， 可 获 得 很 长 的 工 作 行 程 ， 缩 回 时 活 塞 由 小 到 大 依次 缩 回 ， 长 度 则 较 短 ， 故 结 构 较 紧 凑 。 由 于 各 级 活 塞 的 有 效 工 作 面 积 不 同 ，在 输 入 油 液 压 力 和 流 量 不 变 的 情 况 下 ， 液 压 缸 的 推 力 和 速 度 是 分 级 变 化 的 ，伸 出 时 ， 先 动 作 的 活 塞 速 度 低 、 推 力 大 ， 后 动 作 的 推 力 小 、 速 度 高 。 伸 缩式 液 压 缸 常 用 于 工 程 机 械 (如 翻 斗 汽 车 ， 起 重 机 等 )和 农 业 机 械 上 。 第 章 液 压 缸 第 章 液 压 缸 第 章 液 压 缸3.齿 条 活 塞 缸 齿 条 活 塞 缸 如 图 4-8所 示 ， 它 是 由 两 个 活 塞 缸 和 一 套 齿 条 齿 轮 传 动装 置 组 成 。 当 液 压 油 进 入 液 压 缸 左 腔 ， 右 腔 回 油 时 ， 油 液 压 力 产 生 的 推动 使 活 塞 向 右 移 动 ， 活 塞 杆 上 的 齿 条 便 推 动 齿 轮 作 逆 时 针 方 向 转 动 ， 当油 路 换 向 时 ， 则 齿 轮 反 向 转 动 。 齿 条 活 塞 缸 常 用 于 组 合 机 床 的 回 转 工 作台 、 回 转 夹 具 及 数 控 机 床 机 械 手 的 转 位 机 构 等 。 C1 2C C3 4C C5 21p p a b图 4-8 齿 条 缸 图 4-9 多 位 液 压 缸 第 章 液 压 缸 第 章 液 压 缸 4.多 位 液 压 缸 多 位 液 压 缸 一 般 为 双 杆 活 塞 缸 ， 且 左 右 活 塞 杆 直 径 相 等 ， 缸 筒 两端 开 有 a、 b两 个 进 油 口 ， 以 及 C1、 C2、 C3、 C4、 C5等 回 油 口 ， 每 个回 油 口 均 可 通 过 换 向 阀 与 油 箱 通 断 。 如 图 4-9所 示 ， 若 所 有 回 油 口 均与 油 箱 断 开 ， 此 时 液 压 缸 两 腔 同 时 进 油 并 且 压 力 相 等 ， 则 液 压 缸 左 右腔 液 压 力 相 等 ， 活 塞 不 动 并 停 留 在 原 虚 线 位 置 。 若 将 回 油 口 C 4与 油 箱接 通 ， 则 液 压 缸 右 腔 油 液 通 过 C4回 油 箱 ， 右 腔 压 力 迅 速 降 低 ， 在 液 压力 的 作 用 下 活 塞 右 移 ， 直 至 堵 住 油 口 C4， 此 时 两 腔 液 压 力 再 次 相 等 ，活 塞 不 动 。 因 此 ， 该 液 压 缸 能 够 按 要 求 停 留 在 所 需 的 位 置 上 ， 在 加 工中 可 用 于 多 工 位 、 不 等 距 离 的 送 料 机 构 。 第 章 液 压 缸 由 于 液 压 缸 的 行 程 和 使 用 条 件 的 限 制 ， 液 压 缸 往 往需 要 自 行 设 计 ， 由 专 业 厂 家 制 造 。 设 计 液 压 缸 所 需 的 原始 资 料 主 要 有 负 载 大 小 、 运 动 速 度 和 行 程 长 短 以 及 液 压缸 的 结 构 形 式 和 安 装 要 求 等 。 因 此 ， 设 计 时 必 须 首 先 对整 个 液 压 系 统 进 行 工 况 分 析 ， 编 制 负 载 图 ， 选 定 工 作 压力 ， 确 定 液 压 缸 的 结 构 类 型 、 行 程 和 液 压 缸 的 主 要 尺 寸 。最 后 再 进 行 结 构 设 计 ， 确 定 缸 筒 壁 厚 ， 验 算 活 塞 杆 强 度和 稳 定 性 ， 验 算 螺 栓 强 度 等 。4.2 液 压 缸 的 设 计 与 计 算 第 章 液 压 缸当 有 杆 腔 进 油 驱 动 负 载 时 ： 1. 大 型 动 力 设 备 (如 组 合 机 床 、 拉 床 、 压 力 机 等 ) 由 液 压 缸 的 推 力 公 式 ： F=pA， 其 工 作 压 力 p可 以 参 见 表 4-1和 表 4-2，通 过 类 比 法 确 定 ， 或 通 过 试 验 法 获 得 。 然 后 根 据 进 油 情 况 进 行 计 算 ，pF4D = (4-15)当 无 杆 腔 进 油 驱 动 负 载 时 ： pF 21 4 D = (4-16)式 中 活 塞 杆 的 直 径 d与 液 压 缸 内 径 D的 比 值 ， d =D， 其 取 值 范 围 可 见 表 4-3。 4.2.1 液 压 缸 内 径 D和 活 塞 杆 直 径 d的 确 定 第 章 液 压 缸液压缸压力与负载的关系负 载 F/kN 5 5 10 10 20 20 30 30 50 50工 作 压 力 p/MPa 0.8 1 1.5 2 2.5 3 3 4 4 6 7 10表4-2 各类设备液压缸常用的压力设 备 类 型 磨 床 车 、 铣 、钻 、 镗 床 组 合机 床 龙 门刨 床 拉 床 农 业 机 械小 型 工 程机 械 液 压 机 、 重 型 机 械起 重 运 输 机 械工 作 压 力p/MPa 0.8 2 2 4 3 5 2 8 8 10 10 16 20 32表4-3 系数的推荐值 活 塞 杆 受 力 情 况 受 拉 时 受 压 时工 作 压 力 p/MPa 不 限 5 5 7 7 0.3 0.45 0.5 0.55 0.6 0.7 0.7 表 4-1 第 章 液 压 缸 ddD 12 21 2. 小 型 动 力 设 备 (如 磨 床 、 研 磨 机 床 等 ) 由 于 按 上 述 方 法 求 解 出 的 数 值 较 小 ， 故 一 般 按 结 构 需 要 先 确 定 活塞 杆 直 径 d。 再 按 照 速 比 公 式 (4-7)计 算 液 压 缸 内 径 D: (4-17) 注 意 ： 计 算 得 出 的 D、 d须 圆 整 并 取 标 准 值 (见 表 4-4、 表 4-5)，以 便 于 零 件 互 换 。 同 时 ， 对 于 受 载 时 速 度 较 低 的 液 压 缸 要 验 算 最 小 稳定 速 度 ， 不 能 保 证 的 要 适 当 增 大 液 压 缸 内 径 。 第 章 液 压 缸8 10 12 16 20 25 32 40 5063 80 100 125 160 200 250 320 4004 5 6 8 10 12 14 16 1820 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140160 180 200 220 250 280 320 360 400液 压 缸 缸 筒 内 径 尺 寸 系 列 (D/mm)表 4-5 液 压 缸 活 塞 杆 直 径 尺 寸 系 列 (d/mm)表 4-4 第 章 液 压 缸 液 压 缸 缸 筒 的 长 度 由 最 大 工 作 行 程 和 结 构 确 定 。 通 常 ： L=活 塞 最 大 行 程 l+活 塞 长 度 B+活 塞 杆 导 向 长 度 l1+活 塞 杆 密封 长 度 l 2+其 他 长 度 。 其 中 ： 活 塞 长 度 B=(0.6 1)D； 活 塞 杆 导 向 长 度 l1=(0.6 1.5)d；其 他 长 度 是 指 一 些 特 殊 装 置 所 需 长 度 ， 例 如 液 压 缸 两 端 缓 冲 装 置 所 需长 度 等 。 一 般 缸 筒 长 度 最 好 不 大 于 其 内 径 的 20 30倍 。4.2.2.液 压 缸 缸 筒 长 度 L的 确 定 第 章 液 压 缸 在 中 、 低 压 液 压 系 统 中 ， 液 压 缸 缸 筒 的 壁 厚 由 结 构 工 艺 要 求 决 定 ，强 度 一 般 都 满 足 ， 故 通 常 不 须 验 算 。 当 液 压 缸 工 作 压 力 较 高 或 缸 筒 内径 较 大 时 ， 需 对 其 最 薄 处 的 壁 厚 进 行 强 度 校 核 。 校 核 方 法 为 ： 当 D/10时 ， 可 按 薄 壁 圆 筒 公 式 校 核 ， 即当 D/ 10时 ， 可 按 厚 壁 圆 筒 公 式 校 核 ， 即 2 Dp y (4-18) 13.1 4.02 yyppD (4-19) 4.2.3.缸 筒 壁 厚 的 确 定 与 校 核 第 章 液 压 缸式 中 缸 筒 壁 厚 ； D 缸 筒 内 径 (或 活 塞 直 径 )； py 缸 筒 试 验 压 力 ,一 般 比 最 大 工 作 压 力 高 20% 30%； 缸 筒 材 料 的 许 用 应 力 ， =b/s， b为 材 料 抗 拉 强 度 (查 有 关 手 册 )， s为 安 全 系 数 ， 一 般 取 s=3.5 5。 应 当 注 意 ： 算 出 的 壁 厚 般 还 要 根 据 无 缝 钢 管 标 准 或 有 关 标 准 作 适当 的 修 正 。 第 章 液 压 缸 1.强 度 校 核 活 塞 杆 强 度 按 下 式 校 核 F4d (4-20)式 中 d活 塞 杆 直 径 ； F液 压 缸 负 载 ； 活 塞 杆 材 料 的 许 用 应 力 ， =b s， b为 材 料 抗 拉 强 度 ， s为 安 全 系 数 ， 一 般 取 s1.4。2. 稳 定 性 验 算 对 于 长 度 与 直 径 之 比 大 于 15的 受 压 活 塞 杆 ， 应 按 材 料 力 学 公 式 进 行稳 定 性 校 核 计 算 ： 即 活 塞 杆 所 能 承 受 的 负 载 F， 应 小 于 使 它 保 持 工 作 稳定 的 临 界 负 载 Fk。 Fk的 值 与 活 塞 杆 材 料 的 性 质 、 截 面 形 状 、 直 径 和 长 度 、以 及 液 压 缸 的 安 装 方 式 等 因 素 有 关 ， 可 参 考 材 料 力 学 中 的 有 关 公 式 进 行 计 算 。 4.2.4.活 塞 杆 的 强 度 和 稳 定 性 校 核 第 章 液 压 缸 缸 筒 与 端 盖 的 连 接 方 法 很 多 ， 其 中 以 螺 栓 连 接 应 用 最 广 。 当 缸 筒与 缸 盖 采 用 法 兰 连 接 时 ， 要 验 算 连 接 螺 栓 的 强 度 。 根 据 受 轴 向 工 作 载荷 的 紧 螺 栓 连 接 强 度 校 核 公 式 ： Z KF2.5d (4-21)式 中 F液 压 缸 负 载 ； K螺 纹 拧 紧 系 数 ,K=1.25 1.5； Z螺 栓 个 数 ； 螺 栓 材 料 的 许 用 应 力 ， = s s， s为 材 料 的 屈 服 极 限 (查 有 关 手 册 )， s为 安 全 系 数 ， 一 般 取 s=1.2 2.5。 4.2.5螺 栓 强 度 的 校 核 第 章 液 压 缸 单 杆 活 塞 缸 结 构 如 图 4-10所 示 ， 它 主 要 应 用 于 机 床 上 ， 其 结 构 由 缸筒 、 端 盖 、 活 塞 、 活 塞 杆 等 主 要 部 分 组 成 。 缸 筒 11和 前 后 端 盖 2、 17用四 个 拉 杆 和 螺 栓 1紧 固 连 成 一 体 。 活 塞 9通 过 半 环 6、 轴 套 5和 轴 用 挡 圈 4构 成 的 半 环 连 接 固 定 在 活 塞 杆 12上 ， 这 种 连 接 方 式 工 作 可 靠 。 为 了 保 证形 成 的 油 腔 具 有 可 靠 的 密 封 和 防 止 泄 漏 ， 在 前 后 端 盖 和 缸 筒 之 间 、 缸 筒和 活 塞 之 间 、 活 塞 和 活 塞 杆 之 间 及 活 塞 杆 与 后 端 盖 之 间 都 分 别 设 置 了 相应 的 密 封 圈 3、 7、 8和 15。 为 了 防 止 活 塞 杆 在 运 动 时 发 生 轴 线 偏 斜 ， 后端 盖 和 活 塞 杆 之 间 还 装 有 导 向 套 14， 同 时 安 装 防 尘 圈 16， 目 的 是 防 止 脏 物 和 灰 尘 进 入 液 压 缸 内 部 。 缓 冲 套 10可 以 使 活 塞 及 活 塞 杆 在 右 移 行 程 终端 处 减 速 ， 以 防 止 或 减 弱 活 塞 对 端 盖 的 撞 击 。 端 盖 上 开 设 的 油 口 布 置 在缸 筒 的 最 上 方 ， 以 便 于 回 油 时 将 油 液 中 夹 杂 的 少 量 空 气 带 回 油 箱 溢 出 。 4.3.1 液 压 缸 的 典 型 结 构4.3 液 压 缸 的 结 构 设 计 第 章 液 压 缸1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 1 螺 栓 2 前 端 盖 3、 8 O形 密 封 圈 4 轴 用 挡 圈 5 轴 套 6 半 环 7、 15 Y形 密 封 圈 9 活 塞 10 缓 冲 套 11 缸 筒 12 活 塞 杆 13 进 出 油 口 14 导 向 套 16 防 尘 圈 17 后 端 盖图 4-10 单 杆 活 塞 缸 结 构 图 第 章 液 压 缸 从 上 面 的 例 子 可 以 看 到 ， 液 压 缸 的 结 构 基 本 上 由 缸 筒 组 件 、 活 塞 组件 、 密 封 装 置 、 缓 冲 装 置 和 排 气 装 置 等 五 大 部 分 组 成 。缸 筒 组 件 包 括 缸 筒 和 前 后 端 盖 。 这 一 部 分 的 结 构 问 题 主 要 是 缸 筒 和 端盖 的 连 接 形 式 。 缸 筒 与 端 盖 连 接 的 各 种 典 型 结 构 如 图 4-11所 示 ， 各 种 连接 具 备 不 同 的 特 点 。 图 4-11a为 焊 接 连 接 ， 用 于 永 久 连 接 的 场 合 ， 连 接 强度 高 ， 但 易 产 生 焊 接 变 形 ， 所 以 多 用 于 较 短 的 液 压 缸 。 图 4-11b为 法 兰 连接 ， 这 种 结 构 易 于 加 工 和 装 配 ， 但 外 形 尺 寸 较 大 ， 一 般 用 于 铸 铁 材 料 的缸 筒 。 图 4-11c为 螺 纹 连 接 ， 这 种 连 接 方 式 具 有 重 量 轻 ， 外 径 尺 寸 小 等 优点 ， 但 端 部 结 构 复 杂 ， 工 艺 要 求 较 高 。 图 4-11d为 半 环 连 接 ， 这 种 连 接 方 式 加 工 和 装 配 方 便 ， 但 开 槽 削 弱 了 缸 筒 的 强 度 。 一 般 用 于 无 缝 钢 管 材 料的 缸 筒 。 图 4-11e为 拉 杆 连 接 ， 用 四 根 拉 杆 将 前 、 后 端 盖 和 缸 筒 紧 固 ， 径向 尺 寸 大 ， 这 种 连 接 通 常 只 用 于 较 短 的 液 压 缸 。4.3.2 液 压 缸 的 组 成1.缸 筒 组 件 第 章 液 压 缸 a)焊 接 式 b)法 兰 式 c)螺 纹 式 d)半 环 式 e)拉 杆 式图 4-11 缸 筒 与 端 盖 连 接 形 式 第 章 液 压 缸 2.活 塞 组 件 活 塞 组 件 由 活 塞 和 活 塞 杆 及 连 接 件 等 组 成 。 根 据 工 作 压 力 、 安 装 固定 方 式 及 工 作 条 件 的 不 同 ， 活 塞 和 活 塞 杆 的 连 接 方 法 主 要 采 用 如 图 4-12所 示 ， 图 4-12a为 整 体 式 ， 将 活 塞 和 活 塞 杆 做 成 整 体 结 构 。 这 种 结 构 虽然 简 单 、 可 靠 ， 但 加 工 比 较 复 杂 ， 常 用 于 小 直 径 的 液 压 缸 中 。 图 4-12b为 锥 销 连 接 ， 这 种 连 接 形 式 加 工 装 配 方 便 ， 一 般 用 于 轻 载 场 合 的 双 杆 活塞 缸 。 图 4-12c为 螺 纹 连 接 ， 这 种 连 接 形 式 在 机 床 上 应 用 较 多 。 但 这 种结 构 由 于 螺 纹 会 使 活 塞 杆 强 度 削 弱 ， 因 此 不 适 用 于 高 压 系 统 ， 常 用 于 单杆 活 塞 缸 。 图 4-12d为 焊 接 式 连 接 ， 这 种 连 接 形 式 结 构 简 单 ， 但 易 变 形 。 图 4-12e为 半 环 连 接 ， 这 种 连 接 形 式 结 构 复 杂 ， 装 拆 不 便 ， 但 工 作 可 靠 ，适 用 于 高 压 系 统 。 第 章 液 压 缸a) b) c) d) e)a)整 体 式 b)锥 销 式 c)螺 纹 式 d)焊 接 式 e)半 环 式图 4-12 活 塞 与 活 塞 杆 的 连 接 形 式 第 章 液 压 缸 液 压 缸 在 工 作 时 ， 由 于 压 差 的 作 用 以 及 元 件 配 合 存 在 着 间 隙 ， 因 此 ，为 了 减 少 油 液 泄 漏 ， 液 压 缸 需 要 密 封 。 液 压 缸 的 端 盖 和 缸 筒 、 活 塞 和 活塞 杆 需 要 静 密 封 ， 一 般 采 用 “ O”形 密 封 圈 。 液 压 缸 的 活 塞 与 缸 筒 、 活 塞杆 与 端 盖 需 要 动 密 封 ， 一 般 采 用 “ Y”、 “ V” 形 密 封 圈 。 密 封 装 置 的 结 构特 点 及 选 用 详 见 第 六 章 。 液 压 缸 的 泄 漏 有 内 泄 漏 和 外 泄 漏 。 内 泄 漏 是 液 压 缸 内 部 油 液 高 压 区向 低 压 区 的 泄 漏 ， 内 泄 漏 将 使 油 液 发 热 、 液 压 缸 的 容 积 效 率 降 低 。 外 泄漏 是 液 压 缸 内 部 油 液 向 大 气 中 泄 漏 ， 外 泄 漏 不 但 使 油 液 损 失 影 响 环 境 ，而 且 有 着 火 的 危 险 。 液 压 缸 设 置 缓 冲 装 置 可 以 使 活 塞 部 件 行 程 至 末 端 时 减 速 并 使 速 度 接近 于 零 ， 以 便 减 少 活 塞 运 动 部 件 的 惯 性 力 ， 减 轻 活 塞 与 端 盖 之 间 的 机 械撞 击 ， 从 而 减 少 噪 声 和 振 动 ， 防 止 液 压 缸 损 坏 。4.缓 冲 装 置3.密 封 装 置 第 章 液 压 缸 缓 冲 装 置 的 工 作 原 理 是 在 活 塞 运 动 至 接 近 缸 盖 时 ， 使 低 压 腔 内 油液 通 过 节 流 装 置 来 使 活 塞 降 速 ， 从 而 达 到 缓 冲 的 效 果 。 如 图 4-13所 示 ，图 4-13a为 圆 柱 环 状 间 隙 式 缓 冲 装 置 ， 当 缓 冲 柱 塞 进 入 缸 盖 上 的 内 孔 时 ，油 液 必 须 通 过 柱 塞 与 端 盖 之 间 的 环 状 配 合 间 隙 排 出 ， 从 而 使 活 塞 速 度降 低 。 由 于 环 状 配 合 间 隙 是 不 变 的 ， 因 此 随 着 活 塞 运 动 速 度 的 降 低 ，其 缓 冲 效 果 逐 渐 减 弱 。 图 4-13b为 圆 锥 环 状 间 隙 式 缓 冲 装 置 ， 由 于 柱 塞与 端 盖 之 间 的 配 合 间 隙 随 缓 冲 柱 塞 的 深 入 而 逐 渐 减 小 ， 故 缓 冲 效 果 较好 。 图 4-13c为 节 流 口 可 调 式 缓 冲 装 置 ， 当 缓 冲 柱 塞 进 入 配 合 孔 后 ， 油液 回 油 必 须 经 过 节 流 阀 才 能 排 出 ， 由 于 节 流 阀 1是 可 调 的 ， 故 缓 冲 作 用也 可 调 ， 但 仍 不 能 解 决 速 度 减 低 后 缓 冲 作 用 减 弱 的 缺 点 。 图 4-13d为 节流 口 可 变 式 缓 冲 装 置 ， 在 缓 冲 柱 塞 上 开 有 三 角 沟 槽 ， 其 节 流 孔 通 流 断 面 越 来 越 小 ， 解 决 了 在 行 程 最 后 阶 段 缓 冲 作 用 过 弱 的 问 题 ， 同 时 冲 击压 力 小 ， 制 动 位 置 精 度 高 。 第 章 液 压 缸 12a) b) a)圆 柱 环 状 间 隙 b)圆 锥 环 状 间 隙 c)节 流 口 可 调 式 d)节 流 口 可 变 式1 节 流 阀 2 单 向 阀 c) d) 必 须 指 出 ， 上 述 缓 冲 装 置 ， 只 能 在 液 压 缸 行 程 至 端 盖 时 才 起 缓 冲 作 用 ， 当执 行 元 件 在 中 间 行 程 位 置 运 动 停 止 时 ， 上 述 缓 冲 装 置 不 起 作 用 ， 这 时 可 通 过 在 回油 路 上 设 置 背 压 阀 来 解 决 。 图 4-13 液 压 缸 的 缓 冲 装 置 第 章 液 压 缸 液 压 缸 内 最 高 部 位 常 常 会 聚 积 空 气 ， 这 是 由 于 液 压 油 中 混 有 空 气 ，或 者 液 压 缸 长 期 不 用 而 空 气 侵 入 液 压 缸 所 致 ， 空 气 的 存 在 会 使 液 压 缸 运动 不 平 稳 ， 产 生 振 动 或 爬 行 。 为 此 ， 设 计 液 压 缸 时 要 考 虑 空 气 的 排 除 。对 于 水 平 放 置 要 求 不 高 的 液 压 缸 一 般 不 设 置 专 门 的 排 气 装 置 ， 可 将 进 出油 口 设 置 在 缸 筒 两 端 的 最 高 处 ， 利 用 回 油 使 空 气 随 油 液 一 起 排 往 油 箱 ，再 经 油 箱 排 出 。 对 速 度 稳 定 性 要 求 较 高 的 液 压 缸 或 大 型 液 压 缸 ， 需 要 在液 压 缸 两 侧 最 高 部 位 设 置 排 气 装 置 ， 如 排 气 孔 或 排 气 阀 。 如 图 4-14所 示为 常 用 排 气 阀 的 典 型 结 构 ， 两 种 排 气 阀 都 是 在 液 压 缸 排 气 时 打 开 ， 排 气完 毕 后 关 闭 。 在 上 述 五 大 组 成 部 分 中 ， 有 的 可 能 在 整 个 液 压 系 统 中 统 一 考 虑 ， 有 的 根 据 工 作 性 质 、 特 点 可 能 不 需 要 设 置 ， 在 结 构 设 计 时 应 注 意 到 这 点5.排 气 装 置 第 章 液 压 缸 a)螺 塞 式 b)钢 球 式a) b)图 4-14 液 压 缸 的 排 气 装 置 第 章 液 压 缸液 压 缸 常 见 故 障 现 象 、 原 因 及 排 除 方 法 见 表 4-6所 示 。故 障现 象 原 因 分 析 排 除 方 法 爬 行 1.混 入 空 气2.相 对 运 动 部 件 间 加 工 、 装 配 不 当 造 成 摩擦 阻 力 太 大 或 摩 擦 阻 力 变 化3.运 动 部 件 表 面 间 润 滑 不 良4.液 压 缸 的 活 塞 和 活 塞 杆 的 密 封 定 心 不 良5.液 压 缸 泄 漏 严 重6.流 量 阀 的 最 小 稳 定 流 量 较 大7.液 压 缸 与 流 量 阀 间 采 用 软 管 连 接 (软 管变 形 大 )8.油 液 中 杂 质 多 ， 使 摩 擦 阻 力 增 大 1.设 置 排 气 装 置 ， 排 除 空 气2.液 压 缸 、 活 塞 及 活 塞 杆 等 零 件的 加 工 和 装 配 有 较 高 要 求 ， 可 对相 关 零 件 进 行 修 复 、 调 整 或 更 换3.加 润 滑 油 ， 改 善 摩 擦 性 能4.对 活 塞 和 活 塞 杆 进 行 校 正 定 心5.更 换 密 封 件 或 加 大 泵 的 流 量6.选 用 最 小 稳 定 流 量 值 小 的 流 量 阀7.采 用 刚 性 管 连 接8.清 洗 元 件 ， 更 换 油 液 和 滤 油 器冲 击 1.缓 冲 间 隙 过 大2.缓 冲 装 置 中 的 单 向 阀 /节 流 阀 失 灵3.缓 冲 腔 容 积 过 小 ,引 起 缓 冲 腔 压 力 过 大 1.减 小 缓 冲 间 隙2.修 理 单 向 阀 /节 流 阀3.加 大 缓 冲 腔 直 径 和 长 度表 4-6 液 压 缸 常 见 故 障 现 象 、 原 因 及 排 除 方 法4.4 液 压 缸 的 常 见 故 障 及 排 除 方 法 第 章 液 压 缸故 障 现 象 原 因 分 析 排 除 方 法推 力 不 足或 者 工 作速 度 下 降 1.缸 体 和 活 塞 的 配 合 间 隙 过 大 或 过 小 ， 密 封件 过 紧 或 损 坏 ， 造 成 内 泄 漏 或 运 动 阻 力 大2.活 塞 杆 弯 曲 ， 引 起 剧 烈 摩 擦3.运 动 零 件 存 在 制 造 误 差 或 装 配 不 良 ， 引 起不 同 心 或 单 面 剧 烈 摩 擦4.缸 体 内 孔 拉 伤 与 活 塞 咬 死 ， 或 缸 内 孔 加 工不 良5.液 压 油 中 杂 质 过 多 ， 使 活 塞 或 活 塞 杆 卡 死6.油 温 过 高 ， 加 剧 泄 漏7.液 压 泵 供 油 量 不 足8.液 压 回 油 路 上 回 油 阻 力 过 大 9.溢 流 阀 调 节 压 力 过 低 或 调 节 失 灵 1.修 理 或 更 换 不 符 合 精 度 要 求 的 零 件 ，重 新 装 配 、 调 整 或 更 换 密 封 件2.校 直 活 塞 杆3.修 理 误 差 较 大 的 零 件 重 新 装 配4.镗 磨 、 修 复 缸 体 或 更 换 缸 体5.清 洗 液 压 系 统 ， 更 换 液 压 油6.分 析 温 升 原 因 ， 改 进 密 封 结 构 ， 避 免温 升 过 高7.修 理 或 更 换 液 压 泵8.增 大 回 油 管 管 径 ， 调 低 背 压 阀 压 力 值9.调 高 溢 流 阀 压 力 或 排 除 溢 流 阀 故 障泄 漏 1.密 封 件 咬 边 ， 拉 伤 或 破 坏2.密 封 件 方 向 装 反3.缸 盖 螺 钉 未 拧 紧4.缸 体 内 部 运 动 零 件 之 间 有 纵 向 拉 伤 或 沟 痕5.进 出 油 管 因 振 动 而 松 动 1.更 换 密 封 件2.改 正 密 封 件 方 向3.拧 紧 螺 钉4.修 理 或 更 换 零 件5.拧 紧 油 管 或 改 变 连 接 方 式噪 声 1.空 气 混 入2.相 对 滑 动 面 配 合 过 紧3.密 封 摩 擦 力 过 大 ， 滑 动 面 缺 少 润 滑4.导 向 支 承 环 变 形 或 损 坏 1.设 置 排 气 装 置 ， 排 除 缸 内 空 气2.重 新 装 配 ， 注 意 合 理 间 隙3.正 确 设 计 制 造 密 封 槽 底 径 、 宽 度 和 密封 件 压 缩 量4.修 理 或 更 换 导 向 支 承 环