液压传动第5章课件

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 第五章 液压缸Whats this?第一节 液压缸的类型和特点液压缸是液压系统中的执行元件，它是一种把液体的压力能转换成机械能以实现直线往复运动的能量转换装置液压缸的输入量是液体的流量和压力，输出量是速度和力。液压缸和液压马达都是液压执行元件，其职能是将液压能转换为机械能。液压缸的分类液压缸的分类按作用方式分：单作用缸和双作用缸。按结构形式分：活塞缸、柱塞缸、摆动液压缸。按活塞杆形式分：单活塞杆缸、双活塞杆缸。单杆液压缸单杆液压缸双杆液压缸双杆液压缸柱塞式液压缸柱塞式液压缸F图5-1a所示为缸筒固定的双杆活塞缸。F图5-1b所示为活塞杆固定的双杆活塞缸。一、活塞缸（一）双杆活塞缸 活活塞塞式式液液压压缸缸可可分分为为双双杆杆式式和和单单杆杆式式两两种种结结构构形形式式，其其固固定定方方式式有有缸缸筒筒固固定定和和活活塞塞杆杆固固定定两两种方式。种方式。双双活活塞塞杆杆液液压压缸缸的的活活塞塞两两端端都都带带有有活活塞塞杆杆，分为缸体固定和活塞杆固定两种固定形式。分为缸体固定和活塞杆固定两种固定形式。(a)(a)缸体固定，缸体固定，活塞杆移动活塞杆移动(b)(b)活塞杆固定活塞杆固定缸体移动，缸体移动，因为双活塞杆液压缸的两活塞杆直径相同，所以因为双活塞杆液压缸的两活塞杆直径相同，所以当输入流量和油液压力不变时，活塞（或缸体）在两当输入流量和油液压力不变时，活塞（或缸体）在两个方向上的运动速度个方向上的运动速度V V 和推力和推力F F 都相等，即：都相等，即：式中式中:、分分别为缸的缸的进、出口、出口压力；力；分分别为缸的容缸的容积效率和机械效率；效率和机械效率；、d分别为活塞直径和活塞杆直径；分别为活塞直径和活塞杆直径；q 缸的输入流量；缸的输入流量；A活塞有效作用面积。活塞有效作用面积。这种液压缸常用于要求往返运动速度相同的场合。这种液压缸常用于要求往返运动速度相同的场合。（二）单杆活塞缸图5-2所示为单杆活塞缸，它的进、出油口的布置视其安装方式而定。单杆活塞缸的活塞仅一端带有活塞杆，活塞双向单杆活塞缸的活塞仅一端带有活塞杆，活塞双向运动可以获得不同的速度和输出力。运动可以获得不同的速度和输出力。(a)(a)无杆腔进油无杆腔进油Ddq q(b)(b)有杆腔进油有杆腔进油q q 其一端伸出活塞杆，由于液压缸两腔的有其一端伸出活塞杆，由于液压缸两腔的有效面积不相等，当向缸两腔分别供液体，且压效面积不相等，当向缸两腔分别供液体，且压力和流量都不变时，活塞在两个方向上的运动力和流量都不变时，活塞在两个方向上的运动速度和推力都不相等。速度和推力都不相等。无杆腔进油活塞的运动速度活塞的运动速度 和推力和推力 分别为分别为:(a)(a)无杆腔进油无杆腔进油Ddq q有杆腔进油活塞的运动速度活塞的运动速度 和推力和推力 分别为分别为:(b)(b)有杆腔进油有杆腔进油q q比较上述各式，可以看出：比较上述各式，可以看出：,；液；液压缸往复运动时的速度比为：压缸往复运动时的速度比为：上式表明：当活塞杆直径愈小时，速度比接近上式表明：当活塞杆直径愈小时，速度比接近1 1，在，在两个方向上缸的速度差值就愈小。两个方向上缸的速度差值就愈小。(a)(a)无杆腔进油无杆腔进油Ddq q(b)(b)有杆腔进油有杆腔进油q q例：液压刨床两腔进油,差动联接(c)(c)差动联接缸差动联接缸q q 当单杆活塞缸两腔同时通入相同压力的液体时，当单杆活塞缸两腔同时通入相同压力的液体时，由于无杆腔受力面积大于有杆腔受力面积，使得活塞由于无杆腔受力面积大于有杆腔受力面积，使得活塞向右的作用力大于向左的作用力，因此活塞杆作伸出向右的作用力大于向左的作用力，因此活塞杆作伸出运动，并将有杆腔的液体挤出，流进无杆腔，加快了运动，并将有杆腔的液体挤出，流进无杆腔，加快了活塞杆的伸出速度，缸的这种连接方式被称为活塞杆的伸出速度，缸的这种连接方式被称为差动连差动连接接。差动连接缸差动连接缸(c)(c)差动联接差动联接q q 在在忽忽略略两两腔腔连连通通回回路路压压力力损损失失的的情情况况下下，差差动动连连接液压缸的推力为：接液压缸的推力为：q q等效活塞杆的伸出速度为：活塞杆的伸出速度为：(c)(c)差动联接差动联接q qq q等效 差动连接时差动连接时,液压缸的液压缸的有效作用面积有效作用面积是活塞杆的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。输出力则较小。差动连接是在不增加液压泵流量的条件下，实现快差动连接是在不增加液压泵流量的条件下，实现快速运动的有效办法。速运动的有效办法。单杆缸动画演示单杆缸动画演示练习题：缸体固定的单活塞液压缸，活塞直径D=8cm，活塞杆直径 d=5cm，进入液压缸的流量q=30L/m in，求 往 复 速 度 各 是 多 少。单柱塞缸只能实现一个方向运动，反向要靠外力，如图5-4a所示。用两个柱塞缸组合，如图5-4b所示，也能用压力油实现往复运动。二、柱塞缸单向液压驱动，回程靠外力。双向液压驱动 活塞缸内孔和尺寸精度很高，并且要求表面光滑，活塞缸内孔和尺寸精度很高，并且要求表面光滑，大型或超长行程的液压缸不易实现这种要求，在这种情大型或超长行程的液压缸不易实现这种要求，在这种情况下可以采用柱塞缸。况下可以采用柱塞缸。柱塞液压缸柱塞液压缸 柱塞式液压缸是单柱塞式液压缸是单作用缸，柱塞端面是受作用缸，柱塞端面是受压面。其面积大小决定压面。其面积大小决定了缸的输出速度和推力。了缸的输出速度和推力。如果要得到双向运动，如果要得到双向运动，可将两柱塞缸成对使用可将两柱塞缸成对使用为减轻柱塞的重量，有为减轻柱塞的重量，有时制成空心活塞。时制成空心活塞。柱塞式液压缸柱塞式液压缸QQVd dd dp1p2参数计算推力：速度：应用：行程较长的场合应用：行程较长的场合。职能符号：柱塞粗、受力好。简化加工工艺（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。）（一）增压缸三、其他液压缸增压缸又称增压器。它能将增压缸又称增压器。它能将输入的低压转变为高压供液输入的低压转变为高压供液压传动。压传动。（二）伸缩缸前一级缸的活塞是后一级缸的缸套，活塞伸出的顺前一级缸的活塞是后一级缸的缸套，活塞伸出的顺序是从大到小，相应的推力也是从大到小，而伸出序是从大到小，相应的推力也是从大到小，而伸出的速度则是由慢变快。的速度则是由慢变快。动画演示动画演示第二节 液压缸的典型结构和组成一、液压缸的典型结构举例图5-8所示为单杆活塞式液压缸。F它由缸筒5，活塞12，活塞杆8，前后缸盖1、7，活塞杆导向装置9、活塞前、后缓冲柱塞4、11等主要零件组成。（一）缸筒和缸盖二、液压缸的组成缸筒和缸盖的常见连接结构形式如图5-9所示。缸缸筒筒 是是液液压压缸缸的的主主体体，其其内内孔孔一一般般采采用用镗镗削削、绞绞孔孔、滚滚压压或或珩珩磨磨等等精精密密加加工工工工艺艺制制造造，要要求求表表面粗糙度在面粗糙度在0.10.1 m0.4m0.4 m m。端端盖盖 装装在在缸缸筒筒两两端端，与与缸缸筒筒形形成成封封闭闭油油腔腔，同同样样承承受受很很大大的的液液压压力力，因因此此，端端盖盖及及其其连连接接件件都都应应有有足够的强度。足够的强度。导导向向套套 对对活活塞塞杆杆或或柱柱塞塞起起导导向向和和支支承承作作用用，有有些液压缸不设导向套，直接用端盖孔导向。些液压缸不设导向套，直接用端盖孔导向。缸缸缸缸筒筒筒筒，端端端端盖盖盖盖和和和和导导导导向向向向套套套套的的的的材材材材料料料料选选选选择择择择和和和和技技技技术术术术要要要要求求求求可可可可参考液压设计手冊参考液压设计手冊参考液压设计手冊参考液压设计手冊（二）活塞和活塞杆活塞和活塞杆的结构形式很多：有整体活塞和分体活塞；有实心活塞杆和空心活塞杆。活塞与活塞杆的连接有螺纹式和半环式等，如图5-10所示。活活塞塞受受压压力力在在缸缸筒筒内内作作往往复复运运动动，活活塞塞必必须须具具有有一一定定的的强强度度和和良良好好的的耐耐磨磨性性。活活塞塞一一般般用用铸铸铁铁或或钢钢制制造造。活活塞塞的的结结构构通通常常分分为为整整体体式式和组合式。和组合式。活活塞塞杆杆是是连连接接活活塞塞和和工工作作部部件件的的传传力力零零件件，必必须须有有足足够够的的强强度度和和刚刚度度。活活塞塞杆杆无无论论是是实实心心还还是是空空心心的的，通通常常用用钢钢制制造造活活塞塞在在导导向向套套内内往往复复运运动动，其其外外圆圆表表面面应应当当耐耐磨磨并并具具有有防防腐腐性性能能，因因此此活塞杆外圆表面有时需镀铬。活塞杆外圆表面有时需镀铬。活塞和活塞杆的技术要求可参考有关手册。活塞和活塞杆的技术要求可参考有关手册。（三）缓冲装置缓冲装置是利用活塞或缸筒移动到接近终点时，将活塞和缸盖之间的一部分油液封住，迫使油液从小孔或缝隙中挤出，从而产生很大的阻力，使工作部件平稳制动，避免活塞和缸盖的相互碰撞。液压缸缓冲装置的工作原理如图5-11所示。（四）排气装置排气装置用来排除积聚在液压缸内的空气。一般把排气装置安装在液压缸两端盖的最高处。常用的排气装置如图5-13所示。（五）密封装置图5-14为间隙密封，它依靠运动件间的微小间隙来防止泄漏。1.间隙密封2.密封件密封（1）O形密封件 O O形形密密封封圈圈的的截截面面为为圆圆形形，主主要要用用于于静静密密封封。与与唇唇形形密密封封圈圈相相比比，运运动动阻阻力力较较大大，作作运运动动密密封封时时容容易易产产生生扭扭转转，故故一一般般不单独用于油缸运动密封。不单独用于油缸运动密封。O 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，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严格保证证。在动密封中，当压力大于在动密封中，当压力大于10MPa10MPa时，时，O O形圈就会被挤入间隙中而损形圈就会被挤入间隙中而损坏，为此需在坏，为此需在O O形圈低压侧设置聚四氟乙烯或尼龙制成的挡圈，双向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。受高压时，两侧都要加挡圈。Y Y形密封圈的截面为形密封圈的截面为Y Y形，属形，属唇形密封圈。它是一种摩擦阻力唇形密封圈。它是一种摩擦阻力小、寿命较长的密封圈，应用普小、寿命较长的密封圈，应用普遍。遍。Y Y形圈主要用于往复运动的形圈主要用于往复运动的密封。根据截面长宽比例的不同，密封。根据截面长宽比例的不同，Y Y形圈可分为孔用和轴用两种形形圈可分为孔用和轴用两种形式。式。（2）Y形密封件工作时压力油作用于Y型密封圈的唇边内表面，使得唇边外张而贴紧密封表面，产生密封作用。（3）V形密封件 V V形圈的截面为形圈的截面为V V形，形，V V形密封装置是由压环、形密封装置是由压环、V V形圈和支形圈和支承环组成。当工作压力高于承环组成。当工作压力高于10MPa10MPa时，可增加时，可增加V V形圈的数量，形圈的数量，提高密封效果。安装时，提高密封效果。安装时，V V形圈的开口应面向压力高的一侧。形圈的开口应面向压力高的一侧。3-3-压环压环2-V2-V型密封圈型密封圈1-1-支撑环支撑环对于活塞杆外伸部分来说，由于它很容易把脏物带入液压缸，使油液受污染，密封件被磨损，因此常需在活塞杆密封处增添防尘圈（见图5-22）。3.防尘圈液压缸常见故障和排除方法故障现象故障现象产产 生生 原原 因因排排 除除 方方 法法爬行爬行1外界空气进入缸内外界空气进入缸内2密封压得太紧密封压得太紧3活塞与活塞杆不同轴活塞与活塞杆不同轴4活塞杆弯曲变形活塞杆弯曲变形5缸筒内壁拉毛，局部磨损严重或腐蚀缸筒内壁拉毛，局部磨损严重或腐蚀6安装位置有误差安装位置有误差7双活塞杆两端螺母拧得太紧双活塞杆两端螺母拧得太紧8导轨润滑不良导轨润滑不良1开动系统，打开排气塞（阀）强迫排气开动系统，打开排气塞（阀）强迫排气2调整密封，保证活塞杆能用手拉动而试车调整密封，保证活塞杆能用手拉动而试车时无泄漏即可时无泄漏即可3校正或更换，使同轴度小于校正或更换，使同轴度小于0.04mm4校正活塞杆，保证直线度小于校正活塞杆，保证直线度小于0.1/10005适当修理，严重者重磨缸孔，按要求重配适当修理，严重者重磨缸孔，按要求重配活塞活塞6校正校正7调整调整8适当增加导轨润滑油量适当增加导轨润滑油量推力不足，推力不足，速度不够速度不够或逐渐下降或逐渐下降1缸与活塞配合间隙过大或形密封圈破坏缸与活塞配合间隙过大或形密封圈破坏2工作时经常用某一段，造成局部几何形状工作时经常用某一段，造成局部几何形状误差增大，产生泄漏误差增大，产生泄漏3缸端活塞杆密封压得过紧，摩擦力太大缸端活塞杆密封压得过紧，摩擦力太大4活塞杆弯曲，使运动阻力增加活塞杆弯曲，使运动阻力增加1更换活塞或密封圈，调整到合适间隙更换活塞或密封圈，调整到合适间隙2镗磨修复缸孔内径，重配活塞镗磨修复缸孔内径，重配活塞3放松、调整密封放松、调整密封4校正活塞杆校正活塞杆冲击冲击1活塞与缸筒间用间隙密封时，间隙过大，活塞与缸筒间用间隙密封时，间隙过大，节流阀失去作用节流阀失去作用2端部缓冲装置中的单向阀失灵，不起作用端部缓冲装置中的单向阀失灵，不起作用1更换活塞，使间隙达到规定要求，检查缓更换活塞，使间隙达到规定要求，检查缓冲节流阀冲节流阀2修正、配研单向阀与阀座或更换修正、配研单向阀与阀座或更换外泄漏外泄漏1密封圈损坏或装配不良使活塞杆处密封不密封圈损坏或装配不良使活塞杆处密封不严严2活塞杆表面损伤活塞杆表面损伤3管接头密封不严管接头密封不严4缸盖处密封不良缸盖处密封不良1检查并更换或重装密封圈检查并更换或重装密封圈2检查并修复活塞杆检查并修复活塞杆3检查并修整检查并修整4检修密封圈及接触面检修密封圈及接触面F尽量使活塞杆在受拉状态下承受最大负载，或在受压状态下具有良好的纵向稳定性。F考虑液压缸行程终了处的制动问题和液压缸的排气问题。F正确确定液压缸的安装、固定方式。F液压缸各部分的结构需根据推荐的结构形式和设计标准进行设计，尽可能做到结构简单、紧凑，加工、装配和维修方便。一、液压缸设计中应注意的问题第三节 液压缸的设计和计算二、液压缸主要尺寸的确定（1）缸筒内径D（2）活塞杆直径d（3）缸筒长度L按推力计算：按拉力计算：按国标圆整为标准尺寸。（1）缸筒内径D1）按v 确定2）按工作压力确定按国标圆整为标准尺寸。（2）活塞杆直径d（3）缸筒长度L由最大工作行程决定三、强度校核（一）缸筒壁厚（二）活塞杆直径d的校核（三）缸盖固定螺栓ds的校核时，为薄壁筒（无缝钢管）式中：py 实验压力 n 安全系数n=5 pn 缸的额定压力 许用应力，b 抗拉强度（一）缸筒壁厚注意：圆整为标准壁厚1）铸造：满足最小尺寸 2）无缝钢管：查手册(无缝钢管外径不需加工）时，为厚壁筒（铸造）缸筒外径：1）强度校核式中：活塞杆材料的许用应力 n 安全系数n=1.4 2b 抗拉强度（二）活塞杆直径d的校核活塞杆受轴向压缩负载时，其值F 超过某一临界值 Fk，就会失去稳定。活塞杆稳定性按下式进行校核。四、稳定性校核式中 nk安全系数，一般取nk=24。时，强度校核即可时，要进行稳定性计算dF式中：l 活塞杆的计算长度 rk 活塞杆截面最小回转半径当细长比时：1 柔性系数2 末端系数（由液压缸的支承方式决定）E 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：当时：式中：f 由材料强度决定的实验值 a 系数液压缸的缓冲计算主要是估计缓冲时缸内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（见图5-11d）五、缓冲计算当E1=E2，即工作部件的机械能全部被缓冲腔液体吸收时，则得如缓冲装置为节流口可调式缓冲装置，在缓冲过程中的缓冲压力逐渐降低，假定缓冲压力线性地降低，则最大缓冲压力即冲击压力等于第五章第五章 结束结束!