第四章液压缸(流体传动).

重庆大学机械工程学院重庆大学机械工程学院主讲：刘振军博士教授流体传动与控制2011年9月重庆大学机械工程学院2第4章液压缸重庆大学机械工程学院3功用：将压力能转换为机械能而对负载作功，实现直线往复运动。4.1类型及特点结构形式活塞式柱塞式组合式单作用式作用方式双作用式重庆大学机械工程学院4只有一腔能进出压力油，活塞（缸体）只能依靠液压力作单向运动，回程需借助自重/外力的液压缸单作用式单作用式又分为无弹簧式附弹簧式柱塞式4.1类型及特点重庆大学机械工程学院5两腔均能进出压力油，活塞（缸体）能作正、反两个方向移动。双作用式又分两种双作用式双杆形单杆形4.1类型及特点重庆大学机械工程学院6柱塞式液压缸单活塞杆式液压缸双活塞杆式液压缸伸缩式液压缸4.1类型及特点重庆大学机械工程学院7单活塞杆式液压缸双活塞杆式液压缸伸缩式液压缸弹簧复位式液压缸4.1类型及特点重庆大学机械工程学院8增压缸串联式液压缸齿轮缸4.1类型及特点重庆大学机械工程学院9摆动缸4.1类型及特点重庆大学机械工程学院104.1类型及特点重庆大学机械工程学院114.1类型及特点重庆大学机械工程学院121-缸底2-弹簧挡圈3-套环4-卡环5-活塞6-型密封圈7-支承环8-挡圈9-形密封圈10-缸筒11-管接头12-导向套13-缸盖14-防尘圈15-活塞杆16-定位螺钉17-耳环1.活塞缸单活塞杆液压缸只有一端有活塞杆。两端进出油口A和B都可通压力油或回油，以实现双向运动，故称为双作用缸。4.1类型及特点重庆大学机械工程学院13重庆大学机械工程学院144.1类型及特点重庆大学机械工程学院15当供给液压缸的流量Q一定时，活塞两个方向的运动速度为：v1=Q/A1=4Q/πD2(向左）v2=Q/A2=4Q/π(D2-d2)(向右）当供油压力p一定，回油压力为零时作用力F1=p.A1=p.πD2/4(向右）F2=p.A2=p.π(D2-d2)/4(向左）A1F3A2dv1Dv2F14.1类型及特点重庆大学机械工程学院16当差动连接时，作用力为：F3=p(A1-A2)=p.(πd2/4)速度:v3=(Q+Q2)/A1=(Q+v3.A2)/A1v3=Q/(A1-A2)=4Q/πd2差动连接的单活塞杆液压缸P2QA1Q1P1Q2A2F3V34.1类型及特点重庆大学机械工程学院174.1类型及特点重庆大学机械工程学院18单活塞杆液压缸可以是缸筒固定，活塞运动；也可以是活塞杆固定缸筒运动。无论采用其中哪一种形式，液压缸运动所占空间长度都是两倍行程。单活塞杆液压缸运动所占空间4.1类型及特点重庆大学机械工程学院19双活塞杆式液压缸1—活塞杆2—堵头3—托架4、17—V形密封圈5、14—排气孔6、19—导向套7—O形密封圈8—活塞9、22—锥销10—缸体11、20—压板12、21—钢丝环13、23—纸垫15—活塞杆16、25—压盖18、24—缸盖双活塞杆液压缸的两端都有活塞伸出，组成与单活塞杆液压缸基本相同。缸筒与缸盖用法兰连接，活塞与缸筒内壁之间采用间隙密封。4.1类型及特点重庆大学机械工程学院201—活塞杆2—压盖3—缸盖4—缸筒5—活塞6—密封圈双活塞杆液压缸结构4.1类型及特点重庆大学机械工程学院21双活塞杆液压缸的两活塞杆直径通常相等，活塞两端有效面积相同。如果供油压力不变，那么活塞反复运动时两个方向的作用力和速度相等。v=Q/A=4Q/(D2-d2)F=p.A=p.(D2-d2)/4这种液压缸在传动时活塞杆只承受拉力，多数用于机床。4.1类型及特点重庆大学机械工程学院222.柱塞式液压缸柱塞式液压缸特点(1)一种单作用式液压缸，靠液压力只能实现一个方向的运动，柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重；4.1类型及特点重庆大学机械工程学院23(2)柱塞只靠缸套支承而不与缸套接触，这样缸套极易加工，故适于做长行程液压缸；(3)工作时柱塞总受压，因而它必须有足够的刚度；(4)柱塞重量往往较大，水平放置时容易因自重而下垂，造成密封件和导向单边磨损，故其垂直使用更有利。柱塞上有效作用力F为：24pdFpA24QQvAd柱塞运动速度为：4.1类型及特点重庆大学机械工程学院241—活塞2—套筒3—O形密封圈4—缸筒5—缸盖伸缩式液压缸结构示意图3.伸缩式液压缸具有二级或多级活塞，如伸缩式缸活塞伸出顺序从大到小，而空载缩回的顺序则一般从小到大。可实现较长的行程，而缩回时长度较短，结构较为紧凑。常用于工程机械和农业机械上。4.1类型及特点重庆大学机械工程学院254.1类型及特点重庆大学机械工程学院264.1类型及特点重庆大学机械工程学院27缸筒主要是由钢材制成，工作压力p＜10MPa铸铁缸筒10MPa≤p＜20MPa无缝钢管p≥20MPa铸钢或锻钢4.2液压缸的典型结构缸筒内要经过精细加工，表面粗糙度Ra0.08m，以减少密封件的摩擦。重庆大学机械工程学院28通常由钢材制成，有前端盖和后端盖，安装在缸筒的前后两端，盖板和缸筒的连接方法有焊接、拉杆、法兰、罗纹连接等。4.2液压缸的典型结构缸盖重庆大学机械工程学院29活塞活塞的材料通常用钢或铸铁，也可采用铝合金。活塞应有一定的导向长度，一般取活塞长度为缸筒内径的（0.6～1.0）倍。活塞杆是由钢材做成实心杆或空心杆，表面经淬火再镀铬处理并抛光。短行程的液压缸的活塞杆与活塞做成一体。4.2液压缸的典型结构活塞杆重庆大学机械工程学院30活塞与活塞杆的连接螺母连接结构简单，适用负载较小，受力无冲击的缸中，安装方便可靠，但在活塞杆上车螺纹将削弱其强度。法兰连接高压，需焊接法兰盘，较复杂结构简单，轴向尺寸紧凑，但损坏后需整体更换整体式4.2液压缸的典型结构重庆大学机械工程学院31卡环式连接活塞杆上开有一个环形槽，槽内装有两个半圆环3以夹紧活塞4，半环3由轴套2套住，而轴套2的轴向位置用弹簧卡圈1来固定。4.2液压缸的典型结构重庆大学机械工程学院32径向销式连接用锥销1把活塞2固连在活塞杆3上。特别适用于双出杆式活塞。4.2液压缸的典型结构重庆大学机械工程学院33缓冲装置作用：防止活塞在行程的终点与前后端盖板发生碰撞，引起噪音，影响工件精度或使液压缸损坏。前后端盖上设缓冲装置缓冲原理：利用节流方法在液压缸的回油腔产生阻力，减小速度，避免撞击。4.2液压缸的典型结构重庆大学机械工程学院34凡是两个零件连接处或相对运动表面都应设置密封装置静密封－O形圈动密封－O形圈、V形密封、U形密封、Y形密封、复合密封、活塞环。密封装置用以防止油液的泄漏4.2液压缸的典型结构重庆大学机械工程学院35放气装置在安装过程中或停止工作的一段时间后，空气将渗入液压系统内，缸筒内如存留空气，将使液压缸在低速时产生爬行、颤抖现象，换向时易引起冲击，因此在液压缸结构上要能及时排除缸内留存的气体。双作用式液压缸不设专门的放气孔，将液压油出入口布置在前后盖板的最高处。大型双作用式液压缸则必须在前后端盖板设放气栓塞。对于单作用式液压缸液压油出入口一般设在缸筒底部，在最高处设放气栓塞。4.2液压缸的典型结构重庆大学机械工程学院36液压缸的设计和计算选择结构类型，按负载情况、运动要求、最大行程等确定其主要工作尺寸，进行强度、稳定性和缓冲验算，最后再进行结构设计。液压缸的设计内容和步骤(1)选择液压缸的类型和各部分结构形式(2)确定液压缸的工作参数和结构尺寸(3)结构强度、刚度的计算和校核(4)导向、密封、防尘、排气和缓冲等装置的设计(5)绘制装配图、零件图、编写设计说明书4.3设计计算重庆大学机械工程学院37计算液压缸的结构尺寸三个主要结构尺寸缸筒内径D活塞杆外径d缸筒长度L(1)缸筒内径D负载工作压力往返速度比有效工作面积缸筒内径D取标准值①以无杆腔作工作腔时max4IFDp4.3设计计算重庆大学机械工程学院38②以有杆腔作工作腔时2max4dpFDI(2)活塞杆外径d先从满足速度或速度比的要求来选择，然后再校核其结构强度和稳定性。vvD1(3)缸筒长度L由最大工作行程长度加上各种结构需要来确定L=l+B+A+M+C最大工作行程活塞宽度一般为(0.6-1)D杆导向长度取(0.6-1.5)D活塞杆密封长度其他长度4.3设计计算重庆大学机械工程学院39(4)最小导向长度的确定活塞杆全部外伸时，活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离。保证稳定性的最小长度H≥L/20+D/24.3设计计算重庆大学机械工程学院40隔套宽度C2ABCH强度校核在高压系统中必须对液压缸的缸筒壁厚δ、活塞杆直径d和缸盖固定螺栓的直径进行强度校核。中低压系统，无需校核。(1)缸筒壁厚校核D/δ≥10时，壁厚按薄壁进行校核：δ＞=pyD/2[σ]D/δ＜10，按壁厚进行校核[]0.412[]1.3ttpDp4.3设计计算重庆大学机械工程学院41(2)活塞杆直径校核4[]Fd(3)液压缸盖固定螺栓直径校核5.2[]kFdZ稳定性校核FFk缓冲计算4.3设计计算重庆大学机械工程学院42液压缸、液压泵、液压马达的共性油缸油泵油马达，工作原理属一家：能量转换共同点，均靠容积来变化，出油容积必缩小，进油容积则扩大。油泵输出压力油，出油当然是高压，缸和马达与泵反，出油自然是低压。工作压差看负载，负载含义要记下：油泵不仅看外载，管路阻力也得加，缸和马达带负载，压差只是克服它。流量大小看速度，再看排量小与大，单位位移需油量，排量含义就是它。