液压缸的分类及基本计算

ysu-20103.1液压缸的分类及基本计算3.2液压缸的结构本章小结作业3液压缸ysu-20103.1液压缸的分类及基本计算液压缸是液压传动系统中应用最多的执行元件，它将油液的压力能转换为机械能，实现往复直线运动或摆动，输出力或扭矩。其作用方式可分为单作用式和双作用式两种。单作用式液压缸——液压油只能使液压缸实现单向运动，即压力油只是通向液压缸的一腔，而反方向运动则必须依靠外力来实现，如复位弹簧力、自重或其它外部作用。双作用式液压缸——在两个方向上的运动都由液压油的压力推动来实现。ysu-2010液压缸可以看作是直线马达(或摆动马达)，其单位位移排量即为液压缸的有效面积A。当液压缸的回油压力为零且不计损失时，输入液压功率p·q等于输出机械功率F·v。液压缸有多种结构，但根据其具体结构特点可分为活塞式、柱塞式和摆动式三类基本形式，除此以外，还有在基本形式上发展起来的各种特殊用途的组合液压缸。ysu-2010液压缸的分类1、单作用活塞式液压缸单向液压驱动，回程靠自重、弹簧或其它外力。2、单作用柱塞式液压缸柱塞较粗，受力较好，稳定性好，单向进油驱动，回程靠外力。3、单作用伸缩式液压缸液压油进入后，将活塞从大到小逐节推出，然后靠自重从小到大逐节缩回，这种液压缸的特点是缸筒短，伸出长。缸筒不受安装位置所限。例：自卸汽车点击播放动画ysu-20104、双作用单活塞杆液压缸双向液压驱动，往复速度、力不等。5、差动液压缸差动液压缸主要是靠油路的连接方式构成差动。可加大活塞杆的伸出速度，推力相应减小。6、双杆双作用液压缸可实现等速往复运动。7、双作用伸缩式液压缸它是自卸汽车所用的双作用伸缩液压缸，由一节活塞缸和一节柱塞缸组成。点击图片播放动画动画CAI.exe点击播放动画点击播放动画ysu-2010•8、串联液压缸小直径的液压缸获得大的作用面积，提高牵引力。•9、增压液压缸从低压系统可获得高压系统的能力。•10、多位液压缸可获得几个长度准确的行程，例如，用于排挡、换挡。点击播放动画ysu-201011、单叶片摆动液压缸回转往复运动，最大摆角300。12、双叶片摆动液压缸回转往复运动，最大摆角150。13、齿条液压缸原理演示ysu-2010缸固定3.1.1活塞式液压缸•活塞式液压缸可分为双杆式和单杆式两种结构形式，其安装方式有缸筒固定和活塞杆固定两种形式。•液压缸的基本参数：液压缸往复运动的速度v和牵引力F。•3.1.1.1双杆活塞式液压缸图3.1所示为双杆活塞式液压缸的工作原理图。当两活塞杆直径相同，供油压力和流量不变时，活塞式液压缸在两个方向上的运动速度和推力都相等，即原理演示ysu-2010)(422dDqAqvVV缸固定mmppdDAppF))((4)(212221式中v——液压缸的运动速度(m／s)；F——液压缸的推力(N)；ηv——液压缸的容积效率；ysu-2010•ηm——液压缸的机械效率；•q——液压缸的流量(m3／s)；•A——液压缸的有效工作面积(m2)，也可看成单位位移排量(m3／m)；•p1——进油压力(Pa)；•p2——回油压力(Pa)；•D——活塞直径，即缸筒直径(m)；•d——活塞杆直径(m)。•这种液压缸常用于要求往返运动速度相同的场合。缸固定ysu-2010•图3.1(b)为活塞杆固定式结构，当液压缸的左腔进油时，推动缸体向左移动，右腔回油；反之，当液压缸的右腔进油时，缸体则向右运动。b）杆固定a)缸固定图3.1(a)为缸体固定式结构，当液压缸的左腔进油，推动活塞向右移动，右腔活塞杆向外伸出，左腔活塞杆向内缩进，液压缸右腔油液回油箱；反之，活塞反向运动。这类液压缸常用于中小型设备中。原理演示ysu-20103.1.1.2单杆活塞式液压缸•图3.2所示为双作用单活塞杆液压缸，活塞杆只从液压缸的一端伸出，液压缸的活塞在两腔有效作用面积不相等，当向液压缸两腔分别供油，且压力和流量都不变时，活塞在两个方向上的运动速度和推力都不相等，即运动具有不对称性。ysu-2010•如图所示，当无杆腔进油时，活塞的运动速度v1和推力F1分别为VVDqAqv2114mmpdDpDpApAF])([4)(2221222111ysu-2010•如图3.2(b)所示，当有杆腔进油时，活塞的运动速度v2和推力F2分别为VVdDqAqv)(42222mmpDpdDpApAF])[(4)(2212221122•比较上述各式，可以看出v2v1,F1F2;液压缸往复运动时的速度比为•上式表明，活塞杆直径愈小，速度比愈接近1，液压缸在两个方向上的速度差值就愈小。)(==22212dDDvvysu-2010•如图3.3所示，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。在差动连接时，有杆腔排出流量进入无杆腔，根据流量连续性方程可导出液压缸的运动速度v3为VVdqAAqv22134原理演示ysu-2010•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F3为mmpdpAAF1212134)(•由上两式可知，差动连接时，液压缸的有效作用面积是活塞杆的横截面积，与非差动连接无杆腔进油工况相比，在输入油压力和流量不变的条件下，活塞杆伸出速度较大，而推力较小。实际应用中，液压传动系统常通过控制阀来改变单活塞杆液压缸的油路连接，使它有不同的工作方式，从而获得快进+工进+快退的工作循环。差动连接是在不增加液压泵容量和功率的条件下，实现快速运动的有效办法。ysu-2010•[例题3.1]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3.2和图3.3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。)(1523797.0]01021.0[4])([462222121NpdDpDFm)/(052.098.0601.010254423211smDqAqvVVysu-2010)/(102.098.060)07.01.0(10254)(42232222smdDqAqvVV)(777197.0]0102)07.01.0[(4])[(4)(6222212221122NpDpdDpApAFmmysu-2010)/(106.098.007.01025442323smdqvV)(746697.010207.04462123NpdFm)/(102.02smv)(77712NF)(152371NF)/(052.01smv)/(.=smv10603)(=NF74663ysu-20103.1.2柱塞式液压缸•活塞式液压缸应用非常广泛，但这种液压缸由于缸孔加工精度要求很高，当行程较长时，加工难度大，使得制造成本增加。在生产实际中，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。•如图3.4(a)所示，柱塞缸由缸筒、柱塞、导套、密封圈和压盖等零件组成，柱塞和缸筒内壁不接触，因此缸筒内孔不需精加工，工艺性好，成本低。ysu-2010•单一的柱塞缸只能制成单作用缸，如果要获得双向运动，可采用图3.4(b)所示的复合式柱塞缸结构，即将两柱塞液压缸成对使用，每个柱塞缸控制一个方向的运动参数。柱塞缸的柱塞端面是受压面，其面积大小决定了柱塞缸的输出速度和推力。为保证柱塞缸有足够的推力和稳定性，一般柱塞较粗，重量较大，水平安装时易产生单边磨损，故柱塞缸适宜于垂直安装使用。•为减轻柱塞的重量，有时制成空心柱塞。柱塞缸结构简单，制造方便，常用于工作行程较长的场合，如大型拉床，矿用液压支架等。ysu-2010•摆动式液压缸输出转矩，并实现往复摆动，有时也称为摆动马达，在结构上有单叶片和双叶片两种形式，如图3.5所示。单叶片式摆动液压缸由定子块1、缸体2、摆动轴3、叶片4、左右支承盘和左右盖板等主要零件组成。•定子块固定在缸体上，叶片和摆动轴固连在一起。当两油口相继通以压力油时，叶片即带动摆动轴作往复摆动。3.1.3摆动式液压缸ysu-2010•根据能量守恒原理，得输出角速度为•当考虑到机械效率时，单叶片缸的摆动轴输出转矩为mmppdDbpVT))(822122（)82222dDbqVqnvv（•式中D—缸体内孔直径(m)；•d—摆动轴直径(m)；•b—叶片宽度(m)。•V—每转排量，p1qp2)422dDbV（ysu-2010•单叶片摆动液压缸的摆角一般不超过280°，双叶片摆动液压缸的摆角一般不超过150°。•当输入压力和流量不变时，双叶片摆动液压缸摆动轴输出转矩是相同参数单叶片摆动缸的两倍，而摆动角速度则是单叶片的一半，摆动缸结构紧凑，输出转矩大，但密封困难，一般只用于中、低压系统中往复摆动、转位或间歇运动的地方。组合式液压缸ysu-2010[例3.2]如图3.5所示单叶片摆动液压缸，供油压力p1＝10MPa，流量q=25L／min，回油压力p2=0.5MPa，D=100mm，d＝40mm，若输出轴的角速度为7rad／s，摆动液压缸的容积效率和机械效率分别为0.96和0.98，求摆动液压缸的叶片宽度和输出扭矩是多少?[解])(52898.010)5.010)(04.01.0(8054.0))(86222122mNppdDbTm（)(054.060)04.01.0(796.010258)822322mdDqbv（)822dDbqv（p1qp2ysu-20103.1.4组合式液压缸•上述为液压缸的三种基本形式，为满足特定的需要，还可以在这三种基本液压缸的基础上构成各种组合式液压缸。3.1.4.1增压缸增压缸也称增压器，它能将输入的低压油转变为高压油供液压系统中的高压支路使用，增压缸如图所示。ysu-2010•它由有效面积为A1的大液压缸和有效作用面积为A2的小液压缸在机械上串联而成，大缸作为原动缸，输入压力为p1，小缸作为输出缸，输出压力为p2。若不计摩擦力，根据力平衡关系，可有如下等式：图3.6增压液压缸比值A1／A2称为增压比，由于A1／A21，压力p2被放大，从而起到增压的作用。12122211pAAppApA或ysu-20103.1.4.2多级缸•多级缸又称伸缩缸．它由两级或多级活塞缸套装而成，如图所示。ysu-2010•前一级缸的活塞杆就是后一级缸的缸套，活塞伸出的顺序是从大到小，相应的推力也是从大到小，而伸出的速度则是由慢变快。•空载缩回的顺序一般是从小活塞到大活塞，收缩后液压缸总长度较短，占用空间较小，结构紧凑。多级缸适用于工程机械和其它行走机械，如起重机伸缩臂、车辆自卸等。多级伸缩缸ysu-20103.1.4.3齿条活塞缸•齿条活塞缸由带有齿条杆的双活塞缸和齿轮齿条机构组成，如图所示。齿条活塞往复移动带动齿轮9并驱动传动轴10往复摆动，它多用于自动线、组合机床等转位或分度机构中。图3.8齿条活塞液压缸的结构图1-紧固螺帽;2-调节螺钉;3-端壁；4-垫圈;5-O形密封圈;6-挡圈;7-缸套;8-齿条活塞;9-齿轮;10-传动轴;11-缸体;12-螺钉原理演示ysu-20103.2液压缸的结构•液压缸通常由后端盖、缸筒、活塞杆、活塞组件、前端盖等主要部分组成；为防止油液向液压缸外泄漏或由高压腔向低压腔泄漏，在缸筒与端盖、活塞与活塞杆、活塞与缸筒、活塞杆与前端盖之