1、第四章第四章 液压执行元件液压执行元件4.1液压缸的工作原理液压缸的工作原理一、液压缸的组成一、液压缸的组成 液压缸组成：活塞液压缸组成：活塞2、缸体、缸体1、活塞杆、活塞杆3、端盖、端盖4、密封密封5二、液压缸的工作原理二、液压缸的工作原理 缸筒固定缸筒固定，一腔连续地输入压力油，当油的，一腔连续地输入压力油，当油的压力压力足以克服活塞杆上的所有负载时足以克服活塞杆上的所有负载时，活塞活塞以速以速度连续向另一腔运动，活塞杆对外界做功；反之度连续向另一腔运动，活塞杆对外界做功；反之亦然。亦然。1v 活塞杆固定活塞杆固定，一腔连续地输入压力油时，则，一腔连续地输入压力油时，则缸筒缸筒向另一方向运
2、动；反之亦然。向另一方向运动；反之亦然。4.2液压缸的类型、特点和基本参数计算液压缸的类型、特点和基本参数计算液压缸的分类液压缸的分类按结构形式分：按结构形式分：活塞缸活塞缸:又分单杆活塞缸、双杆活塞缸又分单杆活塞缸、双杆活塞缸柱塞缸柱塞缸:又分单柱塞缸和双柱塞缸又分单柱塞缸和双柱塞缸摆动缸摆动缸:又分单叶片摆动缸、双叶片摆动缸又分单叶片摆动缸、双叶片摆动缸按作用方式分：按作用方式分：单作用液压缸单作用液压缸:一个方向的运动依靠液压作用力实现，一个方向的运动依靠液压作用力实现，另一个方向依靠弹簧力、重力等实现；另一个方向依靠弹簧力、重力等实现；双作用液压缸双作用液压缸:两个方向的运动都依靠液压
3、作用力来两个方向的运动都依靠液压作用力来实现；实现；复合式缸复合式缸:活塞缸与活塞缸的组合、活塞缸与柱塞缸活塞缸与活塞缸的组合、活塞缸与柱塞缸的组合、活塞缸与机械结构的组合等。的组合、活塞缸与机械结构的组合等。1.1.单杆活塞式液压缸单杆活塞式液压缸 单杆活塞缸只有一端带活塞杆，它也有单杆活塞缸只有一端带活塞杆，它也有缸筒缸筒固定固定和和活塞杆固定活塞杆固定两种安装方式，两种方式的两种安装方式，两种方式的运动部件移动范围均为活塞有效行程的两倍，运动部件移动范围均为活塞有效行程的两倍，即即 。l无杆腔进油无杆腔进油l有杆腔进油有杆腔进油lL 2一、活塞式液压缸一、活塞式液压缸1)1)结构：缸体、
4、活塞、活塞杆、密封、缸盖等结构：缸体、活塞、活塞杆、密封、缸盖等2)2)工作原理工作原理：工作原理：工作原理：因两侧有效因两侧有效作用面积或油液压力作用面积或油液压力不等，不等，活塞在液压力的作用下，作活塞在液压力的作用下，作直线往复直线往复运动。运动。无杆腔无杆腔进油腔进油腔回油腔回油腔有杆腔有杆腔职能符号：职能符号：n单杆单作用活塞缸单杆单作用活塞缸n单杆双作用活塞缸单杆双作用活塞缸双向液压驱动双向液压驱动单向液压驱动，回单向液压驱动，回程靠外力。程靠外力。1214qqvAD1112222122(.)()4Fp Ap AppDp d无杆腔进油：无杆腔进油：3)3)基本参数基本参数有杆腔进油
5、：有杆腔进油：22224()qqADd2122122121(.)()4Fp Ap App Dp d 工程上将速度工程上将速度v2 与与v1的比值称为往返速比，用的比值称为往返速比，用v表示表示1vvdD由上式可知，已知由上式可知，已知D D和和v v 可求得可求得d d往返速比往返速比2211 1-vvvd D 单杆活塞缸的一种联接方单杆活塞缸的一种联接方式。它把右腔的回油管和左式。它把右腔的回油管和左腔的进油管接通。这种联接腔的进油管接通。这种联接方式称为方式称为差动联接差动联接。故：故：223321()44qDdvqqAD324qvd活塞前进的速度：活塞前进的速度：单杆活塞缸的差动连接：单
6、杆活塞缸的差动连接：显然，差动联接时活塞显然，差动联接时活塞运动速度较快运动速度较快，产生，产生的的推力较小推力较小。所以差动联接常用于。所以差动联接常用于空载快进场合空载快进场合。231121()4dFpAAp推力为：推力为：如果要求：快进差动如果要求：快进差动v3无差动快退无差动快退v2，则，则：d2D2.2.双杆活塞式液压缸双杆活塞式液压缸1 1）结构特点：两侧有效工作面积一样。结构特点：两侧有效工作面积一样。2222124()()()4qqvADdFDdpp2）基本参数：）基本参数：3 3）应用应用4 4）安装方式）安装方式职能符号：职能符号：l活塞有效工作行程。活塞有效工作行程。缸固
7、定缸固定 L=3 l杆固定杆固定 L=2 l两个方向力和速度一样的场合。两个方向力和速度一样的场合。双杆活塞缸根据安装方式不同又分为双杆活塞缸根据安装方式不同又分为活塞杆固活塞杆固定式定式和和缸筒固定式缸筒固定式两种。两种。注：本章所论及的液压缸，除特别指明外，均以注：本章所论及的液压缸，除特别指明外，均以缸筒固定，活塞杆运动缸筒固定，活塞杆运动 lL3lL2 当当缸筒固定时缸筒固定时，运动部件移动范围是活塞，运动部件移动范围是活塞有效行程的有效行程的三倍三倍；当；当活塞杆固定时活塞杆固定时，运动部件，运动部件移动范围是活塞有效行程的移动范围是活塞有效行程的两倍两倍 。二、柱塞式液压缸二、柱塞
8、式液压缸 柱塞与缸筒无柱塞与缸筒无配合关系，缸筒内配合关系，缸筒内孔孔不需精加工不需精加工，只，只是柱塞与缸盖上的是柱塞与缸盖上的导向套有配合关系。导向套有配合关系。为减轻重量，减少为减轻重量，减少弯曲变形，柱塞常弯曲变形，柱塞常做成做成空心空心。柱塞缸只能作单作用缸，柱塞缸只能作单作用缸，要求往复运动时，需要求往复运动时，需成对使用成对使用。柱塞缸能承受一定的径向力。柱塞缸能承受一定的径向力。（1 1）单柱塞缸）单柱塞缸单向液压驱动，回程靠外力。（2 2）双柱塞缸）双柱塞缸双向液压驱动（3 3）参数计算）参数计算42dppAF推力：推力：速度：速度：24dqAqv应用：行程较长的场合。应用：
9、行程较长的场合。职能符号：职能符号：柱塞粗、受力好。柱塞粗、受力好。简化加工工艺（缸体内孔和柱塞没有配合，不简化加工工艺（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。）需精加工；柱塞外圆面比内孔加工容易。）三、摆动缸三、摆动缸1.1.结构：叶片、缸体、输出轴结构：叶片、缸体、输出轴n双叶片式n单叶片式 当通入液压油，它的主轴能输出当通入液压油，它的主轴能输出小于小于360360的的摆动运动的缸称为摆动式液压缸。常用于摆动运动的缸称为摆动式液压缸。常用于辅助装辅助装置置，如送料和转位装置、液压机械手及间歇进给，如送料和转位装置、液压机械手及间歇进给机构。机构。2.参数计算及用途
10、参数计算及用途单叶片单叶片 摆角摆角300300o on双叶片双叶片 摆角摆角150150o o 转矩是单叶片的两倍转矩是单叶片的两倍，角速度是单叶片的一半角速度是单叶片的一半。n用途：实现摆动往复运动用途：实现摆动往复运动21221221122221()()()222()RRbTbpp rdrRRppqwnb RR四、其他液压缸四、其他液压缸22222()44(2)4FpDpDdpDd 是由两个缸组成的串连液压缸。两个缸分别是由两个缸组成的串连液压缸。两个缸分别有自己的进油口、出油口，缸筒固定在同一个活有自己的进油口、出油口，缸筒固定在同一个活塞杆上。两个缸的进油口相连，出油口也相连。塞杆上
11、。两个缸的进油口相连，出油口也相连。串连液压缸的输出力是两个缸输出力的总和。串连液压缸的输出力是两个缸输出力的总和。1.1.增力缸增力缸参数计算参数计算222()44vDvDdq 某一液压缸差动连接和不差动连接快速退回时，要某一液压缸差动连接和不差动连接快速退回时，要求（求（1）v快进快进=v快退，即快退，即v3=v2，（，（2）v快进快进=2v快退快退，即，即v3=2v2，；求：两种情况下活塞面积，；求：两种情况下活塞面积A1与活塞面与活塞面积积A2（有杆腔有效作用面积）的比值分别为多少？（有杆腔有效作用面积）的比值分别为多少？计算题：计算题：2112AApp 2.2.增压缸增压缸（动画）（
12、动画）增压缸是活塞缸与柱塞缸组成的复合缸，增压缸是活塞缸与柱塞缸组成的复合缸，但它不是能量转换装置，只是一个增压器件。但它不是能量转换装置，只是一个增压器件。增压比为大活塞与小柱塞的增压比为大活塞与小柱塞的面积比面积比KD 2/d 2；增压能力是在降低有效流量增压能力是在降低有效流量的基础上得到的；的基础上得到的；增压缸作为中间环节，用在增压缸作为中间环节，用在低压系统要求有低压系统要求有局部高压局部高压油路油路的场合。的场合。参数计算参数计算3.3.伸缩缸伸缩缸(动画动画)由两个或多个活塞式缸套装而成，由两个或多个活塞式缸套装而成，前一级活塞前一级活塞缸的活塞杆是后一级活塞缸的缸筒缸的活塞杆
13、是后一级活塞缸的缸筒。各级活塞依次。各级活塞依次伸出可获得很长的行程，当依次缩回时缸的轴向尺伸出可获得很长的行程，当依次缩回时缸的轴向尺寸很小。寸很小。除双作用伸缩液压缸外，还有单作用伸缩液压除双作用伸缩液压缸外，还有单作用伸缩液压缸，它与双作用不同点是回程靠外力，而双作用靠缸，它与双作用不同点是回程靠外力，而双作用靠液压作用力。液压作用力。4.34.3液压缸的结构液压缸的结构 液压缸按结构组成可以分为液压缸按结构组成可以分为缸体组件、活塞缸体组件、活塞组件、密封装置、缓冲装置和排气装置组件、密封装置、缓冲装置和排气装置等等 缸筒和缸盖的常见连接方式如图所示。从加工的工艺缸筒和缸盖的常见连接方
14、式如图所示。从加工的工艺性、外形尺寸和拆装是否方便不难看出各种连接的特点。图性、外形尺寸和拆装是否方便不难看出各种连接的特点。图 a)a)是是法兰连接法兰连接，加工和拆装都很方便，只是外形尺寸大些。，加工和拆装都很方便，只是外形尺寸大些。图图b)b)是是半环连接半环连接，要求缸筒有足够的壁厚。图，要求缸筒有足够的壁厚。图 c c）是）是拉杆式拉杆式连接连接，拆装容易，但外形尺寸大。图，拆装容易，但外形尺寸大。图d d）是）是螺纹连接螺纹连接，外形，外形尺寸小，但拆装不方便，要有专用工具。图尺寸小，但拆装不方便，要有专用工具。图 e e）是）是焊接连接焊接连接，结构简单，尺寸小，但可能会有因焊接
15、有一些变形。，结构简单，尺寸小，但可能会有因焊接有一些变形。1 1、缸体组件、缸体组件 缸体组件包括缸体组件包括缸筒缸筒、缸盖缸盖和一些和一些连接零连接零件件。缸筒可以用铸铁。缸筒可以用铸铁（低压时）和无缝钢（低压时）和无缝钢管（高压时）制成。管（高压时）制成。半环半环拉杆式连接拉杆式连接法兰盘法兰盘2 2、活塞组件、活塞组件 活塞组件的连接方式除了活塞组件的连接方式除了锥销式连接锥销式连接以外，还有以外，还有整体式整体式、螺纹式连接螺纹式连接和和半环式连接半环式连接。整体式结构简单。整体式结构简单、使用可靠，在尺寸较小的场合常用。螺纹式连接和、使用可靠，在尺寸较小的场合常用。螺纹式连接和半环
16、式连接如图所示。前者结构简单，但要防止螺母半环式连接如图所示。前者结构简单，但要防止螺母脱落。后者结构复杂，但工作可靠。脱落。后者结构复杂，但工作可靠。活塞组件包活塞组件包括括活塞活塞和和活塞活塞杆杆两部分。活两部分。活塞通常是用塞通常是用铸铸铁铁制成的，活制成的，活塞杆通常用塞杆通常用钢钢料料制成。制成。3 3、密封装置、密封装置 液压缸的密封主要是指液压缸的密封主要是指活塞、活塞杆处的动活塞、活塞杆处的动密封密封和和缸盖等处的静密封缸盖等处的静密封。常采用。常采用O O形密封圈形密封圈和和Y Y形密封圈形密封圈。液压缸中密封设计的好坏，对液压缸。液压缸中密封设计的好坏，对液压缸的性能有着重
17、要影响。的性能有着重要影响。O O形密封圈形密封圈Y Y形密封圈形密封圈目的目的：为了防止活塞在行程的终点与前后端盖板发：为了防止活塞在行程的终点与前后端盖板发生生碰撞碰撞，引起噪音引起噪音，影响工件精度或使液压缸损坏，影响工件精度或使液压缸损坏，原理原理：常在液压缸前后端盖上设有：常在液压缸前后端盖上设有缓冲装置缓冲装置，以使，以使活塞移到快接近行程终点时速度减慢下来终至停止。活塞移到快接近行程终点时速度减慢下来终至停止。4 4、缓冲装置：、缓冲装置：在液压缸结构上能及时排除缸内在液压缸结构上能及时排除缸内留存的气体留存的气体而设而设计的装置。一般双作用式液压缸不设专门的放气孔，计的装置。一
18、般双作用式液压缸不设专门的放气孔，而是将液压油出入口布置在而是将液压油出入口布置在前后盖板的最高处前后盖板的最高处。而大。而大型型双作用式液压缸双作用式液压缸则必须在则必须在前后端盖板设放气栓塞前后端盖板设放气栓塞。单作用式液压缸液压油单作用式液压缸液压油出入口一般设在出入口一般设在缸筒底部缸筒底部，在，在最高处设放气栓塞。最高处设放气栓塞。5 5、放气装置：、放气装置：1）缸筒内经）缸筒内经D 根据液压缸推力根据液压缸推力F和选定工作压力和选定工作压力P，或者运，或者运动速度和输入流量计算，然后按标准加以圆整。动速度和输入流量计算，然后按标准加以圆整。2）活塞杆直径）活塞杆直径d 首先满足液
19、压缸的速度或往返速比首先满足液压缸的速度或往返速比v进行计算，进行计算，然后按标准加以圆整。然后按标准加以圆整。3）液压缸缸筒长度）液压缸缸筒长度L 由最大工作行程长度决定，一般不超过其内由最大工作行程长度决定，一般不超过其内径的径的20倍倍4）液压缸最小导向套的长度）液压缸最小导向套的长度H HL/20+D/26 6、液压缸的特征尺寸、液压缸的特征尺寸 不同的液压缸有不同的设计内容和要求，一般不同的液压缸有不同的设计内容和要求，一般在设计液压缸的结构时应注意以下几个问题：在设计液压缸的结构时应注意以下几个问题：（1 1）尽量使液压缸的活塞杆在）尽量使液压缸的活塞杆在受拉状态下承受受拉状态下承
20、受最大负载最大负载，或在，或在受压状态下具有良好的纵向稳定性受压状态下具有良好的纵向稳定性 （2 2）考虑液压缸行程终了处的）考虑液压缸行程终了处的制动问题制动问题和液压和液压缸的缸的排气问题排气问题。缸内如无缓冲装置和排气装置，系。缸内如无缓冲装置和排气装置，系统中需要有相对应的措施，但是并非所有的液压缸统中需要有相对应的措施，但是并非所有的液压缸都要考虑这些问题。都要考虑这些问题。4.4液压缸的设计计算液压缸的设计计算（一）液压缸设计中应注意的问题（一）液压缸设计中应注意的问题 （3 3）根据主机的工作要求和结构设计要求，正）根据主机的工作要求和结构设计要求，正确确定液压缸的确确定液压缸的
21、安装安装固定方式固定方式。但液压缸只能一。但液压缸只能一端定位。端定位。（4 4）液压缸各部分的结构需根据）液压缸各部分的结构需根据推荐的结构形推荐的结构形式和设计标准式和设计标准进行设计，尽可能做到结构简单进行设计，尽可能做到结构简单紧紧凑凑加工加工装配和维修方便。装配和维修方便。液压缸的主要尺寸包括液压缸的主要尺寸包括缸筒内径缸筒内径D D、活塞杆直径、活塞杆直径d d和缸筒长度和缸筒长度L L。根据根据负载大小负载大小和液压缸的和液压缸的工作压力工作压力确定活塞的确定活塞的有效工作面积有效工作面积，再根据液压缸的不同结构形式计算，再根据液压缸的不同结构形式计算出缸筒的内径。出缸筒的内径。
22、活塞杆直径是按受力情况决定的，活塞杆直径是按受力情况决定的，可按表初步选取。可按表初步选取。缸筒长度的确定要考虑缸筒长度的确定要考虑活塞最大活塞最大行程、活塞厚度、导向和密封所需长度行程、活塞厚度、导向和密封所需长度等因素。通等因素。通常情况常情况L(2030)dL(2030)d。计算结果要。计算结果要圆整圆整成国家标准中成国家标准中的推荐值。主要尺寸初步确定后，还要按速度要求的推荐值。主要尺寸初步确定后，还要按速度要求进行验证。同时满足力和速度的要求后才可以确定进行验证。同时满足力和速度的要求后才可以确定下来。下来。（二）主要尺寸的计算（二）主要尺寸的计算液压缸工作压力与活塞杆直径液压缸工作
23、压力与活塞杆直径 液压缸工作压液压缸工作压力力p/MPa 7 推荐活塞杆直推荐活塞杆直径径d (0.50.55)D (0.60.7)D 0.7D 1 1、基本参数计算、基本参数计算（）（）.总阻力：总阻力：afliFFFFF式中：式中：Fl 工作载荷工作载荷 Ff 摩擦阻力摩擦阻力 Fa 惯性阻力惯性阻力速比：速比：v的选择：的选择：p，选选v;p,选选v.12vvv222dDD（2 2）.速度和速比速度和速比2114DqAqvvv)(42222dDqAqvvv 对速度要求高时对速度要求高时：由：由v、q,确定确定D；或已知；或已知v、D,确定确定q。对速度没有要求对速度没有要求：由：由q、D
24、、d 确定确定v。v2、d 由速比由速比v 确定确定（3）.缸筒内径缸筒内径D按推力计算：按推力计算：按拉力计算：按拉力计算：按国标圆整为标准尺寸。按国标圆整为标准尺寸。mApApF)(22111mApApF)(12212mpdppD4)(422212mpdppD4)(412212212221)(4pppdppFDm211221)(4pppdppFDm（4）.活塞杆直径活塞杆直径 d1 1）按）按v v 确定确定vvDd1222dDDv2 2）按工作压力确定）按工作压力确定按国标圆整为标准尺寸。按国标圆整为标准尺寸。10/D时，为薄壁筒（无缝钢管）时，为薄壁筒（无缝钢管）式中：式中：py 实验
25、压力实验压力（1）.缸筒壁厚缸筒壁厚2Dpy2、结构计算和校核、结构计算和校核nypp25.1nypp5.1)16(MPapn)16(MPapnnb n 安全系数安全系数 n=5 pn 缸的额定压力缸的额定压力 许用应力，许用应力，b 抗拉强度抗拉强度13.14.02yyppD21 DD注意：圆整为标准壁厚注意：圆整为标准壁厚 1 1）铸造：满足最小尺寸）铸造：满足最小尺寸 2 2）无缝钢管：查手册）无缝钢管：查手册 (无缝钢管外径不需加工）无缝钢管外径不需加工）10/D时，为厚壁筒（铸造）时，为厚壁筒（铸造）缸筒外径：缸筒外径：（2）.活塞杆的校核活塞杆的校核1）强度校核）强度校核杆AF42
26、dF4Fd 式中：式中：活塞杆材料的许用应力活塞杆材料的许用应力nb n 安全系数安全系数 n=1.4 2b 抗拉强度抗拉强度2）稳定性校核）稳定性校核10/dl时，强度校核即可时，强度校核即可10/dl时，要进行稳定性计算时，要进行稳定性计算kKnFF 稳定条件：稳定条件：式中：式中：F 活塞杆所受最大压力活塞杆所受最大压力 Fk 活塞杆的稳定临界力活塞杆的稳定临界力 nk 稳定安全系数稳定安全系数 nk =2 4ldFAJrk式中：式中：l 活塞杆的计算长度活塞杆的计算长度rk 活塞杆截面最小回转半径活塞杆截面最小回转半径1 柔性系数柔性系数2 末端系数（由液压缸的支承方式决定）末端系数（由液压缸的支承方式决定）E 弹性模量弹性模量J 活塞杆截面惯性矩活塞杆截面惯性矩A 活塞杆横截面积活塞杆横截面积222lEJFk21krl当细长比当细长比 时：时：稳定临界力稳定临界力Fk 的确定：的确定：221kkrlafAF120202121krl当当 时：时：式中：式中：f 由材料强度决定的实验值由材料强度决定的实验值 a 系数系数思考与练习思考与练习能绘出液压缸的图形符号？能绘出液压缸的图形符号？液压缸的分类有哪些？液压缸的分类有哪些？描述液压缸的特点。描述液压缸的特点。
