1、第第4 4章章 液液 压压 缸缸 4.1 液压缸的分类及特点液压缸的分类及特点4.2 液压缸主要组成部分的结构液压缸主要组成部分的结构4.3 液压缸的设计计算液压缸的设计计算4.4 液压缸常见故障及其排除方法液压缸常见故障及其排除方法习题与思考题习题与思考题第第4 4章章 液液 压压 缸缸第第4 4章章 液液 压压 缸缸 4.1液压缸的分类及特点液压缸的分类及特点液压缸按其结构特点可分为活塞式、柱塞式和摆动式三大类。活塞式和柱塞式实现往复直线运动,输出推力和速度;摆动式实现往复摆动运动,输出转矩和转速。液压缸按其作用方式可分为单作用液压缸和双作用液压缸两大类。单作用液压缸利用液压力控制液压缸一
2、个方向的运动,而反方向运动则靠重力或弹簧力等来实现;双作用液压缸则是利用液压力来实现液压缸正、反两个方向的运动。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 液压缸按其使用压力不同可分为中低压、中高压、高压液压缸三大类。机床上一般采用中低压液压缸;建筑机械和飞机上一般采用中高压液压缸;压力机上一般采用高压液压缸。液压缸按其使用数目不同可分为单个使用液压缸、组合使用液压缸和与其它机构组合使用液压缸等,以完成特殊的功用。液压缸结构简单,工作可靠,制造容易,维修方便,因此在机床液压系统及其它工业部门中应用相当广泛。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 表4-1列出了各类液压缸的名称、图形符号,并对它们进行了简要的说
3、明。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 第第4 4章章 液液 压压 缸缸 1.活塞式液压缸活塞式液压缸1)双作用双活塞杆液压缸双作用双活塞杆液压缸的特点是:液压缸两腔的活塞杆直径和活塞有效作用面积相等。因此,当液压缸两腔的流量相同时,活塞(或缸体)往复运动的速度相等。在供油压力相等的条件下,活塞在两个方向上所产生的推力也相等。双作用双活塞杆液压缸根据其活塞杆固定还是缸体固定又可分为实心双活塞杆液压缸和空心双活塞杆液压缸两种(如图4-1和图4-3所示)。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 41 实心双活塞杆液压缸第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 4-2实心双活塞杆液压缸的运动范围第第4 4章
4、章 液液 压压 缸缸 图4-3所示为空心双活塞杆液压缸结构图。它由压盖1、空心活塞杆2、端盖4和15、密封圈5和9、导向套7、销8、活塞10、缸体11及密封垫14等组成。活塞杆固定在床身上,缸体由支架3和右盖15与工作台连接,动力由缸体传出。端盖4和15用螺钉(图中未示出)连接在套筒12上,通过半圆环13固定在缸体11上。压力油经活塞杆2的中心孔和径向孔进入液压缸的右腔或左腔,推动缸体带动工作台往复运动。进、出油口也可以安装在缸体两端,但要使用软管连接。这种液压缸使工作台的运动范围约等于活塞有效行程的两倍(见图4-4),所以其占地面积小,常用于中、大型机床上。第第4 4章章 液液 压压 缸缸
5、图 4-3空心双活塞杆液压缸第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 4-4空心双活塞杆液压缸的运动范围 第第4 4章章 液液 压压 缸缸 双活塞杆液压缸的推力和速度计算如下:(N)(4)()(oi22oippdDppAF(4-1)式中:F双向推力(N);A活塞的有效作用面积(m2);pi、po液压缸进、回油压力(Pa);D、d 活塞和活塞杆的直径(m)。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 (m/s)(422dDqAqv(4-2)式中:v液压缸的双向速度(m/s);q输入液压缸的流量(m3/s)。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 2)双作用单活塞杆液压缸双作用单活塞杆液压缸的特点是:仅在液压缸的一腔
6、中有活塞杆,因此缸两腔的有效面积不等,活塞杆直径越大,有效面积相差越大。所以,当输入液压缸两腔的流量和压力相同时,液压缸两个方向的运动速度和推力都不相等。单活塞杆液压缸也有实心杆和空心杆两种。图4-5所示为定位或夹紧用的实心单杆液压缸。这种液压缸的行程一般都比较短,对活塞密封性的要求不高,结构较简单。为了充分利用液压缸两腔的有效作用面积,一般活塞杆较细。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 4-5实心单杆液压缸第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图4-6 所示为液压滑台用空心单杆液压缸的结构图。它由缸体3、活塞1、空心活塞杆4、支架2和6以及油管5等组成。空心活塞杆固定在床身上,缸体3通过支架2
7、和6与滑台连接。油管5装在空心活塞杆4的中心,油液分别通过油管5和活塞杆4的内孔进入液压缸的左腔和右腔,推动缸筒带动滑台往复运动。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 4-6空心单杆液压缸第第4 4章章 液液 压压 缸缸 双作用单活塞杆液压缸也有缸体固定和活塞杆固定两种形式,它们的工作台运动范围是相同的,都约等于活塞杆有效行程的两倍,如图4-7所示。图 4-7双作用单活塞杆液压缸运动范围 第第4 4章章 液液 压压 缸缸 双作用单活塞杆液压缸的推力和速度分别计算如下。无杆腔进油(如图4-8(a)所示)时,(m/s)4 (N)(4211o2oi2o2i11DqAqvpdPpDpApAF(4-3)
8、式中:F1无杆腔产生的推力(N);A1、A2无杆腔、有杆腔的有效工作面积(m2);v1无杆腔进油时的运动速度(m/s)。(4-4)第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 4-8双作用单活塞杆液压缸计算简图第第4 4章章 液液 压压 缸缸 有杆腔进油(如图4-8(b)所示)时,(m/s)(4 (N)(42222i2oi2o1i22dDqAqvpdppDpApAF(4-5)(4-6)式中:F2有杆腔产生的推力(N);v2有杆腔进油时的运动速度(m/s)。当输入液压缸两腔的流量相等时,液压缸的运动速度v2与v1之比称为速比,以表示:第第4 4章章 液液 压压 缸缸 上式说明:活塞杆越细,则速比越接近于
9、1,即当缸的两腔输入相同的流量时,两个方向的运动速度相差不大;活塞杆越粗,则速比越大,即两个方向的速度相差越大,承载能力也不同。当单活塞杆液压缸两腔相互接通并同时通入压力油时,称差动连接,如图4-8(c)所示。这种两端同时通压力油,利用活塞两端面积差进行工作的液压缸叫做差动液压缸。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 3i2i222i21i4)(4)(3ApdpdDDpAApF(4-8)由上式可知,差动连接时液压缸的推力比非差动连接时小。设差动连接时活塞向右运动的速度为v3,则从有杆腔中排出的流量q为 32vAq 差动液压缸两腔的压力是相等的,但由于无杆腔的有效工作面积大于有杆腔的有效工作面积,因
10、此使活塞向右移动,从液压缸有杆腔排出的油液也进入无杆腔。这时液压缸的推力为 第第4 4章章 液液 压压 缸缸 3132vAvAqqq(4-9)上式整理后为(m/s)423213dqAqAAqv由此可见,差动连接时液压缸的运动速度比非差动连接时大。如果要求差动缸差动连接的速度与向左运动的速度相等,也即使,则有 123vv由于这部分油液流入无杆腔,因此无杆腔的总流量为 2224)(4dqdDq第第4 4章章 液液 压压 缸缸 这时活塞直径D和活塞杆直径d有如下关系:DdD0.71d 2或(4-10)双作用单活塞杆液压缸广泛应用于要求有慢速工作行程和快速进、退的传动系统中。在需要快速进、退的机床进给
11、系统中,常采用差动液压缸以实现快进-工进-快退的工作循环。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 4-9无杆液压缸第第4 4章章 液液 压压 缸缸 3)双作用无活塞杆液压缸图4-9所示为双作用无活塞杆液压缸,也称齿轮齿条式液压缸。两个活塞4用螺钉固定在齿条5的两端,两端盖2和8通过螺钉、压板和半环连接在缸体7上。当压力油从油口a进入缸的左腔时,推动齿条活塞向右运动,通过齿轮6的回转带动工作机构运动。液压缸右腔的回油经油口c排出。当压力油从油口c进入右腔时,齿条活塞向左移动,齿轮6反向回转,左腔的回油经油口a排出。活塞的行程可由两端盖上的螺钉1调节。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 2.柱塞式液压
12、缸柱塞式液压缸在缸体内作相对往复运动的组件为柱塞的液压缸称为柱塞式液压缸。图4-10所示为一般外圆磨床中用作消除丝杠、螺母副间隙的柱塞式液压缸,也称闸缸。它由缸体1、柱塞2、钢套3、钢丝卡圈4等组成。压力油从左端进入缸内,推动柱塞向右移动。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 4-10柱塞式液压缸结构简图 第第4 4章章 液液 压压 缸缸 柱塞式液压缸只能在压力油的作用下产生单向运动,如图4-11所示,柱塞与工作台相连,缸体固定在床身上。当压力油进入缸体时,柱塞带动工作台做一个方向的运动,反方向运动则要靠自重或其它外力来实现。由于只需向柱塞一侧供压力油,因此它是一种单作用式液压缸。当机床工作台
13、要求做往复运动时,必须由两只液压缸来完成双方向的驱动,如图4-12所示。因此,双向运动柱塞式液压缸的体积和重量都比较大。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 4-11单向运动柱塞式液压缸 第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 4-12双向运动柱塞式液压缸第第4 4章章 液液 压压 缸缸 柱塞式液压缸也有缸体固定和柱塞固定两种形式,其运动范围和单活塞杆液压缸完全相同。柱塞既可以做成空心,也可以做成实心。柱塞式液压缸以柱塞为主要部件,其柱塞外圆表面与缸体内壁不接触。因此，缸体内孔只作粗加工或不加工,而只需对柱塞和与柱塞接触的导向部分进行精加工,这大大简化了缸体的加工工艺,故特别适用于行程较长的场合
14、,如导轨磨床和龙门刨床。行程特别长的柱塞缸还可以在其缸体内为柱塞设置辅助支承。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 (N)42pdpAF(4-11)式中:d柱塞的直径(m)。柱塞的运动速度为(m/s)42dqAqv(4-12)柱塞式液压缸的推力为第第4 4章章 液液 压压 缸缸 3.增压液压缸增压液压缸增压液压缸又称增压器。在某些短时或局部需要高压液体的液压系统中,常用增压液压缸与低压大流量泵配合使用,来获得比液压泵工作压力高得多的压力,以减少功率消耗,节省设备费用。图4-13所示为增压液压缸的工作原理图,其中(a)图代表单作用增压缸,(b)图代表双作用增压缸。单作用增压缸由一个活塞缸和一个柱塞缸
15、组合而成;双作用增压缸由一个活塞缸和两个柱塞缸组合而成。当低压油p1推动增压缸的大活塞D时,大活塞推动与其连成一体的小柱塞d,则输出压力为p2的高压液体。它们之间的关系为 第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图413 增压液压缸工作原理图第第4 4章章 液液 压压 缸缸 KDdqqKdDpp122122212(4-13)(4-14)式中:p1、p2增压缸的输入压力和输出压力(Pa);q1、q2增压缸的输入流量和输出流量(m3/s);K增压缸的增压比,K=D2/d2,代表增压能力。显然,增压缸的增压能力是在降低有效流量的基础上得到的,也就是说,增压缸仅仅是增大输出压力,并不能增大输出能量。第第4
16、4章章 液液 压压 缸缸 单作用增压缸在柱塞运动到终点时,不能再输出高压液体,需将其退回左端位置,再向右行时才又输出高压液体,即只能断续增压。为了克服这一缺点,可采用双作用增压缸,和其它元件组合,由两个高压端连续向系统供油,从而得到连续高压。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 4.串联液压缸串联液压缸在某些液压传动系统中,当单个液压缸推力不足、缸径受空间位置限制而不能增大,但轴向长度允许增加时,可采用串联液压缸(即增力液压缸)来增加输出力。图4-14所示为一种由两个活塞缸串联在一起的增力缸原理图。当压力油进入两缸左腔时,串联活塞向右移动,两缸右腔油液同时排出；反之,活塞左移。串联液压缸的推力(略
17、去回油腔压力)为(N)2(4)(4422i222idDpdDDpF(4-15)可见,其推力为两缸推力之和。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 4-14串联液压缸原理图第第4 4章章 液液 压压 缸缸 可见,其速度相应减小。上两式中:pi油液的工作压力(Pa);D、d活塞、活塞杆的直径(m);q 进入增力缸的流量(m3/s)。串联液压缸的右行速度为(m/s)2(4)(422222dDqdDDqv(4-16)第第4 4章章 液液 压压 缸缸 5.多位液压缸多位液压缸在某些液压操纵系统中,为了使工作机构获得多个不同位置,常用多位液压缸来实现。图4-15所示为一种三位液压缸的原理图。它也是由两个单活
18、塞杆液压缸组成的,1是主活塞,2是限位活塞,液压缸分别有A、B、C和D四个油口,定位套3将缸分为两部分。图4-15(a)是主活塞1处于最右端的情况。此时A油口通压力油,而B、C和D油口均接油箱,在压力油的作用下,活塞被推向最右位置。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 4-15三位液压缸原理图第第4 4章章 液液 压压 缸缸 6.伸缩式液压缸伸缩式液压缸伸缩式液压缸又称多级液压缸,它实质上是由多个活塞(或柱塞)式液压缸套装而成的。其前一级的内腔往往是后一级的缸体,常用于安装空间受到限制而行程很长的场合,缩入后轴向尺寸很短。伸缩式液压缸可以是活塞式,也可以是柱塞式;可以是单作用式,也可以是双作用
19、式。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图4-16所示为活塞式双作用伸缩液压缸的结构原理图。当压力油通过油口A进入B腔后,压力油同时作用于第级和第级活塞上。由于油腔E经油口F与油箱连通,而负载与第级活塞杆相连,因此第级活塞连同第级活塞一起在较低的压力推动下克服外负载向外伸出(图4-16(a)。当第级活塞运动到终点后(图4-16(b),第级活塞则在较高压力作用下继续外伸,直到行程终点(图4-16(c)。在第级活塞外伸时,回油腔C的油液经第级活塞的环形槽D,由油口F回到油箱。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 4-16活塞式双作用伸缩缸第第4 4章章 液液 压压 缸缸 如果改变通油方向,由F口进入
20、压力油,则第级活塞先缩回,当与第级活塞杆接触后,两级活塞一道缩回,B腔油液经A口回到油箱。在图4-16所示结构中,第级活塞为套筒式,它既是第级活塞,又是第级活塞的缸体。图4-17所示为柱塞式单作用伸缩液压缸的结构原理图。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 4-17柱塞式单作用伸缩液压缸的结构原理图第第4 4章章 液液 压压 缸缸 若液压缸负载恒定,当压力油通入缸体的左腔时,由于第一级柱塞面积最大,因此油压上升至p1后首先伸出,一直伸到顶点;接着,油压升至p2,第二级柱塞伸出因此,柱塞由大至小逐次伸出,油压也逐渐上升。由于在柱塞伸出时有效面积逐次减小,因此当输入流量一定时,伸出速度逐次加快。当
21、油口接回油箱时,柱塞在外负载或自重作用下由小至大逐个缩回。在此结构中,负载与最小面积的柱塞直接相连。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 伸缩式液压缸的压力及速度公式分别为 Pa 42iiiDFAFp式中:F液压缸的外负载(N);pi第i级柱塞(或活塞)伸出时液压缸内的压力(Pa);Di第i级柱塞的直径(m);vi第i级柱塞伸出时液压缸的速度(m/s);q进入液压缸的供油流量(m3/s)。(4-17)第第4 4章章 液液 压压 缸缸 综上所述,伸缩式液压缸具有如下特点:(1)伸缩式液压缸的工作行程可以相当大,不工作时整个缸的长度可以缩得较短。(2)伸缩式液压缸逐个伸出时,有效工作面积逐次减小。因此
22、,当输入流量相同时,外伸速度逐次增大;当负载恒定时,液压缸的工作压力逐次增高。(3)单作用伸缩液压缸的外伸靠油压,内缩依靠自重或负载作用。因此,多用于缸倾斜或垂直放置的场合。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 7.摆动液压缸摆动液压缸摆动液压缸也称摆动液压马达,它可直接输出转矩而不需要转换机构,其摆动角度小于360。摆动式液压缸可以分为单叶片式和双叶片式两种。图4-18所示为单叶片摆动液压缸的结构图。它由缸体5、左右支承盘7、左右端盖8、定子3、回转叶片6、花键轴套4等主要零件组成。定子3由螺钉和圆柱销固定在缸体上,回转叶片6通过螺钉与花键轴套4连成一体。为防止泄漏,定子内侧与叶片外侧各嵌有一个
23、密封片2,并且由弹簧片1将密封片压紧,以保证密封片与花键轴套或缸体内侧的密封。支承盘7、端盖8和缸体间用螺钉固定在一起。端盖8内装有密封圈,以防止油液外漏。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 4-18单叶片摆动液压缸的结构图第第4 4章章 液液 压压 缸缸 当压力油进入孔a时,推动叶片连同花键轴套作逆时针方向旋转而输出转矩,叶片另一边的回油从孔b排出。叶片外圆两端的三角形小槽c起缓冲作用,因为当叶片接近定子时,回油必须经槽中挤出。叶片两侧的径向槽主要是为了便于启动。图4-19(a)所示为单叶片摆动液压缸的原理图。当压力油从左上方油口进入缸体时,叶片在压力油的作用下带动叶片安装轴顺时针方向转动
24、,回油由缸体的左下方油口流出。图4-19(b)所示为双叶片摆动液压缸的原理图。当压力油从右上方及左下方进入缸体时,两个叶片在压力油的作用下沿顺时针方向转动,其摆动角度小于180,回油则从缸体左上方和右下方流出。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 4-19摆动液压缸的原理图第第4 4章章 液液 压压 缸缸 摆动液压缸的理论输出转矩和回转角速度为(rad/s)(8 28)(m)(N 8)(42222222bzdDqzbdDqzdDpbzdDdDpbT(4-19)(4-20)第第4 4章章 液液 压压 缸缸 式中:p进、出油口压力差(Pa);D、d叶片的顶部及根部直径(m);b叶片的宽度(m);z
25、叶片数;q进入摆动缸的流量(m3/s)。摆动液压缸一般适用于中、低压场合。与单叶片相比,双叶片摆动液压缸的摆动角度小,但在同样的结构尺寸及输油压力相等时,其转矩增大一倍,且具有径向力平衡的特点。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 1.缸体组件缸体组件缸体与端盖的连接称为缸体组件。依据液压缸工作压力、缸体材料和工作条件的不同,缸体组件的结构形式有好多种。表4-2所示为几种目前常用的缸体与端盖的连接形式。在机床中,当工作压力不高时,常采用铸铁缸体,它与端盖多用法兰连接,如表4-2(a)、(b)所示。4.2液压缸主要组成部分的结构液压缸主要组成部分的结构第第4 4章章 液液 压压 缸缸 这种结构易于加
26、工和装拆,但外形尺寸较大。当工作压力较高、缸体材料用无缝钢管时,如仍采用法兰连接,则钢管端部要焊上法兰盘(表4-2(c),这将使工艺过程复杂。因此,常采用半环连接,如表4-2中的(g)、(h)、(i)所示,半环嵌于缸体环槽内,经螺钉或卡圈将端盖压紧在缸体上。这种连接形式结构简单,装拆方便,但缸体在开环槽后强度削弱。在外径尺寸受限制时,可采用内半环连接(表4-2(h)、(i),这种连接方式结构紧凑,重量轻,但安装密封圈时有可能被环槽边缘擦伤。表4-2(d)、(e)、(f)所示为采用螺纹连接的形式,其端盖具有重量轻、外径小的优点。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 但端部结构复杂,工艺要求较高,装拆
27、时要使用专用工具,拧端盖时有可能把密封圈拧坏,因此机床上应用不多。拉杆连接(表4-2(j)的端盖具有加工和装配方便的优点,但外径尺寸和重量最大,通常只用于较短的液压缸。焊接连接(表4-2(k)结构简单,尺寸小,但缸体有可能变形,焊接后缸体不易加工。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 第第4 4章章 液液 压压 缸缸 2.活塞组件活塞组件活塞和活塞杆的联接件称为活塞组件。活塞和活塞杆的连接方式很多,机床上常见的有锥销连接，如图4-1所示。锥销连接一般用于双活塞杆液压缸的活塞和活塞杆的连接,对于轻载的磨床更为适用。单活塞杆液压缸常采用螺纹连接,如表4-3(a)、(b)所示,但螺母必须锁紧,以免工作时
28、发生松动。螺纹连接不仅在机床上常见,在工程机械上应用也较多。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 第第4 4章章 液液 压压 缸缸 在高压大负载场合,特别是在工作设备振动较大的情况下,活塞杆会因被车削螺纹而削弱,锁紧也会发生松动,这时螺纹连接常被半环连接形式所替代,如表4-3(c)、(d)所示。活塞杆上切了一个环形槽,槽内放置两个半环,用以夹紧活塞,半环用轴套套住,轴套又用弹簧卡圈挡住。这种连接常用于液压机或工程机械中。对于小直径液压缸,也可将活塞和活塞杆做成整体机构。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 3.缓冲装置缓冲装置液压缸一般都设有缓冲装置,特别是工作机构质量较大、运动速度较高(v12 m/
29、min)时,为了防止活塞在行程终点与缸盖或缸底发生机械碰撞,引起冲击、噪声,甚至造成液压缸或被驱动件的破坏,因此可在缸内设置缓冲装置。液压缸的缓冲装置一般都是利用对油液的节流作用来实现的。当活塞(或缸体)运动到终点时,活塞上的凸肩将回油通道逐渐遮盖,形成节流间隙,建立背压,以平衡惯性力,达到缓冲目的。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图4-20(a)所示为一种环状间隙缓冲装置的结构原理图。它由活塞上的圆柱形凸台A和液压缸端盖上的凹腔组成。当活塞将要到达行程终点使凸台A进入凹腔时,封闭在活塞与端盖间的油液只能从环状间隙中挤压出去。这样,活塞就受到一个很大的阻力,使运动速度减慢,从而起到缓冲作用。
30、这种缓冲装置结构简单,开始作用时背压腔中引起的压力较高,缓冲效果显著，随着活塞运动速度减小,缓冲效果逐渐减弱,因而实现减速所需的行程较长。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 因此,这种形式只适用于运动件惯性不大、运动速度不高的场合。图4-20(b)所示为凸台A是圆锥形的缓冲装置,当凸台A进入凹腔中时,间隙由大变小,使得活塞在整个缓冲过程中,作用比较均匀。图4-20(c)所示为一种节流口可变的缓冲装置的结构原理图。它是在凸台A上开有一条或几条轴向三角形节流槽,将液压缸的油口开在适当位置上，当活塞向左启动时,压力油进入液压缸,推动活塞运动。当活塞右行至接近液压缸的端盖时,活塞与端盖间的油液只能经轴向
31、三角槽流出,因而使活塞受到制动作用。这种缓冲装置也能实现缓冲过程中节流口由大变小的要求,从而使缓冲作用均匀,冲击力减小,但制动的快慢无法调节。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图4-20(d)所示为一种节流口可调式缓冲装置的结构原理图。它既有凸台A和凹腔,还有单向阀D,而且在液压缸端盖上还装有锥形节流阀C。当活塞右行至接近端盖使凸台A进入凹腔后,则活塞与端盖间的油液须经锥形节流阀C流出,回油阻力增大,形成缓冲液压阻力,因而使活塞运动速度减慢,实现制动缓冲。这种缓冲装置可以根据负载情况来调节节流阀开口的大小,以改变回油阻力的大小,从而改变缓冲效果,因此应用范围较广。当活塞反向启动时,油液由单向阀
32、D进入B腔,使活塞迅速启动。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 4-20液压缸的缓冲装置(a)圆柱形环隙式;(b)圆锥形环隙式;第第4 4章章 液液 压压 缸缸 4.排气装置排气装置液压缸在安装过程中或长期停止使用后会渗入空气,油液中也会混入空气。由于气体的可压缩性较大,因此必将直接影响运动的平稳性,引起液压缸在低速运动时产生爬行和噪声,当压力增大时还会产生绝热压缩而造成温度局部升高等一系列不正常现象。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 4-21液压缸的放气孔 第第4 4章章 液液 压压 缸缸 因此,在设计液压缸时必须考虑空气的排除。对于要求不高的液压缸往往不设专门的排气装置,而是利用空气
33、比较轻的特点将进、出油口布置在缸体的最高处将气带走(图4-1)。如不能在最高处设计油口时,可在最高处设置如图4-21所示的放气孔1。对速度稳定性要求较高的机床液压缸和大型液压缸,则需要设置排气装置。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 排气装置通常有两种形式。一种是在液压缸两端的最高处各装一只排气塞,其结构如图4-22所示。开车时,打开排气塞,使液压缸空载全行程往复运动数次,则液压缸内的空气便和油液一起通过排气塞锥部缝隙和小孔排出；待空气排净后,关死排气塞。另一种是用排气阀排气。排气阀的工作原理如图4-23所示。排气阀上装有三根导管,其中两根分别与液压缸两腔相通,另一根与油箱接通。在系统开始工作前
34、,首先打开排气阀,让液压缸空载全行程往复数次,直至空气排净后关闭排气阀。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 4-22排气第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 4-23排气阀第第4 4章章 液液 压压 缸缸 1.设计依据和步骤设计依据和步骤液压缸是液压传动系统的执行元件,它与主机和主机上的机构有着直接的联系,对于不同的机种与机构,液压缸具有不同的用途和工作要求。因此,在设计前要做好调查研究,备齐必要的原始资料和设计依据,其中包括:4.3液压缸的设计计算液压缸的设计计算第第4 4章章 液液 压压 缸缸 (1)主机的用途和工作条件;(2)工作机构的结构特点、负载情况、行程大小和动作要求;(3)液压
35、系统所选定的工作压力和流量;(4)有关国际标准和技术规范等。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 液压缸的额定压力、往复运动速比以及缸体内径、外径、活塞杆直径和进出油口连接尺寸等基本参数,在液压缸标准中都有相应的规定。液压缸的设计内容和步骤大致如下:(1)液压缸类型和各部分结构形式的选择。(2)基本参数的确定。基本参数包括液压缸的工作负载、工作速度和速比、工作行程和导向长度、缸体内径、缸的长度及活塞杆直径等。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 (3)结构强度计算和验算。其中包括缸体壁厚、外径和缸底厚度的强度计算，活塞杆强度和稳定性验算以及各部分连接结构的强度计算。(4)导向、密封、防尘、排气和缓冲等
36、装置的设计。(5)整理设计计算书,绘制装配图和零件图。应当指出,对于不同类型和结构的液压缸其设计内容必然有所不同,而且各参数间往往具有各种内在联系,需要综合考虑、反复验算才能获得比较满意的结果。所以,设计步骤也不是固定不变的。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 2.基本参数的确定基本参数的确定1)工作负载与液压缸的推力液压缸的工作负载FR是指工作机构在满负荷情况下,以一定速度启动时对液压缸产生的总阻力。即(N)gf1RFFFF(4-21)式中:Fl工作机构的荷重及自重等对液压缸产生的作用力(N);Ff工作机构在满负荷下启动时的静摩擦力(N);Fg工作机构满负荷启动时的惯性力(N)。液压缸的推力F
37、应等于或略大于它工作时的总阻力。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 2)运动速度和速比液压缸的运动速度与其输入流量和活塞、活塞杆的面积有关。如果工作机构对液压缸运动速度有一定要求时,则应根据所需的运动速度和已选定的泵的流量来确定缸径。如果对运动速度没有要求,则根据已选定的泵和缸径来确定工作速度。如果液压缸对推力和速度都有要求时,则根据由推力求出的缸径和运动速度来选择泵。下面，以单活塞杆液压缸为例来确定其工作速度。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 当无杆腔进油时,活塞或缸体的运动速度为前述式(4-4):(m/s)4211DqAqv当有杆腔进油时,活塞或缸体的运动速度为前述式(4-6)：(m/s)4
38、2222dDqAqv（其往复运动速比为前述式(4-7)：(m/s)22212dDDvv第第4 4章章 液液 压压 缸缸 )(4o2oi21RpdppDFF由此得缸体内径为(m)(4oio2oiRpppdppFD(4-22)3)缸体内径(1)按推力F计算缸体内径D。在液压系统给定工作压力后,应保证液压缸具有足够的推力来驱动工作负载。这里以单活塞杆液压缸为例，来说明应满足的关系式。当液压缸以推力驱动工作负载时,则压力油输入无杆腔,根据式(4-3),由FR=F1可知第第4 4章章 液液 压压 缸缸 式中:FR液压缸的工作负载(N);pi、po液压缸的进油压力和回油压力(Pa);d活塞杆的直径(m)。
39、当液压缸以拉力驱动工作负载时,则压力油输入有杆腔,根据式(4-6),由FR=F2知:)(4i2oi22RpdppDFF第第4 4章章 液液 压压 缸缸 这时缸体的内径为(m)(4oii2oiRpppdppFD(4-23)计算缸径时,活塞杆直径d可选取有关标准推荐值,然后代入上两式计算。缸体的内径D应取式(4-22)和(4-23)计算值中较大的一个,然后按有关标准中所列的液压缸的内径系列圆整为标准值。圆整后,液压缸的工作压力应作相应的调整。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 (2)按运动速度计算缸体内径D。当液压缸的运动速度有要求时,可根据液压缸的流量q计算缸体内径D。对无活塞杆腔,当运动速度为v
40、1,进入液压缸的流量为q1时,(m)411vqD(4-24)(4-25)对有活塞杆腔,当运动速度为v2,进入液压缸的流量为q2时,(m)-4222dvqD 同理,缸体内径D应按较小的一个圆整为标准值。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 (3)推力F与运动速度v同时给定时,缸体内径D的计算。如果液压系统中液压泵的类型和规格已定,则液压缸的工作压力和流量便为已知,此时可先根据推力计算内径,然后校核其工作速度。当计算速度与要求相差较大时,建议重新选择不同规格的液压泵。由前几章介绍已知,可供选择的液压泵种类很多,不同液压泵有不同的额定值,其液压缸的工作压力p应不超过液压泵的额定压力与系统总压力损失之差。
41、第第4 4章章 液液 压压 缸缸 4)活塞杆直径确定活塞杆直径时,通常先从满足速度或速比的要求来选择,然后再校核其结构强度,必要时还需进行稳定性验算。由式(4-7)可知,单活塞杆液压缸的往复速比为:22212dDDvv所以1 Dd(4-26)式中,值可根据系统工作需要或按有关标准所推荐的速比系列,根据不同的压力等级来选择。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 5)液压缸长度液压缸的长度L根据所需最大工作行程长度而定,一般该长度不大于缸体内径的2030倍。6)最小导向长度的确定当活塞杆全部外伸时,从活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度H(见图4-24)。如果导向长度过小,将使液压缸
42、的初始挠度(间隙引起的挠度)增大,影响液压缸的稳定性。因此,设计时必须保证有一定的最小导向长度。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 4-24液压缸结构尺寸图第第4 4章章 液液 压压 缸缸 对一般的液压缸,其最小导向长度应满足以下要求:220DLH(4-27)式中:L液压缸的最大工作行程(m);D缸体内径(m)。活塞的宽度一般取B=(0.61.0)D。导向套滑动面的长度A,在D80 mm时取(0.61.0)d。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 为保证最小导向长度,过分增大A和B都是不适宜的,必要时可在导向套与活塞之间装一隔套(图中零件K)。隔套的长度C由需要的最小导向长度H决定,即)BA(H
43、C21(4-28)采用隔套不仅能保证最小导向长度,而且可以改善导向套及活塞的通用性。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 3.结构强度计算与稳定性校核结构强度计算与稳定性校核1)缸体壁厚在中、低压机床液压传动系统中,缸体壁厚的强度问题是次要的,缸体壁厚一般由结构、工艺上的需要而定。只有在压力较高和直径较大时,才有必要校核缸壁最薄处的壁厚强度。当缸体壁厚与内径D之比值小于0.1时,称为薄壁缸体。薄壁缸体的壁厚按材料力学中薄壁圆筒计算公式进行校核:(m)2PD(4-29)第第4 4章章 液液 压压 缸缸 式中:缸体壁厚(m);p液压缸的最大工作压力(Pa);D缸体内径(m);缸体材料的许用应力(Pa)
44、。部分缸体材料的许用应力列举如下：铸钢:=(10001100)105(Pa)锻钢:=(10001200)105(Pa)无缝钢管:=(10001100)105(Pa)铸铁:=(600700)105(Pa)第第4 4章章 液液 压压 缸缸 当缸体壁厚与内径D之比值大于0.1时,称为厚壁缸体。通常按材料力学中第二强度理论计算厚壁缸体的壁厚:(m)131402p.p.D(4-30)第第4 4章章 液液 压压 缸缸 2)缸体外径液压缸的内径确定之后,再按式(4-29)或式(430)得出缸体壁厚,然后便可由下式求出缸体的外径:(m)21 DD(4-31)再将其圆整为标准值。若缸体材料为无缝钢管,则外径不需
45、加工,只要将计算值圆整为无缝钢管外径即可。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 3)缸底壁厚缸底为平底时,可由材料力学中的圆盘计算公式导出缸底壁厚的计算公式。如图4-25 所示,(a)图为平底,(b)图为平底有孔。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 4-25缸底的不同结构第第4 4章章 液液 压压 缸缸 当缸底为平底时,其缸底壁厚为(m)43302pD.(4-32)当缸底为平底且有孔时,其缸底壁厚为 2k2aa21 (m)4330D-dDpD.(4-33)第第4 4章章 液液 压压 缸缸 式中:D2缸底内径(m);缸底材料的许用应力(Pa);p液压缸的最大工作压力(Pa);dk缸底小孔直径(m)
46、。当缸底为如图4-27(c)所示的球形时,其缸底壁厚为(m)421pD(4-34)第第4 4章章 液液 压压 缸缸 4)液压缸的稳定性和活塞杆强度验算按速比要求初步确定活塞杆直径后,还必须满足液压缸的稳定性及其本身的强度要求。一般,短行程液压缸在轴向力作用下仍能保持原有的直线状态下的平衡,故可视为单纯受压或受拉直杆。但实际上液压缸并非单一的直杆,而是缸体、活塞和活塞杆的组合体。由于活塞与缸体之间以及活塞杆与导向套之间均有配合间隙,加之缸的自重及负荷偏心等原因,都将使液压缸在轴向压缩的工作情况下产生纵向弯曲(如图4-26所示),因此,对于长径比(液压缸最大安装长度与活塞杆直径之比)l/d10的液
47、压缸,其受力情况已不再属于单纯受压杆,而必须同时考虑纵向弯曲。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 图 4-26液压缸纵向弯曲示意图第第4 4章章 液液 压压 缸缸 *(1)液压缸稳定性验算。根据材料力学关于压杆稳定性的理论,一根受压直杆,在其轴向负载FR超过稳定临界力(或称极限力)FK时,即失去原有直线状态下的平衡而丧失稳定,所以液压缸的稳定条件为 KKnFF(4-35)式中:F液压缸的最大推力,F=FR(N);FK液压缸稳定临界力(N);nK稳定性安全系数,一般取nK=24。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 当1时,可由欧拉公式计算：rl22K)(lEIF(4-36)式中:活塞杆的柔性系数;长
48、度折算系数,取决于液压缸的支承状况,见表4-4;l活塞杆计算长度,即液压缸安装长度(m),见表4-4;第第4 4章章 液液 压压 缸缸 第第4 4章章 液液 压压 缸缸 E活塞杆材料的纵向弹性模数(Pa),对硬钢,取E=20.591010(Pa);I活塞杆断面的最小惯性矩;r活塞杆断面的回转半径,r=(m),其中A为断面面积(m2)。对于圆断面实心杆,r=d/4;1柔性系数,由表4-5选取。当12时,属中柔度杆,可按雅辛斯基公式计算:A/I(N)(KbaAF(4-37)第第4 4章章 液液 压压 缸缸 式中:2柔性系数,按表4-5选取;A活塞杆断面面积,A=d2/4 (m2);a、b与活塞杆材
49、料有关的系数,见表4-5。当2时,活塞杆只会因抗压强度不足(塑性材料超过屈服极限s,脆性材料超过强度极限b)而破坏,并不会失稳,故只需进行强度计算。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 第第4 4章章 液液 压压 缸缸 (2)活塞杆强度计算。这里介绍当l/d10时,活塞杆的强度计算。若活塞杆(空心杆)受纯压缩或纯拉伸时，其强度计算公式为(Pa)(4212ddF(4-38)式中:d活塞杆外径(m);d1空心活塞杆内径,对实心杆,d1=0(m);F活塞杆最大推力(N);活塞杆材料的许用应力(Pa)。=，s为材料的屈服极限,安全系数n=1.42。当弯、压结合时,可用最大复合应力验算。ns第第4 4章章
50、液液 压压 缸缸 4.4液压缸常见故障及其排除方法液压缸常见故障及其排除方法液压缸常见故障及其排除方法如表4-6所示。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 第第4 4章章 液液 压压 缸缸 习题与思考题习题与思考题1.活塞式、柱塞式和摆动式液压缸各有什么特点？分别用于什么场合比较合理？2.绘图分析双作用单活塞杆液压缸在缸体固定式和活塞杆固定式两种情况下,进、出油口和运动方向之间有什么关系。第第4 4章章 液液 压压 缸缸 3.已知一单活塞杆液压缸的外负载FR=2104N,活塞和活塞杆处的摩擦阻力Ff=12102N,进入液压缸的油液压力为5 Pa,试计算缸体内径。若活塞最大速度vmax=4 cm/s
