1、第4章 液 压 缸 第4章 液 压 缸 4.1 液压缸的类型和特点液压缸的类型和特点4.2 液压缸的结构液压缸的结构 4.3 液压缸的设计与计算液压缸的设计与计算 4.4 液压缸常见故障及分析液压缸常见故障及分析 思考和练习题思考和练习题 第4章 液 压 缸 4.1 液压缸的类型和特点液压缸的类型和特点 4.1.1 4.1.1 活塞式液压缸活塞式液压缸1.1.双杆活塞缸双杆活塞缸图4-1所示为双杆活塞缸的原理图。活塞两侧均装有活塞杆。当两活塞杆直径相同，供油压力和流量不变时，活塞(或缸体)在两个方向的运动速度和推力也都相等，即 224()qqvADd221212()()()4FppADdpp(
2、4-1)(4-2)第4章 液 压 缸 式中:v为活塞(或缸体)的运动速度；q为输入液压缸的流量；A为液压缸的有效工作面积；D为活塞直径；d为活塞杆直径;F为活塞(或缸体)上的液压推力；p1为液压缸的进油压力；p2为液压缸的回油压力。这种两个方向等速、等力的特性使双杆液压缸特别适合应用于双向负载基本相等而又要求往复运动速度相同的场合，如平面磨床液压系统。第4章 液 压 缸 图 4-1 双杆活塞式液压缸(a)缸体固定;(b)活塞杆固定 第4章 液 压 缸 2.2.单杆活塞缸单杆活塞缸图 4-2所示为双作用单杆活塞缸，缸体固定。它只在活塞的一侧装有活塞杆，因而两腔有效作用面积不同，当向缸的两腔分别供
3、油，供油压力和流量不变时，活塞在两个方向的运动速度和输出推力皆不相等。第4章 液 压 缸 图 4-2 单杆活塞式液压缸(a)无杆腔进油;(b)有杆腔进油 第4章 液 压 缸 无杆腔进油时(见图4-2(a)，有杆腔回油。设活塞的运动速度为v1，推力为F1,则有 1214qqvAD(4-3)2221112212()44Fp Ap AD pDdp22122()44Dppd p(4-4)第4章 液 压 缸 有杆腔进油时(见图4-2(b)，无杆腔回油。设活塞的运动速度为v2，推力为F2，则有 22224()qqvADd2222122112()44Fp Ap ADdpD p22121()44Dppd p(
4、4-3)(4-4)第4章 液 压 缸 有杆腔进油时(见图4-2(b)，无杆腔回油。设活塞的运动速度为v2，推力为F2，则有 22224()qqvADd2222122112()44Fp Ap ADdpD p22121()44Dppd p(4-5)(4-6)式中:q为输入液压缸的流量；D为活塞直径(即缸体内径)；d为活塞杆直径；A1、A2分别为液压缸无杆腔和有杆腔的活塞有效作用面积；F1、F2为活塞(或缸体)上的液压推力；p1为液压缸的进油压力；p2为液压缸的回油压力。第4章 液 压 缸 液压缸往复运动时的速度比为 22221vvDvDd(4-7)上式表明，可以通过改变活塞与活塞杆的直径比值，来满
5、足两个方向的不同速度要求。单杆活塞缸还有另外一种非常重要的工作方式，即两腔同时通入压力油，如图43所示，这种油路连接方式称为差动连接。在忽略两腔连通油路压力损失的情况下，差动连接时液压缸两腔的油液压力相等。但由于无杆腔受力面积大于有杆腔，活塞向右的作用力大于向左的作用力，活塞杆作伸出运动，并将有杆腔的油液挤出，流进无杆腔，加快了活塞杆的伸出速度。第4章 液 压 缸 差动连接时，有杆腔排出流量q=v3A2,进入无杆腔，则有 3132v Aqv A故活塞杆的伸出速度v3为 32124qqvAAd(4-8)差动连接时，p2p1，活塞推力为F3，故 222231122111()444Fp Ap AD
6、pDdpd p(4-9)第4章 液 压 缸 图43差动连接液压缸第4章 液 压 缸 4.1.2 柱塞式液压缸柱塞式液压缸柱塞缸是单作用液压缸，其工作原理如图4-4 所示。柱塞与工作部件连接,缸筒固定在机体上(也可以改变固定方式,使柱塞固定,缸筒带动工作部件运动)。油液进入缸筒，推动柱塞向右运动，但反方向时必须依靠其它外力或自重驱动。为了得到双向运动，柱塞缸常成对反向布置使用，如图4-4(b)所示。当柱塞直径为d，输入液压油的流量为q，压力为p时，其产生的速度v和推力F为 2244pdpAFdqAqv(4-10)(4-11)第4章 液 压 缸 图 4-4 柱塞式液压缸 第4章 液 压 缸 4.1
7、.3 摆动缸摆动缸摆动缸也称摆动液压马达,它有单叶片和双叶片两种结构形式，如图4-5所示。结构中定子块1固定在缸体4上，叶片2与摆动轴连为一体。当两油口交替通入压力油时，在叶片的带动下，它的主轴能输出小于360的摆动运动。图4-5(a)所示为单叶片式摆动缸，它的摆动角度较大，可达300。当摆动缸进、出油口油液压力为p1和p2，输入流量为q时，它的输出转矩T和角度各为 2122122112()()()2RRbTbpp rdrRRpp(4-12)222122()qnb RR(4-13)第4章 液 压 缸 图 4-5 摆动缸(a）单叶片式;(b）双叶片式;(c）图形符号 第4章 液 压 缸 4.1.
8、4 组合式液压缸组合式液压缸 1.1.伸缩缸伸缩缸伸缩缸又称多级缸，它由两级或多级活塞缸套装而成，前一级活塞缸的活塞是后一级活塞缸的缸筒。图4-6所示为其结构示意图。工作时外伸动作逐级进行，首先是最大直径的缸筒外伸，当其达到行程终点的时候，稍小直径的缸筒开始外伸，这样各级缸筒依次外伸。由于有效工作面积逐次减小，因此，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。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，结构紧凑，适用于安装空间受到限制而行程要求很长的场合。例如起重机伸缩臂液压缸、自卸汽车举升液压缸等。第4章 液 压 缸 图图 4-6 4-6 伸
9、缩缸伸缩缸第4章 液 压 缸 2.2.齿条活塞缸齿条活塞缸齿条活塞缸又称无杆式液压缸，它由带有齿条杆的双活塞缸和齿轮齿条机构所组成，如图4-7所示。活塞的往复移动经齿轮齿条机构转换成齿轮轴的周期性往复转动。它多用于自动生产线、组合机床等的转位或分度机构中。第4章 液 压 缸 图 4-7 齿条活塞缸 第4章 液 压 缸 4.2 液压缸的结构液压缸的结构 4.2.1 4.2.1 液压缸的典型结构液压缸的典型结构图 4-8 所示为双杆活塞缸的典型结构。它由缸筒7，前、后缸盖3，前、后压盖11，前、后导向套4，活塞5，活塞杆1、10，两套V形密封圈9及O形密封圈8等主要部分组成。第4章 液 压 缸 图
10、 4-8 双杆活塞缸的典型结构 第4章 液 压 缸 该液压缸活塞杆固定，缸筒运动。当压力油从b、d孔进入缸筒右腔时，缸筒向右运动，左腔油液从c、a孔排出；反之，缸筒向左运动。由于孔c、d与活塞端面保持一定距离，当缸移动到两头时，两孔通流口逐渐减少，起到节流缓冲的作用。缸盖3上设有排气孔（图中未示出）。为了防止泄漏，该液压缸在活塞与缸筒接触处采用O形密封圈进行密封；在活塞杆和导向套的接触处安装了两套V形密封圈进行密封。第4章 液 压 缸 图4-9 所示为单杆活塞缸的典型结构。它主要由缸筒3，活塞2，活塞杆8，前、后缸盖1、4，导向套6，拉杆7等组成。当压力油从a孔或b孔进入缸筒3时，可使活塞实现
11、往复运动，并利用设在缸两端的缓冲及排气装置，减少冲击和振动。为了防止泄漏，在缸筒与活塞、活塞杆与导向套以及缸筒与缸盖等处均安装了密封圈，并利用拉杆将缸筒、缸盖等连接在一起。第4章 液 压 缸 图 4-9 单杆活塞缸的典型结构 第4章 液 压 缸 4.2.2 4.2.2 缸体组件缸体组件1.缸体组件的连接形式缸体组件的连接形式 图 4-10 缸体组件的连接形式(a)法兰式;(b)半环式;(c)外螺纹式;(d)内螺纹式;(e)拉杆式;(f)焊接式 第4章 液 压 缸 2.缸筒、端盖和导向套缸筒、端盖和导向套缸筒是液压缸的主体，它与端盖、活塞等零件构成密闭的容腔，承受油压，因此要有足够的强度和刚度，
12、以便抵抗油液压力和其它外力的作用。缸筒内孔一般采用镗削、铰孔、滚压或珩磨等精密加工工艺制造，要求表面粗糙度Ra值为0.10.4 m，以使活塞及其密封件、支承件能顺利滑动和保证密封效果，减少磨损。为了防止腐蚀，缸筒内表面有时需镀铬。端盖装在缸筒两端，与缸筒形成密闭容腔，同样承受很大的液压力，因此它们及其连接部件都应有足够的强度。设计时既要考虑强度，又要选择工艺性较好的结构形式。第4章 液 压 缸 4.2.3 4.2.3 活塞组件活塞组件1.1.活塞组件的连接形式活塞组件的连接形式图 4-11 活塞与活塞杆的连接形式(a)整体式;(b)焊接式;(c)锥销式;(d)、(e)螺纹式;(f)、(g)半环
13、式 第4章 液 压 缸 2.2.活塞和活塞杆活塞和活塞杆活塞受油压的作用在缸筒内作往复运动，因此，活塞必须具备一定的强度和良好的耐磨性。活塞一般用铸铁制造。活塞的结构通常分为整体式和组合式两类(见图4-11)。活塞杆是连接活塞和工作部件的传力零件，它必须具有足够的强度和刚度。活塞杆无论是实心的还是空心的，通常都用钢料制造。活塞杆在导向套内往复运动，其外圆表面应当耐磨并有防锈能力，故活塞杆外圆表面有时需镀铬。第4章 液 压 缸 4.2.4 4.2.4 密封装置密封装置液压缸的密封装置用以防止油液的泄漏(液压缸一般不允许外泄，并要求内泄漏尽可能小)。密封装置设计的好坏对于液压缸的静、动态性能有着重
14、要的影响。一般要求密封装置应具有良好的密封性，尽可能长的寿命，要制造简单,拆装方便,成本低。液压缸的密封主要指活塞、活塞杆处的动密封和缸盖等处的静密封,如图4-8与图49 中的O形密封圈和V形密封圈，以及组合式密封装置。第4章 液 压 缸 4.2.5 4.2.5 缓冲装置缓冲装置1.1.圆柱形环隙式缓冲装置圆柱形环隙式缓冲装置(图图4-12(a)4-12(a)此种缓冲装置当缓冲柱塞A进入缸盖上的内孔时，缸盖和活塞间形成环形缓冲油腔B，被封闭的油液只能经环形间隙排出，产生缓冲压力，从而实现减速缓冲。这种装置在缓冲过程中，由于回油通道的节流面积不变，因而缓冲开始时，产生的缓冲制动力很大，其缓冲效果
15、较差，液压冲击较大，且实现减速需较长行程。但这种装置结构简单，便于设计和降低成本，所以在一般系列化的成品液压缸中常采用这种缓冲装置。第4章 液 压 缸 2.2.圆锥形环隙式缓冲装置圆锥形环隙式缓冲装置(图图4-12(b)4-12(b)此种缓冲装置由于缓冲柱塞A为圆锥形，因此缓冲环形间隙随位移量不同而改变，即节流面积随缓冲行程的增大而缩小，使机械能的吸收较均匀，其缓冲效果较好，但仍有液压冲击。第4章 液 压 缸 3.3.可变节流槽式缓冲装置可变节流槽式缓冲装置(图图4-12(c)4-12(c)此种缓冲装置在缓冲柱塞A上开有三角节流沟槽，节流面积随着缓冲行程的增大而逐渐减小，其缓冲压力变化较平缓。
16、第4章 液 压 缸 4.4.可调节流孔式缓冲装置可调节流孔式缓冲装置(图图4-12(d)4-12(d)此种缓冲装置当缓冲柱塞A进入到缸盖内孔时，回油口被柱塞堵住，只能通过节流阀C回油，调节节流阀的开度，可以控制回油量，从而控制活塞的缓冲速度。当活塞反向运动时，压力油通过单向阀D很快进入液压缸内，并作用在活塞的整个有效面积上，故活塞不会因推力不足而产生启动缓慢现象。这种缓冲装置可以根据负载情况调整节流阀开度的大小，改变缓冲压力的大小，因此适用范围较广。第4章 液 压 缸 图 4-12 液压缸的缓冲装置(a)圆柱形环隙式;(b)圆锥形环隙式;(c)可变节流槽式;(d)可调节流孔式 第4章 液 压
17、缸 4.2.6 4.2.6 排气装置排气装置在液压系统安装时或停止工作后又重新启动时，必须把液压系统中的空气排出去。对于要求不高的液压缸往往不设专门的排气装置，而是将油口布置在缸筒两端的最高处，通过回油使缸内的空气排往油箱，再从油面逸出，对于速度稳定性要求较高的液压缸或大型液压缸，常在液压缸两侧的最高位置处(该处往往是空气聚积的地方)设置专门的排气装置。常用的排气装置有两种形式，如图4-13 所示。第4章 液 压 缸 图4-13 液压缸的排气结构 第4章 液 压 缸 4.3 液压缸的设计与计算液压缸的设计与计算 4.3.1 4.3.1 液压缸设计中应注意的问题液压缸设计中应注意的问题(1)尽量
18、使液压缸的活塞杆在受拉状态下承受最大负载，若是受压状态,应具有良好的纵向稳定性。(2)根据实际工况，考虑液压缸行程终了处的制动问题和液压缸的排气问题。(3)根据主机的工作要求和结构设计要求，正确选择液压缸的安装和固定方式。但考虑到液压缸的热胀冷缩，液压缸只能一端定位。(4)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。第4章 液 压 缸 4.3.2 4.3.2 液压缸主要尺寸的计算液压缸主要尺寸的计算1 1 液压缸内径液压缸内径D D液压缸内径D根据最大总负载和选取的工作压力来确定。一般液压缸设计中，常初步选取回油压力为0，则对单杆缸
19、而言，无杆腔进油时，由式(4-4)得214FDp（4-14）有杆腔进油时 2214FDdp（4-15）第4章 液 压 缸 2.活塞杆直径活塞杆直径d活塞杆直径d可根据工作压力或设备类型选取，见表4-1和表4-2。当液压缸的往复速度比v有一定要求时，由式(4-7)得 1vvdD（4-16）第4章 液 压 缸 表表 4-1 液压缸工作压力与活塞杆直径液压缸工作压力与活塞杆直径 液压缸工作压力 p（MPa）5 5-7 7 推荐活塞杆直径 d(0.5-0.55)D(0.6-0.7)D 0.7D 表表 4-2 设备类型与活塞杆直径设备类型与活塞杆直径 设备类型 磨床、珩磨及研磨机 插、拉、刨床 钻、镗、
20、车、铣床 活塞杆直径 d（0.2-0.3）D 0.5D 0.7D 表表 4-3 液压缸往复速度比推荐值液压缸往复速度比推荐值 工作 压力 p（MPa）10 12.5-20 20 往复速度比v 1.33 1.46 2 第4章 液 压 缸 3.液压缸缸筒长度液压缸缸筒长度液压缸的缸筒长度L由液压缸最大工作行程、活塞宽度、活塞杆导向套长度、活塞杆密封长度和特殊要求的其它长度确定。其中，活塞宽度B=(0.61.0)D；导向套长度在D80 mm时，C=(0.61.0)D，在D80mm时，C=(0.61.0)d。为减小加工难度，一般液压缸缸筒长度不应超过其内径的20倍。第4章 液 压 缸 4.4 液压缸常
21、见故障及分析液压缸常见故障及分析 液压缸的故障有很多种，在实际使用中经常出现的故障主要表现为推力不足或动作失灵，出现爬行、泄漏、液压冲击以及振动等。这些故障有时单个出现，有时会几种现象同时出现。液压缸常见故障与排除方法如表4-4所示。第4章 液 压 缸 表表 4-4 液压缸常见故障与排除方法液压缸常见故障与排除方法 故障现象 产生原因 排除方法 爬 行 1、液压缸两端爬行并伴有噪声，压力表显示值正常或稍偏低。原因：缸内及管道存有空气 2、液压缸爬行逐渐加重，压力表显示值偏低，油箱无气泡或少许气泡。原因：液压缸某处形成负压吸气 3、液压缸两端爬行现象逐渐加重，压力表显示值偏高 原因：活塞与活塞杆
22、不同心 4、液压缸爬行部位规律性很强，运动部件伴有抖动，导向装置表面发白，压力表显示值偏高 原因：导轨或滑块夹得太紧或导轨与缸的平行度误差过大 5、液压缸爬行部位规律性很强，压力表显示值时高时低 原因：液压缸内壁或活塞表面拉伤，局部磨损严重或腐蚀 1、设置排气装置。2、找出形成负压处加以密封并排气 3、将活塞组件装在 V 型块上校正，同轴度误差应小于 0.04mm，如需要则更换新活塞 4、调整导轨或滑块的压紧条的松紧度，既要保证运动部件的精度，又要保证滑行阻力小。若调整无效，应检查缸与导轨的平行度，并修刮接触面加以校正 5、镗缸的内孔，重配活塞 第4章 液 压 缸 推力不足，速度下降，工 作
23、不 稳定 1、液压缸内泄漏严重 2、液压缸工作段磨损不均匀，造成局部形状误差过大，致使局部区域高低压腔密封性变差而内泄 3、活塞杆密封圈压得太紧或活塞杆弯曲 4、油液污染严重，污物进入滑动部位 5、油温过高，粘度降低，致使泄漏增加 1、更换密封圈。如果活塞与缸内孔的间隙由于磨损而变大，可加装密封圈或更换活塞 2、镗磨修复缸内孔，新配活塞 3、调整活塞杆密封圈压紧度，以不漏油为准；校直活塞杆 4、更换油液 5、检查油温升高的原因，采取散热和冷却措施 表表 4-4 液压缸常见故障与排除方法液压缸常见故障与排除方法 第4章 液 压 缸 泄漏 1、密封圈密封不严 2、由于排气不良，使气体绝热压缩造成局
24、部高温而损坏密封圈 3、活塞与缸筒安装不同心或承受偏 心载荷，使活塞倾斜或偏磨造成内泄 4、缸内孔加工或磨损造成形状精度差 1、检查密封圈及接触面有无伤痕，加以更换或修复 2、增设排气装置，及时排气 3、检查缸筒与活塞的同轴度并修整对中 4、镗缸孔，重配活塞 噪 声 1、滑动面的油膜破坏或压力过高，造成润滑不良，导致滑动金属表面的摩擦声响 2、滑动面的油膜破坏或密封圈的刮削过大，导致密封圈处现异常声响 3、活塞运行到液压缸端头时，特别是立式液压缸，发生抖动和很大的噪声，是活塞下部空气绝热压缩所致 1、停车检查，防止滑动面的烧结，加强润滑 2、加强润滑，若密封圈刮削过大，用砂纸或纱布轻轻打磨唇边
25、，或调整密封圈压紧度，以消除异常声响 3、将活塞慢慢运动，往复数次，每次均到顶端，以排除缸内气体。即可消除严重噪声并可防止密封圈烧伤 第4章 液 压 缸 思考和练习题思考和练习题 4-1 什么是液压缸的差动连接？差动连接应用在什么场合？4-2 当机床工作台的行程较长时应采用什么类型的液压缸？这时如何实现工作台的往复运动？4-3 已知单杆液压缸缸筒内径D=100 mm，活塞杆直径d=50 mm，工作压力p1=2 MPa，流量q=10 L/min，回油压力p2=0.5 MPa。试求活塞往返运动时的推力和速度。第4章 液 压 缸 4-4 如图4-14所示的两个结构相同相互串联的液压缸，无杆腔的面积A
26、1=10010-4m2，有杆腔面积A2=8010-4m2，缸1输入压力p1=0.9 MPa，输入流量q1=12 L/min，不计损失和泄漏，求：(1)两缸承受相同负载(F1=F2)时，该负载的数值及两缸的运动速度。(2)缸2的输入压力是缸1的一半（）时，两缸各能承受多少负载?(3)缸1不承受负载(F1=0)时，缸2能承受多少负载?2112pp第4章 液 压 缸 图 4-14 习题4-4图 第4章 液 压 缸 4-5 某一差动液压缸，要求:(1)V快进=V快退；(2)V快进=2V快退。求：活塞面积A1和活塞杆面积A2之比应为多少?4-6 一柱塞缸柱塞固定，缸筒运动，压力油从空心柱塞中通入，压力为p，流量为q，缸筒内径为D，柱塞外径为d，柱塞内孔直径为d0。试求缸所产生的推力和运动速度。第4章 液 压 缸 4-7 单叶片摆动液压马达的供油压力p1=2MPa，供油流量q=35L/min，回油压力p2=0.3MPa，缸体内径D=240mm，叶片安装轴直径d=800 mm，设输出轴的回转角速度=0.7rad/s,试求叶片的宽度b和输出轴的转矩T。
