液壓與氣動系統(tǒng)及維護 教學課件 崔學紅第三章液壓缸 第三章液壓缸

1、在線教務輔導網：在線教務輔導網：http:/教材其余課件及動畫素材請查閱在線教務輔導網教材其余課件及動畫素材請查閱在線教務輔導網QQ:349134187 或者直接輸入下面地址：或者直接輸入下面地址：http:/第三章第三章 液壓缸液壓缸 是液壓傳動系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件，是液壓傳動系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件，是一種能量轉換元件，它將油液的壓力能是一種能量轉換元件，它將油液的壓力能轉換為機械能，實現(xiàn)執(zhí)行機構的往復直線轉換為機械能，實現(xiàn)執(zhí)行機構的往復直線運動或擺動，輸出力或扭矩。運動或擺動，輸出力或扭矩。 第三章第三章 液壓缸液壓缸3.1 液壓缸的分類和工作原理液壓缸的分類和工作原理3.2 液壓缸的結構液

2、壓缸的結構3.3 液壓缸的設計與計算液壓缸的設計與計算3.4 液壓缸的常見故障及排除液壓缸的常見故障及排除液壓缸的類型液壓缸的特點 按結構形式分： 為活塞式、柱塞式和組合式三大類 按作用方式分： 單作用式和雙作用式兩種。 結構簡單、工作可靠，除可單個使用外，還可以多缸組合或與杠桿、連桿、齒輪齒條、棘輪棘爪等其它機構組合起來完成特殊功用，應用十分廣泛。3.1 液壓缸的類型和工作原理液壓缸的類型和工作原理單桿活塞式液壓缸雙桿活塞式液壓缸柱塞式液壓缸伸縮式液壓缸彈簧復位式液壓缸 （單作用式）單桿活塞式液壓缸（雙作用式） 活塞式液壓缸分為雙桿式和單桿式兩種結構形式，安裝方式有缸筒固定式和活塞桿固定式兩

3、種。 活塞式液壓缸不同安裝方式時的工作范圍缸筒固定式：工作臺的運動范圍為有效行程的三倍 活塞桿固定 ：工作臺的運動范圍為有效行程的二倍 a )b)FvFvAllAqqFvFvAAqqlllp1p2p1p23.1.2 活塞式液壓缸 1 雙桿活塞式液壓缸 圖3.1所示為雙桿活塞式液壓缸的工作原理圖，活塞的兩側都有桿伸出。當兩側活塞桿直徑相同、供油壓力和流量不變時，活塞（或缸體）在兩個方向上的運動速度和推力F都相等，即 （3.1） （3.2）圖3.1 雙桿活塞式液壓缸)(4)(212221ppdDppAF)(422dDqAqv 這種液壓缸常用于要求往返運動速度相同的場合，如液壓磨床等。 圖3.1（a

4、）所示為缸體固定式結構，液壓缸的左腔進油，推動活塞向右移動，右腔回油；反之，活塞反向移動。其運動范圍約等于活塞有效行程的3倍，一般用于中小型設備。圖3.1（b）所示為活塞桿固定式結構，液壓缸的左腔進油，推動缸體向左移動，右腔回油；反之，缸體反向移動。其運動范圍約等于缸體有效行程的2倍，因此常用于大中型設備中。實際上液壓缸的運動范圍還要考慮活塞和缸蓋等尺寸所占用的空間。 (2) 單桿活塞式液壓缸 圖3.2所示為雙作用單桿活塞式液壓缸。液壓缸的一端有活塞桿伸出，在另一端沒有活塞桿伸出，這樣使液壓缸兩腔有效作用面積不相等，當向液壓缸兩腔分別供油，且壓力和流量都不變時，活塞在兩個方向上的運動速度和推力

5、都不相等。 圖3.2 單桿活塞式液壓缸 當在無桿腔進油且有桿腔回油時，（如圖3.2（a），活塞的運動速度1和推力F1分別為 （3.3） （3.4） 當在有桿腔進油且無桿腔回油時（如圖3.2（b），活塞的運動速度2和推力F2分別為 （3.5） （3.6）22212221114pdppDpApAF2114DqAqv12212211224pdppDpApAF22224dDqAqv 由式（3.3）和（3.5）得液壓缸往復運動時的速度比為 （3.7） 上式表明，當活塞桿直徑愈小時，速度比愈接近于1，在兩個方向上的速度差值就愈小。 21222DDd 當單桿活塞缸兩腔同時通入壓力油時，如圖3.3所示，由于無

6、桿腔受力面積大于有桿腔的受力面積，使得活塞向右的作用力大于向左的作用力，因此活塞桿作伸出運動，并將有桿腔的油液擠出，流進無桿腔，這樣加快了活塞桿的伸出速度，單桿活塞液壓缸的這種連接方式被稱為差動連接。 圖3.3 差動連接液壓缸 在差動連接時，有桿腔排出流量q=3A2進入無桿腔，則有活塞桿的伸出速度3為 （3.8） 欲使差動連接缸的往復運動速度相等，即3 =2 ，則由式（3.5）和（3.8）得 。 差動連接在忽略兩腔連通回路壓力損失的情況下，p2p1，活塞的推力F3為 （3.9） 3132AqADd2234dqv2121134)(dpAApF 由式（3.8）和式（3.9）可知，差動連接時液壓缸實

7、際的有效作用面積是活塞桿的橫截面積。與非差動連接無桿腔進油工況相比，在輸入油液壓力和流量都不變的條件下，活塞桿伸出速度較大而推力較小。在實際應用中，液壓傳動系統(tǒng)常通過控制閥來改變單桿活塞缸的油路連接，使它有不同的工作方式，從而獲得快進（差動連接）工進（無桿腔進油）快退（有桿腔進油）的工作循環(huán)。差動連接是在不增加液壓泵容量和功率的情況下，實現(xiàn)系統(tǒng)快速運動的有效方法。它的應用常見于組合機床和各類專用機床中。 單杠缸往復運動范圍是有效行程的2倍，其結構緊湊，應用廣泛。 2.柱塞式液壓缸 活塞缸的內孔精度要求很高，當行程較長時加工困難，這時應采用柱塞缸。如圖3.5a所示，柱塞缸由缸筒、柱塞、導套、密封

8、圈和壓蓋等零件組成，柱塞和缸筒內壁不接觸，因此缸筒內孔不需精加工，工藝性好，成本低。 圖3.4 柱塞式液壓缸 柱塞缸只能制成單作用缸，回程由外力或自重實現(xiàn)。在大行程設備中，為了得到雙向運動，柱塞缸常如圖5.4（b）所示成對使用。柱塞端面是受壓面，其面積大小決定了柱塞缸的輸出速度和推力。為保證柱塞缸有足夠的推力和柱塞受壓穩(wěn)定，一般柱塞較粗，重量較大，水平安裝時由于自重變形易產生單邊磨損，故柱塞缸適宜于垂直安裝使用。為減輕重量，有時制成空心柱塞。水平安裝使用時，為防止柱塞自重下垂，通常要設置柱塞支承套和托架。 柱塞缸結構簡單，制造方便，常用于長行程機床，如龍門刨、導軌磨、大型拉床等。 3.擺動式液

9、壓缸 擺動式液壓缸輸出轉矩并實現(xiàn)往復擺動，通常有單葉片和雙葉片兩種型式。如圖3.5（a）所示，單葉片擺動缸由定子塊1、缸體2、擺動軸3、葉片4、左右支承盤和左右蓋板等主要零件組成，定子塊固定在缸體上，葉片和擺動軸連接在一起。當兩油口相繼通入壓力油時，葉片帶動擺動軸作往復擺動。 圖3.5 擺動式液壓缸1定子塊；2缸體；3擺動軸；4葉片 當考慮到容積效率v 和機械效率m時，葉片式擺動缸的擺動軸輸出角速度和轉矩T分別為 （3.10） （3.11） 考慮葉片和定子塊所占用的角度，單葉片擺動缸的擺動角一般不超過280。雙葉片擺動缸的擺動角一般不超過150。當輸入壓力和流量不變時，雙葉片擺動缸輸出轉矩是單

10、葉片擺動缸的2倍，而擺動角速度則是單葉片擺動缸的一半。 擺動缸結構緊湊，輸出轉矩大，但密封困難，一般只用于低中壓系統(tǒng)中作往復擺動、轉位或間歇運動的工作場合。2212m()()(N m)8ZbTDdppv228(rad/s)()qZb Dd （1）增壓缸 增壓缸又稱增壓器。它能將輸入的低壓油轉變?yōu)楦邏河凸┮簤合到y(tǒng)中的高壓支路使用。增壓缸如圖3.7所示。它由面積不同（分別為A1和A2）的兩個液壓缸串聯(lián)而成，大缸為原動缸，小缸為輸出缸。 4.組合式液壓缸圖3.7 增壓缸 設輸入原動缸的壓力為p1 ，輸出缸的出油壓力為p2 ，若不計摩擦力，根據力平衡關系，可有如下等式 整理得： （3.12） 式中比值

11、A1/A2（或D12/D22）稱為增壓比。 由式（3.12）可知，當D1=2D2時，p2=4p1，即增壓4倍。A pA p11221212AppA 多級缸又稱伸縮缸，它由兩級或多級活塞缸套裝而成，如圖3.8所示。前一級缸的活塞是后一級缸的缸套，活塞桿伸出的順序是從大活塞到小活塞，相應的推力也是從大到小，而伸出的速度則是由慢到快?？蛰d縮回的順序一般是從小活塞到大活塞，收縮后液壓缸總長度較短，占用空間較小，結構緊湊。多級缸適用于工程機械和其他行走機械，如起重機伸縮臂液壓缸、自卸汽車舉升液壓缸等都是多級缸。 （2）多級缸 圖3.8 多級缸 （3）齒條活塞缸 齒條活塞缸由帶有齒條桿的雙活塞缸和齒輪齒條

12、機構組成，如圖3.9所示?；钊鶑瓦\動經齒輪齒條機構變成齒輪軸往復轉動，它多用于自動線、組合機床等轉位或分度機構中。 圖3.9 齒條活塞缸3.2 液壓缸的結構液壓缸的結構1.缸體組件 （1）缸體組件的連接形式 常見的缸體組件連接形式如圖3.10所示。 圖3.10 缸體組件連接形式 （a）法蘭式。法蘭式連接結構簡單，加工方便，連接可靠，但要求缸筒端部有足夠的壁厚，用以安裝螺栓或旋入螺釘。缸筒端部一般用鑄造、鐓粗或焊接方式制成粗大的外徑。它是常用的一種連接形式。 （b）半環(huán)式。半環(huán)式連接分為外半環(huán)連接和內半環(huán)連接兩種形式。半環(huán)連接工藝性好，連接可靠，結構緊湊，但削弱了缸筒強度。半環(huán)連接是應用十分普

13、遍的一種連接形式，常用于無縫鋼管缸筒與端蓋的連接中。 （c）螺紋式。螺紋式連接有外螺紋連接和內螺紋連接兩種形式，其特點是體積小、質量小、結構緊湊，但缸筒端部結構較復雜。這種連接形式一般用于要求外形尺寸小、質量小的場合。 （d）拉桿式。拉桿式連接結構簡單，工藝性好，通用性強，但端蓋的體積和質量較大，拉桿受力后會拉伸變長，影響密封效果，只適用于長度不大的中低壓缸。 （e）焊接式。焊接式連接強度高，制造簡單，但焊接時易引起缸筒變形。 （2）缸筒、端蓋和導向套 缸筒是液壓缸的主體，其內孔一般采用鏜削、鉸孔、滾壓或珩磨等精密加工工藝制造，要求表面粗糙度Ra值為0.10.4 m，以使活塞及其密封件、支承件

14、能順利滑動和保證密封效果，減少磨損。缸筒要承受很大的液壓力，因此應具有足夠的強度和剛度。 端蓋裝在缸筒兩端，與缸筒形成封閉油腔，同樣承受很大的液壓力，因此它們及其連接部件都應有足夠的強度。設計時既要考慮強度，又要選擇工藝性較好的結構形式。 導向套對活塞桿或柱塞起導向和支承作用，有些液壓缸不設導向套，直接用端蓋孔導向，這種結構簡單，但磨損后必須更換端蓋。 2.活塞組件 （1）活塞組件的連接形式 活塞與活塞桿的連接形式如圖3.11所示。除此之外，還有整體式結構、焊接式結構、錐銷式結構等。 整體式和焊接式連接結構簡單，軸向尺寸緊湊，但損壞后需整體更換。錐銷式連接加工容易，裝配簡單，但承載能力小，且需

15、有必要的防止脫落措施。螺紋式連接（圖3.11（a）結構簡單，裝拆方便，但一般需備有螺母防松裝置。半環(huán)式連接（圖3.11（b）強度高，但結構復雜，裝拆不便。在輕載情況下可采用錐銷式連接；一般使用螺紋式連接；高壓和振動較大時多用半環(huán)式連接；對活塞與活塞桿比值D/d較小、行程較短或尺寸不大的液壓缸，其活塞與活塞桿可采用整體式或焊接式連接。 圖3.11 活塞與活塞桿連接形式 （2）活塞和活塞桿 活塞受油壓的作用在缸筒內做往復運動，因此，活塞必須具有一定的強度，對于沒有密封裝置而僅靠間隙來保證密封性能的活塞，還應該有良好的耐磨性?；钊话阌娩摶蜩T鐵制造?；钊慕Y構通常分為整體式和組合式兩類。 活塞桿是連

16、接活塞和工作部件的傳力零件，它必須有足夠的強度和剛度?；钊麠U無論是實心的還是空心的，通常都用鋼料制造。活塞在導向套內往復運動，其外圓表面應當耐磨并具有防銹能力，故活塞桿外圓表面有時需鍍鉻。 （1）間隙密封 間隙密封是一種常用的密封方法。它依靠相對運動零件配合面間的微小間隙來防止泄漏。由第3章中環(huán)形縫隙流量公式可知，泄漏量與間隙的三次方成正比，因此可用減小間隙的辦法來減小泄漏。一般間隙為0.01 0.05 mm，這就要求配合面加工有很高的精度。在活塞的外圓表面一般開幾道寬0.3 0.5 mm，深0.5 1 mm、間距2 5 mm的環(huán)形溝槽，稱平衡槽。3. 密封裝置 平衡槽的作用是： （a）由于活

17、塞的幾何形狀和同軸度誤差，工作中壓力油在密封間隙中的不對稱分布將形成一個徑向不平衡力，稱液壓卡緊力，它使摩擦力增大。開平衡槽后，槽中各向油壓趨于平衡，間隙的差別減小，使活塞能夠自動對中，減小了摩擦力，同時減小偏心量，這樣就減少了泄漏量。 （b）增大油液泄漏的阻力，提高了密封性能。 （c）儲存油液，使活塞能自動潤滑。 間隙密封的特點是結構簡單、摩擦力小、耐用，但對零件的加工精度要求較高，且難以完全消除泄漏，故只適用于低壓、小直徑的快速液壓缸中。 （2）活塞環(huán)密封 活塞環(huán)密封是依靠裝在活塞環(huán)形槽內的彈性金屬環(huán)緊貼缸筒內壁實現(xiàn)密封。如圖3.12所示。它的密封效果較間隙密封好，適應的壓力和溫度范圍很寬

18、，能自動補償磨損和溫度變化的影響，能在高速中工作，摩擦力小，工作可靠，壽命長，但在活塞環(huán)的接口處不能完全密封。活塞環(huán)的加工復雜，缸筒內表面加工精度要求高，一般用于高壓、高速和高溫的場合。 圖3.12 活塞環(huán)密封 （3）密封圈密封 （a）O形密封圈。O形密封圈的截面為圓形，主要用于靜密封和滑動密封（轉動密封用得較少）。其結構簡單緊湊，摩擦力較其他密封圈小，安裝方便，價格便宜，可在40 120 溫度范圍內工作。但與唇形密封圈（如Y形圈）相比，其壽命較短，密封裝置機械部分的精度要求高，啟動阻力較大。O形圈的使用速度范圍為0.005 0.3 m/s。O形圈密封原理如圖3.13所示。 圖3.13 O形圈

19、密封原理 O形圈裝入密封槽后，其截面受到壓縮后變形。在無液壓力時，靠O形圈的彈性對接觸面產生預接觸壓力，實現(xiàn)初始密封；當密封腔充入壓力油后，在液壓力的作用下，O形圈擠向溝槽一側，密封面上的接觸壓力上升，提高了密封效果。任何形狀的密封圈在安裝時，必須保證適當的預壓縮量。預壓縮量過小不能密封，預壓縮量過大則摩擦力增大，且易于損壞，因此，安裝密封圈的溝槽尺寸和表面精度必須按有關手冊給出的數據嚴格保證。在動密封中，當壓力大于10 MPa時，O形圈就會被擠入間隙中而損壞，為此需在O形圈低壓側設置聚四氟乙烯或尼龍制成的擋圈（圖3.14），其厚度為1.25 2.5 mm。雙向受高壓時，兩側都要加擋圈。 圖3

20、.14 O形圈密封擋圈設置 （b）V形密封圈。V形圈的截面為V形。如圖5.15所示的V形密封裝置是由壓環(huán)、V形圈（也稱密封環(huán)）和支承環(huán)組成。當工作壓力高于10 MPa時，可增加V形圈的數量，提高密封效果。安裝時，V形圈的開口應面向壓力高的一側。 V形圈密封性能良好，耐高壓，壽命長，通過調節(jié)壓緊力，可獲得最佳的密封效果，但V形密封裝置的摩擦阻力及結構尺寸較大，主要用于活塞及活塞桿的往復運動密封。它適宜在工作壓力為p 50 MPa、溫度為40 +80的條件下工作。 圖5.15 V形密封圈 （c）Y形密封圈。Y形密封圈的截面為Y形，屬唇形密封圈。它是一種密封性、穩(wěn)定性和耐壓性較好、摩擦阻力小、壽命較

21、長的密封圈，故應用也很普遍。Y形圈主要用于往復運動的密封。根據截面長寬比例的不同，Y形圈可分為寬斷面和窄斷面兩種形式，圖3.16所示為寬斷面Y形密封圈。 Y形圈的密封作用依賴于它的唇邊對偶合面的緊密接觸，并在壓力油作用下產生較大的接觸壓力，達到密封目的。當液壓力升高時，唇邊與偶合面貼得更緊，接觸壓力更高，密封性能更好。 Y形圈安裝時，唇口端應對著液壓力高的一側。當壓力變化較大、滑動速度較高時，要使用支承環(huán)，以固定密封圈。如圖3.16（b）所示。 圖3.16 寬斷面Y形密封圈 寬斷面Y形圈一般適用于工作壓力p 20 MPa、工作溫度30 +100、使用速度 0.5 m/s的場合。 窄斷面Y形圈如

22、圖3.17所示。窄斷面Y形圈是寬斷面Y形圈的改型產品，其截面的長寬比在2倍以上，因而不易翻轉，穩(wěn)定性好，它有等高唇Y形圈和不等高唇Y形圈兩種。后者又有孔用和軸用之分，其短唇與運動表面接觸，滑動摩擦阻力小，耐磨性好，壽命長；長唇與非運動表面接觸有較大的預壓縮量，摩擦阻力大，工作時不竄動。 窄斷面Y形圈一般適用于工作壓力p 32 MPa，使用溫度為30 +100的條件下工作。 圖3.17 窄斷面Y形密封圈4.緩沖裝置 當液壓缸拖動負載的質量較大、速度較高時，一般應在液壓缸中設緩沖裝置，必要時還需在液壓傳動系統(tǒng)中設緩沖回路，以免在行程終端發(fā)生過大的機械碰撞，致使液壓缸損壞。緩沖的原理是使活塞相對缸筒

23、接近行程終端時，在排油腔內產生足夠的緩沖壓力，即增大回油阻力，從而降低缸的運動速度，避免活塞與缸蓋高速直接相撞。液壓缸中常用的緩沖裝置如圖3.18所示。 圖3.18 液壓缸的緩沖裝置 （1）圓柱形環(huán)隙式緩沖裝置 如圖3.18（a），當緩沖柱塞進入缸蓋上的內孔時，缸蓋和活塞間形成緩沖縫隙，被封閉油液只能從環(huán)形間隙排出，產生緩沖壓力，從而實現(xiàn)減速緩沖。這種緩沖裝置在緩沖過程中，由于其通流截面面積不變，故緩沖開始時，產生的緩沖制動力很大，但很快制動力就降低，其緩沖效果較差。但這種裝置結構簡單、便于設計和降低制造成本，所以在一般系列化的液壓缸中多采用這種緩沖裝置。 （2）圓錐形環(huán)隙式緩沖裝置 如圖3.

24、18（b），由于緩沖柱塞為圓錐形，所以緩沖環(huán)形間隙隨位移的變化而改變，即通流截面面積隨緩沖行程的增大而減小，使機械能的吸收較均勻，其緩沖效果較好 。 （3）可變節(jié)流槽式緩沖裝置 如圖3.18（c），在緩沖柱塞上開有由淺入深的三角節(jié)流溝槽，通流截面面積隨著緩沖行程的增大而逐漸減小，緩沖壓力變化平緩。 （4）可調節(jié)流孔式緩沖裝置 如圖3.18（d）)，在緩沖過程中，緩沖腔油液經節(jié)流孔排出，調節(jié)節(jié)流孔的大小，可控制緩沖腔內緩沖壓力的大小，以適應液壓缸不同的負載和速度工況對緩沖的要求，當活塞反向運動時，高壓油從單向閥進入液壓缸內，活塞也不會因推力不足而產生啟動緩慢等現(xiàn)象。 5.排氣裝置 液壓傳動系統(tǒng)中往往會混入空氣，使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，產生振動、爬行或前沖等現(xiàn)象，嚴重時會使系統(tǒng)不能正常工作，因此在設計液壓缸時，必須考慮空氣的排除。 對于要求不高的液壓缸，往往不設計專門的排氣裝置，而是將油口布置在缸筒兩端的最高處，這樣也能使空氣隨油液排回油箱，再從油箱逸出。對于速度穩(wěn)定