3液壓執(zhí)行元件教程

學(xué)習(xí)目的：要求掌握液壓缸設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的主要問(wèn)題，包括結(jié)構(gòu)類型的選擇和參數(shù)計(jì)算等，為液壓缸設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。主要內(nèi)容：第3章液壓傳動(dòng)執(zhí)行元件

液壓缸（油缸）主要用于實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，也可以實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，應(yīng)用廣泛。液壓缸的輸入量是液體的流量和壓力，輸出量是速度和力。液壓缸和液壓馬達(dá)都是液壓執(zhí)行元件，其職能是將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。p1p2FVdQA液壓缸壓力p

流量Q液壓功率作用力F

速度V機(jī)械功率3.1液壓缸

液壓缸的分類按供油方向分：?jiǎn)巫饔酶缀碗p作用缸。按結(jié)構(gòu)形式分：活塞缸、柱塞缸、伸縮套筒缸、擺動(dòng)液壓缸。按活塞桿形式分：?jiǎn)螚U活塞缸、雙桿活塞缸。單桿液壓缸雙桿液壓缸柱塞式液壓缸3.1.1液壓缸的類型

活塞式液壓缸可分為雙桿式和單桿式兩種結(jié)構(gòu)形式，其安裝又有缸筒固定和活塞桿固定兩種方式。1.雙桿活塞液壓缸

雙活塞桿液壓缸的活塞兩端都帶有活塞桿，分為缸體固定和活塞桿固定兩種安裝形式。(a)缸筒固定式(b)活塞桿固定式3.1.2活塞式液壓缸

因?yàn)殡p活塞桿液壓缸的兩活塞桿直徑相等，所以當(dāng)輸入流量和油液壓力不變時(shí)，其往返運(yùn)動(dòng)速度和推力相等。則缸的運(yùn)動(dòng)速度V和推力F分別為：式中:、—分別為缸的進(jìn)、回油壓力；—分別為缸的容積效率和機(jī)械效率；、、d—分別為活塞直徑和活塞桿直徑；q

—輸入流量；A—活塞有效工作面積。這種液壓缸常用于要求往返運(yùn)動(dòng)速度相同的場(chǎng)合。2.單活塞桿液壓缸

單活塞桿液壓缸的活塞僅一端帶有活塞桿，活塞雙向運(yùn)動(dòng)可以獲得不同的速度和輸出力，其簡(jiǎn)圖及油路連接方式如圖所示。(a)無(wú)桿腔進(jìn)油Ddq(b)有桿腔進(jìn)油q無(wú)桿腔進(jìn)油活塞的運(yùn)動(dòng)速度和推力分別為:(a)無(wú)桿腔進(jìn)油Ddq有桿腔進(jìn)油活塞的運(yùn)動(dòng)速度和推力分別為:(b)有桿腔進(jìn)油q

比較上述各式，可以看出：>,>；液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度比為：

上式表明：當(dāng)活塞桿直徑愈小時(shí)，速度比接近1，在兩個(gè)方向上的速度差值就愈小。(a)無(wú)桿腔進(jìn)油Ddq(b)有桿腔進(jìn)油q兩腔進(jìn)油,差動(dòng)聯(lián)接(c)差動(dòng)聯(lián)接q

當(dāng)單桿活塞缸兩腔同時(shí)通入壓力油時(shí)，由于無(wú)桿腔有效作用面積大于有桿腔的有效作用面積，使得活塞向右的作用力大于向左的作用力，因此，活塞向右運(yùn)動(dòng)，活塞桿向外伸出；與此同時(shí)，又將有桿腔的油液擠出，使其流進(jìn)無(wú)桿腔，從而加快了活塞桿的伸出速度，單活塞桿液壓缸的這種連接方式被稱為差動(dòng)連接。兩腔進(jìn)油,差動(dòng)聯(lián)接(c)差動(dòng)聯(lián)接q

在忽略兩腔連通油路壓力損失的情況下，差動(dòng)連接液壓缸的推力為：q等效活塞的運(yùn)動(dòng)速度為：兩腔進(jìn)油,差動(dòng)聯(lián)接(c)差動(dòng)聯(lián)接qq等效

差動(dòng)連接時(shí),液壓缸的有效作用面積是活塞桿的橫截面積，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度比無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)的大，而輸出力則較小。

差動(dòng)連接是在不增加液壓泵容量和功率的條件下，實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)的有效辦法。

差動(dòng)液壓缸計(jì)算舉例

例：已知單活塞桿液壓缸的缸筒內(nèi)徑D=100mm，活塞桿直徑d=70mm，進(jìn)入液壓缸的流量q=25L/min，壓力P1=2Mpa，P2=0。液壓缸的容積效率和機(jī)械效率分別為0.98、0.97，試求在圖3-3(a)、(b)、圖3-4所示的三種工況下，液壓缸可推動(dòng)的最大負(fù)載和運(yùn)動(dòng)速度各是多少？并給出運(yùn)動(dòng)方向。

解：在圖3-3（a）中，液壓缸無(wú)桿腔進(jìn)壓力油，回油腔壓力為零，因此，可推動(dòng)的最大負(fù)載為：

活塞桿向右運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度為：

在圖3-3（b）

中，液壓缸為有桿腔進(jìn)壓力油，無(wú)桿腔回油壓力為零，可推動(dòng)的負(fù)載為：

活塞桿向左運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度為：

在圖3-4中，液壓缸差動(dòng)連接，可推動(dòng)的負(fù)載力為：

活塞桿向右運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度為：

當(dāng)活塞式液壓缸行程較長(zhǎng)時(shí)，加工難度大,使得制造成本增加。某些場(chǎng)合所用的液壓缸并不要求雙向控制,柱塞式液壓缸正是滿足了這種使用要求的一種價(jià)格低廉的液壓缸。3.1.3柱塞式液壓缸

柱塞式液壓缸

如圖所示，柱塞缸由缸筒、柱塞、導(dǎo)套、密封圈和壓蓋等零件組成，柱塞和缸筒內(nèi)壁不接觸，因此缸筒內(nèi)孔不需精加工，工藝性好，成本低。

柱塞式液壓缸是單作用的，它的回程需要借助自重或彈簧等其它外力來(lái)完成。如果要獲得雙向運(yùn)動(dòng)，可將兩柱塞液壓缸成對(duì)使用,為減輕柱塞的重量，有時(shí)制成空心柱塞。

柱塞式液壓缸QQVdd式中：d—柱塞直徑，p1—進(jìn)油壓力，p2—另一缸的回油壓力。p1p2缸體伸縮套筒缸伸出縮回套筒活塞活塞伸縮式單作用缸3.1.4伸縮式液壓缸伸出縮回

伸縮式液壓缸的特點(diǎn)是：活塞桿伸出的行程長(zhǎng)，收縮后的結(jié)構(gòu)尺寸小，適用于翻斗汽車，起重機(jī)的伸縮臂等。

擺動(dòng)液壓缸

擺動(dòng)液壓缸能實(shí)現(xiàn)小于360°角度的往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，由于它可直接輸出扭矩，故又稱為擺動(dòng)液壓馬達(dá)，主要有單葉片式和雙葉片式兩種結(jié)構(gòu)形式。3.1.5擺動(dòng)式液壓缸

擺動(dòng)液壓缸

單葉片擺動(dòng)液壓缸主要由定子塊1、缸體2、擺動(dòng)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(dòng)軸固連在一起，當(dāng)兩油口相繼通以壓力油時(shí)，葉片即帶動(dòng)擺動(dòng)軸作往復(fù)擺動(dòng)。

擺動(dòng)液壓缸當(dāng)考慮到機(jī)械效率時(shí)，單葉片缸的擺動(dòng)軸輸出轉(zhuǎn)矩為p1p2

D—

缸體內(nèi)孔直徑；d—

擺動(dòng)軸直徑；b—

葉片寬度

擺動(dòng)液壓缸q根據(jù)能量守恒原理,得輸出角速度為D—

缸體內(nèi)孔直徑；d—

擺動(dòng)軸直徑；b—

葉片寬度

ωqω

單葉片擺動(dòng)液壓缸的擺角一般不超過(guò)280o

，雙葉片擺動(dòng)液壓缸的擺角一般不超過(guò)150o

。

當(dāng)輸入壓力和流量不變時(shí)，雙葉片擺動(dòng)液壓缸擺動(dòng)軸輸出轉(zhuǎn)矩是相同參數(shù)單葉片擺動(dòng)缸的兩倍，而擺動(dòng)角速度則是單葉片的一半。qω

擺動(dòng)缸結(jié)構(gòu)緊湊，輸出轉(zhuǎn)矩大，但密封困難，一般只用于中、低壓系統(tǒng)中往復(fù)擺動(dòng)，轉(zhuǎn)位或間歇運(yùn)動(dòng)的地方。其它形式液壓缸

齒條活塞缸由帶有齒條桿的雙作用活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)組成，活塞往復(fù)移動(dòng)經(jīng)齒條、齒輪機(jī)構(gòu)變成齒輪軸往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

齒條活塞液壓缸的結(jié)構(gòu)圖1—緊固螺帽；2—調(diào)節(jié)螺釘；3—端蓋；4—墊圈；5—O形密封圈；6—擋圈；7—缸套；8—

齒條活塞；9—齒輪；l0—傳動(dòng)軸；11—缸體；12—螺釘qω增壓缸a123增速缸

增速缸原理圖1—柱塞；2—活塞；3—缸筒3.1.6液壓缸的結(jié)構(gòu)

雙作用單活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)圖l—缸底；2—卡鍵；3、5、9、11—密封圈；4—活塞；6—缸筒；7—活塞桿；8—導(dǎo)向套；10—缸蓋；12—防塵圈；13—耳軸

單活塞桿液壓缸主要由缸底1、缸筒6、缸蓋10、活塞4、活塞桿7和導(dǎo)向套8等組成。缸筒一端與缸底焊接，另一端與缸蓋采用螺紋連接。活塞與活塞桿采用卡鍵連接。為了保證液壓缸的可靠密封，在相應(yīng)部位設(shè)置了密封圈3、5、9、11和防塵圈12。連接的形式

缸體與缸蓋的連接結(jié)構(gòu)

活塞組件由活塞、密封件、活塞桿和連接件等組成?；钊c活塞桿的連接形式

活塞與活塞桿的連接最常用的有螺紋連接和半環(huán)連接形式，除此之外還有整體式結(jié)構(gòu)、焊接式結(jié)構(gòu)、錐銷式結(jié)構(gòu)等。

1一活塞桿；2一活塞；3一密封圈；4一彈簧圈；5一螺母1一卡鍵；2一套環(huán)；3一彈簧卡圈

活塞裝置主要用來(lái)防止液壓油的泄漏。對(duì)密封裝置的基本要求是具有良好的密封性能，并隨壓力的增加能自動(dòng)提高密封性。除此以外，摩擦阻力要小，耐油。

密封裝置有

活塞環(huán)密封（開(kāi)口金屬環(huán)）：適用于高壓、高速或密封性能要求較高的場(chǎng)合。（1）O形密封圈普通型

有擋板型O形密封圈的截面為圓形，主要用于靜密封。與唇形密封圈相比，運(yùn)動(dòng)阻力較大，作運(yùn)動(dòng)密封時(shí)容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，故一般不單獨(dú)用于油缸運(yùn)動(dòng)密封。油缸主要采用密封圈密封，密封圈有O形、V形、Y形及組合式等數(shù)種，其材料為耐油橡膠、尼龍、聚氨脂等。

O形圈密封的原理：任何形狀的密封圈在安裝時(shí)，必須保證適當(dāng)?shù)念A(yù)壓縮量，過(guò)小不能密封，過(guò)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(guān)手冊(cè)給出的數(shù)據(jù)嚴(yán)格保證。在動(dòng)密封中，當(dāng)壓力大于10MPa時(shí)，O形圈就會(huì)被擠入間隙中而損壞，為此需在O形圈低壓側(cè)設(shè)置聚四氟乙烯或尼龍制成的擋圈，雙向受高壓時(shí)，兩側(cè)都要加擋圈。

（a）普通型（b）有擋板型

O型密封圈的結(jié)構(gòu)原理

V形圈的截面為V形，如圖所示，V形密封裝置是由壓環(huán)、V形圈和支承環(huán)組成。當(dāng)工作壓力高于10MPa時(shí)，可增加V形圈的數(shù)量，提高密封效果。安裝時(shí)，V形圈的開(kāi)口應(yīng)面向壓力高的一側(cè)。（2）V形密封圈

a)壓環(huán)b)V型圈c)支承環(huán)

V形密封圈Y形密封圈的截面為Y形，屬唇形密封圈。它是一種摩擦阻力小、壽命較長(zhǎng)的密封圈，應(yīng)用普遍。Y形圈主要用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的密封。根據(jù)截面長(zhǎng)寬比例的不同，Y形圈可分為寬斷面和窄斷面兩種形式，圖示為寬斷面Y形密封圈。（3）Y（Yx）形密封圈

Y形密封圈

Y形密封圈Y形圈安裝時(shí)，唇口端面應(yīng)對(duì)著液壓力高的一側(cè)。當(dāng)壓力變化較大，滑動(dòng)速度較高時(shí)，要使用支承環(huán)，以固定密封圈，如圖所示。

為了防止這種危害，保證安全，應(yīng)采取緩沖措施，對(duì)液壓缸運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行控制。

緩沖裝置：當(dāng)液壓缸帶動(dòng)質(zhì)量較大的部件作快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)部件具有很大的動(dòng)能，因此當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到液壓缸終端時(shí)，會(huì)與端蓋碰撞，而產(chǎn)生沖擊和噪聲。這種機(jī)械沖擊不僅引起液壓缸的有關(guān)部分的損壞，而且會(huì)引起其它相關(guān)機(jī)械的損傷。

當(dāng)活塞移至端部，緩沖柱塞開(kāi)始插入缸端的緩沖孔時(shí)，活塞與缸端之間形成封閉空間，該腔中受困擠的剩余油液只能從節(jié)流小孔或緩沖柱塞與孔槽之間的節(jié)流環(huán)縫中擠出，從而造成背壓迫使運(yùn)動(dòng)柱塞降速制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)緩沖。排氣裝置：液壓傳動(dòng)系統(tǒng)往往會(huì)混入空氣，使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，產(chǎn)生振動(dòng)、爬行或前沖等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)不能正常工作。

因此，設(shè)計(jì)液壓缸時(shí)，必須考慮空氣的排除。

對(duì)于速度穩(wěn)定性要求較高的液壓缸和大型液壓缸，常在液壓缸的最高處設(shè)置專門的排氣裝置，如排氣塞、排氣閥等。當(dāng)松開(kāi)排氣塞或閥的鎖緊螺釘后，低壓往復(fù)運(yùn)動(dòng)幾次，帶有氣泡的油液就會(huì)排出，空氣排完后擰緊螺釘，液壓缸便可正常。

為了排除聚集在液壓缸內(nèi)的空氣，可在缸的兩端最高部位各裝一只排氣塞。液壓缸的計(jì)算及驗(yàn)算方法

首先根據(jù)使用要求確定液壓缸的類型，再按負(fù)載和運(yùn)動(dòng)要求確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，必要時(shí)需進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，最后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。液壓缸的主要尺寸包括液壓缸的內(nèi)徑D、缸的長(zhǎng)度L、活塞桿直徑d。主要根據(jù)液壓缸的負(fù)載、活塞運(yùn)動(dòng)速度和行程等因素來(lái)確定上述參數(shù)。3.1.7液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算

以力為主計(jì)算液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑這類機(jī)床所用液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑是根據(jù)液壓缸的牽引力F和有效工作壓力p來(lái)確定的。

1)計(jì)算液壓缸的牽引力F2)確定液壓缸的有效工作壓力p對(duì)于不同用途的液壓設(shè)備，由于工作條件不同，通常采用的壓力值也不同。設(shè)計(jì)時(shí)，用類比法或?qū)嶒?yàn)確定。1.工作負(fù)載2.液壓缸主要尺寸的確定

液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d可根據(jù)最大總負(fù)載和選取的工作壓力來(lái)定，對(duì)單桿缸而言，有：有桿腔進(jìn)油時(shí)：無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)：式中F——液壓缸最大牽引力(N)；

A——液壓缸有效工作壓力(Pa）：

d——活塞桿直徑(m)；

D——液壓缸內(nèi)徑(m)。

對(duì)于活塞缸來(lái)說(shuō)，液壓缸內(nèi)徑和活塞直徑的公稱尺寸相同，因此計(jì)算出的液壓缸內(nèi)徑即是活塞的直徑。活塞桿直徑d可根據(jù)受力情況和液壓缸結(jié)構(gòu)形式來(lái)決定；受拉時(shí)d＝(0.3-0.5)D

受壓時(shí)，在p≤5MPa情況下，d＝(0.5-0.55)D；在5MPa≤p≤7MPa的情況下，d＝(0.6-0.77)D；在p＞7MPa的情況下，d＝0.7D。差動(dòng)聯(lián)結(jié)．且往復(fù)速度相等時(shí)，d＝0.7D。計(jì)算出的活塞桿直徑和活塞直徑，按設(shè)計(jì)手冊(cè)圓整為標(biāo)準(zhǔn)值?；钊麠U直徑系列

液壓缸內(nèi)徑系列

液壓缸的缸筒長(zhǎng)度由活塞最大行程、活塞長(zhǎng)度、活塞桿導(dǎo)向套長(zhǎng)度、活塞桿密封長(zhǎng)度和特殊要求的長(zhǎng)度確定。其中活塞長(zhǎng)度為（）D，導(dǎo)向套長(zhǎng)度為（）d。為減少加工難度，一般液壓缸缸筒長(zhǎng)度不應(yīng)大于內(nèi)徑的20-30倍。3.確定液壓缸的壁厚δ

液壓缸的壁厚一般由結(jié)構(gòu)和工藝的需要而定。在中、低壓系統(tǒng)中，缸壁強(qiáng)度不是主要問(wèn)題，通常不用計(jì)算。壓力較高時(shí)，可用下式對(duì)缸體壁厚進(jìn)行驗(yàn)算。薄壁δ/D≤0.08

厚壁δ/D≥0.3

活塞桿長(zhǎng)度根據(jù)液壓缸最大行程L而定。對(duì)于工作行程中受壓的活塞桿，當(dāng)活塞桿長(zhǎng)度L與其直徑d之比大于15時(shí)，應(yīng)對(duì)活塞桿進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。4.液壓缸穩(wěn)定性驗(yàn)算

液壓馬達(dá)和液壓泵在結(jié)構(gòu)上基本相同，也是靠密封容積的變化進(jìn)行工作的。常見(jiàn)的液馬達(dá)也有齒輪式、葉片式和柱塞式等幾種主要形式；從轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩范圍分,可有高速馬達(dá)和低速大扭矩馬達(dá)之分。3.2液壓馬達(dá)3.2.1工作原理

馬達(dá)和泵在工作原理上是互逆的，當(dāng)向泵輸入壓力油時(shí)，其軸輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩就成為馬達(dá)。

由于二者的任務(wù)和要求有所不同，故在實(shí)際結(jié)構(gòu)上只有少數(shù)泵能做馬達(dá)使用。

柱塞式馬達(dá)的工作原理

當(dāng)壓力油輸入液壓馬達(dá)時(shí)，處于壓力腔的柱塞被頂出，壓在斜盤上，斜盤對(duì)柱塞產(chǎn)生反力，該力可分解為軸向分力和垂直于軸向的分力。其中，垂直于軸向的分力使缸體產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

工作壓力

馬達(dá)入口油液的實(shí)際壓力稱為馬達(dá)的工作壓力，馬達(dá)入口壓力和出口壓力的差值稱為馬達(dá)的工作壓差。

流量和排量

馬達(dá)入口處的流量稱為馬達(dá)的實(shí)際流量。馬達(dá)密封腔容積變化所需要的流量稱為馬達(dá)的理論流量。實(shí)際流量和理論流量之差即為馬達(dá)的泄漏量。

馬達(dá)軸每轉(zhuǎn)一周，由其密封容腔有效體積變化而排出的液體體積稱為馬達(dá)的排量。

3.2.2液壓馬達(dá)的主要性能參數(shù)

容積效率和轉(zhuǎn)速

因馬達(dá)實(shí)際存在泄漏，由實(shí)際流量q計(jì)算轉(zhuǎn)速n

時(shí)，應(yīng)考慮馬達(dá)的容積效率。當(dāng)液壓馬達(dá)的泄漏流量為，馬達(dá)的實(shí)際流量為，則液壓馬達(dá)的容積效率為：

馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速等于理論流量與排量的比值，即

機(jī)械效率

輸出轉(zhuǎn)矩

因馬達(dá)實(shí)際存在機(jī)械摩擦，故實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)考慮機(jī)械效率。

設(shè)馬達(dá)的出口壓力為零，入口工作壓力為p，