第四章 液壓缸

第四章液壓缸第一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算液壓缸液壓傳動中的執(zhí)行元件是將流體的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的元件。它驅(qū)動機(jī)構(gòu)作直線往復(fù)或旋轉(zhuǎn)（或擺動）運(yùn)動，其輸入為壓力和流量，輸出為力和速度，或轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。液壓缸是實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動的執(zhí)行元件。

缸筒固定：一腔連續(xù)地輸入壓力油。當(dāng)油的壓力足以克服活塞桿上的所有負(fù)載時(shí)，活塞以速度連續(xù)向另一腔運(yùn)動，活塞桿對外界做功。反之亦然。

活塞桿固定：一腔連續(xù)地輸入壓力油時(shí)，則缸筒向另一方向運(yùn)動。反之亦然。第二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算液壓缸的分類按結(jié)構(gòu)形式分：活塞缸又分單桿活塞缸、雙桿活塞缸柱塞缸擺動缸又分單葉片擺動缸、雙葉片擺動缸按作用方式分：單作用液壓缸一個方向的運(yùn)動依靠液壓作用力實(shí)現(xiàn)，另一個方向依靠彈簧力、重力等實(shí)現(xiàn)；雙作用液壓缸兩個方向的運(yùn)動都依靠液壓作用力來實(shí)現(xiàn)；復(fù)合式缸活塞缸與活塞缸的組合、活塞缸與柱塞缸的組合、活塞缸與機(jī)械結(jié)構(gòu)的組合等。第三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算常見液壓缸的圖形符號第四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五第五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算雙桿活塞缸1）雙桿活塞缸如圖所示為缸筒固定的雙桿活塞缸，活塞兩側(cè)的活塞桿直徑相等，它的進(jìn)、出油口位于缸筒兩端。這種安裝形式，工作臺移動范圍約為活塞有效行程的三倍，占地面積大，適用于中小型機(jī)械。

第六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算雙桿活塞缸右圖所示為活塞桿固定的雙桿活塞缸。它的進(jìn)、出油液可經(jīng)活塞桿內(nèi)的通道輸入液壓缸或從液壓缸流出。也可以用軟管連接，進(jìn)、出口就位于缸的兩端。其工作臺移動范圍為缸筒有效行程的兩倍，常用于大中型的機(jī)械。第七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算雙桿活塞缸雙桿活塞缸的推力和速度計(jì)算式第八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算單桿活塞缸2）單桿活塞缸如圖所示為單桿活塞缸。由于只在活塞的一端有活塞桿，使兩腔的有效工作面積不相等，因此在兩腔分別輸入相同流量的情況下，活塞的往復(fù)運(yùn)動速度不相等。它的安裝也有缸筒固定和活塞桿固定兩種，進(jìn)、出口的布置根據(jù)安裝方式而定；但工作臺移動范圍都為活塞有效行程的兩倍。第九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算單桿活塞缸單桿活塞缸的推力和速度計(jì)算式（1）無桿腔進(jìn)油：第十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算單桿活塞缸單桿活塞缸的推力和速度計(jì)算式（2）有桿腔進(jìn)油：第十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算差動液壓缸單桿活塞缸的左右腔同時(shí)接通壓力油，如圖4.3所示，稱為差動連接，此缸稱為差動液壓缸。差動液壓缸左、右腔壓力相等，但左、右腔有效面積不相等，因此，活塞向右運(yùn)動。差動連接時(shí)因回油腔的油液進(jìn)入左腔，從而提高活塞運(yùn)動速度。第十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算差動液壓缸圖

差動液壓缸差動液壓缸的推力和速度計(jì)算式：差動連接時(shí)，有桿腔排出流量q’進(jìn)入無桿腔，則有：忽略兩腔連通回路壓力損失（即p1=p2）：由上可知，差動連接時(shí)實(shí)際的有效作用面積是活塞桿的橫截面積。第十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算差動液壓缸與非差動連接無桿腔進(jìn)油工況相比，在輸入油液壓力和流量相同的條件下，活塞桿伸出速度較大而推力較小。實(shí)際應(yīng)用中，液壓系統(tǒng)常通過控制閥來改變單桿缸的油路連接，使其有不同的工作方式，從而獲得快進(jìn)（差動連接）—工進(jìn)（無桿腔進(jìn)油）—

快退（有桿腔進(jìn)油）的工作循環(huán)。

第十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算活塞缸并聯(lián)例4.1：圖示液壓系統(tǒng)，液壓缸活塞的面積A1＝A2＝A3＝20cm2，所受的負(fù)載F1＝4000N，F(xiàn)2＝6000N，F(xiàn)3＝8000N，泵的流量q，試分析：1)三個液壓缸的動作順序？2)液壓泵的工作壓力有何變化？3)各液壓缸的運(yùn)動速度？第十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算活塞缸并聯(lián)解：推動液壓缸Ⅰ運(yùn)動所需的壓力：推動液壓缸Ⅱ運(yùn)動所需的壓力：推動液壓缸Ⅲ運(yùn)動所需的壓力：第十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算活塞缸并聯(lián)1)三個缸的動作順序：缸Ⅰ、缸Ⅱ、缸Ⅲ。2)液壓泵的工作壓力變化：缸Ⅰ運(yùn)動時(shí)，液壓泵工作壓力p＝2Mpa。缸Ⅱ運(yùn)動時(shí)，液壓泵工作壓力p＝3Mpa。缸Ⅲ運(yùn)動時(shí)，液壓泵工作壓力p＝4Mpa。三缸運(yùn)動都停止時(shí)，液壓泵工作壓力p＝5Mpa。第十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算活塞缸并聯(lián)總結(jié)：液壓缸并聯(lián)時(shí)，負(fù)載最小的液壓缸最先動作；當(dāng)一個缸在運(yùn)動時(shí)，其他液壓缸靜止，液壓泵輸出的流量全部流入運(yùn)動的液壓缸。3)各液壓缸的運(yùn)動速度：第十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算活塞缸串聯(lián)例4.2：圖示兩個結(jié)構(gòu)相同相互串聯(lián)的液壓缸，無桿腔的面積A1＝100cm2，有桿腔面積A2＝80cm2，缸1輸入壓力p1=9×105Pa，輸入流量q1=12L/min，不計(jì)損失和泄漏，求：1)兩缸承受相同負(fù)載時(shí)(F1=F2),該負(fù)載的數(shù)值及兩缸的運(yùn)動速度？2)缸2的輸入壓力是缸1的一半時(shí)(P2=P1/2)，兩缸各能承受多少負(fù)載？3)缸1不承受負(fù)載時(shí)(F1=0)，缸2能承受多大的負(fù)載。第十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算活塞缸串聯(lián)解：1)求F1、F2？求兩個的運(yùn)動速度v1，v2？第二十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算活塞缸串聯(lián)2)已知：P2=P1/2，求F1、F2？第二十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算活塞缸串聯(lián)3)已知F1＝0，求F2？總結(jié)：液壓串聯(lián)時(shí)，求速度時(shí)，前一液壓缸的輸出為后一液壓缸的輸入；求力時(shí)，需對每一個液壓缸進(jìn)行受力平衡分析。第二十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算柱塞式液壓缸圖4.5

柱塞式液壓缸a）單柱塞缸b）雙柱塞缸1—缸筒2—柱塞(1)它是一種單作用式液壓缸，靠液壓力只能實(shí)現(xiàn)一個方向的運(yùn)動，柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重；(2)柱塞只靠缸套支承，故適于做長行程液壓缸；(3)工作時(shí)柱塞總受壓，因而它必須有足夠的剛度;；(4)柱塞重量往往較大，水平放置時(shí)容易因自重而下垂，造成密封件和導(dǎo)向單邊磨損，故其垂直使用更有利。第二十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算柱塞式液壓缸單向運(yùn)動時(shí)雙向運(yùn)動時(shí)第二十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算柱塞式液壓缸圖4.5

柱塞式液壓缸a）單柱塞缸b）雙柱塞缸1—缸筒2—柱塞式中

D—柱塞直徑柱塞缸的輸出力F和運(yùn)動速度v的計(jì)算式：第二十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算擺動缸當(dāng)通入液油，它的主軸能輸出小于360°的擺動運(yùn)動的缸稱為擺動式液壓缸。常用于輔助裝置，如送料和轉(zhuǎn)位裝置、液壓機(jī)械手及間歇進(jìn)給機(jī)構(gòu)。圖4.7擺動缸（b）雙葉片式（a）單葉片式單葉片式擺動缸的最大回轉(zhuǎn)角度一般小于280°；雙葉片式擺動缸的最大回轉(zhuǎn)角度一般小于150°。

第二十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算增壓缸增壓缸是活塞缸與柱塞缸組成的復(fù)合缸，但它不是能量轉(zhuǎn)換裝置，只是一個增壓器件。增壓比為大活塞與小柱塞的面積比K＝D2/d2

；增壓能力是在降低有效流量的基礎(chǔ)上得到的；增壓缸作為中間環(huán)節(jié)，用在低壓系統(tǒng)要求有局部高壓油路的場合。第二十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算多級缸又稱伸縮套筒式缸，由兩個或多個活塞式缸套裝而成。前一級活塞缸的活塞桿是后一級活塞缸的缸筒。各級活塞依次伸出可獲得很長的行程，當(dāng)依次縮回時(shí)缸的軸向尺寸很小。除雙作用伸縮液壓缸外，還有單作用伸縮液壓缸，它與雙作用不同點(diǎn)是回程靠外力，而雙作用靠液壓作用力。特別適用于工程機(jī)械及自動線步進(jìn)式輸送裝置。第二十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.1液壓缸的類型和基本參數(shù)計(jì)算齒條活塞缸齒條活塞缸是活塞缸與齒輪齒條機(jī)構(gòu)組成的復(fù)合式缸。它將活塞的直線往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)辇X輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，用于機(jī)床的進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn)位、液壓機(jī)械手等。第二十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu)單桿活塞式液壓缸結(jié)構(gòu)液壓缸的結(jié)構(gòu)可以分為缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置和排氣裝置五個部分?；钊c活塞桿用螺紋連接，并用止動銷14固死。前、后缸蓋通過法蘭23和螺釘（圖中未示）壓緊在缸筒的兩端。為了提高密封性能并減少摩擦力，在活塞與缸筒之間、活塞桿與導(dǎo)向環(huán)之間、導(dǎo)向環(huán)與前缸蓋這間、活塞桿與導(dǎo)向環(huán)之間、導(dǎo)向環(huán)與前缸蓋之間、前后缸蓋與缸筒之間裝有各種動、靜密封圈。當(dāng)活塞移動接近左右終端時(shí)，液壓缸回油腔的油只能通過緩沖柱塞上通流面積逐漸減小的軸向三角槽和可調(diào)緩沖器24回油箱，對移動部件起制動緩沖作用。缸中空氣經(jīng)可調(diào)緩沖器中的排氣通道排出。第三十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu)單桿活塞式液壓缸結(jié)構(gòu)圖

單桿活塞式液壓缸結(jié)構(gòu)1—活塞桿2—防塵圈3—活塞桿密封4—活塞桿導(dǎo)向環(huán)5、7、16、19—反襯密封圈6、8、10、17、18—O型密封9—活塞前緩沖11—活塞12—活塞密封13、15—低摩密封14—螺釘止動銷20—止動銷21—密封圈22—前缸蓋23—法蘭24—可調(diào)緩沖器25—螺紋止動銷26—缸筒27—后緩沖套28—后止動環(huán)29—后缸蓋第三十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu)缸筒和缸蓋圖4.20a采用法蘭連接，結(jié)構(gòu)簡單、加工和裝拆都方便，但外形尺寸和質(zhì)量都大。圖4.20b為半環(huán)連接，加工和裝拆方便，但是，這種結(jié)構(gòu)須在缸筒外部開有環(huán)形槽而削弱其強(qiáng)度，有時(shí)要為此增加缸的壁厚。圖4.20

缸筒和缸蓋結(jié)構(gòu)1—缸蓋2—缸筒3—壓板4—半環(huán)缸筒和缸蓋的常見連接結(jié)構(gòu)形式如圖4.20所示：第三十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu)缸筒和缸蓋圖4.20

缸筒和缸蓋結(jié)構(gòu)1—缸蓋2—缸筒5—防松螺母圖4.20c為外螺紋連接，圖4.20d為內(nèi)螺紋連接。螺紋連接裝拆時(shí)要使用專用工具，適用于較小的缸筒。第三十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu)缸筒和缸蓋圖4.20e為拉桿式連接，容易加工和裝拆，但外形尺寸較大，且較重。圖4.20f為焊接式連接結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，但缸底處內(nèi)徑不易加工，且可能引起變形。圖3-8

缸筒和缸蓋結(jié)構(gòu)1—缸蓋2—缸筒6—拉桿第三十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu)活塞和活塞桿活塞和活塞桿的結(jié)構(gòu)形式很多，有螺紋式連接和半環(huán)式連接等，如圖4.21所示。前者結(jié)構(gòu)簡單，但需有螺母防松裝置。后者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但工作較可靠。此外，在尺寸較小的場合，活塞和活塞桿也有制成整體式結(jié)構(gòu)的。圖4.21

活塞和活塞桿的結(jié)構(gòu)a）螺紋式連接b）半環(huán)式連接1—彈簧卡圈2—軸套3—螺母4—半環(huán)5—壓板6—活塞7—活塞桿第三十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu)活塞和活塞桿圖4.6（c）所示為雙半環(huán)連接，在活塞桿6上開有兩個環(huán)形槽，兩組半環(huán)9分別由兩個密封座7套住，為了安裝活塞8做成兩個半環(huán)。圖4.6（d）所示為錐銷連接，錐銷10把活塞11固定在活塞桿12上。這種連接結(jié)構(gòu)簡單，強(qiáng)度較差，適用于輕載的情況，常用于雙桿活塞缸。第三十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu)活塞桿伸出端結(jié)構(gòu)液壓缸常用的伸出端端蓋結(jié)構(gòu):

第三十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu)活塞桿頭部的連接形式內(nèi)、外螺紋連接常用于標(biāo)準(zhǔn)化液壓缸；雙耳環(huán)連接、半耳連接多用于非標(biāo)準(zhǔn)化液壓缸。圖4.25活塞桿頭部的連接形式a)內(nèi)螺紋連接b)外螺紋連接c)雙耳環(huán)連接d)單耳環(huán)連接第三十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五39/664.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu)活塞的密封形式圖4.22

活塞的結(jié)構(gòu)與密封a)O形密封圈密封b)L形密封圈密封c)Y形密封圈密封d)小Y形密封圈密封第三十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu)密封裝置第四十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu)密封裝置第四十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu)緩沖裝置

緩沖裝置是利用活塞或缸筒移動到接近終點(diǎn)時(shí)，將活塞和缸蓋之間的一部分油液封住，迫使油液從小孔或縫隙中擠出，從而產(chǎn)生很大的阻力，使工作部件平穩(wěn)制動，并避免活塞和缸蓋的相互碰撞。理想的緩沖裝置應(yīng)在其整個工作過程中保持緩沖壓力恒定不變，實(shí)際的緩沖裝置則很難做到這點(diǎn)。第四十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五43/664.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu)液壓缸中常用的緩沖裝置第四十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.2 液壓缸的典型結(jié)構(gòu)排氣裝置排氣裝置用來排除積聚在液壓缸內(nèi)的空氣。常用的排氣裝置如圖4.27所示。圖4.27a所示為在液壓缸的最高部位設(shè)置排氣孔與排氣閥連接進(jìn)行排氣。圖4.27b為在液壓缸的最高部位處安裝排氣塞。圖4.27

排氣裝置

a）排氣閥b）排氣塞第四十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.3 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算液壓缸的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)液壓缸時(shí)，要在分析液壓系統(tǒng)工作情況的基礎(chǔ)上，根據(jù)液壓缸在機(jī)構(gòu)中所要完成的任務(wù)來選擇液壓缸的結(jié)構(gòu)形式，然后按負(fù)載、運(yùn)動要求、最大行程等確定主要尺寸，進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性和緩沖驗(yàn)算，最后進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。應(yīng)注意的問題：1）盡量使活塞桿在受拉力狀態(tài)下承受最大負(fù)載，或在受壓狀態(tài)下活塞桿應(yīng)具有良好的縱向穩(wěn)定性；2）液壓缸各部分的結(jié)構(gòu)盡可能按推薦的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡量做到結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，加工、裝配和維修方便；3）考慮液壓缸行程終端處的制動和液壓缸的排氣問題；4）正確確定液壓缸的安裝和固定方式?？紤]液壓缸的熱變形，它只能一端定位。第四十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期五4.4 液壓缸的