第2章 液压缸

第2章液压缸2.1液压缸简介液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。液压缸输出力和活塞有效面积及其两边的压差成正比；液压缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。缓冲装置与排气装置视具体应用场合而定，其他装置则必不可少。2.2液压缸的类型根据常用液压缸的结构形式，可将其分为四种类型：1.活塞式单活塞杆液压缸只有一端有活塞杆。如图所示是一种单活塞液压缸。其两端进出口油口A和B都可通压力油或回油，以实现双向运动，故称为双作用缸。图2-1单杆活塞式液压缸2.柱塞式（１）柱塞式液压缸是一种单作用式液压缸，靠液压力只能实现一个方向的运动，柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重；（２）柱塞只靠缸套支承而不与缸套接触，这样缸套极易加工，故适于做长行程液压缸；（３）工作时柱塞总受压，因而它必须有足够的刚度；（４）柱塞重量往往较大，水平放置时容易因自重而下垂，造成密封件和导向单边磨损，故其垂直使用更有利。图2-2柱塞式液压缸3.伸缩式伸缩式液压缸具有二级或多级活塞，伸缩式液压缸中活塞伸出的顺序式从大到小，而空载缩回的顺序则一般是从小到大。伸缩缸可实现较长的行程，而缩回时长度较短，结构较为紧凑。此种液压缸常用于工程机械和农业机械上。图2-3伸缩式液压缸4.摆动式摆动式液压缸是输出扭矩并实现往复运动的执行元件，也称摆动式液压马达。有单叶片和双叶片两种形式。定子块固定在缸体上，而叶片和转子连接在一起。根据进油方向，叶片将带动转子作往复摆动。图2-4摆动式液压缸2.3液压缸工作原理液压传动原理－以油液作为工作介质，通过密封容积的变化来传递运动，通过油液内部的压力来传递动力。1、动力部分－将原动机的机械能转换为油液的压力能（液压能）。例如：液压泵。2、执行部分－将液压泵输入的油液压力能转换为带动工作机构的机械能。例如：液压缸、液压马达。3、控制部分－用来控制和调节油液的压力、流量和流动方向。例如：压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。4、辅助部分－将前面三部分连接在一起，组成一个系统，起贮油、过滤、测量和密封等作用。例如：管路和接头、油箱、过滤器、蓄能器、密封件和控制仪表等。在一定体积的液体上的任意一点施加的压力,能够大小相等地向各个方向传递.这意味着当使用多个液压缸时,每个液压缸将按各自的速度拉或推,而这些速度取决于移动负载所需的压力。在液压缸承载能力范围相同的情况下,承载最小载荷的液压缸会首先移动,承载最大载荷的液压缸最后移动。为使液压缸同步运动,以达到载荷在任一点以同一速度被顶升,一定要在系统中使用控制阀或同步顶升系统元件。2.4液压缸的组成从上面所述的液压缸典型结构中可以看到，液压缸的结构基本上可以分为缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置和排气装置五个部分，分述如下。(1)缸筒和缸盖。一般来说，缸筒和缸盖的结构形式和其使用的材料有关。工作压力p＜10MPa时，使用铸铁；p＜20MPa时，使用无缝钢管；p＞20MPa时，使用铸钢或锻钢。图2-5所示为缸筒和缸盖的常见结构形式。图2-5(a)所示为法兰连接式，结构简单，容易加工，也容易装拆，但外形尺寸和重量都较大，常用于铸铁制的缸筒上。图2-5(b)所示为半环连接式，它的缸筒壁部因开了环形槽而削弱了强度，为此有时要加厚缸壁，它容易加工和装拆，重量较轻，常用于无缝钢管或锻钢制的缸筒上。图2-5(c)所示为螺纹连接式，它的缸筒端部结构复杂，外径加工时要求保证内外径同心，装拆要使用专用工具，它的外形尺寸和重量都较小，常用于无缝钢管或铸钢制的缸筒上。图2-5(d)所示为拉杆连接式，结构的通用性大，容易加工和装拆，但外形尺寸较大，且较重。图2-5(e)所示为焊接连接式，结构简单，尺寸小，但缸底处内径不易加工，且可能引起变形。图2-5缸筒和缸盖结构(a)法兰连接式(b)半环连接式(c)螺纹连接式(d)拉杆连接式(e)焊接连接式1—缸盖2—缸筒3—压板4—半环5—防松螺帽6—拉杆(2)活塞与活塞杆。可以把短行程的液压缸的活塞杆与活塞做成一体，这是最简单的形式。但当行程较长时，这种整体式活塞组件的加工较费事，所以常把活塞与活塞杆分开制造，然后再连接成一体。图2-6所示为几种常见的活塞与活塞杆的连接形式。图2-6(a)所示为活塞与活塞杆之间采用螺母连接，它适用负载较小，受力无冲击的液压缸中。螺纹连接虽然结构简单，安装方便可靠，但在活塞杆上车螺纹将削弱其强度。图2-6(b)和(c)所示为卡环式连接方式。图2-6(b)中活塞杆5上开有一个环形槽，槽内装有两个半圆环3以夹紧活塞4，半环3由轴套2套住，而轴套2的轴向位置用弹簧卡圈1来固定。图2-6(c)中的活塞杆，使用了两个半圆环4，它们分别由两个密封圈座2套住，半圆形的活塞3安放在密封圈座的中间。图2-6(d)所示是一种径向销式连接结构，用锥销1把活塞2固连在活塞杆3上。这种连接方式特别适用于双出杆式活塞。图2-6常见的活塞组件结构形式3)密封装置。液压缸中常见的密封装置如图2-7所示。图2-7(a)所示为间隙密封，它依靠运动间的微小间隙来防止泄漏。为了提高这种装置的密封能力，常在活塞的表面上制出几条细小的环形槽，以增大油液通过间隙时的阻力。它的结构简单，摩擦阻力小，可耐高温，但泄漏大，加工要求高，磨损后无法恢复原有能力，只有在尺寸较小、压力较低、相对运动速度较高的缸筒和活塞间使用。图2-7(b)所示为摩擦环密封，它依靠套在活塞上的摩擦环(尼龙或其他高分子材料制成)在O形密封圈弹力作用下贴紧缸壁而防止泄漏。这种材料效果较好，摩擦阻力较小且稳定，可耐高温，磨损后有自动补偿能力，但加工要求高，装拆较不便，适用于缸筒和活塞之间的密封。图2-7(c)、图2-7(d)所示为密封圈(O形圈、V形圈等)密封，它利用橡胶或塑料的弹性使各种截面的环形圈贴紧在静、动配合面之间来防止泄漏。它结构简单，制造方便，磨损后有自动补偿能力，性能可靠，在缸筒和活塞之间、缸盖和活塞杆之间、活塞和活塞杆之间、缸筒和缸盖之间都能使用。对于活塞杆外伸部分来说，由于它很容易把脏物带入液压缸，使油液受污染，使密封件磨损，因此常需在活塞杆密封处增添防尘圈，并放在向着活塞杆外伸的一端。图2-7密封装置(a)间隙密封(b)摩擦环密封(c)O形圈密封(d)V形圈密封(4)缓冲装置。液压缸一般都设置缓冲装置，特别是对大型、高速或要求高的液压缸，为了防止活塞在行程终点时和缸盖相互撞击，引起噪声、冲击，则必须设置缓冲装置。缓冲装置的工作原理是利用活塞或缸筒在其走向行程终端时封住活塞和缸盖之间的部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出，以产生很大的阻力，使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度，达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。如图2-8(a)所示，当缓冲柱塞进入与其相配的缸盖上的内孔时，孔中的液压油只能通过间隙δ排出，使活塞速度降低。由于配合间隙不变，故随着活塞运动速度的降低，起缓冲作用。当缓冲柱塞进入配合孔之后，油腔中的油只能经节流阀1排出，如图2-8(b)所示。由于节流阀1是可调的，因此缓冲作用也可调节，但仍不能解决速度减低后缓冲作用减弱的缺点。如图2-8(c)所示，在缓冲柱塞上开有三角槽，随着柱塞逐渐进入配合孔中，其节流面积越来越小，解决了在行程最后阶段缓冲作用过弱的问题。图2-8液压缸的缓冲装置1—节流阀(5)放气装置。液压缸在安装过程中或长时间停放重新工作时，液压缸里和管道系统中会渗入空气，为了防止执行元件出现爬行，噪声和发热等不正常现象，需把缸中和系统中的空气排出。一般可在液压缸的最高处设置进出油口把气带走，也可在最高处设置如图2-9(a)所示的放气孔或专门的放气阀〔见图2-9(b)、(c)〕。图2-9放气装置1—缸盖2—放气小孔3—缸体4—活塞杆3.3液压缸的设计计算1）液压缸设计计算步骤1）根据主机的运动要求，按表选择液压缸的类型。根据机构的结构要求，按表选择液压缸的安装方式。2）根据主机的动力分析和运动分析，确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸。如液压缸的推力、速度、作用时间、内径、行程和活塞杆直径等。3）根据选定的工作压力和材料进行液压缸的结构设计。如缸体壁厚、缸盖结构、密封形式、排气与缓冲等。4）液压缸性能的验算。2）液压缸类型及安装方式的确定工作时液压缸要求可以双向运动产生推拉力。故此我们选用单活塞杆双作用液压缸。根据液压缸工作压力的大小，选用拉杆型液压缸。安装方式两端铰接，刚性导向。3)液压缸的主要性能参数---旋挖钻机变角度液压缸设计液压缸的主要尺寸为缸筒内径、活塞杆直径和缸筒长度等。1、缸筒的内径D的计算根据载荷力的大小和选定的系统压力来计算液压缸内径D计算公式为式中D---液压缸内径（m）F---液压缸推力（KN）P---选定的工作压力（MPa）根据求出的已知数据F=156.5KNP=16MPa按公式代入数据，求得D=0.112m根据标准圆整D=125mm2、活塞杆的直径d根据速度比的要求来计算活塞杆的直径d23.5710FDP1dD式中d---活塞杆直径（m）D---液压缸直径（m）---速度比液压缸的往复运动速度比，一般有2、1.46、1.33、1.25和1.15等几种。根据下表选取速度比。表3-2和P的关系工作压力p/MPa≦1012.5~20≧20速度比1.331.46；22由于工作压力p=16MPa，故选取速度比=1.46。按公式代入数据，求得d=70.2mm根据标准圆整d=70mm3、液压缸行程s的确定液压缸行程s，主要依据机构的运动要求而定。但为了简化工艺和降低成本，按标准系列值选取s=1250mm。4)液压缸结构参数的计算液压缸的结构参数，主要包括缸筒壁厚、油口直径、缸底厚度、缸头厚度等。1、缸筒壁厚的计算缸筒的材料：45号钢按厚壁筒计算对于中高压系统，液压缸厚度一般按厚壁筒计算。当缸体材料由脆性材料制造时，缸筒厚度应按第二强度理论计算按公式代入数据，求得=12.5mm61036014%6101225bssbpMPaMPaMPan0.4(1)21.3yypDp2、缸体外径的计算12DD式中1D---缸体外径（m）按公式代入数据，求得1D=150mm按标准圆整1D=152mm3、液压缸油口直径的计算液压缸油口直径应根据活塞最高运动速度v和油口最高液流速度0v而定式中0d---液压缸油口直径（m）D---液压缸内径（m）v---液压缸最大输出速度（m/min）0v---油口液流速度（m/s）已知：00.125;0.25/;0.1/Dmvmsvms按公式代入数据，求得0d=0.026m=26mm4、缸底厚度的计算平行缸底，当缸底无油孔时式中h---缸底厚度（m）D---液压缸内径（m）yp---试验压力（MPa）---缸底材料的许用应力（MPa）已知：0.125;24;122yDmPMPaMPa按公式代入数据，求得000.13vdDv0.433yphDh=24mm5、缸头厚度的计算由于在液压缸缸头上有活塞杆导向孔，因此其厚度的计算方法与缸底有所不同。选用螺钉连接法兰型缸头：式中h---法兰厚度（m）F---法兰受力总和（N）d---密封环内径（m）Hd---密封环外径（m）P---系统工作压力（Pa）q---附加密封力（Pa）0D---螺钉孔分布圆直径（m）cpd---密封环平均直径（m）---法兰材料的许用应力（Pa）已知：采用Y型密封圈按公式代入数据，求得F=42KNh=0.016m=16mm5)液压缸的联接计算1、缸盖联接计算缸盖联接采用焊接联接：液压缸缸底采用对焊时，焊缝的拉应力为03()cpcpFDdhd222()44HFdpddq0050;58;54;16;89;100HcpdmmdmmdmmdmmDmmMPa2212()4FDD