液压维修第5章-液压缸的故障排除与维修

86第5章液压缸的故障排除与维修5.1液压缸的概述5.1.1液压缸的作用和分类液压缸有多种类型，按其结构形式可分为活塞缸、柱塞缸和摆动缸三类；按作用方式不同又可分为单作用式和双作用式两种。单作用式液压缸中液压力只能使活塞（或柱塞）单方向运动，反方向运动必须靠外力（如弹簧力或自重等）实现；双作用式液压缸可由液压力实现两个方向的运动。由于液压缸结构简单、工作可靠，除可单独使用外，还可以通过多缸组合或与杠杆、连杆、齿轮齿条、轮爪等机构组合起来完成某种特殊功能，因此液压缸的应用十分广泛。液压缸与其他机构相匹配时，可完成各种运动，如图5—1所示。图5—1液压缸与各种机构的配合液压缸的种类很多，其详细分类如表5—1所示。87表5—1常见液压缸的种类及特点分类名称示意图符号说明单作用式液压缸活塞式液压缸活塞仅能单向运动，其反向运动需由外力来完成柱塞式液压缸同上，但其行程一般较活塞式液压缸大伸缩式液压缸有多个依次运动的活塞，各活塞组运动时，其输出速度和输出力均是变化的双作用式液压缸单活塞杆无缓冲式活塞双向运动产生推、拉力，活塞在行程终了时不减速不可调缓冲式活塞双向运动产生推、拉力，活塞在行程终了时减速制动、减速值不变可调缓冲式活塞双向运动产生推、拉力，活塞在行程终了时减速制动、减速值调节差动式液压缸有杆腔的回油与液压泵输出油液一起进入无杆腔，提高运动速度双活塞杆等速等行程式活塞两端杆径相同，活塞正、反向运动速度和推力均相同双向式两活塞同时向相反方向运动，其输出速度和推力相同伸缩式套筒液压缸有多个依次运动的活塞，可双向运动，其输出速度和输出力均是变化的组合式液压缸串联液压缸液压缸直径受限制而长度不受限制时，可获得较大的推力增压液压缸由低压室A缸驱动，使B压室获得高压力多位缸活塞A有3个位置88续表分类名称示意图符号说明组合式液压缸齿条传动活塞液压缸将液压缸的直线运动转换成齿轮的回转运动摆动液压缸单叶片摆动液压缸摆动液压缸也称摆动马达，把液压能转变为回转的机械能，输出轴只能做小于360°的摆动双叶片摆动液压缸摆动液压缸也称摆动马达，把液压能转变为回转的机械能，输出轴只能做小于180°的摆动5.1.2几种常用的液压缸简介1．活塞式液压缸活塞式液压缸根据其使用要求不同可分为双杆式和单杆式两种。（1）双杆式活塞缸双杆式活塞缸是活塞两端都有一根直径相等的活塞杆伸出。根据安装方式不同可分为缸筒固定式和活塞杆固定式两种。图5—2（a）所示为缸筒固定式的双杆活塞缸。它的进、出油口布置在缸筒两端，活塞通过活塞杆带动工作台移动，当活塞的有效行程为l时，整个工作台的运动范围为3l，所以机床占地面积大，一般适用于小型机床。当工作台行程要求较长时，可采用图5—2（b）所示的活塞杆固定的形式，缸体与工作台相连，活塞杆通过支架固定在机床上，动力由缸体传出。这种安装形式中，工作台的移动范围只等于液压缸有效行程l的两倍（2l），因此占地面积小。进、出油口可以设置在固定不动的空心的活塞杆的两端，但必须使用软管连接。图5—2双杆活塞缸由于双杆活塞缸两端的活塞杆直径通常是相等的，因此它左、右两腔的有效面积也相等。当分别向左、右腔输入相同压力和相同流量的油液时，液压缸左、右两个方向的推力和速度相等。活塞的直径为D，活塞杆的直径为d，液压缸进、出油腔的压力为p1和p2，输入流量为q，双杆活塞缸的推力F和速度v为22121212()()()4FFAppDdpp（5—1）8912224()qqvADd（5—2）式中，d—活塞杆直径；D—活塞直径；p1、p2—液压缸进、出油腔的工作压力；q—输入液压缸的流量。双杆活塞缸在工作时，设计成一个活塞杆是受拉的，而另一个活塞杆不受力，因此这种液压缸的活塞杆可以做得细些。（2）单杆式活塞缸如图5—3所示，活塞只有一端带活塞杆，单杆活塞缸也有缸体固定和活塞杆固定两种形式，但它们的工作台移动范围都是活塞有效行程的两倍。图5—3单杆式活塞缸由于液压缸两腔的有效工作面积不等，因此它在两个方向上的输出推力和速度也不等，其值分别为2221112212()[()]4FpApApDpDd（5—3）1214qqvAD（5—4）2222122112[()]4FpApApDdpD（5—5）22224()qqvADd（5—6）式中，d—活塞杆直径；D—活塞直径；p1—液压缸的工作压力；q—输入液压缸的流量。由式（5—3）～式（5—6）可知，由于A1A2，所以F1F2，v1v2。如果把两个方向上的输出速度v2和v1的比值称为速度比，记作φ，则22221241()41qvDdqvdDD（5—7）因此，活塞杆直径越小，φ越接近于1，活塞两个方向的速度差值也就越小。如果活塞杆较粗，活塞两个方向运动的速度差值就较大，可用于快速退回运动。在已知D和φ的情况下，可以较方便地确定d，即901dD（5—8）（3）差动油缸如果向单杆活塞缸的左、右两腔用油管连通并同时通入高压油，即差动连接，如图5—4所示。作差动连接的单出杆液压缸称为差动液压缸，开始工作时差动缸左、右两腔的油液压力相同，但是由于左腔（无杆腔）的有效面积大于右腔（有杆腔）的有效面积，故活塞向右运动，同时使右腔中排出的油液（流量为q′）也进入左腔，加大了流入左腔的流量（q+q′），从而也加快了活塞移动的速度。实际上活塞在运动时，由于差动连接时两腔间的管路中有压力损失，所以右腔中油液的压力稍大于左腔油液压力，而这个差值一般都较小，可以忽略不计，则差动连接时活塞推力F3和运动速度v3为231121()4dFpAAp（5—9）进入无杆腔的流量：222133)44DDdqvqv则324qvd（5—10）式中，d—活塞杆直径；D—活塞直径；p1—液压缸的工作压力；q—泵输出流量。由式（5—9）、式（5—10）可知，差动连接时液压缸的推力比非差动连接时小，速度比非差动连接时大，利用这一点，可使在不加大油源流量的情况下得到较快的运动速度，这种连接方式被广泛应用于组合机床的液压动力系统和其他机械设备的快速运动中。如果要求机床往返快速相等时，即使v1=v2，则由式（5—6）和式（5—10）可得22244)qqDdd即2Dd（5—11）2．柱塞缸图5—5（a）所示为柱塞缸，它只能实现一个方向的液压传动，反向运动要靠外力。若需要实现双向运动，则必须成对使用，如图5—5（b）所示。这种液压缸中的柱塞和缸筒不接触，运动时由缸盖上的导向套来导向，因此缸筒的内壁不需精加工，它特别适用于行程较长的场合。图5—5柱塞缸图5—4差动缸91柱塞缸输出的推力和速度各为24dFpAp（5—12）24qqvAd（5—13）式中，d—柱塞直径；p—输入柱塞缸的压力；q—输入柱塞缸的流量。3．其他液压缸（1）增压液压缸增压液压缸又称增压器，它利用活塞和柱塞有效面积的不同使液压系统中的局部区域获得高压。它有单作用和双作用两种形式，单作用增压缸的工作原理如图5—6（a）所示。输入活塞缸的液体压力为p1，活塞直径为D，柱塞直径为d，柱塞缸中输出的液体压力为高压，其值为2211DppKpd（5—14）式中，K=D2/d2，称为增压比，它代表其增压程度。图5—6增压缸显然增压能力是在降低有效能量的基础上得到的，也就是说增压缸仅仅是增大输出的压力，并不能增大输出的能量。单作用增压缸在柱塞运动到终点时，不能再输出高压液体，需要将活塞退回到左端位置，再向右行时才又输出高压液体，为了克服这一缺点，可采用双作用增压缸，如图5—6（b）所示，由两个高压端连续向系统供油。在液压系统中，若整个系统需要低压，而局部需要高压，为节省一个高压泵，则可使用增压缸。（2）增力缸增力缸是由两个单杆活塞缸串接而成，如图5—7所示。即两个单杆活塞缸的活塞杆连成一体，一起动作。当液压油同时输入两个液压缸的左腔时，串联活塞杆右移，两缸的右腔同时排出油液，其推力F等于两个液压缸推力之和，其值为22222()(2)444dFppDdpDd（5—15）活塞杆的运动速度为224(2)qvDd（5—16）式中，D—活塞直径；92d—活塞杆直径；p—输入液压缸的压力；q—输入液压缸的流量。当单个液压缸推力不足，缸径因空间限制不能加大，但轴向长度允许增加时可采用增力缸。（3）增速缸增速缸的功用是使执行元件获得尽可能大的工作速度，缩短机械空程运动时间，以提高生产率或充分利用功率。图5—8所示为增速缸的结构示意图。它由活塞缸和柱塞缸组合而成。活塞2既和缸体1组成活塞式液压缸，又和柱塞3组成柱塞式液压缸，并且柱塞固定在缸体1的底部。当压力油从a口输入到A腔时，由于柱塞3的直径小，将活塞2快速推出，C腔的油液通过c口排除，此时B腔产生局部真空，由b口立即进入低压油补充。这时活塞2的最大移动速度为124qvd（5—17）图5—7增力缸1.缸体；2.活塞；3.柱塞图5—8增速缸当活塞2进入工作状态，油压升高，此时压力油从a、b两口进入油腔A、B，活塞转为大推力、低速运动，活塞2的运动速度为224qvD（5—18）当工作完毕后，活塞2需要退回原位，压力油由c口进入C腔，A和B腔中的油液分别由a和b口排出，活塞2快退的速度为32214()qvDd（5—19）式中，q——供油量；D——缸体1的内径；d——柱塞3的直径；d1——活塞杆直径。（4）伸缩缸伸缩缸由两个或多个活塞缸套装而成，前一级活塞缸的活塞杆内孔是后一级活塞缸的缸筒，伸出时可获得很长的工作行程，缩回时可保持很小的结构尺寸。典型伸缩缸叠合后的长度在其伸出长度的20%～40%变化。所以，当安装空间受限制而应用场合又需要长行程时，伸缩缸是最佳的解决方案。伸缩缸可以是如图5—9（a）所示的单作用式，也可以是如图5—9（b）所示的双作用式，前者靠外力回程，后者靠液压回程。图5—9（c）所示的是双作用式伸缩缸结构示意图。93图5—9伸缩缸伸缩缸的外伸动作是逐级进行的。先是最大直径的缸筒以最低的油液压力开始外伸，当到达行程终点后，稍小直径的缸筒开始外伸，直径最小的末级最后伸出。随着工作级数变大，外伸缸筒直径越来越小，输出推力逐渐减小，工作速度逐渐加大，其值为214iiDFp（5—20）24iiqvD（5—21）式中，i—i级活塞缸；F—液压缸推力；D—活塞直径；q—输入液压缸总流量。（5）齿轮缸齿轮缸由两个柱塞缸和一套齿条传动装置组成，如图5—10所示。压力油推动柱塞的直线运动，经齿轮齿条传动装置将直线运动变成齿轮的转动，用于实现工作部件的往复摆动或间歇进给运动。图5—10齿轮缸5.2液压缸的典型结构和组成5.2.1液压缸的典型结构举例图5—11所示的是一个较常用的双作用单活塞杆液压缸。它是由缸底1、缸筒11、缸盖15、活塞8、活塞杆12、导向套13和密封装置等零件组成。缸筒一端与缸底焊接，另一端缸盖与缸筒用螺钉连接，以便拆装检修，两端设有油口A和B。活塞8与活塞杆12利用半环5、挡环4和弹簧卡圈3组成的半环式结构连在一起。活塞与缸孔的密封采用的是一对Y94形聚氨酯密封圈6，由于活塞与缸孔有一定间隙，采用由尼龙1010制成的耐磨环（又叫支1.缸底；2.缓冲柱塞；3.弹簧卡圈；4.挡环；5.半环；6、10、14、16.密封圈；7.挡圈；8.活塞；9.撑环；11.缸筒；12.活塞杆；13.导向套；15.缸盖；17.挡圈；18.锁紧螺钉；19.防尘圈；20.锁紧螺母；21.耳环；22.耳环衬套圈图5—11双作用单活塞杆液压缸承环）9定心导向。活塞杆12和活塞8的内孔由O形密封圈10密封。较长的导向套13则可保证活塞杆不偏离中心，导向套外径由O形圈14密封，而其内孔则由Y形密封圈16和防尘圈19分别防止油外漏和灰尘带入缸内。缸通过杆端销孔与外界连接，销孔内有尼龙衬套抗磨。图5—12所示为一空心双活塞杆式液压缸的结构。液压缸的左右两腔是通过油口b和d经活塞杆1和15的中心孔与左右径向孔a和c相