第四章：液压缸(含习题答案)

第四章液压缸第一节液压缸的类型及特点第二节液压缸的结构第三节液压缸的设计计算38-1重点：液压缸的计算难点：结构教学目的：学会设计液压缸液压缸：将液体的压力能转换成机械能的能量转换装置。输入：液体的流量和压力输出：力和直线速度第一节液压缸的类型及特点液压缸的分类：1）按供油方向单作用式双作用式2）按结构型式不同活塞式柱塞式3）按不同的使用压力中低压缸（额定压力为2.5～6.3MPa）中高压缸（额定压力为10～16MPa）38-2一、活塞式液压缸二、柱塞式液压缸三、其他类型液压缸摆动式伸缩式高压缸（额定压力为25～31.5MPa）活塞两端都带有活塞杆，安装形式可分为：①缸体固定（缸定式）：占用空间大，工作台的移动范围约为活塞行程的3倍②活塞杆固定（杆定式）：工作台移动范围约为活塞行程的2倍，安装空间小。第一节液压缸的类型及特点1.双活塞杆液压缸一、活塞式液压缸38-3第一节液压缸的类型及特点一、活塞式液压缸空心双杆活塞缸（杆定式）：进、出油口可设置在活塞杆两端靠近活塞的一侧，此时活塞杆应为空心结构。安装空间小，适用于中、大型机床。38-4第一节液压缸的类型及特点双活塞杆式液压缸的推力及速度计算2212m12m()()()4πFppAηppDdη推力：ηm：液压缸的机械效率。38-5VVVVVV22224()/4()qηqηqηvAπDdπDd速度：ηm：液压缸的机械效率。ηV：液压缸的容积效率。活塞仅有一端带有活塞杆，活塞双向运动可获得不同的速度和输出力。缸定式/杆定式：工作台的最大活动范围都是活塞有效行程的2倍。第一节液压缸的类型及特点2.单活塞杆液压缸一、活塞式液压缸38-6（1）无杆腔进油第一节液压缸的类型及特点不同连接形式单活塞杆液压缸的推力和速度22211122m12mπ()4FpApADpDdp推力：38-7VV1214πqqvAD速度：21222π4π4ADADd第一节液压缸的类型及特点不同连接形式单活塞杆液压缸的推力和速度（2）有杆腔进油速度：22221221m12mπ()4FpApADdpDp推力：V1214πVqqvAD38-822224πVVqqvADd速度：往返速比：111222212DddDDvvvvDd11——速比λv越大，活塞杆直径d越大。21222π4π4ADADd第一节液压缸的类型及特点差动连接回路：单活塞杆缸无杆腔通压力油，有杆腔排出的油液又回到无杆腔。p1qVF3v3+p2=0F2v2p1qV+21π4AD222π4ADd38-9中位停止p1qV差动连接无杆腔进油23112m1mπ4FpAApd31VV32vAqvAVVVV32124πqqvAAd22224πVVVVqqvADd222121π4FpADdp32vv122AAA122AA2Dd32FF第一节液压缸的类型及特点不同连接形式单活塞杆液压缸的推力和速度（3）差动连接：单活塞杆缸无杆腔通压力油，有杆腔排出的油液又回到无杆腔。VV4qv速度：23112m1mπ4FpAAdp推力：VV22224πqqvADdVV1214πqqvAD38-10VV324πqvd速度：注意：①v3v1，v3v2；F3F1，F3F2，差动连接是一种减小推力而获得较高速度的方法。②A1=2A2，则差动液压缸在左右两个运动方向上速度相等时，推力也相等。（向左运动：有杆腔通压力油，无杆腔排油回油箱）第一节液压缸的类型及特点二、柱塞式液压缸单作用式液压缸大多是柱塞式的，单向液压驱动，靠外力回程。38-112mmπ4FpApd推力：24πVVVVqqvAd输出速度：第一节液压缸的类型及特点柱塞式液压缸的使用：为实现其双向运动，常成对使用。38-12第一节液压缸的类型及特点三、伸缩式液压缸由两个或多个活塞式液压缸套装形成，前一级活塞缸的活塞是后一级活塞缸的缸筒。结构尺寸紧凑。适用于自卸汽车和汽车式起重机的伸缩臂。伸出时：（按活塞1，2的有效工作面积由大到小依次伸出）可获得很长的行程；缩回时：（按活塞有效工作面积由小到大依次缩回）轴向长度尺寸变得很小。38-13第一节液压缸的类型及特点四、其它形式液压缸38-1421a1b2baa22ADpApApppAd第一节液压缸的类型及特点四、其它形式液压缸38-15作业：4-5，4-757-16第二节液压缸的结构一、液压缸的典型结构举例：单活塞杆，双活塞杆二、缸筒与缸盖的连接三、活塞和活塞杆的连接四、活塞杆头部结构五、液压缸的缓冲装置38-17五、液压缸的缓冲装置六、液压缸的排气装置七、液压缸的密封第二节液压缸的结构单活塞杆液压缸一、液压缸的典型结构举例38-18第二节液压缸的结构单活塞杆液压缸一、液压缸的典型结构举例双活塞杆液压缸一、液压缸的典型结构举例第二节液压缸的结构38-20双活塞杆液压缸一、液压缸的典型结构举例第二节液压缸的结构38-21二、缸筒与缸盖的连接第二节液压缸的结构a）法兰连接b）卡环连接c）螺纹连接38-22d）拉杆连接e）焊接连接f）螺纹连接注意：缸筒和缸盖的连接方式主要根据工作压力、缸筒材料和工作条件决定。工作压力不高时：常用铸铁制造缸筒，缸筒与缸盖之间多采用法兰连接，结构易于加工和装拆，但外形尺寸稍大。工作压力较高时：常用无缝钢管来制作缸筒，可采用法兰、卡环、螺纹等多种连接方式。采用卡环连接时需在缸筒上开环形槽，会削弱缸筒强度，但装拆方便。采用螺纹连接时外形尺寸较小，但端部结构较复杂，装拆不便。三、活塞与活塞杆的连接第二节液压缸的结构38-231－螺母2、8－活塞3、9－活塞杆4－弹簧卡圈5－轴套6－半环7－压板a)螺纹式连接b)卡环式连接注意：活塞组件的结构形式应根据工作压力、安装形式和工作条件等选用。螺纹式连接：在高压大载荷且有冲击的情况下，活塞杆因车制螺纹而削弱强度；为防止螺母松动，需用开口销或双螺母锁紧，以保证连接可靠；卡环式连接：连接可靠，可承受较大负载与振动，但结构复杂，装拆不便；其它连接形式：整体式、焊接式、锥销式等。四、活塞杆头部结构：根据液压缸和工作机械连接的要求选择。第二节液压缸的结构38-24缓冲装置：当活塞杆带动质量大的部件运动时，由于惯性大，因此当活塞杆运动到液压缸终端时，会与缸盖相碰而产生冲击和噪声，且损害部件。为防止危害，应采用缓冲装置。工作原理：在活塞和缸盖的行程极限位置之间封住部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出，利用节流原理以产生很大的排油阻力，实现运动部件的制动，避免活五、液压缸缓冲装置第二节液压缸的结构38-25塞撞击缸盖。形式：①节流口可调式②节流口可变式③环状间隙式典型的液压缸缓冲装置第二节液压缸的结构速度降低缓冲作用随之减弱缓冲均匀，制动位置精度高速度降低缓冲作用随之减弱38-26a)节流口可调式b)节流口可变式c)环状间隙式1—针形节流阀2—单向阀3—三角沟槽速度降低缓冲作用随之减弱缓冲均匀，制动位置精度高第二节液压缸的结构两端带缓冲装置的单活塞杆液压缸①活塞5处于最左位置时，压力油从油口a经孔c、d、单向阀3、孔e进入油缸左腔f，推动活塞4向右移动；油缸右腔g的油液从油口b排出，此时单向阀6关闭。②当活塞向右运动接近终点时，右端回油腔g的油液须经过活塞5端部的轴向三角槽流出，使油液获得节流而起缓冲作用。38-27液压缸中不可避免地会混入空气，由此引起活塞运动时的爬行和振动，并产生噪声，甚至使整个液压系统不能正常工作。对于速度稳定性要求较高的情况，液压缸上要设置排除空气的装置，排气装置安装在液压缸两端或缸盖的最上部。第二节液压缸的结构五、液压缸排气装置38-28排气：打开排气装置，让液压缸全行程往复移动数次，空气较油轻，易于排出，直到排气装置喷出的是油而不是气。速度稳定性不高的液压缸，不设置专门的排气装置，而是将油口设置在缸筒两端最高处，使空气随油液排回油箱。第二节液压缸的结构七、液压缸的密封装置38-29a)间隙密封b)摩擦环密封c)密封圈密封d)密封圈密封第三节液压缸的设计和计算设计内容：①分析工况、编制负载图和确定最大负载力（详见第九章第六节）；②综合使用要求，确定结构类型、安装形式和安装空间；③根据负载值、速度和最大行程决定液压缸的主要尺寸。38-30③根据负载值、速度和最大行程决定液压缸的主要尺寸。一般来说，液压缸是标准件，可根据标准的产品目录进行选型，但有时也需要参考有关设计手册自行设计。一、液压缸工作压力的确定根据负载计算工作压力，也可根据用途查表。二、液压缸内径和活塞杆直径的确定内径根据工作负载和工作压力确定。必要时校核强度。第三节液压缸的设计和计算液压缸设计步骤38-31内径根据工作负载和工作压力确定。必要时校核强度。三、液压缸其他部位尺寸的确定四、液压缸的强度和刚度校核表4-1不同负载条件下的工作压力负载F／kN＜55～1010～2020～3030～50＞50液压缸的工作压力第三节液压缸的设计和计算一、液压缸工作压力p的确定F=pA式中：F-液压缸最大负载；p-液压缸工作压力；A-液压缸活塞有效工作面积。38-32液压缸的工作压力p／MPa＜0.8～11.5～22.5～33～44～5≥5～7表4-2各类机械常用的工作压力设备类型机床农业机械小型工程机械工程机械中的辅助机构压力机重型机械起重运输机械船舶起货机大中型挖掘机磨床组合机床车镗铣拉床龙门刨床工作压力p／MPa0.8～23～52～4＜1010～1620～32（1）缸筒内径D按液压缸推力或速度公式计算后，从标准GB/T2348-1993中规定的系列，选取合适的标准值圆整得到。（2）单杆活塞缸d由D和往返速比求得。（3）活塞杆直径d也可按受力情况初选，然后根据校核最后确定。表4-4活塞杆直径的选取vDd11第三节液压缸的设计和计算二、液压缸主要尺寸的确定38-33表4-4活塞杆直径的选取活塞杆受力情况工作压力p／MPa活塞杆直径d受拉—d=(0.3～0.5)D受压及拉p≤5d=(0.5～0.55)D受压及拉5＜p≤7d=(0.6～0.7)D受压及拉p＞7d=0.7DDB0.1~6.0第三节液压缸的设计和计算三、液压缸其他部位尺寸的确定活塞宽度：活塞杆长度根据液压缸最大行程而定。活塞杆导向长度：①D80mm：LA=(0.6~1.0)D；②D80mm：LA=(0.6~1.5)D。隔套K的宽度：C=H-0.5(LA+B）38-34202LDHL，为液压缸最大行程单杆活塞缸的最小导向长度：214πFddkknFF四、液压缸的强度和刚度校核第三节液压缸的设计和计算1.活塞杆强度校核：2.活塞杆刚度校核：38-352ypDs5.2πKFdZ3.液压缸壁厚的校核：4.螺栓强度校核：习题和例题习题4-5如图所示三种结构形式的液压缸，它们的有关直径分别为D、d。若进入液压缸的流量为qV，压力为p，试分析各液压缸所能产生的推力大小、运动速度、运动方向及活塞杆的受力情况。解：根据题义：a）液压缸的推力：22am4DdFp液压缸的运动速度：a224VVqvDd38-36Dd液压缸的运动方向：向左（缸体）。液压缸活塞杆受力状况：受拉。b）液压缸的推力：2222mbm44DDddpFp液压缸的运动速度：222bbb2444VVVVqqvDdvDvd液压缸的运动方向：向右（缸体）。液压缸活塞杆受力状况：受压。c）液压缸的推力：2222cm44mDDddpFp液压缸的运动速度：c24VVqvd习题和例题习题4-2如图所示三种结构形式的液压缸，它们的有关直径分别为D、d。若进入液压缸的流量为