液压缸结构与原理

液压缸第４章液压缸液压缸是完成往复直线运动的执行元件，它是将液体的压力能转换成机械能的能量转换装置，其输入参数主要是压力和流量，输出参数主要是力和位移。液压缸结构简单、工作可靠，应用广泛。第４章液压缸第４章液压缸液压缸的类型较多，按其作用方式分类，可分为单作用式和双作用式两大类。单作用式液压缸在液压力作用下只能朝着—个方向运动，其反向运动需要依靠重力或弹簧等外力实现。双作用式液压缸依靠液压力可实现正、反两个方向的运动。液压缸按其结构形式的不同，可分为活塞式、柱塞式，摆动式、伸缩式等形式，其中以活塞式液压缸应用最多。活塞式液压缸有双杆活塞缸和单杆活塞缸两种结构。双杆活塞缸的两端都有活塞杆伸出，按其安装方式的不同，有缸固定和杆固定两种。4.1.1活塞式液压缸4.1液压缸的类型与特点1.双杆活塞缸第４章液压缸⑴双杆活塞缸采用缸固定如图4-1所示，液压缸的缸筒1、活塞2、活塞杆3和工作台4，工作台与活塞杆连接成一体。若油液进入液压缸的左腔，液压缸右腔的油液回油箱，则在油液压力的作用下，活塞连同工作台一起向右运动。若改变油液进、出液压缸的方向，则液压缸及工作台一起向左运动，图中虚线位置。从图4-1可知，双杆活塞缸采用缸固定其工作台的最大活动范围约为活塞有效行程的三倍。因此这种安装方式占地面积较大，常用于小型机床设备。lllp、qp123v4图4-1双杆活塞缸采用缸固定1－缸筒2－活塞3－活塞杆4－工作台第４章液压缸第４章液压缸⑵双杆活塞缸采用杆固定如图4-2所示，图4-2a中，活塞杆3为实心并且固定，缸筒1和工作台4连接在一起，若油液进入液压缸的左腔，液压缸的右腔回油箱，则在油液压力的作用下，缸筒和工作台一起向左运动。但是，由于缸筒是运动的，与其相连的进、出油管需要采用软管连接。为了避免油管运动，可将活塞杆做成空心的，如图4-2b所示，此时油管与活塞杆相连。从图4-2可以看出，这种活塞缸工作台的最大活动范围约为液压缸有效行程的两倍，因此占地面积较小，适用于中型及大型机床。第４章液压缸llp、qp2v12344321llp、qp2v图4-2双杆活塞缸采用杆固定a)实心双杆式b)空心双杆式1－缸筒2－活塞3－活塞杆4－工作台a)b)第４章液压缸第４章液压缸2122214ppdDAppF224dDqAqv⑶双杆活塞缸的推力及速度的计算，一般情况下两个活塞杆的直径相等，当液压缸一腔进油而另一腔回油时，两个方向的运动速度和推力是相等的。当油液的输入流量为q、输入压力为p1和输出压力为p2时，液压缸的推力F和速度v分别为：(4-1)(4-2)式中A——活塞的有效工作面积，A=π(D2-d2)/4；p1——液压缸的进油腔压力；p2——液压缸的回油腔压力，若液压缸的出口直接接油箱，p2≈0；D——活塞的直径；d——活塞杆的直径；F——液压缸的推力；v——液压缸的运动速度；q——输入液压缸的流量。第４章液压缸222122211144pdDpDApApF2114DqAqv224dD(4-3)式中Al——无杆腔的有效工作面积，A1=πd2/4；。2.单杆活塞缸单杆活塞缸也有缸固定式和杆固定式两种安装方式，无论是缸固定还是杆固定，其工作台的最大活动范围约为活塞有效工作行程的两倍。单杆活塞缸左右两腔的有效工作面积不相等，因此，两个方向产生的推力和速度也都不相等。下面以缸固定式为例分别予以讨论。⑴无杆腔进油，如图4-3a所示，液压油从无杆腔进入，其进油压力为p1、流量为q，有杆腔回油，其回油压力为p２，推动活塞向右运动，则液压缸产生的推力F1和速度v1为：(4-4)A2——有杆腔的有效工作面积，A2=(4-3)第４章液压缸a)b)c)a)无杆腔进油b)有杆腔进油c)差动连接图4-3单杆活塞缸第４章液压缸第４章液压缸第４章液压缸第４章液压缸221221221244pDpdDApApF22224dDqAqv222212/11DddDDvv，如图4-3b所示，液压油从有杆腔进入，其压力为p1、流量为q，无杆腔回油，其压力为p2，推动活塞向左运动。则液压缸产生的推力F2和速度v2为：(4-5)(4-6)如果把两个方向上输出速度v2和v1的比值称为速比系数，并记作，则(4-7)故活塞杆直径越小，速比系数越小，活塞在两个方向上的运动速度差值越小。⑵有杆腔进油第４章液压缸1221134pdAApF22134dqAAqv，当单杆活塞缸左右两腔相互接通并同时输入液压油时，称为“差动连接”。采用差动连接的液压缸称为差动液压缸。如图4-3c所示，假设液压缸固定，因差动液压缸无杆腔的液压力大于有杆腔的液压力，故活塞向右移动，同时使有杆腔的油液流入无杆腔，此时液压缸产生的推力F3和速度v3为：(4-8)(4-9)若将F1、F2、F3和v1、v2、v3分别比较便可看出：Fl＞F2、F3，v1＜v2、v3，即无杆腔进油时产生的推力大、速度低；差动连接和有杆腔进油时产生的推力小、速度高。所以，单杆活塞缸常用在“快进(差动连接)→工进(无杆腔进油)→快退(有杆腔进油)”的液压系统中。如果要求v2=v3时，可得：d=0.707D。上述活塞缸都是双作用式的，双杆活塞缸在机床中应用较多，单杆活塞缸则广泛地应用于各种工程机械中。⑶液压缸的差动连接第４章液压缸a)b)图4-4柱塞缸a)单向液压驱动b)双向液压驱动1－柱塞2－缸筒3－工作台柱塞式液压缸如图4-4a所示，图中柱塞1，缸筒2，工作台3。这是—种单作用式液压缸。其柱塞1和缸筒2不直接接触，运动时由缸盖上的导向套来导向，因此缸筒内壁只需粗加工，而柱塞为外圆表面容易加工，故加工工艺性好。它特别适用于行程较长的场合，如龙门刨床。此外，常应用于液压升降机、自卸卡车、叉车和轧机平衡系统。为了实现工作台的双向运动，柱塞缸可成对反向布置，如图4-4b所示。4.1.2柱塞式液压缸第４章液压缸第４章液压缸第４章液压缸pdF2424dqv柱塞缸产生的推力F和运动速度v分别为(4-10)(4-11)式中A——柱塞缸的有效工作面积，A=πd2/4；p——液压缸的进油压力；d——柱塞的直径；F——液压缸的推力；v——液压缸的运动速度；q——输入液压缸的流量。第４章液压缸21222RRbqω=摆动式液压缸又称为摆动式液压马达，其输出运动为摆动运动，输出参数为转矩和角速度。如图4-5所示，其主要由缸筒1、叶片轴2、定位块3和叶片4等组成。图4-5a为单叶片式摆动缸，其摆动角度可达300°。它的理论输出转矩T和角速度ω分别为：2121222ppRRbT=(4-13)(4-12)式中R1——叶片轴半径；R2——缸筒半径；b——叶片宽度4.1.3摆动式液压缸第４章液压缸1221p、qp、q1234RRRRa)b)图4-5摆动缸a)单叶片式b)双叶片式1－缸筒2－叶片轴3－定位块4－叶片图4-5b为双叶片式摆动缸。其摆角最大可达150°。它的理论输出转矩是单叶片式的两倍，在同等输入流量下的角速度则是单叶片式的—半。摆动式液压缸的主要特点是结构紧凑，但加工制造比较复杂。在机床上，可用于回转夹具、送料装置、间歇进刀机构等；在液压挖掘机、装载机上，可用于铲斗的回转机构。第４章液压缸p2=p1(D/d)2=Kp1(4-l4)式中K——增压比，K=(D/d)2。4.1.4其他液压缸1.增压缸增压缸也叫增压器在液压系统不增加高压能源的情况下，采用增压缸可以获得比液压系统能源压力高得多的油液压力。图4-6为一增压缸，它是利用大小活塞的有效工作面积之比来使液压系统中局部区域获得高压的。当活塞缸左腔输入的油液压力为p1，右腔输出的油液压力为p2，大活塞直径为D，小活塞直径为d时，则有第４章液压缸A1Ap、q11p、q22vFvF11p、q2212p、q图4-6增压缸图4-7伸缩缸2.伸缩式液压缸伸缩式液压缸又称为多级液压缸，是由两个或多个活塞套装而成的，如图4-7所示，它是把活塞杆作成前一级的缸筒，伸出时活塞按有效工作面积由大到小依次伸出，可获得很长的工作行程，缩回时活塞由小到大依次缩回，长度则较短，故结构较紧凑。由于各级活塞的有效工作面积不同，在输入油液压力和流量不变的情况下，液压缸的推力和速度是分级变化的，伸出时，先动作的活塞速度低、推力大，后动作的推力小、速度高。伸缩式液压缸常用于工程机械(如翻斗汽车，起重机等)和农业机械上。第４章液压缸第４章液压缸第４章液压缸3.齿条活塞缸齿条活塞缸如图4-8所示，它是由两个活塞缸和一套齿条齿轮传动装置组成。当液压油进入液压缸左腔，右腔回油时，油液压力产生的推动使活塞向右移动，活塞杆上的齿条便推动齿轮作逆时针方向转动，当油路换向时，则齿轮反向转动。齿条活塞缸常用于组合机床的回转工作台、回转夹具及数控机床机械手的转位机构等。C12CC34CC521ppab图4-8齿条缸图4-9多位液压缸第４章液压缸第４章液压缸4.多位液压缸多位液压缸一般为双杆活塞缸，且左右活塞杆直径相等，缸筒两端开有a、b两个进油口，以及C1、C2、C3、C4、C5等回油口，每个回油口均可通过换向阀与油箱通断。如图4-9所示，若所有回油口均与油箱断开，此时液压缸两腔同时进油并且压力相等，则液压缸左右腔液压力相等，活塞不动并停留在原虚线位置。若将回油口C4与油箱接通，则液压缸右腔油液通过C4回油箱，右腔压力迅速降低，在液压力的作用下活塞右移，直至堵住油口C4，此时两腔液压力再次相等，活塞不动。因此，该液压缸能够按要求停留在所需的位置上，在加工中可用于多工位、不等距离的送料机构。第４章液压缸由于液压缸的行程和使用条件的限制，液压缸往往需要自行设计，由专业厂家制造。设计液压缸所需的原始资料主要有负载大小、运动速度和行程长短以及液压缸的结构形式和安装要求等。因此，设计时必须首先对整个液压系统进行工况分析，编制负载图，选定工作压力，确定液压缸的结构类型、行程和液压缸的主要尺寸。最后再进行结构设计，确定缸筒壁厚，验算活塞杆强度和稳定性，验算螺栓强度等。4.2液压缸的设计与计算第４章液压缸当有杆腔进油驱动负载时：1.大型动力设备(如组合机床、拉床、压力机等)由液压缸的推力公式：F=pA，其工作压力p可以参见表4-1和表4-2，通过类比法确定，或通过试验法获得。然后根据进油情况进行计算，pF4D=(4-15)当无杆腔进油驱动负载时：pF214D=(4-16)式中λ——活塞杆的直径d与液压缸内径D的比值，d=λD，其取值范围可见表4-3。4.2.1液压缸内径D和活塞杆直径d的确定第４章液压缸液压缸压力与负载的关系负载F/kN＜55～1010～2020～3030～50＞50工作压力p/MPa＜0.8～11.5～22.5～33～44～67～10表4-2各类设备液压缸常用的压力设备类型磨床车、铣、钻、镗床组合机床龙门刨床拉床农业机械小型工程机械液压机、重型机械起重运输机械工作压力p/MPa0.8～22～43～52～88～1010～1620～32表4-3系数λ的推荐值活塞杆受力情况受拉时受压时工作压力p/MPa不限＜55～7＞7λ0.3～0.450.5～0.550.6～0.70.7表4-1第４章液压缸ddD12212.小型动力设备(如磨床、研磨机床等)由于按上述方法求解出的数值较小，故一般按结构需要先确定活塞杆直径d。再按照速比公式(4-7)计算液压缸内径D:(4-17)注意：计算得出的D、d须圆整并取标准值(见表4-4、表4-5)，以便于零件互换。同时，对于受载时速度较低的液压缸要验算最小稳定速度，不能保证的要适当增大液压缸内径。第４章液压缸810121620253240506380100125160200250320400456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400液压缸缸筒内径尺寸系列(D/m