第5章液压缸解读

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1、第第5 5章章 液压缸液压缸5.1 液压缸的分类和特点液压缸的分类和特点5.2 液压缸的结构液压缸的结构5.3 液压缸的设计与计算液压缸的设计与计算返回返回5.1 液压缸的分类和特点液压缸的分类和特点1.活塞式液压缸 (1)双杆活塞式液压缸(短片)图5.1所示为双杆活塞式液压缸的工作原理图，活塞的两侧都有杆伸出。当两侧活塞杆直径相同、供油压力和流量不变时，活塞（或缸体）在两个方向上的运动速度和推力F都相等，即 （5.1）（5.2）图5.1 双杆活塞式液压缸双杆活塞式液压缸双杆活塞式液压缸(2/2)这种液压缸常用于要求往返运动速度相同的场合，如液压磨床等。图5.1（a）所示为缸体固定式结构，液压

2、缸的左腔进油，推动活塞向右移动，右腔回油；反之，活塞反向移动。其运动范围约等于活塞有效行程的3倍，一般用于中小型设备。图5.1（b）所示为活塞杆固定式结构，液压缸的左腔进油，推动缸体向左移动，右腔回油；反之，缸体反向移动。其运动范围约等于缸体有效行程的2倍，因此常用于大中型设备中。实际上液压缸的运动范围还要考虑活塞和缸盖等尺寸所占用的空间。单杆活塞式液压缸单杆活塞式液压缸(1/6)(2)单杆活塞式液压缸 图5.2所示为双作用单杆活塞式液压缸。液压缸的一端有活塞杆伸出，在另一端没有活塞杆伸出，这样使液压缸两腔有效作用面积不相等，当向液压缸两腔分别供油，且压力和流量都不变时，活塞在两个方向上的运动

3、速度和推力都不相等。图5.2 单杆活塞式液压缸 单杆活塞式液压缸单杆活塞式液压缸(2/6)当在无杆腔进油且有杆腔回油时，（如图5.2（a），活塞的运动速度1和推力F1分别为 （5.3）（5.4）当在有杆腔进油且无杆腔回油时（如图5.2（b），活塞的运动速度2和推力F2分别为 （5.5）（5.6）单杆活塞式液压缸单杆活塞式液压缸(3/6)由式（5.3）和（5.5）得液压缸往复运动时的速度比为 （5.7）上式表明，当活塞杆直径愈小时，速度比愈接近于1，在两个方向上的速度差值就愈小。单杆活塞式液压缸单杆活塞式液压缸(4/6)当单杆活塞缸两腔同时通入压力油时，如图5.3所示，由于无杆腔受力面积大于有杆

4、腔的受力面积，使得活塞向右的作用力大于向左的作用力，因此活塞杆作伸出运动，并将有杆腔的油液挤出，流进无杆腔，这样加快了活塞杆的伸出速度，单杆活塞液压缸的这种连接方式被称为差动连接。图5.3 差动连接液压缸单杆活塞式液压缸单杆活塞式液压缸(5/6)在差动连接时，有杆腔排出流量q=3A2进入无杆腔，则有 在考虑了缸的容积效率v后，活塞杆的伸出速度3为 （5.8）欲使差动连接缸的往复运动速度相等，即3=2，则由式（5.5）和（5.8）得 。差动连接在忽略两腔连通回路压力损失的情况下，p2p1，并考虑到机械效率m时，活塞的推力F3为 （5.9）单杆活塞式液压缸单杆活塞式液压缸(6/6)由式（5.8）和

5、式（5.9）可知，差动连接时液压缸实际的有效作用面积是活塞杆的横截面积。与非差动连接无杆腔进油工况相比，在输入油液压力和流量都不变的条件下，活塞杆伸出速度较大而推力较小。在实际应用中，液压传动系统常通过控制阀来改变单杆活塞缸的油路连接，使它有不同的工作方式，从而获得快进（差动连接）工进（无杆腔进油）快退（有杆腔进油）的工作循环。差动连接是在不增加液压泵容量和功率的情况下，实现系统快速运动的有效方法。它的应用常见于组合机床和各类专用机床中。单杠缸往复运动范围是有效行程的2倍，其结构紧凑，应用广泛。2.柱塞式液压缸 活塞缸的内孔精度要求很高，当行程较长时加工困难，这时应采用柱塞缸。如图4.5a所示

6、，柱塞缸由缸筒、柱塞、导套、密封圈和压盖等零件组成，柱塞和缸筒内壁不接触，因此缸筒内孔不需精加工，工艺性好，成本低。图5.4 柱塞式液压缸柱塞式液压缸柱塞式液压缸(2/2)柱塞缸只能制成单作用缸，回程由外力或自重实现。在大行程设备中，为了得到双向运动，柱塞缸常如图5.4（b）所示成对使用。柱塞端面是受压面，其面积大小决定了柱塞缸的输出速度和推力。为保证柱塞缸有足够的推力和柱塞受压稳定，一般柱塞较粗，重量较大，水平安装时由于自重变形易产生单边磨损，故柱塞缸适宜于垂直安装使用。为减轻重量，有时制成空心柱塞。水平安装使用时，为防止柱塞自重下垂，通常要设置柱塞支承套和托架。柱塞缸结构简单，制造方便，常

7、用于长行程机床，如龙门刨、导轨磨、大型拉床等。3.摆动式液压缸 摆动式液压缸输出转矩并实现往复摆动，通常有单叶片和双叶片两种型式。如图5.5（a）所示，单叶片摆动缸由定子块1、缸体2、摆动轴3、叶片4、左右支承盘和左右盖板等主要零件组成，定子块固定在缸体上，叶片和摆动轴连接在一起。当两油口相继通入压力油时，叶片带动摆动轴作往复摆动。图5.5 摆动式液压缸1定子块；2缸体；3摆动轴；4叶片摆动式液压缸摆动式液压缸(2/2)当考虑到容积效率v 和机械效率m时，叶片式摆动缸的摆动轴输出角速度和转矩T分别为 （5.10）（5.11）考虑叶片和定子块所占用的角度，单叶片摆动缸的摆动角一般不超过280。双

8、叶片摆动缸的摆动角一般不超过150。当输入压力和流量不变时，双叶片摆动缸输出转矩是单叶片摆动缸的2倍，而摆动角速度则是单叶片摆动缸的一半。摆动缸结构紧凑，输出转矩大，但密封困难，一般只用于低中压系统中作往复摆动、转位或间歇运动的工作场合。（1）增压缸 增压缸又称增压器。它能将输入的低压油转变为高压油供液压系统中的高压支路使用。增压缸如图5.7所示。它由面积不同（分别为A1和A2）的两个液压缸串联而成，大缸为原动缸，小缸为输出缸。4.组合式液压缸图5.7 增压缸增压缸增压缸(2/2)设输入原动缸的压力为p1，输出缸的出油压力为p2，若不计摩擦力，根据力平衡关系，可有如下等式 整理得：（5.12）

9、式中比值A1/A2（或D12/D22）称为增压比。由式（5.12）可知，当D1=2D2时，p2=4p1，即增压4倍。多级缸多级缸(1/1)多级缸又称伸缩缸，它由两级或多级活塞缸套装而成，如图5.8所示。前一级缸的活塞是后一级缸的缸套，活塞杆伸出的顺序是从大活塞到小活塞，相应的推力也是从大到小，而伸出的速度则是由慢到快。空载缩回的顺序一般是从小活塞到大活塞，收缩后液压缸总长度较短，占用空间较小，结构紧凑。多级缸适用于工程机械和其他行走机械，如起重机伸缩臂液压缸、自卸汽车举升液压缸等都是多级缸。（2）多级缸 图5.8 多级缸 齿条活塞缸齿条活塞缸(1/1)（3）齿条活塞缸 齿条活塞缸由带有齿条杆的

10、双活塞缸和齿轮齿条机构组成，如图5.9所示。活塞往复运动经齿轮齿条机构变成齿轮轴往复转动，它多用于自动线、组合机床等转位或分度机构中。图5.9 齿条活塞缸5.2 液压缸的结构液压缸的结构1.缸体组件 （1）缸体组件的连接形式 常见的缸体组件连接形式如图5.10所示。图5.10 缸体组件连接形式缸体组件缸体组件(2/4)（a）法兰式。法兰式连接结构简单，加工方便，连接可靠，但要求缸筒端部有足够的壁厚，用以安装螺栓或旋入螺钉。缸筒端部一般用铸造、镦粗或焊接方式制成粗大的外径。它是常用的一种连接形式。（b）半环式。半环式连接分为外半环连接和内半环连接两种形式。半环连接工艺性好，连接可靠，结构紧凑，但

11、削弱了缸筒强度。半环连接是应用十分普遍的一种连接形式，常用于无缝钢管缸筒与端盖的连接中。（c）螺纹式。螺纹式连接有外螺纹连接和内螺纹连接两种形式，其特点是体积小、质量小、结构紧凑，但缸筒端部结构较复杂。这种连接形式一般用于要求外形尺寸小、质量小的场合。缸体组件缸体组件(3/4)（d）拉杆式。拉杆式连接结构简单，工艺性好，通用性强，但端盖的体积和质量较大，拉杆受力后会拉伸变长，影响密封效果，只适用于长度不大的中低压缸。（e）焊接式。焊接式连接强度高，制造简单，但焊接时易引起缸筒变形。缸体组件缸体组件(4/4)（2）缸筒、端盖和导向套 缸筒是液压缸的主体，其内孔一般采用镗削、铰孔、滚压或珩磨等精密

12、加工工艺制造，要求表面粗糙度Ra值为0.10.4 m，以使活塞及其密封件、支承件能顺利滑动和保证密封效果，减少磨损。缸筒要承受很大的液压力，因此应具有足够的强度和刚度。端盖装在缸筒两端，与缸筒形成封闭油腔，同样承受很大的液压力，因此它们及其连接部件都应有足够的强度。设计时既要考虑强度，又要选择工艺性较好的结构形式。导向套对活塞杆或柱塞起导向和支承作用，有些液压缸不设导向套，直接用端盖孔导向，这种结构简单，但磨损后必须更换端盖。2.活塞组件 （1）活塞组件的连接形式 活塞与活塞杆的连接形式如图5.11所示。除此之外，还有整体式结构、焊接式结构、锥销式结构等。整体式和焊接式连接结构简单，轴向尺寸紧

13、凑，但损坏后需整体更换。锥销式连接加工容易，装配简单，但承载能力小，且需有必要的防止脱落措施。螺纹式连接（图5.11（a）结构简单，装拆方便，但一般需备有螺母防松装置。半环式连接（图5.11（b）强度高，但结构复杂，装拆不便。在轻载情况下可采用锥销式连接；一般使用螺纹式连接；高压和振动较大时多用半环式连接；对活塞与活塞杆比值D/d较小、行程较短或尺寸不大的液压缸，其活塞与活塞杆可采用整体式或焊接式连接。图5.11 活塞与活塞杆连接形式活塞和活塞杆活塞和活塞杆(1/1)（2）活塞和活塞杆 活塞受油压的作用在缸筒内做往复运动，因此，活塞必须具有一定的强度，对于没有密封装置而仅靠间隙来保证密封性能的

14、活塞，还应该有良好的耐磨性。活塞一般用钢或铸铁制造。活塞的结构通常分为整体式和组合式两类。活塞杆是连接活塞和工作部件的传力零件，它必须有足够的强度和刚度。活塞杆无论是实心的还是空心的，通常都用钢料制造。活塞在导向套内往复运动，其外圆表面应当耐磨并具有防锈能力，故活塞杆外圆表面有时需镀铬。（1）间隙密封 间隙密封是一种常用的密封方法。它依靠相对运动零件配合面间的微小间隙来防止泄漏。由第3章中环形缝隙流量公式可知，泄漏量与间隙的三次方成正比，因此可用减小间隙的办法来减小泄漏。一般间隙为0.01 0.05 mm，这就要求配合面加工有很高的精度。在活塞的外圆表面一般开几道宽0.3 0.5 mm，深0.

15、5 1 mm、间距2 5 mm的环形沟槽，称平衡槽。3.密封装置间隙密封间隙密封(2/2)平衡槽的作用是：（a）由于活塞的几何形状和同轴度误差，工作中压力油在密封间隙中的不对称分布将形成一个径向不平衡力，称液压卡紧力，它使摩擦力增大。开平衡槽后，槽中各向油压趋于平衡，间隙的差别减小，使活塞能够自动对中，减小了摩擦力，同时减小偏心量，这样就减少了泄漏量。（b）增大油液泄漏的阻力，提高了密封性能。（c）储存油液，使活塞能自动润滑。间隙密封的特点是结构简单、摩擦力小、耐用，但对零件的加工精度要求较高，且难以完全消除泄漏，故只适用于低压、小直径的快速液压缸中。活塞环密封活塞环密封(1/1)（2）活塞环

16、密封 活塞环密封是依靠装在活塞环形槽内的弹性金属环紧贴缸筒内壁实现密封。如图5.12所示。它的密封效果较间隙密封好，适应的压力和温度范围很宽，能自动补偿磨损和温度变化的影响，能在高速中工作，摩擦力小，工作可靠，寿命长，但在活塞环的接口处不能完全密封。活塞环的加工复杂，缸筒内表面加工精度要求高，一般用于高压、高速和高温的场合。图5.12 活塞环密封密封圈密封密封圈密封(1/5)（3）密封圈密封 （a）O形密封圈。O形密封圈的截面为圆形，主要用于静密封和滑动密封（转动密封用得较少）。其结构简单紧凑，摩擦力较其他密封圈小，安装方便，价格便宜，可在40 120 温度范围内工作。但与唇形密封圈（如Y形圈

17、）相比，其寿命较短，密封装置机械部分的精度要求高，启动阻力较大。O形圈的使用速度范围为0.005 0.3 m/s。O形圈密封原理如图5.13所示。图5.13 O形圈密封原理 O形圈装入密封槽后，其截面受到压缩后变形。在无液压力时，靠O形圈的弹性对接触面产生预接触压力，实现初始密封；当密封腔充入压力油后，在液压力的作用下，O形圈挤向沟槽一侧，密封面上的接触压力上升，提高了密封效果。任何形状的密封圈在安装时，必须保证适当的预压缩量。预压缩量过小不能密封，预压缩量过大则摩擦力增大，且易于损坏，因此，安装密封圈的沟槽尺寸和表面精度必须按有关手册给出的数据严格保证。在动密封中，当压力大于10 MPa时，

18、O形圈就会被挤入间隙中而损坏，为此需在O形圈低压侧设置聚四氟乙烯或尼龙制成的挡圈（图5.14），其厚度为1.25 2.5 mm。双向受高压时，两侧都要加挡圈。密封圈密封密封圈密封(2/5)图5.14 O形圈密封挡圈设置密封圈密封密封圈密封(3/5)（b）V形密封圈。V形圈的截面为V形。如图5.15所示的V形密封装置是由压环、V形圈（也称密封环）和支承环组成。当工作压力高于10 MPa时，可增加V形圈的数量，提高密封效果。安装时，V形圈的开口应面向压力高的一侧。V形圈密封性能良好，耐高压，寿命长，通过调节压紧力，可获得最佳的密封效果，但V形密封装置的摩擦阻力及结构尺寸较大，主要用于活塞及活塞杆的

19、往复运动密封。它适宜在工作压力为p 50 MPa、温度为40 +80的条件下工作。图5.15 V形密封圈密封圈密封密封圈密封(4/5)（c）Y形密封圈。Y形密封圈的截面为Y形，属唇形密封圈。它是一种密封性、稳定性和耐压性较好、摩擦阻力小、寿命较长的密封圈，故应用也很普遍。Y形圈主要用于往复运动的密封。根据截面长宽比例的不同，Y形圈可分为宽断面和窄断面两种形式，图5.16所示为宽断面Y形密封圈。Y形圈的密封作用依赖于它的唇边对偶合面的紧密接触，并在压力油作用下产生较大的接触压力，达到密封目的。当液压力升高时，唇边与偶合面贴得更紧，接触压力更高，密封性能更好。Y形圈安装时，唇口端应对着液压力高的一

20、侧。当压力变化较大、滑动速度较高时，要使用支承环，以固定密封圈。如图5.16（b）所示。图5.16 宽断面Y形密封圈 宽断面Y形圈一般适用于工作压力p 20 MPa、工作温度30 +100、使用速度 0.5 m/s的场合。窄断面Y形圈如图5.17所示。窄断面Y形圈是宽断面Y形圈的改型产品，其截面的长宽比在2倍以上，因而不易翻转，稳定性好，它有等高唇Y形圈和不等高唇Y形圈两种。后者又有孔用和轴用之分，其短唇与运动表面接触，滑动摩擦阻力小，耐磨性好，寿命长；长唇与非运动表面接触有较大的预压缩量，摩擦阻力大，工作时不窜动。窄断面Y形圈一般适用于工作压力p 32 MPa，使用温度为30 +100的条件

21、下工作。密封圈密封密封圈密封(5/5)图5.17 窄断面Y形密封圈4.缓冲装置 当液压缸拖动负载的质量较大、速度较高时，一般应在液压缸中设缓冲装置，必要时还需在液压传动系统中设缓冲回路，以免在行程终端发生过大的机械碰撞，致使液压缸损坏。缓冲的原理是使活塞相对缸筒接近行程终端时，在排油腔内产生足够的缓冲压力，即增大回油阻力，从而降低缸的运动速度，避免活塞与缸盖高速直接相撞。液压缸中常用的缓冲装置如图5.18所示。图5.18 液压缸的缓冲装置缓冲装置缓冲装置(2/3)（1）圆柱形环隙式缓冲装置 如图5.18（a），当缓冲柱塞进入缸盖上的内孔时，缸盖和活塞间形成缓冲缝隙，被封闭油液只能从环形间隙排出

22、，产生缓冲压力，从而实现减速缓冲。这种缓冲装置在缓冲过程中，由于其通流截面面积不变，故缓冲开始时，产生的缓冲制动力很大，但很快制动力就降低，其缓冲效果较差。但这种装置结构简单、便于设计和降低制造成本，所以在一般系列化的液压缸中多采用这种缓冲装置。（2）圆锥形环隙式缓冲装置 如图5.18（b），由于缓冲柱塞为圆锥形，所以缓冲环形间隙随位移的变化而改变，即通流截面面积随缓冲行程的增大而减小，使机械能的吸收较均匀，其缓冲效果较好。缓冲装置缓冲装置(3/3)（3）可变节流槽式缓冲装置 如图5.18（c），在缓冲柱塞上开有由浅入深的三角节流沟槽，通流截面面积随着缓冲行程的增大而逐渐减小，缓冲压力变化平缓

23、。（4）可调节流孔式缓冲装置 如图5.18（d）)，在缓冲过程中，缓冲腔油液经节流孔排出，调节节流孔的大小，可控制缓冲腔内缓冲压力的大小，以适应液压缸不同的负载和速度工况对缓冲的要求，当活塞反向运动时，高压油从单向阀进入液压缸内，活塞也不会因推力不足而产生启动缓慢等现象。5.排气装置 液压传动系统中往往会混入空气，使系统工作不稳定，产生振动、爬行或前冲等现象，严重时会使系统不能正常工作，因此在设计液压缸时，必须考虑空气的排除。对于要求不高的液压缸，往往不设计专门的排气装置，而是将油口布置在缸筒两端的最高处，这样也能使空气随油液排回油箱，再从油箱逸出。对于速度稳定性要求较高的液压缸和大型液压缸，

24、常在液压缸的最高处设置专门的排气装置，如排气塞、排气阀等。图5.19所示为排气装置。当打开排气装置后，低压往复运动几次，带有气泡的油液就会排出，排完空气后关闭排气装置，液压缸便可正常工作。图5.19 排气装置5.3 液压缸的设计与计算液压缸的设计与计算1.液压缸主要尺寸的计算 液压缸内径D和活塞杆直径d可根据最大总负载和选取的工作压力来确定。对单杆缸而言，无杆腔进油时，不考虑机械效率，由式（5.4）可得 （5.13）有杆腔进油时，不考虑机械效率，由式（5.6）可得 （5.14）式中：p2 背压，一般选取背压 p2=0。这时，上面两式便可简化，即无杆腔进油时 （5.15）有杆腔进油时 （5.16

25、）当液压缸的往复运动速度比有一定要求时，由式（5.7）得杆径d为（5.17）液压缸的缸筒长度由活塞最大行程、活塞长度、活塞杆导向套长度、活塞杆密封长度和特殊要求的其他长度确定。其中活塞长度B=（0.6 1.0）D；导向套长度A=（0.6 1.5）d。为减少加工难度，一般液压缸缸筒长度不应大于内径的20 30倍。液压缸主要尺寸的计算液压缸主要尺寸的计算(2/2)3.液压缸的校核 （1）缸筒壁厚的验算 中、高压缸一般用无缝钢管作缸筒，大多属薄壁筒，即 /D 0.08时，按材料力学薄壁圆筒公式验算壁厚，即 （5.18）当液压缸采用铸造缸筒时，壁厚由铸造工艺确定，这时应按厚壁圆筒公式验算壁厚。当/D 0.080.3时，可用下式（5.19）当/D 0.3时，可用下式（5.20）液压缸的校核液压缸的校核(2/2)（2）液压缸活塞杆的稳定性验算 只有当液压缸活塞杆的计算长度l10d时，才进行液压缸纵向稳定性的验算。验算可按材料力学有关公式进行，此处不再赘述。