液压缸的类型、特点和基本参数计算.pdf

第 4 章 液 压 缸 液压缸是液压系统的执行元件，它是将液体的压力能转换成工作机构的机械能，用来 实现直线往复运动或小于 360的摆动。液压缸结构简单、配制灵活、设计、制造比较容 易、使用维护方便，所以得到了广泛的应用。 4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 液压缸在工程实际中应用广泛，分类方法也有所不同，一般说来，液压缸的类型见 表 4-1。按照结构特点，可分为活塞式、柱塞式和摆动式三大类。按照作用方式可分为单 作用式和双作用式两种。 表 4-1 液压缸的类型及图形 各称 图形 说明 单作用 活塞单向作用，依靠弹簧 使活塞复位 单 杆 双作用 活塞双向作用，左、右移 动速度不等，差动连接 时，可提高运动速度 活 塞 式 液 压 缸 双杆 活塞左、右运动速度相等 单柱塞 柱塞单向作用，依靠外力 使柱塞复位 柱 塞 式 液 压 缸 双柱塞 双柱塞双向作用 摆 动 式 液 压 缸 单叶片 输出转轴摆动角度小于 300 液压传动 90 90 续 各称 图形 说明 双叶片 输出转轴摆动角度小于 150 增力液压缸 当液压缸直径受到限制 而长度不受限制时，可获 得大的推力 增压液压缸 由两种不同直径的液压 缸组成， 可提高 B 腔中的 液压力 伸缩液压缸 由两层或多层液压缸组 成，可增加活塞行程 多位液压缸 活塞 A 有三个确定的位 置 其 他 液 压 缸 齿条液压缸 活塞经齿条带动小齿轮， 使它产生旋转运动 4.1.1 活塞式液压缸 活塞式液压缸由缸筒、活塞和活塞杆、端盖等主要部件组成。通常有单杆和双杆两种 形式。又有缸筒固定、活塞移动与活塞杆固定、缸筒移动两种运动方式。 1. 单杆活塞式液压缸 单杆液压缸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运 动行程的两倍。由于单杆液压缸左右两腔的活塞有效作用面积 A1和 A2不相等，所以，这 种液压缸具有三种连接方式，如图 4.1 所示。在三种不同的连接方式中，即使输入液压缸 油液的压力和流量相同，其输出的推力和速度大小也各不相同。活塞杆推出的作用力较大， 速度较慢；而活塞杆拉入时，作用力较小，速度较快。 A 第 4 章 液压缸 91 91 a 无杆腔进油 b 有杆腔进油 c 差动连接 图 4.1 单杆活塞式液压缸 1 当无杆腔进油、有杆腔回油时 222 1112212 ππ 44 Fp Ap ApDpDd−−− 4.1 1 2 1 4 π qq v AD 4.2 式中 F1推力； 1 v运动速度； 1 p进油压力； 2 p回油压力。 若回油腔直接接油箱， 2 p≈0，则 2 1111 π 4 Fp ApD 4.3 2 当有杆腔进油、无杆腔回油时 222 2122112 ππ 44 Fp Ap ApDdpD−−− 4.4 2 22 2 4 π qq v ADd − 4.5 式中 F2推力； 2 v运动速度； 1 p进油压力； 2 p回油压力。 若回油腔直接接油箱， 2 p≈0，则 22 2121 π 4 Fp ApDd− 4.6 2 v与 1 v之比称为液压缸的速度比 v λ，即 2 v 2 1 1 1 v v d D λ ⎛⎞ −⎜ ⎟ ⎝⎠ 4.7 液压传动 92 92 3 液压缸左右两腔同时进入压力油，即差动连接 在差动连接时，液压缸左右两腔同时进入压力油，但因为两腔的有效作用面积不等， 故活塞向右运动。有杆腔排出的流量q′ 3 vA2也进入无杆腔，加大了左腔的流量qq′从 而加快了活塞移动的速度，若不考虑损失，则差动缸活塞推力 F3和运动速度 3 v为 2 31121 π 4 Fp AApd− 4.8 22 3 3 2 1 π 4 π 4 qDdv qq v A D − ′ 整理得 3 2 4 π q v d 4.9 由上述可知，差动连接比非差动连接时的推力小而运动速度快，所以，这种连接形式 是以减小推力为代价而获得快速运动的。 单杆液压缸是广泛应用的一种执行元件，适用于推出时承受工作载荷、退回时为空载 或载荷较小的液压装置。 2. 双杆活塞式液压缸 双杆活塞式液压缸如图4.2所示，图4.2a为缸筒固定式，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，因此占地面积大，适用于小型机床。图4.2b为活塞杆固定形式，这种安装连接是 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，因此工作台移动范 围等于两倍的有效行程l，节省了占地面积，适用在行程较长的机床中。 a 缸筒固定 b 活塞杆固定 图 4.2 双杆活塞式液压缸及其安装形式 双杆活塞式液压缸，活塞两侧都装有活塞杆，由于两腔的有效面积相等，故活塞往返 的作用力和运动速度都相等，即 第 4 章 液压缸 93 93 22 1212 π 4 FA ppDdpp−−− 22 4 π qq v ADd − 此种形式的液压缸在机床中常用。 4.1.2 柱塞式液压缸 活塞式液压缸的内壁要求精加工，当液压缸较长时加工就显得比较困难，因此在行程 较长时多采用柱塞缸。柱塞缸的内壁不需要精加工，只需要对柱塞杆进行精加工，它结构 简单，制造方便，成本低。 图4.3为柱塞缸的结构。它由缸体、柱塞、导套、密封圈、压盖等零件组成。 柱塞缸只能在压力油作用下产生单向运功，它的回程借助于运动件的自重或外力的作 用垂直放置或弹簧力等。为了得到双向运动，柱塞缸常成对使用如图4.3b所示。为减轻 重量，防止柱塞水平放置时因自重而下垂，常把柱塞做成空心的。 a b 图 4.3 柱塞缸 4.1.3 摆动式液压缸 摆动式液压缸又称为摆动液压马达或回转液压缸，它把油液的压力能转变为摆动运动 的机械能。常用的摆动式液压缸有单叶片和双叶片两种。 图4.4a所示为单叶片摆动式液压缸。 隔板1用螺钉和圆柱销固定在缸体2上。 当压力 油进入油腔时，推动转轴3作逆时针旋转，另一腔的油排回油箱。当压力油反向进入油腔 时，转轴顺时针转动。它的摆动范围一般在300以下。设摆动缸进出油口压力分别为 1 p和 2 p，输入的流量为q，若不考虑泄漏和摩擦损失，它的输出转矩T和角速度ω分别为 22 1212 d 2 R r b Tbpp r rRrpp−−− ∫ 22 2 2π q n b Rr ω − 式中 b叶片宽度； r、R叶片底端、顶端回转半径。 如图4.4b所示为双叶片摆动式液压缸。当按图示方向输入压力油时，叶片和输出轴 顺时针转动；反之，叶片和输出轴逆时针转动。双叶片摆动式液压缸的摆动范围一般不 超过150。 液压传动 94 94 a 单叶片式 b 双叶片式 图 4.4 摆动液压缸示意图 1隔板；2缸体；3转动轴；4叶片 4.1.4 其他液压缸 1. 增力缸 图4.5所示为由两个单杆活塞缸串联在一起的增力缸，当压力油通入两缸左腔时，串 联活塞向右运动，两缸右腔的油液同时排出，这种油缸的推力等于两缸推力的总和。由于 增加了活塞的有效面积，因而使活塞杆上的推力或拉力得到增加。设进油压力为p，活塞 直径为D，活塞杆直径为d，不考虑摩擦损失，增力缸的牵引力为 22222 πππ 2 444 FpDpDdpDd−− 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 这种增力缸。增力缸另一个用途是作多缸的同步装置，这时常称它为等量分配缸或等量缸。 2. 增压缸 图4.6所示为由活塞缸和柱塞缸组合而成的增压缸，用以使液压系统中的局部区域获 得高压。在这里活塞缸中活塞的有效工作面积大于柱塞的有效工作面积，所以向活塞缸无 杆腔送入低压油时，可以在柱塞缸那里得到高压油，它们之间的关系为 图 4.5 增力缸示意图 图 4.6 增压缸示意图 第 4 章 液压缸 95 95 22 12 ππ 44 D pd p 2 211 D ppKp d ⎛⎞ ⎜⎟ ⎝⎠ 式中 1 p、 2 p增压缸的输入压力低压、输出压力高压； D、d活塞、柱塞的直径； K增压比KD2/d2。 由上式可知，当D2d时， 2 p 1 4p，即压力增大4倍。单作用增压缸只能单方向间歇 增压，若要连续增压就需采用双作用式增压缸。 3. 伸缩式液压缸 如图4.7所示为伸缩式液压缸的结构图，它是由两套活塞缸套装而成，件1对缸体3 是活塞，对活塞2是缸体。当压力油从A口通入，活塞1先伸出，然后活塞2伸出。当压 力油从B口通入，活塞2先缩入，然后活塞1缩入。总之，按活塞的有效工作面积大小依 次动作，有效面积大的先动，小的后动。伸出时的推力和速度是分级变化的，活塞1有效 面积大，伸出时推力大速度低，第二级活塞2伸出时推力小速度高。这种液压缸的特点是 在各级活塞依次伸出时可以获得较长的行程，而在收缩后轴向尺寸很小。常用于翻斗汽车、 起重机和挖掘机等工程机械上。 图 4.7 伸缩式液压缸 1活塞；2活塞；3缸体 4.2 液压缸的典型结构 图4.8所示为单杆液压缸的结构图，它主要由缸筒4、活塞6、活塞杆7、前后端盖8、 1、密封件5等主要部件组成。缸筒与端盖用螺栓连接，活塞与缸筒，活塞杆与端盖之间有 两种密封形式，即为橡塑组合密封与唇形密封；该液压缸具有双向缓冲功能，工作时压力 油经进油口，单向阀进入工作腔，推动活塞运动，当活塞临近终点时，缓冲套切断油路， 排油只能经节流阀排出，起节流缓冲作用。 液压传动 96 96 图 4.8 单杆液压缸结构 1后端盖；2缓冲节流阀；3进出油口；4缸筒；5密封件；6活塞；7活塞杆； 8前端盖；9导向套；10单向阀；11缓冲套；12导向环；13无杆端缓冲套；14螺栓 从上面所述的液压缸典型结构中看出，液压缸的结构基本上可以分为缸体组件、活塞 组件、密封装置、缓冲装置和排气装置等五部分。 4.2.1 缸体组件 缸体组件与活塞组件构成密封的容腔承受油压。因此缸体组件要有足够的强度、较高 的表面精度和可靠的密封性。缸体组件指的是缸筒与缸盖，其使用材料、连接方式与工作 压力有关，当工作压力p＜10MPa时使用铸铁缸筒，当工作压力10MPa≤p＜20MPa时使 用无缝钢管，p≥20MPa时使用铸钢或锻钢。 采用法兰连接如图4.9a所示，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。 采用半环连接如图4.9b所示，工艺性好、连接可靠、结构紧凑，但削弱了缸筒强度。 这种连接常用于无缝钢管缸筒与缸盖的连接中。 采用螺纹连接如图4.9c所示，特点体积小、重量轻、结构紧凑，但缸筒端部结构 复杂。常用于无缝钢管或铸钢的缸筒上。 a b c 图 4.9 缸筒和端盖结构 拉杆连接结构简单、工艺性好、通用性强，但端盖的体积和重量较大，拉杆受力后会 变形，影响密封效果，适用于长度较小的中低压缸。 第 4 章 液压缸 97 97 焊接式连接强度高，制造简单，但焊接时易引起缸筒变形，且无法拆卸。 4.2.2 活塞组件 活塞组件由活塞、活塞杆和连接件等组成。活塞一般用耐磨铸铁制造，活塞杆不论空 心的和实心的，大多用钢料制造。活塞和活塞杆的连接方式很多，但无论采用哪种连接方 式，都必须保证连接可靠。整体式和焊接式活塞结构简单，轴向尺寸紧凑，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，且需要有必要的防止脱落措施。 螺纹式连接见图4.10a结构简单，装拆方便，但需备有螺母防松装置。半环式连接见图 4.10b强度高，但结构复杂，装拆不便。 a 螺纹式连接结构 b 半环式连接结构 图 4.10 活塞与活塞杆连接形式 4.2.3 密封装置 密封装置的作用是用来阻止有压工作介质的泄漏，防止外界空气、灰尘、污垢与异物 的侵入。其中起密封作用的元件称密封件。通常在液压系统或元件中，存在工作介质的内 泄漏和外泄漏，内泄漏会降低系统的容积效率，恶化设备的性能指标，甚至使其无法正常 工作。外泄漏导致流量减少，不仅污染环境，有可能引起火灾，严重时可能引起设备故障 和人身事故。系统中若侵入空气，就会降低工作介质的弹性模量，产生气穴，有可能引起 振动和噪声。灰尘和异物既会堵塞小孔和缝隙，又会增加液压缸中相互运动件之间的摩擦 磨损，降低使用寿命，并且加速了内、外泄漏。所以为了保证液压设备工作的可靠性及提 高工作寿命，密封装置与密封件不容忽视。液压缸的密封主要指活塞、活塞杆处的动密封 和缸盖等处的静密封。常用的密封方法有 1. 间隙密封 这是依靠两运动件配合面之间保持一很小的间隙， 使其产 生液体摩擦阻力来防止泄漏的一种方法。用该方法密封，只适 用于直径较小、压力较低的液压缸与活塞间密封。间隙密封属 于非接触式密封， 它是靠相对运动件配合面之间的微小间隙来 防止泄漏，实现密封，见图4.11，常用于柱塞式液压泵马达 中柱塞和缸体配合、圆柱滑阀的摩擦副的配合中。通常在阀芯 的外表面开几条等距离的均压槽，其作用是对中性好，减小液 压卡紧力，增大密封能力，减轻磨损。匀压槽宽度为0.3mm～0.5mm，深0.5mm～1mm， 其间隙值可取0.02mm～0.05mm。这种密封摩擦阻力小、结构简单，但磨损后不能自动补偿。 图 4.11 间隙密封 液压传动 98 98 2. 密封圈密封 1 O形密封圈 O形密封圈是由耐油橡胶制成的截面为圆形的圆环，它具有良好的密封性能，且结构 紧凑，运动件的摩擦阻力小、装卸方便、容易制造、价格便宜，故在液压系统中广泛应用。 如图4.12a所示为其外形图；图4.12b所示为装入密封沟槽的情况， 1 δ、 2 δ是O形 圈装配后的预压缩量，通常用压缩率β表示，即β[d0- h/d0]100，对于固定密封、 往复运动密封和回转运动的密封，应分别达到15～20、10～20和5～10，才能 取得满意的密封效果。当油液工作压力大于10MPa时，O形圈在往复运动中容易被油液压 力挤入间隙而过早损坏如图4.12c所示，为此需在O形圈低压侧设置聚四氟乙烯或尼龙制 成的挡圈如图4.12d所示，其厚度为1.25mm～2.5mm。双向受压时，两侧都要加挡圈如图 4.12e所示。 图 4.12 O 形密封圈 2 V形密封圈 V形密封圈的形状如图4.13所示，它由纯耐油橡胶或多层夹织物橡胶压制而成，通常 由支承环图4.13a、密封环图4.13b和压环图4.13c组成。当压环压紧密封环时，支撑环 使密封环产生变形而起密封作用。当工作压力高于10MPa时，可增加密封环的数量，提高 密封效果。安装时，密封环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，主要用于活塞组件的往复运动。它适宜在工作压力为p＜50MPa、温度为－40℃～ 80℃的条件下工作。 a b c 图 4.13 V 形密封圈 第 4 章 液压缸 99 99 3 Y形密封圈 Y形密封圈属唇形密封圈，其截面为Y形，主要用于往复运动的密封。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应力，达到 密封目的见图4.14。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形圈根据截面长宽比例不同分宽断面和窄断面两种形式。一般适用于工作压力 p≤20MPa、工作温度－30℃～100℃、速度v≤0.5m/s的场合。 图 4.14 Y 形密封圈的工作原理 目前液压缸中普遍使用窄断面小Y形密封圈，它是宽断面的改型产品，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 又有轴用密封圈[图4.15a]和孔用密封圈[图4.15b]。 其短唇与密封面接触， 滑动摩擦阻力 小，耐磨性好，寿命长；长唇与非运动表面有较大的预压缩量，摩擦阻力大，工作时不窜 动。一般适用于工作压力p≤32 MPa、使用温度为－30℃～100℃ 的条件下工作。 液压缸高压腔中的油液向低压腔泄漏称内泄漏， 液压缸中的油液向外部泄漏称外泄漏。 由于存在内泄漏和外泄漏，使液压缸的容积效率降低，从而影响其工作性能，严重时使系 统压力上不去，甚至无法工作；且外泄漏还会污染环境，因此为了防止泄漏，液压缸中需 要密封的地方必须采取相应的密封装置。 a b 图 4.15 小 Y 形密封圈 4.2.4 缓冲装置 当运动件的质量较大，运动速度较高v＞0.2m/s时，由于惯性力较大，具有很大的动 量。在这种情况下，活塞运动到缸筒的终端时，会与端盖发生机械碰撞，产生很大的冲击 和噪声，严重影响运动精度，甚至会引起事故，所以在大型、高速或高精度的液压设备中， 常设有缓冲装置。 液压传动 100 100 缓冲装置的工作原理利用活塞或缸筒在其走向行程终端时，在活塞和缸盖之间封住 一部分油液，强迫它从小孔或缝隙中挤出，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。 1 固定节流缓冲 如图4.16a是缝隙节流，当活塞移动到其端部，活塞上的凸台进入缸盖的凹腔，将封 闭在回油腔中的油液从凸台和凹腔之间的环状缝隙δ中挤压出去，从而造成背压，迫使运 动活塞降速制动，实现缓冲。这种缓冲装置结构简单，缓冲效果好，但冲击压力较大。 2 可变节流缓冲 可变节流缓冲油缸有多种形式，有在缓冲柱塞上开三角槽，有多油孔，还有其他一些 可变节流缓冲油缸，其特点在缓冲过程中，节流口面积随着缓冲行程的增大而逐渐减小， 缓冲腔中的压力几乎保持不变。图4.16b在活塞上开有横截面为三角形的轴向斜槽，当活 塞移近液压缸缸盖时，活塞与缸盖间的油液需经三角槽流出，从而在回油腔中形成背压， 达到缓冲的目的。 3 可调节流缓冲 图4.16c在缸盖中装有针形节流阀1和单向阀2。当活塞移近缸盖时，凸台进入凹腔， 由于它们之间间隙较小，所以回油腔中的油液只能经节流阀流出，从而在回油腔中形成背 压，达到缓冲的目的。调节节流阀的开口大小，就能调节制动速度。 图 4.16 液压缸的缓冲装置 1节流阀；2单向阀 4.2.5 排气装置 1. 气体的来源 液压系统在安装过程中或长时间停止工作之后会渗入空气，另外，密封不好会有空气 进去，况且油液中也含有气体无论何种油液，本身总是溶解有3～10的空气。 2. 液压缸中的气体对液压系统的影响 空气积聚使得液压缸运动不平稳，低速时产生爬行。由于气体有很大的可压缩性，会 使执行元件产生爬行。压力增大时还会产生绝热压缩而造成局部高温，有可能烧坏密封件。 启动时引起振动和噪声，换向时降低精度。因此在设计液压缸时，要保证及时排除积留在 缸中的气体。 第 4 章 液压缸 101 101 3. 气体的排除方法 一般利用空气比重较油轻的特点，在液压缸内腔的最高部位设置排气孔或专门的排气 装置。 图4.17采用排气塞和排气阀当松开排气阀螺钉时带着空气的油液，便通过锥面间隙 经小孔溢出，待系统内气体排完后，便拧紧螺钉，将锥面密封，也可在缸盖的最高部位处 开排气孔，用长管道向远处排气阀排气。所有的排气装置都是按此基本原理工作的。 a 排气塞排气 b 排气阀排气 图 4.17 排气装置 4.3 液压缸的设计计算 液压缸是液压传动的执行元件，它与主机的工作机构有着直接的联系，对于不同的结 构，液压缸同样具有不同的用途和要求，因此作为设计者在设计前应作调查研究，准备好 必要的原始资料和设计依据，然后根据设计步骤，综合考虑，反复验算，才能获得较满意 的效果。 4.3.1 液压缸的主要尺寸计算 液压缸的主要尺寸包括缸的内径D、活塞杆直径d、液压缸的长度和活塞杆的长度等。 液压缸的内径和活塞杆的直径的确定方法与使用的液压缸设备类型有关，通常根据液 压缸的推力牵引力和液压缸的有效工作压力来决定。 液压缸由于用途广泛，其结构形式和结构尺寸多种多样。一般情况下采用标准件，但 有时也需要自行设计，结构设计可参考上一节，本节主要介绍液压缸的主要尺寸的计算及 结构强度、刚度的验算方法。 液压缸内径D和活塞杆直径d可根据液压系统中的最大总负载和选取的工作压力来确 定。对于单出杆的液压缸而言，无杆腔进油并且不考虑机械效率时，由式4.1可得 2 12 1212 4 π Fd p D pppp − −− ① 有杆腔进油并且不考虑机械效率时，由式4.4可得 液压传动 102 102 2 21 1212 4 π Fd p D pppp −− ② 式中，一般选取回油背压 2 p0，于是式①和式②便可简化，即无杆腔、有杆腔进油时 分别为 1 1 4 π F D p 或 22 1 4 π F Dd p 上式中的活塞杆直径d可根据工作压力或设备类型选取，也可查机械设计手册或参考 表4-2。 表 4-2 液压缸工作压力与活塞杆直径 液压缸工作压力 p/MPa ≤5 5～7 ＞7 推荐活塞杆直径 d/mm 0.5～0.55D 0.6～0.7 D 0.7 D 当液压缸往复运动速度比有一定要求时，由式4.7可得杆径d为 v v 1 dD λ λ − 液压缸速度比λv见表4-3。 计算所得的液压缸内径D和活塞杆直径d应查液压设计手 册将其圆整到标准系列值，参考表4-4和表4-5。 表 4-3 液压缸往复速度比λv推荐值 工作压力 p/MPa ≤10 12.5～20 ＞20 往复速度比λv 1.33 1.46，2 2 表 4-4 活塞直径系列 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 50 160 180 200 220 250 280 320 360 400 450 500 560 630 710 820 900 1000 注括号中尺寸尽量不用。 表 4-5 活塞杆直径系列 10 12 14 16 18 20 22 25 28 30 32 35 40 45 50 55 60 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 120 125 130 140 150 160 180 200 220 250 260 280 320 360 380 400 420 450 500 520 560 580 注括号中尺寸尽量不用。 第 4 章 液压缸 103 103 液压缸缸筒长度由活塞最大行程L、活塞长度、活塞杆导向长度H和特殊要求的其他 长度确定见图4.18。其中活塞长度B0.6～1.0D；导向套长度A0.6～1.5D；必要时可 在导向套和活塞之间装一隔套K，隔套的长度为 1 2 CHAB−。为了减少加工难度，一 般液压缸的缸筒长度不应大于内径的20～30倍。 图 4.18 导向长度 4.3.2 液压缸的校核 1. 缸筒壁厚δ的校核 在液压传动系统，中、高压液压缸一般用无缝钢管制作缸筒，大多属薄壁筒，即δ/D ≤0.08时，按材料力学薄壁圆筒公式验算壁厚，即 δ≥ max 2[ ] pD σ 式中 pmax缸筒内最高工作压力指试验压力，考虑到液压缸可能承受冲击，试验压力 要远大于工作压力； D缸筒内径； [σ]缸筒材料的许用应力，[σ] b σ/n， b σ为材料抗拉强度，n为安全系数，一 般取n3.5～5。 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δ/D0.08～0.3时，可用下式进行验算，即 δ≥ max max 2.3[ ]3 pD pσ− 当δ/D≥0.3时，或可用下式 max max [ ]0.4 1 2[ ] 1.3 pD p σ δ σ ⎛⎞ −⎜⎟ ⎜⎟ − ⎝⎠ 2. 液压缸活塞杆稳定性验算 只有当液压缸活塞杆计算长度L≥10d时， 才进行其纵向稳定性的验算。 验算可按材 料力学有关公式进行，此处不再赘述。 3. 液压缸缸盖固定螺栓直径校核 液压缸缸盖固定螺栓在工作过程中，同时承受拉应力和剪切应力，其螺栓直径可按下 液压传动 104 104 式校核 s d≥ 5.2 π[ ] kF Zσ 式中 ds螺栓螺纹的底径； k螺纹拧紧系数，一般取k1.2～1.5； F液压缸最大作用力； Z螺栓个数； [σ]螺栓材料的许用应力，[σ]σS/n，σS为螺栓材料的屈服极限，n为安全系 数，一般取n1.2～2.5。 思考题与习题 1. 液压缸主要有哪几种类型各有什么特点各适用于什么场合 2. 液压缸为什么要有缓冲装置缓冲装置的基本工作原理是什么常见的缓冲装置 有哪几种 3. 如图4.19所示，两个结构相同相互串联的液压缸，无杆腔的面积A1100cm2，有杆 腔的面积A280cm2，缸1输入压力 1 p0.9MPa，输入流量 1 q12L/min，不计损失和泄 漏，求 1 两缸承受相同负载时F1F2，该负载的数值及两缸的运动速度 2 缸2的输入压力是缸1的一半时 2 p 1 p/2，两缸各能承受多少负载 3 缸l不受负载时F10，缸2能承受多大的负载 4. 如图4.20所示，有一单叶片摆动油缸。油泵供油压力 1 p10MPa，供油流量 q25L/min，回油压力 2 p0.5MPa，若输出轴的角速度ω0.7rad/s，R100mm，r 40mm。 求摆动油缸叶片宽度b和输出转矩T各为多少 图 4.19 串联液压缸 图 4.20 单叶片摆动油缸 5. 某单杆液压缸，快进时采用差动连接，快退时高压油输入油缸的有杆腔，如活塞快 进和快退速度均为6m/min，工进时活塞杆受压力，推力25 000N，当输入流量为25L/min， 背压力为0.2MPa时，求 1 活塞直径D和活塞杆直径d各为多少 2 如油缸材料用45钢许用应力[τ]1 200kg/cm2时，缸筒壁厚δ为多少 3 如液压缸活塞杆为铰接， 缸筒固定， 其安装长度l 1.5m， 试校核活塞杆的纵向稳定性。 第 4 章 液压缸 105 105 6. 如图4.21所示的两液压缸，缸内径D，活塞杆直径d均相同，若输入缸中的流量都 是q，压力为p，出口处的油直接通油箱，且不计一切摩擦损失，比较它们的推力、运动速 度和运动方向。 a 并联式增压缸 b 串联式增压缸 图 4.21 液压缸原理示意图 7. 如图4.22所示的两个单柱塞缸，缸内径D，柱塞直径d，其中一个柱塞缸固定，柱 塞克服负载而移动，另一个柱塞固定，缸筒克服负载而运动。如果在这两个柱塞缸中输入 同样流量和压力的油液，它们产生的速度和推力是否相等为什么 8. 如图4.23所示的液压缸，节流阀装在进油路上，设缸内径D125mm，活塞杆直径 d90mm，节流阀流量调节范围为0.05L/min～10L/min，进油压力 1 p4MPa，回油压力 2 p1MPa，求活塞最大、最小运动速度和推力。 图 4.22 单柱塞液压缸 图 4.23 液压缸示意图 9. 缸径D63mm，活塞杆径d28mm，采用节流口可调式缓冲装置，环形缓冲腔小径 dc35mm，求缓冲行程lc25mm，运动部件质量m2000kg，运动速度 0 v0.3m/s，摩擦力 Ff [950N，工作腔压力 p p 70105 Pa时的最大缓冲压力。如缸筒强度不够时该怎么办 10. 设计一差动连接的液压缸，泵的流量为q25L/min，压力为6.3MPa，工作台快进、 快退速度为5m/min，试计算液压缸的内径D和活塞杆的直径d。当外载为25103N时， 溢流阀的调定压力为多少 11. 设计一单杆活塞液压缸，已知外载F2104N，活塞和活塞杆处的摩擦力 Ff 12102N， 进入液压缸的油液压力为5MPa， 计算缸的内径， 若活塞最大速度 max v4cm/s， 系统的泄漏损失为10，应选多大流量的泵若泵的总效率为0.85，马达的驱动功率 应多大 液压传动 106 106 12. 一单杆液压缸快进时采用差动连接，快退时油液输入缸的有杆腔，设缸快进、快 退时的速度均为0.1m/s，工进时杆受压，推力为25 000N。已知输入流量q25L/min，背压 2 p2105Pa，求 1 缸和活塞杆直径D、d； 2 缸筒材料为45钢缸筒的壁厚； 3 如活塞杆铰接，缸筒固定，安装长度为1.5m，校核活塞杆的纵向稳定性。 13. 若双出杆活塞缸两侧的杆径不等，当两腔同时通入压力油，活塞能否运动如左 右侧杆径为d1、d2 d1＞d2，且杆固定，当输入压力油为p，流量为q时，问缸向哪个方向 走速度、推力各为多少 14. 单杆缸差动连接时，由于有杆腔的油液流出，产生背压，所以无杆腔和有杆腔的 压力并不一样大，有杆腔的压力比无杆腔的大，在此情况下能实现差动动作吗如果外负 载为零，差动连接时，有杆腔和无杆腔的压力间有什么关系