第四章第四章 液压缸液压缸液压缸的类型和工作原理液压缸的类型和工作原理液压缸的设计和计算液压缸的设计和计算 液压缸液压缸是将液压能转变为机械能是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。它结构简单、工作的液压执行元件。它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。中得到广泛应用。 4-1液压缸的类型和工作原理液压缸的类型和工作原理根据常用液压缸的结构形式，可根据常用液压缸的结构形式，可将其分为四种类型将其分为四种类型：活塞式活塞式柱塞式柱塞式伸缩式伸缩式摆动式摆动式单活塞杆式单活塞杆式双活塞杆式双活塞杆式一、活塞式液压缸一、活塞式液压缸 单活塞杆液压缸只有一端有活塞杆。如单活塞杆液压缸只有一端有活塞杆。如图所示是一种单活塞液压缸。其两端进出口图所示是一种单活塞液压缸。其两端进出口油口油口A A和和B B都可通压力油或回油，以实现双向都可通压力油或回油，以实现双向运动，故称为双作用缸。运动，故称为双作用缸。1 1、单活塞杆液压缸、单活塞杆液压缸参照下图，当供给液压缸的流量参照下图，当供给液压缸的流量Q Q一定时，一定时，活塞两个方向的运动速度为：活塞两个方向的运动速度为：V V1 1=Q/A=Q/A1 1=4Q/D=4Q/D2 2 ( (向左）向左） V V2 2= Q/A= Q/A2 2=4Q/(D=4Q/(D2 2-d-d2 2) () (向右）向右） 当供油压力当供油压力p p一定，回油压力为零时一定，回油压力为零时 作用力：作用力： F F1 1=p=p. .A A1 1=p=p. .DD2 2/4 (/4 (向右）向右）F F2 2=p=p. .A A2 2=p=p. .(D(D2 2-d-d2 2)/4 ()/4 (向左）向左）当其当其差动连接差动连接时，作用力为：时，作用力为： F F3 3=p=p(A(A1 1-A-A2 2)=p)=p. .( (dd2 2/4) /4) 速度速度: :v v3 3=(Q+Q=(Q+Q2 2)/A)/A1 1=(Q+v=(Q+v3 3. .A A2 2)/A)/A1 1 所所以以 v v3 3=Q/(=Q/(A A1 1-A-A2 2)=4Q/)=4Q/dd2 2符号意义参阅下图符号意义参阅下图 单活塞杆液压缸可以是缸筒固定，活塞单活塞杆液压缸可以是缸筒固定，活塞运动；也可以是活塞杆固定缸筒运动。无论运动；也可以是活塞杆固定缸筒运动。无论采用其中哪一种形式，液压缸运动所占空间采用其中哪一种形式，液压缸运动所占空间长度都是两倍行程。（见下图）长度都是两倍行程。（见下图） 双活塞杆液压缸的两活塞杆直径通常相双活塞杆液压缸的两活塞杆直径通常相等，活塞两端有效面积相同。如果供油压力等，活塞两端有效面积相同。如果供油压力不变，那么活塞反复运动时两个方向的作用不变，那么活塞反复运动时两个方向的作用力和速度相等。力和速度相等。v=Q/A=4Q/ (D2-d2) , F=p.A=p. (D2-d2)/4 v活塞（或缸筒）运动速度；活塞（或缸筒）运动速度；Q供油流量；供油流量；F活塞（或缸筒）上的作用力；活塞（或缸筒）上的作用力； p供油压力；供油压力；A活塞有效面积；活塞有效面积； D活塞直径；活塞直径；d活塞杆直径。活塞杆直径。 这种液压缸在传动时活塞杆只承受拉力，这种液压缸在传动时活塞杆只承受拉力，多数用于机床。多数用于机床。2 2、双活塞杆液压缸、双活塞杆液压缸 双活塞杆液压缸的两端都有活塞伸出，双活塞杆液压缸的两端都有活塞伸出，如图所示。其组成与单活塞杆液压缸基本相如图所示。其组成与单活塞杆液压缸基本相同。缸筒与缸盖用法兰连接，活塞与缸筒内同。缸筒与缸盖用法兰连接，活塞与缸筒内壁之间采用间隙密封。壁之间采用间隙密封。双活塞缸机构示意双活塞缸机构示意 将缸筒固定在床身上，活塞杆和工作台将缸筒固定在床身上，活塞杆和工作台相联接时，工作台运动所占空间长度为活塞相联接时，工作台运动所占空间长度为活塞有效行程的三倍（见图有效行程的三倍（见图A）。）。一般多用于小一般多用于小机床；反之，将活塞杆固定在床身上，缸筒机床；反之，将活塞杆固定在床身上，缸筒和工作台相联接时，工作台运动所占空间长和工作台相联接时，工作台运动所占空间长度为液压缸有效行程的两倍（见图度为液压缸有效行程的两倍（见图B），），适适用于中型及大型机床。用于中型及大型机床。二、柱塞式液压缸二、柱塞式液压缸柱塞式液压缸结构柱塞式液压缸结构（）它是一种单作用式液压缸，靠（）它是一种单作用式液压缸，靠液压力只能实现一个方向的运动，柱液压力只能实现一个方向的运动，柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重；塞回程要靠其它外力或柱塞的自重；（）柱塞只靠缸套支承而不与缸套（）柱塞只靠缸套支承而不与缸套接触，这样缸套极易加工，故适于做接触，这样缸套极易加工，故适于做长行程液压缸；长行程液压缸；（）工作时柱塞总受压，因而它必须（）工作时柱塞总受压，因而它必须有足够的刚度；有足够的刚度；（）柱塞重量往往较大，水平放置时（）柱塞重量往往较大，水平放置时容易因自重而下垂，造成密封件和导向容易因自重而下垂，造成密封件和导向单边磨损，故其垂直使用更有利。单边磨损，故其垂直使用更有利。柱塞式液压缸特点：柱塞式液压缸特点：柱塞上有效作用力柱塞上有效作用力F为：为：F=p.A=柱塞运动速度为：柱塞运动速度为：v= = 式中式中 d柱塞直径；其它符号意义同柱塞直径；其它符号意义同前。前。A d2 p . d2 4Q4Q三、伸缩式液压缸三、伸缩式液压缸 伸缩式液压缸具有二级或多级活塞，如伸缩式液压缸具有二级或多级活塞，如图所示。伸缩式液压缸中活塞伸出的顺序式图所示。伸缩式液压缸中活塞伸出的顺序式从大到小，而空载缩回的顺序则一般是从小从大到小，而空载缩回的顺序则一般是从小到大。伸缩缸可实现较长的行程，而缩回时到大。伸缩缸可实现较长的行程，而缩回时长度较短，结构较为紧凑。此种液压缸常用长度较短，结构较为紧凑。此种液压缸常用于工程机械和农业机械上。于工程机械和农业机械上。 摆动式液压缸是输出扭矩并实现往复运摆动式液压缸是输出扭矩并实现往复运动的执行元件，也称摆动式液压马达。有单动的执行元件，也称摆动式液压马达。有单叶片和双叶片两种形式。图中定子块固定在叶片和双叶片两种形式。图中定子块固定在缸体上，而叶片和转子连接在一起。根据进缸体上，而叶片和转子连接在一起。根据进油方向，油方向， 叶片将叶片将 带动转带动转 子作往子作往 复摆动。复摆动。四、摆动式液压缸四、摆动式液压缸 如图所示，若输入液压油的流量为如图所示，若输入液压油的流量为Q和和摆动轴输出的角速度摆动轴输出的角速度 之间的关系为：之间的关系为：Q= /4(D2-d2)b.n=(b/8)(D2-d2) 所以所以 8Q/b(D2-d2)式中式中 n摆动轴的转速摆动轴的转速(n= /2 )；b叶片宽度；叶片宽度； D、d见图。见图。结束结束 4-2 液压缸的设计和计算液压缸的设计和计算一、液压缸主要尺寸的确定一、液压缸主要尺寸的确定 液压缸的设计和计算是在对整个液压系液压缸的设计和计算是在对整个液压系统进行工况分析，计算了最大负载力，先定统进行工况分析，计算了最大负载力，先定了工作压力的基础上进行的（详见第十一章）了工作压力的基础上进行的（详见第十一章）。因此，首先要根据使用要求确定结构类型，。因此，首先要根据使用要求确定结构类型，在按照负载情况，运动要求决定液压缸的主在按照负载情况，运动要求决定液压缸的主要结构尺寸，最后进行结构设计。要结构尺寸，最后进行结构设计。二、液压缸结构设计中的几个基本问题二、液压缸结构设计中的几个基本问题1 1、工作压力的选取工作压力的选取 根据液压缸的实际工况，计算出外负载根据液压缸的实际工况，计算出外负载大小，然后参考下表选取适当的工作力。大小，然后参考下表选取适当的工作力。 一、液压缸主要尺寸的确定一、液压缸主要尺寸的确定2 2、活塞杆直径、活塞杆直径d d与缸筒内径与缸筒内径D D的计算的计算 受拉时：受拉时： d=(0.3-0.5)Dd=(0.3-0.5)D 受压时：受压时： d=(0.5-0.55)D (pd=(0.5-0.55)D (p1 15mpa) 5mpa) d=(0.6-0.7)D (5mpa pd=(0.6-0.7)D (5mpa p1 17mpa) 7mpa)7mpa)3 3、液压缸缸筒壁厚和外径的计算、液压缸缸筒壁厚和外径的计算 缸筒最薄处壁厚：缸筒最薄处壁厚：p py yD D/2(/2() ) 缸筒壁厚；缸筒壁厚；D D缸筒内径；缸筒内径； p py y缸筒度验压力，当额定压缸筒度验压力，当额定压P Pn n160x10160x105 5P Pa a时，时，PyPy=1.25Pn =1.25Pn ； ( ()缸筒材料许用应力。缸筒材料许用应力。( ()=)=b b/n/n。5 5、液压缸缸筒长度的确定液压缸缸筒长度的确定 缸筒长度根据所需最大工作行程而定。活缸筒长度根据所需最大工作行程而定。活塞杆长度根据缸筒长度而定。对于工作行程塞杆长度根据缸筒长度而定。对于工作行程受压的活塞杆，当活塞杆长度与活塞杆直径受压的活塞杆，当活塞杆长度与活塞杆直径之比大于之比大于1515时，应按材料力学有关公式对活时，应按材料力学有关公式对活塞进行压杆稳定性验算。塞进行压杆稳定性验算。4 4、活塞杆的计算活塞杆的计算直径强度校核：直径强度校核：d4d4F F/(/()1/21/2dd活塞杆直径；活塞杆直径；FF液压缸的负载；液压缸的负载； ( ()活塞杆材料许用应力，活塞杆材料许用应力，( ()=)=b b/n/n。1 1、液压缸的缓冲、液压缸的缓冲 液压缸中使用的缓冲装置，常见的有环液压缸中使用的缓冲装置，常见的有环状间隙式，节流口可调式或外加缓冲回路等。状间隙式，节流口可调式或外加缓冲回路等。二、液压缸结构设计中的几个基本问题二、液压缸结构设计中的几个基本问题2 2、液压缸的排气、液压缸的排气为了排除聚集在液压缸内的空气，可在缸为了排除聚集在液压缸内的空气，可在缸的两端最高部位各装一只排气塞。的两端最高部位各装一只排气塞。排气塞结构排气塞结构结束结束