液压与气压传动液压缸第三章1本章提要本章提要本章提要本章提要液压缸的类型及特点液压缸的类型及特点 液压缸的设计计算液压缸的设计计算 液压缸的典型结构液压缸的典型结构 液压缸的密封液压缸的密封 通过本章的学习，要求掌握液压缸设计中应考虑的主要问题，包括结结构构类类型型的的选选择择和参参数计算数计算等，为液压缸设计打下基础。本章主要内容为：2液液压压缸缸（油缸）主要用于实现机构的直线往复运动，也可以实现摆动，其结构简单，工作可靠，应用广泛。液压缸的输入量是液体的流量和压力，输出量是速度和力。液压缸和液压马达都是液压执行元件，其职能是将液压能转换为机械能。p1p2FVdQA液压缸压力p 流量Q液压功率作用力F 速度V机械功率33.1 3.1 液压缸的类型及特点液压缸的类型及特点 液压缸的分类液压缸的分类液压缸的分类液压缸的分类按供油方向分：单作用缸和双作用缸。按结构形式分：活塞缸、柱塞缸、伸缩套筒缸、摆动液压缸。按活塞杆形式分：单活塞杆缸、双活塞杆缸。单杆液压缸单杆液压缸双杆液压缸双杆液压缸柱塞式液压缸柱塞式液压缸4理想液压缸理想液压缸理想单杆液压缸理想单杆液压缸PQ=Pv理想双杆液压缸理想双杆液压缸PQ=Pv理想油缸理想油缸数学模型数学模型/()A单位位移排量油缸有效工作面积_AAQvPFvFQP=53.1.1 3.1.1 活塞式液压缸活塞式液压缸 活塞式液压缸可分为双杆式和单杆式两种结构形式，其安装又有缸筒固定和活塞杆固定两种方式。3.1.1.1 3.1.1.1 双杆活塞液压缸双杆活塞液压缸双活塞杆液压缸的活塞两端都带有活塞杆，分为缸体固定和活塞杆固定两种安装形式，如图31所示。(a)缸筒缸筒固定式固定式(b)活塞杆固定活塞杆固定式式6因为双活塞杆液压缸的两活塞杆直径相等两活塞杆直径相等，所以当输入流量和油液压力不变时，其往返运动速度和推力相等。则缸的运动速度V和推力F分别为：（3.1）（3.2）式中:、分别为缸的进、回油压力；分别为缸的容积效率和机械效率；、d 分别为活塞直径和活塞杆直径；q输入流量；A活塞有效工作面积。这种液压缸常用于要求往返运动速度相同的场合。这种液压缸常用于要求往返运动速度相同的场合。73.1.1.2单活塞杆液压缸单活塞杆液压缸 单活塞杆液压缸的活塞仅一端带有活塞杆，活塞双向运动可以获得不同的速度和输出力，其简图及油路连接方式如图3.2所示。(a)无杆腔进油无杆腔进油Ddq(b)有杆腔进油有杆腔进油q8无杆腔进油（3.3）（3.4）活塞的运动速度和推力分别为:(a)无杆腔进油无杆腔进油Ddq9有杆腔进油活塞的运动速度和推力分别为:(b)有杆腔进油有杆腔进油q（3.5）（3.6）10比较上述各式，可以看出：,；液压缸往复运动时的速度比为：（3.7）上式表明：当当活活塞塞杆杆直直径径愈愈小小时时，速速度度比比接接近近1，在两个方向上的速度差值就愈小。，在两个方向上的速度差值就愈小。(a)无杆腔进油无杆腔进油Ddq(b)有杆腔进油有杆腔进油q11两腔进油,差动联接(c)差动差动联接联接q当单杆活塞缸两腔同时通入压力油时，由于无杆腔有效作用面积大于有杆腔的有效作用面积，使得活塞向右的作用力大于向左的作用力，因此，活塞向右运动，活塞杆向外伸出；与此同时，又将有杆腔的油液挤出，使其流进无杆腔，从而加快了活塞杆的伸出速度，单活塞杆液压缸的这种连接方式被称为差动连接差动连接。12两腔进油,差动联接(c)差动差动联接联接q（3.8）（3.9）在忽略两腔连通油路压力损失的情况下，差动连接液压缸的推力为：q等效活塞的运动速度为：13两腔进油,差动联接(c)差动差动联接联接qq等效 差动连接差动连接时时,液压缸液压缸的的有效作用面积有效作用面积是是活塞杆的横截活塞杆的横截面积面积，工作台运动速度比无杆腔进油时的大，而输出力则较小。 差动连接是在不增加液压泵容量和功率的条件下，实差动连接是在不增加液压泵容量和功率的条件下，实现快速运动的有效办法。现快速运动的有效办法。14差动液压缸计算举例差动液压缸计算举例例3.1：已已知知单单活活塞塞杆杆液液压压缸缸的的缸缸筒筒内内径径D=100mm，活活塞塞杆杆直直径径d=70mm，进进入入液液压压缸缸的的流流量量q=25min，压压力力P1=2Mpa，P2=0。液液压压缸缸的的容容积积效效率率和和机机械械效效率率分分别别为为0.98、0.97，试试求求在在图图3.2(a)、(b)、(c)所所示示的的三三种种工工况况下下，液液压压缸缸可可推推动动的的最最大大负负载载和和运运动动速速度度各各是是多多少少？并并给给出出运运动方向。动方向。 解解：在图3.2（a）中，液压缸无杆腔进压力油，回油腔压力为零，因此，可推动的最大负载为：液压缸向左运动，其运动速度为：15在图3.2（b）中，液压缸为有杆腔进压力油，无杆腔回油压力为零，可推动的负载为：液压缸向左运动，其运动速度为：在图3.2（c）中，液压缸差动连接，可推动的负载力为：液压缸向左运动，其运动速度为：163.1.2 柱塞式液压缸图3.3柱塞式液压缸当活塞式液压缸行程较长时，加工难度大,使得制造成本增加。某些场合所用的液压缸并不要求双向控制,柱塞式液压缸正是满足了这种使用要求的一种价格低廉的液压缸。17图3.3柱塞式液压缸如如图图3.33.3（a a）所所示示，柱柱塞塞缸缸由由缸缸筒筒、柱柱塞塞、导导套套、密密封封圈圈和和压压盖盖等等零零件件组组成成，柱柱塞塞和和缸缸筒筒内内壁壁不不接接触触，因因此此缸缸筒筒内内孔孔不不需需精精加加工工，工工艺艺性性好好，成本低。成本低。18柱柱塞塞式式液液压压缸缸是是单单作作用用的的，它它的的回回程程需需要要借借助助自自重重或或弹弹簧簧等等其其它它外外力力来来完完成成。如如果果要要获获得得双双向向运运动动，可可将将两两柱柱塞塞液液压压缸缸成成对对使使用用为为减减轻轻柱柱塞塞的的重重量量，有有时时制制成成空空心心柱塞。柱塞。图3.3柱塞式液压缸QQVdd式中：d柱塞直径，p1进油压力，p2另一缸的回油压力。p1p2193.1.3 摆动式液压缸图3.4摆动液压缸摆动液压缸能实现小于360角度的往复摆动运动，由于它可直接输出扭矩，故又称为摆动液压马达，主要有单叶片式和双叶片式两种结构形式。20图3.4摆动液压缸 单单叶叶片片摆摆动动液液压压缸缸主要由定子块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，叶片和摆动轴固连在一起，当两油口相继通以压力油时，叶片即带动摆动轴作往复摆动。21图3.4摆动液压缸当考虑到机械效率时，单叶片缸的摆动轴输出转矩为p1p2（3.10）D 缸体内孔直径； d 摆动轴直径； b 叶片宽度；22图3.4摆动液压缸q根据能量守恒原理,结合式(3.10)得输出角速度为D 缸体内孔直径； d 摆动轴直径； b 叶片宽度；（3.11）23q 单叶片摆动液压缸单叶片摆动液压缸的的摆角摆角一般不超过一般不超过280 280 ，双叶片双叶片摆动液压缸摆动液压缸的的摆角摆角一般不超过一般不超过150 150 。 当输入压力和流量不变时，双叶片摆动液压缸摆动轴当输入压力和流量不变时，双叶片摆动液压缸摆动轴输出转矩输出转矩是相同参数单叶片摆动缸的两倍，而摆动角速度是相同参数单叶片摆动缸的两倍，而摆动角速度则是单叶片的一半。则是单叶片的一半。24q摆摆动动缸缸结结构构紧紧凑凑，输输出出转转矩矩大大，但但密密封封困困难难，一一般般只只用用于于中中、低低压压系系统统中中往往复复摆摆动动，转转位位或或间间歇运动的地方。歇运动的地方。25缸体3.1.4 3.1.4 伸缩式液压缸伸缩式液压缸伸缩式液压缸伸缩式液压缸 伸出伸出缩回缩回套筒活塞活塞伸缩式单作用缸伸缩式单作用缸26伸出伸出缩回缩回伸缩式液压缸的特点是：活塞杆伸出的行程长，收缩后的结构尺寸小，适用于翻斗汽车，起重机的伸缩臂等。27伸缩式双作用缸伸缩式双作用缸伸出伸出BA二级活塞缸体两端有进、出油口A和B。当A口进油，B口回油时，先推动一级活塞向右运动。一级活塞右行至终点时，二级活塞在压力油的作用下继续向右运动。28伸出伸出BA二级活塞293.1.5齿条活塞缸 齿条活塞缸由带有齿条杆的双作用活塞缸和齿轮齿条机构组成，活塞往复移动经齿条、齿轮机构变成齿轮轴往复转动。图3.6齿条活塞液压缸的结构图1紧固螺帽；2调节螺钉；3端盖；4垫圈；5O形密封圈；6挡圈；7缸套；8齿条活塞；9齿轮；l0传动轴；11缸体；12螺钉q303.2液压缸的结构图3.9双作用单活塞杆液压缸结构图l缸底；2卡键；3、5、9、11密封圈；4活塞；6缸筒；7活塞杆；8导向套；10缸盖；12防尘圈；13耳轴31图3.9双作用单活塞杆液压缸结构图l缸底；2卡键；3、5、9、11密封圈；4活塞；6缸筒；7活塞杆；8导向套；10缸盖；12防尘圈；13耳轴单活塞杆液压缸主要由缸底1、缸筒6、缸盖10、活塞4、活塞杆7和导向套8等组成。缸筒一端与缸底焊接，另一端与缸盖采用螺纹连接。活塞与活塞杆采用卡键连接。为了保证液压缸的可靠密封，在相应部位设置了密封圈3、5、9、11和防尘圈12。323.2.1.1缸筒与端盖的连接 图3.8缸体与缸盖的连接结构3.2.1缸体组件 33（2）半半环环式式连连接接，分为外半环连接和内半环连接两种连接形式。(1）法兰式连接）法兰式连接34（3）螺纹式连接）螺纹式连接外螺纹连接内螺纹连接35（5）焊接式连接）焊接式连接（4）拉杆式连接）拉杆式连接36 缸筒缸筒 是液压缸的主体，其内孔一般采用镗削、绞孔、滚压或珩磨等精密加工工艺制造，要求表面粗造度在0.1m0.4m。 端盖端盖 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，端盖及其连接件都应有足够的强度。 导导向向套套 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。 缸缸缸缸筒筒筒筒，端端端端盖盖盖盖和和和和导导导导向向向向套套套套的的的的材材材材料料料料选选选选择择择择和和和和技技技技术术术术要要要要求求求求可可可可参参参参考液压设计手冊。考液压设计手冊。考液压设计手冊。考液压设计手冊。373.2.3活塞组件 活塞组件由活塞、密封件、活塞杆和连接件等组成。活塞与活塞杆的连接形式 如图3.9所示，活塞与活塞杆的连接最常用的有螺纹连接和半环连接形式，除此之外还有整体式结构、焊接式结构、锥销式结构等。1一活塞杆；2一活塞；3一密封圈；4一弹簧圈；5一螺母1一卡键；2一套环；3一弹簧卡圈38活塞装置主要用来防止液压油的泄漏。对对密密封封装装置置的的基基本本要要求求是是具具有有良良好好的的密密封封性性能能，并并随随压压力力的的增增加加能能自自动动提高密封性提高密封性。除此以外，摩擦阻力要小，耐油。油缸主要采用密封圈密封，密封圈有O形、V形、Y形及组合式等数种，其材料为耐油橡胶、尼龙、聚氨脂等。（1）O形密封圈O形密封圈的截面为圆形，主要用于静密封。与唇形密封圈相比，运动阻力较大，作运动密封时容易产生扭转，故一般不单独用于油缸运动密封。39（1）O形密封圈图3.10O型密封圈的结构原理（a）普通型（b）有挡板型40O形圈密封的原理：任何形状的密封圈在安装时，必须保证适当的预压缩量，过小不能密封，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10MPa时，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，双向受高压时，两侧都要加挡圈。（a）普通型（b）有挡板型图3.10O型密封圈的结构原理41V形圈的截面为V形，如图3.11所示，V形密封装置是由压环、V形圈和支承环组成。当工作压力高于10MPa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。（2）V形密封圈a)压环b)V型圈c)支承环图3.11V形密封圈42Y形密封圈的截面为Y形，属唇形密封圈。它是一种摩擦阻力小、寿命较长的密封圈，应用普遍。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3.12所示为宽断面Y形密封圈。（3）Y（Yx）形密封圈 图3.12Y形密封圈43图3.12Y形密封圈Y形圈安装时，唇口端面应对着液压力高的一侧。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3.12（b）所示。443.2.3缓冲装置 为了防止这种危害，保证安全，应采取缓冲措施，对液压缸运动速度进行控制。 当液压缸带动质量较大的部件作快速往复运动时，由于运动部件具有很大的动能，因此当活塞运动到液压缸终端时，会与端盖碰撞，而产生冲击和噪声。这种机械冲击不仅引起液压缸的有关部分的损坏，而且会引起其它相关机械的损伤。453.2.3缓冲装置 图3.13液压缸缓冲装置46当活塞移至端部，缓冲柱塞开始插入缸端的缓冲孔时，活塞与缸端之间形成封闭空间，该腔中受困挤的剩余油液只能从节流小孔或缓冲柱塞与孔槽之间的节流环缝中挤出，从而造成背压迫使运动柱塞降速制动，实现缓冲。473.2.4 排气装置排气装置 液压传动系统往往会混入空气，使系统工作不稳定，液压传动系统往往会混入空气，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。工作。 因此，设计液压缸时，必须考虑空气的排除。因此，设计液压缸时，必须考虑空气的排除。对于速度稳定性要求较高的液压缸和大型液压缸，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。当松开排气塞或阀的锁紧螺钉后，低压往复运动几次，带有气泡的油液就会排出，空气排完后拧紧螺钉，液压缸便可正常。483.3 液压缸的设计与计算液压缸的计算及验算方法 首首先先根根据据使使用用要要求求确确定定液液压压缸缸的的类类型型，再再按按负负载载和和运运动动要要求求确确定定液液压压缸缸的的主主要要结结构构尺尺寸寸，必必要时需进行强度验算，最后进行结构设计。要时需进行强度验算，最后进行结构设计。液液压压缸缸的的主主要要尺尺寸寸包包括括液液压压缸缸的的内内径径D、缸缸的的长长度度L、活活塞塞杆杆直直径径d。主主要要根根据据液液压压缸缸的的负负载载、活塞运动速度和行程等因素来确定上述参数。活塞运动速度和行程等因素来确定上述参数。49液压缸工作压力的确定 液压缸要承受的负载包括有效工作负载、摩擦阻力和惯性力等。液压缸的工作压力按负载确定。对于不同用途的液压设备，由于工作条件不同，采用的压力范围也不同。设计时，液压缸的工作压力可按负载大小及液压设备类型参考表3.1来确定。503.3.1液压缸主要尺寸的确定 液液压压缸缸内内径径D和和活活塞塞杆杆直直径径d可根据最大总负载和选取的工作压力来定，对单杆缸而言，有：有杆腔进油时：有杆腔进油时：（3.17）（3.16）无杆腔进油时无杆腔进油时51有杆腔进油时：有杆腔进油时：（3.17）（3.16）无杆腔进油时无杆腔进油时式（3.17）中的杆径d可根据工作压力选取，见表3.4；当液压缸的往复速度比有一定要求时，由式（3.7）得杆径为（3.18）52计计算算所所得得的的液液压压缸缸内内经经D D和和活活塞塞杆杆直直经经d d应应圆圆整整为标准系列，参见为标准系列，参见新编液压工程手册新编液压工程手册。 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长度确定。其中活塞长度为（0.6-1.0）D，导向套长度为（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。533.3.2液压缸的校核 3.3.2.1缸筒壁厚的验算中、高压液压缸一般用无缝钢管做缸筒，大多属薄壁筒，即/D0.08。此时，可根据材料力学中薄壁圆筒的计算公式验算缸筒的壁厚，即（3.19） 当/D0.3时，可用下式校核缸筒壁厚(3.20)54当液压缸采用铸造缸筒时，壁厚由铸造工艺确定，这时应按厚壁圆筒计算公式验算壁厚。当/D=0.08-0.3时，可用下式校核缸筒的壁厚(3.21)式中: 缸筒内的最高工作压力缸筒材料的许允应力55 活塞杆长度根据液压缸最大行程活塞杆长度根据液压缸最大行程L L而定。对于而定。对于工作行程中受压的活塞杆，当活塞杆长度工作行程中受压的活塞杆，当活塞杆长度L L与其直与其直径径d d之比大于之比大于1515时，应对活塞杆进行稳定性验算。时，应对活塞杆进行稳定性验算。 关于稳定性验算的内容可查阅液压设计手册关于稳定性验算的内容可查阅液压设计手册。3.2.2.2 3.2.2.2 液压缸稳定性验算液压缸稳定性验算56小小 结结 液压缸用于实现往复直线运动和摆动，是液压系液压缸用于实现往复直线运动和摆动，是液压系统中最广泛应用的一种液压执行元件。液压缸有时需统中最广泛应用的一种液压执行元件。液压缸有时需专门设计。专门设计。设设设设计计计计液液液液压压压压缸缸缸缸的的的的主主主主要要要要内内内内容容容容1根根据据需需要要的的推推力力计计算算液液压压缸缸内内径径及及活活塞塞杆杆直径等主要参数；直径等主要参数；2对对缸缸壁壁厚厚度度、活活塞塞杆杆直直径径、螺螺纹纹连连接接的的强度及油缸的稳定性等进行必要的校核；强度及油缸的稳定性等进行必要的校核；3确确定定各各部部分分结结构构，其其中中包包括括密密封封装装置置、缸缸筒筒与与缸缸盖盖的的连连接接、活活塞塞结结构构以以及及缸缸筒筒的的固定形式等，进行工作图设计。固定形式等，进行工作图设计。习题 3.1 套套筒筒缸缸在在外外伸伸、内内缩缩时时，不不同同直直径径的的柱柱塞塞以以什什么么样样的的顺序运动，为什么？顺序运动，为什么？3.2 已已知知单单杆杆液液压压缸缸缸缸筒筒直直径径D=50mm，活活塞塞杆杆直直径径d=35mm，液液压压泵泵供供油油流流量量为为q=10L/min，试试求求，（1）液液压压缸缸差差动动连连接接时时的的运运动动速速度度；（2）若若缸缸在在差差动动阶阶段段所所能能克克服服的的外外负负载载F=1000N，缸缸内内油油液液压压力力有有多多大大（不不计计管管内压力损失）？内压力损失）？3.3 一一柱柱塞塞缸缸的的柱柱塞塞固固定定，缸缸筒筒运运动动，压压力力油油从从空空心心柱柱塞塞中中通通入入，压压力力为为P=10MPa，流流量量为为q=25L/min，缸缸筒筒直直径径为为D=100mm，柱柱塞塞外外径径为为d=80mm，柱柱塞塞内内孔孔直直径径为为do=30mm，试求柱塞缸所产生的推力和运动速度。试求柱塞缸所产生的推力和运动速度。习题 3.4 设设计计一一单单杆杆活活塞塞液液压压缸缸，要要求求快快进进时时为为差差动动连连接接,快快进进和和快快退退（有有杆杆腔腔进进油油）时时的的速速度度均均为为6m/min。工工进进时时（无无杆杆腔腔进进油油，非非差差动动连连接接）可可驱驱动动的的负负载载为为F=25000N，回回油油背背压压为为0.25MPa，采采用用额额定定压压力力为为6.3MPa、额额定定流流量量为为25L/min的的液液压压泵泵，试试确确定定；（1）缸缸筒筒内内径径和和活活塞塞杆杆直直径径各各是是多多少少？（2）缸缸筒筒壁壁厚厚（缸缸筒筒材材料料选选用用无无缝缝钢钢管管）是是多少？多少？ 3.5 试述柱塞式液压缸的特点。试述柱塞式液压缸的特点。 3.6 液压缸为什么要设置缓冲装置？应如何设置？液压缸为什么要设置缓冲装置？应如何设置？ 3.7 液压缸为什么要设置排气装置？液压缸为什么要设置排气装置？ 3.8 分分别别写写出出摆摆动动液液压压缸缸的的输输出出扭扭矩矩和和角角速速度度的的计计算算公公式，并注明式中各符号的物理意义。式，并注明式中各符号的物理意义。