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1、,第三章 液压缸,液压与气压传动,Chapter 3 液压缸 本章主要内容：3.1 液压缸的类型及特点 3.2 液压缸的结构 3.3 液压缸主要尺寸的确定及选用,第三章 液压缸,液压与气压传动,了解液压缸的结构形式、工作原理；掌握液压缸的设计计算方法和特点。,单杆活塞液压缸；密封、缓冲、排气。,目的任务:,重点难点:,第三章 液压缸,液压与气压传动,液压缸是实现直线往复运动的执行元件。,液压与气压传动中的执行元件是将流体的压力能转化为机械能的元件。它驱动机构作直线往复或旋转（或摆动）运动，其输入为压力和流量，输出为力和速度，或转矩和转速。,第三章 液压缸,液压与气压传动,Part 3.1 液压
2、缸的类型和特点,液压缸按其结构形式，可以分为活塞缸、柱塞缸和组合缸等。,1.活塞式液压缸,1）双杆活塞缸 图3-1a所示为缸筒固定的双杆活塞缸，活塞两侧的活塞杆直径相等它的进、出油口位于缸筒两端。当工作压力和输入流量相同时，两个方向上输出的推力F和速度v是相等的。其值为：,图3-1 双杆活塞缸a）缸筒固定,第三章 液压缸,液压与气压传动,式中 A 活塞的有效面积；D、d 活塞和活塞杆的直径；q 输入流量；p1、p2 缸的进、出口压力；m、V 缸的机械效率、容积效率。,（3-1）,（3-2）,1）双杆活塞缸,这种安装形式，工作台移动范围约为活塞有效行程的三倍，占地面积大，适用于小型机械。,第三章
3、 液压缸,液压与气压传动,图3-1b所示为活塞杆固定的双杆活塞缸。它的进、出油液可经活塞杆内的通道输入液压缸或从液压缸流出。也可以用软管连接，进、出口就位于缸的两端。它的推力和速度与缸筒固定的形式相同。但是其工作台移动范围为缸筒有效行程的两倍，故可用于较大型的机械。,图3-1 双杆活塞缸b）活塞杆固定,1）双杆活塞缸,第三章 液压缸,液压与气压传动,2）单杆活塞缸 图3-2所示为单杆活塞缸。由于只在活塞的一端有活塞杆，使两腔的有效工作面积不相等，因此在两腔分别输入相同流量的情况下，活塞的往复运动速度不相等。它的安装也有缸筒固定和活塞杆固定两种，进、出口的布置根据安装方式而定；但工作台移动范围都
4、为活塞有效行程的两倍。,2）单杆活塞缸,图3-2 单杆活塞缸a）向右运动 b）向左运动,第三章 液压缸,液压与气压传动,2）单杆活塞缸,单杆活塞缸的推力和速度计算式如下：,（3-3）,（3-4）,（3-5）,（3-6）,第三章 液压缸,液压与气压传动,在液压缸的活塞往复运动速度有一定要求的情况下，活塞杆直径d通常根据液压缸速度比=v2/v1的要求以及缸内径D来确定。由式（3-5）和式（3-6）得：,2）单杆活塞缸,（3-7）,由此可见，速比v越大，活塞杆直径d越大。,第三章 液压缸,液压与气压传动,图3-3 差动液压缸,单杆活塞缸的左右腔同时接通压力油，如图3-3所示，称为差动连接，此缸称为差
5、动液压缸。差动液压缸左、右腔压力相等，但左、右腔有效面积不相等，因此，活塞向右运动。差动连接时因回油腔的油液进入左腔，从而提高活塞运动速度，其推力和速度按下式计算：,3）差动液压缸,（3-9）,向液压缸右腔输油，而左腔通油箱活塞便向左运动，推力和速度与式（3-4）式（3-6）相同。如要求v3和活塞向左运动的速度v2相等，即v3=v2，则必须使D=,第三章 液压缸,液压与气压传动,2.柱塞式液压缸,图3-5 柱塞式液压缸a）单柱塞缸 b）双柱塞缸1缸筒 2柱塞,单柱塞缸只能实现一个方向运动，反向要靠外力，如图3-5a所示。用两个柱塞缸组合，如图3-5b所示，也能用压力油实现往复运动。柱塞运动时，
6、由缸盖上的导向套来导向，因此，缸筒内壁不需要精加工。它特别适用于行程较长的场合。,（3-11）,（3-12）,式中 d柱塞直径,第三章 液压缸,液压与气压传动,3.伸缩式液压缸,伸缩式液压缸由两上或多个活塞套装而成，前一级缸的活塞杆是后一级缸的缸筒。伸出时，可以获得很长的工作行程，缩回时可保持很小的结构尺寸。（见课件2图2-38）所示为一种双作用式普通伸缩缸，在各级活塞依次伸出时，液压缸的有效面积是逐级变化的。在输入流量和压力不变的情况下，则液压缸的输出推力和速度也逐级变化。其值为：,式中 i第i级活塞,这种液压缸起动时，活塞有效面积最大，因此，输出推力也最大。随着行程逐级增长，推力随之逐级减
7、小；速度则逐级增快。如欲推力和速度始终保持恒定，可采用同步伸缩液压缸。,（3-14),（3-13),第三章 液压缸,液压与气压传动,第三章 液压缸,液压与气压传动,4.增压式液压缸,图2-39所示为一种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，活塞缸中的有效面积大于柱塞的有效工作面积，所以向活塞缸无杆腔输入低压油时可以在柱塞缸出口得到高压油。,第三章 液压缸,液压与气压传动,从图3-7可以看到，液压缸的结构可以分为缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置和排气装置五个部分。,Part 3.2 液压缸的结构,图3-7单杆活塞式液压缸结构1活塞杆 2防尘圈 3
8、活塞杆密封 4活塞杆导向环 5、7、16、19反衬密封圈6、8、10、17、18O型密封 9活塞前缓冲 11活塞 12活塞密封 13、15低摩密封 14螺钉止动销 20止动销 21密封圈 22前缸盖 23法兰 24可调缓冲器 25螺纹止动销 26缸筒 27后缓冲套 28后止动环 29后缸盖,第三章 液压缸,液压与气压传动,1.缸筒和缸盖,缸筒和缸盖的常见连接结构形式如图3-10所示。,第三章 液压缸,液压与气压传动,2.活塞和活塞杆,活塞和活塞杆的结构形式很多，有螺纹式连接和半环式连接等，如图3-9所示。前者结构简单，但需有螺母防松装置。后者结构复杂，但工作较可靠。此外，在尺寸较小的场合，活塞
9、和活塞杆也有制成整体式结构的。,图3-9 活塞和活塞杆的结构a）螺纹式连接 b）半环式连接1弹簧卡圈 2轴套 3螺母 4半环 5压板 6活塞 7活塞杆,第三章 液压缸,液压与气压传动,在液压与气压传动系统及其元件中，安置密封装置和密封元件的作用，在于防止工作介质的泄漏及外界尘埃和异物的侵入。设置于密封装置中、起密封作用的元件称为密封件。,液压与气压传动的工作介质，在系统及元件的容腔内流动或暂存时，由于压力、间歇、粘度等因素的变化，而导致少量工作介质越过容腔边界，由高压腔向低压腔或外界流出，这种“越界流出”现象称为泄漏。,1）密封的作用及其意义,3.密封装置（p226）,第三章 液压缸,液压与气
10、压传动,泄漏分为内泄漏和外泄漏两类。,对于液压传动系统，内泄漏会引起系统容积效率的急剧下降，达不到所需的工作压力，使设备无法正常运作；外泄漏则造成工作介质浪费和污染环境，甚至引发设备操作失灵和人身事故。,内泄漏指在系统或元件内部工作介质由高压腔向低压腔的泄漏；外泄漏则是由系统或元件内部向外界的泄漏。,单位时间内泄漏的工作介质的体积称为泄漏量。,正确和合理地使用密封件是液压与气压传动系统正常运转的重要保证,第三章 液压缸,液压与气压传动,密封的作用是阻止泄漏。造成泄漏的原因主要有两方面：一是密封面上有间隙；二是密封部位两侧存在较大压力差。消去或减小任一因素都可以阻止或减小泄漏。因此，密封的方法通
11、常有：1）封住结合面的间隙；2）切断泄漏通道；3）增加泄漏通道中的阻力；4）设置作功元件，对泄漏介质造成压力，以抵消或平衡泄漏通道的压力差。,2）密封的分类,第三章 液压缸,液压与气压传动,表5-1 密封的分类,根据被密封的偶合面在设备运转时有无相对运动，可将密封分为静密封和动密封两大类。另外按照密封件的制作材料、结构形式和密封机理等还可进一步细分。密封的分类见下表。,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第三章 液压缸,液压与气压传动,第三章 液压缸,液压与气压传动,除间隙密封外，密封都是利用密封件使偶合面间的间隙控制在工作介质能通过的最小间
12、隙之下。该最小间隙取决于工作介质的压力、粘度、相对分子质量等。,接触式动密封中的压型密封，是通过由预压缩力和介质压力产生的压紧力，在密封件与偶合面之间形成接触压力，介质压力愈高，接触压力愈大，使密封件与耦合面紧密贴合，以阻塞泄漏通道，达到自密封。而自封式自紧型密封，则是利用密封件自身变形所产生的反压力也随介质压力的增加而增大，从而达到自密封。,现介绍常用的O形、Y形和V形密封圈的主要性能、密封原理及其应用。,3）常用密封件,第三章 液压缸,液压与气压传动,O型密封圈,I.主要性能,O形封圈是一种截面为圆形的橡胶圈，如图3-14所示。其材料主要为丁腈橡胶或氟橡胶。O形密封圈是液压与气压传动系统中
13、使用最广泛的一种密封件。它主要用于静密封和往复运动密封。,图5-1 O形密封圈d1O形圈内径 d2O形圈截面直径,其使用速度范围一般为0.0050.3m/s。用于旋转运动密封时，仅限于低速回转密封装置。如液压挖掘机的中央回转接头的分配阀动密封机构。一般O形密封圈在旋转运动密封装置中使用较少。,第三章 液压缸,液压与气压传动,O形密封圈与其他形式密封圈比较，具有以下优点：,1）结构小巧，装拆方便。2）静、动密封均可使用。3）动摩擦阻力比较小。4）使用单件O形密封圈，可对两个方向起密封作用。5）价格低廉。,但是，当设备闲置时间过久而再次起动时，O形密封圈的摩擦阻力会因其与密封副耦合面的粘附而陡增，
14、并出现蠕动现象。,第三章 液压缸,液压与气压传动,II.应用,O形密封圈一般安装在外圆或内圆上截面为矩形的沟槽内起密封作用，如下图所示。,图5-4 O形密封圈的安装a)在外圆的矩形槽内 b)在内圆的矩形槽内,第三章 液压缸,液压与气压传动,当被密封的介质工作压力较高时，O形密封圈会因产生弹性变形而被挤进密封耦合面间的缝隙，引起密封圈破坏。,解决方法:,当动密封工作压力超过7MPa或静密封工作压力大于32MPa时，应在O形密封圈低压侧安置挡圈；若双向交替受介质压力，则于密封圈两侧各加一个挡圈，如下图所示。,图5-6 O形密封圈挡圈的安装a)单向受压 b)双向交替受压,在经常承受脉冲压力的密封装置
15、中，也应采用挡圈，以防止密封圈异常损耗。挡圈的材料一般为聚四氟乙烯树脂，或尼龙1010和尼龙6等。,第三章 液压缸,液压与气压传动,Y型密封圈,I.主要性能,Y形密封圈的截面呈Y形，是一种典型的唇形密封圈。,按其截面的高、宽比例不同，可分为宽型、窄型、Yx型等几类,若按两唇的高度是否相等，则可分为轴、孔通用型的等高唇Y形密封圈和不等高唇的轴用Y形密封圈和孔用Y形密形圈,如图5-7所示。,图5-7 Y形密封圈a)等高唇 b)不等高唇（Yx型）,School of Mechanical Engineering,东南大学机械工程学院,第三章 液压缸,液压与气压传动,Y形密封圈广泛应用于往复动密封装置
16、中，其使用寿命高于O形密封圈。,工作速度范围：采用丁腈橡胶制作时为0.010.6m/s；采用氟橡胶制作时，为0.050.3m/s；采用聚氨酯橡胶制作时，则为0.011m/s。Y形密封圈的密封性能、使用寿命及不用挡圈时的工作压力极限，都以聚氨酯橡胶材质为佳。,Y形密封圈的适用工作压力不大于40MPa，工作温度为-30+80。,Y形密封圈的性能特点：,1）密封性能可靠；2）摩擦阻力小，运动平稳；3）耐压性好，适用压力范围广；4）结构简单，价格低廉；5）安装方便。,第三章 液压缸,液压与气压传动,II.密封原理,Y形密封圈依靠其张开的唇边贴于密封副耦合面，并呈线状接触，在介质压力作用下产生“峰值”接
17、触应力，压力越高，应力越大。当耦合件以工作速度相对运动时，在密封唇与滑移耦合面之间形成一层密封液膜，从而产生密封作用。密封唇边磨损后，由于介质压力的作用而具有一定的自动补偿能力。,第三章 液压缸,液压与气压传动,III.应用,安装Y形密封圈时，唇口一定要对着压力高的一侧，才能起密封作用。,为了防止在高压状态下，Y型密封圈的根部因材质塑性变形而被挤入密封耦合面的间歇，故应控制滑移耦合件间的配合间隙的大小，使其不超过规定的最大值c，见图5-9a。对于工作压力大于16MPa的Y形密封圈，为保证其使用寿命，防止密封圈的根部被挤入配合间隙，应在密封圈根部处安装挡圈，如图5-9b所示。,图5-9 Y形密封
18、圈的安装a）控制间隙 b）安装挡圈1挡圈,第三章 液压缸,液压与气压传动,V型密封圈,I.主要性能,V形密封圈的截面呈现V形，也是一种典型的唇形密封圈。,根据制作的材料不同，可分为纯橡胶V形密封圈和夹织物（夹布橡胶）V形密封圈等。,V形密封圈的密封装置由压环、V形密封圈和支承环三部分组成，如图5-11所示。,图5-11 V形密形装置1压环 2V形密封圈 3支承环,第三章 液压缸,液压与气压传动,V形密封圈主要用于液压缸活塞和活塞杆的往复动密封，其运动摩擦阻力较Y形密封圈大，但密封性能可靠、使用寿命长。,工作速度范围：采用丁腈橡胶制作时为0.020.3m/s；采用夹布橡胶制作时为0.0050.5
19、m/s。,当发生泄漏时，可只调整压环或填片而无须更换密封圈。,V形密封圈的最高工作压力60MPa，适用工作温度-30+80,第三章 液压缸,液压与气压传动,V形密封圈的性能特点：,1）耐压性能好，使用寿命长；2）根据使用压力的高低，可以合理地选择V形密封圈的数量以满足密封要求；并可调整压紧力来获得最佳综合效果；3）根据密封装置不同的使用要求，可以交替安装不同材质的V形密封圈，以获得不同的密封特性和最佳综合效果；4）维修和更换密封圈方便；5）密封装置的轴向尺寸大，摩擦阻力大。,第三章 液压缸,液压与气压传动,II.应用,安装V形密封圈时，同样必须将密封圈的凹口面向工作介质的高压一侧，如右图所示。
20、,图5-12 V形密封圈的安装与调整1调节螺栓 2调整垫片,第三章 液压缸,液压与气压传动,V形密封装置中，压环上的V形槽角度，应与V形密封圈完全吻合。压环与密封副耦合面之间间隙大小应严格控制，以防止V形密封圈的唇边在介质压力作用下，被挤入间隙而造成唇边撕裂。,第三章 液压缸,液压与气压传动,在液压缸中，防尘圈被设置于活塞杆或柱塞密封外侧，用以防止在活塞杆或柱塞运动期间，外界尘埃、砂粒等异物侵入液压缸，从而引起密封圈、导向环和支承环等的损伤和早期磨损，并污染工作介质，导致液压元件损坏。,4.防尘圈（p242）,第三章 液压缸,液压与气压传动,普通型防尘圈呈舌形结构，如下图所示。分为有骨架式和无
21、骨架式两种。,普通型防尘圈只有一个防尘唇边，其支承部分的刚性较好，结构简单，装拆方便。制作材料一般为耐磨的丁腈橡胶或聚胺酯橡胶。,图5-24 普通型防尘圈a）截面 b）安装1内唇 2防尘唇 3防尘圈 4轴,防尘圈内唇受压时，具有密封作用，并在安装沟槽接触处形成静密封。,普通型防尘圈的工作条件：工作速度：不大于1m/s；工作温度：-30+110；工作介质：石油基液压油和水包油乳化液。,第三章 液压缸,液压与气压传动,5.缓冲装置（p113）,缓冲装置是利用活塞或缸筒移动到接近终点时，将活塞和缸盖之间的一部分油液封住，迫使油液从小孔或缝隙中挤出，从而产生很大的阻力，使工作部件平稳制动，并避免活塞和
22、缸盖的相互碰撞。,第三章 液压缸,液压与气压传动,Part 3.1.2 液压缸的结构,5.缓冲装置,1）节流口可调式缓冲装置（图3-10d）当活塞上的缓冲柱塞进入端盖凹腔后，圆环形的回油腔中的油液只能通过针形节流阀流出，这就使活塞制动。调节节流阀的开口，可改变制动阻力的大小。这种缓冲装置起始缓冲效果好，随着活塞向前移动，缓冲效果逐渐减弱，因此它的制动行程较长。,图3-10 d)液压缸缓冲装置的工作原理（缓冲柱塞的形式）,第三章 液压缸,液压与气压传动,Part 3.1.2 液压缸的结构,4.缓冲装置,2）节流口变化式缓冲装置（图3-10c）它的缓冲柱塞上开有变截面的轴向三角形节流槽。当活塞移近
23、端盖时，回油腔油液只能经过三角槽流出，因而使活塞受到制动作用。随着活塞的移动，三角槽通流截面逐渐变小，阻力作用增大，因此，缓冲作用均匀，冲击压力较小，制动位置精度高。,图3-10 c)液压缸缓冲装置的工作原理（缓冲柱塞的形式）,第三章 液压缸,液压与气压传动,Part 3.2 液压缸的结构,6.排气装置,排气装置用来排除积聚在液压缸内的空气。常用的排气装置如图3-12所示。图3-12a所示为在液压缸的最高部位设置排气孔与排气阀连接进行排气。图3-12b为在液压缸的最高部位处安装排气塞。,图3-12 排气装置 a）排气阀 b）排气塞,第三章 液压缸,液压与气压传动,Part 3.3 液压缸主要尺
24、寸的确定及选用(p128),1、分析液压系统工作情况；2、根据液压缸在机构中所要完成的任务来选择液压缸的结构形式；3、按负载、运动要求、最大行程等确定主要尺寸；4、进行强度、稳定性和缓冲验算；5、进行具体的结构设计。,Part 3.3.1 设计液压缸的步骤,第三章 液压缸,液压与气压传动,Part 3.3.2 应注意的问题,1）尽量使活塞杆在受拉力状态下承受最大负载，或在受压状态下活塞杆应具有良好的纵向稳定性；2）液压缸各部分的结构尽可能按推荐的结构形式和设计标准进行设计，尽量做到结构简单、紧凑，加工、装配和维修方便；3）考虑液压缸行程终端处的制动和液压缸的排气问题；4）正确确定液压缸的安装和
25、固定方式。考虑液压缸的热变形，它只能一端定位。,第三章 液压缸,液压与气压传动,Part 3.3.3 主要尺寸的确定,1）缸筒内径D 根据负载大小和选定的工作压力，或运动速度和输入流量，按本章有关算式确定后，再从GB/T23482001标准中选取相近尺寸加以圆整。,3）缸筒长度L 由最大工作行程决定。,2）活塞杆直径d 按工作时受力情况来决定，如加表所示。对单杆活塞缸，d值也可由D和v来决定。按GB/T23482001标准进行圆整。行业标准JB/T79391999规定了单杆活塞液压缸两腔面积比的标准系列。,表3-3 机床液压缸活塞杆直径推荐值,第三章 液压缸,液压与气压传动,Part 3.3.
26、4 强度校核,对于液压缸的缸筒壁厚、活塞杆直径d和缸盖处固定螺钉的直径，在高压系统中，必须进行强度校核。,第三章 液压缸,液压与气压传动,1.缸筒壁厚,在中、低压液压系统中，缸筒壁厚往往由结构工艺要求决定，一般不要校核。在高压系统中，须按下列情况进行校核。,Part 3.3.4 强度校核,第三章 液压缸,液压与气压传动,2.活塞杆直径d的校核,Part 3.3.4 强度校核,式中 F活塞杆上的作用力;活塞杆材料的许用应力，=b/1.4。,（3-36）,第三章 液压缸,液压与气压传动,3.缸盖固定螺栓ds的校核,Part 3.3.4 强度校核,式中 F液压缸负载；k螺纹拧紧系数，k=1.121.
27、5；z固定螺栓个数；螺栓材料许用应用，=s/（1.222.5），s 为材料屈服点。,（3-37）,第三章 液压缸,液压与气压传动,4.稳定性校核,Part 3.3.4 强度校核,活塞杆受轴向压缩负载时，其值F超过某一临界值Fk，就会失去稳定。活塞杆稳定性按下式进行校核。,式中 nk安全系数，一般取nk=24,（3-38）,第三章 液压缸,液压与气压传动,4.稳定性校核,Part 3.3.4 强度校核,4.稳定性校核,Part 3.3.4 强度校核,第三章 液压缸,液压与气压传动,液压缸的缓冲计算主要是估计缓冲时缸内出现的最大冲击压力，以便校核缸筒强度，另外还应校核制动距离是否符合要求。,液压缸缓冲时，背压腔内产生的液压能E1和工作产生的机械能E2分别为（见图3-10d）,式中 pc缓冲腔中的平均缓冲压力；pp高压腔中的油液压力；Ac、Ap缓冲腔、高压腔的有效工作面积；,（3-41）,（3-42）,式中 lc缓冲行程长度；m工作部件质量；v工作部件运动速度；Ff摩擦力。,5.缓冲计算,第三章 液压缸,液压与气压传动,式（3-42）表示了：工作部件产生的机械能E2是高压腔中的液压能与工作部件的动能之和，再减去因摩擦消耗的能量。当E1=E2，即工作部件的机械能全部 被缓冲腔液体吸收时，则得,（3-43）,5.缓冲计算,精品课件资料分享,SL出品,
