液压传动第4章上课讲义.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第四章 液压缸,液压缸的类型及特点,液压缸的设计计算,液压缸的典型结构,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,结构类型的选择,和,参数计算,等，为液压缸设计打下基础。,本章主要内容为：,1,液压缸,（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。,p,1,p,2,F,V,d,Q,A,液压缸,压力,p,流量,Q,液压功率,作用力,F,速度,V,机械功率,2,液压缸,3,液压缸,三梁四柱式压力机,4,4.1 液压缸的类型及特点,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,双杆液压缸,柱塞式液压缸,5,4.1.1,活塞式液压缸,（一）、单杆活塞缸,1.结构：,缸体、活塞、活塞杆、密封、缸盖等,6,2.工作原理,：,工作原理：,因两侧有效作用面积或油液压力不等，,活塞在液压力的作用下，作直线往复运动,。,无杆腔,进油腔,回油腔,有杆腔,7,职能符号：,单杆单作用活塞缸,单杆双作用活塞缸,双向液压驱动,单向液压驱动，,回程靠外力。,8,3.,基本参数,1）,推力,式中：,p,1,进油压力,p,2,回油压力,9,2）,速度,特点：同样,q,，,v,1,F,2,。,4,.应用,：,往返运动速度及推力不同的场合。,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：,当活塞杆直径愈小时，速度比接近1，在两个方向上的速度差值就愈小。,(a)无杆腔进油,D,d,q,(b)有杆腔进油,q,11,例：液压刨床,12,习题讲解,2.11在图示液压缸装置中，,d,1,20mm，,d,2,40mm，,D,1,75mm，,D,2,125mm，,q,1,25L/min。求,v,1,、,v,2,和,q,2,各为多少？,13,习题讲解,2.12如图所示，油管水平放置，截面11、22处的内径分别为,d,15mm，,d,220mm，在管内流动的油液密度,900/m，运动粘度,20mm/s。若不计油液流动的能量损失，试问：,截面11和22哪一处压力较高？为什么？,若管内通过的流量,q,30L/min，求两截面间的压力差,p,。,14,两腔进油,差动联接,(c)差动联接,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,。,15,差动缸,推力,：,速度：,特点：,v,3,v,1,；,F,3,F,1,。,结论：,差动连接后，速度大，推力小。,代入上式：,q,1,q,2,p q,活塞只有一个，设此时的速度为,v,3,16,差动缸,如令：,则有,：,结论,：,当,时，快进、快退(非差动连接）,速度相等,。,或,q,1,q,2,p q,17,两腔进油,差动联接,(c)差动联接,q,q,等效,差动连接,时,液压缸,的,有效作用面积,是,活塞杆的横截面积,，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，实现快速运动的有效办法。,18,单杆缸运动比较,19,差动液压缸计算举例,例4.1,：,已知单活塞杆液压缸的缸筒内径D=100mm，活塞杆直径d=70mm，进入液压缸的流量q=25L/min，压力P1=2Mpa，P2=0。液压缸的容积效率和机械效率分别为0.98、0.97，试求在图(a)、(b)、(c)所示的三种工况下，液压缸可推动的最大负载和运动速度各是多少？并给出运动方向。,解：,在图（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：,液压缸活塞向左运动，其运动速度为：,20,在图（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（c）中，液压缸差动连接，可推动的负载力为：,液压缸向右运动，其运动速度为：,差动连接的计算对吗？,21,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）,22,1.结构特点：两侧有效工作面积一样。,(二)、,双杆活塞缸,2.基本参数：,23,3）,应用：,职能符号：,l,活塞有效工作行程。,缸固定,L,=3,l,杆固定,L,=2,l,两个方向力和速度一样的场合。,24,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有效行程的,三倍,（见图A）。一般,多用于小机床,；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度为液压缸有效行程的,两倍,（见图B），,适用于中型及大型机床,。,25,活塞式液压缸典型结构,1,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,26,4.1.2 柱塞式液压缸,图4.3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。,27,图4.3(a)柱塞式液压缸,如图4.3（a）所示，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。,28,柱塞式液压缸是,单作用,的，它的回程需要借助自重或弹簧等其它外力来完成。如果要获得双向运动，可将两柱塞液压缸成对使用为减轻柱塞的重量，有时制成,空心柱塞,。,图4.3(b)柱塞式液压缸,Q,Q,V,d,d,式中：,d,柱塞直径，,p,1,进油压力，,p,2,另一缸的回油压力。,p,1,p,2,29,柱塞缸,柱塞缸2,30,4.1.3 摆动式液压缸,图4.4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。,31,图4.4摆动液压缸,单叶片摆动液压缸,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。,32,q,单叶片摆动液压缸,的,摆角,一般不超过,280,，,双叶片摆动液压缸,的,摆角,一般不超过,150,。,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,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。,33,q,摆动缸结构紧凑，输出转矩大，但密封困难，一般只用于中、低压系统中往复摆动，转位或间歇运动的地方34,摆动式液压缸,35,缸体,4.1.4 伸缩式液压缸,伸出,缩回,套筒活塞,活塞,伸缩式单作用缸,36,伸出,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。,37,伸缩式双作用缸,伸出,B,A,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，先推动一级活塞向左运动。一级活塞左行至终点时，二级活塞在压力油的作用下继续向左运动。,38,伸出,B,A,二级活塞,39,伸缩式液压缸,伸缩缸又称多级缸，其特点是伸出行程长，缩回尺寸小。,40,4.1.5,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4.6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；5,O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,q,41,4.1.6 增压液压缸,说明：,1.增压缸不是换能元件，输入、输出均为压力能；,2.增压缸增压的同时使输出的流量减小，其总能量保持不变。,42,增压液压缸：,使局部油路获得高压，起压力放大作用，它不是执行元件。故又称为增压器。,类型：,单作用、双作用,（1）单作用增压缸,43,工作原理：当输入活塞缸的液体压力为p,1,，活塞直径为D，柱塞直径为d时，柱塞缸中输出的液体压力为高压，其值为：,式中：K=D,2,/d,2,，称为增压比，它代表其增压程度。,工作特点：不能连续输出高压液体；增压行程短。为连续的获得高压，需采用双作用增压缸。,（2）双作用增压缸,44,4.2 液压缸的结构,图 4.7 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,45,图 4.7 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。,46,4.2.1.1 缸筒与端盖的连接,图4.8缸体与缸盖的连接结构,4.2.1 缸体组件,47,（2）半环式连接,，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,48,（3）螺纹式连接,外螺纹连接,内螺纹连接,49,（5）焊接式连接,（4）拉杆式连接,50,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0.1,m0.4,m,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。,缸筒，端盖和导向套的材料选择和技术要求可参考液压设计手冊。,51,4.2.3 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4.9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,52,活塞装置主要用来防止液压油的泄漏。对密封装置的,基本要求,是具有良好的,密封性能,，并随压力的增加能自动提高密封性,。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。,53,（1）O形密封圈,图4.10 O型密封圈的结构原理,（a）普通型,（b）有挡板型,54,O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4.10 O型密封圈的结构原理,55,V形圈的截面为V形，如图4.11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4.11 V形密封圈,56,Y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4.12所示为宽断面Y形密封圈。,（3）Y（Y,x,）形密封圈,图4.12 Y形密封圈,57,图4.12 Y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4.12（b）所示。,58,4.2.3 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。,59,4.2.3 缓冲装置,图4.13 液压缸缓冲装置,60,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。,61,4.2.4 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，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，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。,62,液压缸在液压系统中的应用,升降台 压力机 假肢,63,液压缸工作,64,4.3 液压缸的设计计算,确定液压缸的类型,液压缸的强度计算,确定液压缸的主要尺寸（DdL),液压缸的结构设计,液压缸一般来说是标准件，但有时也需要自行设计。本节主要介绍液压缸主要尺寸的计算及强度、刚度的验算方法。,65,1、工作压力的选取,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压力。,一、液压缸主要尺寸的确定,2、活塞杆直径d与缸筒内径D的计算,受拉时：,d=(0.3-0.5)D,受压时：,d=(0.5-0.55)D(p15mpa)d=(0.6-0.7)D (5mpa p17mpa),66,3、液压缸缸筒壁厚和外径的计算,对于液压缸的缸筒壁厚,、活塞杆直径,d,和缸盖处的固定螺钉的直径，在高压系统中，必需进行校核。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。,缸筒最薄处壁厚：,p,y,D,/2(,),缸筒壁厚；,D,缸筒内径；,p,y,缸筒度验压力，当额定压P,n,160 x10,5,P,a,时，Py=1.25Pn；,(,)缸筒材料许用应力。(,)=,b,/n。,67,5、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之比大于15时，应按材料力学有关公式对活塞进行压杆稳定性验算。,4、活塞杆的计算,直径强度校核：,d4,F,/(,),1/2,d活塞杆直径；F液压缸的负载；(,)活塞杆材料许用应力，(,)=,b,/n。,68,二、液压缸的结构设计,1、缸体与端盖的连接,69,2、活塞和活塞杆的连接形式,70,3、缓冲装置,当活塞快速运动到接近缸盖时，增大排油阻力，使液压缸的排油腔产生足够的缓冲压力，使活塞减速，从而避免与缸盖快速相撞。,71,目前所采用的缓冲方式主要有两种：,缝隙节流缓冲,（如图a）和,小孔节流缓冲,（如图b）；当活塞移动到端部时，缓冲柱塞开始插入缓冲孔，活塞与缸底的封闭容积里困的油液只能从节流孔或缝隙中出来，形成缓冲效果。,缓冲的原理：,72,4、密封装置,液压缸中的密封主要指,活塞和缸体之间,，,活塞杆和端盖之间,的密封，用于防止内、外泄漏。,密封装置的要求：,(1)在一定工作压力下，具有良好的密封性能。,(2)相对运动表面之间的摩擦力要小，且稳定。,(3)要耐磨，工作寿命长，或磨损后能自动补偿。,(4)使用维护简单，制造容易，成本低。,73,4、密封装置,密封形式：,间隙密封；,活塞环密封；,密封圈密封。(主要采用）,74,4、密封装置,(1)、间隙密封：,三角形环形槽（平衡槽）,75,4、密封装置,(2)活塞环密封（开口金属环）：适用于高压、高速 或密封性能要求较高的场合。,76,4、密封装置,(3)、密封圈密封：,(1)结构简单，制造方便，成本低；,(2)能自动补偿磨损；,(3)密封性能可随压力加大而提高，密封可靠；,(4)被密封的部位，表面不直接接触，所以加 工精度可以放低,(5)既可用于固定件，也可用于运动件。,1）优点：,77,4、密封装置,(3)、密封圈密封：,密封圈的材料应具有较好的,弹性,，适当的,机械强度,，耐热耐磨性能好，摩擦系数小，与金属接触不互相粘着和腐蚀，与液压油有很好的“相容性”。,2）材料要求：,材料：耐油橡胶；,尼龙,聚氨脂,78,4、密封装置,(3)、密封圈密封：,3）密封圈形状：,“O”形；,“Y”形；,“V”形。,79,4、密封装置,(3)、密封圈密封：,活塞杆和端盖处的密封,80,4、密封装置,(3)、密封圈密封：,回转轴密封圈,81,5、排气装置,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,。,82,小 结,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。液压缸有时需专门设计。,设计液压缸的主要内容,1根据需要的推力计算液压缸内径及活塞杆直径等主要参数；,2对缸壁厚度、活塞杆直径、螺纹连接的强度及油缸的稳定性等进行必要的校核；,3确定各部分结构，其中包括密封装置、缸筒与缸盖的连接、活塞结构以及缸筒的固定形式等，进行工作图设计。,小 结,1.常用的液压缸种类：活塞缸（单杆和双 杆、柱 塞缸、伸缩缸、齿条活塞缸、摆动缸等；,本章主要知识点,2活塞缸中，不同的固定方式会导致不同的占用空间量；,3液压缸的主要结构特点（连接、密封、缓冲等；,4液压缸的计算,主要计算参数是力和速度。,（重点）,作 业,1.有一单活塞杆液压缸，已知缸筒内径,D=125mm,活塞杆直径,d=90mm,，进油流量,q=40L/min,，进油压力,p,1,=2.5MPa,回油压力,P2=0,.试求：,1）当压力油从无杆腔进入、有杆腔回油时，活塞的运动速度v,1,及推力F,1,；,2）当压力油从有杆腔进入、无杆腔回油时，活塞的运动速度v,2,及推力F,2,；,3）若将其差动连接，活塞的运动速度v,3,及推力F,3,.,85,作 业,2.若要求某差动液压缸快进速度是快退速度的3倍，试确定活塞面积A,1,与活塞杆截面积A,3,之比为多少？,3.已知但活塞杆液压缸活塞直径,D=100mm,，活塞杆直径,d=60mm,，液压缸差动连接，液压泵的输出流量,q,p,=100L/min,，工作压力,Pp=0.5MPa,不计损失，求活塞的往返速比及往返推力。,86,