第七讲液压缸

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第3章
液压执行元件
3、1 液压马达
3、2液压缸的类型及特点
3、3液压缸的设计计算
3、4液压缸的结构设计
3.1 液压马达
液压泵和马达的区别
液压马达:将泵输入的液压能转换为机械能而
对负载做功。
关
系:
功用上 — 相反
结构上 — 相似
原理上 — 互逆
图形符号
一、马达的分类
马达
定量马达
变量马达
齿轮马达
轴向柱塞马达
径向柱塞马达
轴向柱塞马达
低速液压马达
二、液压马达的主要性能参数

1、流量、排量和转速
设定马达的排量为V,转速为n,泄露量Δ q
则流量q为: q =nV+Δ q
容积效率 mv=理论流量/实际流量

=nV/ q =nV/(nV+Δ q)
或
n=(q /V)·mv
可见,q和是mv决定液压马达转速的主要参数

2、转矩

理论输出转矩:
实际输出转矩:
TT=pV/2π
TM=TT-ΔT

因机械效率:
Mm=TM/TT=1-ΔT/TT

故实际转矩:

TM=TT.Mm=(pV/2π).Mm
可见液压马达的排量V是决定其输出扭矩



3、液压马达总功率:
ηM=2πMMn/pQ=mvMm
可见,容积效率和机械效率是液压泵和马
达的重要性能指标。因总功率为它们二者的乘
积,故液压传动系统效率低下。总功率过低将
使能耗增加并因此引起系统发热,因此提高泵
和马达的效率有其重要意义。
三、液压马达的工作原理
当压力油通入马达后,柱塞受油压作用压紧倾斜盘, 斜盘
则对柱塞产生一反作用力,因倾角此力可分解为两个

轴向分力
Fx =πd2p/4
 分力 <

径向分力 Fy=γ=π/4·d2ptanγ
 Fx与液压力平衡,Fy对缸体中心产生转矩, 使缸体带动
马达轴旋转。

3、2
液压缸的类型及特点
3、2、1 活塞式液压缸
3、2、2 柱塞式液压
3、2、3 摆动液压马达(摆动液压缸)
3、2、4其它形式的常用缸
目的任务:了解液压缸结构形式 掌握液压缸参数计算和特点。
重点难点:单杆活塞液压缸,密封、缓冲、排气
功 用: 液压缸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中得到广泛应用。
3、2、1 液压缸的类型及特点
根据常用液压缸的结构形式,可将其分为四种类型:
活塞式、柱塞式、伸缩式、摆动式
一、活塞式液压缸
定义:在缸体内作相对往复运动的组件为活塞的液压
缸
分类:
按伸出活塞杆不同分 :单活塞杆缸 ,双杆缸
按固定方式不同分:缸体固定,活塞杆固定
1、双活塞杆液压缸
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。(动画)
1—活塞杆
2—压盖
双活塞杆液压缸结构
3—缸盖 4—缸筒 5—活塞
6—密封圈
双活塞缸机构示意
速度推力计算:
v = q/A = 4 q/π(D2-d2)
F = (p1-p2)A = π(D2-d2)( p1-p2 )/4
特点:
1)两腔面积相等;
2)压力相同时,推力相等, 流量相同时,速度相等。
即具有等推力等速度特性。
分类:按安装方式的不同分为缸筒固定式和活塞杆固定式。
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。
2、单活塞杆液压缸
定义:活塞只有一端有活塞杆
分类:缸体固定式和活塞固定式。两种情况工作台
移动范围都是活塞有效行程的两倍。
特点:1)两腔面积不等,A1 > A2
2) 压力相同时,推力不等。流量相同时,速度
不等即不具有等推力等速度特性。
无杆腔进油(动画)
v1 = q/A1 = 4q/πD2
F1 = p1A1 - p2A2 =π[D2 p1 - (D2-d2)p2/4
有杆腔进油:
v2 = q/A2 = 4q/π(D2-d2)
F2 = p1A2- p2A1=π[ (D2-d2) p1-D2 p2]/4
∵ A1 > A 2
∴ v1 < v 2
F1 > F2
故活塞杆伸出时,推力较大,速度较小活塞杆缩回时,
推力较小,速度较大
因而:活塞杆伸出时,适用于重载慢速
活塞杆缩回时,适用于轻载快速
往复速比: λv = v2 / v1 = D2/ D2-d2
d = D√(λv-1)/λv
活塞杆直径越小,两个方向速度差值越小。如果活塞
杆较粗,活塞两个方向运动的速度差值就越大。
差动连接:单杆活塞液压缸两腔同时通入流体时,
利用两端面积差进行工作的连接形式。
∵
v3A1 = q + v3A2
∴
v3
= q/A1-A2=4 q/πd2
如果要求快速运动和快速退回速度相等即:
v2 = v3 ,D = √ 2
d
F3 = p1(A1-A2)
= πd2p1/4
差动连接特点:在不增加流量的前提下,实现快速运
动
单杆活塞液压缸应用
单杆活塞液压缸不同连接,可实现如下工作循 环:
(差动连接) (无杆腔进油)(有杆腔进油)
快进
v3、F3
→
工进
→
v1、F1
动画演示
快退
v2、F2
3、2、2柱塞式液压缸
定义:在缸体内做相对往复运动的组件是柱塞的液压
缸
结构:缸体、柱塞、导向套、钢丝卡圈等
柱塞式液压缸工作原理
只能单向运动,回程需靠外力:自重,弹簧力
需双向运动时,常成对使用。
动画演示
柱塞式液压缸速度、推力计算
v = q/A = 4q/πd2
F = pA = πd2 p/4
柱塞式液压缸特点
∵
柱塞工作时总是受压,一般较粗
∴ 水平放置易下垂,产生单边磨损
故常垂直放置,有时可做成空心
又∵ 缸体内壁与柱塞不接触
∴ 可不加工或只粗加工,工艺性好
故常用于长行程机床,如 导轨磨床,大型拉床,龙门刨床
3、2、3 摆动液压缸
摆动液压缸分类:单叶片式、双叶片
组成:缸体、定子块、叶片、传动轴等
摆动液压缸工作原理
当缸的一个油口进压力油,另一油口回油时,叶片在
压力油作用下往一个方向摆动,带动轴偏转一定角度
小于3600)当进回油口互换时,马达反转。
单叶片摆动液压缸参数计算
T = b/2·(D2-d2)(p1-p2)
ω= 2q/b(D2-d2)
b:叶片宽度;D,d为叶片底部的回转半径。摆动角度
大可达到300°
双叶片摆动液压缸参数计算
T双 = 2T单
ω双=1/2·ω单
摆动角度较小,可达到150°。
摆动液压缸特点
结构紧凑,输出转矩大,但密封困难,一般只
用于中低压系统。
3、2、4其它形式的常用缸
增压缸(增压器)
多级缸(伸缩缸)
齿条活塞缸(无杆液压缸)
1、增压缸(增压器)
作用:得到高于泵压的输出压力
结构:单作用、双作用
增压缸增压原理:
A1 p1=A2 p2
p1πD2/4=p2πd2/4
p2 = A1 / A2 p1 = D2/d2 p1 =K p1
K—增压比
增压缸特点:
在不 p p 的前提下,靠 A来 p 单
作用断续增压、双作用连续增压
2、多级缸(伸缩缸)
结构:由两个或多个活塞缸或柱塞缸套装而成,有
单作用和双作用之分。 动画演示
工作原理:
活塞或柱塞伸出时,从大到小,
速度逐渐增大,推力逐渐减小。
活塞或柱塞缩回时,从小到大。
应用:
∵ 工作时可伸很长,不工作时缩短
∴ 占地面积小,且推力随行程增加而减小
故起重机伸缩臂、自动倾卸卡车、火箭发
射台等皆用
动画演示
3、齿条活塞缸(无杆液压缸)
组成:缸体、活塞、齿条、齿轮、端盖等
工作原理:左腔进油,右腔回油时,齿条右移,齿轮带动工作
台逆转。右腔进油,左腔回油时,齿条左移,齿轮带动工作台顺
转 。常用于需要回转运动的场合如:自动线、磨床
3、2
液压缸的设计与计算
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,先定了工作
压力的基础上进行的,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
求决定液压缸的主要结构尺寸,最后进行结构
设计。
一、液压缸主要尺寸的确定
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力
液压缸工作压力的确定
0~0.7
负载
缸工作压力
P1(bar)
60
70~140
140 ~250
100 ~140 180 ~210
>250
320
2、液压缸的缸筒内径D
根据执行机构速度要求和选定液压泵流量来确定
无杆腔进油时:
D=√4qv/πv1
有杆腔进油时:
D=√4qv/πv1+ d2
计算所得液压缸的内径(即活塞直径)应圆整为标准
值
3、活塞杆直径d
原则:活塞杆直径可根据工作压力或设备类型选取液
压缸的往复速度有一定要求时
d = D√λv-1/λv
计算所得活塞杆直径d亦应圆整
为标准系列值。
3、液压缸缸筒壁厚δ
缸筒最薄处壁厚:δ≥pyD/2(σ)
δ—缸筒壁厚;D—缸筒内径;
py—缸筒度验压力,
(σ)—缸筒材料许用应力。(σ)=σb/n。
4、液压缸缸体长度L
原则:由液压缸最大行程、活塞宽度、活塞杆导向套长
度、活塞杆密封 长度和特殊要求的其它长度确定, 为
减小加工度,一般液压缸缸体长度应大于内径的20—30
倍。
二、液压缸其它部位尺寸的确定
导向长度H≥L/20+D/2 (L为液压缸最大行程)
活塞宽度B =(0、6——1、0)D;
A =(0.6—10)D (D<80mm)
导向套滑动面长度A
A =(0.6—1)d (D≥80mm)
如装有隔套K时, C = H -(A+B)/2
3、3 液压缸结构设计
一、 液压缸的典型结构举例
典型结构:缸体组件、活塞组件、密封件、
连接件、缓冲装置、排气装置等。
设计依据:缸工作压力、运动速度、工作条件、
加工工艺及拆 装检修等。
二、 缸体与端盖的结构设计
1、缸体与端盖的连接:拉杆连接、法兰连接、半环连接、焊接连
接、螺纹连接
拉杆连接:结构简单,装拆方便,但外形尺寸大,重量大,用于较
短的液压缸。
法兰连接:加工拆装都方便,外形和重量比拉杆连接小,应用广泛,
用于中压。
内半环连接:结构紧凑,重量小,工作可靠,但缸体
有槽削弱了强度需加大缸体的厚度。当液压缸轴向尺
寸受到限制,又要获得较大行程时采用。
焊接连接:结构简单,尺寸小,工艺性好。但清洗缸
体内孔困难,焊接可能使缸体变形。一般短行程用。
螺纹连接:重量轻、外径小、结构紧凑。但加工复杂,
并需要专门的拆装工具。
对于自制的中小型非标准液压缸,一般采用法兰连接、
螺纹连接和焊接连接的结构最多。
2、活塞和活塞杆的连接
螺纹式:常用于单杆缸,结构简单,装拆方便,但需
防止螺母松动。
半环式:常用于高压大负载或振动比较大的场合,强
度高,但结构复杂,装拆方便。
3、液压缸的缓冲
∵ 在质量较大、速度较高(v>12m/min),
由于惯性力较大,活塞运动到终端时会撞
击缸盖,产生冲击和噪声,严重影响加工
精度,甚至使液压缸损坏。
∴ 常在大型、高速、或高精度液压缸中设置
缓冲装置或在系统中设置缓冲回路。
i
环状间隙式缓冲装置
节流口可调式缓冲机构
4、液压缸的排气
∵ 系统在安装或停止工作后常会渗入空气
∴ 使液压缸产生爬行、振动和前冲,换向精度降低等。
故必须设置排气装置。
排气塞结构
5、液压缸的密封
密封圈密封

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