Transcript 第七讲液压缸

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