液壓傳動與氣動技術(shù)模塊二概要

任務(wù)1壓力機執(zhí)行元件的選擇教學目標1.了解液壓執(zhí)行元件的種類2.掌握液壓缸的工作原理及結(jié)構(gòu)3.熟悉特殊液壓缸的工作原理及應(yīng)用特點第1頁/共34頁第一頁，共35頁。

液壓壓力機工作時，液壓執(zhí)行元件帶動主軸上下運動，并對放在主軸和工作臺上的工件進行壓制，壓制后主軸復位。工作時，該液壓壓力機需要主軸產(chǎn)生的最大推力為3000kgf，工作行程為500mm，根據(jù)該液壓壓力機的工作要求，應(yīng)該如何選擇其液壓執(zhí)行元件的類型和結(jié)構(gòu)呢？執(zhí)行元件又是采用什么方式連接在液壓系統(tǒng)中的呢？點擊畫面觀看視頻液壓壓力機第2頁/共34頁第二頁，共35頁。

在液壓壓力機中，主軸是靠液壓執(zhí)行元件帶動的。在液壓系統(tǒng)中執(zhí)行元件分為液壓缸和液壓馬達兩種，液壓缸主要驅(qū)動負載做直線運動，而液壓馬達主要驅(qū)動負載做回轉(zhuǎn)運動。根據(jù)任務(wù)中液壓壓力機工作時主軸的運動狀態(tài)，可以確定其執(zhí)行元件是液壓缸。要想正確的選擇液壓缸，必須了解其工作原理和結(jié)構(gòu)特點等相關(guān)知識。第3頁/共34頁第三頁，共35頁。一、液壓壓力機的工作分析

液壓壓力機工作時，當搬動控制元件，這時P口和A口相通，B口和T口相通，油箱中的液壓油在液壓泵壓油后經(jīng)控制元件的P口、A口進入液壓缸的上腔，這時活塞在壓力油的作用下向下運動，并帶動活塞桿（液壓機主軸）一起向下運動，當接觸到放置在主軸和工作臺之間的工件時，液壓缸在壓力油的作用下產(chǎn)生足夠的推力使工件變形，完成壓制工作。同時，液壓缸下腔的油經(jīng)B口、T口回到油箱。當壓制工作完成后，松開控制元件，這時P口和B口接通，A口和T口相通，液壓泵輸出的液壓油經(jīng)P口、B口流入液壓缸下腔，活塞在壓力油的作用下帶動活塞桿（主軸）一起向上運動，完成復位。

液壓壓力機中液壓缸是液壓傳動系統(tǒng)中最終將來自液壓泵的壓力轉(zhuǎn)化為推動主軸運動的執(zhí)行元件，它是液體壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的轉(zhuǎn)換裝置液壓壓力機的工作原理第4頁/共34頁第四頁，共35頁。二、液壓缸的分類和結(jié)構(gòu)特點

液壓系統(tǒng)中最常見的液壓缸主要有雙作用單出桿液壓缸和雙作用雙出桿液壓缸。雙作用單出桿液壓缸雙作用雙出桿液壓缸第5頁/共34頁第五頁，共35頁。二、液壓缸的分類和結(jié)構(gòu)特點以雙作用單出桿液壓缸為例，液壓缸主要由活塞桿、活塞和缸體三部分組成。雙作用單出桿液壓缸的結(jié)構(gòu)特點是液壓缸內(nèi)部有兩個工作腔，一個是有活塞桿的腔，稱為有桿腔，另一個是無桿腔。

雙作用單出桿液壓缸第6頁/共34頁第六頁，共35頁。三、液壓缸的選擇選擇液壓缸時，主要是依據(jù)工作要求來確定液壓缸的類型、連接形式和結(jié)構(gòu)尺寸的大小，這些與液壓系統(tǒng)的推力、運動特性、速度和工作狀況有關(guān)。1．液壓缸的類型及連接形式的選擇（1）雙作用單出桿液壓缸的常規(guī)連接和工作特點

雙作用單出桿液壓缸的常規(guī)連接a)無桿腔進油b)有桿腔進油當無桿腔進油時活塞運動速度v1及推力F1為：當有桿腔進油時活塞運動速度v2及推力F2為：

比較上述各式，可以看出v2>v1，F(xiàn)1>F2。

分析可知：當無桿腔進油時有效作用面積大、推力大、速度慢；反之，當有桿腔進油時有效作用面積小、推力小、速度快。第7頁/共34頁第七頁，共35頁。三、液壓缸的選擇（2）雙作用單出桿液壓缸的差動連接和工作特點

差動連接如圖所示，當液壓缸的兩腔同時通以壓力油時，由于作用在活塞兩端面上推力不等，產(chǎn)生推力差。在此推力差的作用下，使活塞向右運動，這時，從液壓缸有桿腔排出的油液也進入液壓缸的左端，使活塞實現(xiàn)快速運動。這種連接方式稱為差動連接。這種兩端同時通壓力油，利用活塞兩端面積差進行工作的單出桿液壓缸也叫差動液壓缸。

差動連接時液壓泵的供油量為q，無桿腔的進油量為q1，有桿腔的排油量為q2，則活塞運動速度v3及推力F3為：與非差動連接相比，同樣大小的雙作用單出桿液壓缸實行差動連接時，活塞的速度v3大于無差動連接時的速度v1，因而可以獲得快速運動。而此時產(chǎn)生的推力將變小。第8頁/共34頁第八頁，共35頁。三、液壓缸的選擇（3）雙作用雙出桿液壓缸的工作特點雙作用雙出桿液壓缸

雙作用雙出桿液壓缸的活塞兩端都帶有活塞桿。因為雙出桿液壓缸的兩活塞桿直徑相等，所以當輸入流量和油液壓力不變時，其住返運動速度和推力相等。

當輸入流量和油液壓力不變時，雙作用雙出桿液壓缸的往返運動速度和推力相等。則液壓缸的運動速度v及推力F為：第9頁/共34頁第九頁，共35頁。三、液壓缸的選擇（4）總結(jié)在兩種液壓缸的D和d值相同的情況下：◆雙作用單出桿液壓缸帶動工件的往復運動速度不相等?！綦p作用單出桿液壓缸采用常規(guī)連接時產(chǎn)生的推力最大，而差動連接時產(chǎn)生的速度最大。◆雙作用雙出桿液壓缸產(chǎn)生的推力與雙作用單出桿液壓缸常規(guī)連接有桿腔進油時產(chǎn)生的推力一樣大。雙作用雙出桿液壓缸兩個工作腔的有效作用面積一樣大，可以很方便地實現(xiàn)往復速度一致?！綦p作用雙出桿液壓缸的工作行程比雙作用單出桿液壓缸的工作行程要大。應(yīng)用情況如下：◆當工作往復速度要求不一致，且對返回速度要求不高，但要求液壓缸產(chǎn)生很大的推力時，可選擇雙作用單出桿液壓缸作為執(zhí)行元件，采用常規(guī)連接形式接入液壓系統(tǒng)。◆當要求液壓缸往返速度一致或工作行程較長時，可考慮采用雙作雙出桿液壓缸。第10頁/共34頁第十頁，共35頁。三、液壓缸的選擇2．液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸的選擇

液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸的選擇主要是指確定液壓缸的缸體內(nèi)徑（D，即活塞外徑）、缸體壁厚（δ）和液壓缸長度（L）。

（1）缸體內(nèi)徑D的選擇當推力和工作壓力已知和確定后，就可以確定缸體（活塞）的有效工作面積：

（2－9）

對于無桿腔，根據(jù)式（2－2）可推出：

（2－10）對于有桿腔，根據(jù)式（2－4）可推出：

（2－11）式中：Ｄ—缸體的內(nèi)徑（cm）;P—液壓缸需要產(chǎn)生的最大推力（kgf）；P—液壓缸的工作壓力(kgf/cm2)；d—活塞桿直徑(cm)。第11頁/共34頁第十一頁，共35頁。三、液壓缸的選擇

液壓缸的工作壓力與液壓缸需要產(chǎn)生的最大推力有關(guān)，可以通過表2-1-1確定?；钊麠U直徑d在不同的工作壓力下與缸體直徑D之間的關(guān)系見表2-1-2。最大推力F（kg）工作壓力F（kg/cm2）表2－1－1液壓缸推力F與工作壓力p

的關(guān)系工作壓力p（kg/cm2）活塞桿直徑d（cm）≤20（0.2～0.3）D20～500.5D50～1000.7D表2-1-2不同工作壓力下活塞桿直徑d與液壓缸內(nèi)徑D的關(guān)系第12頁/共34頁第十二頁，共35頁。三、液壓缸的選擇（2）缸體壁厚δ的選擇液壓缸缸體壁厚δ通常不計算，一般可按液壓缸缸體內(nèi)徑的1/10來確定，即δ=1/10D。（3）液壓缸長度L的選擇液壓缸長度L的確定由工作行程來決定，并考慮制造工藝性。一般液壓缸長度應(yīng)不大于缸體內(nèi)徑的20～30倍，即L≤（20～30）D。第13頁/共34頁第十三頁，共35頁。一、

液壓壓力機液壓缸的類型和連接方式的確定根據(jù)液壓壓力機在實際生產(chǎn)中的工作特點，最主要的是要求液壓缸能產(chǎn)生很大的推力以便完成對工件的壓制工作，而對速度要求不高。因此，選擇雙作用單出桿液壓缸作為液壓壓力機的執(zhí)行元件，并采用常規(guī)連接方式接入液壓系統(tǒng)。液壓壓力機執(zhí)行元件第14頁/共34頁第十四頁，共35頁。二、液壓壓力機液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸的確定2.缸體壁厚δ的確定根據(jù)已經(jīng)確定的缸體內(nèi)徑Ｄ，缸體壁厚δ＝1/10D=1/10×100＝10(mm)3.液壓缸長度L的確定因為本任務(wù)中液壓壓力機的工作行程為500mm，初步選擇液壓缸長度為500mm，500mm≤（20～30）×100mm，故滿足對液壓缸長度選擇的要求。綜合以上的分析和計算，最終選定液壓缸缸體內(nèi)徑為100mm，活塞桿直徑為50mm，缸體壁厚為10mm，長度為500mm的雙作用單出桿液壓缸作為液壓壓力機的執(zhí)行元件，并以常規(guī)方式接入液壓壓力機的液壓系統(tǒng)中。1.缸體內(nèi)經(jīng)D和活塞桿直徑d的確定根據(jù)任務(wù)要求，yeya壓力機最大推力F=3000kgf，查表2-1-1可確定系統(tǒng)工作壓力p=40kgf/cm2，代入式（2－10）可算出缸體內(nèi)徑為：

通過查閱相關(guān)的手冊，對其值進行圓整，最終確定缸體內(nèi)徑為100mm。

因工作壓力p＝40kgf/cm2，則查表2-1-2可知d＝0.5D，因此活塞桿直徑d為：

d=0.5D＝0.5×100＝50mm第15頁/共34頁第十五頁，共35頁。其他形式的液壓缸一、柱塞缸柱塞缸a)柱塞缸的結(jié)構(gòu)b)兩個柱塞缸成對使用如圖a所示為柱塞缸，它只能實現(xiàn)一個方向的液壓傳動，反向運動要靠外力（如自重或彈簧力）來完成。若需要實現(xiàn)雙向運動，則必須成對使用，如圖b所示。這種液壓缸中的柱塞和缸筒不接觸，運動時由缸蓋上的導向套來導向，因此缸筒的內(nèi)壁不需精加工，它特別適用于行程較長的場合。第16頁/共34頁第十六頁，共35頁。其他形式的液壓缸二、增壓缸增壓缸a）單作用增壓缸b）雙作用增壓缸增壓缸又稱增壓器，它利用活塞和柱塞有效面積的不同使液壓系統(tǒng)中的局部區(qū)域獲得高壓。它有單作用和雙作用兩種形式，單作用增壓缸在柱塞運動到終點時，不能再輸出高壓液體，需要將活塞退回到左端位置，再向右行時才又輸出高壓液體；雙作用增壓缸由兩個高壓端連續(xù)向系統(tǒng)供油。第17頁/共34頁第十七頁，共35頁。其他形式的液壓缸三、伸縮缸伸縮缸a）單作用伸縮缸b）雙作用伸縮缸1.結(jié)構(gòu)特點伸縮缸由兩個或多個活塞缸套裝而成，前一級活塞缸的活塞桿內(nèi)孔是后一級活塞缸的缸筒，伸出時可獲得很長的工作行程，縮回時可保持很小的結(jié)構(gòu)尺寸。伸縮缸被廣泛用于起重運輸車輛上。2.工作原理伸縮缸的外伸動作是逐級進行的。最大直徑的缸筒以最低的油液壓力開始外伸，當?shù)竭_行程終點

稍小直徑的缸筒開始外伸

直徑最小的末級最后伸出。隨著工作級數(shù)變大，外伸缸筒直徑越來越小，工作油液壓力隨之升高，工作速度變快。第18頁/共34頁第十八頁，共35頁。其他形式的液壓缸四、齒輪缸齒輪缸由柱塞缸和一套齒條傳動裝置組成。柱塞的移動經(jīng)齒輪齒條傳動裝置變成齒輪的傳動，用于實現(xiàn)工作部件的往復擺動或間歇進給運動。它多用于自動生產(chǎn)線、組合機床等轉(zhuǎn)位或分度機構(gòu)中。齒輪缸第19頁/共34頁第十九頁，共35頁。教學目標1.掌握液壓缸的典型結(jié)構(gòu)及作用2.熟悉液壓缸的組成3.了解液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法任務(wù)2壓力機液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計第20頁/共34頁第二十頁，共35頁。壓力機液壓缸

通過模塊二任務(wù)1的學習，學會了如何根據(jù)工作要求選擇液壓壓力機液壓缸的大小，并最終選定雙作用單出桿液壓缸作為液壓壓力機的執(zhí)行元件，如下圖所示。但在實際應(yīng)用時，只知道液壓缸的大小和類型還不夠，還需要確定液壓缸的具體結(jié)構(gòu)。本任務(wù)要求設(shè)計壓力機液壓缸的結(jié)構(gòu)。第21頁/共34頁第二十一頁，共35頁。

液壓缸的結(jié)構(gòu)對液壓缸的工作性能起著至關(guān)重要的作用，液壓缸的結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，沒有統(tǒng)一的規(guī)格，不像液壓泵和液壓閥已經(jīng)標準化了，因此有時需要自行設(shè)計。設(shè)計液壓缸的結(jié)構(gòu)需要掌握液壓缸的組成、各組成部分的作用和常見形式，還要了解液壓缸的結(jié)構(gòu)對性能的影響。

提示

液壓缸的結(jié)構(gòu)對液壓缸的工作性能的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1.液壓缸缸體材料和缸蓋連接形式2.活塞與活塞桿的連接形式3.密封的類型4.緩沖裝置類型5.排氣裝置的形式

第22頁/共34頁第二十二頁，共35頁。一、液壓缸的典型結(jié)構(gòu)雙作用單活塞桿液壓缸1—缸蓋2—活塞桿3—活塞桿密封圈4—缸筒5—活塞6—排氣裝置7—后缸蓋8—緩沖裝置9—活塞密封圈A、B—油口液壓缸主要由缸蓋、活塞桿、活塞桿密封圈、缸筒、活塞、放氣裝置、后缸蓋、緩沖裝置、活塞密封圈組成。第23頁/共34頁第二十三頁，共35頁。二、液壓缸的組成從液壓缸的典型結(jié)構(gòu)可以看出，液壓缸主要有缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置和排氣裝置五個部分。1.缸筒和缸蓋一般來說，缸筒和缸蓋的結(jié)構(gòu)形式與其使用的材料有關(guān)。當液壓缸工作壓力p＜10MPa時，使用鑄鐵；10MPa＜p＜20MPa時，使用無縫鋼管；p＞20MPa時，使用鑄鋼或鍛鋼。缸筒和缸蓋的結(jié)構(gòu)a)法蘭連接式b)半環(huán)連接式c)螺紋連接式d)拉桿連接式e)焊接連接式1—缸蓋2—缸筒3—壓板4—半環(huán)5—防松螺母6—拉桿第24頁/共34頁第二十四頁，共35頁。二、液壓缸的組成缸筒和缸蓋的常見結(jié)構(gòu)形式的特點：缸筒和缸蓋的結(jié)構(gòu)形式特點法蘭連接式

結(jié)構(gòu)簡單，容易加工，也容易裝拆，但外形尺寸和質(zhì)量都較大，常用于鑄鐵制造的缸筒半環(huán)連接式

缸筒壁部因開了環(huán)形槽而削弱了強度，為此有時要加厚缸壁。它容易加工和裝拆，質(zhì)量較輕，常用于無縫鋼管或鍛鋼制造的缸筒螺紋連接式

缸筒端部結(jié)構(gòu)復雜，外徑加工時要求保證內(nèi)外徑同心，裝拆要使用專用工具。它的外形尺寸和質(zhì)量都較小，常用于無縫鋼管或鑄鋼制造的缸筒拉桿連接式

結(jié)構(gòu)的通用性大，容易加工和裝拆，但外形尺寸較大，且較重焊接連接式

結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，但缸底處內(nèi)徑不易加工，且可能引起變形第25頁/共34頁第二十五頁，共35頁。2.活塞與活塞桿二、液壓缸的組成常見的活塞組件的連接形式a)螺母連接b)、c)卡環(huán)式連接d)徑向銷式連接第26頁/共34頁第二十六頁，共35頁。3.密封裝置密封裝置的作用主要是防止泄漏和防塵。常見的密封裝置類型及特點見下表：二、液壓缸的組成密封裝置類型圖示工作特點間隙密封依靠運動零件配合面之間的微小間隙來防止泄漏。它的結(jié)構(gòu)簡單、摩擦阻力小、可耐高溫；但泄漏大、加工要求高、磨損后無法恢復原有能力。只有在尺寸較小、壓力較低、相對運動速度較高的缸筒和活塞間使用摩擦環(huán)密封依靠套在活塞上的摩擦環(huán)(尼龍或其他高分子材料制成)在O形密封圈彈力作用下貼緊缸壁而防止泄漏。這種材料效果較好、摩擦阻力較小且穩(wěn)定、可耐高溫，磨損后有自動補償能力；但加工要求高、裝拆較不便。適用于缸筒和活塞之間的密封O形圈密封

利用橡膠或塑料的彈性使各種截面的環(huán)形圈貼緊在靜、動配合面之間來防止泄漏。結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、磨損后有自動補償能力、性能可靠，可以在缸筒和活塞之間、缸蓋和活塞桿之間、活塞和活塞桿之間、缸筒和缸蓋之間使用V形圈密封與O形圈密封相似，但V形圈密封只能承受單向的工作壓力液體常見的密封裝置的類型及工作特點第27頁/共34頁第二十七頁，共35頁。4.緩沖裝置為了防止活塞在行程終點時和缸蓋相互撞擊，引起噪聲、沖擊，必須設(shè)置緩沖裝置，緩沖裝置是利用活塞或缸筒在其走向行程終端時封住活塞和缸蓋之間的部分油液，強迫它從小孔或細縫中擠出，以產(chǎn)生很大的阻力，使工作部件受到制動，逐漸減慢運動速度，達到避免活塞和缸蓋相互撞擊的目的。二、液壓缸的組成密封裝置類型圖示工作特點間隙緩沖當緩沖柱塞進入與其相配的缸蓋上的內(nèi)孔時，孔中的液壓油只能通過間隙δ排出，使活塞速度降低。由于配合間隙不變，故隨著活塞運動速度的降低，小孔起緩沖作用。當緩沖柱塞進入配合孔之后，油腔中的油只能經(jīng)節(jié)流閥排出節(jié)流閥緩沖由于節(jié)流閥是可調(diào)的，因此緩沖作用也可調(diào)節(jié)，但仍不能解決速度減低后緩沖作用減弱的缺點三角槽緩沖緩沖柱塞上開有三角槽，隨著柱塞逐漸進入配合孔中，其節(jié)流面積越來越小，解決了在行程最后階段緩沖作用過弱的問題緩沖裝置的類型及工作特點第28頁/共34頁第二十八頁，共35頁。5.排氣裝置液壓缸在安裝過程中或長時間停放后重新工作時，液壓缸里和管道系統(tǒng)中會滲入空氣，為了防止執(zhí)行元件出現(xiàn)爬行、噪聲和發(fā)熱等不正常現(xiàn)象，需把缸中和系統(tǒng)中的空氣排出。一般可在液壓缸的最高處設(shè)置進、出油口把氣帶走，也可在最高處設(shè)置。二、液壓缸的組成液壓缸的排氣裝置a）排氣孔式b）排氣閥式1—缸蓋2—放氣小孔3—缸體4—活塞桿a)圖的排氣裝置是在液壓缸高處設(shè)置排氣孔，進行排氣；b)圖則利用設(shè)置專門的排氣閥進行排氣。第29頁/共34頁第二十九頁，共35頁。壓力機液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計

一、確定液壓缸缸體材料和缸蓋連接形式

通過任務(wù)1已確定液壓壓力機的工作壓力p為40kgf/cm2，經(jīng)換算約為3.9MPa，小于10MPa，故液壓缸缸體材料可選擇鑄鐵，因鑄鐵的焊接性能很差，所以缸蓋采用螺紋連接的方式與缸體連接。

二、確定活塞與活塞桿的連接形式

考慮到壓力機工作行程為500mm，采用焊接方式將活塞與活塞桿連接的話，將增加活塞組件的加工難度；考慮到液壓壓力機工作時較為平穩(wěn)、沖擊小，同時也為了便于裝拆，故確定采用螺母連接的方式連接活塞和活塞桿。

三、確定密封件類型

活塞與缸筒間由于需