液压与气动技术第四章液压执行元件

null第4章 液压执行元件第4章 液压执行元件4.1 液压缸的类型和特点 4.2 液压缸的设计计算 4.3 液压缸的结构设计 4.4 液压马达 4.5 液压执行元件的常见故障及排除方法4.1 液压缸的类型和特点4.1 液压缸的类型和特点液压缸可按结构特点不同可分为活塞式、柱塞式和摆动式三类。 4.1.1活塞式液压缸 活塞式液压缸可分为双杆式和单杆式两种结构形式，其安装又有缸筒固定和活塞杆固定两种方式。 1.双杆活塞液压缸 双杆活塞液压缸的活塞两端都带有活塞杆，分为缸体固定和活塞杆固定两种安装形式，如图4-1所示。下一页返回4.1 液压缸的类型和特点4.1 液压缸的类型和特点因为双杆活塞液压缸的两活塞杆直径相等，所以当输入流量和油液压力不变时，其往返运动速度和推力相等。则缸的运动速度v和推力F分别为 （4-1） （4-2） 式中p1、p2——分别为缸的进、回油压力； ηv、ηm——分别为缸的容积效率和机械效率； D、d——分别为活塞直径和活塞杆直径； q——输入流量； A——活塞有效工作面积。 这种液压缸常用于要求往返运动速度相同的场合。上一页下一页返回4.1 液压缸的类型和特点4.1 液压缸的类型和特点2.单杆活塞液压缸 单杆活塞液压缸的活塞仅一端带有活塞杆，活塞双向运动可以获得不同的速度和输出力。其简图及油路连接方式如图4-2所示。 (1)当无杆腔进油时［图4-2（a） ］，活塞的运动速度v1和推力F1分别为 （4-3） （4-4） (2)当有杆腔进油时［图4-2(b) ］，活塞的运动速度v2和推力F2分别为 （4-5） （4-6） 式中符号意义同式（4-1）、式（4-2）。上一页下一页返回4.1 液压缸的类型和特点4.1 液压缸的类型和特点比较上述各式，可以看出：v2＞v1，F1＞F2；液压缸往复运动时的速度比为 ψ=v2/v1=D2/(D2-d2) （4-7） 上式表明，当活塞杆直径愈小时速度接近1，在两个方向上的速度差值就愈小。 (3)液压缸差动连接时［图4-2(c)］，活塞的运动速度v3为 （4-8） 在忽略两腔连通油路压力损失的情况下，差动连接液压缸的推力F3为 （4-9）上一页下一页返回4.1 液压缸的类型和特点4.1 液压缸的类型和特点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，单杆活塞液压缸的这种连接方式被称为差动连接。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速度大，而输出力则减小。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。上一页下一页返回4.1 液压缸的类型和特点4.1 液压缸的类型和特点（4）差动液压缸计算举例 ［例3-1］已知单杆活塞液压缸的缸筒内径D=100 mm，活塞杆直径d=70 mm，进入液压缸的流量q=25 L/min，压力p1=2 MPa，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4-2(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，并给出运动方向。 解① 在图4-2(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上一页下一页返回4.1 液压缸的类型和特点4.1 液压缸的类型和特点液压缸向右运动，其运动速度为 ② 在图4-2(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，其运动速度为上一页下一页返回4.1 液压缸的类型和特点4.1 液压缸的类型和特点③ 在图4-2(c)中，液压缸差动连接，可推动的负载力为 液压缸向右运动，其运动速度为上一页下一页返回4.1 液压缸的类型和特点4.1 液压缸的类型和特点4.1.2柱塞式液压缸 如图4-3（a）所示为柱塞式液压缸的结构简图。柱塞缸由缸筒2、柱塞1、导向套、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。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他外力来完成。如果要获得双向运动，可将两柱塞液压缸成对使用［图4-3（b） ］。柱塞缸的柱塞端面是受压面，其面积大小决定了柱塞缸的输出速度和推力。为保证柱塞缸有足够的推力和稳定性，一般柱塞较粗，重量较大，水平安装时易产生单边磨损，故柱塞缸适宜于垂直安装使用。为减轻柱塞的重量，有时制成空心柱塞。 柱塞缸结构简单，制造方便，常用于工作行程较长的场合，如大型拉床、矿用液压支架等。上一页下一页返回4.1 液压缸的类型和特点4.1 液压缸的类型和特点4.1.3摆动式液压缸 摆动式液压缸能实现小于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。 图4-4(a)所示为单叶片摆动液压缸。它摆动角较大，可达300°。单叶片摆动液压缸主要由叶片1、摆动轴2、定子块3、缸体4等主要零件组成。两个工作腔之间的密封靠叶片和隔板外缘所嵌的框形密封件来保证。定子块固定在缸体上，而叶片和摆动轴联结在一起，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。当考虑到机械效率时，单叶片缸的摆动轴输出转矩为 （4-10）上一页下一页返回4.1 液压缸的类型和特点4.1 液压缸的类型和特点输出角速度为 (4-11) 式中D——缸体内孔直径； d——摆动轴直径； b——叶片宽度； ηv——容积效率； ηm——机械效率。 图4-4(b)所示为双叶片式摆动液压缸。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。 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。上一页返回4.2 液压缸的设计计算4.2 液压缸的设计计算液压缸的设计是在对所设计的液压系统进行工况分析、负载计算和确定了其工作压力的基础上进行的。首先根据使用要求确定液压缸的类型，再按负载和运动要求确定液压缸的主要结构尺寸，必要时需进行强度验算，最后进行结构设计。 液压缸的主要尺寸包括液压缸的内径D、缸的长度L、活塞杆直径d，主要根据液压缸的负载、活塞运动速度和行程等因素来确定上述参数。 4.2.1液压缸工作压力的确定 液压缸的推力F是由油液的工作压力p和活塞的有效工作面积A来确定的，而活塞的运动速度是由输入缸的液压油的流量q和活塞的有效工作面积A确定的，即 F=Ap （4-12）下一页返回4.2 液压缸的设计计算4.2 液压缸的设计计算v=q/A （4-13） 式中F——活塞（或缸）的推力； p——进油腔的工作压力； A——活塞的有效工作压力； q——输入液压缸的液压油的流量； v——活塞（或缸）运动的速度。 由以上两式可见，当缸的推力F一定时，工作压力p取的高，活塞的有效面积A就小，缸的结构就紧凑，但液压元件的性能及密封要求要相应提高；压力p取的低，活塞有效面积A就大，缸的结构尺寸就大，要使工作机构得到同样的速度就要求有较大的流量，这将使有关的泵、阀等液压元件的规格相应增大，有可能导致整个液压系统的结构庞大。 设计时，液压缸的工作压力可按负载大小由表4-1确定，也可按液压设备类型参考表4-2来确定。 上一页下一页返回4.2 液压缸的设计计算4.2 液压缸的设计计算4.2.2液压缸主要尺寸的计算 液压缸的主要尺寸为缸筒内径、活塞杆直径和缸筒长度等。 1.缸筒的内径D 根据公式F=pA，由活塞所需推力F和工作压力p即可算出活塞应有的有效面积A,进一步根据液压缸的不同结构形式，计算缸筒的内径D。 2.活塞杆的直径d 直径d的值可按表4-3初步选取。如果液压缸两个方向的运动速度比有一定要求时，还需考虑这方面要求。 实际采用的直径D和d还应符合国家颁布的有关标准。 上一页下一页返回4.2 液压缸的设计计算4.2 液压缸的设计计算3.液压缸筒的长度L 液压缸筒长度由所需行程及结构上的需要确定，一般可按如下公式计算： L=活塞行程+活塞长度+活塞杆导向长度+活塞杆密封长度+其他长度 其中，活塞长度=（0.6~1.0）D，导向套长度=（0.6~1.5）D，其他长度是指一些装置所需长度，如缸两端缓冲所需长度等。一般液压缸缸体长度L不大于缸内径D的20～30倍。 4.2.3液压缸的校核 1.缸筒壁厚校核 在中、低压系统中，缸筒壁厚由结构工艺决定，一般不作校核。在压力较高和直径较大时，有必要校核缸壁最薄处的壁厚强度。上一页下一页返回4.2 液压缸的设计计算4.2 液压缸的设计计算2.薄壁圆筒壁厚δ校核 当缸体内径D和壁厚δ之比，即D/δ＞10时，为薄壁缸筒，δ按下式校核： δ≥pyD/2［σ］ （4-14） 式中［σ］——缸筒材料的许用应力； py——缸体的试验压力。 当缸筒内的额定工作压力p≤16 MPa时，py=1.5p；p＞16 MPa时，py=1.25p。 3.厚壁圆筒壁厚δ校核 当D/δ＜10时，为厚壁缸筒，δ按下式校核： （4-15）上一页下一页返回4.2 液压缸的设计计算4.2 液压缸的设计计算4.活塞杆强度及压杆稳定性校核 活塞直径按下式验算： （4-16） 式中F——活塞杆上的作用力； ［σ］——活塞杆材料的许用应力。 当活塞杆长径比较大，且受轴向压缩负载时，当轴向力超过某一临界值时活塞杆就会失去稳定性，应对其稳定性进行校核。其稳定性可按材料力学公式计算。此外，对连接螺钉也应进行强度校核。上一页返回4.3 液压缸的结构设计4.3 液压缸的结构设计在液压传动设计中，除液压泵和液压阀可选用标准元件外，液压缸往往需要自行设计和制造。除了液压缸的基本尺寸需要计算外，还需对结构进行设计。结构设计中重点考虑缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置和排气装置等部分。 4.3.1缸筒与缸盖的连接 常见的缸筒与缸盖的连接结构如图4-5所示。 ① 法兰式连接：结构简单，加工方便，连接可靠，但是要求缸筒端部有足够的壁厚，用以安装螺栓或旋入螺钉。缸筒端部一般用铸造、镦粗或焊接方式制成粗大的外径，它是常用的一种连接形式。下一页返回4.3 液压缸的结构设计4.3 液压缸的结构设计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。半环连接工艺性好，连接可靠，结构紧凑，但削弱了缸筒强度。半环连接应用十分普遍，常用于无缝钢管缸筒与端盖的连接中。 ③ 螺纹式连接：有外螺纹连接和内螺纹连接两种。其特点是体积小，重量轻，结构紧凑，但缸筒端部结构较复杂。这种连接形式一般用于要求外形尺寸小、重量轻的场合。 ④ 拉杆式连接：结构简单，工艺性好，通用性强，但端盖的体积和重量较大，拉杆受力后会拉伸变长，影响密封效果，只适用于长度不大的中、低压液压缸。 ⑤ 焊接式连接：强度高，制造简单，但焊接时易引起缸筒变形。上一页下一页返回4.3 液压缸的结构设计4.3 液压缸的结构设计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，要求表面粗糙度在0.1～0.4 μm，使活塞及其密封件、支承件能顺利滑动，从而保证密封效果，减少磨损；缸筒要承受很大的液压力，因此，应具有足够的强度和刚度。 缸盖装在缸筒两端，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。设计时既要考虑强度，又要选择工艺性较好的结构形式。 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，直接用缸盖孔导向，这种结构简单，但磨损后必须更换缸盖。 缸筒、缸盖和导向套的材料选择和技术要求可参考液压设计手冊。上一页下一页返回4.3 液压缸的结构设计4.3 液压缸的结构设计4.3.2活塞与活塞杆的连接形式 活塞和活塞杆的连接方式很多，常见的有锥销连接、螺纹连接和半环连接。 如图4-6（a）所示为锥销连接，其加工容易，装拆方便，但承载能力小，多用于中、低压轻载液压缸中。 如图4-6（b）所示为螺纹连接，其装卸方便，连接可靠，适用尺寸范围广，但一般应有锁紧装置。 如图4-6（c）所示为半环连接，其连接强度高，但结构复杂，装拆不便，多用于高压大负载和振动较大的场合。上一页下一页返回4.3 液压缸的结构设计4.3 液压缸的结构设计4.3.3缓冲装置 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，会与缸盖碰撞，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，而且会引起其他相关机械的损伤。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。常见的缓冲装置主要有下述几种： 1.圆柱形环隙式缓冲装置 如图4-7（a）所示，当缓冲柱塞A进入缸盖上的内孔时，缸盖和柱塞间形成环形缓冲油腔B，被封闭的油液只能经环状间隙δ排出，产生缓冲压力，从而实现减速缓冲。这种装置在缓冲过程中，由于回油通道的节流面积不变，故缓冲开始产生的缓冲制动力很大，其缓冲效果很差，液压冲击很大，且实现减速所需行程较长，但这种装置结构简单，便于设计和降低成本，所以在一般系列化的成品液压缸中多采用这种缓冲装置。上一页下一页返回4.3 液压缸的结构设计4.3 液压缸的结构设计2.圆锥形环隙式缓冲装置 如图4-7（b）所示，由于缓冲柱塞A为圆锥形，所以缓冲环状间隙δ随位移量不同而改变，即节流面积随缓冲行程的增大而缩小，使机械能的吸收较均匀，其缓冲效果较好，但仍有液压冲击。 3.可变节流槽式缓冲装置 如图4-7（c）所示，在缓冲柱塞A上开有三角节流沟槽，节流面积随着缓冲行程的增大而逐渐减小，其缓冲压力变化较平缓。 4.可调节流孔式缓冲装置 如图4-7（d）所示，当缓冲柱塞A进入到缸盖内孔时，回油口被柱塞堵住，只能通过节流阀C回油，调节节流阀的开度，可以控制回油量，从而控制活塞的缓冲速度。当活塞反向运动时，压力油通过单向阀D很快进入到液压缸内，并作用在活塞的整个有效面积上，故活塞不会因推力不足而产生启动缓慢现象。这种缓冲装置可以根据负载情况调整节流阀开度的大小，改变缓冲压力的大小，因此适用范围较广。上一页下一页返回4.3 液压缸的结构设计4.3 液压缸的结构设计4.3.4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、噪声及工作部件爬行和前冲等现象，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。 对于要求不高的液压缸，往往不设计专门的排气装置，而是将油口布置在缸筒两端的最高处，这样也能使空气随油液排往油箱，再从油箱溢出；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。如图4-8所示为两种排气塞。当松开排气塞或阀的锁紧螺钉后，让液压缸全行程空载往复运动若干次，带有气泡的油液就会被排出。然后再拧紧排气塞螺钉，液压缸便可正常工作。上一页下一页返回4.3 液压缸的结构设计4.3 液压缸的结构设计4.3.5液压缸的密封装置 液压缸的密封装置用以防止油液的泄漏，常用的密封方法有间隙密封和用橡胶密封圈密封。 1.间隙密封 间隙密封是依靠相对零件配合面之间的微小间隙来防止泄漏的，是最简单的一种密封方法。间隙密封方法的摩擦阻力小，但密封性能差，加工精度要求高，因此，只适用于尺寸较小、压力较低、运动速度较高的场合。活塞与液压缸壁之间的间隙通常取0.02～0.05 mm。 2.密封圈密封 密封圈密封是液压系统中应用最广泛的一种密封方法。密封圈用耐油橡胶、尼龙等材料制成，其截面通常做成O形、Y形、V形等，如图4-9所示的是常用的几种密封圈。上一页返回4.4 液压马达4.4 液压马达液压马达是执行元件。液压马达和液压泵一样，都是依靠密封工作容积的变化实现能量的转换，都属容积式，同样具有配流机构。液压马达与液压缸的不同在于：液压马达是实现旋转运动，输出机械能的形式是转矩和转速；液压缸是实现往复直线运动（或往复摆动），输出机械能的形式是力和速度（或扭矩和角速度）。 4.4.1液压马达的主要参数 从液压马达的功用来看，其主要参数为转矩T和转速n。 液压马达实际输出转矩与转速分别为 （4-17） n=qηv/V （4-18）下一页返回4.4 液压马达4.4 液压马达式中Δp——马达进出口压差； q——马达输入流量； V——马达排量； ηm——马达容积效率； ηv——马达机械效率。 4.4.2轴向柱塞式液压马达 如图4-10是轴向柱塞式液压马达的工作原理图。当压力油经配油盘通入柱塞底部孔时，柱塞受压力油作用向外伸出，并紧压在斜盘上，这时斜盘对柱塞产生一反作用力F。 上一页下一页返回4.4 液压马达4.4 液压马达由于斜盘倾斜角为γ，所以F可分解为两个分力：一个轴向分力FX，它和作用在柱塞上的液压作用力相平衡；另一个分力FY，它使缸体产生转矩。设柱塞和缸体的垂直中心线成φ角，此柱塞产生的转矩为 Ti=Fya=FyRsin φ=FxRtan γsin φ （4-19） 式中R——柱塞在缸体中的分布圆半径。 液压马达输出的转矩应是处于高压腔柱塞产生转矩的总和，即 T=∑FxRtan γsin φ （4-20） 由于柱塞的瞬时方位角φ是变量，柱塞产生的转矩也发生变化，故液压马达产生的总转矩也是脉动的。上一页返回4.5 液压执行元件的常见故障及排除方法4.5 液压执行元件的常见故障及排除方法液压缸和液压马达的常见故障排除方法分别见表4-4和表4-5。 返回图4-1双杆活塞液压缸安装方式简图图4-1双杆活塞液压缸安装方式简图返回图4-2 双作用单杆活塞液压缸计算简图图4-2 双作用单杆活塞液压缸计算简图返回图4-2 双作用单杆活塞液压缸计算简图图4-2 双作用单杆活塞液压缸计算简图返回图4-2 双作用单杆活塞液压缸计算简图图4-2 双作用单杆活塞液压缸计算简图返回图4-2 双作用单杆活塞液压缸计算简图图4-2 双作用单杆活塞液压缸计算简图返回图4-2 双作用单杆活塞液压缸计算简图图4-2 双作用单杆活塞液压缸计算简图返回图4-3 柱塞式液压缸结构简图图4-3 柱塞式液压缸结构简图返回图4-4 摆动液压缸图4-4 摆动液压缸返回图4-4 摆动液压缸图4-4 摆动液压缸返回表4-1 液压缸负载与工作压力之间关系表4-1 液压缸负载与工作压力之间关系返回表4-2各类液压设备常用的工作压力 表4-2各类液压设备常用的工作压力 返回表4-3 活塞杆直径的选取 表4-3 活塞杆直径的选取 返回图4-5 缸筒与缸盖的连接结构图4-5 缸筒与缸盖的连接结构返回图4-6 活塞与活塞杆的连接形式图4-6 活塞与活塞杆的连接形式返回图4-7 液压缸缓冲装置 图4-7 液压缸缓冲装置 返回图4-7 液压缸缓冲装置 图4-7 液压缸缓冲装置 返回图4-8 排气塞结构 图4-8 排气塞结构 返回图4-9 常用密封圈图4-9 常用密封圈返回图4-10 轴向柱塞式液压马达工作原理 图4-10 轴向柱塞式液压马达工作原理 返回表4-4 液压缸常见故障及排除方法表4-4 液压缸常见故障及排除方法下一页表4-4 液压缸常见故障及排除方法表4-4 液压缸常见故障及排除方法返回上一页表4-5液压马达常见故障及排除方法表4-5液压马达常见故障及排除方法下一页表4-5液压马达常见故障及排除方法表4-5液压马达常见故障及排除方法返回上一页