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第三章 液压缸（Oil cylinder）,31 移动式液压缸,32 摆动式液压缸,1、液压缸的运动状况、缸固定和杆固定的特点；2、双作用单活塞杆液压缸的推力及速度的计算；3、差动油缸的设计及计算。,本 章 重 点,1、活塞式液压缸和柱塞式液压缸；2、双作用单活塞杆液压缸；3、差动连接和差动油缸。,本 章 难 点,液压缸是液压传动系统中的执行元件，它的作用是将液压能转换为机械能，驱动工作机构作直线往复运动或往复摆动。,液压缸结构简单、工作可靠，在各种机械的液压系统中广泛应用。,*液压缸的特点和作用,前一章所学的液压马达也是一种执行元件，它是将输入的压力油使输出轴作旋转运动，将液压能转换成连续回转的机械能。,液压缸有多种形式，按其作用方式分类，分为单作用式和双作用式两大类。,单作用液压缸是指利用液压油推动活塞(柱塞)作一个方向运动，而反向运动则依靠重力或弹簧力等实现。,双作用,*液压缸的类型,液压缸是指正、反两个方向的运动都依靠压力油来实现。,活塞式液压缸(piston cylinder)应用最多。,高压液压缸，其额定压力为2532 MPa；一般用于油压机一类机械,液压缸按不同的使用压力分类,中低压液压缸，额定压力为 2.56.3MPa；一般用于机床类机械,中高压液压缸，其额定压力为1016 MPa；一般用于建筑车辆和飞机上,一、活塞式液压缸,31 移动式液压缸,二、柱塞式液压缸,三、复合式液压缸,四、伸缩式液压缸,一、活塞式液压缸(piston cylinder)p68,活塞式液压缸按作用方式分有单作用、双作用之分；双作用又分双作用双活塞杆和双作用单活塞杆。,按其安装方式不同，又分缸固定式和活塞杆固定式两种：,单作用活塞缸工作时靠压力油推动，返回时靠 自重(或弹簧)的作用实现。,1、单作用活塞式液压缸(one-way cylinder),1）图形符号,单作用式伸缩缸动画,2）结构：,由1缸体、2活塞、3活塞杆、密封、4缸盖等组成,3）基本计算（速度v和推力F计算）（若不考虑泄漏）,双作用活塞式液压缸又分双作用双活塞杆、双作用单活塞杆两种；根据安装方式不同又有缸筒固定式和活塞杆固定式两种。,2、双作用活塞式液压缸(double-acting cylinder),双作用双杆缸固定,双作用双杆杆固定,1）双作用双活塞杆式液压缸,液压缸固定式工作原理(如图),压力油p1 流量为q 从a 口进入缸左腔，当液压油的作用力克服阻力后，活塞和与之相连的工作台一起从左向右运动，缸右腔的油液(p2)则从b 口流出，若改变进油方向，液压油从b口流入缸右腔，工作台的运动反向。,活塞杆固定式工作原理(如图),压力p1 的液压油从孔口a 流入缸左腔，缸筒和工作台 从右向左运动，缸右腔的油液(p2)则从孔口b 流出，改变进油方向，液压油从b口流入缸右腔，缸体向右运动。,推力及速度计算,双杆活塞缸的两个活塞杆的直径通常是相等的(直径用d 表示)，故其左右两腔的有效工作面积也是相等的(缸筒直径用D 表示)。当进入液压缸的流量相同时，其往返(正反)速度相等；,（314）,当进入液压缸的压力相同时，正反两方向的推力相等；,（313）,式中：A 液压缸的有效工作面积；,p2 回油腔压力。,液压缸的机械效率；,液压缸的容积效率；,D 活塞的直径；,d 活塞杆的直径；,q 输入液压缸的流量；,p1 进油腔压力；,双作用双杆液压缸固定,工作台的最大活动范围是活塞有效行程L 的3 倍。,v,v,双作用双杆活塞杆固定,工作台的最大活动范围是缸有效行程L 的2 倍,双作用双活塞杆式液压缸的图形符号,双作用双活塞杆式液压缸的特性归纳:,(1)计算公式：无论是缸固定还是杆固定计算速度和推力的公式相同；,(3)最大活动范围：缸固定、杆固定时工作台的最大活动范围不同；(缸固定3L,杆固定2L)；,(2)图形符号：无论是缸固定还是杆固定图形符号相同；,(4)应用：缸固定安装方式占地面积大，常用于小型机床(设备)。杆固定占地面积较小，适用于中型及大型机床(设备)。,2)双作用单活塞杆式液压缸,如图所示，单杆活塞缸也有缸固定式和杆固定式两种安装方式，无论是缸固定式还是杆固定式，其工作台的最大活动范围都是活塞(缸筒)有效行程L 的2 倍。,单杆活塞缸由于左右两腔的有效工作面积不相等，所以两腔所产生的推力和左右方向的速度不相等。,双作用单活塞杆液压缸,压力油为p1进入无杆腔，推动活塞向右运动速度为v1，回油压力p2，则推力F1为：,若不计回油压力，p2=0，则：,（315）,压力油进入无杆腔(以无杆腔作为工作油腔),若输入的油液流量为q，则速度v1为：,(316),压力油进入有杆腔(以有杆腔作为工作油腔),（317）,若不计回油压力,p2=0，则：,推力为F2，速度为v2，即：,速度v2为：,(3 18),工程实用上常把两方向上的速度v2和v1的比值称为速度比，并记为，即：,（319）,双作用单活塞杆式液压缸的图形符号,双作用单活塞杆式液压缸的特性归纳:,(1)计算速度和推力的公式不相同（v1，v2；F1，F2）；,(2)无论是缸固定还是杆固定图形符号相同；,(3)缸固定和杆固定时工作台的最大活动范围相同(2L)。,双作用活塞式液压缸特性归纳,速度和推力的计算公式,3、差动油缸(cylinder with differential),1）差动连接当双作用单杆液压缸左右两腔同时 通压力油时，由于油缸左、右两腔的有 效工作面积不相等，两腔的推力也不相 等，从而产生差动运动，这种油路的连 接形式称差动连接。,（简单定义差动连接双作用单杆油缸左右两腔相互接通并同时输入压力油时，称为差动连接。),双作用单杆液压缸的差动连接,差动连接时的速度v3，推力F3,(322),解得,(321),(320),（忽略两腔连通油路的压力损失 时）,可见，差动连接时，实际起作用的有效面积是活塞杆的横截面积A3，又称差动面积,差动连接的意义：采用差动连接时，不增大油泵的供油量却可得到较大的速度。,活塞反向运动，其速度v2,从上面推导可知，差动连接不能使运动反向.,要活塞反向运动必须进行如下油路设计（见图）,这种的油路设计既可以差动连接，又可以反向运动。,反向运动的速度v2,当要求正反向运动速度相等时，,结论：把活塞杆的直径d做成活塞直径D的0.707倍的双作用单杆缸，采用差动连接，可有速度v3，反向运动非差动连接，可有速度v2，且可得到正反向运动速度相等v2=v3。,要使v2=v3，则：,定义：结构尺寸满足d=0.707D的双作用单杆的液压缸称为差动油缸。,差动油缸图形符号为：,2）差动油缸,差动油缸的特点：,1.具有双作用单杆的液压缸的特点；,2.具有d=0.707D结构尺寸；,差动油缸的意义：,在用定量泵供油时，以无杆腔为工作油腔，采用差动连接，有正向运动速度v3，以有杆腔为工作油腔，不能采用差动连接，可以得到反向运动速度v2，且可使正反向运动的速度相等（v2=v3）。,二、柱塞式液压缸 p72,1、柱塞式液压缸的特点,柱塞式液压缸为单作用缸，即工作时靠压力油推动，返回靠弹簧或自重完成。,优点：缸内壁不需精加工、工艺性好、成本低、制造容易。,应用：行程较长的场合，如导轨磨床、龙门刨床。若要求往复工作运动时，常将柱塞缸成对使用，即由两个柱塞缸分别完成相反方向运动。,单柱塞缸,单向液压驱动，回程靠外力。,如上图a)所示，柱塞式液压缸只能单方向向右运动，反向退回时靠外力，如弹簧力、重力等完成。若要求往复工作运动时，常将柱塞缸成对使用，即由两个柱塞缸分别完成相反方向运动。如图b)所示。,a),双柱塞缸,双向液压驱动,b),3、推力和速度计算,(323),2、柱塞液压缸的图形符号,(324),三、复合油缸,1、增力油缸 由两个单活塞杆缸串联在一起，当压力油通入两缸左腔时，串联活塞向右运动，两缸右腔的油液同时排出，其推力等于两腔推力之和，即:,式中：p1进油压力；p2回油压力；,若忽略回油压力，即p2=0，则：,这种液压缸用于径向安装尺寸受到限制而输出力又要求很大的场合。,增力油缸的图形符号：,增压油缸又叫增压器，在液压系统中采用增压油缸，可以在不增加高压能源的情况下，获得比液压系统中能源压力高得多的油压力。,2、增压油缸,增压油缸,增压油缸动画,如图所示为一种由活塞缸和柱塞组合而成的增压油缸，它是利用活塞和柱塞有效工作面积之差来使液压系统中局部区域获得高压的。当输入活塞缸左腔的压力油为pa，则柱塞缸右腔输出的压力为pb,(327)pbpa,式中 为增压比，它表示增压油缸的增压能力，增压能力是在降低有效流量的基础上得到的。,四、伸缩式液压缸 p72,伸缩式液压缸又称为多级液压缸，是由两个或多个活塞套装而成。它的前一级活塞缸的活塞是后一级活塞缸的缸筒，伸出时(按活塞1、2的有效工作面积由大到小依次伸出)，可获得很长的工作行程，缩回时(按活塞有效工作面积由小到大依次缩回)长度则较短，故结构较紧凑。,图49为双作用式伸缩缸(亦有单作用式)。伸缩式液压缸常用于工程机械(如翻斗汽车、起重机等)和农业机械上。,由于各级活塞的有效工作面积不同，在输入液压力和流量不变的情况下，液压缸的推力和速度是分级变化的：先动作的活塞速度低、推力大；后动作的推力小、速度高。,双作用式伸缩缸动画,单作用式伸缩缸动画,活塞1,活塞2,（其它形式液压缸，见教材 自阅）,五、液压缸的设计计算 p74,1、液压缸典型结构,2、液压缸的组件,3、液压缸主要尺寸的计算和强度校核,常有单叶片和双叶片式两种结构形式，(也有多叶片式的)，摆动式液压缸由缸筒1、叶片轴2、定位块3 和叶片4 组成，见图。,32 摆动式液压缸 p77,摆动式液压缸也称回转式液压缸或摆动马达。,缸筒,叶片轴,定位块,叶片,单叶片式摆动缸,摆动马达（摆动缸）,结构：叶片、缸体、输出轴,双叶片式,单叶片式,摆动缸动画,单叶片摆动缸，其摆动角度可达300，双叶片摆缸其摆动角最大可达150。双叶片摆动缸输出转矩是单叶片的2倍，在同等条件下角速度则是单叶片的一半。,图形符号为：,(333),(332),对单叶片摆动缸,输出转矩TM和回转角速度分别为：,当叶片为z 时,其输出转矩TM为：,回转角速度为：,式中 p1缸的进口压力；p2缸的出口压力；b叶片宽；m缸的机械效率；v缸的容积效率；z叶片数；R1叶片底部的回转半径(叶片轴半径)；R2叶片顶部的回转半径(缸体内半径)；TM缸输出转矩；缸输出角速度。,摆动式液压缸的主要特点是结构紧凑，但加工制造比较复杂。在机床上，用于回转夹具、送料装置、间歇进刀机构等；在液压挖掘机、装载机上，用于铲斗的回转机构。目前，在舰船的液压舵机上逐步由摆动式液压缸取代柱塞式液压缸；在舰船稳定平台的执行机构中，也不少采用摆动式液压缸。,液压缸的典型结构,液压缸安装连接形式：脚架式，耳环式，铰轴式,缸体组件 包括缸筒、缸盖、缸底等零件。活塞组件 包括活塞与活塞杆等零件。密封装置 有活塞与缸筒、活塞杆与缸盖的密封。缓冲装置 排气装置,例题1 差动油缸如图所示，若无杆腔面积A1=502，有杆腔面积A2=252，负载F=27.6103 N，机械 效率m=0.92，容积效率v=0.95，试求：1）供油压力大小；2）当活塞以95/min的速度运动时所需的供油量；3）液压缸的输入功率。,液压缸的习题讲解,解：1）供油压力p,由题意：,2）所需供油量q,根据公式：,3）液压缸的输入功率N,答：1）供油压力；2）当活塞以95/min的速度运动时所需的供 油量；3）液压缸的输入功率为500W。,例题2 已知单活塞液压缸内径D=80mm，活塞杆直径 d=55mm，活塞杆推动重量G=8500N工作台，并 通过工作台推动的负载F=3000N，启动0.4 s 后，液压缸达其稳态速度v=50m/min，设工作台与导 轨 的摩擦系数 f=0.2，液压缸回油压力p2=5105Pa，机械效率m=0.95，试确定驱动液压缸的进油压力p1。(g=10m/s2),工作台质量,活塞加速度,摩擦阻力,解：启动瞬间，活塞上的动态力平衡方程为：,有杆腔面积,无杆腔面积,已知:负载 F=3000N,m=0.95，以上数据代入方程,答：驱动液压缸的进油压力,例3、设计计算一差动液压缸，已知：液压泵的流 量为25 L/min，工作压力p=40105Pa，要求：（1）往复快速运动速度相等，且v=6 m/min，（2）油缸左腔进油，右腔回油时，推力为25000N，试确定油缸的内径D，活塞杆直径d 和液压缸 的壁厚。,解：根据题意，油缸差动连接时：,（不考虑损失）,为保证往复运动速度相等，即,则,取标准直径D=100 mm，d=70 mm，,取,液压缸筒的材料为45#钢，其许用压力,取试验压力,当缸左腔进油，右腔回油时，缸的工作压力为：,取液压缸筒的壁厚3 毫米。,液压缸的内径D=100 mm，活塞杆直径 d=70mm，液压缸筒的壁厚 3 mm。,思 考 题,1、液压缸有哪些类型？如何分类？,2、何谓单作用液压缸？何谓双作用液压缸？,3、什么是差动连接？差动连接的意义何在？,4、何谓差动面积？何谓差动油缸？,5、差动连接能否使运动反向？,6、差动油缸的意义何在？,作业：教材p280，3-4，3-6，3-7，3-8。,