单双作用油缸选型及计算

第四章液压油缸第一节液压缸的工作原理、类型和特点液压缸是液压系统中的执行元件，它的职能是将液压能转换成机械能。

液压缸的输入量是液体的流量和压力，输出量是直线速度和力。

液压缸的活塞能完成往复直线运动，输出有限的直线位移。

一、液压缸的工作原理液压缸的工作原理见图4-1。

图4-1液压缸的工作原理液压缸由缸筒1、活塞2、活塞杆3、端盖4、活塞杆密封件5等主要部件组成。

6为进出油口。

其它结构的活塞式液压缸的主要零件如图4-1所示结构类似。

若缸筒固定，左腔连续地输入压力油，当油的压力足以克服活塞杆上的所有负载时，活塞以v连续向右运动，活塞杆对外界做功。

速度1v向左运动，活塞杆也对外界做功。

这样，完成了反之，往右腔输入压力油时，活塞以速度2一个往复运动。

这种液压缸叫做缸筒固定缸。

若活塞杆固定，左腔连续地输入压力油时，则缸筒向左运动。

当往右腔连续地通入压力油时，则缸筒右移。

这种液压缸叫活塞杆固定缸。

本章所论及的液压缸，除特别指明外，均以缸筒固定，活塞杆运动的液压缸为例。

由此可知，输入液压缸的油必须具有压力p和流量q。

压力用来克服负载，流量用来形成一定的运动速度。

输入液压缸的压力和流量就是给缸输入液压能；活塞作用于负载的力和运动速度就是液压缸输出的机械能。

因此，缸输入的压力p，流量q，以及输出作用力F和速度v是液压缸的主要性能参数。

二、液压缸的分类为了满足各种主机的不同用途，液压缸有多种类型。

按供油方向分，可分为单作用缸和双作用缸。

单作用缸只是往缸的一侧输入高压油，靠其它外力使活塞反向回程。

双作用缸则分别向缸的两侧输入压力油。

活塞的正反向运动均靠液压力完成。

按结构形式分，可分为活塞缸、柱塞缸、摆动缸和伸缩套筒缸。

按活塞杆的形式分，可分为单活塞杆缸和双活塞杆缸。

按缸的特殊用途分，可分为串联缸、增压缸、增速缸、步进缸等。

此类缸都不是一个单纯的缸筒，而是和其它缸筒和构件组合而成，所以从结构的观点看，这类缸又叫组合缸。

缸的分类见表4-1。

表4-1缸的分类第二节 液压缸基本参数的计算一、双活塞杆缸的计算双作用活塞杆缸的计算简单见图4-2。

图4-2 双活塞杆缸计算简图根据流量连续性定理，进入缸的液体流量等于液流截面和流速的乘积，而缸液流的截面即是活塞的有效面积，液流的平均流速即是活塞的运动速度。

因此：)(422d D qA q v -==π (4-1) 式中：q ——进入缸的液体流量；v ——活塞的运动速度；A ——活塞的有效面积； D ——活塞直径，即缸筒内径；d ——活塞杆直径。

活塞杆上理论的输出力F 等于活塞两侧有效面积和活塞两腔压力差的乘积。

))((42122p p d D F --=π(4-2)式中：1p ——进油压力；2p ——回油压力，即缸出油口的背压。

以上计算未考虑油从活塞的一腔到另一腔的内泄漏和端盖与活塞杆之间的外泄漏以及活塞和缸筒、活塞杆和端盖之间的摩擦力。

由以上公式可知，这类缸在两个方向上的运动速度和输出力均相等。

二、 单活塞杆缸的计算单活塞杆缸，又叫差动液压缸。

其计算简图见图4-3。

图4-3单活塞杆缸计算简图无杆腔活塞的有效面积为1A ：214D A π=有杆腔活塞的有效面积为2A ：)(4222d D A -=π当压力油进入无杆腔的流量为1q 时：活塞右移速度为1v 、输出力为1F ：211114DqA q v π==(4-3) 22111A p A p F -=2222144)(d p D p p ππ+-= (4-4)式中：1p —进油压力；2p —为回油压力。

当压力油进入有杆腔的流量为2q 时，活塞左移速度为2v ，输出力为2F ：)(4222222d D q A q v -==π (4-5) 12212A p A p F -=2122144)(d p D p p ππ--= (4-6)若q q q ==21,p p =1,02=p ,则(4-3)、(4-4)、(4-5)、(4-6)四式将分别为：21114D qA q v π==(4-7) 2114D ppA F π== (4-8))(42222d D qA q v -==π (4-9) )(2222d D p pA F -== (4-10)由于21A A >，所以21V V <,21F F >。

其意为：若分别进入缸两腔的流量均为q ，进口压力均为p ，则q 进入无杆腔时，活塞的运动速度较小，而输出力较大；q 进入有杆腔时，活塞的运动速度较大，而输出力较小；故常把压力油进入无杆腔的情况作为工作行程，而把压力油进入有杆腔的情况作为空回行程。

活塞两个方向上的速度比叫液压缸的速比，用ϕ表示。

22222112)(11Dd d D D A A v v -=-===ϕ (4-11) 212112F F A A v v ===ϕ (4-12) （4-11）式说明，活塞速度与活塞有效面积成反比；活塞输出的力和活塞的有效面积成正比。

ϕ值越接近于1，正反两个方向上的速度越接近，ϕ值若远大于1，则回程速度也远大于工作行程的速度。

当两个方向的流量均为q ，D 也一定时，改善活塞杆直径可得到满意的ϕ值。

若往单活塞杆缸的无杆腔中供压力油，将油杆腔排出的油再接回到无杆腔，如图4-4所示，则叫做缸油路的差动连接或称差动连接缸。

这时缸两腔的压力虽相等，活塞仍向右运动。

图4-4 差动连接缸活塞的运动速度v ：12vA vA q =+2214dqA A q v π=-=(4-13)活塞的输出力为F ：4)(221d pA A p F π=-= (4-14)将未差动连接，往无杆腔输油的缸和差动连接缸比较。

从(4-13)和 (4-14)式可见，后者的速度比较快，但输出力较小。

若212A A =，即d D 2=，则差动连接缸在两个方向上的速度相等、输出力也相等。

这是因为：设活塞左行的速度为2v ，v dq d D q A q v ==-==222224)(4ππ (4-15) 设活塞左行的输出力为2F ，F d pd D PpA F ==-==222224)(4ππ(4-16)差动连接缸常用于工作行程需要慢进快退和快进速度相等的场合。

三、 柱塞缸图4.2-4所示柱塞缸。

图4-5 往复式柱塞缸它只能实现一个方向的运动，反向运动要靠外力。

一般成对反向布置使用。

这种液压缸中的柱塞和缸筒不接触，运动时由缸盖上的导向套来导向，因此缸筒的内壁不须精加工。

它特别适用于在行程较长的场合。

柱塞缸输出的推力和速度分 别为：2214)(d p p F π-= (4-17)24dqv π=(4-18)式中：d —柱塞直径；1p —进油压力；2p --另一柱塞的回油压力。

四、摆动缸图4-6a 所示单叶片式摆动缸，它的摆动角度较大，可达0300。

(a)单叶片式 (b) 双叶片式图4-6 摆动缸其输出扭矩和角速度分别为：m m R R p p R R b rdr p p b T ηη))((2)(2121222121--=-=⎰ (4-19) )(222122R R b q n V-==ηπω (4-20) 式中：b —叶片宽度。

图4-6b 所示双叶片式摆动缸，它的摆角较小、可达0150，它的输出转矩是单叶片式的两倍，而角速度则是单叶片式的一半。

五、 组合式液压缸 1 。

串联液压缸图4－7是由两个缸组成的串连液压缸。

两个缸分别有自己的进油口、出油口，缸筒固定在同一个活塞杆上。

两个缸的进油口相连，出油口也相连。

串连液压缸的输出力是两个缸输出力的总和。

图4-7 串联液压缸2． 增压缸增压缸也称增压器，其工作原理见图4-8。

图4-8不连续动作型增压缸增压缸在同一个活塞杆上的两个活塞直径不同。

当低压油 1p 进入缸右端时，活塞 向右运动，输出高压油2p 。

根据活塞杆的力平衡关系可得：2211A p A p =式中：p 1―--输入的低压； p 2―--输出的高压； A 1―--大活塞的面积；A 2―--大活塞的面积。

K p A A p p .12112== K ―--压力放大倍数，K=A 1/A 2。

面积A 1和A 2的差越大，K 值也越大，在p 1 相同时输出的p 2值也越大，但输出的流量也越小。

反向通油时，活塞杠左移是空回行程，无高压油输出，次种类型的增压缸不能连续输出高压油。

若需连续输出高压油时需对活塞和活塞杆的结构和连接方式改进，并加上控制油路后，才能连续输出高压油。

3．增速缸增速缸的原理图见图4－9。

图4-9增速缸的原理图先从a 口供油使活塞2以较快的速度右移。

活塞2运动到某一位置后，再从b 口供油，活塞2以较快的速度右移，同时输出力也相应增大。

4．多位液压缸多位液压缸的工作原理见图4-10。

图4-10 多位液压缸原理此类缸由两个单缸组成，有A 、B 、C 、D 4个油口。

改变各油口的通断状况，即可得到4种缸的伸出位置，见表4－2。

油口的通断可用换向阀控制。

表4－2 多位缸的行程5．伸缩缸图4-11示是一种双作用式伸缩缸。

伸缩缸由两个或多个活塞缸套装而成，前一级活塞缸 的活塞是后一级活塞缸的缸筒，伸出时可获得很长的行程，缩回时可保持很小的结构尺寸。

通入压力油时各级活塞按有效面积大小依次先后动作，并在输入流量不变的情况下输出推力逐级减小，速度逐级加大，其值为：mi i i D p F ηπ214= (4-21)24iVii D q v πη=(4-22) 式中: i －第i 级活塞缸。

图4-11 双作用式伸缩缸6．齿轮齿条缸图4-12为一齿轮齿条缸。

它由两个柱塞缸和一套齿轮齿条传动装置组成，柱塞的移动经齿轮齿条传动装置变成齿轮的转动，用于实现工作部件的往复摆动或间隙进给运动。

图4-12 齿轮齿条缸第三节 液压缸的典型结构一 、液压缸典型结构举例图4-13所示是一个双作用单杆活塞液压缸的结构图。

图4-13双作用单杆活塞液压缸的结构1- 螺钉；2-缸底；3-弹簧卡圈；4-挡环；5－卡环（由2个半圆组成）;6-密封圈；7-挡圈；8-活塞；9-支承环；10-活塞与活塞杆之间的密封圈；11-缸筒；12-活塞杆；13-导向套；14-导向套和缸筒之间的密封圈；15—端盖；16—导向套和活塞杆之间的密封圈；17—挡圈；18—锁紧螺钉；19—防尘圈；20—锁紧螺帽；21—耳环；22—耳环衬套圈此缸是工程机械中的常用缸。

它的主要零件是缸底2、活塞8、缸筒11、活塞杆12、导向套13和端盖15。

此缸结构上的特点是活塞和活塞杆用卡环连接，因而拆装方便；活塞上的支承环9由聚四氟乙烯等耐磨材料制成，摩擦力也较小；导向套可使活塞杆在轴向运动中不致歪斜，从而保护了密封件；缸的两端均有缝隙式缓冲装置、可减少活塞在运动到端部时的冲击和噪声。

此类缸的工作压力为12—15MPa 。