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液压缸 教学PPT判辨

日期:2019-11-25 05:51 来源: 板式换热器

  液压缸 教学PPT分解_职高对口_职业教育_教育专区。液压缸 教学PPT分解

  1 本章提要 本章主要内容为: ? ? ? ? 液压缸的类型及特点 液压缸的设计计算 液压缸的典型结构 液压缸的密封 通过本章的学习,要求掌握液压缸设计中 应考虑的主要问题,包括结构类型的选择和参 数计算等,为液压缸设计打下基础。 2 A V 液压缸(油缸) 主要用于实现机构的 直线往复运动,也可 以实现摆动,其结构 简单,工作可靠,应 用广泛。 F p1 Q d p2 ?p ? p1 ? p2 压力p 流量Q 作用力F 速度V 液压缸 液压功率 机械功率 ?液压缸的输入量是液体的流量和压力,输出量是速度和 力。 ?液压缸和液压马达都是液压执行元件, 其职能是将液 压能转换为机械能。 3 3.1 液压缸的类型及特点 液压缸的分类 按供油方向分:单作用缸和双作用缸。 按结构形式分:活塞缸、柱塞缸、伸缩套筒缸、摆动液压缸。 按活塞杆形式分:单活塞杆缸、双活塞杆缸。 A F A F A F v Q P v Q ?P v Q P 单杆液压缸 双杆液压缸 柱塞式液压缸 4 理想液压缸 A F Q P 理想油缸 1 A A v F v Q P 理想单杆液压缸 PQ=Pv A F 数学模型 v Q ?P 理想双杆液压缸 ΔPQ=Pv P×Q ? F×v F ? P×A v ?Q/ A A __ 油缸有效工作面积 (单位位移排量) 5 3.1.1 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。 3.1.1.1 双杆活塞液压缸 双活塞杆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3.1所示。 A F A F v q P1 P2 v P2 P1 q (a)缸筒固定式 (b)活塞杆固定式 6 因为双活塞杆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: q 4q v ? ?v ? ?v (3.1) 2 2 A ? (D ? d ) F? 式中: p1、 p 2 v m ? 4 ( D 2 ? d 2 )( p1 ? p 2 )? m (3.2) —分别为缸的进、回油压力; ? 、? —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。 7 这种液压缸常用于要求往返运动速度相同的场合。 3.1.1.2单活塞杆液压缸 单活塞杆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3.2所示。 A1 A2 d F1 A1 A2 D F2 q P1 P2 v1 P1 P2 q v2 (a)无杆腔进油 (b)有杆腔进油 8 A1 A2 d F1 无杆腔进油 D q P1 P2 v1 (a)无杆腔进油 活塞的运动速度 v1 和推力 F1 分别为: q 4q v1 ? ?v ? ?v 2 A1 ?D (3.3) (3.4) 9 ? 2 F1 ? ( p1 A1 ? p 2 A2 )? m ? [ D p1 ? ( D 2 ? d 2 ) p 2 ]? m 4 A1 A2 有杆腔进油 P1 F2 P2 q v2 (b)有杆腔进油 活塞的运动速度 v2 和推力 F2 分别为: q 4q v2 ? ?v ? ?v 2 2 A2 ? (D ? d ) (3.5) (3.6) 10 ? F2 ? ( p 2 A2 ? p1 A1 )? m ? [( D 2 ? d 2 ) p1 ? D 2 p 2 ]? m 4 v2 v1 , F1 F2 ;液压缸 比较上述各式,可以看出: 往复运动时的速度比为: v2 D2 ?? ? 2 2 v1 D ? d (3.7) 上式表明:当活塞杆直径愈小时,速度比接近1, 在两个方向上的速度差值就愈小。 A1 A1 A A d 2 D F1 2 F2 q P1 P2 v1 P1 P2 q v2 11 (a)无杆腔进油 (b)有杆腔进油 A1 A2 F3 两腔进油 , 差动联接 P1 v3 q (c)差动联接 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,单活 塞杆液压缸的这种连接方式被称为差动连接。 12 两腔进油,差动联接 A1 A2 F3 A1 ? A2 F3 P1 v3 等效 P1 v3 q (c)差动联接 q 活塞的运动速度为: q 4q v3 ? ?v ? ?v 2 (3.8) A1 ? A2 ?d 在忽略两腔连通油路压力损失的情况下,差动连接液 压缸的推力为: F3 ? p1 ( A1 ? A2 )? m ? ? 4 d 2 p1? v (3.9) 13 两腔进油,差动联接 A1 A2 F3 A1 ? A2 F3 P1 v3 等效 P1 v3 q (c)差动联接 q 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大,而输出力则 较小。 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。 14 差动液压缸计算举例 例3.1:已知单活塞杆液压缸的缸筒内径D=100mm,活 塞 杆 直 径 d=70mm , 进 入 液 压 缸 的 流 量 q=25min , 压 力 P1=2Mpa , 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3.2(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各是多少?并给出运 动方向。 解:在图3.2(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: ? 2 ? F1 ? D p1? m ? ? 0.12 ? 2 ? 10 6 ? 0.97 ? 15237 ( N ) 4 4 液压缸向左运动,其运动速度为: 4q 4 ? 25 ? 10?3 0.98 v1 ? ?v ? ? 0.052(m / s) 2 2 ?D ? ? 0.1 ? 60 15 在图3.2(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: F2 ? ? 4 ( D 2 ? d 2 ) p1? m ? ? 4 (0.12 ? 0.07 2 ) ? 2 ? 10 6 ? 0.97 ? 7771( N ) 液压缸向左运动,其运动速度为: 4q 4 ? 25? 10?3 ? 0.98 v2 ? ?m ? ? 0.102(m / s) 2 2 2 2 ? (D ? d ) ? (0.1 ? 0.07 ) ? 60 在图3.2(c)中,液压缸差动连接,可推动的负载力为: F3 ? ? 4 d p1? m ? 2 ? 4 ? 0.07 2 ? 2 ? 10 6 ? 0.097 ? 6466 ( N ) 液压缸向左运动,其运动速度为: 4q 4 ? 25 ? 10?3 ? 0.98 v3 ? ?v ? ? 0.106(m / s) 2 2 ?d ? ? 0.07 ? 60 16 3.1.2 柱塞式液压缸 当活塞式液压缸行程较长时,加工难度大,使得制造成本 增加。 某些场合所用的液压缸并不要求双向控制,柱塞式液压缸 正是满足了这种使用要求的一种价格低廉的液压缸。 A 缸 筒 图3.3柱塞式液压缸 柱 塞 p q 17 ( a ) 如图 3.3 ( a )所示,柱塞缸由缸筒、柱塞、 导套、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。 A 缸 筒 柱 塞 p q ( a ) 图3.3柱塞式液压缸 18 柱塞式液压缸是 单作用的,它的回程 Q V 需要借助自重或弹簧 等其它外力来完成。 如果要获得双向运动, 4Q V? 2 ?d p1 d 可将两柱塞液压缸成 对使用为减轻柱塞的 重量,有时制成空心 柱塞。 d p2 Q F ? ( p1 ? p2 ) d 2 图3.3柱塞式液压缸 4 式中:d—柱塞直径,p1—进油压力,p2—另一缸的回油压力。 19 ? 3.1.3 摆动式液压缸 摆动液压缸能实现小于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。 1 2 3 4 1 D d 1 4 4 2 3 图3.4摆动液压缸 20 单叶片摆动液压缸主要由定子块1、缸体2、摆动轴3、 叶片4、左右支承盘和左右盖板等主要零件组成。定子块固 定在缸体上,叶片和摆动轴固连在一起,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。 1 2 3 4 1 D d 1 4 4 2 3 图3.4摆动液压缸 21 当考虑到机械效率时,单叶片缸的摆动轴输出转矩为 b 2 T ? ( D ? d 2 )( p1 ? p 2 )? m (3.10) 8 D — 缸体内孔直径; d — 摆动轴直径; b — 叶片宽度; 1 2 3 4 2 3 1 D d p2 p1 1 4 4 图3.4摆动液压缸 22 根据能量守恒原理,结合式(3.10)得输出角速度为 8q?v ?? b( D 2 ? d 2 ) (3.11) D — 缸体内孔直径; d — 摆动轴直径; b — 叶片宽度; 1 2 3 2 3 ω D d 4 1 q 1 4 4 图3.4摆动液压缸 23 单叶片摆动液压缸的摆角一般不超过280 ? ,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。 1 2 3 2 3 ω D d 4 1 q 1 4 4 24 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。 1 2 3 2 3 ω D d 4 1 q 1 4 4 25 3.1.4 伸缩式液压缸 套筒活塞 活塞 缸体 伸出 伸缩式单作用缸 缩回 26 伸缩式液压缸的特点是:活塞杆伸出的行程 长,收缩后的结构尺寸小,适用于翻斗汽车,起 重机的伸缩臂等。 伸出 缩回 27 伸缩式双作用缸 二级活塞 B A 伸出 缸体两端有进、出油口A和B。当A口进油,B 口回油时,先推动一级活塞向右运动。一级活 塞右行至终点时,二级活塞在压力油的作用下 继续向右运动。 28 B 二级活塞 A 伸出 29 3.1.5 齿条活塞缸 齿条活塞缸由带有齿条杆的双作用活塞缸和齿轮齿条机构 组成,活塞往复移动经齿条、齿轮机构变成齿轮轴往复转动。 ω 10 8 12 11 9 7 6 5 4 3 2 q 1 行程 图3.6齿条活塞液压缸的结构图 1 —紧固螺帽;2 —调节螺钉;3 —端盖;4 —垫圈;5 — O形密封圈; 6 —挡圈;7 —缸套;8 — 齿条活塞;9 —齿轮;l0 —传动轴;11 —缸体; 12 —螺钉 30 3.2 液压缸的结构 图 3.9 双作用单活塞杆液压缸结构图 l — 缸底;2 — 卡键;3、5、9、11 — 密封圈;4 — 活塞;6 — 缸筒; 7 — 活塞杆;8 — 导向套;10 — 缸盖;12 — 防尘圈;13 — 耳轴 31 单活塞杆液压缸主要由缸底1 、缸筒 6 、缸盖 10 、活 塞4、活塞杆7和导向套8等组成。缸筒一端与缸底焊接, 另一端与缸盖采用螺纹连接。活塞与活塞杆采用卡键连 接。为了保证液压缸的可靠密封,在相应部位设置了密 封圈3、5、9、11和防尘圈12。 图 3.9 双作用单活塞杆液压缸结构图 l — 缸底;2 — 卡键;3、5、9、11 — 密封圈;4 — 活塞;6 — 缸筒; 7 — 活塞杆;8 — 导向套;10 — 缸盖;12 — 防尘圈;13 — 耳轴 32 3.2.1 缸体组件 3.2.1.1 缸筒与端盖的连接 图3.8缸体与缸盖的连接结构 33 (1)法兰式连接 ( 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。 34 (3)螺纹式连接 内螺纹连接 外螺纹连接 35 (4)拉杆式连接 (5)焊接式连接 36 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,要求表面粗造度 在0.1?m~0.4?m。 端盖 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。 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,直接用端盖孔导向。 缸筒,端盖和导向套的材料选择和技术要求可参 考液压设计手冊。 37 3.2.3 活塞组件 活塞组件由活塞、密封件、活塞杆和连接件等组成。 活塞与活塞杆的连接形式 如图 3.9 所示,活塞与活塞杆的连接最常用的有螺纹 连接和半环连接形式,除此之外还有整体式结构、焊接 式结构、锥销式结构等。 1 2 3 4 5 (a) (b) 1一活塞杆;2一活塞;3一密封圈; 4一弹簧圈;5一螺母 1一卡键;2一套环;3一弹簧卡圈 38 活塞装置主要用来防止液压油的泄漏。对密封装置的 基本要求是具有良好的密封性能,并随压力的增加能自动 提高密封性。除此以外,摩擦阻力要小,耐油。 油缸主要采用密封圈密封,密封圈有O 形、 V 形、 Y形 及组合式等数种,其材料为耐油橡胶、尼龙、聚氨脂等。 (1)O形密封圈 O 形密封圈的截面为圆形,主要用于静密封。与唇形 密封圈相比,运动阻力较大,作运动密封时容易产生扭转, 故一般不单独用于油缸运动密封。 39 (1)O形密封圈 ( a ) (a)普通型 (b ) (b)有挡板型 图3.10 O型密封圈的结构原理 40 O形圈密封的原理:任何形状的密封圈在安装时,必 须保证适当的预压缩量,过小不能密封,过大则摩擦力 增大,且易于损坏。因此,安装密封圈的沟槽尺寸和表 面精度必须按有关手册给出的数据严格保证。 在动密封中,当压力大于10MPa时,O形圈就会被挤 入间隙中而损坏,为此需在O形圈低压侧设置聚四氟乙烯 或尼龙制成的挡圈,双向受高压时,两侧都要加挡圈。 ( a ) (b ) (a)普通型 (b)有挡板型 图3.10 O型密封圈的结构原理 41 (2)V形密封圈 V形圈的截面为 V形,如图3.11所示,V形密封装置 是由压环、V形圈和支承环组成。当工作压力高于 10MPa时,可增加V形圈的数量,提高密封效果。安装 时,V形圈的开口应面向压力高的一侧。 (a ) (b ) (c) a)压环 b)V型圈 图3.11 V形密封圈 c)支承环 42 (3) Y(Yx)形密封圈 Y形密封圈的截面为Y形,属唇形密封圈。它是一种摩擦 阻力小、寿命较长的密封圈,应用普遍。 Y形圈主要用于往 复运动的密封。根据截面长宽比例的不同, Y形圈可分为宽 断面和窄断面两种形式,图3.12所示为宽断面Y形密封圈。 ( a) ( b) 图3.12 Y形密封圈 43 Y形圈安装时,唇口端面应对着液压力高的一侧。当 压力变化较大,滑动速度较高时,要使用支承环,以固定 密封圈,如图3.12(b)所示。 ( a) ( b) 图3.12 Y形密封圈 44 3.2.3 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,会与端盖碰撞,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,而且会引起其它相关机械的损伤。 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。 45 3.2.3 缓冲装置 d u u (a) (b) u u (c) (d) 图3.13 液压缸缓冲装置 46 当活塞移至端部,缓冲柱塞开始插入缸端的缓冲孔时, 活塞与缸端之间形成封闭空间,该腔中受困挤的剩余油液 只能从节流小孔或缓冲柱塞与孔槽之间的节流环缝中挤出, 从而造成背压迫使运动柱塞降速制动,实现缓冲。 d u u (a) (b) u u (c) (d) 47 3.2.4 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、爬行或前冲等现象,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。当松开排气塞或阀的锁紧螺钉后,低压往复运动几 次,带有气泡的油液就会排出,空气排完后拧紧螺钉,液 压缸便可正常。 48 3.3 液压缸的设计与计算 液压缸的计算及验算方法 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。 49 液压缸工作压力的确定 液压缸要承受的负载包括有效工作负载、摩 擦阻力和惯性力等。液压缸的工作压力按负载确 定。对于不同用途的液压设备,由于工作条件不 同,采用的压力范围也不同。设计时,液压缸的 工作压力可按负载大小及液压设备类型参考表3.1 来确定。 50 3.3.1 液压缸主要尺寸的确定 液压缸内径 D和活塞杆直径 d可根据最大总负载和 选取的工作压力来定,对单杆缸而言,有: 无杆腔进油时 D? 4 F1 ? p1 (3.16) 有杆腔进油时: D ? 4 F2 ?d2 ? p1 (3.17) 51 式( 3.17 )中的杆径 d 可根据工作压力选取,见表 3.4 ; 当液压缸的往复速度比有一定要求时,由式(3.7)得杆径为 ? ?1 d?D ? 无杆腔进油时 (3.18) D? 4 F1 ? p1 (3.16) 有杆腔进油时: D ? 4 F2 ?d2 ? p1 (3.17) 52 计算所得的液压缸内经D和活塞杆直经d应圆整 为标准系列,参见《新编液压工程手册》。 液压缸的缸筒长度由活塞最大行程、活塞长 度、活塞杆导向套长度、活塞杆密封长度和特殊要 求的长度确定。其中活塞长度为(0.6-1.0)D,导 向套长度为(0.6-1.5)d。为减少加工难度,一般 液压缸缸筒长度不应大于内径的20-30倍。 53 3.3.2 液压缸的校核 3.3.2.1 缸筒壁厚的验算 中、高压液压缸一般用无缝钢管做缸筒,大多属薄 壁筒,即?/D?0.08。此时,可根据材料力学中薄壁圆筒的 计算公式验算缸筒的壁厚,即 p max D ?? 2[? ] (3.19) 当?/D?0.3时,可用下式校核缸筒壁厚 D [? ] ? 0.4 p max ?? ( ? 1) 2 [? ] ? 1.3 p max (3.20) 54 当液压缸采用铸造缸筒时,壁厚由铸造工艺确 定,这时应按厚壁圆筒计算公式验算壁厚。当 ?/D=0.08-0.3时,可用下式校核缸筒的壁厚 pmax D ?? 2.3[? ] ? 3 pmax (3.21) 式中: pmax —— 缸筒内的最高工作压力 [?] —— 缸筒材料的许允应力 55 3.2.2.2 液压缸稳定性验算 活塞杆长度根据液压缸最大行程L而定。对于 工作行程中受压的活塞杆,当活塞杆长度L与其直 径d之比大于15时,应对活塞杆进行稳定性验算。 关于稳定性验算的内容可查阅液压设计手册。 56 小 结 液压缸用于实现往复直线运动和摆动,是液压系 统中最广泛应用的一种液压执行元件。液压缸有时需 专门设计。 设 计 液 压 缸 的 主 要 内 容 1.根据需要的推力计算液压缸内径及活塞杆 直径等主要参数; 2 .对缸壁厚度、活塞杆直径、螺纹连接 的强度及油缸的稳定性等进行必要的校核; 3.确定各部分结构,其中包括密封装置、 缸筒与缸盖的连接、活塞结构以及缸筒的 固定形式等,进行工作图设计。

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