4.2?液壓缸

液壓缸是液壓傳動系統中又一類執行元件,它也是把液壓能轉換成機械能的能量轉換裝置。液壓缸的輸入量是液體的流量和壓力,輸出量是直線速度和力。

4.2.1　概述

(1)液壓缸的分類

液壓缸按其結構形式,可分為活塞缸、柱塞缸和擺動缸三類。活塞缸、柱塞缸實現往復運動,輸出力和速度;擺動缸實現小于360°的往復擺動,輸出轉矩和角速度。液壓缸除單個使用外,還可以幾個組合起來或與其他機構組合起來,以完成特殊的功用。液壓缸的分類見表4?19。

(2)液壓缸的安裝方式

液壓缸的安裝方式見表4?20。

表4?20　液壓缸的安裝方式

①?液壓缸額定壓力系列　?額定壓力是液壓缸能用以長期工作的壓力。國家標準GB 2346—80(等效于IOS 3322)規定的液壓缸的額定壓力系列見表4?21。

最高允許壓力(也是動態試驗壓力)是液壓缸在瞬間所能承受的極限壓力。通常規定為1.5倍額定壓力。

耐壓試驗壓力是液壓缸在檢查質量時所需承受的試驗壓力,在此壓力下不應出現變形或破裂。

②?缸徑尺寸系列?　液壓缸缸徑尺寸系列見表4?22(GB/T 2348—2018)。

③?活塞桿直徑尺寸系列　?液壓缸活塞桿外徑尺寸系列見表4?23(GB/T 2348—2018)。

④?液壓缸行程參數系列　?活塞行程的基本系列見表4?24(GB/T 2349—1980)。

⑤?單活塞桿液壓缸兩腔面積比　?面積比(即速度比)φ為φ=A1/A2=1/2=D2/(D2-d?2)

式中?　A1——活塞無桿側有效面積,m2;

??A2——活塞有桿側有效面積,m2;

??1——活塞桿伸出速度,m/s;

??2——活塞桿退回速度,m/s;

??D?——缸徑,m;

???d?——活塞桿直徑,m。

滿足標準面積比時,對應于不同的缸徑D的活塞桿直徑d見表4?25。

(4)液壓缸的常用計算公式

①?輸出力?　以雙作用單活塞桿液壓缸為例(其他類推),設液壓缸的供油壓力為p,液壓缸的回油壓力為0,則液壓缸的輸出力為

F=Apηm

式中?　F——液壓缸輸出力,N;

??p——液壓缸的工作壓力,MPa;

??A——液壓缸的有效工作面積,m2;

??ηm——液壓缸的機械效率。

有效工作面積A的計算按供油方式和液壓缸結構有所不同。對差動缸:

無桿側的有效面積為A1=πD2/4

有桿側的有效面積為A2=π(D2-d?2)/4

差動連接供油時的有效面積為　A3=A1-A2

式中　?D——缸徑,m;

??d——活塞桿直徑,m。

計算單活塞桿或柱塞缸的推力時取A1,計算單活塞桿拉力時取A2,液壓缸差動連接時取A3=A1-A2,雙活塞桿液壓缸的推力或拉力計算時取A2。若回油壓力不為零,輸出力為兩側壓力產生的輸出力之代數和。

②?速度

??q——輸入液壓缸的流量,m3/s;

??ηv——液壓缸的容積效率;

??A——液壓缸的有效工作面積,m2。

計算單活塞桿或柱塞缸的伸出速度時有效工作面積取A1,計算單活塞桿退回時取A2,單活塞桿液壓缸差動連接時取A3=A1-A2,雙活塞桿液壓缸的伸出或退回速度計算時取A2。

液壓缸的輸出速度不得超過活塞的最大線速度極限(見表4?26)。

③?液壓缸的輸出功率

式中　?N——液壓缸的輸出功率,W;

??F——液壓缸的輸出力,N;

??——液壓缸的輸出速度,m/s;

?ηm——液壓缸的機械效率。

④?擺動缸的輸出轉矩

單葉片?????????????????????

雙葉片?????????????????????

式中　???T1——輸出轉矩,N·m;

????b——葉片寬度,m;

?D,d——擺動缸的缸徑和活塞桿直徑,m;

p1,p2——擺動缸的進油、回油壓力,MPa;

???ηm——液壓缸的機械效率。

⑤?擺動缸的輸出角速度

單葉片??????????????????????

雙葉片??????????????????????

式中　??1——輸出角速度,rad/s;

????q——輸入流量,m3/s;

????b——葉片寬度,m;

D,d?——擺動缸的缸徑和活塞桿直徑,m;

???ηv——擺動缸的容積效率。

4.2.2　液壓缸的工作原理和典型結構

按照結構的不同,液壓缸可分為活塞缸、柱塞缸、組合缸和擺動缸四類。

(1)活塞缸

活塞桿可分為單桿活塞缸和雙桿活塞缸。

①?單桿活塞缸　?單桿活塞缸的特點是:僅在液壓缸的一腔中有活塞桿,缸兩腔的有效面積不相等。因此,當壓力油以相同的壓力和流量分別進入缸的兩腔時,活塞在兩個方向的推力、運動速度都不相等。

單桿活塞缸在其左右兩腔同時都接通高壓油時稱為“差動連接”,相對而言,差動連接可以輸出較大的運動速度,而產生的推力則較小。

②?雙桿活塞缸　?雙桿活塞缸的兩腔具有相等的有效面積,因此,當工作壓力和輸入流量相等時,缸在兩個方向上的輸出力和運動速度是相等的。

雙桿活塞缸又分為實心雙桿活塞缸和空心雙桿活塞缸兩種。一般,實心雙桿活塞缸的進出油口設置在缸體上,用于缸體固定安裝方式,占地面積較大。空心雙桿活塞缸的進出油口設置在活塞桿上,用于活塞桿固定安裝方式,占地面積較小。

圖4?25為M7120A型平面磨床的實心雙桿活塞缸的結構。液壓缸的缸體固定在床身上,活塞桿和工作臺靠支架9和螺母10連接在一起,當壓力油通過油孔a和油孔b交替進入液壓缸的兩腔時,就推動活塞帶動工作臺做往復運動。

(2)柱塞泵

活塞缸的內壁要求精加工,當缸筒較長時,加工有一定困難。柱塞缸的內壁和柱塞沒有接觸,缸筒內壁可以不加工或只作粗加工,只要精加工柱塞和導向套就可以了。柱塞缸結構簡單,制造容易,常用于行程較長的場合。

柱塞缸只能做單向運動,它的回程需要借助自重(垂直放置時)或其他外力(如彈簧等)來完成。也可以采用反向布置的兩個柱塞缸,來實現雙向運動控制。

柱塞缸通常由缸筒、缸蓋、柱塞頭、柱塞桿、導向套等部件組成。

(3)組合缸

組合缸有多種形式,包括柱塞式、活塞式、機械傳動式等結構的具體組合,如齒條活塞缸、增壓缸、伸縮缸等。

①　齒條活塞缸?　齒條活塞缸可將活塞的直線往復運動經過齒條齒輪機構轉變為回轉運動。如圖4?26所示,兩個活塞4用螺釘固定在齒條5的兩端,端蓋2和8通過螺釘、蓋板和半卡環3固定在缸體7上。當壓力油從油孔a進入缸的左腔時,推動齒條向右移動,使齒輪6回轉,帶動回轉工作臺運動,這時右腔的油經油孔c排出。當壓力油進入c腔時,回轉工作臺反向轉動。圖中的縫隙b用于液壓缸的緩沖,螺釘1用于定位,可調節齒條活塞的運動行程。

②　增壓缸?　圖4?27是一種由活塞缸和柱塞缸組成的增壓缸原理圖,利用活塞和柱塞有效面積的不同使液壓系統中的局部區域獲得高壓。當輸入活塞缸的液體壓力為p1,活塞直徑為D,柱塞直徑為d時,柱塞缸輸出的液體壓力為高壓,其值為

式中的i指第i級活塞缸。

(4)擺動缸

常用的擺動缸有單葉片式和雙葉片式兩種,圖4?29是單葉片擺動缸,定子3由螺釘和柱銷固定在缸體5上,嵌在定子3槽內的彈簧片1把密封件2壓緊在花鍵軸套4的外圓柱面上,起密封作用。轉子6用螺釘固定在花鍵軸套4上,在轉子的槽內也裝有彈簧片和密封件,使缸體和轉子之間得到密封。轉子和定子的兩端裝有支承盤7、蓋板8,并用螺釘把支承盤7、蓋板8和缸體5固定在一起,蓋板處用密封圈10密封、外泄的油從回油小孔9流回油箱。

當壓力油從孔a進入時,推動轉子連同花鍵軸套作逆時針方向旋轉,轉子另一側的回油從孔b排出,轉子兩側的節流槽c起緩沖作用。如壓力油從孔b進入時,轉子作順時針方向旋轉。

這類液壓缸是靠轉子的回轉來傳遞力和運動的,輸出的是周期性的回轉運動,其回轉角度小于300°。這種液壓缸由于密封性較差,一般只用于低壓系統,如送料夾緊和工作臺回轉的輔助運動裝置。

4.2.3　液壓缸的產品介紹

(1)工程用液壓缸

工程用液壓缸主要用于重型、礦山、起重、運輸等工程機械的液壓系統,一般為雙作用單活塞桿液壓缸,其安裝方式多采用耳環型。

型號說明如下。

①名稱:HSG——工程用雙作用單活塞桿液壓缸代號。②端蓋連接方式代號:L——外螺紋;K——內卡鍵;F——法蘭。③系列。④缸徑/桿徑。⑤活塞桿形式代號:A——螺紋連接式;B——整體式。⑥壓力等級:E——10MPa;H——32MPa。⑦安裝方式代號:E——耳環型;ZE——中間銷軸耳環型。⑧緩沖代號:Z1——間隙緩沖;Z2——閥緩沖。

HSG型液壓缸技術參數見表4?27。

HSG型液壓缸外形及安裝尺寸見表4?28。

(2)冶金用液壓缸

Y?HGI型冶金用液壓缸是雙作用單活塞桿型液壓缸,適用于工作壓力小于16MPa的場合,工作介質為液壓油、機械油和乳化液,但不適用磷酸酯液。宜用氟橡膠(FPM)材料的密封件。

型號說明如下。

①名稱:冶金標準液壓缸。②雙作用活塞缸第一類。③壓力等級:C——6.3MPa;E——16MPa;G——25MPa。④缸徑/桿徑。⑤行程。⑥油口連接:L——螺紋(用于D小于220mm);F——法蘭(用于D小于250mm)。⑦安裝方式(見表4?29)。⑧附加件代號:H——?帶緩沖;B——?帶平衡閥。⑨桿端型號:L1——外螺紋;L2——內螺紋式。⑩介質代號:O?——液壓油;W——乳化液。

Y-HGI型液壓缸技術參數見表4?30。

Y-HGI-E基本型液壓缸外形及安裝尺寸見表4?31。

(3)擺動液壓缸

擺動液壓缸是一種輸出軸作往復擺動運動的液壓執行元件。它能使負載直接獲得往復擺動運動,不需任何變速機構。有單葉片擺動缸和雙葉片擺動缸兩種。擺動頻率可控制進入缸體的流量大小來實現。

BM型擺動液壓缸的技術參數見表4?32。

擺動液壓缸外形和安裝尺寸見圖4?30。

4.2.4　液壓缸的選用

首先應考慮工況及安裝條件,然后再確定液壓缸的主要參數及標準密封附件、其他附件。使用工況及安裝條件如下。

①?工作中有劇烈沖擊時,液壓缸的缸筒、端蓋不能用脆性材料,如鑄鐵。

②?采用長行程液壓缸時,需綜合考慮選用足夠剛度的活塞桿和安裝中間圈。

③?當工作環境污染嚴重,有較多的灰塵、風沙、水分等雜質時,需采用活塞桿防護套。

④?安裝方式與負載導向直接影響活塞桿的穩定性,也影響活塞桿直徑d的選擇。

按負載的重、中、輕型,推薦如表4?33所示安裝方式和導向條件。

⑤?緩沖機構的選用：一般認為普通液壓缸在工作壓力>10MPa、活塞速度>0.1m/s時,應采用緩沖裝置或其他緩沖辦法。這只是一個參考條件,主要還要看具體情況和液壓缸的用途。例如:要求速度變化緩慢的液壓缸,當活塞速度≥0.05~0.12m/s時,也需要采用緩沖裝置。

⑥?密封裝置的選用：選用合適的密封圈和防塵圈。

⑦?工作介質的選用：對工作介質的要求,一般液壓缸所適用的工作介質黏度是12~28mm2/s。采用一般彈性密封件的液壓缸,介質過濾精度為20~25μm;伺服液壓缸要求過濾精度小于10μm;采用活塞環的液壓缸,過濾精度可達20μm。當然,對過濾精度的考慮不能僅僅局限于液壓缸,要從整個液壓系統來綜合考慮。按照環境溫度可初步選定工作介質的品種:

a.在正常溫度(-20~60℃)下工作的液壓缸,一般采用石油型液壓油;

b.在高溫(>60℃)下工作的液壓缸,需采用難燃液及特殊結構液壓缸。