液压传动与气动技术劳动出版社模块二.docx

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液压传动与气动技术劳动出版社模块二

模块二液压执行元件

任务1压力机执行元件的选择

教学目标：

1.了解液压执行元件的种类

2.掌握液压缸的工作原理及结构

3.熟悉特殊液压缸的工作原理及应用特点

教学重点难点：

1.了解液压执行元件的种类

2.掌握液压缸的工作原理及结构

【导入】液压压力机工作时，液压执行元件带动主轴上下运动，并对放在主轴和工作台上的工件进行压制，压制后主轴复位。

工作时，该液压压力机需要主轴产生的最大推力为3000kgf，工作行程为500mm，根据该液压压力机的工作要求，应该如何选择其液压执行元件的类型和结构呢？

执行元件又是采用什么方式连接在液压系统中的呢？

【分析】在液压压力机中，主轴是靠液压执行元件带动的。

在液压系统中执行元件分为液压缸和液压马达两种，液压缸主要驱动负载做直线运动，而液压马达主要驱动负载做回转运动。

根据任务中液压压力机工作时主轴的运动状态，可以确定其执行元件是液压缸。

要想正确的选择液压缸，必须了解其工作原理和结构特点等相关知识。

知识新授：

一、液压压力机的工作分析

液压压力机工作时，当搬动控制元件，这时P口和A口相通，B口和T口相通，油箱中的液压油在液压泵压油后经控制元件的P口、A口进入液压缸的上腔，这时活塞在压力油的作用下向下运动，并带动活塞杆（液压机主轴）一起向下运动，当接触到放置在主轴和工作台之间的工件时，液压缸在压力油的作用下产生足够的推力使工件变形，完成压制工作。

同时，液压缸下腔的油经B口、T口回到油箱。

当压制工作完成后，松开控制元件，这时P口和B口接通，A口和T口相通，液压泵输出的液压油经P口、B口流入液压缸下腔，活塞在压力油的作用下带动活塞杆（主轴）一起向上运动，完成复位。

液压压力机的工作原理

液压压力机中液压缸是液压传动系统中最终将来自液压泵的压力转化为推动主轴运动的执行元件，它是液体压力能转变为机械能的转换装置

二、液压缸的分类和结构特点

液压系统中最常见的液压缸主要有双作用单出杆液压缸和双作用双出杆液压缸。

双作用单出杆液压缸双作用双出杆液压缸

以双作用单出杆液压缸为例，液压缸主要由活塞杆、活塞和缸体三部分组成。

双作用单出杆液压缸的结构特点是液压缸内部有两个工作腔，一个是有活塞杆的腔，称为有杆腔，另一个是无杆腔。

三、液压缸的选择

选择液压缸时，主要是依据工作要求来确定液压缸的类型、连接形式和结构尺寸的大小，这些与液压系统的推力、运动特性、速度和工作状况有关。

1．液压缸的类型及连接形式的选择

（1）双作用单出杆液压缸的常规连接和工作特点

双作用单出杆液压缸的常规连接

a）无杆腔进油b）有杆腔进油

当无杆腔进油时活塞运动速度v1及推力F1为：

当有杆腔进油时活塞运动速度v2及推力F2为：

分析可知：

当无杆腔进油时有效作用面积大、推力大、速度慢；反之，当有杆腔进油时有效作用面积小、推力小、速度快。

（2）双作用单出杆液压缸的差动连接和工作特点

如图所示，当液压缸的两腔同时通以压力油时，由于作用在活塞两端面上推力不等，产生推力差。

在此推力差的作用下，使活塞向右运动，这时，从液压缸有杆腔排出的油液也进入液压缸的左端，使活塞实现快速运动。

这种连接方式称为差动连接。

这种两端同时通压力油，利用活塞两端面积差进行工作的单出杆液压缸也叫差动液压缸。

差动连接

（3）双作用双出杆液压缸的工作特点

双作用双出杆液压缸的活塞两端都带有活塞杆。

因为双出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，其住返运动速度和推力相等。

双作用双出杆液压缸

（4）总结

在两种液压缸的D和d值相同的情况下：

◆双作用单出杆液压缸带动工件的往复运动速度不相等。

◆双作用单出杆液压缸采用常规连接时产生的推力最大，而差动连接时产生的速度最大。

◆双作用双出杆液压缸产生的推力与双作用单出杆液压缸常规连接有杆腔进油时产生的推力一样大。

双作用双出杆液压缸两个工作腔的有效作用面积一样大，可以很方便地实现往复速度一致。

◆双作用双出杆液压缸的工作行程比双作用单出杆液压缸的工作行程要大。

应用情况如下：

◆当工作往复速度要求不一致，且对返回速度要求不高，但要求液压缸产生很大的推力时，可选择双作用单出杆液压缸作为执行元件，采用常规连接形式接入液压系统。

◆当要求液压缸往返速度一致或工作行程较长时，可考虑采用双作双出杆液压缸。

2．液压缸结构尺寸的选择

液压缸结构尺寸的选择主要是指确定液压缸的缸体内径（D，即活塞外径）、缸体壁厚（δ）和液压缸长度（L）。

（1）缸体内径D的选择

当推力和工作压力已知和确定后，就可以确定缸体（活塞）的有效工作面积：

液压缸的工作压力与液压缸需要产生的最大推力有关，可以通过表2-1-1确定。

活塞杆直径d在不同的工作压力下与缸体直径D之间的关系见表2-1-2。

表2－1－1液压缸推力F与工作压力p的关系

表2-1-2不同工作压力下活塞杆直径d与液压缸内径D的关系

2）缸体壁厚δ的选择

液压缸缸体壁厚δ通常不计算，一般可按液压缸缸体内径的1/10来确定，即δ=1/10D。

（3）液压缸长度L的选择

液压缸长度L的确定由工作行程来决定，并考虑制造工艺性。

一般液压缸长度应不大于缸体内径的20～30倍，即L≤（20～30）D。

任务实施

一、液压压力机液压缸的类型和连接方式的确定

根据液压压力机在实际生产中的工作特点，最主要的是要求液压缸能产生很大的推力以便完成对工件的压制工作，而对速度要求不高。

因此，选择双作用单出杆液压缸作为液压压力机的执行元件，并采用常规连接方式接入液压系统。

二、液压压力机液压缸结构尺寸的确定

1.缸体内经D和活塞杆直径d的确定

根据任务要求，yeya压力机最大推力F=3000kgf，查表2-1-1可确定系统工作压力p=40kgf/cm2，代入式（2－10）可算出缸体内径为：

通过查阅相关的手册，对其值进行圆整，最终确定缸体内径为100mm。

因工作压力p＝40kgf/cm2，则查表2-1-2可知d＝0.5D，因此活塞杆直径d为：

d=0.5D＝0.5×100＝50mm

2.缸体壁厚δ的确定

根据已经确定的缸体内径Ｄ，缸体壁厚δ＝1/10D=1/10×100＝10（mm

3.液压缸长度L的确定

因为本任务中液压压力机的工作行程为500mm，初步选择液压缸长度为500mm，500mm≤（20～30）×100mm，故满足对液压缸长度选择的要求。

综合以上的分析和计算，最终选定液压缸缸体内径为100mm，活塞杆直径为50mm，缸体壁厚为10mm，长度为500mm的双作用单出杆液压缸作为液压压力机的执行元件，并以常规方式接入液压压力机的液压系统中。

模块二液压执行元件

任务2压力机液压缸的结构设计

教学目标：

1.掌握液压缸的典型结构及作用

2.熟悉液压缸的组成

3.了解液压缸的结构设计方法

教学重点难点：

1.掌握液压缸的典型结构及作用

2.了解液压缸的结构设计方法

【导入】通过模块二任务1的学习，学会了如何根据工作要求选择液压压力机液压缸的大小，并最终选定双作用单出杆液压缸作为液压压力机的执行元件，如下图所示。

但在实际应用时，只知道液压缸的大小和类型还不够，还需要确定液压缸的具体结构。

本任务要求设计压力机液压缸的结构。

【分析】液压缸的结构对液压缸的工作性能起着至关重要的作用，液压缸的结构千变万化，没有统一的规格，不像液压泵和液压阀已经标准化了，因此有时需要自行设计。

设计液压缸的结构需要掌握液压缸的组成、各组成部分的作用和常见形式，还要了解液压缸的结构对性能的影响。

液压缸的结构对液压缸的工作性能的影响主要体现在以下几个方面：

1.液压缸缸体材料和缸盖连接形式2.活塞与活塞杆的连接形式3.密封的类型4.缓冲装置类型5.排气装置的形式

知识新授：

一、液压缸的典型结构

液压缸主要由缸盖、活塞杆、活塞杆密封圈、缸筒、活塞、放气装置、后缸盖、缓冲装置、活塞密封圈组成。

双作用单活塞杆液压缸

1—缸盖　2—活塞杆　3—活塞杆密封圈　4—缸筒　5—活塞　6—排气装置7—后缸盖　8—缓冲装置　9—活塞密封圈　A、B—油口

二、液压缸的组成

从液压缸的典型结构可以看出，液压缸主要有缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置和排气装置五个部分。

1.缸筒和缸盖

一般来说，缸筒和缸盖的结构形式与其使用的材料有关。

当液压缸工作压力p＜10MPa时，使用铸铁；10MPa＜p＜20MPa时，使用无缝钢管；p＞20MPa时，使用铸钢或锻钢。

缸筒和缸盖的结构

a）法兰连接式b）半环连接式c）螺纹连接式d）拉杆连接式e）焊接连接式

1—缸盖2—缸筒3—压板4—半环5—防松螺母6—拉杆

缸筒和缸盖的常见结构形式的特点：

2.活塞与活塞杆

常见的活塞组件的连接形式

a）螺母连接b）、c）卡环式连接d）径向销式连接

3.密封装置

密封装置的作用主要是防止泄漏和防尘。

常见的密封装置类型及特点见下表：

4.缓冲装置

为了防止活塞在行程终点时和缸盖相互撞击，引起噪声、冲击，必须设置缓冲装置，缓冲装置是利用活塞或缸筒在其走向行程终端时封住活塞和缸盖之间的部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出，以产生很大的阻力，使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度，达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。

缓冲装置的类型及工作特点

5.排气装置

液压缸在安装过程中或长时间停放后重新工作时，液压缸里和管道系统中会渗入空气，为了防止执行元件出现爬行、噪声和发热等不正常现象，需把缸中和系统中的空气排出。

一般可在液压缸的最高处设置进、出油口把气带走，也可在最高处设置。

液压缸的排气装置

a）排气孔式b）排气阀式1—缸盖2—放气小孔3—缸体4—活塞杆

压力机液压缸的结构设计

一、确定液压缸缸体材料和缸盖连接形式

通过任务1已确定液压压力机的工作压力p为40kgf/cm2，经换算约为3.9MPa，小于10MPa，故液压缸缸体材料可选择铸铁，因铸铁的焊接性能很差，所以缸盖采用螺纹连接的方式与缸体连接。

二、确定活塞与活塞杆的连接形式

考虑到压力机工作行程为500mm，采用焊接方式将活塞与活塞杆连接的话，将增加活塞组件的加工难度；考虑到液压压力机工作时较为平稳、冲击小，同时也为了便于装拆，故确定采用螺母连接的方式连接活塞和活塞杆。

三、确定密封件类型

活塞与缸筒间由于需要承受双向压力油，因此选用Ｏ形密封圈作为密封件，而活塞杆与缸盖间只受单向压力油作用，故采用Ｖ形密封圈即可满足密封要求。

四、确定缓冲装置类型

因液压压力机的速度通常较慢，只需采用一级缓冲垫加以缓冲。

五、确定排气装置

作为液压缸必不可少的装置，液压压力机的液压缸当然也要有排气装置，为了降低成本，选择开设排气孔的方式。

通过上述步骤的选择，最终确定了如下图所示的液压缸的结构，它主要由活塞、活塞杆、排气装置、缸筒、缸盖、密封圈等组成。

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