气液增力缸结构设计Word文档下载推荐.docx
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由于液压技术广泛应用了高技术成果，如自动控制技术、计算机技术、微电子技术、磨擦磨损技术、可靠性技术及新工艺和新材料，使传统技术有了新的发展，也使液压系统和元件的质量、水平有一定的提高。
尽管如此，走向二十一世纪的液压技术不可能有惊人的技术突破，应当主要靠现有技术的改进和扩展，不断扩大其应用领域以满足未来的要求。
综合国外专家的意见，其主要的发展趋势将集中在以下几个方面：
1.4.1减少能耗，充分利用能量
液压技术在将机械能转换成压力能及反转换方面，已取得很大进展，但一直存在能量损耗，主要反映在系统的容积损失和机械损失上。
如果全部压力能都能得到充分利用，则将使能量转换过程的效率得到显著提高。
为减少压力能的损失，必须解决下面几个问题：
1.减少元件和系统的部压力损失，以减少功率损失。
主要表现在改进元件部流道的压力损失，采用集成化回路和铸造流道，可减少管道损失，同时还可减少漏油损失。
2.减少或消除系统的节流损失，尽量减少非安全需要的溢流量，避免采用节流系统来调节流量和压力。
3.采用静压技术，新型密封材料，减少磨擦损失
4.发展小型化、轻量化、复合化、广泛发展3通径、4通径电磁阀以及低功率电磁阀。
5.改善液压系统性能，采用负荷传感系统，二次调节系统和采用蓄能器回路。
6.为及时维护液压系统，防止污染对系统寿命和可靠性造成影响，必须发展新的污染检测方法，对污染进行在线测量，要及时调整，不允许滞后，以免由于处理不及时而造成损失[11]。
1.4.2主动维护
液压系统维护已从过去简单的故障拆修，发展到故障预测，即发现故障苗头时，预先进行维修，清除故障隐患，避免设备恶性事故的发展。
要实现主动维护技术必须要加强液压系统故障诊断方法的研究，当前，凭有经验的维修技术人员的感官和经验，通过看、听、触、测等判断找故障已不适于现代工业向大型化、连续化和现代化方向发展，必须使液压系统故障诊断现代化，加强专家系统的研究，要总结专家的知识，建立完整的、具有学习功能的专家知识库，并利用计算机根据输入的现象和知识库中知识，用推理机中存在的推理方法，推算出引出故障的原因，提高维修方案和预防措施。
要进一步引发液压系统故障诊断专家系统通用工具软件，对于不同的液压系统只需修改和增减少量的规则。
另外，还应开发液压系统自补偿系统，包括自调整、自润滑、自校正，在故障发生之前，进行补偿，这是液压行业努力的方向。
1.4.3机电一体化
电子技术和液压传动技术相结合，使传统的液压传动与控制技术增加了活力，扩大了应用领域。
实现机电一体化可以提高工作可靠性，实现液压系统柔性化、智能化，改变液压系统效率低，漏油、维修性差等缺点，充分发挥液压传动出力大、惯性小、响应快等优点，其主要发展动向如下[25]：
（1）电液伺服比例技术的应用将不断扩大。
液压系统将由过去的电气液压系统和开环比例控制系统转向闭环比例伺服系统，为适应上述发展，压力、流量、位置、温度、速度、加速度等传感器应实现标准化。
计算机接口也应实现统一和兼容。
（2）发展和计算机直接接口的功耗为5mA以下电磁阀，以及用于脉宽调制系统的高频电磁阀等。
（3）液压系统的流量、压力、温度、油的污染等数值将实现自动测量和诊断，由于计算机的价格降低，监控系统，包括集中监控和自动调节系统将得到发展。
（4）计算机仿真标准化，特别对高精度、“高级”系统更有此要求。
（5）由电子直接控制元件将得到广泛采用，如电子直接控制液压泵，采用通用化控制机构也是今后需要探讨的问题，液压产品机电一体化现状及发展。
[5]
液压行业：
液压元件将向高性能、高质量、高可靠性、系统成套方向发展；
向低能耗、低噪声、振动、无泄漏以及污染控制、应用水基介质等适应环保要求方向发展；
开发高集成化高功率密度、智能化、机电一体化以及轻小型微型液压元件；
积极采用新工艺、新材料和电子、传感等高新技术
液力偶合器向高速大功率和集成化的液力传动装置发展，开发水介质调速型液力偶合器和向汽车应用领域发展，开发液力减速器，提高产品可靠性和平均无故障工作时间；
液力变矩器要开发大功率的产品，提高零部件的制造工艺技术，提高可靠性，推广计算机辅助技术，开发液力变矩器与动力换档变速箱配套使用技术；
液粘调速离合器应提高产品质量，形成批量，向大功率和高转速方向发展。
气动行业：
产品向体积小、重量轻、功耗低、组合集成化方向发展，执行元件向种类多、结构紧凑、定位精度高方向发展；
气动元件与电子技术相结合，向智能化方向发展；
元件性能向高速、高频、高响应、高寿命、耐高温、耐高压方向发展，普遍采用无油润滑，应用新工艺、新技术、新材料。
（1）采用的液压元件高压化，连续工作压力达到40Mpa瞬间最高压力达到48Mpa；
（2）调节和控制方式多样化；
（3）进一步改善调节性能，提高动力传动系统的效率；
（4）发展与机械、液力、电力传动组合的复合式调节传动装置；
（5）发展具有节能、储能功能的高效系统；
（6）进一步降低噪声；
（7）应用液压螺纹插装阀技术，紧凑结构、减少漏油。
第二章气液增力缸原理
2.1液压增力机构的结构及原理
在机械装配中，为了有效地拆卸各类回转式零部件，人们设计出各种拆卸工具。
在传统的夹具设计中，其夹紧力一般为固定的，要使夹紧力大小随外力增大而增大就很困难。
我们设计了一种液压增力机构。
下面介绍该液压增力机构的结构和应用实例。
2.1.1液压增力机构的基本结构及基本工作原理
2.1.1.1基本结构
图2-1为液压增力装置的结构简图；
图2-2为其工作原理图。
如图2-1，增力装置工作时，压力油进入油缸的A腔，推动工作活塞向左移动。
当活塞
杆前端无外载荷时，压力P较低。
当活塞杆前端接触到外载荷时，随着外载荷的增大，供油压力P也随着增高。
当压力升高至一定值时，后端盖的压力顺序阀自动打开，压力油进入B腔，使增压活塞连同增压杆向左移动。
增压杆右端圆柱面先封住A腔的进油日，使A腔成为封闭腔。
随后该腔则开始增
[26]
。
压，压力按增压活塞面积与增压面积之比的倍数增大，使封闭腔产生超高压。
这样在总供油压力不变的情况下，活塞杆的推力却提高数倍
活塞杆工作活塞增压杆增压活塞
后端盖
图2-1结构简图
图2-2工作原理图
2.1.1.2原理及计算
其计算如
图2-3所示为增压原理简图。
由此可推算出油缸的增力大小
Q,D；
/4P
P'
4Q,/d；
qp^D24Q2_D2
4d,24
式中
P—B腔的油压，Pa
—A腔的油压，Pa
Q—增压活塞杆推力，N
Q—输出推力，Pa
D—增压活塞直径，mm
D2—工作活塞直径，mm
d—增压杆直径，mm
活塞杆
工作活塞
增压活塞
图2-3增压原理图
2.1.2液压增力油缸的增压特性
下图2-4为增力油缸的增压特性曲线图。
图中0—a为工作活塞杆无载
行程，a一b为初压行程，油缸A腔的压力值随负载的增加而增大。
b一c
为增压行程，此时压力顺序阀开启，增压活塞工作，A腔压力迅速上升。
c
一d为保压阶段。
此时，系统中安全阀开启，油缸A腔压力到达最大值且恒定。
油泵输出压力为额定值b。
图2-4增压特性曲线图
2.1.3液压增力机构的应用
2.1.3.1用于机床夹具动力装置
一般夹具夹紧机构的动力装置，经调整后可得到一相对稳定的夹紧力,
如气动夹紧和液压夹紧机构。
而当外力的波动较大或偶然因素引起外力变化时，就不能满足随外力增大而夹紧力相应增大的要求。
采用本装置就可达到随外力增加夹紧力也相应增大的目的。
2.1.3.2用于各类挤压机械和压力机械
机械加工中，有许多工序属于热加工，如热轧、热锻和无缝钢管加工等。
加工过程中随时间的延长，这时所需要的压力也相应增大。
普通机构要满足该要求，只能将机构产生的力按工作中最大力来设计，这样势必使机构庞大，并且消耗大的功率。
若采用本机构，由于它的工作过程与零件加工过程所需力大小相吻合，所以使加工迅速，而且油缸的体积比普通油缸小，所需要的功率也小。
2.1.4液压增力油缸的特点
（1）该液压系统的工作压力可通过顺序阀来调节，以适应不同工作情况，提高了装置的利用率。
（2）装置的超高压仅在油缸（A腔）产生，所以只需保证工作活塞与增压活塞杆两处的超高压密封，简化了整个系统的高压密封，降低了成本。
（3）配以不同的辅助工具，本装置可一机多用，完成各种零件的拆、装、铆、压以及可作为机床夹具夹紧机构的动力装置。
（4）系统产生压力的特点是由小变大，与一般工作过程相吻合，故适用于大、中型和精度要求高的零件夹紧机构和切削力波动较大的场合。
2.2气液增力缸及其应用
2.2.1TOX型号气液增力缸的基本工作原理
图2-5为气液增力缸的基本结构原理图，Ps为气源，Po为气源压力，左边为液压缸，右边为气液缸，两缸中的油液由一通道相连，密封性能良好。
当气源供压力气时，推动活塞D,从而带动小活塞d产生增大的压力，传递到油液，油液推动活塞D,产生增大后的作用力F,向外输出。
图2-4只是简化的工作原理图，实际的机构还应考虑运动的回程、动作的发信、油液的密封、零件的工艺性等。
图2-5气液增力缸的结构原理图
在如下增力式的推导中，忽略了摩擦力、阻尼力等。
才2p7D2p0
2
Po
—1）
4D2p汙2予p0
DD。
P）
式（2—1）为压力增大式，设
Do
d
，则入为增压比；
式（2—2）为输
出力增大式
d越小，贝U增压比越大，但过小的d会使运动时油液的传输量过小，从
而使液压缸的输出行程过小，影响对外作功；
D越大，也可增大增压比，但
若D太大，又会使结构太大，不紧凑。
式（2—1）、式（2—2）中的结构参数D、d、D的选择应权衡缸的实际用途，综合考虑结构、输出力、压力油的密封等因素。
222新型气液增力缸的回路
图2-6为一种新型的气液增力缸的回路原理图，基本原理为上述原理,在结构及回路动作上比较新颖，而且各零件的加工制作精度易于达到要求，该结构比原有的几种结构类型更实用，动作更可靠，结构更紧凑。
FV2
r丨in~[\~\]I~:
~rn厂
■:
三「—
•””.
F
图2-6新型气液增力缸的回路原理图
动作原理简述如下：
FV阀通电换向，气压通过2—4通道进入a腔，活塞向左运动，将b腔油液送入液压缸无杆腔，推动液压缸活塞左移，此时压力较低（基本为气源压力），活塞杆快速运动直至工作头接触工件（这个动作称之为“快速运动软
接触”）；
在液压缸活塞向左运动的同时，另一路气压从FV1阀的4口通过
FV2阀的2口进入c腔，以确保小活塞杆d不因气液活塞的运动而被带动产生随动现象。
当液压缸活塞杆头部（冲头）接触到工件使压力有所提高时，FV2阀换向（换向压力可由阀FV3调整），气压通过FV2的4口进入d腔，产生增压动作，推动小活塞杆d伸入油液，进入a、b腔的连通孔，密封住液压缸的压力腔，使油液压力增高，从而在液压缸活塞D上产生增大的输出力；
这时c腔的回流气通过FV2阀的2口外排；
e腔（液压缸的有杆腔）的回流气通过FV阀的2口外排，完成工作进程的动作。
当压力信号A（或其他信号）发信使FV1阀断电，则FV的2口通气压，一路气通过FM进入e腔，使液压缸回程；
另一路气通过FV3使FV2换向；
第三路气通过FV5进入c腔，使气缸活塞D0（即小活塞杆d）回程；
同时，a腔通过FV的4口外排；
d腔通过FV2的4口外排，完成工作回程的动作。
所有动作均由气压产生，避免了有的缸回程使用弹簧，时间长了易疲劳损坏的隐患。
缸体上设有压力发信元件A及补液元件B，从压力表可直接查看增高后的油压。
外部的管路有的是通过结构设计时巧妙地在部处理，有的在缸体外壁紧贴布置，只有一个外接气源口Ps,整个外形美观、紧凑。
2.2.3增力缸应用于小型台式冲压机
我们用新型的气液增力缸组成了一种小型台式冲压机QY型气液
增力冲压机（图2-7），机器适用于电器、机械等行业中进行工件的冲压、铆接、装配等用途。
采用了上述的气液转换增力系统和压力控制系统
增力缸
机架
工作台
图2-7QY型气液增力冲压机
增力缸本身是一个完整的驱动系统，不同的结构形式和特殊的设计可适用于不同的工艺情况。
机器能实现冲压头快速接触工件、无冲击的软到位，以及以极低的能耗实现大的冲压力。
可实现压力的无极调节（根据需要还可
以实现恒定压力下作用时间的无极调节与控制），达到设定压力（或设定位置）后发信，快速自动回程。
快速空行程并软接触工作的功能，可有效地保护模具，并大降低了工件噪声，提高了工件的加工质量，改善了冲压加工的工件环境。
根据需要，可组成系列的新型气液增力冲床，在冲压件加工行业更好地发挥作用。
2.3气液增力缸液压系统的设计
2.3.1液压系统的简介
液压传动和机械传动相比，具有许多优点，因此在机械工程中，液压传动被广泛采用。
液压传动是以液体为工作介质来进行能量传递的一种传动形式。
液压传动与机械传动、电气传动相比有以下主要优点：
（1）在同等功率情况下，液压执行元件体积小、重量轻、结构紧凑。
例如同功率液压马达的重量约只有电动机的1/6左右。
（2）液压传动的各种元件，可根据需要方便、灵活地来布置；
（3）液压装置工作比较平稳，由于重量轻、惯性小、反映快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁的换向；
（4）操纵控制方便，可实现大围的无级调速（调速围达2000：
1），它还可以在运行的过程中进行调速；
（5）一般采用矿物油为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长；
（6）容易实现直线运动；
（7）既易实现机械的自动化，又易于实现过载保护，当采用电液联合控制甚至计算机控制后，可实现大负载、高精度、远程自动控制。
（8）液压元件实现了标准化、系列化、通用化，便于设计、制造和使用。
同时液压传动也有缺点：
（1）由于流体流动的阻力损失和泄漏较大，所以效率较低。
如果处理不当，泄漏不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故；
（2）工作性能易受温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作；
（3）液压元件的制造精度要求较高，因而价格较贵；
（4）由于液体介质的泄漏及可压缩性影响，不能得到严格的定比传动；
（5）油液污染。
2.3.2液压系统的组成
液压传动系统由液压泵、液压阀、执行器及辅件等液压元件组成。
它的
工作原理是用液压泵把电动机或原动机的机械能转化为液压能，然后通过控制、调节阀和液压执行器，把液压能转变为直线运动或回转运动的机械能，以驱动工作机构完成所需要的各种动作。
（1）液压泵（动力元件）：
是将原动机所输出的机械能转换成液体压力
能的元件，其作用是向液压系统提供压力油，液压泵是液压系统的心脏。
因在液压泵中齿轮油泵是借一对相互啮合的齿轮将电动机所输出机械能转
换为液压能的装置，齿轮泵的结构简单，工作可靠，维护方便，且噪音小，所以本次设计选用齿轮油泵。
（2）执行元件：
把液体压力能转换成机械能以驱动工作机构的元件，执行元件包括液压缸和液压马达。
（3）控制元件：
包括压力、方向、流量控制阀，是对系统中油液压力、流量、方向进行控制和调节的元件。
（4）辅助元件：
上述三个组成部分以外的其他元件，如管道、管接头、油箱、滤油器等为辅助元件。
2.3.3液压传动的应用
1、进给运动传动装置
2、往复主体运动传动装置
3、回转主体运动传动装置
4、仿行装置
5、辅助装置
6、步进传动装置
7、静压支撑
234液压传动系统回路
如下图2-8为本设计中的液压系统回路［27］，本系统通过液压控制，使运
图2-8-液压传动系统回路
235工作负载的分析计算
在本设计中缸体的材料是45#，缸体直径是200mm缸体壁厚为5mm,
45#冷拔无缝钢管密度是7.85g/cm3。
缸体材料：
2222
[n（Ri-ri）hi+n（R2—ri）h2+0.5nr22d1]p1
（2-3）=[nX（0.1052-0.1002）>
0.8+nX（0.1252-0.100》>
0.03+0.5Xn>
0.0952X
0.005]X7.85g/cm
~80Kg
di----壁厚；
Ri---外径；
ri---径；
R---法兰盘的外径；
r2---缸壁中径
P1---45#密度；
h2---法兰盘的厚度
FFoF°
m
（2-4）
F0
△Fo
m
经计算得出缸体重量约为80Kg,缸体上还有其他构件，所以设缸体重量为100Kg,在运动过程中细管支架一起上升，同时支架上升时受到摩擦阻力，为了保证液压系统能够正常工作，所以可取液压系统工作负载大约为150Kg,即1500N
工作外负载
摩擦的损失，设为50N设缸的效率为0.9。
则有
F——=1500N
2.3.6速度分析
因缸体是大型构件，所以速度不要太高，在本设计中设速度为
V80cm/min。
2.3.7液压缸的确定
液压缸是液压系统的执行元件，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
237.1液压缸的分类
液压刚有多种类型，按供油方向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，靠其他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，可分为活塞式、柱塞式、摆动式和伸缩式套筒缸。
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，而是和其他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。
按使用压力分，可分为中低压缸，2.5-6.3Mpa机床用；
中高压缸，
10-16Mpa飞机建筑等用；
高压缸，25-30Mpa左右，油压机用。
2.3.7.2初选液压缸的工作压力
取液压缸的工作压力P为15Mpst
2.3.7.3计算液压缸结构参数
F=PS
（2-5）
s-D2
4
（2-6）
F---活塞杆上的作用力
P---液压缸的工作压力
S---活塞缸截面积
D---缸径
所以有
1500=15X106—D2
所以有可得出D为142mm
液压缸的缸筒径D是根据负载大小和选定的工作压力，或运动速度和输入的流量，根据相关公式计算后，再从表2-1标准中选取最相近的标准值而的得出的。
表2-1D系列油缸径（mn）（GB/T2348—1993）
10
12
16
20
25
32
40
50
100
125
160
200
250
320
400
对D进行圆整，取D为160mm
237.4确定活塞杆的直径
液压缸活塞杆直径D按工作时的受力情况来决定，如表2-2，计算出活
塞杆直径Do
表2-2活塞杆直径选择
活塞杆受力情况
受拉伸
受压缩力P1/Mpa
P15
5P17
P17
活塞杆直径
（0.3-0.5）D
0.5-0.55D
0.6-0.7D
0.7D
所以有d=0.7D=48mm
按下表2-3进行圆整。
表2-3D系列活塞杆直径
5
6
8
14
18
22
28
36
45
56
70
80
90
110
140
180
220
280
360
经圆整得其为56mm
确定液压缸外径如下表2-4o
表2-4工程机械用标准液压缸缸体外径
注：
缸体为无缝钢管
缸的长度为720mm在使用45号钢作为缸套时，在160mm径时其外径
为165mm
综合上述条件选用液压缸的型号是HSG—160/56E。
液压缸型号说明见
图2-9
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