液压传动的工作原理可以用一个液压千斤顶的动作来说明。图1-1 液压千斤顶工作原理图1—杠杆手柄 2—小液压缸 3—小活塞 4、7—单向阀 5—吸油管 6、10—管道 8—大活塞 9—大液压缸 11—截止阀 12—油箱图1-1所示为液压千斤顶的工作原理图。通过对上面液压千斤顶工作过程的分析，可以了解液压传动的基本工作原理。液压传动是利用有压力的油液作为传递动力的工作介质。......
2025-09-29
液压缸类型及其工作原理
【摘要】：图3.11 为一双作用单活塞杆液压缸,它主要由缸体10、活塞5、活塞杆15、缸底1 和缸盖13 等组成。2)差动液压缸单活塞杆液压缸的往复运动速度和两个方向的牵引力均不相同。图3.13单活塞杆液压缸运动所占空间图3.14差动连接的单活塞杆液压缸虽然差动液压缸两腔油压力相同,但活塞有效作用面积不同,有杆腔小,无杆腔大,所以两侧总液压力不能平衡,活塞杆要向外伸出。
液压缸是将液压能转变为机械能、作直线往复运动(或摆动)的液压执行元件。它结构简单,工作可靠。用它来实现往复运动时,可免去减速装置,并且没有传动间隙,运动平稳,易于实现远程控制和自控,因此,在各种机械的液压系统中得到广泛应用。根据常用液压缸的结构形式,可将其分为4 种类型:活塞式(单活塞杆式,双活塞杆式);柱塞式;伸缩式;摆动式。其分类概况列于表3.4。
(1)活塞式液压缸
1)单活塞杆液压缸
单活塞杆液压缸只有一端有活塞杆。图3.11 为一双作用单活塞杆液压缸,它主要由缸体10、活塞5、活塞杆15、缸底1 和缸盖13 等组成。无缝钢管制成的缸筒与缸底焊接在一起,另一端缸盖与缸筒则用螺纹连接,以便拆装检修。两端进出油口A 和B 都可以通压力油或回油,以实现双向运动,故称为双作用缸。活塞用卡环4(两个半环)、套环3 和弹簧挡圈2 等定位。活塞上套有一个用聚四氟乙烯制成的支承环7,密封则靠一对Yx 形密封圈9。O 形密封圈6 用以防止活塞杆与活塞内孔配合处产生泄漏。导向套12 用以保证活塞杆不偏离中心,它的外径和内孔配合处都有密封圈。此外,缸盖上还有防尘圈14,活塞杆左端带有缓冲柱塞。液压缸的基本参数是液压缸的往复运动速度和牵引力。
表3.4 液压缸的类型
续表
图3.11 双作用单活塞杆液压缸的结构
1—缸底;2—弹簧挡圈;3—套环;4—卡环;5—活塞;6—O 形密封圈;7—支承环;8—挡圈;
9—Yx 形密封圈;10—缸体;11—管接头;12—导向套;13—缸盖;
14—防尘圈;15—活塞杆;16—定位螺钉;17—耳环
图3.12 单活塞杆液压缸计算简图
图3.12 为单活塞杆液压缸计算简图,由于液压缸的运动速度与液压缸结构及进入液压缸的油液流量有关,因此,当供给液压缸的流量一定时,活塞杆伸出速度为:
活塞杆缩回速度为:
式中 v1、v2——活塞杆伸出和缩回时的速度,常用单位m/min 或m/s;
A1、A2——无杆腔和有杆腔活塞有效作用面积;
D、d——活塞直径和活塞杆直径;
q——进入液压缸的流量。
由于A1>A2,所以v1<v2,两个方向的运动速度不等。
液压缸的牵引力表现为推力或拉力。当供油压力一定,回油压力为零时,活塞杆外伸时的推力为:
活塞杆缩回时的拉力为:
式中 F1、F2——活塞推力和拉力;
A1、A2——无杆腔和有杆腔活塞的有效作用面积;
p——液压缸工作压力。
由于A1>A2,所以F1>F2。牵引力一般用来克服工作负载和液压缸密封装置的摩擦力。
由上述分析可以看出,当活塞杆直径较小时,液压缸往复运动速度和牵引力相差不大,而当活塞杆直径较大时,液压缸往复运动速度相差较大。有时可利用这一特点来满足正反速度不同的要求。如液压牛头刨床,在向无杆腔供油时,活塞慢速前进,产生的牵引力也较大,适应切削工作;走刀完毕后,使油液进入有杆腔,活塞可以快速退回,以提高工效。
单活塞杆液压缸可以是缸体固定,活塞运动,也可以是活塞杆固定缸体运动。无论采用其中哪一种形式,液压缸运动所占空间长度都是活塞行程的两倍,如图3.13 所示。
通常将两个方向上的输出速度v2 和v1 的比值称为速度比,记作是单活塞杆无杆腔和有杆腔的有效面积的比值,也称为面积比。
2)差动液压缸
单活塞杆液压缸的往复运动速度和两个方向的牵引力均不相同。若把这种液压缸的两个油口同时与进油路连通,就形成图3.14 所示的差动液压缸。
图3.13 单活塞杆液压缸运动所占空间
图3.14 差动连接的单活塞杆液压缸
虽然差动液压缸两腔油压力相同,但活塞有效作用面积不同,有杆腔小,无杆腔大,所以两侧总液压力不能平衡,活塞杆要向外伸出。有杆腔排出的油并不返回油箱,而是又进入无杆腔,使无杆腔的输入流量增加,速度加快。差动连接时,液压缸活塞的推力和运动速度分别为:
所以
式中 F3——活塞推力;
v3——活塞运动速度;
q——液压缸的工作流量;
p——工作压力;
d——活塞杆直径。
由上可见,液压缸差动连接时,相当于只有活塞杆截面起作用。用于差动连接的液压缸常取
,此时两个方向的运动速度和牵引力均相等。
3)双活塞杆液压缸
双活塞杆液压缸的两端都有活塞杆伸出,如图3.15 所示。其组成与单活塞杆液压缸基本相同。缸筒和缸盖间用法兰连接,活塞与活塞杆用柱销连接,活塞与缸筒内壁之间采用间隙密封。
图3.15 双活塞杆液压缸结构
1—活塞杆;2—压盖;3—缸盖;4—缸筒;5—活塞;6—密封圈
图3.16 双活塞杆液压缸运动所占空间
双活塞杆液压缸的两活塞杆直径通常相等,活塞两端有效面积相同。如果供油压力和流量不变,那么活塞往复运动时两个方向的作用力和运动速度均相等,即
式中 v——活塞活动速度;
q——液压缸工作流量;
F——活塞上的作用力;
p——液压缸工作压力;
A——活塞有效作用面积;
D、d——活塞直径和活塞杆直径。
这种液压缸在传动时活塞杆只承受拉力,多数用于机床。将缸体固定在床身上,活塞杆和工作台相联接时,液压缸运动所占空间长度为活塞有效行程的3 倍,如图3.16(a)所示,一般多用于小机床。反之,将活塞杆固定在床身上,缸体与工作台相联接时,液压缸运动所占的空间长度为活塞有效行程的两倍,如图3.16(b)所示,适用于中型及大型机床。
(2)柱塞式液压缸
柱塞式液压缸,如图3.17 所示。柱塞由导向套导向,不接触缸筒内壁。液压缸只有一个工作油口9,设在缸体底部。缸底支承在球面支承7 上,以保证中心受压。为了排除混入油中的空气,缸体上部设有排气装置10。这种液压缸常用于叉车门架升降机构,为了缓冲,缸底球面支承的周围设有四组弹簧8。
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图3.17 柱塞式液压缸
1—压盖;2—V 形密封圈;3—导向套;4—缸筒;5—柱塞;6—缸底;7—球面支承;8—弹簧;9—进油口接头;10—排气装置
图3.18 单作用套筒伸缩式液压缸
1、15—安装耳环;2—钢丝挡圈;3—缸盖;4、9、13—O 形密封圈;5、6、7、8—各级缸筒;10—导向套;11—柱塞头部;12—防尘圈;14—油口
柱塞式液压缸具有如下特点:
①柱塞式液压缸是单作用液压缸,即靠油压力只能实现一个方向的运动,回程要靠自重(液压缸垂直放置时)或其他外力,为此柱塞液压缸有时要成对使用。
②柱塞和缸体内壁不接触,缸体内孔只需粗加工,甚至不加工,故工艺简单,更适宜于做长行程液压缸。
③工作时柱塞总是受压,因此它必须具有足够的刚度。
④柱塞质量往往比较大,水平放置时容易因自身重力而下落,造成密封件和导向件单边磨损,故柱塞式液压缸垂直使用更为有利。
柱塞液压缸工作时,柱塞上有效作用力F 和柱塞运动速度v 分别为:
式中 p——工作压力;
q——工作流量;
d——柱塞直径。
(3)套筒伸缩式液压缸
套筒伸缩式液压缸又称多级伸缩式液压缸,它的特点是缩回时缸体尺寸很小,而伸长时活塞行程很大。在一般液压缸无法满足长行程的液压系统中,都可以采用这类液压缸。套筒伸缩式液压缸有单作用和双作用之分。
图3.18 所示为自卸汽车常用的一种单作用套筒伸缩式液压缸,它由多级柱塞缸组成。当液压油从底端油口A 进入缸体时,各级柱塞依次伸出,缸的有效作用面积相应逐级变化,因此,在工作过程中,若油压和流量保持一定,则缸的推力和速度也是逐级变化的。开始启动时推力很大,随着行程的逐级增长,推力逐级减小而速度逐级递增。这种力和速度的变化规律,正好与车厢倾翻力矩的变化规律相一致。
图3.19 双作用多级伸缩式液压缸原理图
1、2—活塞杆;3—缸体;4—缸盖;5、6—密封圈
图3.19 是双作用多级伸缩式液压缸,它由套筒式活塞杆1 和2、缸体3、缸盖4 和密封圈5、6 等组成。当从A 口通入压力油时,活塞杆1、2 同时向外伸出,到极端位置时,活塞杆1 才开始从活塞杆2 中伸出。相反,当活塞杆上B 口与压力油接通时,压力油由a 腔经油孔C1 进入b 腔,推动活塞杆1 先缩回,当活塞杆1 缩回到底端后,压力油便可从孔C2 进入c 腔,推动活塞杆2 连同1 一起缩回。伸出与缩回时,各级活塞杆的运动速度为:
伸出时:
缩回时:
式中 v1、v2——一、二级活塞杆伸出速度;
v′1、v′2——一、二级活塞杆缩回速度;
D1、D2——一、二级活塞直径;
图3.20 加腾NK-160 型起重机吊臂伸缩原理
d1、d2——一、二级活塞杆直径;
q——进入液压缸的流量。
日本产加腾NK-160 型全液压起重机吊臂,为三级同步伸缩式,由一个单级双作用液压缸进行伸缩,两组缆绳导轮机构进行同步,其原理如图3.20。
液压缸的缸筒为移动部件,与第二段吊臂(又称第二节扒杆)固定在一起;活塞杆为不动部件,固定在第一段吊臂上。
第二段吊臂前端设有两个滑轮,后端设有一个滑轮,分别套上第三段吊臂(又称第三节扒杆)外伸同步钢丝绳和回缩同步钢丝绳各一组,保证二、三段吊臂同步伸缩。
当液压缸外伸时,推动第二段吊臂外伸,其前端滑轮与外伸同步钢丝绳在第一段吊臂上的固定端之间的距离增长,同时使滑轮至第三段吊臂尾端间的同步钢丝绳长度缩短。所以,第三段吊臂以等于第二段吊臂的伸出速度从第二段吊臂中伸出,因而保证了第二段相对于第一段,第三段相对于第二段有同样的外伸速度而同步伸出。
当液压缸回缩时,拉动第二段吊臂回缩,其后端滑轮相对于回缩同步钢丝绳在第一段吊臂上的固定端距离增长,同时使滑轮至第三段吊臂尾端间的同步钢丝绳长度缩短,这样则将第三段吊臂拉回,与外伸同理,实现了第二、三段吊臂同步缩回。
外伸第三段吊臂,要克服载荷,受力大的困难,故采用了双滑轮双股钢丝绳。回缩第三段吊臂,受力不大,故采用了单滑轮单股钢丝绳。
(4)摆动式液压缸
摆动式液压缸是输出扭矩并实现往复摆动的执行元件,也称摆动式液压马达。有单叶片(图3.21)和双叶片(图3.22)两种形式。图中定子块固定在缸体上,而叶片和转子联结在一起。根据进油方向,叶片将带动转子作往复摆动。单叶片缸的摆动角度一般不超过280°。双叶片缸的摆动角度不超过150°,但可得到更大的输出扭矩。
图3.21 单叶片摆动液压缸的结构
1—定子块;2—缸体;3—弹簧片;4—密封镶条;5—转子(花键轴套);6—叶片;7—支承盘;8—盖板
图3.22 双叶片摆动液压缸的结构
摆动式液压缸应用于驱动工作机构作往复摆动或间歇运动等场合,如液压机械手、装载机铲斗、机床上回转台的转动等。
单叶片摆动式液压缸的结构如图3.21 所示。定子块用螺钉和柱销固定在缸体上,嵌在定子块槽内的弹簧片把密封镶条压紧在花键轴套的外圆柱面上。叶片用螺钉固定在花键轴套上,叶片的槽内也装有弹簧片与密封镶条,使叶片与缸体间得到密封。叶片与定子块两侧有支承盘,并用螺钉将盖板、支承盘、缸体固定在一起,盖板用密封圈密封。当压力油进入孔a 时,推动叶片连同花键轴套(轴)一起作逆时针方向旋转,叶片另一侧的回油从孔b 排回油箱。如压力油从b 孔进入时,叶片连同花键轴套作顺时针方向转动。叶片两侧的间隙起缓冲作用。
如图3.23 所示,若输入液压油的流量为q,则流量q 和摆动轴输出的角速度ω 之间的关系为:
图3.23 单叶片摆动液压缸计算简图
所以
式中 n——摆动轴的转速;
ω——摆动轴的角速度,ω=2πn;
q——流量;
D——缸体内径;
d——花键轴套外径;
b——叶片宽度。
若输入液压油压力为p,回油压力为零时,摆动轴输出的扭矩M 为:
式中 F——压力油作用于叶片上的合力,F=
r——叶片中心点到轴心的距离,r=
由此可得:
式中 M——摆动轴输出扭矩;
p——输入油液压力。
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