3.1专用机床液压缸的选择（课件）-《气动与液压传动》同步教学（外研版）

项目三 液压执行元件的选择、安装及故障排除 气动与液压传动 内部参考 第1页 内部参考 第‹#›页 液压系统中，将液压转换成机械能是靠液压执行元件来完成任务的。 本项目主要介绍液压执行元件的选择、安装及故障排除，具体分为2个工作任务，即‘专用机床液压缸的选择’和‘液压缸的拆装及故障排除’。 内部参考 第‹#›页 一、基本目标 1.认识液压缸的类型、特点和结构。 2.了解液压缸的速度与流量的关系、牵引力与压力的关系。 3.能分析活塞式、柱塞式、伸缩式、摆动式液压缸的结构特点与工作原理。 二、提高目标 1.能根据具体工作要求进行液压缸的选型。 2.了解液压缸与气缸缓冲装置的设计计算。方法与步骤。 3.能利用仿真软件进行回路的设计、分析与仿真调试。 【学习目标】 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 深孔钻床，要求液压系统能完成的进给运动是：原位停止→快进→Ⅰ工进→Ⅱ工进→死当铁停留→快退→原位停止，并且要求系统工作稳定，效率高。那么，如何来设计这个回路和选择液压缸呢？ 【任务描述】 1-电动机 2-液压泵 3-过滤器 4-液压阀集成块 5-冷却器 6-液压缸 7-排屑油过滤器 8-电机齿轮泵组 9-随动油箱 10-推进装置 11-钻杆 12-油封头进油软管 13-油封头 14-对开轴承座 15-工件 16-三爪卡盘 17-液压马达座 18-液压马达 19-液压马达油管 20-床身 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 根据深孔钻床示意图的组成可知，深孔钻床的旋转运动是由液压马达来完成的，而进给运动是由液压系统中的液压缸来完成的。在液压传动系统中液压缸和液压马达都是执行原件。它们将压力能转化为机械能，如何根据深孔钻床的工况，选择液压缸的主要参数和结构？让我们一起来学习液压缸的有关知识。 【任务分析】 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【必备知识】 一、液压缸的分类 液压缸是将液压泵输出的压力能转换为机械能的执行元件，它主要是用来输出直线运动（也包括摆动运动）。 1. 活塞式液压缸 1）双杆式活塞缸 双杆式活塞缸的活塞两端都有一根直径相等的活塞杆伸出，它根据安装方式不同又可以分为缸筒固定式和活塞杆固定式两种。如图所示的为缸筒固定式的双出杆活塞缸。 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【必备知识】 一、液压缸的分类 1）双杆式活塞缸 由于双杆活塞缸两端的活塞杆直径通常是相等的，因此它左、右两腔的有效面积也相等。当分别向左、右腔输入相同压力和相同流量的油液时，液压缸左、右两个方向的推力和速度相等，当活塞的直径为D，活塞杆的直径为d，液压缸进、出油腔的压力为P1和P2，输入流量为q时，双杆活塞缸的推力Ｆ和速度ｖ为 式中A为活塞的有效工作面积。 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【必备知识】 一、液压缸的分类 活塞只有一端带活塞杆，单杆液压缸也有缸体固定和活塞杆固定两种形式，但它们的工作台移动范围都是活塞有效行程的两倍。 单杆活塞缸由于活塞两端有效面积不等。如果以相同流量的压力油分别进入液压缸的左、右腔，活塞移动的速度与进油腔的有效面积成反比，即油液进入无杆腔时有效面积大，速度慢，进入有杆腔时有效面积小，速度快；而活塞上产生的推力则与进油腔的有效面积成正比。 2）单杆式活塞缸 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【必备知识】 一、液压缸的分类 向单杆活塞缸的左右两腔同时通压力油，即差动连接，开始工作时差动缸左右两腔的油液压力相同，但是由于左腔(无杆腔)的有效面积大于右腔(有杆腔)的有效面积，故活塞向右运动，同时使右腔中排出的油液(流量)也进入左腔，加大了流人左腔的流量，从而也加快了活塞移动的速度。 差动连接 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【必备知识】 一、液压缸的分类 柱塞缸是一种单作用液压缸，柱塞与工作部件连接，缸筒固定在机体上。当压力油进入缸筒时，推动柱塞带动运动部件向右运动，但反向退回时必须靠其它外力或自重驱动。柱塞缸通常成对反向布置使用。 2.柱塞缸 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【必备知识】 一、液压缸的分类 柱塞式液压缸的主要特点是柱塞与缸筒无配合要求，缸筒内孔不需精加工，甚至可以不加工。运动时由缸盖上的导向套来导向，所以它特别适用在行程较长的场合。 2.柱塞缸 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【必备知识】 一、液压缸的分类 摆动式液压缸也称摆动液压马达。当它通人压力油时，它的主轴能输出小于360º的摆动运动，常用于工夹具夹紧装置、送料装置、转位装置以及需要周期性进给的系统中。 3.摆动缸 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【必备知识】 二、液压缸的典型结构和组成 1—耳环2—螺母3—防尘圈4、17—弹簧挡圈5—套6、15—卡键 7、14—O形密封圈8、12—Y形密封圈9—缸盖兼导向套10—缸筒 11—活塞13—耐磨环16—卡键帽18—活塞杆19—衬套20—缸底 1.液压缸的典型结构举例 双作用单活塞杆液压缸 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【必备知识】 二、液压缸的典型结构和组成 1—活塞杆2—堵头3—托架4、17—V形密封圈5、14—排气孔6、19—导向套 7—O形密封圈8—活塞9、22—锥销10—缸体11、20—压板12、21—钢丝环 13、23—纸垫15—活塞杆16、25—压盖18、24—缸盖 1.液压缸的典型结构举例 空心双活塞杆式液压缸的结构 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【必备知识】 二、液压缸的典型结构和组成 液压缸的结构基本上可以分为缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置和排气装置五个部分。 2.液压缸的组成 1)缸筒和缸盖。 (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 缸盖2—缸筒3—压板4—半环5—防松螺帽6—拉杆 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【必备知识】 二、液压缸的典型结构和组成 2.液压缸的组成 2)活塞与活塞杆 常见的活塞组件结构形式 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【必备知识】 二、液压缸的典型结构和组成 2.液压缸的组成 3)密封装置 (a)间隙密封 (b)摩擦环密封 (c)O形圈密封 (d)V形圈密封 密封装置 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【必备知识】 二、液压缸的典型结构和组成 2.液压缸的组成 4)缓冲装置 1—节流阀 液压缸的缓冲装置 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【必备知识】 二、液压缸的典型结构和组成 2.液压缸的组成 5)排气装置 缸盖2—放气小孔3—缸体4—活塞杆 放气装置 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【任务实施】 根据任务分析，液压深孔钻床系统主要是用于实现工作台的直线运动和回转运动，如图所示，如果动力滑台要实现二次进给，则动力滑台要完成的动作循环包括： 原位停止→快进→Ⅰ工进→Ⅱ工进→死当铁停留→快退→原位停止。 液压深孔钻床动力滑台工作循环 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【任务实施】 步骤一：确定技术要求和设计参数  工作循环：快进→工进→快退→停止：  系统设计参数如表所示，动力滑台采用平面导轨，其静、动摩擦系数分别为fs=0.2、fd=0.1。 参数 数值 切削阻力（N） 18000 滑台自重（N） 25000 快进、快退速度（mm/min） 4.5 工进速度（mm/min） 20～120 最大行程(mm) 400 工进行程(mm) 180 启动换向时间(s) 0.05 液压缸机械效率 0.9 任务3.1 专用机床液压缸的选择 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 内部参考 第‹#›页 【任务实施】 步骤一：确定技术要求和设计参数  1）确定执行元件  液压深孔钻床的工作特点要求液压系统完成的主要是直线运动，因此液压系统的执行元件确定为液压缸。 2）分析系统工况  在对液压系统进行工况分析时，只考虑液压深孔钻床动力滑台所受到的工作负载、惯性负载和机械摩擦阻力负载，其他负载可忽略。 1.工况分析 任务3.1 专用机床液压缸的选择 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 内部参考 第‹#›页 【任务实施】 步骤一：确定技术要求和设计参数  工作负载是在工作过程中由于机器特定的工作情况而产生的负载，对液压深孔钻床液压系统来说，沿液压缸轴线方向的切削力即为工作负载。 1.工况分析 工况 负载组成 负载值F 液压缸推力 F′=F/ηm 起动 F=Ffs 5000N 5556N 加速 F=Ffd+Fm 6250N 6944N 快进 F=Ffd 2500N 2778N 工进 F=Ffd+Ff 20500N 22778N 反向起动 F=FfN 5000N 5556N 加速 F=Ffd+Fm 6250N 6944N 快退 F=Ffd 2500N 2778N 任务3.1 专用机床液压缸的选择 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 内部参考 第‹#›页 【任务实施】 步骤一：确定技术要求和设计参数  当液压深孔钻床动力滑台处于工作进给状态时，负载力最大为22778N，其他工况下负载力相对较小。 2.负载循环图和速度循环图的绘制 任务3.1 专用机床液压缸的选择 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 内部参考 第‹#›页 【任务实施】 步骤一：确定技术要求和设计参数  1）初选液压缸工作压力  所设计的动力滑台在工进时负载最大，其值为22778N，其它工况时的负载都相对较低，参考相关手册，按照负载大小或按照液案例压系统应用场合来选择工作压力的方法，初选液压缸的工作压力p1=3MPa。 3.确定系统主要参数 任务3.1 专用机床液压缸的选择 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 内部参考 第‹#›页 【任务实施】 步骤二：确定液压缸主要尺寸 采用单杠双作用液压缸的差动连接方式。通常利用差动液压缸活塞杆较粗、可以在活塞杆中设置通油孔的有利条件，最好采用活塞杆固定，而液压缸缸体随滑台运动的常用典型安装形式。这种情况下，应把液压缸设计成无杆腔工作面积A1是有杆腔工作面积A2两倍的形式，即活塞杆直径d与缸筒直径D呈d=0.707D的关系。 1.液压缸缸筒直径与活塞杆直径计算 防止前冲的现象，因此液压缸的回油腔应设置一定的背压（通过设置背压阀的方式），选取此背压值为p2=0.8MPa。 快进时液压缸虽然作差动连接（即有杆腔与无杆腔均与液压泵的来油连接），但连接管路中不可避免地存在着圧降△p，且有杆腔的压力必须大于无杆腔，估算时取△p≈0.5MPa。快退时回油腔中也是有背压的，这时选取背压值p2=0.6MPa。 任务3.1 专用机床液压缸的选择 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 内部参考 第‹#›页 【任务实施】 步骤二：确定液压缸主要尺寸 工进时液压缸的推力计算公式为 1.液压缸缸筒直径与活塞杆直径计算 式中：F——----负载力。 ηm ——液压缸机械效率 A1——--液压缸无杆腔的有效作用面积 A2------液压缸有杆腔的有效作用面积 P1------液压缸无杆腔压力 P2------液压缸有杆腔压力 F/ηm=A1p1-A2p2=A1p1-A1/2）p2 （3-3） 任务3.1 专用机床液压缸的选择 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 内部参考 第‹#›页 【任务实施】 步骤二：确定液压缸主要尺寸 因此，根据已知参数，液压缸无杆腔的有效作用面积可计算为 1.液压缸缸筒直径与活塞杆直径计算 液压缸缸筒直径为 由于有前述差动液压缸缸筒和活塞杆直径之间的关系，d=0.707D，因此活塞杆直径为d=0.707×105.9=74.9mm，（根据GB/T2348—1993）  对液压缸缸筒内径尺寸和液压缸活塞杆外径尺寸的规定，完整后取液压缸缸筒直径为D=110mm，活塞杆直径为d=80mm。 任务3.1 专用机床液压缸的选择 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 内部参考 第‹#›页 【任务实施】 步骤二：确定液压缸主要尺寸 工作台在快进过程中，液压缸采用差动连接，此时系统所需要的流量为 q快进=（A1-A2）×V1=22.59L/min   工作台在快退过程中所需要的流量为 q快退=A2×V2=2.16L/min  2.计算最大流量需求 根据上述液压缸直径及流量计算结果，进一步计算液压缸在各个工作阶段中的压力、流量和功率值。 任务3.1 专用机床液压缸的选择 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 内部参考 第‹#›页 【任务实施】 步骤二：确定液压缸主要尺寸 工作台在快进过程中，液压缸采用差动连接，此时系统所需要的流量为 q快进=（A1-A2）×V1=22.59L/min   工作台在快退过程中所需要的流量为 q快退=A2×V2=2.16L/min  2.计算最大流量需求 根据上述液压缸直径及流量计算结果，进一步计算液压缸在各个工作阶段中的压力、流量和功率值。 任务3.1 专用机床液压缸的选择 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 内部参考 第‹#›页 【任务实施】 步骤二：确定液压缸主要尺寸 工作台在快进过程中，液压缸采用差动连接，此时系统所需要的流量为 q快进=（A1-A2）×V1=22.59L/min   工作台在快退过程中所需要的流量为 q快退=A2×V2=2.16L/min  2.计算最大流量需求 根据上述液压缸直径及流量计算结果，进一步计算液压缸在各个工作阶段中的压力、流量和功率值。 任务3.1 专用机床液压缸的选择 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 内部参考 第‹#›页 【任务评价】 对任务完成情况进行评价 项目名称   姓名   任务名称   时间   一、综合职业能力成绩 评分项目 评分内容 配分 自评 小组评分 教师评分 任务完成 完成项目任务，功能正常等。 60       操作工艺 方法步骤正确，动作准确等。 20       安全生产 符合操作规程，人员设备安全等。 10       文明生产 遵守纪律，积极合作，工位整洁。 10       总分         二、训练过程记录 参考资料选择 　 操作工艺流程 　 技术规范情况 　 安全文明生产 　 完成任务时间 　 自我检查情况 　 三、评语 自我整体评价 　 学生签名 教师整体评价 　 教师签名 任务3.1 专用机床液压缸的选择 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 内部参考 第‹#›页 【知识拓展 】 液压缸是液压传动的执行元件，它和主机工作机构有直接的联系，对于不同的机种和机构，液压缸具有不同的用途和工作要求。因此，在设计液压缸之前，必须对整个液压系统进行工况分析，编制负载图，选定系统的工作压力(详见第九章)，然后根据使用要求选择结构类型，按负载情况、运动要求、最大行程等确定其主要工作尺寸，进行强度、稳定性和缓冲验算，最后再进行结构设计。 液压缸的设计 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【知识拓展 】 1)选择液压缸的类型和各部分结构形式。 2)确定液压缸的工作参数和结构尺寸。 3)结构强度、刚度的计算和校核。 4)导向、密封、防尘、排气和缓冲等装置的设计。 5)绘制装配图、零件图、编写设计说明书。 液压缸的设计 1.液压缸的设计内容和步骤： 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【知识拓展 】 液压缸的结构尺寸主要有三个：缸筒内径D、活塞杆外径d和缸筒长度L。 1)缸筒内径D。液压缸的缸筒内径D是根据负载的大小来选定工作压力或往返运动速度比，求得液压缸的有效工作面积，从而得到缸筒内径D，再从GB2348—80标准中选取最近的标准值作为所设计的缸筒内径。 液压缸的设计 2.计算液压缸的结构尺寸： 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【知识拓展 】 根据负载和工作压力的大小确定D： （1）以无杆腔作工作腔时 液压缸的设计 （2）以有杆腔作工作腔时 式中：pI为缸工作腔的工作压力，可根据机床类型或负载的大小来确定；Fmax为最大作用负载。 2.计算液压缸的结构尺寸： 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【知识拓展 】 2)活塞杆外径d。活塞杆外径d通常先从满足速度或速度比的要求来选择，然后再校核其结构强度和稳定性。若速度比为λv，则该处应有一个带根号的式子： 液压缸的设计 也可根据活塞杆受力状况来确定，一般为受拉力作用时，d=0.3～0.5D。 受压力作用时： pI＜5MPa时，d=0.5～0.55D 5MPa＜pI＜7MPa时，d=0.6～0.7D pI＞7MPa时,d=0.7D 2.计算液压缸的结构尺寸： 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【知识拓展 】 3)缸筒长度L。缸筒长度L由最大工作行程长度加上各种结构需要来确定，即： L=l+B+A+M+C 式中： l为活塞的最大工作行程； B为活塞宽度，一般为(0.6-1)D;A为活塞杆导向长度，取(0.6-1.5)D; M为活塞杆密封长度，由密封方式定；C为其他长度。 一般缸筒的长度最好不超过内径的20倍。 另外，液压缸的结构尺寸还有最小导向长度H。 液压缸的设计 2.计算液压缸的结构尺寸： 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【知识拓展 】 4)最小导向长度的确定。 当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度H(如图所示)。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度(间隙引起的挠度)增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一最小导向长度。 液压缸的设计 2.计算液压缸的结构尺寸： 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【知识拓展 】 对液压缸的缸筒壁厚δ、活塞杆直径d和缸盖固定螺栓的直径，在高压系统中必须进行强度校核。 1)缸筒壁厚校核。缸筒壁厚校核时分薄壁和厚壁两种情况，当D/δ≥10时为薄壁，壁厚按下式进行校核： δ＞=ptD/2［σ］ (3-9) 式中：D为缸筒内径；pt为缸筒试验压力，当缸的额定压力pn≤16MPa时，取pt=1.5pn，pn为缸生产时的试验压力;当pn＞16MPa时，取pv=1.25 pn;［σ］为缸筒材料的许用应力，［σ］=σb/n,σb为材料的抗拉强度，n为安全系数，一般取n=5。 液压缸的设计 3.强度校核 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【知识拓展 】 2)活塞杆直径校核。活塞杆的直径d按下式进行校核： d≥ 式中：F为活塞杆上的作用力；［σ］为活塞杆材料的许用应力，［σ］=σb/1.4。 液压缸的设计 3.强度校核 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【知识拓展 】 (3)液压缸盖固定螺栓直径校核。 液压缸盖固定螺栓直径按下式计算： d≥ (3-12) 式中： F为液压缸负载； Z为固定螺栓个数； k为螺纹拧紧系数，k=1.12～1.5,［σ］= σs/(1.2-2.5),σs为材料的屈服极限。 液压缸的设计 3.强度校核 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【知识拓展 】 活塞杆受轴向压缩负载时，其直径d一般不小于长度L的1/15。当L/d≥15时，须进行稳定性校核，应使活塞杆承受的力F不能超过使它保持稳定工作所允许的临界负载Fk,以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。Fk的值与活塞杆材料性质、截面形状、直径和长度以及缸的安装方式等因素有关，验算可按材料力学有关公式进行。 液压缸的设计 4.液压缸稳定性校核 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 【知识拓展 】 1)尽量使液压缸的活塞杆在受拉状态下承受最大负载，或在受压状态下具有良好的稳定性。 2)考虑液压缸行程终了处的制动问题和液压缸的排气问题。 液压缸的设计 5.液压缸设计中应注意的问题 3)正确确定液压缸的安装、固定方式。 4)液压缸各部分的结构需根据推荐的结构形式和设计标准进行设计。 5)在保证能满足运动行程和负载力的条件下，应尽可能地缩小液压缸的轮廓尺寸。 6)要保证密封可靠，防尘良好。液压缸可靠的密封是其正常工作的重要因素。 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 小组分工 实施 汇报学习 成果 归纳总结 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 任务3.1 专用机床液压缸的选择 内部参考 第‹#›页 $$