第二章液压缸 本章提要 本章主要内容是液压缸的类型和工作原理，液压缸的典型结构，液压缸的密封及液压缸的设计计算等 通过本章学习应做到：①熟知液压缸的类型及性能参数，掌握各类液压缸的工作原理：重点掌握双作用单 活塞杆液压缸的结构、工作原理及压力、速度的计算。②了解液压缸的设计过程，特别是设计中应考虑的 主要问题。 一、填空题 1液 红的 效率是缸的实际运动速度和理想运动速度之比。 (答：容积) 2.工作行程很长的情况下，使用油缸最合适。 (答：柱塞) 3.柱塞缸的运动速度与缸筒内径 (答：无为) 4.液压缸在低速运动时，由于 特性，常发生周期性的停顿和跳越运动，称为一。 (答：摩擦力的降落”，“粘着 -滑脱”现象或称爬行现象) 5液压缸按作用方式不同可分为 液压红和 液压缸：按运动方式又可分为液压 红和液压缸。 (答：单作用，双作用，移动式，摆动式) 二、简答题 1.多级伸缩缸在外伸、内缩时，不同直径的柱塞以什么样的顺序运动？为什么？ 答：当活塞上的负载不变时，多级伸缩缸按先大活塞后小活塞的顺序伸出，而按先小后大的顺序缩回。 这是由于大活塞运动所需压力较低，故伸出时大活塞先动。但一般大活塞（及活塞杆）上的摩擦力比小活 塞大的多，故空载缩回时推动小活塞所需的压力较低，小活塞先动。 2.试述柱塞式液压缸的特点 答：1)准塞式液压缸是单作用液压缸，即靠液压力只能实现一个方向的运动，回程要靠自重（当液压缸 垂直放置时)或其它外力，为此柱塞缸常成对使用： 2)柱塞和缸筒内壁不接触，缸筒内孔只需粗加工，甚至不加工，故工艺性好，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)柱塞重量往往比较大，水平放置时容易因自重而下垂，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。 3液压缸为什么要设置缓冲装置？通常采用什么样的缓冲装置？ 答：液压缸当活塞运动速度很高和运动部件质量很大时，为防止活塞在行程终点处与缸盖或缸底发生 机械碰撞，引起噪声和冲击，甚至造成液压缸的损坏，则必须设缓冲装置。 缓冲装置按其缓冲原理可分为节流缓冲装置和卸压缓冲装置。 4液压缸为什么要设置排气装置？ 答：液压系统往往会混入空气，使系统工作不稳定，产生振动、噪声及工作部件爬行和前冲等现象， 严重时会使系统不能正常工作。因此设计液压缸时必须考虑排除空气。 5.差动液压缸的原理如何？若输入的油压及流量完全相同，差动与非差动对所承受的负载、运动速度 有何不同？ 答：当单活塞杆液压缸进、出油口同时通入液压 即接成差动缸。由于液压缸左，右腔的有效面积 不等，活塞左侧的作用力大于右侧的作用力，若缸体周定不动，活塞在左右两侧作用力差值作用下，向有 运动，液压缸右侧排出的油液也进入左侧，增加了进入左腔的流量，此时相当于活塞的有效作用面积为活 塞杆的面积，所以液压缸差动联结时活塞的移动速度比非差动时大大提高。但由于作用面积的减小，差动 液压缸的所能承受的负载比非差动液压缸大大减小。 11
11 第二章 液压缸 本 章 提 要 本章主要内容是液压缸的类型和工作原理，液压缸的典型结构，液压缸的密封及液压缸的设计计算等， 通过本章学习应做到：①熟知液压缸的类型及性能参数，掌握各类液压缸的工作原理；重点掌握双作用单 活塞杆液压缸的结构、工作原理及压力、速度的计算。②了解液压缸的设计过程，特别是设计中应考虑的 主要问题。 一、填空题 1.液压缸的_效率是缸的实际运动速度和理想运动速度之比。 (答：容积) 2.工作行程很长的情况下，使用_油缸最合适。 (答：柱塞) 3.柱塞缸的运动速度与缸筒内径_。 (答：无关) 4.液压缸在低速运动时，由于_特性，常发生周期性的停顿和跳越运动，称为_。 (答：摩擦力的“降落”，“粘着——滑脱”现象或称爬行现象) 5.液压缸按作用方式不同可分为_液压缸和_液压缸；按运动方式又可分为_液压 缸和_液压缸。 (答：单作用，双作用，移动式，摆动式) 二、简答题 1.多级伸缩缸在外伸、内缩时，不同直径的柱塞以什么样的顺序运动?为什么? 答：当活塞上的负载不变时，多级伸缩缸按先大活塞后小活塞的顺序伸出，而按先小后大的顺序缩回。 这是由于大活塞运动所需压力较低，故伸出时大活塞先动。但一般大活塞（及活塞杆）上的摩擦力比小活 塞大的多，故空载缩回时推动小活塞所需的压力较低，小活塞先动。 2.试述柱塞式液压缸的特点。 答：1)柱塞式液压缸是单作用液压缸，即靠液压力只能实现一个方向的运动，回程要靠自重(当液压缸 垂直放置时)或其它外力，为此柱塞缸常成对使用； 2）柱塞和缸筒内壁不接触，缸筒内孔只需粗加工，甚至不加工，故工艺性好，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）柱塞重量往往比较大，水平放置时容易因自重而下垂，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。 3.液压缸为什么要设置缓冲装置？通常采用什么样的缓冲装置？ 答：液压缸当活塞运动速度很高和运动部件质量很大时，为防止活塞在行程终点处与缸盖或缸底发生 机械碰撞，引起噪声和冲击，甚至造成液压缸的损坏，则必须设缓冲装置。 缓冲装置按其缓冲原理可分为节流缓冲装置和卸压缓冲装置。 4.液压缸为什么要设置排气装置？ 答：液压系统往往会混入空气，使系统工作不稳定，产生振动、噪声及工作部件爬行和前冲等现象， 严重时会使系统不能正常工作。因此设计液压缸时必须考虑排除空气。 5.差动液压缸的原理如何？若输入的油压及流量完全相同，差动与非差动对所承受的负载、运动速度 有何不同？ 答：当单活塞杆液压缸进、出油口同时通入液压油，即接成差动缸。由于液压缸左，右腔的有效面积 不等，活塞左侧的作用力大于右侧的作用力，若缸体固定不动，活塞在左右两侧作用力差值作用下，向右 运动，液压缸右侧排出的油液也进入左侧，增加了进入左腔的流量，此时相当于活塞的有效作用面积为活 塞杆的面积，所以液压缸差动联结时活塞的移动速度比非差动时大大提高。但由于作用面积的减小，差动 液压缸的所能承受的负载比非差动液压缸大大减小
三、计算题 L.已知液压缸活塞的有效面积为A,运动速度为，有效负我为F,供给液压缸的流量为g,压力为 ,液压缸的总漏量为 摩擦阻力为F试根据液压马达的容积效率和机械效率的定义，求液压 的容积效和机械效率的表达式 解：1)液压缸的容积效率 液压缸入口输入流量（相当于液压马达入口实际流量）为q,液压缸产生速度ⅴ所需流量（相当于液 压马达理论流量)为Aw,则由容积效率定义有 w="=9-9=1-4 q 式中，q,为液压缸的泄漏量。 2病压缸的机械效率 液压缸的供油压力为户、 产生的推力为PA(相当于液压马达的理论转矩)，液压缸的有效负载为F (相当于液压马达的实际输出转矩)，则由机械效率定义有 F pA-FL=1- F PA 式中，F为液压缸的摩擦负载 2如图2所示，一单杆活塞缸，无杆腔的有效工作面积A,有杆腔的有效工作面积为4，且A=24: 求1)当供油量为g=30Lmin时，回油量g=?2)若液压缸 差动联接，其它条件不变，则进入液压缸无杆腔的流量为多 少？ 解：1)回油流量gq 液压缸运动速度为 aa 9=受q=×30L/min=151/mm 2)液压缸差动联接时进入无杆腔流量q” 此时液压缸的速度为 是初号 v.FL g=29=2q=2×30L1mm=60L/mn 3.图3所示为一柱塞液压缸，其柱塞固定，缸筒运动。压力 油从空心柱塞通入，压力为P,流量为q柱塞外径为d,内径 图3
12 三、计算题 1.已知液压缸活塞的有效面积为 A，运动速度为 v，有效负载为 FL，供给液压缸的流量为 q，压力为 p。液压缸的总泄漏量为 ql，总摩擦阻力为 Ff，试根据液压马达的容积效率和机械效率的定义，求液压缸 的容积效率和机械效率的表达式。 解：1)液压缸的容积效率 液压缸入口输入流量（相当于液压马达入口实际流量）为 q，液压缸产生速度 v 所需流量（相当于液 压马达理论流量）为 Av，则由容积效率定义有 q q q q q q Av l l V = − − η = = 1 式中， ql 为液压缸的泄漏量。 2)液压缸的机械效率 液压缸的供油压力为 p、产生的推力为 pA（相当于液压马达的理论转矩），液压缸的有效负载为 FL （相当于液压马达的实际输出转矩），则由机械效率定义有 pA F pA pA F pA FL f f m = − − η = = 1 式中，Ff 为液压缸的摩擦负载。 2.如图 2 所示，一单杆活塞缸，无杆腔的有效工作面积 A1，有杆腔的有效工作面积为 A2，且 A1＝2A2。 求 1)当供油量为 q＝30L/min 时，回油量q′＝？2)若液压缸 差动联接，其它条件不变，则进入液压缸无杆腔的流量为多 少？ 解：1)回油流量 q′ 液压缸运动速度为 1 A2 q A q v ′ = = 则 30 / min 15 / min 2 1 1 2 q L L A A q′ = = × = 2)液压缸差动联接时进入无杆腔流量 q′′ 此时液压缸的速度为 1 2 1 2 1 / A q A q A A q v ′′ = = − = 2 2 30 / min 60 / min 1 / 2 1 q q L L A A q′′ = = = × = 3.图 3 所示为一柱塞液压缸，其柱塞固定，缸筒运动。压力 油从空心柱塞通入，压力为 p，流量为 q。柱塞外径为 d，内径 图 2 图 3
为d山，试求缸筒运动速度v和产生的推力。 解： F-p 此愿主要考查对有效承压面的概念是否清楚，即有效承压面为而不是-4 4.图4中用一对柱塞实现工作台的往复运动。若两个柱塞直径分别为d和山，供油流量和压力分别为 g和P,求其两个方向运动的速度和推力，又如两柱塞缸同时通以压力油时将产生怎样运动？ 解： 设d>d,工作台向左运动的速度为，推力为F:向右运动的 速度位，推力为F 1)压力油从A管进入时(B管回油) 49 14 R-tp 图4 2)压力油从B管进入时(A管回油) 3)两柱塞缸同时进油时，形成差动联接，设其速度为（方向向左），推力为F(方向向左) 4a v,adid3)d) F=i(di-di)p 4 5.某一差动液压缸，要求快进速度”，是快退速度2的两倍，试判定直径为D的活塞面积A与直径为 d的活塞杆面积a的大小关系。 解：依题意有 =2y2 设进油管路流量为q,则 = 9 v=x(D2-d)14 华 13
13 为 d0，试求缸筒运动速度 v 和产生的推力。 解： 2 2 4 / 4 d q d q v π π = = p d F = • 4 2 π 此题主要考查对有效承压面的概念是否清楚，即有效承压面为 4 2 πd 而不是 4 ( ) 2 0 2 π d − d 。 4.图 4 中用一对柱塞实现工作台的往复运动。若两个柱塞直径分别为 d1和 d2，供油流量和压力分别为 q 和 p，求其两个方向运动的速度和推力，又如两柱塞缸同时通以压力油时将产生怎样运动？ 解： 设 d1>d2，工作台向左运动的速度为 v1，推力为 F1；向右运动的 速度位 v2，推力为 F2。 1)压力油从 A 管进入时（B 管回油） p d F d q d q v 4 4 / 4 2 1 1 2 1 2 1 1 π π π = = = 2)压力油从 B 管进入时（A 管回油） p d F d q d q v 4 4 / 4 2 2 2 2 2 2 2 21 π π π = = = 3)两柱塞缸同时进油时，形成差动联接，设其速度为 v3(方向向左)，推力为 F3(方向向左) p d d F d d q d d q v 4 ( ) ( ) 4 ( )/ 4 2 2 2 1 3 2 2 2 1 2 2 2 1 3 − = − = − = π π π 5.某一差动液压缸，要求快进速度 v1 是快退速度 v2 的两倍，试判定直径为 D 的活塞面积 A 与直径为 d 的活塞杆面积 a 的大小关系。 解：依题意有 1 2 v = 2v 设进油管路流量为 q，则 / 4 1 2 d q v π = ( ) / 4 2 2 2 D d q v − = π 故 图 4
274=2x 得出 D2=3d2 年D32=3x4d 所以 A=3a 6.图6所示一与工作台相联的柱塞缸，工作台质量为98Okg,如缸筒与柱塞间的摩擦阻力为F=196ON, n-10 -70 d30mm,求工作台在0.2s时间内从静止加速到最大稳定速度v=7m/min时，系 的供油压力和流量各为多少 解：1)求泵的供油压力p 使工作台从静止开始加速到最大稳定速度v=7m/min时，所需的惯性力 (负载)为 E.=a=m×4=980x7/60N=571.7N U.4 式中，Fm是质量为980kg的工作台的惯性力，m为工作台的质量，1/为工作 台从静止到稳定运动的速度变化量，△v为与△1/相应的时间变化量。 工作台向上运动时要克服惯性阻力、自重和摩擦阻力三者之合，因柱塞缸 有效承压面积为d/4,故液压泵的供油压力为 p=+Fa+E.571.7+980x9.81+1960N 图6 =31.6×103Pa d-/4 π(70×10-3/4m 2)求泵的供油流量q =a70x10-Yx7x102/mn=2692/mm 9= 7.如图，液压缸中充满了油液，设活塞与液压缸筒同心，忽略活塞杆与缸盖间的摩擦力，油液粘度刀 =2x10Pas,活塞直径D=95.5mm,活塞有效工作面积为A=50cm2,活塞宽度（厚度）为L=100mm, 活塞与缸筒的间隙8=1mm。求为使活塞移动速度为v=l0mms时所需推力F的大小。 解：设活塞在F力的作用下以v=1Omms的速度运动时，液压缸右腔油压为P1,如图7所示。现在 水平方向上列出活塞的受力平衡方程式为 F+p:A=PA 或 F=(p-p2)A=ApA 由同心环形缝隙流量公式 g82如-2
14 ( )/ 4 2 / 4 2 2 2 D d q d q − = × π π 得出 2 2 D = 3d 即 2 2 4 3 4 D d π π = × 所以 A＝3a 6.图 6 所示一与工作台相联的柱塞缸，工作台质量为 980kg，如缸筒与柱塞间的摩擦阻力为 Ff＝1960N， D＝100mm，d＝70mm，d0=30mm，求工作台在 0.2s 时间内从静止加速到最大稳定速度 v＝7m/min 时，泵 的供油压力和流量各为多少？ 解：1)求泵的供油压力 p 使工作台从静止开始加速到最大稳定速度 v＝7m/min 时，所需的惯性力 （负载）为 N 571 7N 0 2 7 60 980 . . / t v Fm = ma = m× = × = Δ Δ 式中，Fm是质量为 980kg 的工作台的惯性力，m 为工作台的质量，Δt／为工作 台从静止到稳定运动的速度变化量，Δv 为与 Δt／相应的时间变化量。 工作台向上运动时要克服惯性阻力、自重和摩擦阻力三者之合，因柱塞缸 有效承压面积为 πd2 ／4，故液压泵的供油压力为 31 6 10 Pa m N 70 10 4 571 7 980 9 81 1960 4 5 2 3 2 2 = × × + × + = + + = − . ( ) / . . d / F F F p m G f π π 2)求泵的供油流量 q 7 10 / min 26.9 / min 4 (70 10 ) 4 2 2 2 v L L d q × × = × = = − π π 7.如图，液压缸中充满了油液，设活塞与液压缸筒同心，忽略活塞杆与缸盖间的摩擦力，油液粘度 η ＝2×10-2Pa·s，活塞直径 D＝95.5mm，活塞有效工作面积为 A＝50cm2 ，活塞宽度（厚度）为 L＝100mm， 活塞与缸筒的间隙 δ＝1mm。求为使活塞移动速度为 v＝10mm/s 时所需推力 F 的大小。 解：设活塞在 F 力的作用下以 v＝10mm/s 的速度运动时，液压缸右腔油压为 p1，如图 7 所示。现在 水平方向上列出活塞的受力平衡方程式为 F + p2 A = p1A 或 F = ( p1 − p2 )A = ΔpA 由同心环形缝隙流量公式 v D p L D q 12 2 3 π δ η π δ = Δ − 有 题 7 图 图 6 图 7
4p=9+Dm/2x12L D83 -4+m/2x12L -10x1050x10-+×95.5x10x1k10x10x10/212×2x102×10010 π×95.5×10-×1×10- =4122Pa 所以 F=4pA=4122×50×10-N=20.6N 8.如图8所示，两个结构相同的液压缸串联起来，无杆腔的有效工作面积A=100cm2,有杆腔的有效 工作面积4=80cm2,缸1输入的油压p=18×10Pa,流量q1=16 L/min,若不考虑一切损失，试求： 1)当两缸的负载相同(F1F2)时，能承受的负载为多少？两缸运动的速度各为多少？ 2)血1不承受负载( 1=0)时，缸2能承受多少负载？ 3)又若缸2不承受负载(F2=0)时，则缸1能承受多少负载？哪个大？为什么？ A2 Fu 解：1)解答本题第一问时，往往最容易出错的是直接用压力乘以41求出，这实际上是忽略了2，亦 即缸2的工作压力，现在F0,所以p0,因而必须从缸2开始列方程从而求出F=F=F的负载值。 F=pP2·A F=P1·A-P2·A 因为 Fu=F=FL 所以 P:=FL/A 则 p,A-F·A2/A,=F E=P4_18×10×100x10N=100N 1+3 80 A 1+100 所以 .9.16×10-3 y=4=10x10=1.6mmm 所以两液压缸推力相同而速度不等。 2)当F1=0时 15
15 4122Pa 95 5 10 1 10 10 10 50 10 95 5 10 1 10 10 10 2 12 2 10 100 10 2 12 2 12 3 3 3 3 4 3 3 3 2 3 3 3 = × × × × × × × + × × × × × × × × × × × = + × = + × = − − − − − − − − − . ( ) ( . / ) D ( vA D v / ) L D ( q D v / ) L p π π π δ π δ η π δ π δ η Δ 所以 4122 50 10 N 20 6N 4 F = pA = × × = . − Δ 8.如图 8 所示，两个结构相同的液压缸串联起来，无杆腔的有效工作面积 A1=100cm2 ，有杆腔的有效 工作面积 A2=80cm2 ，缸 1 输入的油压 p1=18×105 Pa，流量 q1=16L/min，若不考虑一切损失，试求： 1)当两缸的负载相同（FL1=FL2）时，能承受的负载为多少？两缸运动的速度各为多少？ 2)缸 1 不承受负载（FL1＝0）时，缸 2 能承受多少负载？ 3)又若缸 2 不承受负载（FL2＝0）时，则缸 1 能承受多少负载？哪个大？为什么？ 解：1)解答本题第一问时，往往最容易出错的是直接用压力乘以 A1 求出 FL1,这实际上是忽略了 p2,亦 即缸 2 的工作压力，现在 FL2≠0，所以 p2≠0，因而必须从缸 2 开始列方程从而求出 FL1=FL2=F 的负载值。 2 2 1 1 1 1 2 A2 F p A F p A p L L = • = • − • 因为 FL1 = FL2 = FL 所以 2 1 p = FL / A 则 A FL A A FL p1 1 − • 2 / 1 = 所以 1 6m/min 1 28m/min 100 80 1 6m/min 100 10 16 10 N 10000N 100 80 1 18 10 100 10 1 1 1 2 1 1 2 2 4 3 1 1 5 4 1 2 1 1 v . . A A A v A v . A q v A A p A FL = = = × = = × × = = = + × × × = + = − − − 所以两液压缸推力相同而速度不等。 2)当 FL1＝0 时 图 8