活塞式液壓缸

 

    一、液壓缸的類型、特點(diǎn)及應(yīng)用

    液壓缸有多種類型，按其結(jié)構(gòu)形式不同，液壓缸可以分為活塞缸、柱塞缸、擺動(dòng)缸和組合缸四類。活塞缸和柱塞缸實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，輸出推力和速度，擺動(dòng)缸則能實(shí)現(xiàn)小于360°的往復(fù)擺動(dòng)，輸出轉(zhuǎn)矩和角速度；組合缸具有較特殊的結(jié)構(gòu)和功用。

    液壓缸按液體壓力的作用方式，又可分為單作用液壓缸和雙作用液壓缸。單作用液壓缸是利用液體壓力產(chǎn)生的推力推動(dòng)活塞向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，反向復(fù)位靠外力來實(shí)現(xiàn)。雙作用液壓缸則是利用液體壓力產(chǎn)生的推力推動(dòng)活塞作正反兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。

    1．活塞式液壓缸

    活塞式液壓缸可分為雙桿式和單桿式兩種結(jié)構(gòu)。其固定方式有缸體固定和活塞桿固定兩種。

    (1)雙桿活塞式液壓缸  圖A所示為雙桿活塞式液壓缸的工作原理。活塞兩側(cè)均裝有活塞桿。當(dāng)兩活塞桿直徑相同（即有效工作面積相等）、供油壓力和流量不變時(shí)，活塞（或缸體）在兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)速度和推力也都相等，即

                        v=q_v/A=4qv/π(D²-d²)                    (4-9)

                    F=(p₁-p₂)A=π/4(D²-d²)(p₁-p₂)              (4-10)

式中v——活塞（或缸體）的運(yùn)動(dòng)速度；

q_v——輸入液壓缸的流量；

     F——活塞（或缸體）上的液壓推力；

    p_l——液壓缸的進(jìn)油壓力；

    p₂——液壓缸的回油壓力；

     A——活塞的有效作用面積；

     D——活塞直徑（即缸體內(nèi)徑）；

     d——活塞桿直徑。

這種兩個(gè)方向等速、等力的特性使雙桿液壓缸可以用于雙向負(fù)載基本相等的場(chǎng)合，如磨床液壓系統(tǒng)。

    圖A(a)所示為缸體固定式結(jié)構(gòu)，缸的左腔進(jìn)油，推動(dòng)活塞向右移動(dòng)，右腔則回油；反之，活塞向左移動(dòng)。這種液壓缸上某一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)行程約等于活塞有效行程的三倍，一般用于中小型設(shè)備。

    圖A(b)所示為活塞桿固定式結(jié)構(gòu)，缸的左腔進(jìn)油，推動(dòng)缸體向左移動(dòng)，右腔回油，反之缸體向右移動(dòng)。這種液壓缸上某一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)行程約等于缸體有效行程的兩倍，常用于大中型設(shè)備。

(2)單桿活塞式液壓缸  圖B所示為雙作用單桿活塞式液壓缸。它只在活塞的一側(cè)裝有活塞桿，因而兩腔有效作用面積不同，當(dāng)向缸的兩腔分別供油，且供油壓力和流量不變時(shí)，活塞在兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)速度和輸出推力也不相等。方向的運(yùn)動(dòng)速度和輸出推力也不相等。

    ①無桿腔進(jìn)油[圖B(a)]活塞的運(yùn)動(dòng)速度v₂為

                            v₁=q_v/A₁=4q_v/πD²                  (4-11)

    推力F₁：F₁=p₁A₁-p₂A₂=(π/4)D²p₁-(π/4)(D²-d²)p₂ =(π/4)D² (p_l-p₂)+( π/4)d²p₂(4-12)

    ②有桿腔進(jìn)油時(shí)[圖B(b)]。活塞的運(yùn)動(dòng)速度v₂為

                           v₂=q_v/A₂=4q_v/π(D²-d²)              (4-13)

    推力F₂

F₂=p₁A₂-p₂A₁=(π/4)(D²-d²)p₁-(π/4)D²p₂=(π/4)D² (p₁-p₂)-(π/4)d²p₁  (4-14)

式中q_v——輸入液壓缸的流量；

p₁——液壓缸的進(jìn)油壓力；

p₂——液壓缸的回油壓力；

D——活塞直徑（即缸體內(nèi)徑）；

d——活塞桿直徑；

A₁，A₂——分別為液壓缸無桿腔和有桿腔的活塞有效作用面積。

    比較上述各式，由于A₁＞A₂故v₁＜V₂，F₁＞F₂。活塞桿伸出時(shí)，推力較大，速度較小；活塞桿縮回時(shí)，推力較小，速度較大。因而它常用于實(shí)現(xiàn)機(jī)床的工作進(jìn)給（用v₁、F₁）和快速退回(v₂、F₂)。

    由式(4-11)和式(4-13)得液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)速比為

                            λ_v=v₂/v₁=D²/(D²-d²)               (4-15)

    式(4-15)表明，當(dāng)活塞桿直徑愈小時(shí)，速比愈接近于1，兩個(gè)方向的速度差值愈小。

③有桿腔和無桿腔同時(shí)進(jìn)油（圖C）。在忽略兩腔通油路壓力損失的情況下，兩腔的油液壓力相等。但由于無桿腔受力面積大于有桿腔受力面積，活塞向右的作用力大于向左的作用力，活塞桿作伸出運(yùn)動(dòng)，并將有桿腔的油液擠出，流進(jìn)無桿腔，加快活塞桿的伸出速度。通常把單桿液壓缸有桿腔和無桿腔同時(shí)進(jìn)油的這種油路連接方式稱為差動(dòng)連接。

    差動(dòng)連接時(shí)，有桿腔排出流量g′_v=v₃A₂進(jìn)入無桿腔，則根據(jù)連續(xù)性方程有

v₃A₁=q_v+q′_v=q_v+v₃A₂

    則活塞速度v₃        v₃=q_v/(A₁-A₂)=4Q_v/πd²                   (4-16)

    若要使活塞往返速度相等，即v₃=v₂，則D=d。

    差動(dòng)連接時(shí)，p₂≈p₁

活塞推力F₃     F₃=p₁A₁-p₂A₂≈(π/4)D²p₁-(π/4)(D²-d²)p₁

=(π/4)d²p₁                               (4-17)

    由式(4-16)和式(4-17)可知，差動(dòng)連接時(shí)實(shí)際起有效作用的面積是活塞桿的橫截面積。

    單桿缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)范圍約為有效行程的兩倍，其結(jié)構(gòu)緊湊，應(yīng)用廣泛。實(shí)際生產(chǎn)中，單活塞桿液壓缸常用在實(shí)現(xiàn)“快速接近(v₃) →慢速進(jìn)給（v₁）→快速退回（v₂）”工作循環(huán)的組合機(jī)床液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中。