1、液壓缸的類型
【答】液壓缸的類型繁多。①按作用方式分，液壓缸分為單作用式和雙作用式兩大類。單作
用式液壓缸，其一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)靠液壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)，而反向運(yùn)動(dòng)則依靠重力或彈簧力等實(shí)現(xiàn)。雙作用式液壓缸，其正、反兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)都依靠液壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)。②按不同的使用壓力，液壓缸又可分為中壓、低壓、中高壓和高壓液壓缸。對(duì)于機(jī)床類機(jī)械，一般采用中低壓液壓缸，其額定壓力為2.5MPa~6.3MPa;對(duì)于要求體積小、質(zhì)量輕、出力大的建筑車(chē)輛和飛機(jī)用液壓缸多采用中高壓液壓缸，其額定壓力為10lMPa~16MPa;對(duì)于油壓機(jī)響一類機(jī)械，大多數(shù)采用高壓液壓缸，其額定壓力為25MPa~315MPa。③按結(jié)構(gòu)型式的不同，液壓缸又有活塞式、柱塞式、擺動(dòng)式、伸縮式等型式。其中以活塞式液莊缸應(yīng)用最多。而活塞式液壓缸又有單活塞桿和雙活塞桿、缸定式和桿定式的不同結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式。
2.液壓缸的差動(dòng)連接及其特點(diǎn)、應(yīng)用
【答】對(duì)單活塞桿液壓缸來(lái)說(shuō)，其左右兩腔相互連通，并同時(shí)都和進(jìn)油管路相通的連接方式叫做液壓缸的差動(dòng)連接。其特點(diǎn)是推力減小了，速度提高了。當(dāng)元桿腔的有效工作面積是有桿腔的兩倍時(shí)，亦即活塞直徑D= d時(shí)(d為活塞桿直徑)，差動(dòng)連接的速度較沒(méi)有差動(dòng)連接的速度提高了一倍，而推力則減小了一半。液壓缸的差動(dòng)連接主要用于有快速要求的空行程動(dòng)作循環(huán)中，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故應(yīng)用較廣。但其速度提高不大(最大提高一倍)。
3.液壓缸的五大組成部分，缸筒組件、活塞組件的結(jié)構(gòu)及相應(yīng)材料
【答】液壓缸的五大組成部分是：缸筒組件、活塞組件、密封裝置、緩沖裝置、排氣裝
置。
4.液壓缸的泄漏途徑
【答】液壓缸在工作時(shí)，腔內(nèi)壓力較腔外壓力(大氣壓)高得多;缸內(nèi)進(jìn)油腔壓力較回泊腔壓力高得多。這樣，油液就可能通過(guò)固定件的聯(lián)接處(途徑之一)，如端蓋和缸筒的聯(lián)接處，和有相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的配合間隙(途徑之二)而泄漏。如圖4·6所示。外泄不但使油液損失影響環(huán)境，而且有失火的危險(xiǎn)。內(nèi)泄則將使泊液發(fā)熱、液壓缸容積效率降低，進(jìn)而使液壓缸工作性能變壞。因此應(yīng)最大限度地減少泄漏。
圖4·6液壓缸的泄漏
5.橡膠密封圈的類型(0、Y、V)及應(yīng)用場(chǎng)合、特點(diǎn)
【答】橡膠密封圈按其斷面形狀分為0形、Y型和V型三種形式。
①O型密封圈。這種密封圈斷面呈圓形，如圖4·7所示。其材料用耐油橡膠制成，具有較強(qiáng)的抗腐蝕性。它既可以用于活塞、缸筒這樣有相對(duì)運(yùn)動(dòng)件之間的密封，又可以用于端蓋、缸筒這樣固定件之間的密封;既可用0型圈的內(nèi)徑d或外徑D密封，又可用0型圈的端面密封。
O型密封圈的密封作用是依靠裝配后產(chǎn)生的壓縮變形實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)壓力較高時(shí)，0型圈可能被壓力油擠進(jìn)配合間隙，引起密封圈破壞，因此在O型圈的一側(cè)或兩側(cè)(決定于壓力油作用于一側(cè)或兩側(cè))增加一個(gè)擋圈：對(duì)于固定密封，當(dāng)壓力大于32MPa時(shí)就要用擋圈。這樣，密封壓力最高可達(dá)70MPa;對(duì)于運(yùn)動(dòng)密封，當(dāng)壓力大于1OMPa時(shí)也要用擋圈，此時(shí)密封壓力最高可達(dá)32MPa。為了保證密封性能，安裝O型圈的溝槽尺寸及表面粗糙度應(yīng)
符合要求(查閱有關(guān)手冊(cè))。
O型密封圈的形狀簡(jiǎn)單、安裝尺寸小，摩擦力不大，密封性良好，故應(yīng)用廣泛。但其使用壽命不很長(zhǎng)，不宜在速度較高的滑動(dòng)密封中使用。
②Y型密封圈。這種密封圈斷面呈Y型，如圖4-8所示。一般也用耐油橡膠制成。它依靠略為張開(kāi)的唇邊貼于密封面而實(shí)現(xiàn)密封。油壓增加時(shí)，唇邊作用在密封面上的壓力也隨著增加，并在磨損后有一定的自動(dòng)補(bǔ)償能力。故密封性能較好，且能保持較長(zhǎng)的使用壽命。在裝配Y型密封圈時(shí)，可將它直接裝入溝槽內(nèi)。但一定要使其唇邊面向高壓區(qū)才能起到密封作用，并且在工作壓力波動(dòng)大、滑動(dòng)速度較高的情況下，要采用支承環(huán)來(lái)定位。
圖4·7 0型密封圃圖 4.8 Y型密封圈
Y型密封圈密封可靠，壽命較長(zhǎng)、摩擦力小，常用于速度較高的液壓缸。適用工作油溫為一40℃~80℃，工作壓力為2OMPa。
③V型密封圈。其斷面呈V型。如圖49所示。該圈用帶夾織物的橡膠制成，由支承環(huán)、密封環(huán)、壓環(huán)三部分疊合組成。當(dāng)要求密封的壓力小于1OMPa時(shí)，使小用由3個(gè)圈組成的一套已足夠保證密封性;當(dāng)壓力大于10IWPa時(shí)，可增加中間環(huán)節(jié)的數(shù)量。在安裝V型圈酬時(shí)，也應(yīng)注意使密封圈的唇邊面向高壓區(qū)。V型密封圈耐高壓，密封性能可靠，但密封處摩擦較大，在大直徑柱塞或低速運(yùn)動(dòng)的活塞桿上采用較多。(a)支承環(huán);(b)密封環(huán)S (c)壓環(huán)。其工作溫度為一40℃~80℃，工作壓力可達(dá)到50MPao
6.液壓缸的緩沖、排氣
【答】為了避免活塞在行程兩端沖撞缸蓋，產(chǎn)生噪聲，影響工件精度以至損壞機(jī)件，常在液壓缸兩端設(shè)置緩沖裝置。其作用是利用油液的節(jié)流原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的制動(dòng)。常用的緩沖裝置、有環(huán)狀間隙式、、節(jié)流口可調(diào)式、節(jié)流口可變式三種形式。
①環(huán)狀間隙式：當(dāng)緩沖柱塞進(jìn)入與其相配的缸蓋上
內(nèi)孔時(shí)，液壓油(回油)必須通過(guò)間隙δ才能排出，使活塞速度降低。由于配合間隙不變，故緩沖作用不可調(diào)，且隨活塞速度的降低，其緩沖作用逐漸減弱。
②節(jié)流口可調(diào)式：當(dāng)緩沖柱塞進(jìn)入缸蓋上的內(nèi)孔時(shí)，液壓油(回油)必須經(jīng)過(guò)節(jié)流閥才能
排出。由于節(jié)流閥是可調(diào)的，故緩沖作用也可調(diào)，但這種調(diào)節(jié)是緩沖進(jìn)行前的調(diào)節(jié)，在緩沖進(jìn)行中，緩沖作用仍是固定不變的。
③節(jié)流口可變式：在活塞的軸向上開(kāi)有三角溝槽，其過(guò)流斷面越來(lái)越小，緩沖作用隨著速度的降低而增強(qiáng)。緩沖作用均勻，緩沖壓力較低，制動(dòng)位置精度較高，解決了在行程最后階段緩沖作用過(guò)弱的問(wèn)題。
緩沖裝置：(a)間隙緩沖 (b)節(jié)流緩沖 （c）軸向三角槽緩沖
關(guān)于液壓缸的排氣。對(duì)于長(zhǎng)期不用的液壓缸或新買(mǎi)進(jìn)的液壓缸，常在缸內(nèi)最高部位聚積空氣�？諝獾拇嬖跁�(huì)使液壓缸運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，產(chǎn)生振動(dòng)或爬行。為此，液壓缸上要設(shè)排氣裝置。
排氣裝置
排氣裝置通常有兩種形式：一種是在液壓缸的最高部位處開(kāi)排氣孔，用長(zhǎng)管道通向遠(yuǎn)處的排氣閥排氣(機(jī)床上多采用這種形式);另一種是在缸蓋的最高部位直接安裝排氣閥，對(duì)于雙作用式液壓缸應(yīng)設(shè)置2個(gè)排氣閥。
二、重點(diǎn)、難點(diǎn)和解題要領(lǐng)
1.重點(diǎn)
液壓缸的類型很多，但活塞式液壓缸應(yīng)用最多，因此活塞式液壓缸是重點(diǎn)。對(duì)液壓缸的基本計(jì)算方法，特別是對(duì)三種不同聯(lián)接形式的單桿液壓缸的壓力ρ(P1、h)、推力F、速度認(rèn)流量Q及負(fù)載FL等量的計(jì)算必須掌握。液壓缸的密封至關(guān)重要，離開(kāi)密封甚至密封不良都將導(dǎo)致液壓缸法工作。因此，液壓缸密封的部位、特點(diǎn)，橡膠密封圈的種類及應(yīng)用場(chǎng)合也必須掌握。
2.難點(diǎn)
差動(dòng)液壓缸的計(jì)算，回油腔及回油壓力的概念，及液壓缸的緩沖是本章的難點(diǎn)。事實(shí)上，若令單桿活塞缸活塞的直徑為D，活塞桿的直徑為d ，則有πD2/4=π(D2+ d2)/4。即液壓缸無(wú)桿腔的有效工作面積可以看成由π(D2+ d2)/4和π d2/4兩部分組成。
液壓缸差動(dòng)聯(lián)接時(shí)，從有桿腔反饋到無(wú)桿腔的油液占據(jù)了面積為π(D2+ d2)/4的空間(不計(jì)泄漏)，而進(jìn)油管路來(lái)的油液Q則占據(jù)了面積為πd2/4的空間(不計(jì)泄漏)。因此液壓缸的速度(差動(dòng)聯(lián)接的速度)為U =4Q/πd2，可見(jiàn)速度較沒(méi)有差動(dòng)聯(lián)接時(shí)的速度U =4Q/πD2提高了。至于推力F，由于活塞在要?jiǎng)舆�沒(méi)動(dòng)時(shí)，活塞左右兩邊壓力相等，推力產(chǎn)生在活塞兩邊的有效工作面積差d2/4上，故推力為F=P1·πd2/4， (P1為進(jìn)油壓力)�？梢�(jiàn)推力較沒(méi)有差動(dòng)聯(lián)接時(shí)的推力F=P1·πD2/4減小了。對(duì)于雙作用式液壓缸，無(wú)論是單桿缸還是雙桿缸，只要是油液從其流出的腔便稱為回油腔，亦稱為背壓腔。該腔的壓力稱為回泊壓力或背壓力。在理論計(jì)算時(shí)因不涉及實(shí)際管路，所以只要沒(méi)有外界負(fù)載液壓缸的回泊(從回油腔流出的油液)壓力便為零。這是從壓力決定于負(fù)載這一角度得出的。實(shí)際上，此時(shí)回油壓力非但不能為零(否則便不能流出回油腔)，而且由于管路較長(zhǎng)(沿程損失較大)、彎頭較多(局部損失較多)，造成壓力損失較大，使回油壓力可高達(dá)十幾個(gè)大氣壓。因此讀者應(yīng)注意到這點(diǎn)，正確理解理論與實(shí)際的這一差別。
關(guān)于液壓缸的緩沖，其作用及具體緩沖裝置的工作原理不難理解。其難點(diǎn)主要是緩沖壓力，特別是最大緩沖壓力的計(jì)算。事實(shí)上，液壓缸在緩沖時(shí)有三種能量在緩沖、制動(dòng)后被背壓腔(緩沖腔)所吸收：①是液壓能Ep，其值為Ep =p1 A1Lc(式中P1為高壓腔的壓力，A1為高壓腔的有效承壓面積，Lc為背壓腔的緩沖長(zhǎng)度)。②是動(dòng)能Em ，其值為Em =mv2/2(式中m為所有運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，v為運(yùn)動(dòng)部件的速度)。③是反向的摩擦能Ef，其值為Ef=FfLc(式中Ff為反向摩擦力)。此時(shí)，三種能量，尤其是動(dòng)能在極短的時(shí)間內(nèi)全部轉(zhuǎn)化成背壓腔液體的壓力能E2，致使背壓腔壓力升高，形成緩沖壓力。若令背壓腔有效承壓面積為人，緩沖壓力為pc，則有E1=Ep+Em-Ef=E2=Pc·Ac·Lc(E1為高壓腔總的機(jī)械能、即三種能量之和)，所以緩沖壓力為pc=E1/AcLc。在采用節(jié)流口可調(diào)式的緩沖裝置中，緩沖過(guò)程中的緩沖阻尼是固定不變的，而在緩沖、制動(dòng)開(kāi)始時(shí)運(yùn)動(dòng)部件的速度是最高的(以后才逐漸降低)，所以在制動(dòng)開(kāi)始時(shí)產(chǎn)生的沖擊力也最大(以后才逐漸減弱)。即在緩沖，制動(dòng)過(guò)程中緩沖壓力是由大到小變化的，非定值。而上述pc值是從能量轉(zhuǎn)換角度換算出的理論值，即平均值，稱為平均緩沖壓力。最大緩沖壓力出現(xiàn)在制動(dòng)開(kāi)始時(shí)的速度最高時(shí)。若近似的認(rèn)為由運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)能所轉(zhuǎn)化的那部分壓力是呈線性規(guī)律下降的，則最大的沖擊壓力(緩沖壓力)Pcmax。即最大的沖擊壓力可近似地等于平均緩沖壓力與運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)能所轉(zhuǎn)化的壓力之和。在液壓缸強(qiáng)度校核時(shí)，必須滿足最大沖擊力要小于缸筒材料的試驗(yàn)壓力這一條件。
上述情況適用于節(jié)流口可調(diào)式(緩沖制動(dòng)過(guò)程中阻尼固定)的緩沖裝置。對(duì)于節(jié)流口可變式緩沖裝置，在緩沖制動(dòng)過(guò)程中緩沖壓力的波動(dòng)是比較均勻的。
2.解題要領(lǐng)
本章所涉及的理論計(jì)算主要是液壓缸產(chǎn)生的推力、流量、速度或負(fù)載決定壓力、緩沖壓力
等問(wèn)題的計(jì)算。問(wèn)題的關(guān)鍵要掌握好有效承壓面(即有效工作面)這一概念。
計(jì)算推力需要它，計(jì)算流量和速度也需要它。所謂有效承壓面(有效工作面)是這樣的一個(gè)面：
液壓力在該面上的作用力的方向與負(fù)載阻力方向相反。另外，液壓缸的五大組成部分并非都是必須的，對(duì)前三部分即缸筒組件，活塞組件，密封裝置是必須的，但對(duì)后兩部分即緩沖裝置、排氣裝置并不是所有工況下的液壓缸都需要。這應(yīng)由具體要求而定。