活塞式液壓缸
一、液壓缸的類型、特點及應(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、擺動缸和組合缸四類?;钊缀?a >柱塞缸實現(xiàn)往復(fù)運動,輸出推力和速度,擺動缸則能實現(xiàn)小于360°的往復(fù)擺動,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)生的推力推動活塞向一個方向運動,反向復(fù)位靠外力來實現(xiàn)。雙作用液壓缸則是利用液體壓力產(chǎn)生的推力推動活塞作正反兩個方向的運動。
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?;钊麅蓚?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,活塞(或缸體)在兩個方向的運動速度和推力也都相等,即
v=qv/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)的運動速度;
qv——輸入液壓缸的流量;
F——活塞(或缸體)上的液壓推力;
pl——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,推動活塞向右移動,右腔則回油;反之,活塞向左移動。這種液壓缸上某一點的運動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,推動缸體向左移動,右腔回油,反之缸體向右移動。這種液壓缸上某一點的運動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,活塞在兩個方向的運動速度和輸出推力也不相等。方向的運動速度和輸出推力也不相等。
①無桿腔進(jìn)油[圖B(a)]活塞的運動速度v2為
v1=qv/A1=4qv/πD2 (4-11)
推力F1:F1=p1A1-p2A2=(π/4)D2p1-(π/4)(D2-d2)p2 =(π/4)D2 (pl-p2)+( π/4)d2p2(4-12)
②有桿腔進(jìn)油時[圖B(b)]。活塞的運動速度v2為
v2=qv/A2=4qv/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qv——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?;钊麠U伸出時,推力較大,速度較小;活塞桿縮回時,推力較小,速度較大。因而它常用于實現(xiàn)機床的工作進(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)運動時速比為
λv=v2/v1=D2/(D2-d2) (4-15)
式(4-15)表明,當(dāng)活塞桿直徑愈小時,速比愈接近于1,兩個方向的速度差值愈小。
③有桿腔和無桿腔同時進(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,活塞桿作伸出運動,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進(jìn)油的這種油路連接方式稱為差動連接。
差動連接時,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=qv+q′v=qv+v3A2
則活塞速度v3 v3=qv/(A1-A2)=4Qv/πd2 (4-16)
若要使活塞往返速度相等,即v3=v2,則D=d。
差動連接時,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,差動連接時實際起有效作用的面積是活塞桿的橫截面積。
單桿缸往復(fù)運動范圍約為有效行程的兩倍,其結(jié)構(gòu)緊湊,應(yīng)用廣泛。實際生產(chǎn)中,單活塞桿液壓缸常用在實現(xiàn)“快速接近(v3) →慢速進(jìn)給(v1)→快速退回(v2)”工作循環(huán)的組合機床液壓傳動系統(tǒng)中。