目 录 绪 论 — — — — — — — — — — — — — — 第3页 第1章 液压传动的基础知识 — — — — — — — — 第4页 1.1 1.2 1.3 第2 章 2.1 2.2 第3章 D G 3.1 3.2 DG第4章 总 结 液压传动系统的组成 — — — — — — — — 第4页 液压传动的优缺点 — — — — — — — — — 第4页 液压传动技术的发展及应用 — — — — — — 第6页 液压传动系统的执行元件
——液压缸 — — — — — — — — — — 第8页 液压缸的类型 特点及结构形式 — — — — ——第8页 液压缸的组成 — — — — — — — — — — 第11页 型车辆用液压缸的设计— — — — — — 第19页 简介 — — — — — — — — — — — — — 第19页 型液压缸的设计----------- — — — — — 第20页液压缸常见故障分析与排除方法 — — — — — 第27页 — — — — — — — — — — — — — — 第29 页
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绪 论
第一章 液压传动的基础知识
液压传动系统的组成
液压传动系统由以下四个部分组成： 〈1〉动力元件——液压泵 其功能是将原动机输出的机械能转换成液体的压力能，为系统提供动力。
〈2〉执行元件——液压缸、液压马达。它们的功能是将液体的压力能转换成机械能，以带动负载进行直线运动或者旋转运动。
〈3〉控制元件——压力、流量和方向控制阀。它们的作用是控制和调节系统中液体的动力、流量和流动方向，以保证执行元件到达所要求的输出力〔或力矩〕、运动速度和运动方向。
〈4〉辅助元件——保证系统正常工作所需要的辅助装置。包括管道、管接头、油箱过滤器和指示仪表等。
〈5〉工作介质---工作介质即传动液体，通常称液压油。液压系统就是通过工作介质实现运动和动力传递的。
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1.2 液压传动的优缺点 优点：
〈1〉体积小、重量轻，单位重量输出的功
率大〔一般可达32MPa,个别场合更高〕。
〈2〉可在大范围内实现无级调速。 〈3〉操纵简单，便于实现自动化。特别是
和电气控制联合使用时，易于实现复杂的自开工作循环。
〈4〉惯性小、响应速度快，起动、制动和换
向迅速。(液压马达起动只需0.1s)
〈5〉易于实现过载保护，安全性好；采用矿
物油作为工作介质，自润滑性好。
〈6〉液压元件易于实现系列化 标准化和通
用化。
缺点：
〈1〉由于液压传动系统中存在的泄漏和油液
的压缩性，影响了传动的准确性，不易实现定比 传动。
〈2〉不适应在温度变化范围较大的场合工作。
〈3〉由于受液体流动阻力和泄漏的影响，液
压传动的效率还不是很高，不易远距离传动。
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〈4〉液压传动出现故障不易查找。
液压传动技术的发展及应用
液压技术，从１７９５年英国制造出世界上第一台水压机诞生算起，已经有２００多年的历史了，然而在工业上的真正推广使用却是２０世纪中叶的事情了。第二次世界大战期间，在一些武器装备上用上了功率大、反应快、动作准的液压传动和控制装置，大大的提高了武器装备的性能。同时，也加速了液压技术本身的发展。战后，液压技术迅速由军事转入民用，在机械制造、工程机械、锻压机械、冶金机械、汽车、船舶等行业中得到了广泛的应用和发展。２０世纪６０年代以后，原子能技术、空间技术、电子技术等的迅速发展，再次将液压技术向前推进，使其在各个工业领域得到了更加广泛的应用。
现代液压技术与微电子技术、电脑技术、传感技术的紧密结合已经形成并发展成为一种包括传动、控制、检测在内的自动化技术。当前，液压技术在实现高压、高速、大功率、经久耐用、高度集成化等各项要求方面都取得了重大的进展，在完善发展比例控制和伺服控制、开发数字
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控制技术上也有许多新成果。同时，液压元件和液压系统的电脑辅助设计(CAD)和测试(CAT)、微机控制、机电一体化、液电一体化、可靠性、污染控制、能耗控制、小型微型化等方面也是液压技术发展和研究的方向。继续扩大应用服务领域，采用更先进的设计和制造技术，将使液压技术发展成为内涵更加丰富完整的综合自动化技术。
目前，液压技术已广泛应用于各个工业领域的技术装备上，例如机械制造、工程、建筑、矿山、冶金、船舶等机械，上至航空、航天工业，下至地矿、海洋开发工程，几乎无处不见液压技术的踪迹。液压技术的应用领域大致上可以归纳为以下几个主要方面：
〔1〕各种举升、搬运作业。尤其在行走机械和较大驱动功率的场合，液压传动已经成为一种主要方式。如起重机、起锚机等。
〔2〕各种需要作用力大的推、挤、挖掘等作业装置。例如，各种液压机、塑料注射成型机等。
〔3〕高响应、高精度的控制。飞机和导弹的姿态控制等装置。
〔4〕多种工作程序组合的自动操作与控制。
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如组合机床、机械加工自动线。
〔5〕特殊工作场合。例如地下水下、防爆等。
第二章 液压传动系统的执行元件
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液压缸
2.1 液压缸的类型及结构形式
液压缸有多种类型。按作用方式可分为单作用式和双作用式两种；按结构形式可分为活塞式、柱塞式、组合式和摆动式四大类。
其中，单作用液压缸分为：单活塞杆液压缸、双活塞杆液压缸、柱塞式液压缸、差动液压缸和伸缩液压缸。但是，差动式液压缸和柱塞式液压缸只能单作用而不能双作用。组合液压缸包括：弹簧复位式、齿条式、串联式和增压式四种。摆动液压缸又分为：单叶片式和双叶片式两种。下面以一种典型液压缸为例，说明液压缸的基本组成。
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空心活塞式液压缸如上图所示。它由缸筒10，活塞8，活塞杆1、15，缸盖18、24，密封圈4、7、17，导向套6、19，压板11、20等主要零件组成。这种液压缸活塞杆固定，缸筒带开工作台作往复运动。活塞用锥销9、22与空心活塞杆连接，并用堵头2堵死活塞杆的一头。缸筒两端外圆上套有钢丝环12、21，用于阻止压板11、20向外移动，从而通过螺栓将缸盖18、24与压板相连〔图中没有画出〕，并把缸盖压紧在缸筒的两端。为了减少泄漏，在液压缸中可能发生泄漏的结合面安放了密封圈和纸垫。空心活塞杆和其上的油口
a、c提供了液
压缸的进、出油口。当缸筒移动到左、右终端时，油口a、c的开度逐渐减小，造成回油阻力逐渐增
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大，对运动部件起到制动缓冲作用。在缸盖上设有与排气阀〔图中没有画出〕相连的排气孔5、14，可以排出液压缸中的空气，使运动更加平稳。
表2-1液压缸的类型和特点
类型 单 作 用 液 压 缸 双活塞杆液压缸 速度 U=q/A3 作用力 F=p1A1 特点 活塞的两侧都装有活塞杆，只能向活塞一侧供应压力油，由外力使活塞反向运动 活塞仅单向运动，返回行程利用自重或负荷将活塞推回 柱塞仅单向运动，由外力使柱塞反向运动 可使速度加快，但作用力相应减小 以短缸获得长行程；缸由大到小逐节推出，靠外力由小到大逐节缩回 双边有杆，双向液压驱动，双向推力和速度均相等 单边有杆，双向液压驱动，u1〈V U2，F1〉F2 双向液压驱动，由大到小逐节推出，由小到大逐节缩回 单向由液压驱动，回程弹簧复位 用于缸的直径受限制，而长度不受限制处，可获得在的推力 由活塞缸和柱塞缸组合而成，低压油送入A腔，B腔输出高压油 单活塞杆液压缸 U=q/A3 F1=p1A1 柱塞式液压缸 差动液压缸 伸缩液压缸 双活塞杆液压缸 单活塞杆液压缸 伸缩液压缸 U=q/A3 U3=q/A3 --- U1=q/A3 U2=q/A2 U1=q/A3 U2=q/A2 --- F1=p1A1 F3=p1A1 --- F1=〔p1-p2〕A1 F2=〔p2-p1〕A2 F1=〔p1-p2〕A1 F2=〔p2-p1〕A2 --- 双 作用液压缸 组 合 液 压 弹簧复位液压缸 --- --- 串联液压缸 U1=q/〔A1+A2〕 U2=q2A2 --- 增 压 缸 F1=p1〔A1-A2〕-2qA2 F1=2p2A2-A2-q1〔A1+A2〕 --- 8
缸 齿条液压缸 --- --- 活塞的移动通过传动机构变成齿轮的往复回转运动 摆动液压缸 单叶片液压缸 W =8q/〔b〔D2-d2〕 W =4q/〔b〔D2-d2〕 T=p〔D^2-d^2〕b/8 T=p〔D^2-d^2〕b/4 双叶片液压缸 把液压能变为回转的机械能，输出轴摆动角 < 300度 把液压能变为回转的机械能，输出轴摆动角 < 150度 注：b—叶片宽度；D—叶片的底端 、顶端直径；w—叶片轴的角速度；T-- 理论转矩
液压缸的组成
从以上液压缸的结构形式上可知：液压缸
可以分为缸体组件、活塞组件、密封装置、缓冲装置和排气装置五大部分。 (1)缸体组件
缸筒组件有缸筒和缸盖组成。缸筒和缸盖的
连接形式与其工作压力有关。当工作压力p<10MPa时,缸筒使用铸铁；工作压力
p<20MPa
时，缸筒使用无缝钢管；工作压力p>20MPa时，使用铸钢或锻钢。以下是几种常见的缸筒与缸盖的联接形式：
图2-21(a)所示为法兰连接式，结构简单，容易加工，也容易装拆，但外形尺寸和重量都较大，常用于铸铁制的缸筒上。图2-21(b)所示为半环连接式，它的缸筒壁部因开了环形槽而削弱了强度，为此有时要加厚缸壁，它容易加工和装拆，重量较
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轻，常用于无缝钢管或锻钢制的缸筒上。图2-21(c)所示为螺纹连接式，它的缸筒端部结构复杂，外径加工时要求保证内外径同心，装拆要使用专用工具，它的外形尺寸和重量都较小，常用于无缝钢管或铸钢制的缸筒上。图2-21(d)所示为拉杆连接式，结构的通用性大，容易加工和装拆，但外形尺寸较大，且较重。图2-21(e)所示为焊接连接式，结构简单，尺寸小，但缸底处内径不易加工，且可能引起变形。
图2-21缸筒和缸盖结构
(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
由此可见，缸筒的材料一般要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒，还要求有良好的焊接性能。
为了能够最大限度的满足用户对产品性能的需求和产品设计的经济合理以及保证工人人身和设备安全，改善操作者工作环境，洛阳强力液压股
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份所生产的液压缸缸筒毛坯件选择由专业厂方提供内圆已经过衍磨和外圆已加工的高精度冷拔无缝钢管，能满足以下要求：
a、缸筒内径的圆度和圆柱度可选取8级。 b、缸筒端面的垂直度选取7级精度。 c、缸筒端部用螺纹连接时，螺纹应选取6级精度的细牙螺纹。 (2)活塞组件
活塞组件有活塞、活塞杆和连接件等组成，活塞与活塞杆连接形式决定于工作压力、安装形式、工作条件等。
由于活塞在缸筒内作往复运动，必须选用优质材料。对于整体式活塞，一般采用３５号钢或４５号钢；装配式的活塞采用灰口铸铁、耐磨铸铁或铝合金等材料，有特殊要求时可在钢活塞坯外面装上青铜、黄铜和尼龙等耐磨套，以延长活塞的使用寿命。活塞杆无论是空心的还是实心的其材料常采用３５号钢或４５号钢等材料，当冲击振动很大时，也可采用５５号钢或４０Cr钢。
图2-22所示为几种常见的活塞与活塞杆的连接形式：
图2-22 (a)所示为活塞与活塞杆之间采用螺
母连接，它适用负载较小，受力无冲击的液压缸中。螺纹连接虽然结构简单，安装方便可靠，但在活塞杆上车螺纹将削弱其强度。图图2-22 (b)和(c)所
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示为卡环式连接方式。图2-22 (b)中活塞杆5上开有一个环形槽，槽内装有两个半圆环3以夹紧活塞4，半环3由轴套2套住，而轴套2的轴向位置用弹簧卡圈1来固定。图2-22 (c)中的活塞杆，使用了两个半圆环4，它们分别由两个密封圈座2套住，半圆形的活塞3安放在密封圈座的中间。图2-22 (d)所示是一种径向销式连接结构，用锥销1把活塞2固连在活塞杆3上。这种连接方式特别适用于双出杆式活塞。
图2-22 常见的活塞组件结构形式
(3)密封装置
密封装置主要用来防止液压油的泄漏。液压缸因为是依靠密闭油液容积的变化来传递动力
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和速度，故密封装置的优劣，将直接影响液压缸的工作性能。根据两个需要密封的偶合面间有无相对运动，可把密封圈分为动密封和静密封两类。设计或选用密封装置的基本要求是：具有良好的密封性能，并随着压力的增加能自动提高其密封性能，摩擦阻力小，密封件耐油性，抗腐蚀性好，使用寿命长，使用的温度范围广，制造简单，装拆方便等。通常液压缸的密封有间隙密封、活塞环密封、Ｏ型密封圈、Y型密封圈、V型密封圈等密封方式来防止漏油。
图2-23密封装置
(a)间隙密封(b)摩擦环密封(c)○形圈密封(d)V形圈密封
液压缸中常见的密封装置如上图2-23所示。图2-23 (a)所示为间隙密封，它依靠运动间的微小间隙来防止泄漏。为了提高这种装置的密封能力，常在活塞的外表上制出几条细小的环形槽，以增大油液通过间隙时的阻力。它的结构简单，摩擦阻力
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小，可耐高温，但泄漏大，加工要求高，磨损后无法恢复原有能力，只有在尺寸较小、压力较低、相对运动速度较高的缸筒和活塞间使用。图2-23 (b)所示为摩擦环密封，它依靠套在活塞上的摩擦环(尼龙或其他高分子材料制成)在O形密封圈弹力作用下贴紧缸壁而防止泄漏。这种材料效果较好，摩擦阻力较小且稳定，可耐高温，磨损后有自动补偿能力，但加工要求高，装拆较不便，适用于缸筒和活塞之间的密封。图2-23 (c)、图2-23 (d)所示为 密封圈(O形圈、V形圈等)密封，它利用橡胶或塑料的弹性使各种截面的环形圈贴紧在静、动配合面之间来防止泄漏。它结构简单，制造方便，磨损后有自动补偿能力，性能可靠，在缸筒和活塞之间、缸盖和活塞杆之间、活塞和活塞杆之间、缸筒和缸盖之间都能使用。
对于活塞杆外伸部分来说，由于它很容易把脏物带入液压缸，使油液受污染，使密封件磨损，因此常需在活塞杆密封处增添防尘圈，并放在向着活塞杆外伸的一端。 (4)缓冲装置
当运动部件拖动质量较大的部件作往复运动时、运动速度较高时(v>12m/min)。运动部件惯性力较大，活塞运动到终端会与缸盖发生机械碰撞，产生冲击、噪声，严重时影响加工精度，
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甚至引起破坏性事故。因此，在液压缸内两端部应设置缓冲装置。
一般缓冲装置由缓冲柱塞、缓冲油腔、三角节流槽、单向阀、节流阀组成。组合的缓冲形有圆柱形环隙式、圆锥形环隙式、节流口可变式节流口可调式。
缓冲装置的工作原理是利用活塞或缸筒在其 走向行程终端时封住活塞和缸盖之间的部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出，以产生很大的阻力，使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度，到达防止活塞和缸盖相互撞击的目的。
如以下图2-24(a)所示，当缓冲柱塞进入与其相配的缸盖上的内孔时，孔中的液压油只能通过间隙δ排出，使活塞速度降低。由于配合间隙不变，故随着活塞运动速度的降低，起缓冲作用。当缓冲柱塞进入配合孔之后，油腔中的油只能经节流阀1排出，如图2-24 (b)所示。由于节流阀1是可调的，因此缓冲作用也可调节，但仍不能解决速度减低后缓冲作用减弱的缺点。如图2-24 (c)所示，在缓冲柱塞上开有三角槽，随着柱塞逐渐进入配合孔中，其节流面积越来越小，解决了在行程最后阶段缓冲作用过弱的问题。
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图2-24 液压缸的缓冲装置
1—节流阀
(5)排气装置
液压缸在安装过程中或长时间停放重新工作时，液压缸里和管道系统中会渗入空气，为了防止执行元件出现爬行，噪声和发热等不正常现象，需把缸中和系统中的空气排出。对于要求不高的液压缸往往不设专门的排气装置，而是将油口布置在缸茼两端的最高处，这样也能使空气随油液排往油箱，在从油面逸出；对于速度稳定性要求较高的液压缸或大型液压缸，常在液压缸的最高处设置进出油口把气带走，也可在最高处设置放气孔或专门的放气阀。
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图2-25 放气装置
1—缸盖 2—放气小孔 3—缸体 4—活塞杆
第三章 DG型液压缸的设计
3.1 简介
DG型液压缸是液压系统中活塞杆作往复运动的工作机构。其结构形式均为单活塞杆双作用耳环安装式。主要用于工程机械、运输机械、矿山机械及车辆等的液压传动。DG型液压缸结构如
下
:
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型号意义
例：
DG J 40 C E1 L/E L:螺纹式
活塞杆 连接形式
E:耳环式 安装方式：单耳环式
压力分级：8-16MPa 液压缸内径：40mm
活塞：重型
名称：单活塞杆双作用液压缸
DG型液压缸的设计
液压缸的设计计算： 由于液压执行元件与主机结构有着直接关系，因此所需要的液压缸和在结构上千变万化。尽管有一些标准件可供选用，但有时还必须根据实际需要自行设计。下面介绍液压缸的设计计算。
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(一)主要尺寸的计算
液压缸的主要尺寸包括缸筒内径D、活塞杆
直径d和缸筒长度L。
根据负载大小和液压缸的工作压力确定活塞的有效工作面积，再根据液压缸的不同结构形式计算出缸筒的内径。活塞杆直径是按受力情况决定的，可按表3.1初步选取。缸筒长度确实定要考虑活塞最大行程、活塞厚度、导向和密封所需长度等因素。通常情况L≤(20~30)d。计算结果要圆整成国家标准中的推荐值。主要尺寸初步确定后，还要按速度要求进行验证。同时满足力和速度的要求后才可以确定下来。
表3.1 液压缸工作压力与活塞杆直径
液压缸工作压力p/MPa <5 5～7 >7 推荐活塞杆直径d (0.5～0.55)D (0.6～0.7)D 〔二〕强度校核
强度校核的项目包括缸筒壁厚δ、活塞杆直
径d和缸盖固定螺栓的直径ds。
在中、低压系统中，缸筒壁厚由结构工艺决定，般不做校核。在高压系统中需按以下情况进行校核。 19
一
1.缸筒壁厚的校核
当D/δ>10时为薄壁，δ按下式校核:
式中，D-缸筒内径；
[σ]—缸筒材料的许用应力，[σ]=σb/n，σb是材料 的抗拉强度，一般取安全系数n=5；
py—试验压力，当缸的额定压力pn≤16Mpa时，py
n；
pn>16Mpa时，pyn。
当D/δ<10时为厚壁，δ按下式校核:
2. 活塞杆直径d
式中，F—活塞杆上的作用力；
[σ]—活塞杆材料的许用应力，[σ]= σb/1.4。 3. 缸盖固定螺栓直径ds
式中，F—活塞杆上的作用力；k—螺纹拧紧 系数，；z—固定螺栓个数；
[σ]—螺栓材料的许用应力，[σ]= σs/〔〕，
σs为材料的屈服点。[σ]—活塞杆材料的许用应力，
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[σ]= σb。
〔三〕活塞杆稳定性校核
当活塞杆受轴向压缩负载时有压杆稳定性问题，即 压缩力F超过某一临界Fk值时活塞杆就会失去稳定性。活塞杆稳定性按下式进行校核
式中，nk—安全系数，一般取nk=2~4。 当活塞杆的细长比
时，
当活塞杆的细长比，且时，
式中，
l—安装长度；
rk—活塞杆截面最小回转半径， ψ1—柔性系数；
ψ2—由液压缸支承方式决定的末端系数； E—活塞杆材料的弹性模量，钢材： J—活塞杆横截面惯性矩； A—活塞杆横截面积；
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；
；
f—由材料强度决定的试验值； α—系数。
缸筒的设计
〔1〕缸筒材料的选择及加工工艺
参阅《郑州强盛液压制造产品样本》〔以下简称《产品样本》〕第15页可知，DG型液压缸的最大推力和拉力为16MPa，即：工作压力p<20MPa；所以，缸筒材料可选用无缝钢管；结合本公司生产车间的实际加工水平，在选购缸筒原材料时,一般都是直接从钢材厂订购经过冷拔后的20号钢的缸筒毛坯件。即：内圆已经过衍磨、外圆已加工的高精度冷拔无缝钢管。 〔2〕确定缸筒的总体尺寸
查《产品样本》第16页图表可得，DG型液压缸缸筒的内径为90mm，外径为108mm。即：厚度为18mm。
参考《产品样本》第17页图表可得：缸筒总长度L由活塞杆两端活塞宽度、导向筒的宽度以及在满足本液压缸的行程后来确定。在整个液压
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缸的设计中，缸筒的长度属于不确定因素。在此，先不予考虑。 活塞杆的设计
下面是整体式活塞杆的几种联接结构如以下图：
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1.、耳环连接
2、端部铰轴连接
3、中部铰轴连接
4、端部法兰连接
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5、中部法兰连接
6、底部法兰连接
〔1〕活塞杆材料的选择及加工工艺
参考《产品样本》第17页图表可得：本次设计的整体式活塞杆的材料为
45#钢
拼焊而成,杆径大小为45mm。其结构形式如以下图：
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第四章 液压缸常见故障分析与
排除方法
表4-1 液压缸常见故障分析和排除
故障现象 产生原因 排除方法 1）设置排气装置，强迫排除空气 2）调整，保持活塞杆处于自然状态 3）调整导轨或滑块的松紧度，保持缸与导轨的平行度〈/m 4）调整使活塞杆全长直线度〈 5）镗缸筒内孔，重配新活塞 6）单个或连同活塞放在V型铁块上校正 1)空气侵入液压缸 2)活塞杆两端螺母旋得太紧 3)液压缸安装与导轨不平行 爬 行 4)活塞与活塞杆不同心 5)液压缸内壁或活塞外表拉 ，局部磨损或腐蚀 6〕活塞杆不直 1） 缸筒与活塞间磨损造成间隙过大，使内泄漏严重 2） 活塞上密封圈损坏，增推力不足 大泄漏或增大摩擦力 速度下降 3） 活塞杆弯曲，阻力增大 4） 溢流阀调压低或溢流阀控压区泄漏，造成系统压力低，使推力不足 1） 未设缓冲装置，运动速度过快 2） 缓冲装置结构不正确，冲 击 三角节流槽过短 3） 缓冲装置中的柱塞与孔的间隙过大而严重泄漏，节流阀不起作用 1）活塞杆外表损伤 2）密封圈因损伤或老化密封不严 3）缸盖加工精度不高，造泄 漏 成泄漏 4）缸筒内孔外表局部磨损或有腰鼓形导致泄漏 5）活塞与缸筒安装不同心或承受偏心负荷 1）— 2）更换密封圈，注意装配时不要过紧 3）校正活塞杆 4）按推力要求调整溢流阀压力值，检查溢流阀的内泄漏 1）调整换向时间，降低运动速度，或增设缓冲装置 2）修正凸台与凹槽，加长三角节流槽 3）修理，研配单向阀与阀座或更换 1）修复损伤的活塞杆 2）更换磨损或老化的密封圈 3）检查接触面的加工精度并修复 4）镗 磨缸筒内外表，重配活塞 5）检查缸筒与活塞 缸盖与活塞杆的同心度并修整对中 26
1） 压力过高或滑动面油膜破坏，导致滑动外表摩擦声响 声音异常 2） 密封圈刮削过大出现异或噪声 常 声音异常 3） 立式液压缸活塞下行到终点时，发生抖动 1）设备停止工作，检查并加强润滑，防止滑动面的烧伤 2）用砂纸或纱布轻轻打磨唇边，或调整密封圈压紧程度 3）将活塞慢慢往复数次运动到顶端，以排除气体
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