局部结构的指导.docx

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局部结构的指导

虽然液压缸的结构多种多样，但我们只要熟悉液压缸局部结构的基本类型，再根据其工况进行选择、组合、变型、派生，就可设计出所需的结构。

一、缸体组件（由缸体与缸盖连接面成）

缸体组件内充满了有压液体，相当于一个“压力容器”，要求它有一定强度、无外泄漏、结构紧凑，并且加工方便、拆装的工艺性好。

（一）不可拆式缸体组件

用于压机的大直径高压缸，缸体组件为一端开口，另一端封底（俗称缸底）的锻件或铸钢件。

缸底形状有平底、椭圆底和球底〔见图Ⅲ-2-5

（1）

（2）（3）〕，球底的受力情况比平底、椭圆底好，但锻造工艺性差，轴向尺寸大。

用于行走机械的高压缸要求轻巧，常用无缝钢管作缸体，与缸盖焊接而成缸底〔图Ⅲ-2-5（4）〕。

（二）可拆式缸体组件

对于中高压、中低压的缸体组件，为便于加工和拆装，多用可拆式结构，缸盖用螺钉（或螺栓）、螺纹与缸体相连接，常见有以下几种类型：

l．缸盖螺钉式——如图Ⅲ-2-5（5），缸体为铸铁件，在端部铸出凸缘，缸盖用螺钉与之紧固，广泛用于中低压缸。

图Ⅲ-2-5（6）的缸体为35号无缝钢管，两端焊法兰。

图Ⅲ-2-5（7）缸体用圆钢坯直接车削而成，中段外圆直径车小，用于小直径短程缸，如夹紧缸、定位缸等。

2．缸盖螺栓（拉杆）式——图Ⅲ-2-5（8）所示的缸体为标准的圆筒形无缝钢管，结构通用性大，但径向结构尺寸稍大，当用于高压长行程时，螺栓易变形，缸盖易松动，可用于中低压短程液压缸或气缸。

图Ⅲ-2-5（9）为另一种结构，螺栓布置在方形缸盖的四角。

3．缸盖卡环式——图Ⅲ-2-5（10）所示用卡环（一般为半圆环）嵌入缸体的槽内，用螺钉将缸盖与法兰紧固。

对于薄型钢管，沟槽将削弱缸体的强度，有时不允许加厚缸壁，可用凸台和衬套，适用于铝合金缸体如图Ⅲ-2-5（11）。

连接强度要求不高时，可用弹性钢丝、弹性挡圈代替卡坏，如图Ⅲ-2-5（12）所示。

卡坏也可置于缸壁内侧，图Ⅲ-2-5（13）为内卡环，分四段装入槽内，内孔为锥面，此结构轴向尺寸较大，活塞装入缸筒时，O形圈易切坏，但拆装方便，用于大直径中高压缸。

图Ⅲ-2-5（14）为另一种内卡环结构。

4．缸盖螺纹式——缸盖直接用螺纹与缸体连接，省去螺钉、螺检、卡环，结构紧凑，如图Ⅲ-2-5（15）所示。

但不便于在缸体上加工螺纹，而且若密封圈和管接头安装在缸盖上时，密封圈易拧扭，管接头难以定方位，螺纹面与密封表面也不易同心，长期使用后螺纹易“诱死”，不易拆卸。

图Ⅲ-2-5（16）为内螺纹结构，0形圈置于端面，图Ⅲ-2-5（17）为一种派生结构，缸盖不带螺纹，由螺母将缸盖压紧，用螺钉紧定，就可避免图Ⅲ-2-5（15）的缺陷。

（三）缸盖结构

活塞杆若伸出缸体组件之外，则缸盖同时与缸体、活塞杆发生关系。

往往为了简化缸体结构，宁可把许多结构（诸如活塞杆的导向、密封、防尘装置、缓冲、排气装置以及液压缸的进、出油口等）集中在缸盖内。

缸盖是小件，即使结构稍复杂些，还是比较容易装夹和加工。

这里仅介绍如何在缸盖内安排活塞杆的导向装置（其它装置详见后）。

当活塞杆的长径比较大、行程长、运动精度高并承受偏心负载时，必须要在缸盖内考虑活塞杆的导向，如图Ⅲ-2-6所示。

（1）缸盖材料为灰铸铁时，可由缸盖本身导向，省去导向套（图Ⅲ-2-6

（1））。

（2）一般应设置导向套，便于在磨损后更换，其材料为铸造青铜、尼龙、灰铸铁等，其安装部位可在密封圈靠近压力油腔的内侧〔图Ⅲ-2-6

（2）、（3）〕或在密封圈外侧〔图Ⅲ-2-6（4）〕。

前者有利于导向套表面的润滑，但对于靠压力油作用于唇边使其张开的密封圈（如Y形密封圈），应在导向套上开设贯穿的油槽〔图Ⅲ-2-6

（2）〕。

后者有利于提高活塞杆的支承刚性，可略为增加活塞杆的支承跨度。

（3）长行程时，可采用球面自位导向套〔图Ⅲ-2-6（5）〕

二、活塞组件（由活塞与活塞杆连接而成）

活塞组件将缸体组件分隔成高、低压两个工作腔，又与运动部件相接输出动力。

因此，对活塞组件既有密封要求又有受力要求。

一、不可拆式活塞组件

图Ⅲ-2-7（l）、

（2）为压机液压缸的活塞组件，因活塞与活塞杆直径差值小，用整体式，以简化结构，传递动力时又可提高结构刚性，用中空式以减小质量。

图Ⅲ-2-7（3）为焊接式，适于活塞与活塞杆直径差值大，省却螺纹连接所需的防松装置，结构紧凑，用于活塞杆固定的组合机床滑台液压缸中。

二、可拆式活塞组件

这种结构的目的在于可合理选择活塞材料以及便于在活塞上安装密封圈。

缸体与活塞为一对摩擦副，我们知道，为提高其耐磨性，两者的材料匹配应为一硬一软的组合，避免材料的亲和性造成“咬死”。

例如，缸体用钢、活塞用铸铁，或缸体用铸铁、活塞用钢，若两者都采用钢时，可在活塞上镶以铜套、尼龙套或布酚醛塑料等，有时也可用铝合金。

图Ⅲ-2-7（4）～（11）为常见的可拆式活塞组件的结构。

其中（4）～（7）为螺纹连接，拆装方便，连接稳固，无间隙，但在负载多变时仍容易松劲，必须考虑防松装置（如双螺母、锁紧垫片、开槽锁紧螺母甚至焊死），可用于中低压、中高压缸。

图（8）～（11）为非螺纹连接，适于负载多变场合，但存在径向和轴向间隙，不易卡紧，用于高压缸（图中所示的1均为半环）。

销钉（锥销、开口销）连接无间隙，仅限用于轻载，如图Ⅲ-2-l、Ⅲ-2-2所示。

三、密封结构

图Ⅲ-2-8为液压缸的密封结构简图，由缸体组件、活塞组件的静密封（密封圈1、2、4）以及两组件之间的动密封（密封圈3、5）组成。

液压缸一般不允许有外泄漏，但有时在活塞杆外圆处需要一层油膜，在规定范围内允许有少量渗漏，以免增大密封阻力而使密封圈发热、磨损。

有些场合，为了不使泄漏油液污染环境，可设计一条集油槽6。

7为防尘圈。

选择各种密封装置的注意点如下：

（一）间隙密封

常见于活塞与缸体孔之间的动密封。

尺寸猜度高，往往单配间隙，互换性差，磨损后无法补偿，只能更换活塞用于摩擦力要求小、运动轻快的中高速液压缸和动作灵敏的伺服系统掖压缸。

（二）O形圈密封

1．O形圈密封的原理属于挤压型密封，因此，O形圈预压缩量的大小将直接影响其密封性。

选定O形圈规格尺寸后，预压缩量也相应确定，如图Ⅲ-2-8中的O形圈1规格为Φ100×Φ95×Φ3.1，Φ100外径为选择的依据，Φ95即为安装O形圈的构槽底径，Φ3.1为O形圈的截面直径，其预压缩量δ1=

×100%=19.35%（2.5=

）。

同理，O形圈2的规格尺寸为Φ45×Φ40×Φ3.1，内径Φ40为选择依据，预压缩是δ2=

×100%=19.35%。

运动用O形圈3、5其规格为Φ100×Φ90×Φ5.7,Φ56×Φ50×Φ3.5,其预压缩量分别为δ3=

×100%=12.28%，δ5=

×100%=14.28%，由此可见，静密封的O形圈截面尺寸比动密封的小（也可与动密封相等），静密封的O形圈预压缩量比动密封大。

现在O形圈有新国标GB3452.1-82，在选择规格时也要注意有合适的预压缩量。

2．使用O形圈密封后，活塞与缸孔的配合公差比间隙密封的要求大大降低。

这是O形圈密封的一个优点。

3．用于静密封的O形圈，可按需要布置在轴上、孔内、端面或角上，而以端面的密封效果最佳。

构槽高度h确定后，预压缩量也相应确定，见图Ⅲ-2-8。

4．压力超过10MPa时，要增加挡圈。

5．装拆O形圈时，禁止通过锐边、螺纹表面甚至1×45°的倒角棱面。

因此，在液压缸的结构设计中，在缸口、孔口、槽口或轴端，均应有10°～30°的导向锥面，以防割伤O形圈。

6．大直径、高速度、压力变动大的往复运动中，在摩擦力的作用下容易使O形圈在沟槽内翻转扭曲，此时要用唇形密封圈代替。

（三）唇形密封圈（U形、Y形、Yx形、V形等密封圈）

1．唇形圈的密封是靠压力油直接作用于唇边，使其充分张开，贴紧密封表面而成。

但V形圈的唇边是在压环的压紧力作用下，由支承环迫使其张开的，其张开的程度由压紧力调节，如图Ⅲ-2-6（3）、（5）所示。

2．唇口要对着压力油的方向，不得反装。

3．U形密封圈的唇边长而软，必须要用支承环，如图Ⅲ-2-7（8）所示。

Y形密封圈一般可不用支承环，但高速、压力变动大时仍要使用，以固定住密封圈。

Yx形密封圈因宽高之比等于或大于2，又设计成不等高唇（短唇作密封用，长唇作支承用），抗翻转性好，可取消一支承环。

4．大直径唇形圈可扩大直径利用其弹性装入沟槽中，如图Ⅲ-2-7（9）所示。

但对于小直径唇形圈，弹性较差，为减小初始的残余变形，要设计成直接套装结构，如图Ⅲ-2-7（8）、（10）所示。

5．U形圈的摩擦力小且稳定，可通过支承环来调节。

Yx形圈的短唇刚性大、摩擦力大，不能调节。

V形圈的摩擦力大小要视V形圈的数量、压环的压紧力而定。

降低密封表面的粗糙度（如Ra0.2）和硬度（如液压，镀铬），可减小密封圈的摩擦力，但过高的光洁度（如镜面磨削）反而不能保持油膜而使密封圈发热和磨损。

（四）活塞环密封

1．代替橡胶圈，用于高温、高速、高压，缸壁要镀硬铬。

2．活塞环接口处存在泄漏，为减少泄漏，相邻两个活塞环的接口要错开。

一般不用于低速运动。

四、缓冲和排气结构

缓冲的目的是防止活塞与缸盖撞击或提高活塞的重复定位精度，其原理是在活塞组件与缸体组件之间形成一个封闭油腔（即缓冲腔），腔内油液的压力作用于活塞（或缸体）克服惯性力，实现减速制动。

（一）缓冲结构的关键是形成一个缓冲腔，用腔内的油液通过液压阻尼（间隙、三角沟槽、节流口等）。

（二）图Ⅲ-2-9为缓冲时活塞速度u和缓冲腔内油液压力p的曲线。

OA、AB、BC分别为起动、匀速、缓冲的时间。

在刚开始缓冲的B点，缓冲腔油液的压力很高。

液压缸应该按此压力值来校核缸体组件的连接强度。

制动时的速度最好呈匀减速曲线，缓冲行程的终点速度应为零，但实际结构中，由于各种参数的影响，终点速度可能并不等于零（见图Ⅲ-2-9的虚线所示），因此常常设计成可调式缓冲结构。

（三）要防止能够缓冲，但不能反向迅速起步的弊病。

（四）如果不在液压缸最大行程的两端缓冲，而在行程的中途某一点处缓冲，则可在液压缸出口的液压线路中安置行程节流阀，实现减速制动。

排气目的是提高液压缸的传动刚性或速度平稳性。

对于中低速液压缸，要设置专用排气装置，如放气螺塞、放气阀。

对于速度平稳性要求不高的高速缸、高压缸，可不必设排气装置，但液压缸的进、出口应在缸的最高位置上。

2-4液压缸的技术条件

由于液压缸的应用面广，对速度、压力、行程及工作性能的要求均不尽相同。

因此，设计液压缸时要依具体要求，在装配图上和零件图上制订相应的技术条件。

一、装配图上技术条件

（一）标明液压缸工作的公称参数：

最大输出推力（或最大工作压力）、最高最低速度（最大最小流量）、有效工作行程、工作液品种和工作温度；

（二）液压缸的空载试验：

在空载压力作用下，全程往复5～10次，应移动乎稳、灵活，无阻滞现象。

空载压力流取决于密封型式，一般可取p=（1.5～3）×10Pa；

（三）液压缸的负载试验：

缸在承受最大负载力时（此时缸内压力为最大工作压力）,全程往复5～10次，应移动乎稳、灵活，各零部件无永久变形；

（四）液压缸的强度试验。

在试验压力（视用途而异，一般为最大工作压力的1.5～1.75倍）作用下，试压2分钟，无永久变形和强度破坏。

对某些高压缸，要求抽样进行压力容器的爆破试验；

（五）泵漏试验：

在最大负载力作用下，活塞在某行程位置上保持10分钟，位移不大于0.5毫米（这是指采用橡胶密封圈的活塞），也可用泄漏流量（单位为ml/min）的大小来评定内泄漏的质量指标。

对于外泄漏，在1.3～1.5倍的最大工作压力作用下，活塞全程往复5～10次，各密封、焊缝处，不得漏油，但在活塞杆处允许少量渗出；

（六）缓冲试验：

在公称负载力作用下，行程端点应有明显缓冲，无撞缸现象；

（七）试验结束，各零件表面要涂上防锈油、缸体外壁涂耐油漆；

（八）在装配图上，沿着缸的轴线方向，要标注封闭的尺寸链。

在图上还要注明：

有效工作行程、最大运动范围尺寸，中心高、最大外形尺寸、缸的进口和出口的通径、定位销和安装螺钉的开挡尺寸、安装螺钉的规格，各相配零件的配合尺寸（如活塞与缸体、缸盖与缸体、活塞与缸盖、活塞杆与导向套、导向套与缸盖等）。

组合机床滑台液压缸的装配图见图Ⅲ-2-3。

二、零件图上技术条件

（一）缸体（见图Ⅲ-2-10）

1．缸体材料机床液压缸缸体采用灰铸铁，球墨铸铁，压力较高或要求减轻移动件质量时采用无缝钢管。

工程机械液压缸缸体大多采用35、45钢的无缝钢管，需要焊接时用35钢。

2．缸体的配合梢度和表面粗糙度：

间隙密封时，单配间隙0.02～0.05mm，表面粗糙度值取Ra0.2µm（相当于旧表面光洁度▽9）。

形圈密封时，配合为H8/f8、H9/f9（相当于旧国标D3/dc3、D4/dc4），表面粗糙度值可取Ra0.2µm或Ra0.4µm（相当于▽8）。

唇形密封圈可取H9/f9与Ra0.4µm。

活塞环密封为减少内泄漏，取H7/g6（相当D/d6）、Ra0.2µm。

必须指出：

如果密封件的滑动摩擦面的表面粗糙度值过小（如小于Ra0.5µm），则会造成完全密封而不能形成表面油膜，导致干摩擦滑动，结果反面加速其发热、磨损。

3．缸体的形位公差等技术要求：

缸体孔径的圆度、圆往度不大于直径公差之半。

活塞环密封时，缸体孔径的圆度、圆往度应不大于直径公差的1/3。

缸体轴心线的直线度在600mm长度上不大0.3mm。

缸体端面对轴心线的垂直度按直径每100mm不大于0.04mm缸体与缸盖为螺纹连接时，螺纹采用6H/6g级（旧国标2a级）精度的公制螺纹。

为提高耐磨性，缸孔表面镀0.03～0.05mm的硬铬层，然后进行珩磨或研磨也可以在镗孔后进行滚压（冷挤压），既提高了表面硬度（硬度达HRC35～40），又可获得较低的表面粗糙度。

缸体外表面应涂耐油漆。

为了不损伤活塞和缸盖上的密封圈，在缸体孔口应有10°～30°的坡度。

（二）活塞（见图Ⅲ-2-11）

1．活塞的材料：

活塞的常用材料有灰铸铁、球墨铸铁、45钢（外径镶青铜环或尼龙66、尼龙1010、夹布酚醛塑料套）、铝合金等。

活塞与活塞杆为整体式时，采用45钢，并进行调质处理，此时缸体材料应采用铸铁。

2．活塞的配合精度与表面粗糙度：

活塞外径采用f8或f9，表面粗糙度值为Ra0.4µm（相当于▽8）。

活塞与活塞杆相配的内孔采用H8或H9，表面粗糙度值为Ra0.2µm（相当于▽6）。

3．活塞的形位公差：

活塞外径的圆度、圆柱度不大于直径公差之半。

外径对内孔的同轴度不大于公差之半。

活塞端面与轴心线的垂直度按直径100mm上不大于0.04mm。

（三）活塞杆（见图Ⅲ-2-12）

1．活塞杆材料：

实心活塞杆一般用35、45钢，空心活塞杆一般用35、45无缝钢管，在特殊情况下，可选用高强度的合金钢40Cr作为活塞杆的材料。

活塞杆应进行调质处理。

2．活塞杆的配合精度与表面粗糙度：

活塞杆与导向套（或缸盖）的配合推荐采用H8/f8、H9/f9，活塞杆表面粗糙度值为Ra0.4µm（相当于▽8）。

活塞杆与活塞的配合一般采用H8/h8、H9/h9（相当于旧国标D3/d3、D4/d4），表面粗糙度值为Ra0.8µm（相当于▽7）。

3．活塞杆的形位公差等技术要求：

配合部分的圆度、圆柱度不大于直径公差之半。

活塞杆轴线的直线度在500mm长度上不大于0.03mm。

两配合处的全跳动不大于0.01mm。

与活塞端面相结合的台阶面的垂直度在直径100mm上不大于0.04mm。

对于空心活塞杆，必须留出焊接和热处理用的通气孔。

为防止活塞杆表面的锈蚀和提高耐磨性，表面可镀铬（镀层厚度为0.02～0.06mm）并抛光。

工程机械液压缸，因碰撞机会飞较多，活塞杆表面宜先淬火（高频淬火，淬火深度为0.5～1.0mm，硬度为HRC50～60）后镀铬。

（四）缸盖（见图Ⅲ-2-13）

1．缸盖材料：

常用铸铁、35、45钢。

当缸盖直接与活塞杆接触时，最好用铸铁材料，若在工作表面熔堆黄铜、青铜或其它耐磨材料则更好。

2．缸盖的配合精度和表面粗糙度：

缸盖与赶体的配合面起定位和防漏作用。

采用H7/h6、H9/h9（相当旧国标D/d、D4/d4），其配合表面的粗糙度Ra0.2µm（相当于▽6），兼导向套的缸盖与活塞杆的配合可采用H8/f8、H9/f9（相当于旧国标D3/dc3、D4/dc4），其内孔的表面粗糙度值Ra0.8µm（相当于▽7）或Ra1.6µm。

3．缸盖的形位公差：

配合表面的圆柱度和圆度不大于相应直径公差之半。

内外圆表面的同轴度不大于0.03mm。

端面对轴线的垂直度在直径100mm上不大于0.04mm。

（五）导向套

1．导向套材料：

导向套是活塞杆在往复运动时起导向作用的零件，材料硬度不能太高，但要具有良好的耐磨性和一定的机械性能。

常用材料有：

青铜、球墨铸铁、聚四氟乙烯和夹布酚醛树醋等。

2．导向套的尺寸精度与表面粗糙度：

导向套内孔采用H7～H9（相当于D～D4），表面粗糙度值Ra0.8µm。

3．导向套的技术要求：

导向套的外径与内孔的同轴度不大于相应的直径公差之半。

导向套的滑动面长度，随导向精度、活塞杆是否受到偏载以及活塞杆所采用的密封结构而异，一般可取活塞杆直径的0.6～1.0倍。

导向套带有定位台阶时，其安装方向要有利于在压力油作用下压紧在缸盖的端面上。

在较小缸径的液压缸中，有时导向套壁厚太薄，可用缸盖代替导向套。

2-5液压缸结构设计的正误对比

图Ⅲ-2-14指出了液压缸结构设计中的错误。

1．液压缸的进、出口应该设置在缸的顶部；

2．在活塞上应增设装配活塞杆减小气阻的工艺用小孔；

3．O形圈在槽内应有预压缩量，截面形状应画成压缩状态下的椭圆形；

4．卡环应是半环结构，剖面线最好要相反；

5．缸盖端面与法兰端面不应该接触，否则不能压紧；

6．缸盖与缸体相结合的部位上应该设置定位用的台肩；

7．取消活塞杆上的一个台肩，使活塞杆仅受拉力；

8．导向套的定位用台肩的外圆直径要略小，以防装配干涉；

9．缸体与缸盖之间应有静密封，且O形圈最好设置在缸盖内；

10．缸体孔口要有导向用的锥面，防止安装活塞时切坏O形密封圈；

11．缸体外圆表面应该增设工艺基准外圆，用来作为加工基准和装配基准；

12．活塞端面最好要与定位用的铜套端面相接触；

13．导向套内孔应开设通沟，将压力油作用于Y形密封圈的唇边使其张开；

14．紧固螺钉应有防松装置；

15．唇形密封圈（丫形）的辱日要面向压力油。

在进行液压缸结构设计时，必须注意其结构细节，防止出差错。