第四章 液压缸

第四章液压缸第一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算液压缸液压传动中的执行元件是将流体的压力能转化为机械能的元件。它驱动机构作直线往复或旋转（或摆动）运动，其输入为压力和流量，输出为力和速度，或转矩和转速。液压缸是实现直线往复运动的执行元件。

缸筒固定：一腔连续地输入压力油。当油的压力足以克服活塞杆上的所有负载时，活塞以速度连续向另一腔运动，活塞杆对外界做功。反之亦然。

活塞杆固定：一腔连续地输入压力油时，则缸筒向另一方向运动。反之亦然。第二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算液压缸的分类按结构形式分：活塞缸又分单杆活塞缸、双杆活塞缸柱塞缸摆动缸又分单叶片摆动缸、双叶片摆动缸按作用方式分：单作用液压缸一个方向的运动依靠液压作用力实现，另一个方向依靠弹簧力、重力等实现；双作用液压缸两个方向的运动都依靠液压作用力来实现；复合式缸活塞缸与活塞缸的组合、活塞缸与柱塞缸的组合、活塞缸与机械结构的组合等。第三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算常见液压缸的图形符号第四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五第五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算双杆活塞缸1）双杆活塞缸如图所示为缸筒固定的双杆活塞缸，活塞两侧的活塞杆直径相等，它的进、出油口位于缸筒两端。这种安装形式，工作台移动范围约为活塞有效行程的三倍，占地面积大，适用于中小型机械。

第六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算双杆活塞缸右图所示为活塞杆固定的双杆活塞缸。它的进、出油液可经活塞杆内的通道输入液压缸或从液压缸流出。也可以用软管连接，进、出口就位于缸的两端。其工作台移动范围为缸筒有效行程的两倍，常用于大中型的机械。第七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算双杆活塞缸双杆活塞缸的推力和速度计算式第八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算单杆活塞缸2）单杆活塞缸如图所示为单杆活塞缸。由于只在活塞的一端有活塞杆，使两腔的有效工作面积不相等，因此在两腔分别输入相同流量的情况下，活塞的往复运动速度不相等。它的安装也有缸筒固定和活塞杆固定两种，进、出口的布置根据安装方式而定；但工作台移动范围都为活塞有效行程的两倍。第九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算单杆活塞缸单杆活塞缸的推力和速度计算式（1）无杆腔进油：第十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算单杆活塞缸单杆活塞缸的推力和速度计算式（2）有杆腔进油：第十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算差动液压缸单杆活塞缸的左右腔同时接通压力油，如图4.3所示，称为差动连接，此缸称为差动液压缸。差动液压缸左、右腔压力相等，但左、右腔有效面积不相等，因此，活塞向右运动。差动连接时因回油腔的油液进入左腔，从而提高活塞运动速度。第十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算差动液压缸图

差动液压缸差动液压缸的推力和速度计算式：差动连接时，有杆腔排出流量q’进入无杆腔，则有：忽略两腔连通回路压力损失（即p1=p2）：由上可知，差动连接时实际的有效作用面积是活塞杆的横截面积。第十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算差动液压缸与非差动连接无杆腔进油工况相比，在输入油液压力和流量相同的条件下，活塞杆伸出速度较大而推力较小。实际应用中，液压系统常通过控制阀来改变单杆缸的油路连接，使其有不同的工作方式，从而获得快进（差动连接）—工进（无杆腔进油）—

快退（有杆腔进油）的工作循环。

第十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算活塞缸并联例4.1：图示液压系统，液压缸活塞的面积A1＝A2＝A3＝20cm2，所受的负载F1＝4000N，F2＝6000N，F3＝8000N，泵的流量q，试分析：1)三个液压缸的动作顺序？2)液压泵的工作压力有何变化？3)各液压缸的运动速度？第十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算活塞缸并联解：推动液压缸Ⅰ运动所需的压力：推动液压缸Ⅱ运动所需的压力：推动液压缸Ⅲ运动所需的压力：第十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算活塞缸并联1)三个缸的动作顺序：缸Ⅰ、缸Ⅱ、缸Ⅲ。2)液压泵的工作压力变化：缸Ⅰ运动时，液压泵工作压力p＝2Mpa。缸Ⅱ运动时，液压泵工作压力p＝3Mpa。缸Ⅲ运动时，液压泵工作压力p＝4Mpa。三缸运动都停止时，液压泵工作压力p＝5Mpa。第十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算活塞缸并联总结：液压缸并联时，负载最小的液压缸最先动作；当一个缸在运动时，其他液压缸静止，液压泵输出的流量全部流入运动的液压缸。3)各液压缸的运动速度：第十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算活塞缸串联例4.2：图示两个结构相同相互串联的液压缸，无杆腔的面积A1＝100cm2，有杆腔面积A2＝80cm2，缸1输入压力p1=9×105Pa，输入流量q1=12L/min，不计损失和泄漏，求：1)两缸承受相同负载时(F1=F2),该负载的数值及两缸的运动速度？2)缸2的输入压力是缸1的一半时(P2=P1/2)，两缸各能承受多少负载？3)缸1不承受负载时(F1=0)，缸2能承受多大的负载。第十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算活塞缸串联解：1)求F1、F2？求两个的运动速度v1，v2？第二十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算活塞缸串联2)已知：P2=P1/2，求F1、F2？第二十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算活塞缸串联3)已知F1＝0，求F2？总结：液压串联时，求速度时，前一液压缸的输出为后一液压缸的输入；求力时，需对每一个液压缸进行受力平衡分析。第二十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算柱塞式液压缸图4.5

柱塞式液压缸a）单柱塞缸b）双柱塞缸1—缸筒2—柱塞(1)它是一种单作用式液压缸，靠液压力只能实现一个方向的运动，柱塞回程要靠其它外力或柱塞的自重；(2)柱塞只靠缸套支承，故适于做长行程液压缸；(3)工作时柱塞总受压，因而它必须有足够的刚度;；(4)柱塞重量往往较大，水平放置时容易因自重而下垂，造成密封件和导向单边磨损，故其垂直使用更有利。第二十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算柱塞式液压缸单向运动时双向运动时第二十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算柱塞式液压缸图4.5

柱塞式液压缸a）单柱塞缸b）双柱塞缸1—缸筒2—柱塞式中

D—柱塞直径柱塞缸的输出力F和运动速度v的计算式：第二十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算摆动缸当通入液油，它的主轴能输出小于360°的摆动运动的缸称为摆动式液压缸。常用于辅助装置，如送料和转位装置、液压机械手及间歇进给机构。图4.7摆动缸（b）双叶片式（a）单叶片式单叶片式摆动缸的最大回转角度一般小于280°；双叶片式摆动缸的最大回转角度一般小于150°。

第二十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算增压缸增压缸是活塞缸与柱塞缸组成的复合缸，但它不是能量转换装置，只是一个增压器件。增压比为大活塞与小柱塞的面积比K＝D2/d2

；增压能力是在降低有效流量的基础上得到的；增压缸作为中间环节，用在低压系统要求有局部高压油路的场合。第二十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算多级缸又称伸缩套筒式缸，由两个或多个活塞式缸套装而成。前一级活塞缸的活塞杆是后一级活塞缸的缸筒。各级活塞依次伸出可获得很长的行程，当依次缩回时缸的轴向尺寸很小。除双作用伸缩液压缸外，还有单作用伸缩液压缸，它与双作用不同点是回程靠外力，而双作用靠液压作用力。特别适用于工程机械及自动线步进式输送装置。第二十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.1液压缸的类型和基本参数计算齿条活塞缸齿条活塞缸是活塞缸与齿轮齿条机构组成的复合式缸。它将活塞的直线往复运动转变为齿轮的旋转运动，用于机床的进刀机构、回转工作台转位、液压机械手等。第二十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.2 液压缸的典型结构单杆活塞式液压缸结构液压缸的结构可以分为缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置和排气装置五个部分。活塞与活塞杆用螺纹连接，并用止动销14固死。前、后缸盖通过法兰23和螺钉（图中未示）压紧在缸筒的两端。为了提高密封性能并减少摩擦力，在活塞与缸筒之间、活塞杆与导向环之间、导向环与前缸盖这间、活塞杆与导向环之间、导向环与前缸盖之间、前后缸盖与缸筒之间装有各种动、静密封圈。当活塞移动接近左右终端时，液压缸回油腔的油只能通过缓冲柱塞上通流面积逐渐减小的轴向三角槽和可调缓冲器24回油箱，对移动部件起制动缓冲作用。缸中空气经可调缓冲器中的排气通道排出。第三十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.2 液压缸的典型结构单杆活塞式液压缸结构图

单杆活塞式液压缸结构1—活塞杆2—防尘圈3—活塞杆密封4—活塞杆导向环5、7、16、19—反衬密封圈6、8、10、17、18—O型密封9—活塞前缓冲11—活塞12—活塞密封13、15—低摩密封14—螺钉止动销20—止动销21—密封圈22—前缸盖23—法兰24—可调缓冲器25—螺纹止动销26—缸筒27—后缓冲套28—后止动环29—后缸盖第三十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.2 液压缸的典型结构缸筒和缸盖图4.20a采用法兰连接，结构简单、加工和装拆都方便，但外形尺寸和质量都大。图4.20b为半环连接，加工和装拆方便，但是，这种结构须在缸筒外部开有环形槽而削弱其强度，有时要为此增加缸的壁厚。图4.20

缸筒和缸盖结构1—缸盖2—缸筒3—压板4—半环缸筒和缸盖的常见连接结构形式如图4.20所示：第三十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.2 液压缸的典型结构缸筒和缸盖图4.20

缸筒和缸盖结构1—缸盖2—缸筒5—防松螺母图4.20c为外螺纹连接，图4.20d为内螺纹连接。螺纹连接装拆时要使用专用工具，适用于较小的缸筒。第三十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.2 液压缸的典型结构缸筒和缸盖图4.20e为拉杆式连接，容易加工和装拆，但外形尺寸较大，且较重。图4.20f为焊接式连接结构简单，尺寸小，但缸底处内径不易加工，且可能引起变形。图3-8

缸筒和缸盖结构1—缸盖2—缸筒6—拉杆第三十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.2 液压缸的典型结构活塞和活塞杆活塞和活塞杆的结构形式很多，有螺纹式连接和半环式连接等，如图4.21所示。前者结构简单，但需有螺母防松装置。后者结构复杂，但工作较可靠。此外，在尺寸较小的场合，活塞和活塞杆也有制成整体式结构的。图4.21

活塞和活塞杆的结构a）螺纹式连接b）半环式连接1—弹簧卡圈2—轴套3—螺母4—半环5—压板6—活塞7—活塞杆第三十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.2 液压缸的典型结构活塞和活塞杆图4.6（c）所示为双半环连接，在活塞杆6上开有两个环形槽，两组半环9分别由两个密封座7套住，为了安装活塞8做成两个半环。图4.6（d）所示为锥销连接，锥销10把活塞11固定在活塞杆12上。这种连接结构简单，强度较差，适用于轻载的情况，常用于双杆活塞缸。第三十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.2 液压缸的典型结构活塞杆伸出端结构液压缸常用的伸出端端盖结构:

第三十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.2 液压缸的典型结构活塞杆头部的连接形式内、外螺纹连接常用于标准化液压缸；双耳环连接、半耳连接多用于非标准化液压缸。图4.25活塞杆头部的连接形式a)内螺纹连接b)外螺纹连接c)双耳环连接d)单耳环连接第三十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五39/664.2 液压缸的典型结构活塞的密封形式图4.22

活塞的结构与密封a)O形密封圈密封b)L形密封圈密封c)Y形密封圈密封d)小Y形密封圈密封第三十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.2 液压缸的典型结构密封装置第四十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.2 液压缸的典型结构密封装置第四十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.2 液压缸的典型结构缓冲装置

缓冲装置是利用活塞或缸筒移动到接近终点时，将活塞和缸盖之间的一部分油液封住，迫使油液从小孔或缝隙中挤出，从而产生很大的阻力，使工作部件平稳制动，并避免活塞和缸盖的相互碰撞。理想的缓冲装置应在其整个工作过程中保持缓冲压力恒定不变，实际的缓冲装置则很难做到这点。第四十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五43/664.2 液压缸的典型结构液压缸中常用的缓冲装置第四十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.2 液压缸的典型结构排气装置排气装置用来排除积聚在液压缸内的空气。常用的排气装置如图4.27所示。图4.27a所示为在液压缸的最高部位设置排气孔与排气阀连接进行排气。图4.27b为在液压缸的最高部位处安装排气塞。图4.27

排气装置

a）排气阀b）排气塞第四十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.3 液压缸的设计计算液压缸的设计设计液压缸时，要在分析液压系统工作情况的基础上，根据液压缸在机构中所要完成的任务来选择液压缸的结构形式，然后按负载、运动要求、最大行程等确定主要尺寸，进行强度、稳定性和缓冲验算，最后进行具体的结构设计。应注意的问题：1）尽量使活塞杆在受拉力状态下承受最大负载，或在受压状态下活塞杆应具有良好的纵向稳定性；2）液压缸各部分的结构尽可能按推荐的结构形式和设计标准进行设计，尽量做到结构简单、紧凑，加工、装配和维修方便；3）考虑液压缸行程终端处的制动和液压缸的排气问题；4）正确确定液压缸的安装和固定方式。考虑液压缸的热变形，它只能一端定位。第四十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五4.4 液压缸的