液压缸结构及原理

  式中 A ——活塞的有效工作面积，A=π(D2-d2)/4； p1 ——液压缸的进油腔压力； p2 ——液压缸的回油腔压力，若液压缸的出口直接接油箱，p2≈0； D ——活塞的直径； d ——活塞杆的直径； F ——液压缸的推力； v ——液压缸的运动速度； q ——输入液压缸的流量。

  图4-4 柱塞缸 a)单向液压驱动 b)双向液压驱动 1－柱塞 2－缸筒 3－工作台

  式中 A ——柱塞缸的有效工作面积，A=πd2/4； p ——液压缸的进油压力； d ——柱塞的直径； F ——液压缸的推力； v ——液压缸的运动速度； q ——输入液压缸的流量。

  液压缸是完成往复直线运动的执行元件， 它是将液体的压力能转换成机械能的能量转换 装置，其输入参数主要是压力和流量，输出参 数主要是力和位移。液压缸结构相对比较简单、工作可

  若将F1、F2、F3和v1、v2、v3分别比较便可看出：Fl＞F2、F3，v1＜ v2、v3，即无杆腔进油时产生的推力大、速度低；差动连接和有杆腔进油 时产生的推力小、速度高。所以，单杆活塞缸常用在“快进(差动连接)→ 工进(无杆腔进油)→快退(有杆腔进油)”的液压系统中。 如果要求v2=v3时，可得：d =0.707D。 上述活塞缸都是双作用式的，双杆活塞缸在机床中应用较多，单杆活 塞缸则广泛地应用于各种工程机械中。

  1. 大型动力设备(如组合机床、拉床、压力机等) 由液压缸的推力公式：F=pA，其工作所承受的压力p可以参见表4-1和表4-2， 通过类比法确定，或通过试验法获得。然后根据进油情况做计算，

  与油箱断开，此时液压缸两腔同时进油并且压力相等，则液压缸左右 腔液压力相等，活塞不动并停留在原虚线与油箱

  力的作用下活塞右移，直至堵住油口C4，此时两腔液压力再次相等， 活塞不动。因此，该液压缸能够按要求停留在所需的位置上，在加工 中可用于多工位、不等距离的送料机构。

  ⑵ 有杆腔进油 ，如图4-3b所示，液压油从有杆腔进入，其压力为p1、流 量为q，无杆腔回油，其压力为p2，推动活塞向左运动。则液压缸产生的 推力F2和速度v2为：

  柱塞式液压缸如图4-4a所示，图中柱塞1，缸筒2，工作台3。这是— 种单作用式液压缸。其柱塞1和缸筒2不非间接接触，运动时由缸盖上的导 向套来导向，因此缸筒内壁只需粗加工，而柱塞为外圆表面容易加工， 故加工工艺性好。它非常适合于行程较长的场合，如龙门刨床。此外， 常应用于液压升降机、自卸卡车、叉车和轧机平衡系统。为实现工作 台的双向运动，柱塞缸可成对反向布置，如图4-4b所示。

  从图4-2能够准确的看出，这种活塞缸工作台的最大活动范围约为液压缸 有效行程的两倍，因此占地面积较小，适用于中型及大型机床。

  a)实心双杆式 b)空心双杆式 1－缸筒 2－活塞 3－活塞杆 4－工作台

  伸缩式液压缸又称为多级液压缸，是由两个或多个活塞套装而成的， 如图4-7所示，它是把活塞杆作成前一级的缸筒，伸出时活塞按有效工作 面积由大到小依次伸出，可获得很长的工作行程，缩回时活塞由小到大依 次缩回，长度则较短，故结构较紧凑。由于各级活塞的有效工作面积不同， 在输入油液压力和流量不变的情况下，液压缸的推力和速度是分级变化的， 伸出时，先动作的活塞速度低、推力大，后动作的推力小、速度高。伸缩 式液压缸常用于工程机械(如翻斗汽车，起重机等)和农业机械上。

  图4-1 双杆活塞缸采用缸固定 1－缸筒 2－活塞 3－活塞杆 4－工作台

  ⑵ 双杆活塞缸采用杆固定如图4-2所示，图4-2a中，活塞杆3为实心 并且固定，缸筒1和工作台4连接在一起，若油液进入液压缸的左腔， 液压缸的右腔回油箱，则在油液压力的作用下，缸筒和工作台一起向 左运动。但是，由于缸筒是运动的，与其相连的进、出油管需要采用 软管连接。为了尽最大可能避免油管运动，可将活塞杆做成空心的，如图4-2b所

  式中 λ——活塞杆的直径d与液压缸内径D的比值，d =λD，其取值范 围可见表4-3。

  ⑶ 液压缸的差动连接 ，当单杆活塞缸左右两腔相互接通并同时输入液压 油时，称为“差动连接”。采用差动连接的液压缸称为差动液压缸。如图 4-3c所示，假设液压缸固定，因差动液压缸无杆腔的液压力大于有杆腔的 液压力，故活塞向右移动，同时使有杆腔的油液流入无杆腔，此时液压缸 产生的推力F3和速度v3为：

  2.单杆活塞缸 单杆活塞缸也有缸固定式和杆固定式两种安装方法，无论是缸固定 还是杆固定，其工作台的最大活动范围约为活塞有效工作行程的两倍。 单杆活塞缸左右两腔的有效工作面积不相等，因此，两个方向产生的推 力和速度也都不相等。下面以缸固定式为例分别予以讨论。 (4-3) ⑴ 无杆腔进油，如图4-3a所示，液压油从无杆腔进入，其进油压力 为p1、流量为q，有杆腔回油，其回油压力为p２，推动活塞向右运动， 则液压缸产生的推力F1和速度v1为：

  活塞式液压缸有双杆活塞缸和单杆活塞缸两种结构。 1.双杆活塞缸 双杆活塞缸的两端都有活塞杆伸出，按其安装方法的不同，有缸固 定和杆固定两种。

  ⑴ 双杆活塞缸采用缸固定如图4-1所示，液压缸的缸筒1、活塞2、活 塞杆3和工作台4，工作台与活塞杆连接成一体。若油液进入液压缸的 左腔，液压缸右腔的油液回油箱，则在油液压力的作用下，活塞连同 工作台一起向右运动。若改变油液进、出液压缸的方向，则液压缸及 工作台一起向左运动，图中虚线可知，双杆活塞缸采用 缸固定其工作台的最大活动范围约为活塞有效行程的三倍。因此这种 安装方法占地面积较大，常用于小型机床设备。

  始资料主要有负载大小、运动速度和行程长短和液压 缸的结构及形式和安装要求等。因此，设计时必须首先对 整个液压系统来进行工况分析，编制负载图，选定工作压 力，确定液压缸的结构类型、行程和液压缸的主要尺寸。 最后再进行结构设计，确定缸筒壁厚，验算活塞杆强度 和稳定能力，验算螺栓强度等。

  ⑶ 双杆活塞缸的推力及速度的计算，正常的情况下两个活塞杆的直径相 等，当液压缸一腔进油而另一腔回油时，两个方向的运动速度和推力 是相等的。当油液的输入流量为q、输入压力为p1和输出压力为p2时， 液压缸的推力F和速度v分别为：

  图4-5 摆动缸 a)单叶片式 b)双叶片式 1－缸筒 2－叶片轴 3－定位块 4－叶片 图4-5b为双叶片式摆动缸。其摆角最大可达150°。它的理论输出转 矩是单叶片式的两倍，在同等输入流量下的角速度则是单叶片式的—半。 摆动式液压缸的主要特征是结构紧密相连，但加工制造很复杂。在机床 上，可用于回转夹具、送料装置、间歇进刀机构等；在液压挖掘机、装 载机上，可用于铲斗的回转机构。

  摆动式液压缸又称为摆动式液压马达，其输出运动为摆动运动，输出 参数为转矩和角速度。如图4-5所示，其主要由缸筒1、叶片轴2、定位块3 和叶片4等组成。 图4-5a为单叶片式摆动缸，其摆动角度可达300°。它的理论输出转 矩T和角速度ω分别为：

  在液压系统不增加高压能源的情况下，采用增压缸能够得到比 液压系统能源压力高得多的油液压力。 图4-6为一增压缸，它是利用大小活塞的有效工作面积之比来 使液压系统中局部区域获得高压的。当活塞缸左腔输入的油液压力 为p1，右腔输出的油液压力为p2，大活塞直径为D，小活塞直径为d 时，则有

  如果把两个方向上输出速度v2和v1的比值称为速比系数，并记作  ，则 v2 D2 1    (4-7) v1 D 2  d 2 1  d / D 2 故活塞杆直径越小，速比系数越小，活塞在两个方向上的运动速度 差值越小。

  多位液压缸一般为双杆活塞缸，且左右活塞杆直径相等，缸筒两 端开有a、b两个进油口，以及C1、C2、C3、C4、C5等回油口，每个

  齿条活塞缸如图4-8所示，它是由两个活塞缸和一套齿条齿轮传动 装置组成。当液压油进入液压缸左腔，右腔回油时，油液压力产生的推 动使活塞向右移动，活塞杆上的齿条便推动齿轮作逆时针方向转动，当 油路换向时，则齿轮反向转动。齿条活塞缸常用于组合机床的回转工作 台、回转夹具及数控机床机械手的转位机构等。

  设备类型 磨床 0.8～2 车、铣、 钻、镗床 2～4 组合 机床 3～5 龙门 刨床 2～8 拉床 8～10 农业机械 小型工程 机械 10～16 液压机、重型机械 起重运输机械 20～32

  液压缸的类型较多，按其作用方式分类，可分为单作用式和双作用 式两大类。 单作用式液压缸在液压力作用下只能朝着—个方向运动，其反向运 动需要依靠重力或弹簧等外力实现。 双作用式液压缸依靠液压力可实现正、反两个方向的运动。 液压缸按其结构及形式的不同，可分为活塞式、柱塞式，摆动式、 伸缩式等形式，其中以活塞式液压缸应用最多。