3液压缸解读

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1、液压缸3.1液压缸的类型及特点3.2液压缸的设计计算3.3液压缸的结构设计液压缸（又称油缸）是液压系统中常用的一种执行元件，是把液体的压力能 转变为机械能的装置，主要用于实现机构的直线往复运动，也可以实现摆动，其 结构简单，工作可靠，应用广泛。3.1液压缸的类型及特点液压缸可按运动方式、作用方式、结构形式的不同进行分类，其常见种类如 下。3.1.1活塞式液压缸活塞式液压缸可分为双杆式和单杆式两种结构形式，其安装又有缸筒固定和 活塞杆固定两种方式。3.1.1.1双杆活塞液压缸双活塞杆液压缸的活塞两端都带有活塞杆，分为缸体固定和活塞杆固定两种 安装形式，如图3. 1所示。图3.1双活塞杆液压缸安装

2、方式简图兀F = 4( D2-d 2叫P 2川 m（3.2）因为双活塞杆液压缸的两活塞杆直径相等，所以当输入流量和油液压力不变 时，其往返运动速度和推力相等。则缸的运动速度V和推力F分别为：q4v = =v（3.1）A 兀(D 2 - d 2)式中：pp2-分别为缸的进、回油压力；门v、门m-分别为缸的容积效率和机械效率；D、d-分别为活塞直径和活塞杆直径；q-输入流量；A-活塞有效工作面积。这种液压缸常用于要求往返运动速度相同的场合。3.1.1.2单活塞杆液压缸单活塞杆液压缸的活塞仅一端带有活塞杆，活塞双向运动可以获得不同的速 度和输出力，其简图及油路连接方式如图3.2所示。（1）当无杆腔进

3、油时图3.2（a），活塞的运动速度v 1和推力F分别为q=fA v14q=一 门nD 2 v(3.3)n,F = (p A - p A 川=一D2p - (D2 一 d2)p m1112 2 m 412 m(3.4)(2)当有杆腔进油时图3.2(b),活塞的运动速度v2和推力F2分别为q4qV 2 = A门广市F七2(3.5)/、 n ，、F = (p A - p A 川 =(D2 - d2)p - D2p q22 21 1 m 412 m (36)式中符号意义同式(3.1)、式(3.2)。比较上述各式，可以看出：V2t，F1F2 ；液压缸往复运动时的速度比为(3.7)V-Fq(a)(b)(c

4、)差动连接(a)无杆腔进油(b)有杆腔进油图3.2双作用单活塞杆液压缸计算简图上式表明，当活塞杆直径愈小时速度接近1，在两个方向上的速度差值就愈 小。(3)液压缸差动连接时图3.2(c)，活塞的运动速度七和推力与分别为q4q*1 -气七如2七(3.8)在忽略两腔连通油路压力损失的情况下，差动连接液压缸的推力为兀F = p (A - A )n 二一d 2 p n3112 m 41 V(39)当单杆活塞缸两腔同时通入压力油时，由于无杆腔有效作用面积大于有杆腔 的有效作用面积，使得活塞向右的作用力大于向左的作用力，因此，活塞向右运 动，活塞杆向外伸出；与此同时，又将有杆腔的油液挤出，使其流进无杆腔，

5、从 而加快了活塞杆的伸出速度，单活塞杆液压缸的这种连接方式被称为差动连接。 差动连接时，液压缸的有效作用面积是活塞杆的横截面积，工作台运动速度比无 杆腔进油时的速度大，而输出力则减小。差动连接是在不增加液压泵容量和功率 的条件下，实现快速运动的有效办法。(4)差动液压缸计算举例。例3.1已知单活塞杆液压缸的缸筒内径D=100mm，活塞杆直径d=70mm，进入 液压缸的流量q=25min，压力P1=2Mpa，P2=0。液压缸的容积效率和机械效率 分别为0.98、0.97，试求在图3.2(a)、(b)、(c)所示的三种工况下，液压缸可推动 的最大负载和运动速度各是多少？并给出运动方向。解 在图3.

6、2(a)中，液压缸无杆腔进压力油，回油腔压力为零，因此，可推动 的最大负载为F = D 2 p n =X 0.12 X 2 X106 X 0.97 = 15237( N)141 m 4液压缸向左运动，其运动速度为4q4 x 25 x 10-30.98丁 丞I =兀 x 0.12 x 60 = 0.052（m / s）在图3.2（b）中，液压缸为有杆腔进压力油，无杆腔回油压力为零，可推动的负 载为F =-(D 2 - d 2)p n =-(0.12 - 0.072)x 2 x 106 x 0.97 = 7771( N)241 m 4液压缸向左运动，其运动速度为4q兀(D 2 d 2)=0.102

7、(m / s)4 x 25 x 10-3 x 0.98兀(0.12 - 0.072)x 60在图3.2（c）中，液压缸差动连接，可推动的负载力为F =-d 2 p n =-x 0.072 x 2 x 106 x 0.097 = 6466( N)341 m 4液压缸向左运动，其运动速度为v =包n = 4 x 25 x 103 x 0.98 = 0.106(m / s)3 -d 2 v- x 0.072 x 603.1.2柱塞式液压缸前面所讨论的活塞式液压缸的应用非常广泛，但这种液压缸由于缸孔加工精 度要求很高，当行程较长时，加工难度大，使得制造成本增加。在生产实际中，某 些场合所用的液压缸并不

8、要求双向控制，柱塞式液压缸正是满足了这种使用要求 的一种价格低廉的液压缸。如图3.3（a）所示，柱塞缸由缸筒、柱塞、导套、密封圈和压盖等零件组成， 柱塞和缸筒内壁不接触，因此缸筒内孔不需精加工，工艺性好，成本低。柱塞式 液压缸是单作用的，它的回程需要借助自重或弹簧等其它外力来完成，如果要获 得双向运动，可将两柱塞液压缸成对使用图3.3（b）。柱塞缸的柱塞端面是受 压面，其面积大小决定了柱塞缸的输出速度和推力，为保证柱塞缸有足够的推力和稳定性，一般柱塞较粗，重量较大，水平安装时易产生单边磨损，故柱塞缸适 宜于垂直安装使用。为减轻柱塞的重量，有时制成空心柱塞。图3.3柱塞式液压缸柱塞缸结构简单，制

9、造方便，常用于工作行程较长的场合，如大型拉床，矿用液 压支架等。3.1.3摆动式液压缸摆动液压缸能实现小于360角度的往复摆动运动，由于它可直接输出扭矩， 故又称为摆动液压马达，主要有单叶片式和双叶片式两种结构形式。图3.4(a)所示为单叶片摆动液压缸，主要由定子块1、缸体2、摆动轴3、叶片4、 左右支承盘和左右盖板等主要零件组成。两个工作腔之间的密封靠叶片和隔板外 缘所嵌的框形密封件来保证，定子块固定在缸体上，叶片和摆动轴固连在一起， 当两油口相继通以压力油时，叶片即带动摆动轴作往复摆动，当考虑到机械效率 时，单叶片缸的摆动轴输出转矩为单叶片式摆动液压缸由E b ，、/、T 8（D2-d2）

10、（i-2g .（3.10）根据能量守恒原理,结合式(3.10)得输出角速度为（3.11）8 v b（D2 -d2）式中未说明符号同式（3.1）、式（3.2），其余符号意义如下:D缸体内孔直径;d一摆动轴直径；b一叶片宽度；(a)(b)图3.4摆动液压缸单叶片摆动液压缸的摆角一般不超过280。，双叶片摆动液压缸的摆角一般不 超过150。当输入压力和流量不变时，双叶片摆动液压缸摆动轴输出转矩是相同 参数单叶片摆动缸的两倍，而摆动角速度则是单叶片的一半。摆动缸结构紧凑，输出转矩大，但密封困难，一般只用于中、低压系统中往 复摆动，转位或间歇运动的地方。3.1.4伸缩式液压缸图3.5所示为伸缩式液压缸的

11、结构图，它由两级（或多级）活塞缸套装而成， 主要组成零件有缸体5、活塞4、套筒活塞3等。缸体两端有进、出油口 A和B。当A 口进油，B 口回油时，先推动一级活塞3 向右运动，由于一级活塞的有效作用面积大，所以运动速度低而推力大。一级活 塞右行至终点时，二级活塞4在压力油的作用下继续向右运动，因其有效作用面 积小，所以运动速度快，但推力小。套筒活塞3既是一级活塞，又是二级活塞的 缸体，有双重作用（多级时，前一级缸的活塞就是后一级缸的缸套）。若B 口进 油，A 口回油，则二级活塞4先退回至终点，然后一级活塞3才退回。图3.5伸缩式液压缸的结构图1 一压板；2、6 一端盖；3一套筒活塞；4-活塞；5

12、 一缸体；7-套筒活塞端盖伸缩式液压缸的特点是：活塞杆伸出的行程长，收缩后的结构尺寸小，适用 于翻斗汽车，起重机的伸缩臂等。3.1.5齿条活塞缸图3.6齿条活塞液压缸的结构图1 一紧固螺帽；2-调节螺钉；3-端盖；4-垫圈；5-O形密封圈；6 一档圈；7缸套；8-齿条活塞；9 一齿轮；10 一传动轴；11 一缸体；12螺钉齿条活塞缸由带有齿条杆的双作用活塞缸和齿轮齿条机构组成，如图3.6所 示，活塞往复移动经齿条、齿轮机构变成齿轮轴往复转动，它多用于自动线，组 合机床等转位或分度机构中。返回本章目录3.2液压缸的设计计算液压缸一般来说是标准件，但有时也需要自行设计。本节主要介绍液压缸主 要尺寸

13、的计算及强度，刚度的验算方法。液压缸的设计是在对所设计的液压系统进行工况分析、负载计算和确定了其 工作压力的基础上进行的。首先根据使用要求确定液压缸的类型，再按负载和运 动要求确定液压缸的主要结构尺寸，必要时需进行强度验算，最后进行结构设计。液压缸的主要尺寸包括液压缸的内径D、缸的长度L、活塞杆直径d。主要 根据液压缸的负载、活塞运动速度和行程等因素来确定上述参数。3.2.1液压缸工作压力的确定液压缸要承受的负载包括有效工作负载、摩擦阻力和惯性力等。液压缸的工 作压力按负载确定。对于不同用途的液压设备，由于工作条件不同，采用的压力 范围也不同。设计时，液压缸的工作压力可按负载大小及液压设备类型

14、参考表 3.2、表3.3来确定。表3.2 液压缸的公称压力（单位：MPa,GB7938-87）0.631.01.62.54.06.310.016.025.031.540.0表3.3各类液压设备常用的工作压力（单位：MPa）设备类型一般机一般冶金农业机械、液压机、重型机械、轧机压床设备下、小型工程机械起重运输机械工作压力（MPa）1 6.36.3 1610 1620 323.2.2液压缸主要尺寸的确定液压缸内径D和活塞杆直径d可根据最大总负载和选取的工作压力来定，对单杆缸而言，无杆腔进油并不考虑机械效率时，由式（3.4）D =1(3.14)邱(p p ) p p1212有杆腔进油并不考虑机械效率

15、时由式（3.6）可得D =2、，兀(p p ) p p1212(3.15)一般情况下，选取回油背压p2 = 0这时，上面两式便可简化，即无杆腔进油时（3.16）有杆腔进油时:D = Td：侦p1(3.17)式（3.17）中的杆径d可根据工作压力选取，见表3.4；当液压缸的往复速度比有一定要求时，由式（3.7）得杆径为；w _ 1d = D，一W（3.18）推荐液压缸的速度比如表3.5所示。表3.4液压缸工作压力与活塞杆直径液压缸 工作压力（MPa）P7推荐活塞杆直径(0.50.55)D(0.60.7)D0.7D表3.5液压缸往复速度比推荐值液压缸工作压力P20（MPa）往复速度比W1.331.

16、4622计算所得的液压缸内经D和活塞杆直经d应圆整为标准系列参见新编液 压工程手册。液压缸的缸筒长度由活塞最大行程，活塞长度，活塞杆导向套长度，活塞杆 密封长度和特殊要求的长度确定。其中活塞长度为（0.61.0）D；导向套长度为 （0.61.5）d。为减少加工难度，一般液压缸缸筒长度不应大于内径的2030倍。3.2.3液压缸的校核3.2.3.1缸筒壁厚的验算中、高压液压缸一般用无缝钢管做缸筒，大多属薄壁筒，即8/DV0.08,此时，可根据材料力学中薄壁圆筒的计算公式验算缸筒的壁厚，即丈 p D 8 max2” （3.19）当8/D0.3时，可用下式校核缸筒壁厚8 D (四+ 4Pmax - 1

17、)2 ：” -1.3p，max(3.20)当液压缸采用铸造缸筒时，壁厚由铸造工艺确定，这时应按厚壁圆筒计算公式验算壁厚。当8/D=0.080.3时，可用下式校核缸筒的壁厚8 P max D2.3b - 3 pmax(3.21)式中:Pmax缸筒内的最高工作压力b缸筒材料的许允应力3.2.3.2液压缸稳定性验算活塞杆长度根据液压缸最大行程L而定。对于工作行程中受压的活塞杆， 当活塞杆长度L与其直径d之比大于15时，应对活塞杆进行稳定性验算，关于 稳定性验算的内容可查阅液压设计手册。返回本章目录3.3液压缸的结构设计3.3.1液压缸的典型结构图3.7为单活塞杆液压缸结构图。它主要由缸底1、缸筒6、

18、缸盖10、活塞4、活塞杆7和导向套8等组成。缸筒一端与缸底焊接，另一端与缸盖采用螺纹 连接。活塞与活塞杆采用卡键连接。为了保证液压缸的可靠密封，在相应部位设 置了密封圈3、5、9、11和防尘圈12。图3 .7双作用单活塞杆液压缸结构图l 一缸底；2 一卡键；3、5、9、11 一密封圈；4 一活塞；6 一缸筒；7 一活塞杆；8导向套； 10 一缸盖；12 一防尘圈；13 一耳轴上图表明，液压缸一般由后端盖、缸筒、活塞杆、活塞组件、前端盖等主要 部分组成；为防止油液向液压缸外泄或由高压腔向低压腔泄漏，在缸筒与端盖、 活塞与活塞杆、活塞与缸筒、活塞杆与前端盖之间均设置有密封装置，在前端盖 外侧，还装

19、有防尘装置；为防止活塞快速退回到行程终端时撞击后缸盖，液压缸 端部还设置缓冲装置；有时还需设置排气装置。进行液压缸设计时，根据工作压力，运动速度，工作条件，加工工艺及装拆 检修等方面的要求，往往综合考虑液压缸的各部分结构。3.3.2缸筒与端盖的连接常见的缸体与缸盖的连接结构如图3.8所示。（d）拉杆式（e）焊接式（f）内螺纹式图3.8缸体与缸盖的连接结构（1）法兰式连接，结构简单，加工方便，连接可靠，但是要求缸筒端部有足够 的壁厚，用以按装螺栓或旋入螺钉。缸筒端部一般用铸造、镦粗或焊接方式制成 粗大的外径，它是常用的一种连接形式。（2）半环式连接，分为外半环连接和内半环连接两种连接形式，半环连

20、接工艺 性好，连接可靠，结构紧凑，但削弱了缸筒强度。半环连接应用十分普遍，常用 于无缝钢管缸筒与端盖的连接中。（3）螺纹式连接，有外螺纹连接和内螺纹连接两种，其特点是体积小，重量轻， 结构紧凑，但缸筒端部结构较复杂，这种连接形式一般用于要求外形尺寸小，重 量轻的场合。（4）拉杆式连接，结构简单，工艺性好，通用性强，但端盖的体积和重量较大， 拉杆受力后会拉伸变长，影响密封效果。只适用于长度不大的中、低压液压缸。（5）焊接式连接，强度高，制造简单，但焊接时易引起缸筒变形。缸筒是液压缸的主体，其内孔一般采用镗削、绞孔、滚压或珩磨等精密加工 工艺制造，要求表面粗造度在0.1pm0.4pm，使活塞及其密

21、封件、支承件能顺利 滑动，从而保证密封效果，减少磨损；缸筒要承受很大的液压力，因此，应具有 足够的强度和刚度。端盖装在缸筒两端，与缸筒形成封闭油腔，同样承受很大的液压力，因此， 端盖及其连接件都应有足够的强度。设计时既要考虑强度，又要选择工艺性较好的结构形式。导向套对活塞杆或柱塞起导向和支承作用，有些液压缸不设导向套，直接用 端盖孔导向，这种结构简单，但磨损后必须更换端盖。缸筒，端盖和导向套的材料选择和技术要求可参考液压设计手册。3.3.3活塞组件活塞组件由活塞、密封件、活塞杆和连接件等组成。随液压缸的工作压力、 安装方式和工作条件的不同，活塞组件有多种结构形式。3.3.3.1活塞与活塞杆的连

22、接形式如图3.9所示，活塞与活塞杆的连接最常用的有螺纹连接和半环连接形式， 除此之外还有整体式结构、焊接式结构、锥销式结构等。螺纹式连接如图3.9 (a)所示，结构简单，装拆方便，但一般需备螺母防松 装置；半环式连接如图3.9 (b)所示，连接强度高，但结构复杂，装拆不便，半 环连接多用于高压和振动较大的场合；整体式连接和焊接式连接结构简单，轴向 尺寸紧凑，但损坏后需整体更换，对活塞与活塞杆比值较小、行程较短或尺寸不 大的液压缸，其活塞与活塞杆可采用整体或焊接式连接；锥销式连接加工容易， 装配简单，但承载能力小，且需要有必要的防止脱落措施，在轻载情况下可采用 锥销式连接。图3.9活塞与活塞杆的

23、连接形式1 一活塞杆；2 一活塞；3 一密封圈；4 一弹簧圈；5 一螺母1 一卡键；2 一套环；3 一弹簧卡圈3.3.3.2活塞组件的密封活塞装置主要用来防止液压油的泄漏。对密封装置的基本要求是具有良好的 密封性能，并随压力的增加能自动提高密封性，除此以外，摩擦阻力要小，耐油， 抗腐蚀，耐磨，寿命长，制造简单，拆装方便。油缸主要采用密封圈密封，密封 圈有O形、V形、Y形及组合式等数种，其材料为耐油橡胶、尼龙、聚氨脂等。（1）O形密封圈O形密封圈的截面为圆形，主要用于静密封。O形密封圈安装方便，价格便宜， 可在40 - 120 C的温度范围内工作，但与唇形密封圈相比，运动阻力较大，作 运动密封时

24、容易产生扭转，故一般不单独用于油缸运动密封（可与其它密封件组 合使用）。（a）普通型（b）有挡板型图3.10 O型密封圈的结构原理O形圈密封的原理如图3.10（a）所示，O形圈装入密封槽后，其截面受到压缩 后变形。在无液压力时，靠O形圈的弹性对接触面产生预接触压力，实现初始 密封，当密封腔充入压力油后，在液压力的作用下，。形圈挤向槽一侧，密封面 上的接触压力上升，提高了密封效果。任何形状的密封圈在安装时，必须保证适 当的预压缩量，过小不能密封，过大则摩擦力增大，且易于损坏，因此，安装密 封圈的沟槽尺寸和表面精度必须按有关手册给出的数据严格保证。在动密封中， 当压力大于10MPa时，O形圈就会被

25、挤入间隙中而损坏，为此需在O形圈低压 侧设置聚四氟乙烯或尼龙制成的挡圈，其厚度为1.252.5mm ,双向受高压时， 两侧都要加挡圈，其结构如图3.10(b)所示。V形密封圈V形圈的截面为V形，如图3.11所示，V形密封装置是由压环，V形圈和 支承环组成。当工作压力高于10MPa时，可增加V形圈的数量，提高密封效果。 安装时，V形圈的开口应面向压力高的一侧。a)压环b)V型圈C)支承环图3.11 V形密封圈V形圈密封性能良好，耐高压，寿命长，通过调节压紧力，可获得最佳的密 封效果，但V形密封装置的摩擦阻力及结构尺寸较大，主要用于活塞杆的往复 运动密封，它适宜在工作压力为P50MPa，温度408

26、0 C的条件下工作。Y(Yx)形密封圈Y形密封圈的截面为Y形，属唇形密封圈。它是一种密封性、稳定性和耐 压性较好、摩擦阻力小、寿命较长的密封圈，故应用也很普遍。Y形圈主要用于 往复运动的密封，根据截面长宽比例的不同，Y形圈可分为宽断面和窄断面两种 形式，图3.12所示为宽断面Y形密封圈。Y形圈的密封作用依赖于它的唇边对藕合面的紧密接触，并在压力油作用下 产生较大的接触压力，达到密封目的。当液压力升高时，唇边与藕合面贴得更紧， 接触压力更高，密封性能更好。Y形圈安装时，唇口端面应对着液压力高的一侧，当压力变化较大，滑动速度较 高时，要使用支承环，以固定密封圈，如图3.12(b)所示。宽断面Y形圈

27、一般适用于工作压力P20MPa的场合；窄断面Y形圈一般适用于 工作压力P32MPa下工作。3.3.4缓冲装置当液压缸带动质量较大的部件作快速往复运动时，由于运动部件具有很大的 动能，因此当活塞运动到液压缸终端时，会与端盖碰撞，而产生冲击和噪声。这 种机械冲击不仅引起液压缸的有关部分的损坏，而且会引起其它相关机械的损 伤。为了防止这种危害，保证安全，应采取缓冲措施，对液压缸运动速度进行控 制。图3.13所示为液压缸节流缓冲的几种形式：当活塞移至其端部，缓冲柱塞 开始插入缸端的缓冲孔时，活塞与缸端之间形成封闭空间，该腔中受困挤的剩余 油液只能从节流小孔或缓冲柱塞与孔槽之间的节流环缝中挤出，从而造成

28、背压迫 使运动柱塞降速制动，实现缓冲。目前普遍采用在缸进出口设单向节流阀图 3.13(d)，可调节缓冲效果。(a)圆柱形环隙式(b)圆锥形环隙式(c)可变节流槽式(d)可调节流孔试图3.13液压缸缓冲装置3.3.4排气装置液压传动系统往往会混入空气，使系统工作不稳定，产生振动，爬行或前冲 等现象，严重时会使系统不能正常工作。因此，设计液压缸时，必须考虑空气的 排除。对于要求不高的液压缸，往往不设计专门的排气装置，而是将油口布置在缸 筒两端的最高处，这样也能使空气随油液排往油箱，再从油箱溢出，对于速度稳 定性要求较高的液压缸和大型液压缸，常在液压缸的最高处设置专门的排气装 置，如排气塞，排气阀等。当松开排气塞或阀的锁紧螺钉后，低压往复运动几次， 带有气泡的油液就会排出，空气排完后拧紧螺钉，液压缸便可正常。返回本章目录小 结液压缸用于实现往复直线运动和摆动，是液压系统中最广泛应用的一种液压 执行元件。液压缸有时需专门设计。设计液压缸的主要内容为：1. 根据需要的推力计算液压缸内径及活塞杆直径等主要参数；2. 对缸壁厚度、活塞杆直径、螺纹连接的强度及油缸的稳定性等进行必要 的校核；3. 确定各部分结构，其中包括密封装置、缸筒与缸盖的连接、活塞结构以 及缸筒的固定形式等，进行工作图设计。