第四章 液压缸

1. 第四章 液压缸 本章主要讲述液压缸的工作原理、结构、 特 性、计算，掌握缸的基本参数计算。 4.1 液压缸的工作原理、类型和特点 4.2 液压缸基本参数的计算 4.3 液压缸的典型结构 4.4 液压缸的计算

6. 液压缸内部结构

7. 第一节 液压缸的工作原理、类型和特点 • 一、 液压缸的工作原理 当缸筒固定，左腔连续地 输入压力油，当油的压力足以 克服活塞杆上的所有负载时， 活塞以速度连续向右运动，活 塞杆对外界做功。 • 反之，往右腔输入压力油时， 活塞以速度向左运动，活塞杆也 对外界做功。这样，完成了一个 往复运动。这种液压缸叫做缸筒固定缸。 • 若活塞杆固定，左腔连续地输入压力油时，则缸筒向左运动。当往右腔连续地通入压力油时，则缸筒右移。这种液压缸叫活塞杆固定缸。 • 因此，缸输入的压力，流量，以及输出作用力和速度是液压缸的主要性能参数。

8. 二、液压缸的分类 • 按供油方向分，可分为单作用缸和双作用缸。 • 按结构形式分，可分为活塞缸、柱塞缸、摆动缸和伸缩套筒缸。 • 按缸的特殊用途分，可分为串联缸、增压缸、增速缸、步进缸等。

10. 第二节 液压缸基本参数的计算 • 一、双活塞杆缸的计算 • 双作用活塞杆缸活塞的运动速度。 • 活塞杆上理论的输出力等于活塞两侧有效面积和活塞两腔压力差的乘积。 • 以上计算未考虑油从活塞的一腔到另一腔的内泄漏和端盖与活塞杆之间的外泄漏以及活塞和缸筒、活塞杆和端盖之间的摩擦力。 • 由以上公式可知，这类缸在两个方向上的运动速度和输出力均相等。

11. 二、单活塞杆缸的计算 • 当压力油进入无杆腔的流量 活塞右移速度为， 输出力为： 当压力油进入有杆腔的流量为 时

12. 第四章 液压缸 第二节 液压缸基本参数计算 若, , 则以上四式将分别为：

13. 活塞的输出力为 结论：活塞速度与活塞有效面积成反比；活塞输出的力 和活塞的有效面积成正比。 单活塞杆差动连接形式： 若往单活塞杆缸的无杆腔中供压力油，将有杆腔排 出的油再接回到无杆腔，则称为差动连接缸。 差动连接缸

14. 将未差动连接的缸和差动连接缸比较后可见，后者的速度比较快，但输出力较小。将未差动连接的缸和差动连接缸比较后可见，后者的速度比较快，但输出力较小。 • 若 ，即 ，则差动连接缸在两个方向上的速度相等、输出力也相等。这是因为：设活塞左行的速度 设活塞左行的输出力为 差动连接缸常用于进程需要快速运动的场合。

15. 三、 柱塞缸 柱塞缸只能实现一个方向的运动，反向运动要靠外力。这种液压缸中的柱塞和缸筒不接触，运动时由缸盖上的导向套来导向，因此缸筒的内壁不须精加工。它特别适用于在行程较长的场合。柱塞缸输出的推力和速度分别为： 往复式柱塞缸

16. 四、摆动缸 (a)单叶片式 (b) 双叶片式 摆动液压缸是实现往复旋转运动的执行元件，输入为压力和流量，输出为转矩和角速度。摆动液压缸的结构比连续转动的液压马达结构简单，以叶片式摆动液压缸使用得较多。

17. 单叶片摆动缸输出扭矩为： 单叶片摆动缸排量和角速度： 单叶片受力分析 双叶片式摆动缸，它的摆角较小、可达 ，它的输出转矩是单叶片式的两倍，而角速度则是单叶片式的一半。

18. 五、 组合式液压缸 • 1、串联液压缸 右图是由两个缸组成的串连液压缸。两个缸分别有自己的进油口、出油口，缸筒固定在同一个活塞杆上。两个缸的进油口相连，出油口也相连。串连液压缸的输出力是两个缸输出力的总和。 • 2、增压缸 串联液压缸 增压缸也称增压器，其工作原理见图： 增压缸在同一个活塞杆上的两个活塞直径不同。当低压油 进入缸右端时，活塞向右运动，输出高压油 。根据活塞杆的力平衡关系可得： 不连续动作型增压缸 面积A1和A2的差越大，压力放大倍数越大，但输出的流量越小。 反向通油时，活塞杠左移是空回行程，无高压油输出，此种类型的增压缸不能连续输出高压油。

19. 位置 油口的通断情况 行程 A B C D Ⅰ － ＋ ＋ － 0 Ⅱ － ＋ － ＋ L/2 Ⅲ ＋ － ＋ － L Ⅳ ＋ － － ＋ 3L/2 3．增速缸 增速缸的原理图见图 ： 先从a口供油使活塞2以较快的速度右移。 活塞2运动到某一位置后，再从b口供油，活塞 2以较快的速度右移，同时输出力也相应增大。 4．多位液压缸 此类缸由两个单缸组成，有A、B、C、D 4个油口。改变各油口的通断状况，即可得到4种缸的伸出位置。油口的通断可用换向阀控制。 增速缸的原理图 多位液压缸原理

20. 5．伸缩缸 • 下图所示是一种双作用式伸缩缸。通入压力油时各级活塞按有效面积大小依次先后动作，并在输入流量不变的情况下输出推力逐级减小，速度逐级加大，其值为： 双作用式伸缩缸

21. 6．齿轮齿条缸 下图为一齿轮齿条缸。它由两个柱塞缸和一套齿轮齿条传动装置组成，柱塞的移动经齿轮齿条传动装置变成齿轮的转动，用于实现工作部件的往复摆动或间隙进给运动。 齿轮齿条缸

22. 第四章 液压缸 第三节、液压缸典型结构 一 、液压缸典型结构举例 右图所示是一个双作用单杆活塞液压缸的结构 图，它的主要零件是缸底2、活塞8、缸筒11、活 塞杆12、导向套13和端盖15。以下将介绍缸主要 零件的几种常见结构。 双作用单杆活塞液压缸的结构 此类缸的工作压力为12—15MPa。 二 、液压缸的组成 从上面的图示结构可以看到，液压缸的结构组成基本上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，分述如下。

23. 第三节 液压缸的典型结构 1.缸筒和缸盖 图a为法兰连接式 一般地说，缸筒和缸盖的结构形式和其使用的材料有关。 工作压力时使用铸铁；在时使用无缝钢管；时使用铸钢或锻钢。 图4-14所示为常见的缸筒和缸盖结构形式。 图b为半环连接式。 图c、f为螺纹连接 图ｄ为拉杆连接式 图ｅ为焊接式连接 常见的缸筒和缸盖结构

24. 2.活塞和活塞杆 活塞和活塞杆的结构形式很多，常见的有一体式、锥销式连接外、 还有螺纹式连接和半环式连接等多种型式，见图4－15所示。 螺纹式连接结构简单，装拆方便，但在高压大负载下需备有螺帽防 松装置。半环式连接结构较复杂，装拆不便，但工作较可靠。 此外，活塞和活塞杆也有制成整体式结构的，但它只适用于尺寸较 小的场合。活塞一般用耐磨铸铁制造，活塞杆则不论是空心的还是实心， 大多用钢料制造。 (a) 螺纹式连接 (b) 半环式连接

25. 3.密封装置 图a为间隙密封，它依靠运动件间的微小间隙来防止泄漏。为了提高这种装置的密封能力，常在活塞的表面上制出几条细小的环形槽，以增大油液通过间隙时的阻力。 图b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形圈弹力作用下贴紧缸壁而防止泄露。 密封装置 图c、d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。 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，因此常需要在活塞杆密封处增添防尘圈，并放在向着活塞杆外伸的一段。

26. 4.缓冲装置 液压缸中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在 活塞和缸盖之间封住一部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出，产生很大 的阻力、使工作部件受到制动、逐渐减慢运动速度，达到避免活塞和缸盖 相互撞击的目的。 液压缸中常用的缓冲装置有节流口可调式和节流口变化式两种。

27. 5.排气装置 液压缸中的排气装置通常有两种形式：一种是在缸盖的最高部位处开排气孔，用长管道接向远处排气阀排气（图4-17 a）；另一种是在缸盖最高部位安装排气塞（图4-17b）。 排气装置在液压缸中是十分必要的，这是因为油液中混入的空气或液压缸长期不使用外界侵入的空气都积聚在缸内最高部位处，影响液压缸运动平稳性——低速时引起爬行，启动时造成冲击，换向时降低精度等等。 排气装置

28. 第四章 液压缸 第四节 液压缸的计算 一、液压缸设计中应注意的问题： 1)尽量使活塞杆在受拉状态下承受最大负载，或在受压状态 下具有良好的纵向稳定性。 2)考虑液压缸行程终了处的制动问题和液压缸的排气问题。 缸内如无缓冲装置和排气装置。 3)正确确定液压缸的安装、固定方式。液压缸只能一端定位 4)液压缸各部分的结构需根据推荐的结构形式和设计标准进 行设计，尽可能做到结构简单、紧凑，加工、装配和维修 方便。

29. 活塞杆 受力情况 受拉伸 受压缩，工作压力P1(MPa) 8 10 12 16 P1 ≦ 5 20 25 5 ≦ P1 < 7 32 P1 > 7 40 50 63 80 活塞杆直径 100 （0.3-0.5）D 125 160 （0.5-0.55）D 200 250 （0.6-0.7）D 320 0.7D 400 二、液压缸主要尺寸的确定 缸筒内径 系列（GB2348－80）mm 1.缸筒内径：　液压缸的缸筒内径是根据负载大小和选定的工作压力，或运动速度和输入的流量。 2.活塞杆直径： 液压缸活塞杆直径按工作时的受力情况来决定。 液压缸活塞杆直径 推荐值

30. 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 活塞杆直径 系列（GB2348－80）mm 3 .设计压力: 液压件的额定压力是在指定的运转条件下液压件能长期正常工作的压力，又称为公称压力。 液压件的工作压力是指在系统中所承受的压力，若负载变化工作压力的大小也随之变化。在使用中，不希望工作压力高于额定压力。但在特殊情况下，也允许在极短的时间内工作压力超过额定压力。 元件的试验压力远远超过额定压力；缸的设计压力的数值等于额定压力。 若系统的额定压力已确定，则取系统压力为设计压力。 若系统的额定压力尚未确定，可参照或类比相同的主机选定缸的设计压力，见表4-7。

31. 第四章 液压缸 主 机 类 型 系 统 压 力( ) 第四节 液压缸的计算 精工加机床 0.8-2 半精工加机床 3-5 粗加工或重型机械 5-10 农业机械、小型工程机械、工程机械的辅助机构 10-16 液压机、重型机械、超重机、大中型工程机械 20-32 各类主机常用系统压力 4. 缸筒长度:液压缸的缸筒长度由最大工作行程决定，缸筒的长度一般最好不超过其内径的20倍。

32. 三、强度校核 液压缸的缸筒壁厚、活塞杆直径和缸盖处固定螺栓的直径，在高压系统中必须进行强度校核。其它零件如活塞、导向套、端盖、放气阀、管接头、密封件不需要进行强度计算，可参阅有关设计手册直接选用。 1 .缸筒壁厚:缸筒壁厚校核时分薄壁和厚壁两种情况。 当 时为薄壁，壁厚按下式进行校核： (4-23) 当 时，壁厚按下式进行校核：(4-24) 2. 活塞杆直径d:活塞杆的直径d按下式进行校核：

33. 四、稳定性校核 活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的轴向力F不能超过使它保持稳 定工作所允许的临界负载 ，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工 作。 的值与活塞杆材料性质、截面形状、直径和长度以及液压缸的安 装方式等因素有关。 活塞杆稳定性的校核依下式（稳定条件）进行： 当活塞杆的细长比 时, 当活塞杆的细长比 时，且 ，则

34. 支 承 方 式 支承说明 末端系数ψ2 一端自由 一端固定 1/4 两端饺结 1 一端饺结 一端固定 2 两端固定 4 液压缸支承方式和末端系数ψ2的值

35. 材料 ×108N/m2 α ψ1 铸铁 5.6 80 锻钢 2.5 110 软钢 3.4 90 硬钢 4.9 85 五、缓冲计算 液压缸的缓冲计算主要是估计缓冲时缸内出现的最大缓冲压力，以便用来校核缸筒强度、制动距离是否符合要求。缓冲计算中如发现工作腔中的液压能和工作部件的动能不能全部被缓冲腔所吸收时，制动中就可能产生活塞和缸盖相碰现象。 、α、ψ1的值

36. 液压缸在缓冲时，背压腔内产生的液压能和工作部件产生的机械能分别为:液压缸在缓冲时，背压腔内产生的液压能和工作部件产生的机械能分别为: 工作部件 的动能 高压腔中的液压能 摩擦能 当 时，工作部件的机械能全部被缓冲腔液体所吸收，由上两式得: 如缓冲装置为节流口可调式缓冲装置，在缓冲过程中的缓冲压力逐渐低，假定缓冲压力线性地降低，则最大缓冲压力即冲击压力等于　

37. 第四节 液压缸的计算 第四章 液压缸 如缓冲装置为节流口变化式缓冲装置，则由于缓冲压力始终不变， 最大缓冲压力的值即如前式所示。 液压缸的缓冲装置原理