4.2 液压缸

液压缸属于液压系统的执行元件，是用来驱动工作机械做往复直线运动的一种能量转换装置。液压缸具有结构简单，工作可靠，加工工艺容易，维护检修方便，易于布置和安装，可频繁换向等优点，与杠杆、齿轮齿条、棘轮棘爪等机构配合还能实现多种机械运动。因此液压缸广泛应用在农业机械、工程机械和拖拉机等各类液压系统中。

4.2.1 液压缸的类型及其特点

液压缸有多种形式。按作用方式可分为单作用式和双作用式两种。单作用式液压缸只有一个通油口，压力油只能通入缸的一腔，使活塞（或柱塞）做单方向运动；反向运动必须依靠外力（如弹簧力或自重等）来实现。双作用式液压缸有两个通油口，压力油经两通油口分别与两腔相通，控制活塞两个方向的运动。按结构分类有柱塞式、活塞式、复合式等。

图4-12 柱塞式液压缸结构

1—缸筒 2—钢丝 3—柱塞 4—导向套 5—O形密封圈 6—V形密封圈 7—防尘圈

1.柱塞式液压缸

一般单作用式液压缸多为柱塞式液压缸，其结构如图4-12所示。缸体内壁和柱塞不接触，因此缸体内壁无表面粗糙度要求，可粗加工或不加工，工艺性好，更适用于长行程。柱塞可采用无缝钢管制成，为了增强其耐磨性和防锈性，表面可镀铬。工作时柱塞总是受压，所以必须具有足够的刚度。为了保证柱塞在液压缸内沿中线伸出后的稳定性，在柱塞与缸体间安装有导向套，柱塞和导向套有配合要求。柱塞和缸体端部用V形密封圈密封，缸盖内孔还装有防尘圈防止尘土进入液压缸。缸体上方设有排气螺塞，用以排除缸内积存的空气。

柱塞式单作用液压缸只有一个通油孔，靠液压力只能实现一个方向的运动，如图4-13a所示。当输入压力油时，推动柱塞带动活塞杆伸出；回程时柱塞依靠自重和工作装置重力（液压缸竖直放置时）或其他外力作用实现返回。为了得到双向运动，柱塞缸常成对使用，如图4-13b所示。其中一个缸输入压力油，柱塞伸出，带动另一缸柱塞缩回，排出油液。反向运动时，与此正相反。柱塞端面是受压面，其面积大小决定了缸的输出速度和推力。为保证有足够的推力和稳定性，柱塞往往较粗，重量较大，水平安装时易造成密封件和导向件单边磨损，故柱塞式液压缸更适于竖直安装使用。

图4-13 柱塞式液压缸

a）柱塞式单作用液压缸 b）柱塞式双向液压缸

柱塞式液压缸结构简单，制造容易，成本低廉，适用于工作行程较长的场合，如龙门刨床、导轨磨床、水压机缸筒、液压电梯长液压缸等。

柱塞缸的实际输出作用力F和实际运动速度v的计算式为

式中 d———柱塞的直径；

p———液体的工作压力；

η_m———液压缸的机械效率；

Q———柱塞缸的输入流量；

η_V———液压缸的容积效率。

2.活塞式液压缸

（1）双作用单活塞杆液压缸单活塞杆液压缸的活塞只有一端带活塞杆，其结构如图4-14所示，主要由以下几部分组成。缸体部分由端盖1和缸筒2组成。活塞部分由活塞5和活塞杆10组成。密封部分是为了防止油液内外泄漏，在缸筒与活塞之间，活塞杆与导向套之间、缸筒和两侧端盖之间分别装了密封圈4、7和8。此外在前端与活塞杆之间装有导向套6和防尘圈9。油口A和B均通压力油和回油，实现双向液压驱动，所以单活塞杆液压缸同时也是双作用式液压缸。

图4-14 单活塞杆液压缸结构

1—端盖 2—缸筒 3—支撑环 4、7、8—密封圈 5—活塞 6—导向套 9—防尘圈 10—活塞杆

单活塞杆液压缸左右两腔的有效工作面积不相等，如图4-15所示。

图4-15 液压缸推力和速度计算

a）无杆腔通压力油 b）有杆腔通压力油

当分别给两腔输入压力相等的压力油时，所得两个方向推力是不相等的，其推力分别为

式中 F₁、F₂———压力油分别进入无杆腔、有杆腔时的推力；

p₁、p₂———高压腔、回油腔的压力；

A₁、A₂———无杆腔、有杆腔的活塞有效工作面积；

D、d———活塞和活塞杆的直径；

η_m———液压缸机械效率。

当分别给两腔输入相同流量的压力油时，液压缸往复运动速度也是不相等的，其速度分别为

式中 Q———输入液压缸的油液流量；

v₁、v2———压力油输入无杆腔、有杆腔时活塞的运动速度。

在活塞往复运动速度有一定要求的情况下，单活塞杆液压缸的活塞杆直径d通常根据无杆腔和有杆腔活塞面积比A₁/A₂、速度比φ的要求以及缸筒内径来确定。

上式表明，当d愈小，φ愈接近于1，两方向的速度差值愈小。但为了防止返回速度过大造成冲击，设计时一般选取φ<1.61，若D已知则可算出活塞杆的直径d。

单活塞杆液压缸两腔速度比φ和直径比d/D之间的关系，见表4-1。

表4-1 速度比φ与d/D之间的关系

当液压油同时通入单活塞杆液压缸的两腔时，如图4-16所示，由于作用在活塞两侧端面上的推力不等，无杆腔作用力较大，使活塞杆伸出，此时有杆腔的油液挤出，并与泵供给油液汇合后流入无杆腔，加快活塞杆伸出速度，这种工况称为差动连接。

差动连接时，泵的供油流量为Q，无杆腔输入油量为Q₁，有杆腔输出油量Q₂，则

图4-16 差动连接液压缸

Q₁=Q+Q₂ （4-19）

推力F₃和速度v₃分别为

由式（4-21）和式（4-22）可知

式中 F₃———汇合后的压力油进入无杆腔时的推力；

v₃———汇合后的压力油进入无杆腔时活塞的运动速度；

p———系统的压力；

A₁、A2———无杆腔、有杆腔的活塞有效工作面积；

D、d———活塞和活塞杆的直径；

η_m———液压缸机械效率；

η_V———液压缸容积效率。

由此可见，双作用单出杆差动连接与非差动连接，在供油量Q相同的情况下，速度差别很大，若改变d的值，可以得到各种不同的往复运动速度。若要使差动连接的活塞往复运动速度相等，即v₂=v3

则当活塞的直径D是活塞杆直径d的倍时，可使差动连接时缸的往复运动速度相等。

（2）双作用双活塞杆液压缸 双活塞杆液压缸两端均有活塞杆伸出，且两活塞杆直径通常相等，活塞两端的有效面积相同，如图4-17所示。如果供油压力和流量不变，那么活塞往复运动时两个方向的作用力和速度均相等，即

式中 F₁、F₂———活塞（或缸筒）两端的作用力；

v₁、v2———活塞（或缸筒）双向运动速度；

Q———供油流量；

p₁、p2———分别为缸进、回油压力；

A———活塞有效面积；

D———活塞直径；

d———活塞杆直径。

图4-17 双活塞杆液压缸结构

1—活塞杆 2—压盖 3—缸盖 4—缸筒 5—活塞 6—密封圈

双活塞杆液压缸在传动时活塞杆只承受拉力，多数用于机床。将缸筒固定在床身上，活塞杆和工作台连接时，工作台运动所占空间长度为活塞有效行程的三倍，如图4-18a所示，这种双活塞杆液压缸多用于小型机床；将活塞杆固定在床身上，缸筒与工作台连接时，工作台运动所占空间长度为液压缸有效行程的二倍，如图4-18b所示，这种双活塞杆液压缸适用于中型及大型机床。

图4-18 双活塞杆液压缸运动所占长度

a）三倍行程长度 b）二倍行程长度

3.复合式液压缸

（1）伸缩式液压缸 伸缩式液压缸又称多级液压缸。当安装空间受到限制而行程要求很长时可采用这种液压缸。它可以是单作用式，也可以是双作用式，柱塞式、活塞式均可。

活塞式双作用伸缩式液压缸的结构有两级活塞，第Ⅰ级活塞为套筒式，兼作第Ⅱ级活塞的套筒，第Ⅱ级为活塞式，如图4-19所示。当压力油通过油口A进入B腔后，压力油同时作用在第Ⅰ级和第Ⅱ级活塞上。由于油腔E经油口F与油箱相通，而负载与第Ⅱ级活塞杆相连，因此第Ⅱ级活塞连同第Ⅰ级活塞一起在较低的压力推动下克服负载向外伸出，如图4-19a所示。当第Ⅰ级活塞运动到终点后，如图4-19b所示，第Ⅱ级活塞则在较高压力作用下继续外伸，直到行程终点，如图4-19c所示。仅第Ⅱ级活塞外伸时，回油腔C的油液经第Ⅰ级活塞的环形槽D，由油口F回油箱。

若改变通油方向，由F口进入压力油，则第Ⅱ级活塞先缩回，当运动到第Ⅰ级活塞套筒底部后，如图4-19b所示，两级活塞一道缩回，B腔油液经A口回油箱。

图4-19 活塞式双作用伸缩缸

a）两级活塞均缩回状态 b）第Ⅰ级活塞伸出状态 c）两级活塞均伸出状态

柱塞式单作用伸缩缸如图4-20所示，只有一个油口。当油口接通压力油时，柱塞由面积大的至面积小的逐次伸出；当油口接回油箱时，柱塞在外负载或自重的作用下，由面积小的至面积大的逐次缩回。在此结构中，负载与最小面积的柱塞直接相连。

图4-20 柱塞式单作用伸缩缸

综上所述，伸缩缸具有如下特点：

1）伸缩缸工作的行程可以相当长，不工作时整个缸的长度可以缩得较短。

2）伸缩缸逐个伸出时，有效工作面积逐次减小。因此，当输入流量相同时，外伸速度逐次增大；当负载恒定时，液压缸的工作压力逐次增高。

3）单作用伸缩缸的外伸依靠油压，内缩依靠自重或负载作用。因此，多用于缸倾斜或竖直放置的场合。

（2）增压器 增压器常与低压大流量泵配合使用，可将输入的低压油转变为高压油供液压传动系统中高压支路使用。它的结构形式有双活塞式和活塞柱塞组合式，如图4-21所示。当输入压力p₁的液体推动增压器大活塞D时，即推动与其连成一体的小端d，同时输出较高压力p₂，增压器的特性方程为

式中 k———增压比。

增压是在降低液体有效流量的基础上实现的，说明增压器仅仅是增大输出压力，并不能增大输出能量。

单作用式增压缸运动到终点时，不能再输出高压液体，须退回再运行才继续输出高压液体，即只能在一次行程中输出高压液体，为此，可采用双作用式增压器，有两个高压端连续向系统输出高压液体。须注意的是增压器并不是执行元件，但其结构近于液压缸，所以在此处讲解。

图4-21 增压器

a）双活塞式 b）活塞柱塞组合式

（3）多速液压缸 为提高实际生产效率，经常采用各种方法来控制液压缸的运动速度，以缩短非工作时间。其中改变液压缸有效工作面积是提高生产效率的有效方法，多速缸就是运用此原理来控制其运行速度的。多速缸又称复合缸，其结构是以较大的活塞缸的活塞杆作为较小的活塞缸的缸体，再配上小活塞或柱塞组成，缸体与小活塞或柱塞固定，如图4-22所示。

多速液压缸的两个活塞在缸中的有效面积分别为A₁、A₂和A₃，且A₁>A₃>A₂。控制X、Y和Z三个通液孔的输入、输出液体组合，大活塞可实现6种运动速度和输出力，见表4-2。其中，p为液体工作压力，Q为流量。液压缸内腔由于活塞向下运动产生真空，单向阀被打开，流体从充液油箱经单向阀吸入腔内。多速缸结构紧凑、体积小，但制造技术要求高、难度大，常用于液压机、注塑机、机械手和数控机床的主轴等。

图4-22 双套多速缸

a）结构图 b）工作原理图

1—主缸体 2—主缸柱塞 3—主缸锁紧螺母 4—小活塞 5、7—充液阀 6—充液油箱

表4-2 多速缸的运动速度和输出力计算

4.2.2 典型液压缸的结构

1.缸体组件

缸体组件通常由缸筒、缸底、缸盖、导向环和支撑环组成，并与活塞组件构成密封容腔。缸体组件连接形式与其工作压力、材料以及工作条件等有关，因此要有足够的强度、较高的表面精度和可靠的密封性。常见的缸体组件连接形式有法兰式、半环式、螺纹式、拉杆式和焊接式，如图4-23所示。

图4-23 缸体组件连接形式

a）法兰式 b）半环式 c）外螺纹式 d）拉杆式 e）焊接式 f）内螺纹式

（1）法兰式连接 当工作压力较低且选用铸铁缸筒时，端盖连接多采用此法。这种结构是将缸筒端部铸成法兰，然后用螺栓与端盖连接。其结构简单，连接可靠，便于加工和拆装，应用比较广泛，但要求缸筒有较大尺寸的凸缘。

（2）半环式连接 半环式连接分为外半环和内半环两种形式。其结构紧凑，重量轻，工艺性好，连接可靠，拆装方便，但加工复杂，缸筒上开有安装槽，会削弱缸筒强度。外半环连接应用比较普遍，常用于无缝钢管缸筒与端盖的连接。

（3）螺纹式连接 螺纹式连接分为外螺纹式和内螺纹式两种形式。其结构紧凑，体积小，重量轻，连接可靠，但缸筒端部须加工螺纹，结构复杂，拆装不方便，适用于较小的缸筒。

（4）拉杆式连接 拉杆式连接结构简单，工艺性好，通用性强，便于拆装，但端盖体积和重量较大，拉杆受力会拉伸变长，影响密封效果，只适用于长度不大的中低压缸。

（5）焊接式连接 这种连接结构简单，体积小，强度高，但焊接时易变形，装卸困难。

2.活塞组件

活塞组件由活塞、活塞杆和连接件等组成。由于缸的工作压力、安装方式和工作条件的不同，活塞组件通常制成活塞与杆分离的结构形式，目的是易于加工和选材。由于活塞在缸筒内受压力作用做往复运动，因此必须具有一定的强度和良好的耐磨性，一般材质为钢或铸铁。活塞结构可分为整体式和组合式两类。活塞杆是连接活塞和工作部件的传力零件，它无论是实心还是空心的，必须有足够的强度和刚度，通常都是由钢制成的。由于活塞杆在导向套内往复运动，其外圆表面应耐磨并具有防锈性能，故表面有时镀铬。

活塞与活塞杆连接形式有螺纹式、半环式、整体式、焊接式和锥销式等。整体式和焊接式连接结构简单，尺寸紧凑，但损坏后须整体更换。一般在行程短，尺寸不大，活塞直径与杆直径相差不多时，可采用此连接方式。锥销式连接加工容易，装配简单，但承载能力小，且要考虑防止脱落问题，一般轻载时可采用此连接方式。螺纹连接如图4-24a所示，其结构简单，拆装方便，但须设置螺母防松装置，适用于负载较小，受力平稳的液压缸中，一般的工程机械采用此连接形式，应用较多。半环式连接如图4-24b所示，在活塞杆上开有环形槽，槽内装有两个半圆环，由轴套固定，结构虽较复杂，但强度高，一般在高压工作或振动较大时，采用该连接方式。

图4-24 活塞与活塞杆连接形式

a）螺纹式连接结构 b）半环式连接结构

3.行程定位装置

标准液压缸的行程为一定值，在某些场合使用时往往不需要全行程，因此，采用活塞行程的定位装置，可以根据工作需要来调节，确定活塞的起、停位置。在农机上使用的液压缸常采用的几种定位方式，如图4-25所示。

图4-25 活塞行程定位装置

a）定位阀形式 b）限位杆形式 c）加减垫圈形式

图4-25a所示是农机YG系列液压缸的定位装置，为了使活塞按其工作需要调节行程，特设有定位阀和挡块。活塞杆下降时，油液从A口进入液压缸的上腔，下腔的油液从B口流出。当挡块与定位阀座临近关闭瞬间，由于缝隙节流作用，在定位阀上、下端面形成压力差，使定位阀脱离挡块而迅速下移，“跳跃”进入阀座，关闭回油道，活塞停止下降，此时，定位阀尾端与挡块出现10～12mm的间隙，以便下次活塞上行运动。调节定位挡块相对活塞杆的位置，便可调节活塞的实际行程。图4-25b所示是在活塞杆上附加一对限位杆，根据需要在杆的孔中插入挡销即可调节活塞行程。图4-25c所示是可用加减垫圈的办法来限制活塞的行程。

4.缓冲装置

当驱动工作部件的质量较大，运动速度较高（v>0.2m/s）时，其惯性力较大，具有很大的动量。在活塞运动到缸筒的终端时，会与端盖发生机械碰撞，产生很大的冲击和噪声，严重影响控制精度，甚至会引起事故。所以一般大型、高速或高精度液压设备中的液压缸应配有缓冲装置。缓冲装置工作原理是利用活塞或缸筒在其运动至行程终端时，在活塞和缸盖之间封住一部分油液，强迫它从小孔或缝隙中挤出，以产生很大的阻力，使工作部件受到制动而逐渐减慢运动速度，达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。液压缸常见的缓冲装置如图4-26所示。

（1）固定间隙缓冲装置 固定间隙缓冲装置如图4-26a所示。当活塞移近缸盖时，活塞上的凸台进入缸盖凹腔，迫使封闭在回油腔中的油液从凸台或凹腔之间的环状间隙δ中挤压出来，使回油腔中压力升高而形成缓冲压力，从而使活塞减慢移动速度。这种缓冲装置结构简单，但缓冲压力不可调节，且实现减速所需行程较长，适用于移动部件惯性不大，移动速度不太高的场合。

（2）可变节流缓冲装置 可变节流缓冲装置如图4-26b所示。在活塞上开有横截面为三角形的轴向斜槽。当活塞移近液压缸缸盖时，油液经轴向斜槽与液压缸油孔之间形成的节流口流出，从而在回油腔中形成缓冲压力，使活塞受到制动作用。这种缓冲装置在缓冲过程中能自动改变其节流口大小（伴随活塞移近缸盖，节流口通流面积相应关小），使得缓冲作用均匀，冲击压力小，制动位置精度高。当活塞与缸盖之间的油腔进油时，单向阀处于开启状态，油液经阀口进入油腔，无阻尼作用，确保畅通进油。

（3）可调节流缓冲装置 可调节流缓冲装置如图4-26c所示。它不但有凸台和凹腔等结构，而且在缸盖中还装有针形节流阀和单向阀。当活塞移近缸盖时，凸台进入凹腔，由于凸台和凹腔间的间隙较小（有时还使用O形密封圈挡油），所以回油腔中的油液只能经针形节流阀流出，从而在回油腔中形成缓冲压力，使活塞受到制动作用。这种缓冲装置可以根据负载情况调整节流阀开口的大小，改变缓冲压力的大小。单向阀在缓冲过程中处于关闭状态，在活塞与缸盖之间的油腔进油时被打开，油液可经该阀进入油腔。

图4-26 缓冲装置

a）固定间隙缓冲装置 b）可变节流缓冲装置 c）可调节流缓冲装置

5.排气装置

当液压系统长时间停止工作，系统中的油液由于本身重量的作用和其他原因而流出时，易使空气吸入系统，如果液压缸中有空气或油中混入空气，会使液压缸运动不平稳，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，因此一般在工作前应使系统中的空气排出。

对于要求不高的液压缸，一般不设计专门的排气装置，而将油口设计在液压缸的最高部位（此处往往是空气聚积的地方），使空气随油液排往油箱，从油箱逸出。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。排气装置通常有两种：一种是在液压缸的最高部位处开排气孔，如图4-27a所示，排气孔通过管道外接排气阀进行排气，当系统工作时阀处于关闭状态；另一种是在液压缸的最高部位处装排气塞，如图4-27b所示，当松开螺钉后，在低压情况下，活塞往复运动几次，进行排气工作，待排完气体后旋紧螺钉，液压缸便可正常工作。

图4-27 排气装置

a）排气孔式 b）排气塞式

6.密封装置

液压缸中的密封主要指活塞和缸体之间、活塞杆和端盖之间的密封，防止内、外油液的泄漏。液压缸中密封性能的好坏，直接影响到液压缸的工作性能和效率，因此设计时应根据液压缸不同的工作条件来选用相应的密封方式。液压缸中常见的密封形式有密封圈密封、间隔密封和活塞环密封。密封圈密封是液压元件中应用最广的一种密封形式，现已成为标准模压件。

密封圈密封优点是结构简单，制造方便，成本低，能够自动补偿磨损，同时密封性能随压力增大而提高，所以密封可靠，对密封表面加工精度要求不高，固定件和运动件均可使用。制造材料应具有较好的弹性，适当的机械强度，耐热耐磨性能好，摩擦系数小，与金属接触不互相黏着和腐蚀，与液压油有很好的“相容性”。目前用得最多的是耐油橡胶，其次是尼龙和聚氨酯，有的为了增加耐磨性，在密封圈表面喷涂上一层聚四氟乙烯。

常用密封圈按其截面形状可分为O形密封圈和唇形密封圈，而唇形密封圈中又可分为Y形、V形等密封圈。

（1）O形密封圈 如图4-28a所示，O形密封圈外侧、内侧及端部都能起密封作用，一般适用于低于10MPa的工作压力。当压力过高时，可设置多道密封圈，并应加密封挡圈，以防止O形圈从密封槽的间隙中被挤出。O形圈具有简单，可靠，体积小，动摩擦阻力小，安装方便，价格低等优点，应用极为广泛。

（2）Y形密封圈 如图4-28b所示，其有密封性能好、弹性大、强度高等优点，工作时受液压力作用使唇张开，分别贴在轴表面和孔内壁上，起到密封作用。装配时应注意使唇边面对有压力的油腔。这种密封圈因摩擦力小，在相对运动速度较高的密封面处也能应用，其密封能力随压力增大而提高，并能自动补偿磨损。

（3）V形密封圈如图4-28c所示，它由三个不同截面的支承环、密封环和压环组成，其中密封环的数量根据工作压力大小而定。当工作压力小于10MPa时，使用三件一套已足够保证密封。它与Y形密封圈一样，在装配时也必须使唇边开口面对压力油作用方向。V形密封圈的接触面较长，密封性好，但摩擦力较大，在相对速度不高的活塞杆与端盖的密封处应用较多。

图4-28 密封圈

a）O形密封圈 b）Y形密封圈 c）V形密封圈