3.2 液压缸的结构
单杆式液压缸为液压缸的典型结构。如图3.8所示为单杆式液压缸的结构。图中缸体5和前端盖1、后端盖8分开，便于加工缸体5的内孔。活塞3、活塞杆4和导向套11上都装有密封圈，使单杆式液压缸被分隔为两个互不相通的油腔。当活塞腔吸油而活塞杆腔压油时，可实现工作行程，当从相反方向吸油和压油时，则实现回程。此外，在单杆式液压缸的两端还装有缓冲装置，当活塞3高速运动时，能保证在行程终点准确定位并防止冲击；当活塞3退回左端时，活塞头的缓冲柱塞插入前端盖1的孔内，活塞腔的油液必须经过节流阀13才能排出，所以在活塞腔形成了回油阻力，使活塞运动得到缓冲。调整节流阀13的开口，可以得到合适的回油阻力。当活塞3运动到左端时，单向阀14可使油液不受节流阀13的影响；当活塞3运动到右端时，活塞杆4上加粗的部分插入后端盖8的孔中，使油液从节流阀13中排出。导向套11对活塞杆4起导向和支承的作用，为了便于磨损后而进行更换，应设计为可拆卸式结构。
综上所述，液压缸系统主要由缸体组件、活塞组件、密封装置、缓冲装置和排气装置五个主要部分组成。
图3.8 单杆式液压缸的结构
1—前端盖；2—活塞密封圈；3—活塞；4—活塞杆；5—缸体；6—拉杆；7—活塞杆密封圈；8—后端盖；9—防尘圈；10—泄油口；11—导向套；12—固定密封圈；13—节流阀；14—单向阀
3.2.1 缸体组件
缸体组件与活塞组件构成的密封腔需承受一定的油压。因此，缸体组件要有足够的强度、较高的表面精度和可靠的密封性。缸体组件包括缸筒和缸盖，其使用材料、连接方式与工作压力有关。当p<10MPa时，使用铸铁缸筒；当10MPa≤p<20MPa时，使用无缝钢管；当p≥20MPa时，使用铸钢或锻钢。常用的缸筒和缸盖的连接方式如下：
（1）法兰连接。法兰连接具有结构简单、加工方便、连接可靠的优点，但要求缸筒端部有足够的壁厚，用以安装螺栓或旋入螺钉。采用这种连接方式时缸筒端部一般用铸造、镦粗或焊接等方式制成粗大的外径，如图3.9（a）所示。
图3.9 缸筒和缸盖的连接方式
（2）半环连接。半环连接具有工艺性好、连接可靠、结构紧凑的优点，但削弱了缸筒强度。这种连接方式常用于无缝缸筒与缸盖的连接，如图3.9（b）所示。
（3）螺纹连接。有外螺纹连接和内螺纹连接两种。它具有体积小、质量轻、结构紧凑的优点，但缸筒端部结构复杂。这种连接方式常用在无缝钢管或铸钢的缸筒上，如图3.9（c）（f）所示。
（4）拉杆连接。拉杆连接具备结构简单、工艺性好、通用性强的优点，但缸盖的体积和质量较大，拉杆受力后会变形，影响密封效果，适用于长度较小的中低压缸。
（5）焊接连接。焊接连接具有强度高、制造简单的优点，但焊接时易引起缸筒变形，且无法拆卸。
3.2.2 活塞组件
活塞组件由活塞、活塞杆和连接件等组成。活塞一般用耐磨铸铁制成，活塞杆不论空心或实心，大多用钢料制成。活塞和活塞杆的连接方式如下：
①整体连接和焊接连接。整体连接和焊接连接具有结构简单、轴向尺寸紧凑的优点，但损坏后需要整体更换。
②锥销连接。锥销连接具有加工容易、装配简单的优点，但承载能力小，需要有必要的防脱落措施。
③螺纹连接。螺纹连接具有结构简单、装拆方便的优点，但需要备有螺母防松装置，如图3.10（a）所示。
④半环连接。半环连接具有强度高的优点，但其结构复杂，装拆不便，如图3.10（b）所示。
图3.10 活塞和活塞杆的连接方式
活塞和活塞杆的连接方式很多，但无论采用哪种连接方式，都必须保证连接可靠。
3.2.3 密封装置
密封装置可用来防止工作介质的泄漏，防止外界空气、灰尘、污垢与异物的侵入。起密封作用的元件称为密封件。设计或选用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，除此以外应满足，摩擦阻力小、耐油、抗腐蚀、耐磨、寿命长、制造简单、拆装方便的要求。液压缸的密封装置主要包括活塞、活塞杆处的动密封和缸盖等处的静密封。常用的密封方法有间隙密封和密封圈密封等。
1.间隙密封
间隙密封是一种常用的密封方法，它依靠相对运动零件配合面间的微小间隙来防止泄漏，由环形缝隙轴向流动理论可知，泄漏量与间隙的三次方成正比，因此可用减小间隙的办法来减小泄漏。一般间隙为0.01～0.05mm，这就要求配合面有很高的加工精度。
在活塞的外圆表面一般开几道宽0.3～0.5mm、深0.5～1mm、间距2～5mm的环形沟槽，称平衡槽，其作用如下：使活塞具有自位性能，由于活塞的几何形状和同轴度误差，工作压力油在密封间隙中的不对称分布将形成一个径向不平衡力，称为液压卡紧力，它使摩擦力增大，开平衡槽后，使得径向液压力趋于平衡，使活塞能够自动对中，减小了摩擦力；由于同心环缝的泄漏要比偏心环缝小得多，活塞的对中减少了油液的泄漏量，提高了密封性能；平衡槽具有自润滑作用，油液储存在平衡槽内使活塞能自动润滑。
间隙密封的特点是结构简单、摩擦力小、耐用，但对零件的加工精度要求较高，且难以完全消除泄漏。故只适用于低压、小直径的快速液压缸。
2.活塞环密封
活塞环密封依靠装在活塞环形槽内的弹性金属环紧贴缸筒内壁实现密封。如图3.11所示。它的密封效果较间隙密封好，适用的压力和温度范围很宽，能自动补偿磨损和温度变化的影响，能在高速条件下工作，摩擦力小，工作可靠，寿命长，但不能完全密封。活塞环的加工复杂，缸筒内表面加工精度要求高，一般用于高压、高速和高温的场合。
图3.11 活塞环密封
1—缸筒；2—螺母；3—活塞；4—活塞杆；5—活塞环
3.密封圈密封
密封圈密封是液压系统中应用最广泛的一种密封，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、聚氨酯等。
（1）O形密封圈
O形密封圈的截面为圆形，主要用于静密封和速度较低的滑动密封，其结构简单紧凑，安装方便，价格便宜，可在-40～120℃的温度范围内工作。但与唇形密封圈相比，其寿命较短，密封装置机械部分的精度要求高，启动阻力较大。O形密封圈的使用速度范围为0.05～0.3m/s。
O形密封圈的密封原理如图3.12（a）所示，O形密封圈装入密封糟后，其截面受到压缩后变形。在无液压力时，靠O形密封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，O形密封圈挤向槽一侧，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形密封圈就会被挤入间隙中而损坏，为此需在O形密封圈低压侧设置聚四氟乙烯或尼龙削成的挡圈，其厚度为1.25～2.5mm，双向受高压时，两侧都要加挡圈，其结构如图3.12（b）所示。
图3.12 O形密封圈的密封结构原理
（2）V形密封圈
V形密封圈的截面为V形，如图3.13所示，V形密封装置是由压环、V形密封圈和支承环组成。当工作压力高于10MPa时，可增加V密封形圈的数量，提高密封效果。安装时，V形密封圈的开口应面向压力高的一侧。
V形密封圈密封性能良好，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p>50MPa、温度-40～80℃的条件下工作。
图3.13 V形密封圈
（3）Y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，故应用很普遍。Y形密封圈主要用于往复运动的密封，根据截面长宽比例的不同，Y形密封圈可分为宽断面和窄断面两种形式。图3.14所示为宽断面Y形密封圈。
Y形密封圈的密封作用取决于它的唇边对耦合面的紧密接触程度，在压力油作用下，唇边对耦合面产生较大的接触压力，从而达到密封的目的。当液压力升高时，唇边与耦合面贴得更紧，接触压力更高，密封性能更好。
Y形密封圈安装时，唇口端面应对着压力高的一侧，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3.14（b）所示。
宽断面Y形密封圈一般适用于工作压力p<20MPa，工作温度为-30～100℃，使用速度小于0.5m/s的场合。窄断面Y形圈一般适用于工作压力p<32MPa，使用温度为-30～40℃的场合。
图3.14 Y形密封圈
4.缓冲装置
当液压缸拖动负载的质量较大、速度较高时，一般应在液压缸中设缓冲装置。必要时还需在液压传动系统中设缓冲回路，以免在行程终端发生过大的机械碰撞，导致液压缸损坏。缓冲的原理是当活塞或缸筒接近行程终端时，在排油腔内增大回油阻力，从而降低液压缸的运动速度，避免活塞与缸盖相撞。液压缸中常用的缓冲装置如图3.15所示。
图3.15 液压缸缓冲装置
（1）圆柱形环隙式缓冲装置：如图3.15（a）所示，当缓冲柱塞进入缸盖上的内孔时，缸盖和缓冲活塞间形成缓冲油腔，被封闭油液只能从环形间隙δ排出，产生缓冲压力，从而实现减速缓冲。这种缓冲装置在缓冲过程中，由于其节流面积不变，故缓冲开始时，产生的缓冲制动力很大，但很快就降低了。其缓冲效果较差，但这种装置结构简单，制造成本低，所以在系列化的成品液压缸中多采用这种缓冲装置。
（2）圆锥形环隙式缓冲装置：如图3.15（b）所示，由于缓冲柱塞为圆锥形，所以缓冲环形间隙δ随位移的增大而缩小，使机械能的吸收较均匀，其缓冲效果较好。
（3）可变节流槽式缓冲装置：如图3.15（c）所示，在缓冲柱塞上开有由浅入深的三角节流槽，节流面积随着缓冲行程的增大而逐渐减小，缓冲压力变化平缓。
（4）可调节流孔式缓冲装置：如图3.15（d）所示，在缓冲过程中，缓冲腔油液经小孔节流排出，调节节流孔的大小，可控制缓冲腔内缓冲压力的大小，以适应液压缸不同的负载和速度工况对缓冲的要求，同时当活塞反向运动时，高压油从单向阀进入液压缸内，活塞也不会因推力不足而产生启动缓慢或困难等现象。
5.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。图3.16所示为排气塞，当松开排气塞螺钉后，在低压情况下，液压缸往复运动几次，带有气泡的油液就会排出，空气排完后拧紧螺钉，液压缸便可正常工作。
图3.16 排气塞结构