第五章 液压缸

（二）活塞和活塞杆 活塞和活塞杆的结构形式很多：有整体活塞和分体 活塞；有实心活塞杆和空心活塞杆。活塞与活塞杆 的连接有螺纹式和半环式等，如图5-10所示。
活塞受油压的作用在缸筒
内做往复运动，因此，活塞必 须具有一定的强度，对于没有
密封装置而仅靠间隙来保证密 封性能的活塞，还应该有良好的耐磨性。活塞一般用 钢或铸铁制造。活塞的结构通常分为整体式和组合式 两类。
（二）单杆活塞缸
• 图5-2所示为单杆活塞缸，它的进、出油口的布置视其安装 方式而定。
液压缸的一端有活塞杆 伸出，在另一端没有活塞杆 伸出，这样使液压缸两腔有 效作用面积不相等，当向液 压缸两腔分别供油，且压力 和流量都不变时，活塞在两 个方向上的运动速度和推力 都不相等。
当在无杆腔进油且有杆腔回油时，（如图 5.2 （ a ）），活塞 的运动速度1和推力F1分别为
（1）圆柱形环隙式缓冲装置 当缓冲柱塞进入缸盖上的内孔时，缸盖和活塞间形成缓冲缝隙，被封 闭油液只能从环形间隙排出，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，由于其通流截面面积不变，故缓冲开始时，产生 的缓冲制动力很大，但很快制动力就降低，其缓冲效果较差。但这种装置 结构简单、便于设计和降低制造成本，所以在一般系列化的液压缸中多采 用这种缓冲装置。
在缓冲过程中，缓冲腔油液经节流孔排出，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，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等现象。
（四）排气装置
液压传动系统中往往会混入空气，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，因此在设计 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 能使空气随油液排回油箱，再从油箱逸出。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， 如排气塞、排气阀等。图5.13所示为排气装置。当打开排气装置后， 低压往复运动几次，带有气泡的油液就会排出，排完空气后关闭排气 装置，液压缸便可正常工作。
三、其他液压缸
（一）增压缸
增压缸又称增压器。它 能将输入的低压油转变为 高压油供液压系统中的高 压支路使用。增压缸如图 5.5所示。它由面积不同 （分别为A1和A2）的两个 液压缸串联而成，大缸为 原动缸，小缸为输出缸。
D p3 p1 m d
2
（二）伸缩缸 2 Fi p Di mi 4 4q vi vi Di2
活塞杆是连接活塞和工作部件的传力零件，它必
须有足够的强度和刚度。活塞杆无论是实心的还是空 心的，通常都用钢料制造。活塞在导向套内往复运动， 其外圆表面应当耐磨并具有防锈能力，故活塞杆外圆 表面有时需镀铬。
（三）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，致使液压缸损坏。缓冲的原理:是使活塞 相对缸筒接近行程终端时，在排油腔内产生足够的缓冲压力，即增大 回油阻力，从而降低缸的运动速度，避免活塞与缸盖高速直接相撞。
图5.16 O形圈密封
q 4q v (m/s) 2 v A1 D F1 ( p1 A1 p2 A2 )m [ D 2 p1 D 2 d 2 p2 ]m 4 4 [ D 2 p1 p2 d 2 p2 ]m (N) 4 4
1
当在有杆腔进油且无杆腔回油时（如图5.2（b）），活塞 的运动速度2和推力F2分别为
2.密封件密封
（1）常用密封件
（a）O形密封圈。O形密封圈的截面为圆形，主要用于 静密封和滑动密封（转动密封用得较少）。其结构简单 紧凑，摩擦力较其他密封圈小，安装方便，价格便宜， 可在－40 ℃～120 ℃温度范围内工作。但与唇形密封圈 （如Y形圈）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形圈的使用速度范围为 0.005 ~ 0.3 m/s。O形圈密封原理如图5.13所示。
图5.3 差动连接液压缸
在差动连接时，有杆腔排出流量 q’=3A2进入无杆腔， 则有
3 A1 q 3 A2
在考虑了缸的容积效率v后，活塞杆的伸出速度3为
q v 4q 3 2 v A1 A2 d 欲使差动连接缸的往复运动速度相等，即3 =2 ，则
由式（5.5）和（5.8）得
D 2d 。
差动连接在忽略两腔连通回路压力损失的情况下， p2p1，并考虑到机械效率m时，活塞的推力F3为
F3 [ p1 A1 p2 A2 ]m [ D p1 ( D d ) p1 ]m d 2 p1m 4 4 4
2 2 2



3 A1 q 3 A2
F1 F2 p1 p2 A m p1 p2 v1 v2 4q v q v A D2 d 2

D 4
2
d 2 m



这种液压缸常用于要求往返运动速度相同的场合，如液压磨床等。 图5.1（a）所示为缸体固定式结构，液压缸的左腔进油，推动活塞向右 移动，右腔回油；反之，活塞反向移动。其运动范围约等于活塞有效行程的3 倍，占地面积大，一般用于中小型设备。 图5.1（b）所示为活塞杆固定式结构，液压缸的左腔进油，推动缸体向左 移动，右腔回油；反之，缸体反向移动。其运动范围约等于缸体有效行程的2 倍，因此常用于大中型设备中。实际上液压缸的运动范围还要考虑活塞和缸盖 等尺寸所占用的空间。
源自文库
第二节 液压缸的典型结构和组成
一、液压缸的典型结构举例
图5-8所示为单杆活塞式液压缸。
它由缸筒5，活塞12， 活塞杆8，前后缸盖 1、7，活塞杆导向 装置9、活塞前、后 缓冲柱塞4、11等主 要零件组成。
二、液压缸的组成
（一）缸筒和缸盖
缸筒和缸盖的常见连接结构形式如图5-9所示。
图5.9 缸体组件连接形式
v2 v v1
1 d 1 D
2
v 1 dD v
上式表明，当活塞杆直径愈小时，速度比愈接近于1， 在两个方向上的速度差值就愈小。
当单杆活塞缸两腔同时通入压力油时，如图5.3所示，由 于无杆腔受力面积大于有杆腔的受力面积，使得活塞向右的 作用力大于向左的作用力，因此活塞杆作伸出运动，并将有 杆腔的油液挤出，流进无杆腔，这样加快了活塞杆的伸出速 度，单杆活塞液压缸的这种连接方式被称为差动连接。
活塞缸的内孔精度要求很高，当行程较长时加工困难，这时 应采用柱塞缸。如图4.5a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。
柱塞缸只能制成单作用缸，回程由外力或自 重实现。在大行程设备中，为了得到双向运动，柱 塞缸常如图5.4（b）所示成对使用。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柱塞受压稳定，一般 柱塞较粗，重量较大，水平安装时由于自重变形易 产生单边磨损，故柱塞缸适宜于垂直安装使用。为 减轻重量，有时制成空心柱塞。水平安装使用时， 为防止柱塞自重下垂，通常要设置柱塞支承套和托 架。 柱塞缸结构简单，制造方便，常用于长行程机 床，如龙门刨、导轨磨、大型拉床等。
同的工作方式，从而获得快进（差动连接）、工进（无杆腔进油）、
快退（有杆腔进油）的工作循环。差动连接是在不增加液压泵容量和 功率的情况下，实现系统快速运动的有效方法。它的应用常见于组合
机床和各类专用机床中。
单杠缸往复运动范围是有效行程的2倍，其结构紧凑，应用广泛。
二、柱塞缸
单柱塞缸只能实现一个方向运动，反向要靠外力，如图5-4a 所示。 用两个柱塞缸组合，如图5-4b所示，也能用压力油实现往复 运动。
4q v q 2 v (m/s) 2 2 A2 D d F2 [ p1 A2 p2 A1 ]m [ D 2 d 2 p1 D 2 p2 ]m
[ D 2 p1 p2 d 2 p1 ]m (N) 4 4


4
4
液压缸往复运动时的速度比为
（2）圆锥形环隙式缓冲装置
由于缓冲柱塞为圆锥形，所以缓冲环形间隙随位移的变化而改变， 即通流截面面积随缓冲行程的增大而减小，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
在缓冲柱塞上开有由浅入深的三角节流沟槽，通流截面面积随着缓 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
多级缸又称伸缩缸，它由两级或多级活塞缸套装而成， 如图5.8所示。前一级缸的活塞是后一级缸的缸套，活塞杆伸 出的顺序是从大活塞到小活塞，相应的推力也是从大到小， 而伸出的速度则是由慢到快。空载缩回的顺序一般是从小活 塞到大活塞，伸出时，可以获得很长的工作行程，缩回后液 压缸总长度较短，占用空间较小，结构紧凑。多级缸适用于 工程机械和其他行走机械，如起重机伸缩臂液压缸、自卸汽 车举升液压缸等都是多级缸。
F3 [ p1 A1 p2 A2 ]m [ D p1 ( D d ) p1 ]m d 2 p1m 4 4 4
2 2 2



由上式知：差动连接时液压缸实际的有效作用面积是活塞杆的横 截面积。与非差动连接无杆腔进油工况相比，在输入油液压力和流量 都不变的条件下，活塞杆伸出速度较大而推力较小。在实际应用中， 液压传动系统常通过控制阀来改变单杆活塞缸的油路连接，使它有不
第五章 液压缸
第一节 液压缸的类型和特点 第二节 液压缸的典型结构和组成 第三节 液压缸的设计和计算
第一节 液压缸的类型和特点
活塞缸、柱塞缸。其压力、流量为输入，力和速 度为输出。
一、活塞缸
（一）双杆活塞缸
图5-1a所示为缸筒固定的双杆活塞缸。 图5-1b所示为活塞杆固定的双杆活塞缸。
活塞的两侧都有杆伸出。 当两侧活塞杆直径相同、 供油压力和流量不变时， 活塞（或缸体）在两个方 向上的运动速度v和推力F 都相等，即
一般把排气装置 安装在液压缸两 端盖的最高处。
（五）密封装置
在于防止液压缸工作介质的泄露和外界尘埃与异物侵入。缸 内泄漏引起容积率下降，达不到工作压力；缸外泄漏造成工作介 质浪费和污染环境。
1.间隙密封
图5-14为间隙密封，它依靠运动件间的微小间隙来防止泄漏。 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。由第 3 章中环 形缝隙流量公式可知，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 ~ 0.05 mm，这就要求配合 面加工有很高的精度。在活塞的外 圆表面一般开几道宽 0.3 ~ 0.5 mm， 深0.5 ~ 1 mm、间距2 ~ 5 mm的环 形沟槽，称平衡槽。
（a）法兰式。法兰式连接结构简单，加工方便，连接可靠，但 要求缸筒端部有足够的壁厚，用以安装螺栓或旋入螺钉。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。 （b）半环式。半环式连接分为外半环连接和内半环连接两种 形式。半环连接工艺性好，连接可靠，结构紧凑，但削弱了缸筒 强度。半环连接是应用十分普遍的一种连接形式，常用于无缝钢 管缸筒与端盖的连接中。 （c）螺纹式。螺纹式连接有外螺纹连接和内螺纹连接两种形 式，其特点是体积小、质量小、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、质量小的场合。 （d）拉杆式。拉杆式连接结构简单，工艺性好，通用性强， 但端盖的体积和质量较大，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缸。 （e）焊接式。焊接式连接强度高，制造简单，但焊接时易引起 缸筒变形。