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3 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 小 结
本章提要： 本章主要内容为 ①液压缸的类型及特点。②液压缸的设计计算。③液压缸的典型结构。④液压缸的密封。通过本章的学习，要求掌握液压缸设计中应考虑的主要问题，包括结构类型的选择和参数计算等，为液压缸设计打下基础。 教学内容：
本章介绍了液压缸、摆动缸的基本结构、工作原理和分类；提供了液压缸基
本参数计算。 教学重点：
1．液压缸的基本结构；
2．液压缸基本参数计算。 教学难点： 1．差动连接；
2．液压缸的动密封和静密封。 教学方法：
课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念，利用实
验，了解液压缸的结构及分类。 教学要求：
掌握液压缸、摆动缸的基本结构、工作原理和分类；了解液压缸基本参数计算。
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方式简图
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：
4qvq
A(D2d2)
v
（3.1）
F
4
(D2d2)(p1p2)m
（3.2）
式中:
p1、p2--分别为缸的进、回油压力；
v、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)当无杆腔进油时[图3.2（a）]，活塞的运动速度v1和推力F1分别为
q4q
vv
2
A1D
v1
（3.3）
F1(p1A1p2A2)m
4
[D2p1(D2d2)p2]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
q4qvv
22
A2(Dd)
v2
（3.5）
F2(p2A2p1A1)m
4
[(D2d2)p1D2p2]m
（3.6）
式中符号意义同式（3.1）、式（3.2）。
比较上述各式，可以看出：v2>v1,F1>F2；液压缸往复运动时的速度比为
v2D2
v1D2d2 （3.7）
u
F
A
A
F
A
F
D
D
A
D
A
A
d
d
pq
(a)
p
p
p
q+q
q
pq
q
(b)
d
(a)无杆腔进油 (b)有杆腔进油 (c)差动连接
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v3和推力F3分别为
q4q
v2v
A1A2d
v3
（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
F3p1(A1A2)m
4
d2p1v
（3.9）
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，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 ①在图3.2(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
F1
4
D2p1m
4
0.1221060.9715237(N)
液压缸向左运动，其运动速度为
4q4251030.98
v1v0.052(m/s)22
D0.160
②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
F2
4
(D2d2)p1m
4
(0.120.072)21060.977771(N)
液压缸向左运动，其运动速度为
4q4251030.98v2m0.102(m/s)
(D2d2)(0.120.072)60
③在图3.2(c)中，液压缸差动连接，可推动的负载力为
F3
4
d2p1m
4
0.07221060.0976466(N)
液压缸向左运动，其运动速度为
4q4251030.98v32v0.106(m/s)2
d0.0760
3.1.2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
b2
(Dd2)(p1p2)m8 （3.10）
单叶片式摆动液压缸由
T
根据能量守恒原理,结合式(3.10)得输出角速度为
8qv
b(D2d2) (3.11)
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—摆动轴直径；
b—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－套筒活塞；4-活塞；5一缸体；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－档圈；7缸套；8-齿条活
塞；9一齿轮；l0一传动轴；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。
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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）
0.63
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
小型工程机械
工作压力1～6.3 6.3～16 (MPa)
10～16
起重运输机械 20～32 下、
1.0
1.6
2.5
4.0
6.3
10.0
16.0
25.0
31.5
40.0
3.2.2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）
4F1d2p2
D
(p1p2)p1p2 (3.14)
有杆腔进油并不考虑机械效率时，由式（3.6）可得
4F2d2p1
D
(p1p2)p1p2 (3.15)
一般情况下，选取回油背压p20，这时，上面两式便可简化，即无杆腔进油时
4F1
p1 （3.16）
D
有杆腔进油时：
4F2
d2
p1
(3.17)
D
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
dD
1
(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P5 （MPa） 推荐活塞杆直径
(0.5~0.55)D
5~7 7
(0.6~0.7)D 0.7D
表3.5 液压缸往复速度比推荐值
液压缸工作压力P10 （MPa） 往复速度比
1.33
1.25~20 20
1.46~2 2
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（0.6~1.0）D；导向套长度为（0.6~1.5）d。为减少加工难度，一般液压缸缸筒长度不应大于内径的20~30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/D0.08，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
pmaxD
2[] （3.19）
当/D0.3时，可用下式校核缸筒壁厚
D[]0.4pmax
(1)2[]1.3pmax
(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/D=0.08~0.3时，可用下式校核缸筒的壁厚
pmaxD
2.3[]3pmax (3.21)
式中:pmax----缸筒内的最高工作压力 []——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。
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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、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；8一导向套；
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，在前端盖外側，还装有防尘装置；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。
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0.1m~0.4m，使活塞及其密封件、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冊。
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40~120C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，O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1.25~2.5mm，双向受高压时，两側都要加挡圈, 其结构如图3.10(b)所示。 (2)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P>50MPa，温度40~80C的条件下工作。
(3)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。
图3.12 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形圈一般适用于工作压力P<20MPa的场合；窄断面Y形圈一般适用于工作压力P<32MPa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。
（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。
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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。
本文来源：https://www.wddqxz.cn/aec1b4ae80d049649b6648d7c1c708a1284a0aaa.html
2022-07-12
