第3章　液压缸

3.1　液压缸的分类

液压缸与液压马达一样，也是将液压能转变成机械能的一种能量装置。这两者不同点在于：液压马达将液压能转变成连续回转机械能；液压缸将液压能变成直线运动或摆动的机械能。

液压缸的种类繁多，通常根据其结构特点分为活塞式、柱塞式、摆动式三大类，按其作用来分，有单作用式和双作用式。单作用缸只能使活塞（或柱塞）作单方向运动，即液体只是通向缸的一腔，而反方向运动则必须依靠外力（如弹簧力或自重等）来实现；双作用缸在两个方向上的运动都由液体的推动来实现。下面介绍几种常用的液压缸。

3.1.1　活塞缸

活塞缸是液压传动中最常用的执行元件。活塞缸可分为双杆和单杆两种结构形式。其固定方式有缸筒固定和活塞杆固定两种。

1.双杆活塞缸

图3.1所示为双杆活塞缸。在活塞的两侧都有杆伸出，当两活塞杆直径相同、液体的压力和流量不变时，活塞（或缸体）在两个方向上的运动速度v和推力p都相等，即

式中：q——缸的输入流量；

A——活塞有效作用面积；

ην——缸的容积效率；

D——活塞直径（即缸筒内径）；

d——活塞杆直径；

p1——缸的进口压力；

p2——缸的出口压力；

ηm——缸的机械效率。

这种缸常用于要求往返运动速度相同的场合，如外磨床工作台往复运动液压缸等。

图3.1（a）所示为缸体固定结构，缸的左腔进液体，推动活塞向右移动，右腔的液体排出；反之，活塞反向移动。其运动范围约等于活塞有效行程的三倍，一般用于中小型设备。

图3.1（b）所示为活塞杆固定结构，缸的左腔进液体，推动缸体向左移动，右腔的液体排出；反之，缸体反向移动。其运动范围约等于缸体有效行程的两倍，因此常用于大中型设备中。

2.单杆活塞缸

图3.2所示为双作用单杆活塞缸。其一端伸出活塞杆，两腔有效面积不相等，当向缸两腔分别供液体，且压力和流量都不变时，活塞在两个方向上的运动速度和椎力都不相等。如图3.2（a）所示，在无杆腔输入液体时，活塞的运动速度v1和推力Fl分别为

如图3.2（b）所示，在有杆腔输入液体或气体时，活塞运动速度v2和推力F2分别为

式中：q——缸的输入流量；

A——有杆腔的活塞有效作用面积；

ην——缸的容积效率；

D——活塞直径（即缸筒直径）；

d——活塞杆直径；

p1——缸的进口压力：

p2——缸的出口压力：

A1——无杆腔的活塞有效作用面积；

ηm——缸的机械效率。

比较上述各式，由于A1>A2，所以v1<v2，F1>F2

由式（3.3）和式（3.5）得缸往复运动时的速度比为

式（3.7）表明，当活塞杆直径越小时，速度比越接近1，在两个方向上缸的运动速度差值就越小。当单杆活塞缸两腔同时通入相同压力的液体时，如图3.3所示。由于无杆腔受力面积大于有杆腔受力面积，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，并将有杆腔的液体挤出，流进无杆腔，加快了活塞杆的伸出速度，缸的这种连接方式称为差动连接。

当差动连接时，有杆腔排出流量q′=v3A2，进入无杆腔，则有

v3A1=q+v3A2

在考虑了缸的容积效率ην后，活塞杆的伸出速度v3为

欲使差动连接缸的往复运动速度相等，即v3=v2，则由式（3.5）和（3.8）得。

差动连接在忽略两腔连通回路压力损失的情况下，p1≈p2，并考虑到机械效率ηm时，活塞的推力F3为

由式（3.8）和（3.9）可知，差动连接时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液体情况相比，在液体压力和流量不变的条件下，活塞杆伸出速度较大而推力较小。在实际应用中，液压系统常通过控制阀来改变单杆活塞缸的回路连接，使它有不同的工作方式，从而获得快进（差动连接）→工进（无杆腔进液体）→快退（有杆腔进液体）的工作循环。差动连接是在不增加泵流量的条件下，实现快速运动的有效办法，它的应用常见于组合机床中。

单杠活塞缸往复运动范围是有效行程的两倍，它的结构紧凑，应用广泛。

3.1.2　柱塞缸

活塞缸的内腔因有活塞及密封件频繁往复运动，要求其内孔形状和尺寸精度很高，并且要求表面光滑。这种要求对于大型的或超长行程的液压缸有时不易实现，在这种情况下可以采用柱塞缸。如图3.4（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，因此缸筒内孔不需要精加工，工艺性好，成本低。

柱塞缸只能制成单作用缸。在大行程设备中，为了得到双向运动，柱塞缸常如图3.5（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稳定性，一般柱塞较粗，质量较大，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。水平安装使用时，为减轻质量，有时制成空心柱塞。为防止柱塞自重下垂，通常要设置柱塞支承套和托架。

3.1.3　摆动缸

摆动缸输出转矩并实现往复摆动运动，它有单叶片和双叶片两种形式。其结构形式如图3.5所示。图3.5（a）为单叶片式摆动缸，它由定子块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，定子块固定在缸体上，叶片和摆动轴连接在一起。其工作原理为：当工作介质从A口进入缸内，叶片被推动并带动轴作逆时针方向回转，叶片另一侧的工作介质从B口排出；反之，工作介质从B口进入，叶片及轴作顺时针方向回转，A口排出工作介质。

当考虑到容积效率ην和机械效率ηm，时，叶片式摆动缸的摆动轴输出转矩T和角速度ω分别为

式中：Z——叶片数；

b——叶片宽度；

D——缸体内孔直径；

d——叶片轴直径；

p1——缸的进口压力；

p2——缸的背压力；

q——缸的输入流量。

从图3.5中可看出，单叶片式摆动缸的最大回转角小于360°，一般不超过280°；双叶片式摆动缸则小于180°，一般不超过150°。当输入工作介质的压力和流量不变时，双叶片摆动缸摆动轴输出转矩是单叶片摆动缸的两倍，而摆动角速度则是单叶片摆动缸的一半。

摆动缸结构紧凑，输出转矩大，但密封困难。一般只用在低中压系统中作往复摆动、转位或间歇运动的地方。

3.1.4　组合式液压缸

为了满足特定的需要，可由上述液压缸的三种基本形式和机械传动机构或其他传动形式组合成特种液压缸来满足各种要求，下面分别介绍。

1.增压缸

增压缸也称增压器，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3.6所示。它由有效作用面积为A1的大液压缸和有效作用面积为A2的小液压缸在机械上串联而成，大液压缸作为原动缸，输入压力为p1，小液压缸作为输出缸，输出压力为p2。若不计摩擦力，根据力平衡关系，可有如下等式

A1×p1=A2×p2

比值A1/A2称为增压比，由于A1/A2>1，压力p2被放大，从而起到增压的作用。

2.多级缸

多级缸又称伸缩套筒式缸，它由两级或多级活塞缸套装而成，其特点是活塞杆的伸出行程长度比缸体的长度大，占用空间较小，结构紧凑。图3.6所示为一种多级液压缸。前一级缸的活塞是后一级缸的缸套，活塞伸出的顺序是从大到小，相应的推力也是从大到小，而伸出的速度则是由慢变快。空载缩回的顺序一般是从小活塞到大活塞。多级缸的级数可大于两级，它适用于工程机械和其他行走机械。常用于起重机伸缩臂液压缸，翻斗汽车、拖拉机翻斗挂车和清洁车自卸系统举升液压缸，液压电梯以及其他装置。

3.齿条活塞缸

齿条活塞缸由带有齿条杆的双活塞缸和齿轮齿条机构组成，如图3.7所示。齿条活塞往复移动带动齿轮9并驱动传动轴10往复摆动，它多用于自动生产线、组合机床等转位或分度机构中。