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第四章 液压缸第一节 液压缸的分类和特点液压缸按结构特点的不同可分为活塞缸、柱塞缸和摆动缸三类。
按作用方式不同，可分为单作用式和双作用式两种。
1.活塞式液压缸 活塞式液压缸根据其使用要求不同可分为双杆式和单杆式两种。
(1)双杆式活塞缸。
活塞两端都有一根直径相等的活塞杆伸出的液压缸称为双杆式活塞缸，它一般由缸体、缸盖、活塞、活塞杆和密封件等零件构成。
根据安装方式不同可分为缸筒固定式和活塞杆固定式两种。
如图4-5(a)所示的为缸筒固定式的双杆活塞缸。
它的进、出口布置在缸筒两端，活塞通过活塞杆带动工作台移动，当活塞的有效行程为l 时，整个工作台的运动范围为3l ，所以机床占地面积大，一般适用于小型机床，当工作台行程要求较长时，可采用图4-5(b)所示的活塞杆固定的形式，这时，缸体与工作台相连，活塞杆通过支架固定在机床上，动力由缸体传出。
这种安装形式中，工作台的移动范围只等于液压缸有效行程l 的两倍(2l)，因此占地面积小。
进出油口可以设置在固定不动的空心的活塞杆的两端，但必须使用软管连接。
由于双杆活塞缸两端的活塞杆直径通常是相等的，因此它左、右两腔的有效面积也相等，当分别向左、右腔输入相同压力和相同流量的油液时，液压缸左、右两个方向的推力和速度相等。
当活塞的直径为D ，活塞杆的直径为d ，液压缸进、出油腔的压力为p 1和p 2，输入流量为q 时，双杆活塞缸的推力F 和速度v 为：F=A(p 1-p 2)=π (D 2-d 2) (p 1-p 2) /4 (4-18)v=q/A=4q/π(D 2-d 2) (4-19)式中：A 为活塞的有效工作面积。
双杆活塞缸在工作时，设计成一个活塞杆是受拉的，而另一个活塞杆不受力，因此这种液压缸的活塞杆可以做得细些。
(2)单杆式活塞缸。
如图4-6所示，活塞只有一端带活塞杆，单杆液压缸也有缸体固定和活塞杆固定两种形式，但它们的工作台移动范围都是活塞有效行程的两倍。
图4-6单杆式活塞缸由于液压缸两腔的有效工作面积不等，因此它在两个方向上的输出推力和速度也不等，其值分别为：F 1=(p 1A 1-p 2A 2)=π［(p 1-p 2)D 2-p 2d 2］/4 (4-20)F 1=(p 1A 1-p 2A 2)=π［(p 1-p 2)D 2-p 2d 2 ］/4 (4-21)v 1=q/A 1=4q/πD 2 (4-22)v 2=q/A 2=4q/π(D 2-d 2) (4-23)由式(4-20)～式(4-23)可知，由于A 1＞A 2,所以F 1＞F 2，v 1＜v 2。
第四章液压油缸类型与特点第一节液压缸的工作原理、类型和特点液压缸是液压系统中的执行元件，它的职能是将液压能转换成机械能。
液压缸的输入量是液体的流量和压力，输出量是直线速度和力。
液压缸的活塞能完成往复直线运动，输出有限的直线位移。
一、液压缸的工作原理液压缸的工作原理见图4-1。
图4-1液压缸的工作原理液压缸由缸筒1、活塞2、活塞杆3、端盖4、活塞杆密封件5等主要部件组成。
6为进出油口。
其它结构的活塞式液压缸的主要零件如图4-1所示结构类似。
若缸筒固定，左腔连续地输入压力油，当油的压力足以克服活塞杆上的所有负载时，活塞以v连续向右运动，活塞杆对外界做功。
速度1v向左运动，活塞杆也对外界做功。
这样，完成了反之，往右腔输入压力油时，活塞以速度2一个往复运动。
这种液压缸叫做缸筒固定缸。
若活塞杆固定，左腔连续地输入压力油时，则缸筒向左运动。
当往右腔连续地通入压力油时，则缸筒右移。
这种液压缸叫活塞杆固定缸。
本章所论及的液压缸，除特别指明外，均以缸筒固定，活塞杆运动的液压缸为例。
由此可知，输入液压缸的油必须具有压力p和流量q。
压力用来克服负载，流量用来形成一定的运动速度。
输入液压缸的压力和流量就是给缸输入液压能；活塞作用于负载的力和运动速度就是液压缸输出的机械能。
因此，缸输入的压力p，流量q，以及输出作用力F和速度v是液压缸的主要性能参数。
二、液压缸的分类为了满足各种主机的不同用途，液压缸有多种类型。
按供油方向分，可分为单作用缸和双作用缸。
单作用缸只是往缸的一侧输入高压油，靠其它外力使活塞反向回程。
双作用缸则分别向缸的两侧输入压力油。
活塞的正反向运动均靠液压力完成。
按结构形式分，可分为活塞缸、柱塞缸、摆动缸和伸缩套筒缸。
按活塞杆的形式分，可分为单活塞杆缸和双活塞杆缸。
按缸的特殊用途分，可分为串联缸、增压缸、增速缸、步进缸等。
此类缸都不是一个单纯的缸筒，而是和其它缸筒和构件组合而成，所以从结构的观点看，这类缸又叫组合缸。
第四章液压油缸类型与特点第一节液压缸的工作原理、类型和特点液压缸是液压系统中的执行元件，它的职能是将液压能转换成机械能。
液压缸的输入量是液体的流量和压力，输出量是直线速度和力。
液压缸的活塞能完成往复直线运动，输出有限的直线位移。
一、液压缸的工作原理液压缸的工作原理见图4-1。
图4-1液压缸的工作原理液压缸由缸筒1、活塞2、活塞杆3、端盖4、活塞杆密封件5等主要部件组成。
6为进出油口。
其它结构的活塞式液压缸的主要零件如图4-1所示结构类似。
若缸筒固定，左腔连续地输入压力油，当油的压力足以克服活塞杆上的所有负载时，活塞以v连续向右运动，活塞杆对外界做功。
速度1v向左运动，活塞杆也对外界做功。
这样，完成了反之，往右腔输入压力油时，活塞以速度2一个往复运动。
这种液压缸叫做缸筒固定缸。
若活塞杆固定，左腔连续地输入压力油时，则缸筒向左运动。
当往右腔连续地通入压力油时，则缸筒右移。
这种液压缸叫活塞杆固定缸。
本章所论及的液压缸，除特别指明外，均以缸筒固定，活塞杆运动的液压缸为例。
由此可知，输入液压缸的油必须具有压力p和流量q。
压力用来克服负载，流量用来形成一定的运动速度。
输入液压缸的压力和流量就是给缸输入液压能；活塞作用于负载的力和运动速度就是液压缸输出的机械能。
因此，缸输入的压力p，流量q，以及输出作用力F和速度v是液压缸的主要性能参数。
二、液压缸的分类为了满足各种主机的不同用途，液压缸有多种类型。
按供油方向分，可分为单作用缸和双作用缸。
单作用缸只是往缸的一侧输入高压油，靠其它外力使活塞反向回程。
双作用缸则分别向缸的两侧输入压力油。
活塞的正反向运动均靠液压力完成。
按结构形式分，可分为活塞缸、柱塞缸、摆动缸和伸缩套筒缸。
按活塞杆的形式分，可分为单活塞杆缸和双活塞杆缸。
按缸的特殊用途分，可分为串联缸、增压缸、增速缸、步进缸等。
此类缸都不是一个单纯的缸筒，而是和其它缸筒和构件组合而成，所以从结构的观点看，这类缸又叫组合缸。
第四章液压缸液压缸时液压系统的执行元件，它将液体的压力能转化为机械能输出。
液压缸结构简单、工作可靠、制造容易、在机械上的布置方便，应用很广。
随着液压技术的深入普及和应用领域的日益扩大，对液压缸的性能、构造、使用范围、制造精度、外观、材料等都不断提出新的要求，因此推动液压缸的不断发展与进步，其总的发展趋势为：高压化、小型化、轻量化、耐腐蚀和新颖结构复合化。
§4—1 液压缸分类及特点一.液压缸的分类液压缸种类较多，分类方式亦较多。
通常按结构特点、动作特点、也压力的作用特点、安装支承形式、额定工作压力、工作介质等进行分类。
1.按主要运动部件的结构特点分（图4-1-1）图4-1-1（1）活塞式液压缸主要运动部件通常由活塞和活塞杆两部分组成，并通过螺纹或卡键等连接方式将两者连接在一起。
这是液压缸最为常见的结构型式（2）柱塞式液压缸主要运动部件由一个从原理上说可以为一个直径不变的圆柱形零件。
当然为示液压缸能够正常的工作，直径上海市油变化的，但是这种液压缸的运动部分与缸孔是不接触的，因而对缸孔内壁的精度要求较低，特别适合大行程的场合。
（3）伸缩套筒式液压缸主要运动部件由多根可相对运动的套筒组成，在索回不工作时所占空间较小，伸出工作时行程较大。
还有齿条式、钢索式和蠕动式等形式2.按额定工作压力分（1）中低压液压缸额定压力在8MPa以下的液压缸称为中低压液压缸。
（2）中高压液压缸额定压力在8MPa以上，16MPa以下的液压缸，常称为中高压液压缸。
（3）高压和超高压液压缸额定压力在16MPa以上的液压缸称为高压液压缸。
额定压力大于31.5MPa的液压缸，常称为超高压液压缸。
3.按安装支承形式分可分为轴线固定式（图4-1-1）和轴线摆动式（图4-1-2）两大类。
也有分为脚架类安装液压缸；法兰类安装液压缸；耳轴、耳环类液压缸三种安装结构。
4.按密封件的工作寿命分（1）普通型液压缸密封件的工作寿命为运行300——500km。
（2）较长寿命型液压缸密封件的工作寿命为运行700——1300km。
图4-1-2（3）长寿命型液压缸密封件的工作寿命为运行1500km以上。
（4）超长寿命型液压缸密封件的工作寿命为运行6000km以上。
5. 按照供油形式的不同液压缸可分为：单作用液压缸和双作用液压缸图4-1-3单作用液压缸仅向液压缸的一侧提供液压油，实现液压缸的单方向运动，液压缸的回程则需通过外力、自重或弹簧力等完成。
行走机械上的制动器液压缸常采用这种形式。
双作用液压缸则是通过向液压缸的两侧通入液压油，实现液压缸的往复运动。
二.液压缸的结构与特点1.活塞式液压缸活塞式液压缸有单活塞杆式和双活塞杆式两种，工程机械上常见的为单活塞杆式液压缸。
活塞式液压缸又可分为单作用式和双作用式两种。
在这里“作用”是指高压油液驱动液压缸运动的方向。
若高压油只能驱动液压缸实现单方向的运动，则称为单作用液压缸，若高压油可以驱动液压缸实现双向运动，则称为双作用液压缸。
单作用液压缸的回程通常由负载、弹簧、自重等来实现。
单杆单作用活塞式液压缸多用于行程较短的场合，如液压制动机构、夹紧机构等。
图4-1-3为单杆双作用液压缸的结构图。
油液进入无杆腔一侧时为活塞杆伸出状态。
油液进入有杆腔一侧时为活塞杆缩回状态。
由于无杆腔的有效工作面积大于有杆腔的有效工作面积，所以当流量相同时活塞杆伸出的速度小于活塞杆缩回的速度，当压力相同时，活塞杆伸出时的推力大于活塞杆缩回时的拉力。
设液压系统的供油量为Q，活塞无杆腔有效总面积为A1，有杆腔有效作用面积为A2，液压缸的伸出速度v1和缩回速度v2为：图4-1-4)(442222211d D Q A Q v D Q A Q v v v v v -====πηηπηη 式中：ηv ——液压缸的容积效率，采用橡胶密封圈时，取ηv =1，用金属活塞环时，取ηv =0.98～0.99。
液压缸往复运动的速比φ为：22212dD D v v -==ϕ 上式表明，当或塞杆直径愈小时，速比与接近于1，两个方向的速度差值愈小。
当进油腔压力为p 1，回油腔备压力为p 2，活塞杆的推力为：[]m m p d D p D A p A p F ηππη2221222111)(44()(--=-= 活塞杆的拉力为：m m p D p d D A p A p F ηππη⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=-=22122122124)(4)( 式中：ηm ——液压缸的机械效率，通常取ηm =0.95。
当夜压缸的两腔同时接通压力油管时，由于两腔的有效工作面积不同，活塞（或缸体）仍能运动，这种由于面积差而造成的运动通常称为差动。
这种连接方式称为差动连接。
图4—5为差动连接的液压缸及回路。
不计容积损失时差动液压缸伸出的速度为：图4-1-522134dQAAQvπ=-=活塞杆推力为mmpdAApFηπη4)(2213=-=可见差动连接时，液压缸的有效作用面积为活塞杆的横截面积。
在负荷与流量不变时，育肥差动连接比较，差动连接可以获得高速，但是这是以系统压力的提高为代价的。
故通常为减小空载工况所花费的时间，以提高工作效率时，采用差动连接。
如图4-1-5所示，通过差动和非差动的转换，可得到快速伸出、慢速伸出和快速缩回三种速度。
欲使差动连接的液压缸往复运动速度相等，即或222324)(4dQdDQvvππ=-=则dD2=单活塞杆式液压缸，往复运动范围是有效行程的两倍，且能输出较大的推力，所以应用广泛。
图4—6所示为双活塞杆式液压缸的原理图。
活塞两端都有活塞杆伸出。
当量活塞的直径相同、供油压力和流量不变时，活塞（活缸体）两个方向的运动速度和推力也都相等。
即))((4)()(421222122p p d D A p p F d D Q A Q v --=-=-==ππ 式中 v ——活塞（或缸体）运动速度；Q ——液压缸流量；A ——活塞有效作用面积；D ——活塞直径；D ——活塞杆直径；F ——液压缸输出力；P 1——液压缸进油压力；P 2——液压缸排油腔压力。
图4-1-6双活塞杆式液压缸常用于要求液压缸往复运动速度相同的场合。
根据固定方式的不同，分为缸体固定式和活塞杆固定式。
图4—6a 为缸体固定式，液压缸左腔进油推动活塞右移，右腔则回油；反之活塞反向移动。
其运动范围约等于活塞有效行程的三倍，所占空间较大，一般用于小行程的场合。
图4—6b 为活塞杆固定式结构，液压缸左腔进油刚体左移；液压缸右腔进油缸体右移。
其运动范围约等于活塞有效行程的俩倍，所占空间较小，常用于大行程的场合。
2.柱塞式液压缸活塞式液压缸的的活赛与缸体内孔德培和精度要求较高，尤其对与缸体内孔的尺寸精度、几何精度和表面粗糙度有较高的要求，因而大行程的活塞式液压缸缸体内孔加工十分困难，为此出现了对缸体内孔加工精度要求不高的柱塞式液压缸。
图4-1-6为柱塞式液压缸结构图。
柱塞缸由缸筒1、柱塞3、导套4、密封圈5、6等零件组成。
导套3和柱塞2有较好的配合，保证良好的导向。
由于柱塞和缸筒不接触，因此缸筒内孔不需精加工，因而对于大行程液压缸这种结构工艺性好，成本低。
由于柱塞式液压缸仅有一个有效作用面积，所以它只能是单作用液压缸。
柱塞式液压缸柱塞伸出速度v 为图4-1-724d Q v π=柱塞推力F 为p d F 42π=式中 Q ——输入流量；d ——活塞杆直径；p ——柱塞腔内压力。
柱塞式液压缸恒受压力且其端面的大小决定了输出力和运动速度。
为了保证柱塞缸有足够的推力和保证压杆的稳定，柱塞必须有足够的刚度，为此柱塞缸都比较粗，重量较大，水平安装时易造成密封件和导向套单边磨损，故柱塞缸适于垂直安装使用。
水平安装使用时，为防止柱塞在自重作用下下垂，通常要设置柱塞支承套和托架。
也有的柱塞缸采用空心柱塞，使油液的承压面后移，改善压杆稳定性。
3.伸缩套筒式液压缸伸缩时液压缸又叫多级缸。
它有单作用和多作用两种形式。
伸缩式液压缸由两个或多个活塞套装而成，前级活塞缸的活塞是后级活塞缸的缸筒。
这种液压缸在各级活塞依次伸出时可得到很大行程，但缩入后轴向尺寸很小。
如图4-1-7所示为采用活塞杆固定的双作用伸缩式液压缸示意图。
当压力油近冈底油管进入岗地时，活塞杆向外伸出，由于对于同一负荷，作用面积越大，系统压力越低。
所以多级活塞伸出的顺序是面积由大到小逐级伸出；在负荷不变时，系统压力逐级提高；在输入流量不变时，运动速度逐级加快。
即其推力和速度的概略计算为图4-1-82244i i i i i D Q v p D F ππ==式中 F i ——液压缸输出力；D i ——第i 及活塞缸缸筒直径；P i ——第I 及液压缸动作时的系统压力；V i ——第I 及液压缸运动速度；Q ——系统输入流量。
当压力经进入活塞杆腔油口流入时，活塞杆向内缩回。
不难理解，缩回时的顺序是面积由小到大逐级缩回。
三.液压缸的结构下面以工程机械常用液压缸为例介绍液压缸的结构。
图4—9为工程机械上常见的HSG 系列液压缸。
型号的意义如下：HSG L 0 1·D/d E —— 3① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧① 双作用单活塞杆式液压缸；② 缸筒连接形式 L —外螺纹，K —内卡环，F —法兰式；③ 设计序号；④ 缸筒内径/活塞杆直径；⑤ 压力分级 E —16MPa ；⑥ 安装方式 1—带轴套耳环，2—求教耳环，3—中健耳轴，4—前端法兰，5—中间法 兰。
⑦ 活塞杆端形式 1—外螺纹，2—球铰耳环，3—杆端外螺纹+带轴套耳轴，4—杆端内螺纹+轴套耳环，5—杆端外螺纹+球角，6—杆端内螺纹+球铰耳环，7—整体式活塞杆+轴套耳环，8—整体式活塞杆+球铰耳环；⑧ 缓冲部位 编号0—不带缓冲，1—两端缓冲，2—无杆侧带缓冲，3—有杆侧带缓冲。
HSG 系列液压缸的结构如图所示，它由缸底2、缸筒11、缸盖15、活塞8和活塞杆12等零件组成。
缸筒的一端与缸底连接，另一端则与缸盖用螺纹连接，以便拆装检修。
利用卡键5、卡键帽4和挡圈3使活塞与活塞杆构成卡键连接，结构紧凑便于装卸。
缸筒内壁表面粗糙度要求较高（一般为Ra0.20μm），为了避免与活塞杆直接发生摩擦而造成拉缸事故，货色商讨油导向支承环9，它通常是由聚四氟乙烯或尼龙等耐磨材料制成，但不起密封作用。
缸内两腔之间的密封是靠活塞内孔的O型密封圈，以及外缘两个背靠背安置的Y x型密封圈6和挡圈7来保证。
当工作腔油压升高时，Y x密封圈的唇边就会张开贴紧活塞和缸壁表面，压力越高贴的越紧，从而保证了两腔的密封性。
活塞杆表面同样具有较高的表面粗糙度要求（Ra0.20μm），为了确保活塞杆的移动不偏离中轴线，以免损伤缸壁和密封件，并改善活塞杆与缸盖孔的摩擦，特在缸盖一端设置导向套13，它使用青铜或铸铁等耐磨材料制成。
