4.2 液压缸
液压缸是液压传动系统中又一类执行元件,它也是把液压能转换成机械能的能量转换装置。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。
4.2.1 概述
(1)液压缸的分类
液压缸按其结构形式,可分为活塞缸、柱塞缸和摆动缸三类。活塞缸、柱塞缸实现往复运动,输出力和速度;摆动缸实现小于360°的往复摆动,输出转矩和角速度。液压缸除单个使用外,还可以几个组合起来或与其他机构组合起来,以完成特殊的功用。液压缸的分类见表4⁃19。
表4⁃19 液压缸的分类
(2)液压缸的安装方式
液压缸的安装方式见表4⁃20。
表4⁃20 液压缸的安装方式
(3)液压缸的基本参数系列
① 液压缸额定压力系列 额定压力是液压缸能用以长期工作的压力。国家标准GB 2346—80(等效于IOS 3322)规定的液压缸的额定压力系列见表4⁃21。
表4⁃21 液压缸的额定压力系列 MPa
最高允许压力(也是动态试验压力)是液压缸在瞬间所能承受的极限压力。通常规定为1.5倍额定压力。
耐压试验压力是液压缸在检查质量时所需承受的试验压力,在此压力下不应出现变形或破裂。
② 缸径尺寸系列 液压缸缸径尺寸系列见表4⁃22(GB/T 2348—2018)。
表4⁃22 缸径尺寸系列 mm
注:1.未列出的数值可按照GB/T 321中优选数系列扩展（数值小于100按R10系列扩展，数值大于100按R20系列扩展）。
2.圆括号内为非优先选用值。
③ 活塞杆直径尺寸系列 液压缸活塞杆外径尺寸系列见表4⁃23(GB/T 2348—2018)。
表4⁃23 活塞杆直径尺寸系列 mm
注:1.未列出的数值可按照GB/T 321中R20优选数系列扩展。
2.圆括号内为非优先选用值。
④ 液压缸行程参数系列 活塞行程的基本系列见表4⁃24(GB/T 2349—1980)。
表4⁃24 活塞行程系列 mm
⑤ 单活塞杆液压缸两腔面积比 面积比(即速度比)φ为φ=A1/A2=
1/
2=D2/(D2-d 2)
式中 A1——活塞无杆侧有效面积,m2;
A2——活塞有杆侧有效面积,m2;
1——活塞杆伸出速度,m/s;
2——活塞杆退回速度,m/s;
D ——缸径,m;
d ——活塞杆直径,m。
满足标准面积比时,对应于不同的缸径D的活塞杆直径d见表4⁃25。
表4⁃25 满足标准面积比时，对应不同缸径D的活塞杆直径d mm
(4)液压缸的常用计算公式
① 输出力 以双作用单活塞杆液压缸为例(其他类推),设液压缸的供油压力为p,液压缸的回油压力为0,则液压缸的输出力为
F=Apηm
式中 F——液压缸输出力,N;
p——液压缸的工作压力,MPa;
A——液压缸的有效工作面积,m2;
ηm——液压缸的机械效率。
有效工作面积A的计算按供油方式和液压缸结构有所不同。对差动缸:
无杆侧的有效面积为A1=πD2/4
有杆侧的有效面积为A2=π(D2-d 2)/4
差动连接供油时的有效面积为 A3=A1-A2
式中 D——缸径,m;
d——活塞杆直径,m。
计算单活塞杆或柱塞缸的推力时取A1,计算单活塞杆拉力时取A2,液压缸差动连接时取A3=A1-A2,双活塞杆液压缸的推力或拉力计算时取A2。若回油压力不为零,输出力为两侧压力产生的输出力之代数和。
② 速度
式中 
——液压缸输出速度,m/s;
q——输入液压缸的流量,m3/s;
ηv——液压缸的容积效率;
A——液压缸的有效工作面积,m2。
计算单活塞杆或柱塞缸的伸出速度时有效工作面积取A1,计算单活塞杆退回时取A2,单活塞杆液压缸差动连接时取A3=A1-A2,双活塞杆液压缸的伸出或退回速度计算时取A2。
液压缸的输出速度不得超过活塞的最大线速度极限(见表4⁃26)。
表4⁃26 活塞最大线速度极限
③ 液压缸的输出功率
式中 N——液压缸的输出功率,W;
F——液压缸的输出力,N;
——液压缸的输出速度,m/s;
ηm——液压缸的机械效率。
④ 摆动缸的输出转矩
单叶片 
双叶片 
式中 T1——输出转矩,N·m;
b——叶片宽度,m;
D,d——摆动缸的缸径和活塞杆直径,m;
p1,p2——摆动缸的进油、回油压力,MPa;
ηm——液压缸的机械效率。
⑤ 摆动缸的输出角速度
单叶片 
双叶片 
式中 
1——输出角速度,rad/s;
q——输入流量,m3/s;
b——叶片宽度,m;
D,d ——摆动缸的缸径和活塞杆直径,m;
ηv——摆动缸的容积效率。
4.2.2 液压缸的工作原理和典型结构
按照结构的不同,液压缸可分为活塞缸、柱塞缸、组合缸和摆动缸四类。
(1)活塞缸
活塞杆可分为单杆活塞缸和双杆活塞缸。
① 单杆活塞缸 单杆活塞缸的特点是:仅在液压缸的一腔中有活塞杆,缸两腔的有效面积不相等。因此,当压力油以相同的压力和流量分别进入缸的两腔时,活塞在两个方向的推力、运动速度都不相等。
单杆活塞缸在其左右两腔同时都接通高压油时称为“差动连接”,相对而言,差动连接可以输出较大的运动速度,而产生的推力则较小。
② 双杆活塞缸 双杆活塞缸的两腔具有相等的有效面积,因此,当工作压力和输入流量相等时,缸在两个方向上的输出力和运动速度是相等的。
双杆活塞缸又分为实心双杆活塞缸和空心双杆活塞缸两种。一般,实心双杆活塞缸的进出油口设置在缸体上,用于缸体固定安装方式,占地面积较大。空心双杆活塞缸的进出油口设置在活塞杆上,用于活塞杆固定安装方式,占地面积较小。
图4⁃25为M7120A型平面磨床的实心双杆活塞缸的结构。液压缸的缸体固定在床身上,活塞杆和工作台靠支架9和螺母10连接在一起,当压力油通过油孔a和油孔b交替进入液压缸的两腔时,就推动活塞带动工作台做往复运动。
图4⁃25 实心双杆活塞缸
1—压盖;2—密封套;3—导向套;4—密封垫;5—活塞;6—缸筒;7—活塞杆;8—缸盖;9—支架;10—螺母
(2)柱塞泵
活塞缸的内壁要求精加工,当缸筒较长时,加工有一定困难。柱塞缸的内壁和柱塞没有接触,缸筒内壁可以不加工或只作粗加工,只要精加工柱塞和导向套就可以了。柱塞缸结构简单,制造容易,常用于行程较长的场合。
柱塞缸只能做单向运动,它的回程需要借助自重(垂直放置时)或其他外力(如弹簧等)来完成。也可以采用反向布置的两个柱塞缸,来实现双向运动控制。
柱塞缸通常由缸筒、缸盖、柱塞头、柱塞杆、导向套等部件组成。
(3)组合缸
组合缸有多种形式,包括柱塞式、活塞式、机械传动式等结构的具体组合,如齿条活塞缸、增压缸、伸缩缸等。
① 齿条活塞缸 齿条活塞缸可将活塞的直线往复运动经过齿条齿轮机构转变为回转运动。如图4⁃26所示,两个活塞4用螺钉固定在齿条5的两端,端盖2和8通过螺钉、盖板和半卡环3固定在缸体7上。当压力油从油孔a进入缸的左腔时,推动齿条向右移动,使齿轮6回转,带动回转工作台运动,这时右腔的油经油孔c排出。当压力油进入c腔时,回转工作台反向转动。图中的缝隙b用于液压缸的缓冲,螺钉1用于定位,可调节齿条活塞的运动行程。
图4⁃26 齿条活塞缸
1—螺钉;2,8—端盖;3—半卡环;4—活塞;5—齿条;6—齿轮;7—缸体
② 增压缸 图4⁃27是一种由活塞缸和柱塞缸组成的增压缸原理图,利用活塞和柱塞有效面积的不同使液压系统中的局部区域获得高压。当输入活塞缸的液体压力为p1,活塞直径为D,柱塞直径为d时,柱塞缸输出的液体压力为高压,其值为
③ 伸缩缸 伸缩缸由两个或多个活塞缸套装而成,前一级活塞缸的活塞是后一级活塞缸的缸筒,伸出时有很长的工作行程,缩回时可保持很小的结构尺寸。图4⁃28是一种二级双作用式伸缩缸结构。通入压力油时各级活塞按有效面积大小依次先后动作,并在输入流量不变的情况下,输出推力逐级减小,速度逐级加大,其值为
图4⁃27 增压缸原理图
式中的i指第i级活塞缸。
图4⁃28 伸缩缸
(4)摆动缸
常用的摆动缸有单叶片式和双叶片式两种,图4⁃29是单叶片摆动缸,定子3由螺钉和柱销固定在缸体5上,嵌在定子3槽内的弹簧片1把密封件2压紧在花键轴套4的外圆柱面上,起密封作用。转子6用螺钉固定在花键轴套4上,在转子的槽内也装有弹簧片和密封件,使缸体和转子之间得到密封。转子和定子的两端装有支承盘7、盖板8,并用螺钉把支承盘7、盖板8和缸体5固定在一起,盖板处用密封圈10密封、外泄的油从回油小孔9流回油箱。
图4⁃29 单叶片摆动缸
1—弹簧片;2—密封件;3—定子;4—花键轴套;5—缸体;6—转子;7—支承盘;8—盖板;9—回油小孔;10—密封圈
当压力油从孔a进入时,推动转子连同花键轴套作逆时针方向旋转,转子另一侧的回油从孔b排出,转子两侧的节流槽c起缓冲作用。如压力油从孔b进入时,转子作顺时针方向旋转。
这类液压缸是靠转子的回转来传递力和运动的,输出的是周期性的回转运动,其回转角度小于300°。这种液压缸由于密封性较差,一般只用于低压系统,如送料夹紧和工作台回转的辅助运动装置。
4.2.3 液压缸的产品介绍
(1)工程用液压缸
工程用液压缸主要用于重型、矿山、起重、运输等工程机械的液压系统,一般为双作用单活塞杆液压缸,其安装方式多采用耳环型。
型号说明如下。
①名称:HSG——工程用双作用单活塞杆液压缸代号。②端盖连接方式代号:L——外螺纹;K——内卡键;F——法兰。③系列。④缸径/杆径。⑤活塞杆形式代号:A——螺纹连接式;B——整体式。⑥压力等级:E——10MPa;H——32MPa。⑦安装方式代号:E——耳环型;ZE——中间销轴耳环型。⑧缓冲代号:Z1——间隙缓冲;Z2——阀缓冲。
HSG型液压缸技术参数见表4⁃27。
表4⁃27 HSG型液压缸的技术参数
注:1.括号中为非优先选用者。
2.表中推力、拉力值适用于各种类型缸所对应的缸径和面积比值,表中值对应压力是16MPa。
HSG型液压缸外形及安装尺寸见表4⁃28。
(2)冶金用液压缸
Y⁃HGI型冶金用液压缸是双作用单活塞杆型液压缸,适用于工作压力小于16MPa的场合,工作介质为液压油、机械油和乳化液,但不适用磷酸酯液。宜用氟橡胶(FPM)材料的密封件。
型号说明如下。
①名称:冶金标准液压缸。②双作用活塞缸第一类。③压力等级:C——6.3MPa;E——16MPa;G——25MPa。④缸径/杆径。⑤行程。⑥油口连接:L——螺纹(用于D小于220mm);F——法兰(用于D小于250mm)。⑦安装方式(见表4⁃29)。⑧附加件代号:H—— 带缓冲;B—— 带平衡阀。⑨杆端型号:L1——外螺纹;L2——内螺纹式。⑩介质代号:O ——液压油;W——乳化液。
表4⁃28 HSG型液压缸外形和安装尺寸
注:S为液压缸行程。
表4⁃29 安装方式代号
Y-HGI型液压缸技术参数见表4⁃30。
表4⁃30 Y⁃HGI型液压缸的技术参数
注:S—对应于不同的安装方式时的最大行程;S1—F1,F3,J1,杆端带耳环;S2—F1,F2,J1,杆槽螺纹;S3—F2,F4,杆端耳环;S4—F2,F4,杆端螺纹;S5—Z3,E,杆端耳环;S6—Z1,杆端耳环。
Y-HGI-E基本型液压缸外形及安装尺寸见表4⁃31。
(3)摆动液压缸
摆动液压缸是一种输出轴作往复摆动运动的液压执行元件。它能使负载直接获得往复摆动运动,不需任何变速机构。有单叶片摆动缸和双叶片摆动缸两种。摆动频率可控制进入缸体的流量大小来实现。
BM型摆动液压缸的技术参数见表4⁃32。
表4⁃31 Y⁃HGI⁃E基本型液压缸的外形和安装尺寸 mm
表4⁃32 BM型摆动液压缸的技术参数
摆动液压缸外形和安装尺寸见图4⁃30。
图4⁃30 摆动液压缸外形和安装尺寸
4.2.4 液压缸的选用
首先应考虑工况及安装条件,然后再确定液压缸的主要参数及标准密封附件、其他附件。使用工况及安装条件如下。
① 工作中有剧烈冲击时,液压缸的缸筒、端盖不能用脆性材料,如铸铁。
② 采用长行程液压缸时,需综合考虑选用足够刚度的活塞杆和安装中间圈。
③ 当工作环境污染严重,有较多的灰尘、风沙、水分等杂质时,需采用活塞杆防护套。
④ 安装方式与负载导向直接影响活塞杆的稳定性,也影响活塞杆直径d的选择。
按负载的重、中、轻型,推荐如表4⁃33所示安装方式和导向条件。
⑤ 缓冲机构的选用：一般认为普通液压缸在工作压力>10MPa、活塞速度>0.1m/s时,应采用缓冲装置或其他缓冲办法。这只是一个参考条件,主要还要看具体情况和液压缸的用途。例如:要求速度变化缓慢的液压缸,当活塞速度≥0.05~0.12m/s时,也需要采用缓冲装置。
表4⁃33 安装方式与负载导向参考
⑥ 密封装置的选用：选用合适的密封圈和防尘圈。
⑦ 工作介质的选用：对工作介质的要求,一般液压缸所适用的工作介质黏度是12~28mm2/s。采用一般弹性密封件的液压缸,介质过滤精度为20~25μm;伺服液压缸要求过滤精度小于10μm;采用活塞环的液压缸,过滤精度可达20μm。当然,对过滤精度的考虑不能仅仅局限于液压缸,要从整个液压系统来综合考虑。按照环境温度可初步选定工作介质的品种:
a.在正常温度(-20~60℃)下工作的液压缸,一般采用石油型液压油;
b.在高温(>60℃)下工作的液压缸,需采用难燃液及特殊结构液压缸。