第一章 基本槪念 黐 图 1 . 2 1 以液压元件剖面图表示的液压系统 31 第七章 液压缸 第七章 与功能相关的液压缸类型 液压缸 根据功能不同，液压缸分成两类: 一单作用液压缸 1.液压回路中的液压缸 一双作用液压缸 现今的液压回路中，液压马迖和液压缸都是将液压能转 2.1 单作用液压缸 化为机械能的必不可少的环节。液压缸是连接液压回路 与工作机械的中间环节。 单作用液压缸只能在一个方向施加力的作用。活塞的复 位只能借助弹簧，或靠活塞自重，或靠外界的力的作用。单作 与产生旋转运动的液压马迖不同之处在于，液压缸产生 用液压缸基本上只有一个有效作用面积。 直线 杆柱式液压缸 忽略摩擦时，液压缸的最大出力？取决于最大作用压力 V 和有效作用面积八 。 斤 卩氺八(咖） 如果工作机械需要产生直线运动，则用液压缸驱动的优 点有： 图7 .1 活塞式液压缸；左图：无内部停止装置，右图：有 一设计简单，布置安装方便； 内部停止装置（导引活塞） 一由于不需要将旋转运动转化为直线运动，因而液压 根据技术构造，这一类的油缸只能产生推力。 缸的驱动效率较高； 根据应用的不同，杆柱式液压缸可带有或不带有内部行 一液压缸可持续产生最大的缸体力，从行程运动的开 程限位器和导向活塞。对各类液压缸来说，液压力的大 始,一直到行程结束。通过一个压力阀就能简单地实现 小都是活塞杆腔的面积与工作所承受的压力之积。 功率限制； 如果具备确定方向的可将活塞回复原位的外力，则可采 一活塞运动的速度决定于流量和有效活塞面积。如果 用杆柱式液压缸。比如上行式平板机，切割台，提升设 流量保持不变，则从行程的开始到结束，活塞运动的速 备等等。 度都不变； 从“ 妒口接入的压力流体，作用在液压缸的有效面积上， 一与液压缸的类型相关，它只能产生压力，或者拉力 活塞杆就向外伸出( ^ 。活塞的复位只能靠其自重，或 与推力； 者施加外力。 一液压缸的尺寸使之可构建成小尺寸大功率的驱动系 统 对负荷的提升，下降，锁紧和移动，是液压缸的主要应 用 。 115 第七章 液压缸 2 .1 .2 弹簧复位式液压缸 2 .2 .1 差动液压缸 〔单出杆液压缸 〕 弹簧复位式液压缸用于外界没有复位力的场合。复位弹 实际使用的液压缸，大多数为只有一根活塞杆的单出杆 簧可装在缸体内，也可作为液压缸的一个独立元件。 液压缸。差动缸具有一根与活塞刚性联结的活塞杆，直 由于弹簧只能产生有限的行程和作用力，因此常用于 “ 小型液压缸” 。应用实例包括安装中的夹紧缸，以及维 修装配机械等。 图7 .4 单出杆差动液压缸 图7 .2 单作用推杆液压缸；左图：内弹簧复位式，右图： 径小于活塞。差动缸的名字源于两侧不同的有效面积。 外弹簧复位式 活塞与环形的横截面积之比以系数〈4 〉表示。传递力的 最大値决定于外伸时的活塞面积，缩回时的环形面积， 还有最大工作所承受的压力。这就从另一方面代表着 ：在同样的工作所承受的压力下， 外伸时作用力比缩回时的大，两者比値为中。在同样行 程下，由于存在面积的差异 ，因而容积也不同。所以， 行程速度与面积成反比。 也就是说： 图7 .3 单作用拉杆；左图：内弹簧复位式，右图：外弹簧 一 截 面积大 一 运动速度慢 复位式 一 截 面积小 一 运动速度快 鮮 ，口接入压力流体并作用在液压缸有效面积上，活 塞 杆 就 向 外 伸 出 。活塞杆的回缩则靠复位弹簧。 如果从“ 6 ” 口接入压力流体并作用在液压缸有效面积 上，活塞杆就向内回缩吟〉。活塞杆的伸出复位则靠复 位弹簧。 2 .2 双作用液压缸 双作用液压缸具有两个相对的有效面积，可以相同，也 可以不同。这类液压缸安装有两个互不相同的端口。通 过“ 妒或 “ 8” 口接入压力流体，活塞可在两个行程方向 分别产生拉力或推力。几乎所有的应用场合都可见到这 种类型的液压缸。 双作用液压缸分成两类：单出杆液压缸和双出杆液压 缸 。 116 第七章 液压缸 2 .2 .2 双出杆液压缸 2 . 3 特殊 类型的单出杆与双出杆液压缸 对某些应用场合下，需要花大力气并采取一些特定的 措施，才能对标准的单作用或双作用液压缸加以利用。 最常见的是需要长行程但安装空间极其狭小，或者要求 最小的活塞最大的出力。正式这些众多的需求 ，导致一 系列特定型式液压缸的诞生。当然 ，其中一部分在制造 图7 .5 双出杆液压缸 时的困难和麻烦就难以尽述了 。 2 .3 .1 串联式液压缸 双出杆液压缸的活塞两端各有一根小直径的活塞杆与其 刚性连接。最大出力决定于两端相同的环形面积和最大 工作所承受的压力。这就从另一方面代表着 ，同样的工作所承受的压力，两个方向产 生的力大小相同。由于面积和行程长度相同，因而容积 相等，速度也相等。 在特殊情况下，双出杆液压缸的活塞两端的活塞杆可具 有不同的直径 。 图7 .7 串联式液压缸 这类液压缸的力和速度 类〔似于差动缸X 正比于两边圆 环的面积比⑴ 双作用串联式液压缸是两个连在一起的液压缸，其中一 个的活塞杆，穿过另一缸的缸底连到活塞処 。这样的布 置，使作用面积得到了相加。即便不增加工作压力，也 能在相对小的外径下传输较大的力。 当然 ，这种型式 下的总长度增加了 ，对此也应加以考虑 。 图7 .6 双出杆差动式液压缸 2 .3 .2 快速复位液压缸 快速复位液压缸主要用于压机系统。对于这类液压缸, 在不需要全部工作压力时，只有部分的面积，所谓的快 速复位活塞才承受压力作用。之后只有在压力阀或行程 开关控制下，活塞全部的作用面积才连通泵输出的压力 油 。 优点： 因体积小而快速复位 因活塞作用面积大而产生较大的压力 117 第七章 液压缸 2 .3 .2 .1 单作用快速复位液压缸 度 〉。也就是说，安装尺寸只比一级的稍大一点。一般 一 快 速复位（爿经“ 虹’口 伸缩式液压缸回缩后长度约为总行程的1 / 4 到 1/2 。根 经“ 8” 口吸油 据所需安装尺寸的不同，有2 ，3 ，4 或5 级的伸缩式液压 一压紧力 … ） 经“ 似” 口 缸 。主要用于液压升降机，顶升平台，商业媒介广告 ， 一因自重或外力作用而回缩 提升机，天线 单作用伸缩式液压缸 2 .3 .2 』 双作用快速复位液压缸 一 快 速 复 位 经 “ 八1” 口 经“ 8” 口吸油 一压紧力 … ） 经“ 似” 口 一回缩运动，经“8” 口 从“ 八1” 和“ 八2” 口回油 如果经“ 八” 口给这些活塞注入压力油，则活塞就依次伸 出 。顶升压力决定于负载大小和作用面积。因此，作 用面积最大的活塞最早伸出。 图7.9 双作用快速复位液压缸 在不变的压力和流量下，起初的伸出力最大而速度最小， 最后一个的伸出力最小而速度最高。 2 .3 .3 伸缩式液压缸 伸缩式液压缸与普通液压缸的不同之処是，在同样行程 推进力必需根据最小作用面积进行计算 。对于单作用伸 下回缩以后只占很小的空间。空间的减小，源于活塞杆 缩式液压缸，缩回的顺序与伸出相反 ，也即最小作用面 互相套接在一起 ，相当于将总行程分成了多级 ，加上零 积的活塞最先回到起始位置。 行程的尺寸(缸底厚度，导向长度，密封宽度和固定长 118 第七章 液压缸 2 . 3 . 3 1 双作用伸缩式液压缸 这里 ，主要针对常用的单作用或双作用差动液压缸，讨 论的其工作原理 。 液压缸基本可分为两类： 一杆柱式液压缸，以及 一轧制式液压缸 3 . 1 杆柱式液压缸 杆柱式液压缸的缸盖 ，缸体和缸底都通过杆柱连接在一 起 。杆柱式液压缸的主要特点是结构紧凑 。 由于这类液压缸结构紧凑和节省空间，主要用于机床工 业和制造设备中，如输送线，汽车制造中的力口工 心等。 双作用伸缩式液压缸的外伸原理与单作用伸缩缸相同。 每一级的缩回顺序决定于压力作用的环形面积和外负载 的大小。 当端口 “ 8” 通以压力油时， 环形面积最大的活塞首先回到起始位置。 双作用伸缩式液压缸也可用作同步伸缩式液压缸。这时， 各级活塞同步伸出和缩回。 3 ‘基本原理 液压缸的结构在很大程度上决定于应用的不同需要.为 满足特定的需求 ，已开发了许多液压缸。机床 ，行走机 械，土木工程，钢铁厂等所用的液压缸，具有不一样的结 构型式。 119 第七章 液压缸 图7.13 杆柱式液压缸，缸盖法兰连接 120 第七章 液压缸 ~缸底与缸体用转向杆联结 ~ 終踹缓冲：顶部缓冲葚在浮动轴承处.底部 ~引导套和法兰端盖压入缸盖 则在耳环处 ~ 密封类型：安装密封 7 环形槽或密封圈 ^两端均有节流阀和单向阀 ― 两端均有排气阀 图7.15 杆柱式液压缸，缸底活节轴承耳环 型式与囹7-15相同，但 终端无缓冲装置（缓冲苌，缓冲耳轴，单向节流阀 均省略〉 图7.16 杆柱式液压缸，缸底活节轴承耳环 121 第七章 液压缸 3.2 轧制式液压缸 轧制式液压缸的缸盖和缸体的联结方式为螺纹 ， 焊接，或是螺柱与挡圈过盈配合联结。 由于结构牢固 ，轧制式液压缸也适用于极端恶劣 的作业环境 。 这类液压缸主要用于机械行业 ，轧钢厂 ，炼铁厂 ， 压机，起重机，土木工程，造船 ，以及陆地和近 海作业系统。 端 导 盖 法 向 缸 兰 柱 体 缸 塞 缸 底 盖 8 遝冲葚 15 0 形密封圈 9 场沖 1 6 柱塞密封（斗型〉 杆 1 0 碟形挡圈 17 0 形密封頤 1 1 柱塞 1 8 弹簧锁定垫圈 1 2 法兰 1 9 带排气的单向阀 套 1 3 洁洁坏 2 0 节流阀 1 4 套杆密封 -缸羔和缸底均与缸体法兰联结 ~ 两端均有绣冲装运 ~ 活塞杆经导引套导向1 或亘接由缸盖导向 -两端均有单向节流阀 - V形密封 ^两端均有排气阀 图7.18 轧制式液压缸，缸盖法兰连接 122 第七章 液压缸 型式与囵 7 - 1 相同，但 -无缓冲装置 柱塞套为紫铜材料 -柱塞遇过螺纹连接 图7.19 轧制式液压缸，缸底活节轴承耳环 图7.20 轧制式液压缸，缸底活节轴承耳环 图7.21 轧制式液压缸，缸底活节轴承耳环 123 第七章 液压缸 -缸盖与缸体螺纹联结 ~ 密 封 ；安装密封 I坏形槽或密封圈 -缸底与缸体焊接 ~缸底无理冲 - 活塞杆直接由缸盖导向 . 或经导弓I套导向 图7.22 轧制式液压缸，缸底活节轴承耳环 缸盖与缸体卡坏联结 ~ 密 封 ：安装密封丨环形槽或密封圈 缸底与缸体焊接 ^ 缸底无缓冲 活塞杆直接由缸盖导向 或经导引套导向 图7.23 轧制式液压缸，缸底活节轴承耳环 图7.24 轧制式液压缸，缸底和活塞端有螺纹孔 124 第七章 液压缸 4 ^ 固定型式与安装注意事项 在安装时，必需对各种型式的安装准则加以认真考虑 。 除了掌握工作所承受的压力，活塞和活塞杆直径 ，行程长度以及 表 7 1 和表7.3^ 给出了六种最常见的安装型式及其注 拉力或推力之外，还需要液压缸安装的部位和方法 ，也 意事项 。 即所需的安装型式。 在超过半数的应用实例中，都在缸底的安装中采用活节 表 7.1 和表7 .2 列出了液压缸的一些安装型式。 或回转轴承 。 表 7 . 1杆柱式液压缸的类型 125 第七章 液压缸 表 7 . 2 杆柱式液压缸的固定型式 表 7 .33安装注意事项 126 第七章 液压缸 表 7 . 3 6 安装注意事项 5 丨曲屈变 形 一非弹性变形的弯曲应力 〔蒂特迈杰方法X 以及 一弹性变形或虎克弯曲应力(其极限应力可根据欧拉 5 . 1 无弯曲变形 方程来确定） 由于活塞杆通常可当作细长杆処理 ，因此基本上可以用 当使用长行程的液压缸时，会产生包括稳定性之类的特 欧拉方程来进行液压缸的计算 。 殊问题 。 为计算起见 ，将这类问题分为两组: 127 第七章 液压缸 液压缸的情况来进行计算 弯曲负载和最大工作负载计算如下 二全已女」 除了单纯压应力，还有因缸体自重产生的弯曲变形 2 ⑴ 在这一负载下杆件将弯曲 对于行程较长且自重较大的液压缸，尤其应多加注意 最大负 载厂 二 ^ ⑶ ⑵ 0 弯曲长 度（皿 ） 弹 性模 量（钢材2.1*105〉( ^ / ^ ^ 2) 圆形截面的转动惯量（皿4〉 ( ^ 4^ 疋）1 64 ^ 0.0490 ^4 安 全 系 数⑶ 。） 自由弯曲的长度可用欧拉应力的各种情况加以确定(见 表 7.4 〉。 为了简化计算 ，忽略了缸体的挠度因素 ，以 满足任何叠加上的弯曲应力的需要，并在安装部位通常 未知的情况下，得到标准液压缸所需的安全极限边界。 5 . 2 弯曲变形 当水平安装或大角度倾斜安装时，可详细参考两端铰接 图示 表 7 .4 欧拉受压状况 128 第七章 液压缸 6 丨末 端 缓冲 6 .2 制动力 6 .1 液压缸基座 的末端 缓冲 液压缸的末端缓冲 ，必须保证两个末端的行程速度，有 一个受控的减速(制动〉过程。在缓冲开始时，所有的动 活塞⑴通过缓冲套安装在活塞杆上。 能 （运动质量与速度的计算结果)应不超过缓冲的最大 工作容量。制动能转化为节流缓冲阀的热能。 当锥形缓冲套〈2 〉进入缸底〈3 〉的孔时，随着其开口逐步 减小，离开活塞腔(幻的液流最后为零 。活塞腔4〈〉的流 6 .2 .1 制动力的计算 体只能由孔⑶和可调节流阀⑶流出。缓冲的效果要通 水平方向的液压缸制动力可计算如下： 过节流阀来设置。流动截面积越小，末端缓冲的效果就 越好 。 伸出 厂8 ^ ^ 3 十八4 口 3〈〉 复位 ^ ^ 3 十八8木口 4〈〉 厂8 : 制 动 力 (〜) 0 ^ 运动 质 量 （^ ) 3 ^ 减速度（瓜七2) 〔3 ^ 4 丨口扣 ）） V ^ 行程速度 ( ^ /^ ) 3 ^ 缓冲长度（瓜） ^ 活塞截面积 卜2) ^ 环形面积 （^ 2) 口 ^ 系统压力 （〜 /^2) 1 ^3 ！〜1 0 〜/ 娜2 对于垂直的运动液压缸，必须根据运动方向，把重力 (包括外负载的，活塞和活塞杆的)加到制动 力 中，或从制动力 减去这部分重力値 。 以上的计算忽略了缸体内的摩擦力。 6 .2 .2 平均缓冲压力的计算 在正常情况下，平均缓冲压力不得高于液压缸的公称压 设定缓冲位置时，采用节流阀可防止流螺钉(乃松脫 。 力 。 通过锁紧螺母 8〈〉可对缓冲设定进行保护 。 口0 二 I 八0 使用单向阀 9〈〉有助于液压缸启动时外伸动作的 成。 如 ^ 平均缓冲压力（〜/ 娜2) 因此，液压缸外伸时液流绕过节流口。而液压缸中的气 ^8 ^ 制 动 力 （〜） 体可通过排气阀螺钉㈤ ) 排 出。 八。^ 有效缓冲面积 （^ 2) 1 ^3 ！〜1 0 〜/ 娜2 无末端缓冲的液压缸，可以只安装排气阀螺钉 。 如果计算得到的压力値过高，就应增大缓冲长度，或者 降低系统的压力。 节流阀和单向阀基本上用同样的元件制造而成，因此可 以互换 。 129 第七章 液压缸 备注 130 第七章 液压缸 伺服液压缸系统 伺服液压缸系统属于一类独特的液压缸。 伺服液压缸系统的分类依据，不是根据其技术设计所属 的“ 工业类或行走类液压缸” ，而是根据活塞杆轴承(静压 轴承) 的类型。 使用静压轴承的液压缸，可用于需要低摩擦以及高频率 和低放大倍数的应用场合。 伺服液压缸系统大多数都用在运动仿真器，材料和元件检测 设备，以及需要高动态响应和高精度直线驱动的应用系 统 。 伺服液压缸系统基本包括以下元件： 一伺服液压缸 一伺服 阀块 ，以及 一控制 电器 7 .1 伺服液压缸 可以通过四种特性来确定使用何种类型的液压缸： 一运行中液压缸摩擦力的允许値的 一液压缸活塞杆的侧向负荷 一液压缸所需的速度 一最小的放大倍数或控制运动 根据不同的使用条件，基本上有两种结构的伺服液压 缸: 一使用静压轴承的伺服液压缸，活塞杆非加压式密封 一使用静压油膜轴承 （空心轴承）的伺服液压缸，活 塞杆非加压式密封 131 第七章 液压缸 7 .1 .1 静压轴承 使用静压轴承的伺服液压缸，用于速度高迖1 ^ 2 111/3和 侧向负荷较小的场合。（如液压缸的惯性力和冲量力）。 使用 空轴承的伺服液压缸，工作所承受的压力可高迖210 133^ ， 负载力1-4 ，0 0 0 砂 。 安装型式：两端活节轴承 ，两端法兰连接，支脚或耳轴 安装。 伺服液压缸配有感应式位置传感器，将测得的活塞行程 位置値送到电子控制器。 伺服液压缸中的密封没有受到油腔压力的作用，因此这 类轴承的摩擦力非常低 ，避免了粘滑现象 。这一优点可 表示为摩擦曲线^ 比较结果，伺服液压缸的摩擦力降低了 3 -4 倍 。 132 第七章 液压缸 八 工 作 压 力 卜 泄 漏 油 6 运 行 ^ 轴 承 压 力 4 导杆 图7.28 伺服液压缸的结构原理图，以静压轴承支撑活塞杆 图7.29 以静压轴承支撑活塞杆的结构原理图，静压轴承処的油压等于工作所承受的压力(抝 图7.30 摩擦力测量，仍尸210631 ； 8=^100^^ ；( 左）使用静压轴承的伺服液压缸，（右 〕使用滑动密 封圈的液压缸 133 第七章 液压缸 7 .1 .2 油 膜 轴承 （ 空轴承 ） 对于既要有高速又要有低速，且侧向负荷较大的液压缸， 可使用油膜轴承 （空轴承〕。 使用 空轴承的伺服液压缸，工作所承受的压力可高迖280 3)3^ ， 负载力10-10 ，0 0 0 奶 。 安装型式：两端法兰连接，或耳轴安装。安装型式可组 合使用。 伺服液压缸配有感应式位置传感器， 将测得的活塞行程 位置値送到电子控制器。 在结构上， 空轴承的周围有四个油膜 ，使液压缸的活 塞杆能够在这四个配对压力场作用下，始终処于轴承的 中部位置。 忽略活塞杆上侧向负荷的影响 ，则 空轴承的油膜压力 相当于工作所承受的压力的507 。。如果活塞杆上有侧向作用力， 则轴承上一个对面的油膜压力就增大，所以液压缸的活 塞杆能从始至终保持在轴承的中部。 在油膜轴承 （空轴承）中出现的摩擦九其大小与静 压轴承的相同(见图7.30 〉。然而这样大小的摩擦力相对 图7.31 使用静压油膜轴承 （空心轴承）的伺服液压缸，带伺 侧向负荷还是可接受的，因为活塞杆不会与轴承表面产 服阀块 生摩擦，因此不至于进入混合摩擦的范围 。 134 第七章 液压缸 图7.32 结构原理图一一使用油膜轴承 （空心轴承）的伺服液压缸 图7.33 油膜轴承 （空心轴承）的结构原理图 135 第七章 液压缸 7 .2 伺服 阀块 为了尽最大可能避免液压驱动中优良的动力特性 ，有不必要的减少, 与动力泵组的连接管路，以及与隔离系统的连接线路， 控制阀与伺服缸之间的管路应尽可能的短 。要迖到这一 都可用伺服阀块来实现。其它功能，诸如最大力限制, 要求 ，可直接将伺服阀块安装在伺服液压缸上。 先导油和轴承油的过滤 ，以及压力储存等，都已包含在 该阀块中。 钕 一 恶 图7.34 典型回路图一一安装在伺服液压缸的伺服阀块 136

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