第4章 液 压 缸 液压缸是液压系统的执行元件，它是将液体的压力能转换成工作机构的机械能，用来实现直线往复运动或小于360°的摆动。液压缸结构简单、配制灵活、设计、制造比较容易、使用维护方便，所以得到了广泛的应用。

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1 第4章 液 压 缸 液压缸是液压系统的执行元件，它是将液体的压力能转换成工作机构的机械能，用来实现直线往复运动或小于360°的摆动。液压缸结构简单、配制灵活、设计、制造比较容易、使用维护方便，所以得到了广泛的应用。

2 4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 液压缸的类型 名称 图型 说明 活塞式液压缸 单 杆 单作用 活塞单向作用，依靠弹簧使活塞复位
4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 液压缸的类型 名称 图型 说明 活塞式液压缸 单 杆 单作用 活塞单向作用，依靠弹簧使活塞复位 双作用 活塞双向作用，左、右移动速度不等，差动连接时，可提高运动速度 双 杆 活塞左、右运动速度相等

3 4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 柱 塞 式 液 压 缸 单柱塞 柱塞单向作用，依靠外力使柱塞复位 双柱塞 双柱塞双向作用 摆 动
4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 柱 塞 式 液 压 缸 单柱塞 柱塞单向作用，依靠外力使柱塞复位 双柱塞 双柱塞双向作用 摆 动 单叶片 输出转轴摆动角度小于300° 双叶片 输出转轴摆动角度小于150°

4 当液压缸直径受到限制而长度不受限制时，可获得大的推力 由两种不同直径的液压缸组成，可提高B腔中的液压力
4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 其 他 液 压 缸 增力液压缸 当液压缸直径受到限制而长度不受限制时，可获得大的推力 增压液压缸 由两种不同直径的液压缸组成，可提高B腔中的液压力 伸缩液压缸 由两层或多层液压缸组成，可增加活塞行程 多位液压缸 活塞A有三个确定的位置 齿条液压缸 活塞经齿条带动小齿轮，使它产生旋转运动

5 活塞式液压缸通常有单杆和双杆两种形式。又有缸筒固定、活塞移动与活塞杆固定、缸筒移动两种运动方式。
4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 活塞式液压缸 活塞式液压缸由缸筒、活塞和活塞杆、端盖等主要部件组成。 活塞式液压缸通常有单杆和双杆两种形式。又有缸筒固定、活塞移动与活塞杆固定、缸筒移动两种运动方式。

6 4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 1.单杆活塞式液压缸 单杆活塞式液压缸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运动行程的两倍。由于单杆液压缸左右两腔的活塞有效作用面积A1和A2不相等，所以，这种液压缸具有三种连接方式，如图所示。

7 4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 1.单杆活塞式液压缸 单杆活塞式液压缸

8 4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 (1) 当无杆腔进油、有杆腔回油时 式中 若回油腔直接接油箱，p2≈0，则： F1——推力；
4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 (1) 当无杆腔进油、有杆腔回油时 F1——推力； ——运动速度； p1——进油压力； p2——回油压力。 式中 若回油腔直接接油箱，p2≈0，则：

9 4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 (2) 当有杆腔进油、无杆腔回油时 式中 若回油腔直接接油箱，p2≈0，则： F1——推力；
4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 (2) 当有杆腔进油、无杆腔回油时 F1——推力； ——运动速度； p1——进油压力； p2——回油压力。 式中 若回油腔直接接油箱，p2≈0，则：

10 4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 与 之比称为液压缸的速度比 ，即： (3) 液压缸左右两腔同时进入压力油，即差动连接
4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 与 之比称为液压缸的速度比 ，即： (3) 液压缸左右两腔同时进入压力油，即差动连接 在差动连接时，液压缸左右两腔同时进入压力油，但因为两腔的有效作用面积不等，故活塞向右运动。

11 4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 在差动连接时， 差动缸活塞推力F3和运动速度 为： 整理得：
4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 在差动连接时， 差动缸活塞推力F3和运动速度 为： 整理得： 由上述可知，差动连接比非差动连接时的推力小而运动速度快，所以，这种连接形式是以减小推力为代价而获得快速运动的。

12 4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 2.双杆活塞式液压缸 双杆活塞式液压缸及其安装形式

13 4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 此种形式的液压缸在机床中常用。
4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 双杆活塞式液压缸，活塞两侧都装有活塞杆，由于两腔的有效面积相等，故活塞往返的作用力和运动速度都相等，即 ： 此种形式的液压缸在机床中常用。

14 4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 柱塞式液压缸 活塞式液压缸的内壁要求精加工，当液压缸较长时加工就显得比较困难，因此在行程较长时多采用柱塞缸。柱塞缸的内壁不需要精加工，只需要对柱塞杆进行精加工，它结构简单，制造方便，成本低。

15 4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 柱塞缸的结构如图所示。它由缸体、柱塞、导套、密封圈、压盖等零件组成。 柱塞式液压缸示意图

16 4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 摆动式液压缸
4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 摆动式液压缸 摆动式液压缸又称为摆动液压电动机或回转液压缸，它把油液的压力能转变为摆动运动的机械能。常用的摆动式液压缸有单叶片和双叶片两种。 转矩 角速度 单叶片摆动式液压缸

17 4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 摆动式液压缸结构图 1—隔板 2—缸体 3—转动轴 4—叶片 (a) 单叶片式 (b) 双叶片式

18 4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 其他液压缸 1.增力缸 增力缸结构图

19 4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 图示为由两个单杆活塞缸串联在一起的增力缸，当压力油通入两缸左腔时，串联活塞向右运动，两缸右腔的油液同时排出，这种油缸的推力等于两缸推力的总和。由于增加了活塞的有效面积，因而使活塞杆上的推力或拉力得到增加。设进油压力为p，活塞直径为D，活塞杆直径为d，不考虑摩擦损失，增力缸的牵引力为

20 4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 2.增压缸 增压缸结构图

21 4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 2.增压缸 图示为由活塞缸和柱塞缸组合而成的增压缸，用以使液压系统中的局部区域获得高压。在这里活塞缸中活塞的有效工作面积大于柱塞的有效工作面积，所以向活塞缸无杆腔送入低压油时，可以在柱塞缸那里得到高压油，它们之间的关系为： 其中：D、d——活塞、柱塞的直径； K——增压比K=D2/d2

22 4.1 液压缸的类型、特点和基本参数计算 3. 伸缩式液压缸 1—活塞 2—活塞 3—缸体 伸缩式液压缸示意图

23 4.2 液压缸的典型结构 液压缸的典型结构 图示为单杆液压缸的结构图，它主要由缸筒4、活塞6、活塞杆7、前后端盖8、1、密封件5等主要部件组成。缸筒与端盖用螺栓连接，活塞与缸筒，活塞杆与端盖之间有两种密封形式，即为橡塑组合密封与唇形密封；该液压缸具有双向缓冲功能，工作时压力油经进油口，单向阀进入工作腔，推动活塞运动，当活塞临近终点时，缓冲套切断油路，排油只能经节流阀排出，起节流缓冲作用。 从上面所述的液压缸典型结构中看出，液压缸的结构基本上可以分为缸体组件、活塞组件、密封装置、缓冲装置和排气装置等五部分。

24 4.2 液压缸的典型结构 单杆液压缸结构图 1—后端盖 2—缓冲节流阀 3—进出油口 4—缸筒 5—密封件 6—活塞
4.2 液压缸的典型结构 单杆液压缸结构图 1—后端盖 2—缓冲节流阀 3—进出油口 4—缸筒 5—密封件 6—活塞 7—活塞杆 8—前端盖 9—导向套 10—单向阀 11—缓冲套 12—导向环 13—无杆端缓冲套 14—螺栓

25 4.2 液压缸的典型结构 缸体组件 缸体组件与活塞组件构成密封的容腔，承受油压。因此缸体组件要有足够的强度、较高的表面精度和可靠的密封性。缸体组件指得是缸筒与缸盖，其使用材料、连接方式与工作压力有关，当工作压力p＜10MPa时使用铸铁缸筒，当工作压力10MPa≤p＜20MPa时使用无缝钢管，p≥20MPa时使用铸钢或锻钢。

26 4.2 液压缸的典型结构 缸筒和端盖结构图 (a) (b) (c)

27 4.2 液压缸的典型结构 采用法兰连接(图a所示)，结构简单、加工方便、连接可靠，但要求缸筒端部有足够的壁厚，用以安装螺栓或旋入螺钉。缸筒端部一般用铸造、镦粗或焊接方式制成粗大的外径。 采用半环连接(图b所示)，工艺性好、连接可靠、结构紧凑，但削弱了缸筒强度。这种连接常用于无缝钢管缸筒与缸盖的连接中。 采用螺纹连接(图c所示)，特点体积小、重量轻、结构紧凑，但缸筒端部结构复杂。常用于无缝钢管或铸钢的缸筒上。 拉杆连接结构简单、工艺性好、通用性强，但端盖的体积和重量较大，拉杆受力后会变形，影响密封效果，适用于长度较小的中低压缸。 焊接式连接强度高，制造简单，但焊接时易引起缸筒变形，且无法拆卸。

28 4.2 液压缸的典型结构 活塞组件 活塞组件由活塞、活塞杆和连接件等组成。活塞和活塞杆的连接方式很多，但无论采用哪种连接方式，都必须保证连接可靠。 (a) 螺纹式连接结构 (b) 半环式连接结构

29 4.2 液压缸的典型结构 密封装置 密封装置的作用是用来阻止有压工作介质的泄漏；防止外界空气、灰尘、污垢与异物的侵入。其中起密封作用的元件称密封件。通常在液压系统或元件中，存在工作介质的内泄漏和外泄漏，内泄漏会降低系统的容积效率，恶化设备的性能指标，甚至使其无法正常工作。外泄漏导致流量减少，不仅污染环境，有可能引起火灾，严重时可能引起设备故障和人身事故。所以为了保证液压设备工作的可靠性及提高工作寿命，密封装置与密封件不容忽视。液压缸的密封主要指活塞、活塞杆处的动密封和缸盖等处的静密封。

30 4.2 液压缸的典型结构 1. 间隙密封 2. 密封圈密封 常用的密封方法有： 间隙密封 间隙密封示意图

31 4.2 液压缸的典型结构 密封圈密封 (1) O形密封圈
4.2 液压缸的典型结构 密封圈密封 (1) O形密封圈 O形密封圈是由耐油橡胶制成的截面为圆形的圆环，它具有良好的密封性能，且结构紧凑，运动件的摩擦阻力小、装卸方便、容易制造、价格便宜，故在液压系统中广泛应用。

32 4.2 液压缸的典型结构 O形密封圈结构图 O形密封圈

33 4.2 液压缸的典型结构 (2) V形密封圈 V形密封圈由纯耐油橡胶或多层夹织物橡胶压制而成，通常由支承环、密封环和压环组成。当压环压紧密封环时，支撑环使密封环产生变形而起密封作用。 V形密封圈

34 4.2 液压缸的典型结构 (3) Y形密封圈 Y形密封圈主要用于往复运动的密封。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。Y形圈的密封作用依赖于它的唇边对偶合面的紧密接触，并在压力油作用下产生较大的接触应力，达到密封目的。 Y形密封圈

35 4.2 液压缸的典型结构 缓冲装置 缓冲装置的工作原理：利用活塞或缸筒在其走向行程终端时，在活塞和缸盖之间封住一部分油液，强迫它从小孔或缝隙中挤出，以产生很大的阻力，使工作部件受到制动逐渐减慢运动速度，达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。

36 4.2 液压缸的典型结构 固定节流缓冲 图a是缝隙节流，当活塞移动到其端部，活塞上的凸台进入缸盖的凹腔，将封闭在回油腔中的油液从凸台和凹腔之间的环状缝隙δ中挤压出去，从而造成背压，迫使运动活塞降速制动，实现缓冲。这种缓冲装置结构简单，缓冲效果好，但冲击压力较大。

37 4.2 液压缸的典型结构 可变节流缓冲 可变节流缓冲油缸有多种形式，图b在活塞上开有横截面为三角形的轴向斜槽，当活塞移近液压缸缸盖时，活塞与缸盖间的油液需经三角槽流出，从而在回油腔中形成背压，达到缓冲的目的。

38 4.2 液压缸的典型结构 可调节流缓冲 图c在缸盖中装有针形节流阀1和单向阀2。当活塞移近缸盖时，凸台进入凹腔，由于它们之间间隙较小，所以回油腔中的油液只能经节流阀流出，从而在回油腔中形成背压，达到缓冲的目的。调节节流阀的开口大小，就能调节制动速度。

39 4.2 液压缸的典型结构 排气装置 液压系统在安装过程中或长时间停止工作之后会渗入空气，另外，密封不好会有空气进去，况且油液中也含有气体(无论何种油液，本身总是溶解有3%～10%的空气)。 气体的来源 空气积聚使得液压缸运动不平稳，低速时产生爬行。由于气体有很大的可压缩性，会使执行元件产生爬行。压力增大时还会产生绝热压缩而造成局部高温，有可能烧坏密封件。启动时引起振动和噪声，换向时降低精度。 气体对液压系统的影响

40 4.2 液压缸的典型结构 一般利用空气比重较油轻的特点，在液压缸内腔的最高部位设置排气孔或专门的排气装置。
4.2 液压缸的典型结构 一般利用空气比重较油轻的特点，在液压缸内腔的最高部位设置排气孔或专门的排气装置。 下图采用排气塞和排气阀：当松开排气阀螺钉时带着空气的油液，便通过锥面间隙经小孔溢出，待系统内气体排完后，便拧紧螺钉，将锥面密封，也可在缸盖的最高部位处开排气孔，用长管道向远处排气阀排气。所有的排气装置都是按此基本原理工作的。

41 4.2 液压缸的典型结构 排气装置 排气装置示意图

42 4.3 液压缸的设计计算 主要尺寸计算 液压缸的主要尺寸包括缸的内径D、活塞杆直径d、液压缸的长度和活塞杆的长度等。
4.3 液压缸的设计计算 主要尺寸计算 液压缸的主要尺寸包括缸的内径D、活塞杆直径d、液压缸的长度和活塞杆的长度等。 液压缸的内径和活塞杆的直径的确定方法与使用的液压缸设备类型有关，通常根据液压缸的推力(牵引力)和液压缸的有效工作压力来决定。 本节主要介绍液压缸的主要尺寸的计算及结构强度、刚度的验算方法。

43 4.3 液压缸的设计计算 主要尺寸计算 对于单出杆的液压缸而言 ： 对于单出杆的液压缸而言 无杆腔进油并且不考虑机械效率时：
4.3 液压缸的设计计算 主要尺寸计算 对于单出杆的液压缸而言 ： 液压缸内径D和活塞杆直径d可根据液压系统中的最大总负载和选取的工作压力来确定。 对于单出杆的液压缸而言 无杆腔进油并且不考虑机械效率时： 有杆腔进油并且不考虑机械效率时：

44 4.3 液压缸的设计计算 主要尺寸计算 上式中，一般选取回油背压p2=0，于是便可简化，即无杆腔、有杆腔进油时分别为： 或
4.3 液压缸的设计计算 主要尺寸计算 上式中，一般选取回油背压p2=0，于是便可简化，即无杆腔、有杆腔进油时分别为： 或 上式中的活塞杆直径d可根据工作压力或设备类型选取，也可查机械设计手册。

45 4.3 液压缸的设计计算 主要尺寸计算 液压缸缸筒长度由活塞最大行程L、活塞长度、活塞杆导向长度H和特殊要求的其他长度确定，如图。 导向长度

46 4.3 液压缸的设计计算 主要尺寸计算 活塞长度 B=(0.6～1.0)D 其中 A=(0.6～1.5)D 导向套长度
4.3 液压缸的设计计算 主要尺寸计算 活塞长度 B=(0.6～1.0)D 其中 A=(0.6～1.5)D 导向套长度 必要时可在导向套和活塞之间装一隔套K， 隔套的长度为 一般液压缸的钢筒长度不应大于内径的20~30倍。

47 4.3 液压缸的设计计算 液压缸的校核 1. 缸筒壁厚δ的校核 在液压传动系统，中、高压液压缸一般用无缝钢管制作缸筒，
4.3 液压缸的设计计算 液压缸的校核 1. 缸筒壁厚δ的校核 在液压传动系统，中、高压液压缸一般用无缝钢管制作缸筒， 大多属薄壁筒，即 δ/D≤0.08 时，按材料力学薄壁圆筒公式验算壁 厚，即 ：

48 4.3 液压缸的设计计算 其中 Pmax —— 缸筒内最高工作压力(指试验压力)，考虑到液压 缸可能承受冲击，试验压力要远大于工作压力
4.3 液压缸的设计计算 其中 Pmax —— 缸筒内最高工作压力(指试验压力)，考虑到液压 缸可能承受冲击，试验压力要远大于工作压力 D —— 缸筒内径 [ ] —— 缸筒材料的许用应力， ， n为安全系数， 为材料抗拉强度， 一般取n=3.5～5。

49 4.3 液压缸的设计计算 1. 缸筒壁厚δ的校核 当液压缸采用铸造缸筒时，壁厚由铸造工艺确定，这时应按厚壁圆筒公式验算壁厚。 进行验算
4.3 液压缸的设计计算 1. 缸筒壁厚δ的校核 当液压缸采用铸造缸筒时，壁厚由铸造工艺确定，这时应按厚壁圆筒公式验算壁厚。 进行验算 当δ/D=0.08～0.3时，用式 进行验算 当δ/D≥0.3时，用式

50 4.3 液压缸的设计计算 2. 液压缸活塞杆稳定性验算 只有当液压缸活塞杆计算长度L≥10d时，才进行其纵向稳定性的验算。验算可按材料力学有关公式进行。 3. 液压缸缸盖固定螺栓直径校核 液压缸缸盖固定螺栓在工作过程中，同时承受拉应力和剪切应力，其螺栓直径可按下式校核：

51 4.3 液压缸的设计计算 其中 k —— 螺纹拧紧系数，一般取k=1.2～1.5； F —— 液压缸最大作用力； Z —— 螺栓个数；
4.3 液压缸的设计计算 其中 k —— 螺纹拧紧系数，一般取k=1.2～1.5； F —— 液压缸最大作用力； Z —— 螺栓个数； —— 螺栓螺纹的底径； n为安全系数， 为材料抗拉强度， 一般取n=1.2～2.5。