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第3章 液压缸
本章索引
3.1 液压缸的类型和特点
3.2 液压缸的结构
3.1 液压缸的类型和特点
3.1.1 活塞式液压缸
1．双杆活塞缸
右图所示为双杆活塞缸的原理图。活塞两侧均装有活塞杆。当两活塞杆直径相同，供油压力和流量不变时，活塞（或缸体）在两个方向的运动速度和推力也都相等，即
下图所示为实心双杆液压缸的典型结构。缸体6固定在机体上，活塞杆7和工作台靠支架9和螺母10连接在一起。压力油通过油道a（或b）分别进入液压缸左右腔时，就推动活塞带动工作台往复运动，c孔为排气孔。
2．单杆活塞缸
（a）无杆腔进油 （b）有杆腔进油
下图所示为双作用单缸活塞缸工作原理图。无杆腔进油时（见图a所示），有杆腔回油。设活塞的运动速度为υ1，推力为F1，则有
有杆腔进油时（见图b所示），无杆腔回油。设活塞的运动速度为υ2，推力为F2，则有
液压缸往复运动时的速度比为
单杆活塞液压缸可以是缸体固定、活塞运动；也可以是活塞固定，缸体运动，无论采用哪一种形式，液压缸往复运动范围均为有效行程的两倍，如左图所示。单杆活塞缸还有另外一种非常重要的工作方式，即两腔同时通入压力油，如右图所示，这种油路连接方式称为差动连接。
差动连接时，活塞杆的伸出速度υ3为
差动连接时，p1≈p2，活塞推力为F3，故
若要使活塞往、返速度相等，即υ3=υ2，则
与非差动连接无杆腔进油工况相比，在输入油液压力和流量相同的条件下，活塞杆伸出速度较大而推力较小。利用差动连接，可以在不加大油源流量的情况下得到较快的运动速度。这种连接方式被广泛应用于组合机床的液压动力滑台和其他机械设备的快速运动中。
下图所示为单杆活塞缸的典型结构。
3.1.2 柱塞缸
左图所示为柱塞缸的结构示意图，它为单作用液压缸，即靠液压力只能实现一个方向的运动，回程要靠自重（当液压缸垂直放置时）或弹簧等其他外力来实现。中图所示为柱塞缸图形符号。为了减轻重量，防止柱塞下垂（水平放置时），降低密封装置的单面摩擦，柱塞缸的柱塞通常做成空心的。为了得到双向运动，柱塞缸常成对使用，如右图所示。
下图所示为柱塞缸的工作原理图，柱塞上的有效作用力为
柱塞运动速度为
柱塞缸最大的特点是柱塞不与缸体接触，运动时靠缸盖上的导向套来导向，因而对缸体内壁的精度要求很低，工艺性好，成本低，特别适用于行程较长的场合。
3.1.3 摆动缸
摆动缸也称摆动液压马达，它有单叶片和双叶片两种结构形式，如下图所示。
（a）单叶片时 （b）双叶片式 （c）图形符号
3.1.4 组合式液压缸
1．伸缩缸
伸缩缸也称多级缸，它由两级或多级活塞缸套装而成，前一级活塞缸的活塞是后一级活塞缸的缸体，如下图所示。
2．齿条活塞缸
齿条活塞缸又称无杆式液压缸，它由带有齿条杆的双活塞缸和齿轮组成，如下图所示。活塞的往复移动经齿轮齿条机构转换成齿轮轴的周期性往复转动。它多用于自动生产线、组合机床等的转位或分度机构中。
3.2 液压缸的结构
3.2.1 液压缸的密封
在液压缸中，相对往复运动部件配合处的泄漏问题较为突出，如下图所示。泄漏分内泄漏和外泄漏，一般不允许外泄漏。因此，要求液压缸所选用的密封元件必须具有良好的密封性能，并且密封性能应随工作压力的提高而自动提高。
1．间隙密封
间隙密封如下图所示，它是利用运动部件间的配合间隙起密封作用的。通常在活塞外圆表面上开有若干个环形槽，使活塞四周都有压力油的作用，减小活塞的摩擦力，利于活塞对中。
2．密封圈密封
（1）O形密封圈
O形密封圈是一种截面为圆形的耐油橡胶环，如图a所示。这种密封圈结构简单，密封性能良好，摩擦阻力较小，成本低，体积小，安装沟槽尺寸小，使用非常方便。但使用时需要合适的预压缩量δ1和δ2，如图b、c所示。
O形密封圈常用于直线往复运动和回转运动的密封，下图表示其在液压缸密封中的应用。
这种密封圈的缺点是，当压力较高或沟槽尺寸选择不妥时，密封圈容易被挤出，从而造成密封圈损坏。
（2）Y形密封圈密封
Y形密封圈如下图所示，它依靠略微张开的唇边贴于密封面而保持密封。在油压作用下，唇边作用在密封面上的压力随之增加，并在磨损后有一定的自动补偿能力，故Y形密封圈有较好的密封性能，且能保证较长的使用寿命。在装配Y形密封圈时，一定要使唇边对着有压力的油腔，才能起到密封作用。
（3）V形密封圈
V形密封圈用带夹织物的橡胶制成。它由支承环、密封环和压环三部分叠台组成，如下图所示。密封压力高时，可增加密封环的数量。安装时也应注意方向，即密封环的开口应面向压力油腔。
3.2.2 液压缸的缓冲
1．环状间隙式缓冲装置
左图所示为一种圆柱形环状间隙式缓冲装置。 右图所示为圆锥形环隙式缓冲装置 。
2．可变节流槽式缓冲装置
如下图所示，可变节流槽式缓冲装置在缓冲柱塞A上开有三角节流沟槽，节流面积随着缓冲行程的增大而逐渐减小，其缓冲压力变化较平缓。
3．可调节流孔式缓冲装置
如下图所示，对可调节流孔式缓冲装置，当缓冲柱塞A进入到缸盖内孔时，回油口被柱塞堵住，只能通过节流阀C回油，调节节流阀的开度，可以控制回油量，从而控制活塞的缓冲速度。当活塞反向运动时，压力油通过单向阀D进入液压缸，使活塞快速起动。
3.2.3 排气装置
对于要求不高的液压缸，往往不设专门的排气装置，而是将油口布置在缸体两端的最高处，由流出的液压油将缸中的空气带走；对于速度稳定性要求较高的液压缸和大型液压缸，常在液压缸的最高处设置专门的排气装置，如排气塞、排气阀等。
下图所示为排气塞，当松开排气塞螺钉时，带有气泡的油液就会排出，空气排完后拧紧螺钉，液压缸便可正常工作。
例题3-1 如图3-23所示，两个结构尺寸相同的液压缸串联，其有效作用面积A1=100 cm2，A2=63 cm2，p1=1.5 MPa，液压泵的流量q1=20 L/min。若不计摩损失和泄漏，试求
（1）两缸负载相同时，两缸的负载和速度各为多少？
（2）缸1不受负载时，缸2能承受多少负载？
（3）缸2不受负载时，缸1能承受多少负载？
解：（1）当F1＝F2时，
（2）当F1＝0时，
（3）当F2＝0时，
例题3-2 某单杆液压缸的活塞直径D为100 mm，活塞杆直径d为63 mm，现用流量q=25 L/min，压力为p=4 MPa的液压泵供油驱动，试求
（1）液压缸能推动的最大负载；
（2）差动工作时，液压缸的速度。
解：（1）以无杆腔进油，有杆腔回油时，液压缸产生的推力最大，此时能推动的负载为
（2）差动工作时的速度为

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