液压缸分类及特点：活塞式双杆/单杆液压缸详解

液压缸是液压系统中的执行元件之一，它是一种把液体的压力能转换成机械能以实现直线往复运动的或往复摆动的能量转换装置。

1.液压缸的分类、特点和图形符号

液压缸的分类、特点及图形符号见表2-2。

表2-2 液压缸的分类、特点及图形符号

2.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活塞缸和单杆式活塞缸两种。

（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双杆活塞缸和活塞杆固定式双杆活塞缸两种。

图2-17a所示为缸筒固定式双杆活塞缸。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2-17b所示的活塞杆固定式双杆活塞缸。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、出油腔的压力分别为p₁和p₂，输入流量为q时，双杆活塞缸的推力F和速度v分别为

图2-17 双杆活塞缸

a）缸筒固定式双杆活塞缸 b）活塞杆固定式双杆活塞缸

F=A（p₁-p₂）=π（D²-d²）（p₁-p₂）/4 （2-30）

v=q/A=4q/[π（D²-d²）] （2-31）

式中 A——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2-18所示，活塞只有一端带活塞杆，单杆式活塞缸也有缸体固定式和活塞杆固定式两种形式，但它们的工作台移动范围都是活塞有效行程的两倍。

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

F₁=p₁^A1-p₂A₂=π[（p₁-p₂）D²+p₂d²]/4 （2-32）

F₂=p₁A₂-p₂A₁=π[（p₁-p₂）D²-p₁d₂]/4 （2-33）

v₁=q/A₁=4q/πD² （2-34）

v₂=q/A₂=4q/[π（D²-d²）] （2-35）

由式（2-32）～式（2-35）可知，由于A₁＞A₂，所以F₁＞F₂，v₁＜v₂。如把两个方向上的输出速度v₂和v₁的比值称为速度比，记作λ_v，则λ_v=v₂/v₁=1/[1-（d/D）2]。因此，。在已知D和λv时，可确定d值。

（3）差动液压缸 单杆活塞缸在其左右两腔都接通高压油时称为差动连接，如图2-19所示。

图2-18 单杆式活塞缸

a）缸筒固定式单杆活塞缸 b）活塞杆固定式单杆活塞缸

图2-19 差动液压缸

差动液压缸左右两腔的油液压力相同，但是由于左腔（无杆腔）的有效面积大于右腔（有杆腔）的有效面积，故活塞向右运动，同时使右腔中排出的油液（流量为q′）也进入左腔，加大了流入左腔的流量（q+q′），从而也加快了活塞移动的速度。实际上活塞在运动时，由于差动连接时两腔间的管路中有压力损失，所以右腔中油液的压力稍大于左腔中的油液压力，而这个差值一般都较小，可以忽略不计，则差动连接时活塞推力F₃和运动速度v₃分别为

F₃=p₁（A₁-A₂）=p₁πd²/4 （2-36）

v₃=4q/（πd²） （2-37）

进入无杆腔的流量q₁为

由式（2-36）～式（2-38）可知，差动连接时液压缸的推力比非差动连接时小，速度比非差动连接时大，正好利用这一点，可使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系统和其他机械设备的快速运动中。如果要求机床往返速度相等时，则由式（2-35）和式（2-39）得

即

3.柱塞式液压缸

如图2-20a所示，单向柱塞缸只能实现一个方向的液压传动，反向运动要靠外力。若需要实现双向运动，则必须成对使用。如图2-20b所示，双向柱塞缸中的柱塞和缸筒不接触，运动时由缸盖上的导向套来导向，因此缸筒的内壁不需精加工，它特别适用于行程较长的场合。

图2-20 柱塞式液压缸

a）单向柱塞缸 b）双向柱塞缸

柱塞式液压缸输出的推力和速度分别为

F=pA=pπd²/4 （2-40）

v=q/A=4q/（πd²） （2-41）

式中 A——柱塞的有效工作面积；

d——柱塞的直径；

p——液体的工作压力；

q——柱塞式液压缸的输入流量。

4.其他液压缸

（1）增压缸 增压缸又称增压器，它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。它有单作用和双作用两种形式，单作用增压缸的工作原理如图2-21a所示，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，柱塞缸中输出的液体压力为高压，其值为

p₂=p₁（D/d）2=Kp₁ （2-42）

式中 K——增压比，K=D²/d²，它代表其增压程度。(www.xing528.com)

显然增压能力是在降低有效能量的基础上得到的，也就是说增压缸仅仅是增大输出的压力，并不能增大输出的能量。

单作用增压缸在柱塞运动到终点时，不能再输出高压液体，需要将活塞退回到左端位置，再向右行时才又输出高压液体。为了克服这一缺点，可采用双作用增压缸，如图2-21b所示，由两个高压端连续向系统供油。

图2-21 增压缸

a）单作用增压缸 b）双作用增压缸

（2）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杆内孔是后一级活塞缸的缸筒，伸出时可获得很长的工作行程，缩回时可保持很小的结构尺寸。伸缩缸被广泛用于起重运输车辆中。

伸缩缸可以是如图2-22a所示的单作用式，也可以是如图2-22b所示的双作用式，前者靠外力回程，后者靠液压回程。

图2-22 伸缩缸

a）单作用式伸缩缸 b）双作用式伸缩缸

伸缩缸的外伸动作是逐级进行的。首先是最大直径的缸筒以最低的油液压力开始外伸，当到达行程终点后，稍小直径的缸筒开始外伸，直径最小的末级最后伸出。随着工作级数变大，外伸缸筒直径越来越小，工作油液压力随之升高，工作速度变快。其值分别为

式中的i指i级活塞缸。

（3）齿轮传动缸 它由两个柱塞缸和一套齿条传动装置组成，如图2-23所示。柱塞的移动经齿轮齿条传动装置变成齿轮的传动，用于实现工作部件的往复摆动或间歇进给运动。

（4）摆动式液压缸 摆动式液压缸是输出转矩并实现往复运动的执行元件，也称摆动式液压马达。它有单叶片摆动式液压缸和双叶片摆动式液压缸两种形式。图2-24中定子块固定在缸体上，而叶片和转子连接在一起。根据进油方向，叶片将带动转子做往复摆动。

图2-23 齿轮传动缸

图2-24 摆动式液压缸的工作原理

a）单叶片摆动式液压缸 b）双叶片摆动式液压缸

1—限位挡块 2—缸体 3—传动轴 4—叶片

5.常用液压缸的典型结构及其组成

（1）液压缸的典型结构举例 图2-25所示是一个较常用的双作用单活塞杆液压缸。它由缸底20、缸筒10、缸盖兼导向套9、活塞11和活塞杆18等组成。缸筒一端与缸底焊接，另一端缸盖（导向套）与缸筒用卡键6、套5和弹簧挡圈4固定，以便拆装检修，两端设有油口A和B。活塞11与活塞杆18利用卡键15、卡键帽16和弹簧挡圈17连在一起。活塞与缸孔的密封采用的是一对Y形聚氨酯密封圈12，由于活塞与缸孔有一定间隙，采用由尼龙1010制成的耐磨环（又叫支承环）13定心导向。活塞杆18和活塞11的内孔由O形密封圈14密封。较长的导向套9则可保证活塞杆不偏离中心，导向套外径由O形密封圈8密封，而其内孔则由Y形聚氨酯密封圈7和防尘圈3分别防止油外漏和灰尘带入缸内。缸与杆端销孔与外界连接，销孔内有尼龙衬套抗磨。

图2-25 双作用单活塞杆液压缸

1—耳环 2—螺母 3—防尘圈 4、17—弹簧挡圈 5—套 6、15—卡键 7、12—Y形聚氨酯密封圈 8、14—O形密封圈 9—缸盖兼导向套 10—缸筒 11—活塞 13—耐磨环 16—卡键螺母 18—活塞杆 19—衬套 20—缸底

图2-26所示为一空心双活塞杆式液压缸的结构。

图2-26 空心双活塞杆式液压缸的结构

1、15—活塞杆 2—堵头 3—托架 4、17—V形密封圈 5、14—排气孔 6、19—导向套 7—O形密封圈 8—活塞 9、22—锥销 10—缸体 11、20—压板 12、21—钢丝环 13、23—纸垫 16、25—压盖 18、24—缸盖

由图2-26可见，该液压缸的左右两腔是通过油口b和d经活塞杆1和15的中心孔与左右径向孔a和c相通的。由于活塞杆固定在床身上，缸体10固定在工作台上，工作台在径向孔c接通液压油，径向孔a接通回油时向右移动；反之，则向左移动。在这里，缸盖18和24通过螺钉（图中未画出）与压板11和20相连，并经钢丝环12相连，缸盖24空套在托架3的孔内，可以自由伸缩。空心活塞杆的一端用堵头2堵死，并通过锥销9和22与活塞8相连。缸筒相对于活塞运动由左右两个导向套6和19导向。活塞与缸筒之间、缸盖与活塞杆之间以及缸盖与缸筒之间分别用O形密封圈7、V形密封圈4和17以及纸垫13和23进行密封，以防止油液的内、外泄漏。缸筒在接近行程的左右终端时，径向孔a和c的开口逐渐减小，对移动部件起制动缓冲作用。为了排除液压缸中剩余的空气，缸盖上设置有排气孔5和14，经导向套环槽的侧面孔道（图中未画出）引出与排气阀相连。

（2）液压缸的组成 从上面所述的液压缸典型结构中可以看到，液压缸的结构基本上可以分为缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置和排气装置五个部分，分述如下。

1）缸筒和缸盖。一般来说，缸筒和缸盖的结构形式和其使用的材料有关。工作压力p＜10MPa时，使用铸铁；10MPa≤p＜20MPa时，使用无缝钢管；p≥20MPa时，使用铸钢或锻钢。图2-27所示为缸筒和缸盖的常见结构。图2-27a所示为法兰连接式，结构简单，容易加工，也容易装拆，但外形尺寸和自重都较大，常用于铸铁制的缸筒上。图2-27b所示为半环连接式，它的缸筒壁部因开了环形槽而削弱了强度，为此有时要加厚缸壁，它容易加工和装拆，自重较小，常用于无缝钢管或锻钢制的缸筒上。图2-27c所示为螺纹连接式，它的缸筒端部结构复杂，外径加工时要求保证内外径同心，装拆要使用专用工具，它的外形尺寸和自重都较小，常用于无缝钢管或铸钢制的缸筒上。图2-27d所示为拉杆连接式，该结构的通用性大，容易加工和装拆，但外形尺寸较大，且自重较大。图2-27e所示为焊接连接式，结构简单，尺寸小，但缸底处内径不易加工，且可能引起变形。

图2-27 缸筒和缸盖的常见结构

a）法兰连接式 b）半环连接式 c）螺纹连接式 d）拉杆连接式 e）焊接连接式

1—缸盖 2—缸筒 3—压板 4—半环 5—防松螺母 6—拉杆

2）活塞和活塞杆。可以把短行程的液压缸的活塞杆与活塞做成一体，这是最简单的形式。但当行程较长时，这种整体式活塞组件的加工较困难，所以常把活塞和活塞杆分开制造，然后再连接成一体。图2-28所示为几种常见的活塞和活塞杆的连接形式。

图2-28 常见的活塞和活塞杆的连接形式

a）螺母连接 b）卡环式连接 c）卡环式连接 d）径向销式连接

1、7、11、14—活塞 2—螺母 3、8、9、15—活塞杆 4—弹簧卡圈 5—轴套 6、12—半圆环 10—密封圈座 13—锥销

图2-28a所示为活塞和活塞杆之间采用螺母连接，它适用于负载较小、受力无冲击的液压缸中。螺母连接虽然结构简单，安装方便可靠，但在活塞杆上车螺纹将削弱其强度。图2-28b、c所示为卡环式连接方式。图2-28b中活塞杆8上开有一个环形槽，槽内装有两个半圆环6以夹紧活塞7，半圆环6由轴套5套住，而轴套5的轴向位置用弹簧卡圈4来固定。图2-28c中的活塞杆，使用了两个半圆环12，它们分别由两个密封圈座10套住，半圆形的活塞11安放在密封圈座的中间。图2-28d所示是一种径向销式连接结构，用锥销13把活塞14固连在活塞杆15上。这种连接方式特别适用于双出杆式活塞。

3）密封装置。液压缸中常见的密封装置如图2-29所示。图2-29a所示为间隙密封，它依靠运动间的微小间隙来防止泄漏。为了提高这种装置的密封能力，常在活塞的表面上制出几条细小的环形槽，以增大油液通过间隙时的阻力。间隙密封结构简单，摩擦阻力小，可耐高温，但泄漏大，加工要求高，磨损后无法恢复原有能力，只有在尺寸较小、压力较低、相对运动速度较高的缸筒和活塞间使用。图2-29b所示为摩擦环密封，它依靠套在活塞上的摩擦环（尼龙或其他高分子材料制成）在O形密封圈弹力作用下贴紧缸壁而防止泄漏。这种材料效果较好，摩擦阻力较小且稳定，可耐高温，磨损后有自动补偿能力，但加工要求高，装拆不便，适用于缸筒和活塞之间的密封。

图2-29c、d所示为密封圈（O形圈、V形圈等）密封，它利用橡胶或塑料的弹性使各种截面的环形圈贴紧在静、动配合面之间来防止泄漏。它的结构简单，制造方便，磨损后有自动补偿能力，性能可靠，在缸筒和活塞之间、缸盖和活塞杆之间、活塞和活塞杆之间、缸筒和缸盖之间都能使用。

对于活塞杆外伸部分来说，由于它很容易把脏物带入液压缸，使油液受污染，使密封件磨损，因此常需在活塞杆密封处增添防尘圈，并放在向着活塞杆外伸的一端。

图2-29 密封装置

a）间隙密封 b）摩擦环密封 c）O形圈密封 d）V形圈密封

4）缓冲装置。液压缸一般都设置缓冲装置，特别是对大型、高速或要求高的液压缸，为了防止活塞在行程终点时和缸盖相互撞击，引起噪声、冲击，则必须设置缓冲装置。

缓冲装置的工作原理是利用活塞或缸筒在其走向行程终端时封住活塞和缸盖之间的部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出，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。

如图2-30a所示，当缓冲柱塞进入与其相配的缸盖上的内孔时，孔中的液压油只能通过间隙δ排出，使活塞速度降低。由于配合间隙不变，故随着活塞运动速度的降低，起缓冲作用。当缓冲柱塞进入配合孔之后，油腔中的油只能经节流阀排出，如图2-30b所示。由于节流阀是可调的，因此缓冲作用也可调节，但仍不能解决速度减低后缓冲作用减弱的缺点。如图2-30c所示，在缓冲柱塞上开有三角槽，随着柱塞逐渐进入配合孔中，其节流面积越来越小，解决了在行程最后阶段缓冲作用过弱的问题。

5）排气装置。液压缸在安装过程中或长时间停放重新工作时，液压缸里和管道系统中会渗入空气，为了防止执行元件出现爬行、噪声和发热等不正常现象，需把液压缸中和系统中的空气排出。一般可在液压缸的最高处设置进、出油口把空气带走，也可在最高处设置如图2-31a所示的放气孔或专门的放气阀（见图2-31b、c）。