单活塞杆液压缸的工作原理和应用介绍

1.单活塞杆液压缸的特点

图2－3－1 为双作用单活塞杆液压缸，它的进、出油口的布置视安装方式而定，可以缸筒固定，也可以活塞杆固定，工作台的移动范围是活塞或缸筒的有效行程的2 倍。液压缸的往复运动均由液压实现。单活塞杆液压缸只有一端有活塞杆伸出，两端作用面积不等。在输入相同流量时，两个方向的运动速度不同。

图2-3-1　单活塞杆液压缸

（a）无杆腔进油；（b）有杆腔进油；（c）两腔同时通入压力油

图2－3－1 （a）中：

图2－3－1 （b）中：

单活塞杆液压缸动画

比较两式可知：因为A1 >A2，所以υ2 >υ1。

两个方向的供油压力分别为p1和p2，液压缸往返运动的推力为

图2－3－1 （a）中：

图2－3－1 （b）中：

假定p1＝p2，因为A1 >A2，故F1 >F2，即无活塞杆端推力大，常用于工作端，v1为工作方向，活塞杆受压。

单活塞杆液压缸在其左右两腔同时接通高压油时，称做“差动连接”，这种连接形式的液压缸被称为“差动缸”如图2－3－1 （c）所示。差动连接时，活塞（或缸体）只能向一个方向运动，要使其反向运动，油路的连接应与非差动连接相同。差动连接时输出的速度和推力按下式计算：

反向运动时，速度与推力由υ2 和F2确定。

如要求往返运动速度相等时，即υ2＝υ差，则有化简后得D2＝2d2。即为保证差动连接时的往返速度相等，则要使活塞与活塞杆的直径保持D＝2 d。

2.单活塞杆液压缸的结构

在液压传动系统设计中，液压泵和液压阀可选用标准元件，液压缸则需要自行设计和制造。

液压缸的结构可以分为活塞与活塞杆、缸筒与端盖、密封装置、缓冲装置和排气装置5部分。

（1）活塞与活塞杆。活塞与活塞杆的连接方式很多，最常用的连接方式有螺纹连接和半环连接，此外还有整体式结构、焊接式结构、锥销式结构等。无论采用何种连接方式，都必须保证连接可靠。

图2－3－2 （a）中，螺纹连接结构简单、拆装方便，但一般需配螺母放松装置。单活塞杆液压缸多采用此种结构，该结构不仅应用在机床上，工程机械中也广泛采用。图2－3－2 （b）的半环式连接应用于高压大负载的场合，特别是当工作设备有较大振动的工况下，多用半环连接代替螺纹连接，其工作可靠、连接强度高，但结构复杂、拆装不便，工程机械多采用半环式连接。

图2-3-2　活塞与活塞杆的连接方式(www.xing528.com)

（a）螺纹式连接结构；（b）半环式连接结构

活塞受油压的作用在缸筒内做往复运动，因此活塞必须具备一定的强度和良好的耐磨性。活塞一般用铸铁制造。活塞杆是连接活塞和工作部件的传力零件，它必须具有足够的强度和刚度。活塞杆无论是实心的还是空心的，通常都用钢料制造。活塞杆在导向套内往复运动，其外圆表面应当耐磨并有防锈能力，故活塞杆外圆表面有时需镀铬。

（2）液压缸缸筒与端盖。缸体和端盖要有足够的强度、较高的表面精度和可靠的密封性。

图2－3－3 为液压缸缸筒与端盖的连接方式。法兰式的连接结构比较简单，易于加工和装配，但要求缸筒端部有足够的壁厚，用以安装螺栓或螺钉，是常用的一种连接形式；半环式结构紧凑、质量轻，但安装密封圈时有可能被环槽边缘擦伤，常用于无缝钢管缸筒与端盖的连接中；螺纹式外形尺寸小、体积小、结构紧凑，但端部结构复杂，而且内、外径有同轴度要求，装配困难，要使用专门工具，一般用于要求外形尺寸小、重量轻的场合；拉杆式通用性强、缸体易于加工、装拆最方便，但质量和外形尺寸较大，拉杆受力后会拉伸变长，影响密封效果，只适用于长度不大的中、低压液压缸；焊接式结构简单、尺寸小，但缸体焊接后有能变形，也不易加工。

缸筒内孔一般采用镗削、铰孔、滚压或珩磨等精密加工工艺制造，要求表面粗糙度Ra为0.1～0.4 μm。为了防止腐蚀，缸筒内表面有时需镀铬。

（3）液压缸的密封装置。液压缸高压腔中的油液向低压腔泄漏称为内泄漏，缸内的油液向外部泄漏称为外泄漏。内、外泄漏的存在会使液压缸的容积效率降低，影响液压缸的工作性能，严重时系统的压力上不去，甚至无法工作。另外，外泄漏还会污染环境。为防止泄漏，液压缸中需密封处应采取必要的措施。液压缸中需密封的部位有活塞、活塞杆和端盖处。

图2-3-3　液压缸缸筒与端盖的连接方式

（a）法兰式；（b）半环式；（c）外螺纹式；（d）拉杆式；（e）焊接式；（f）内螺纹式

常用的密封方法有以下几种。

①间隙密封。依靠两运动件配合面保持很小的间隙，使其产生液体摩擦阻力，用来防止泄漏。该密封方法适用于直径较小、压力较低的液压缸与活塞间的密封。图2－3－4 为间隙密封，配合间隙一般取0.02～0.05 mm。在图2－3－4 的间隙密封中，阀芯的外表面开有几条等距离的环形沟槽，称为压力平衡槽，它的主要作用是使阀芯能在孔中自动对中心，减少摩擦力，增大泄漏阻力来减少泄漏，同时使径向压力分布均匀，减小液压卡紧力。平衡槽一般宽0.3～0.5 mm，深为0.5～1.0 mm。

图2-3-4　间隙密封

②密封圈密封。密封圈一般用耐油橡胶制成。使用时将密封圈套装在活塞或活塞杆上。按结构形式分，有O 形、Y 形和V 形等，其中O 形密封圈应用最广泛。O 形密封圈原理如图2－3－5 所示。它利用密封圈的安装变形来密封，一般安装在截面为矩形的环形沟槽内以实现密封，一般用耐油橡胶制成，其横截面呈圆形，如图2－3－5 （a）所示。O 形密封圈安装时要有合理的预压缩量δ1 和δ2，如图2－3－5 （b）所示，预压缩量过小不能密封，过大则会增大摩擦力，加剧密封圈磨损。O 形密封圈在沟槽中受到油压作用而变形，会紧贴槽侧和配合偶件的壁，因此其密封性能可随压力的增加而提高。当油液工作压力超过10 MPa时，O 形圈在往复运动中容易被油液压力挤入间隙而提前损坏，如图2－3－5 （c）所示，为此要在它的侧面安放1.2～1.5 mm厚的聚四氟乙烯挡圈，单向受力时在受力侧的对面安放一个挡圈，如图2－3－5 （d）所示；双向受力时则在两侧各放一个挡圈，如图2－3－5 （e）所示。

图2-3-5　O 形密封圈

（a）截面；（b）安装示意；（c）没有挡圈；（d）一侧有挡圈；（e）两侧有挡圈

（4）液压缸的缓冲装置。为避免活塞在行程两端与缸盖发生碰撞，产生冲击和噪声，常在大型、高速或要求较高的液压缸中设置缓冲装置。常见的缓冲装置如图2－3－6 所示。

①圆柱形环隙式缓冲装置，如图2－3－6 （a）所示，当缓冲柱塞进入缸盖上的内孔时，缸盖与缓冲活塞间形成缓冲油腔，油腔中的油液只能从环形间隙δ 排出，产生缓冲压力，从而实现减速制动。在此过程中，由于过流截面的面积不变，所以缓冲过程中其缓冲制动力将逐渐减少，缓冲效果较差。若采用圆锥形缓冲活塞，缓冲效果较好。

②可变节流槽式缓冲装置，如图2－3－6 （b）所示，在缓冲柱塞上由浅入深开若干个三角槽，其通流截面的面积随着缓冲行程的增大而逐渐减小，缓冲压力变化比较平缓。

③可调节流孔式缓冲装置，如图2－3－6 （c）所示，当缓冲柱塞进入缸盖内孔时，油腔内的油液只能经过节流阀1 才能排出，调节节流阀1 的开口大小可控制缓冲压力的大小，以适应液压缸负载和速度不同的情况。单向阀2 用于液压缸反向启动。

（5）液压缸的排气装置。液压系统混入空气后会使液压缸工作不稳定，产生振动、噪声、爬行或前冲等现象，严重时会使系统不能正常工作。因此设计液压缸时必须考虑空气的排除。

图2-3-6　液压缸的缓冲装置

（a）圆柱形环隙式缓冲装置；（b）可变节流槽式缓冲装置；（c）可调节流孔式缓冲装置

对要求不高的液压缸，往往不设专门的排气装置，而是将油口布置在缸筒两端的最高处，如图2－3－7 （a）所示，这样可以使空气随液流排往油箱，再从油箱中逸出。对工作平稳性要求较高的液压缸，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，如图2－3－7 （b）、（c）所示。在液压系统正式工作前松开排气装置的螺钉，让液压缸全行程空载往复运动几次以排气，排气完毕后拧紧螺钉，液压缸便可正常工作。

图2-3-7　液压缸的排气装置

（a）油口在缸筒两端最高处；（b）排气塞Ⅰ；（c）排气塞Ⅱ