液压与气动技术课件：液压缸

液压缸4.1液压缸的类型和特点4.2液压缸的典型结构和组成4.3液压缸的常见故障及排除方法4.4液压缸的拆装实训本章小结思考与练习

【学习任务】

(1)认识常用液压缸的组成。

(2)了解常用液压缸的工作原理及结构特点。

(3)了解液压缸的常见故障及排除方法。

(4)掌握拆装液压缸的方法及要求。

液压缸又称为油缸，是液压系统中的一种执行元件。液压缸把液体的液压能转变为机械能，主要用于实现机构的直线往复运动或摆动。液压缸输出的通常为推力(或拉力)和直

线运动速度，只有摆动液压缸输出的是转矩和角速度。4.1液压缸的类型和特点

液压缸的种类很多。按结构特点，液压缸可分为活塞式、柱塞式和摆动式三种类型。活塞式液压缸和柱塞式液压缸实现直线往复运动，输出推力和速度;摆动液压缸实现小于360°的摆动，输出转矩和角速度。按作用方式，液压缸又可分为单作用式和双作用式两种。对于单作用式液压缸来说，只有一个工作腔，压力油只能输入这个工作腔，使缸实现单方向运动，反方向运动则必须依靠外力(如弹簧力、自重等)来实现，对于双作用液压缸来说，有两个工作腔，压力油可交替输入到液压缸的两个工作腔，使缸实现正反两个方向的往复运动。

4.1.1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。其固定方式有缸体固定和活塞杆固定两种。

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。图4.1所示为缸体固定式双杆活塞缸原理图。它的进、出口布置在缸筒两端。缸的左腔进油，推动活塞向右移动，右腔回油;缸的右腔进油，推动活塞向左移动，右腔回油。当用这种油缸驱动机床工作台时，活塞有效行程为L，整个工作台的运动范围为3L，所以机床占地面积大，一般适用于小型设备。图4.1缸体固定式双杆活塞缸原理图

图4.2所示为活塞杆固定式双杆活塞缸原理图。它的进、出口布置在固定不动的空心活塞杆的两端，缸体与工作台相连。缸的左腔进油，推动活塞向左移动，右腔回油;缸的右

腔进油，推动活塞向右移动，右腔回油。当用这种油缸驱动机床工作台时，活塞有效行程为L，工作台的运动范围为2L，所以机床占地面积小，一般适用于大中型设备。图4.2活塞杆固定式双杆活塞缸原理图

因为双杆活塞缸的两活塞杆的直径相等，所以当输入流量和油液压力不变时，其往返运动速度和推力相等。当活塞的直径为D

，活塞杆的直径为d

，液压缸的进、出油腔的压力为p1

和p2

，输入流量为q时，双杆活塞缸的推力F

和速度v为

式，

A为活塞的有效工作面积。

2.单杆式活塞缸

图4.3所示为单杆式活塞缸，活塞只有一端带活塞杆。单杆式活塞缸也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，因此即使以相同压力和相同流量的压力油向单杆式活塞缸两腔分别供油，在两个方向上的输出推力和速度也不等。图4.3单杆式活塞缸

设液压缸无杆腔和有杆腔的活塞有效作用面积分别为

A1

和A2

，则

式中，

D

为活塞直径；d

为活塞杆直径。

1)无杆腔进油时的推力与速度

如图4.3(a)所示，当输入液压缸的油液流量为q，液压缸进出油口的压力分别为p1和p2时，其活塞上所产生的推力F1

和速度

v1为

2)有杆腔进油时的拉力与速度

如图4.3(b)所示，当输入液压缸的油液流量仍为q

，液压缸进出油口的压力分别为p1和p2

时，其活塞上所产生的拉力F2和速度v2为

由式(4.5)~式(4.8)可知，由于A1>A2

，所以F1>F2，

v1<v2

。活塞杆伸出时，推力较大，速度较低；活塞杆缩回时，推力较小，速度较高。因此，单杆式活塞缸适用于伸出时承受工作载荷、缩回时为空载或轻载的场合。

活塞运动的速度v2与v1之比称为速比，用λv表示。由式(4.6)和式(4.8)可得

若已知

D和λv

，则可用下式求

d:

3)液压缸差动连接时的推力与速度

单杆活塞缸两腔同时通入压力油时，如图4.4所示。由

于无杆腔的有效面积大于有杆腔的有效面积，活塞向右的推力大于向左的推力，故活塞向右移动。液压缸的这种连接称为差动连接。

差动连接时，活塞的推力F3

为

若活塞的速度为v3

，则无杆腔的进油量为v3A1

，有杆

腔的出油量为v3A2

，因而有下式成立：

所以

比较式(4.6)和式(4.12)可知，

v3>v1

；比较式(4.5)和式(4.11)可知，

F1

>F3。这说明单杆活塞缸差动连接时，能使运动部件获得较高的速度和较小的推力。因此，单杆活塞缸常用在需要实现“快进(差动连接)→工进(无杆腔进压力油)→快退(有杆腔进压力油)”工作循环的组合机床等设备的液压系统中。如要求“快进”和“快退”的速度相等，即v3

=v1

，由式(4.8)和式(4.12)可推出，这时，

D=2d(或d=0.71D)。

4.1.2柱塞式液压缸

图4.5(a)所示为柱塞式液压缸结构示意图。柱塞缸由缸筒1、柱塞2、导向套3、密封圈4和压盖5等零件组成。由于柱塞由导向套导向，与缸体内壁不接触，因而缸体内孔不需要精加工，其工艺性好、成本低。图4.5柱塞式液压缸

柱塞工作时恒受压，为了保证压杆的稳定，柱塞一般较粗、较重。水平安装时容易产生单边磨损，故柱塞适宜垂直安装使用。水平安装时，为防止柱塞因自重而下垂，常制成

空心柱塞并设置支承套和托架。

柱塞缸只能实现单向运动，它的回程需借自重或其他外力(如弹簧力)来实现。在龙门刨床、大型拉床等大行程设备的液压系统中，为了使工作台得到双向运动，柱塞缸常成对

使用，如图4.5(b)所示。

当柱塞的直径为d

，输入液压缸的油液流量为q

，压力为p时，其柱塞上所产生的力F

和速度v

为

式中，

A为柱塞的有效作用面积。

4.1.3摆动式液压缸

摆动式液压缸也称摆动液压马达。当它通入压力油时，它的主轴能输出小于360°的摆动运动。摆动式液压缸有单叶片和双叶片两种形式。单叶片摆动式液压缸的摆动角度一般不超过280°;双叶片摆动式液压缸的摆动角度不超过150°，但可得到更大的输出转矩。

图4.6所示为单叶片摆动式液压缸的工作原理图。它由叶片1、输出轴2、封油隔板3以及缸体等零件组成。封油隔板固定在缸体上，叶片与输出轴连为一体。当两油口交替通入压力油时，叶片即带动输出轴作往复摆动。图4.6单叶片摆动式液压缸的工作原理图

若叶片的宽度为b

，缸的内径为D

，输出轴直径为d

，叶片数为

z，进油压力为p

，流量为q

，且不计回油腔压力时，摆动式液压缸输出的转矩T

和回转角速度ω

为

摆动式液压缸常用于机床的送料装置、间隙进给机构、回转夹具、工业机器人手臂和手腕的回转装置及工程机械回转机构等液压系统中。

4.1.4其他形式的液压缸

1.增压缸

增压缸将输入的低压油转变为高压油，供液压系统中的某一高压支路使用，其工作原理如图4.7所示。增压缸由大、小直径分别为D

和d

的复合缸筒及复合活塞组成。当低压为p1

的油液推动增压缸的大活塞时，大活塞推动与其连成一体的小活塞输出压力为p2的高压油液。当大活塞的直径为D

，小活塞的直径为d

时，有

图4.7增压缸的工作原理图

2.齿轮缸

轮缸由两个柱塞缸和一套齿条传动装置组成，如图4.8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。图4.8齿轮缸的结构

3.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

起重运输车辆上。

伸缩缸可以是如图4.9(a)所示的单作用式，也可以是如图4.9(b)所示的双作用式，前者靠外力回程，后者靠液压回程。图4.9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。随着工作级数的变大，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。当输入液压缸的油液流量为q

，压力为

p时，各级推力Fi

和速度vi

为

式中，

i指第i

级活塞缸。

4.2液压缸的典型结构和组成

4.2.1液压缸的典型结构举例图4.10(a)所示的是一个较常用的双作用单杆活塞液压缸实物图，图4.10(b)所示是这种液压缸的结构图。由图可看出，这种缸主要由缸底1、缸筒11、缸盖15、活塞8、活塞杆12、导向套13和密封装置等零部件组成。缸筒一端与缸底焊接，另一端与缸盖采用螺纹连接。活塞8与活塞杆12利用半环5、挡环4和弹簧卡圈3组成的关环式结构连在一起。

活塞与缸筒的密封采用一对Y形聚氨酯密封圈6，由于活塞与缸筒之间有一定的间隙，采用由尼龙1010制成的耐磨环(又叫支承环)9定心导向。活塞杆12和活塞8的内孔由O形密封圈10密封。较长的导向套13则可保证活塞杆不偏离中心，导向套外径由O形密封圈14密封，而其内孔则由Y形密封圈16和防尘圈19分别防止油外漏和灰尘带入缸内。缸通过耳环与外界连接，耳环内有尼龙衬套抗磨。

图4.10双作用单杆活塞液压缸

4.2.2液压缸的组成

从上面所述的液压缸典型结构中可以看到，液压缸由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置和连接件等基本部分组成。此外，一般液压缸还设有缓冲装置和排气装置。

1.缸筒和缸盖

一般来说，缸筒和缸盖的结构及连接形式与其使用的材料有关。当工作压力p<10MPa时，一般使用铸铁;当工作压力p<20MPa时，使用无缝钢管;当工作压力p>20MPa时，使用铸钢或锻钢。图4.11所示为缸筒和缸盖的常见连接形式。图4.11(a)所示为法兰式连接，结构简单，容易加工，也容易装拆，但外形尺寸和重量都较大，常用于铸铁制的缸筒上。图4.11(b)所示为半环式连接，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，重量较轻，常用于无缝钢管或锻钢制的缸筒上。

图4.11(c)所示为螺纹式连接，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，其外形尺寸和重量都较小，常用于无缝钢管或铸钢制的缸筒上。图4.11(d)所示为拉杆式连接，结构的通用性大，容易加工和装拆，但外形尺寸较大，且较重。图4.11(e)所示为焊接式连接，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4.11缸筒和缸盖的常见连接形式

2.活塞与活塞杆

活塞一般用耐磨铸铁制造，活塞杆则不论是空心的还是实心的，几乎都是用钢料制造的。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，故活塞杆表面常常

需要镀铬。

活塞与活塞杆的连接形式很多。图4.12为活塞与活塞杆常见的连接形式。图4.12(a)为整体式连接，图4.12(b)为焊接式连接，这两种连接形式结构简单，轴向尺寸小，但损坏后需整体更换。图4.2(c)为锥销式连接，加工容易，装配简单，但承载力小，且需要必要的防止脱落措施。

图4.12(d)、(e)是螺纹式连接，结构简单，装拆方便，但一般需要有螺母防松装置。图4.12(f)、(g)为半环式连接，承载能力强，但结构较为复杂。活塞与活塞杆的连接，在轻载情况下一般采用螺纹式连接，也可采用锥销式连接;高压和振动较大时多用半环式连接。对活塞和活塞杆比值D/d较小、行程较短或尺寸不大的液压缸，活塞与活塞杆的连接可采用整体式或焊接式连接。图4.12活塞与活塞杆的常见连接形式

3.密封装置

液压缸中的压力油可能通过固定部件的连接处和相对运动部件的配合处泄漏。泄漏会使液压缸的容积效率降低和油液发热，外泄漏还会污染工作环境。泄漏严重时会影响到液

压缸的工作性能，甚至使液压缸不能正常工作。因此，在液压缸中必须有密封装置来防止和减少泄漏。另外，为了防止空气和污染物侵入液压缸，也必须设置密封装置。

根据两个需要密封的耦合面间有无相对运动，密封可分为动密封和静密封两大类。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。常用的密封方法有间隙

密封和密封圈密封。密封装置的内容详见液压辅助元件部分。

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，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。

液压缸中常见的缓冲装置如图4.13所示。图4.13(a)为间隙式缓冲装置，当缓冲活塞上的凸台进入与其相配的缸盖上的凹孔时，孔中的液压油只能通过环形间隙δ排出，使回油腔中压力升高而形成缓冲压力，从而使活塞减缓了移动速度。这种缓冲装置结构简单，但缓冲压力不可调节，且实现减速所需行程较长，适用于移动部件惯性不大、移动速度不太高的场合。图4.13(b)所示为可调节流缓冲装置。它不但有凸台和凹孔等结构，而且在缸盖中还装有节流阀和单向阀，由于节流阀1是可调的，因此可根据负载情况调整节流阀口的大小，改变缓冲压力的大小。

这种缓冲装置适用范围较广，但仍不能解决速度减低后缓

冲作用减弱的缺点。图4.13(c)所示为可变节流缓冲装置，它在活塞凸台上开有横截面为三角形的轴向斜槽，随着活塞凸台逐渐进入凹孔中，节流口的大小自动变小，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，使缓冲作用均匀，冲击力小，制动位置精度高。图4.13液压缸的缓冲装置

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，需把缸中和系统中的空气排出。

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筒两端的最高处，这样也能使空气随油液排往油箱，再从油面逸出;对于速度稳定性要求较高的液压缸或大型液压缸，常在液压缸两侧的最高位置处(该处往往是空气聚集的地方)设置专门的排气装置，如排气塞或排气阀。图4.14所示为排气塞结构图。松开排气塞螺钉后，让液压缸全行程空载往返若干次，带有气泡的油液就会排出，然后再拧紧排气塞螺钉，液压缸便可正常工作。图4.14排气塞结构图

4.3液压缸的常见故障及排除方法

液压缸的常见故障及排除方法见表4.1。

4.4液压缸的拆装实训

一、实训目的

(1)了解液压缸的结构形式、连接方式，进一步掌握液压缸的工作原理。

(2)掌握拆装液压缸的步骤和方法。

(3)掌握液压缸各主要零件的装配关系。

(4)在拆装的同时，分析和理解液压缸易出现的故障及排除方法。

二、实训器材

(1)实物：双作用单杆活塞液压缸。

(2)工具：卡钳、固定扳手、螺丝刀、缸盖拆装专用扳手，游标卡尺、油盆、耐油橡胶板和清洗油。

三、实训内容与步骤

双作用单杆活塞液压缸(其结构见图4.10)的拆装。

1.拆卸顺序

(1)拆下耳环21。

(2)松开锁紧螺钉18，用专用扳手拆下缸盖15。

(3)将活塞、活塞杆和导向套从缸筒中分离。

(4)拆下导向套，取下密封圈14和16。

(5)用卡钳卸下弹簧卡圈3，依次取下挡环4、半环5、活塞8，取下密封圈6和支承环9。

2.装配顺序

装配前需清洗各零件，将活塞杆与导向套、活塞杆与活塞、活塞与缸筒等配合表面涂上润滑液，然后按拆卸时的反向顺序装配。

3.液压缸拆装注意事项

(1)拆卸时应防止损伤活塞杆顶端螺纹、油口螺纹和活塞杆表面、缸套内壁等。为了防止活塞杆等细长件弯曲或变形，放置时应用垫木支承均衡。

(2)拆卸时要按顺序进行。由于各种液压缸结构和大小不尽相同，拆卸顺序也稍有不同。一般应放掉油缸两腔的油液，然后拆卸缸盖，最后拆卸活塞与活塞杆。在拆卸液压缸

的缸盖时，对于内卡键式连接的卡键或卡环要使用专用工具，禁止使用扁铲；对于法兰式端盖必须用螺钉顶出，不允许锤击或硬撬。在活塞和活塞杆难以抽出时，不可强行打出，应先查明原因再进行拆卸。

(3)拆卸前后要设法创造条件防止液压缸的零件被周围的灰尘和杂质污染。

(4)油缸拆卸后要认真检查，以确定哪些零件可以继续使用，哪些零件可以修理后再用，哪些零件必须更换。

(5)装配前必须对各零件仔细清洗。

(6)要正确安装各处的密封装置。①安装O形圈时，不要将其拉到永久变形的程度，也不要边滚动边套装，否则可能因形成扭曲状而漏油。②安装Y形和V形密封圈时，要

注意其安装方向，避免因装反而漏油。③密封装置如与滑动表面配合，装配时应涂以适量的液压油。④拆卸后的O形密封圈和防尘圈应全部更换新的。

(7)螺纹连接件拧紧时应使用专用扳手，扭力矩应符合标准要求。

(8)活塞与活塞杆装配后，须设法测量其同轴度和在全长上的直线度是否超差。

(9)装配完毕后活塞组件移动时应无阻滞感和阻力大小不均等现象。

本章小结

液压缸按结构可分为活塞缸、柱塞缸和摆动缸三大类，按作用方式可分为单作用和双作用两种。活塞缸还可分为单杆式活塞缸和双杆式活塞缸两种。活塞缸的固定方式有缸体固定和活塞杆固定两种。

双杆活塞缸的特点是双向等推力等速度。单杆活塞缸的特点是活塞杆伸出时推力较大、速度较低，活塞杆缩回时推力较小、速度较高;差动连接时，速度最高，推力最小。单

杆活塞缸可以实现“快进—工进—快退”的工作循环。

柱塞缸的特点是工艺性好、成本低、单作用。柱塞缸要获得双向运动，必须成对使用。

摆动缸可以实现摆动运动，增压缸能够将低压油转变成高压油，齿轮缸能将直线运动转变为旋转运动，伸缩缸能够实现工作时有较大行程，运输时保持较小的结构尺寸。

液压缸一般由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封