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液壓缸的工作原理
液壓缸又稱油缸或作動(dòng)筒,，是用來(lái)將油液的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置,，用
于驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或往復(fù)擺動(dòng)的液壓執(zhí)行元件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，傳力大,，運(yùn)
動(dòng)慣性小，容易實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制,，便于布局和安裝等優(yōu)點(diǎn),，與杠桿、連桿,、齒輪齒條,、
棘輪棘爪、凸輪等機(jī)構(gòu)配合能實(shí)現(xiàn)多種機(jī)械運(yùn)動(dòng),，在液壓系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用,。
4.1.1 液壓缸種類與工作原理
液壓缸工作的物理本質(zhì)是：利用油液壓力來(lái)克服負(fù)載，利用油液的流量來(lái)維持運(yùn)動(dòng)速
度,，則輸入液壓缸的工作參數(shù)是油液的壓力和流量,，即輸入的是液壓功率。
液壓缸的種類繁多,，按運(yùn)動(dòng)方式分為往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)液壓缸和往復(fù)擺動(dòng)液壓缸,；按作用
方式分為單作用液壓缸和雙作用液壓缸,；按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為活塞式、柱塞式,、擺動(dòng)式,、伸
縮式等形式，其中以活塞式液壓缸應(yīng)用最多,。
1．活塞式液壓缸
活塞式液壓缸可分為雙桿式和單桿式兩種結(jié)構(gòu),，其固定方式有缸體固定和活塞桿固定
兩種。
（1）雙桿式活塞缸
雙桿式活塞缸的結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)如圖4-1 所示,，它由缸筒,、活塞、活塞桿和缸蓋組成,。
根據(jù)安裝方式不同又可以分為缸筒固定式和活塞桿固定式兩種,。圖 4-2（a）所示的為缸筒
固定式的雙桿活塞缸，它的進(jìn),、出油口布置在缸筒兩端,，活塞通過(guò)活塞桿帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，
當(dāng)活塞的有效行程為L 時(shí),，整個(gè)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍為3L ,，其占地面積較大。圖4-2（b）所
示的為活塞桿固定式的雙桿活塞缸,，缸體與工作臺(tái)相連,，整個(gè)工作臺(tái)的移動(dòng)范圍是液壓缸
有效行程L 的兩倍（2L ），因此占地面積小,。
由于雙桿活塞缸兩端的活塞桿直徑通常是相等的,，因此它左、右兩腔的有效面積也相等,。當(dāng)分別向左,、右腔輸入相同壓力和相同流量的油液時(shí)，液壓缸左,、右兩個(gè)方向的推力
和速度相等。當(dāng)活塞的直徑為D ,，活塞桿的直徑為d ,，液壓缸進(jìn)、出油腔的壓力為 輸入流量為Q 時(shí),，不計(jì)損失,，雙桿活塞缸的推力F 和速度υ 分別為 | p 和 1 | p ， 2 |
π
F = p ? p A = D2 ? d2 p ? p （4.1）
( ) ( )( )
1 2 1 2
4
Q 4Q
υ = = （4.2）
A (D d )
π 2 ? 2
（2）單桿式活塞缸
單桿式活塞缸僅在液壓缸的一腔中有活塞桿,，它又有單作用和雙作用之分,。圖 4-3 所
示為帶鋼珠鎖的雙作用活塞缸,，其往復(fù)運(yùn)動(dòng)都是靠作用于活塞上的液壓力實(shí)現(xiàn)的，在其極
限位置,，為提高活塞桿固定可靠性,，設(shè)有鋼珠鎖。單桿活塞缸也有缸筒固定和活塞桿固定
兩種安裝形式,，無(wú)論哪種安裝形式,，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)范圍都等于其活塞有效行程的兩倍。
單桿式活塞缸由于只有一根活塞桿,，活塞兩端的有效作用面積不相等,。當(dāng)分別向缸兩
腔供油，且供油壓力和流量相同時(shí),，活塞（或缸體）在兩個(gè)方向上產(chǎn)生的推力和速度不相
等,。活塞上產(chǎn)生的推力與進(jìn)油腔的有效面積成正比,，即無(wú)桿腔產(chǎn)生的推力大于有桿腔,；而
活塞移動(dòng)的速度與進(jìn)油腔的有效面積成反比，即油液進(jìn)入無(wú)桿腔時(shí)有效面積大,，速度慢,，
進(jìn)入有桿腔時(shí)有效面積小，速度快,。
當(dāng)無(wú)桿腔（有效作用面積A ）進(jìn)油,，有桿腔（有效作用面積A ）回油時(shí)，活塞推力F
1 2 1
和運(yùn)動(dòng)速度
υ 分別為
1
π
F1 = (p1 A1 ? p2 A2 ) = [D p1 ? p2 (D ? d )] （4.3）
2 2 2
4
Q 4Q
υ = = （4.4）
1 2 1
A πD
當(dāng)有桿腔進(jìn)油,，無(wú)桿腔回油時(shí),，活塞推力F 和運(yùn)動(dòng)速度
υ 分別為 2 2
π
F p A p A D d p D p
2 = ( 1 2 ? 2 1) = [( ? ) 1 ? 2 ] （4.5）
2 2 2
4
Q 4Q
υ = = （4.6）
2 2 2 2
A π(D ? d )
比較上面公式可知，
υ <υ ,、F > F ,，即無(wú)桿腔進(jìn)壓力油液工作
1 2 1 2
時(shí)，推力大,，速度低,；有桿腔進(jìn)壓力油液工作時(shí)，推力小,，速度高,。因此，單桿活塞缸常用于一個(gè)方向有較大負(fù)載,，但運(yùn)行速度較低,，另一個(gè)方向?yàn)榭蛰d快速退回的設(shè)備中。
單桿活塞缸在兩個(gè)方向上的輸出速度
υ 和υ 的比值稱為速度比
2 1
φ ，是單桿雙作用活塞式液壓缸尺寸特點(diǎn)的一個(gè)重要參數(shù),。 圖 4-4 差動(dòng)缸
如果向單桿活塞缸的左右兩腔同時(shí)通壓力油,，如圖 4-4 所示，即
所謂的差動(dòng)連接,，差動(dòng)連接的單桿活塞缸稱為差動(dòng)液壓缸,。工作時(shí)，由于無(wú)桿腔的有效面 積大于有桿腔的有效面積,，故活塞向右運(yùn)動(dòng),，同時(shí)使有桿腔中的油液（流量為ΔQ ）流入無(wú)桿腔，加大了流入無(wú)桿腔的流量（Q + ΔQ ）,，從而也加快了活塞移動(dòng)速度,。
液壓缸活塞推力 | F 和運(yùn)動(dòng)速度υ 分別為 3 3 π F3 = p(A1 ? A2 ) = pd2 （4.7） 4 υ = Q + ΔQ = 4Q （4.8） （4.8） A πd 3 2 1 |
由式（4.7）、（4.8）可知,，差動(dòng)連接時(shí)液壓缸的推力比非差動(dòng)連接時(shí)小,，速度比非差動(dòng) 連接時(shí)大，因此可在不加大油源流量的情況下實(shí)現(xiàn)液壓缸快速運(yùn)動(dòng),。如果要求快速運(yùn)動(dòng)和
快速退回速度相等,，即
υ =υ ，則由式（4.6）,、（4.8）可得D = 2d ,。
2．柱塞式液壓缸
柱塞缸是一種單作用液壓缸，即靠液壓力只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng),，回程要靠自重（垂
直安裝）或彈簧等其他外力實(shí)現(xiàn),。其結(jié)構(gòu)如圖 4-5 所示，它由缸筒,、柱塞,、襯套和卡圈等
組成。柱塞和缸筒內(nèi)壁不接觸,，運(yùn)動(dòng)時(shí)由缸蓋上的導(dǎo)向
套來(lái)導(dǎo)向,，因此缸筒內(nèi)孔不需精加工、工藝性好,、結(jié)構(gòu)
簡(jiǎn)單,、成本低，常用于行程很長(zhǎng)的液壓設(shè)備中,。為了能
輸出較大的推力,，柱塞一般較粗、較重,，水平安裝時(shí)易
產(chǎn)生單邊磨損，故柱塞缸適于垂直安裝使用。當(dāng)其水平
安裝時(shí),，為防止柱塞因自重而單邊磨損,，常制成空心柱
塞并設(shè)置各種不同的輔助支承。柱塞式液壓缸是單作用 圖 4-5 柱塞缸
液壓缸,，為了獲得雙向運(yùn)動(dòng),，柱塞式液壓缸常成對(duì)使用。
3．?dāng)[動(dòng)式液壓缸
擺動(dòng)缸是一種輸出轉(zhuǎn)矩并實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)的液壓執(zhí)行元件,，又稱擺動(dòng)式液壓馬達(dá)或回轉(zhuǎn)
液壓缸,，它有單葉片和雙葉片兩種結(jié)構(gòu)形式。
圖4-6（a）為單葉片擺動(dòng)缸結(jié)構(gòu),，圖4-6（b）為雙葉片擺動(dòng)缸結(jié)構(gòu),，均由葉片軸、缸
體,、定子塊和葉片等零件組成,。單葉片擺動(dòng)缸輸出的扭矩較小，且葉片軸承受較大的不平
衡徑向作用力,；雙葉片擺動(dòng)缸在同樣的結(jié)構(gòu)尺寸下,，其輸出扭矩是單葉片擺動(dòng)缸的 2 倍，
且徑向作用力得到平衡,，但雙葉片擺動(dòng)缸的轉(zhuǎn)角約為單葉片擺動(dòng)缸轉(zhuǎn)角的一半左右,，若輸
入流量相同，雙葉片擺動(dòng)缸的轉(zhuǎn)速也約降低一半,。
