一、液壓缸的類型、特點(diǎn)及應(yīng)用

    液壓缸有多種類型，按其結(jié)構(gòu)形式不同，液壓缸可以分為活塞缸、柱塞缸、擺動(dòng)缸和組合缸四類。活塞缸和柱塞缸實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，輸出推力和速度，擺動(dòng)缸則能實(shí)現(xiàn)小于360°的往復(fù)擺動(dòng)，輸出轉(zhuǎn)矩和角速度；組合缸具有較特殊的結(jié)構(gòu)和功用。

    液壓缸按液體壓力的作用方式，又可分為單作用液壓缸和雙作用液壓缸。單作用液壓缸是利用液體壓力產(chǎn)生的推力推動(dòng)活塞向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，反向復(fù)位靠外力來(lái)實(shí)現(xiàn)。雙作用液壓缸則是利用液體壓力產(chǎn)生的推力推動(dòng)活塞作正反兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。

    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)雙桿活塞式液壓缸  圖A所示為雙桿活塞式液壓缸的工作原理。活塞兩側(cè)均裝有活塞桿。當(dāng)兩活塞桿直徑相同（即有效工作面積相等）、供油壓力和流量不變時(shí)，活塞（或缸體）在兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)速度和推力也都相等，即

                        v=q_v/A=4qv/π(D²-d²)                    (4-9)

                    F=(p₁-p₂)A=π/4(D²-d²)(p₁-p₂)              (4-10)

式中v——活塞（或缸體）的運(yùn)動(dòng)速度；

q_v——輸入液壓缸的流量；威斯特

     F——活塞（或缸體）上的液壓推力；

    p_l——液壓缸的進(jìn)油壓力；

    p₂——液壓缸的回油壓力；

     A——活塞的有效作用面積；

     D——活塞直徑（即缸體內(nèi)徑）；

     d——活塞桿直徑。

這種兩個(gè)方向等速、等力的特性使雙桿液壓缸可以用于雙向負(fù)載基本相等的場(chǎng)合，如磨床液壓系統(tǒng)。

    圖A(a)所示為缸體固定式結(jié)構(gòu)，缸的左腔進(jìn)油，推動(dòng)活塞向右移動(dòng)，右腔則回油；反之，活塞向左移動(dòng)。這種液壓缸上某一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)行程約等于活塞有效行程的三倍，一般用于中小型設(shè)備。

    圖A(b)所示為活塞桿固定式結(jié)構(gòu)，缸的左腔進(jìn)油，推動(dòng)缸體向左移動(dòng)，右腔回油，反之缸體向右移動(dòng)。這種液壓缸上某一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)行程約等于缸體有效行程的兩倍，常用于大中型設(shè)備。

(2)單桿活塞式液壓缸  圖B所示為雙作用單桿活塞式液壓缸。它只在活塞的一側(cè)裝有活塞桿，因而兩腔有效作用面積不同，當(dāng)向缸的兩腔分別供油，且供油壓力和流量不變時(shí)，活塞在兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)速度和輸出推力也不相等。方向的運(yùn)動(dòng)速度和輸出推力也不相等。

    ①無(wú)桿腔進(jìn)油[圖B(a)]活塞的運(yùn)動(dòng)速度v₂為

                            v₁=q_v/A₁=4q_v/πD²                  (4-11)

    推力F₁：F₁=p₁A₁-p₂A₂=(π/4)D²p₁-(π/4)(D²-d²)p₂ =(π/4)D² (p_l-p₂)+( π/4)d²p₂(4-12)

    ②有桿腔進(jìn)油時(shí)[圖B(b)]。活塞的運(yùn)動(dòng)速度v₂為

                           v₂=q_v/A₂=4q_v/π(D²-d²)              (4-13)

    推力F₂

F₂=p₁A₂-p₂A₁=(π/4)(D²-d²)p₁-(π/4)D²p₂=(π/4)D² (p₁-p₂)-(π/4)d²p₁  (4-14)

式中q_v——輸入液壓缸的流量；

p₁——液壓缸的進(jìn)油壓力；

p₂——液壓缸的回油壓力；

D——活塞直徑（即缸體內(nèi)徑）；

d——活塞桿直徑；

A₁，A₂——分別為液壓缸無(wú)桿腔和有桿腔的活塞有效作用面積。

    比較上述各式，由于A₁＞A₂故v₁＜V₂，F(xiàn)₁＞F₂。活塞桿伸出時(shí)，推力較大，速度較小；活塞桿縮回時(shí)，推力較小，速度較大。因而它常用于實(shí)現(xiàn)機(jī)床的工作進(jìn)給（用v₁、F₁）和快速退回(v₂、F₂)。

    由式(4-11)和式(4-13)得液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)速比為

                            λ_v=v₂/v₁=D²/(D²-d²)               (4-15)

    式(4-15)表明，當(dāng)活塞桿直徑愈小時(shí)，速比愈接近于1，兩個(gè)方向的速度差值愈小。

③有桿腔和無(wú)桿腔同時(shí)進(jìn)油（圖C）。在忽略兩腔通油路壓力損失的情況下，兩腔的油液壓力相等。但由于無(wú)桿腔受力面積大于有桿腔受力面積，活塞向右的作用力大于向左的作用力，活塞桿作伸出運(yùn)動(dòng)，并將有桿腔的油液擠出，流進(jìn)無(wú)桿腔，加快活塞桿的伸出速度。通常把單桿液壓缸有桿腔和無(wú)桿腔同時(shí)進(jìn)油的這種油路連接方式稱為差動(dòng)連接。

    差動(dòng)連接時(shí)，有桿腔排出流量g′_v=v₃A₂進(jìn)入無(wú)桿腔，則根據(jù)連續(xù)性方程有

v₃A₁=q_v+q′_v=q_v+v₃A₂

    則活塞速度v₃        v₃=q_v/(A₁-A₂)=4Q_v/πd²                   (4-16)

    若要使活塞往返速度相等，即v₃=v₂，則D=d。

    差動(dòng)連接時(shí)，p₂≈p₁

活塞推力F₃     F₃=p₁A₁-p₂A₂≈(π/4)D²p₁-(π/4)(D²-d²)p₁

=(π/4)d²p₁                               (4-17)

    由式(4-16)和式(4-17)可知，差動(dòng)連接時(shí)實(shí)際起有效作用的面積是活塞桿的橫截面積。

    單桿缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)范圍約為有效行程的兩倍，其結(jié)構(gòu)緊湊，應(yīng)用廣泛。實(shí)際生產(chǎn)中，單活塞桿液壓缸常用在實(shí)現(xiàn)“快速接近(v₃) →慢速進(jìn)給（v₁）→快速退回（v₂）”工作循環(huán)的組合機(jī)床液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中。

柱塞式液壓缸是一種單作用液壓缸，其工作原理如圖D(a)所示，柱塞與工作部件連接，缸筒固定在機(jī)體上，當(dāng)壓力油進(jìn)入缸筒時(shí)，推動(dòng)柱塞帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件向右運(yùn)動(dòng)，但反向退回時(shí)必須靠其他外力或自重驅(qū)動(dòng)。所以通常成對(duì)反向布置使用，如圖D(b)所示，當(dāng)柱塞的直徑為d，輸入液壓油的流量為q_v壓力為p時(shí)，則

柱塞的速度v                 v=q_v/A=4q_v/πd²               (4-18)

    柱塞的推力F                F=pA=p（π/4）d²               (4-19)

因?yàn)橹揭簤焊椎闹c缸筒無(wú)配合要求，缸筒內(nèi)孔不需精加工，甚至可以不加工。運(yùn)動(dòng)時(shí)由缸蓋上的導(dǎo)向套來(lái)導(dǎo)向，所以它特別適用在行程較長(zhǎng)的場(chǎng)合。

A

    3．?dāng)[動(dòng)式液壓缸

    擺動(dòng)式液壓缸是輸出轉(zhuǎn)矩并實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)的一種液壓缸。葉片式擺動(dòng)液壓缸如圖E所示，按葉片數(shù)量可為單葉片、雙葉片和多葉片擺動(dòng)缸。圖E(a)為單葉片擺動(dòng)缸，它的擺動(dòng)角度較大，可達(dá)300°。當(dāng)擺動(dòng)缸進(jìn)出油口壓力分別為p_l和p₂，輸入流量為q_v時(shí)，則

    輸出轉(zhuǎn)矩T    T= (4-20)

    角速度ω                   ω=2πn=                 (4-21)

  式中，6為葉片的寬度，R1、R2為葉片底部、頂部的回轉(zhuǎn)半徑。

  圖E(b)所示為雙葉片式擺動(dòng)缸，它的擺動(dòng)角度較小，可達(dá)150°，它的輸出轉(zhuǎn)矩是單葉片式的兩倍，而角速度則是單葉片式的一半。

    4．其他液壓缸

    (l)增壓缸增壓缸又稱增壓器。增壓缸將輸入的低壓油轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏河停┮簤合到y(tǒng)中的高壓支路使用。其工作原理如圖F所示。它由直徑不同（D和d）的兩個(gè)液壓缸串聯(lián)而成，大缸為原動(dòng)缸，小缸為輸出缸。設(shè)輸入原動(dòng)缸的壓力為p_l，輸出缸的出油壓力為p₂，根據(jù)力平衡關(guān)系，有如下等式

(π/4)d²p₂=(π/4)D²p₁

    整理得

                              p₂=(D²/d²)p₁                     (4-22)

式中，比值D²/d²稱為增壓比。

    增壓比代表其增壓能力。顯然增壓能力是在降低有效流量的基礎(chǔ)上得到的，也就是說(shuō)增壓缸僅僅是增大輸出的壓力，并不能增大輸出的能量。

    單作用增壓缸在小活塞運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)時(shí)，不能再輸出高壓液體，需要將活塞退回到左端位置，再向右行時(shí)才又輸出高壓液體，即只能在一次行程中輸出高壓液體。為了克服這一缺點(diǎn)，可采用雙作用增壓缸，如圖F(b)所示，由兩個(gè)高壓端連續(xù)向系統(tǒng)供油。

(2)伸縮缸伸縮缸又稱多級(jí)缸，它由兩級(jí)或多級(jí)活塞缸套裝而成，圖G所示為其示意圖，前一級(jí)活塞缸的活塞就是后一級(jí)活塞缸的缸筒。伸縮缸逐個(gè)伸出時(shí)，有效工作面積逐次減小，因此，當(dāng)輸入流量相同肘，外伸速度逐次增大；當(dāng)負(fù)載恒定時(shí)，液壓缸的工作壓力逐次增高。空載縮回的順序一般是從小活塞到大活塞，收縮后液壓缸總長(zhǎng)度較短，結(jié)構(gòu)緊湊，適用于安裝空間受限制而行程要求很長(zhǎng)的場(chǎng)合。例如，起重機(jī)伸縮臂液壓缸、自卸汽車舉升液壓缸等。

    (3)齒輪缸齒輪式液壓缸又稱無(wú)桿式活塞缸，它由兩個(gè)柱塞和一套齒輪齒條傳動(dòng)裝置組成，如圖H所示，當(dāng)壓力油推動(dòng)活塞左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，齒條就推動(dòng)齒輪件往復(fù)旋轉(zhuǎn)從而齒輪驅(qū)動(dòng)工作部件（如組合機(jī)床中的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)）作周期性的往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。它多用于自動(dòng)線、組合機(jī)床等的轉(zhuǎn)位或分度機(jī)構(gòu)中。