液 压 缸
一、工程液压缸结构形式与主要零件的作用
㈠液压缸结构形式
液压缸作为工程机械工作装置往复运动的驱动元件，它所能完成的动作十分简单，但是液压缸的结构形式却种类繁多。仅液压缸安装形式国家标准GB9049-88和国际标准ISO6099-1985就规定了53种。在工程液压缸使用中广泛采用的结构形式见表2-19工程液压缸常用结构形式。
工程液压缸使用环境十分苛刻，除要求液压缸承受巨大冲击力的作用外，还要经受外界碎石和沙土对液压缸的打击。为满足上述要求，工程液压缸通常采用双作用液压缸。如图2-50所示。为能承受冲击载荷的作用缸底与缸筒通常采用焊接结构；为了避免因冲击载荷而使活塞与活塞杆间螺纹破坏和松弛，活塞与活塞杆通过开槽螺母固定，开槽螺母上安装有开口销；为有效解决液压缸活塞杆承受偏心载荷和弯曲力的影响，通常将活塞杆与连接头锻造或焊接成一体。
图2-50典型工程液压缸结构
1-油杯 2—衬套 3—缸头 4—销钉 5—螺母 6—孔用组合密封圈 7,19—支承环 8—活塞杆
9—钢筒 10—发兰 11,20—O形圈 12,21—挡圈 13—轴用YX密封圈 14—防尘圈 15—端盖
16—弹性垫圈 17—螺钉 18—轴用组合密封圈 22—活塞
㈡液压缸的缓冲形式
工程机械工作装置具有一定的质量，在液压缸驱动运动时具有很大的动量。当液压缸运行到行程终端时，活塞进入液压缸的端盖和缸底部分时，由于活塞及活塞杆运动部件对端盖和缸底的机械碰撞，将会产生巨大的冲击压力，将严重影响液压缸的强度和降低液压系统的工作性能。液压缸的缓冲装置可以防止和减少液压缸活塞及活塞杆运动部件对端盖和缸底的冲击，在它们的运动到行程终端时能实现速度的递减，直至为零。
液压缸缓冲形式很多，除少数在液压系统中利用压力阀的作用达到缓冲目的外，绝大部分是在液压缸内部设置节流缓冲装置或阀式缓冲装置。
⒈节流缓冲装置
图2-51所示为典型节流缓冲型液压缸。当活塞正向起动时，进入液压缸的压力油流经单向阀推动活塞运动，解决了活塞由于缓冲节流而产生启动缓慢或困
难的现象。反之，当活塞进行反向运动进入缓冲区时，单向阀封闭，缓冲腔的油液经节流阀和形缝隙使缓冲压力上升活塞运动减速制动，达到缓冲目的。
⒉阀式缓冲装置
阀式缓冲装置如图2-52所示。双向缓冲阀安装在液压缸活塞上，阀芯依靠液压缸两腔压力差压紧在靠低压腔一边的阀座上，阀门油路关闭，活塞两腔不通，当活塞运动到缓冲区时，阀芯首先触及缸盖或缸底而被推向中间，打开阀口使活塞两腔形成通路，于是高压腔卸压，活塞获得缓冲。
表2-19工程液压缸常用结构形式
结构形式 序号 连接方式 结构形式
缓冲形式 1 不带缓冲
2 无杆腔带缓冲
3 有杆腔带缓冲
4 两腔带缓冲
油口连接方式 1 螺纹油口
2 法兰油口
缸筒与端盖连接形式 1 法兰连接
2 外螺纹连接
表2-19工程液压缸常用结构形式 （续）
结构形式 序号 连接方式 结构形式
缸筒与端盖连接形式 3 内螺纹连接
4 内卡键连接
缸头与缸筒连接形式 1 缸头耳环
2 铰轴
3 端部法兰
4 底部法兰
活塞杆端连接形式 1 杆端外螺纹
表2-19工程液压缸常用结构形式 （续）
结构形式 序号 连接方式 结构形式
活塞杆端连接形式 2 杆端内螺纹
3 整体活塞杆耳环
4 活塞杆交叉式耳环
图2-51 节流缓冲型液压缸 图2-52 阀缓冲液压缸
1— 缸筒 2—节流阀 3—单向阀 4—具有缝隙缓冲的活塞 1— 缸筒 2—阀套 3—阀芯 4—活塞
5—活塞杆 5—挡板 6—活塞杆
㈢液压缸密封形式
在液压元件中，液压缸的密封形式具有多样性，而且很复杂。液压缸不仅有静密封，更多的部位是动密封。
活塞与活塞杆间密封
静密封
导向套或端盖与缸筒间密封
液压缸密封种类
活塞与缸筒间密封
动密封 活塞杆与导向套或端盖间密封
防尘圈
由于液压缸工作压力级高，运动要求平稳。因此密封件必须满足以下条件：
⑴要求密封件的泄漏极小，具有良好的密封作用，并随着工作压力的增加而自动提高其密封作用。
⑵因密封长期侵泡在液压油中，极易溶涨、溶解和脆化变硬，使之丧失密封作用，因此要求密封件对液压油具有良好的相容性。
⑶为避免或减少液压缸的爬行现象，要求密封件具有较低的静摩擦阻力和动摩擦阻力，并且摩擦系数稳定。
⑷密封件应具有良好的弹性、耐热性、耐磨性和一定的强度。
⑸密封件沟槽应易于加工，密封件安装方便，且价格适宜。
⒈液压缸静密封
液压缸静密封部位主要有活塞与活塞杆间、导向套或端盖与缸筒间。这些部位虽然都是静密封，但因工作压力高，稍有意外，就会产生内泄和外泄。
静密封使用的密封件基本上是O形密封圈。O形密封圈是一种小截面的圆环形密封元件。其常用的截面是圆形，特殊也由方形、X形、H形等异形截面。它们虽然简单，但是在复杂的使用条件下，具有较好的尺寸稳定性。O形圈一般采用丁晴橡胶或氟橡胶材质，邵氏硬度要求≥70°。
有关O形圈的规格、沟槽尺寸和外观质量检查在国家标准：GB3452.3-88《液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸和设计标准》；GB3452.1-92《液压气动用O形橡胶密封圈尺寸系列和公差》；GB3452.2-87《液压气动用O形橡胶密封圈外观质量检查标准》中以作了具体的规定。
液压缸因受冲击压力影响，会使密封圈挤入配合偶件的间隙内，这样在减压时会使挤压面造成挤裂。为防止此现象发生，当压力超过16Mpa时，常在O形圈受压的另一侧增加聚四氟乙烯挡圈，如果O形圈双向受压，则O形圈两侧个设置一个挡圈。
⒉液压缸动密封
液压缸的动密封部位主要有活塞与缸筒间、活塞杆与导向套间和防尘圈等部位。这些部位即要求密封件具有良好的密封效果，又要求密封件的摩擦阻力小。因此目前液压缸动密封广泛采用了接触式密封(如表2-20)。
表2-20液压缸用接触式密封
序号 分类 主要密封件
1 自封式压紧型密封 O形密封圈
同轴密封圈
异形密封圈
2 自封式自紧型密封
（唇形密封） Y形密封圈
V形密封圈
组合式U形密封圈
蕾形和复合式唇形密封圈
带支承环组合双向密封圈
3 导向支承环 导向支承环
4 防 尘 圈 防尘圈
O形密封圈用于液压往复动密封，结构简单紧凑，自密封形好，但缺点是启动摩擦力大，低速易出现爬行现象。其使用速度范围为0.005~0.3m/s。为了克服O形圈的这些缺陷出现了由O形圈和滑环组成的同轴密封件（滑环式组合密封件），它由O形圈的压缩量产生的反弹力和液压作用下的自密封效应，使滑环紧贴在滑动面上而起密封作用。滑环采用具有低摩擦系数和自润滑性的材料制成。因此摩擦力大为降低。使用速度一般为1m/s，且使用寿命远比单独使用O形圈长。
唇形密封圈是指将密封圈的受压面制成唇形并具有压力强化密封作用的一类密封件，结构形式有V形密封圈、Y形密封圈、组合式U形密封圈、蕾形和复式唇密封圈、带支承环组合双向密封圈、J形密封圈等。它可依其本身的变形对密封表面产生较高的初始接触压力，阻止无压力液体的泄漏。在液压缸工作时，压力液体挤压并撑开其密封唇部，使其紧贴密封表面而产生较高的随液体压力增高而增高的附加接触应力，并与初始接触应力一起共同阻止压力液体的泄漏。由此可见，唇形密封件与密封表面紧密贴合的唇部接触面积较小，在相同的工作条件下，唇形密封与其他密封相比，具有唇部可产生更大的压缩变形，获得更好的密封作用，并且摩擦阻力较小、使用寿命较长、工作平稳、易于装配和维修等特点。Y形密封圈的使用寿命高于O形圈，当采用聚氨脂橡胶制作时，使用速度范围为0.05~1m/s；V形密封圈的运动摩擦阻力较Y形密封圈大，但密封性能可靠，使用寿命长，当发现泄漏时，可只调整压环而无须更换密封圈，使用速度范围：采用夹布橡胶V形圈为0.005~0.5m/s；使用丁晴橡胶时为0.02~0.3m/s。。
带导向支承环的橡塑结构并用的活塞密封件，是80年代发展的新型密封件。它的使用不受压力方向限制，且缩短了活塞动密封装置的轴向尺寸，提高了活塞的运动精度和密封可靠性。
㈣液压缸主要零件的作用与要求
⒈缸筒
缸筒是液压缸的基干，它与缸盖、缸底、油口等零件构成密封的容腔，用以容纳压力油，同时它还是活塞运动的“轨道”。因此，要求其具有足够的耐压性、高抗拉强度、耐磨性与切削性。另外，缸筒的内表面应具有合适的配合精度、表面粗糙度和几何精度，以保证液压缸的密封性、运动平稳性。
缸筒内径尺寸是液压缸主要结构参数，国家标准GB/T2348-93（等效ISO3320-1987）规定了液压缸缸筒内径（缸径）尺寸系列见表2-21：
表2-21 液压缸缸筒内径（缸径）尺寸系列（GB/T2348-93）
8 10 12 16 20 25 32
40 50 63 80 （90） 100 （110）
125 （140） 160 （180） 200 （220） 250
（280） 320 （360） 400 （450） 500
注：括号内尺寸为优先选用者
工程液压缸缸筒一般采用35#或45#热扎或冷拔无缝钢管制造，缸体形状复杂的缸筒也采用铸件毛坯。缸筒内径一般采用H8级配合，表面粗糙度Ra0.4，其圆度为9级，直线度允许在500mm长度上不大于0.1mm。为了便于装配和不损坏密封件，缸筒内孔口应到15°角。需要在缸筒上焊接油口、法兰时，都必须在光整加工前完成，避免由焊接引起缸筒内孔的变形。
⒉活塞杆
活塞杆是液压缸中传递机械力的重要元件。由于工程液压缸工作环境恶劣，因而要求活塞杆不但经受压缩、弯曲和振动等载荷的作用，同时还必须具有耐磨性和防腐蚀性。
活塞杆外径尺寸是液压缸主要结构参数，国家标准GB/T2348-93（等效ISO3320-1987）规定了液压缸活塞杆外径（杆径）尺寸系列见表2-22：
表2-22 液压缸活塞杆径（杆径）尺寸系列（GB/T2348-93）
4 5 6 8 10 12 14
16 18 20 22 25 28 32
36 40 45 50 56 63 70
80 90 100 110 125 140 160
180 200 220 250 280 320 360
活塞杆一般采用45#中碳钢，为了提高活塞杆的抗拉强度，采用中频淬火和调质热处理工艺，中频淬火淬透层≥2mm、硬度HRC50～55，调质处理硬度HRC25～30。活塞杆要在导向套中滑动，一般采用H9/f8配合，其圆度为10级，直线度允许在500mm长度上不大于0.1mm。安装活塞的轴颈与活塞杆外圆的同轴度允许9级，这是为了保证活塞杆外圆与活塞外圆的同轴度，以避免活塞与缸筒、活塞杆与导向套的“干涉”现象。安装活塞的轴肩部端面与活塞杆轴线的垂直度要求8级，以保证活塞安装后不产生倾斜。活塞杆外圆的表面粗糙度一般为Ra0.2，为了提高耐磨性和防腐蚀性，活塞杆表面需进行镀铬处理，铬层厚度为0.03～0.05mm，并进行抛光处理。
⒊活塞
由于活塞在压力作用下，沿缸筒往返运动。因此，它与缸筒、导向套的配合应适当，不仅具备良好的滑动性能，还不能产生金属间的摩擦。再则，因活塞受到高压以及与端盖的冲击力的作用，要求活塞的材料和结构必须具有足够的强度。
工程液压缸活塞一般采用高强度铸铁QT42-10或HT200—300铸造。活塞外径的精度取决于密封形式，外径对内孔的同轴度为8级，端面与轴线的垂直度为9级，表面粗糙度视密封形式不同而各异。为了便于装配和不损坏密封件，活塞内孔口应到15°角。
⒋导向套
导向套在活塞往复运动是起导向支承作用和防止污染物从活塞杆处进入液压系统的作用。由于它要与活塞杆表面紧密接触，必须采用耐磨材料。同时，它还要承受由于外部载荷造成的活塞杆的弯曲、冲击、自重和振动作用。
由于目前导向套采用填充PTFE支承环结构，导向套一般采用高强度铸铁QT42-10或HT200—300铸造。外圆与缸筒或端盖的配合为H8/f7，内孔与活塞杆的配合同样为H8/f7，外圆与内孔的同轴度为8级，内孔中支承环沟槽外径与内孔的同轴度为9级。
二、液压缸主要性能
液压缸主要技术参数是公称压力(即液压缸工作压力)、液压缸缸筒内经、活塞杆外径和液压缸行程等。而液压缸的主要性能参数可用最低启动压力、液压缸泄漏、液压缸耐压性能、缓冲特性和负载效率等表示。
㈠最低启动压力
所谓最低启动压力是指液压缸在无负荷状态下无杆腔最低动作压力，它既代表了液压缸无负荷状态下启动时摩擦阻力，又表示液压缸动作中的滑动阻力。它与液压缸的密封结构、动密封结构、液压缸加工质量（尺寸公差和形位公差）及装配后各部件的干涉等因素有直接关系，综合反映了液压缸机械损失。当液压系统压力升高时，由于压力作用，动密封被强制挤压在密封表面上，此时最低启动压力值与无负荷状态下的不同。
液压缸最低启动压力一般为液压缸公称压力的1.5%~6%之间。
㈡液压缸泄漏
液压缸泄漏包括液压缸外漏和内泄漏两部分。液压缸外漏是指从液压缸内部通过与缸筒连接部位和活塞杆处渗漏到外部的流量，而液压缸内漏是指从液压缸高压腔渗漏到低压腔的流量。
液压缸与外漏有关的部位有缸筒与端盖间、缸筒焊接部位、缸筒上叠加的液压阀部位，以及活塞杆与导向套间动密封和相关静密封部位。如果液压缸零件设计合理、加工精度满足技术要求、装配方法正确和使用维护得当，就能完全防止这些部位的漏油。
从往复运动的活塞杆密封部位的漏油是液压缸外漏的最重要部位。在液压缸工作过程中，当活塞杆外伸时活塞杆表面将形成很薄的润滑油膜，因其有很强的附着力，在活塞杆回缩时会被带回液压缸内，这种外渗是液压缸正常现象。因为，如果无这层油膜，在液压缸工作过程中，导向套内密封圈与活塞杆间就会形成干摩擦，将导致密封圈过热现象，加速密封圈的失效。因此，一定程度的油膜是液压缸运动过程中不可缺少的，我们在液压缸维修过程中，必须正确的区分渗油和漏油。
液压缸的内泄漏主要发生在活塞与缸筒间动密封、活塞与活塞杆间静密封部位。其中，活塞与活塞杆间静密封一般采用O形圈结构，只要设计合理，加工得当，就会防止静密封的泄漏。从往复运动的活塞与缸筒间动密封的漏油是影响液压缸性能的重要因素。起重机起吊重物停在空中，此时如果液压缸内泄漏过大就会造成人身危害。因此，JB/JQ20301-88《中高压液压缸产品质量分等规定》中把液压缸内泄漏作为重要指标。
㈢液压缸耐压性能
液压缸是否有足够的承压能力，是否经得起随机负载和液压换向的冲击，一般用耐压性能表示。液压缸的耐压值为公称压力的1.5倍。要求液压缸在2分钟内，在此压力下，全部零件不得有破坏和永久变形等异常现象。
㈣缓冲特性
液压缸在工作过程中，由于外负荷的作用，活塞运动具有很大的动量，在行程终端时，会引起机械碰撞，产生较大的冲击能量。因此，工程液压缸为避免这种机械碰撞，采用了各种缓冲装置。液压缸的缓冲特性是指在无负荷状态下，活塞运行到行程终端时，缓冲装置实现节流，使运动速度递减特性。
㈤负载效率
液压缸的负载效率指液压缸实际输出力W与理论出力p•A的百分比。可用下式表示：
W
η= ———— * 100%
p•A
式中
W——实际出力（N）
p——工作压力（pa）
A——压力作用面积（pa/m2）
液压缸负载效率反映了液压缸在匀速运动过程中，不同工作压力下的机械效率。 |
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Published by Stonespider 
