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液壓缸的工作原理
液壓缸又稱油缸或作動筒，是用來將油液的壓力能轉(zhuǎn)換成機械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，用
于驅(qū)動工作機構(gòu)作直線往復運動或往復擺動的液壓執(zhí)行元件，具有結(jié)構(gòu)簡單，傳力大，運
動慣性小，容易實現(xiàn)往復運動控制，便于布局和安裝等優(yōu)點，與杠桿、連桿、齒輪齒條、
棘輪棘爪、凸輪等機構(gòu)配合能實現(xiàn)多種機械運動，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：利用油液壓力來克服負載，利用油液的流量來維持運動速
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，按運動方式分為往復直線運動液壓缸和往復擺動液壓缸；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)特點可分為活塞式、柱塞式、擺動式、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、出油口布置在缸筒兩端，活塞通過活塞桿帶動工作臺移動，
當活塞的有效行程為L 時，整個工作臺的運動范圍為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，缸體與工作臺相連，整個工作臺的移動范圍是液壓缸
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。當分別向左、右腔輸入相同壓力和相同流量的油液時，液壓缸左、右兩個方向的推力
和速度相等。當活塞的直徑為D ，活塞桿的直徑為d ，液壓缸進、出油腔的壓力為 輸入流量為Q 時，不計損失，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，其往復運動都是靠作用于活塞上的液壓力實現(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，無論哪種安裝形式，工作臺運動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。當分別向缸兩
腔供油，且供油壓力和流量相同時，活塞（或缸體）在兩個方向上產(chǎn)生的推力和速度不相
等?；钊袭a(chǎn)生的推力與進油腔的有效面積成正比，即無桿腔產(chǎn)生的推力大于有桿腔；而
活塞移動的速度與進油腔的有效面積成反比，即油液進入無桿腔時有效面積大，速度慢，
進入有桿腔時有效面積小，速度快。
當無桿腔（有效作用面積A ）進油，有桿腔（有效作用面積A ）回油時，活塞推力F
1 2 1
和運動速度
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
當有桿腔進油，無桿腔回油時，活塞推力F 和運動速度
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 ，即無桿腔進壓力油液工作
1 2 1 2
時，推力大，速度低；有桿腔進壓力油液工作時，推力小，速度高。因此，單桿活塞缸常用于一個方向有較大負載，但運行速度較低，另一個方向為空載快速退回的設(shè)備中。
單桿活塞缸在兩個方向上的輸出速度
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的一個重要參數(shù)。 圖 4-4 差動缸
如果向單桿活塞缸的左右兩腔同時通壓力油，如圖 4-4 所示，即
所謂的差動連接，差動連接的單桿活塞缸稱為差動液壓缸。工作時，由于無桿腔的有效面 積大于有桿腔的有效面積，故活塞向右運動，同時使有桿腔中的油液（流量為ΔQ ）流入無桿腔，加大了流入無桿腔的流量（Q + ΔQ ），從而也加快了活塞移動速度。
液壓缸活塞推力 | F 和運動速度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，差動連接時液壓缸的推力比非差動連接時小，速度比非差動 連接時大，因此可在不加大油源流量的情況下實現(xiàn)液壓缸快速運動。如果要求快速運動和
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，即靠液壓力只能實現(xiàn)一個方向的運動，回程要靠自重（垂
直安裝）或彈簧等其他外力實現(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，運動時由缸蓋上的導向
套來導向，因此缸筒內(nèi)孔不需精加工、工藝性好、結(jié)構(gòu)
簡單、成本低，常用于行程很長的液壓設(shè)備中。為了能
輸出較大的推力，柱塞一般較粗、較重，水平安裝時易
產(chǎn)生單邊磨損，故柱塞缸適于垂直安裝使用。當其水平
安裝時，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，為了獲得雙向運動，柱塞式液壓缸常成對使用。
3．擺動式液壓缸
擺動缸是一種輸出轉(zhuǎn)矩并實現(xiàn)往復擺動的液壓執(zhí)行元件，又稱擺動式液壓馬達或回轉(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）為單葉片擺動缸結(jié)構(gòu)，圖4-6（b）為雙葉片擺動缸結(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；雙葉片擺動缸在同樣的結(jié)構(gòu)尺寸下，其輸出扭矩是單葉片擺動缸的 2 倍，
且徑向作用力得到平衡，但雙葉片擺動缸的轉(zhuǎn)角約為單葉片擺動缸轉(zhuǎn)角的一半左右，若輸
入流量相同，雙葉片擺動缸的轉(zhuǎn)速也約降低一半。
