活塞式液壓缸

 

    一、液壓缸的類型、特點及應用

    液壓缸有多種類型，按其結構形式不同，液壓缸可以分為活塞缸、柱塞缸、擺動缸和組合缸四類。活塞缸和柱塞缸實現往復運動，輸出推力和速度，擺動缸則能實現小于360°的往復擺動，輸出轉矩和角速度；組合缸具有較特殊的結構和功用。

    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生的推力推動活塞向一個方向運動，反向復位靠外力來實現。雙作用液壓缸則是利用液體壓力產生的推力推動活塞作正反兩個方向的運動。

    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構。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。活塞兩側均裝有活塞桿。當兩活塞桿直徑相同（即有效工作面積相等）、供油壓力和流量不變時，活塞（或缸體）在兩個方向的運動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）的運動速度；

q_v——輸入液壓缸的流量；

     F——活塞（或缸體）上的液壓推力；

    p_l——液壓缸的進油壓力；

    p₂——液壓缸的回油壓力；

     A——活塞的有效作用面積；

     D——活塞直徑（即缸體內徑）；

     d——活塞桿直徑。

這種兩個方向等速、等力的特性使雙桿液壓缸可以用于雙向負載基本相等的場合，如磨床液壓系統。

    圖A(a)所示為缸體固定式結構，缸的左腔進油，推動活塞向右移動，右腔則回油；反之，活塞向左移動。這種液壓缸上某一點的運動行程約等于活塞有效行程的三倍，一般用于中小型設備。

    圖A(b)所示為活塞桿固定式結構，缸的左腔進油，推動缸體向左移動，右腔回油，反之缸體向右移動。這種液壓缸上某一點的運動行程約等于缸體有效行程的兩倍，常用于大中型設備。

(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。它只在活塞的一側裝有活塞桿，因而兩腔有效作用面積不同，當向缸的兩腔分別供油，且供油壓力和流量不變時，活塞在兩個方向的運動速度和輸出推力也不相等。方向的運動速度和輸出推力也不相等。

    ①無桿腔進油[圖B(a)]活塞的運動速度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有桿腔進油時[圖B(b)]。活塞的運動速度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——液壓缸的進油壓力；

p₂——液壓缸的回油壓力；

D——活塞直徑（即缸體內徑）；

d——活塞桿直徑；

A₁，A₂——分別為液壓缸無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，F₁＞F₂。活塞桿伸出時，推力較大，速度較小；活塞桿縮回時，推力較小，速度較大。因而它常用于實現機床的工作進給（用v₁、F₁）和快速退回(v₂、F₂)。

    由式(4-11)和式(4-13)得液壓缸往復運動時速比為

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

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

③有桿腔和無桿腔同時進油（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，活塞桿作伸出運動，并將有桿腔的油液擠出，流進無桿腔，加快活塞桿的伸出速度。通常把單桿液壓缸有桿腔和無桿腔同時進油的這種油路連接方式稱為差動連接。

    差動連接時，有桿腔排出流量g′_v=v₃A₂進入無桿腔，則根據連續性方程有

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。

    差動連接時，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，差動連接時實際起有效作用的面積是活塞桿的橫截面積。

    單桿缸往復運動范圍約為有效行程的兩倍，其結構緊湊，應用廣泛。實際生產中，單活塞桿液壓缸常用在實現“快速接近(v₃) →慢速進給（v₁）→快速退回（v₂）”工作循環的組合機床液壓傳動系統中。