介绍

本文将对液压缸进行深入讨论。

本文将提供有关以下主题的更多详细信息：

• 什么是液压缸？
• 液压缸的类型和活塞配置
• 液压缸设计
• 选择液压缸的注意事项
• 以及更多…

第 1 章：什么是液压缸？

液压缸是一种利用液压产生线性驱动的管。基本上，液压流体的压力迫使活塞以推动或拉动的方式移动。

这利用了以下物理科学定律：

1. 液压油是不可压缩的。
2. 在密闭容器中静止的流体中，一部分的压力变化会无损失地传递到流体的每一部分和容器壁。（帕斯卡定律）
3. 

为了实现利用上述事实的系统，可以设置如下所示的系统。

因为液压油是不可压缩的，所以如果没有力作用在柱塞 A1 和 A2 上，柱塞 A1 和 A2 将保持在相同的位置。但是，如果对其中一个施加力，我们会注意到另一端发生位移，这是因为使用帕斯卡定律计算的合力如下所示。

面积 A1 和力 F1 的左柱塞上的压力由下式给出：

但是，如果压力通过流体平均传递，则意味着该压力也与右侧的压力相同：

所以另一端的力等于施加的力乘以面积的比例。由于力已经给出，因此可以很容易地向前计算位移。

液压缸是许多商业和工业制造领域的推动力。他们的一些应用详述如下：

• 航空航天：起落架和襟翼
• 汽车：运土设备
• 农业：拖拉机
• 土建工程：挖掘机、推土机和附件
• 石油和天然气行业
• 发电：水闸的流量控制
• 高速公路维修和保养
• 采矿：挖掘机

第 2 章：液压缸的类型和活塞配置

本章将讨论液压缸的类型和活塞配置。

根据应用和行业的不同，液压缸可称为液压执行器或液压活塞。这些术语可以在以下上下文中理解：

液压执行器

气动执行器通常用于需要准确快速响应的控制过程。这是因为气动执行器不需要大的动力。

在需要大量力来操作阀门（例如主流系统的阀门）的情况下，液压致动器是首选。液压执行器有各种不同的方向，但最常见的是活塞式。

这些液压缸可以具有不同的尺寸，根据尺寸具有独特的用途，例如：

小型液压缸

小型液压缸结构稳定，操作方便，使用寿命长。它们通常用于快速运动应用以及具有复杂和小型组件的设备。

液压缸也可以由不同的材料制成，例如：

不锈钢液压缸

不锈钢液压缸通常用于优先考虑耐腐蚀的应用。绝大多数其他液压缸由合金钢组合制成，例如1045和1018。但是，它们在潮湿或潮湿的环境中使用时容易氧化和生锈。碳钢气缸仍然容易出现凹痕、表面磨损或更刺激的化学物质，即使它们可能使用环氧树脂涂漆。因此，这种情况会磨损油漆并使碳钢受到腐蚀。因此，在这种情况下，不锈钢液压缸是首选，例如在陆上和海上的海洋环境中。这些可用于海上起重机、吊艇架或升船机。

液压缸的类型

液压缸有单作用或双作用两种。如果只有一个腔室被液压流体加压，则为单作用，否则为双作用。

单作用液压缸

在单作用气缸中，有一个腔室接收加压液压流体。哪一侧取决于圆柱体的预期用途。如果它用于推动运动，则与气缸杆相对的腔室将被加压。另一个腔室通常装有弹簧以适应缩回。如果带有气缸杆的腔室是加压的，它将是拉动运动。对面的腔室也将装有弹簧以适应突出部分。

单作用气缸的优点

• 设计制造简单，安装方便
• 初始购买成本低
• 单端口（输入）和小外壳
• 降低阀门和管道成本

单作用缺点

• 由于提供相反力的弹簧，气缸产生的推力减小
• 当弹簧磨损时，气缸的行程会变得不一致。

双作用液压缸

在双作用气缸中，两个腔室都可以加压。在这两个腔室中，容纳活塞杆的腔室与液压流体接触的表面很小，因为我们无法考虑活塞杆已经占据的活塞表面积。表面积的这种差异比另一个需要更小的压力来缩回。因此，压力控制和方向控制在液压系统的这种设置中很重要。

双作用气缸的优点

• 考虑到加压空气双向移动，它对运动有很多控制
• 更快、更强、耗能更少
• 它提供多种行程和孔径设计选项
• 它在各个方向提供力，即推拉运动

双作用缺点

• 比单个气缸更昂贵
• 由于需要联轴器，如果用作例如进料缸，它们需要更大的外壳。

气缸中的液压活塞配置

三种最流行的液压活塞配置是柱塞式、拉杆式和焊接式。拉杆气缸使用具有高强度的螺纹钢拉杆，通常在气缸外壳的外侧，以提供额外的稳定性。焊接气缸包含一个重型焊接气缸外壳，气缸外壳直接焊接在端盖上，因此不需要拉杆。冲压气缸通常没有活塞，而是使用气缸杆作为活塞。

液压油缸

没有活塞但有大杆的单作用液压缸称为柱塞。这些柱塞的操作与传统的单作用气缸完全一样。但是，他们在设计中使用大直径杆代替活塞和活塞密封件。因此，代替活塞，柱塞具有高压帽端端口。它们也没有任何低压杆端端口。

活塞通常比传统的单作用气缸便宜。

柱塞类型的液压缸通常用于提供垂直运动，包括在垂直方向提升负载。这种圆柱体也用于提供水平方向的运动，但需要注意和合适的导向装置来引导运动。

Ram 气缸的一个很好的例子是伸缩气缸。

伸缩式液压缸

伸缩式液压缸也称为多级油缸。它们的巨大优势在于它可以是单作用液压缸或双作用液压缸或两者的组合。它们是线性致动器的变体，其平台以直线而不是圆形运行。伸缩油缸通常用于工程卡车、自卸卡车、车辆拖车和农业设备。伸缩式液压缸操作简单、成本低、节省空间并能满足特定的角度要求。

这些是一种线性致动器，由一系列称为套筒的管状杆组成。这些套管通常有 4 个或 5 个，直径依次减小。

当液压被引入液压缸时，作为最大套筒的主体或筒首先伸出。一旦枪管达到最大行程，下一个套筒就会开始延伸。这将一直持续到气缸到达最后一级。

拉杆式气缸

该气缸使用螺纹钢杆固定气缸筒端的两个盖。根据孔径和工作压力，拉杆的数量最多可达 20 个。拉杆的一大优点是可以毫不费力地拆卸和检查以进行维修。拉杆气缸用于大多数工业制造应用。较小孔径的气缸通常只有很少的拉杆，可能只有四个，而较大孔径的气缸可能有多达 20 个拉杆，以承受气缸产生的力。

焊接液压缸

在焊接杆式液压缸中，筒体通常直接焊接到端盖上。头帽可以采用多种固定方法，例如螺纹连接或螺栓固定。与拉杆结构相比，由于结构紧凑、内部轴承长度及其工作周期，这种设计通常被移动设备所接受。但是，由于需要较少的常用工具和设备，这种设计确实使现场检查和维修变得更加困难。

焊接杆气缸经过焊接，并具有更高的密封包。这些有助于延长气缸的预期寿命，并且在气缸用于包含污染物和风化的位置时很有帮助。从视觉上看，这些焊接主体气缸的外形往往比拉杆气缸更小，这改善了安装它们的设备的外观。因为它们比拉杆更窄，所以焊接液压缸在空间有限的情况下工作得很好。

第 3 章：液压缸的设计

液压缸由各种部件组成。下面将讨论这些组件。

液压缸管或桶

这是气缸的主要外壳。由钢制成，通常是碳钢，枪管或气缸管在其整个使用寿命期间能够承受其壁内的液压流体压力。提供坚固性和强度的钢材种类繁多，但基本上更大的压力将需要更厚的气缸壁和更坚固的钢材。

为防止腐蚀和磨损，表面经过特殊处理。这些将被涂层或涂漆。液压缸的一些应用，如食品包装，可能需要一种没有涂层的材料，以避免果皮掉入食品中，因此在这种情况下可以使用不锈钢。内壁通常不需要表面处理，因为液压液体通常是非腐蚀性的，也可以保护它免受腐蚀。然而，在某些使用水作为液压流体的情况下，内壁也可能需要涂层。

液压缸杆或活塞杆

这是伸出枪管的部分。它附在气缸内的活塞上。由于快速伸出和缩回产生的摩擦，这是唯一没有涂漆的外部组件。由于其功能，它不仅需要防腐蚀保护，还需要防磨损和点蚀。这是一个非常脆弱的部件，因为剥落、点蚀或腐蚀很可能会使密封件报废、污染液压油并最终危及整个液压系统。

因此，液压缸的材料和涂层是最重要的。通常，气缸杆由钢或不锈钢加工而成，然后镀硬铬 (HCP)。尽管如此，许多磨损缓慢的涂层已被采用，例如 COREX。这种涂层的孔隙率比 HCP 少十倍，硬度高达 1400Hv，几乎是 HCP 硬度的两倍。如果杆在极易腐蚀的极端环境中工作，则可以使用像铬镍铁合金这样的材料来制造它。

液压缸活塞

活塞是将枪管的两个腔室分开的圆盘。它是由液压油推动的。活塞连接到气缸杆。因此，活塞的运动是通过杆的运动方式看到的。非常重要的是不要让液压油流过活塞。为了确保这一点，活塞装有密封件，通常是 U 型密封件。它在往复运动时也不得磨损，因此它还配备了耐磨环。

这可能是液压系统最薄弱的方面。良好的密封可以减少摩擦和磨损，从而延长使用寿命，而不良的密封会导致停机和频繁维护。

液压缸密封件

整个液压缸都使用密封件。考虑到它们在气缸中的预期用途和它们所在的气缸类型，它们由各种不同的材料制成。至关重要的是，它们要缓慢磨损，能够经受杆的多次重复进出桶，去除任何污染物。

气缸设计师将为特定的气缸应用选择完美的密封件。他们通过考虑许多因素来做到这一点。注定要在高温区域运行的气瓶需要不会熔化的密封件​​。对于此类操作，常用的材料是 Viton。在极冷条件下工作的气缸需要不会硬化和破裂的密封件。聚氨酯是为这些应用选择的一种流行材料。

此外，对于需要快速重复的情况，例如工厂中的应用，通常会选择 Zurcon 和 PTFE 密封件。专业密封件也很常见，例如如果这些密封件要在巨大的压力下工作，它们会重新安装环。对于可以轻松流过活塞或气缸端盖的稀薄液压油，将采用封闭性极佳的密封件。

下面详细介绍一些常用的密封件。

杆密封

活塞杆密封件是液压缸应用中最重要的密封件。它在服役过程中承受着最严酷的条件。它经常看到系统中最大的压力变化和尖峰。它的故障会导致流体泄漏到工作环境中，并可能危及性能和安全。

它用于：

• 将液体保持在气缸内，因为它充当压力屏障
• 调节液膜以抑制活塞杆腐蚀并润滑活塞杆密封和密封圈
• 回缩，油膜在杆缩回过程中进入油缸

缓冲密封

缓冲密封件通常与另一个杆或活塞密封件一起使用。通常，这将是 U 型杯式密封件。在许多杆应用中，它们设计用于在高负载条件下工作时吸收压力变化。这有助于延长活塞杆密封件的使用寿命。缓冲密封功能基本上是：

• 保护杆密封件免受系统压力中的极端流体压力的影响。
• 减弱系统压力的变化，从而通过允许杆密封处理更恒定或逐渐变化的压力来提高杆密封性能。
• 用作内部排除器，以防止系统污染物（例如金属颗粒）损坏杆。

活塞密封

活塞密封件对气缸内壁产生密封力，并阻止流体流过活塞头进入相对的气缸室。在阻止加压流体逸出到另一个腔室中的过程中，压力在活塞的一侧积聚，这使得杆伸出或缩回。

它们要么是单作用活塞密封件，这意味着应力仅作用于一侧，要么是双作用活塞密封件，这意味着应力作用于两侧。

密封圈

消除进入液压缸的外部污染物，并在活塞杆拉回时将润滑膜带回缸内。相对于其重要用途，防尘密封圈是液压缸中最被低估的密封类型。

液压油

液压油是一种不可压缩的油或液体，用于在液压机械和设备中传递动力。

这种液压油可以由多种元素制成，但主要是矿物或石油基、水基或合成的。

不可压缩的流体对于高效的液压系统非常重要。这些液体可以是：

1. 石油基或矿物基流体

   石油基或矿物基流体是当今常用的流体。他们通常提供低成本、高质量、现成的选择。矿物基液压油的特性取决于添加剂、原始原油的质量及其精炼工艺。常见的液压油添加剂包括防锈剂和抗氧化剂 (R&O)、抗腐蚀剂、破乳剂、抗磨剂 (AW) 和极压剂 (EP)、VI 改进剂和消泡剂。此外，润滑剂可能含有彩色染料，有助于识别泄漏。由于液压系统中的泄漏代价高昂，因此这个次要特性对于延长设备的使用寿命以及节省资金和资源非常重要。

2. 水基流体

   水基流体不如石油基流体具有成本效益。它们的缺点包括耐磨性降低。这必须与耐火的优势进行对比权衡。基于水的流体由于其高含水量而用于防火。它们通常以水包油乳液、油包水乳液和水乙二醇混合物的形式提供。水基流体可以提供适当的润滑特性，但需要密切监测以避免出现问题。由于水基流体用于需要耐火性的应用，因此这些系统和系统周围的大气可能很热。高温会导致液体中的水分蒸发，从而增加粘度。有时，

3. 合成液

   合成液是人造润滑剂，在高压情况下和高温系统中具有出色的润滑特性。合成液具有以下优点：

   • 它们是耐火的，例如磷酸酯
   • 它们降低摩擦
   • 它们具有热稳定性

这些类型的流体的缺点是它们通常比传统流体更昂贵，它们可能有轻微毒性并需要特殊处理，并且它们通常与标准密封材料不兼容。

液压缸端口

液压流体通过端口进出气缸，气缸管的两端各有一个端口，两个端口之间有液压活塞。这些必须是安全的，因为薄弱的端口会在高压下导致危险的液压油泄漏。

液压缸安装

气缸安装件通常分为三类：

1. 吸收气缸中心线上的力的中心线安装件。
2. 吸收偏心于气缸中心线的力的底脚安装件。
3. 活塞杆运动时允许缸体运动的枢轴安装件。

液压缸两端需要安装接口；一个在底部，另一个在头部。

中心支架

中心线安装是首选的安装方法。这些安装件对安装螺栓施加张力或剪切力。中心线支架不灵活，需要与负载精确对齐。对齐良好的安装气缸的连杆轴承和活塞负载很小，因此使用寿命更长。建议将头部安装件用于拉动行程应用。推动冲程应用可以使用气缸活塞杆端的安装件。

脚架

支脚安装沿其侧面固定气缸。由于安装表面平面偏离力线，因此安装螺栓会承受大量的剪切应力。

气缸需要用销钉或键固定以承受剪切载荷的应力，并使安装螺栓保持张紧状态。

带键槽的键座可以切割成机器。安装可承受剪切载荷。它们提供气缸的精确对齐并简化安装和维修。

只有圆柱体的一端必须用键连接到机器上。当端部被键控时，会导致内部应力和变形分布不均。这主要适用于性能和寿命可能会显着降低的长冲程气缸。

枢轴安装

U 形夹、球面轴承和耳轴安装座是枢轴安装中的常见配置。当应用需要负载沿弯曲路径行进时，可以使用枢轴安装。因此，U 形夹和耳轴支架允许这种运动。枢轴安装可以帮助减轻负载错位。

耳轴销仅用于承受剪切载荷。因此，只能使用紧密配合并支撑整个销长度的耳轴轴承。

第 4 章：选择液压缸的注意事项

选择液压缸时的一些注意事项是：

液压缸的质量

第一步是确定您需要移动的质量的大小。一旦知道质量有多重，您就会考虑质量对移动它所需的力的影响。例如，如果一个负载被垂直向上推，它只需要一个与其重量相等的力来抬起它，但如果它在地面上推动一个负载，你将不得不克服摩擦和加速度。另请注意，为了安全起见，最好假设一个比计算结果大 120% 的力。

涉及几何

接下来，您需要研究移动它所涉及的几何学。像油压机这样上下往复运动的机器，几何结构简单，不需要再考虑。

然而，当移动负载的中心偏移升力点并与升力点成垂直角度时，气缸所需的力会发生变化。例如，对于起重机，油缸推动吊杆，通常离负载很远。在大多数情况下，负载到支点的距离可能是升力的十倍，有时甚至更多。因此，您的提升点离支点越近，气缸提升负载所需的力就越大。

法兰安装最适合沿气缸中心线传递负载。非中心线安装需要支撑，否则它们会错位。

缸径

下一步是计算气缸的孔径。气缸产生的力是系统压力乘以压力作用于其上的活塞内表面面积的乘积。这是用于计算实现该力所需的孔径的公式。

应用的最大压力范围也会改变孔径。根据系统正在执行的具体工作，压力可能会有很大差异。气缸适用于试验压力和公称标准压力，从而适应变化。系统压力绝不能超过气缸的标称额定设计压力。

杆尺寸

选择任何液压缸的下一步应该是选择合适的杆尺寸。大多数标准气缸都带有一个或两个杆选项。选择所需的杆尺寸需要仔细考虑所需的行程长度，这反过来会影响杆的屈曲强度。除了杆屈曲之外，轴承载荷也是选择液压缸的另一个考虑因素。增加气缸的冲程长度也会增加活塞杆上的合成轴承载荷。

当决定推或拉或两者都是双作用时，如果液压系统正在执行双作用，则答案可能需要特定的双作用气缸。由于单作用气缸在液压下伸出活塞，双作用气缸将在压力下伸出和缩回活塞。对于推动应用，正确确定杆直径尺寸以避免杆屈曲非常重要。对于牵引应用，重要的是正确确定环形面积或活塞直径面积减去杆直径面积，以便在气缸的额定设计压力下移动负载。

如果从标准气缸杆选项中进行选择，建议对于给定孔，较小的杆仅用于小冲程推载荷或减压应用，当想要获得最大的可靠性和疲劳寿命时，使用较大的杆杆。如果确定所需的活塞杆直径超过所选气缸孔尺寸内可用的最大活塞杆直径，则可能有必要重新考虑设计参数。

在决定所需的行程长度时，如果空间不适合理想长度，则可能需要伸缩式配置，甚至是允许气缸在多个轴上移动的径向配置。长冲程气缸通常存在扭曲或错位的风险，需要额外的支撑。

气缸垫

如果缸径、活塞杆和行程尺寸已经确定，要考虑的另一个方面是在气缸行程末端是否需要内部缓冲。高速活塞杆减速时建议使用缓冲垫，以减少活塞组件对气缸端盖的冲击能量。使用缓冲垫不会影响气缸外壳或安装尺寸。

在决定活塞和气缸需要多少支撑时，这完全取决于冲程长度、停止过度磨损和千斤顶切割所必需的止动管。但是，止动管不能防止杆弯曲；根据欧拉计算，可能需要超大杆。液压设计中最常见的错误是低估了活塞杆的规格，使气缸更容易受力、磨损和失效。

结论

尽管液压缸在工作时很坚固，但在选择使用时需要非常注意细节。在设计或选择液压缸时，必须了解所有组件及其功能。