第3章　液压执行元件

3.1　液压缸

液压系统中的执行元件有液压缸和液压马达。液压缸又称为油缸，其功能是将液压油液的压力能转换为往复直线运动的机械能。液压缸的输入量是流体的流量和压力，输出量是直线运动的速度和力。

液压缸按其结构形式的不同可分为活塞式液压缸、柱塞式液压缸、组合式液压缸：按液体压力的作用方式又可分为单作用式液压缸和双作用式液压缸。

3.1.1　活塞式液压缸

活塞式液压缸根据其使用要求不同可分为双杆式液压缸和单杆式液压缸：根据运动是否由液压油双向推动分为单作用式液压缸（或单杆活塞式液压缸）和双作用式液压缸（或双杆活塞式液压缸）。

（1）双杆活塞式液压缸

①双杆活塞式液压缸的工作原理。活塞两端都有一根直径相等的活塞杆伸出的活塞式液压缸称为双杆活塞式液压缸，根据安装方式不同可分为缸体固定和活塞杆固定两种。双杆活塞式液压缸的两腔有效作用面积相等，当向液压缸两腔分别供油，且压力和流量都不变时，两个方向的运动速度和推力相等。

图3-1（a）所示为缸体固定式的双杆活塞式液压缸。它的进、出口布置在缸筒两端，活塞通过活塞杆带动工作台移动，当活塞的有效行程为L时，整个工作台的运动范围为3L，所以机床占地面积大，一般适用于小型机床。

1—活塞杆；2—活塞；3—缸体；4—工作台

图3-1（b）所示为活塞杆固定式的双杆活塞式液压缸，这时，缸体与工作台相连，活塞杆通过支架固定在机床上，动力由缸体传出。在这种安装形式中，工作台的移动范围只等于活塞有效行程L的2倍（2L），因此占地面积小，常用于工作台行程要求较长的大型设备。进、出油口可以设置在固定不动的空心活塞杆的两端，但必须使用软管连接。

活塞式液压缸一般都设置缓冲装置，特别是对大型、高速或要求高的液压缸，为了防止活塞在行程终点时与缸盖相互撞击，引起噪声、冲击，必须设置缓冲装置。

缓冲装置的工作原理是利用活塞或缸筒在其移向行程终端时封住活塞和缸盖之间的部分油液，强迫它从小孔或细缝中挤出，以产生很大的阻力，使工作部件受到制动，逐渐减慢运动速度，达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的。

设计缓冲装置时，应考虑缓冲作用减弱的问题。如图3-2（a）所示，当缓冲柱塞进入与其相配的缸盖上的内孔时，孔中的液压油只能通过间隙δ排出，使活塞速度降低。由于配合间隙不变，故随着活塞运动速度的降低，其缓冲作用减弱。如图3-2（b）所示，当缓冲柱塞进入配合孔后，油腔中的油只能经节流阀排出，由于节流阀是可调的，因此缓冲作用也可调节，但仍不能解决速度降低后缓冲作用减弱的缺点。如图3-2（c）所示，在缓冲柱塞上开有三角槽，随着柱塞逐渐进入配合孔中，其节流面积越来越小，解决了在行程最后阶段缓冲作用过弱的问题。

②液压缸图形符号的绘制规则。双杆活塞式液压缸，图形符号（图3-3）的构成要素见表3-1，绘制过程如下。

用大矩形框表示缸体：缸内绘制小矩形框表示活塞：与活塞相连伸出液压缸的单边封闭的双实线表示活塞杆：缸外绘制的两线段表示进、回油接口。

③双杆活塞式液压缸的图形符号及识别。双杆活塞式液压缸的图形符号如图3-3和图3-4所示。

双杆活塞式液压缸图形符号识别技巧如下。

a.矩形边框表示液压缸缸体。

b.缸体内部宽度方向的单线段或双线段表示活塞。

c.活塞两侧与活塞垂直的单线段或端部封闭的双线段表示两个活塞杆。

d.缸体外部与其相交的线段表示外部油路。

④双杆活塞式液压缸的典型应用。由于双杆活塞式液压缸两端的活塞杆直径通常是相等的，因此它左、右两腔的有效面积也相等，当分别向左、右腔输入相同压力和相同流量的油液时，液压缸左、右两个方向的推力和速度相等。这种两个方向等速、等力的特性使双杆活塞式液压缸可用于双向负载基本相等的场合，如磨床的液压系统。

图3-5所示为一机床工作台往复运动回路。机床工作台双向运动的负载和速度要求基本相同，选用双杆活塞式液压缸可以满足这一要求。图3-5中，单向定量泵3是整个系统的动力源，工作台8与双杆活塞式液压缸连接在一起，由液压缸7带动工作台实现往复运动，液压缸7的速度由节流阀5调节，液压缸7的换向通过操纵二位四通手动换向阀6完成，溢流阀4用于调定系统压力，使系统压力基本恒定。

1—油箱；2—滤油器；3—单向定量泵；4—溢流阀；5—节流阀；6—二位四通手动换向阀；7—双杆活塞式液压缸；8—工作台

（2）单杆活塞式液压缸

①单杆活塞式液压缸的工作原理。图3-6所示为单杆活塞式液压缸，活塞只有一端带活塞杆。单杆活塞式液压缸也有缸体固定和活塞杆固定两种形式，但它们的工作台移动范围都是活塞有效行程的2倍。

由于液压缸两腔的有效工作面积不等，因此它在两个方向上的输出推力和速度也不等，活塞杆伸出时，推力较大，速度较小：活塞杆缩回时，推力较小，速度较大。因为有这个特性，所以单杆活塞式液压缸常用于机床上的工作进给和快速退回。

单杆活塞式液压缸在其左右两腔同时都接通高压油时称为差动连接，如图3-7所示。差动缸左右两腔的油液压力相同，但是由于左腔的有效面积大于右腔的有效面积，故活塞向右运动，同时使右腔中排出的油液q2也进入左腔，加大了流入左腔的流量（q1=q+q2），从而也加快了活塞移动的速度。差动连接时液压缸的推力比非差动连接时小，速度比非差动连接时大，正好利用这一点，可使在不加大油源流量的情况下得到较快的运动速度，这种连接方式被广泛应用于组合机床的液压动力系统和其他机械设备的快速运动中。

②单杆活塞式液压缸的典型结构。图3-8所示为一个较常用的双作用单杆活塞式液压缸。它是由缸底1、缸筒8、缸盖11、导向套10、活塞5和活塞杆13等组成。无缝钢管制成的缸筒8和缸底1焊接在一起，缸盖11与缸筒采用螺纹连接，以便拆装检修。两端进出油口A和B都可通压力油或回油，以实现双向运动。活塞5用卡环4、套环3、弹簧挡圈2与活塞杆13连接。活塞和缸筒之间有密封圈7，活塞杆和活塞内孔之间有密封圈6，用以防止泄漏。导向套10用以保证活塞杆不偏离中心，其外径和内孔配合处也都有密封圈。此外，缸盖上还有防尘圈12，活塞杆左端带有缓冲柱塞等。

1—缸底；2—弹簧挡圈；3—套环；4—卡环；5—活塞；6，7—密封圈；8—缸筒；9—管接头；10—导向套；11—缸盖；12—防尘圈；13—活塞杆；14—耳环

③单杆活塞式液压缸的图形符号及识别。单杆活塞式液压缸的图形符号如图3-9所示。

单杆活塞式液压缸图形符号识别技巧如下。

a.矩形边框表示液压缸缸体。

b.缸体内部沿宽度方向的单线段或双线段表示活塞。

c.与活塞垂直的一条单线段或端部封闭的双线段表示活塞杆。

d.活塞上的小矩形表示缓冲装置。

e.缓冲液压缸上的长斜箭头表示缓冲减速值可调。

f.缸体外部与其相交的实线段表示外部油路，虚线段表示泄油路。

g.表示复位弹簧。

④单杆活塞式液压缸的典型应用回路。图3-10所示为通过液压缸的差动连接获得增速的回路。当电磁铁1YA通电时，若电磁铁3YA断电，单杆活塞式液压缸实现差动连接，活塞向右快进：若电磁铁3YA通电，液压缸右腔的回油需经调速阀5流回油箱，使活塞速度降低，实现工进。

1—单向定量泵；2—溢流阀；3—三位四通电磁换向阀；4—二位三通电磁换向阀；5—调速阀；6—单向阀；7—单杆活塞式液压缸

采用差动连接的增速回路，不需要增加液压泵的输出流量，简单经济，但只能实现一个运动方向的增速，且增速比受液压缸两腔有效工作面积的限制。使用时要注意换向阀和油管通道应按差动时的较大流量选择，否则流动液阻过大，可能使溢流阀在快进时打开，减慢速度，甚至起不到差动作用。

当单杆活塞式液压缸作为单作用缸使用时，可以采用弹簧复位。图3-11所示为单作用缸往复运动回路，其中弹簧复位缸4是单作用缸。当1YA通电时，电磁换向阀3的右位接入，弹簧复位缸4的左腔进油，液压缸4的活塞向右运动：当1YA断电时，电磁换向阀3的左位接入，如图3-11所示位置，在弹簧力的作用下，液压缸4的活塞向左运动，液压缸4左腔的油液经电磁换向阀3流回油箱。液压缸4在液压力和弹簧力的作用下实现往复运动。

1—液压泵；2—溢流阀；3—电磁换向阀；4—弹簧复位缸

（3）常见活塞式液压缸的图形符号比较

常见活塞式液压缸的图形符号比较见表3-2。

3.1.2　柱塞式液压缸

柱塞式液压缸分为单柱塞式液压缸和双柱塞式液压缸。

（1）单柱塞式液压缸

①单柱塞式液压缸的工作原理。单柱塞式液压缸是一种单作用液压缸。如图3-12所示，单柱塞式液压缸主要由缸体、柱塞等组成，柱塞1与工作部件连接，缸体2固定在机床上，压力油进入缸体2时，推动柱塞1带动运动部件向右运动。柱塞1向左运动则需要借助外力或垂直安装靠自重驱动。

1—柱塞；2—缸体

单柱塞式液压缸中的柱塞和缸体不接触，运动时由缸盖上的导向套来导向，因此缸体的内壁不需精加工，它特别适用于行程较长的场合。柱塞是端部受压，为保证柱塞缸有足够的推力和稳定性，柱塞一般较粗，重量较大，水平安装时易产生单边磨损，故柱塞缸宜垂直安装。水平安装使用时，为减轻重量和提高稳定性，用无缝钢管制成柱塞。这种液压缸常用于长行程机床，如龙门刨床、导轨磨床、大型拉床等。

②单柱塞式液压缸的图形符号及识别。单柱塞式液压缸的图形符号如图3-13所示。

单柱塞式液压缸图形符号识别技巧如下。

a.外部矩形边框表示柱塞缸缸体。

b.内部矩形框表示柱塞（一个矩形表示单柱塞）。

c.缸体外部的实线段表示外部油路。

③单柱塞式液压缸的典型应用。单柱塞缸可以与活塞缸组合成增速缸。图3-14所示为采用增速缸的快速运动回路，活塞缸的活塞2同时也是柱塞缸的缸体。在这个回路中，当三位四通换向阀左位得电而工作时，压力油经增速缸中柱塞1的孔进入B腔，使活塞2伸出，获得快速，A腔中所需油液经液控单向阀3从辅助油箱吸入，活塞2伸出到工作位置时由于负载加大，压力升高，打开顺序阀4，高压油进入A腔，同时关闭单向阀。此时活塞杆在压力油作用下继续外伸，但因有效面积加大，速度变慢而使推力加大，这种回路常被用于液压机中。

1—柱塞；2—活塞；3—液控单向阀；4—顺序阀；5—电磁换向阀；6—液压泵

单柱塞缸也可以与活塞缸串联组成增压缸。图3-15所示为增压缸，由活塞缸和柱塞缸串联而成，利用活塞和柱塞有效面积的不同使液压系统中的局部区域获得高压。

（2）双柱塞式液压缸

①双柱塞式液压缸的工作原理。单柱塞式液压缸只能实现一个方向的液压传动，反向运动要靠外力。若需要实现双向运动，则必须成对使用，组成双柱塞式液压缸，如图3-16所示。

②双柱塞式液压缸的图形符号及识别。双柱塞式液压缸的图形符号如图3-17所示。

双柱塞式液压缸图形符号识别技巧如下。

a.两个连在一起的矩形边框表示双柱塞缸缸体。

b.两个缸体内部的两个矩形表示两个柱塞。

c.缸体出口处每个柱塞的两侧的两条实线段表示导向。

d.连接两个柱塞的框架形部分表示两个柱塞刚性连接在一起。

e.缸体外部的两个折线段表示外部油路。

（3）常见柱塞式液压缸的图形符号比较

常见柱塞式液压缸的图形符号比较见表3-3。

3.1.3　其他液压缸

（1）增压缸

①增压缸的工作原理。增压缸又称增压器，有单作用和双作用两种形式。单作用增压缸的工作原理如图3-18（a）所示，它是由直径不同的两个液压缸串联组成的，大缸是原动缸，小缸为输出缸。当输入活塞缸的液体压力为p1，大活塞直径为D，小活塞直径为d时，输出缸输出的油液压力p2为高压。

单作用增压缸在柱塞运动到终点时，不能再输出高压液体，需要将活塞退回到左端位置，再向右行时才又输出高压液体，为了克服这一缺点，可采用双作用增压缸，如图3-18（b）所示，由两个高压端连续向系统供油。

②增压缸的图形符号及识别。增压缸的图形符号如图3-19所示。

增压缸图形符号识别技巧如下。

a.两个外部连在一起的矩形框表示缸体。

b.缸体内部沿宽度方向的四条线段表示两个活塞。

c.两个活塞之间沿缸体长度方向的两条线段表示两个活塞刚性连在一起。

d.A表示进油口，A处的缸体外部线段表示进油路。

e.B表示出油口，B处的缸体外部线段表示出油路。

f.缸体外部的另外一条线段表示油路，用于补油或直接通油箱。

g.实心黑三角表示进出缸的流体为液体而非气体。

③增压缸的典型应用。如果系统或系统的某一支油路需要压力较高但流量又不大的压力油，而采用高压泵又不经济，或者根本就没有必要增设高压力的液压泵时，就常采用增压回路，这样不仅易于选择液压泵，而且系统工作较可靠，噪声小。增压回路中提高压力的主要元件是增压缸。

图3-20（a）所示为单作用增压缸增压回路，当系统在图示位置工作时，系统的供油压力p1进入增压缸的大活塞腔，此时在小活塞腔即可得到所需的较高压力p2：当二位四通电磁换向阀右位接入系统时，增压缸返回，辅助油箱中的油液经单向阀补入小活塞。该回路只能间歇增压，所以称之为单作用增压回路。

图3-20（b）所示为双作用增压缸增压回路，能连续输出高压油，在图示位置，液压泵输出的压力油经换向阀和单向阀1进入增压缸左端大、小活塞腔，右端大活塞腔的回油通油箱，右端小活塞腔增压后的高压油经单向阀4输出，此时单向阀2、3被关闭，当增压缸活塞移到右端时，换向阀得电换向，增压缸活塞向左移动，同理，左端小活塞腔输出的高压油经单向阀3输出，这样，增压缸的活塞不断往复运动，两端便交替输出高压油，从而实现了连续增压。

1～4—单向阀

图3-21所示的增压回路中，溢流阀2用于调定泵出口压力，根据系统的压力需要，泵输出的一定压力的油液进入增压缸4的左腔，增压缸4活塞右移，右腔输出的增压之后的油液进入弹簧复位缸5的上腔，液压缸5的活塞向下运动。当电磁换向阀的左位接入时，增压缸4的活塞左移，右腔的压力降低，复位缸5在弹簧力的作用下，活塞向上移动。

1—液压泵；2—溢流阀；3—换向阀；4—增压缸；5—弹簧复位缸

（2）伸缩缸

①伸缩缸的工作原理。伸缩缸由两个或多个活塞缸套装而成，前一级活塞缸的活塞杆内孔是后一级活塞缸的缸筒，伸出时可获得很长的工作行程，缩回时可保持很小的结构尺寸，伸缩缸被广泛用于起重运输车辆上。伸缩缸可以是单作用式，也可以是双作用式，前者靠外力回程，后者靠液压回程。

伸缩缸的外伸动作是逐级进行的。首先是最大直径的缸筒以最低的油液压力开始外伸，当到达行程终点后，稍小直径的缸筒开始外伸，直径最小的末级最后伸出。随着工作级数变大，外伸缸筒直径越来越小（即有效工作面积逐次减小），工作油液压力随之升高，工作速度变快。

图3-22所示为伸缩缸，它由二级或多级活塞缸套组合而成，主要组成零件有一级缸筒1、一级活塞2、二级缸筒3、二级活塞4等。一级缸筒1两端有进出油口A和B。当A口进油，B口回油时，先推动一级活塞2向右运动，由于一级活塞的有效作用面积大，所以运动速度低而推力大。一级活塞右行至终点时，二级活塞4在压力油的作用下继续向右运动，因其有效作用面积小，所以运动速度快，但推力小。一级活塞2既是活塞，又是二级活塞的缸筒，有双重作用。若B口进油，A口回油，则二级活塞4先退回至终点，然后一级活塞2才退回。

1—一级缸筒；2—一级活塞；3—二级缸筒；4—二级活塞

伸缩缸的特点是活塞杆伸出的行程长，收缩后的结构尺寸小，用于翻斗汽车、起重机的伸缩臂等。

②伸缩缸的图形符号及识别。伸缩缸的图形符号如图3-23所示。

伸缩缸图形符号识别技巧如下。

a.宽度方向最宽且上下对称的矩形框表示一级缸体。

b.沿宽度方向上下对称的线框既表示一级活塞也表示二级缸筒，依此类推。

c.最窄的线框表示最末级活塞。

d.与宽度方向垂直的缸体外部的线段表示外部油路，对于单作用伸缩缸只有一个进油路，对于双作用伸缩缸，两侧的分别表示进油路或出油路，中间的用于补油或直通油箱。

（3）齿条缸

①齿条缸的工作原理。齿条缸由两个柱塞缸和一套齿轮齿条传动装置组成，如图3-24所示。柱塞的移动经齿轮齿条传动装置变成齿轮的转动，实现工作部件的往复摆动或间歇进给运动，多用于自动生产线、组合机床的转位或分度机构。

②齿条缸的典型结构。图3-25所示为齿条缸结构。缸体由两个零件组合焊接而成，活塞杆上加工出齿条，齿轮9与传动轴10连成一体。当液压缸右端进油时，齿条活塞向左运动，齿条则带动齿轮9顺时针旋转，反之，则逆时针旋转。两端的调节螺钉2可调节齿条活塞的行程，以改变传动轴10的最大转角。

1—紧固螺母；2—调节螺钉；3—端盖；4—垫圈；5—O形密封圈；6—挡圈；7—缸套；8—齿条活塞；9—齿轮；10—传动轴；11—缸体；12—螺钉

齿条缸的最大特点是将直线运动转换为回转运动，其结构简单，制造容易，常用于机械手和磨床的进刀机构、组合机床的回转工作台、回转夹具及自动线的转位机构。

③齿条缸的图形符号及识别。齿条缸的图形符号如图3-26所示。

齿条缸图形符号识别技巧如下。

a.矩形边框表示缸体。

b.沿缸体宽度方向的两组双竖线表示两个活塞。

c.沿缸体长度方向，两个活塞之间的双水平线表示齿条。

d.小圆表示齿轮。

e.缸体外部的两条实线段表示外部油路。

④齿条缸的典型应用。升降台是冶金工业中升降和运输轧件的关键设备，与曲柄连杆式或偏心轮式机械驱动机构相比，采用液压驱动的液压升降台具有重量轻、结构合理、使用方便等特点。

图3-27所示为液压升降台的液压系统图。考虑到升降台在工作中的重要地位，该系统采用双泵供油，采用Y型滑阀机能的电液换向阀换向，当电液换向阀的1YA得电时，左位接入，齿轮缸的左腔进油，右腔油液经液控单向阀和电液换向阀流回油箱，齿轮缸中的柱塞向右运动，带动齿轮逆时针旋转，实现升降台举升动作。当电液换向阀的2YA得电时，右位接入，齿轮缸的右腔进油，左腔油液经液控单向阀和电液换向阀流回油箱，齿轮缸中的柱塞向左运动，带动齿轮顺时针旋转，实现升降台下降动作。

为保证系统换向工作可靠，保证升降台在任意位置可靠停留，采用两个液控单向阀实现锁定，系统采用单向调速阀的旁路节流调速回路。蓄能器在系统中起着蓄能补油与缓冲作用。

（4）其他液压缸的图形符号比较

其他常见液压缸的图形符号比较见表3-4。