一、概述
液壓缸是液壓系統中的執行機構，在工程機械，登高平台消防車及高空作業車等多種類型機械中獲得廣泛應用。CDZ50米登高平台消防車（以下稱CDZ50）的伸縮、變幅、折臂、支腿機構都是由液壓缸執行。為了使登高平台消防車既有儘可能小的縱向尺寸，又有可能大的作業範圍，它的臂架具有伸縮功能，猶如電視機的伸縮天線，只是臂架斷面是四邊形，它們是由一隻伸縮液壓缸和鋼絲繩滑輪組成機構完成五節臂同步伸縮。變幅液壓缸可使登高平台消防車臂架作俯仰動作，以改變作業平台到迴轉中心的距離（幅度），這就叫變幅。折臂液壓缸是調整作業平台的工作位置。支腿通常由水平液壓缸的垂直液壓缸構成，稱“H”型支腿，它由八個液壓油缸分別驅動。支腿不僅能承受作業時的總重，還能大大提高整機作業時的穩定性。如圖1
上述四種機構所用的液壓缸原理基本相同，本文主要通過對CDZ50變幅液壓缸原理的分析和設計找到液壓缸設計的方法。
二、液壓缸的形式
直線運動的液壓缸有兩類即活塞式（圖2a）和柱塞式（圖2b）。活塞式液壓缸多是雙作用的，即活塞的伸出和縮回均靠液壓力作用，雙作用液壓缸又分單活塞桿和雙活塞桿的。柱塞式液壓缸只能是單作用的，即柱塞伸出靠液壓力而縮回則靠負載自重、重物或彈簧等。登高平台消防車大都採用雙作用活塞式單桿液壓缸。
三、液壓缸的結構
圖2a所示為CDZ50變幅液壓缸結構，它是由缸底2、缸筒 8、缸蓋16、導向套15以及活塞7和活塞桿9等主要部件組成。缸筒一端與缸底焊接，另一端則與缸蓋採用螺紋連接，以便拆裝檢修，兩端設有油口A和B。活塞與活塞桿採用螺紋連接，結構緊湊便於裝卸。缸筒內壁表面粗糙度要求較高（0.4），為了避免與活塞直接發生摩擦而造成拉缸事故，活塞上套有支承環4，它通常是由聚四氟乙烯或尼龍等耐磨材料製成，但不起密封作用。缸內兩腔之間的密封是靠活塞內孔的O形密封6，以及外緣安置的兩個組合密封（格來圈）來保證，活塞桿表面同樣具有較高粗糙度（0.2），為了確保活塞桿的移動不偏離中心線，以免損傷缸壁和密封件，並改善活塞桿與缸蓋孔的摩擦，特在缸蓋一端設置導向套15，導向套內孔上套有支承環10，還有防止油液外漏的組合密封（斯特封）12和YX型密封圈13，這兩道密封可以防止由於加工誤差造成活塞桿滲油現象。考慮到活塞桿外露部分會粘附塵土，故缸蓋孔口處設有防塵圈17。在缸底和活塞桿頂端上安裝有油嘴1，為工作機構連接用的銷軸提供潤滑油。此外為了減輕活塞在行程終了時對缸底的衝擊，缸底端設有縫隙節流緩衝裝置，當活塞快速運行臨近缸底時，缸底端部的緩衝柱塞將迴流堵住，迫使剩餘油液只能從柱塞周圍的縫隙擠出，於是活塞速度迅速減慢實現緩衝。
四、液壓缸的細部構造
液壓缸主要由缸筒、缸底、缸蓋、活塞、活塞桿、導向套和緩衝裝置等構成。如圖2a ，下面我們介紹液壓缸主要零部件的材料選擇、工藝要求、構造特點。
1、缸筒
活塞式液壓缸缸筒內壁要求精加工，所以它的工藝要求較高，具有
一定難度。目前國內缸筒內孔的加工，主要採用熱軋無縫鋼管的鏜削工
藝和冷撥無縫鋼管的珩磨工藝。熱軋管材的鏜削加工工藝過程為：粗鏜 →精鏜→浮鏜→滾壓（簡稱三鏜一滾），國內同行業缸筒的加工普遍採用這種工藝過程。
工藝要求如圖3所示，缸筒內徑一般用H8配合，表面粗糙度0.4。外表面一般不加工。裝配作業時為了不損傷活塞和導向套上的密封圈，在缸筒的入口處和有密封圈滑過的孔槽口均做成15°的坡口。坡口口徑D′要保證大於密封圈的自由尺寸。
缸筒的材料通常採用45號無縫鋼管。45號鋼的切削性能較好，但焊接性能較差，焊接時必須嚴格執行焊接工藝。此外，缸筒內徑D的圓度，圓柱度不大於公差直徑的一半，缸筒內表面直線度在500mm長度上不大於0.03mm。對形位公差和表面粗糙度和控制能有效避免液壓缸的泄漏。因為目前大多數密封都屬於擠壓形密封，缸筒超差后直接影響密封件的壓縮量，壓縮量的不均勻可導緻密封滲漏。
2、缸底
缸底可用35號或45號鋼的鍛件、鑄件、圓鋼或焊接件製作，缸底與缸筒的主要連接形式有：焊接式、螺紋式。如圖4，CDZ50變幅壓缸的缸底連接形式採用焊接式。缸底材料主要以45號鋼鍛造成型。圖4a為焊接形式其特點是構造簡單，易加工，尺寸小，工作可靠。為了控制焊接變形，缸底嵌入缸筒的部分應採用較緊的過渡配合（H7/K6）活塞終點要離開焊縫一定的距離約（20mm以上）。圖4b是螺紋連接，尺寸略大，不適宜大口徑連接，但可拆，清洗方便。
3、導向套
導向套可選用球墨鑄鐵、鋁青銅或45號鋼加支承環製成，從降低成
本角度考慮目前導向套大都採用鋼材經加工后內孔安裝支承環。導向套在結構上不僅要解決與缸筒的密封問題，而且必須考慮與活塞桿的密封和防塵問題，它能保證活塞往複運動過程中不偏離軸心線，以免產生“拉缸”現象，並保證活塞和活塞桿密封件能正常工作。導向套滑動支承面的長度通常取活塞桿直徑的0.6～1.0倍。圖5是導向套的三種形式。圖5a是導向套與缸筒用卡鍵連接，圖5b通過缸蓋外螺紋與缸筒連接，圖5c是缸筒與導向套內螺紋連接。
4、活塞桿
無論是柱塞式還是活塞式液壓缸，它們的活塞桿（或柱塞）都有較高的加工精度，其表面還有0.03mm～0.05mm厚的鍍鉻層以提高耐磨性和抗腐蝕性。對於工作條件惡劣的環境，活塞桿表面先進行表面淬火后再鍍鉻，以提高表面硬度，抵禦外來的撞擊。活塞桿常用45號元鋼或無縫鋼管做成實心桿或空心桿，活塞桿強度一般是足夠的，主要是考慮細長活塞桿在受壓時的穩定性，大多活塞桿採用空心桿增大斷面模數，空心活塞桿一端留出焊接和熱處理用的通氣孔。活塞桿外徑公差是f9。如圖6，CDZ50變幅液壓缸選用如圖6b的結構形式。
5、活塞
活塞也有多種結構，通常是通過螺紋或卡鍵與活塞桿相連。圖7a是整體式活塞，它的表面直接與缸筒壁配合，兼起導向作用，工藝上有一定要求且必須是銅或鑄鐵等耐磨材料，儘管它的結構簡單，由於摩擦力較大，壽命較短等原因已逐漸少用。圖7b是組合式活塞；活塞本體與缸壁不接觸，通過與它組合在一起的耐磨材料尼龍或聚四氟已烯與缸筒接觸，並起導向支承作用。導向材料對稱安裝在活塞兩端，同時在O形密封圈外面套一個與支承環同樣材料的摩擦環，使O形密封圈脫離與缸壁的滑動摩擦，基本上成為固定密封，故提高了密封件的使用壽命。
活塞與活塞桿之間為間隙配合，配合面之間的密封為固定密封，採用O形圈密封，密封槽通常開設在活塞桿上，這樣加工比較方便。
6、緩衝裝置
液壓缸在運動速度高或負載質量大的情況下，當活塞快速制動或換向時，會產生液壓衝擊。衝擊時的壓力可達工作壓力的二至四倍，液壓衝擊會引起整機的振動和雜訊，甚至引起有關機械的破壞。因此在設計液壓缸時常用節流原理在缸體里設置緩衝裝置。如圖8，當活塞移至其端部時緩衝柱塞開始插入桿端的緩衝孔槽，活塞桿尾部與缸筒之間形成封閉空間A，A腔中受困擠的剩餘油液只能從緩衝柱塞與孔槽之間的節流環縫中擠出，因而在A 腔形成一個高壓區迫使液壓缸降低速度實現液壓緩衝。圖9是緩衝柱塞和緩衝腔壓力的曲線。
五、液壓缸的密封
漏油是液壓傳動的多發病，漏油有內泄和外漏之分。所謂內泄是發生在液壓缸內部的漏損，如高壓無桿腔的壓力油通過活塞與缸壁間的間隙流向低壓的有桿腔進入油箱，外漏則是油液漏出液壓缸外部。如油液沿活塞桿漏到液壓缸的外部。內泄和外漏都是不允許的。目前防外漏的辦法是採用各種形式的密封裝置，密封形式很多選擇主要介紹。
1、間隙密封
間隙密封是利用相對運動件之間的微小間隙起密封作用的。液壓統
中的液壓泵和各種控制閥大多採用這類密封，液壓缸基本不使用這種密封。在這裡不再過多敘述。
2、接觸密封
接觸密封又叫填料密封，填料被充填在兩個需要密封的零件之間，
靠密封件本身的彈性變形實現密封。在一定壓力範圍內，其密封能力隨壓力升高而提高。在磨損后還有一定的自動補償能力。接觸密封的形式頗多，僅介紹液壓缸中使用的幾種密封。
⑴O形密封圈
O形密封圈斷面為圓形，它由耐油橡膠等材料製成。它可以用在兩
個固定面之間也可用在兩個相對運動面之間起密封作用。圖10是它的密封機理，O形圈裝入密封槽后，由於槽深H小於O形圈斷面直徑d0使O形圈受壓縮狀態，見圖10a，此時靠O形圈自身的彈性接觸壓力自行密封；當彈性接觸壓力Pm比流體壓力P1大時，就不會造成泄漏。避免液壓過高時O形圈被擠入密封槽的間隙中損壞。當O形圈用作運動密封時液體壓力超過10MPa。若O形圈是單向受壓的，在它的非受壓側加一個擋圈，若是雙向受壓，則在它的兩側各加一個擋圈，見圖10b、c，用在端面固定密封時，由於間隙C較小液體壓力沒超過30Mpa時，一般不加擋圈。
O形圈及其擋圈的規格以及溝槽尺寸均有標準，可從有關設計手冊中查閱。由於O形圈密封阻力較大，自動補償能力差，在液壓缸中常常用於固定密封，運動面間密封大多採用唇形密封。
⑵ 唇形密封圈
唇形密封圈也有多種形式，現以常用的YX形密封圈來說明它們的機
理。YX形密封分軸用和孔用兩種，孔用密封圈用於活塞與缸筒之間的密封，軸用密封圈用於活塞桿與導向套之間的密封，YX形密封中間有一個凹座，凹座朝向被密封的液體，因此液壓就通過唇部直接作用於部分密封面上。通常其底部不與周圍的部件接觸，且密封圈側面自底部至唇部開始是相平行。壓力升高時，唇口在壓力作用下向外擴展，使唇邊更緊地貼合密封面，隨著壓力的進一步升高，更大部分的密封面與周圍部件相接觸。圖11畫出各種壓力作用下唇形密封圈的典型變形率。
⑶ 組合密封
組合密封是一種較理想的密封，通常將改性的聚四氟乙烯製成滑環和O型圈一起安裝在密封槽里組成。滑環在O形密封圈預應力作用下，始終保持與密封面產生接觸壓力保證密封。組合密封分孔用組合滑環（格萊圈）如圖12a和軸用組合滑環（斯特封）如圖12b，組合密封的結構形式，密封機理，材料選擇都與其它密封不同，是一種較新的密封形式。目前國內外大多數廠家普遍採用這種密封。有關溝槽尺寸可以從產品樣本中查到。
六、液壓缸設計計算
1、液壓缸的作用力和布置方式
根據總體設計，CDZ50登高平台消防車用於改變臂架幅度的變幅液壓缸的最大推力F1=61191.98kg，液壓缸系兩端鉸支，液壓缸全縮時兩端鉸點距離L1=2242mm，工作行程L2=2087mm，臂架停止動作時變幅液壓缸進出口閉死，此時液壓缸內的封閉壓力叫閉鎖壓力。
2、液壓缸缸徑的計算
液壓缸的缸徑指缸筒的內徑，它決定了液壓缸的推力和推出速度。工作時因回油管直接與液壓油箱相通，回油壓力PO=0，液壓系統最高工作壓力P=21Mpa，則缸筒內徑：
D=
=
19.762cm = 197.62mm
取D=200mm
其中：D——缸筒的內徑
F1——液壓缸最大推力
P——液壓缸最高工作壓力
η——液壓缸總效率，通常取η=95%
3、液壓缸壁厚計算：
當壁厚δ大於缸徑的
即δ＞
時，按厚壁筒公式計算：
δ=
當臂厚δ小於或等於缸徑D的
時,按薄壁筒公式計算,
δ=
式中：P——液壓缸最大工作壓力（MPa）
[σ]——許用應力（Mpa），[σ]=
，其中，σ
b為材料強度極限，n 為安全係數；通常取n=3.5～5，
δ——缸筒的壁厚（mm）
45 號鋼的強度極限σ
b=650Mpa，對於臂架式登高平台消防車，屬中型工況，故安全係數為4，對應的[σ]=
。
變幅缸閉鎖壓力：
P
′=
閉鎖壓力P′小於最高工作壓力P=21Mpa，所以計算壁后應以P作為最大工作壓力，閉鎖壓力小於工作壓力常採用薄壁公式計算：
δ=
用薄壁筒公式正確。參照無縫鋼管系列（YB231-77） ，並考慮留有加工余量，選用φ245×25無縫鋼管。
4、活塞桿計算
通常由速比μ算出，速比是液壓缸縮回速度與伸出速度之比即
μ=
。
速比總大於1，速度比越大，活塞桿徑越大，越有利於活塞桿穩
定性通常μ在1.25～2範圍內變化。考慮到活塞桿的穩定性和強度，常取μ=2。
d=D
mm
式中： d——活塞桿外徑
D ——缸筒內徑
μ——速度比
取d=140mm；參照無縫鋼管系列，選用φ152×25鋼管
5、最小導向長度H的確定：
活塞桿全伸時，活塞支承面中點到導向套滑動面中點的距離叫
最小導向長度H（見圖13）。通常H≥
+
。圖中活塞支承面長度
B=（0.6～1.0）D，導向套滑動面長度A=（0.6～1.0）d，中間隔套C可在不過分增加A和B 的情況下保證最小導向長度。
CDZ50變幅液壓缸最小導向長度：
H≥
mm
其中：L2——液壓缸工作行程
D——液壓缸缸筒內徑
H——最小導向長度
6、活塞桿穩定性校核：
當受壓作用液壓缸的活塞桿直徑d小於液壓缸安裝長度L的十分之一時，須進行壓桿穩定性校核，要求達到：
F
1＜
式中：F
1——液壓缸承受的最大壓力
Fk——液壓缸不失穩的臨界負載
ηk——安全係數，ηk=2 ～4
當ψ=
時，用歐拉公式計算臨界力F
kF
k=
(N)
當ψ<ψ
2 時，按下式計算：F
k=
(N)
CDZ50變幅缸：
L=L1+L2=2242+2087=4329(mm)
d=140mm，系兩端鉸支，查表ψ2=1
J=
(其中：d
1=102mm活塞桿內徑)
=
=13544033.46（mm）
4A=
=
=7222.52（mm）
2r
k=
=
=43.304(mm)
ψ=
>ψ
1=85
採用歐拉公式計算臨界力：
F
k=
=14.49×10
5(N)
n=
=2.37>2
穩定性合格
式中：ψ——活塞桿計算柔性係數
ψ1——柔性係數，對於鋼ψ1=85
ψ2——取決於液壓缸支承狀況的末端係數（又稱長度折算系度），由設計手冊查取。
r
k——活塞桿橫截面最小迴轉半徑，r
k=
(mm)
E——活塞桿材料的彈性模量，對於鋼E=2.06×105Mpa
J——活塞桿橫截面慣性矩（mm4）
A——活塞桿橫截面面積（mm2）
F ——由材料強度決定的試驗值，對於鋼取f=490Mpa
α——係數，對於鋼取α=
以上計算都將變幅油缸看作一個等截面桿，實際上，缸體的截面總是大於活塞桿的，整個變幅缸是一個變截面構件，因此上述計算結果偏於安全的，要作較為經濟的計算則應按變截面桿件計算臨界力，此處不再論述。
7、活塞桿強度校核
壓桿不失穩的液壓缸不一定就不會破壞，還有活塞桿的強度問題，
因此必須按下式作強度校核：
變幅缸：
=85.91Mpa〈
=180Mpa
算得CDZ50變幅液壓缸的強度校核合格。
式中：σ——計算應力（MPa）
σS——活塞桿材料屈服極限，對於45號鋼σS=360Mpa
a———由配合間隙和自重引起的液壓缸初撓度，通常取0.5%
F1、A、Fk、d、L意義同前。
