伺服液壓缸的結(jié)構(gòu)與性能
一 液壓缸概述
液壓執(zhí)行裝置是指將液體壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的液壓裝置，是產(chǎn)生往復(fù)直線、連續(xù)旋轉(zhuǎn)或者往復(fù)擺動等運(yùn)動，并進(jìn)行做功的液壓元件。它結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，用它來實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動時，可免去減速裝置，并且沒有傳動間隙，運(yùn)動平穩(wěn)，因此在各種機(jī)械與試驗(yàn)的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，是液壓試驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的液壓執(zhí)行元件稱為液壓馬達(dá)（簡稱油馬達(dá)）；完成往復(fù)回轉(zhuǎn)（擺動）運(yùn)動的擺動式執(zhí)行元件稱為液壓馬達(dá)或擺動液壓缸。實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動的液壓執(zhí)行元件稱為液壓缸，簡稱油缸，俗稱作動筒。
液壓缸結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠。用它來實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動時，可免去減速裝置，并且沒有傳動間隙，運(yùn)動平穩(wěn)，因此在各種機(jī)械與試驗(yàn)的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，是液壓試驗(yàn)系統(tǒng)的常用設(shè)備。
液壓缸根據(jù)運(yùn)動方式、結(jié)構(gòu)形式、安裝形式、工作介質(zhì)、工作壓力、以及受液力作用情況進(jìn)行不同的分類，如按照受液力作用情況可以分為：單作用式、雙作用式、組合式；按照安裝形式可以分為拉桿安裝型、耳環(huán)安裝型、底腳安裝型、鉸軸安裝型（耳軸）、法蘭安裝型。
液壓缸輸出力和活塞有效面積及其兩邊的壓差成正比。
液壓缸主要由由缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置與排氣裝置組成。緩沖裝置與排氣裝置視具體應(yīng)用場合而定，其它裝置則必不可少。
液壓缸的安全技術(shù)條件：
設(shè)計液壓缸時，必須對行程、負(fù)載和裝配條件加以充分的考慮，以防活塞桿在外伸工況時產(chǎn)生不正常的彎曲。
支座式液壓缸如不采用鍵或銷承受剪應(yīng)力時，則底腳固定螺栓必須能經(jīng)受全部剪應(yīng)力而不致引起危險。
安裝液壓缸時，如結(jié)構(gòu)允許，進(jìn)出油口位置必須在最上面。液壓缸必須裝成使其能自動放氣或裝有方便的放氣口。
比較常見的單桿活塞式雙作用液壓缸（包括含位控功能的位移缸）、雙桿活塞式多功能液壓缸、增壓缸。
液壓試驗(yàn)系統(tǒng)#活塞桿#中使用的液壓缸由于采用了伺服模塊和傳感反饋組件，工作在電液伺服系統(tǒng)閉環(huán)回路中，能夠?qū)⒁簤耗苻D(zhuǎn)換成機(jī)械能的同時對工作機(jī)構(gòu)實(shí)施高精度、高響應(yīng)控制，這種含有伺服隨動系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)快、線性度好、靈敏度高、可控性強(qiáng)的執(zhí)行裝置，一般稱之為伺服液壓缸。伺服液壓缸是大型液壓試驗(yàn)系統(tǒng)最常用的類型。
二 伺服液壓缸組成與特點(diǎn)
伺服液壓缸一般由端蓋、缸筒、活塞桿、活塞組件、伺服模塊、傳感組件、底座等主要部分組成；為防止油液向液壓缸外泄或由高壓腔向低壓腔泄漏，在缸筒與端蓋、活塞與活塞桿、活塞與缸筒、活塞桿與前端蓋之間均設(shè)置有密封裝置，在前端蓋外側(cè)，還裝有防塵裝置；為防止活塞快速退回到行程終端時撞擊后缸蓋，液壓缸端部還設(shè)置緩沖裝置；有時還需設(shè)置排氣裝置。伺服液壓缸前后還按需安裝連接件裝置集成度高，采用了伺服模塊和傳感組件，工作在電液伺服系統(tǒng)閉環(huán)回路中，能夠?qū)⒁簤耗苻D(zhuǎn)換成機(jī)械能的同時對工作機(jī)構(gòu)實(shí)施高精度、高響應(yīng)控制，因此在大型液壓試驗(yàn)系統(tǒng)最常用的伺服執(zhí)行裝置。
進(jìn)行伺服液壓缸設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)工作壓力、運(yùn)動速度、工作條件，加工工藝、行程、搬運(yùn)及裝拆檢修等方面的要求，綜合考慮伺服液壓缸的各部分結(jié)構(gòu)。最為常見的是單活塞桿雙作用伺服液壓缸。其典型組成：
底座
耳軸
法蘭型單耳環(huán)式活動頭
雙頭拉桿螺母
雙頭拉桿
后缸蓋
活塞環(huán)
活塞
緩沖套
O型圈
止動螺釘
活塞桿
缸筒
前缸蓋
導(dǎo)向套
防塵密封
法蘭蓋
排氣裝置
控制裝置模塊（進(jìn)油--回油接頭、電磁閥、伺服閥、流量閥、單向閥、載荷限制閥等）
導(dǎo)油管（位于缸筒外側(cè)、控制裝置模塊和后端蓋之間，由轉(zhuǎn)換接頭和鎖緊螺母實(shí)現(xiàn)連接）
位移線接口（位于后缸蓋側(cè)，僅存于具有位移控制功能的液壓缸）
泄油口
傳感器組件（傳感器、螺旋墊、聯(lián)接桿、墊片、耳片）
伺服液壓缸的特點(diǎn)
用低摩擦系數(shù)、高耐磨性的非金屬材料作支承導(dǎo)向環(huán)將活塞與缸筒、活塞桿與端蓋間的金屬對金屬的摩擦改成了金屬對非金屬耐磨材料的摩擦，故耐磨性好，壽命長；
活塞與缸筒，活塞桿與端蓋間的非金屬支承導(dǎo)向環(huán)的軸向分布長度較長，可承受一定的側(cè)向力；
端蓋與活塞桿間的動密封采用高壓和低壓兩道密封，兩道密封間有泄油口，可將從高壓腔滲出來的油 液抽走，確保無外漏；內(nèi)部竄油量近乎零；
啟動壓力小，無低速爬行與滯澀現(xiàn)象，運(yùn)動靈活，動態(tài)響應(yīng)快；
結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好，容腔效應(yīng)小，固有頻率高；
輸出端采用無間隙球鉸連接，能自動定心，減小鉸接中產(chǎn)生的附加側(cè)向力和消除非線性環(huán)節(jié)；
位移傳感器外置時有防扭的導(dǎo)向裝置，傳感器運(yùn)動不受活塞桿轉(zhuǎn)動影響；內(nèi)置時為磁致伸縮效應(yīng)高精度位移傳感器；
若采用靜壓支承與間隙密封的伺服作動器其工作頻率可達(dá) 120Hz 以上。
三 伺服液壓缸的性能參數(shù)
工作壓力（Mp）：由負(fù)載決定的液壓缸實(shí)際運(yùn)行壓力。P=F/A，A為液壓缸有效作用面積。
額定壓力(PN/Mp)：液壓缸能夠長期工作的壓力，又叫公稱壓力。常用額定壓力PN≤21Mp。
最低啟動壓力(P0)：液壓缸在空載工況下，輸入液壓油逐漸增壓，活塞桿在剛啟動時的壓力值。即在空載條件下（回油壓力為零），逐漸升壓，記錄活塞桿在 3 分鐘內(nèi)在相應(yīng)方向出現(xiàn)不小于 0.1mm/s 的輸出速度時的壓力值，取兩者較高者為最低啟動壓力。單向活塞桿僅是伸出方向的最低啟動壓力。最低啟動壓力與有效面積大小有關(guān)，有效面積愈大，最低啟動壓力愈小。 伺服液壓缸要求低摩擦，通常雙向活塞桿的最低啟動壓力在 0.3～0.5Mp 之間，單向活塞桿的最低啟動壓力在 0.2～0.4Mp之間。在伺服控制條件下，應(yīng)視技術(shù)要求。
活塞推力(F)：液壓缸正向運(yùn)動時活塞的工作壓力。飛機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)選用的液壓缸輸出力范圍：2KN≤F≤600KN。大型液壓試驗(yàn)臺可輸出載荷達(dá)到3000KN。
活塞行程（S）：液壓缸活塞在液壓缸工作時位置變化距離。對雙向活塞桿液壓缸， 全行程可以用±1/2 全行程來表示。液壓缸在工作時所需要的行程稱為為工作行程，工作行程一般受加載變形要求和安裝空間制約。目前使用的液壓缸行程范圍：130≤S≤4000mm。
缸筒內(nèi)徑（D）：也稱缸徑，即活塞直徑。
活塞桿外徑（d）：活塞桿端提供內(nèi)螺紋方式與外部連接部分。
最大輸出力與最大負(fù)載力：在額定壓力下所能實(shí)現(xiàn)的最大載荷。
內(nèi)部泄漏量：空載狀態(tài)下，活塞桿分別位于行程兩端，使試驗(yàn)腔壓力為額定壓力，從另一腔出油口流出的流量稱為內(nèi)部泄漏量，內(nèi)部泄漏量≯0.5ml/min 或由用戶在技術(shù)協(xié)議中另行規(guī)定。
密封性。
（1）低壓密封性
在液壓缸兩腔注滿油液，進(jìn)回油口接上 2m 高的低壓液柱，靜置 24 小時，靜密封和動密封均不得有滲漏。伺服液壓缸密封形式有以下三種組合： A 活塞和缸筒、活塞桿和端蓋采用組合密封件密封； B活塞和缸筒用間隙密封，活塞桿和端蓋用組合密封件密封； C 活塞和缸筒用間隙密封，活塞桿和端蓋為靜壓支承式。
（2）工作密封性
在空載條件下進(jìn)油壓力為額定壓力，做 20 次最大工作行程的往復(fù)運(yùn)動后， 動密封處不得有成滴油液積聚，但允許有可見的粘附性油膜。有特殊要求的用戶在技術(shù) 協(xié)議中另行規(guī)定。
（3）高壓密封性
在空載條件下，額定壓力在 1.5倍（額定壓力≤16Mpa）或 1.25 倍（額定壓力＞16Mpa）作用下保持5分鐘，不應(yīng)出現(xiàn)永久變形和可見的外部滲漏。
11. 固有頻率
液壓缸的固有頻率應(yīng)滿足系統(tǒng)在工作頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定工作的要求。固有頻率與負(fù)載質(zhì)量、最大負(fù)載力、極限工作行程有關(guān)。
12. 伺服閥性能。
13. 電磁閥性能。
14. 邏輯閥性能
15. 流量閥性能。
16. 耐壓性能。
17. 耐久性能。
四 雙作用單活塞桿伺服液壓缸的參數(shù)計算
1 無桿腔（壓向）進(jìn)油：
F1 = p1A1－p2A2
=π[D2 p1 - (D2-d2)p2]/4
≈πD2 p1 /4
v1 = q/A1 = 4q/πD2
2 有桿腔（拉向）進(jìn)油：
F2=p1A2- p2A1
=π[ (D2-d2) p1-D2 p2]/4
≈π(D2-d2) p1/4
v2 =q/A2=4q/π(D2-d2)
因?yàn)锳1>A2，故v1<v2，F(xiàn)1>F2
式中：P1、p2為油壓力；D、d為活塞半徑，A1、A2為活塞面積，F(xiàn)1、F2為輸出作用力。
結(jié)論：
A 因?yàn)閮汕幻娣e不等，A1>A2，所以壓力相同時，推力不等；流量相同時，速度不等；即不具有等推力等速度特性；
B 活塞桿伸出時，推力較大，速度較?。换钊麠U縮回時，拉力較小，速度較大?；钊麠U直徑越小，兩個方向速度差值越小。
五 伺服液壓缸的適應(yīng)條件
液壓缸是將液壓介質(zhì)的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，利用壓力油驅(qū)動工作裝置運(yùn)動而做功。在一定體積的液體上的任意一點(diǎn)施加的壓力，能夠大小相等地向各個方向傳遞。這意味著當(dāng)使用多個液壓缸時，每個液壓缸將按各自的速度輸出拉力或推力，而這些速度取決于移動負(fù)載所需的壓力。在液壓缸承載能力范圍相同的情況下，承載最小載荷的液壓缸會首先移動，承載最大載荷的液壓缸最后移動。換言之，在液壓力和承載相同的情況下，活塞面積大液壓缸的移動速度快于活塞面積小的液壓缸。
為使液壓缸同步運(yùn)動，以達(dá)到載荷在任一點(diǎn)以相對一致的速度被拉壓，一般要在系統(tǒng)中使用控制閥、不同承載能力的液壓缸、同步拉壓系統(tǒng)元件或程序以及流量模式。
液壓缸性能受環(huán)境條件的影響，適應(yīng)條件：
環(huán)境溫度：5 ℃ ～ 37 ℃；
相對濕度：≤ 85 ％；
油液溫度：15 ℃ ～ 60 ℃；
工作液清潔度：≤5μ，應(yīng)達(dá)到符合ISO4406-15/11級要求，伺服閥進(jìn)油前置安裝要求過濾精度不低于 5μ的濾油裝置。
無振動、無磁場干擾、無無線電干擾。
