多级油缸的结构分析

摘要 针对多级油缸设计时经常出现的问题，本文通过实例分析，归纳了几种结构的适用条件、设计制造要点，可供油缸设计人员参考。

关键词 多级油缸，双作用，单作用，钢环

1前 言

多级油缸因其结构紧凑，在给定的安装空间内可实现比单级油缸更长的行程，从而在安装空间紧张的情况下得到了广泛的运用，如自卸车的翻斗油缸、垃圾站的推铲油缸、设备搬运桥架中的提升油缸等；但国内的油缸设计资料中较少对其结构分类、受力计算、材料选用、加工工艺、密封件选用作一个较详细的介绍，导致设计人员经常无法借鉴既有的设计经验。有鉴于此，笔者在本文对此作一个归纳，供油缸设计人员参考。

对于单级油缸来讲，油缸设计方面的介绍较容易从相关资料中查得，因此本文是在基于读者已了解单级油缸设计知识的前提下来进行介绍。

2几种常见的多级油缸结构

多级油缸的典型运用是三级缸，其余各种多级缸的结构和工作原理可以参照三级油缸的结构和工作原理进行拓展。本文重点分析三级油缸，其余读者可类推。

2.1 杆头进出油的活塞式双作用多级缸的结构及工作原理

图1是垃圾站推铲油缸的典型结构，该缸是一个三级缸，压力油从杆头进出，并最终作用于活塞的左右两面，来实现伸出和缩回，故称为杆头进出油的活塞式双作用三级缸。按缸径从大到小标记，各级油缸及其组成与图1的序号及名称的对应关系见表1。

如图1所示，当油缸伸长时，高压力油从B口进入，流经13-油管，到达各级活塞的右边（图1中的方向），并由于作用面积的不同，由大到小依次推动第一级油缸的活塞杆5-缸筒Ⅱ、第二级油缸的活塞杆8-缸筒Ⅲ、第三级油缸的活塞杆12-活塞杆Ⅲ，使其向左伸出（相对于各自的缸筒而言）。此时，低压力油从第一级油缸的有杆腔经小孔E口流至第二级油缸的有杆腔，再经小孔D口流至第三级油缸的有杆腔，最后经小孔C口流至11-杆头，最后从A口流出。

当油缸缩回时，高压力油从A口进，经由C口，进入第三级油缸的有杆腔，推动第三级油缸的活塞杆回缩；等D口接通后，进入第二级油缸的有杆腔，推动第二级油缸的活塞杆回缩；直至E口接通，进入第一级油缸的有杆腔，推动第一级油缸的活塞杆回缩。同时，低压力油经由13-油管从B口流出。

2.2 缸筒进出油的活塞式双作用多级缸的结构及工作原理

图2所示的是一个设备搬运架提升油缸的典型结构,该缸是一个三级缸，压力油由缸筒进出，并最终作用于活塞的左右两面，实现伸出和缩回作用，故称为缸筒进出油的活塞式双作用三级缸。按缸径从大到小标记，各级油缸及其组成与图2的序号及名称的对应关系见表2。

图2中，3-活塞Ⅰ上开有轴向的孔“G口”和径向的孔“E口”，但两者并不相通。与此类似，5-活塞Ⅱ上则开有轴向的“F口”和径向的“D口”，同样“F口”和“D口”也不相通。

如图2所示，当油缸伸长时，高压力油从B口进入，流经G口和F口，到达各级活塞的右边（图2中的方向），并由于作用面积的不同，由大到小依次推动第一级油缸的活塞杆16-缸筒Ⅱ、第二级油缸的活塞杆9-缸筒Ⅲ，以及第三级油缸的活塞杆10-活塞杆Ⅲ，使其向左伸出（相对于各自的缸筒而言）。此时，第一级油缸的有杆腔内的低压力油从A口流出；第二级油缸的有杆腔内的低压力油从小孔D口，流入8-油管Ⅲ和7-油管Ⅱ，然后经小孔E口流入第一级油缸的有杆腔，最后经A口流出；第三级油缸的有杆腔内的低压力油从小孔C口流入7-油管Ⅱ，然后经小孔E口流入第一级油缸的有杆腔，最后经A口流出。

当油缸缩回时，高压力油从A口进，进入第一级油缸的有杆腔，在进入E口、7-油管Ⅱ后，“油”分两路进行：一路经由C口进入第三级油缸的有杆腔，另一路经由8-油管Ⅲ、D口进入第二级油缸的有杆腔，在各级油缸的有杆腔均有压力油的情况下，根据3-活塞Ⅰ、5-活塞Ⅱ、6-活塞Ⅲ的受力面积的大小不同，从小到大依次推动6-活塞Ⅲ、5-活塞Ⅱ、3-活塞Ⅰ，从而实现第三级、第二级、第一级油缸的缩回。同时，低压力油经由F口、G口，最后经B口流出。

2.3 柱塞式单作用三级缸的结构及工作原理

图3所示的是自卸车翻斗油缸的典型结构。该缸是一个三级缸，各级缸筒采用柱塞式结构，伸出时对外作用，缩回时靠外力，故称为柱塞式单作用三级缸。按缸径从大到小标记，各级油缸及其组成与图3的序号及名称的对应关系见表3。

柱塞式单作用三级缸采用从缸筒进油的方式，若需要从杆头进油，则不在缸筒上开A口，而将A口开在活塞上并通至油缸内部即可。

以图3为例，缸筒伸长时，高压力油从A口进入，按柱塞直径的大小，依次推动6-柱塞Ⅰ、7-柱塞Ⅱ、8-柱塞Ⅲ；缩回时，则依靠外力（在自卸车翻斗油缸中，依靠车斗及车载物品的重力）推动各级柱塞缩回。

3几种多级油缸的设计及制造要点

3.1 杆头进出油的活塞式双作用多级缸的设计制造要点

3.1.1设计要点

（1） 缸盖的导向：图1中各级油缸的缸盖（4-缸盖Ⅰ、6-缸盖Ⅱ、9-缸盖Ⅲ）均无加装导向圈，并非此种油缸不需要导向，而是为了使其结构紧凑以节省空间而将缸盖的材料选用了铸铁（HT200）。另外，图1中各级缸盖靠近活塞的一端开台阶孔，是为了使活塞上开有小孔的台阶得以进入此孔，以期实现在油缸伸长后，各级油缸的有杆腔内的压力油尽量少，从而提高各级活塞的有效作用面积，提高输出力。

（2） 活塞上的缩回小孔：图1中开在各级活塞上的D口、E口，是为了实现压力油通向各级油缸的有杆腔，在这种结构中肯定必需，但同时活塞上的密封件在每个动作循环中又必须两次经过这些小孔，而密封件经过这些孔口时，易造成损坏，会导致密封寿命大大地缩短。在处理矛盾时，需要将这些小孔开得小些，且需将其孔口进行足够的倒角。

（3） 过孔密封件的选择：图1中第二、三级油缸的密封件（17，18-过孔密封件）因频繁经过小孔，会使其密封寿命大打折扣。为延长其寿命，可以采用相同于发动机中的活塞环一样的材质制造这些密封环，通常可以向发动机活塞环制造商订制。

（4） 弯曲稳定性校核：首先，在工程使用中，多级油缸应尽量不使其承受径向力，如有径向力时需要另外设计导轨来承受；其次，油缸伸长后，多级缸需要进行弯曲稳定性校核，在工程上，可以简化为以单级油缸的弯曲稳定性校核模型来近似计算，其中模型中的缸筒为多级缸第一级油缸的缸筒，模型中活塞杆的直径为多级油缸第三级油缸的活塞杆的直径，模型中活塞杆的长度则为除第一级油缸缸筒长度外的其余长度。

3.1.2组装过程

图1所示的油缸的组装过程为：

步骤1：各级活塞杆及缸筒的组焊：

（1） 焊接13-油管与11-杆头，以及焊接14-活塞Ⅲ与12-活塞杆Ⅲ，再将两焊接件相互插入后焊接在一起,完成最终的第三级油缸的活塞杆组焊件。

（2） 将8-缸筒Ⅲ与15-活塞Ⅱ焊接在一起，构成第二级油缸的活塞杆组焊件。

（3） 将5-缸筒Ⅱ与16-活塞Ⅰ焊接在一起，构成第一级油缸的活塞杆组焊件。

（4） 将2-缸筒Ⅰ、19-缸底及1-底耳焊接在一起，构成第一级油缸的缸筒组焊件。

步骤2：活塞杆与缸筒组焊件的组装：将步骤1中的各级油缸的活塞杆组焊件按图1所示的结构装入第一级油缸的缸筒组焊件中。

步骤3：各级油缸的缸盖、压盖的组装：先装表1中第一级油缸的缸盖和压盖（4-缸盖Ⅰ和3-压盖Ⅰ），再装第二级油缸的缸盖和压盖（6-缸盖Ⅱ和7-压盖Ⅱ），最后装第三级油缸的缸盖和压盖（9-缸盖Ⅲ和10-压盖Ⅲ）。

另外，密封件的组装按照单级油缸的装配方法进行即可。

3.2 缸筒进出油的活塞式双作用多级缸的设计制造要点

对图2所示的结构进行安装时，缸盖导向部分的要点与杆头进出油的活塞式双作用多级缸相同，活塞部分与单级油缸相同，稳定性的校核与图1相同。制造中需要保证G口与E口不连通，以及F口与D口不连通。

3.3 柱塞式单作用三级缸的设计制造要点

设计图3所示的结构时，需要注意每级油缸都要有限位结构，如3-限位块Ⅰ、4-限位块Ⅱ和8-柱塞Ⅲ尾部的限位台阶。因为在实际使用中常会有某级油缸有所变形，造成各级柱塞不能按设计次序伸出，此时若无限位，就有可能导致某级油缸从整个多级缸脱出。

3.4 各种多级油缸的适用场合比较

图1、图2的结构是双作用缸，可以应用其伸出和缩回的两个特性，而图3仅可应用其伸出的特性，缩回时需要借助外力。

杆头进出油的活塞式双作用多级缸从杆头进出油，使用时通常将杆头固定，缸筒设计为活动。杆头进出油的活塞式双作用多级缸是“缸动型”油缸的应用，但需要订制特殊的钢环才能保证其有较长的使用寿命；缸筒进出油的活塞式双作用多级缸则从缸筒进出油，使用时固定缸筒，将杆头设计为活动。缸筒进出油的活塞式双作用多级缸是“杆动型”油缸的应用，其各级油缸的活塞上密封的设计同单级油缸相同，对密封件无特殊的要求。

柱塞式单作用多级缸从杆头或缸筒进油仅仅取决于位置的要求。若从杆头进油，就固定杆头。若从缸筒进油，则固定缸筒。这样做同活塞式双作用多级缸一样，也是为了避免使用不必要的高压油管。

4 结 束 语

在多级油缸设计过程中，理解或熟悉其结构以及设计、制造要点，有助于合理选型和设计，并在维护过程中，有助于实现操作的得心应手。上述几个结构案例均取材于实际的生产实践，可作为油缸结构设计和使用的参考案例。

参考文献

1 雷天觉.新编液压工程手册[M].北京:北京理工大学出版社,1998

2 成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2002