伺服液压缸的结构与性能
一 液压缸概述
液压执行装置是指将液体压力能转换为机械能的液压装置，是产生往复直线、连续旋转或者往复摆动等运动，并进行做功的液压元件。它结构简单、工作可靠，用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械与试验的液压系统中得到广泛应用，是液压试验系统的关键设备。实现连续旋转运动的液压执行元件称为液压马达（简称油马达）；完成往复回转（摆动）运动的摆动式执行元件称为液压马达或摆动液压缸。实现直线往复运动的液压执行元件称为液压缸，简称油缸，俗称作动筒。
液压缸结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械与试验的液压系统中得到广泛应用，是液压试验系统的常用设备。
液压缸根据运动方式、结构形式、安装形式、工作介质、工作压力、以及受液力作用情况进行不同的分类，如按照受液力作用情况可以分为：单作用式、双作用式、组合式；按照安装形式可以分为拉杆安装型、耳环安装型、底脚安装型、铰轴安装型（耳轴）、法兰安装型。
液压缸输出力和活塞有效面积及其两边的压差成正比。
液压缸主要由由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。缓冲装置与排气装置视具体应用场合而定，其它装置则必不可少。
液压缸的安全技术条件：
设计液压缸时，必须对行程、负载和装配条件加以充分的考虑，以防活塞杆在外伸工况时产生不正常的弯曲。
支座式液压缸如不采用键或销承受剪应力时，则底脚固定螺栓必须能经受全部剪应力而不致引起危险。
安装液压缸时，如结构允许，进出油口位置必须在最上面。液压缸必须装成使其能自动放气或装有方便的放气口。
比较常见的单杆活塞式双作用液压缸（包括含位控功能的位移缸）、双杆活塞式多功能液压缸、增压缸。
液压试验系统#活塞杆#中使用的液压缸由于采用了伺服模块和传感反馈组件，工作在电液伺服系统闭环回路中，能够将液压能转换成机械能的同时对工作机构实施高精度、高响应控制，这种含有伺服随动系统和反馈系统的动态响应快、线性度好、灵敏度高、可控性强的执行装置，一般称之为伺服液压缸。伺服液压缸是大型液压试验系统最常用的类型。
二 伺服液压缸组成与特点
伺服液压缸一般由端盖、缸筒、活塞杆、活塞组件、伺服模块、传感组件、底座等主要部分组成；为防止油液向液压缸外泄或由高压腔向低压腔泄漏，在缸筒与端盖、活塞与活塞杆、活塞与缸筒、活塞杆与前端盖之间均设置有密封装置，在前端盖外側，还装有防尘装置；为防止活塞快速退回到行程终端时撞击后缸盖，液压缸端部还设置缓冲装置；有时还需设置排气装置。伺服液压缸前后还按需安装连接件装置集成度高，采用了伺服模块和传感组件，工作在电液伺服系统闭环回路中，能够将液压能转换成机械能的同时对工作机构实施高精度、高响应控制，因此在大型液压试验系统最常用的伺服执行装置。
进行伺服液压缸设计时，应根据工作压力、运动速度、工作条件，加工工艺、行程、搬运及装拆检修等方面的要求，综合考虑伺服液压缸的各部分结构。最为常见的是单活塞杆双作用伺服液压缸。其典型组成：
底座
耳轴
法兰型单耳环式活动头
双头拉杆螺母
双头拉杆
后缸盖
活塞环
活塞
缓冲套
O型圈
止动螺钉
活塞杆
缸筒
前缸盖
导向套
防尘密封
法兰盖
排气装置
控制装置模块（进油--回油接头、电磁阀、伺服阀、流量阀、单向阀、载荷限制阀等）
导油管（位于缸筒外侧、控制装置模块和后端盖之间，由转换接头和锁紧螺母实现连接）
位移线接口（位于后缸盖侧，仅存于具有位移控制功能的液压缸）
泄油口
传感器组件（传感器、螺旋垫、联接杆、垫片、耳片）
伺服液压缸的特点
用低摩擦系数、高耐磨性的非金属材料作支承导向环将活塞与缸筒、活塞杆与端盖间的金属对金属的摩擦改成了金属对非金属耐磨材料的摩擦，故耐磨性好，寿命长；
活塞与缸筒，活塞杆与端盖间的非金属支承导向环的轴向分布长度较长，可承受一定的侧向力；
端盖与活塞杆间的动密封采用高压和低压两道密封，两道密封间有泄油口，可将从高压腔渗出来的油 液抽走，确保无外漏；内部窜油量近乎零；
启动压力小，无低速爬行与滞涩现象，运动灵活，动态响应快；
结构紧凑，刚性好，容腔效应小，固有频率高；
输出端采用无间隙球铰连接，能自动定心，减小铰接中产生的附加侧向力和消除非线性环节；
位移传感器外置时有防扭的导向装置，传感器运动不受活塞杆转动影响；内置时为磁致伸缩效应高精度位移传感器；
若采用静压支承与间隙密封的伺服作动器其工作频率可达 120Hz 以上。
三 伺服液压缸的性能参数
工作压力（Mp）：由负载决定的液压缸实际运行压力。P=F/A，A为液压缸有效作用面积。
额定压力(PN/Mp)：液压缸能够长期工作的压力，又叫公称压力。常用额定压力PN≤21Mp。
最低启动压力(P0)：液压缸在空载工况下，输入液压油逐渐增压，活塞杆在刚启动时的压力值。即在空载条件下（回油压力为零），逐渐升压，记录活塞杆在 3 分钟内在相应方向出现不小于 0.1mm/s 的输出速度时的压力值，取两者较高者为最低启动压力。单向活塞杆仅是伸出方向的最低启动压力。最低启动压力与有效面积大小有关，有效面积愈大，最低启动压力愈小。 伺服液压缸要求低摩擦，通常双向活塞杆的最低启动压力在 0.3～0.5Mp 之间，单向活塞杆的最低启动压力在 0.2～0.4Mp之间。在伺服控制条件下，应视技术要求。
活塞推力(F)：液压缸正向运动时活塞的工作压力。飞机强度试验选用的液压缸输出力范围：2KN≤F≤600KN。大型液压试验台可输出载荷达到3000KN。
活塞行程（S）：液压缸活塞在液压缸工作时位置变化距离。对双向活塞杆液压缸， 全行程可以用±1/2 全行程来表示。液压缸在工作时所需要的行程称为为工作行程，工作行程一般受加载变形要求和安装空间制约。目前使用的液压缸行程范围：130≤S≤4000mm。
缸筒内径（D）：也称缸径，即活塞直径。
活塞杆外径（d）：活塞杆端提供内螺纹方式与外部连接部分。
最大输出力与最大负载力：在额定压力下所能实现的最大载荷。
内部泄漏量：空载状态下，活塞杆分别位于行程两端，使试验腔压力为额定压力，从另一腔出油口流出的流量称为内部泄漏量，内部泄漏量≯0.5ml/min 或由用户在技术协议中另行规定。
密封性。
（1）低压密封性
在液压缸两腔注满油液，进回油口接上 2m 高的低压液柱，静置 24 小时，静密封和动密封均不得有渗漏。伺服液压缸密封形式有以下三种组合： A 活塞和缸筒、活塞杆和端盖采用组合密封件密封； B活塞和缸筒用间隙密封，活塞杆和端盖用组合密封件密封； C 活塞和缸筒用间隙密封，活塞杆和端盖为静压支承式。
（2）工作密封性
在空载条件下进油压力为额定压力，做 20 次最大工作行程的往复运动后， 动密封处不得有成滴油液积聚，但允许有可见的粘附性油膜。有特殊要求的用户在技术 协议中另行规定。
（3）高压密封性
在空载条件下，额定压力在 1.5倍（额定压力≤16Mpa）或 1.25 倍（额定压力＞16Mpa）作用下保持5分钟，不应出现永久变形和可见的外部渗漏。
11. 固有频率
液压缸的固有频率应满足系统在工作频率范围内稳定工作的要求。固有频率与负载质量、最大负载力、极限工作行程有关。
12. 伺服阀性能。
13. 电磁阀性能。
14. 逻辑阀性能
15. 流量阀性能。
16. 耐压性能。
17. 耐久性能。
四 双作用单活塞杆伺服液压缸的参数计算
1 无杆腔（压向）进油：
F1 = p1A1－p2A2
=π[D2 p1 - (D2-d2)p2]/4
≈πD2 p1 /4
v1 = q/A1 = 4q/πD2
2 有杆腔（拉向）进油：
F2=p1A2- p2A1
=π[ (D2-d2) p1-D2 p2]/4
≈π(D2-d2) p1/4
v2 =q/A2=4q/π(D2-d2)
因为A1>A2，故v1<v2，F1>F2
式中：P1、p2为油压力；D、d为活塞半径，A1、A2为活塞面积，F1、F2为输出作用力。
结论：
A 因为两腔面积不等，A1>A2，所以压力相同时，推力不等；流量相同时，速度不等；即不具有等推力等速度特性；
B 活塞杆伸出时，推力较大，速度较小；活塞杆缩回时，拉力较小，速度较大。活塞杆直径越小，两个方向速度差值越小。
五 伺服液压缸的适应条件
液压缸是将液压介质的压力能转换为机械能的能量转换装置，利用压力油驱动工作装置运动而做功。在一定体积的液体上的任意一点施加的压力，能够大小相等地向各个方向传递。这意味着当使用多个液压缸时，每个液压缸将按各自的速度输出拉力或推力，而这些速度取决于移动负载所需的压力。在液压缸承载能力范围相同的情况下，承载最小载荷的液压缸会首先移动，承载最大载荷的液压缸最后移动。换言之，在液压力和承载相同的情况下，活塞面积大液压缸的移动速度快于活塞面积小的液压缸。
为使液压缸同步运动，以达到载荷在任一点以相对一致的速度被拉压，一般要在系统中使用控制阀、不同承载能力的液压缸、同步拉压系统元件或程序以及流量模式。
液压缸性能受环境条件的影响，适应条件：
环境温度：5 ℃ ～ 37 ℃；
相对湿度：≤ 85 ％；
油液温度：15 ℃ ～ 60 ℃；
工作液清洁度：≤5μ，应达到符合ISO4406-15/11级要求，伺服阀进油前置安装要求过滤精度不低于 5μ的滤油装置。
无振动、无磁场干扰、无无线电干扰。
