氣缸的工作原理

1.2.1單作用氣缸
單作用氣缸隻有一腔可輸入壓縮空氣，實現一個方向運動。其活塞桿隻能借助外力將其推回；通常借助於彈簧力，膜片張力，重力等。
其原理及結構見圖42.2-2。
圖42.2-2單作用氣缸
1—缸體；2—活塞；3—彈簧；4—活塞桿；
單作用氣缸的特點是：
1）僅一端進（排）氣，結構簡單，耗氣量小。
2）用彈簧力或膜片力等復位，壓縮空氣能量的一部分用於克服彈簧力或膜片張力，因而減小瞭活塞桿的輸出力。
3）缸內安裝彈簧、膜片等，一般行程較短；與相同體積的雙作用氣缸相比，有效行程小一些。
4）氣缸復位彈簧、膜片的張力均隨變形大小變化，因而活塞桿的輸出力在行進過程中是變化的。
由於以上特點，單作用活塞氣缸多用於短行程。其推力及運動速度均要求不高場合，如氣吊、定位和夾緊等裝置上。單作用柱塞缸則不然，可用在長行程、高載荷的場合。
1.2.2雙作用氣缸
雙作用氣缸指兩腔可以分別輸入壓縮空氣，實現雙向運動的氣缸。其結構可分為雙活塞桿式、單活塞桿式、雙活塞式、緩沖式和非緩沖式等。此類氣缸使用最為廣泛。
1）雙活塞桿雙作用氣缸雙活塞桿氣缸有缸體固定和活塞桿固定兩種。其工作原理見圖42.2-3。
缸體固定時，其所帶載荷（如工作臺）與氣缸兩活塞桿連成一體，壓縮空氣依次進入氣缸兩腔（一腔進氣另一腔排氣），活塞桿帶動工作臺左右運動，工作臺運動范圍等於其有效行程s的3倍。安裝所占空間大，一般用於小型設備上。
活塞桿固定時，為管路連接方便，活塞桿制成空心，缸體與載荷（工作臺）連成一體，壓縮空氣從空心活塞桿的左端或右端進入氣缸兩腔，使缸體帶動工作臺向左或向左運動，工作臺的運動范圍為其有效行程s的2倍。適用於中、大型設備。
圖42.2-3 雙活塞桿雙作用氣缸
a）缸體固定；b）活塞桿固定
1—缸體；2—工作臺；3—活塞；4—活塞桿；5—機架
雙活塞桿氣缸因兩端活塞桿直徑相等，故活塞兩側受力麵積相等。當輸入壓力、流量相同時，其往返運動輸出力及速度均相等。
2）緩沖氣缸對於接近行程末端時速度較高的氣缸，不采取必要措施，活塞就會以很大的力（能量）撞擊端蓋，引起振動和損壞機件。為瞭使活塞在行程末端運動平穩，不產生沖擊現象。在氣缸兩端加設緩沖裝置，一般稱為緩沖氣缸。緩沖氣缸見圖42.2-4，主要由活塞桿1、活塞2、緩沖柱塞3、單向閥5、節流閥6、端蓋7等組成。其工作原理是：當活塞在壓縮空氣推動下向右運動時，缸右腔的氣體經柱塞孔4及缸蓋上的氣孔8排出。在活塞運動接近行程末端時，活塞右側的緩沖柱塞3將柱塞孔4堵死、活塞繼續向右運動時，封在氣缸右腔內的剩餘氣體被壓縮，緩慢地通過節流閥6及氣孔8排出，被壓縮的氣體所產生的壓力能如果與活塞運動所具有的全部能量相平衡，即會取得緩沖效果，使活塞在行程末端運動平穩，不產生沖擊。調節節流閥6閥口開度的大小，即可控制排氣量的多少，從而決定瞭被壓縮容積（稱緩沖室）內壓力的大小，以調節緩沖效果。若令活塞反向運動時，從氣孔8輸入壓縮空氣，可直接頂開單向閥5，推動活塞向左運動。如節流閥6閥口開度固定，不可調節，即稱為不可調緩沖氣缸。
圖42.2-4緩沖氣缸
1—活塞桿；2—活塞；3—緩沖柱塞；4—柱塞孔；5—單向閥
6—節流閥；7—端蓋；8—氣孔
氣缸所設緩沖裝置種類很多，上述隻是其中之一，當然也可以在氣動回路上采取措施，達到緩沖目的。
1.2.3、組合氣缸
組合氣缸一般指氣缸與液壓缸相組合形成的氣-液阻尼缸、氣-液增壓缸等。眾所周知，通常氣缸采用的工作介質是壓縮空氣，其特點是動作快，但速度不易控制，當載荷變化較大時，容易產生“爬行”或“自走”現象；而液壓缸采用的工作介質是通常認為不可壓縮的液壓油，其特點是動作不如氣缸快，但速度易於控制，當載荷變化較大時，采用措施得當，一般不會產生“爬行”和“自走”現象。把氣缸與液壓缸巧妙組合起來，取長補短，即成為氣動系統中普遍采用的氣-液阻尼缸。
氣-液阻尼缸工作原理見圖42.2-5。實際是氣缸與液壓缸串聯而成，兩活塞固定在同一活塞桿上。液壓缸不用泵供油，隻要充滿油即可，其進出口間裝有液壓單向閥、節流閥及補油杯。當氣缸右端供氣時，氣缸克服載荷帶動液壓缸活塞向左運動（氣缸左端排氣），此時液壓缸左端排油，單向閥關閉，油隻能通過節流閥流入液壓缸右腔及油杯內，這時若將節流閥閥口開大，則液壓缸左腔排油通暢，兩活塞運動速度就快，反之，若將節流閥閥口關小，液壓缸左腔排油受阻，兩活塞運動速度會減慢。這樣，調節節流閥開口大小，就能控制活塞的運動速度。可以看出，氣液阻尼缸的輸出力應是氣缸中壓縮空氣產生的力（推力或拉力）與液壓缸中油的阻尼力之差。
圖42.2-5 氣-液阻尼缸
1—節流閥；2—油杯；3—單向閥；4—液壓缸；5—氣缸；6—外載荷
氣-液阻尼缸的類型有多種。
按氣缸與液壓缸的連接形式，可分為串聯型與並聯型兩種。前麵所述為串聯型，圖42.2-6為並聯型氣-液阻尼缸。串聯型缸體較長；加工與安裝時對同軸度要求較高；有時兩缸間會產生竄氣竄油現象。並聯型缸體較短、結構緊湊；氣、液缸分置，不會產生竄氣竄油現象；因液壓缸工作壓力可以相當高，液壓缸可制成相當小的直徑（不必與氣缸等直徑）；但因氣、液兩缸安裝在不同軸線上，會產生附加力矩，會增加導軌裝置磨損，也可能產生“爬行”現象。串聯型氣-液阻尼缸還有液壓缸在前或在後之分，液壓缸在後參見圖42.2-5，液壓缸活塞兩端作用麵積不等，工作過程中需要儲油或補油，油杯較大。如將液壓缸放在前麵（氣缸在後麵），則液壓缸兩端都有活塞桿，兩端作用麵積相等，除補充泄漏之外就不存在儲油、補油問題，油杯可以很小。
圖42.2-6 並聯型氣-液阻尼缸
1—液壓缸；2—氣缸按調速特性可分為：
1）慢進慢退式；
2）慢進快退式；
3）快進慢進快退式。
其調速特性及應用見表42.2-3。
就氣-液阻尼缸的結構而言，尚可分為多種形式：
節流閥、單向閥單獨設置或裝於缸蓋上；單向閥裝在活塞上（如擋板式單向閥）；缸壁上開孔、開溝槽、缸內滑柱式、機械浮動聯結式、行程閥控制快速趨近式等。活塞上有擋板式單向閥的氣-液阻尼缸見圖42.2-7。活塞上帶有擋板式單向閥，活塞向右運動時，擋板離開活塞，單向閥打開，液壓缸右腔的油通過活塞上的孔（即擋板單向閥孔）流至左腔，實現快退，用活塞上孔的多少和大小來控制快退時的速度。活塞向左運動時，擋板擋住活塞上的孔，單向閥關閉，液壓缸左腔的油經節流閥流至右腔（經缸外管路）。調節節流閥的開度即可調節活塞慢進的速度。其結構較為簡單，制造加工較方便。
圖42.2-8為采用機械浮動聯接的快速趨近式氣-液阻尼缸原理圖。靠液壓缸活塞桿端部的T形頂塊與氣缸活塞桿端部的拉鉤間有一空行程s1，實現空程快速趨近，然後再帶動液壓缸活塞，通過節流阻尼，實現慢進。返程時也是先走空行程s1，再與液壓活塞一起運動，通過單向閥，實現快退。
表42.2-3氣-液阻尼缸調速特性及應用
調速方式 結構示意圖 特性曲線 作用原理 應用
雙向節流調速在氣-液阻尼缸的回油管路裝設可調式節流閥，使活塞往復運動的速度可調並相同適用於空行程及工作行程都較短的場合（s＜20mm）
單向節流調速將一單向閥和一節流閥並聯在調速油路中。活塞向右運動時，單向閥關閉，節流慢進；活塞向左運動時，單向閥打開，不經節流快退。適用於空行程較短而工作行程較長的場合
快速趨近單
向節流調速將液壓缸的ƒ點與α點用管路相通，活塞開始向右運動時，右腔油經由fgea回路直接流入α端實現快速趨近，當活塞移過ƒ點，油隻能經節流閥流入α端，實現慢進，活塞向左運動時，單向閥打開，實現快退。由於快速趨近，節省瞭空程時間，提高瞭勞動生產率。是各種機床、設備最常用的方式
圖42.2-7活塞上有擋板式單向閥的氣-液阻尼缸
圖42.2-8浮動聯接氣-液阻尼缸原理圖
1-氣缸；2—頂絲；3—T形頂塊；4—拉鉤；5—液壓缸
1— 圖42.2-9是又一種浮動聯接氣-液阻尼缸。與前者的區別在於：T形頂塊和拉鉤裝設位置不同，前者設置在缸外部。後者設置在氣缸活塞桿內，結構緊湊但不易調整空行程s1（前者調節頂絲即可方便調節s1的大小）。
1.2.4 特殊氣缸
（1）沖擊氣缸

圖42.2-9 浮動聯接氣-液阻尼缸
沖擊氣缸是把壓縮空氣的能量轉化為活塞、活塞桿高速運動的能量，利用此動能去做功。
沖擊氣缸分普通型和快排型兩種。
1）普通型沖擊氣缸普通型沖擊氣缸的結構見圖42.2-10。與普通氣缸相比，此種沖擊氣缸增設瞭蓄氣缸1和帶流線型噴氣口4及具有排氣孔3的中蓋2。其工作原理及工作過程可簡述為如下五個階段（見圖42.2-11）：
第一階段：復位段。見圖42.2-10和圖42.2-11a，接通氣源，換向閥處復位狀態，孔A進氣，孔B排氣，活塞5在壓差的作用下，克服密封阻力及運動部件重量而上移，借助活塞上的密封膠墊封住中蓋上的噴氣口4。中蓋和活塞之間的環形空間C經過排氣小孔3與大氣相通。最後，活塞有桿腔壓力升高至氣源壓力，蓄氣缸內壓力降至大氣壓力。
第二階段：儲能段。見圖42.2-10和圖42.2-11b，換向閥換向，B孔進氣充入蓄氣缸腔內，A孔排氣。由於蓄氣缸腔內壓力作用在活塞上的麵積隻是噴氣口4的麵積，它比有桿腔壓力作用在活塞上的麵積要小得多，故隻有待蓄氣缸內壓力上升，有桿腔壓力下降，直到下列力平衡方程成立時，活塞才開始移動。

式中 d——中蓋噴氣口直徑（m）；
p30——活塞開始移動瞬時蓄氣缸腔內壓力（絕對壓力）（Pa）；
p20——活塞開始移動瞬時有桿腔內壓力（絕對壓力）（Pa）；
G——運動部件（活塞、活塞桿及錘頭號模具等）所受的重力（N）；
D——活塞直徑（m）；
d1——活塞桿直徑（m）；
Fƒ0——活塞開始移動瞬時的密封摩擦力（N）。
若不計式（42.2-1）中G和Fƒ0項，且令d=d1，，則當

時，活塞才開始移動。這裡的p20、p30均為絕對壓力。可見活塞開始移動瞬時，蓄氣缸腔與有桿腔的壓力差很大。這一點很明顯地與普通氣缸不同。

圖42.2-10 普通型沖擊氣缸
第三階段：沖擊段。活塞開始移動瞬時，蓄氣缸腔內壓力p30可認為已達氣源壓力ps，同時，容積很小的無桿腔（包括環形空間C）通過排氣孔3與大氣相通，故無桿腔壓力p10等於大氣壓力pa。由於pa/ps大於臨界壓力比0.528，所以活塞開始移動後，在最小流通截麵處（噴氣口與活塞之間的環形麵）為聲速流動，使無桿腔壓力急劇增加，直至與蓄氣缸腔內壓力平衡。該平衡壓力略低於氣源壓力。以上可以稱為沖擊段的第I區段。第I區段的作用時間極短（隻有幾毫秒）。在第I區段，有桿腔壓力變化很小，故第I區段末，無桿腔壓力p1（作用在活塞全麵積上）比有桿腔壓力p2（作用在活塞桿側的環狀麵積上）大得多，活塞在這樣大的壓差力作用下，獲得很高的運動加速度，使活塞高速運動，即進行沖擊。在此過程B口仍在進氣，蓄氣缸腔至無桿腔已連通且壓力相等，可認為蓄氣-無桿腔內為略帶充氣的絕熱膨脹過程。同時有桿腔排氣孔A通流麵積有限，活塞高速沖擊勢必造成有桿腔內氣體迅速壓縮（排氣不暢），有桿腔壓力會迅速升高（可能高於氣源壓力）這必將引起活塞減速，直至下降到速度為0。以上可稱為沖擊段的第Ⅱ區段。可認為第Ⅱ區段的有桿腔內為邊排氣的絕熱壓縮過程。整個沖擊段時間很短，約幾十毫秒。見圖42.2-11c。

圖42.2-11 普通型沖擊氣缸的工作原理
1— 蓄氣缸；2—中蓋；3—排氣孔；4—噴氣口；5—活塞
第四階段：彈跳段。在沖擊段之後，從能量觀點來說，蓄氣缸腔內壓力能轉化成活塞動能，而活塞的部分動能又轉化成有桿腔的壓力能，結果造成有桿腔壓力比蓄氣-無桿腔壓力還高，即形成“氣墊”，使活塞產生反向運動，結果又會使蓄氣-無桿腔壓力增加，且又大於有桿腔壓力。如此便出現活塞在缸體內來回往復運動—即彈跳。直至活塞兩側壓力差克服不瞭活塞阻力不能再發生彈跳為止。待有桿腔氣體由A排空後，活塞便下行至終點。
第五階段：耗能段。活塞下行至終點後，如換向閥不及時復位，則蓄氣-無桿腔內會繼續充氣直至達到氣源壓力。再復位時，充入的這部分氣體又需全部排掉。可見這種充氣不能作用有功，故稱之為耗能段。實際使用時應避免此段（令換向閥及時換向返回復位段）。
對內徑D=90mm的氣缸，在氣源壓力0.65MPa下進行實驗，所得沖擊氣缸特性曲線見圖42.2-12。上述分析基本與特性曲線相符。
對沖擊段的分析可以看出，很大的運動加速使活塞產生很大的運動速度，但由於必須克服有桿腔不斷增加的背壓力及摩擦力，則活塞速度又要減慢，因此，在某個沖程處，運動速度必達最大值，此時的沖擊能也達最大值。各種沖擊作業應在這個沖程附近進行。
沖擊氣缸在實際工作時，錘頭模具撞擊工件作完功，一般就借助行程開關發出信號使換向閥復位換向，缸即從沖擊段直接轉為復位段。這種狀態可認為不存在彈跳段和耗能段。
2）快排型沖擊氣缸由上述普通型沖擊氣缸原理可見，其一部分能量（有時是較大部分能量）被消耗於克服背壓（即p2）做功，因而沖擊能沒有充分利用。假如沖擊一開始，就讓有桿腔氣體全排空，即使有桿腔壓力降至大氣壓力，則沖擊過程中，可節省大量的能量，而使沖擊氣缸發揮更大的作用，輸出更大的沖擊能。這種在沖擊過程中，有桿腔壓力接近於大氣壓力的沖擊氣缸，稱為快排型沖擊氣缸。其結構見圖42.2-13a。
快排型沖擊氣缸是在普通型沖擊氣缸的下部增加瞭“快排機構”構成。快排機構是由快排導向蓋1、快排缸體4、快排活塞3、密封膠墊2等零件組成。
快排型沖擊氣缸的氣控回路見圖42.2-13b。接通氣源，通過閥F1同時向K1、K3充氣，K2通大氣。閥F1輸出口A用直管與K1孔連通，而用彎管與K3孔連通，彎管氣阻大於直管氣阻。這樣，壓縮空氣先經K1使快排活塞3推到上邊，由快排活塞3與密封膠墊2一起切斷有桿腔與排氣口T的通道。然後經K3孔向有桿腔進氣，蓄氣一無桿腔氣體經K4孔通過閥F2排氣，則活塞上移。當活塞封住中蓋噴氣口時，裝在錘頭上的壓塊觸動推桿6，切換閥F3，發出信號控制閥F2使之切換，這樣氣源便經閥F2和K4孔向蓄氣腔內充氣，一直充至氣源壓力。

沖擊工作開始時，使閥F1切換，則K2進氣，K1和K3排氣，快排活塞下移，有桿腔的壓縮空氣便通過快排導向蓋1上的多個圓孔（8個），再經過快排缸體4上的多個方孔T（10餘個）及K3直接排至大氣中。因為上述多個圓孔和方孔的通流麵積遠遠大於K3的通流麵積，所以有桿腔的壓力可以在極短的時間內降低到接近於大氣壓力。當降到一定壓力時，活塞便開始下移。錘頭上壓塊便離開行程閥F3的推桿6，閥3在彈簧的作用下復位。由於接有氣阻7和氣容8，閥3雖然復位，但F2卻延時復位，這就保證瞭蓄氣缸腔內的壓縮空氣用來完成使活塞迅速向下沖擊的工作。否則，若F3復位，F2同時復位的話，蓄氣缸腔內壓縮空氣就會在錘頭沒有運動到行程終點之前已經通過K4孔和閥F2排氣瞭，所以當錘頭開始沖擊後，F2的復位動作需延時幾十毫秒。因所需延時時間不長，沖擊缸沖擊時間又很短，往往不用氣阻、氣容也可以，隻要閥F2的換向時間比沖擊時間長就可以瞭。
在活塞向下沖擊的過程中，由於有桿腔氣體能充分地被排空，故不存在普通型沖擊氣缸有桿腔出現的較大背壓，因而快排型沖擊氣缸的沖擊能是同尺寸的普通型沖擊氣缸沖擊能的3～4倍。
（2）數字氣缸
它由活塞1、缸體2、活塞桿3等件組成。活塞的右端有T字頭，活塞的左端有凹形孔，後麵活塞的T字頭裝入前麵活塞的凹形孔內，由於缸體的限制，T字頭隻能在凹形孔內沿缸軸向運動，而兩者不能脫開，若乾活塞如此順序串聯置於缸體內，T字頭在凹形孔中左右可移動的范圍就是此活塞的行程量。不同的進氣孔A1～Ai（可能是A1，或是A1和A2，或A1、A2和A3，還可能是A1和A3，或A2和A3等等）輸入壓縮空氣（0.4～0.8MPa）時，相應的活塞就會向右移動，每個活塞的向右移動都可推動活塞桿3向右移動，因此，活塞桿3每次向右移動的總距離等於各個活塞行程量的總和。這裡B孔始終與低壓氣源相通（0.05～0.1MPa），當A1～Ai孔排氣時，在低壓氣的作用下，活塞會自動退回原位。各活塞的行程大小，可根據需要的總行程s按幾何級數由小到大排列選取。設s=35mm，采用3個活塞，則各活塞的行程分別取α1=5mm；α2=10mm；α3=20mm。如s=31.5mm，可用6個活塞，則α1、α2、α3……α6分別設計為0.5、1、2、4、8、16mm，由這些數值組合起來，就可在0.5～31.5mm范圍內得到0.5mm整數倍的任意輸出位移量。而這裡的α1、α2、α3……αi可以根據需要設計成各種不同數列，就可以得到各種所需數值的行程量。
（3）回轉氣缸
主要由導氣頭、缸體、活塞、活塞桿組成。這種氣缸的缸體3連同缸蓋6及導氣頭芯10被其他動力（如車床主軸）攜帶回轉，活塞4及活塞桿1隻能作往復直線運動，導氣頭體9外接管路，固定不動。
固轉氣缸的結構如圖42.2-15b所示。為增大其輸出力采用兩個活塞串聯在一根活塞桿上，這樣其輸出力比單活塞也增大約一倍，且可減小氣缸尺寸，導氣頭體與導氣頭芯因需相對轉動，裝有滾動軸承，並以研配間隙密封，應設油杯潤滑以減少摩擦，避免燒損或卡死。
回轉氣缸主要用於機床夾具和線材卷曲等裝置上。
（4）撓性氣缸
撓性氣缸是以撓性軟管作為缸筒的氣缸。常用撓性氣缸有兩種。一種是普通撓性氣缸見圖42.2-16，由活塞、活塞桿及撓性軟管缸筒組成。一般都是單作用活塞氣缸，活塞的回程靠其他外力。其特點是安裝空間小，行程可較長。

第二種撓性氣缸是滾子撓性氣缸見圖42.2-17。由夾持滾子代替活塞及活塞桿，夾持滾子設在撓性缸筒外表麵，A端進氣時，左端撓性筒膨脹，B端排氣，缸左端收縮，夾持在缸筒外部的滾子在膨脹端的作用下，向右移動，滾子夾帶動載荷運動。可稱為撓性筒滾子氣缸。這種氣缸的特點是所占空間小，輸出力較小，載荷率較低，可實現雙作用。

（5）鋼索式氣缸
鋼索式氣缸見圖42.2-18，是以柔軟的、彎曲性大的鋼絲繩代替剛性活塞桿的一種氣缸。活塞與鋼絲繩連在一起，活塞在壓縮空氣推動下往復運動，鋼絲繩帶動載荷運動，安裝兩個滑輪，可使活塞與載荷的運動方向相反。
這種氣缸的特點是可制成行程很長的氣缸，如制成直徑為25mm ，行程為6m左右的氣缸也不困難。鋼索與導向套間易產生泄漏。

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