氣動(dòng)執(zhí)行元件

1、 第第 二二 章章 氣氣 動(dòng)動(dòng) 執(zhí)執(zhí) 行行 元元 件件執(zhí)行元件為傳動(dòng)裝置，將壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)執(zhí)行元件為傳動(dòng)裝置，將壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)、擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或沖擊運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)、擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或沖擊運(yùn)動(dòng)。分為氣缸和氣動(dòng)馬達(dá)。分為氣缸和氣動(dòng)馬達(dá)。 一般氣缸由缸體、活塞、活塞桿、前端蓋、后端蓋及密封一般氣缸由缸體、活塞、活塞桿、前端蓋、后端蓋及密封裝置等構(gòu)成。裝置等構(gòu)成。一、氣缸的分類(lèi)一、氣缸的分類(lèi) 壓縮空氣對(duì)活塞的作用力單作用雙作用式按氣缸的結(jié)構(gòu)特征活塞式薄膜式柱塞式無(wú)桿汽缸氣缸的功能普通氣缸薄膜氣缸沖擊氣缸氣-液阻尼缸緩沖氣缸擺動(dòng)氣缸2-1 氣缸的分類(lèi)及工作原理氣

2、缸的分類(lèi)及工作原理1、普通型氣缸、普通型氣缸：柱塞式、緩沖式、擺動(dòng)式：柱塞式、緩沖式、擺動(dòng)式表表2-1普通氣缸的結(jié)構(gòu)型及特點(diǎn)普通氣缸的結(jié)構(gòu)型及特點(diǎn)2、組合型氣缸、組合型氣缸 普通氣缸普通氣缸 單桿雙作用氣缸由缸筒、前后缸蓋、活塞、活塞桿、密封件和緊固件等零件組成。其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。T 圖2-1 雙作用氣缸 二、常見(jiàn)氣缸的工作原理及用途二、常見(jiàn)氣缸的工作原理及用途1、單作用氣缸、單作用氣缸一端進(jìn)氣，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，而活塞的返回借助于彈簧力，膜片一端進(jìn)氣，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，而活塞的返回借助于彈簧力，膜片張力，外力，重力等見(jiàn)圖張力，外力，重力等見(jiàn)圖2-2、圖、圖2-2 。特點(diǎn)：。特點(diǎn)：(1)一端進(jìn)氣，

3、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耗氣量??；一端進(jìn)氣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耗氣量??； (2)用彈簧或膜片復(fù)位、輸出力??；用彈簧或膜片復(fù)位、輸出力??； (3)縮短有效行程；縮短有效行程； (4)行程中推力及速度變化。行程中推力及速度變化。應(yīng)用于氣吊、氣動(dòng)卡盤(pán)等。應(yīng)用于氣吊、氣動(dòng)卡盤(pán)等。2、雙作用氣缸、雙作用氣缸雙作用：活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)均由壓縮空氣推動(dòng)雙作用：活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)均由壓縮空氣推動(dòng).分為單、雙活塞桿式、分為單、雙活塞桿式、雙活塞、緩沖氣壓缸。雙活塞、緩沖氣壓缸。 薄膜式氣缸薄膜式氣缸 薄膜式氣缸是一種利用壓縮空氣通過(guò)膜片推動(dòng)活塞桿作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的氣缸。它由缸體、膜片、膜盤(pán)和活塞桿等主要零件組成。其功能類(lèi)似于活塞式氣缸，它分單作用

4、式和雙作用式兩種。a)單作用式b)雙作用式圖2-2 薄膜式氣缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1缸體 2膜片 3膜盤(pán) 4活塞桿 (a)雙活塞桿雙作用氣缸雙活塞桿雙作用氣缸活塞桿直徑相同活塞受力面兩邊相同時(shí)氣缸在往復(fù)行程中輸出力活塞桿直徑相同活塞受力面兩邊相同時(shí)氣缸在往復(fù)行程中輸出力及速度相同。及速度相同。可固定缸，也可固定活塞?？晒潭ǜ祝部晒潭ɑ钊?。 活塞桿活塞桿 彈簧彈簧 活塞活塞缸體缸體活塞桿活塞桿活塞活塞缸體缸體圖圖2-4雙活塞桿雙作用氣缸雙活塞桿雙作用氣缸圖圖2-3單作用氣缸單作用氣缸(b)雙活塞雙作用氣缸雙活塞雙作用氣缸(串聯(lián)串聯(lián))增加輸出力，且缸徑宜增大的場(chǎng)合。增加輸出力，且缸徑宜增大的場(chǎng)合。(c)緩沖

5、氣缸：緩沖氣缸：利用空氣被壓縮來(lái)吸收運(yùn)動(dòng)部件的能量達(dá)到緩沖目的。節(jié)流口安裝調(diào)節(jié)節(jié)流閥，正常起動(dòng)，進(jìn)氣口安裝單向閥。圖圖2-5雙活塞雙作用氣缸雙活塞雙作用氣缸圖圖2-6緩沖氣缸緩沖氣缸活塞桿活塞桿 活塞活塞缸體缸體活塞桿活塞桿活塞活塞 緩沖柱塞緩沖柱塞節(jié)流孔節(jié)流孔 d d 氣氣- -液阻尼缸液阻尼缸 氣液阻尼缸是由氣缸和油缸組合而成，它的工作原理見(jiàn)下圖2-7。圖2-7 氣-液阻尼缸的工作原理1油杯 2單向閥 3節(jié)流閥 4液壓油5空氣兩缸活塞采用同一活塞桿；兩缸活塞采用同一活塞桿；輸出力輸出力=壓縮空氣推力壓縮空氣推力(拉力拉力)-液壓缸中油的阻力。液壓缸中油的阻力。液壓缸本身不提供油源，只是被氣

6、缸活塞帶動(dòng)液壓缸本身不提供油源，只是被氣缸活塞帶動(dòng)產(chǎn)生阻產(chǎn)生阻 尼，調(diào)節(jié)速度。尼，調(diào)節(jié)速度。調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開(kāi)度，就可以調(diào)節(jié)活塞的運(yùn)動(dòng)速調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開(kāi)度，就可以調(diào)節(jié)活塞的運(yùn)動(dòng)速度。度。e e 沖擊氣缸沖擊氣缸 沖擊氣缸是一種體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、耗氣功率小但能產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊力的一種特殊氣缸。 與普通氣缸相比，沖擊氣缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是增加了一個(gè)具有一定容積的蓄能腔和噴嘴。 (f)氣動(dòng)夾氣動(dòng)夾圖2.7、左右兩活塞B進(jìn)氣、B左移、A右移卡爪沿導(dǎo)軌張開(kāi)，A排氣。A進(jìn)氣、B右移，卡爪閉合，輸出夾緊力，實(shí)行平行開(kāi)閉內(nèi)外徑把持動(dòng)作。(g)鎖定氣缸：圖示為開(kāi)放狀態(tài)鎖定氣缸：圖示為開(kāi)放狀態(tài)A、B、為進(jìn)排氣孔：A

7、進(jìn)氣，推動(dòng)錐型制動(dòng)活塞左移，通過(guò)滾子的作用制動(dòng)臂繞支點(diǎn)上移，前端下移鎖住活塞桿，B口排氣，松開(kāi)時(shí)，B口進(jìn)氣，A口排氣。 h h 無(wú)桿氣缸無(wú)桿氣缸 無(wú)桿氣缸沒(méi)有活塞桿，它利用活塞直接或間接地驅(qū)動(dòng)缸筒上的滑塊，實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，占有的安裝空間也只有1.2L （ L 為滑塊行程）。大大節(jié)省了安裝空間。 特別適用于小缸徑、長(zhǎng)行程的場(chǎng)合，而且運(yùn)動(dòng)精度高，與其他氣缸組合方便。 無(wú)桿氣缸有機(jī)械接觸式和磁性耦合式兩種。 圖13-5 機(jī)械接觸式無(wú)桿氣缸 1節(jié)流閥 2緩沖柱塞 3密封帶 4防塵不銹鋼帶 5活塞 6滑塊 7活塞架2-2 氣缸的特性及計(jì)算氣缸的特性及計(jì)算 一、氣缸的推力及效率一、氣缸的推力及效率1、氣缸的

8、理論推力、氣缸的理論推力F1推力F2拉力2、氣缸的實(shí)際推力、氣缸的實(shí)際推力 F1=(D2/4)P-Fz F2=/4(D2-d2) PFz 排氣力排氣力Pz0Fz氣缸工作的總阻力，包括摩擦力、慣性力、背壓阻力氣缸工作的總阻力，包括摩擦力、慣性力、背壓阻力3、氣缸效率：、氣缸效率：=F實(shí)實(shí)/F理理 考慮動(dòng)特性考慮動(dòng)特性=0.30.5；只考慮總阻力，只考慮總阻力，=0.70.8521144FFDPDP22222244()(0.16 0.4)(1.011.09)4FFFDdPDd dDPP4、氣缸的耗氣量、氣缸的耗氣量Q壓=A(有效面積) S(活塞行程) n(每分鐘往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)) 103(l/min)

9、Q自= Q壓(P+0.1013)/0.1013(l/min) Q實(shí)=Q自/容積（取0.70.85）=（1.21.5）Q自例：雙作用單活塞桿(50/20)300 每分鐘往復(fù)運(yùn)動(dòng)10次 P氣源=0.6MPa求耗氣量。解：A1=(/4)D2=/40.52=0.196A2=/4(D2-d2)= /4(0.52-0.22)=0.165Q壓=( A1+ A2)310=(0.196+0.165)310=10.84 l/minQ自=10.84(0.6+0.1)/0.1=75.88 l/min二、氣缸的工作特性二、氣缸的工作特性1、靜特性與缸的輸出力耗氣量密切相關(guān)的最低工作壓力、靜特性與缸的輸出力耗氣量密切相關(guān)

10、的最低工作壓力Pmin ，摩，摩 擦阻力等靜態(tài)參數(shù)擦阻力等靜態(tài)參數(shù)(1)無(wú)負(fù)載工作特性無(wú)負(fù)載工作特性 最低工作壓力最低工作壓力Pmin 測(cè)試條件：測(cè)試條件：P=0.1MPa v=50mm/s合格結(jié)果：平穩(wěn)、無(wú)爬行合格結(jié)果：平穩(wěn)、無(wú)爬行衡量缸的加工、裝配質(zhì)量、對(duì)緩沖缸衡量缸的加工、裝配質(zhì)量、對(duì)緩沖缸 將緩沖閥全部打開(kāi)將緩沖閥全部打開(kāi)(2)帶載工作特性帶載工作特性測(cè)試條件上：80%最大載荷P=0.7 MPa v=150mm/s 結(jié)果：平穩(wěn)、無(wú)漏氣衡量強(qiáng)度、耐沖擊性、對(duì)緩沖缸，將緩沖閥全部打開(kāi) 進(jìn)行氣缸速度的調(diào)節(jié)時(shí)，因?yàn)闅怏w是可壓縮的，所以預(yù)先很難設(shè)定，為了防止活塞到缸的端部產(chǎn)生沖擊，需設(shè)置緩沖機(jī)構(gòu)

11、。圖2-19是裝有逆止閥的氣缸緩沖裝置。緩沖部分的長(zhǎng)度為0.015 0.04，當(dāng)活塞達(dá)到缸的端部時(shí)，封入部分氣體一經(jīng)活塞繼續(xù)壓縮，具有一定背壓，這樣既緩沖了活塞對(duì)端蓋的撞擊破壞又吸收了活塞運(yùn)動(dòng)的能量。對(duì)于設(shè)有緩沖裝置的氣缸，能否吸收由于活塞運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊能量，要通過(guò)分析計(jì)算。 設(shè)計(jì)計(jì)算的出發(fā)點(diǎn)是使活塞等運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的全部機(jī)械能E1小于緩沖裝置所能吸收的能量E2。下面對(duì)E1及E2進(jìn)行計(jì)算E1=Ed+EmEg-Ef式中Ed氣源壓力作用在活塞上產(chǎn)生的氣壓能，即： Ed=P1A1S1106（J）；P1氣缸工作壓力（MPa）；A1活塞的有效面積（m2）；S1緩沖行程長(zhǎng)度（m）；Em慣性力產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)部件能

12、，即：2211( )22mGEmuuJgm運(yùn)動(dòng)部件總質(zhì)量（kg）；G運(yùn)動(dòng)部件總重量（N）；g重力加速度（m/s2）；Eg運(yùn)動(dòng)部件重力產(chǎn)生正向或反向能量，即Eg=G1S1（J）G氣缸豎直安裝時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件總重量在缸軸線方向上的分力，計(jì)算下方緩沖時(shí)取+Eg，計(jì)算上方緩沖時(shí)取Eg，氣缸水平安裝時(shí)Eg=0；E1與運(yùn)動(dòng)方向相反的摩擦能，此值總為負(fù)，即E1=F1S1（J）；F1總摩擦力（N）緩沖裝置借助緩沖柱塞堵住柱塞孔4（見(jiàn)圖2-19），氣缸只能通過(guò)節(jié)流閥6排氣時(shí)，使密封的環(huán)形氣室內(nèi)的氣體被壓縮，從而吸收所需緩沖的能量。由于壓縮過(guò)程時(shí)間短，故可認(rèn)為是絕熱過(guò)程，其緩沖特性見(jiàn)圖2-20所示。緩沖裝置所能吸收的

13、能量大小，要根據(jù)氣缸的強(qiáng)度而定。在絕熱過(guò)程式中，緩沖裝置的緩沖氣室容許吸收的能量為： 3322122211ppRppkEvdppvdpp111112232()11kkkp vppk 13222()()11kkpk p vkp0.286322223.5()1pEp vp （J） （J）式中P2氣缸排氣側(cè)背壓（絕對(duì)壓力）（MPa）； P3緩沖氣室內(nèi)最后達(dá)到的氣體壓力（MPa）； v2緩沖柱塞死柱塞孔時(shí)，環(huán)形緩沖氣室的容積(m3)； k氣體絕熱指數(shù)，對(duì)空氣k=1.4。緩沖裝置滿足使用要求的條件是：E1E2即 Ed+EmEg-EfE2由于氣缸強(qiáng)度的限制，而且不應(yīng)使氣缸過(guò)于笨重。因而，用緩沖氣室吸收的能

14、量是有限的，尤其對(duì)于高速、大運(yùn)動(dòng)能量的負(fù)載應(yīng)采取其它有效方法進(jìn)行緩沖。2、運(yùn)動(dòng)特性、運(yùn)動(dòng)特性-氣缸各腔壓力變化、活塞速度變化、動(dòng)作時(shí)間3、緩沖特性、緩沖特性緩沖計(jì)算、原理、運(yùn)動(dòng)部件總動(dòng)能緩沖裝置允許吸收的壓力能 E k EpEk= Ed(氣壓能)+ Em(動(dòng)能)Eg(重力能)- Ef(摩擦力產(chǎn)生的能量)P1A1S1(緩沖行程) mu2= G/g u2 下方緩沖取 + 、 上方緩沖取 絕熱過(guò)程：K絕熱指數(shù) K空氣=1.4P3緩沖氣室中最后達(dá)到的壓力(氣體壓力最大值)P2緩沖前的壓力 V2緩沖前的體積若Ep E k 可滿足緩沖要求22)21162221(42120000.5 10(0.10.045

15、 ) 0.0150.2474.151.1429.81kdmGEEEPDd lvgJ220.286326220.2863.5()1193.5 0.3 10(0.10.042 ) 0.015 ()170.8543ppEp vpJP排PI三、幾種常見(jiàn)氣缸的設(shè)計(jì)計(jì)算三、幾種常見(jiàn)氣缸的設(shè)計(jì)計(jì)算1、單作用氣缸、單作用氣缸如圖2-21所示，根據(jù)力平衡原理，氣壓作用于氣缸活塞上的總推力必須克服彈簧反作用力，摩擦副的摩擦陰力和活塞桿工作時(shí)的總阻力（負(fù)載），即621104FD pFF反摩式中F1作用在活塞桿上的負(fù)載力（N）； D活塞直徑（m）； F摩摩擦副之間的摩擦力（N）； F反彈簧的反作用力（N）；即F反C（

16、0+S）； C彈簧剛度（N/m）； 0彈簧預(yù)壓縮量（m）； S活塞行程（m）。如果把摩擦力用效率考慮則：26110()4FD pFN反式中考慮摩擦阻力的效率。由式（由式（2-14）可導(dǎo)出單作用氣缸的內(nèi)徑為：）可導(dǎo)出單作用氣缸的內(nèi)徑為：計(jì)算出缸徑后，按表2-5取標(biāo)準(zhǔn)直徑。表2-5 缸筒內(nèi)徑系列614()10( )FFDmp反注：無(wú)括號(hào)的數(shù)值為優(yōu)先選用值。2、雙作用氣缸、雙作用氣缸單出桿雙作用氣缸的設(shè)計(jì)計(jì)算單出桿雙作用氣缸是一種最能常用的普通氣缸，如圖2-22所示。（1）輸出力的計(jì)算）輸出力的計(jì)算根據(jù)力的平衡原理，活塞桿上的輸出力必須克服活塞桿工作時(shí)的總阻力，因只有一端出桿，所以壓縮空氣作用在活塞

17、兩側(cè)的有效面積是不相等的?；钊麠U產(chǎn)生推力F推，活塞右行時(shí)，產(chǎn)生拉力F拉，其值分別為： 6262210()410()()4FDpNFDdpN推拉式中d活塞桿直徑（m）；其他符號(hào)同前。（2）活塞直徑）活塞直徑D的計(jì)算的計(jì)算由前兩式可求得活塞直徑。當(dāng)推力作功時(shí)， 6410( )FDmp推當(dāng)拉力作功時(shí)， 62410( )FDdmp拉（3）活塞運(yùn)動(dòng)速度的計(jì)算）活塞運(yùn)動(dòng)速度的計(jì)算 60QuA （m/s）式中Q輸入的壓縮空氣量（m3/min）； A活塞有效受力面積（m2）； u活塞運(yùn)動(dòng)速度（m/s）。如兩端供氣量相等， 121122QQQu Au A即則1122uAuA即活塞運(yùn)動(dòng)速度與有效面積成反比。222

18、12;();44ADADd則于2221221 ()uDdduDD 則因此，對(duì)同樣供氣量，活塞桿伸出慢，退回快。（4）氣缸耗氣量計(jì)算）氣缸耗氣量計(jì)算根據(jù)式（2-8）計(jì)算310(0.1013)/0.1013QASn p自式中 12AAA22222()(2)444ADDdDd32210(2)(0.1013)/0.1013( /min)4QDdSn pl自上式為每分鐘耗自由空氣量，這里是理論值，實(shí)際值應(yīng)考慮漏損等，即為(1.2 1.5)QQ自實(shí)（5）缸筒計(jì)算）缸筒計(jì)算主要計(jì)算缸筒的壁厚，因一般氣缸工作壓力較低，壁厚與內(nèi)徑主要計(jì)算缸筒的壁厚，因一般氣缸工作壓力較低，壁厚與內(nèi)徑之比往往小于之比往往小于 所

19、以氣缸壁厚可按下面的薄壁筒計(jì)算：所以氣缸壁厚可按下面的薄壁筒計(jì)算：式中式中氣缸筒壁厚（氣缸筒壁厚（m）；）；缸筒材料的許用應(yīng)力（缸筒材料的許用應(yīng)力（Pa）；）；D氣缸內(nèi)徑（氣缸內(nèi)徑（m）；）；p氣缸工作壓力（氣缸工作壓力（MPa）。）。計(jì)算出的厚可能很薄，應(yīng)根據(jù)工藝要示適當(dāng)加厚，并參都已有計(jì)算出的厚可能很薄，應(yīng)根據(jù)工藝要示適當(dāng)加厚，并參都已有同類(lèi)氣缸壁厚確定。同類(lèi)氣缸壁厚確定。11:10()10D6102 Dp表2-6中所列數(shù)值僅供計(jì)算和選取氣缸壁厚時(shí)參考。表2-6 氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑(1)輸出力 (2)缸徑 (3)活塞運(yùn)動(dòng)速度V=Q/A (4)耗氣量 (5)缸筒壁厚計(jì)算常/D1/10 按薄壁

20、筒（缸筒壁厚）=(DPp)/2 106Pp實(shí)驗(yàn)壓力Pp=1.5P 缸筒材料許用應(yīng)力=b/sb抗拉強(qiáng)度 s安全系數(shù)材料：鑄鐵HT1533 Q235 20# 鋁合金ZL3 不銹鋼(6)活塞桿計(jì)算活塞桿計(jì)算材質(zhì)：45# 不銹鋼 40Cr一般要求鍍鉻處理a、按強(qiáng)度條件(L10d)強(qiáng)度檢驗(yàn)使活塞桿所承受的應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，即式中 F1活塞桿上總推力（N）； 活塞桿材料的許用應(yīng)力（N/m2）。12 4Fd則 14 Fd （m） b、按穩(wěn)定性(L10d)穩(wěn)定性校驗(yàn)桿長(zhǎng)L10d時(shí)為細(xì)長(zhǎng)桿，應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)，按下式進(jìn)行22216kpmEdAL n式中pk穩(wěn)定極限軸向力（N）；A活塞桿斷面積（m2）；E材料

21、的彈性模數(shù)（N/m2）；L活塞桿的計(jì)算長(zhǎng)度（m）；m活塞桿的安裝系數(shù)（0.254）與安裝形式有關(guān)；n安全系數(shù)（一般取24）。由（2-27）式可以確定L和d的關(guān)系，符合這個(gè)關(guān)系式的活塞桿是穩(wěn)定的。3、雙出桿雙作用氣缸、雙出桿雙作用氣缸(自己看自己看)4、伸縮氣缸、伸縮氣缸 特點(diǎn)：推力和速度隨工作行程變化而變化第一行程：力大，速度慢 第二行程：力小，速度快 可做翻斗缸5、擺動(dòng)氣缸、擺動(dòng)氣缸 P1 P2R1R2rdr作用在葉片上的扭轉(zhuǎn)力矩21221212211()() ()2RmmRTPP brdrPP b RRP1、P2供、排氣腔壓力R1、R2葉片內(nèi)外徑B葉片的寬度m擺動(dòng)缸的機(jī)械效率耗氣量Q 2221()4DDQb nv n(每分鐘葉片擺動(dòng)次數(shù))擺動(dòng)角速度 2221242(/ )60()60nQ vWrad sDDb擺次一次所需時(shí)間 tW 擺角弧度四、氣缸設(shè)計(jì)步驟四、氣缸設(shè)計(jì)步驟1、工作任務(wù)、工作任務(wù):結(jié)構(gòu)要求結(jié)構(gòu)要求氣缸類(lèi)型、安裝形式氣缸類(lèi)型、安裝形式2、工作力、工作力氣缸輸出力、氣源壓力 缸徑、桿徑(標(biāo)準(zhǔn)尺寸)、缸壁厚度、緩沖3、行程、行程缸的行程缸的行程4、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)速度耗氣量耗氣量標(biāo)準(zhǔn)氣缸：類(lèi)型、安裝、缸徑、行程、即