《液壓與氣壓傳動技術(shù)》課件第11章

第11章氣動執(zhí)行元件11.1氣缸

11.2氣動馬達

思考和練習題

11.1氣

缸

11.1.1氣缸的分類氣缸是氣動系統(tǒng)中使用最多的一種執(zhí)行元件，根據(jù)不同的用途和使用條件，其結(jié)構(gòu)、形狀、連接方式也有多種形式。常用的分類方法主要有以下幾種：

(1)按壓縮空氣對活塞端面作用力的方向,可分為單作用氣缸和雙作用氣缸。單作用氣缸只有一個方向的運動是氣壓傳動，活塞的復位靠彈簧力或重力實現(xiàn)。雙作用氣缸活塞的往復運動是靠壓縮空氣來完成的。

(2)按氣缸的結(jié)構(gòu)特點,可分為活塞式、柱塞式、膜片式、葉片擺動式及氣液阻尼缸等。

(3)按氣缸的功能,可分為普通氣缸和特殊氣缸。普通氣缸用于一般無特殊要求的場合。特殊氣缸常用于有某種特殊要求的場合。如緩沖氣缸、步進氣缸、沖擊式氣缸、增壓氣缸、數(shù)字氣缸、回轉(zhuǎn)氣缸、氣液阻尼氣缸、擺動氣缸、開關(guān)氣缸、制動氣缸、坐標氣缸等。

(4)按氣缸的安裝方式,可分為固定式氣缸（如）、軸銷式氣缸、回轉(zhuǎn)式氣缸、嵌入式氣缸等等。固定式氣缸的缸體安裝在機架上不動，其連接方式又有耳座式、凸緣式和法蘭式。軸銷式氣缸的缸體繞一固定軸，缸體可作一定角度的擺動?；剞D(zhuǎn)式氣缸的缸體可隨機床主軸做高速旋轉(zhuǎn)運動，

常見的有數(shù)控機床上的氣動卡盤等。

11.1.2幾種常用氣缸的工作原理及用途

1．普通氣缸因氣缸的使用目的不同，其結(jié)構(gòu)有多種形式，常用的有單桿單作用和單桿雙作用兩種氣缸。單作用氣缸是指壓縮空氣僅在氣缸的一端進氣，推動活塞運動，而活塞的復位則是借助于外力，

如圖11-1所示為單作用氣缸的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖

11-1普通型單活塞桿單作用氣缸

單桿雙作用氣缸是應用最為廣泛的一種普通氣缸，如圖11-2所示為其結(jié)構(gòu)原理圖，它主要由缸筒、端蓋、活塞、活塞桿和密封件、緊固件等組成。缸筒前后用端蓋及密封墊圈等固定連接。有活塞桿側(cè)的缸蓋為前缸蓋，無活塞桿側(cè)的缸蓋為后缸蓋，一般在缸蓋上開設有進排氣通口，如活塞運動速度較高時（一般為1m/s左右），可在行程的末端裝設緩沖裝置。前缸蓋上設有密封圈、防塵圈和導向套，以此提高氣缸的導向精度?；钊麠U和活塞緊固相接，活塞上有防止左、右兩腔互通竄氣的密封圈，以及耐磨環(huán)；帶磁性開關(guān)的氣缸，活塞上裝有永久性磁環(huán)，它可觸發(fā)安裝在氣缸上的磁性開關(guān)來檢測氣缸活塞的運動位置?；钊麅蓚?cè)一般裝有緩沖墊，如為氣緩沖，則活塞兩側(cè)沿軸線方向設有緩沖柱塞，前、后兩缸蓋上有緩沖節(jié)流閥和緩沖套。當氣缸運動到端頭時，緩沖柱進入到緩沖套內(nèi)，氣缸排氣需經(jīng)緩沖節(jié)流閥，排氣阻力增加，產(chǎn)生排氣背壓，

形成緩沖氣墊，

起到緩沖作用。

圖

11-2普通型單活塞桿雙作用氣缸

2．膜片式氣缸膜片式氣缸是以薄膜取代活塞帶動活塞桿運動的一種氣缸，它利用壓縮空氣通過膜片推動活塞桿作往復運動，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，制造容易，成本低，維修方便，壽命長，泄漏少，效率高等優(yōu)點，適用于氣動夾具、自動調(diào)節(jié)閥及短行程場合。按其結(jié)構(gòu)可分單作用式和雙作用式兩種。圖11-3(a)所示為單作用膜片式氣缸，此氣缸只有一個氣口。當氣口輸入壓縮空氣時，推動膜片2、膜盤3、活塞桿4向下運動，活塞桿的上行需依靠彈簧力的作用。圖11－3(b)所示為雙作用膜片式氣缸，有兩個氣口，活塞桿的上下運動依靠壓縮空氣來推動。膜片式氣缸與活塞式氣缸相比，因膜片的變形量有限，故氣缸的行程較短，一般不超過40～50mm。其最大行程Lmax與缸徑D的關(guān)系為

Lmax＝（0.12～0.25）D

圖11-3膜片式氣缸(a)單作用式；

(b)雙作用式

因變形要吸收能量，所以活塞桿上的輸出力隨著行程的增大而減小。膜片式氣缸的膜片材料一般為夾織物橡膠、鋼片或磷青銅片，膜片的結(jié)構(gòu)有平膜片和碟形膜片及滾動膜片。根據(jù)活塞桿的行程來選擇不同的膜片結(jié)構(gòu)：平膜片氣缸的行程僅為膜片直徑的0.1倍，碟形膜片行程可達0.25倍，滾動膜片氣缸的行程可以更長些。

3．氣液阻尼氣缸因氣體具有很大的壓縮性，一般普通氣缸在工作負載變化較大時，會產(chǎn)生“爬行”或“自走”現(xiàn)象，氣缸的平穩(wěn)性較差，且不易使活塞獲得準確的停止位置。為使活塞運動平穩(wěn)，可利用液壓油的性質(zhì)采用氣液阻尼缸。氣液阻尼缸由氣缸和液壓缸組合而成，它是以壓縮空氣為能源，以油液作為控制和調(diào)節(jié)氣缸運動速度的介質(zhì)，利用液體的可壓縮性小的性質(zhì)和通過控制液體排量來獲得氣缸的平穩(wěn)運動和調(diào)節(jié)活塞的運動速度的。氣液阻尼缸按其組合方式不同可分為串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種。

圖11-4所示為串聯(lián)式氣液阻尼缸的工作原理圖，它將氣缸和液壓缸串接成一個主體，兩個活塞固定在一個活塞桿上，在液壓缸進、出口之間裝有單向節(jié)流閥。當氣缸右腔進氣時，活塞克服外載并帶動液壓缸活塞向左運動。此時液壓缸左腔排油，由于單向閥關(guān)閉，油液只能經(jīng)節(jié)流閥1緩慢流回右腔，因此對整個活塞的運動起到阻尼作用。調(diào)節(jié)節(jié)流閥即可達到調(diào)節(jié)活塞運動速度的目的。當壓縮空氣進入氣缸左腔時，液壓缸右腔排油，此時單向閥3開啟，活塞能快速返回。

圖

11-4串聯(lián)式氣液阻尼缸的工作原理

串聯(lián)式氣液阻尼缸的缸體較長，加工與裝配的工藝要求高，且氣缸和液壓缸之間容易產(chǎn)生油與氣互竄現(xiàn)象。為此，可將氣缸與液壓缸并聯(lián)組合。圖11-5所示為并聯(lián)式氣液阻尼缸，其工作原理與串聯(lián)式氣液阻尼缸相同。這種氣液阻尼缸的缸體較短，結(jié)構(gòu)緊湊，消除了油氣互竄現(xiàn)象。但這種組合方式，兩個缸不在同一軸線上，安裝時對其平行度要求較高。

圖

11-5并聯(lián)式氣液阻尼缸

4．

沖擊式氣缸

沖擊式氣缸是將壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)換為動能，使活塞高速運動，輸出能量，產(chǎn)生較大的沖擊力，擊打工件做功的一種氣缸。沖擊氣缸主要由缸體、中蓋、活塞和活塞桿等組成，如圖11－6所示。沖擊氣缸在結(jié)構(gòu)上比普通氣缸增加了一個具有一定容積的蓄能腔和噴嘴，中蓋6與缸體固定，中蓋和活塞把氣缸分隔成三個部分，即活塞桿腔1、活塞腔2和蓄能腔5。中蓋6的中心開有噴嘴口4。

當壓縮空氣進入蓄能腔時，其壓力只能通過噴嘴口的小面積作用在活塞上，還不能克服活塞桿腔的排氣壓力所產(chǎn)生的向上的推力以及活塞與缸體間的摩擦力，噴嘴處于關(guān)閉狀態(tài)，隨著空氣的不斷進入，蓄能腔內(nèi)的氣體壓力逐漸升高。當氣體壓力升高，使作用在噴嘴口面積上的總推力足以克服活塞受到的阻力時，活塞向下移動，噴嘴口開啟，聚集在蓄能腔中的壓縮空氣通過噴嘴口以聲速流向活塞腔,作用于活塞全面積上。高速氣流進入活塞腔進一步膨脹并產(chǎn)生沖擊波，其壓力可達氣源壓力的幾倍到幾十倍，給予活塞很大的向下的推力。此時活塞桿腔內(nèi)的壓力很低，活塞在很大的壓差作用下迅速加速，在很短的時間內(nèi)以極高的速度向下沖擊，

從而獲得巨大的動能。利用這個能量實現(xiàn)沖擊做功，可產(chǎn)生很大的沖擊力。

圖

11-6沖擊氣缸

圖

11-7擺動氣缸

11.1.3標準化氣缸簡介氣缸可自行設計，但一般都采用標準化的氣缸。標準化的氣缸一般用“QG”表示。

1．標準化氣缸的標記和系列

“QG”表示標準化氣缸，它還分別用“A、B、C、D、H”表示其五種系列，具體的標注方法是：

QGABCDH缸徑×行程

五種系列氣缸分別為QGA——無緩沖普通氣缸；QGB——細桿（標準桿）緩沖氣缸；QGC——粗桿緩沖氣缸；QGD——氣液阻尼缸；QGH——回轉(zhuǎn)氣缸。

例如：QGA100×125表示缸徑（內(nèi)徑）為100mm，行程為125mm的無緩沖普通氣缸。其它還有用“ISO”標注的標準化氣缸，其氣缸系列有SI、SU、SC三種。SI系列又有SI、SID、SIJ之分，分別表示單軸雙作用、雙軸雙作用、雙軸可調(diào)行程式；SU系列又有SU、SUD、SUJ之分，分別表示無拉桿式的單軸雙作用、雙軸雙作用、雙軸可調(diào)行程式；SC系列又有SC、SCD、SCJ之分，分別表示有拉桿式的單軸雙作用、雙軸雙作用、雙軸可調(diào)行程式。其標注方式舉例如下：

SIJ-缸徑×行程-可調(diào)整行程

例如：SIJ-50×50-25-S-LB表示缸徑（內(nèi)徑）為50mm，行程為50mm，且行程可在25～50mm之間調(diào)整的附磁環(huán)的、兩端支座固定的雙軸可調(diào)行程式標準氣缸。其中，S表示附磁環(huán),若空白,則不附磁；LB表示固定方式。

2．標準化氣缸的主要參數(shù)標準化氣缸的主要參數(shù)有缸筒內(nèi)徑D和行程L。在一定的氣源壓力下，缸筒內(nèi)徑的大小標志著氣缸活塞桿的理論輸出力的大小;行程標志氣缸的作用范圍。標準化氣缸的缸徑D（單位mm）有11種規(guī)格：40、50、63、80、100、125、160、200、250、320、400行程L（mm）則依氣缸徑確定，其中，無緩沖氣缸：L＝（0.5～2）D；有緩沖氣缸：L＝（1～10）D。11.1.4氣缸的工作特性及計算

1．氣缸的速度一般氣缸活塞的運動速度是指在其行程范圍內(nèi)的平均速度，氣缸的平均運動速度可按進氣量的大小求出，即式中：q為壓縮空氣的體積流量；A為活塞的有效作用面積。標準普通氣缸的速度范圍在50～500mm/s之間，普通氣缸的最低速度為5mm/s，高速可達17m/s。2．氣缸的理論輸出力雙作用氣缸的輸出推力在不計摩擦阻力和慣性的情況下，可寫為

式中：p1、p2分別為進、排氣側(cè)的壓力;A1、A2分別為進、排氣側(cè)活塞的有效作用面積。若考慮活塞運動過程中的摩擦阻力和慣性等因素的影響，也可用下式求雙作用氣缸活塞上的輸出推力，即式中：η為氣缸的效率，一般取0.7～0.95。

3．氣缸的效率和負載率氣缸未承載時實際所能輸出的力，受氣缸活塞和缸筒之間的摩擦、活塞桿和前缸蓋之間的摩擦力影響。摩擦力影響程度用氣缸效率η表示，一般氣缸的效率η在0.7～0.95之間。從對氣缸的運行特性研究可知，要精確確定氣缸的實際輸出力是困難的。一般是在研究氣缸的性能和選擇確定氣缸缸徑時，

常用到負載率β的概念。氣缸負載率β的定義為

氣缸的實際負載（軸向負載）是由工況所決定的。若氣缸的負載率β確定，則可求出氣缸的理論輸出力F，進而可計算出氣缸的缸徑。氣缸負載率的選擇與氣缸的負載性能、安裝工況及氣缸的運動速度有關(guān)，見表11-1。表11-1氣缸的運動狀態(tài)與負載率

4．氣缸缸徑計算對于氣缸，有公式：

式中：p為氣缸的工作壓力；A為活塞的有效作用面積；η為氣缸的效率，當活塞運動速度v＜200mm/s時取大值，反之取小值。氣缸無桿腔進氣時：

氣缸有桿腔進氣時：

式中：d為活塞桿直徑。一般可先按d/D=0.2～0.3代入。計算出氣缸的直徑D后，按標準值圓整，再選擇標準系列中相近的缸徑值。

5．氣缸耗氣量計算氣缸耗氣量是指氣缸作往復運動時所消耗的壓縮空氣量，耗氣量的大小與氣缸的性能無關(guān)，但它是設計選擇氣源系統(tǒng)的重要依據(jù)。

(1）最大耗氣量qmax是指氣缸活塞完成一次行程所需的耗氣量，單位為L/min，其計算公式如下:式中:D為缸徑，單位為cm；s為氣缸行程，單位為cm；t為氣缸一次往復行程所需的時間，單位為s；p為工作壓力，單位為MPa。

(2）平均耗氣量是由氣缸容積和氣缸每分鐘的往復次數(shù)算出的耗氣量的平均值，單位為L/min，其計算公式如下:式中:N為氣缸每分鐘的往復次數(shù)。

11.1.5氣缸的選擇與使用

1．氣缸的選擇氣缸的品種繁多，各種型號、類別的氣缸，其性能、用途及適應的工況不盡相同，在選擇氣缸時要考慮的因素很多，一般應注意以下幾點：

(1）

氣缸的類型。

根據(jù)工作要求、工況特點及工作環(huán)境條件選擇氣缸的類型。

(2）氣缸的規(guī)格。根據(jù)工作負載情況、運動狀態(tài)和系統(tǒng)工作壓力分別確定氣缸的軸向負載、負載率和工作壓力，對照產(chǎn)品樣本選擇標準化氣缸的缸徑和行程。一般應在保證工作要求的前提下適當留出一定的行程余量（約為10～20mm），防止活塞和缸蓋相碰。

(3）氣缸的安裝方式。由安裝的位置、使用目的、氣缸結(jié)構(gòu)等因素決定。一般用途多采用固定式氣缸。氣缸的常見安裝方式可參見相關(guān)設計手冊。

2.氣缸的使用

(1）正常工作壓力的范圍一般為0.4～0.6MPa，環(huán)境溫度在－35～＋80℃之間。

(2）安裝注意事項:安裝前要用1.5倍工作壓力進行測壓實驗，以防止泄漏；安裝時注意動作方向，防止活塞桿偏心；檢查所有密封件的密封性能；調(diào)整好活塞行程，以避免活塞和缸體的撞擊。

11.2氣

動

馬

達

11.2.1氣動馬達的特點

(1)具有防爆性能，工作安全，可在易燃、易爆、高溫、振動、潮濕、粉塵等惡劣環(huán)境下工作，不受高溫及振動的影響。

(2)具有過載保護作用?？砷L時間滿載工作，且溫升較小，過載時馬達只是降低轉(zhuǎn)速或停車，過載解除后，可立即重新正常運轉(zhuǎn)。

(3)可實現(xiàn)無級調(diào)速。通過控制調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度來控制進入氣動馬達的壓縮空氣的流量，從而控制調(diào)節(jié)氣動馬達的轉(zhuǎn)速。

(4)具有較高的啟動轉(zhuǎn)矩，可直接帶負載啟動，啟動、停止迅速。

(5)功率范圍及轉(zhuǎn)速的調(diào)速范圍較寬。功率小至幾百瓦，大至幾萬瓦；轉(zhuǎn)速可從零到25000r/min或更高。

(6)與電動機相比，單位功率尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單,重量輕，適用于安裝在位置狹小的場合及手工工具上，操作方便，可正反轉(zhuǎn)，維修容易,成本低。氣動馬達的缺點是：速度穩(wěn)定性較差，輸出功率小，耗氣量大,效率低,噪聲大和易產(chǎn)生振動。

11.2.2氣動馬達的分類及工作原理圖11-8為葉片式氣動馬達的工作原理圖。壓縮空氣由A孔輸入后，分為兩路：一路經(jīng)定子兩端密封蓋的槽進入葉片底部將葉片推出，葉片就是靠此氣壓推力和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的離心力作用而緊密地貼緊在定子內(nèi)壁上的；另一路經(jīng)A孔進入相應的密封工作空間，壓縮空氣作用在兩個葉片上。由于兩葉片伸出長度不等，因此產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩，因而葉片與轉(zhuǎn)子按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，則可改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向。葉片式氣動馬達一般在中、小容量，高速旋轉(zhuǎn)的范圍內(nèi)使用，