《液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)》課件第11章

第11章氣動(dòng)執(zhí)行元件11.1氣缸

11.2氣動(dòng)馬達(dá)

思考和練習(xí)題

11.1氣

缸

11.1.1氣缸的分類氣缸是氣動(dòng)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(duì)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(gè)方向的運(yùn)動(dòng)是氣壓傳動(dòng)，活塞的復(fù)位靠彈簧力或重力實(shí)現(xiàn)。雙作用氣缸活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)是靠壓縮空氣來(lái)完成的。

(2)按氣缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可分為活塞式、柱塞式、膜片式、葉片擺動(dòng)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(wú)特殊要求的場(chǎng)合。特殊氣缸常用于有某種特殊要求的場(chǎng)合。如緩沖氣缸、步進(jìn)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(dòng)氣缸、開關(guān)氣缸、制動(dòng)氣缸、坐標(biāo)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(jī)架上不動(dòng)，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(dòng)?；剞D(zhuǎn)式氣缸的缸體可隨機(jī)床主軸做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，

常見的有數(shù)控機(jī)床上的氣動(dòng)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(jìn)氣，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，而活塞的復(fù)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(yīng)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(wú)活塞桿側(cè)的缸蓋為后缸蓋，一般在缸蓋上開設(shè)有進(jìn)排氣通口，如活塞運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)（一般為1m/s左右），可在行程的末端裝設(shè)緩沖裝置。前缸蓋上設(shè)有密封圈、防塵圈和導(dǎo)向套，以此提高氣缸的導(dǎo)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(lái)檢測(cè)氣缸活塞的運(yùn)動(dòng)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(shè)有緩沖柱塞，前、后兩缸蓋上有緩沖節(jié)流閥和緩沖套。當(dāng)氣缸運(yùn)動(dòng)到端頭時(shí)，緩沖柱進(jìn)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(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)的一種氣缸，它利用壓縮空氣通過膜片推動(dòng)活塞桿作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，制造容易，成本低，維修方便，壽命長(zhǎng)，泄漏少，效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于氣動(dòng)夾具、自動(dòng)調(diào)節(jié)閥及短行程場(chǎng)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(gè)氣口。當(dāng)氣口輸入壓縮空氣時(shí)，推動(dòng)膜片2、膜盤3、活塞桿4向下運(yùn)動(dòng)，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(gè)氣口，活塞桿的上下運(yùn)動(dòng)依靠壓縮空氣來(lái)推動(dòng)。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(dòng)膜片。根據(jù)活塞桿的行程來(lái)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(dá)0.25倍，滾動(dòng)膜片氣缸的行程可以更長(zhǎng)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(fù)載變化較大時(shí)，會(huì)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(zhǔn)確的停止位置。為使活塞運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(lái)獲得氣缸的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)和調(diào)節(jié)活塞的運(yùn)動(dòng)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(gè)主體，兩個(gè)活塞固定在一個(gè)活塞桿上，在液壓缸進(jìn)、出口之間裝有單向節(jié)流閥。當(dāng)氣缸右腔進(jìn)氣時(shí)，活塞克服外載并帶動(dòng)液壓缸活塞向左運(yùn)動(dòng)。此時(shí)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(duì)整個(gè)活塞的運(yùn)動(dòng)起到阻尼作用。調(diào)節(jié)節(jié)流閥即可達(dá)到調(diào)節(jié)活塞運(yùn)動(dòng)速度的目的。當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入氣缸左腔時(shí)，液壓缸右腔排油，此時(shí)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(zhǎng)，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(gè)缸不在同一軸線上，安裝時(shí)對(duì)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(dòng)能，使活塞高速運(yùn)動(dòng)，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(gè)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(gè)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(dāng)壓縮空氣進(jìn)入蓄能腔時(shí)，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(jìn)入，蓄能腔內(nèi)的氣體壓力逐漸升高。當(dāng)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(shí)，活塞向下移動(dòng)，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(jìn)入活塞腔進(jìn)一步膨脹并產(chǎn)生沖擊波，其壓力可達(dá)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(shí)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(shí)間內(nèi)以極高的速度向下沖擊，

從而獲得巨大的動(dòng)能。利用這個(gè)能量實(shí)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(dòng)氣缸

11.1.3標(biāo)準(zhǔn)化氣缸簡(jiǎn)介氣缸可自行設(shè)計(jì)，但一般都采用標(biāo)準(zhǔn)化的氣缸。標(biāo)準(zhǔn)化的氣缸一般用“QG”表示。

1．標(biāo)準(zhǔn)化氣缸的標(biāo)記和系列

“QG”表示標(biāo)準(zhǔn)化氣缸，它還分別用“A、B、C、D、H”表示其五種系列，具體的標(biāo)注方法是：

QGABCDH缸徑×行程

五種系列氣缸分別為QGA——無(wú)緩沖普通氣缸；QGB——細(xì)桿（標(biāo)準(zhǔn)桿）緩沖氣缸；QGC——粗桿緩沖氣缸；QGD——?dú)庖鹤枘岣?；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(wú)緩沖普通氣缸。其它還有用“ISO”標(biāo)注的標(biāo)準(zhǔn)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(wú)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化氣缸的主要參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)志著氣缸活塞桿的理論輸出力的大小;行程標(biāo)志氣缸的作用范圍。標(biāo)準(zhǔn)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(wú)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(jì)算

1．氣缸的速度一般氣缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度是指在其行程范圍內(nèi)的平均速度，氣缸的平均運(yùn)動(dòng)速度可按進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)17m/s。2．氣缸的理論輸出力雙作用氣缸的輸出推力在不計(jì)摩擦阻力和慣性的情況下，可寫為

式中：p1、p2分別為進(jìn)、排氣側(cè)的壓力;A1、A2分別為進(jìn)、排氣側(cè)活塞的有效作用面積。若考慮活塞運(yùn)動(dòng)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(fù)載率氣缸未承載時(shí)實(shí)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(duì)氣缸的運(yùn)行特性研究可知，要精確確定氣缸的實(shí)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(shí)，

常用到負(fù)載率β的概念。氣缸負(fù)載率β的定義為

氣缸的實(shí)際負(fù)載（軸向負(fù)載）是由工況所決定的。若氣缸的負(fù)載率β確定，則可求出氣缸的理論輸出力F，進(jìn)而可計(jì)算出氣缸的缸徑。氣缸負(fù)載率的選擇與氣缸的負(fù)載性能、安裝工況及氣缸的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，見表11-1。表11-1氣缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與負(fù)載率

4．氣缸缸徑計(jì)算對(duì)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(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)速度v＜200mm/s時(shí)取大值，反之取小值。氣缸無(wú)桿腔進(jìn)氣時(shí)：

氣缸有桿腔進(jìn)氣時(shí)：

式中：d為活塞桿直徑。一般可先按d/D=0.2～0.3代入。計(jì)算出氣缸的直徑D后，按標(biāo)準(zhǔn)值圓整，再選擇標(biāo)準(zhǔn)系列中相近的缸徑值。

5．氣缸耗氣量計(jì)算氣缸耗氣量是指氣缸作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)所消耗的壓縮空氣量，耗氣量的大小與氣缸的性能無(wú)關(guān)，但它是設(shè)計(jì)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(zhǎng)/min，其計(jì)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(fù)行程所需的時(shí)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(fù)次數(shù)算出的耗氣量的平均值，單位為L(zhǎng)/min，其計(jì)算公式如下:式中:N為氣缸每分鐘的往復(fù)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(hào)、類別的氣缸，其性能、用途及適應(yīng)的工況不盡相同，在選擇氣缸時(shí)要考慮的因素很多，一般應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1）

氣缸的類型。

根據(jù)工作要求、工況特點(diǎn)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(fù)載情況、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和系統(tǒng)工作壓力分別確定氣缸的軸向負(fù)載、負(fù)載率和工作壓力，對(duì)照產(chǎn)品樣本選擇標(biāo)準(zhǔn)化氣缸的缸徑和行程。一般應(yīng)在保證工作要求的前提下適當(dāng)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(shè)計(jì)手冊(cè)。

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(xiàng):安裝前要用1.5倍工作壓力進(jìn)行測(cè)壓實(shí)驗(yàn)，以防止泄漏；安裝時(shí)注意動(dòng)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(dòng)

馬

達(dá)

11.2.1氣動(dòng)馬達(dá)的特點(diǎn)

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

(2)具有過載保護(hù)作用。可長(zhǎng)時(shí)間滿載工作，且溫升較小，過載時(shí)馬達(dá)只是降低轉(zhuǎn)速或停車，過載解除后，可立即重新正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

(3)可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。通過控制調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度來(lái)控制進(jìn)入氣動(dòng)馬達(dá)的壓縮空氣的流量，從而控制調(diào)節(jié)氣動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。

(4)具有較高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可直接帶負(fù)載啟動(dòng)，啟動(dòng)、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(wàn)瓦；轉(zhuǎn)速可從零到25000r/min或更高。

(6)與電動(dòng)機(jī)相比，單位功率尺寸小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,重量輕，適用于安裝在位置狹小的場(chǎng)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(dòng)馬達(dá)的缺點(diǎn)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(dòng)。

11.2.2氣動(dòng)馬達(dá)的分類及工作原理圖11-8為葉片式氣動(dòng)馬達(dá)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(jìn)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(dòng)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(jìn)入相應(yīng)的密封工作空間，壓縮空氣作用在兩個(gè)葉片上。由于兩葉片伸出長(zhǎng)度不等，因此產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩，因而葉片與轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，則可改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向。葉片式氣動(dòng)馬達(dá)一般在中、小容量，高速旋轉(zhuǎn)的范圍內(nèi)使用，