1、第11章 气动执行元件 第11章 气动执行元件 11.1 气缸气缸 11.2 气动马达气动马达 思考和练习题思考和练习题 第11章 气动执行元件 11.1 气气 缸缸 11.1.1 11.1.1 气缸的分类气缸的分类气缸是气动系统中使用最多的一种执行元件，根据不同的用途和使用条件，其结构、形状、连接方式也有多种形式。常用的分类方法主要有以下几种：(1)按压缩空气对活塞端面作用力的方向,可分为单作用气缸和双作用气缸。单作用气缸只有一个方向的运动是气压传动，活塞的复位靠弹簧力或重力实现。双作用气缸活塞的往复运动是靠压缩空气来完成的。(2)按气缸的结构特点,可分为活塞式、柱塞式、膜片式、叶片摆动式及
2、气液阻尼缸等。第11章 气动执行元件(3)按气缸的功能,可分为普通气缸和特殊气缸。普通气缸用于一般无特殊要求的场合。特殊气缸常用于有某种特殊要求的场合。如缓冲气缸、步进气缸、冲击式气缸、增压气缸、数字气缸、回转气缸、气液阻尼气缸、摆动气缸、开关气缸、制动气缸、坐标气缸等。(4)按气缸的安装方式,可分为固定式气缸（如）、轴销式气缸、回转式气缸、嵌入式气缸等等。固定式气缸的缸体安装在机架上不动，其连接方式又有耳座式、凸缘式和法兰式。轴销式气缸的缸体绕一固定轴，缸体可作一定角度的摆动。回转式气缸的缸体可随机床主轴做高速旋转运动，常见的有数控机床上的气动卡盘等。第11章 气动执行元件 11.1.2 1
3、1.1.2 几种常用气缸的工作原理及用途几种常用气缸的工作原理及用途1 1普通气缸普通气缸因气缸的使用目的不同，其结构有多种形式，常用的有单杆单作用和单杆双作用两种气缸。单作用气缸是指压缩空气仅在气缸的一端进气，推动活塞运动，而活塞的复位则是借助于外力，如图11-1所示为单作用气缸的结构原理图。第11章 气动执行元件 图 11-1 普通型单活塞杆单作用气缸 第11章 气动执行元件 单杆双作用气缸是应用最为广泛的一种普通气缸，如图11-2所示为其结构原理图，它主要由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件、紧固件等组成。缸筒前后用端盖及密封垫圈等固定连接。有活塞杆侧的缸盖为前缸盖，无活塞杆侧的缸盖为后缸
4、盖，一般在缸盖上开设有进排气通口，如活塞运动速度较高时（一般为1 m/s左右），可在行程的末端装设缓冲装置。前缸盖上设有密封圈、防尘圈和导向套，以此提高气缸的导向精度。活塞杆和活塞紧固相接，活塞上有防止左、右两腔互通窜气的密封圈，以及耐磨环；带磁性开关的气缸，活塞上装有永久性磁环，它可触发安装在气缸上的磁性开关来检测气缸活塞的运动位置。活塞两侧一般装有缓冲垫，如为气缓冲，则活塞两侧沿轴线方向设有缓冲柱塞，前、后两缸盖上有缓冲节流阀和缓冲套。当气缸运动到端头时，缓冲柱进入到缓冲套内，气缸排气需经缓冲节流阀，排气阻力增加，产生排气背压，形成缓冲气垫，起到缓冲作用。第11章 气动执行元件 图 11-
5、2 普通型单活塞杆双作用气缸 第11章 气动执行元件 2 2 膜片式气缸膜片式气缸膜片式气缸是以薄膜取代活塞带动活塞杆运动的一种气缸，它利用压缩空气通过膜片推动活塞杆作往复运动，具有结构简单、紧凑，制造容易，成本低，维修方便，寿命长，泄漏少，效率高等优点，适用于气动夹具、自动调节阀及短行程场合。按其结构可分单作用式和双作用式两种。第11章 气动执行元件 图11-3(a)所示为单作用膜片式气缸，此气缸只有一个气口。当气口输入压缩空气时，推动膜片2、膜盘3、活塞杆4向下运动，活塞杆的上行需依靠弹簧力的作用。图113(b)所示为双作用膜片式气缸，有两个气口，活塞杆的上下运动依靠压缩空气来推动。膜片式
6、气缸与活塞式气缸相比，因膜片的变形量有限，故气缸的行程较短，一般不超过4050 mm。其最大行程Lmax与缸径D的关系为 Lmax（0.120.25）D 第11章 气动执行元件 图 11-3 膜片式气缸(a)单作用式；(b)双作用式 第11章 气动执行元件 因变形要吸收能量，所以活塞杆上的输出力随着行程的增大而减小。膜片式气缸的膜片材料一般为夹织物橡胶、钢片或磷青铜片，膜片的结构有平膜片和碟形膜片及滚动膜片。根据活塞杆的行程来选择不同的膜片结构：平膜片气缸的行程仅为膜片直径的0.1倍，碟形膜片行程可达0.25倍，滚动膜片气缸的行程可以更长些。第11章 气动执行元件 3 3气液阻尼气缸气液阻尼气
7、缸因气体具有很大的压缩性，一般普通气缸在工作负载变化较大时，会产生“爬行”或“自走”现象，气缸的平稳性较差，且不易使活塞获得准确的停止位置。为使活塞运动平稳，可利用液压油的性质采用气液阻尼缸。气液阻尼缸由气缸和液压缸组合而成，它是以压缩空气为能源，以油液作为控制和调节气缸运动速度的介质，利用液体的可压缩性小的性质和通过控制液体排量来获得气缸的平稳运动和调节活塞的运动速度的。气液阻尼缸按其组合方式不同可分为串联式和并联式两种。第11章 气动执行元件 图11-4所示为串联式气液阻尼缸的工作原理图，它将气缸和液压缸串接成一个主体，两个活塞固定在一个活塞杆上，在液压缸进、出口之间装有单向节流阀。当气缸
8、右腔进气时，活塞克服外载并带动液压缸活塞向左运动。此时液压缸左腔排油，由于单向阀关闭，油液只能经节流阀1缓慢流回右腔，因此对整个活塞的运动起到阻尼作用。调节节流阀即可达到调节活塞运动速度的目的。当压缩空气进入气缸左腔时，液压缸右腔排油，此时单向阀3开启，活塞能快速返回。第11章 气动执行元件 图 11-4 串联式气液阻尼缸的工作原理 第11章 气动执行元件 串联式气液阻尼缸的缸体较长，加工与装配的工艺要求高，且气缸和液压缸之间容易产生油与气互窜现象。为此，可将气缸与液压缸并联组合。图11-5 所示为并联式气液阻尼缸，其工作原理与串联式气液阻尼缸相同。这种气液阻尼缸的缸体较短，结构紧凑，消除了油
9、气互窜现象。但这种组合方式，两个缸不在同一轴线上，安装时对其平行度要求较高。第11章 气动执行元件 图 11-5 并联式气液阻尼缸第11章 气动执行元件 4 冲击式气缸冲击式气缸 冲击式气缸是将压缩空气的能量转换为动能，使活塞高速运动，输出能量，产生较大的冲击力，击打工件做功的一种气缸。冲击气缸主要由缸体、中盖、活塞和活塞杆等组成，如图116所示。冲击气缸在结构上比普通气缸增加了一个具有一定容积的蓄能腔和喷嘴，中盖6与缸体固定，中盖和活塞把气缸分隔成三个部分，即活塞杆腔1、活塞腔2和蓄能腔5。中盖6的中心开有喷嘴口4。第11章 气动执行元件 当压缩空气进入蓄能腔时，其压力只能通过喷嘴口的小面积
10、作用在活塞上，还不能克服活塞杆腔的排气压力所产生的向上的推力以及活塞与缸体间的摩擦力，喷嘴处于关闭状态，随着空气的不断进入，蓄能腔内的气体压力逐渐升高。当气体压力升高，使作用在喷嘴口面积上的总推力足以克服活塞受到的阻力时，活塞向下移动，喷嘴口开启，聚集在蓄能腔中的压缩空气通过喷嘴口以声速流向活塞腔,作用于活塞全面积上。高速气流进入活塞腔进一步膨胀并产生冲击波，其压力可达气源压力的几倍到几十倍，给予活塞很大的向下的推力。此时活塞杆腔内的压力很低，活塞在很大的压差作用下迅速加速，在很短的时间内以极高的速度向下冲击，从而获得巨大的动能。利用这个能量实现冲击做功，可产生很大的冲击力。第11章 气动执行
11、元件 图 11-6 冲击气缸 第11章 气动执行元件 图 11-7 摆动气缸 第11章 气动执行元件 11.1.3 11.1.3 标准化气缸简介标准化气缸简介气缸可自行设计，但一般都采用标准化的气缸。标准化的气缸一般用“QG”表示。1 1 标准化气缸的标记和系列标准化气缸的标记和系列“QG”表示标准化气缸，它还分别用“A、B、C、D、H”表示其五种系列，具体的标注方法是：Q GA B C D H缸径行程 第11章 气动执行元件 五种系列气缸分别为QGA无缓冲普通气缸；QGB细杆（标准杆）缓冲气缸；QGC粗杆缓冲气缸；QGD气液阻尼缸；QGH回转气缸。第11章 气动执行元件 例如：QGA1001
12、25表示缸径（内径）为100 mm，行程为125 mm的无缓冲普通气缸。其它还有用“ISO”标注的标准化气缸，其气缸系列有SI、SU、SC三种。SI系列又有SI、SID、SIJ之分，分别表示单轴双作用、双轴双作用、双轴可调行程式；SU系列又有SU、SUD、SUJ之分，分别表示无拉杆式的单轴双作用、双轴双作用、双轴可调行程式；SC系列又有SC、SCD、SCJ之分，分别表示有拉杆式的单轴双作用、双轴双作用、双轴可调行程式。其标注方式举例如下：SIJ-缸径行程-可调整行程 第11章 气动执行元件 例如：SIJ-5050-25-S-LB表示缸径（内径）为50 mm，行程为50mm，且行程可在2550
13、mm之间调整的附磁环的、两端支座固定的双轴可调行程式标准气缸。其中，S表示附磁环,若空白,则不附磁；LB表示固定方式。第11章 气动执行元件 2 标准化气缸的主要参数标准化气缸的主要参数标准化气缸的主要参数有缸筒内径D和行程L。在一定的气源压力下，缸筒内径的大小标志着气缸活塞杆的理论输出力的大小;行程标志气缸的作用范围。标准化气缸的缸径D（单位mm）有11种规格：40、50、63、80、100、125、160、200、250、320、400 行程L（mm）则依气缸径确定，其中，无缓冲气缸：L（0.52）D；有缓冲气缸：L（110）D。第11章 气动执行元件 11.1.4 气缸的工作特性及计算气
14、缸的工作特性及计算1 气缸的速度气缸的速度一般气缸活塞的运动速度是指在其行程范围内的平均速度，气缸的平均运动速度可按进气量的大小求出，即 Aqv 式中：q为压缩空气的体积流量；A为活塞的有效作用面积。标准普通气缸的速度范围在50500mm/s之间，普通气缸的最低速度为5mm/s，高速可达17 m/s。第11章 气动执行元件 2 2气缸的理论输出力气缸的理论输出力双作用气缸的输出推力在不计摩擦阻力和惯性的情况下，可写为 2211ApApF式中：p1、p2分别为进、排气侧的压力;A1、A2分别为进、排气侧活塞的有效作用面积。若考虑活塞运动过程中的摩擦阻力和惯性等因素的影响，也可用下式求双作用气缸活
15、塞上的输出推力，即)(2211ApApF式中：为气缸的效率，一般取0.70.95。第11章 气动执行元件 3 3气缸的效率和负载率气缸的效率和负载率气缸未承载时实际所能输出的力，受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆和前缸盖之间的摩擦力影响。摩擦力影响程度用气缸效率表示，一般气缸的效率在0.70.95之间。从对气缸的运行特性研究可知，要精确确定气缸的实际输出力是困难的。一般是在研究气缸的性能和选择确定气缸缸径时，常用到负载率的概念。气缸负载率的定义为 000100FF气缸的理论负载气缸的实际负载第11章 气动执行元件 气缸的实际负载（轴向负载）是由工况所决定的。若气缸的负载率确定，则可求出气缸的理
16、论输出力F，进而可计算出气缸的缸径。气缸负载率的选择与气缸的负载性能、安装工况及气缸的运动速度有关，见表11-1。表表11-1 气缸的运动状态与负载率气缸的运动状态与负载率 惯性负载的运动速度v 阻性负载（静负载）100mm/s 100500mm/s 500mm/s 0.8 0.65 0.5 0.3 第11章 气动执行元件 4 4气缸缸径计算气缸缸径计算对于气缸，有公式：pAF 式中：p为气缸的工作压力；A为活塞的有效作用面积；为气缸的效率，当活塞运动速度v200mm/s时取大值，反之取小值。气缸无杆腔进气时：pFD4第11章 气动执行元件 气缸有杆腔进气时：24dpFD式中：d为活塞杆直径。
17、一般可先按d/D=0.20.3代入。计算出气缸的直径D后，按标准值圆整，再选择标准系列中相近的缸径值。第11章 气动执行元件 5 5气缸耗气量计算气缸耗气量计算气缸耗气量是指气缸作往复运动时所消耗的压缩空气量，耗气量的大小与气缸的性能无关，但它是设计选择气源系统的重要依据。(1）最大耗气量qmax是指气缸活塞完成一次行程所需的耗气量，单位为L/min，其计算公式如下:tpsDq11.01.0047.02max式中:D为缸径，单位为cm；s为气缸行程，单位为cm；t为气缸一次往复行程所需的时间，单位为s；p为工作压力，单位为MPa。第11章 气动执行元件(2）平均耗气量是由气缸容积和气缸每分钟的
18、往复次数算出的耗气量的平均值，单位为L/min，其计算公式如下:1.01.000157.02maxpsNDq式中:N为气缸每分钟的往复次数。第11章 气动执行元件 11.1.5 11.1.5 气缸的选择与使用气缸的选择与使用1 1 气缸的选择气缸的选择气缸的品种繁多，各种型号、类别的气缸，其性能、用途及适应的工况不尽相同，在选择气缸时要考虑的因素很多，一般应注意以下几点：(1）气缸的类型。根据工作要求、工况特点及工作环境条件选择气缸的类型。第11章 气动执行元件(2）气缸的规格。根据工作负载情况、运动状态和系统工作压力分别确定气缸的轴向负载、负载率和工作压力，对照产品样本选择标准化气缸的缸径和
19、行程。一般应在保证工作要求的前提下适当留出一定的行程余量（约为1020 mm），防止活塞和缸盖相碰。(3）气缸的安装方式。由安装的位置、使用目的、气缸结构等因素决定。一般用途多采用固定式气缸。气缸的常见安装方式可参见相关设计手册。第11章 气动执行元件 2.2.气缸的使用气缸的使用(1）正常工作压力的范围一般为0.40.6 MPa，环境温度在3580之间。(2）安装注意事项:安装前要用1.5倍工作压力进行测压实验，以防止泄漏；安装时注意动作方向，防止活塞杆偏心；检查所有密封件的密封性能；调整好活塞行程，以避免活塞和缸体的撞击。第11章 气动执行元件 11.2 气气 动动 马马 达达 11.2.
20、1 11.2.1 气动马达的特点气动马达的特点(1)具有防爆性能，工作安全，可在易燃、易爆、高温、振动、潮湿、粉尘等恶劣环境下工作，不受高温及振动的影响。(2)具有过载保护作用。可长时间满载工作，且温升较小，过载时马达只是降低转速或停车，过载解除后，可立即重新正常运转。(3)可实现无级调速。通过控制调节节流阀的开度来控制进入气动马达的压缩空气的流量，从而控制调节气动马达的转速。第11章 气动执行元件(4)具有较高的启动转矩，可直接带负载启动，启动、停止迅速。(5)功率范围及转速的调速范围较宽。功率小至几百瓦，大至几万瓦；转速可从零到25 000 r/min或更高。(6)与电动机相比，单位功率尺
21、寸小，结构简单,重量轻，适用于安装在位置狭小的场合及手工工具上，操作方便，可正反转，维修容易,成本低。气动马达的缺点是：速度稳定性较差，输出功率小，耗气量大,效率低,噪声大和易产生振动。第11章 气动执行元件 11.2.2 11.2.2 气动马达的分类及工作原理气动马达的分类及工作原理图11-8为叶片式气动马达的工作原理图。压缩空气由A孔输入后，分为两路：一路经定子两端密封盖的槽进入叶片底部将叶片推出，叶片就是靠此气压推力和转子转动的离心力作用而紧密地贴紧在定子内壁上的；另一路经A孔进入相应的密封工作空间，压缩空气作用在两个叶片上。由于两叶片伸出长度不等，因此产生了转矩，因而叶片与转子按逆时针
22、方向旋转，则可改变转子的转向。叶片式气动马达一般在中、小容量，高速旋转的范围内使用，其输出功率为0.120 kW，转速为50025 000 r/min。叶片式气动马达启动及低速时的特性不好，在转速500 r/min以下场合使用时，必须使用减速机构。第11章 气动执行元件 图11-8 叶片式气动马达第11章 气动执行元件 11.2.3 11.2.3 气动马达的选择及使用要求气动马达的选择及使用要求1.1.气动马达的选择气动马达的选择不同类型的气动马达具有不同的特点和适用范围，故主要从负载的状态要求来选择适当的马达。须注意的是产品样本中给出的额定转速一般是最大转速的一半，而额定功率则是在额定转速时
23、的功率（一般为该种马达的最大功率）。第11章 气动执行元件 2 2 气动马达的使用要求气动马达的使用要求气动马达工作的适应性很强，因此，应用广泛。在使用中应特别注意气动马达的润滑状况，润滑是气动马达正常工作不可缺少的一个环节。气动马达在得到正确、良好润滑情况下，可在两次检修之间至少运转25003000小时。一般应在气动马达的换向阀前装油雾器，以进行不间断的润滑。第11章 气动执行元件 思考和练习题思考和练习题 11-1 简述冲击式气缸的工作原理。11-2 简述气液阻尼气缸的工作原理。11-3 标准化气缸的哪一个参数直接影响气缸的承压能力？11-4 单杆双作用气缸内径D=125mm，活塞杆直径d=36 mm，工作压力q=0.5 MPa，气缸机械效率为0.9，求该气缸的前进和后退时的输出力各为多少？11-5 单杆双作用气缸内径D=100mm，活塞杆直径d=40 mm，行程L=450 mm，进退压力均为q=0.5 MPa，每分钟往返运动10次，求该缸消耗的自由空气量。
