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氣缸的工作原理

 

1.2.1單作用氣缸
單作用氣缸只有一腔可輸入壓縮空氣，實現(xiàn)一個方向運動。其活塞桿只能借助外力將其推回；通常借助于彈簧力，膜片張力，重力等。
其原理及結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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于克服彈簧力或膜片張力，因而減小了活塞桿的輸出力。
3）缸內(nèi)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。
由于以上特點，單作用活塞氣缸多用于短行程。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(xiàn)雙向運動的氣缸。其結(jié)構(gòu)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，工作臺運動范圍等于其有效行程s的3倍。安裝所占空間大，一般用于小型設(shè)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。適用于中、大型設(shè)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(cè)受力面積相等。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）緩沖氣缸對于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。為了使活塞在行程末端運動平穩(wěn)，不產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象。在氣缸兩端加設(shè)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(jié)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(jīng)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(cè)的緩沖柱塞3將柱塞孔4堵死、活塞繼續(xù)向右運動時，封在氣缸右腔內(nèi)的剩余氣體被壓縮，緩慢地通過節(jié)流閥6及氣孔8排出，被壓縮的氣體所產(chǎn)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(wěn)，不產(chǎn)生沖擊。調(diào)節(jié)節(jié)流閥6閥口開度的大小，即可控制排氣量的多少，從而決定了被壓縮容積（稱緩沖室）內(nèi)壓力的大小，以調(diào)節(jié)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(jié)流閥6閥口開度固定，不可調(diào)節(jié)，即稱為不可調(diào)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(jié)流閥；7—端蓋；8—氣孔
氣缸所設(shè)緩沖裝置種類很多，上述只是其中之一，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。*，通常氣缸采用的工作介質(zhì)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(chǎn)生“爬行”或“自走”現(xiàn)象；而液壓缸采用的工作介質(zhì)是通常認為不可壓縮的液壓油，其特點是動作不如氣缸快，但速度易于控制，當載荷變化較大時，采用措施得當，一般不會產(chǎn)生“爬行”和“自走”現(xiàn)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(tǒng)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(lián)而成，兩活塞固定在同一活塞桿上。液壓缸不用泵供油，只要充滿油即可，其進出口間裝有液壓單向閥、節(jié)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(guān)閉，油只能通過節(jié)流閥流入液壓缸右腔及油杯內(nèi)，這時若將節(jié)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(jié)流閥閥口關(guān)小，液壓缸左腔排油受阻，兩活塞運動速度會減慢。這樣，調(diào)節(jié)節(jié)流閥開口大小，就能控制活塞的運動速度?？梢钥闯觯瑲庖鹤枘岣椎妮敵隽?yīng)是氣缸中壓縮空氣產(chǎn)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(jié)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(lián)型與并聯(lián)型兩種。前面所述為串聯(lián)型，圖42.2-6為并聯(lián)型氣-液阻尼缸。串聯(lián)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(chǎn)生竄氣竄油現(xiàn)象。并聯(lián)型缸體較短、結(jié)構(gòu)緊湊；氣、液缸分置，不會產(chǎn)生竄氣竄油現(xiàn)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(chǎn)生附加力矩，會增加導軌裝置磨損，也可能產(chǎn)生“爬行”現(xiàn)象。串聯(lián)型氣-液阻尼缸還有液壓缸在前或在后之分，液壓缸在后參見圖42.2-5，液壓缸活塞兩端作用面積不等，工作過程中需要儲油或補油，油杯較大。如將液壓缸放在前面（氣缸在后面），則液壓缸兩端都有活塞桿，兩端作用面積相等，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 并聯(lián)型氣-液阻尼缸
1—液壓缸；2—氣缸按調(diào)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(diào)速特性及應(yīng)用見表42.2-3。
就氣-液阻尼缸的結(jié)構(gòu)而言，尚可分為多種形式：
節(jié)流閥、單向閥單獨設(shè)置或裝于缸蓋上；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(nèi)滑柱式、機械浮動聯(lián)結(jié)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?；钊蠋в袚醢迨絾蜗蜷y，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(xiàn)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(guān)閉，液壓缸左腔的油經(jīng)節(jié)流閥流至右腔（經(jīng)缸外管路）。調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度即可調(diào)節(jié)活塞慢進的速度。其結(jié)構(gòu)較為簡單，制造加工較方便。
圖42.2-8為采用機械浮動聯(lián)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(xiàn)空程快速趨近，然后再帶動液壓缸活塞，通過節(jié)流阻尼，實現(xiàn)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(xiàn)快退。
表42.2-3氣-液阻尼缸調(diào)速特性及應(yīng)用
調(diào)速方式 結(jié)構(gòu)示意圖 特性曲線 作用原理 應(yīng)用
雙向節(jié)流調(diào)速在氣-液阻尼缸的回油管路裝設(shè)可調(diào)式節(jié)流閥，使活塞往復運動的速度可調(diào)并相同適用于空行程及工作行程都較短的場合（s＜20mm）
單向節(jié)流調(diào)速將一單向閥和一節(jié)流閥并聯(lián)在調(diào)速油路中?；钊蛴疫\動時，單向閥關(guān)閉，節(jié)流慢進；活塞向左運動時，單向閥打開，不經(jīng)節(jié)流快退。適用于空行程較短而工作行程較長的場合
快速趨近單
向節(jié)流調(diào)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(jīng)由fgea回路直接流入α端實現(xiàn)快速趨近，當活塞移過ƒ點，油只能經(jīng)節(jié)流閥流入α端，實現(xiàn)慢進，活塞向左運動時，單向閥打開，實現(xiàn)快退。由于快速趨近，節(jié)省了空程時間，提高了勞動生產(chǎn)率。是各種機床、設(shè)備常用的方式
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(lián)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(lián)接氣-液阻尼缸。與前者的區(qū)別在于：T形頂塊和拉鉤裝設(shè)位置不同，前者設(shè)置在缸外部。后者設(shè)置在氣缸活塞桿內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊但不易調(diào)整空行程s1（前者調(diào)節(jié)頂絲即可方便調(diào)節(jié)s1的大?。?
1.2.4 特殊氣缸
（1）沖擊氣缸

圖42.2-9 浮動聯(lián)接氣-液阻尼缸
沖擊氣缸是把壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)見圖42.2-10。與普通氣缸相比，此種沖擊氣缸增設(shè)了蓄氣缸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）：
*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(tài)，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(huán)形空間C經(jīng)過排氣小孔3與大氣相通。后，活塞有桿腔壓力升高至氣源壓力，蓄氣缸內(nèi)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(nèi)，A孔排氣。由于蓄氣缸腔內(nèi)壓力作用在活塞上的面積只是噴氣口4的面積，它比有桿腔壓力作用在活塞上的面積要小得多，故只有待蓄氣缸內(nèi)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(nèi)壓力（壓力）（Pa）；
p20——活塞開始移動瞬時有桿腔內(nèi)壓力（壓力）（Pa）；
G——運動部件（活塞、活塞桿及錘*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。這里的p20、p30均為壓力?？梢娀钊_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?；钊_始移動瞬時，蓄氣缸腔內(nèi)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(huán)形空間C）通過排氣孔3與大氣相通，故無桿腔壓力p10等于大氣壓力pa。由于pa/ps大于臨界壓力比0.528，所以活塞開始移動后，在小流通截面處（噴氣口與活塞之間的環(huán)形面）為聲速流動，使無桿腔壓力急劇增加，直至與蓄氣缸腔內(nèi)壓力平衡。該平衡壓力略低于氣源壓力。以上可以稱為沖擊段的第I區(qū)段。第I區(qū)段的作用時間極短（只有幾毫秒）。在第I區(qū)段，有桿腔壓力變化很小，故第I區(qū)段末，無桿腔壓力p1（作用在活塞全面積上）比有桿腔壓力p2（作用在活塞桿側(cè)的環(huán)狀面積上）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(nèi)為略帶充氣的絕熱膨脹過程。同時有桿腔排氣孔A通流面積有限，活塞高速沖擊勢必造成有桿腔內(nèi)氣體迅速壓縮（排氣不暢），有桿腔壓力會迅速升高（可能高于氣源壓力）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(qū)段?？烧J為第Ⅱ區(qū)段的有桿腔內(nèi)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。

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