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。

    其原理及結構見下圖

  圖：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，結構簡單，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。其結構可分為雙活塞桿式、單活塞桿式、雙活塞式、緩沖式和非緩沖式等。此類氣缸使用。

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?，氣液阻尼缸的輸出力應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、結構緊湊；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)速特性及應用見表42.2-3。
    就氣-液阻尼缸的結構而言，尚可分為多種形式：節(jié)流閥、單向閥單獨設置或裝于缸蓋上；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)結式、行程閥控制快速趨近式等?；钊嫌袚醢迨絾蜗蜷y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。其結構較為簡單，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?？恳簤焊谆钊麠U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)速特性及應用

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

    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形頂塊和拉鉤裝設位置不同，前者設置在缸外部。后者設置在氣缸活塞桿內(nèi)，結構緊湊但不易調(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構見圖42.2-10。與普通氣缸相比，此種沖擊氣缸增設了蓄氣缸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。zui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）。

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zui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。可認為第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。

圖42.2-11 普通型沖擊氣缸的工作原理
1—  蓄氣缸；2—中蓋；3—排氣孔；4—噴氣口；5—活塞

    第四階段：彈跳段。在沖擊段之后，從能量觀點來說，蓄氣缸腔內(nèi)壓力能轉(zhuǎn)化成活塞動能，而活塞的部分動能又轉(zhuǎn)化成有桿腔的壓力能，結果造成有桿腔壓力比蓄氣-無桿腔壓力還高，即形成“氣墊”，使活塞產(chǎn)生反向運動，結果又會使蓄氣-無桿腔壓力增加，且又大于有桿腔壓力。如此便出現(xiàn)活塞在缸體內(nèi)來回往復運動—即彈跳。直至活塞兩側(cè)壓力差克服不了活塞阻力不能再發(fā)生彈跳為止。待有桿腔氣體由A排空后，活塞便下行至終點。
    第五階段：耗能段?；钊滦兄两K點后，如換向閥不及時復位，則蓄氣-無桿腔內(nèi)會繼續(xù)充氣直至達到氣源壓力。再復位時，充入的這部分氣體又需全部排掉。可見這種充氣不能作用有功，故稱之為耗能段。實際使用時應避免此段（令換向閥及時換向返回復位段）。
    對內(nèi)徑D=90mm的氣缸，在氣源壓力0.65MPa下進行實驗，所得沖擊氣缸特性曲線見圖42.2-12。上述分析基本與特性曲線相符。
    對沖擊段的分析可以看出，很大的運動加速使活塞產(chǎn)生很大的運動速度，但由于必須克服有桿腔不斷增加的背壓力及摩擦力，則活塞速度又要減慢，因此，在某個沖程處，運動速度必達zui大值，此時的沖擊能也達zui大值。各種沖擊作業(yè)應在這個沖程附近進行（參見圖42.2-11c）。
    沖擊氣缸在實際工作時，錘頭模具撞擊工件作完功，一般就借助行程開關發(fā)出信號使換向閥復位換向，缸即從沖擊段直接轉(zhuǎn)為復位段。這種狀態(tài)可認為不存在彈跳段和耗能段。
    2）快排型沖擊氣缸由上述普通型沖擊氣缸原理可見，其一部分能量（有時是較大部分能量）被消耗于克服背壓（即p2）做功，因而沖擊能沒有充分利用。假如沖擊一開始，就讓有桿腔氣體全排空，即使有桿腔壓力降至大氣壓力，則沖擊過程中，可節(jié)省大量的能量，而使沖擊氣缸發(fā)揮更大的作用，輸出更大的沖擊能。這種在沖擊過程中，有桿腔壓力接近于大氣壓力的沖擊氣缸，稱為快排型沖擊氣缸。其結構見圖42.2-13a。
    快排型沖擊氣缸是在普通型沖擊氣缸的下部增加了“快排機構”構成?？炫艡C構是由快排導向蓋1、快排缸體4、快排活塞3、密封膠墊2等零件組成。
    快排型沖擊氣缸的氣控回路見圖42.2-13b。接通氣源，通過閥F1同時向K1、K3充氣，K2通大氣。閥F1輸出口A用直管與K1孔連通，而用彎管與K3孔連通，彎管氣阻大于直管氣阻。這樣，壓縮空氣先經(jīng)K1使快排活塞3推到上邊，由快排活塞3與密封膠墊2一起切斷有桿腔與排氣口T的通道。然后經(jīng)K3孔向有桿腔進氣，蓄氣一無桿腔氣體經(jīng)K4孔通過閥F2排氣，則活塞上移。當活塞封住中蓋噴氣口時，裝在錘頭上的壓塊觸動推桿6，切換閥F3，發(fā)出信號控制閥F2使之切換，這樣氣源便經(jīng)閥F2和K4孔向蓄氣腔內(nèi)充氣，一直充至氣源壓力。

圖42.2-12  沖擊氣缸特性曲線

圖42.2-13 快排型沖擊氣缸結構及控制回路
a）結構圖；b）控制回路
1—快排導向蓋；2—密封膠墊；3—快排活塞；4—快排缸體；5—中蓋
T— 方孔；C—環(huán)形空間； 6—推桿；7—氣阻；8—氣容

    沖擊工作開始時，使閥F1切換，則K2進氣，K1和K3排氣，快排活塞下移，有桿腔的壓縮空氣便通過快排導向蓋1上的多個圓孔（8個），再經(jīng)過快排缸體4上的多個方孔T（10余個）及K3直接排至大氣中。因為上述多個圓孔和方孔的通流面積遠遠大于K3的通流面積，所以有桿腔的壓力可以在極短的時間內(nèi)降低到接近于大氣壓力。當降到一定壓力時，活塞便開始下移。錘頭上壓塊便離開行程閥F3的推桿6，閥3在彈簧的作用下復位。由于接有氣阻7和氣容8，閥3雖然復位，但F2卻延時復位，這就保證了蓄氣缸腔內(nèi)的壓縮空氣用來完成使活塞迅速向下沖擊的工作。否則，若F3復位，F(xiàn)2同時復位的話，蓄氣缸腔內(nèi)壓縮空氣就會在錘頭沒有運動到行程終點之前已經(jīng)通過K4孔和閥F2排氣了，所以當錘頭開始沖擊后，F(xiàn)2的復位動作需延時幾十毫秒。因所需延時時間不長，沖擊缸沖擊時間又很短，往往不用氣阻、氣容也可以，只要閥F2的換向時間比沖擊時間長就可以了。
    在活塞向下沖擊的過程中，由于有桿腔氣體能充分地被排空，故不存在普通型沖擊氣缸有桿腔出現(xiàn)的較大背壓，因而快排型沖擊氣缸的沖擊能是同尺寸的普通型沖擊氣缸沖擊能的3～4倍。
    （2）數(shù)字氣缸
    如圖42.2-14所示，它由活塞1、缸體2、活塞桿3等件組成?；钊挠叶擞蠺字頭，活塞的左端有凹形孔，后面活塞的T字頭裝入前面活塞的凹形孔內(nèi)，由于缸體的限制，T字頭只能在凹形孔內(nèi)沿缸軸向運動，而兩者不能脫開，若干活塞如此順序串聯(lián)置于缸體內(nèi)，T字頭在凹形孔中左右可移動的范圍就是此活塞的行程量。不同的進氣孔A1～Ai（可能是A1，或是A1和A2，或A1、A2和A3，還可能是A1和A3，或A2和A3等等）輸入壓縮空氣（0.4～0.8MPa）時，相應的活塞就會向右移動，每個活塞的向右移動都可推動活塞桿3向右移動，因此，活塞桿3每次向右移動的總距離等于各個活塞行程量的總和。這里B孔始終與低壓氣源相通（0.05～0.1MPa），當A1～Ai孔排氣時，在低壓氣的作用下，活塞會自動退回原位。各活塞的行程大小，可根據(jù)需要的總行程s按幾何級數(shù)由小到大排列選取。設s=35mm，采用3個活塞，則各活塞的行程分別取α1=5mm；α2=10mm；α3=20mm。如s=31.5mm，可用6個活塞，則α1、α2、α3……α6分別設計為0.5、1、2、4、8、16mm，由這些數(shù)值組合起來，就可在0.5～31.5mm范圍內(nèi)得到0.5mm整數(shù)倍的任意輸出位移量。而這里的α1、α2、α3……αi可以根據(jù)需要設計成各種不同數(shù)列，就可以得到各種所需數(shù)值的行程量。
    （3）回轉(zhuǎn)氣缸
    如圖42.2-1所示，主要由導氣頭、缸體、活塞、活塞桿組成。這種氣缸的缸體3連同缸蓋6及導氣頭芯10被其他動力（如車床主軸）攜帶回轉(zhuǎn)，活塞4及活塞桿1只能作往復直線運動，導氣頭體9外接管路，固定不動。
    固轉(zhuǎn)氣缸的結構如圖42.2-15b所示。為增大其輸出力采用兩個活塞串聯(lián)在一根活塞桿上，這樣其輸出力比單活塞也增大約一倍，且可減小氣缸尺寸，導氣頭體與導氣頭芯因需相對轉(zhuǎn)動，裝有滾動軸承，并以研配間隙密封，應設油杯潤滑以減少摩擦，避免燒損或卡死。
    回轉(zhuǎn)氣缸主要用于機床夾具和線材卷曲等裝置上。
    （4）撓性氣缸
    撓性氣缸是以撓性軟管作為缸筒的氣缸。常用撓性氣缸有兩種。一種是普通撓性氣缸見圖42.2-16，由活塞、活塞桿及撓性軟管缸筒組成。一般都是單作用活塞氣缸，活塞的回程靠其他外力。其特點是安裝空間小，行程可較長。

圖42.2-14  數(shù)字氣缸
1—活塞；2—缸體；3—活塞桿

圖42.2-15 回轉(zhuǎn)氣缸
a）原理圖；b）結構圖
1—活塞桿；2、5—密封圈；3—缸體；4—活塞；6—缸蓋；7、8—軸承
9—導氣頭體；10—導氣頭芯；11—中蓋；12—螺栓

圖42.2-16  普通撓性氣缸

    第二種撓性氣缸是滾子撓性氣缸見圖42.2-17。由夾持滾子代替活塞及活塞桿，夾持滾子設在撓性缸筒外表面，A端進氣時，左端撓性筒膨脹，B端排氣，缸左端收縮，夾持在缸筒外部的滾子在膨脹端的作用下，向右移動，滾子夾帶動載荷運動。可稱為撓性筒滾子氣缸。這種氣缸的特點是所占空間小，輸出力較小，載荷率較低，可實現(xiàn)雙作用。

圖42.2-17  滾子撓性氣缸

    （5）鋼索式氣缸
    鋼索式氣缸見圖42.2-18，是以柔軟的、彎曲性大的鋼絲繩代替剛性活塞桿的一種氣缸。活塞與鋼絲繩連在一起，活塞在壓縮空氣推動下往復運動，鋼絲繩帶動載荷運動，安裝兩個滑輪，可使活塞與載荷的運動方向相反。
    這種氣缸的特點是可制成行程很長的氣缸，如制成直徑為25mm ，行程為6m左右的氣缸也不困難。鋼索與導向套間易產(chǎn)生泄漏。