气缸设计和选择指南

～ 萃 赳 驯 {乞，蚀2，吸 ， 蜉 锑 气 压缩空气系统通过提供线性的和旋转 的运动做有用功 虽然广范使用了气动马 达，特别是用于驱动旋转机构，但是 ，作为线 性执行机构的气缸，仍然是大多数气动系统 中最基本的组件。在压缩空气的能源和执行 机构之间，气缸起到了简单的连接作用。气 缸是一种灵活的、经济的和耐用的器件，非 常广范地用于自动控制设备中 气缸实际上是由两端用端盖封住的缸 体构成的。在缸体内滑动的是与活塞杆连接 的活塞，活塞杆通过一个端盖的轴套延伸到 缸体外部 对于双作用气缸，可以在两个方 向上提供运动和作用力，每一个端盖有—个 气孔{接照所需的运动方向，压缩空气可以 进入到活塞的一端，并通过另一端气孔排 气，见图1 为了阐明压缩空气进入到气缸后的作 用，让我们来考察高压空气在气缸中的活 动；这时，气缸的体积取决于可动活塞的位 置。图 2表示的三条曲线，是在相同的压力 下，空气以不同的流速进入同一固定容器内 压力升高的特性。曲线(a)表示压气的流速 未受控制，曲线(b)的流速受到一些限制，而 曲线(c)的流速受到更多地限制。 这些曲线的最大压力都是 100个单位} 可以看出．在每一种情况下．都不是直线达 到最大压力的。在大约7O 的最大压力处。 压力的增长率随着向最大压力的趋近而逐 渐降低。70 的最大压力值只是近似的，而 且图象不完垒是直的I但是。对于实际应用 来讲可以把图象看作直线． 一 、压气驱动下的活塞 · 3{· THf弓g． 南 在活塞带着负载运行的情况下，在活塞 运动之前必须使气缸内压气量上升到足以 克服负载的阻力。因此，在活塞开始运动之 前，可以将气缸作为定值容器，并且其压力 特性曲线类似于图2中所示的曲线。然而， 曲线的扩展程度取决于活塞的负载与气缸 的推力之间的比例关系。所以，如果气缸所 承受负载仅为能力的60 ，那么，曲线基本 上是直的。 一 旦气缸内的气体压力上升到足以克 服负载时，活塞即会开始运动，因而系统不 再处于定容状态，而进入扩容状态。压气体 积应接一定的速度增加，这—速度取决于压 气的补给，以保持足够的压力，从而克服负 载的惯性和机构摩擦。因此，气缸内压力将 保持常量，同时活塞以匀速运动。 要研究用图解表示的压力特性曲线，考 虑使用 一个瞬间可以换向的五位换向阀来 控制—个双作用气缸。在控制阀换向之前， 气缸的一端保持供气管路的压力，而另—端 为大气压力．控制阀换向时，原大气压力一 端的压力会上升，活塞另一端压力随着气体 的排除而下降。这种压力变化的速度，取决 于气缸的管道压力、气缸充气量和高压气流 的额定值。 图3所示为气缸内的压力变化曲线，并 表明在活塞尚未运动时，进气压力开始上 升，排气压力下降。在两者闻的正向压力差 达到足以克服活塞上的负载之前，活塞不会 有任何运动．由于静摩攘力是负载的一部 分．因而在起动时刻压差必须大于摩擦力方 能保持运动．所以，进气压力出现突增而捧 维普资讯 http://www.cqvip.com 本锕泽丛(季刊) 1995年第2期 气压力突降 随着活塞从静止位置开始运动，进口压 气进入稳定状态，以便在供气速度和活塞运 动所必须的压力之间保持平衡，这种运动处 于动态膨胀状态 活塞另一端的压气，当活 塞固定不动时，只能是扩散逸出。活塞开始 运动，随着活塞排气端的容积减小，保持一 定的背压，直至运动停止。此后，排气端多余 的气体扩散排出。 二、气缸的推力 进气和排气间的压力差显示出傲有用 功所使用的气缸推力。如果气缸最大起动推 力比使负载移动所需要的推力超出很小，那 么压力差带将是宽的，这是因为进气压力必 须很高而排气压力必须很低才能得到足以 图l 双作甩气缸亩秘E图 克服负载的推力。气缸的初始作用时间与起 动延迟期的增加成正比，特别是，如果压力 差带相当宽便会使压力升降曲线超过图2 中的额定7O 的压力条件。 还可能出现的气缸推力不足的问题是 能量的储备不足以克服活塞杆运行期间可 能承受的某些附加载荷。例如，密封件的摩 擦阻力或滑动件紧密程度的变化。因此，选 择比理论计算需要的起动推力大得多的气 缸直径是切实可行的。显然，这种判断还取 决于气缸的尺寸和安装间隙。另外，往往有 取值过量的毛病，因此，还要zlz-i~，能量过剩 意味着更多的压气损耗，并且还涉及到控制 阀尺寸和联接件的增大。 图3 气缸中压力的空化 强 2 固定悻积中的正力盘线 · 35 · 维普资讯 http://www.cqvip.com 本钢译丛(鞘 ) l驰5年第2期 压气可以提供快速推进的方法，并且通 常利用调节排气方式来控制活塞行程速度。 行程速度随用处的不同而异，常用的速度范 围约为0．01--2m／s。更高的速度是可能的， 但决定于使用气缸的类型和尺寸。 三、气缸的缓冲 活塞扦运动速度越快，越需要在活塞行 程终点建立阻尼机制。当活塞及其连接负载 减速时，必须将动能吸收掉。理所当然，在高 速下工作或者装卸重载时，这一点是很重要 的。 ． 因此大多数中型和重型气缸在端盖内 都设有缓冲装置。利用有凹槽的气缸端盖取 得最大的缓冲作用．可以实现缓冲的目的， 参见图 。气缸活塞上有一个缓冲凸塞，其 直径与缓冲槽孔间紧密配合．当活塞行程达 到终点时．进入缓冲槽内。随着活塞行程接 近端盖．非压力腔的空气可以通过气缸端盖 内的排气口自由排除。但是活塞上缓冲凸塞 进入缓冲槽时把气体密封在里面就产生了 缓冲作用．同时缓冲槽内压缩空气蓄积的能 量绕过缓冲密封圈，通过泄放孔释放 在这 种泄放孔上可以设置一个能改变缓冲强度 的调节阀，以满足不同的用途。 气缸在回程运行时．必须保证有足够大 的空气压力直接作用在整个活塞面积上。因 此．如果气流难以进入环形腔而到达活塞的 端面上，必须借助某种形式的单向阀，旁路 控制压气．以避免回程延期。没有这样—个 旁路孔道．就会使活塞回程的起动延期。不 过，活塞运动时，在缓冲凸塞位于密封的缓 冲槽内期间，活塞速度要慢。然后，缓冲凸塞 刚一离开缓冲槽，随着足够的压气作用在整 个活塞的面积上．活塞即刻向前突进 对于小型气缸，可以用安装专用的弹性 垫圈的方法来替代气体缓冲方法，这种弹性 垫圈变形时可吸收能量，并减少对端盖的冲 击。对于重型气缸，有时还需要接入—个外 · 36‘ 部液压式缓冲器。 多年的气缸设计和改进，从高j立力钢的 活塞杆直接在铸钢端盖内滑动、填料箱式活 塞杆密封、活塞分体组件等这些最原始的设 计开始已经有了长足发展。在市场竞争和主 要用户对可靠性和 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化进—步需求的压 力影响下，促成了重大的改进。最近几年推 出的有关缸径尺寸和安装的 m)P标准， 对于气缸设计有了重大影响。更加深远的影 响是提高了材料的利用率和加工技术．使气 缸具有更高的工作性能。 除了普通的气缸改进发展之外．最近我 们还看到食品工业和制药业等领域中推出 了靠不加润精油进行工作的压气设备。其它 方面革新，还有在行程终点使用舌簧接触点 的电子开关等。大多数气缸制造厂家正在提 供装有外部换向信号控制磁体的活塞，使活 塞位置适应行程信号的要求 由于广泛应用 的电磁控制气动伺服阀促进了上述发展，这 种电磁控制气动伺服阀可以通过电子程序 控制器发出的低功率信号实现快速操纵。 更重要的芨展是被称之为无杆气缸的 推出。这种靠压缩空气获得剐性长行程运动 的新型设计 思想 教师资格思想品德鉴定表下载浅论红楼梦的主题思想员工思想动态调查问卷论语教育思想学生思想教育讲话稿 ，是上一年 4／6期‘液压和 气动工程》杂志专刊的主题，因此在本篇中 我们没有关于无杆气缸的详细内容。 我们还看到推出了非旋转体活塞杆气 缸。这些气缸可以采用非圆形截面的活塞 形式或者将圊活塞固定在副导向杆上。 四、标准气缸分类 要很全面地划分出气缸的类型确实不 是一件简单的事情，但是有大多数气缸制造 厂家提供的众多的分类。基本形式有可以单 作用或双作用的普通单插塞气缸，通杆气 缸，具有双活塞的串联气缸．具有相互分离 的两套活塞及活塞杆并且其中一个活塞杆 固定的双联气缸．以及不常见的具有两个缸 体其中—个固定的双联气缸。圉5表示这些 维普资讯 http://www.cqvip.com 本锕译丛(季千4) l99s年第2期 气缸的基本形式的图形．另外．还有缆式气 缸．适合于短行程使用的隔膜气缸和已经提 到的最新型无杆式气缸。在 E述气缸中．应 用最广的就是单活塞双作用气缸，当—端进 气时开始工作行程，回程时则另一端进气。 图5 气缸娄基示意圉 簧复位单作用气缸 虽然整个活塞面积与有抨端活塞面积 相比所产生的推力具有明显差异，但实际上 这不是很危险的，除非活塞杆直径与缸体内 径比较相当大。 B一双作用‘c一双柞用双向埋冲‘ 双向伸出式气缸‘E一串联气缸I F一双联气缸l 两缸分离，有公共 活塞杆的双联气缸 田 6 气缸座的主要类童 A_后洼兰lB一前挂兰l c一旁篑脚座}D一靖胡睢 E—V|躔 lF一十宇帮啕瞳 ·37- 维普资讯 http://www.cqvip.com 本锕译 (季刊) 1995年第2期 五、气缸的型式 阀或伺服阀也是相当容易的事情。当然，也 一 般气缸的基本型式有三种：圆形无连 存在不利的一面．即黄铜或锕不能用作气缸 杆式；连杆式和压制成型式。在三种气缸中， 体材料；这也是为了满足一定用途的需要。 连杆式气缸还可根据端盖的型式进一步划 八、单作用气缸 分 简单的圆形无连杆气缸是最简单的结构 顾名思义，单作用气缸只具有在单一方 形式，并且●泛地用于小型设备上．它的比 向上提供推力的功能，活塞从工作行程方向 倒效应使其它型式的结构相形见拙。 返回通常是靠弹簧实现的。为了避免大部分 这种小型气缸的端盖一般用螺栓拧到 压气的推力消耗在弹簧上，必须使用反力较 由黄铜、铝或钢制成的缸体上。气缸端盖可 低的弹簧，因此，单作用气缸的有效用途受 能是铸件也可能是塑料制品，而活塞—般是 到了限制。还存在一个与弹簧系数的影响和 整体件。 使弹簧长度受到限制有关的问题。这种类型 六、连杆气缸 的单作用气缸可以装伸出式弹簧，也可以装 连杆气缸仍然是最通用的气缸，这种气 回缩式弹簧。 缸最基本的结构为装有两个铸造成形或模 通常．单作用气缸实际上只在小型设备 锻成形端盖的气缸体．两个端盖用四根相当 上使用，并且趋向于在自动控制设备中用作 于缸体长度的拉筋一同固定，并且用静态密 指示器和推出某些元件。 封圈密封。端盖可用铸铁或黄铜制作，但考 丸、双向伸出式气缸 虑到与连杆轴套和端盖前端密封相匹配，现 实质上，双向伸出式气缸类似于普通的 在使用了有多种用途的方形压铸铝端盖。对 气缸，只不过其活塞安装在活塞杆的中间部 于气缸体来说．最常用的是将铝制管材搪磨 位而不是在活塞杆的端部。有两个“前”端 加工内孔。除许多厂家现在提供不锈钢活塞 盖，以便满足活塞杆每端工作的需要。这种 杆气缸之外．标准气缸往往装有硬质镀铬钢 结构的气缸可在出现机构负载的场合发挥 活塞杆。 效用，并且当双向伸出式气缸可以装油时， 在机器结构的安装和调整期间，特别是 对于液一气并用也是有效的。 在目测检验阶段．具有方形端盖的连杆气缸 十、串联气缸 有许多可取之处。它看起来显得稍大一些， 串联气缸是双向气缸结构的合理推广， 但在制造方面．在气体接合面的定位和缓冲 即在普通的单向缸活塞杆的后部装上一个 调整螺栓方面的一些问题，可以利用普通圆 辅助活塞。因此串联气缸有两个活塞，—般 形气缸的经验。 活塞直径相同，两者共同推动同一个活塞 七、模压方形气缸 杆。当然．气缸加长了，但是不用增加整体 从许多方面考虑，发展由高强度铅合金 缸直径就能够提供双倍的推动力。这种结构 材料制成的方形模压气缸体是很合理的，对 气缸通常用于液一气联用的设备上，其中一 于具有这种结构的四方形缸体，可以用固定 个缸使用压气．另一个缸使用液压油。 螺栓把方形端盖安装上。此时．整个气缸体 十一、双联气缸 与圆柱形气缸相似，成为承受拉伸应力的元 在—个单作用气缸上工作的两个活塞 件 这种气缸结构有利于空气通道配置在缸 杆极限位置，不能满足更多的要求时，趋向 体材料上I必要时．还可以将两个连接件装 于使用双联气缸。 在气缸—端上。安装相应的配件和装配继动 接在一起， · 38· 维普资讯 http://www.cqvip.com 率钢译丛(季刊) 99 年第2期 定．或者使两个气缸安装一个共用的话塞 丰于．并把其中一个缸体固定。后者的结构布 置与串联气缸的区别在于两个缸体不相联 接。 同理．还可以制造出严密分级布置的多 位气缸 例如．三个气缸的排列顺序可获得 八个位置 十二、隔膜气缸 隔膜气缸实质是用一片隔膜代替活塞 行程很短的气缸。—般，这种隔膜比较大，以 便在短行程中产生较高的推动力。 现在广泛使用的可以取代隔膜气缸的 是行程很短的普通型气缸。这种气缸可以有 2ram那么小的行程，广泛地用于夹紧的场 台 十三、缆式气缸 作线性运动的普通型气缸固有的缺点 是气缸的总长度总是所需要最大行程长度 的两倍。对于大多数用途来讲，这种气缸没 有什么大问题；但是，对于长行程气缸而言， 在负载作用下存在着使活塞杆弯曲的危险， 这时就可能出现问题了。在此情况下，其它 解决方法是可以使用缆式气缸或者某种新 型无杆气缸。 缆式气缸是一种用钢缆代替活塞杆的 专用气缸。钢缆与活塞两侧面连接．并绕过 气缸两端的滑轮而加长。要推动的负载安置 一 在驱动钢缆的外部分连接着的台板上。因 此．在工作行程运行时，钢缆沿着气缸体平 行移动，因而不需增加总体长度。 十四、定位气缸 一 些制造厂家提供了定位气缸或可调 行程的气缸。这种气缸是靠连接的气动控制 器操纵的，气动控制器响应低压压气信号使 活塞向预先 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的位置移动，并且为调整活 塞行程长度作好准备。这种气缸常常用于控 制大型气动阀门一缓冲调节器等；对此，气 缸的运动必须与气动信号成正比。 +五、气缸座 气缸唐基本上分为以下三种主要类型： (a)沿活塞杆运动中心线方向承受负载 的固定式气缸 座。 (b)固定安装型，用于必须承受偏离活 塞杆中心线方向作用力的固定式气缸座。 (c)V型座或十字轴型座，当气压作用 到活塞上时，气缸自身产生运动。 第一种类型．可以包括前法兰式和后法 兰式气缸座．前法兰式缸座使活塞杆伸出的 长度最短I而在后法兰式缸座中，使垂直安 装的气缸有—个坚固的基础．并且气缸体不 承受来自负载的作用力。 在负载偏斜的固定式气缸座类型(b) 中，可以分为旁侧脚座和端部脚座。在连杆 式气缸中连杆的两个脚座位于气缸两端。 在使用某些气缸时，必须利用 V型座、 耳孔式或十字轴式缸座使负载作弧形运动。 一 般，可采用的型式有后V型座、后十字轴 式、前十字轴和中部十字轴式结构。用V型 座固定气缸的后端．在活塞工作时使气缸在 一 个平面内摆动。例如．要用气缸控制一个 杠杆时就使用这种类型的缸座。耳孔式缸座 的原理与 V型缸座类似．不过只用一个中 间耳环固定气缸，因此在与轴向运动垂直的 方向上，没有支承力。 (有对称为 轴台)上，并且大多数厂家都提供这类配件。 后十字轴式缸座类似于后V型缸座．但是 十字轴中心线位于气缸外缘以内而不在其 外部。 常见的还有中间十字轴缸座，但是可将 缸座固定在两个端盖之间的缸体上任何部 位。但是在正常情况下，在气缸组装件发送 到用户之前，厂家已将十字轴的安装位置确 定了。 除了气缸座选型以外，活塞杆端部的安 装也是重要的。这方面可供选择的种类常有 · 39’ 维普资讯 http://www.cqvip.com 奉孵泽丛(季刊) 1995年弟2期 端头螺丝、V型接头加销轴、耳孔(往往装有 对于双作用气缸可以在各端的供气管 轴承)和球形万向节。 路中装设流量调整阀—通常为针式节流阀。 十六、气缸规格 +八、选择气缸 选择正确的气缸尺寸是没有问题的，因 利用提出的简要设计资料，就可以非常 为大多数厂家都热心地给予必要的指导或 顺利地确定特定用途所需要的气缸的类型I 者提供数据图表，以便使计算简化。在气缸 但是有—些其它因紊还要考虑到，例如工作 活塞上的作用力取决于空气的压力、活塞有 效率．环境条件、维护保养和互换性等。大多 效作用面积和活塞及活塞杆的摩擦阻力。 敷气缸制造厂家现在提供用途广泛的标准 对于大多数工业用途来说，空气压力大 气缸。另—方面，有些工作可能是轻量的，而 约是在5—8巴范国内。但是，很明显，在确 另一些工作则必须昼夜连续高性能地运转。 定气缸直径时，必须知道选定气缸的工作压 如果气缸在腐蚀性气体环境中工作，那 力。摩擦损失随着采用的密封型式、气缸内 么重要的是要有表面硬质镀铬处理的活塞 径表面光洁度等的不同而变化；但是，现代 杆和受保护的气缸体。另外，有些厂家现在 设计和精加工气缸的摩擦损失大约降低到 提供适合于海上或近海作业，由不锈钢制成 5 ，或者优化设计的产品甚至会更低。 的气缸。在上述条件下工作，密封同样是重 现在按照CL~TOP和ISO标准，以公制 要的，从而密封设计也就十分重要了。现有 缸径尺寸系列制造气缸，并且对于各种缸径 的密封材料巳使摩擦力变得更小，有助于使 规格的活塞杆直径同洋做出了规定。 无润滑油工作的气缸能够得到推广。 以LSO为标准的气缸直径是 8、10、l2、 大多数公司现在都提供不用任何润滑 16、20、25、32、40、50、63、100．125、160和 油就．--T-r"作的标准气缸，这大概是气缸应用 200ram。相应的推荐行程长度为 50、100、、的未来发展趋势。因此，日益增长的对降低 160、200、250、320、400、500、600、700、800、 环境污染的要求，需要提供不加润滑油的气 900和 1000ram等 阀和气缸，以及寿命和性能在于燥空气下不 十七、活塞速度 受损失的压气系统 流体工作缸的一个重要的优点就是可 各个厂家提供的详细的各种气缸类型 以很容易地控制活塞的运动速度。就气缸而 已在去年出版的<液压气动工程 志No4 言，在给定的行程下，有许多因素影响活塞 期上刊载的题为年度产品指南中公开发表。 速度。这些因素包括作用在活塞上的空气压 力，通过气阀的流速和气缸供气管路以及靠 译自<}蜘棚llic aI1d Ah" 曲 1g)， 近行程终点的缓冲作用。实现速度控制的有 1988，No．1 效途径是在非工作腔排气时进行流量“出口 韩进 译 和铭予 校 节流’’控制。 ·40- 维普资讯 http://www.cqvip.com