气缸的作用及特点分析：单作用活塞式和双活塞杆双作用气缸的区别与应用场景

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：气缸是气动系统中最常用的一种执行元件。是一种根据不同的控制信号，使活塞杆伸出不同的相应位置的气缸。4）气缸复位弹簧的弹力随其变形大小而变化，因此活塞杆的推力和运动速度在行程中有变化。基于上述特点，单作用活塞式气缸多用于短行程及对活塞杆推力、运动速度等要求不高的场合，如定位和夹紧装置等。2）双活塞杆双作用气缸。此外，也可在气动回路上采取措施使气缸具有缓冲作用。

气缸是气动系统中最常用的一种执行元件。与液压缸相比，它具有结构简单、制造成本低、污染少、便于维修、动作迅速等优点。但由于推力小，所以广泛应用于轻载系统。

1.气缸的分类

气缸是气动系统中使用最多的一种执行元件。根据使用条件不同，其结构、形状也有多种形式。气缸常用的分类方法有以下几种：

（1）按压缩空气对活塞端面作用力的方向分类

1）单作用气缸。气缸只有一个方向的运动，活塞的复位靠弹簧力、自重或其他外力。

2）双作用气缸。作用气缸的往返运动全靠压缩空气来完成。

（2）按气缸的结构特征分类

1）活塞式气缸。

2）薄膜式气缸。

3）伸缩式气缸。

（3）按气缸的安装形式分类

1）固定式气缸。气缸安装在机体上固定不动，有耳座式、凸缘式和法兰式。

2）轴销式气缸。缸体围绕一固定轴可作一定角度的摆动。

3）回转式气缸。缸体固定在机床主轴上，可随机床主轴作高速旋转运动。这种气缸常用于机床上气动卡盘中，以实现工件的自动装夹。

4）嵌入式气缸。气缸做在夹具本体内。

（4）按气缸的功能分类

1）普通气缸。包括单作用式和双作用式气缸，常用于无特殊要求的场合。

2）缓冲气缸。气缸的一端或两端带有缓冲装置，以防止和减轻活塞运动到端点时对气缸缸盖的撞击。

3）气—液阻尼缸。气缸与液压缸串联，可控制气缸活塞的运动速度，并使其速度相对稳定。

4）摆动式气缸。用于要求气缸叶片轴在一定角度内绕轴线回转的场合，如夹具转位、阀门的启闭等。

5）冲击式气缸。是一种以活塞杆高速运动形成冲击力的高能缸，可用于冲压、切断。

6）步进式气缸。是一种根据不同的控制信号，使活塞杆伸出不同的相应位置的气缸。

2.几种常见气缸的工作原理和用途

（1）单作用气缸所谓单作用是指压缩空气仅在气缸的一端进气，并推动活塞（或柱塞）运动，而活塞或柱塞的返回则借助于其他外力，如重力、弹簧力等，其结构原理见图4-25。

图4-25 单作用气缸

这种气缸的特点是：

1）由于单边进气，所以结构简单、耗气量小。

2）由于用弹簧复位，使压缩空气的能量有一部分用来克服弹簧的弹力，因而减小了活塞杆的输出推力。

3）缸体内因安装弹簧而减小了空间，使活塞的有效行程缩短。

4）气缸复位弹簧的弹力随其变形大小而变化，因此活塞杆的推力和运动速度在行程中有变化。

基于上述特点，单作用活塞式气缸多用于短行程及对活塞杆推力、运动速度等要求不高的场合，如定位和夹紧装置等。

气缸工作时，活塞杆上输出的推力必须克服弹簧的弹力及各种阻力，推力可按下式计算

式中 F——活塞杆上的推力（工作负载）（N）；

D——活塞直径（m）；

p——气缸工作压力（Pa）；

F₁——弹簧力（N）；

η——考虑总阻力损失时的效率，一般取0.7～0.8。活塞运动速度v≤0.2m/s时，取大值；v＞0.2m/s时，取小值。

气缸工作时的总阻力包括运动部件的惯性力和各密封处的摩擦阻力等，它与多种因素有关。综合考虑以后，以效率η的形式计入上式。

（2）双作用气缸

1）单活塞杆双作用气缸。这是使用最广泛的一种普通气缸，其结构如图4-26所示。

图4-26 单活塞杆双作用气缸

这种气缸工作时活塞杆上的输出力按下式计算

式中 F₁——当无杆腔进气时活塞杆上的输出力（N）；

F₂——当有杆腔进气时活塞杆上的输出力（N）；

D——活塞直径（m）；

d——活塞杆直径（m）；

p——气缸工作压力（Pa）；

η——考虑总阻力损失时的效率，一般取0.7～0.8。活塞运动速度v≤0.2m/s时，取大值；v＞0.2m/s时，取小值。

应当注意的是：无杆腔进气时活塞杆受压力F₁；有杆腔进气时活塞杆受拉力F₂。

2）双活塞杆双作用气缸。这种气缸使用得较少，其结构与单活塞杆双作用气缸基本相同，只是活塞两侧都装有活塞杆。因两端活塞杆直径相同，所以活塞往复运动的速度和输出力均相等，此种气缸常用于气动加工机械及包装机械等设备上。

3）缓冲气缸。这种气缸的运动速度一般较快，通常达到1m/s。为了防止活塞与气缸端盖发生碰撞，必须设置缓冲装置，使活塞接近端盖时逐渐减速，此气缸的两侧都设置了缓冲装置，其结构见图4-27。在活塞到达行程终点前，缓冲柱塞将柱塞孔堵死，活塞再向前运动时，被封闭在缸内的空气因被压缩而吸收运动部件的惯性力所产生的动能，从而使运动速度减慢。在实际应用中，常使用节流阀将封闭在气缸内的空气缓慢地排出。当活塞反向运动时，压缩空气经单向阀进入气缸，因而能正常起动。

图4-27 缓冲气缸

调节节流阀的开口度，可调节缓冲效果，控制气缸行程终端的运动速度，因而称为可调缓冲气缸。如做成固定节流孔，其开口度不可调，即为不可调缓冲气缸。气缸缓冲装置的种类很多，上述只是最常用的缓冲装置。此外，也可在气动回路上采取措施使气缸具有缓冲作用。

3.其他常用气缸

（1）气—液阻尼缸气—液阻尼缸由气缸和液压缸组合而成。它以压缩空气为能源，利用油液的不可压缩性（在压力、温度变化不大的液压系统中，可将液压油视为不可压缩的）和控制流量来获得活塞的平稳运动和调节活塞的运动速度。与气缸相比，它传动平稳、定位精确、噪声小；与液压缸相比，它不需要液压源、经济性好。由于同时具有气缸和液压缸的优点，因此得到了越来越广泛的应用。

图4-28所示为串联式气—液阻尼缸工作原理图。若压缩空气自A口进入气缸左侧，推动活塞向右运动。因液压缸活塞杆与气缸活塞杆是同一个活塞杆，故液压缸也将向右运动，此时液压缸右腔排油，油液由A′口经节流阀而对活塞的运动产生阻尼作用。调节节流阀，即可改变阻尼缸的运动速度；反之，压缩空气自B口进入气缸右侧，活塞向左移动，液压缸左侧排油，此时单向阀开起，无阻尼作用，活塞快速向左运动。

（2）薄膜式气缸图4-29所示为薄膜式气缸，它主要由膜片和中间硬芯相连来代替普通气缸中的活塞，依靠膜片在气缸作用下的变形来使活塞杆前进。活塞的位移较小，一般小于40mm；平膜片的行程则为其有效直径的1/10。