气缸概述.docx
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气缸概述
气缸概述
1、气动系统概述
气动系统的构成包括以下几部分：
气源设备：
包括空压机、气罐
气源处理元件：
包括后冷却器、过滤器、干燥器和排水器
压力控制阀：
包括增压阀、减压阀、安全服、顺序阀、压力比例阀、真空发生器
润滑元件：
油雾器、集中润滑元件
方向控制阀：
包括电磁换向阀、气控换向阀、人控换向阀、机控换向阀、单向阀、梭阀
各类传感器：
包括磁性开关、限位开关、压力开关、气动传感器
流量控制阀：
包括速度控制阀、缓冲阀、快速排气阀
气动执行元件：
气缸、摆动气缸、气马达、气爪、真空吸盘
其他辅助元件：
消声器、接头与气管、液压缓冲器、气液转换器
气动系统的构成
2、气缸的概述与种类
1.气缸的概述
压力空气使活塞移动，通过改变进气方向，改变活塞杆的移动方向。
气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件。
2.气缸的种类
气缸有做往复直线运动的和做往复摆动两种类型。
做往复直线运动的气缸又可分为单作用气缸、双作用气缸、膜片式气缸和冲击气缸4种。
①单作用气缸：
仅一端有活塞杆，从活塞一侧供气聚能产生气压，气压推动活塞产生推力伸出，靠弹簧或自重返回。
②双作用气缸：
从活塞两侧交替供气，在一个或两个方向输出力。
③膜片式气缸：
用膜片代替活塞，只在一个方向输出力，用弹簧复位。
它的密封性能好，但行程短。
④冲击气缸：
这是一种新型元件。
它把压缩气体的压力能转换为活塞高速（10～20米/秒）运动的动能，借以做功。
⑤无杆气缸：
没有活塞杆的气缸的总称。
有磁性气缸，缆索气缸两大类。
做往复摆动的气缸称摆动气缸，由叶片将内腔分隔为二，向两腔交替供气，输出轴做摆动运动，摆动角小于280°。
此外，还有回转气缸、气液阻尼缸和步进气缸等。
三、典型气缸的工作原理与结构
1.普通双作用气缸
普通双作用气缸的工作原理：
当从无杆腔输入压缩空气时，有杆腔排气，气缸两腔的压力差作用在活塞上所形成的力克服阻力负载推动活塞运动，使活塞杆伸出；当有杆腔进气，无杆腔排气时，使活塞杆缩回。
若有杆腔和无杆腔交替进气和排气，活塞实现往复直线运动。
普通双作用气缸结构是由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件等组成，其内部结构如下图所示：
1－缓冲柱塞2－活塞
3－缓冲柱塞4－缸筒
5－导向套6－防尘圈
7－前端盖8－气口
9－传感器10－活塞杆
11－耐磨环12－密封圈
13－后端盖14－缓冲节流阀
①缸筒：
缸筒的内径大小代表了气缸输出力的大小。
活塞要在缸筒内做平稳的往复滑动，缸筒内表面的表面粗糙度应达到Ra0.8μm。
SMC、CM2气缸活塞上采用组合密封圈实现双向密封，活塞与活塞杆用压铆链接，不用螺母。
②端盖：
端盖上设有进排气通口，有的还在端盖内设有缓冲机构。
杆侧端盖上设有密封圈和防尘圈，以防止从活塞杆处向外漏气和防止外部灰尘混入缸内。
杆侧端盖上设有导向套，以提高气缸的导向精度，承受活塞杆上少量的横向负载，减小活塞杆伸出时的下弯量，延长气缸使用寿命。
导向套通常使用烧结含油合金、前倾铜铸件。
端盖过去常用可锻铸铁，为减轻重量并防锈，常使用铝合金压铸，微型缸有使用黄铜材料的。
③活塞：
活塞是气缸中的受压力零件。
为防止活塞左右两腔相互窜气，设有活塞密封圈。
活塞上的耐磨环可提高气缸的导向性，减少活塞密封圈的磨耗，减少摩擦阻力。
耐磨环长使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夹布合成树脂等材料。
活塞的宽度由密封圈尺寸和必要的滑动部分长度来决定。
滑动部分太短，易引起早期磨损和卡死。
活塞的材质常用铝合金和铸铁，小型缸的活塞有黄铜制成的。
④活塞杆：
活塞杆是气缸中最重要的受力零件。
通常使用高碳钢、表面经镀硬铬处理、或使用不锈钢、以防腐蚀，并提高密封圈的耐磨性。
⑤密封圈：
回转或往复运动处的部件密封称为动密封，静止件部分的密封称为静密封。
缸筒与端盖的连接方法主要有以下几种：
整体型、铆接型、螺纹联接型、法兰型、拉杆型。
⑥气缸工作时要靠压缩空气中的油雾对活塞进行润滑。
也有小部分免润滑气缸。
相比其他气缸而言，普通双作用气缸使用优势主要有以下几点：
①对使用者的要求较低。
气缸的原理及结构简单，易于安装维护，对于使用者的要求不高。
②输出力大，负载大，可以适应高力矩输出的应用。
气缸的输出力与缸径的平方成正比；对于同样缸径的电缸，气缸最大输出力可达电缸的两倍。
显而易见，在输出力方面气缸更具优势。
③适应性强。
特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射和振动等恶劣工作环境中，比液压、电子、电气控制更优越。
④动作迅速、反应快。
2.机械接触式无杆气缸
机械接触式无杆气缸是在气缸缸管轴向开有一条槽，活塞与滑块在槽上部移动。
为了防止泄漏及防尘需要，在开口部采用聚氨脂密封带和防尘不锈钢带固定在两端缸盖上，活塞架穿过槽，把活塞与滑块连成一体。
活塞与滑块连接在一起，带动固定在滑块上的执行机构实现往复运动。
机械接触式无杆气缸结构是由节流阀、缓冲柱塞、密封带、防尘不锈钢带、活塞、滑块、活塞架等组成，其内部结构如下图所示：
l－节流阀
2－缓冲柱塞
3－密封带
4－防尘不锈钢带
5－活塞
6－滑块
7－活塞架
3.磁性无杆气缸
磁性无杆气缸是活塞通过磁力带动缸体外部的移动体做同步移动。
它的工作原理是：
在活塞上安装一组高强磁性的永久磁环，磁力线通过薄壁缸筒与套在外面的另一组磁环作用，由于两组磁环磁性相反，具有很强的吸力。
当活塞在缸筒内被气压推动时，则在磁力作用下，带动缸筒外的磁环套一起移动。
气缸活塞的推力必须与磁环的吸力相适应。
磁性无杆气缸结构是由套筒、外磁环、外磁导板、内磁环、内磁导板、压盖、卡环、活塞、活塞轴、缓冲柱塞、气缸筒、端盖、进排气口等组成，其内部结构如下图所示：
1－套筒2－外磁环
3－外磁导板4－内磁环
5－内磁导板6－压盖
7－卡环8－活塞
9－活塞轴10－缓冲柱塞
11－气缸筒12－端盖
13－进、排气口
机械接触式无杆气缸与磁性无杆气缸的区别：
①机械接触式：
机械连接，动作稳定；可使用气缓冲；机构不完全密封，有微漏。
②磁性无杆缸：
可以制作小口径；密封简单，动作稳定；无泄漏，可用于洁净环境。
4.齿轮齿条式摆动气缸
齿轮齿条式摆动气缸是通过连接在活塞上的齿条使齿轮回转的一种摆动气缸。
活塞仅作往复直线运动，摩擦损失少，齿轮传动的效率较高，此摆动气缸效率可达到95%左右。
齿轮齿条式摆动气缸结构是由齿条组件、弹簧柱销、滑块、端盖、缸体、轴承、轴、活塞、齿轮等组成，其内部结构如下图所示：
1－齿条组件2－弹簧柱销
3－滑块4－端盖
5－缸体6－轴承
7－轴8－活塞
9－齿轮
5.磁性开关气缸
磁性开关气缸是指在气缸的活塞上安装有磁环，在缸筒上直接安装磁性开关，磁性开关用来检测气缸行程的位置，控制气缸往复运动。
因此，就不需要在缸筒上安装行程阀或行程开关来检测气缸活塞位置，也不需要在活塞杆上设置挡块。
它是在气缸活塞上安装永久磁环，在缸筒外壳上装有舌簧开关。
开关内装有舌簧片、保护电路和动作指示灯等，均用树脂塑封在一个盒子内。
当装有永久磁铁的活塞运动到舌簧片附近，磁力线通过舌簧片使其磁化，两个簧片被吸引接触，则开关接通。
当永久磁铁返回离开时，磁场减弱，两簧片弹开，则开关断开。
由于开关的接通或断开，使电磁阀换向，从而实现气缸的往复运动。
其工作原理如下图所示。
1－动作指示灯2－保护电路
3－开关外壳4－导线
5－活塞6－磁环
7－缸筒8－舌簧开关
四、气缸的选型和计算
1.气缸的常见技术参数
①气缸的输出力
如双作用单活塞杆气缸推力计算如下：
理论推力（活塞杆伸出）：
Ft1＝A1p
理论拉力（活塞杆缩回）：
Ft2＝A2p
式中：
Ft1、Ft2—气缸理论输出力（N）；
A1、A2—无杆腔、有杆腔活塞面积（mm2）；
p—气缸工作压力（MPa）。
实际中，由于活塞等运动部件的惯性力以及密封等部分的摩擦力，活塞杆的实际输出力小于理论推力，称这个推力为气缸的实际输出力。
②负载率（β或θ表示）
从对气缸运行特性的研究可知，要精确确定气缸的实际输出力是困难的。
于是在研究气缸性能和确定气缸的出力时，常用到负载率的概念。
气缸的负载率β定义为
气缸的实际负载是由实际工况所决定的，若确定了气缸负载率，则由定义就能确定气缸的理论输出力，从而可以计算气缸的缸径。
③气缸耗气量
气缸的耗气量是活塞每分钟移动的容积，称这个容积为压缩空气耗气量。
④气缸的特性
气缸的特性分为静态特性和动态特性。
气缸的静态特性是指与缸的输出力及耗气量密切相关的最低工作压力、最高工作压力、摩擦阻力等参数。
气缸的动态特性是指在气缸运动过程中气缸两腔内空气压力，温度，活塞速度、位移等参数随时间的变化情况。
它能真实地反映气缸的工作性能。
2.气缸理论输出力表
已知气缸的内径与活塞杆直径，在不同工作压力下的理论推力与拉力见下表（N）:
气缸内径
活塞杆直径
动作方向
受力面积
工作压力（MPa）
（mm）
（mm）
（cm2）
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
12
6
推
1.13
22.6
33.9
45.2
56.5
67.8
79.1
拉
0.85
17.0
25.4
33.9
42.4
50.9
59.3
16
6
推
2.01
40.2
60.3
80.4
100
121
141
拉
1.73
34.5
51.8
69.1
86.4
104
121
20
8
推
3.14
62.8
94.2
126
157
188
220
拉
2.64
52.8
79.1
106
132
158
185
25
10
推
4.91
98.1
147
196
245
294
343
拉
4.12
82.4
124
165
206
247
288
30
12
推
7.07
141
212
283
353
424
495
拉
5.93
119
178
237
297
356
415
32
12
推
8.04
161
241
322
402
482
563
拉
6.91
138
207
276
345
414
484
40
16
推
12.6
251
377
502
628
754
879
拉
10.6
211
317
422
528
633
739
50
20
推
19.6
393
589
785
981
1178
1374
拉
16.5
330
495
659
824
989
1154
63
20
推
31.2
623
935
1246
1558
1869
2181
拉
28.0
560
840
1121
1401
1681
1961
80
25
推
50.2
1005
1507
2010
2512
3014
3517
拉
45.3
907
1360
1813
2267
2720
3173
100
30
推
78.5
1570
2355
3140
3925
4710
5495
拉
71.4
1429
2143
2857
3572
4286
5000
3.气缸的选型步骤
气缸的选型应根据工作要求和条件，正确选择气缸的类型。
下面以单活塞杆双作用缸为例介绍气缸的选型步骤。
①气缸直径，根据气缸负载力的大小来确定气缸的输出力，由此计算出气缸的直径。
②气缸的行程，气缸的行程与使用的场合和机构的行程有关，但一般不选用满行程。
③气缸的强度和稳定性计算。
④气缸的安装形式，气缸的安装形式根据安装位置和使用目的等因素决定。
一般情况下，采用固定式气缸。
在需要随工作机构连续回转时（如车床、磨床等），应选用回转气缸。
有特殊要求时，应选用相应的特种气缸。
⑤气缸的缓冲装置，根据活塞的速度决定是否应采用缓冲装置。
⑥磁性开关，当气动系统采用电气控制方式时，可选用带磁性开关的气缸。
⑦其它要求。
如气缸工作在有灰尘等恶劣环境下，需在活塞杆伸出端安装防尘罩。
要求无污染时需选用无给油或无油润滑气缸。
4.气缸直径计算
气缸直径的设计计算需根据其负载大小、运行速度和系统工作压力来决定。
首先，根据气缸安装及驱动负载的实际工况，分析计算出气缸轴向实际负载F，再由气缸平均运行速度来选定气缸的负载率θ（0.8、0.65、0.5、0.35），初步选定气缸工作压力（一般为0.4MPa～0.6MPa），再由F/θ计算出气缸理论出力Ft，最后计算出缸径及杆径，并按标准圆整得到实际所需的缸径和杆径。
Ft（N）＝π/4×D2（mm）×P（MPa）
五、气缸常见故障的判断及基本维修技巧
1.常见故障分析与排除方法
故障
原因分析
排除方法
外泄漏
活塞杆端漏气
缸筒与缸盖间漏气
缓冲调节处漏气
①活塞杆安装偏心
②润滑油供应不足
③活塞密封圈磨损
④活塞杆轴承配合面有杂质
⑤活塞杆有伤痕
①重新安装调整，使活塞杆不受偏心和横向负荷，以保证活塞杆与缸筒的同轴度
②检查油雾器是否失灵，以保证执行元件润滑良好
③更换密封圈
④清洗除去杂质，安装更换防尘罩
⑤更换活塞杆
内泄漏
活塞两端串气
①活塞密封圈损坏
②润滑不良
③活塞被卡住，活塞配合面有缺陷
④杂质挤入密封面
①更换密封
②检查油雾器是否失灵
③重新安装调整，使活塞杆不受偏心和横向负荷
④除去杂质，采用净化压缩空气
输出力不足
动作不平稳
①润滑不良
②活塞或活塞杆卡住
③供气流量不足
④有冷凝水
①检查油雾器是否失灵
②重新安装调整活塞杆的中心，消除偏心横向负荷
③加大连接或管接头口径，供气管路是否被堵塞
④检查油水分离器是否正常，如有水，排水
缓冲效果不良
①缓冲密封圈磨损
②调节螺钉损坏
①更换密封圈
②更换调节螺钉
损伤
活塞杆损坏
①有偏心横向负荷
②活塞杆受冲击负荷
③气缸的速度太快
①消除偏心横向负荷
②冲击不能加在活塞杆上
③设置缓冲装置
缸盖损坏
①缓冲机构不起作用
①更换缓冲密封圈或调节螺钉
2.基本维修技巧
①常用维修工具
在气缸维修处理过程中，除了需要相关配件外还需要以下工具：
卡簧钳、1500#砂纸、气缸润滑油、清洁布等。
②常见故障的判断
好的气缸：
用手紧紧堵住气孔，然后用手拉活塞轴,拉的时候有很大的反向力，放的时候活塞会自动弹回原位；拉出推杆再堵住气孔，用手压推杆时也有很大的反向力，放的时候活塞会自动弹回原位。
坏的气缸：
拉的时候无阻力或力很小，放的时候活塞无动作或动作无力缓慢,拉出的时候有反向力但连续拉的时候慢慢减小；压的时候没有压力或压力很小，有压力但越压力越小。
③气缸的维修处理步骤
a.找到与气缸配套的密封圈。
b.拆下外盖、卡簧，取出推杆。
c.拆下密封圈。
d.清洁所有的部件，检查缸体与活塞杆的磨损程度。
如果有起槽的部件，用砂纸磨光滑，防止漏气和保证不会增加密封圈的磨损。
e.将新的密封圈按正确的方向安装好，并在表面涂上润滑油。
f.按拆的步骤反过来装好气缸。
g.检查气缸的密封性
注意：
在拆开气缸后，需要评估部件的维修价值，如果推杆或缸体磨损的很厉害，换了新的密封圈也用不了很长的时间，推杆、缸体和密封圈座变形的，基本就没有维修价值了。
3.气缸维护
①使用中应定期检查气缸各部位有无异常现象，各连接部位有无松动等，发现问题及时检修，防止事故发生，销轴式安装的气缸等活动部位应定期加润滑油。
②气缸在动作过程中，不能将身体任何部分置于其行程范围内，以免受伤。
③在维修设备上的气缸时，必须先断开气源，保证缸体内气体放空，直至设备处于静止状态方可作业。
④在维修气缸结束后，应先检查身体任何部分未置于其行程范围内，方可接通气源试运行。
接通气源时，应先缓慢冲入部分气体，使气缸冲气至原始位置，再全部打开气源。
⑥气缸检修重新装配时，零件必须清洗干净，不得将赃物带入气缸内，特别需防止密封圈被剪切、损坏和注意密封圈的安装方向。
⑦缸筒和活塞杆的滑动部位不得受损伤，以防止气缸动作不良、损坏活塞杆密封圈等造成漏气。
⑧缓冲阀处应留出适当的维护调整空间，磁性开关等应留出适当的安装调整空间。
⑨气缸若长时间放置不用，应一个月动作一次，所有加工表面应涂防锈油，进排气口应加防尘堵塞。
六、气缸使用注意事项
1.对空气品质的要求
要使用清洁干燥的压缩空气。
空气中不得含有机溶剂的合成油、盐分、腐蚀性气体等，以防气缸、阀动作不良。
安装前。
连接配管内应充分吹洗，不要将灰尘，切屑末、密封带碎片等杂志带入缸、阀内。
2.对使用环境的要求
在灰尘多、有水滴、油滴的场所，杆侧应带伸缩防护套，安装时，不要出现拧扭状态。
不能使用伸缩防护套的场合，应选用带强力防尘圈的气缸或防水气缸。
气缸的环境温度和介质温度，在带磁性开关时若超出-10℃~60℃，不带磁性开关时若超出-10℃~70℃，要采用防冻或耐热措施。
在强磁场的环境中，应选用带乃强磁场的自动开关的气缸。
标准气缸不得用于有腐蚀的雾气中或使密封圈发生泡胀的雾气中。
3.气缸的润滑
给油润滑气缸，应配置流量合适的油雾器。
不给油润滑气缸，因缸内预加了润滑脂，可以长期使用。
这种缸也可以给有使用，但一旦给油，就不得在停止给油。
因预加润滑脂可能已被冲洗掉，不给油会导致气缸动作不良。
4.气缸的负载
活塞杆上通常只能承受轴向负载。
要避免在活塞杆上施加横向负载和偏心负载。
有横向负载时，活塞杆上应加导向装置，或选用带导杆气缸等。
气缸受力大时，气缸的安装台要有防止松动、变形的措施。
5.气缸的安装
安装固定式气缸时，负载和活塞杆的轴线要一致。
安装耳环式和耳轴式气缸时，应保证气缸的摆动和负载的摆动在一个平面内。
不然，轻则密封件经常偏磨，造成漏气，使气缸使用寿命降低；重则气缸不动作。
有时，气缸还会出现冲击动作，可能造成人身和装置的损伤。
气缸的安装现场，要防止钻孔的切屑末，从气缸的进气口混入。
脚座式气缸若在脚座上有定位孔，可用于定位固定。
耳轴式轴承支座的安装面离轴承的距离较大时，要注意安装面的安装螺钉不得受力太大而损坏。
6.气缸的速度调整
使用速度控制阀进行气缸速度的调整时，其节流阀应从全闭状态逐渐打开，调至所希望的速度。
调整完成后，将锁母固紧。
7.对低速运动的气缸
若因流量小，速度控制和油雾润滑都比较困难的话，如合理选择元件的尺寸仍不能满足要求，可使用气液转换器或气液阻尼缸。
8.对长行程气缸
气缸超过最大标准行程时，应有适当的中间支承，支承的导向轴线与气缸周线的偏移量应小于1/500，以防止杆端下垂、缸筒翘曲及由于振动和外负载给活塞杆带来的损伤。
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