第12章 气动执行元件

第十二章 气动执行元件
[一般要求] 一般要求] 气动马达的特性曲线 [重点要求] 重点要求] 气缸的工作特性及常用气缸的工作原理 [具体要求] 具体要求] 掌握气缸的工作特性及常用气缸的工作原理；掌握气动马达 的特性曲线。
§12.1 气缸
一、气缸的分类 执行元件结构、形状有多种形式。常用的分类方法： 1、按压缩空气对活塞端面作用力的方向分 、 （1）单作用气缸（一腔可通气，回来靠弹簧力） （一腔可通气，回来靠弹簧力） （2）双作用气缸（左、右腔都可通气） （ 右腔都可通气） 2、按气缸的结构特征分 、 （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 、 （1）固定式气缸 （2）轴销式气缸 （3）回转式气缸 （4）嵌人式气缸 4．按气缸的功能分 ． （1）普通气缸 （2）缓冲气缸 （3） 气—液阻尼缸 （4）摆动气缸 （5）冲击气缸（6）步进气缸
3、气缸的速度 、 因活塞两侧压力p1、p2的变化比较复杂，故推动活塞的力变化 也比较复杂，再加上气体的可压缩性，要使气缸保持准确的运动 速度是比较困难的。通常，气缸的平均运动速度 气缸的平均运动速度可按进气量的大 气缸的平均运动速度 小求出，即
q v= A
（12-4）
q—压缩空气的体积流量；A—活塞的有效面积。 气缸在一般工作条件下，其平均速度约为0.5m/s左右。
图12-10双向旋转叶片式马达
在某些工业场合，它比电动马达和液压马达更适用。 优点： 优点： 1）具有防爆性能。 2）马达本身的软特性使之能长期满载工作，温升小，有过载保 护的性能。 3）有较高的起动转矩，能带载启动。 4）换向容易，操作简单，可以实现无级调速。 5）与电动机相比，单位功率尺寸小，重量轻，适用于安装在位 置狭小的场合及手工工具上。 缺点： 缺点：输出功率小，耗气量大，效率低、噪声大和易产生振动。
气缸的压力特性曲线变化过程比较复杂，只能作定性 定性说明。 定性 在换向阀切换以前，进气缸中的压力为大气压。当方向阀切换后，进气 缸与气源接通，因进气腔容积小，气体很快冲满并升至气源压力。排气腔则 不同，启动前其腔中压力为气源压力，因为排气腔的容积大，腔中气体压力 的下降速度要比进气腔中压力上升的速度缓慢得多。当两腔压力差超过启动 即：从方向阀换向到气缸启动，需要一定时间。 压差后，就开始启动。即：从方向阀换向到气缸启动，需要一定时间。 ☺ 启动后，活塞所受摩擦阻力从静摩擦力→动摩擦力↘，活塞加速。进气腔 ↘ 容积相对增大，只要补充气源充分，活塞就继续运动。但排气腔容积在不断 ↘，且其容积的相对减少量↗，因此在排气过程中腔中压力继续下降，并总 ↗ 小于进气腔压力。活塞在两腔压力差作用下继续前进。 ☺ 当气缸行到末端时，排气腔压力急剧下降，直至大气压；进气腔压力再次 急剧上升，直至气源压力。这种较大的压力差，易造成气缸的冲击。因而在 气缸的设计中要考虑设置缓冲装置。
若活塞每分钟往返n次，则每分钟活塞运动的耗气量为 实际耗气量应为
V ' = nV
Vs = (1.2 ~ 1.5)V '
三、气缸的主要尺寸及结构设计 （一）气缸的主要尺寸设计 设计气缸时，保证气缸的几个主要尺寸。 1、气缸内径D（根据外负载F的大小确定） 、气缸内径 气源供气压力为 p 时，气缸的内径 D 为
4、气缸的耗气量 耗气量与气缸的活塞直径D、活塞杆直径d、行程L、单位时 间往复次数N有关。 以图12-1b所示的单出杆双作用式气缸为例。 活塞杆伸出耗气量
V1 =
π
4
D2L
活塞杆退回耗气量
V2 =
π (D 2 − d 2 )
4
L
活塞往复一次所耗压缩空气量
V = V1 + V2 =
π
4
L(2 D 2 − d 2 )
pD δ= +C 2[σ ]
[σ ] = σ b / n
n — 取6 ~ 8
见来自百度文库12-3
C — 刚度、制造、腐蚀等裕 量
2、活塞的结构设计 、 3、活塞杆及其强度校核 、 活塞杆直径按表12-1选取标准值。 4、气缸的缓冲机构 、 由缓冲柱塞、柱塞孔、节流阀和单向阀（图12-3）构成。当活塞 运动到缓冲柱塞刚进入缓冲柱塞孔时，主排气道即被堵死，活塞 进入到缓冲行程，这时活塞至端盖的距离称为缓冲长度x。缓冲 柱塞行程长度x 和直径d要足够。
3.19 p1 ( D 2 − d 2 ) x ≥ mv 2
5、气缸的其它结构设计 、
v—活塞运动速度；m—运动部件总质量。
§12.2气动马达 气动马达
将压缩空气的压力能转换成旋转的机械能的装置（旋转）， 在气压传动中使用最广泛的是叶片式和活塞式气动马达。 ☺双向旋转叶片式气动马达的工作原理： 废气从排气口C排出，残余气体则经B 排出（二次排气）。 用途：风动工具、高速旋转机械及矿山机械。 用途：
D≥
4F πp
☺ 所求得的D值，一般要提高20%再圆整到系列标准值。表12-1 2、活塞行程L 、活塞行程 活塞的行程L一般根据实际需要来确定，通常L值取（0.5~5）D。
3、气缸进、排气口直径 d0 、气缸进、 气缸进、排气口直径 d0的大小，直接决定了气缸进气速度， 亦即决定了活塞的运行速度。设计中，应予以充分的重视，直径 d0根据空气流经排气口的速度[v]来计算，一般取[v]=10~25m/s。
双作用式气缸（如图12双作用式气缸（如图12-1b）输出的推力为
F = A1 p1 − A2 p 2 − ( f + ma)
（12-2）
p1、p2—输入侧和排气侧的气压；A1、A2—输入侧和排气侧的面积。
一般在计算过程中，用下式求双作用缸活塞上输出的推力 用下式求双作用缸活塞上输出的推力，即 用下式求双作用缸活塞上输出的推力
4q d0 ≥ π [v ]
q—工作压力下输入气缸的空气流量。
（12-12）
一般情况下进排气口直径d0的大小可根据气缸内径D的大小来选 取。表12-2。
（二）气缸的主要结构设计 主要确定各部分的结构型式及主要尺寸。 1、气缸筒的结构尺寸 、 气缸筒作用： 气缸筒作用：提供压缩空气的储存与膨胀空间及对活塞实现导向， 从而通过活塞将压力能转化为机械能。气缸筒均为圆筒形状，要 确定以下尺寸： （1）气缸筒直径（即为气缸内径）D由式（12-12）求出； （2）气缸筒的长度l 长度l ≥ 活塞的行程L＋活塞宽度H。 （3）气缸筒的壁厚δ 利用薄壁圆筒的强度计算公式来确定
F = ( A1 p1 − A2 p 2 )η
η—气缸的效率，一般取η=0.8~0.9。
（12-3）
2、气缸的压力特性 气缸的压力特性—气缸内压力变化的情形。 气缸的压力特性 向进气腔输入压缩空气，排气腔处于排气状态。当两腔的 当两腔的 压力差所形成的力刚好克服各种阻力负载时，活塞就开始运动。 压力差所形成的力刚好克服各种阻力负载时，活塞就开始运动。 当无负载时，开始运动所需要的压力 仅需0.02~0.05MPa。在气缸运动过程 中，进气腔压力渐升高至气源压力， 排气腔则渐降低压力。进排气腔中的 气体压力是随时间变化的曲线，称为 气缸的压力特征曲线，如图12-2。
二、气缸的工作特性 工作特性： 工作特性：气缸的输出力、缸内压力的变化以及气缸的运动速度 等静态和动态特性。 1、气缸的输出力 、 单作用式气缸（ 12单作用式气缸（图12-1a）的输出推力为
F = A1 p1 − ( f + ma + L0 K s )
（12-1）
A1—活塞的工作面积；p1—作用于活塞上的压力；f—摩擦阻力； m—运动构件质量；a—运动构件加速度；L0—活塞位移L和弹 簧预压缩量的总和；Ks—弹簧刚度。