气缸及使用与维修

第5章气缸及使用与维修
气缸是气压传动系统的主要执行元件，它把压缩空气的压力能转化为机械能，气缸用于实现直线往复运动，输出力和直线位移。

5.1 气缸概述
5.1.1 气缸的分类
气缸的种类很多，分类的方法也不同，一般按压缩空气作用在活塞端面上的方向、结构、功能和安装形式来分类。

按压缩空气在活塞端面作用力方向分为单作用气缸与双作用气缸。

单作用气缸只有一个方向靠压缩空气推动，复位靠弹簧力、自重和其他外力。

双作用气缸的往返运动全靠压缩空气推动。

按气缸的结构特点有活塞式、薄膜式、柱塞式、摆动式气缸等。

按气缸的功能分为普通气缸与特殊气缸。

普通气缸包括单作用式和双作用式气缸。

特殊气缸包括冲击气缸、缓冲气缸、气液阻尼缸、步进气缸、摆动气缸、回转气缸和伸缩气缸等。

按气缸的安装方式分为耳座式、法兰式、轴销式和凸缘式。

5.1.2 气缸的工作原理
1 普通气缸
（1）单作用气缸
如图5-1所示为弹簧复位式单作用气缸，这种气缸在夹紧装置中应用较多。

这种汽缸一个方向的运动由气压驱动，另一方向的运动由其他机械力驱动。

1 后缸盖2活塞3弹簧4活塞杆5密封件6前缸盖
图5-1弹簧复位式单作用气缸
（2）双作用气缸
单活塞杆双作用气缸的结构原理如图5-2所示。

所谓双作用是指活塞的往复运动均由压缩空气来推动。

在单伸出活塞杆的动力缸中，因活塞右边面积比较大，当空气压力作用在右边时，提供一慢速的和作用力大的工作行程；返回行程时，由于活塞左边的面积较小，所以速度较快而作用力变小。

此类气缸的使用最为广泛，一般应用于包装机械、食品机械、加工机械等设备上。

1.后缸盖2．密封圈3．缓冲密封圈4．活塞密封圈5．活塞6．缓冲柱塞7．活塞杆8．缸筒9．缓冲节流阀10．导向套11．前缸盖12．防尘密封圈13．磁铁14．导向环
图5-2普通型单活塞杆双作用气缸
2．特殊气缸
（1）气液阻尼缸
气液阻尼气缸是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和控制流量来获得活塞的平稳运动，调节活塞的运动速度。

图5-3所示的工作原理。

它的液压缸和气缸共用同一缸体，两活塞固定在同一活塞杆上。

1气缸2液压缸3单向阀4油箱5节流阀
图5-3气液阻尼缸
气液阻尼缸运动平稳，停位精确，噪声小，与液压缸相比，它不需要液压源，经济性好。

同时具有气缸和液压缸的优点。

（2）薄膜式气缸
如图5-4所示为薄膜式气缸，它是一种利用膜片在压缩空气作用下产生变形来推动活塞杆做直线运动的气缸。

它有单作用式（图5-4a）所示和双作用式（图5-4b）所示两种。

薄膜式气缸中的膜片有平膜片和盘形膜片两种，因受膜片变形量限制，活塞位移较小，一般都不超过50mm。

图5-4薄膜式气缸
1缸体2膜片3膜盘4活塞杆
（3）无活塞杆气缸
无杆气缸没有普通气缸的刚性活塞杆，它利用活塞直接或间接实现直线运动，如图5-5所示，无杆气缸由缸筒2，防尘和抗压密封件7、4，无杆活塞3，左右端盖1，传动舌片5，导架6等组成。

拉制而成的铝气缸筒沿轴向长度方向开槽，为防止内部压缩空气泄漏和外部杂物侵入，槽被内部抗压密封件4和外部防尘密封件7密封。

内、外密封件都是塑料挤压成形件，且互相夹持固定，如图10．10b所示。

无杆活塞3的两端带有唇型密封圈。

活塞两端分别进、排气，活塞将在缸筒内往复移动。

该运动通过缸筒槽的传动舌片5被传递到承受负载的导架6上。

此时，传动舌片将防尘密封件7与抗压密封件4挤开，但它们在缸筒的两端仍然是互相夹持的。

因此，传动舌片与导架组件在气缸上移动时无压缩空气泄漏。

无杆气缸缸径范围为25～63mm，行程可达l0m。

这种气缸最大的优点是节省了安装空间，特别适用于小缸径长行程的场合。

在自动化系统、气动机器人中获得大量应用。

图5-5 无杆气缸
a)无杆气缸结构图b)缸筒槽密封布置
l一左、右缸盖2一缸筒3一无杆活塞4一内部抗压密封件5一传动舌片6一导架7一外部防尘密封件
（4）冲击气缸
冲击气缸把压缩空气的能量转化为活塞高速运动能量的一种气缸。

活塞最大速度可以达到10m/s以上，利用此动能做功，与同尺寸的普通气缸相比，其冲击能要大上百倍。

冲击气缸有普通型和快速型两种，它们的工作原理相同，图5-6所示为普通冲击气缸的结构原理图。

图5-6普通冲击气缸的结构原理图
冲击气缸在结构上分为活塞杆腔5、活塞腔4和蓄能腔1三个工作腔，以及带有排气小孔3的中盖2，冲击气缸的工作过程一般分为如下三步。

1）压缩空气进入冲击气缸活塞杆腔，蓄能腔与活塞腔通大气，活塞上
移至上限位置，封住中盖上的喷嘴，中盖与活塞间的环型空间经排气小孔与大气相通。

2）蓄能腔进气，其压力逐渐上升，在与中盖喷嘴口相密封接触的活塞面上，其承受的向下推力逐渐增大，与此同时，活塞杆腔排气，其压力逐渐变小，活塞杆腔活塞下端面上的受力逐渐减小。

3）当活塞上端推力大于下端的推力时，活塞立即离开喷嘴口向下运动，在喷嘴打开的瞬间，
活塞腔与蓄能腔立刻连通，活塞上端的承压面突然增大为整个活塞面，于是活塞在巨大的压力差作用下，加速向下运动，使活塞、活塞杆等运动部件在瞬间加速达到很高的速度，获得最大冲击速度和能量。

（5）摆动气缸
摆动气缸也称摆动气马达，是一种在小于360°角度范围内做往复摆动的气动执行元件，输出力矩使机构实现往复摆动。

摆动气缸的最大摆动角度分别为90°、180°、270°三种规格。

摆动气缸按结构特点分为叶片式、齿轮齿条式等。

叶片式摆动气缸分为单叶片式和双叶片式两种。

单叶片式输出轴摆动角度小于360°，双叶片式输出轴摆动角小于180°。

它是由叶片轴转子（输出轴）、定子、缸体和前后端盖等组成的。

图5-7所示为叶片式摆动气缸的结构原理，在输出转矩相同的摆动气缸中，叶片式体积最小，质量最轻。

图5-7叶片式摆动气缸的结构原理图
5.1.3 气缸的选用
汽缸选用的基本原则是：
1）根据工作任务对机构运动要求，选择气缸的结构形式及安装方式（参考表5-1与表5-2 ）。

2）根据工作机构所需力的大小来确定活塞杆的推力和拉力。

3）根据工作机构任务的要求，确定行程。

一般不使用满行程。

4）推荐气缸工作速度在0.5～lm/s 左右，并按此原则选择管路及控制元件。

表5-1 常用气缸的结构及功能 类 型 名 称 简 图 原 理 及 功 能 单 作 用 气 缸 活塞式气缸 压缩空气驱动活塞向一个方向运动，借助外力复位，可以节约压缩空气，节省能源
压缩空气作用在膜片上，使活塞杆向一个方向运动，靠弹簧复位，密封性好，适用于小行程
薄膜式气缸 压缩空气作用在膜片上，使活塞杆向一个方向运动，靠弹簧复位，密封性好，适用于小行程
柱塞式气缸 柱塞向一个方向运动，靠外力返回。

稳定性较好，用于小直径气缸
双 作 用 气 缸 普通式气缸 利用压缩空气使活塞向两个方向运动，两个方向箱出的力和速度不等
双出杆气缸
活塞两个方向运动的速度和输出力均相等，适用于长行程 不可调缓冲 式气缸 活塞临近行程终点时，减速
制动，减速值不可调整。

( a )为
单向缓冲， ( b )为双向缓冲
可调式缓冲气缸
活塞临近行程终点时，减速
制动，可根据需要调整减速值。

( a )为单向缓冲，( b )为双向缓
冲
表5-2 气缸的安装形式
分类简图说明
固定式气缸耳座
式
轴向耳
座
轴向耳座，耳座承
受力矩，气缸直径
越大，力矩
越大
切向耳
座
同上
法兰
式
前法
兰
前法兰紧固，安装螺钉
受拉力
较大
后法兰
后法兰紧固，安装螺钉
受拉力
较小
自配法
兰
法兰由使用时视安
装条件现配
轴销式气缸尾部轴销气缸可绕尾轴摆动头部轴销
气缸可绕头部轴摆
动
中间轴销
气缸可绕中间轴摆
动
5.2 气缸常见故障及排除
气缸工作的平稳性直接影响到驱动机构能否正常工作。

气缸的爬行等异常现象对驱动机构工作的平稳性影响较大。

5.2.1 汽缸故障分析
1 气源处理不符合要求
由于气源干燥得不够或气缸在高温潮湿的条件下工作，气源内的水分集积于气缸工作腔内，导致活塞或活塞杆工作表面锈蚀，加大了缸筒和活塞密封圈、活塞杆和组合密封困之间的摩擦力。

由这种原因引起的爬行现象，在维修中会发现工作腔内有锈水。

另外气源中的杂质也会引起气缸出现爬行现象。

防范的办法是加强气源的过滤和干燥，定期排放分水滤气器和油水分离器的污水。

定期检查分水滤气器是否正常工作。

2 装配不符合要求
气缸的装配若不符合要求，会引起气缸出现爬行现象。

主要原因有：一是气缸端盖密封圈压得太死或活塞密封圈的预紧力过大；二是活塞或活塞杆在装配中出现偏心。

防范的办法是适当地减小密封圈的预紧力或重新安装活塞和活塞杆，使活塞或活塞杆不受偏心载荷。

3 关键的工作表面加工精度不符合要求
对气缸来说，缸筒内径的加工精度要求是比较高的，表面粗糙度根据活塞所使用的密封圈的形式而异。

用O形橡胶密封圈时为3级精度，粗糙度Ra为0.4；用Y形橡胶密封
圈时为4~5级精度，粗糙度Ra为0.4。

圆柱度、圆度误差不能超过尺寸公差的一半，端面与内径的垂直度误差不大于尺寸公差的2／3。

有些气缸，缸筒内壁的粗糙度远远不能满足要求，从而使活塞上的孔用密封圈与缸筒之间的摩擦系数加大，导致气缸起动压力升高，出现爬行现象。

活塞上的密封圈损加剧，从而导致气缸内泄现象，不能满足工作要求。

防范的办法是提高缸筒和活塞杆工作表面的加工精度。

4 润滑不良和设计时未充分考虑相应的使用条件
气缸的相对滑动面润滑的好坏，直接影响气缸的正常工作。

在装配时，所有气动元件的相对运动工作表面都应涂以润滑脂。

在气动系统运行过程中，油雾器应保持正常工作状态。

若油雾器出现故障，会使相对运动工作表面之间的摩擦加剧，引起气缸的输出力不足，动作不平稳并出现爬行现象。

同时在设计时也应充分考虑气缸的工作环境，防止冷却水喷射到气缸上引起锈蚀。

应调整活塞杆的中心；检查油雾器的工作是否可靠；供气管路是否被堵塞。

当气缸内存有冷凝水和杂质时，应及时清除。

5 缓冲故障
气缸的缓冲效果不良，一般是因缓冲密封圈磨损或调节螺钉损坏所致。

此时，应更换密封圈和调节螺钉。

气缸的活塞杆和缸盖损坏，一般是因活塞杆安装偏心或缓冲机构不起作用而造成的。

对此，应调整活塞杆的中心位置；更换缓冲密封圈或调节螺钉。

6 泄漏
气缸出现内、外泄漏，一般是因活塞杆安装偏心，润滑油供应不足，密封圈和密封环磨损或损坏，气缸内有杂质及活塞杆有伤痕等造成的。

所以，当气缸出现内、外泄漏时，应重新调整活塞杆的中心，以保证活塞杆与缸筒的同轴度；须经常检查油雾器工作是否可靠，以保证执行元件润滑良好；当密封圈和密封环出现磨损或损环时，须及时更换；若气缸内存在杂质，应及时清除；活塞杆上有伤痕时，应换新。

5.2.2 气缸的故障原因与对策
气缸的常见故障和排除方法列于表5-3~ 表5-5。

表5-3 气缸的故障原因及处理对策
故障原因对策
输出力不足压力不足
活塞密封件磨损
检查压力是否正常
更换密封件
缓冲不良缓冲密封件破损
缓冲调节阀松动
缓冲通路堵塞
负载过大
速度过快
更换缓冲密封件
再调节后锁定
除掉异物(固化油、密封带等)
外部加设缓冲机构
加设外部缓冲机构或减速回路
速度过慢排气通路受阻
负载与气缸实际输出力相比
检查单向节流阀、换向阀、配管
的尺寸
过大
活塞杆弯曲提高使用压力
增大气缸内径
更换活塞杆并消除弯曲的主要原因
动作不稳定活塞杆被咬住
缸筒生锈、划伤
混入冷凝液、异物
产生爬行现象
检查安装情况，去掉横向载荷
修理，伤痕过大则更换
拆卸、清扫、加设过滤器
速度低于50mm／s时，使用气一
液缸或气一液转换器
活塞杆和衬套之间漏泄活塞杆密封件磨损
活塞杆偏心
活塞杆被划伤
混入异物
更换密封件
调整气缸安装，去掉加入的横
向载荷
伤痕小可修补、伤痕大则应更换
除去异物、安装防尘罩
活塞杆弯曲与负载相连接的活塞杆不能
伸出
行程终端有冲击，缓冲效果
差
对安装进行再调整。

在固定式安
装活塞杆端部与负载应采用浮动
式接头。

耳环式和轴销式安装时，
气缸的运动平面要和负载的运动
平面一致
缸的缓冲容量不够时在外部另装
设缓冲装置，或在气动回路中设置缓冲机构
活塞两端串气活塞密封圈损坏
润滑不良
活塞被卡住
密封面混入杂质
更换密封圈
检查油雾器是否失灵
重新安装调整使活塞杆不受偏心
和横向载荷
清洗除去杂质，加装过滤器
锁紧气缸停止时超越量大配管距离过长
带动的负载过重
运动速度过快
为加快响应，缸与阀间距离应尽
量短，制动排气孔可装设快排阀
确认规格，减少负载至允许值
确认规格，使速度低于允许速
度，以提高定位精度
活塞杆损坏有偏心横向负荷
活塞杆受冲击负荷
气缸的速度太快
消除偏心横向负荷
冲击不能加在活塞杆上
设置缓冲装置
缸盖损
坏
缓冲机构不起作用在外部或回路中设置缓冲机构表5-4 摆动气缸故障原因及处理对策
故障原因对策
摆动速速度控制阀关闭调整单向节流阀
度慢阀、配管的气体流量不
足
负载过大换成大尺寸元件
换输出力大的元件
动作不圆滑摆动速度过慢
密封件泄漏
负载大小在摆动途中有
变化(如受重力影响等)
使用气一液转换器或气一液摆动缸，
用液阻调速
更换密封件
使用气一液转换器或气一液摆动缸
输出轴部分有空气泄漏输出轴密封件磨损(叶
片式)
活塞密封件磨损(齿轮
齿条式)
更换密封件
更换密封件
表5-5气一液元件的故障原因及处理对策
故障原因对策
由气一液转换器的气孔中冒油液压油量过多
液面上升速度超过200 mm
／s
回路中产生气泡，液压油的
视在体积增大，产生溢流
执行元件有内漏。

液压油渗漏到空气腔室中
当执行元件运动到顶端时油
面越过上限
增大气一液转换的内径以减
低液面上升速度
增大配管直径使管内流速低
于3 m／s，管内无负压
回路中加装断流阀，使停止
运动时封闭液压回路
虽然用了液压单向阻尼阀但速度仍不均匀与缸的推力相比，工件的阻
力过大
提高工作压力，增大缸径使
负载变化的比例减小
虽使用了增压器但液压缸的输出力仍不足使用的液压配管是橡胶软
管，未考虑软管膨胀的影响
液压配管中含有气泡，油压
升不起来
增压器、执行元件有内漏
将部分配管或全部配管改为
金属管，减少膨胀损失
把配管、执行元件内的空气
全部排掉，使液压管内无气
检查并更换密封件
使用增压器工作时，执行元件的退回和增压器的退回不同步因配管的阻力大，增压器的
退回速度比执行元件的退回
速度大(配管内产生真空)
配管过长时减短
液压油黏度高时换低的
增压器的空气一侧加装单向
节流阀以减少退回速度
5.3 气缸维修要点
5.3.1 气缸的拆卸与检修
气缸的拆卸与检修基本过程是：将气缸拆解，先对各零部件进行清洗，检查，处理，逐一润滑或密封，再装配。

1 活塞
气缸活塞受气压作用产生推力并在缸筒内滑动，要求活塞具有良好的滑动特性，同时活塞与缸筒之间要有良好的密封，而二者之间的密封是通
过Yx形密封圈实现的，因此Yx形密封圈为易损件，其结构如图5-8所示。

图5-8Yx形密封圈
Yx形密封圈断面有两个不等脚长度的唇边，密封圈安装在活塞的沟槽中，当右侧受气压作用时，密封圈唇部在气压作用下张开，并紧贴在缸筒壁上起密封作用。

气缸拆解后注意观察，若发现Yx形密封圈唇部已磨平，则应将其从活塞上取下，换上新件，涂抹润滑脂。

缓冲柱塞与缸盖接触频繁，也应涂润滑脂。

2 缸盖
气缸工作时，活塞会撞击缸盖，缸盖缓冲密封圈为易损件，缓冲密封圈如果受损严重，将会使气缸在行程终端前，缓冲柱塞与缓冲密封圈得不到良好的密封从而失去缓冲作用。

长时期使用气缸，一般都要更换密封圈，同时上润滑脂。

缸盖缓冲是个易被遗忘的角落，这里注意，拧下缓冲节流阀，要用细铁丝小心地清理缓冲排气孔(注意不要损坏节流阀螺纹)，否则，缓冲排气孔被堵后，有可能导致活塞杆不能到位。

3 缸筒
气缸安装时，缸筒内壁要涂润滑脂。

装活塞杆后，用手推拉几下，检查是否有卡涩与阻力过大的现象，保证缸筒与活塞之间的润滑与密封质量。

5.3.2 气缸的日常检查维护
使用中应定期检查气缸各部位有无异常现象，发现问题及时处理。

1)检查各连接部位有无松动等，轴销式安装的气缸等活动部位应定期加润滑油。

2)气缸正常工作条件：工作压力0.4~ 0.6MPa，普通气缸运动速度范围50~500mm／s，环境温度5~600C。

在低温下，需采取防冻措施，防止系统中的水分冻结。

3)气缸检修重新装配时，零件必须清洗干净，不得将脏物带入气缸内。

特别须防止密封圈被剪切、损坏和注意动密封圈的安装方向。

4)气缸拆下的零部件长时间不使用时，所有加工表面应涂防锈油，进排气口应加防尘堵塞。

5)制定出气缸的月、季、年的维护保养制度，可参考方向阀的维护管理制度中规定的内容。

6)气缸拆解后，首先应对缸筒、活塞、活塞杆及缸盖进行清洗，除去表面的锈迹、污物和灰尘颗粒。

7)选用润滑脂成分不能含固体添加剂。

8)密封材料根据工作条件而定，最好选用聚四氟乙烯(塑料王)，该材料摩擦系数小(约为0.04)，耐腐蚀、耐磨，能在-80℃~＋200℃温度范围内工作。

9)Yx形密封圈安装时要注意安装方向。