氣缸的工作原理.doc

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氣缸的工作原理 圖42.2-9 是又一種浮動(dòng)聯(lián)接氣-液阻尼缸。與前者的區(qū)別在于：T形頂塊和拉鉤裝設(shè)位置不同，前者設(shè)置在缸外部。后者設(shè)置在氣缸活塞桿內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊但不易調(diào)整空行程s1（前者調(diào)節(jié)頂絲即可方便調(diào)節(jié)s1的大?。?。 1 .2.4 特殊氣缸 （1）沖擊氣缸 圖42.2-9 浮動(dòng)聯(lián)接氣-液阻尼缸 沖擊氣缸是把壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)化為活塞、活塞桿高速運(yùn)動(dòng)的能量，利用此動(dòng)能去做功。 沖擊氣缸分普通型和快排型兩種。 1）普通型沖擊氣缸普通型沖擊氣缸的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖42.2-10。與普通氣缸相比，此種沖擊氣缸增設(shè)了蓄氣缸1和帶流線型噴氣口4及具有排氣孔3的中蓋2。其工作原理及工作過(guò)程可簡(jiǎn)述為如下五個(gè)階段（見(jiàn)圖42.2-11）： 第一階段：復(fù)位段。見(jiàn)圖42.2-10和圖42.2-11a，接通氣源，換向閥處復(fù)位狀態(tài)，孔A進(jìn)氣，孔B排氣，活塞5在壓差的作用下，克服密封阻力及運(yùn)動(dòng)部件重量而上移，借助活塞上的密封膠墊封住中蓋上的噴氣口4。中蓋和活塞之間的環(huán)形空間C經(jīng)過(guò)排氣小孔3與大氣相通。最后，活塞有桿腔壓力升高至氣源壓力，蓄氣缸內(nèi)壓力降至大氣壓力。 第二階段：儲(chǔ)能段。見(jiàn)圖42.2-10和圖42.2-11b，換向閥換向，B孔進(jìn)氣充入蓄氣缸腔內(nèi)，A孔排氣。由于蓄氣缸腔內(nèi)壓力作用在活塞上的面積只是噴氣口4的面積，它比有桿腔壓力作用在活塞上的面積要小得多，故只有待蓄氣缸內(nèi)壓力上升，有桿腔壓力下降，直到下列力平衡方程成立時(shí)，活塞才開(kāi)始移動(dòng)。 式中 d——中蓋噴氣口直徑（m）； p30——活塞開(kāi)始移動(dòng)瞬時(shí)蓄氣缸腔內(nèi)壓力（絕對(duì)壓力）（Pa）； p20——活塞開(kāi)始移動(dòng)瞬時(shí)有桿腔內(nèi)壓力（絕對(duì)壓力）（Pa）； G——運(yùn)動(dòng)部件（活塞、活塞桿及錘頭號(hào)模具等）所受的重力（N）； D——活塞直徑（m）； d1——活塞桿直徑（m）； F?0——活塞開(kāi)始移動(dòng)瞬時(shí)的密封摩擦力（N）。 若不計(jì)式（42.2-1）中G和F?0項(xiàng)，且令d=d1，，則當(dāng) 時(shí)，活塞才開(kāi)始移動(dòng)。這里的p20、p30均為絕對(duì)壓力。可見(jiàn)活塞開(kāi)始移動(dòng)瞬時(shí)，蓄氣缸腔與有桿腔的壓力差很大。這一點(diǎn)很明顯地與普通氣缸不同。 圖42.2-10 普通型沖擊氣缸 第三階段：沖擊段。活塞開(kāi)始移動(dòng)瞬時(shí)，蓄氣缸腔內(nèi)壓力p30可認(rèn)為已達(dá)氣源壓力ps，同時(shí)，容積很小的無(wú)桿腔（包括環(huán)形空間C）通過(guò)排氣孔3與大氣相通，故無(wú)桿腔壓力p10等于大氣壓力pa。由于pa/ps大于臨界壓力比0.528，所以活塞開(kāi)始移動(dòng)后，在最小流通截面處（噴氣口與活塞之間的環(huán)形面）為聲速流動(dòng)，使無(wú)桿腔壓力急劇增加，直至與蓄氣缸腔內(nèi)壓力平衡。該平衡壓力略低于氣源壓力。以上可以稱為沖擊段的第I區(qū)段。第I區(qū)段的作用時(shí)間極短（只有幾毫秒）。在第I區(qū)段，有桿腔壓力變化很小，故第I區(qū)段末，無(wú)桿腔壓力p1（作用在活塞全面積上）比有桿腔壓力p2（作用在活塞桿側(cè)的環(huán)狀面積上）大得多，活塞在這樣大的壓差力作用下，獲得很高的運(yùn)動(dòng)加速度，使活塞高速運(yùn)動(dòng)，即進(jìn)行沖擊。在此過(guò)程B口仍在進(jìn)氣，蓄氣缸腔至無(wú)桿腔已連通且壓力相等，可認(rèn)為蓄氣-無(wú)桿腔內(nèi)為略帶充氣的絕熱膨脹過(guò)程。同時(shí)有桿腔排氣孔A通流面積有限，活塞高速?zèng)_擊勢(shì)必造成有桿腔內(nèi)氣體迅速壓縮（排氣不暢），有桿腔壓力會(huì)迅速升高（可能高于氣源壓力）這必將引起活塞減速，直至下降到速度為0。以上可稱為沖擊段的第Ⅱ區(qū)段。可認(rèn)為第Ⅱ區(qū)段的有桿腔內(nèi)為邊排氣的絕熱壓縮過(guò)程。整個(gè)沖擊段時(shí)間很短，約幾十毫秒。 見(jiàn)圖42.2-11c。 圖42.2-11 普通型沖擊氣缸的工作原理 1—蓄氣缸；2—中蓋；3—排氣孔；4—噴氣口；5—活塞 第四階段：彈跳段。在沖擊段之后，從能量觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，蓄氣缸腔內(nèi)壓力能轉(zhuǎn)化成活塞動(dòng)能，而活塞的部分動(dòng)能又轉(zhuǎn)化成有桿腔的壓力能，結(jié)果造成有桿腔壓力比蓄氣-無(wú)桿腔壓力還高，即形成“氣墊”，使活塞產(chǎn)生反向運(yùn)動(dòng)，結(jié)果又會(huì)使蓄氣-無(wú)桿腔壓力增加，且又大于有桿腔壓力。如此便出現(xiàn)活塞在缸體內(nèi)來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)—即彈跳。直至活塞兩側(cè)壓力差克服不了活塞阻力不能再發(fā)生彈跳為止。待有桿腔氣體由A排空后，活塞便下行至終點(diǎn)。 第五階段：耗能段?；钊滦兄两K點(diǎn)后，如換向閥不及時(shí)復(fù)位，則蓄氣-無(wú)桿腔內(nèi)會(huì)繼續(xù)充氣直至達(dá)到氣源壓力。再?gòu)?fù)位時(shí)，充入的這部分氣體又需全部排掉?？梢?jiàn)這種充氣不能作用有功，故稱之為耗能段。實(shí)際使用時(shí)應(yīng)避免此段（令換向閥及時(shí)換向返回復(fù)位段）。 對(duì)內(nèi)徑D=90mm的氣缸，在氣源壓力0.65MPa下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所得沖擊氣缸特性曲線見(jiàn)圖42.2-12。上述分析基本與特性曲線相符。 對(duì)沖擊段的分析可以看出，很大的運(yùn)動(dòng)加速使活塞產(chǎn)生很大的運(yùn)動(dòng)速度，但由于必須克服有桿腔不斷增加的背壓力及摩擦力，則活塞速度又要減慢，因此，在某個(gè)沖程處，運(yùn)動(dòng)速度必達(dá)最大值，此時(shí)的沖擊能也達(dá)最大值。各種沖擊作業(yè)應(yīng)在這個(gè)沖程附近進(jìn)行（參見(jiàn)圖42.2-11c）。 沖擊氣缸在實(shí)際工作時(shí)，錘頭模具撞擊工件作完功，一般就借助行程開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)使換向閥復(fù)位換向，缸即從沖擊段直接轉(zhuǎn)為復(fù)位段。這種狀態(tài)可認(rèn)為不存在彈跳段和耗能段。 2）快排型沖擊氣缸由上述普通型沖擊氣缸原理可見(jiàn)，其一部分能量（有時(shí)是較大部分能量）被消耗于克服背壓（即p2）做功，因而沖擊能沒(méi)有充分利用。假如沖擊一開(kāi)始，就讓有桿腔氣體全排空，即使有桿腔壓力降至大氣壓力，則沖擊過(guò)程中，可節(jié)省大量的能量，而使沖擊氣缸發(fā)揮更大的作用，輸出更大的沖擊能。這種在沖擊過(guò)程中，有桿腔壓力接近于大氣壓力的沖擊氣缸，稱為快排型沖擊氣缸。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖42.2-13a。 快排型沖擊氣缸是在普通型沖擊氣缸的下部增加了“快排機(jī)構(gòu)”構(gòu)成?？炫艡C(jī)構(gòu)是由快排導(dǎo)向蓋1、快排缸體4、快排活塞3、密封膠墊2等零件組成。 快排型沖擊氣缸的氣控回路見(jiàn)圖42.2-13b。接通氣源，通過(guò)閥F1同時(shí)向K1、K3充氣，K2通大氣。閥F1輸出口A用直管與K1孔連通，而用彎管與K3孔連通，彎管氣阻大于直管氣阻。這樣，壓縮空氣先經(jīng)K1使快排活塞3推到上邊，由快排活塞3與密封膠墊2一起切斷有桿腔與排氣口T的通道。然后經(jīng)K3孔向有桿腔進(jìn)氣，蓄氣一無(wú)桿腔氣體經(jīng)K4孔通過(guò)閥F2排氣，則活塞上移。當(dāng)活塞封住中蓋噴氣口時(shí)，裝在錘頭上的壓塊觸動(dòng)推桿6，切換閥F3，發(fā)出信號(hào)控制閥F2使之切換，這樣氣源便經(jīng)閥F2和K4孔向蓄氣腔內(nèi)充氣，一直充至氣源壓力。 圖42.2-12沖擊氣缸特性曲線 圖42.2-13 快排型沖擊氣缸結(jié)構(gòu)及控制回路 a）結(jié)構(gòu)圖；b）控制回路 1—快排導(dǎo)向蓋；2—密封膠墊；3—快排活塞；4—快排缸體；5—中蓋 T— 方孔；C—環(huán)形空間； 6—推桿；7—?dú)庾瑁?—?dú)馊? 沖擊工作開(kāi)始時(shí)，使閥F1切換，則K2進(jìn)氣，K1和K3排氣，快排活塞下移，有桿腔的壓縮空氣便通過(guò)快排導(dǎo)向蓋1上的多個(gè)圓孔（8個(gè)），再經(jīng)過(guò)快排缸體4上的多個(gè)方孔T（10余個(gè)）及K3直接排至大氣中。因?yàn)樯鲜龆鄠€(gè)圓孔和方孔的通流面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于K3的通流面積，所以有桿腔的壓力可以在極短的時(shí)間內(nèi)降低到接近于大氣壓力。當(dāng)降到一定壓力時(shí)，活塞便開(kāi)始下移。錘頭上壓塊便離開(kāi)行程閥F3的推桿6，閥3在彈簧的作用下復(fù)位。由于接有氣阻7和氣容8，閥3雖然復(fù)位，但F2卻延時(shí)復(fù)位，這就保證了蓄氣缸腔內(nèi)的壓縮空氣用來(lái)完成使活塞迅速向下沖擊的工作。否則，若F3復(fù)位，F(xiàn)2同時(shí)復(fù)位的話，蓄氣缸腔內(nèi)壓縮空氣就會(huì)在錘頭沒(méi)有運(yùn)動(dòng)到行程終點(diǎn)之前已經(jīng)通過(guò)K4孔和閥F2排氣了，所以當(dāng)錘頭開(kāi)始沖擊后，F(xiàn)2的復(fù)位動(dòng)作需延時(shí)幾十毫秒。因所需延時(shí)時(shí)間不長(zhǎng)，沖擊缸沖擊時(shí)間又很短，往往不用氣阻、氣容也可以，只要閥F2的換向時(shí)間比沖擊時(shí)間長(zhǎng)就可以了。 在活塞向下沖擊的過(guò)程中，由于有桿腔氣體能充分地被排空，故不存在普通型沖擊氣缸有桿腔出現(xiàn)的較大背壓，因而快排型沖擊氣缸的沖擊能是同尺寸的普通型沖擊氣缸沖擊能的3～4倍。 （2）數(shù)字氣缸 如圖42.2-14所示，它由活塞1、缸體2、活塞桿3等件組成?；钊挠叶擞蠺字頭，活塞的左端有凹形孔，后面活塞的T字頭裝入前面活塞的凹形孔內(nèi)，由于缸體的限制，T字頭只能在凹形孔內(nèi)沿缸軸向運(yùn)動(dòng)，而兩者不能脫開(kāi)，若干活塞如此順序串聯(lián)置于缸體內(nèi)，T字頭在凹形孔中左右可移動(dòng)的范圍就是此活塞的行程量。不同的進(jìn)氣孔A1～Ai（可能是A1，或是A1和A2，或A1、A2和A3，還可能是A1和A3，或A2和A3等等）輸入壓縮空氣（0.4～0.8MPa）時(shí)，相應(yīng)的活塞就會(huì)向右移動(dòng)，每個(gè)活塞的向右移動(dòng)都可推動(dòng)活塞桿3向右移動(dòng)，因此，活塞桿3每次向右移動(dòng)的總距離等于各個(gè)活塞行程量的總和。這里B孔始終與低壓氣源相通（0.05～0.1MPa），當(dāng)A1～Ai孔排氣時(shí)，在低壓氣的作用下，活塞會(huì)自動(dòng)退回原位。各活塞的行程大小，可根據(jù)需要的總行程s按幾何級(jí)數(shù)由小到大排列選取。設(shè)s=35mm，采用3個(gè)活塞，則各活塞的行程分別取α1=5mm；α2=10mm；α3=20mm。如s=31.5mm，可用6個(gè)活塞，則α1、α2、α3……α6分別設(shè)計(jì)為0.5、1、2、4、8、16mm，由這些數(shù)值組合起來(lái)，就可在0.5～31.5mm范圍內(nèi)得到0.5mm整數(shù)倍的任意輸出位移量。而這里的α1、α2、α3……αi可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成各種不同數(shù)列，就可以得到各種所需數(shù)值的行程量。 （3）回轉(zhuǎn)氣缸 如圖42.2-15a所示，主要由導(dǎo)氣頭、缸體、活塞、活塞桿組成。這種氣缸的缸體3連同缸蓋6及導(dǎo)氣頭芯10被其他動(dòng)力（如車(chē)床主軸）攜帶回轉(zhuǎn)，活塞4及活塞桿1只能作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)氣頭體9外接管路，固定不動(dòng)。 固轉(zhuǎn)氣缸的結(jié)構(gòu)如圖42.2-15b所示。為增大其輸出力采用兩個(gè)活塞串聯(lián)在一根活塞桿上，這樣其輸出力比單活塞也增大約一倍，且可減小氣缸尺寸，導(dǎo)氣頭體與導(dǎo)氣頭芯因需相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，裝有滾動(dòng)軸承，并以研配間隙密封，應(yīng)設(shè)油杯潤(rùn)滑以減少摩擦，避免燒損或卡死。 回轉(zhuǎn)氣缸主要用于機(jī)床夾具和線材卷曲等裝置上。 （4）撓性氣缸 撓性氣缸是以撓性軟管作為缸筒的氣缸。常用撓性氣缸有兩種。一種是普通撓性氣缸見(jiàn)圖42.2-16，由活塞、活塞桿及撓性軟管缸筒組成。一般都是單作用活塞氣缸，活塞的回程靠其他外力。其特點(diǎn)是安裝空間小，行程可較長(zhǎng)。 圖42.2-14數(shù)字氣缸 1—活塞；2—缸體；3—活塞桿 圖42.2-15 回轉(zhuǎn)氣缸 a）原理圖；b）結(jié)構(gòu)圖 1—活塞桿；2、5—密封圈；3—缸體；4—活塞；6—缸蓋；7、8—軸承 9—導(dǎo)氣頭體；10—導(dǎo)氣頭芯；11—中蓋；12—螺栓 圖42.2-16普通撓性氣缸 第二種撓性氣缸是滾子撓性氣缸見(jiàn)圖42.2-17。由夾持滾子代替活塞及活塞桿，夾持滾子設(shè)在撓性缸筒外表面，A端進(jìn)氣時(shí)，左端撓性筒膨脹，B端排氣，缸左端收縮，夾持在缸筒外部的滾子在膨脹端的作用下，向右移動(dòng)，滾子夾帶動(dòng)載荷運(yùn)動(dòng)?？煞Q為撓性筒滾子氣缸。這種氣缸的特點(diǎn)是所占空間小，輸出力較小，載荷率較低，可實(shí)現(xiàn)雙作用。 圖42.2-17滾子撓性氣缸 （5）鋼索式氣缸 鋼索式氣缸見(jiàn)圖42.2-18，是以柔軟的、彎曲性大的鋼絲繩代替剛性活塞桿的一種氣缸?；钊c鋼絲繩連在一起，活塞在壓縮空氣推動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，鋼絲繩帶動(dòng)載荷運(yùn)動(dòng)，安裝兩個(gè)滑輪，可使活塞與載荷的運(yùn)動(dòng)方向相反。 這種氣缸的特點(diǎn)是可制成行程很長(zhǎng)的氣缸，如制成直徑為25mm ，行程為6m左右的氣缸也不困難。鋼索與導(dǎo)向套間易產(chǎn)生泄漏。 圖42.2-18鋼索式氣缸 SMC, FESTO，NORGREN，BUSCHJOST， HOERBIGER-ORIGA，ASCO，NUMATICS，MAC，AIRTAC，CHELIC，BIMBA，CONVUM，PISCO，KURODA，CKD，KOGANEI，PNEUMAX，UNIVER，LEGRIS，BOSCH-REXROTH，YUKEN，NACHI，TAIYO，PARKER， MILLER，SCHRADER BELLOWS，EATON-VICKERS,ATOS，HYDAC,NORTHMAN，SPIRAX SARCO，BURKET 等國(guó)內(nèi)外著名氣動(dòng)液壓品牌產(chǎn)品。