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的大小）。 1 .2.4 特殊氣缸 （1）沖擊氣缸 圖42.2-9 浮動聯(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、活塞桿高速運動的能量，利用此動能去做功。 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程可簡述為如下五個階段（見圖42.2-11）： 第一階段：復(fù)位段。見圖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，克服密封阻力及運動部件重量而上移，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：儲能段。見圖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，活塞才開始移動。 式中 d中蓋噴氣口直徑（m）； p30活塞開始移動瞬時蓄氣缸腔內(nèi)壓力（絕對壓力）（Pa）； p20活塞開始移動瞬時有桿腔內(nèi)壓力（絕對壓力）（Pa）； G運動部件（活塞、活塞桿及錘頭號模具等）所受的重力（N）； D活塞直徑（m）； d1活塞桿直徑（m）； F?0活塞開始移動瞬時的密封摩擦力（N）。 若不計式（42.2-1）中G和F?0項，且令d=d1，則當(dāng) 時，活塞才開始移動。這里的p20、p30均為絕對壓力。可見活塞開始移動瞬時，蓄氣缸腔與有桿腔的壓力差很大。這一點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?；钊_始移動瞬時，蓄氣缸腔內(nèi)壓力p30可認(rèn)為已達(dá)氣源壓力ps，同時，容積很小的無桿腔（包括環(huán)形空間C）通過排氣孔3與大氣相通，故無桿腔壓力p10等于大氣壓力pa。由于pa/ps大于臨界壓力比0.528，所以活塞開始移動后，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，使無桿腔壓力急劇增加，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，獲得很高的運動加速度，使活塞高速運動，即進(jìn)行沖擊。在此過程B口仍在進(jìn)氣，蓄氣缸腔至無桿腔已連通且壓力相等，可認(rèn)為蓄氣-無桿腔內(nèi)為略帶充氣的絕熱膨脹過程。同時有桿腔排氣孔A通流面積有限，活塞高速沖擊勢必造成有桿腔內(nèi)氣體迅速壓縮（排氣不暢），有桿腔壓力會迅速升高（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區(qū)段?？烧J(rèn)為第區(qū)段的有桿腔內(nèi)為邊排氣的絕熱壓縮過程。整個沖擊段時間很短，約幾十毫秒。 見圖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，從能量觀點來說，蓄氣缸腔內(nèi)壓力能轉(zhuǎn)化成活塞動能，而活塞的部分動能又轉(zhuǎn)化成有桿腔的壓力能，結(jié)果造成有桿腔壓力比蓄氣-無桿腔壓力還高，即形成“氣墊”，使活塞產(chǎn)生反向運動，結(jié)果又會使蓄氣-無桿腔壓力增加，且又大于有桿腔壓力。如此便出現(xiàn)活塞在缸體內(nèi)來回往復(fù)運動即彈跳。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。 第五階段：耗能段?；钊滦兄两K點后，如換向閥不及時復(fù)位，則蓄氣-無桿腔內(nèi)會繼續(xù)充氣直至達(dá)到氣源壓力。再復(fù)位時，充入的這部分氣體又需全部排掉?？梢娺@種充氣不能作用有功，故稱之為耗能段。實際使用時應(yīng)避免此段（令換向閥及時換向返回復(fù)位段）。 對內(nèi)徑D=90mm的氣缸，在氣源壓力0.65MPa下進(jìn)行實驗，所得沖擊氣缸特性曲線見圖42.2-12。上述分析基本與特性曲線相符。 對沖擊段的分析可以看出，很大的運動加速使活塞產(chǎn)生很大的運動速度，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，在某個沖程處，運動速度必達(dá)最大值，此時的沖擊能也達(dá)最大值。各種沖擊作業(yè)應(yīng)在這個沖程附近進(jìn)行（參見圖42.2-11c）。 沖擊氣缸在實際工作時，錘頭模具撞擊工件作完功，一般就借助行程開關(guān)發(fā)出信號使換向閥復(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，其一部分能量（有時是較大部分能量）被消耗于克服背壓（即p2）做功，因而沖擊能沒有充分利用。假如沖擊一開始，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“快排機構(gòu)”構(gòu)成?？炫艡C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圖42.2-13b。接通氣源，通過閥F1同時向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，蓄氣一無桿腔氣體經(jīng)K4孔通過閥F2排氣，則活塞上移。當(dāng)活塞封住中蓋噴氣口時，裝在錘頭上的壓塊觸動推桿6，切換閥F3，發(fā)出信號控制閥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氣阻；8氣容沖擊工作開始時，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快排導(dǎo)向蓋1上的多個圓孔（8個），再經(jīng)過快排缸體4上的多個方孔T（10余個）及K3直接排至大氣中。因為上述多個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間內(nèi)降低到接近于大氣壓力。當(dāng)降到一定壓力時，活塞便開始下移。錘頭上壓塊便離開行程閥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卻延時復(fù)位，這就保證了蓄氣缸腔內(nèi)的壓縮空氣用來完成使活塞迅速向下沖擊的工作。否則，若F3復(fù)位，F(xiàn)2同時復(fù)位的話，蓄氣缸腔內(nèi)壓縮空氣就會在錘頭沒有運動到行程終點之前已經(jīng)通過K4孔和閥F2排氣了，所以當(dāng)錘頭開始沖擊后，F(xiàn)2的復(fù)位動作需延時幾十毫秒。因所需延時時間不長，沖擊缸沖擊時間又很短，往往不用氣阻、氣容也可以，只要閥F2的換向時間比沖擊時間長就可以了。 在活塞向下沖擊的過程中，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34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。活塞的右端有T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)沿缸軸向運動，而兩者不能脫開，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的范圍就是此活塞的行程量。不同的進(jìn)氣孔A1Ai（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（0.40.8MPa）時，相應(yīng)的活塞就會向右移動，每個活塞的向右移動都可推動活塞桿3向右移動，因此，活塞桿3每次向右移動的總距離等于各個活塞行程量的總和。這里B孔始終與低壓氣源相通（0.050.1MPa），當(dāng)A1Ai孔排氣時，在低壓氣的作用下，活塞會自動退回原位。各活塞的行程大小，可根據(jù)需要的總行程s按幾何級數(shù)由小到大排列選取。設(shè)s=35mm，采用3個活塞，則各活塞的行程分別取1=5mm；2=10mm；3=20mm。如s=31.5mm，可用6個活塞，則1、2、36分別設(shè)計為0.5、1、2、4、8、16mm，由這些數(shù)值組合起來，就可在0.531.5mm范圍內(nèi)得到0.5mm整數(shù)倍的任意輸出位移量。而這里的1、2、3i可以根據(jù)需要設(shè)計成各種不同數(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被其他動力（如車床主軸）攜帶回轉(zhuǎn)，活塞4及活塞桿1只能作往復(fù)直線運動，導(dǎo)氣頭體9外接管路，固定不動。 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)氣頭芯因需相對轉(zhuǎn)動，裝有滾動軸承，并以研配間隙密封，應(yīng)設(shè)油杯潤滑以減少摩擦，避免燒損或卡死。 回轉(zhuǎn)氣缸主要用于機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。其特點是安裝空間小，行程可較長。 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，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，滾子夾帶動載荷運動?？煞Q為撓性筒滾子氣缸。這種氣缸的特點是所占空間小，輸出力較小，載荷率較低，可實現(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下往復(fù)運動，鋼絲繩帶動載荷運動，安裝兩個滑輪，可使活塞與載荷的運動方向相反。 這種氣缸的特點是可制成行程很長的氣缸，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 等國內(nèi)外著名氣動液壓品牌產(chǎn)品。