10.3 气动执行元件
气动执行元件是将压缩空气的压力能转换为机械能的装置。它包括气缸和气动马达。
气缸用于实现直线往复运动或摆动，气动马达用于实现连续回转运动。
10.3.1 气缸
气缸按结构形式分为两大类：活塞式和膜片式。其中活塞式又分为单活塞式和双活塞式，单活塞式有活塞杆和无活塞杆两种，除几种特殊气缸外，普通气缸其种类及结构形式与液压缸基本相同。目前，常用的标准气缸，其结构和参数都已系列化、标准化、通用化，如QGA系列为无缓冲普通气缸，QGB系列为有缓冲普通气缸。其他几种较为典型的特殊气缸有气液阻尼缸、薄膜式气缸和冲击式气缸等。
1.气缸的基本构造
气缸的构造多种多样，但使用最多的是单杆双作用气缸。下面以单杆双作用气缸为例，说明气缸的基本构造。
图10－15 单杆双作用气缸的结构图
1—后端盖；2—缓冲节流；3、7—密封圈；4—活塞密封圈；5—导向环；6—磁性环；8—活塞；
9—缓冲柱塞；10—活塞杆；11—缸筒；12—缓冲密封圈；13—前端盖；14—导向套；15—防尘组合密封圈
图10－15所示为单杆双作用气缸的结构图，它由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件等组成。缸筒内径的大小代表了气缸输出力的大小，活塞要在缸筒内作平稳的往复滑动，缸筒内表面的粗糙度应达Ra0.8μm。对于钢管缸筒，内表面还应镀硬铬，以减小摩擦阻力和磨损，并能防止锈蚀。缸筒材质除使用高碳钢管外，还使用高强度铝合金和黄铜。小型气缸也有使用不锈钢的。带磁性环或在腐蚀环境中使用的气缸，缸筒应使用不锈钢、铝合金或黄铜等材质。
端盖上设有进排气通口，有的还在端盖内设有缓冲机构。前端盖设有防尘组合密封圈，以防止从活塞杆处向外漏气和防止外部灰尘混入缸内。前端盖设有导向套，以提高气缸的导向精度，承受活塞杆上的少量径向载荷，减少活塞杆伸出时的下弯量，延长气缸的使用寿命。导向套通常使用烧结含油合金、铅青铜铸件。端盖常采用可锻铸铁，现在为了减轻质量并防锈，常使用铝合金压铸，有的微型气缸使用黄铜材料。
活塞是气缸中的受力零件，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。耐磨环常使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夹布合成树脂等材料。活塞的材质常采用铝合金和铸铁，有的小型缸的活塞用黄铜制成。
活塞杆是气缸中最重要的受力零件，通常使用高碳钢，其表面经镀硬铬处理，或者使用不锈钢以防腐蚀，并能提高密封圈的耐磨性。
2.气缸的工作特性
1）气缸的速度
气缸活塞的运动速度在运动过程中是变化的，通常说的气缸速度是指气缸活塞的平均速度，如普通气缸的速度范围为50～500mm/s，就是指气缸活塞在全行程范围内的平均速度。目前，普通气缸的最低速度为5mm/s，高速可达17m/s。
2）气缸的理论输出力
气缸的理论输出力的计算公式和液压缸相同。
3）气缸的效率和负载率
气缸未加载时实际所能输出的力，受气缸活塞和缸筒之间的摩擦力、活塞杆与前缸盖之间的摩擦力的影响。摩擦力影响程度用气缸效率η表示，η与气缸缸径D和工作压力p有关，缸径增大，工作压力提高，气缸效率η增加。一般气缸效率在0.7～0.95之间。
与液压缸不同，要精确确定气缸的实际输出力是很困难的。于是在研究气缸性能和确定气缸缸径时，常用到负载率β的概念。气缸负载率为
气缸的实际负载（轴向负载）由工况决定，若确定了气缸负载率β，则由定义就可确定气缸的理论输出力Fo，从而可以计算气缸的缸径。气缸负载率β的选取与气缸的负载性质及气缸的运动速度有关，如表10－2所示。
表10－2 气缸的运动状态与负载率
由此可以计算气缸的缸径，再按标准进行圆整。估算时可取活塞杆直径d＝0.3D。
4）气缸的耗气量
气缸的耗气量是指气缸在往复运动时所消耗的压缩空气量，耗气量的大小与气缸的性能无关，但它是选择空压机的重要依据。
最大耗气量qmax是指气缸活塞完成一次行程所需的自由空气耗气量。
pa——大气压；
ηv——气缸容积效率，一般取ηv＝0.9～0.95。
3.其他常用气缸简介
1）气液阻尼缸
普通气缸工作时，由于气体具有压缩性，当外部载荷变化较大时，会产生“爬行”或“自走”现象，使气缸的工作不稳定。为了使气缸运动平稳，普遍采用气液阻尼缸。
气液阻尼缸是由气缸和油缸组合而成的，它的工作原理如图10－16所示。气液阻尼缸是以压缩空气为能源，并利用油液的不可压缩性和控制油液排量来获得活塞的平稳运动和调节活塞的运动速度。它将油缸和气缸串联成一个整体，两个活塞固定在一根活塞杆上。当气缸右端供气时，气缸克服外负载并带动油缸同时向左运动，此时油缸左腔排油、单向阀关闭。油液只能经节流阀缓慢流入油缸右腔，对整个活塞的运动起阻尼作用。调节节流阀的阀口大小就能达到调节活塞运动速度的目的。当压缩空气经换向阀从气缸左腔进入时，油缸右腔排油，此时因单向阀开启，活塞能快速返回原来位置。
图10－16 气液阻尼缸的工作原理图
这种气液阻尼缸的结构一般是将双活塞杆缸作为油缸。因为这样可使油缸两腔的排油量相等，此时油箱内的油液只用来补充因油缸泄漏而减少的油量，一般用油杯就行了。
2）薄膜式气缸
薄膜式气缸是一种利用压缩空气通过膜片推动活塞杆作往复直线运动的气缸。它由缸体、膜片、膜盘和活塞杆等主要零件组成。其功能类似于活塞式气缸，它分单作用式和双作用式两种，如图10－17所示。
图10－17 薄膜式气缸结构简图
1—缸体；2—膜片；3—膜盘；4—活塞杆
薄膜式气缸的膜片可以做成盘形膜片和平膜片两种形式。膜片材料为夹织物橡胶、钢片或磷青铜片。常用的是夹织物橡胶，橡胶的厚度为5～6mm，有时也可为1～3mm。金属式膜片只用于行程较小的薄膜式气缸中。
薄膜式气缸和活塞式气缸相比较，具有结构简单、紧凑、制造容易、成本低、维修方便、寿命长、泄漏小、效率高等优点。但是膜片的变形量有限，故其行程短（一般不超过40～50 mm），且气缸活塞杆上的输出力随着行程的加大而减小。
3）冲击气缸
冲击气缸是一种体积小、结构简单、易于制造、耗气功率小但能产生相当大的冲击力的特殊气缸。与普通气缸相比，冲击气缸的结构特点是增加了一个具有一定容积的蓄能腔和喷嘴。它的工作原理如图10－18所示。
图10－18 冲击气缸工作原理图
冲击气缸的整个工作过程可简单地分为以下三个阶段。
（1）第一阶段如图10－18（a）所示，压缩空气由孔A输入冲击缸的下腔，蓄气缸经孔B排气，活塞上升并用密封垫封住喷嘴，中盖和活塞间的环形空间经排气孔与大气相通。
（2）第二阶段如图10－18（b）所示，压缩空气改由孔B进气，输入蓄气缸中，冲击缸下腔经孔A排气。由于活塞上端气压作用在面积较小的喷嘴上，而活塞下端受力面积较大，一般设计成喷嘴面积的9倍，缸下腔的压力虽因排气而下降，但此时活塞下端向上的作用力仍然大于活塞上端向下的作用力。
（3）第三阶段如图10－18（c）所示，蓄气缸的压力继续增大，冲击缸下腔的压力继续降低，当蓄气缸内压力高于活塞下腔压力9倍时，活塞开始向下移动，活塞一旦离开喷嘴，蓄气缸内的高压气体迅速充入到活塞与中间盖之间的空间，使活塞上端受力面积突然增加9倍，于是活塞将以极大的加速度向下运动，气体的压力能转换成活塞的动能。在冲程达到一定时，获得最大冲击速度和能量，利用这个能量对工件进行冲击做功，产生很大的冲击力。
10.3.2 气动马达
气动马达也是气动执行元件的一种。它的作用相当于电动机或液压马达，即输出力矩，拖动机构作旋转运动。最常见的气动马达是活塞式气动马达和叶片式气动马达。叶片式气动马达制造简单，结构紧凑，但低速运动转矩小，低速性能不好，适用于中、低功率的机械，目前在矿山及风动工具中应用普遍。活塞式气动马达在低速情况下有较大的输出功率，它的低速性能好，适宜于载荷较大和要求低速转矩的机械，如起重机、绞车、绞盘、拉管机等。
由于气动马达具有一些比较突出的优点，在某些场合，它比电动机和液压马达更适用，这些特点包括以下几个方面。
（1）具有防暴性能，工作安全。由于气动马达的工作介质（空气）本身的特性和结构设计上的考虑，能够在工作中不产生火花，故可以在易燃易爆场所工作，同时不受高温和振动的影响，并能用于空气极潮湿的环境，而无漏电危险。
（2）马达的软特性使之能长时间满载工作而温升较小，且具有过载保护的性能。
（3）可以无级调速。控制进气流量就能调节马达的转速和功率。额定转速为每分钟几十转到几十万转。
（4）具有较高的启动力矩。可以直接带负载运动。
（5）与电动机相比，单位功率尺寸小、质量轻，适于安装在位置狭小的场合及手工工具上。
但气动马达也具有输出功率小、耗气量大、效率低、噪声大和易产生振动等缺点。
1.工作原理
图10－19所示为叶片式气动马达工作原理图。它的主要结构和工作原理与液压叶片马达相似，主要包括一个径向装有3～10个叶片的转子，偏心安装在定子内，转子两侧有前后盖板（图中未画出），当压缩空气从A口进入后分两路：一路进入叶片底部槽中，会使叶片从径向沟槽伸出；另一路进入定子腔，转子周围径向分布的叶片由于偏心，伸出的长度不同而受力不一样，产生旋转力矩，叶片带动转子作逆时针旋转。定子内有半圆形的切沟，提供压缩空气及排出废气。废气从C口排出，而定子腔内残留气体则从B口排出。如需改变气动马达的旋转方向，只需改变进、排气口即可。
2.特性曲线
图10－20所示为在一定工作压力下作出的叶片式气动马达的特性曲线。由图可知，气动马达具有软特性的特点。当外加转矩T等于零时，即为空转，此时速度达到最大值nmax，气动输出的功率等于零；当外加转矩等于气动马达的最大转矩Tmax时，马达停止转动，此时输出功率等于零；当外加转矩等于最大转矩的一半时，马达的转速也为最大转速的1/2，此时马达的输出功率P最大，以Pmax表示。
图10－19 叶片式气动马达工作原理图
1—叶片；2—转子；3—定子
图10－20 气动马达特性曲线
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