常见气缸的工作原理及用途

8.3.2　常见气缸的工作原理及用途

1．单向作用气缸

所谓单向作用气缸是指压缩空气仅在气缸的一端进气，推动活塞运动。而活塞的返回是借助于弹簧力、膜片张力、重力等，其原理如图8-26所示。

图8-26　单向作用气缸

单向作用气缸的特点是：

（1）仅一端进气，耗气量小。

（2）用弹簧或膜片复位，因需克服弹性力等，所以活塞杆的输出力小。

（3）缸内安装弹簧、膜片等，缩短了活塞的有效行程。

（4）复位弹簧，膜片的弹力是随其变形大小而变化的，因此活塞杆的推力和运动速度在行程中是有变化的。

由于上述原因，单向作用气缸通常用于短行程及活塞杆推力、运动速度要求不高的场合，例如气吊、气动夹紧等。

2．双向作用气缸

所谓双向作用是指活塞的往复运动均由压缩空气来推动，其结构可分为双活塞杆式、单活塞式、双活塞等，还有带缓冲装置的气缸，该类气缸使用最为广泛，现分述如下：

（1）双活塞杆双作用气缸

双活塞双作用气缸工作原理如图8-27所示。由于这种气缸两侧都有活塞杆，当两端活塞杆直径相同，活塞两侧受力面积也相同时，气缸在往复行程中，气缸的输出力及输出速度完全相等。常用于加工机械及包装机械。使用时可将缸体固定，活塞杆带动负载，也可将活塞杆固定，缸体带动负载运动，此时压缩空气通过活塞杆上的气流管道进入气缸。

（2）双活塞双作用气缸

如图8-28所示是双活塞双作用气缸结构原理图，它实际上是两个双作用气缸的串联。由于两个活塞装在同一根杆上，因而它的输出力为单活塞缸的两倍。常用于要求增加气缸输出力，而由于空间布局等限制不能增大缸径的场合。

图8-27　双活塞杆双作用气缸

图8-28　双活塞双作用气缸

图8-29　缓冲气缸原理图

（3）缓冲气缸

一个普通气缸，当活塞运动接近行程末端时，由于具有较高的速度，如若不采取适当的措施，将会产生很大的冲击力撞击端盖，引起振动或损坏元件，特别是行程较长的气缸，这种现象尤为严重，为了使活塞能够平稳地靠近端盖而不发生冲击，可以在气缸内部加上缓冲装置，称这种气缸为缓冲气缸，缓冲气缸的结构原理如图8-29所示。

缓冲气缸的工作原理是：当活塞运动到接近行程末端时，缓冲柱塞进入主排气孔，堵死主排气道，活塞开始进入缓冲行程。活塞在行进时，排气腔内的剩余气体只能从节流孔排出。由于排气不通畅，排气腔中的气体被活塞压缩，压力升高，形成一个高工作气压，使活塞的运动速度逐渐减慢，实现缓冲作用。缓冲气缸实际上是利用空气被压缩来吸收运动部件的动能达到缓冲的目的。在节流孔处安上可调节节流阀，可实现可调节缓冲气缸。为了保证气缸能正常启动，还需在进气口处装上只进不出的单向阀。

3．组合气缸

组合气缸一般指气缸与液压缸相组合形成的气－液阻尼缸、气－液增压缸等。通常气缸采用的工作介质是压缩空气，其特点是动作快，但速度不易控制，当载荷变化较大时，容易产生“爬行”或“自走”现象；液压缸采用的工作介质是通常认为不可压缩的液压油，其特点是动作不如气缸快，但速度易于控制，当载荷变化较大时，采用措施得当，一般不会产生“爬行”和“自走”现象。把气缸与液压缸巧妙组合起来，取长补短，即成为气动系统中普遍采用的气－液阻尼缸。现以气－液阻尼缸为例进行说明。

气－液阻尼缸工作原理如图8-30所示。实际是气缸与液压缸串联而成，两活塞固定在同一活塞杆上。液压缸不用泵供油，只要充满油即可，其进出口间装有液压单向阀、节流阀及补油杯。当气缸右端供气时，气缸克服载荷带动液压缸活塞向左运动（气缸左端排气），此时液压缸左端排油，单向阀关闭，油只能通过节流阀流入液压缸右腔及油杯内，这时若将节流阀阀口开大，则液压缸左腔排油通畅，两活塞运动速度就快；反之，若将节流阀阀口关小，液压缸左腔排油受阻，两活塞运动速度会减慢。这样，调节节流阀开口大小，就能控制活塞的运动速度。可以看出，气液阻尼缸的输出力应是气缸中压缩空气产生的力（推力或拉力）与液压缸中油的阻尼力之差。

气－液阻尼缸的类型有多种。按气缸与液压缸的连接形式，可分为串联型与并联型两种。前面所述为串联型，如图8-31所示为并联型气－液阻尼缸。串联型缸体较长，加工与安装时对同轴度要求较高，有时两缸间会产生窜气窜油现象。并联型缸体较短、结构紧凑，气、液缸分置，不会产生窜气窜油现象。因液压缸工作压力可以相当高，液压缸可制成相当小的直径（不必与气缸等直径），但因气、液两缸安装在不同轴线上，会产生附加力矩，会增加导轨装置磨损，也可能产生“爬行”现象。

图8-30　气－液阻尼缸

1-节流阀；2-油杯；3-单向阀；4-液压缸；5-气缸；6-外载荷

图8-31　并联型气-液阻尼缸

1-液压缸；2-气缸

串联型气－液阻尼缸还有液压缸在前或在后之分。液压缸在后的液压缸活塞两端作用面积不等，工作过程中需要储油或补油，油杯较大。如将液压缸放在前面（气缸在后面），则液压缸两端都有活塞杆，两端作用面积相等，除补充泄漏之外就不存在储油、补油问题，油杯可以很小。

4．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一种特殊气缸。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8-32所示。

冲击气缸的整个工作过程可简单地分为三个阶段。第一个阶段如图8-32（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。第二阶段如图8-32（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。第三阶段如图8-32（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活塞与中间盖间的空间，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。

图8-32　冲击气缸工作原理图