活塞上 有挡板式单向阀的气-液阻尼缸见图 42.2-7。活塞上带有挡板式单向阀,活塞向右运动时,挡板离开活塞,单向阀 打开,液压缸右腔的油通过活塞上的孔(即挡板单向阀孔)流至左腔,实现快退,用活塞上孔的多少和大小来控 制快退时的速度。活塞向左运动时,挡板挡住活塞上的孔,单向阀关闭,液压缸左腔的油经节流阀流至右腔(经 缸外管路)。调节节流阀的开度即可调节活塞慢进的速度。其结构较为简单,制造加工较方便。 图 42.2-8 为采用机械浮动联接的快速趋近式气-液阻尼缸原理图。靠液压缸活塞杆端部的 T 形顶块与气缸活 塞杆端部的拉钩间有一空行程 s1,实现空程快速趋近,然后再带动液压缸活塞,通过节流阻尼,实现慢进。返程 时也是先走空行程 s1,再与液压活塞一起运动,通过单向阀,实现快退。 表 42.2-3 气-液阻尼缸调速特性及应用 调速方式 结构示意图 特性曲线 作用原理 应用 双向节流调速 在气-液阻尼缸的回油管路 适用于空行程及 装设可调式节流阀,使活塞往 工作行程都较短的 复运动的速度可调并相同 场合(s<20mm) 单向节流调速 将一单向阀和一节流阀并 联在调速油路中。活塞向右运 适用于空行程较 动时, 单向阀关闭, 节流慢进; 短而工作行程较长 活塞向左运动时,单向阀打 的场合 开,不经节流快退。 将液压缸的 ? 点与 α 点用 管路相通,活塞开始向右运动 由于快速趋近, 节 时,右腔油经由 fgea 回路直 省了空程时间, 提高 接流入 α 端实现快速趋近, 了劳动生产率。 是各 当活塞移过 ? 点,油只能经节 种机床、 设备最常用 流阀流入 α 端,实现慢进, 的方式 活塞向左运动时,单向阀打 开,实现快退。 快速趋近单 向节流调速 www.plcworld.cn 图 42.2-7 活塞上有挡板式单向阀的气-液阻尼缸 图 42.2-8 浮动联接气-液阻尼缸原理图 1—气缸;2—顶丝;3—T 形顶块;4—拉钩;5—液压缸 图 42.2-9 是又一种浮动联接气-液阻尼缸。与前者的区别在于:T 形顶块和拉钩装设位置不同,前者设置在 缸外部。后者设置在气缸活塞杆内,结构紧凑但不易调整空行程 s1(前者调节顶丝即可方便调节 s1 的大小)。 1.2.4 特殊气缸 (1)冲击气缸 图 42.2-9 浮动联接气-液阻尼缸 冲击气缸是把压缩空气的能量转化为活塞、活塞杆高速运动的能量,利用此动能去做功。 冲击气缸分普通型和快排型两种。 1)普通型冲击气缸普通型冲击气缸的结构见图 42.2-10。与普通气缸相比,此种冲击气缸增设了蓄气缸 1 和 带流线型喷气口 4 及具有排气孔 3 的中盖 2。其工作原理及工作过程可简述为如下五个阶段(见图 42.2-11): 第一阶段:复位段。见图 42.2-10 和图 42.2-11a,接通气源,换向阀处复位状态,孔 A 进气,孔 B 排气,活 塞 5 在压差的作用下,克服密封阻力及运动部件重量而上移,借助活塞上的密封胶垫封住中盖上的喷气口 4。中盖 和活塞之间的环形空间 C 经过排气小孔 3 与大气相通。最后,活塞有杆腔压力升高至气源压力,蓄气缸内压力降 至大气压力。 第二阶段:储能段。见图 42.2-10 和图 42.2-11b,换向阀换向,B 孔进气充入蓄气缸腔内,A 孔排气。由于蓄 气缸腔内压力作用在活塞上的面积只是喷气口 4 的面积,它比有杆腔压力作用在活塞上的面积要小得多,故只有 待蓄气缸内压力上升,有杆腔压力下降,直到下列力平衡方程成立时,活塞才开始移动。 式中 d——中盖喷气口直径(m); p30——活塞开始移动瞬时蓄气缸腔内压力(绝对压力)(Pa); p20——活塞开始移动瞬时有杆腔内压力(绝对压力)(Pa); G——运动部件(活塞、活塞杆及锤头号模具等)所受的重力(N); D——活塞直径(m); d1——活塞杆直径(m); F?0——活塞开始移动瞬时的密封摩擦力(N)。 若不计式(42.2-1)中 G 和 F?0 项,且令 d=d1, ,则当 www.plcworld.cn 时,活塞才开始移动。这里的 p20、p30 均为绝对压力。可见活塞开始移动瞬时,蓄气缸腔与有杆腔的压力差很大。 这一点很明显地与普通气缸不同。 图 42.2-10 普通型冲击气缸 第三阶段:冲击段。活塞开始移动瞬时,蓄气缸腔内压力 p30 可认为已达气源压力 ps,同时,容积很小的无杆 腔 (包括环形空间 C) 通过排气孔 3 与大气相通, 故无杆腔压力 p10 等于大气压力 pa。 由于 pa/ps 大于临界压力比 0.528, 所以活塞开始移动后,在最小流通截面处(喷气口与活塞之间的环形面)为声速流动,使无杆腔压力急剧增加, 直至与蓄气缸腔内压力平衡。该平衡压力略低于气源压力。以上可以称为冲击段的第 I 区段。第 I 区段的作用时 间极短(只有几毫秒)。在第 I 区段,有杆腔压力变化很小,故第 I 区段末,无杆腔压力 p1(作用在活塞全面积 上)比有杆腔压力 p2(作用在活塞杆侧的环状面积上)大得多,活塞在这样大的压差力作用下,获得很高的运动 加速度,使活塞高速运动,即进行冲击。在此过程 B 口仍在进气,蓄气缸腔至无杆腔已连通且压力相等,可认为 蓄气-无杆腔内为略带充气的绝热膨胀过程。同时有杆腔排气孔 A 通流面积有限,活塞高速冲击势必造成有杆腔内 气体迅速压缩(排气不畅),有杆腔压力会迅速升高(可能高于气源压力)这必将引起活塞减速,直至下降到速 度为 0。以上可称为冲击段的第Ⅱ区段。可认为第Ⅱ区段的有杆腔内为边排气的绝热压缩过程。整个冲击段时间很 短,约几十毫秒。见图 42.2-11c。 www.plcworld.cn 图 42.2-11 普通型冲击气缸的工作原理 1— 蓄气缸;2—中盖;3—排气孔;4—喷气口;5—活塞 第四阶段:弹跳段。在冲击段之后,从能量观点来说,蓄气缸腔内压力能转化成活塞动能,而活塞的部分动 能又转化成有杆腔的压力能,结果造成有杆腔压力比蓄气-无杆腔压力还高,即形成“气垫”,使活塞产生反向运 动,结果又会使蓄气-无杆腔压力增加,且又大于有杆腔压力。如此便出现活塞在缸体内来回往复运动—即弹跳。 直至活塞两侧压力差克服不了活塞阻力不能再发生弹跳为止。待有杆腔气体由 A 排空后,活塞便下行至终点。 第五阶段:耗能段。活塞下行至终点后,如换向阀不及时复位,则蓄气-无杆腔内会继续充气直至达到气源压 力。再复位时,充入的这部分气体又需全部排掉。可见这种充气不能作用有功,故称之为耗能段。实际使用时应 避免此段(令换向阀及时换向返回复位段)。 对内径 D=90mm 的气缸,在气源压力 0.65MPa 下进行实验,所得冲击气缸特性曲线见图 42.2-12。上述分析基 本与特性曲线相符。 对冲击段的分析可以看出,很大的运动加速使活塞产生很大的运动速度,但由于必须克服有杆腔不断增加的 背压力及摩擦力,则活塞速度又要减慢,因此,在某个冲程处,运动速度必达最大值,此时的冲击能也达最大值。 各种冲击作业应在这个冲程附近进行(参见图 42.2-11c)。 冲击气缸在实际工作时,锤头模具撞击工件作完功,一般就借助行程开关发出信号使换向阀复位换向,缸即 从冲击段直接转为复位段。这种状态可认为不存在弹跳段和耗能段。 2)快排型冲击气缸由上述普通型冲击气缸原理可见,其一部分能量(有时是较大部分能量)被消耗于克服背 压(即 p2)做功,因而冲击能没有充分利用。假如冲击一开始,就让有杆腔气体全排空,即使有杆腔压力降至大 气压力,则冲击过程中,可节省大量的能量,而使冲击气缸发挥更大的作用,输出更大的冲击能。这种在冲击过 程中,有杆腔压力接近于大气压力的冲击气缸,称为快排型冲击气缸。其结构见图 42.2-13a。 快排型冲击气缸是在普通型冲击气缸的下部增加了“快排机构”构成。快排机构是由快排导向盖 1、快排缸体 4、快排活塞 3、密封胶垫 2 等零件组成。 快排型冲击气缸的气控回路见图 42.2-13b。接通气源,通过阀 F1 同时向 K1、K3 充气,K2 通大气。阀 F1 输出口 A 用直管与 K1 孔连通,而用弯管与 K3 孔连通,弯管气阻大于直管气阻。这样,压缩空气先经 K1 使快排活塞 3 推到 上边,由快排活塞 3 与密封胶垫 2 一起切断有杆腔与排气口 T 的通道。然后经 K3 孔向有杆腔进气,蓄气一无杆腔 气体经 K4 孔通过阀 F2 排气,则活塞上移。当活塞封住中盖喷气口时,装在锤头上的压块触动推杆 6,切换阀 F3, 发出信号控制阀 F2 使之切换,这样气源便经阀 F2 和 K4 孔向蓄气腔内充气,一直充至气源压力。 www.plcworld.cn 图 42.2-12 冲击气缸特性曲线 图 42.2-13 快排型冲击气缸结构及控制回路 a)结构图;b)控制回路 1—快排导向盖;2—密封胶垫;3—快排活塞;4—快排缸体;5—中盖 T— 方孔;C—环形空间; 6—推杆;7—气阻;8—气容 冲击工作开始时,使阀 F1 切换,则 K2 进气,K1 和 K3 排气,快排活塞下移,有杆腔的压缩空气便通过快排导向 盖 1 上的多个圆孔(8 个),再经过快排缸体 4 上的多个方孔 T(10 余个)及 K3 直接排至大气中。因为上述多个圆 孔和方孔的通流面积远远大于 K3 的通流面积,所以有杆腔的压力可以在极短的时间内降低到接近于大气压力。当 降到一定压力时,活塞便开始下移。锤头上压块便离开行程阀 F3 的推杆 6,阀 3 在弹簧的作用下复位。由于接有气 阻 7 和气容 8,阀 3 虽然复位,但 F2 却延时复位,这就保证了蓄气缸腔内的压缩空气用来完成使活塞迅速向下冲击 的工作。否则,若 F3 复位,F2 同时复位的话,蓄气缸腔内压缩空气就会在锤头没有运动到行程终点之前已经通过 K4 孔和阀 F2 排气了,所以当锤头开始冲击后,F2 的复位动作需延时几十毫秒。因所需延时时间不长,冲击缸冲击时 间又很短,往往不用气阻、气容也可以,只要阀 F2 的换向时间比冲击时间长就可以了。 在活塞向下冲击的过程中,由于有杆腔气体能充分地被排空,故不存在普通型冲击气缸有杆腔出现的较大背 压,因而快排型冲击气缸的冲击能是同尺寸的普通型冲击气缸冲击能的 3~4 倍。 (2)数字气缸 如图 42.2-14 所示,它由活塞 1、缸体 2、活塞杆 3 等件组成。活塞的右端有 T 字头,活塞的左端有凹形孔, 后面活塞的 T 字头装入前面活塞的凹形孔内,由于缸体的限制,T 字头只能在凹形孔内沿缸轴向运动,而两者不能 脱开,若干活塞如此顺序串联置于缸体内,T 字头在凹形孔中左右可移动的范围就是此活塞的行程量。不同的进气 孔 A1~Ai 可能是 A1, ( 或是 A1 和 A2, A1、 2 和 A3, 或 A 还可能是 A1 和 A3, A2 和 A3 等等) 或 输入压缩空气 (0.4~0.8MPa) 时,相应的活塞就会向右移动,每个活塞的向右移动都可推动活塞杆 3 向右移动,因此,活塞杆 3 每次向右移动 的总距离等于各个活塞行程量的总和。这里 B 孔始终与低压气源相通(0.05~0.1MPa),当 A1~Ai 孔排气时,在低 www.plcworld.cn 压气的作用下,活塞会自动退回原位。各活塞的行程大小,可根据需要的总行程 s 按几何级数由小到大排列选取。 设 s=35mm,采用 3 个活塞,则各活塞的行程分别取 α1=5mm;α2=10mm;α3=20mm。如 s=31.5mm,可用 6 个活塞, 则 α1、α2、α3……α6 分别设计为 0.5、1、2、4、8、16mm,由这些数值组合起来,就可在 0.5~31.5mm 范围内 得到 0.5mm 整数倍的任意输出位移量。而这里的 α1、α2、α3……αi 可以根据需要设计成各种不同数列,就可以 得到各种所需数值的行程量。 (3)回转气缸 如图 42.2-15a 所示,主要由导气头、缸体、活塞、活塞杆组成。这种气缸的缸体 3 连同缸盖 6 及导气头芯 10 被其他动力(如车床主轴)携带回转,活塞 4 及活塞杆 1 只能作往复直线运动,导气头体 9 外接管路,固定不动。 固转气缸的结构如图 42.2-15b 所示。为增大其输出力采用两个活塞串联在一根活塞杆上,这样其输出力比单 活塞也增大约一倍,且可减小气缸尺寸,导气头体与导气头芯因需相对转动,装有滚动轴承,并以研配间隙密封, 应设油杯润滑以减少摩擦,避免烧损或卡死。 回转气缸主要用于机床夹具和线材卷曲等装置上。 (4)挠性气缸 挠性气缸是以挠性软管作为缸筒的气缸。常用挠性气缸有两种。一种是普通挠性气缸见图 42.2-16,由活塞、 活塞杆及挠性软管缸筒组成。一般都是单作用活塞气缸,活塞的回程靠其他外力。其特点是安装空间小,行程可 较长。 图 42.2-14 数字气缸 1—活塞;2—缸体;3—活塞杆 图 42.2-15 回转气缸 a)原理图;b)结构图 1—活塞杆;2、5—密封圈;3—缸体;4—活塞;6—缸盖;7、8—轴承 9—导气头体;10—导气头芯;11—中盖;12—螺栓 图 42.2-16 普通挠性气缸 www.plcworld.cn 第二种挠性气缸是滚子挠性气缸见图 42.2-17。 由夹持滚子代替活塞及活塞杆, 夹持滚子设在挠性缸筒外表面, A 端进气时,左端挠性筒膨胀,B 端排气,缸左端收缩,夹持在缸筒外部的滚子在膨胀端的作用下,向右移动,滚 子夹带动载荷运动。可称为挠性筒滚子气缸。这种气缸的特点是所占空间小,输出力较小,载荷率较低,可实现 双作用。 图 42.2-17 滚子挠性气缸 (5)钢索式气缸 钢索式气缸见图 42.2-18,是以柔软的、弯曲性大的钢丝绳代替刚性活塞杆的一种气缸。活塞与钢丝绳连在一 起,活塞在压缩空气推动下往复运动,钢丝绳带动载荷运动,安装两个滑轮,可使活塞与载荷的运动方向相反。 这种气缸的特点是可制成行程很长的气缸,如制成直径为 25mm ,行程为 6m 左右的气缸也不困难。钢索与导 向套间易产生泄漏。 图 42.2-18 钢索式气缸 www.plcworld.cn 气缸的安装形式 表 42.2-2 气缸的安装形式 分类 轴向支座 MS1 式 支座式 切向支座式 轴向支座,支座上承受力矩, 气缸直径越大,力矩越大 简图 说明 固定式 气缸 前法兰 MF1 式 前法兰紧固, 安装螺钉受拉力 较大 后法兰紧固, 安装螺钉受拉力 较小 法兰式 后法兰 MF2 式 自配法兰式 法兰由使用单位视安装条件 现配 单耳轴销 MP4 式 尾部轴 销式 双耳轴销 MP2 式 轴销式 气缸 头部轴销式 气缸可绕尾轴摆动 气缸可绕头部轴摆动 中间轴销 MT4 式 气缸可绕中间轴摆动 www.plcworld.cn 气动系统的设计计算 气动系统的设计一般应包括: 1)回路设计; 2)元件、辅件选用; 3)管道选择设计; 4)系统压降验算; 5)空压机选用; 6)经济性与可靠性分析。 以上各项中,回路设计是一个“骨架”基础,本章着重予以说明,然后结合实例对气对系统的设计计算进行综 合介绍。 1 气动回路 1.1 气动基本回路 气动基本回路是气动回路的基本组成部分,可分为:压力与力控制回路、方向控制(换向)回路、速度控制回 路、位置控制回路和基本逻辑回路。 表 42.6-1 气动压力与力控制回路及特点说明 简图 1.压力控制回路 主要控制气罐,使其压力不超过规定压力。