氣缸的相關(guān)知識(shí)

氣缸的相關(guān)知識(shí)
引導(dǎo)活塞在其中進(jìn)行直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的圓筒形金屬機(jī)件。工質(zhì)在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中通過(guò)膨脹將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；氣體在壓縮機(jī)氣缸中接受活塞壓縮而提高壓力。渦輪機(jī)、旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)等的殼體通常也稱(chēng)“氣缸”。氣缸的應(yīng)用領(lǐng)域：印刷（張力控制）、半導(dǎo)體（點(diǎn)焊機(jī)、芯片研磨）、自動(dòng)化控制、機(jī)器人等等。英文名：cylinder
1種類(lèi)
氣壓傳動(dòng)中將壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的氣動(dòng)執(zhí)行元件。氣缸有做往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的和做往復(fù)擺動(dòng)的兩類(lèi)（見(jiàn)圖）。做往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的氣缸又可分為單作用、雙作用、膜片式和沖擊氣缸4種。
①單作用氣缸：僅一端有活塞桿，從活塞一側(cè)供氣聚能產(chǎn)生氣壓，氣壓推動(dòng)活塞產(chǎn)生推力伸出，靠彈簧或自重返回。
②雙作用氣缸：從活塞兩側(cè)交替供氣，在一個(gè)或兩個(gè)方向輸出力。
③膜片式氣缸：用膜片代替活塞，只在一個(gè)方向輸出力，用彈簧復(fù)位。它的密封性能好，但行程短。
④沖擊氣缸：這是一種新型元件。它把壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為活塞高速（10～20米/秒）運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，借以做功。
⑤無(wú)桿氣缸：沒(méi)有活塞桿的氣缸的總稱(chēng)。有磁性氣缸，纜索氣缸兩大類(lèi)。
做往復(fù)擺動(dòng)的氣缸稱(chēng)擺動(dòng)氣缸，由葉片將內(nèi)腔分隔為二，向兩腔交替供氣，輸出軸做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，擺動(dòng)角小于 280°。此外，還有回轉(zhuǎn)氣缸、氣液阻尼缸和步進(jìn)氣缸等。
2分類(lèi)
直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的氣缸、擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的擺動(dòng)氣缸、氣爪等。[1]
3結(jié)構(gòu)
氣缸是由缸筒、端蓋、活塞、活塞桿和密封件等組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示：
SMC氣缸原理圖
SMC氣缸原理圖
1）缸筒
缸筒的內(nèi)徑大小代表了氣缸輸出力的大小?；钊诟淄矁?nèi)做平穩(wěn)的往復(fù)滑動(dòng)，缸筒內(nèi)表面的表面粗糙度應(yīng)達(dá)到Ra0.8μm。
氣缸活塞上采用組合密封圈實(shí)現(xiàn)雙向密封，活塞與活塞桿用壓鉚鏈接，不用螺母。
2）端蓋
端蓋上設(shè)有進(jìn)排氣通口，有的還在端蓋內(nèi)設(shè)有緩沖機(jī)構(gòu)。桿側(cè)端蓋上設(shè)有密封圈和防塵圈，以防止從活塞桿處向外漏氣和防止外部灰塵混入缸內(nèi)。桿側(cè)端蓋上設(shè)有導(dǎo)向套，以提高氣缸的導(dǎo)向精度，承受活塞桿上少量的橫向負(fù)載，減小活塞桿伸出時(shí)的下彎量，延長(zhǎng)氣缸使用壽命。導(dǎo)向套通常使用燒結(jié)含油合金、前傾銅鑄件。端蓋過(guò)去常用可鍛鑄鐵，為減輕重量并防銹，常使用鋁合金壓鑄，微型缸有使用黃銅材料的。
3）活塞
活塞是氣缸中的受壓力零件。為防止活塞左右兩腔相互竄氣，設(shè)有活塞密封圈。活塞上的耐磨環(huán)可提高氣缸的導(dǎo)向性，減少活塞密封圈的磨耗，減少摩擦阻力。耐磨環(huán)長(zhǎng)使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夾布合成樹(shù)脂等材料。活塞的寬度由密封圈尺寸和必要的滑動(dòng)部分長(zhǎng)度來(lái)決定。滑動(dòng)部分太短，易引起早期磨損和卡死?；钊牟馁|(zhì)常用鋁合金和鑄鐵，小型缸的活塞有黃銅制成的。
4）活塞桿
活塞桿是氣缸中zui重要的受力零件。通常使用高碳鋼、表面經(jīng)鍍硬鉻處理、或使用不銹鋼、以防腐蝕，并提高密封圈的耐磨性。
5）密封圈
回轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)處的部件密封稱(chēng)為動(dòng)密封，靜止件部分的密封稱(chēng)為靜密封。
缸筒與端蓋的連接方法主要有以下幾種：
整體型、鉚接型、螺紋聯(lián)接型、法蘭型、拉桿型。
6）氣缸工作時(shí)要靠壓縮空氣中的油霧對(duì)活塞進(jìn)行潤(rùn)滑。也有小部分免潤(rùn)滑氣缸。
4工作原理
根據(jù)工作所需力的大小來(lái)確定活塞桿上的推力和拉力。由此來(lái)選擇氣缸時(shí)應(yīng)使氣缸的輸出力稍有余量。若缸徑選小了，輸出力不夠，氣缸不能正常工作；但缸徑過(guò)大，不僅使設(shè)備笨重、成本高，同時(shí)耗氣量增大，造成能源浪費(fèi)。在夾具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量采用增力機(jī)構(gòu)，以減少氣缸的尺寸。
氣缸
下面是氣缸理論出力的計(jì)算公式：
F：氣缸理論輸出力（kgf)
F′：效率為85%時(shí)的輸出力（kgf）--（F′=F×85%）
D：氣缸缸徑（mm)
P：工作壓力（kgf/C㎡）
例：直徑340mm的氣缸，工作壓力為3kgf/cm2時(shí)，其理論輸出力為多少?芽輸出力是多少?
將P、D連接，找出F、F′上的點(diǎn)，得：
F=2800kgf；F′=2300kgf
在工程設(shè)計(jì)時(shí)選擇氣缸缸徑，可根據(jù)其使用壓力和理論推力或拉力的大小，從經(jīng)驗(yàn)表1－1中查出。
例：有一氣缸其使用壓力為5kgf/cm2，在氣缸推出時(shí)其推力為132kgf，（氣缸效率為85%）問(wèn)：該選擇多大的氣缸缸徑?
●由氣缸的推力132kgf和氣缸的效率85%，可計(jì)算出氣缸的理論推力為F=F′/85%=155(kgf)
●由使用壓力5kgf/cm2和氣缸的理論推力，查出選擇缸徑為?63的氣缸便可滿(mǎn)足使用要求。
5應(yīng)用領(lǐng)域
印刷（張力控制）、半導(dǎo)體（點(diǎn)焊機(jī)、芯片研磨）、自動(dòng)化控制、機(jī)器人等等。
6發(fā)展歷程
氣缸原理源于大炮：
氣缸源于大炮？這并不是聳人聽(tīng)聞。你車(chē)上的氣缸確實(shí)與大炮有關(guān)。
1680年，荷蘭科學(xué)家霍因斯受到大炮原理的啟發(fā)，心想如將炮彈的強(qiáng)大力量用來(lái)推動(dòng)其它機(jī)械不是挺好嗎？他一開(kāi)始仍用 FAIR藥作燃燒爆炸物，將炮彈改成“活塞”，把炮筒作“氣缸”，并開(kāi)一個(gè)單向閥。他在氣缸內(nèi)注入 FAIR藥，當(dāng)點(diǎn)燃 FAIR藥后， FAIR藥猛烈地爆炸燃燒，推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生動(dòng)力。同時(shí)，爆炸氣巨大的壓力還推開(kāi)單向閥，排出廢氣。而后，氣缸內(nèi)殘余廢氣逐漸變冷，氣壓變低，氣缸外部的大氣壓又推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，以準(zhǔn)備進(jìn)行下一次爆炸。當(dāng)然，由于行程過(guò)長(zhǎng)，效率太低，他zui終沒(méi)有取得成功。但是，正是霍因斯首先提出了“內(nèi)燃機(jī)”的設(shè)想，后人在此基礎(chǔ)上才發(fā)明了汽車(chē)用的發(fā)動(dòng)機(jī)。
早期汽車(chē)使用單缸機(jī)
汽車(chē)鼻祖卡爾·奔馳和戴姆勒在當(dāng)年設(shè)計(jì)制造汽車(chē)時(shí)，他們不約而同地只用了一個(gè)氣缸的發(fā)動(dòng)機(jī)。就像我們認(rèn)為一輛汽車(chē)不可能使用兩臺(tái)或更多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，估計(jì)當(dāng)時(shí)的人們也不會(huì)想象出還會(huì)用兩個(gè)氣缸或更多氣缸的發(fā)動(dòng)機(jī)。然而現(xiàn)在不同了，先別說(shuō)發(fā)達(dá)國(guó)家，看看國(guó)內(nèi)汽車(chē)廣告就會(huì)發(fā)現(xiàn)，不少?gòu)S家總拿發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)目和排列形式來(lái)說(shuō)事，賣(mài)微型車(chē)的極力吹鼓他的車(chē)用的是四缸機(jī)而非三缸，用v6發(fā)動(dòng)機(jī)的一定要把v字弄得醒目惹眼，廣告宣傳確實(shí)起到了很大效果，不少車(chē)迷已認(rèn)同了 “4缸比3缸好”、“6缸比4缸好”、“v型比直列好”、“v型發(fā)動(dòng)機(jī)是發(fā)動(dòng)機(jī)”等概念。國(guó)產(chǎn)車(chē)中已有近20種車(chē)裝配了v6或v8型發(fā)動(dòng)機(jī)。
單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸每轉(zhuǎn)兩周才能產(chǎn)生一次燃燒做功，這樣它的聲音聽(tīng)起來(lái)也不連續(xù)順暢，聽(tīng)一聽(tīng)小排量摩托車(chē)的聲音就知道了。zui為不能讓人接受的是它的運(yùn)轉(zhuǎn)極不平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，而且單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的外形也不適合裝在汽車(chē)上。為此，汽車(chē)上已見(jiàn)不到單缸發(fā)動(dòng)機(jī)上，兩缸機(jī)也不好找了，zui少是3缸發(fā)動(dòng)機(jī)。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的華利面包車(chē)、老款夏利車(chē)、吉利豪情和奧拓、福萊爾上，裝的都是3缸機(jī)。
1升以下的微型車(chē)上多用3缸機(jī)，1升至2升的發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用4缸或5缸機(jī)。2升以上的發(fā)動(dòng)機(jī)大多為6缸，4升以上的發(fā)動(dòng)機(jī)使用8缸的占絕大多數(shù)。
在相同排量的情況下，增加氣缸數(shù)可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。另外，增加氣缸數(shù)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)，使其輸出扭矩和輸出功率更加穩(wěn)定。增加氣缸數(shù)可以使氣車(chē)更容易起動(dòng)，加速響應(yīng)性更好。為了提高氣車(chē)的性能，必須增加氣缸數(shù)。因此，豪華轎車(chē)、跑車(chē)、賽車(chē)等高性能氣車(chē)的氣缸數(shù)都在6缸以上，zui多者已達(dá)到16缸。
但是，氣缸數(shù)的增加不能無(wú)限制。因?yàn)殡S著氣缸數(shù)的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件數(shù)也成比例地增加，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，增加發(fā)動(dòng)機(jī)重量，提高制造成本和使用費(fèi)用，增加燃料消耗，并使發(fā)動(dòng)機(jī)的體積變大。因此，氣車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)都是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的用途和性能要求，在權(quán)衡各種利弊之后做出的合適選擇。
7常見(jiàn)故障
問(wèn)題及原因
⒈汽缸是鑄造而成的，汽缸出廠(chǎng)后都要經(jīng)過(guò)時(shí)效處理，使汽缸在住鑄造過(guò)程中所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力*消除。如果時(shí)效時(shí)間短，那么加工好的汽缸在以后的運(yùn)行中還會(huì)變形。
⒉汽缸在運(yùn)行時(shí)受力的情況很復(fù)雜，除了受汽缸內(nèi)外氣體的壓力差和裝在其中的各零部件的重量等靜載荷外，還要承受蒸汽流出靜葉時(shí)對(duì)靜止部分的反作用力，以及各種連接管道冷熱狀態(tài)下對(duì)汽缸的作用力，在這些力的相互作用下，汽缸易發(fā)生塑性變形造成泄漏。
⒊汽缸的負(fù)荷增減過(guò)快，特別是快速的啟動(dòng)、停機(jī)和工況變化時(shí)溫度變化大、暖缸的方式不正確、停機(jī)檢修時(shí)打開(kāi)保溫層過(guò)早等，在汽缸中和法蘭上產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力和熱變形。
⒋汽缸在機(jī)械加工的過(guò)程中或經(jīng)過(guò)補(bǔ)焊后產(chǎn)生了應(yīng)力，但沒(méi)有對(duì)汽缸進(jìn)行回 FAIR處理加以消除，致使汽缸存在較大的殘余應(yīng)力，在運(yùn)行中產(chǎn)生*的變形。
⒌在安裝或檢修的過(guò)程中，由于檢修工藝和檢修技術(shù)的原因，使內(nèi)缸、汽缸隔板、隔板套及汽封套的膨脹間隙不合適，或是掛耳壓板的膨脹間隙不合適，運(yùn)行后產(chǎn)生巨大的膨脹力使汽缸變形。
⒍使用的汽缸密封劑質(zhì)量不好、雜質(zhì)過(guò)多或是型號(hào)不對(duì)；汽缸密封劑內(nèi)若有堅(jiān)硬的雜質(zhì)顆粒就會(huì)使密封面難以緊密的結(jié)合。
⒎汽缸螺栓的緊力不足或是螺栓的材質(zhì)不合格。汽缸結(jié)合面的嚴(yán)密性主要靠螺栓的緊力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。機(jī)組的起停或是增減負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力和高溫會(huì)造成螺栓的應(yīng)力松弛，如果應(yīng)力不足，螺栓的預(yù)緊力就會(huì)逐漸減小。如果汽缸的螺栓材質(zhì)不好，螺栓在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行當(dāng)中，在熱應(yīng)力和汽缸膨脹力的作用下被拉長(zhǎng)，發(fā)生塑性變形或斷裂，緊力就會(huì)不足，使汽缸發(fā)生泄漏的現(xiàn)象。
⒏汽缸螺栓緊固的順序不正確。一般的汽缸螺栓在緊固時(shí)是從中間向兩邊同時(shí)緊固，也就是從垂弧zui大處或是受力變形zui大的地方緊固，這樣就會(huì)把變形zui大的處的間隙向汽缸前后的自由端轉(zhuǎn)移，zui后間隙漸漸消失。如果是從兩邊向中間緊，間隙就會(huì)集中于中部，汽缸結(jié)合面形成弓型間隙，引起蒸汽泄漏。
氣缸出現(xiàn)內(nèi)、外泄漏，一般是因活塞桿安裝偏心，潤(rùn)滑油供應(yīng)不足，密封圈和密封環(huán)磨損或損壞，氣缸內(nèi)有雜質(zhì)及活塞桿有傷痕等造成的。所以，當(dāng)氣缸出現(xiàn)內(nèi)、外泄漏時(shí)，應(yīng)重新調(diào)整活塞桿的中心，以保證活塞桿與缸筒的同軸度；須經(jīng)常檢查油霧器工作是否可靠，以保證執(zhí)行元件潤(rùn)滑良好；當(dāng)密封圈和密封環(huán)出現(xiàn)磨損或損環(huán)時(shí)，須及時(shí)更換；若氣缸內(nèi)存在雜質(zhì)，應(yīng)及時(shí)清除；活塞桿上有傷痕時(shí)，應(yīng)換新。
氣缸的輸出力不足和動(dòng)作不平穩(wěn)，一般是因活塞或活塞桿被卡住、潤(rùn)滑不良、供氣量不足，或缸內(nèi)有冷凝水和雜質(zhì)等原因造成的。對(duì)此，應(yīng)調(diào)整活塞桿的中心；檢查油霧器的工作是否可靠；供氣管路是否被堵塞。當(dāng)氣缸內(nèi)存有冷凝水和雜質(zhì)時(shí)，應(yīng)及時(shí)清除。
氣缸的緩沖效果不良，一般是因緩沖密封圈磨損或調(diào)節(jié)螺釘損壞所致。此時(shí)，應(yīng)更換密封圈和調(diào)節(jié)螺釘。
氣缸的活塞桿和缸蓋損壞，一般是因活塞桿安裝偏心或緩沖機(jī)構(gòu)不起作用而造成的。對(duì)此，應(yīng)調(diào)整活塞桿的中心位置；更換緩沖密封圈或調(diào)節(jié)螺釘。
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