《液壓與氣動技術（AR版）》 課件 第11章 氣動控制元件、氣動執(zhí)行元件

第11章氣動控制元件11.1方向控制閥11.2流量控制閥11.3壓力控制閥思考題與習題在氣壓傳動系統(tǒng)中，氣動控制元件是用來控制和調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力、流量、流動方向以及發(fā)送信號的重要元件，利用它們可以組成各種氣動控制回路，以保證氣動執(zhí)行元件或機構(gòu)按設計的程序正常工作。氣動控制元件按功能和用途可分為方向控制閥、流量控制閥和壓力控制閥三大類。此外，還有通過改變氣流方向和通斷來實現(xiàn)各種邏輯功能的氣動邏輯元件。

氣動方向控制閥(Directionalcontrolvalves)與液壓方向控制閥相似，是用來改變氣流流動方向或通斷的控制閥。其種類如圖11－1所示。11．1方向控制閥

圖11－1方向控制閥的種類11.1.1分類

1．按閥內(nèi)氣流的流通方向分

按閥內(nèi)氣流的流通方向可將氣動控制閥分為單向型控制閥和換向型控制閥。只允許氣流沿一個方向流動的控制閥稱為單向型控制閥，如單向閥、梭閥、雙壓閥和快速排氣閥等。可以改變氣流流動方向的控制閥稱為換向型控制閥，如電磁換向閥和氣控換向閥等。

2．按控制方式分

表11－1所示為氣動控制閥按控制方式所做的分類及職能符號。

1)電磁控制

利用電磁線圈通電，靜鐵芯對動鐵芯產(chǎn)生電磁吸力使閥切換，以改變氣流方向的閥，稱為電磁控制換向閥，簡稱電磁閥。這種閥易于實現(xiàn)電、氣聯(lián)合控制，能實現(xiàn)遠距離操作，故得到廣泛應用。

2)氣壓控制

利用氣體壓力來使主閥芯切換而使氣流改變方向的閥，稱為氣壓控制換向閥，簡稱氣控閥。這種閥在易燃、易爆、潮濕、粉塵大的工作環(huán)境中，工作安全可靠。該閥按控制方式不同可分為加壓控制、卸壓控制、差壓控制和延時控制等形式。

加壓控制是指輸入的控制氣壓是逐漸上升的，當壓力上升到某一值時，閥被切換。這種控制方式是氣動系統(tǒng)中最常用的控制方式，有單氣控和雙氣控之分。卸壓控制是指輸入的控制氣壓是逐漸降低的，當壓力降至某一值時，閥便被切換。

差壓控制是利用閥芯兩端受氣壓作用的有效面積不等，在氣壓的作用下產(chǎn)生的作用力之差值來使閥切換。

延時控制是利用氣流經(jīng)過小孔或縫隙節(jié)流向氣室內(nèi)充氣的。當氣室里的壓力升至一定值時，閥被切換，從而達到信號延時輸出的目的。

3)人力控制

依靠人力使閥切換的換向閥，稱為手動控制換向閥，簡稱人控閥。它可分為手動閥和腳踏閥兩大類。

人控閥與其他控制方式相比，具有可按人的意志進行操作，使用頻率較低，動作較慢，操作力不大，通徑較小，操作靈活等特點。人控閥在手動氣動系統(tǒng)中，一般用來直接操縱氣動執(zhí)行機構(gòu)。在半自動和全自動系統(tǒng)中，多作為信號閥使用。

4)機械控制

用凸輪、撞塊或其他機械外力使閥切換的閥稱為機械控制換向閥，簡稱機控閥。這種閥常用作信號閥使用。這種閥可用于濕度大、粉塵多、油分多的場合，不宜用于電氣行程開關的場合，但宜用于復雜的控制裝置中。

3．按閥的切換通口數(shù)目分

閥的通口數(shù)目包括輸入口、輸出口和排氣口。按切換通口的數(shù)目分，有二通閥、三通閥、四通閥和五通閥等。表11－2為換向閥的通口數(shù)和職能符號。

二通閥有兩個口，即一個輸入口(用P表示)和一個輸出口(用A表示)。

表11－2換向閥的通口數(shù)與職能符號三通閥有三個口，除P口、A口外，增加了一個排氣口(用R或Ｏ表示)。三通閥既可以是兩個輸入口(用P1、P2表示)和一個輸出口，作為選擇閥(選擇兩個不同大小的壓力值)；也可以是一個輸入口和兩個輸出口，作為分配閥。

二通閥、三通閥有常通型和常斷型之分。常通型是指閥的控制口未加控制信號(即零位)時，P口和A口相通。反之，常斷型閥在零位時，P口和A口是斷開的。

四通閥有四個口，除P、A、R外，還有一個輸出口(用B表示)，通路為P→A、B→R或P→B、A→R。五通閥有五個口，除P、A、B外，還有兩個排氣口(用R、S或O1、O2表示)。通路為P→A、B→S或P→B、A→R。五通閥也可以變成選擇式四通閥，即兩個輸入口(P1和P2)、兩個輸出口(A和B)和一個排氣口R。兩個輸入口供給壓力不同的壓縮空氣。

4．按閥芯工作的位置數(shù)分

閥芯的切換工作位置簡稱“位”，閥芯有幾個切換位置就稱為幾位閥。

有兩個通口的二位閥稱為二位二通閥(常表示為2/2閥，前者表示通口數(shù)，后者表示工作位置數(shù))，它可以實現(xiàn)氣路的通或斷。有三個通口的二位閥稱為二位三通閥(常表示為3/2閥)。在不同的工作位置，可實現(xiàn)P、A相通或A、R相通。常用的還有二位五通閥(常表示為5/2閥)，它可以用于推動雙作用氣缸的回路中。閥芯具有三個工作位置的閥稱為三位閥。當閥芯處于中間位置時，各通口呈關斷狀態(tài)，則稱為中間封閉式；若輸出口全部與排氣口接通，則稱為中間卸壓式；若輸出口都與輸入口接通，則稱為中間加壓式；若在中間卸壓式閥的兩個輸出口都裝上單向閥，則稱為中位式止回閥。

換向閥處于不同工作位置時，各通口之間的通斷狀態(tài)是不同的。閥處于各切換位置時，各通口之間的通斷狀態(tài)分別表示在一個長方形的方框上，這樣就構(gòu)成了換向閥的職能符號。常見換向閥的名稱和職能符號見表11－3。

這里需要對表11－3中的符號作出說明，閥中的通口用數(shù)字表示，符合ISO5599—3標準。通口既可用數(shù)字，也可用字母表示。表11－4為兩種表示方法的比較

表11－3常見換向閥名稱和職能符號

表11－4數(shù)字和字母兩種表示方法的比較

5．按閥芯結(jié)構(gòu)分

閥芯結(jié)構(gòu)是影響閥性能的重要因素之一。常用的閥芯結(jié)構(gòu)有滑柱式、提動式(又稱截止式)和滑板式等。6．按連接方式分

閥的連接方式有管式連接、板式連接、集裝式連接和法蘭連接等幾種。

管式連接有兩種：一種是閥體上的螺紋孔直接與帶螺紋的接管相連；另一種是閥體上裝有快速接頭，直接將管插入接頭內(nèi)。對不復雜的氣路系統(tǒng)，管式連接簡單，但維修時要先拆下配管。

板式連接需要配專用的過渡連接板，管路與連接板相連，閥固定在連接板上，裝拆時不必拆卸管路，對復雜氣動系統(tǒng)維修方便。

集裝式連接是將多個板式連接的閥安裝在集裝塊(又稱匯流板)上，各閥的輸入口或排氣口可以共用，各閥的排氣口也可單獨排氣。這種方式可以節(jié)省空間，減少配管，便于維修。11.1.2換向閥的結(jié)構(gòu)特點及工作原理

換向閥按結(jié)構(gòu)可分為提動閥(或稱截止閥)和滑動閥。其中提動閥又可分為球座閥和盤座閥。滑動閥可分為縱向滑柱閥、縱向滑板閥和旋轉(zhuǎn)滑軸閥。

1．提動閥(Poppetvalve)

提動閥是利用圓球、圓盤、平板或圓錐閥芯在垂直方向相對閥座移動，以控制通路的開啟或切斷。

1)球座閥(Ballseatvalve)

圖11－2所示為二位三通(3/2)機械動作球座閥的工作原理。當換向閥未驅(qū)動時如圖112(a)所示，復位彈簧將球狀閥芯擠壓在閥座上，從而使進氣口1關閉，進氣口1與工作口2不相通，工作口2與排氣口3相通。當換向閥工作時如圖11－2(b)所示，驅(qū)動推桿可將閥口打開。當閥口打開時，換向閥須克服復位彈簧力和氣壓力(由壓縮空氣產(chǎn)生)。一旦閥口打開，進氣口1就與工作口2相通，壓縮空氣進入換向閥輸出側(cè)，使換向閥有氣信號輸出。驅(qū)動力大小取決于換向閥通徑。這種換向閥結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，可安裝各種類型的驅(qū)動頭。對于直接驅(qū)動方式來說，驅(qū)動推桿動作的驅(qū)動力限制了其應用。大流量時，閥芯有效面積也大，需要較大的驅(qū)動力才能將閥口打開，因此，此類型換向閥通徑不宜過大。這種閥的操作皆由人力或機械驅(qū)動，彈簧復位。圖11－2機械動作3/2常閉式球座閥(a)正常位置結(jié)構(gòu)；(b)動作位置結(jié)構(gòu)；(c)職能符號

2)盤座閥(Discseatvalve)

盤座換向閥采用圓盤密封結(jié)構(gòu)，較小的閥芯位移就可產(chǎn)生較大的過流面積，具有響應快，抗污染能力強，壽命長，通流能力較大等特點。

圖11－3所示為二位三通機械動作常閉式盤座閥的工作原理。如圖11－3(b)所示，在未驅(qū)動狀態(tài)下，進氣口1關閉，工作口2與排氣口3相通。如圖11－3(c)所示，驅(qū)動推桿動作時，閥口打開，從而使進氣口1與工作口2相通，換向閥有氣信號輸出?？紤]到其閥芯工作面積，此類換向閥的驅(qū)動力較大。盤座閥主要制成2/2、3/2及4/2閥，按控制需求有“常閉”式和“常開”式。此類閥芯可由人力、機械、電磁或氣壓操縱，操縱時須克服復位彈簧力和空氣壓力。圖11－4所示為二位三通機械動作常開式盤座閥的工作原理。

圖11－3機械動作3/2常閉式盤座閥(a)外觀；(b)正常位置結(jié)構(gòu)；(c)動作位置結(jié)構(gòu)；(d)職能符號

圖11－4機械動作3/2常開式盤座閥(a)正常位置結(jié)構(gòu)；(b)動作位置結(jié)構(gòu)；(c)職能符號圖11－5所示為單氣控常閉式3/2盤狀閥的工作原理。單氣控二位三通閥由控制口12上的氣信號直接驅(qū)動。由于此換向閥只有一個控制信號，因此，這種閥被稱為直動式換向閥，該換向閥靠彈簧復位。如圖11－5(b)所示，當控制口12上有氣信號時，盤狀閥芯推動滑柱正對復位彈簧移動，使進氣口1與工作口2相通，工作口2有氣信號輸出。控制口12上的氣體壓力必須足夠大，以克服作用在閥芯上的彈簧力和空氣壓力使閥芯移動。通常，根據(jù)流量選擇換向閥通徑大小。圖11－5單氣控3/2常閉式盤座閥(a)正常位置結(jié)構(gòu)；(b)動作位置結(jié)構(gòu)；(c)職能符號圖11－6所示的雙氣控二位五通換向閥采用圓盤密封方式，其開閉行程相對較短。閥口的圓盤密封，既可以使進氣口1與工作口2相通，也可以使進氣口1與工作口4相通。雙氣控二位五通閥具有記憶功能，當兩個控制口14和12中的一個有氣信號時，二位五通換向閥將換向，且一直保持原來工作位置不變，直到另一個控制口有信號時才切換閥芯。這種換向閥兩端各有一個手控裝置，以便對閥芯手動操作。

圖11－6雙氣控二位五通圓盤式換向閥(帶手動復位)(a)控制口14有信號結(jié)構(gòu)圖；(b)控制口12有信號結(jié)構(gòu)圖；(c)14口通氣狀態(tài)職能符號；(d)12口通氣狀態(tài)職能符號以下所述的電磁閥，從結(jié)構(gòu)上也屬于提動閥。電磁閥是氣動控制元件中最主要的元件，其品種繁多，結(jié)構(gòu)各異，按操縱方式可分為直動式和先導式兩類。

直動式(Directcontrol)電磁閥是利用電磁力直接驅(qū)動閥芯換向的。如圖11－7所示的直動式電磁閥，屬于小尺寸閥，故電磁力可直接吸引柱塞，從而使閥芯換向。圖11－7(b)所示為電磁鐵尚未通電狀態(tài)，彈簧將柱塞壓下，使1口和2口斷開，2口和3口接通，閥處于排氣狀態(tài)。如圖11－7(c)所示，當電磁鐵通電后，電磁力大于彈簧力，柱塞被提上升，1口和2口通，3口被遮斷，閥處于進氣狀態(tài)。

圖11－7直動式3/2電磁閥(a)外觀；(b)正常位置結(jié)構(gòu)；(c)動作位置結(jié)構(gòu)；(d)職能符號直動式電磁閥只適用于小型閥。如果要利用直動式電磁鐵控制大流量空氣，則閥的體積必須加大，電磁鐵也要加大才能吸引柱塞，而體積和電耗都增大會帶來不經(jīng)濟的問題，為克服這些缺點，應采用先導式結(jié)構(gòu)。

先導式(Pilotcontrol)電磁閥是由小型直動式電磁閥和大型氣控換向閥組合構(gòu)成的。它利用直動式電磁閥輸出先導氣壓，此先導氣壓再推動主閥芯換向，該閥的電控部分又稱為電磁先導閥。圖11－8所示為先導式單電控3/2換向閥的工作原理。圖11－8(a)所示為電磁線圈未通電狀態(tài)，主閥的供氣路1有一小孔通路(圖中未示出)到先導閥的閥座，彈簧力使柱塞壓向先導閥的閥座，1口和2口斷開，2口和3口接通，閥處于排氣狀態(tài)。圖11－8(b)所示為電磁線圈通電狀態(tài)，電磁力吸引柱塞被提升，壓縮空氣流入主閥閥芯上端，推動閥芯向下移動，且使盤閥離開閥座，壓縮空氣從1口流向2口，3口被斷開。電磁鐵斷電，則電磁閥復位。

圖11－8先導式3/2電磁閥(a)正常位置結(jié)構(gòu)；(b)工作位置結(jié)構(gòu)；(c)職能符號

2．滑動閥(Slidevalve)

滑動閥是利用滑柱、滑板或旋轉(zhuǎn)滑軸在閥體里運動來實現(xiàn)氣路通斷的閥。

1)縱向滑柱閥(Longitudinalslidevalve)

縱向滑柱閥是利用一個有臺肩的滑柱在閥體內(nèi)軸向移動，從而使各氣口接通或關斷的。滑柱的移動可采用人力、機械、電氣或氣動方式操縱。圖11－9所示為雙氣控二位五通滑柱式換向閥。由于沒有復位彈簧，因此只要在12口或14口引入一個較低的工作壓力即可使滑柱移動。如圖11－9(a)所示，當控制口12有壓縮空氣時，滑柱右移，則空氣從1口流向2口，從4口流向5口，3口被遮斷。除非14口有壓縮空氣引入(如圖11－9(b)所示)，否則滑柱不會改變位置，這就是該閥所具有的記憶功能?？刂瓶?2口或14口的壓縮空氣只需一個脈沖信號即可使滑柱移動，但12口和14口不能同時有信號。在這種換向閥中，閥芯與閥體之間的間隙不超過0.002～0.004mm。與提動式換向閥相比較，這種換向閥工作行程要大一些。

圖11－9雙氣控5/2滑柱式換向閥(a)控制口12有信號時；(b)控制口14有信號時；(c)職能符號圖11－10(a)所示為單電控先導式二位五通換向閥的外觀。該閥在結(jié)構(gòu)上屬于滑柱式，主要用于控制雙作用缸的運動。如圖11－10(b)所示，當沒有電信號輸入時，先導閥的柱塞頂在閥座上，閥的滑柱右邊沒有先導氣壓。如圖11－10(c)所示，當電磁鐵通電時，先導閥的柱塞被吸，右移，壓縮空氣經(jīng)1口的小孔通到滑柱右邊使滑柱左移，故空氣從1口流向4口，從2口流向3口，5口被遮斷。當斷電時，滑柱左側(cè)彈簧將滑柱向右推，換向閥復位。此閥帶有手動復位按鈕。

圖11－10單電控先導式5/2換向閥(帶手動復位)(a)外觀；(b)正常位置結(jié)構(gòu)；(c)動作位置結(jié)構(gòu)；(d)職能符號圖11－11(a)所示為雙電控先導式二位五通換向閥的外觀。該閥在結(jié)構(gòu)上也屬于滑柱式，主要用于控制雙作用缸的運動及信號的轉(zhuǎn)接。圖11－11(b)所示為閥兩邊電磁鐵均未通電狀態(tài)，彈簧將先導閥芯壓在先導閥的閥座上，故主閥滑柱兩端皆沒有先導氣壓，主閥的滑柱停在上一個動作信號所決定的位置，空氣從1口流向2口，從4口流向5口，3口被遮斷。如圖11－11(c)所示，當右邊電磁鐵通電時，右邊先導閥芯右移，1口氣源信號經(jīng)右邊小孔通到主閥滑柱右邊，滑柱左移，空氣從1口流向4口，從2口流向3口，5口被遮斷。如切斷電源，則滑柱停在左邊。若使滑柱右移，則使左邊電磁鐵通電即可。此閥也為記憶閥，帶有手動復位按鈕。

圖11－11雙電控先導式5/2換向閥(帶手動復位)(a)外觀；(b)正常位置結(jié)構(gòu)；(c)動作位置結(jié)構(gòu)；(d)職能符號

2)縱向滑板閥(Longitudinalflatslidevalve)

縱向滑板閥是利用滑柱的移動帶動滑板來接通或斷開各通口的。滑板靠氣壓或彈簧壓向閥座，能自動調(diào)節(jié)。這種閥的滑板即使產(chǎn)生磨耗，也能保證有效的密封。

圖11－12所示為雙氣控二位四通滑板閥的工作原理。當壓縮空氣從12口引入時，滑柱左移，空氣從1口流向2口，從4口流向3口，如圖11－12(a)所示。當壓縮空氣從14口引入時，滑柱右移，空氣從1口流向4口，從2口流向3口，如圖11－12(b)所示。如切斷控制口的氣源，則滑柱在從另一側(cè)接受信號前，仍停留在當前位置。兩端控制口的氣信號只要是脈沖信號即可。

3)旋轉(zhuǎn)滑軸閥(Plateslidevalve)

旋轉(zhuǎn)滑軸閥是利用兩個盤片使各個通路互相連接或分開的，通常用手或腳操作，主要有二位四通或三位四通閥。圖11－13所示為旋轉(zhuǎn)滑軸式4/3換向閥的工作原理。圖11－12雙氣控4/2縱向滑板閥(a)12口有信號，14口無信號的結(jié)構(gòu)；(b)14口有信號，12口無信號的結(jié)構(gòu)；(c)職能符號

圖11－13旋轉(zhuǎn)滑軸式4/3換向閥(中位封閉)(a)外觀；(b)閥位；(c)結(jié)構(gòu)；(d)職能符號

3.延時閥(Timedelayvalve)

延時閥是一種時間控制元件，它的作用是使閥在一特定時間發(fā)出信號或中斷信號，在氣動系統(tǒng)中作信號處理元件。延時閥是一個組合閥，由二位三通換向閥、單向可調(diào)節(jié)流閥和氣室組成。二位三通換向閥既可以是常閉式，也可以是常開式。圖11－14所示為常閉式延時閥的工作原理。如圖11－14(a)所示，當控制口12沒有氣信號時，換向閥閥芯受彈簧作用力壓在閥座上，2口無信號輸出。如圖11－14(b)所示，當控制口12上有氣信號輸入時，經(jīng)節(jié)流閥注入氣室，因單向節(jié)流閥的節(jié)流作用且氣室有容積，在短時間內(nèi)無足夠壓力推動換向閥閥芯換向，經(jīng)過一段時間Δt后，氣室中氣體壓力已達到預定壓力，二位三通換向閥換向，2口有信號輸出。圖11－14(d)所示為延時閥的時序圖。

圖11－14常閉式延時閥(a)控制口12無氣結(jié)構(gòu)；(b)控制口12有氣結(jié)構(gòu)；(c)職能符號；(d)時序圖若壓縮空氣是潔凈的，且壓力穩(wěn)定，則可獲得精確的延時時間。通常，延時閥的時間調(diào)節(jié)范圍為0～30s，通過增大氣室可以使延時時間加長。延時閥通常帶可鎖定的調(diào)節(jié)桿，可用來調(diào)節(jié)延時時間。11．1．3單向型方向閥

單向型方向閥有單向閥、梭閥、雙壓閥和快速排氣閥等。

1．單向閥(No-returnvalve)

單向閥是指氣流只能向一個方向流動而不能反向流動的閥，且壓降較小。單向閥的工作原理、結(jié)構(gòu)和職能符號與液壓傳動中的單向閥基本相同。這種單向阻流作用可由錐密封、球密封、圓盤密封或膜片來實現(xiàn)。如圖11－15所示的單向閥，利用彈簧力將閥芯頂在閥座上，故壓縮空氣要通過單向閥時必須先克服彈簧力。

圖11－15單向閥(a)外觀；(b)正向流通結(jié)構(gòu)；(c)反向截止結(jié)構(gòu)；(d)職能符號

2．梭閥(Shuttlevalve)

梭閥又稱為“或”門型梭閥。如圖11－16所示的梭閥，有兩個輸入信號口1和一個輸出信號口2。若在一個輸入口上有氣信號，則與該輸入口相對的閥口就被關閉，同時在輸出口2上有氣信號輸出。這種閥具有“或”邏輯功能，即只要在任一輸入口1上有氣信號，在輸出口2上就會有氣信號輸出。

圖11－16梭閥(a)結(jié)構(gòu)；(b)職能符號梭閥在邏輯回路和氣動程序控制回路中應用廣泛，常用作信號處理元件。圖11－17為數(shù)個輸入信號需連接(并聯(lián))到同一個出口的應用方法，所需梭閥數(shù)目為輸入信號數(shù)減1。

圖11－18所示為梭閥的應用實例，用兩個手動按鈕1S1和1S2操縱氣缸進退。當驅(qū)動兩個按鈕閥中的任何一個動作時，雙作用氣缸活塞桿都伸出，只有同時松開兩個按鈕閥，氣缸活塞桿才回縮。梭閥應與兩個按鈕閥的工作口相連接，這樣，氣動回路才可以正常工作。

圖11－17梭閥組合(a)雙邊法；(b)單邊法

圖11－18梭閥應用實例

3．雙壓閥(Dualpressurevalve)

雙壓閥又稱“與”門梭閥。在氣動邏輯回路中，它的作用相當于“與”門作用。如圖11－19所示，該閥有兩個輸入口1和一個輸出口2。若只有一個輸入口有氣信號，則輸出口2沒有氣信號輸出，只有當雙壓閥的兩個輸入口均有氣信號時，輸出口2才有氣信號輸出。雙壓閥相當于兩個輸入元件串聯(lián)。

圖11－19雙壓閥(a)外觀；(b)結(jié)構(gòu)；(c)職能符號與梭閥一樣，雙壓閥在氣動控制系統(tǒng)中也作為信號處理元件，數(shù)個雙壓閥的連接方式如圖11－20所示，只有數(shù)個輸入口皆有信號時，輸出口才會有信號。雙壓閥的應用也很廣泛，主要用于互鎖控制、安全控制、功能檢查或者邏輯操作。

圖11－21所示為一個安全控制回路。只有當兩個按鈕閥1S1和1S2都壓下時，單作用氣缸活塞桿才伸出。若二者中有一個不動作，則氣缸活塞桿將回縮至初始位置。

圖11－20雙壓閥組合(a)雙邊串聯(lián)法；(b)單邊串聯(lián)法

圖11－21安全控制回路

4．快速排氣閥(Quickexhaustvalve)

快速排氣閥可使氣缸活塞運動速度加快，特別是在單作用氣缸情況下，可以避免其回程時間過長。圖11－22所示為快速排氣閥，當1口進氣時，由于單向閥開啟，壓縮空氣可自由通過，2口有輸出，排氣口3被圓盤式閥芯關閉。若2口為進氣口，則圓盤式閥芯就關閉氣口1，壓縮空氣從排氣口3排出。為了降低排氣噪聲，這種閥一般帶消聲器。

圖11－22快速排氣閥(a)外觀；(b)結(jié)構(gòu)；(c)職能符號快速排氣閥用于使氣動元件和裝置迅速排氣的場合。為了減小流阻，快速排氣閥應靠近氣缸安裝。例如，把它裝在換向閥和氣缸之間(應盡量靠近氣缸排氣口，或直接擰在氣缸排氣口上)，使氣缸排氣時不用通過換向閥而直接排出。這對于大缸徑氣缸及缸閥之間管路長的回路尤為需要，如圖11－23(a)所示。

快速排氣閥也可用于氣缸的速度控制，如圖11－23(b)所示。按下手動閥，由于節(jié)流閥的作用，氣缸慢進；如手動閥復位，則氣缸無桿腔中的氣體直接通過快速排氣閥快速排出，氣缸實現(xiàn)快退動作。壓縮空氣通過排氣口排出。

圖11－23快速排氣閥應用回路11．1．4方向控制閥的選用

在方向控制閥的選用上應考慮以下幾點：

(1)根據(jù)流量選擇閥的通徑。閥的通徑是根據(jù)氣動執(zhí)行機構(gòu)在工作壓力狀態(tài)下的流量值來選取的。目前國內(nèi)各生產(chǎn)廠對于閥的流量有的用自由空氣流量表示，也有的用壓力狀態(tài)下的空氣流量(一般是指在0.5MPa工作壓力下)表示。流量參數(shù)也有各種不同的表示方法，而且閥的接管螺紋并不能代表閥的通徑，如G1／4的閥通徑為8mm，也有的為6mm。這些在選擇閥時需特別注意。所選用的閥的流量應略大于系統(tǒng)所需的流量。信號閥(如手動按鈕)是根據(jù)它距所控制的閥的遠近、數(shù)量和響應時間的要求來選擇的。一般對于集中控制或距離在20m以內(nèi)的場合，可選3mm通徑的；對于距離在20m以上或控制數(shù)量較多的場合，可選6mm通徑的。

(2)根據(jù)氣動系統(tǒng)的工作要求和使用條件選用閥的機能和結(jié)構(gòu)，包括元件的位置數(shù)、通路數(shù)、記憶功能、靜止時通斷狀態(tài)等。應盡量選擇與所需機能相一致的閥，如選不到，可用其他閥代替或用幾個閥組合使用。如用二位五通閥代替二位三通閥或二位二通閥，只要將不用的氣口用堵頭堵上即可。又如用兩個二位三通閥代替一個二位五通閥，或用兩個二位二通閥代替一個二位三通閥。這種方法可在維修急用時試一試。

(3)根據(jù)控制要求，選擇閥的控制方式。

(4)根據(jù)現(xiàn)場使用條件選擇閥的適用范圍，這些條件包括使用現(xiàn)場的氣源壓力大小、電源條件(交直流、電壓大小等)、介質(zhì)溫度、環(huán)境溫度、是否需要油霧潤滑等。應選擇能在相應條件下可靠工作的閥。

(5)根據(jù)氣動系統(tǒng)工作要求選用閥的性能，包括閥的最低工作壓力、最低控制壓力、響應時間、氣密性、壽命及可靠性。

(6)根據(jù)實際情況選擇閥的安裝方式。從安裝維修方面考慮板式連接較好，包括集裝式連接，ISO5599.1標準也是板式連接。因此優(yōu)先采用板式安裝方式，特別是對集中控制的氣動控制系統(tǒng)更是如此。管式安裝方式的閥占有空間小，也可以集中安裝，且隨著元件的質(zhì)量和可靠性不斷提高，已得到廣泛應用。

(7)應選用標準化產(chǎn)品，避免采用專用閥，盡量減少閥的種類，便于供貨、安裝及維護。

在氣動系統(tǒng)中，經(jīng)常要求控制氣動執(zhí)行元件的運動速度，這是靠調(diào)節(jié)壓縮空氣的流量來實現(xiàn)的。用來控制氣體流量的閥稱為流量控制閥(Flowcontrolvalves)。流量控制閥是通過改變閥的通流截面積來實現(xiàn)流量控制的元件，它包括節(jié)流閥、單向節(jié)流閥、排氣節(jié)流閥等。11.2流量控制閥

1．節(jié)流閥(Throttlevalve)

節(jié)流閥是將空氣的流通截面縮小以增加氣體的流通阻力，從而降低氣體的壓力和流量的。如圖11－24所示，閥體上有一個調(diào)整螺絲，可以調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開口度(無級調(diào)節(jié))，并可保持其開口度不變，此類閥稱為可調(diào)節(jié)開口節(jié)流閥。流通截面固定的節(jié)流閥稱為固定開口節(jié)流閥?？烧{(diào)節(jié)流閥常用于調(diào)節(jié)氣缸活塞的運動速度，若有可能，應將其直接安裝在氣缸上。這種節(jié)流閥有雙向節(jié)流作用。使用節(jié)流閥時，節(jié)流面積不宜太小，因為空氣中的冷凝水、塵埃等塞滿阻流口通路會引起節(jié)流量的變化。

圖11－24可調(diào)節(jié)流閥(a)結(jié)構(gòu)；(b)職能符號

2．單向節(jié)流閥(Onewayflowcontrolvalve)

單向節(jié)流閥是由單向閥和節(jié)流閥組合而成的，常用于控制氣缸的運動速度，也稱為速度控制閥。如圖11－25所示，當氣流從1口進入時，單向閥被頂在閥座上，空氣只能從節(jié)流口流向出口2，流量被節(jié)流閥節(jié)流口的大小所限制，調(diào)節(jié)螺釘可以調(diào)節(jié)節(jié)流面積。當空氣從2口進入時，它推開單向閥自由流到1口，不受節(jié)流閥限制。

利用單向節(jié)流閥控制氣缸的速度方式有進氣節(jié)流(Meter-in)和排氣節(jié)流(Meter-out)兩種。

圖11－25單向節(jié)流閥(a)外觀；(b)結(jié)構(gòu)；(c)職能符號

圖11－26氣缸速度控制(a)進氣節(jié)流；(b)排氣節(jié)流

圖11－26(a)所示為進氣節(jié)流控制，是通過控制進入氣缸的流量來調(diào)節(jié)活塞運動速度的。采用這種控制方式，如活塞桿上的負荷有輕微變化，將會導致氣缸速度的明顯變化。因此，它的速度穩(wěn)定性差，僅用于單作用氣缸、小型氣缸或短行程氣缸的速度控制。圖11－26(b)所示為排氣節(jié)流控制，它是控制氣缸排氣量的大小的，而進氣是滿流的。這種控制方式能為氣缸提供背壓來限制速度，故速度穩(wěn)定性好，常用于雙作用氣缸的速度控制。

單向節(jié)流閥用于氣動執(zhí)行元件的速度調(diào)節(jié)時應盡可能直接安裝在氣缸上。

一般情況下，單向節(jié)流閥的流量調(diào)節(jié)范圍為管道流量的20%～30%。對于要求能在較寬范圍里進行速度控制的場合，可采用單向閥開度可調(diào)的速度控制閥。

3．排氣節(jié)流閥(Exhaustthrottlevalve)

排氣節(jié)流閥的節(jié)流原理和節(jié)流閥一樣，也是靠調(diào)節(jié)通流面積來調(diào)節(jié)閥流量的。它們的區(qū)別是，節(jié)流閥通常是安裝在系統(tǒng)中調(diào)節(jié)氣流的流量，而排氣節(jié)流閥只能安裝在排氣口處，調(diào)節(jié)排入大氣的流量，以此來調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)的運動速度。圖11－27所示為排氣節(jié)流閥的工作原理，氣流從A口進入閥內(nèi)，由節(jié)流口節(jié)流后經(jīng)消聲套排出。因而，它不僅能調(diào)節(jié)執(zhí)行元件的運動速度，還能起到降低排氣噪聲的作用。

圖11－27排氣節(jié)流閥(a)結(jié)構(gòu)；(b)職能符號排氣節(jié)流閥通常安裝在換向閥的排氣口處，與換向閥聯(lián)用，起單向節(jié)流閥的作用。它實際上是節(jié)流閥的一種特殊形式。由于其結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，能簡化回路，因此應用日益廣泛。

4.流量控制閥的選用

選用流量控制閥時應考慮以下兩點：

(1)根據(jù)氣動裝置或氣動執(zhí)行元件的進、排氣口通徑來選擇。

(2)根據(jù)所控制氣缸的缸徑和缸速，計算流量調(diào)節(jié)范圍，然后從樣本上查節(jié)流特性曲線，選擇流量控制閥的規(guī)格。用流量控制的方法控制氣缸的速度，因為受空氣的壓縮性及氣阻力的影響，一般氣缸的運動速度不得低于30mm/s。

壓力控制閥是用來控制氣動系統(tǒng)中壓縮空氣的壓力的，用于滿足各種壓力需求或節(jié)能。壓力控制閥有減壓閥、安全閥(溢流閥)和順序閥三種。11.3壓力控制閥氣動系統(tǒng)與液壓傳動系統(tǒng)不同的一個特點是，液壓傳動系統(tǒng)的液壓油是由安裝在每臺設備上的液壓源直接提供的，而在氣動系統(tǒng)中，一個空壓站輸出的壓縮空氣通?？晒┒嗯_氣動裝置使用?？諌赫据敵龅目諝鈮毫Ω哂诿颗_氣動裝置所需的壓力，且壓力波動較大。因此，每臺氣動裝置的供氣壓力都需要減壓閥來減壓，并保持供氣壓力穩(wěn)定。對于低壓控制系統(tǒng)(如氣動測量)，除用減壓閥降低壓力外，還需要用精密減壓閥(或定值器)以獲得更穩(wěn)定的供氣壓力。對于這類壓力控制閥，當輸入壓力在一定范圍內(nèi)改變時，能保持輸出壓力不變。當管路中的壓力超過允許壓力時，為了保證系統(tǒng)的工作安全，往往用安全閥來實現(xiàn)自動排氣，使系統(tǒng)的壓力下降，如儲氣罐頂部必須裝安全閥。

氣動裝置中不便安裝行程閥，而要依據(jù)氣壓的大小來控制兩個以上的氣動執(zhí)行機構(gòu)的順序動作時，就要用到順序閥。

1．減壓閥

減壓閥又稱調(diào)壓閥，用于將空壓站輸出的空氣壓力減到適當?shù)目諝鈮毫?，以適應各種設備。具體內(nèi)容請參見9.2.3節(jié)。

2．安全閥

安全閥是用來防止系統(tǒng)內(nèi)壓力超過最大許用壓力來保護回路或氣動裝置安全的。圖1128所示為安全閥的工作原理。閥的輸入口與控制系統(tǒng)(或裝置)相連，當系統(tǒng)壓力小于此閥的調(diào)定壓力時，彈簧力使閥芯緊壓在閥座上，如圖11－28(a)所示。當系統(tǒng)壓力大于此閥的調(diào)定壓力時，則閥芯開啟，壓縮空氣從R口排放到大氣中，如圖11－28(b)所示。此后，當系統(tǒng)中的壓力降低到閥的調(diào)定值時，閥門關閉，并保持密封。

圖11－28安全閥的工作原理(a)關閉狀態(tài)結(jié)構(gòu)；(b)開啟狀態(tài)結(jié)構(gòu)；(c)職能符號

3．順序閥

順序閥是靠回路中的壓力變化來控制氣缸順序動作的一種壓力控制閥。在氣動系統(tǒng)中，順序閥通常安裝在需要某一特定壓力的場合，以便完成特定的操作。只有達到需要的操作壓力后，順序閥才有氣信號輸出。圖11－29所示為可調(diào)式順序閥的工作原理。如圖11－29(a)所示，當控制口12的氣信號小于閥的彈簧調(diào)定壓力時，從1口進入的壓縮空氣被堵塞，2口的氣體經(jīng)3口排放。如圖11－29(b)所示，只有當控制口12上的氣信號壓力超過了彈簧調(diào)定值時，壓縮空氣才將膜片和柱塞頂起，順序閥開啟，壓縮空氣從1口流向2口，3口被遮斷。調(diào)節(jié)桿上帶一個鎖定螺母，可以鎖定預調(diào)壓力值。

圖11－29順序閥(a)未驅(qū)動時結(jié)構(gòu)；(b)已驅(qū)動結(jié)構(gòu)；(c)職能符號圖11－30所示為順序閥的應用回路。當驅(qū)動按鈕閥動作時，氣缸伸出，并對工件進行加工。只要達到預定壓力，氣缸就復位。順序閥的預定壓力可調(diào)。

圖11－30順序閥應用回路第11章氣動執(zhí)行元件11.1氣缸11.2氣動馬達11.3氣缸的選擇和使用要求思考題與習題在氣動系統(tǒng)中，將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換成機械能的元件稱為氣動執(zhí)行元件?？梢詫崿F(xiàn)往復直線運動和往復擺動運動的氣動執(zhí)行元件稱為氣缸；可以實現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動的氣動執(zhí)行元件稱為氣馬達。

11.1.1氣缸的分類

在氣動自動化系統(tǒng)中，由于氣缸(Aircylinders)具有相對較低的成本，容易安裝，結(jié)構(gòu)簡單，耐用，各種缸徑尺寸及行程可選等優(yōu)點，因而是應用最廣泛的一種執(zhí)行元件。根據(jù)使用條件不同，氣缸的結(jié)構(gòu)、形狀和功能也不一樣，要完全確切地對氣缸進行分類是比較困難的。氣缸主要的分類方式如下。11.1氣缸

1．按結(jié)構(gòu)分類

按結(jié)構(gòu)可將氣缸分為如圖11－1所示的幾類。

2．按尺寸分類

通常稱缸徑為2.5～6mm的為微型氣缸，8～25mm的為小型氣缸，32～320mm的為中型氣缸，大于320mm的為大型氣缸。

圖11－1按結(jié)構(gòu)分類

3．按安裝方式分類

按安裝方式可將氣缸分為如下兩類：

(1)固定式氣缸：氣缸安裝在機體上固定不動，如圖11－2(a)、(b)、(c)、(d)所示。

(2)擺動式氣缸：缸體圍繞一個固定軸可作一定角度的擺動，如圖11－2(e)、(f)、(g)所示。

圖11－2按氣缸安裝方式分類

4．按緩沖方式分類

活塞運動到行程終端的速度較大，為防止活塞在行程終端撞擊端蓋而造成氣缸損傷和降低撞擊噪音，在氣缸行程終端一般都設有緩沖裝置。緩沖可分為單側(cè)緩沖和雙側(cè)緩沖、固定緩沖和可調(diào)緩沖。將設有緩沖裝置的氣缸稱為緩沖氣缸；否則，就是無緩沖氣缸。無緩沖氣缸適用于微型氣缸、小型單作用氣缸和短行程氣缸。

氣缸的緩沖可分為彈性墊緩沖(一般為固定的)和氣墊緩沖(一般為可調(diào)的)。彈性墊緩沖是在活塞兩側(cè)設置橡膠墊，或者在兩端缸蓋上設置橡膠墊，以吸收動能，常用于缸徑小于25mm的氣缸。氣墊緩沖是利用活塞在行程終端前封閉的緩沖腔室所形成的氣墊作用來吸收動能的，適用于大多數(shù)氣缸的緩沖。

5．按潤滑方式分類

按潤滑方式可將氣缸分為給油氣缸和不給油氣缸兩種。給油氣缸使用的工作介質(zhì)是含油霧的壓縮空氣，它對氣缸內(nèi)活塞、缸筒等相對運動部件進行潤滑。不給油氣缸所使用的壓縮空氣中不含油霧，是靠裝配前預先添加在密封圈內(nèi)的潤滑脂使氣缸運動部件潤滑的。

使用時應注意，不給油氣缸也可以給油，一旦給油，以后必須一直當給油氣缸使用否則將引起密封件過快磨損。這是因為壓縮空氣中的油霧已將潤滑脂洗去，而使氣缸內(nèi)部處于無油潤滑狀態(tài)。

6．按驅(qū)動方式分類

按驅(qū)動氣缸時壓縮空氣作用在活塞端面上的方向分，有單作用氣缸和雙作用氣缸兩種。11.1.2普通氣缸

普通氣缸是指缸筒內(nèi)只有一個活塞和一個活塞桿的氣缸，有單作用和雙作用氣缸兩種。

1．雙作用氣缸動作原理(Double-actingcylinders)

圖11－3所示為普通型單活塞桿雙作用氣缸的結(jié)構(gòu)原理。雙作用氣缸一般由缸筒1、前缸蓋3、后缸蓋2、活塞8、活塞桿4、密封件和緊固件等零件組成。缸筒1與前后缸蓋之間由四根螺桿將其緊固鎖定。缸內(nèi)有與活塞桿相連的活塞，活塞上裝有活塞密封圈。為防止漏氣和外部灰塵的侵入，前缸蓋上裝有活塞桿、密封圈和防塵密封圈。這種雙作用氣缸被活塞分成兩個腔室：有桿腔(簡稱頭腔或前腔)和無桿腔(簡稱尾腔或后腔)，有活塞桿的腔室稱為有桿腔，無活塞桿的腔室稱為無桿腔。從無桿腔端的氣口輸入壓縮空氣時，若氣壓作用在活塞左端面上的力克服了運動摩擦力、負載等各種反作用力，則當活塞前進時，有桿腔內(nèi)的空氣經(jīng)該端氣口排出，使活塞桿伸出。同樣，當有桿腔端氣口輸入壓縮空氣時，活塞桿縮回至初始位置。通過無桿腔和有桿腔交替進氣和排氣，活塞桿伸出和縮回，氣缸實現(xiàn)往復直線運動。氣缸缸蓋上未設置緩沖裝置的氣缸稱為無緩沖氣缸，缸蓋上設置緩沖裝置的氣缸稱為緩沖氣缸。圖11－3所示的氣缸為緩沖氣缸，緩沖裝置由緩沖節(jié)流閥11、緩沖柱塞9和緩沖密封圈等組成。當氣缸行程接近終端時，由于緩沖裝置的作用，可以防止高速運動的活塞撞擊缸蓋的現(xiàn)象發(fā)生。

圖11－3普通型單活塞桿雙作用氣缸(a)外觀；(b)結(jié)構(gòu)；(c)職能符號

2．單作用氣缸動作原理(Single-actingcylinders)

單作用氣缸在缸蓋一端氣口輸入壓縮空氣使活塞桿伸出(或縮回)，而另一端靠彈簧力、自重或其他外力等使活塞桿恢復到初始位置。單作用氣缸只在動作方向需要壓縮空氣，故可節(jié)約一半壓縮空氣。該缸主要用在夾緊、退料、阻擋、壓入、舉起和進給等操作上。根據(jù)復位彈簧位置將作用氣缸分為預縮型氣缸和預伸型氣缸。當彈簧裝在有桿腔內(nèi)時，由于彈簧的作用力而使氣缸活塞桿初始位置處于縮回位置，我們將這種氣缸稱為預縮型單作用氣缸；當彈簧裝在無桿腔內(nèi)時，氣缸活塞桿初始位置為伸出位置的稱為預伸型氣缸。圖11-4所示為預縮型單作用氣缸結(jié)構(gòu)原理，這種氣缸在活塞桿側(cè)裝有復位彈簧，在前缸蓋上開有呼吸用的氣口。除此之外，其結(jié)構(gòu)基本上和雙作用氣缸相同。圖示單作用氣缸的缸筒和前后缸蓋之間采用滾壓鉚接方式固定。單作用缸行程受內(nèi)裝回程彈簧自由長度的影響，其行程長度一般在110mm以內(nèi)。

圖11－4單作用氣缸(a)幾種型號單作用氣缸外觀；(b)結(jié)構(gòu)；(c)職能符號

3．氣缸的基本結(jié)構(gòu)

活塞式氣缸主要由缸筒、活塞桿、活塞、導向套、前缸蓋與后缸蓋以及密封等元件組成。

1)缸筒

缸筒一般采用圓筒形結(jié)構(gòu)，但隨著氣缸品種的發(fā)展及加工工藝技術的提高，已廣泛采用方形、矩形的異形管材和用于防轉(zhuǎn)氣缸的矩形或橢圓孔的異形管材。缸筒材料一般采用冷拔鋼管、鋁合金管、不銹鋼管、銅管和工程塑料管。中、小型氣缸大多用鋁合金管和不銹鋼管，對于廣泛使用的開關氣缸的缸筒要求用非導磁材料，用于冶金、汽車等行業(yè)的重型氣缸一般采用冷拔精拉鋼管，也有用鑄鐵管的。缸筒材料表面要求有一定的硬度，以抗活塞運動時的磨損。鋼管內(nèi)表面需鍍鉻珩磨，鍍層厚度為0.02mm；鋁合金管需硬質(zhì)陽極氧化處理，硬氧膜層厚度為30～50μm。缸筒與活塞間隙配合精度為H9級，圓柱度誤差在0.002～0.003范圍內(nèi)，表面粗糙度在Ra0.2～0.4范圍內(nèi)，缸筒兩端面對內(nèi)孔軸線的垂直度允差在0.05～0.1范圍內(nèi)，氣缸筒應能承受1.5倍最高工作壓力條件下的耐壓試驗，不得有泄漏。缸筒壁厚可根據(jù)薄壁筒的計算公式

(11－1)

進行計算。式中，b表示缸筒壁厚，單位為cm；D表示缸筒內(nèi)徑，單位為cm；p表示缸筒承受的最大氣壓力，單位為MPa；表示缸筒材料的許用應力，單位為MPa。

實際缸筒壁較厚，對于一般用途的氣缸約取計算值的7倍，重型氣缸約取計算值的20倍，再圓整到標準管材尺寸。

2)活塞桿

活塞桿是用來傳遞力的重要零件，要求能承受拉伸、壓縮、振動等負載，表面耐磨，不生銹?；钊麠U材質(zhì)一般選用35、45碳鋼，特殊場合用精軋不銹鋼等材料，鋼材表面需鍍鉻及調(diào)質(zhì)熱處理。氣缸使用時必須注意活塞桿強度問題。由于活塞桿頭部的螺紋受沖擊后易遭受破壞，多數(shù)場合活塞桿承受的是推力負載，因此必須考慮細長桿的壓桿穩(wěn)定性。氣缸水平安裝時，應考慮活塞桿伸出因自重而引起活塞桿頭部下垂的問題?；钊麠U頭部連接處，在大慣性負載運動停止時，往往伴隨著沖擊，由于沖擊作用而容易引起活塞桿頭部遭受破壞。因此，在使用時應檢查負載的慣性力，設置負載停止的阻擋裝置和緩沖吸收裝置，以及消除活塞桿上承受的不合理的作用力。

3)活塞

氣缸活塞受氣壓作用產(chǎn)生推力，并在缸筒內(nèi)做摩擦滑動，且必須承受沖擊。在高速運動場合，活塞有可能撞擊缸蓋。因此，要求活塞具有足夠的強度和良好的滑動特性。對氣缸用的活塞應充分重視其滑動性能，特別是耐磨性和不發(fā)生“咬缸”現(xiàn)象。活塞的寬度與采用密封圈的數(shù)量、導向環(huán)的形式等因素有關。一般活塞寬度越小，氣缸的總長就越短?；钊幕瑒用嫘r，容易引起早期磨損或卡死，如“咬缸”現(xiàn)象。一般對標準氣缸而言，活塞寬度約為缸徑的20%～25%，該值需綜合考慮使用條件，由活塞與缸筒、活塞桿與導向套的間隙尺寸等因素來決定?；钊牟馁|(zhì)常用鋁合金和鑄鐵，小型氣缸的活塞有的是用黃銅制造的。

4)導向套

導向套用作活塞桿往復運動時的導向。因此，同對活塞的要求一樣，要求導向套具有良好的滑動性能，能承受由于活塞桿受重載時引起的彎曲、振動及沖擊。在粉塵等雜物進入活塞桿和導向套之間的間隙時，要求活塞桿表面不被劃傷。導向套一般采用聚四氟乙烯和其他的合成樹脂材料，也可用銅顆粒燒結(jié)的含油軸承材料。

導向套內(nèi)徑尺寸的容許公差一般取H8，表面粗糙度取Ra0.4。

5)密封

氣動元件中的密封大致分為兩類：動密封和靜密封。缸筒和缸蓋等固定部分的密封稱為靜密封；活塞在缸筒里作回轉(zhuǎn)或往復運動處的密封稱為動密封。

(1)氣缸的密封可分為如下幾種：

①缸蓋和缸筒連接的密封：一般將“O”形密封圈安裝在缸蓋與缸筒配合的溝槽內(nèi)，構(gòu)成靜密封。有時也將橡膠等平墊圈安裝在連接止口上，構(gòu)成平面密封。②活塞的密封：活塞有兩處地方需密封。一處是活塞與缸筒間的動密封，除了用“Ｏ”形圈和唇形圈外，還可用“W”形密封(它是把活塞與橡膠硫化成一體的一種密封結(jié)構(gòu)，“W”形密封是雙向密封，軸向尺寸小)；另一處是活塞與活塞桿連接處的靜密封，一般用“O”形密封圈。圖11-5所示為常用的活塞式密封結(jié)構(gòu)。

圖11－5氣缸常用的密封結(jié)構(gòu)(a)“O”形密封圈；(b)異形密封圈；(c)方形密封圈；(d)唇形密封圈，兩側(cè)安裝；(e)滑動環(huán)支承溝槽密封圈；(f)“L”形密封圈；(g)“W”形密封圈③活塞桿的密封：一般在缸蓋的溝槽里放置唇形圈和防塵圈，或防塵組合圈，以保證活塞桿往復運動的密封和防塵。

④緩沖密封：有兩種方法。一種是將孔用唇形圈安裝在緩沖柱塞上；另一種是使用氣缸緩沖專用密封圈，它是用橡膠和一個圓形鋼圈硫化成一體而構(gòu)成的，壓配在缸蓋上作緩沖密封，這種緩沖專用密封圈的性能比前者好。

(2)密封原理。氣缸密封性能的好壞，是影響氣缸性能的重要因素。按密封原理，可將密封圈分成壓縮密封圈和氣壓密封圈兩大類，如圖11－6所示。壓縮密封是依靠安裝時的預壓縮力使密封圈產(chǎn)生彈性變形而達到密封作用的，如“Ｏ”形和方形密封圈等，如圖11－6(a)所示；氣壓密封是依靠工作氣壓使密封圈的唇部變形來達到密封作用的，如唇形密封圈，如圖11－6(b)所示。

圖11－6兩種密封原理(a)壓縮密封；(b)氣壓密封

(3)密封材料。常用的密封材料有丁腈橡膠(工作溫度在－20℃～＋80℃范圍內(nèi))、氟橡膠(工作溫度在－20℃～＋190℃范圍內(nèi))、聚四氟乙烯(工作溫度在－20℃～＋200℃范圍內(nèi))。為了提高可靠性，應根據(jù)工作條件及溫度范圍選擇合適的密封材料。11．1.3標準氣缸

標準氣缸是指氣缸的功能和規(guī)格是普遍使用的，結(jié)構(gòu)是容易制造的，是普通廠商通常作為通用產(chǎn)品供應給市場的氣缸，如符合國際標準ISO6430、ISO6431或ISO6432的普通氣缸，符合我國標準GB8113—87(即ISO6431)、德國標準DINISO6431等氣缸都是標準氣缸。在國際上，幾乎所有的氣動專業(yè)廠商目前都已生產(chǎn)符合ISO6431、ISO6432標準的氣缸。對于ISO6431標準而言，其主要內(nèi)容是對氣缸的缸徑系列、活塞桿伸出部分的螺紋尺寸做了規(guī)定，對同一缸徑的氣缸的外形尺寸(其長度、寬度、高度)做了限制，并對氣缸的連接尺寸做了統(tǒng)一的規(guī)定。這一規(guī)定僅針對連接件對外部的連接尺寸做了統(tǒng)一，而對連接件與氣缸的連接尺寸未做規(guī)定。因此，對于兩家都符合ISO6431標準的氣缸不能直接互換，而必須連同連接件一起更換。這一點在氣缸選用時要特別注意。11.1.4氣缸的規(guī)格

氣缸的缸筒內(nèi)徑D(簡稱缸徑)和活塞行程L是選擇氣缸的重要參數(shù)。

1．缸筒內(nèi)徑D

氣缸的缸筒內(nèi)徑尺寸見表11－1(GB2348)。

表11－1氣缸缸徑尺寸系列 D/mm

2．活塞行程L

氣缸活塞行程系列按照優(yōu)先順序分成三個等級選用，見表11－2至表11－4。

表11－2活塞行程第一優(yōu)先系列 L/mm

表11－3活塞行程第二優(yōu)先系列L/mm

表11－4活塞行程第三優(yōu)先系列L/mm

3．常用中、小型氣缸尺寸

常用中、小型氣缸尺寸見表11－5。其中，標準行程是指符合行程系列尺寸的，生產(chǎn)廠商能正常供貨的規(guī)格。

表11－5常用中、小型氣缸尺寸參數(shù)11．1．5普通氣缸的設計計算

1.氣缸的理論輸出力

普通雙作用氣缸的理論推力F0為

(11－2)

式中，D表示缸徑，單位為m；p表示氣缸的工作壓力，單位為Pa。

理論拉力F1為

(11－3)

式中，d表示活塞桿直徑，估算時可令d＝0.3D，單位為m。

圖11－7氣缸的理論推力普通單作用氣缸(預縮型)理論推力為

(11－4)

理論拉力為

F1＝Ft2 (11－5)

普通單作用氣缸(預伸型)理論推力為

F0＝Ft2 (11－6)得理論拉力為

(11－7)

式中，D表示缸徑，單位為m；d表示活塞桿直徑，單位為m；p表示工作壓力，單位為Pa；Ft1表示復位彈簧預壓量及行程所產(chǎn)生的彈簧力，單位為N；Ft2表示復位彈簧預緊力，單位為N。

2．氣缸的負載率

氣缸的負載率(η)是指氣缸的實際負載力F與理論輸出力F0之比。

(11－8)

負載力是選擇氣缸的重要因素。負載情況不同，作用在活塞軸上的實際負載力也不同。表11－6所示為幾個負載實例。

負載率的選取與負載的運動狀態(tài)有關，可參考表11－7。表11－6負載狀態(tài)與負載力

表11－7負載率與負載的運動狀態(tài)

【例11－1】

用氣缸水平推動臺車，負載質(zhì)量m＝150kg，臺車與床面間摩擦系數(shù)μ＝0.3，氣缸行程L＝300mm，要求氣缸的動作時間t＝0.8s，工作壓力p＝0.5MPa。試選定缸徑。

解軸向負載力為

F＝μmg＝0.3×150×9.8＝450(N)

氣缸的平均速度為

按表11－7選取負載率為

η＝0.5

理論輸出力為

由式(11－2)得雙作用氣缸缸徑為

故選取雙作用缸的缸徑為50mm。

3．氣缸的耗氣量

氣缸的耗氣量是指氣缸往復運動時所消耗的壓縮空氣量，它的大小與氣缸的性能無關，但它是選擇空壓機排量的重要參數(shù)。

氣缸的耗氣量與氣缸的活塞直徑D、活塞桿直徑d、活塞的行程L以及單位時間往返次數(shù)N有關。以單活塞桿雙作用氣缸為例，活塞桿伸出和退回行程的耗氣量分別為

(11－9)

(11－11)

因此，活塞往復一次所耗的壓縮空氣量為

(11－11)

若活塞每分鐘往返N次，則每分鐘活塞運動的耗氣量為

V′＝VN (11－12)

式(11－12)計算的是理論耗氣量，但由于泄漏等因素的影響，實際耗氣量要更大些。因此，實際耗氣量為

Vs＝(1.2～1.5)V′ (11－13)式(11－12)和式(11－13)計算的是壓縮空氣的耗氣量，這是選擇氣源供氣量的重要依據(jù)。未經(jīng)壓縮的自由空氣的耗氣量要比該值大，當實際消耗的壓縮空氣量為Vs時，其自由空氣的耗氣量Vsz為

式中，p為工作壓力，單位為MPa。

圖11－8所示為耗氣量的計算曲線，即耗氣量與工作壓力、缸徑之間的關系。

圖11－8耗氣量的計算曲線圖11．1．6無桿氣缸

無桿氣缸(Rodlesscylinders)沒有普通氣缸的剛性活塞桿，它利用活塞直接或間接地實現(xiàn)往復運動。行程為L的有活塞桿氣缸，沿行程方向的實際占有安裝空間約為2.2L。沒有活塞桿，則占有安裝空間僅為1.2L，且行程缸徑比可達50～110。沒有活塞桿，還能避免由于活塞桿及桿密封圈的損傷而帶來的故障。而且，由于沒有活塞桿，活塞兩側(cè)受壓面積相等，雙向行程具有同樣的推力，有利于提高定位精度。這種氣缸的最大優(yōu)點是節(jié)省了安裝空間，特別適用于小缸徑、長行程的場合。無桿氣缸現(xiàn)已廣泛用于數(shù)控機床、注塑機等的開門裝置及多功能坐標機器手的位移和自動輸送線上工件的傳送等。

無桿氣缸主要分機械接觸式和磁性耦合式兩種，而將磁性耦合無桿氣缸稱為磁性氣缸。

圖11－9無桿氣缸(a)外觀；(b)結(jié)構(gòu)；(c)職能符號圖11－9所示為無桿氣缸。在拉制而成的不等壁厚的鋁制缸筒上開有管狀溝槽縫，為保證開槽處的密封，設有內(nèi)、外側(cè)密封帶。內(nèi)側(cè)密封帶3靠氣壓力將其壓在缸筒內(nèi)壁上，起密封作用。外側(cè)密封帶4起防塵作用?；钊?穿過長開槽，把活塞5和滑塊6連成一體?；钊?又將內(nèi)、外側(cè)密封帶分開，內(nèi)側(cè)密封帶穿過活塞軛，外側(cè)密封帶穿過活塞軛與滑塊之間，但內(nèi)、外側(cè)密封帶未被活塞軛分開處，相互夾持在缸筒開槽上，以保持槽被密封。內(nèi)、外側(cè)密封帶兩端都固定在氣缸缸蓋上。與普通氣缸一樣，兩端缸蓋上帶有氣緩沖裝置。在壓縮空氣作用下，活塞－滑塊機械組合裝置可以做往復運動。這種無桿氣缸通過活塞－滑塊機械組合裝置傳遞氣缸輸出力，缸體上管狀溝槽可以防止其扭轉(zhuǎn)。圖119(a)為德國氣動元件制造商FESTO的DGP型無桿缸的外觀。11．1．7磁感應氣缸

圖11－11為一種磁性耦合的無桿氣缸(Cylinderwithmagneticcoupling)。它是在活塞上安裝了一組高磁性的內(nèi)磁環(huán)4，磁力線通過薄壁缸筒(不銹鋼或鋁合金非導磁材料)與套在外面的另一組外磁環(huán)2作用。由于兩組磁環(huán)極性相反，因此它們之間有很強的吸力。若活塞在一側(cè)輸入氣壓作用下移動，則在磁耦合力作用下帶動套筒與負載一起移動。在氣缸行程兩端設有空氣緩沖裝置。磁感應氣缸的特點是體積小，重量輕，無外部空氣泄漏，維修保養(yǎng)方便等。當速度快、負載大時，內(nèi)、外磁環(huán)易脫開，即負載大小受速度影響，且磁性耦合的無桿氣缸中間不可能增加支承點，最大行程受到限制。

圖11－11磁性無活塞桿氣缸(a)外觀；(b)結(jié)構(gòu)；(c)職能符號11．1．8帶磁性開關的氣缸

磁性開關氣缸(Cylinderwithmegneticproximityswitches)是指在氣缸的活塞上裝有一個永久性磁環(huán)，而將磁性開關裝在氣缸的缸筒外側(cè)，其余和一般氣缸并無兩樣。氣缸可以是各種型號的氣缸，但缸筒必須是導磁性弱、隔磁性強的材料，如鋁合金、不銹鋼、黃銅等。當隨氣缸移動的磁環(huán)靠近磁性開關時，舌簧開關的兩根簧片被磁化而觸點閉合，產(chǎn)生電信號；當磁環(huán)離開磁性開關后，簧片失磁，觸點斷開，這樣可以檢測到氣缸的活塞位置而控制相應的電磁閥動作。圖11－11為帶磁性開關氣缸的工作原理圖。

圖11－11帶磁性開關氣缸的工作原理圖以前，氣缸行程位置的檢測是靠在活塞桿上設置行程擋塊觸動機械行程閥來發(fā)送信號的，從而給設計、安裝、制造帶來不便。而用磁性開關氣缸則使用方便，結(jié)構(gòu)緊湊，開關反應時間快，故得到了廣泛應用。11．1．9擺動氣缸

擺動氣缸(Rotarycylinders)是出力軸被限制在某個角度內(nèi)做往復擺動的一種氣缸，又稱為旋轉(zhuǎn)氣缸。擺動氣缸目前在工業(yè)上應用廣泛，多用于安裝位置受到限制或轉(zhuǎn)動角度小于360°的回轉(zhuǎn)工作部件，其動作原理也是將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。常用的擺動氣缸的最大擺動角度分為90°、180°、270°三種規(guī)格。圖11－12所示為其應用實例。

圖11－12擺動氣缸的應用實例(a)輸送線的翻轉(zhuǎn)裝置；(b)機械手的驅(qū)動；(c)分度盤的驅(qū)動；(d)閥門的開閉按照擺動氣缸的結(jié)構(gòu)特點可將其分為齒輪齒條式和葉片式兩類。

1．齒輪齒條式擺動氣缸

齒輪齒條式擺動氣缸有單齒條和雙齒條兩種。圖11－13為單齒條式擺動氣缸，其結(jié)構(gòu)原理為壓縮空氣推動活塞6從而帶動齒條組件3作直線運動，齒條組件3則推動齒輪4做旋轉(zhuǎn)運動，由輸出軸5(齒輪軸)輸出力矩，輸出軸與外部機構(gòu)的轉(zhuǎn)軸相連，讓外部機構(gòu)做擺動。

擺動氣缸的行程終點位置可調(diào)，且在終端設置可調(diào)緩沖裝置，緩沖大小與氣缸擺動的角度無關，在活塞上裝有一個永久磁環(huán)，行程開關可固定在缸體的安裝溝槽中。

圖11－13齒輪齒條式擺動氣缸結(jié)構(gòu)原理(a)外觀；(b)結(jié)構(gòu)；(c)職能符號

2.葉片式擺動氣缸

葉片式擺動氣缸可分為單葉片式、雙葉片式和多葉片式三種。葉片越多，擺動角度越小，但扭矩卻要增大。單葉片型輸出擺動角度小于360°，雙葉片型輸出擺動角度小于180°，三葉片型則在120°以內(nèi)。

圖11－14葉片式擺動氣缸(a)外觀；(b)、(c)結(jié)構(gòu)原理圖11－14(a)所示為葉片式擺動缸的外觀。圖11－14(b)、(c)所示分別為單、雙葉片式擺動氣缸的結(jié)構(gòu)原理。在定子上有兩條氣路，當左腔進氣時，右腔排氣，葉片在壓縮空氣作用下逆時針轉(zhuǎn)動，反之，作順時針轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)葉片將壓力傳遞到驅(qū)動軸上作擺動?？烧{(diào)止動裝置與旋轉(zhuǎn)葉片相互獨立，從而使得擋塊可以調(diào)節(jié)擺動角度大小。在終端位置，彈性緩沖墊可對沖擊進行緩沖。11．1．11氣爪(手指氣缸)

氣爪(Gripper)能實現(xiàn)各種抓取功能，是現(xiàn)代氣動機械手的關鍵部件。圖11－15所示的氣爪具有如下特點：

(1)所有的結(jié)構(gòu)都是雙作用的，能實現(xiàn)雙向抓取，可自動對中，重復精度高；

(2)抓取力矩恒定；

(3)在氣缸兩側(cè)可安裝非接觸式檢測開關；

(4)有多種安裝、連接方式。圖11－15(a)所示為FESTO平行氣爪，平行氣爪通過兩個活塞工作，兩個氣爪對心移動。這種氣爪可以輸出很大的抓取力，既可用于內(nèi)抓取，也可用于外抓取。

圖11－15(b)所示為FESTO擺動氣爪，內(nèi)、外抓取40°擺角，抓取力大，并確保抓取力矩始終恒定。

圖11－15(c)所示