作者： 春華秋實(shí)，公眾號(hào)：工控實(shí)踐課

氣缸是一種機(jī)械裝置，它利用壓縮空氣的能量以線性方式產(chǎn)生力和運(yùn)動(dòng)。氣缸必須配合電磁閥、氣管、氣管接頭、調(diào)壓閥、空壓機(jī)等組成氣動(dòng)系統(tǒng)才能正常工作。本文敘述一下氣動(dòng)系統(tǒng)的基本知識(shí)和用法，希望對(duì)需要的朋友一些幫助。

1氣缸

氣缸可分為多種類型。有活塞桿氣缸、無(wú)桿氣缸、回轉(zhuǎn)氣缸、串聯(lián)和多位置氣缸、夾緊氣缸等。氣缸中較為常見(jiàn)和眾所周知的是帶有活塞桿的氣缸。兩種較為常見(jiàn)的帶有活塞桿的氣缸是單作用氣缸 (SAC) 和雙作用氣缸 (DAC)。

單作用氣缸在活塞的一側(cè)可以進(jìn)氣放氣,另一側(cè)靠彈簧復(fù)位。單作用氣缸一般長(zhǎng)下面這個(gè)樣子:

雙作用氣缸在活塞的兩個(gè)各有一個(gè)進(jìn)氣排氣口，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的推動(dòng)，雙作用氣缸一般長(zhǎng)這樣：

回轉(zhuǎn)氣缸可以輸出一定角度范圍的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，原理圖如下所示。當(dāng)氣體從2進(jìn)從4出時(shí)，氣缸兩端的活塞呈遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)，通過(guò)齒輪齒條帶動(dòng)輸出件逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)氣體從4進(jìn)從2出時(shí)，氣缸兩端的活塞呈靠近運(yùn)動(dòng)，通過(guò)齒輪齒條帶動(dòng)輸出件順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

選擇氣缸時(shí)首先根據(jù)功能要求選擇氣缸的類型，然后根據(jù)載荷情況選擇缸徑，然后選擇氣缸行程。同時(shí)要兼顧結(jié)構(gòu)空間，既要保證氣缸力量足夠，又要保證結(jié)構(gòu)緊湊合理。

氣缸的缸徑指的就是內(nèi)徑。一般來(lái)說(shuō)氣源的壓力為6bar左右也就是0.6Mpa，那么氣缸的出力為6Kg/cm^2^，假如需要?dú)飧壮隽?00Kg，氣缸內(nèi)徑的計(jì)算公式如下：

D=（100/（6*3.14））^1/2^= 2.3（cm）

考慮安全系數(shù)1.0-1.3 ,實(shí)際的缸徑為3cm,即30mm。

行程需要根據(jù)使用的場(chǎng)合和機(jī)構(gòu)操作空間進(jìn)行選擇，但一般不選用滿行程，防止活塞和缸蓋相碰。如用于夾緊機(jī)構(gòu)等，應(yīng)按計(jì)算所需的行程增加10~20mm的余量。

2 電磁閥

無(wú)論什么氣缸，都需要靠電磁閥來(lái)控制。電磁閥有很多種類型，有直動(dòng)式電磁閥、分步直動(dòng)式電磁閥、先導(dǎo)式電磁閥。直動(dòng)式電磁閥：通電時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門(mén)打開(kāi)；斷電時(shí)，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門(mén)關(guān)閉。特點(diǎn)：在真空、負(fù)壓、零壓時(shí)能正常工作，但通徑一般不超過(guò)25mm。分步直動(dòng)式電磁閥是一種直動(dòng)和先導(dǎo)式相結(jié)合的原理，當(dāng)入口與出口沒(méi)有壓差時(shí)，通電后，電磁力直接把先導(dǎo)小閥和主閥關(guān)閉件依次向上提起，閥門(mén)打開(kāi)。當(dāng)入口與出口達(dá)到啟動(dòng)壓差時(shí)，通電后，電磁力先導(dǎo)小閥，主閥下腔壓力上升，上腔壓力下降，從而利用壓差把主閥向上推開(kāi)；斷電時(shí)，先導(dǎo)閥利用彈簧力或介質(zhì)壓力推動(dòng)關(guān)閉件，向下移動(dòng)，使閥門(mén)關(guān)閉。特點(diǎn)：在零壓差或真空、高壓時(shí)亦能可動(dòng)作，但功率較大，要求必須水平安裝。先導(dǎo)式電磁閥通電時(shí)，電磁力把先導(dǎo)孔打開(kāi)，上腔室壓力迅速下降，在關(guān)閉件周圍形成上低下高的壓差，流體壓力推動(dòng)關(guān)閉件向上移動(dòng)，閥門(mén)打開(kāi)；斷電時(shí)，彈簧力把先導(dǎo)孔關(guān)閉，入口壓力通過(guò)旁通孔迅速腔室在關(guān)閥件周圍形成下低上高的壓差，流體壓力推動(dòng)關(guān)閉件向下移動(dòng)，關(guān)閉閥門(mén)。特點(diǎn)：流體壓力范圍上限較高，可任意安裝（需定制）但必須滿足流體壓差條件。

一般應(yīng)用時(shí)要關(guān)注它是幾通幾位，幾位指電磁閥有幾種狀態(tài),幾通指電磁閥上有幾個(gè)通氣孔。單作用氣缸一般使用兩位三通閥，電磁閥符號(hào)（常開(kāi)和常閉）如下：

雙作用氣缸一般使用兩位五通閥或者三位五通閥，兩者的區(qū)別是兩位五通閥無(wú)法使氣缸停在中間位置，而三位五通閥卻可以。

兩位五通單電控 兩位五通雙電控

單電控是指只有一個(gè)電磁線圈，通過(guò)線圈的通和斷來(lái)切換電磁閥的位；雙電控有兩個(gè)電磁線圈，給正動(dòng)作線圈通電（正動(dòng)作出氣孔有氣），則正動(dòng)作氣路接通即使給正動(dòng)作線圈斷電后正動(dòng)作氣路仍然是接通的，將會(huì)一直維持到給反動(dòng)作線圈通電為止。給反動(dòng)作線圈通電的原理相同。

三位五通電磁閥有三種形式：

三位五通中封 三位五通中泄 三位五通中壓

中封：在兩個(gè)線圈都不給電的情況下，氣缸前腔和后腔的壓力保持在最后一個(gè)線圈失電后的狀態(tài)不變，進(jìn)氣口關(guān)閉；中卸：在兩個(gè)線圈都不給電的情況下，氣缸前腔和后腔都無(wú)壓力，進(jìn)氣口關(guān)閉，氣缸前后腔內(nèi)的壓力分布經(jīng)電磁閥兩個(gè)排氣口排出；中壓：在兩個(gè)線圈都不給電的情況下，氣缸前腔和后腔保持在最后一個(gè)線圈失電后的狀態(tài)不變，并持續(xù)給壓，使氣缸前后腔內(nèi)的壓力與進(jìn)氣端壓力一致，進(jìn)氣口打開(kāi)，排氣口關(guān)閉。中封用于保壓回路，中壓用于調(diào)壓回路，中卸用于卸載回路。

電磁閥規(guī)格要根據(jù)氣缸所需要的最大耗氣量來(lái)確定，氣缸最大耗氣量是氣缸以最大速度運(yùn)動(dòng)時(shí)所需要的空氣流量，可以表示成：

Q=0.046D2v（p+0.1）

例如：缸徑D為10cm，最大速度為300mm/s，使用壓力為0.6Mpa，則氣缸的最大耗氣量為：

Q=0.046D2v（p+0.1）=0.046×10^2^×300×（0.6+0.1）=966（L/min）,因此選用CV值為1.0或有效截面積為18mm左右的電磁閥即可滿足流量要求。Cv值：閥門(mén)的流通能力單位為 m^3^/h。有效面積S值與C值之關(guān)系：S=18.0×10^-6^Cv（m^2^）=18×Cv（mm^2^）。

非官方經(jīng)驗(yàn)：最大耗氣量=缸徑（cm計(jì)）平方乘以系數(shù)10（此時(shí)使用壓力為0.6MPa，最大速度為300mm/s

3 空壓機(jī)

氣動(dòng)系統(tǒng)需要壓縮空氣才能運(yùn)行，空壓機(jī)即空氣壓縮機(jī)是產(chǎn)生壓縮空氣的機(jī)器?？諌簷C(jī)的種類很多，常用的有往復(fù)式、回轉(zhuǎn)式、螺桿式等。往復(fù)式和螺桿式都需要配合儲(chǔ)氣罐使用。當(dāng)用氣量不大時(shí)，使用空壓機(jī)自帶的儲(chǔ)氣管，如果用氣量比較大時(shí)需要另配專門(mén)的儲(chǔ)氣管。按照排氣壓力、容積和功率可以將壓縮機(jī)分成如下幾類：

一般的工業(yè)設(shè)備使用的都是低壓壓縮機(jī)。空壓機(jī)的壓力也可以根據(jù)系統(tǒng)的負(fù)載情況進(jìn)行計(jì)算，氣缸的輸出力、缸徑和系統(tǒng)壓力之間的關(guān)系如下：

氣缸內(nèi)徑底面積×系統(tǒng)壓力＝輸出力-----N。

例如：缸徑40，系統(tǒng)壓力0.5MPA。

20×20×π×0.5＝628N。

氣缸活塞桿上的推力F1=π/4×D^2^×P×?（N）。

氣缸活塞桿上的拉力F2=π/4×（D^2^-d^2^）×P×?（N）。

F1：活塞桿推出時(shí)的推力。

F2：活塞桿拉回時(shí)的拉力。

D：氣缸管內(nèi)徑（活塞直徑）。

d：活塞桿直徑。

P：氣源壓力。

?：負(fù)載率（慢速時(shí)?=65%左右 快速時(shí)?=30%左右）。

根據(jù)負(fù)載情況計(jì)算出系統(tǒng)中氣缸需要的最大的系統(tǒng)壓力，加上1-2bar的余量，再選擇空壓機(jī)的壓力。（空氣壓力單位為：Mpa或bar，1Mpa=10bar；通常也把壓力單位稱為：Kg（公斤）1bar=1Kg）。

容積流量通常稱為排氣量，單位為：m^3^/min (立方/分鐘)或L/min（升/分鐘），1m^3^(立方)=1000L（升）。應(yīng)先了解所有的用氣設(shè)備的用氣量，如果是氣缸，要計(jì)算氣缸的平均耗氣量，然后將所有用氣設(shè)備耗氣量相加得到設(shè)備的總用氣量，一般建議是空壓機(jī)的排氣量需要比用氣設(shè)備的總用氣量大1/4，這樣有利于過(guò)載和日常工作中額外的吹塵使用。

單個(gè)氣缸的平均耗氣量是氣缸在氣動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)工作循環(huán)周期內(nèi)所消耗的空氣流量?？梢员硎緸椋?/p>

Qca=0.0157(D^2^×L+d^2^×ld)×N×(p+0.102)

式中：Qca:氣缸的平均耗氣量，L/min（ANR）;

N：氣缸的平均頻率，即每分鐘內(nèi)氣缸的往復(fù)周數(shù)，一個(gè)往復(fù)為一周，周/min；

L：氣缸的行程,cm；

d:換向閥與氣缸之間的配管的內(nèi)徑,cm；

ld:配管的長(zhǎng)度,cm。

例如，缸徑為100mm(10cm)、行程L為100mm（10cm）的氣缸，動(dòng)作頻率N為60周/min，d=10mm（1cm）,ld=60mm(6cm)，

Qca=0.0157(D^2^×L+d^2^×ld)×N×(p+0.102)=0.0157×(10^2^×10+1^2^×6) ×60×(0.6+0.102)=666.5L/min（ANR）

4 其他部件

除了氣缸、電磁閥、空壓機(jī)之外，氣動(dòng)系統(tǒng)還包括氣管、氣管接頭、節(jié)流閥接頭、調(diào)壓閥、消音器、消音器、過(guò)濾器、冷干機(jī)、儲(chǔ)氣管、氣缸磁性傳感器等。

根據(jù)用氣量選擇氣源的形式，如果是一個(gè)較大的設(shè)備或者是車間的氣源一般要建設(shè)專用的壓縮空氣站，壓縮空氣站一般如下圖所示。

如果是較小的設(shè)備，用氣量不大的情況下可以直接使用一臺(tái)儲(chǔ)氣式空壓機(jī)。借用從網(wǎng)上down的一個(gè)簡(jiǎn)單的氣動(dòng)系統(tǒng)圖: