氣缸基本概念

內燃機缸體上安放活塞的空腔。是活塞運動的軌道，燃氣在其中燃燒及膨脹，通過氣缸壁還能散去一部分燃氣傳給的爆發余熱，使發動機保持正常的工作溫度。氣缸的型式有整體式和單鑄式。單鑄式又分為干式和濕式兩種。氣缸和缸體鑄成一個整體時稱整體式氣缸;氣缸和缸體分別鑄造時，單鑄的氣缸筒稱為氣缸套。氣缸套與冷卻水直接接觸的稱作濕式氣缸套;不與冷卻水直接接觸的稱作干式氣缸套。為了保持氣缸與活塞接觸的嚴密性，減少活塞在其中運動的摩擦損失，氣缸內壁應有較高的加工精度和精確的形狀尺寸。

種類

氣壓傳動中將壓縮氣體的壓力能轉換為機械氣缸 能的氣動執行元件。氣缸有做往復直線運動的和做往復擺動兩種類型(見圖)。做往復直線運動的氣缸又可分為單作用氣缸、雙作用氣缸、膜片式氣缸和沖擊氣缸4種。

①單作用氣缸:僅一端有活塞桿，從活塞一側供氣聚能產生氣壓，氣壓推動活塞產生推力伸出，靠彈簧或自重返回。

②雙作用氣缸:從活塞兩側交替供氣，在一個或兩個方向輸出力。

③膜片式氣缸:用膜片代替活塞，只在一個方向輸出力，用彈簧復位。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換為活塞高速(10~20米/秒)運動的動能，借以做功。

⑤無桿氣缸:沒有活塞桿的氣缸的總稱。有磁性氣缸，纜索氣缸兩大類。

做往復擺動的氣缸稱擺動氣缸，由葉片將內腔分隔為二，向兩腔交替供氣，輸出軸做擺動運動，擺動角小于 280°。此外，還有回轉氣缸、氣液阻尼缸和步進氣缸等

結構

氣缸是由缸筒、端蓋、活塞、活塞桿和密封件等組成，其內部結構如圖所示:

SMC氣缸原理圖1)缸筒

缸筒的內徑大小代表了氣缸輸出力的大小。活塞要在缸筒內做平穩的往復滑動，缸筒內表面的表面粗糙度應達到Ra0.8μm。

SMC、 CM2氣缸活塞上采用組合密封圈實現雙向密封，活塞與活塞桿用壓鉚鏈接，不用螺母。

2)端蓋

端蓋上設有進排氣通口，有的還在端蓋內設有緩沖機構。桿側端蓋上設有密封圈和防塵圈，以防止從活塞桿處向外漏氣和防止外部灰塵混入缸內。桿側端蓋上設有導向套，以提高氣缸的導向精度，承受活塞桿上少量的橫向負載，減小活塞桿伸出時的下彎量，延長氣缸使用壽命。導向套通常使用燒結含油合金、前傾銅鑄件。端蓋過去常用可鍛鑄鐵，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，設有活塞密封圈。活塞上的耐磨環可提高氣缸的導向性，減少活塞密封圈的磨耗，減少摩擦阻力。耐磨環長使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夾布合成樹脂等材料。活塞的寬度由密封圈尺寸和必要的滑動部分長度來決定。滑動部分太短，易引起早期磨損和卡死。活塞的材質常用鋁合金和鑄鐵，小型缸的活塞有黃銅制成的。

4)活塞桿

活塞桿是氣缸中重要的受力零件。通常使用高碳鋼、表面經鍍硬鉻處理、或使用不銹鋼、以防腐蝕，并提高密封圈的耐磨性。

5)密封圈

回轉或往復運動處的部件密封稱為動密封，靜止件部分的密封稱為靜密封。

缸筒與端蓋的連接方法主要有以下幾種:

整體型、鉚接型、螺紋聯接型、法蘭型、拉桿型。

6)氣缸工作時要靠壓縮空氣中的油霧對活塞進行潤滑。也有小部分免潤滑氣缸。

常見故障

問題

1. 汽缸是鑄造而成的，汽缸出廠后都要經過時效處理，使汽缸在住鑄造過程中所產生的內應力*消除。如果時效時間短，那么加工好的汽缸在以后的運行中還會變形。
2. 汽缸在運行時受力的情況很復雜，除了受汽缸內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對靜止部分的反作用力，以及各種連接管道冷熱狀態下對汽缸的作用力，在這些力的相互作用下，汽缸易發生塑性變形造成泄漏。
3. 汽缸的負荷增減過快，特別是快速的啟動、停機和工況變化時溫度變化大、暖缸的方式不正確、停機檢修時打開保溫層過早等，在汽缸中和法蘭上產生很大的熱應力和熱變形。
4. 汽缸在機械加工的過程中或經過補焊后產生了應力，但沒有對汽缸進行回火處理加以消除，致使汽缸存在較大的殘余應力，在運行中產生難于回復的變形。
5. 在安裝或檢修的過程中，由于檢修工藝和檢修技術的原因，使內缸、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，運行后產生巨大的膨脹力使汽缸變形。
6. 使用的汽缸密封劑質量不好、雜質過多或是型號不對;汽缸密封劑內若有堅硬的雜質顆粒就會使密封面難以緊密的結合。
7. 汽缸螺栓的緊力不足或是螺栓的材質不合格。汽缸結合面的嚴密性主要靠螺栓的緊力來實現的。機組的起停或是增減負荷時產生的熱應力和高溫會造成螺栓的應力松弛，如果應力不足，螺栓的預緊力就會逐漸減小。如果汽缸的螺栓材質不好，螺栓在長時間的運行當中，在熱應力和汽缸膨脹力的作用下被拉長，發生塑性變形或斷裂，緊力就會不足，使汽缸發生泄漏的現象。
8. 汽缸螺栓緊固的順序不正確。一般的汽缸螺栓在緊固時是從中間向兩邊同時緊固，也就是從垂弧大處或是受力變形大的地方緊固，這樣就會把變形大的處的間隙向汽缸前后的自由端轉移，后間隙漸漸消失。如果是從兩邊向中間緊，間隙就會集中于中部，汽缸結合面形成弓型間隙，引起蒸汽泄漏。

原因

1. 氣缸出現內、外泄漏，一般是因活塞桿安裝偏心，潤滑油供應不足，密封圈和密封環磨損或損壞，氣缸內有雜質及活塞桿有傷痕等造成的。所以，當氣缸出現內、外泄漏時，應重新調整活塞桿的中心，以保證活塞桿與缸筒的同軸度;須經常檢查油霧器工作是否可靠，以保證執行元件潤滑良好;當密封圈和密封環出現磨損或損環時，須及時更換;若氣缸內存在雜質，應及時清除;活塞桿上有傷痕時，應換新。
2. 氣缸的輸出力不足和動作不平穩，一般是因活塞或活塞桿被卡住、潤滑不良、供氣量不足，或缸內有冷凝水和雜質等原因造成的。對此，應調整活塞桿的中心;檢查油霧器的工作是否可靠;供氣管路是否被堵塞。當氣缸內存有冷凝水和雜質時，應及時清除。
3. 氣缸的緩沖效果不良，一般是因緩沖密封圈磨損或調節螺釘損壞所致。此時，應更換密封圈和調節螺釘。
4. 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構不起作用而造成的。對此，應調整活塞桿的中心位置;更換緩沖密封圈或調節螺釘。

解決方案

1.汽缸變形較大或漏汽嚴重的結合面，采用研刮結合面的方法

如果上缸結合面變形在0.05mm范圍內，以上缸結合面為基準面，在下缸結合面涂紅丹或是壓印藍紙，根據痕跡研刮下缸。如果上缸的結合面變形量大，在上缸涂紅丹，用大平尺研出痕跡，把上缸研平。或是采取機械加工的方法把上缸結合面找平，再以上缸為基準研刮下缸結合面。汽缸結合面的研刮一般有兩種方法:

⑴是不緊結合面的螺栓，用千斤頂微微推動上缸前后移動，根據下缸結合面紅丹的著色的情況來研刮。這種方法適合結構剛性強的高壓缸。

⑵是緊結合面的螺栓，根據塞尺的檢查結合面的嚴密性，測出數值及壓出的痕跡，修刮結合面，這種方法可以排除汽缸垂弧對間隙的影響。

2.采用適當的汽缸密封材料

因汽輪機汽缸密封劑還沒有統一的國家標準和行業標準，制作原料和配方也各不相同，產品質量參差不齊;在選擇汽輪機汽缸密封劑時，就要選在行業內有口碑，產品質量有保證的正規生產廠家，以保證檢修處理后汽缸的嚴密性。

3.局部補焊的方法

由于汽缸結合面被蒸汽沖刷或腐蝕出溝痕，選用適當的焊條把溝痕添平，用平板或平尺研出痕跡，研刮焊道和結合面在同一平面內。汽缸結合面變形較大或是漏汽嚴重時，在下缸的結合面補焊一條或兩條10-20mm寬的密消除間隙封帶，然后用平尺或是扣上缸測量，并涂紅丹研刮，直到消除間隙。此操作的工藝也很簡單，焊前預熱汽缸至150℃，然后在室溫下進行分段退焊或跳焊。選用奧氏體焊條，如A407、A412，焊后用石棉布覆蓋保溫緩冷。待冷卻室溫后進行打磨修刮。

4.汽缸結合面的涂鍍或噴涂

當汽缸結合面大面積漏汽，間隙在0.50mm左右時，為了減少研刮的工作量，可用涂鍍的工藝。用汽缸做陽極，涂具做陰極，在汽缸的結合面上反復涂刷電解溶液，涂層的厚度要根據汽缸結合面間隙的大小而定，涂層的種類要根據汽缸的材料和修刮的工藝而定。噴涂就是用的高溫火焰噴槍把金屬粉末加熱至熔化或達到塑性狀態后噴射于處理過的汽缸表面，形成一層具有所需性能的涂層方法。其特點就是設備簡單，操作方便涂層牢固，噴涂后汽缸溫度僅為70℃-80℃不會使汽缸產生變形，而且可獲得耐熱，耐磨，抗腐蝕的涂層。注意的是在涂渡和噴涂前都要對缸面進行打磨、除油、拉毛，在涂渡和噴涂后要對涂層進行研刮，保證結合面的嚴密。

5.結合面加墊的方法

如果結合面的局部間隙泄漏不是很大，可用80-100目的銅網經熱處理使其硬度降低，然后剪成適當的形狀，鋪在結合面的漏汽處，再配以汽缸密封劑。如果結合面的間隙較大，泄漏嚴重，可在上下結合面開寬50mm深5mm的槽，中間鑲嵌IGr18Ni9Ti的齒形墊，齒形墊的厚度一般比槽的深度大0.05-0.08mm左右，并可用同等形狀的不銹鋼墊片做以調整。

6.控制螺栓應力的方法

如果汽缸結合面的變形較小，而且很均勻，可在有間隙處更換新的螺栓，或是適當的加大螺栓的預緊力。按從中間向兩邊同時緊固，也就是從垂弧大處或是受力變形大的地方緊固螺栓。理論上來說，控制螺栓的預緊力可用公式d/L≤A來計算，但由于此計算的數據與測量的手段還在研究當中，沒有達到推廣，多在螺栓的允許的大應力內根據經驗而定。

7.新時期采用的高分子材料方法

隨著技術的進一步發展，高分子復合材料逐漸在氣缸維護中取得了成功的應用。相對于傳統手段相比，高分子復合材料具有較為優異的耐溫性能，良好的耐壓性能，以及更為出色的密封性能，且具有良好的塑變性，受熱不會固化，密封膜不會被破壞，從而保證了機件密封面的密封;加之易于清除，使用過的密封面可以用無水乙醇或丙酮輕易的擦去，而不會附著于密封面;由于其優異的性能，逐漸受到越來越多氣缸企業的青睞。

氣缸與電動執行器的區別

從傳統觀念來看，氣缸與電動執行器一直被認為是屬于兩個*不同領域的自動化產品，但是近年來，隨著電氣化程度的不斷提高，電動執行器卻慢慢浸入氣動領域，二者在應用中既有競爭又相互補充。在本期欄目中，我們將從技術性能、購買和應用成本、能源效率、應用場合及市場形勢等幾個方面來對比氣缸與電動執行器各自的優勢

技術性能

*，相比電動執行器，氣缸可在惡劣條件下可靠地工作，且操作簡單，基本可實現免維護。氣缸擅長作往復直線運動，尤其適于工業自動化中多的傳送要求--工件的直線搬運。而且，僅僅調節安裝在氣缸兩側的單向節流閥就可簡單地實現穩定的速度控制，也成為氣缸驅動系統大的特征和優勢。所以對于沒有多點定位要求的用戶，絕大多數從使用便利性角度更傾向于使用氣缸。目前工業現場使用電動執行器的應用大部分都是要求高精度多點定位，這是由于用氣缸難以實現，退而求其次的結果。

而電動執行器主要用于旋轉與擺動工況。其優勢在于響應時間快，通過反饋系統對速度、位置及力矩進行精確控制。但當需要完成直線運動時，需要通過齒形帶或絲桿等機械裝置進行傳動轉化，因此結構相對較為復雜，而且對工作環境及操作維護人員的專業知識都有較高要求。

優勢

(1)對使用者的要求較低。氣缸的原理及結構簡單，易于安裝維護，對于使用者的要求不高。電缸則不同，工程人員必需具備一定的電氣知識，否則極有可能因為誤操作而使之損壞。

(2)輸出力大。氣缸的輸出力與缸徑的平方成正比;而電缸的輸出力與三個因素有關，缸徑、電機的功率和絲桿的螺距，缸徑及功率越大、螺距越小則輸出力越大。一個缸徑為50mm的氣缸，理論上的輸出力可達2000N，對于同樣缸徑的電缸，雖然不同公司的產品各有差異，但是基本上都不超過1000N。顯而易見，在輸出力方面氣缸更具優勢。

(3)適應性強。氣缸能夠在高溫和低溫環境中正常工作且具有防塵、防水能力，可適應各種惡劣的環境。而電缸由于具有大量電氣部件的緣故，對環境的要求較高，適應性較差。

電缸的優勢主要體現在以下3個方面:

(1)系統構成非常簡單。由于電機通常與缸體集成在一起，再加上控制器與電纜，電缸的整個系統就是由這三部分組成的，簡單而緊湊。

(2)停止的位置數多且控制精度高。一般電缸有低端與之分，低端產品的停止位置有3、5、16、64個等，根據公司不同而有所變化;產品則更是可以達到幾百甚至上千個位置。在精度方面，電缸也具有的優勢，定位精度可達¡0.05mm，所以常常應用于電子、半導體等精密的行業。

(3)柔韌性強。毫無疑問，電缸的柔韌性遠遠強于氣缸。由于控制器可以與PLC直接進行連接，對電機的轉速、定位和正反轉都能夠實現精確控制，在一定程度上，電缸可以根據需要隨意進行運動;由于氣體的可壓縮性和運動時產生的慣性，即使換向閥與磁性開關之間配合地再好也不能做到氣缸的準確定位，柔韌性也就無從談起了。

在技術性能方面，本人認為電動和氣動各有所長，首先電動執行器的優勢主要包括:

(1)結構緊湊，體積小巧。比起氣動執行器，電動執行器結構相對簡單，一個基本的電子系統包括執行器，三位置DPDT開關、熔斷器和一些電線，易于裝配。

(2)電動執行器的驅動源很靈活，一般車載電源即可滿足需要，而氣動執行器需要氣源和壓縮驅動裝置。

(3)電動執行器沒有"漏氣"的危險，可靠性高，而空氣的可壓縮性使得氣動執行器的穩定性稍差。

(4)不需要對各種氣動管線進行安裝和維護。

(5)可以無需動力即保持負載，而氣動執行器需要持續不斷的壓力供給。

(6)由于不需要額外的壓力裝置，電動執行器更加安靜。通常，如果氣動執行器在大負載的情況下，要加裝消音器。

(7)電動執行器在控制的精度方面更勝*。

(8)氣動裝置中的通常需要把電信號轉化為氣信號，然后再轉化為電信號，傳遞速度較慢，不宜用于元件級數過多的復雜回路。

而氣缸的優勢則在于以下4個方面:

(1)負載大，可以適應高力矩輸出的應用(不過，現在的電動執行器已經逐漸達到目前的氣動負載水平了)。

(2)動作迅速、反應快。

(3)工作環境適應性好，特別在易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射和振動等惡劣工作環境中，比液壓、電子、電氣控制更*。

(4)行程受阻或閥桿被扎住時電機容易受損。