气缸的选型与计算

气缸的选型与计算

陈淑

（湛江宝发赛迪转底炉技术有限公司524076）

摘要：随着科技的迅速发展，各种机械设备脱颖而出。气缸驱动在人们的生活中占据了很重要的地位。气缸驱动是实现机械传动的机构，它是由气缸与换向阀组成。气缸驱动系统由于系统构成简单，易于获得稳定速度，而且元器件价格低廉，比较容易维护等特点在工业自动化领域得到广泛的应用。与电动机相比，气缸更擅:长做往复直线运动，而且仅仅调节安装在气缸两侧的单向节流就可简单的实现稳定的速度控制。也成为气缸驱动系统最大的特征和优势。现在，气缸驱动系统已成为工业生产领域中的主流。这几十年气动技术的快速发展甚至也可以说很大程度上得益于气缸的迅速普及。

关键词:气缸；结构；缸径；密封；设计；选型

一、气缸的概述

1.气缸根据作用方式不同可分为单作用式和双作用式。单作用式气缸只能利用气体压力单方向运动，而反方向运动则要依靠重力、弹簧力等外力来实现；双作用式气缸的正、反两个方向的运动都由气体压力来实现。由于单作用气压缸仅有单放向运动，有外力使活塞反向运动。而双作用单活塞气压缸在压缩空气的驱动下可以向两个方向运动，但两个方向的输出力不同，这次设计应选用双作用式气缸。

2.首先应根据气缸的工况特点，选用气缸的类型以及安装方式，然后根据动力和运动分析，确定气缸的主要参数。气缸的选用主要应考虑气缸的输出方式、工作行程大小、负载大小等。

二、气缸的结构与分析

气缸主要是由由缸筒、端盖、活塞、活塞杆、和密封件组成。

如图1：

图1普通双作用气缸结构

1，13-弹簧挡圈；2-防尘圈压板；3-防尘圈；4-导向套；5-前端盖；6-活塞杆；7-气缸；8-缓冲垫；

9-活塞；10-活塞密封垫；11-密封圈；12-耐磨环；14-后端盖

下面讲述气缸的主要组成部分

1.缸筒:缸筒的内径大小代表了气缸输出力的大小。活塞贴住缸筒内做平稳的往复滑动，缸筒内表面的表面粗糙度应达到Ra0.8um。对钢管缸筒，内表面还应镀硬铬，以减小摩擦阻力和磨损，并能防止锈蚀。缸筒材质除使用高碳钢管外，还是用高强度铝合金和黄铜。小型气缸有使用不锈钢管的。带磁性开关的气缸或在耐腐蚀环境中使用的气缸，缸筒应使用不锈钢、铝合金或黄铜等材质。

2.端盖:端盖上设有进排气通口，有的还在端盖内设有缓冲机构。杆侧端盖上设有密封圈和防尘圈，以防止从活塞杆处向外漏气和防止外部灰尘混入缸内。杆侧端盖上设有导向套，以提高气缸的导向精度，承受活塞杆上少量的横向负载，减小活塞杆伸出时的下弯量，延长气缸的使用寿命。导向套通常使用烧结含油合金、前倾铜铸件。端盖过去常用可锻铸铁，现在为减轻重量并防锈，常使用铝合金压铸，微型缸有使用黄铜材料的。

3.活塞:活塞是气缸中的受压力零件。为防止活塞左右两腔相互窜气，设有活塞密封圈。活塞上的耐磨环可提高气缸的导向性，减少活塞密封圈的磨耗，减少摩擦阻力。耐磨环长期使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夹布合成树脂等材料。活塞的宽度由密封圈尺寸和必要的滑动部分长度来决定。滑动部分太短，易引起早期磨损和卡死。活塞的材质常用铝合金和铸铁，小型缸的活塞有黄铜制成的。

4.活塞杆：活塞杆是气缸中最重要的受力零件通常使用高碳钢，表面经镀硬铬处理，或使用不锈钢，以防腐蚀，并提高密封圈的耐磨性。

5.气缸的密封：气缸常用密封气缸常用的密封元件有0形密封圈、QY形轴用和孔用密封圈、无骨架防尘圈。ZHM形组合圈、C形孔用密封圈和CK形轴孔防尘组合圈。常用的密封材料是腈橡胶。

回转或往复运动处的部件密封称为动密封，静止件部分的密封称为静密封。

（1）端盖和缸筒联接的密封一般采用0形密封圈，安装在缸盖和缸筒配合的沟槽内，构成静密封。

(2)活塞的密封活塞处有两处地方需密封，一处是活塞与缸筒的动密封；另处是活塞与活塞杆联接处的静密封，一般用0形密封圈。0形密封圈:密封可靠，结构简单，对缸筒内表面粗糙度要求不高，摩擦阻力小,使用寿命比QY形密封圈短。

(3)活塞杆的密封一般在缸盖的沟槽里放置密封圈和防尘圈,保证活塞杆往复运动的密封和防尘。

(4)缓冲密封缓冲密封有两种方法:一种是采用QY形密封圈安装在缓冲柱塞上；另一种是采用SJM15系列气缸专用密封圈，它是用橡胶和一一个圆形钢圈硫化成一个整体，安装在缸盖上作缓冲密封。

三、气缸缸径设计原理及公式

1.根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。由此来选择气缸时应使气缸的输出力稍有余量。若缸径选小了，输出力不够，气缸不能正常工作。但缸径过大，不能使设备笨重、成本高，同时耗气量增大，造成能源浪费。在尽量使用增力结构，以减少气缸的尺寸。

2.气缸理论出力的公式

F:气缸理论输出力（kgf）

F’:效率为85%时的输出力（kgf）或其他效率

F’=F×85%或其他效率

D:气缸缸径（mm）

A:活塞面积

P：工作压力（kgf/cm2）

F=AxP

四、气缸的设计及使用需注意事项

1.对空气质量的要求:要使用净化处理后的清洁干燥的压缩空气。空气中不得含有有机溶剂的合成油、盐分、腐蚀性气体等，以防缸、阀作用不良。安装前，连接配管内应充分吹洗，不要将灰尘、切屑末、密封带碎片等杂物带入缸、阀内。

2.对使用环境的要求:气缸正常工作时的环境温度和介质温度为:气缸不带磁性开关时:

一100C～700C。若超出该温度范围，要采取防冻或耐热措施。

3.关于气缸的密封:给油润滑气缸，应配置流量合适的油雾气。

4.关于气缸的负载:气缸正常的工作压力为0.4～0.6MPa,普通标准气缸的运动速度为50～500mm/s。活塞杆只能承受轴向负载。活塞杆不允许承受径向载荷及偏心负载。

5.关于气缸的安装:安装固定式气缸时，负载和活塞杆的轴线要一致。在活塞杆端部旋入螺母或安装附件时，活塞杆必需全部回缩才能进行。对杆不回转型在活塞杆.上安装附件时，应避兔在活塞杆上承受旋转力矩。拧紧配管螺纹时，用力要合适，以免损坏接口螺纹或漏气。

6.气缸的速度调整:气缸安装完毕后应空载往复运动几次，检查动作是否正常，然后再连接负载进行速度调节。

7.气缸的缓冲:气缸的运动能量不能靠气缸自身完全吸收时，应在外部增设缓冲机构(如液压缓冲器)或设计缓冲回路。

8.对低速运动的气缸:低速运动的气缸，因流量小，速度控制和油雾润滑都比较困难。如合理选择元件的尺寸仍不能满足速度控制和油雾润滑的要求，可使用气、液转换器或气液阻尼缸。

五、气缸选型与计算

1.气缸的选型步骤

气缸的选型应根据工况要求和条件，正确选择气缸的类型。

（1）气缸的缸径。根据气缸负载力的大小确定气缸的输出力。由此计算气缸的缸径。

（2）气缸的行程。确定工作的移动距离，考虑工况可选择慢新城或预留行程。当行程超过推荐的最大行程时，需考虑活塞杆的刚度，可以选择支撑导向或选择特殊气缸。

（3）气缸的安装方式。根据不同的用途和安装需要，选用适当的安装形式，主要有基本型、脚座型、法兰型、U型钩、轴耳型。

（4）气缸的缓冲方式。根据需要选择缓冲形式，无缓冲气缸，固定缓冲气缸，可调缓冲气缸。缓冲器有：无缓冲、橡胶缓冲、气缓冲、油压吸震器。

（5）气缸的磁感开关。主要是位置检测用，气缸内置磁环。

（6）其他要求。如气缸工作在灰尘等恶劣环境下，需在活塞杆伸出端安装防尘罩。要求无污染时需选用油或无油润滑气缸。

2.缸径直径计算

气缸直径的设计计算需根据其负载大小、运行速度和系统工作压力来决定。首先，根据气缸安装及驱动负载的实际工况，分析计算出气缸实际负载F，再由气缸平均运行速度来选定气缸的负载率θ,初步选定气缸工作压力（一般为0.4Mpa～0.6Mpa），再由F/θ,计算出气缸理论出力Ft，最后计算出缸径及杆径，并由标准圆整得到实际所需的缸径和杆径。

实例：气缸推动工件再水平导轨上运动。已知工件等运动质量为m=250kg，工件与导轨间的摩擦系数为0.25,气缸行程S为400mm,经1.5S时间工件运动到位，系统工作压力P=0.4Mpa，试选用气缸直径。

解答

气缸实际轴向负载

F=mg=0.25x250x9.81=613.13N

气缸平均速度

V=S/t=400/1.5≈267mm/s

选定负载率为θ=0.5

则气缸理论输出力

F1=F/θ=613.13/0.5=1226.6N

由F1=A*P=1/4*πD2.P得出D=62.48mm

则按标准选定气缸缸径为63mm。

3.其他

（1）根据工况选择气缸各零件的材质；

（2）制造加工、装配；

其中端盖及缸筒必须保证同轴度，配合尺寸。

（3）出厂前通气检查气缸气密性及气缸空载往复运动是否平稳等。

结束语

PLC控制的气动元件工作，一个气动系统是由方向控制阀、气动执行元件、各种气动辅助元件以及气源净化元件所组成。各个电磁阀用来作为相应动作单元上压缩空气通断的控制，电磁阀则由PLC控制器来实现逻辑上的控制，气缸的选用根据具体机械动作的实现来确定，气缸的运动速度根据相应的节流阀来进行调节。

参考文献

[1]何存兴、张铁华.液压传动与气压传动,1999.

[2]林文坡.气压传动及控制,1990.

[3]雷天觉.新编液压工程手册,1998.