第10章 气压传动与气动元件

薄膜式气缸的膜片可以做成盘形膜片和平膜片两种形式。膜片材料为夹织物橡胶、钢片或磷青铜片。常用的是夹织物橡胶，橡胶厚度为5~6mm，有时也可用1~3mm。金属式膜片只用于行程较小的薄膜式气缸中。

薄膜式气缸和活塞式气缸相比，具有结构简单、紧凑、制造容易，成本低，维修方便，寿命长，泄漏小，效率高等优点。但是膜片的变形量有限，故行程短（一般不超过40~50mm），且气缸活塞杆上的输出力随着行程的加大而减小。

（四）冲击气缸

冲击气缸是一种体积小，结构简单，易于制造，耗气功率小但能产生相当大冲击力的一种特殊气缸。与普通气缸相比，冲击气缸的结构特点是增加了一个具有一定容积的蓄能腔和喷嘴，其结构如图10-13所示。

图10-13 冲击气缸的结构简图

1—蓄能腔；2—喷口；3—尾腔；4—头腔；5—中盖；6—密封垫

冲击气缸的整个工作过程可简单地分为三个阶段：第一个阶段，压缩空气由孔A输入冲击缸的下腔，蓄气缸经孔B排气，活塞上升并用密封垫封住喷嘴，中盖和活塞间的环形空间经排气孔与大气相通；第二阶段，压缩空气改由孔B进气输入蓄气缸中，冲击缸下腔经孔A排气。由于活塞上端气压作用在面积较小的喷嘴上，而活塞下端受力面积较大，一般设计成喷嘴面积的9倍，缸下腔的压力虽因排气而下降，但此时活塞下端向上的作用力仍然大于活塞上端向下的作用力；第三阶段，蓄气缸的压力继续增大，冲击缸下腔的压力继续降低，当蓄气缸内压力高于活塞下腔压力9倍时，活塞开始向下移动。活塞一旦离开喷嘴，蓄气缸内

的高压气体迅速充入到活塞与中盖间的空间，使活塞上端的受力面积突然增加9倍，于是活塞将以极大的加速度向下运动，气体的压力能转换成活塞的动能。在冲程达到一定时，获得最大的冲击速度和能量，利用这个能量对工件进行冲击做功，就可以产生很大的冲击力。

10.3.2 气马达

气马达也是气动执行元件的一种，能够输出力矩和转速，驱动机构实现旋转运动。 常见的气马达多为容积式气马达，是靠改变空气容积的大小和位置来工作的，按结构形式可分为：叶片式气马达、活塞式气马达、齿轮式气马达和薄膜式气马达。表10-1所示是各种气马达的特点及应用范围。

表10-1 各种气马达的特点及应用范围 型式 转矩 转速 功率/kW 每千瓦耗气量 特点及应用范围 制造简单，结构紧凑，但低速启动矩小，低速性能不好，适用于要求低或中功率的机械，如手提工具、复合工具传送带、升降机、泵、拖拉机等 在低速情况下有较大的输出功率和较好的转矩特性，启动准确，且启动和停止特性均较叶片式好，适用于载荷较大和要求低速度转矩的机械，如起重机、绞车、绞盘、拉管机等 适用于控制要求很精确、启动转矩极高速度低的机械。 q/(m3/min) 小型：1.0~1.4 大型：1.8~2.3 叶片式 低转矩 高转速 ≤3 活塞式 中高转矩 低速或中速 ≤17 小型：1.0~1.4 大型：1.9~2.3 薄膜式 高转矩 低速度 ＜1 1.2~1.4 图10-14是叶片式气马达的工作原理图。叶片式气马达主要由转子和定子组成，转子径向装有3~10个叶片并偏心安装在定子内，转子两侧有盖板（图中未画出），叶片在转子的槽内可径向滑动，叶片底部通有压缩空气，转子转动时靠离心力和叶片底部气压将叶片紧压在定子内表面上。定子内有半圆形的切沟，提供压缩空气及排出废气。当压缩空气从A口进入定子内，会使叶片带动转子作逆时针旋转，产生转矩。废气从排气口C排出，而定子腔内残留气体则从B口排出。如需改变气马达的旋转方向，只需改变进、排气口即可。

图10-15是活塞式气马达的工作原理图。压缩空气从进气口进入分配阀（又称配气阀）后再进入气缸，推动活塞及连杆组件运动，再使曲柄旋转。曲柄旋转的同时，带动固定在曲轴上的分配阀同步转动，使压缩空气随着分配阀角度位置的改变而进入不同的缸内，依次推动各个活塞运动，同各活塞及连杆带动曲轴连续运转。与此同时，与进气缸相对应的气缸则处于排气状态。

图10-14 叶片式气马达的工作原理图

图10-15 活塞式气马达的工作原理图

气马达和液压马达相比，具有以下特点：

1）功率范围及转速度范围较宽。功率小到几百瓦，大到几万瓦，转速在0~25000r/min或更高；

2）可以实现无级调速。控制进气阀或排气阀的阀口开度，即控制输入或排出压缩空气的流量，就能调节马达的输出功率和转速；

3）具有较高的启动转矩，可带载启动，启动和停止迅速；

4）可实现瞬时换向。操纵气阀改变进排气方向，即能实现气马达输出轴的正反转，可在瞬时换向，冲击小，且具有几乎是瞬时升到全速的能力；

5）可以长时间满载连续运转，温升较小；

6）工作安全。在易燃、易爆、高温、振动、潮湿、粉尘等不利条件下均能正常工作； 7）有过载保护作用。过载时气马达只会降低转速或停止，当过载解除后可立即重新正常运转，不会发生故障；

8）难以控制稳定的速度，耗气量大，效率低，噪声大。

10.4 气动控制元件

气压传动系统中的气动控制元件是用来控制和调节压缩空气的压力、流量和方向的，使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按设计要求正常工作。与液压控制元件类似，气动控制元件按照功能和用途可分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀。此外，还有通过改变气流方向和通断以实现各种逻辑功能的气动逻辑元件。

10.4.1 方向控制阀

方向控制阀是改变气体的流通方向或通断的控制阀。按照气体在阀内的作用方向，方向控制阀可以分为单向型控制阀和换向型控制阀两大类。

（一）单向型控制阀

只允许气流沿一个方向流动的控制阀叫单向型控制阀。如单向阀、梭阀、双压阀和快速排气阀等。

（1）单向阀

单向阀是指气流只能向一个方向流动，而不能反方向流动的阀，其结构和图形符号如图10-16所示。正向流动时，P腔气压推动活塞的力大于作用在活塞上的弹簧力和活塞与阀体之间的摩擦阻力，则阀芯被推开，P腔通过阀芯上的径向孔与A腔接通。反向流动时，受气压力和弹簧力的作用，阀芯关闭，A腔与P腔不相通。

图10-16 气动单向阀