气缸的工作原理
1.2.1单作用气缸
单作用气缸只有一腔可输入压缩空气，实现一个方向运动。其活塞杆只能借助外力将其推回；通常借助于弹簧力，膜片张力，重力等。
其原理及结构见图42.2-2。
图42.2-2单作用气缸
1—缸体；2—活塞；3—弹簧；4—活塞杆；
单作用气缸的特点是：
1）仅一端进（排）气，结构简单，耗气量小。
2）用弹簧力或膜片力等复位，压缩空气能量的一部分用于克服弹簧力或膜片张力，因而减小了活塞杆的输出力。
3）缸内安装弹簧、膜片等，一般行程较短；与相同体积的双作用气缸相比，有效行程小一些。
4）气缸复位弹簧、膜片的张力均随变形大小变化，因而活塞杆的输出力在行进过程中是变化的。
由于以上特点，单作用活塞气缸多用于短行程。其推力及运动速度均要求不高场合，如气吊、定位和夹紧等装置上。单作用柱塞缸则不然，可用在长行程、高载荷的场合。
1.2.2双作用气缸
双作用气缸指两腔可以分别输入压缩空气，实现双向运动的气缸。其结构可分为双活塞杆式、单活塞杆式、双活塞式、缓冲式和非缓冲式等。此类气缸使用最为广泛。
1）双活塞杆双作用气缸双活塞杆气缸有缸体固定和活塞杆固定两种。其工作原理见图42.2-3。
缸体固定时，其所带载荷（如工作台）与气缸两活塞杆连成一体，压缩空气依次进入气缸两腔（一腔进气另一腔排气），活塞杆带动工作台左右运动，工作台运动范围等于其有效行程s的3倍。安装所占空间大，一般用于小型设备上。
活塞杆固定时，为管路连接方便，活塞杆制成空心，缸体与载荷（工作台）连成一体，压缩空气从空心活塞杆的左端或右端进入气缸两腔，使缸体带动工作台向左或向左运动，工作台的运动范围为其有效行程s的2倍。适用于中、大型设备。
图42.2-3 双活塞杆双作用气缸
a）缸体固定；b）活塞杆固定
1—缸体；2—工作台；3—活塞；4—活塞杆；5—机架
双活塞杆气缸因两端活塞杆直径相等，故活塞两侧受力面积相等。当输入压力、流量相同时，其往返运动输出力及速度均相等。
2）缓冲气缸对于接近行程末端时速度较高的气缸，不采取必要措施，活塞就会以很大的力（能量）撞击端盖，引起振动和损坏机件。为了使活塞在行程末端运动平稳，不产生冲击现象。在气缸两端加设缓冲装置，一般称为缓冲气缸。缓冲气缸见图42.2-4，主要由活塞杆1、活塞2、缓冲柱塞3、单向阀5、节流阀6、端盖7等组成。其工作原理是：当活塞在压缩空气推动下向右运动时，缸右腔的气体经柱塞孔4及缸盖上的气孔8排出。在活塞运动接近行程末端时，活塞右侧的缓冲柱塞3将柱塞孔4堵死、活塞继续向右运动时，封在气缸右腔内的剩余气体被压缩，缓慢地通过节流阀6及气孔8排出，被压缩的气体所产生的压力能如果与活塞运动所具有的全部能量相平衡，即会取得缓冲效果，使活塞在行程末端运动平稳，不产生冲击。调节节流阀6阀口开度的大小，即可控制排气量的多少，从而决定了被压缩容积（称缓冲室）内压力的大小，以调节缓冲效果。若令活塞反向运动时，从气孔8输入压缩空气，可直接顶开单向阀5，推动活塞向左运动。如节流阀6阀口开度固定，不可调节，即称为不可调缓冲气缸。
图42.2-4缓冲气缸
1—活塞杆；2—活塞；3—缓冲柱塞；4—柱塞孔；5—单向阀
6—节流阀；7—端盖；8—气孔
气缸所设缓冲装置种类很多，上述只是其中之一，当然也可以在气动回路上采取措施，达到缓冲目的。
1.2.3、组合气缸
组合气缸一般指气缸与液压缸相组合形成的气-液阻尼缸、气-液增压缸等。众所周知，通常气缸采用的工作介质是压缩空气，其特点是动作快，但速度不易控制，当载荷变化较大时，容易产生“爬行”或“自走”现象；而液压缸采用的工作介质是通常认为不可压缩的液压油，其特点是动作不如气缸快，但速度易于控制，当载荷变化较大时，采用措施得当，一般不会产生“爬行”和“自走”现象。把气缸与液压缸巧妙组合起来，取长补短，即成为气动系统中普遍采用的气-液阻尼缸。
气-液阻尼缸工作原理见图42.2-5。实际是气缸与液压缸串联而成，两活塞固定在同一活塞杆上。液压缸不用泵供油，只要充满油即可，其进出口间装有液压单向阀、节流阀及补油杯。当气缸右端供气时，气缸克服载荷带动液压缸活塞向左运动（气缸左端排气），此时液压缸左端排油，单向阀关闭，油只能通过节流阀流入液压缸右腔及油杯内，这时若将节流阀阀口开大，则液压缸左腔排油通畅，两活塞运动速度就快，反之，若将节流阀阀口关小，液压缸左腔排油受阻，两活塞运动速度会减慢。这样，调节节流阀开口大小，就能控制活塞的运动速度。可以看出，气液阻尼缸的输出力应是气缸中压缩空气产生的力（推力或拉力）与液压缸中油的阻尼力之差。
图42.2-5 气-液阻尼缸
1—节流阀；2—油杯；3—单向阀；4—液压缸；5—气缸；6—外载荷
气-液阻尼缸的类型有多种。
按气缸与液压缸的连接形式，可分为串联型与并联型两种。前面所述为串联型，图42.2-6为并联型气-液阻尼缸。串联型缸体较长；加工与安装时对同轴度要求较高；有时两缸间会产生窜气窜油现象。并联型缸体较短、结构紧凑；气、液缸分置，不会产生窜气窜油现象；因液压缸工作压力可以相当高，液压缸可制成相当小的直径（不必与气缸等直径）；但因气、液两缸安装在不同轴线上，会产生附加力矩，会增加导轨装置磨损，也可能产生“爬行”现象。串联型气-液阻尼缸还有液压缸在前或在后之分，液压缸在后参见图42.2-5，液压缸活塞两端作用面积不等，工作过程中需要储油或补油，油杯较大。如将液压缸放在前面（气缸在后面），则液压缸两端都有活塞杆，两端作用面积相等，除补充泄漏之外就不存在储油、补油问题，油杯可以很小。
图42.2-6 并联型气-液阻尼缸
1—液压缸；2—气缸按调速特性可分为：
1）慢进慢退式；
2）慢进快退式；
3）快进慢进快退式。
其调速特性及应用见表42.2-3。
就气-液阻尼缸的结构而言，尚可分为多种形式：
节流阀、单向阀单独设置或装于缸盖上；单向阀装在活塞上（如挡板式单向阀）；缸壁上开孔、开沟槽、缸内滑柱式、机械浮动联结式、行程阀控制快速趋近式等。活塞上有挡板式单向阀的气-液阻尼缸见图42.2-7。活塞上带有挡板式单向阀，活塞向右运动时，挡板离开活塞，单向阀打开，液压缸右腔的油通过活塞上的孔（即挡板单向阀孔）流至左腔，实现快退，用活塞上孔的多少和大小来控制快退时的速度。活塞向左运动时，挡板挡住活塞上的孔，单向阀关闭，液压缸左腔的油经节流阀流至右腔（经缸外管路）。调节节流阀的开度即可调节活塞慢进的速度。其结构较为简单，制造加工较方便。
图42.2-8为采用机械浮动联接的快速趋近式气-液阻尼缸原理图。靠液压缸活塞杆端部的T形顶块与气缸活塞杆端部的拉钩间有一空行程s1，实现空程快速趋近，然后再带动液压缸活塞，通过节流阻尼，实现慢进。返程时也是先走空行程s1，再与液压活塞一起运动，通过单向阀，实现快退。
表42.2-3气-液阻尼缸调速特性及应用
调速方式 结构示意图 特性曲线 作用原理 应用
双向节流调速在气-液阻尼缸的回油管路装设可调式节流阀，使活塞往复运动的速度可调并相同适用于空行程及工作行程都较短的场合（s＜20mm）
单向节流调速将一单向阀和一节流阀并联在调速油路中。活塞向右运动时，单向阀关闭，节流慢进；活塞向左运动时，单向阀打开，不经节流快退。适用于空行程较短而工作行程较长的场合
快速趋近单
向节流调速将液压缸的ƒ点与α点用管路相通，活塞开始向右运动时，右腔油经由fgea回路直接流入α端实现快速趋近，当活塞移过ƒ点，油只能经节流阀流入α端，实现慢进，活塞向左运动时，单向阀打开，实现快退。由于快速趋近，节省了空程时间，提高了劳动生产率。是各种机床、设备最常用的方式
图42.2-7活塞上有挡板式单向阀的气-液阻尼缸
图42.2-8浮动联接气-液阻尼缸原理图
1-气缸；2—顶丝；3—T形顶块；4—拉钩；5—液压缸
1— 图42.2-9是又一种浮动联接气-液阻尼缸。与前者的区别在于：T形顶块和拉钩装设位置不同，前者设置在缸外部。后者设置在气缸活塞杆内，结构紧凑但不易调整空行程s1（前者调节顶丝即可方便调节s1的大小）。
1.2.4 特殊气缸
（1）冲击气缸
图42.2-9 浮动联接气-液阻尼缸
冲击气缸是把压缩空气的能量转化为活塞、活塞杆高速运动的能量，利用此动能去做功。
冲击气缸分普通型和快排型两种。
1）普通型冲击气缸普通型冲击气缸的结构见图42.2-10。与普通气缸相比，此种冲击气缸增设了蓄气缸1和带流线型喷气口4及具有排气孔3的中盖2。其工作原理及工作过程可简述为如下五个阶段（见图42.2-11）：
第一阶段：复位段。见图42.2-10和图42.2-11a，接通气源，换向阀处复位状态，孔A进气，孔B排气，活塞5在压差的作用下，克服密封阻力及运动部件重量而上移，借助活塞上的密封胶垫封住中盖上的喷气口4。中盖和活塞之间的环形空间C经过排气小孔3与大气相通。最后，活塞有杆腔压力升高至气源压力，蓄气缸内压力降至大气压力。
第二阶段：储能段。见图42.2-10和图42.2-11b，换向阀换向，B孔进气充入蓄气缸腔内，A孔排气。由于蓄气缸腔内压力作用在活塞上的面积只是喷气口4的面积，它比有杆腔压力作用在活塞上的面积要小得多，故只有待蓄气缸内压力上升，有杆腔压力下降，直到下列力平衡方程成立时，活塞才开始移动。
式中 d——中盖喷气口直径（m）；
p30——活塞开始移动瞬时蓄气缸腔内压力（绝对压力）（Pa）；
p20——活塞开始移动瞬时有杆腔内压力（绝对压力）（Pa）；
G——运动部件（活塞、活塞杆及锤头号模具等）所受的重力（N）；
D——活塞直径（m）；
d1——活塞杆直径（m）；
Fƒ0——活塞开始移动瞬时的密封摩擦力（N）。
若不计式（42.2-1）中G和Fƒ0项，且令d=d1，，则当
时，活塞才开始移动。这里的p20、p30均为绝对压力。可见活塞开始移动瞬时，蓄气缸腔与有杆腔的压力差很大。这一点很明显地与普通气缸不同。
图42.2-10 普通型冲击气缸
第三阶段：冲击段。活塞开始移动瞬时，蓄气缸腔内压力p30可认为已达气源压力ps，同时，容积很小的无杆腔（包括环形空间C）通过排气孔3与大气相通，故无杆腔压力p10等于大气压力pa。由于pa/ps大于临界压力比0.528，所以活塞开始移动后，在最小流通截面处（喷气口与活塞之间的环形面）为声速流动，使无杆腔压力急剧增加，直至与蓄气缸腔内压力平衡。该平衡压力略低于气源压力。以上可以称为冲击段的第I区段。第I区段的作用时间极短（只有几毫秒）。在第I区段，有杆腔压力变化很小，故第I区段末，无杆腔压力p1（作用在活塞全面积上）比有杆腔压力p2（作用在活塞杆侧的环状面积上）大得多，活塞在这样大的压差力作用下，获得很高的运动加速度，使活塞高速运动，即进行冲击。在此过程B口仍在进气，蓄气缸腔至无杆腔已连通且压力相等，可认为蓄气-无杆腔内为略带充气的绝热膨胀过程。同时有杆腔排气孔A通流面积有限，活塞高速冲击势必造成有杆腔内气体迅速压缩（排气不畅），有杆腔压力会迅速升高（可能高于气源压力）这必将引起活塞减速，直至下降到速度为0。以上可称为冲击段的第Ⅱ区段。可认为第Ⅱ区段的有杆腔内为边排气的绝热压缩过程。整个冲击段时间很短，约几十毫秒。见图42.2-11c。
图42.2-11 普通型冲击气缸的工作原理
1— 蓄气缸；2—中盖；3—排气孔；4—喷气口；5—活塞
第四阶段：弹跳段。在冲击段之后，从能量观点来说，蓄气缸腔内压力能转化成活塞动能，而活塞的部分动能又转化成有杆腔的压力能，结果造成有杆腔压力比蓄气-无杆腔压力还高，即形成“气垫”，使活塞产生反向运动，结果又会使蓄气-无杆腔压力增加，且又大于有杆腔压力。如此便出现活塞在缸体内来回往复运动—即弹跳。直至活塞两侧压力差克服不了活塞阻力不能再发生弹跳为止。待有杆腔气体由A排空后，活塞便下行至终点。
第五阶段：耗能段。活塞下行至终点后，如换向阀不及时复位，则蓄气-无杆腔内会继续充气直至达到气源压力。再复位时，充入的这部分气体又需全部排掉。可见这种充气不能作用有功，故称之为耗能段。实际使用时应避免此段（令换向阀及时换向返回复位段）。
对内径D=90mm的气缸，在气源压力0.65MPa下进行实验，所得冲击气缸特性曲线见图42.2-12。上述分析基本与特性曲线相符。
对冲击段的分析可以看出，很大的运动加速使活塞产生很大的运动速度，但由于必须克服有杆腔不断增加的背压力及摩擦力，则活塞速度又要减慢，因此，在某个冲程处，运动速度必达最大值，此时的冲击能也达最大值。各种冲击作业应在这个冲程附近进行。
冲击气缸在实际工作时，锤头模具撞击工件作完功，一般就借助行程开关发出信号使换向阀复位换向，缸即从冲击段直接转为复位段。这种状态可认为不存在弹跳段和耗能段。
2）快排型冲击气缸由上述普通型冲击气缸原理可见，其一部分能量（有时是较大部分能量）被消耗于克服背压（即p2）做功，因而冲击能没有充分利用。假如冲击一开始，就让有杆腔气体全排空，即使有杆腔压力降至大气压力，则冲击过程中，可节省大量的能量，而使冲击气缸发挥更大的作用，输出更大的冲击能。这种在冲击过程中，有杆腔压力接近于大气压力的冲击气缸，称为快排型冲击气缸。其结构见图42.2-13a。
快排型冲击气缸是在普通型冲击气缸的下部增加了“快排机构”构成。快排机构是由快排导向盖1、快排缸体4、快排活塞3、密封胶垫2等零件组成。
快排型冲击气缸的气控回路见图42.2-13b。接通气源，通过阀F1同时向K1、K3充气，K2通大气。阀F1输出口A用直管与K1孔连通，而用弯管与K3孔连通，弯管气阻大于直管气阻。这样，压缩空气先经K1使快排活塞3推到上边，由快排活塞3与密封胶垫2一起切断有杆腔与排气口T的通道。然后经K3孔向有杆腔进气，蓄气一无杆腔气体经K4孔通过阀F2排气，则活塞上移。当活塞封住中盖喷气口时，装在锤头上的压块触动推杆6，切换阀F3，发出信号控制阀F2使之切换，这样气源便经阀F2和K4孔向蓄气腔内充气，一直充至气源压力。
冲击工作开始时，使阀F1切换，则K2进气，K1和K3排气，快排活塞下移，有杆腔的压缩空气便通过快排导向盖1上的多个圆孔（8个），再经过快排缸体4上的多个方孔T（10余个）及K3直接排至大气中。因为上述多个圆孔和方孔的通流面积远远大于K3的通流面积，所以有杆腔的压力可以在极短的时间内降低到接近于大气压力。当降到一定压力时，活塞便开始下移。锤头上压块便离开行程阀F3的推杆6，阀3在弹簧的作用下复位。由于接有气阻7和气容8，阀3虽然复位，但F2却延时复位，这就保证了蓄气缸腔内的压缩空气用来完成使活塞迅速向下冲击的工作。否则，若F3复位，F2同时复位的话，蓄气缸腔内压缩空气就会在锤头没有运动到行程终点之前已经通过K4孔和阀F2排气了，所以当锤头开始冲击后，F2的复位动作需延时几十毫秒。因所需延时时间不长，冲击缸冲击时间又很短，往往不用气阻、气容也可以，只要阀F2的换向时间比冲击时间长就可以了。
在活塞向下冲击的过程中，由于有杆腔气体能充分地被排空，故不存在普通型冲击气缸有杆腔出现的较大背压，因而快排型冲击气缸的冲击能是同尺寸的普通型冲击气缸冲击能的3～4倍。
（2）数字气缸
它由活塞1、缸体2、活塞杆3等件组成。活塞的右端有T字头，活塞的左端有凹形孔，后面活塞的T字头装入前面活塞的凹形孔内，由于缸体的限制，T字头只能在凹形孔内沿缸轴向运动，而两者不能脱开，若干活塞如此顺序串联置于缸体内，T字头在凹形孔中左右可移动的范围就是此活塞的行程量。不同的进气孔A1～Ai（可能是A1，或是A1和A2，或A1、A2和A3，还可能是A1和A3，或A2和A3等等）输入压缩空气（0.4～0.8MPa）时，相应的活塞就会向右移动，每个活塞的向右移动都可推动活塞杆3向右移动，因此，活塞杆3每次向右移动的总距离等于各个活塞行程量的总和。这里B孔始终与低压气源相通（0.05～0.1MPa），当A1～Ai孔排气时，在低压气的作用下，活塞会自动退回原位。各活塞的行程大小，可根据需要的总行程s按几何级数由小到大排列选取。设s=35mm，采用3个活塞，则各活塞的行程分别取α1=5mm；α2=10mm；α3=20mm。如s=31.5mm，可用6个活塞，则α1、α2、α3……α6分别设计为0.5、1、2、4、8、16mm，由这些数值组合起来，就可在0.5～31.5mm范围内得到0.5mm整数倍的任意输出位移量。而这里的α1、α2、α3……αi可以根据需要设计成各种不同数列，就可以得到各种所需数值的行程量。
（3）回转气缸
主要由导气头、缸体、活塞、活塞杆组成。这种气缸的缸体3连同缸盖6及导气头芯10被其他动力（如车床主轴）携带回转，活塞4及活塞杆1只能作往复直线运动，导气头体9外接管路，固定不动。
固转气缸的结构如图42.2-15b所示。为增大其输出力采用两个活塞串联在一根活塞杆上，这样其输出力比单活塞也增大约一倍，且可减小气缸尺寸，导气头体与导气头芯因需相对转动，装有滚动轴承，并以研配间隙密封，应设油杯润滑以减少摩擦，避免烧损或卡死。
回转气缸主要用于机床夹具和线材卷曲等装置上。
（4）挠性气缸
挠性气缸是以挠性软管作为缸筒的气缸。常用挠性气缸有两种。一种是普通挠性气缸见图42.2-16，由活塞、活塞杆及挠性软管缸筒组成。一般都是单作用活塞气缸，活塞的回程靠其他外力。其特点是安装空间小，行程可较长。
第二种挠性气缸是滚子挠性气缸见图42.2-17。由夹持滚子代替活塞及活塞杆，夹持滚子设在挠性缸筒外表面，A端进气时，左端挠性筒膨胀，B端排气，缸左端收缩，夹持在缸筒外部的滚子在膨胀端的作用下，向右移动，滚子夹带动载荷运动。可称为挠性筒滚子气缸。这种气缸的特点是所占空间小，输出力较小，载荷率较低，可实现双作用。
（5）钢索式气缸
钢索式气缸见图42.2-18，是以柔软的、弯曲性大的钢丝绳代替刚性活塞杆的一种气缸。活塞与钢丝绳连在一起，活塞在压缩空气推动下往复运动，钢丝绳带动载荷运动，安装两个滑轮，可使活塞与载荷的运动方向相反。
这种气缸的特点是可制成行程很长的气缸，如制成直径为25mm ，行程为6m左右的气缸也不困难。钢索与导向套间易产生泄漏。
