作者：春華秋實，公眾號：工控實踐課

氣缸是一種機械裝置，它利用壓縮空氣的能量以線性方式產生力和運動。氣缸必須配合電磁閥、氣管、氣管接頭、調壓閥、空壓機等組成氣動系統才能正常工作。本文敘述一下氣動系統的基本知識和用法，希望對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、無桿氣缸、回轉氣缸、串聯和多位置氣缸、夾緊氣缸等。氣缸中較為常見和眾所周知的是帶有活塞桿的氣缸。兩種較為常見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可以進氣放氣,另一側靠彈簧復位。單作用氣缸一般長下面這個樣子:

雙作用氣缸在活塞的兩個各有一個進氣排氣口，可以實現兩個方向的推動，雙作用氣缸一般長這樣：

回轉氣缸可以輸出一定角度范圍的回轉運動，原理圖如下所示。當氣體從2進從4出時，氣缸兩端的活塞呈遠離運動，通過齒輪齒條帶動輸出件逆時針旋轉。當氣體從4進從2出時，氣缸兩端的活塞呈靠近運動，通過齒輪齒條帶動輸出件順時針旋轉。

選擇氣缸時首先根據功能要求選擇氣缸的類型，然后根據載荷情況選擇缸徑，然后選擇氣缸行程。同時要兼顧結構空間，既要保證氣缸力量足夠，又要保證結構緊湊合理。

氣缸的缸徑指的就是內徑。一般來說氣源的壓力為6bar左右也就是0.6Mpa，那么氣缸的出力為6Kg/cm^2^，假如需要氣缸出力為100Kg，氣缸內徑的計算公式如下：

D=（100/（6*3.14））^1/2^= 2.3（cm）

考慮安全系數1.0-1.3 ,實際的缸徑為3cm,即30mm。

行程需要根據使用的場合和機構操作空間進行選擇，但一般不選用滿行程，防止活塞和缸蓋相碰。如用于夾緊機構等，應按計算所需的行程增加10~20mm的余量。

2 電磁閥

無論什么氣缸，都需要靠電磁閥來控制。電磁閥有很多種類型，有直動式電磁閥、分步直動式電磁閥、先導式電磁閥。直動式電磁閥：通電時，電磁線圈產生電磁力把關閉件從閥座上提起，閥門打開；斷電時，電磁力消失，彈簧把關閉件壓在閥座上，閥門關閉。特點：在真空、負壓、零壓時能正常工作，但通徑一般不超過25mm。分步直動式電磁閥是一種直動和先導式相結合的原理，當入口與出口沒有壓差時，通電后，電磁力直接把先導小閥和主閥關閉件依次向上提起，閥門打開。當入口與出口達到啟動壓差時，通電后，電磁力先導小閥，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；斷電時，先導閥利用彈簧力或介質壓力推動關閉件，向下移動，使閥門關閉。特點：在零壓差或真空、高壓時亦能可動作，但功率較大，要求必須水平安裝。先導式電磁閥通電時，電磁力把先導孔打開，上腔室壓力迅速下降，在關閉件周圍形成上低下高的壓差，流體壓力推動關閉件向上移動，閥門打開；斷電時，彈簧力把先導孔關閉，入口壓力通過旁通孔迅速腔室在關閥件周圍形成下低上高的壓差，流體壓力推動關閉件向下移動，關閉閥門。特點：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。

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

雙作用氣缸一般使用兩位五通閥或者三位五通閥，兩者的區別是兩位五通閥無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電磁線圈，通過線圈的通和斷來切換電磁閥的位；雙電控有兩個電磁線圈，給正動作線圈通電（正動作出氣孔有氣），則正動作氣路接通即使給正動作線圈斷電后正動作氣路仍然是接通的，將會一直維持到給反動作線圈通電為止。給反動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線圈失電后的狀態不變，進氣口關閉；中卸：在兩個線圈都不給電的情況下，氣缸前腔和后腔都無壓力，進氣口關閉，氣缸前后腔內的壓力分布經電磁閥兩個排氣口排出；中壓：在兩個線圈都不給電的情況下，氣缸前腔和后腔保持在最后一個線圈失電后的狀態不變，并持續給壓，使氣缸前后腔內的壓力與進氣端壓力一致，進氣口打開，排氣口關閉。中封用于保壓回路，中壓用于調壓回路，中卸用于卸載回路。

電磁閥規格要根據氣缸所需要的最大耗氣量來確定，氣缸最大耗氣量是氣缸以最大速度運動時所需要的空氣流量，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：閥門的流通能力單位為 m^3^/h。有效面積S值與C值之關系：S=18.0×10^-6^Cv（m^2^）=18×Cv（mm^2^）。

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

3 空壓機

氣動系統需要壓縮空氣才能運行，空壓機即空氣壓縮機是產生壓縮空氣的機器。空壓機的種類很多，常用的有往復式、回轉式、螺桿式等。往復式和螺桿式都需要配合儲氣罐使用。當用氣量不大時，使用空壓機自帶的儲氣管，如果用氣量比較大時需要另配專門的儲氣管。按照排氣壓力、容積和功率可以將壓縮機分成如下幾類：

一般的工業設備使用的都是低壓壓縮機。空壓機的壓力也可以根據系統的負載情況進行計算，氣缸的輸出力、缸徑和系統壓力之間的關系如下：

氣缸內徑底面積×系統壓力＝輸出力-----N。

例如：缸徑40，系統壓力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：活塞桿推出時的推力。

F2：活塞桿拉回時的拉力。

D：氣缸管內徑（活塞直徑）。

d：活塞桿直徑。

P：氣源壓力。

?：負載率（慢速時?=65%左右快速時?=30%左右）。

根據負載情況計算出系統中氣缸需要的最大的系統壓力，加上1-2bar的余量，再選擇空壓機的壓力。（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）。應先了解所有的用氣設備的用氣量，如果是氣缸，要計算氣缸的平均耗氣量，然后將所有用氣設備耗氣量相加得到設備的總用氣量，一般建議是空壓機的排氣量需要比用氣設備的總用氣量大1/4，這樣有利于過載和日常工作中額外的吹塵使用。

單個氣缸的平均耗氣量是氣缸在氣動系統的一個工作循環周期內所消耗的空氣流量。可以表示為：

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，即每分鐘內氣缸的往復周數，一個往復為一周，周/min；

L：氣缸的行程,cm；

d:換向閥與氣缸之間的配管的內徑,cm；

ld:配管的長度,cm。

例如，缸徑為100mm(10cm)、行程L為100mm（10cm）的氣缸，動作頻率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）