气缸

气缸,是引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形金属机件。工质在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能;气体在压缩机气缸中接受活塞压缩而提高压力。涡轮机、旋转活塞式发动机等的壳体通常也称“气缸”。气缸的应用领域:印刷(张力控制)、半导体(点焊机、芯片研磨)、自动化控制、机器人等等。汽车鼻祖卡尔·奔驰和戴姆勒在当年设计制造汽车时,他们不约而同地只用了一个气缸的发动机。现在国内生产的华利面包车、老款夏利车、吉利豪情和奥拓、福莱尔上,装的都是3缸机。

中文名:气缸其他外文名:cylinder
能耗类型:压缩空气材 质:铝,碳钢

种类

气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件。气缸有做往复直线运动的和做往复摆动的两类(见图)。做往复直线运动的气缸又可分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸4种。

①单作用气缸:仅一端有活塞杆,从活塞一侧供气聚能产生气压,气压推动活塞产生推力伸出,靠弹簧或自重返回。

②双作用气缸:从活塞两侧交替供气,在一个或两个方向输出力。

③膜片式气缸:用膜片代替活塞,只在一个方向输出力,用弹簧复位。它的密封性能好,但行程短。

④冲击气缸:这是一种新型元件。它把压缩气体的压力能转换为活塞高速(10~20米/秒)运动的动能,借以做功。

⑤无杆气缸:没有活塞杆的气缸的总称。有磁性气缸,缆索气缸两大类。

做往复摆动的气缸称摆动气缸,由叶片将内腔分隔为二,向两腔交替供气,输出轴做摆动运动,摆动角小于 280°。此外,还有回转气缸、气液阻尼缸和步进气缸等。

分类

直线运动往复运动的气缸、摆动运动的摆动气缸、气爪等。

结构

气缸是由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件等组成,其内部结构如图所示:

1)缸筒

缸筒的内径大小代表了气缸输出力的大小。活塞要在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Ra0.8μm。

SMC、 CM2气缸活塞上采用组合密封圈实现双向密封,活塞与活塞杆用压铆链接,不用螺母。

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,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)密封圈

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。

缸筒与端盖的连接方法主要有以下几种:

整体型、铆接型、螺纹联接型、法兰型、拉杆型。

6)气缸工作时要靠压缩空气中的油雾对活塞进行润滑。也有小部分免润滑气缸。

工作原理

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,不仅使设备笨重、成本高,同时耗气量增大,造成能源浪费。在夹具设计时,应尽量采用增力机构,以减少气缸的尺寸。

气缸

下面是气缸理论出力的计算公式:

F:气缸理论输出力(kgf)

F′:效率为85%时的输出力(kgf)--(F′=F×85%)

D:气缸缸径(mm)

P:工作压力(kgf/C㎡)

例:直径340mm的气缸,工作压力为3kgf/cm2时,其理论输出力为多少 芽输出力是多少

将P、D连接,找出F、F′上的点,得:

F=2800kgf;F′=2300kgf

在工程设计时选择气缸缸径,可根据其使用压力和理论推力或拉力的大小,从经验表1-1中查出。

例:有一气缸其使用压力为5kgf/cm2,在气缸推出时其推力为132kgf,(气缸效率为85%)问:该选择多大的气缸缸径

●由气缸的推力132kgf和气缸的效率85%,可计算出气缸的理论推力为F=F′/85%=155(kgf)

●由使用压力5kgf/cm2和气缸的理论推力,查出选择缸径为 63的气缸便可满足使用要求。

应用领域

印刷(张力控制)、半导体(点焊机、芯片研磨)、自动化控制、机器人等等。

发展历程

气缸原理源于大炮:

气缸源于大炮?这并不是耸人听闻。你车上的气缸确实与大炮有关。

1680年,荷兰科学家霍因斯受到大炮原理的启发,心想如将炮弹的强大力量用来推动其它机械不是挺好吗?他一开始仍用火药作燃烧爆炸物,将炮弹改成“活塞”,把炮筒作“气缸”,并开一个单向阀。他在气缸内注入火药,当点燃火药后,火药猛烈地爆炸燃烧,推动活塞向上运动,并产生动力。同时,爆炸气巨大的压力还推开单向阀,排出废气。而后,气缸内残余废气逐渐变冷,气压变低,气缸外部的大气压又推动活塞向下运动,以准备进行下一次爆炸。当然,由于行程过长,效率太低,他最终没有取得成功。但是,正是霍因斯首先提出了“内燃机”的设想,后人在此基础上才发明了汽车用的发动机。

早期汽车使用单缸机

汽车鼻祖卡尔·奔驰和戴姆勒在当年设计制造汽车时,他们不约而同地只用了一个气缸的发动机。就像我们认为一辆汽车不可能使用两台或更多台发动机一样,估计当时的人们也不会想象出还会用两个气缸或更多气缸的发动机。然而现在不同了,先别说发达国家,看看国内汽车广告就会发现,不少厂家总拿发动机的气缸数目和排列形式来说事,卖微型车的极力吹鼓他的车用的是四缸机而非三缸,用v6发动机的一定要把v字弄得醒目惹眼,广告宣传确实起到了很大效果,不少车迷已认同了 “4缸比3缸好”、“6缸比4缸好”、“v型比直列好”、“v型发动机是高级发动机”等概念。国产车中已有近20种车装配了v6或v8型发动机。

单缸发动机的曲轴每转两周才能产生一次燃烧做功,这样它的声音听起来也不连续顺畅,听一听小排量摩托车的声音就知道了。最为不能让人接受的是它的运转极不平稳,转速波动较大,而且单缸发动机的外形也不适合装在汽车上。为此,汽车上已见不到单缸发动机上,两缸机也不好找了,最少是3缸发动机。国内生产的华利面包车、老款夏利车、吉利豪情和奥拓、福莱尔上,装的都是3缸机。

1升以下的微型车上多用3缸机,1升至2升的发动机一般采用4缸或5缸机。2升以上的发动机大多为6缸,4升以上的发动机使用8缸的占绝大多数。

在相同排量的情况下,增加气缸数可以提高发动机的转速,从而可以提高发动机的输出功率。另外,增加气缸数可以使发动机运转更平稳,使其输出扭矩和输出功率更加稳定。增加气缸数可以使气车更容易起动,加速响应性更好。为了提高气车的性能,必须增加气缸数。因此,豪华轿车、跑车、赛车等高性能气车的气缸数都在6缸以上,最多者已达到16缸。

但是,气缸数的增加不能无限制。因为随着气缸数的增加,发动机的零部件数也成比例地增加,从而使发动机结构复杂,降低发动机的可靠性,增加发动机重量,提高制造成本和使用费用,增加燃料消耗,并使发动机的体积变大。因此,气车发动机的气缸数都是根据发动机的用途和性能要求,在权衡各种利弊之后做出的合适选择。

肩并肩站成一排。

直列发动机

直列发动机(line engine),它的所有气缸均肩并肩排成一个平面,它的缸体和曲轴结构简单,而且使用一个气缸盖,制造成本较低,稳定性高,低速扭矩特性好,燃料消耗少,尺寸紧凑,应用比较广泛。其缺点是功率较低。“直列”可用l代表,后面加上气缸数就是发动机代号,现代汽车上主要有l3、l4、l5、l6型发动机。

直列3缸(l3)。

常见故障

问题及原因

⒈汽缸是铸造而成的,汽缸出厂后都要经过时效处理,使汽缸在住铸造过程中所产生的内应力完全消除。如果时效时间短,那么加工好的汽缸在以后的运行中还会变形。

⒉汽缸在运行时受力的情况很复杂,除了受汽缸内外气体的压力差和装在其中的各零部件的重量等静载荷外,还要承受蒸汽流出静叶时对静止部分的反作用力,以及各种连接管道冷热状态下对汽缸的作用力,在这些力的相互作用下,汽缸易发生塑性变形造成泄漏。

⒊汽缸的负荷增减过快,特别是快速的启动、停机和工况变化时温度变化大、暖缸的方式不正确、停机检修时打开保温层过早等,在汽缸中和法兰上产生很大的热应力和热变形。

⒋汽缸在机械加工的过程中或经过补焊后产生了应力,但没有对汽缸进行回火处理加以消除,致使汽缸存在较大的残余应力,在运行中产生永久的变形。

⒌在安装或检修的过程中,由于检修工艺和检修技术的原因,使内缸、汽缸隔板、隔板套及汽封套的膨胀间隙不合适,或是挂耳压板的膨胀间隙不合适,运行后产生巨大的膨胀力使汽缸变形。

⒍使用的汽缸密封剂质量不好、杂质过多或是型号不对;汽缸密封剂内若有坚硬的杂质颗粒就会使密封面难以紧密的结合。

⒎汽缸螺栓的紧力不足或是螺栓的材质不合格。汽缸结合面的严密性主要靠螺栓的紧力来实现的。机组的起停或是增减负荷时产生的热应力和高温会造成螺栓的应力松弛,如果应力不足,螺栓的预紧力就会逐渐减小。如果汽缸的螺栓材质不好,螺栓在长时间的运行当中,在热应力和汽缸膨胀力的作用下被拉长,发生塑性变形或断裂,紧力就会不足,使汽缸发生泄漏的现象。

⒏汽缸螺栓紧固的顺序不正确。一般的汽缸螺栓在紧固时是从中间向两边同时紧固,也就是从垂弧最大处或是受力变形最大的地方紧固,这样就会把变形最大的处的间隙向汽缸前后的自由端转移,最后间隙渐渐消失。如果是从两边向中间紧,间隙就会集中于中部,汽缸结合面形成弓型间隙,引起蒸汽泄漏。

气缸出现内、外泄漏,一般是因活塞杆安装偏心,润滑油供应不足,密封圈和密封环磨损或损坏,气缸内有杂质及活塞杆有伤痕等造成的。所以,当气缸出现内、外泄漏时,应重新调整活塞杆的中心,以保证活塞杆与缸筒的同轴度;须经常检查油雾器工作是否可靠,以保证执行元件润滑良好;当密封圈和密封环出现磨损或损环时,须及时更换;若气缸内存在杂质,应及时清除;活塞杆上有伤痕时,应换新。

气缸的输出力不足和动作不平稳,一般是因活塞或活塞杆被卡住、润滑不良、供气量不足,或缸内有冷凝水和杂质等原因造成的。对此,应调整活塞杆的中心;检查油雾器的工作是否可靠;供气管路是否被堵塞。当气缸内存有冷凝水和杂质时,应及时清除。

气缸的缓冲效果不良,一般是因缓冲密封圈磨损或调节螺钉损坏所致。此时,应更换密封圈和调节螺钉。

气缸的活塞杆和缸盖损坏,一般是因活塞杆安装偏心或缓冲机构不起作用而造成的。对此,应调整活塞杆的中心位置;更换缓冲密封圈或调节螺钉。

解决方案

⒈汽缸变形较大或漏汽严重的结合面,采用研刮结合面的方法

如果上缸结合面变形在0.05mm范围内,以上缸结合面为基准面,在下缸结合面涂红丹或是压印蓝纸,根据痕迹研刮下缸。如果上缸的结合面变形量大,在上缸涂红丹,用大平尺研出痕迹,把上缸研平。或是采取机械加工的方法把上缸结合面找平,再以上缸为基准研刮下缸结合面。汽缸结合面的研刮一般有两种方法:

⑴是不紧结合面的螺栓,用千斤顶微微推动上缸前后移动,根据下缸结合面红丹的着色情况来研刮。这种方法适合结构刚性强的高压缸。

⑵是紧结合面的螺栓,根据塞尺的检查结合面的严密性,测出数值及压出的痕迹,修刮结合面,这种方法可以排除汽缸垂弧对间隙的影响。

⒉采用适当的汽缸密封材料

因汽轮机汽缸密封剂还没有统一的国家标准和行业标准,制作原料和配方也各不相同,产品质量参差不齐;在选择汽轮机汽缸密封剂时,就要选在行业内有口碑,产品质量有保证的正规生产厂家,以保证检修处理后汽缸的严密性。

⒊局部补焊的方法

由于汽缸结合面被蒸汽冲刷或腐蚀出沟痕,选用适当的焊条把沟痕添平,用平板或平尺研出痕迹,研刮焊道和结合面在同一平面内。汽缸结合面变形较大或是漏汽严重时,在下缸的结合面补焊一条或两条10—20mm宽的密消除间隙封带,然后用平尺或是扣上缸测量,并涂红丹研刮,直到消除间隙。此操作的工艺也很简单,焊前预热汽缸至150℃,然后在室温下进行分段退焊或跳焊。选用奥氏体焊条,如A407、A412,焊后用石棉布覆盖保温缓冷。待冷却室温后进行打磨修刮。

⒋汽缸结合面的涂镀或喷涂

当汽缸结合面大面积漏汽,间隙在0.50mm左右时,为了减少研刮的工作量,可用涂镀的工艺。用汽缸做阳极,涂具做阴极,在汽缸的结合面上反复涂刷电解溶液,涂层的厚度要根据汽缸结合面间隙的大小而定,涂层的种类要根据汽缸的材料和修刮的工艺而定。喷涂就是用专用的高温火焰喷枪把金属粉末加热至熔化或达到塑性状态后喷射于处理过的汽缸表面,形成一层具有所需性能的涂层方法。其特点就是设备简单,操作方便涂层牢固,喷涂后汽缸温度仅为70℃—80℃不会使汽缸产生变形,而且可获得耐热,耐磨,抗腐蚀的涂层。注意的是在涂渡和喷涂前都要对缸面进行打磨、除油、拉毛,在涂渡和喷涂后要对涂层进行研刮,保证结合面的严密。

⒌结合面加垫的方法

如果结合面的局部间隙泄漏不是很大,可用80—100目的铜网经热处理使其硬度降低,然后剪成适当的形状,铺在结合面的漏汽处,再配以汽缸密封剂。如果结合面的间隙较大,泄漏严重,可在上下结合面开宽50mm深5mm的槽,中间镶嵌IGr18Ni9Ti的齿形垫,齿形垫的厚度一般比槽的深度大0.05—0.08mm左右,并可用同等形状的不锈钢垫片做以调整。

⒍控制螺栓应力的方法

如果汽缸结合面的变形较小,而且很均匀,可在有间隙处更换新的螺栓,或是适当的加大螺栓的预紧力。按从中间向两边同时紧固,也就是从垂弧最大处或是受力变形最大的地方紧固螺栓。理论上来说,控制螺栓的预紧力可用公式d/L≤A来计算,但由于此计算的数据与测量的手段还在研究当中,没有达到推广,多在螺栓的允许的最大应力内根据经验而定。

⒎新时期采用的高分子材料方法

随着技术的进一步发展,高分子复合材料逐渐在气缸维护中取得了成功的应用。相对于传统手段相比,高分子复合材料具有较为优异的耐温性能,良好的耐压性能,以及更为出色的密封性能,且具有良好的塑变性,受热不会固化,密封膜不会被破坏,从而保证了机件密封面的密封;加之易于清除,使用过的密封面可以用无水乙醇或丙酮轻易的擦去,而不会附着于密封面;由于其优异的性能,逐渐受到越来越多气缸企业的青睐。

产品系列

日本SMC标准气缸,其对钢管缸筒,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。

SMC 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。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。

CE2 行程可读出气缸(带制动型)

CEP1 高精度行程可读出气缸

CG1/CG1W… 气缸

CJ2/CJ2W… 气缸

CJ2X/CUX/CQSX… 低速气缸

CJP/CJPB/CJPS 针型气缸

CLQ/CLQ 薄型锁紧气缸

CLS/CLS 带锁气缸

CNA/CNAW 带锁气缸

CNG 带锁气缸

CNS/CNS 带锁气缸

CQM薄型气缸

CQM/CQM薄型气缸

CRA1 摆动气缸

CRB1 摆动气缸

CRB2 摆动气缸

CRBU2 自由安装型摆动气缸

CRJ 微型摆动气缸

CRQ2 薄型摆动气缸

CS1/CS1W/CS1 * Q 气缸

市场

气缸即可占领一块市场,获得不小的经济效益,这已被大家共识。济南华能气动元器件公司为铁路编组和轮轨润滑的特殊要求开发了气缸和阀,受到了铁道部门的关注。 使用新材料,与新技术相结合.国外开发了膜式干燥器,该干燥器利用高科技的反渗析薄膜滤去压缩空气中的水分,有节能、寿命长、可靠性高、体积小、重量轻等特点、适用于流量不大的场合

原理

故障

原因分析

排除方法

外,泄漏活塞杆,端漏气

活塞杆安装偏心

润滑油供应不足

活塞密封圈磨损

活塞杆轴承配合面有杂质

活塞杆有伤痕

重新安装调整,使活塞杆不受偏心和横向负荷。

检查油雾器是否失灵。

更换密封圈。

清洗除去杂质,安装更换防尘罩。

更换活塞杆。

缸筒与缸盖间漏气
缓冲调节处漏气
内泄漏活塞两端,串气活塞密封圈损坏润滑不良活塞被卡住,活塞配合面有缺陷,杂质挤入密封面

更换密封

检查油雾器是否失灵

重新安装调整,使活塞杆不受偏心和横向负荷。

除去杂质,采用净化压缩空气。

输出力不足动作不平稳润滑不良活塞或活塞杆卡住供气流量不足有,冷凝水,杂质

检查油雾器是否失灵

重新安装调整,消除偏心横向负荷。

加大连接或管接头口径

注意用净化干燥压缩空气,防止水凝结。

缓冲效果不良缓冲密封圈磨损调节螺钉损坏汽缸速度太快更换密封圈更换调节螺钉注意缓冲机构是否适合
损伤活塞杆损坏有偏心横向负荷活塞杆受冲击负荷气缸的速度太快消除偏心横向负荷冲击不能加在活塞杆上设置缓冲装置
缸盖损坏缓冲机构不起作用在外部或回路中设置缓冲机构

与电动执行器的区别

从传统观念来看,气缸与电动执行器一直被认为是属于两个完全不同领域的自动化产品,但是近年来,随着电气化程度的不断提高,电动执行器却慢慢浸入气动领域,二者在应用中既有竞争又相互补充。在本期栏目中,我们将从技术性能、购买和应用成本、能源效率、应用场合及市场形势等几个方面来对比气缸与电动执行器各自的优势

技术性能的比较

众所周知,相比电动执行器,气缸可在恶劣条件下可靠地工作,且操作简单,基本可实现免维护。气缸擅长作往复直线运动,尤其适于工业自动化中最多的传送要求——工件的直线搬运。而且,仅仅调节安装在气缸两侧的单向节流阀就可简单地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。所以对于没有多点定位要求的用户,绝大多数从使用便利性角度更倾向于使用气缸。目前工业现场使用电动执行器的应用大部分都是要求高精度多点定位,这是由于用气缸难以实现,退而求其次的结果。

而电动执行器主要用于旋转与摆动工况。其优势在于响应时间快,通过反馈系统对速度、位置及力矩进行精确控制。但当需要完成直线运动时,需要通过齿形带或丝杆等机械装置进行传动转化,因此结构相对较为复杂,而且对工作环境及操作维护人员的专业知识都有较高要求。

优势

(1)对使用者的要求较低。气缸的原理及结构简单,易于安装维护,对于使用者的要求不高。电缸则不同,工程人员必需具备一定的电气知识,否则极有可能因为误操作而使之损坏。

(2)输出力大。气缸的输出力与缸径的平方成正比;而电缸的输出力与三个因素有关,缸径、电机的功率和丝杆的螺距,缸径及功率越大、螺距越小则输出力越大。一个缸径为50mm的气缸,理论上的输出力可达2000N,对于同样缸径的电缸,虽然不同公司的产品各有差异,但是基本上都不超过1000N。显而易见,在输出力方面气缸更具优势。

(3)适应性强。气缸能够在高温和低温环境中正常工作且具有防尘、防水能力,可适应各种恶劣的环境。而电缸由于具有大量电气部件的缘故,对环境的要求较高,适应性较差。

电缸的优势主要体现在以下3个方面:

(1)系统构成非常简单。由于电机通常与缸体集成在一起,再加上控制器与电缆,电缸的整个系统就是由这三部分组成的,简单而紧凑。

(2)停止的位置数多且控制精度高。一般电缸有低端与高端之分,低端产品的停止位置有3、5、16、64个等,根据公司不同而有所变化;高端产品则更是可以达到几百甚至上千个位置。在精度方面,电缸也具有绝对的优势,定位精度可达¡0.05mm,所以常常应用于电子、半导体等精密的行业。

(3)柔韧性强。毫无疑问,电缸的柔韧性远远强于气缸。由于控制器可以与PLC直接进行连接,对电机的转速、定位和正反转都能够实现精确控制,在一定程度上,电缸可以根据需要随意进行运动;由于气体的可压缩性和运动时产生的惯性,即使换向阀与磁性开关之间配合地再好也不能做到气缸的准确定位,柔韧性也就无从谈起了。

在技术性能方面,本人认为电动和气动各有所长,首先电动执行器的优势主要包括:

(1)结构紧凑,体积小巧。比起气动执行器,电动执行器结构相对简单,一个基本的电子系统包括执行器,三位置DPDT开关、熔断器和一些电线,易于装配。

(2)电动执行器的驱动源很灵活,一般车载电源即可满足需要,而气动执行器需要气源和压缩驱动装置。

(3)电动执行器没有“漏气”的危险,可靠性高,而空气的可压缩性使得气动执行器的稳定性稍差。

(4)不需要对各种气动管线进行安装和维护。

(5)可以无需动力即保持负载,而气动执行器需要持续不断的压力供给。

(6)由于不需要额外的压力装置,电动执行器更加安静。通常,如果气动执行器在大负载的情况下,要加装消音器。

(7)电动执行器在控制的精度方面更胜一筹。

(8)气动装置中的通常需要把电信号转化为气信号,然后再转化为电信号,传递速度较慢,不宜用于元件级数过多的复杂回路。

而气缸的优势则在于以下4个方面:

(1)负载大,可以适应高力矩输出的应用(不过,现在的电动执行器已经逐渐达到目前的气动负载水平了)。

(2)动作迅速、反应快。

(3)工作环境适应性好,特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射和振动等恶劣工作环境中,比液压、电子、电气控制更优越。

(4)行程受阻或阀杆被扎住时电机容易受损。

购买和应用成本比较

从总体上来讲,电伺服驱动比气动伺服驱动要贵,但也要因具体要求及场合而定。有些小功率的直流电机构成电动滑台(电伺服系统)实际上比气动伺服系统要便宜。

如:当负载为1.5kg、工作行程为80mm、速度在2~170mm/s之间、精度为¡0.1mm、加速度2.5m/s2等工况条件时,FESTO公司采用小型电动滑台、控制器、马达电缆、控制电缆、编程电缆以及电源电缆等组成的电伺服系统,其价格就比气动伺服系统便宜25%。同样,对于带活塞杆电缸也是如此。需要说明的是如果采用交流电机的话,所组成的电伺服系统的价格要比气动伺服系统高出40%左右。

从购买和应用成本来看,目前气缸还是具有比较明显的优势的。对于气动系统来说,控制系统及执行机构都非常简单,每个气缸只需配置一个电磁阀就可完成气路的切换,进行运动控制,气缸发生故障的概率也比较小,维护简单方便,成本也低。

而对于电动执行器来说,虽然电能的获得比较简单,能量成本较低,但购买及应用成本较高,不仅需要配置电机,还需要一套机械传动机构以及相应的驱动元件。同时使用电动执行器需要很多保护措施,错误的电路连接、电压的波动及负载的超载都会对电驱动器造成损坏,因此需要在电路及机械上加装保护系统,增加了很多额外的费用支出。另外,由于电动执行器驱动单元的参数化设置较多,且集成度高,所以其一旦发生故障,就要更换整个元件。而且当系统需要的驱动力增加时,也要成套更换元件才能实现。因此综合比较可以看出气缸在购买及维护成本上有较大优势。

能源效率比较

我们研究的结果表明,在往复运动周期较短(小于1min)的水平往复运动中,电动执行器的运行能耗通常低于气缸的运行能耗,即更节能。而在往复运动周期较长(大于1min)时,气缸竟然变得更节能。这首先是由于终端停止时电动执行器的控制器通常需要消耗约10W的电力,而气缸仅有电磁阀耗电和气体泄露,一般低于1W,即终端停止时间越长,对气缸越有利;其次电机在连续旋转条件下的额定效率可达90%以上,但在直线往复运动(丝杠转换)中的台形加减速旋转条件下的平均效率却不到50%。在竖直往复运动时,夹持工件的保持动作要求不断供给电流给电动执行器以克服重力,而气缸只需关闭电磁阀即可,耗电极少。因此在竖直往复运动时电动执行器相比气缸的能耗优势不是很大。

由上可见,电机本身效率很高,但在往复直线运动中考虑其效率下降及控制器的电力消耗,电动执行器未必一定比气缸节能,具体比较取决于实际的工作条件,即安装方向、往复运动周期和负载率等。

应用场合比较

气动系统和电动系统并不互相排斥。相反,这只是一个要求不同的问题。气动驱动器的优势显而易见,当面临诸如灰尘、油脂、水或清洁剂等恶劣的环境条件时,气动驱动器就显得较适应恶劣环境,而且非常坚固耐用。气动驱动器容易安装,能提供典型的抓取功能,价格便宜且操作方便。

在作用力快速增大且需要精确定位的情况下,带伺服马达的电驱动器具有优势。对于要求精确、同步运转、可调节和规定的定位编程的应用场合,电驱动器是最好的选择,带闭环定位控制器的伺服或步进马达所组成的电驱动系统能够补充气动系统的不足之处。

从技术和使用成本的角度来说,气缸占有较明显的优势,但在实际使用中究竟应该选用哪种技术做驱动控制,还是应从多方因素进行综合考量。现代控制中各种系统越来越复杂、越来越精细,并不是某种驱动控制技术就可满足系统的多种控制功能。气缸可以简单的实现快速直线循环运动,结构简单,维护便捷,同时可以在各种恶劣工作环境中使用,如有防爆要求、多粉尘或潮湿的工况。

电动执行器主要用于需要精密控制的应用场合,现在自动化设备中柔性化要求在不断提升,同一设备往往要求适应不同尺寸工件的加工需要,执行器需要进行多点定位控制,而且要对执行器的运行速度及力矩进行精确控制或同步跟踪,这些利用传统气动控制是无法实现的,而电动执行器就能非常轻松的实现此类控制。由此可见气缸比较适用于简单的运动控制,而电执行器则多用于精密运动控制的场合。

市场形势比较

气缸驱动系统自70年代以来就在工业自动化领域得到了迅速普及。今天,气缸已成为国内外工业生产领域中PTP(PointToPoint)搬运的主流执行器,以气缸驱动系统为核心的气动元器件市场规模已达到110亿美元的规模。

九十年代开始,电机及其微电子控制技术迅速发展,使电动执行器在工业自动化中的应用成为可能。而且,半导体产业的兴起也直接促进了能实现高精度多点定位的电动执行器在工业领域应用的扩大。

九十年代末期,日本等主要工业发达国家,甚至一度出现了电动执行器即将取代气缸,气缸将退出历史舞台的论调。因为人们普遍认为电动执行器中电机的能量转换效率高,而气缸能量转换效率较低,低效的产品必将被淘汰出局。然而,十年过去了,电动执行器在工业现场并未得到普及,其市场规模与气动相比还有很大差距。而且,无论是在工业发达国家,还是在中国等新兴工业国家,气缸的销量不仅没有减少,而且还在稳步地增长。在中国,近几年气缸销量的年增长速度一直维持在20%以上。

如需要科学、客观地评价两者,必须采用全生命周期评价(LifeCycleAssessment)手法,考虑比较制造阶段、使用阶段、废弃阶段三个阶段的综合指标。具体指标有成本、能耗、对环境的负担(主要是排放物等)。譬如成本,电动执行器在运行能耗(使用阶段)成本上有优势,但维护成本(使用阶段)和购置成本(制造阶段)都比气缸要高得多,在该指标上的比较应建立在所有成本的总和上。

在总成本上,我们的研究结果表明,气缸在大多数工业应用场合具有一定优势。

综合以上分析,我们应该看出,气缸与电动执行器各有特点,不可单纯地用效率的高低来评价其优劣。随着电气技术的发展,电动执行器的成本还会进一步下降,预期其应用领域还会进一步拓广,但要完自吸无堵塞排污泵全取代气缸是不现实的。

从市场形式来看,前面己经提到若电缸从一开始就参照气缸的外形及安装连接尺寸生产,是一个很好的开端。而对于目前还未有ISO标准的无杆气缸和气动滑台,则同样采用相对应的外形及安装连接尺寸,这个便利的措施能够杜绝气驱动与电驱动在安装、添置或更换方面无谓的竞争。FESTO公司的电驱动产品包含了300多种可自由组合的抓取模块和多轴系统。在Festo,电驱动器不是气动驱动器的竞争产品,而是对气动驱动器性能的完美补充。电驱动器的特点是精确和灵活。在作用力快速消失和需要精确定位的应用场合,电驱动器是无堵塞自吸排污泵理想的决方案。

因此今后气缸与电动执行器的发展应该是处于非常良性状况和互补的,也一定会按照这两门技术自身的科学自然发展规律发展

推荐商机