单作用气缸

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s

1

，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s

1

，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

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s

1

（前者调节顶丝即可方便调节s

1

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）；

p

30

——活塞开始移动瞬时蓄气缸腔内压力（绝对压力）（Pa）；

p

20

——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）；

d

1

——活塞杆直径（m）；

F

ƒ0

——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F

ƒ0

项，且令d=d

1

，，则当

时，活塞才开始移动。这里的p

20

、p

30

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p

30

可认为已达气源压力p

s

，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p

10

等于大气压力p

a

。由于p

a

/p

s

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p

1

（作用在活

塞全面积上）比有杆腔压力p

2

（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（参见图42.2-11c）。

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p

2

）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F

1

同时向K

1

、K

3

充气，K

2

通大气。阀F

1

输出

口A用直管与K

1

孔连通，而用弯管与K

3

孔连通，弯管气阻大于直管气阻。这样，压缩空气先经K

1

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K

3

孔向有杆腔进气，蓄气

一无杆腔气体经K

4

孔通过阀F

2

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F

3

，发出信号控制阀F

2

使之切换，这样气源便经阀F

2

和K

4

孔向蓄气腔内充气，一直充至气源压力。

图42.2-12冲击气缸特性曲线

图42.2-13快排型冲击气缸结构及控制回路

a）结构图；b）控制回路

1—快排导向盖；2—密封胶垫；3—快排活塞；4—快排缸体；5—中盖

T—方孔；C—环形空间；6—推杆；7—气阻；8—气容

冲击工作开始时，使阀F

1

切换，则K

2

进气，K

1

和K

3

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K

3

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K

3

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F

3

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F

2

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F

3

复位，F

2

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K

4

孔和阀F

2

排气了，所以当锤头开始冲击后，F

2

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F

2

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

如图42.2-14所示，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A

1

～A

i

（可能是A

1

，或是A

1

和A

2

，或A

1

、A

2

和A

3

，还可能是A

1

和A

3

，或A

2

和A

3

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A

1

～A

i

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α

1

=5mm；

α

2

=10mm；α

3

=20mm。如s=31.5mm，可用6个活塞，则α

1

、α

2

、α

3

……α

6

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α

1

、α

2

、α

3

……α

i

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

如图42.2-15a所示，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。

图42.2-14数字气缸

1—活塞；2—缸体；3—活塞杆

图42.2-15回转气缸

a）原理图；b）结构图

1—活塞杆；2、5—密封圈；3—缸体；4—活塞；6—缸盖；7、8—轴承

9—导气头体；10—导气头芯；11—中盖；12—螺栓

图42.2-16普通挠性气缸

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。

图42.2-17滚子挠性气缸

（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。

图42.2-18钢索式气缸