氣缸

　　與活塞構成工作容積的部件。
　　引導活塞在其中進行直線往復運動的圓筒形金屬機件。工質在發動機氣缸中通過膨脹將熱能轉化為機械能；氣體在壓縮機氣缸中接受活塞壓縮而提高壓力。渦輪機、旋轉活塞式發動機等的殼體通常也稱“氣缸”。氣缸的應用領域：印刷（張力控制）、半導體（點焊機、芯片研磨）、自動化控制、機器人等等。英文名：cylinder
　　氣壓傳動中將壓縮氣體的壓力能轉換為機械能的氣動執行元件。氣缸有做往復直線運動的和做往復擺動的兩類（見圖）。做往復直線運動的氣缸又可分為單作用、雙作用、膜片式和沖擊氣缸4種。
　　①單作用氣缸：僅一端有活塞桿，從活塞一側供氣聚能產生氣壓，氣壓推動活塞產生推力伸出，靠彈簧或自重返回。
　　②雙作用氣缸：從活塞兩側交替供氣，在一個或兩個方向輸出力。
　　③膜片式氣缸：用膜片代替活塞，只在一個方向輸出力，用彈簧復位。它的密封性能好，但行程短。
　　④沖擊氣缸：這是一種新型元件。它把壓縮氣體的壓力能轉換為活塞高速（10～20米/秒）運動的動能，借以做功。沖擊氣缸增加了帶有噴口和泄流口的中蓋。中蓋和活塞把氣缸分成儲氣腔、頭腔和尾腔三室。它廣泛用于下料、沖孔、破碎和成型等多種作業。做往復擺動的氣缸稱擺動氣缸，由葉片將內腔分隔為二，向兩腔交替供氣，輸出軸做擺動運動，擺動角小于 280°。此外，還有回轉氣缸、氣液阻尼缸和步進氣缸等。
　　氣缸作用
　　將壓縮空氣的壓力能轉換為機械能，驅動機構作直線往復運動、擺動和旋轉運動。
　　氣缸分類
　　直線運動往復運動的氣缸、擺動運動的擺動氣缸、氣爪等。
　　氣缸結構
　　1）缸筒
　　缸筒的內徑大小代表了氣缸輸出力的大小。活塞要在缸筒內做平穩的往復滑動，缸筒內表面的表面粗糙度應達到Ra0.8μm。對鋼管缸筒，內表面還應鍍硬鉻，以減小摩擦阻力和磨損，并能防止銹蝕。缸筒材質除使用高碳鋼管外，還是用高強度鋁合金和黃銅。小型氣缸有使用不銹鋼管的。帶磁性開關的氣缸或在耐腐蝕環境中使用的氣缸，缸筒應使用不銹鋼、鋁合金或黃銅等材質。
　　SMC CM2氣缸活塞上采用組合密封圈實現雙向密封，活塞與活塞桿用壓鉚鏈接，不用螺母。
　　2）端蓋
　　端蓋上設有進排氣通口，有的還在端蓋內設有緩沖機構。桿側端蓋上設有密封圈和防塵圈，以防止從活塞桿處向外漏氣和防止外部灰塵混入缸內。桿側端蓋上設有導向套，以提高氣缸的導向精度，承受活塞桿上少量的橫向負載，減小活塞桿伸出時的下彎量，延長氣缸使用壽命。導向套通常使用燒結含油合金、前傾銅鑄件。端蓋過去常用可鍛鑄鐵，現在為減輕重量并防銹，常使用鋁合金壓鑄，微型缸有使用黃銅材料的。
　　3）活塞
　　活塞是氣缸中的受壓力零件。為防止活塞左右兩腔相互竄氣，設有活塞密封圈。活塞上的耐磨環可提高氣缸的導向性，減少活塞密封圈的磨耗，減少摩擦阻力。耐磨環長使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夾布合成樹脂等材料。活塞的寬度由密封圈尺寸和必要的滑動部分長度來決定。滑動部分太短，易引起早期磨損和卡死。活塞的材質常用鋁合金和鑄鐵，小型缸的活塞有黃銅制成的。
　　4）活塞桿
　　活塞桿是氣缸中最重要的受力零件。通常使用高碳鋼，表面經鍍硬鉻處理，或使用不銹鋼，以防腐蝕，并提高密封圈的耐磨性。
　　5）密封圈
　　回轉或往復運動處的部件密封稱為動密封，靜止件部分的密封稱為靜密封。
　　缸筒與端蓋的連接方法主要有以下幾種：
　　整體型、鉚接型、螺紋聯接型、法蘭型、拉桿型。
　　6）氣缸工作時要靠壓縮空氣中的油霧對活塞進行潤滑。也有小部分免潤滑氣缸。
　　工作原理
　　根據工作所需力的大小來確定活塞桿上的推力和拉力。由此來選擇氣缸時應使氣缸的輸出力稍有余量。若缸徑選小了，輸出力不夠，氣缸不能正常工作；但缸徑過大，不僅使設備笨重、成本高，同時耗氣量增大，造成能源浪費。在夾具設計時，應盡量采用增力機構，以減少氣缸的尺寸。
　　氣缸
　　下面是氣缸理論出力的計算公式：
　　F：氣缸理論輸出力（kgf)
　　F′：效率為85%時的輸出力（kgf）－－（F′=F×85%）
　　D：氣缸缸徑（mm)
　　P：工作壓力（kgf/cm2）
　　例：直徑340mm的氣缸，工作壓力為3kgf/cm2時，其理論輸出力為多少?芽輸出力是多少?
　　將P、D連接，找出F、F′上的點，得：
　　F=2800kgf；F′=2300kgf
　　在工程設計時選擇氣缸缸徑，可根據其使用壓力和理論推力或拉力的大小，從經驗表1－1中查出。
　　例：有一氣缸其使用壓力為5kgf/cm2，在氣缸推出時其推力為132kgf，（氣缸效率為85%）問：該選擇多大的氣缸缸徑?
　　由氣缸的推力132kgf和氣缸的效率85%，可計算出氣缸的理論推力為F=F′/85%=155(kgf)
　　由使用壓力5kgf/cm2和氣缸的理論推力，查出選擇缸徑為?63的氣缸便可滿足使用要求。
　　應用領域
　　印刷（張力控制）、半導體（點焊機、芯片研磨）、自動化控制、機器人等等。
　　發展歷程
　　氣缸原理源于大炮：
　　氣缸源于大炮？這并不是聳人聽聞。你車上的氣缸戰士確實與大炮有關。
　　1680年，荷蘭科學家霍因斯受到大炮原理的啟發，心想如將炮彈的強大力量用來推動其它機械不是挺好嗎？他一開始仍用火藥作燃燒爆炸物，將炮彈改成“活塞”，把炮筒作“氣缸”，并開一個單向閥。他在氣缸內注入火藥，當點燃火藥后，火藥猛烈地爆炸燃燒，推動活塞向上運動，并產生動力。同時，爆炸氣巨大的壓力還推開單向閥，排出廢氣。而后，氣缸內殘余廢氣逐漸變冷，氣壓變低，氣缸外部的大氣壓又推動活塞向下運動，以準備進行下一次爆炸。當然，由于行程過長，效率太低，他最終沒有取得成功。但是，正是霍因斯首先提出了“內燃機”的設想，后人在此基礎上才發明了汽車用的發動機。
　　早期汽車使用單缸機
　　汽車鼻祖卡爾·奔馳和戴姆勒在當年設計制造汽車時，他們不約而同地只用了一個氣缸的發動機。就像我們現在認為一輛汽車不可能使用兩臺或更多臺發動機一樣，估計當時的人們也不會想象出還會用兩個氣缸或更多氣缸的發動機。然而現在不同了，先別說發達國家，看看國內汽車廣告就會發現，不少廠家總拿發動機的氣缸數目和排列形式來說事，賣微型車的極力吹鼓他的車用的是四缸機而非三缸，用v6發動機的一定要把v字弄得醒目惹眼，廣告宣傳確實起到了很大效果，現在不少車迷已認同了 “4缸比3缸好”、“6缸比4缸好”、“v型比直列好”、“v型發動機是高級發動機”等概念。現在國產車中已有近20種車裝配了v6或v8型發動機。
　　單缸發動機的曲軸每轉兩周才能產生一次燃燒做功，這樣它的聲音聽起來也不連續順暢，聽一聽小排量摩托車的聲音就知道了。最為不能讓人接受的是它的運轉極不平穩，轉速波動較大，而且單缸發動機的外形也不適合裝在汽車上。為此，現在的氣車上已見不到單缸發動機上，兩缸機也不好找了，最少是3缸發動機。國內生產的華利面包車、老款夏利車、吉利豪情和奧拓、福萊爾上，裝的都是3缸機。
　　1升以下的微型車上多用3缸機，1升至2升的發動機一般采用4缸或5缸機。2升以上的發動機大多為6缸，4升以上的發動機使用8缸的占絕大多數。
　　在相同排量的情況下，增加氣缸數可以提高發動機的轉速，從而可以提高發動機的輸出功率。另外，增加氣缸數可以使發動機運轉更平穩，使其輸出扭矩和輸出功率更加穩定。增加氣缸數可以使氣車更容易起動，加速響應性更好。為了提高氣車的性能，必須增加氣缸數。因此，豪華轎車、跑車、賽車等高性能氣車的氣缸數都在6缸以上，最多者已達到16缸。
　　但是，氣缸數的增加不能無限制。因為隨著氣缸數的增加，發動機的零部件數也成比例地增加，從而使發動機結構復雜，降低發動機的可靠性，增加發動機重量，提高制造成本和使用費用，增加燃料消耗，并使發動機的體積變大。因此，氣車發動機的氣缸數都是根據發動機的用途和性能要求，在權衡各種利弊之后做出的合適選擇。
　　肩并肩站成一排。
　　直列發動機
　　直列發動機（line engine），它的所有氣缸均肩并肩排成一個平面，它的缸體和曲軸結構簡單，而且使用一個氣缸蓋，制造成本較低，穩定性高，低速扭矩特性好，燃料消耗少，尺寸緊湊，應用比較廣泛。其缺點是功率較低。“直列”可用l代表，后面加上氣缸數就是發動機代號，現代氣車上主要有l3、l4、l5、l6型發動機。
　　直列3缸（l3）。
　　常見故障及解決方案
　　氣缸常見問題及原因分析
　　⒈汽缸是鑄造而成的，汽缸出廠后都要經過時效處理，使汽缸在住鑄造過程中所產生的內應力完全消除。如果時效時間短，那么加工好的汽缸在以后的運行中還會變形。
　　⒉汽缸在運行時受力的情況很復雜，除了受汽缸內外氣體的壓力差和裝在其中的各零部件的重量等靜載荷外，還要承受蒸汽流出靜葉時對靜止部分的反作用力，以及各種連接管道冷熱狀態下對汽缸的作用力，在這些力的相互作用下，汽缸易發生塑性變形造成泄漏。
　　⒊汽缸的負荷增減過快，特別是快速的啟動、停機和工況變化時溫度變化大、暖缸的方式不正確、停機檢修時打開保溫層過早等，在汽缸中和法蘭上產生很大的熱應力和熱變形。
　　⒋汽缸在機械加工的過程中或經過補焊后產生了應力，但沒有對汽缸進行回火處理加以消除，致使汽缸存在較大的殘余應力，在運行中產生永久的變形。
　　⒌在安裝或檢修的過程中，由于檢修工藝和檢修技術的原因，使內缸、汽缸隔板、隔板套及汽封套的膨脹間隙不合適，或是掛耳壓板的膨脹間隙不合適，運行后產生巨大的膨脹力使汽缸變形。
　　⒍使用的汽缸密封劑質量不好、雜質過多或是型號不對；汽缸密封劑內若有堅硬的雜質顆粒就會使密封面難以緊密的結合。
　　⒎汽缸螺栓的緊力不足或是螺栓的材質不合格。汽缸結合面的嚴密性主要靠螺栓的緊力來實現的。機組的起停或是增減負荷時產生的熱應力和高溫會造成螺栓的應力松弛，如果應力不足，螺栓的預緊力就會逐漸減小。如果汽缸的螺栓材質不好，螺栓在長時間的運行當中，在熱應力和汽缸膨脹力的作用下被拉長，發生塑性變形或斷裂，緊力就會不足，使汽缸發生泄漏的現象。
　　⒏汽缸螺栓緊固的順序不正確。一般的汽缸螺栓在緊固時是從中間向兩邊同時緊固，也就是從垂弧最大處或是受力變形最大的地方緊固，這樣就會把變形最大的處的間隙向汽缸前后的自由端轉移，最后間隙漸漸消失。如果是從兩邊向中間緊，間隙就會集中于中部，汽缸結合面形成弓型間隙，引起蒸汽泄漏。
氣缸故障解決方案
　　⒈汽缸變形較大或漏汽嚴重的結合面，采用研刮結合面的方法
　　如果上缸結合面變形在0.05mm范圍內，以上缸結合面為基準面，在下缸結合面涂紅丹或是壓印藍紙，根據痕跡研刮下缸。如果上缸的結合面變形量大，在上缸涂紅丹，用大平尺研出痕跡，把上缸研平。或是采取機械加工的方法把上缸結合面找平，再以上缸為基準研刮下缸結合面。汽缸結合面的研刮一般有兩種方法：
　　⑴是不緊結合面的螺栓，用千斤頂微微推動上缸前后移動，根據下缸結合面紅丹的著色情況來研刮。這種方法適合結構剛性強的高壓缸。
　　⑵是緊結合面的螺栓，根據塞尺的檢查結合面的嚴密性，測出數值及壓出的痕跡，修刮結合面，這種方法可以排除汽缸垂弧對間隙的影響。
　　⒉采用適當的汽缸密封材料
　　因現在汽輪機汽缸密封劑還沒有統一的國家標準和行業標準，制作原料和配方也各不相同，產品質量參差不齊；在選擇汽輪機汽缸密封劑時，就要選在行業內有口碑，產品質量有保證的正規生產廠家，以保證檢修處理后汽缸的嚴密性。
　　⒊局部補焊的方法
　　由于汽缸結合面被蒸汽沖刷或腐蝕出溝痕，選用適當的焊條把溝痕添平，用平板或平尺研出痕跡，研刮焊道和結合面在同一平面內。汽缸結合面變形較大或是漏汽嚴重時，在下缸的結合面補焊一條或兩條10—20mm寬的密消除間隙封帶，然后用平尺或是扣上缸測量，并涂紅丹研刮，直到消除間隙。此操作的工藝也很簡單，焊前預熱汽缸至150℃，然后在室溫下進行分段退焊或跳焊。選用奧氏體焊條，如A407、A412，焊后用石棉布覆蓋保溫緩冷。待冷卻室溫后進行打磨修刮。
　　⒋汽缸結合面的涂鍍或噴涂
　　當汽缸結合面大面積漏汽，間隙在0.50mm左右時，為了減少研刮的工作量，可用涂鍍的工藝。用汽缸做陽極，涂具做陰極，在汽缸的結合面上反復涂刷電解溶液，涂層的厚度要根據汽缸結合面間隙的大小而定，涂層的種類要根據汽缸的材料和修刮的工藝而定。噴涂就是用專用的高溫火焰噴槍把金屬粉末加熱至熔化或達到塑性狀態后噴射于處理過的汽缸表面，形成一層具有所需性能的涂層方法。其特點就是設備簡單，操作方便涂層牢固，噴涂后汽缸溫度僅為70℃—80℃不會使汽缸產生變形，而且可獲得耐熱，耐磨，抗腐蝕的涂層。注意的是在涂渡和噴涂前都要對缸面進行打磨、除油、拉毛，在涂渡和噴涂后要對涂層進行研刮，保證結合面的嚴密。
　　⒌結合面加墊的方法
　　如果結合面的局部間隙泄漏不是很大，可用80—100目的銅網經熱處理使其硬度降低，然后剪成適當的形狀，鋪在結合面的漏汽處，再配以汽缸密封劑。如果結合面的間隙較大，泄漏嚴重，可在上下結合面開寬50mm深5mm的槽，中間鑲嵌IGr18Ni9Ti的齒形墊，齒形墊的厚度一般比槽的深度大0.05—0.08mm左右，并可用同等形狀的不銹鋼墊片做以調整。
　　⒍控制螺栓應力的方法
　　如果汽缸結合面的變形較小，而且很均勻，可在有間隙處更換新的螺栓，或是適當的加大螺栓的預緊力。按從中間向兩邊同時緊固，也就是從垂弧最大處或是受力變形最大的地方緊固螺栓。理論上來說，控制螺栓的預緊力可用公式d/L≤A來計算，但由于此計算的數據與測量的手段還在研究當中，目前沒有達到推廣，多在螺栓的允許的最大應力內根據經驗而定。
　　⒎新時期采用的高分子材料方法
　　目前隨著技術的進一步發展，高分子復合材料逐漸在氣缸維護中取得了成功的應用。相對于傳統手段相比，高分子復合材料具有較為優異的耐溫性能，良好的耐壓性能，以及更為出色的密封性能，且具有良好的塑變性，受熱不會固化，密封膜不會被破壞，從而保證了機件密封面的密封；加之易于清除，使用過的密封面可以用無水乙醇或丙酮輕易的擦去，而不會附著于密封面；由于其優異的性能，逐漸受到越來越多氣缸企業的青睞。